Special Report ② 서울시 물수지 분석을 통한 물순환 제고방안
“녹지·오픈 스페이스 면적 확보·보전 노력 필요”
서울, 인구집중·고도개발로 도심 불투율 증가 가속화…물순환 악화·자연성 상실
물순환 회복 위해 빗물관리·물재이용 시설 등 자연계·인문계 물순환 통합 추진
서울연구원 안전환경연구실장
현재 서울시가 직면하고 있는 물순환 회복 이슈는 크게 △집중호우 빈발로 도심 침수피해 가중 △불투수면 증가로 물순환 파괴 △대기기온조절 상실 △기후변화로 인한 극대홍수 및 가뭄피해 등 4가지로 구분된다.
2010∼2011년 유례 없는 연속된 집중호우가 발생하는 등 기후변화에 의한 폭우가 서울시에 반복적으로 내리고 있다. 3일 내외로 내린 집중호우로 침수 피해액이 400억 원 이상 집계되는 등 피해가 심각한 상황으로 이러한 피해유발 폭우 발생빈도는 지속적으로 증가할 것으로 예상되며, 하천 유역 및 도심지의 피해가능성 또한 늘어날 것으로 예측된다. 재해의 위험성이 있는 강우는 시간당 30㎜ 이상 내리는 비로 연강수량은 최근 30년 평균 1천477㎜에서 2010년 2천43㎜, 2011년 2천39㎜로 크게 늘었다.
도심 건조화 가속…종로 2.79℃ 높아
또한, 서울시는 인구집중 및 고도개발로 인해 도심부 불투수율 증가가 가속화되는 상황이다. 서울시 평균 불투수율은 48.64%로, 대부분의 도심부에서 불투수면으로 인한 물순환 악화와 자연성 상실이 나타나고 있다. 이렇듯 증발산량과 침투량은 낮은 반면 표면유출량은 높아 자연물순환체계가 거의 남아있지 않은 실정이다.
서울시 기온은 50년간 연평균 12.2℃로, 최고 16.8℃, 최저 8.3℃를 기록했다. 평균 기온은 지속적으로 증가해 왔으며, 강우발생이 적은 12∼2월의 갈수기에도 최저기온 상승률이 뚜렷하게 관측됐다.
기후변화로 인한 홍수 및 가뭄 피해도 우려되는 상황이다. 2020년에서 2100년까지의 기후변화를 분석한 결과 강우량은 지속적으로 증가할 것으로 예측됐으며, 증가된 강우량의 편중현상이 심화되면서 침수피해가 발생할 것으로 보인다. 갈수기 강우량은 점점 줄어들어 하천유량이 줄어들고 가뭄피해 역시 잦을 것으로 예상된다.
침수·건조화 없는 도시 만들기 나서
이러한 이슈에 대한 해결과제로 서울시는 △침수 없는 안전복지 도시 △자연물순환이 생동하는 도시 △물기 머금은 자연 속 휴식도시를 제시했다. 서울시는 34곳의 침수취약지역을 보유하고 있으며, 단기목표로 향후 10년간 이들 지역에 집중호우에 의한 침수피해가 없도록 방재능력 수준을 향상시키고자 한다.
현재 시간당 40∼60㎜ 수준에서 오는 2021년에는 시간당 95㎜까지 침수 안전도를 확보할 계획이다. 자연물순환 회복과 소규모 방재시설 확보를 통해 시간당 100㎜의 강우에도 시민의 생명을 보호하고 재산피해를 최소화한다는 방침이다.
특히, 수해대책은 도시계획과 연계되어 추진되고 있다. 대부분의 침수피해가 반지하 주택에서 발생한다는 점을 고려해 지속적으로 반지하 주택을 없애며, 하천수위보다 낮은 저지대 및 상습침수피해지역에 대해서는 결합개발방식을 활용한 공원저류지 등을 조성할 예정이다. 다중이용시설은 침수피해가 발생하지 않도록 공공시설 복합화를 통해 저류시설을 확보, 도시구조 전체가 방재 능력을 보유하는 안전복지 도시를 조성코자 한다.
또, 침투면적을 증가시켜 대기기온 조절, 지하생태계 회복, 열섬현상 완화, 도시건조 방지를 위해 노력할 방침이다. 자연물순환을 회복시키기 위해 생활의 편리함과 고도의 기능을 버릴 수는 없으므로, 고도의 도심기능을 유지하면서 도심 내에 자연물순환 기능을 부여하는 과제를 진행하고 있다. 아울러, 침투면적과 증발산량을 동시에 확보해 빗물을 머금은 도심을 만들고자 한다. 생태하천을 조성해 시민에게 도심 속 휴식공간을 제공할 계획이다.
