도시에서 홍수를 예방할 수 있는 방안의 하나로 그린루프(Green Roofs)가 주목받고 있다. 최근 발표된 홍수예측 및 수치 시뮬레이션 연구는 그린루프의 빗물흡수 효과 능력에 대해 논의하고 있다. 이 연구는 그린루프가 어떻게 하면 효과적으로 홍수를 경감할 수 있는지를 보여주여, 그린인프라스트럭처 관련 연구 및 정책에 기여하고 있다.

빠른 도시화는 도시의 빌딩을 증가시키고 녹지의 감소를 가져왔다. 녹지가 빠르게 감소되면서 인간 생활에 관련된 많은 문제들이 발생하고 있다. 예를 들어 식생이 파괴되어 빗물이 토양으로 흡수되지 못하고, 지면에 흘러 홍수의 위험이 커지게 되었다.

도시 지역에서 홍수의 위험을 저감시키기 위해 몇몇 전략이 제안되었으며 그 중 하나는 지붕에 식물을 심은 그린루프를 만들어 빗물을 흡수하는 것이다. 다른 전략과 비교하면 그린루프는 현존하는 공간을 사용함으로써 상대적으로 쉽게 이용할 수 있기 때문에 유럽 전역에 걸쳐 널리 이용되고 있다.

일반적인 그린루프는 몇 겹의 층으로 이루어져 있으며, 구체적으로는 초목 층(vegetation layer), 중간 층, 필터-배수 층 및 평지붕층으로 이루어져 있다. 여기에서 물을 흡수할 수 있는 그린루프의 능력은 지역의 기후와 초목의 종류, 레이어층 및 지붕의 구조와 특성에 따라 달라진다. 이전 연구에서 강우량과 유출량(흡수되지 않고 지붕을 흐르는 물)의 관계에 영향을 미치는 요소를 발견하려는 시도가 있었지만, 경우에 따라 달라 간단하게 관계를 기술할 수는 없었다.

본 연구의 목적은 토양수분데이터를 활용하여 그린루프에서 강우량과 유출량의 관계를 일반적으로 기술하는 것이다. 연구진은 먼저 이 관계를 이론적으로 분석하여 그린루프에 들어가는 물의 양과 나오는 물의 양을 기술하는 식을 분석하였다. 연구진은 강우 이전의 토양수분 및 그린루프를 이루는 층의 깊이가 중요하다는 것을 밝혀내었다. 즉, 초기 토양수분이 높으면 그린루프가 수분을 흡수하는 능력이 떨어지고, 두꺼운 층이 있으면 유출량이 적어진다는 것이다.

이 모델을 실증하기 위해 연구진은 중국 베이징에서 실증실험을 하였다. 120m2의 그린루프에서 동아시아지역의 세둠의 하나인 Sedum lineare를 사용하여 2012년 4월 1일에서 2012년 7월 31일까지 수행되었으며, 그 사이에 총 15번의 강우가 관측되었다. 가장 심했던 강우는 7월 21일의 강우로 79명이 사망하고, 116.4억 위안의 경제손실을 가져왔다. 매 강우 이벤트마다 강우량 및 물의 유출량을 측정하였다.

연구진은 이 모델을 적용하기 위한 수치분석을 수행하여 유출이 일어나는 두 가지 다른 메커니즘을 밝혀내었다. 하나는 포화초과(흙이 물로 포화되어 있음)와 다른 하나는 침투초과(비의 강도가 흙에 들어갈 수 있는 용량을 넘음)였다.

이 모델을 이용하여 3번의 폭우에서의 유출을 포화초과와 침투초과로 나누었다. 이 중 2번은 침투초과와 포화초과로 나뉠 수 있다. 강우의 강도가 덜 한 경우 생기는 유출은 대부분 포화에서 기인한다. 침투초과로 인해 나오는 유출은 단기간에 일어나는 경향이 있으며, 포화초과는 더 긴 기간에 일어난다. 연구진은 침투초과로 인해 발생한 유출량을 측정하자 이는 전체 중 매우 일부분만을 차지한다는 사실을 확인하였다. 베이징에서 과거 60년만에 가장 강한 강우였다고 하는 날에도 침투초과는 6%만을 차지하였다. 지붕의 경사를 추가하여 침투초과를 늘리는 경우에도 9.3%로 그 양은 무시할만하였다. 이는 유출은 포화초과를 주로 원인으로 하며 이는 평지나 경사있는 그린루프의 설치 시 향후 고려할만하다.

