1. 서 론
2. 실험계획
2.1 토조 및 측정센서
2.2 유입수 준비
2.3 실험절차
3. 실험 결과
3.1 탁수 배출율
3.2 탁도
3.3 함수비
3.4 유전 상수
3.5 전기 전도도
3.6 토양 온도
3.7 누적 미립자
3.8 미립자 함유량
4. 결 론
1. 서 론
최근 도시화 및 택지 개발의 가속화로 인해 도시 내 불투수층 면적의 증가로 이어지고 있으며, 이로 인해 강우 시 지표 유출량의 증가, 첨두 유량의 상승, 지하수 함양량 감소 등 도시 수문 순환 구조 전반에 중대한 변화를 초래하고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위한 대안으로 LID(Low Impact Development) 기법이 주목받고 있으며, LID는 토지 고유의 수문학적 특성을 최대한 보전하고, 강우유출을 최소화하는 방향으로 설계되는 분산형 시설로, 도시비점오염원 저감, 침투량 증대, 도시 열섬 완화 등 다양한 환경적 이점을 제공한다. 특히 도시 비점오염원 관리 측면에서 효과적인 대안으로 평가되며, 친환경 도시개발 및 기후탄력적 도시 기반 조성을 위한 핵심 기술로 주목받고 있다.
그러나 LID시설은 설치 이후 지속적인 유지관리가 수반되지 않을 경우 침투 효율 저하 및 기능 상실 등의 문제가 발생할 수 있다. 특히 강우 시 유입되는 탁수는 미세 입자(fines)와 유기물 등을 포함하고 있어 토양층의 공극을 막아 침투 기능을 저하시킬 수 있으며, Reddi et al.(2005)는 이를 클로깅(clogging) 현상이라고 정의하였다.
이 같은 클로깅은 단순한 투수 저하 이상의 문제를 유발하며, 침투 기반 시스템의 장기적 성능을 결정짓는 주요 인자로 작용한다. 특히, Reddi et al.(2005)는 필터 내 미세 입자의 물리적 축적이 지속적인 유량 조건 하에서 어떻게 투수계수 및 투수량 감소를 유발하는지 실험적으로 규명하였다. 이는 실제 LID 시설의 침투층에서도 유사한 물리적 폐쇄가 일어나고 있음을 시사한다.
기존의 선행 연구에서는 LID 시설의 수질 정화 기능, 침투 효율, 유출 저감 효과 등에 대한 분석이 활발히 진행되어 왔다. Hatt et al.(2009)은 투수성 포장에서의 미세 입자 축적이 투수 효율 저하를 유발한다고 보고하였고, Davis(2007)는 필터층에서의 미세 입자 퇴적이 장기적 성능 저하의 원인임을 지적하였다. 국내 연구에서는 Lee et al.(2014)이 LID 시설 설치 전후의 물순환 변화를 분석하였으며, Liu et al.(2014)은 클로깅 방지를 위한 필터 소재 개선과 주기적 세척의 필요성을 제안하였다. 그러나 대부분의 연구는 현장 모니터링 또는 이론적 해석에 중점을 두고 있어, 클로깅에 의한 토양의 지반공학적 물성 변화(함수비, 유전상수, 투수성 등)를 실험적으로 정량화한 연구는 상대적으로 부족한 실정이다.
또한, Ministry of Environment(2016)의 LID 기법 설계 가이드라인을 통해 구조물 구성 및 유지관리에 대한 기술 기준을 제시하고 있으나, 필터층 내 미세입자(fines) 축적에 따른 물성 변화에 대한 실증 기반은 제한적이다.