침수피해 발생시간 3.8시간에 불과
현재 서울시 도시화는 약 95% 정도 완료된 상태로 이에 따라 자연물순환 또한 변화 양상을 보이고 있다. 2009∼2013년 5년간 연평균 강우량은 1천739㎜로, 특히 2010년과 2013년의 강우량은 600㎜ 이상 차이가 있다. 강우량의 차이도 문제지만 발생시간도 상당한 편중현상을 보인다. 시간당 0∼2㎜의 강우는 연간 364.5시간으로 전체의 67%를 차지하고 있으며, 이어 2∼5㎜가 97.3시간(18%), 5∼10㎜가 50.9시간(9%) 순으로 많은 것으로 조사됐다.
흔히 침수피해를 일으키는 강우 규모는 시간당 30㎜ 이상의 비가 오는 경우를 말하는데, 이러한 폭우의 발생시간은 연중 3.8시간에 불과하다. 즉, 연강수량의 60∼70%에 해당하는 강우가 3.8시간 내에 발생하는 것이다.
토지이용 및 물수지 변화로 인해 물순환 체계도 바뀌고 있다. 1960년대의 서울시를 자연상태로 가정하고 2010년까지 50년간의 변화를 조사한 결과, 1962년 불투수율이 7.8%이었던 데 비해 2010년에는 47.7%로 6배 가량 증가했다.
2014년 기준 서울시 전체의 불투수 면적은 48.64%으로, 2010년 47.7%보다 1% 증가했다. 이는 독일의 친환경 도시로 알려진 프라이부르크와 비교했을 때 큰 차이가 없는 수치이나, 문제는 서울시 내 산림이 외곽에 분포해 있다는 것으로 산림과 시가지가 이분화된 형태를 띠고 있다. 실질적으로 시민이 활동하는 시가화지역의 불투수율은 77.02%로 매우 높으며, 따라서 물순환 회복사업은 시가화지역의 불투수율을 낮추는 것을 목표로 한다.
시가화지역 표면유출량 1천㎜ 넘어
1961년부터 2010년까지 불투수율에 따른 물순환 변화량을 조사한 결과, 불투수율 증가에 따라 표면유출량이 선형적으로 증가한 반면 증발산량은 감소한 것으로 드러났다. 나아가, 증발산량과 침투량이 감소함에 따라 표면유출량이 늘어난 것으로 분석된다.
불투수율이 1% 증가하면 표면유출량은 0.83% 늘어나는 데 반해 증발산량과 침투량은 각각 0.35%, 0.45%씩 감소한다. 따라서 서울시에 발생하는 침수피해는 불투수율의 증가로 인해 표면유출량이 큰 폭으로 커짐으로써 직접적인 영향을 받는 것으로 파악된다.
서울시 전체 면적 605.4㎢의 물순환량을 보면 연간 강우량 1천739.4㎜ 중 증발산량은 397.1㎜로 22,8%, 침투량은 585.4㎜로 33.7%, 표면유출량은 757㎜로 43.5%에 해당한다. 증발산량과 침투량을 합한 56.5%보다 표면유출량이 10% 이상 적은 상황이다.
이처럼 표면유출량이 커지면서 침수피해가 자주 발생하는 반면, 증발산량과 침투량은 감소하며 도시가 점점 건조해지고 지하수위가 낮아지는 추세이다. 이에 서울시의 물순환 회복사업은 표면유출량을 줄이고 침투량과 증발산량을 증가시키고자 진행되고 있다.
자연계·인문계 물순환 통합관리 필요
서울시는 이러한 문제를 해결하기 위해 2020년을 목표로 물순환 회복량 제고방안을 수립했다. 방안은 크게 △자연계 물순환과 인문계 물순환 통합 △자연침투면 보전 △침투기능 확대 및 회복 △저류침투에 의한 침투기능 극대화 4가지로 제시된다.
지금까지 서울시에서 언급해 온 물순환은 자연계 물순환에만 국한되어 왔으나, 이러한 자연계 물순환은 도시화에 의해 불투수율이 상승하며 체계가 무너지고 있다. 한편, 물순환 문제는 인구밀도증가에 의한 사람의 물사용에도 크게 영향을 받으므로 인문계 물순환까지 고려해야 한다는 것이 서울시가 제시한 방안이다.
자연계 물순환을 파괴하는 주된 요인은 불투수율로, 이를 해결하는 방법으로 빗물침투시설 및 빗물이용시설의 설치가 있다. 이에 서울시는 2013년 빗물관리기본계획을 수립, 2020년까지 설치를 목표로 하고 있다. 빗물관리기본계획에 따르면 서울시는 시간당 빗물관리대책량 13만2천115㎥, 빗물침투대책량 9만9천150㎥, 빗물이용대책량 1만8천822㎥, 빗물이용시설용량 34만6천818㎥를 보유하게 될 계획이다.