연구진은 이번 연구를 통해 강우량이나 초기 토양수분량을 통해 유출을 계산할 수 있으며, 이는 지금까지의 연구성과와는 다른 것이다. 문헌 연구와 다른 필드테스트를 통해 강우량이 다르거나 식목 종류가 다른 경우에도 일괄 적용이 가능하였다. 이러한 연구성과는 향후 그린루프의 설계 시 중간층을 두껍게 하고 토양 수분을 낮게 하여 그린루프의 효과를 향상시킬 수 있다는 것을 시사한다.

 

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 12월 11일]

 

 

Green roofs have been proposed to mitigate flooding in urban areas. This study combined field experiments and numerical simulations to investigate the ability of green roofs to absorb rainwater. The authors describe how green roofs can be most effective at mitigating flooding, providing findings which will be important for policy on green infrastructure.

Rapid urbanisation has led to increases in the number of buildings, and associated decreases in natural greenery. As well as changing the visual landscape, the loss of green spaces has created various environmental issues, many of which directly affect human livelihood. For instance, removing vegetation means rain is less likely to soak into the ground and more likely to run off, thus increasing the risk of floods.

To mitigate the risk of flooding in urban areas, a number of strategies have been proposed, including roofs that are covered with vegetation to absorb rainwater. Compared to other strategies, green roofs are relatively low impact as they utilise existing space. As a result, they have become popular across Europe.

A typical green roof consists of several layers, including a vegetation layer, a medium layer, a filtering-drainage layer, and a roof deck layer. However, the ability of green roofs to retain water varies across sites due to climate and vegetation type, as well as the structure and properties of the layers and roof. Previous studies have attempted to identify the factors that influence the relationship between rainfall and runoff (the water that is not absorbed and thus drains away from the roof). However, conclusions have been varied as there remains no simple way to describe the relationship, as it differs on a case-by-case basis.

This study aimed to develop a novel and generalisable model which, unlike past studies, incorporates data on soil moisture, is simple to use, and can be applied on a case-by-case basis. The authors first performed a theoretical analysis of the relationship, using an equation to describe the flow of water in and out of the green roof. They found that soil moisture prior to the rainfall event and the depth of the layer containing growing medium are critical to the relationship. Higher initial soil moisture reduces the ability of the roof to hold water, while having a thicker layer of medium reduces runoff.

To validate their model, they performed a field experiment on a green roof in Beijing, China. The 120 m2 roof was covered by Sedum lineare, an evergreen stonecrop plant originating in East Asia that is ideal for green roofs due to its ability to tolerate cold, draught and little need for soil. The experiment was carried out between April 1 2012 to July 31 2012, during which time 15 rainfall events were observed. Three were particularly heavy, including a severe flood on July 21st, which resulted in 79 deaths and an economic loss of ¥11.64 billion (€1.67 billion). Precipitation, water content in the medium layer and runoff were measured for each event.

Finally, the researchers performed numerical simulations to further investigate the applicability of their model, and the two different mechanisms that generate run-off: saturation-excess (when soil becomes saturated with water) and infiltration-excess (when the intensity of rainfall exceeds the rate at which water can enter the soil).

The model (called HYDRUS-1D) described runoffs for the three heavy rainfall events and separated them into those generated by saturation-excess and infiltration-excess. For the two most extreme rainfall events, runoff was generated by a combination of infiltration-excess and saturation-excess processes. The less intense rainfall event generated runoff only due to saturation. Runoff generated from infiltration-excess tends to occur for short periods when rainfall is very intense, while saturation-excess generates runoff that lasts for longer periods.

When the researchers quantified the runoff generated by infiltration-excess, they found it contributed only a small proportion of the total runoff. Even for the extreme rainfall event, which was the most severe storm Beijing has seen in the past 60 years, infiltration-excess accounted for just 6% of total runoff. Although adding a slope to the roof in simulations increased infiltration-excess runoff slightly, it remained negligible (9.3%). This suggests saturation-excess is the main cause of runoff on both flat and inclined green roofs, which will be important for future enhancements.

The researchers say that they have created a generally applicable model which makes it possible to estimate runoff using easily measurable parameters such as rainfall depth and initial soil moisture, which has not typically been used to assess runoff in past studies. The model was tested against a field experiment and literature data, proving its consistency and applicability to different conditions, such as more or less intense rainfall and different types of vegetation. The results have also provided important practical advice: a thicker medium layer and low levels of soil moisture increase the effectiveness of green roofs as flood mitigation measures.

 

[원문출처 : http://ec.europa.eu/environment/integration/research/newsalert/pdf/green_roofs_as_flood_mitigation_

measures_how_to_improve_performance_438na5_en.pdf]