Zhang et al.(2020)은 도시 침투 시스템에서 반복적인 미세입자 유입이 침투 성능에 미치는 영향을 실험적으로 분석하였다. 특히, 반복적인 고탁도 탁수 유입을 통해 클로깅 현상을 유도한 후, 함수율, 유전상수 및 전기전도도 등의 센서 기반 계측을 통해 시간 경과에 따른 토양의 물리·화학적 특성 변화를 정량적으로 평가하였다. 이를 통해 필터 시스템의 물성 변화와 클로깅 진전 메커니즘을 제시하였으며, 실험실 규모의 정밀 수리 모형을 이용해 미세입자가 포함된 탁수가 LID 시설 침투층 토양의 물성 및 침투 성능에 미치는 영향을 체계적으로 규명하였다.
본 연구 결과는 LID 시설의 성능 열화 메커니즘을 이해하고, 장기적인 유지관리 전략 수립을 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
2. 실험계획
2.1 토조 및 측정센서
본 연구에서 사용한 토조 내 각 여과층의 두께는 Ministry of Environment(2016)에서 제시한 식생 기반 여과층의 토성 및 투수 특성 기준을 만족하는 범위 내에서 설정하였으며, 구체적인 층별 두께는 국내 도시형 수문유역을 대상으로 한 LID 적용 사례 연구인 Lee et al.(2014)의 실험 조건을 참고하여 결정하였다. 이는 실제 도시 유출수 침투 시스템을 모사하기 위한 실험조건으로, 현실 적용성과 실험 간 재현성을 확보하기 위함이다.
Fig. 1은 본 연구에서 사용된 실제 랩스케일 토조를 촬영한 사진으로, 센서 설치 및 여과층으로 구성된 상태를 나타낸다.
토조 바닥에 거름망으로 감싼 투수관을 설치하여 물이 투수관을 통해 배출구로 배출될 수 있도록 한다. 투수관 높이 만큼 자갈을 채운 뒤 자갈 위를 부직포 천으로 덮어 미세입자가 자갈과 섞이지 않게 한다. 부직포 천 위에 마사토를 약 10cm 높이로 채운 후 식생토로 다시 약 10cm 높이만큼 채운다. 마지막으로 생식물로 토사층을 덮는다. 토양센서를 유입구 쪽과 배출구 쪽에 약 40cm 간격으로 설치를 하였으며, 깊이는 약 8cm로 설치한다. 토양센서를 통해 함수비, 유전 상수, 전기 전도도, 온도를 실시간으로 매 10초마다 자동으로 측정하여 모니터링 한다. 배출구로 나오는 물의 pH를 측정하는 센서와 온도를 측정하는 센서를 배출구 쪽 상자에 설치한다. 처음 유입되는 물의 탁도와 물이 배출되기 시작하는 시점부터 수동 전자 탁도계를 사용하여 탁도를 측정하였으며, 실험 시작 시점부터 5, 10, 20, 40, 60분 간격으로 배출수의 탁도를 측정한다.
2.2 유입수 준비
10g/L Kaolin clay와 1g/L NaCl을 넣은 100L 물을 토조에 유입하는 동안 혼합물의 농도를 균일하게 하기 위해 혼합물 100L가 모두 유입될 때까지 전기 교반기를 사용하여 농도를 일정하게 유지해준다.
2.2.1 탁도물질 및 탁수
• 주요 탁도 유발 입자: Kaolin clay 사용
• 평균입경: 2.705µm(1회차), 2.663µm(2회차)
• 총 탁수 유입량: 100L, 유입유량: 약 5L/min
• 첫 번째 실험에 대해서는 도로에서 빗물과 함께 씻겨 들어갈 수 있는 물질 중 NaCl과 KNO3에 대해 각각 5ppm의 농도를 고려하여 여기에 100배 농도로 500ppm으로 맞추어 탁수를 제조(각각 50g씩 첨가)
• 두 번째 실험부터는 KNO3 대신 NaCl에 대해서만 10ppm의 농도를 고려하기 위해 100배 농도인 1,000ppm으로 맞추어 탁수를 제조(NaCl 100g 첨가)
본 연구에서는 탁도 유발 입자인 Kaolin clay 외에도, 실제 도로 유출수에 포함될 수 있는 대표적인 용질 성분인 NaCl과 KNO3를 혼합하여 실험 조건을 구성하였다. 이는 미세입자 침투 저해뿐만 아니라 용질 간섭 효과가 필터층의 클로깅 및 수리 특성 변화에 미치는 영향을 분석하기 위함이다. 1차 실험에서는 NaCl과 KNO3를 모두 포함한 고탁도 탁수를 사용하였고, 이후의 반복 실험에서는 NaCl만을 포함한 조건으로 통일하여 비교 실험을 수행하였다. 이러한 실험 설계는 초기 조건의 차이가 여과 반응과 클로깅 진행에 미치는 영향을 정량적으로 비교하고, LID 운영 중 다양한 오염원 유입 상황에 따른 토양 물성 변화의 민감도를 평가하고자 한 것이다.