또, 4만5천800㎥ 규모의 빗물이용시설을 설치해 연간 표면유출량 66만4천㎥를 줄이고 하수발생량 및 방류량을 저감할 예정이다. 2020년까지 목표량을 달성할 경우 시가화지역에서 표면유출량이 0.1% 저감됨으로써 인문계 물순환에서 상수도 사용량과 하수발생량이 각각 0.1%씩 감소하고 CSOs 배출량 또한 0.1% 줄어들 것으로 예상된다.
빗물침투시설, 자연계 물순환에 긍정적
빗물침투시설은 특히 자연계 물순환을 큰 폭으로 변화시킬 수 있는 방법이라고 판단된다. 서울시는 2020년까지 시간당 9만9천150㎥ 용량의 침투시설을 설치할 예정으로, 완공 시 시가지 증발산량과 침투량이 각각 12.3%, 7.7%씩 증가하고, 표면유출량은 3.6% 저감될 것으로 보인다. 인문계 물순환에는 직접 영향은 없으나 증발산량이 줄어들며 하수발생량과 CSOs 배출량도 1.0%씩 감소하는 효과가 보일 것으로 기대된다.
한편, 중수도 시설은 설치 완료 시에도 자연계 물순환에 영향을 주지 않을 것으로 보인다. 중수도의 물재이용량은 2010년 연간 1천180만㎥에서 2020년에는 55.7% 증가한 1천830만㎥가 될 예정이며, 중수도 재이용량이 증가한 만큼 상수도 사용량, 하수 및 CSOs 발생량, 방류량이 감소할 것으로 예측된다.
시가지 불투수율 2.11% 감소 예측
이러한 방안을 검토해 서울시가 계획하고 있는 2020년 목표를 달성했을 때 증발산량은 2014년 275.8㎜에서 2020년 294.8㎜로, 침투량은 198.4㎜에서 225.1㎜로 각 6.9%, 13.5%씩 증가하고, 표면유출량은 1천260.7㎜에서 1천213.1㎜로 3.8% 감소하는 등의 효과가 있을 것으로 기대된다.
또, 인문계 물순환에서도 상수도 사용량이 2천954.8㎜에서 2천918.9㎜로 1.2%, 하수발생량이 4천381.8㎜에서 4천316.8㎜로 1.5%, CSOs 배출량이 4천381.8㎜에서 4천300.1㎜로 1.9% 각각 감소할 것으로 예측된다.
결과적으로 위 방안들은 자연계와 인문계 물순환의 통합관리로 전체적으로 불투수율의 향상을 가져올 수 있다. 자연계 물순환 불투수율은 76.32%에서 73.04%로 3.3%p, 인문계 물순환 불투수율은 76.31%에서 75.39%로 1%p 개선될 것으로 예상된다. 이에 따라 시가지 평균 불투수율 역시 74.21%로 2014년 대비 2.11%p 감소할 것으로 보인다.
한편, 서울시 혼합지에서의 침투량은 연간 82.5㎜, 녹지 및 오픈 스페이스에서는 1천36.1㎜이다. 도시화에 의해 침투면적이 최근 5년간 면적이 0.99% 가량 지속적으로 감소하고 있으며, 이에 서울시는 녹지 및 오픈 스페이스(open space) 등 자연침투면을 보전할 계획이다.
지표면 불투수면을 침투면으로 바꾸면 해결된다고 생각할 수 있지만, 시가화지역은 이미 지하까지 모두 개발되어 있는 상태여서 인공구조물 외 토층은 많아야 1m 내외 밖에 확보하지 못한다. 따라서 자연지반인 녹지 및 오픈 스페이스 면적을 확보·보전하는 노력이 필요하다.
오픈 스페이스 면적은 불투수면인 주택지, 혼합지, 상업지, 교통시설지 등으로 개발되어 왔는데, 특히 이러한 주택지(면적률 20%)와 혼합지(13%)는 침투시설 설치가능면적률 전체의 57.7%를 차지하고 있다.
이에 서울시는 주택지와 혼합지에 대한 침투면 확대 및 침투성 회복을 계획 중이다. 경사, 지하수위, 건물 위치 등을 종합적으로 고려해 도시화지역의 침투시설 설치가능면적을 검토하겠다는 방침이다.
아울러, 침투시설을 설치할 때 저류기능을 포함한 저류침투시설로 전환할 계획이다. 비가 올 때만 기능하는 침투시설에 저류기능을 추가함으로써 비가 그친 후에도 지속적으로 침투와 증발이 일어날 수 있는 시설을 적용코자 한다. 서울시 목표량 달성을 위한 침투시설의 저류기능은 집수면적 100㎡당 저류량 3㎥를 확보함으로써 해결될 수 있다.
[『워터저널』 2015년 6월호에 게재]