2.3 실험절차
펌프를 이용하여 100L 탁수를 약 5L/min으로 토조에 유입한다. 배출구를 통해 탁수가 나오는 시점으로부터 5, 10, 20, 40, 60분이 지난 시점에서 배출수를 작은 용기에 담아서 탁도를 측정하고 1L 용기에 배출수를 가득 받아 놓는다.
총 12회의 실험이 종료되면 Fig. 5는 시험 장치의 평면도 상에 붉은 원으로 표시된 세 지점에서, 각각 상부층과 하부층 토양 시료를 채취한 위치를 나타낸다. 이 세 지점은 유입구, 중앙부, 배출부에 해당하며, 각 위치별로 미소 공극 내에 축적된 미립자 함유율을 정량 비교하기 위해 설정되었다.
Fig. 4
Thickness of fine particle deposits on the soil surface measured after the 12th experiment. (a) Measurements taken along a line perpendicular to the flow direction; (b) Measurements taken along a line parallel to the flow direction. All measurements were conducted using digital calipers (unit: mm)
3. 실험 결과
3.1 탁수 배출율
토조에 유입되는 미세 입자의 누적량이 증가함에 따라 물의 배출율이 감소하는 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 미세 입자가 토양 내 공극을 점진적으로 막음으로써, 토층의 투수성이 저하되고 침투 저항이 증가했음을 시사한다. 이는 반복적인 미세 입자 유입 상황에서 LID 침투층의 기능 저하가 가속화될 수 있음을 보여주는 중요한 지표이다(Fig. 6 참조).
Fig. 6은 각 실험에서 누적된 미세입자질량에 대한 배출 직후 초기 유출 유량의 변화를 선형 그래프로 나타낸 것이다. 실험 회차가 누적됨에 따라 초기 배출 유량은 지속적으로 감소하는 경향을 보였으며, 특히 누적 미세입자량이 약 7kg 이상부터 초기 배출 유량이 급격히 저하되며, 공극 폐쇄가 임계점에 도달했음을 시사하였다. 반복 주입에 따라 여과층의 수리 기능이 급격히 저하될 수 있음을 의미한다.
Fig. 7은 물이 배출구를 통해 배출되기 시작하는데 걸리는 시간을 나타낸다. 누적 미세입자량이 증가함에 따라 침투 지연 시간이 기하급수적으로 늘어났으며, 특히 9회차 이후에는 지연 시간이 두 배 이상 증가하는 특징이 나타났다. 이는 투수 경로가 기능을 상실하는 전환점이 존재함을 의미하며, 클로깅 임계점을 판단할 수 있는 정량적 지표로 기능할 수 있다. LID 시설의 장기 운영 시 이러한 침투 지연 특성을 고려한 유지관리 기준 수립이 요구된다. 미세 입자의 누적량이 증가함에 따라 물이 배출되는데 걸리는 시간이 기하급수적으로 증가하는 것을 알 수 있다.
각 실험 전후의 수위가 Fig. 8 ~ Fig. 10에 나타나 있다. 각 실험이 끝날 때 수위는 실험 횟수가 증가함에 따라 증가한다. Fig. 11은 마지막 실험 시작 전 토양층의 상태를 나타낸다. 여과 된 미세 입자가 토양의 최상층에 축적되었음을 알 수 있다.
3.2 탁도
첫 번째 및 두 번째 실험을 제외한 각 실험 종료 시점의 배출수 탁도(NTU, Nephelometric Turbidity Unit)를 Fig. 12에 정리하였다. Fig. 12는 1회차부터 12회차까지의 배출수 탁도를 막대그래프로 나타낸 것으로, 반복 실험 전·후 탁도 변화 경향을 시각적으로 비교할 수 있다. 모든 회차에서 초기 탁도 대비 배출수의 탁도가 크게 낮아졌으며, 이는 미세입자가 여과층 상부에 축적되며, 유입수 내 탁질 성분이 효과적으로 제거되었음을 의미한다. 다만, 실험 회차가 증가할수록 배출수의 탁도가 소폭 상승하는 경향이 확인되었으며, 이는 반복 주입에 따른 클로깅 진행과 함께 여과 효율이 점진적으로 저하되고 있음을 시사한다.
해당 수치는 Table 1에 요약되어 있으며, 초기 유입 탁도는 실험 조건에 따라 약 685 NTU에서 1,357 NTU 사이였고, 최종 배출수의 탁도는 1.08~3.57 NTU 수준으로 감소하였다. 이는 클로깅 진행 중에도 여과층이 일정 수준의 정화 기능을 유지하고 있음을 정량적으로 보여주는 결과로 해석된다.
Table 1.
Comparison of initial and effluent turbidity values for each experiment
3.3 함수비
3.3.1 실험 중 함수비 변화
토양센서를 통해 유입구쪽과 배출구쪽에서의 토양의 함수비 변화를 분석하였다. Fig. 13에서와 같이 유입구쪽의 센서를 통해 측정한 값은 센서 근처로 물이 유입 되면서 측정값의 변동이 나타난 것을 확인할 수 있다. 주입되는 미세 입자의 양이 증가함에 따라 함수비가 감소하게 된다. 동일한 시간 간격 동안 배출구 근처 토양의 함수비가 유입구 근처 토양의 함수비보다 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 실험 a와 b에서 다른 회차와는 상이한 경향성을 보인 원인은, 토조로 물을 펌핑하여 유입하는 과정에서 발생한 설비 이상 및 압력 불안정성에 기인한 것으로 판단된다.
Fig. 13(a)는 시험 전, (b)는 시험 후 유입구 및 배출구 근처 시료의 함수비를 시계열로 나타낸 그래프이다. 시험 전에는 함수율이 급격히 상승 후 안정화되나, 시험 후에는 상승 폭이 더 크고 하강 속도는 느려진다. 이는 반복 주입 과정에서 공극 내 물리적 통로가 미세입자로 막혀 더 많은 수분이 잔류하고 배출 지연이 심화되었음을 의미한다.
3.3.2 실험종료 후 함수비 변화
Fig. 14는 1회차부터 12회차까지 유입구 및 배출구 지점에서 측정된 토양의 함수율을 정규화하여 막대그래프로 나타낸 것이다. 실험 회차가 증가할수록 배출구 부근에서 함수율의 증가가 더욱 두드러지며, 이는 반복 실험에 따른 미세입자 축적으로 공극이 점차 폐쇄되고, 그에 따라 수분이 배출되지 못하고 잔류하는 현상이 발생했음을 시사한다.
Fig. 15는 각 실험 회차에서 유입구(a) 및 배출구(b) 주변의 함수율이 시간에 따라 어떻게 감소하는지를 나타낸 그래프로, 시간 구간별 함수율 감소량을 기준으로 표현되었다. 약 9회차 이후부터 함수율 감소량의 기울기가 완만해지는 경향이 뚜렷하게 나타나며, 이는 여과층의 공극 구조가 임계 수준에 도달하여 물 배출이 크게 저해되고 있음을 의미한다.
Table 2는 Fig. 15를 기반으로 각 실험 회차 후 24시간 경과 시점에서의 정규화 함수율 증가량을 정리한 것이다. 특히 9회차 이후부터 함수율 증가량이 급격히 상승하며, 이는 본 실험 조건 하에서 클로깅(clogging)이 본격적으로 발생하기 시작하는 전환점(transition point)으로 해석될 수 있다.
Table 2.
Increment of normalized water content after each experiment
이러한 결과는 반복적인 미세입자 주입이 필터층 내 공극을 점진적으로 폐쇄시키며, 장기적으로는 배출 지연과 잔류 수분 증가를 유발함을 정량적으로 입증하는 것으로, LID 시설의 유지관리 시점 설정과 클로깅 발생 판단에 유용한 지표로 활용 가능하다.
3.4 유전 상수
토조에 유입되는 미세입자의 누적량이 증가함에 따라 유전 상수 감소율이 감소하고 배출구 근처의 토양에서의 유전 상수는 동일한 시간 간격 동안 유입구 근처의 토양에서의 유전 상수보다 더 낮게 나타났으며, 함수비 변화와 동일한 양상을 보였다(Fig. 16~17 참조).
Fig. 16은 유입구 부근 토양의 유전상수(εᵣ)를 실험 회차별로 시계열 플롯한 그래프이다. 반복 실험에 따라 유전상수가 점차 감소하며, 이는 공극 내 자유 수분 비율이 줄어든 결과로 해석된다.
Fig. 17은 배출구 부근 토양의 유전상수 변화를 나타낸 것으로, 유입구보다 더 낮은 값을 보인다. 이는 배출구 쪽 공극 폐쇄가 유입구보다 더 심각하게 진행되고 있음을 전기적 특성으로 확인한 결과이다.
3.5 전기 전도도
실험에 따른 전기 전도도 변화는 아래와 같다.
탁수 주입 후 전기 전도도가 선형으로 감소한다(Fig. 18~19 참조). 토조에 유입되는 미세 입자의 누적량이 증가함에 따라 전기 전도도 감소율이 감소한다.
배출구 부근의 토양에서의 전기 전도도는 동일한 시간 간격 동안 유입구 부근의 토양에서의 전기 전도도보다 낮다.
3.6 토양 온도
Fig. 20~21과 같이 실험하는 동안 유입구와 배출구 부근에서의 토양의 온도는 큰 변화가 없었다.
Fig. 20은 유입구 부근 토양의 온도(Time vs. Temper ature)를 시계열로 나타낸 그림이다. 온도 변화가 거의 없음을 보여 주어, 클로깅에 따른 열적 영향이 미미함을 확인시킨다.
Fig. 21은 배출구 근처 토양의 시간에 따른 온도변화를 나타낸다. Fig. 21의 결과는 유입구의 온도변화를 나타낸 Fig. 20과 유사하게 안정적으로 유지되는 것으로 나타났다. 이는 온도 변화가 여과 특성 변화의 원인이 아님을 보여주는 사례이다.
3.7 누적 미립자
마지막 실험 이후 측정된 생식물층 상단에 축적 된 미세입자의 두께는 Fig. 22와 같으며, 누적미립자에 대한 분석결과는 아래와 같다.
유입구와 배출구의 동일선상과 수직인 가로측면에서 축적된 미세입자의 두께는 거의 균일하게 나타났다(Fig. 22 참조).
Fig. 23 토조의 측면에서 보았을 때, 축적된 미립자의 양이 유입구 부근에서 가장 크게 나타났다.
Fig. 22는 여과층 상단에서 유입구–배출구 동일선상 수직 방향으로 측정한 미세입자의 축적 두께를 단면도로 표현한 그림이다. 측정된 축적 두께는 유입구에서 배출구에 이르기까지 비교적 일정하게 나타났으며, 이는 미세입자의 침강이 특정 지점에 국한되지 않고 여과층 전반에서 동시다발적으로 일어난 결과로 해석된다. 공극 폐쇄가 단순한 국소적 현상이 아니라, 전체 침투층 내에서 고르게 발생하고 있음을 의미한다. 축적 두께가 전 구간에서 거의 균일하게 나타나, 공극 폐쇄가 고르게 발생했음을 시사한다.
Fig. 23은 유입구에서 배출구 방향으로 식생토층 표면에 쌓인 미세입자 두께 변화를 종단 프로파일로 나타낸 것이다. 유입구 부근에서의 축적 두께가 가장 크고, 배출구 쪽으로 갈수록 점차 감소하는 뚜렷한 경향이 나타났다. 이는 유입 직후 입자의 운동 에너지가 높아, 침강 및 충돌이 유입구 인근에서 집중되었음을 시사한다. 결과적으로 클로깅은 유입구에서 우선 발생하여 하류 방향으로 점차 확산되는 양상을 보이며, 유입구 집중 클로깅 현상을 고려한 유지관리 전략이 필요함을 보여준다.
3.8 미립자 함유량
Table 3과 같이 실험 후의 토양층의 미립자 함유량은 위층보다 아래층에서 더 높게 나타났으며, 유입구와 가까울 수록 위층에서의 미립자 함유량이 더 높게 나타났다.
Table 3.
Fines content by mass. The fines content of the upper and lower soil layerswere determined by taking soil samples after the last experiment at threedifferent locations along the axis of influent and effluent (17 cm, 40 cm, and 60 cm from the inlet face) The samples taken were oven-dried and sievedusing no. 200 mesh sieve to determine the mass percentage of fines
4. 결 론
본 연구는 미세 입자 유입에 따른 클로깅(clogging) 발생 메커니즘을 실험적으로 규명하고, 이에 따른 토양의 수리 및 지반공학적 특성 변화를 정량적으로 분석하였다. 실험실 규모의 수리모형을 구성하고 고탁도 점토 현탁액을 반복 주입하면서 함수율, 유전 상수, 전기 전도도, 탁도 등의 항목을 계측한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1) 미세입자 유입량 증가에 따라 침투 지연 시간이 기하급수적으로 증가하고, 배출 유량은 선형적으로 감소하였다. 이는 토양 상부 공극의 점진적 폐쇄와 관련되며, LID 시설의 침투 성능 저하를 유발할 수 있음을 시사한다. 실험 9회차(누적 약 9kg) 이후부터 클로깅이 본격화되는 임계점이 확인되었다.
(2) 탁도는 반복 실험에도 불구하고 배출수에서 1.08–3.57 NTU 수준으로 유지되어 일정 수준의 여과 기능이 지속되었으며, 정규화된 함수율은 실험 회차 증가에 따라 점진적으로 상승하였다. 유전 상수와 전기 전도도는 유입구보다 배출구에서 낮게 나타났으며, 클로깅의 진전을 반영하는 유효한 계측 지표로 기능할 수 있음을 확인하였다.
(3) 미세입자 함유량은 모든 지점에서 하층이 상층보다 높은 증가폭을 보였으며, 특히 유입구 하부에서는 5.42%로 가장 두드러졌다. 이는 심층 클로깅이 표층보다 먼저 발생할 수 있음을 시사하며, 단순 표면 관리 외에도 하부층을 고려한 유지관리 방안이 요구된다.
이러한 실험 결과는 실제 LID 시설 운영 시 반복적인 미세입자 유입에 따른 침투 성능 저하 메커니즘을 정량적으로 설명하는 근거가 되며, 여과층 설계 시 심층 축적 가능성과 클로깅 임계량(약 9kg)을 고려한 설계 기준 보완에 활용될 수 있다. 또한 본 연구는 국내 LID 설계 가이드라인 Ministry of Environment(2016)의 유지관리 기준을 정량적으로 검토한 사례로, 유지보수 주기 설정과 모니터링 항목 선정에도 기초자료로 활용될 수 있다. 향후에는 다양한 조건에 따른 클로깅 진행 특성을 확장 분석하고, 현장 기반 센서 자료와 연계한 예측 모델 개발로 연구를 발전시킬 필요가 있다.
