배수 (공학)
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1. 개요
배수(공학)는 물을 제거하거나 관리하는 기술로, 인더스 문명에서부터 시작되어 고대, 중세, 근대를 거쳐 현대까지 발전해왔다. 배수는 간선, 개거, 자연, 암거 배수 등 다양한 방식으로 분류되며, 농업, 도시, 건설, 플랜터 등 다양한 대상에 적용된다. 현대에는 지오텍스타일 필터, 슬롯 드레인, 지속 가능한 배수 시스템 등 첨단 기술이 활용되며, 배수 효과로는 침수 피해 방지, 토지 생산성 증대, 토지 가치 상승 등이 있다. 대한민국에서는 관련 법규에 의해 배수 시설의 설치 및 관리가 규제되며, 재이용을 통해 자원 순환에도 기여한다.
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2. 역사
배수의 역사는 고대 문명 시대로 거슬러 올라간다. 인더스 문명은 하수도 및 배수 시스템을 갖추고 있었으며, 하라파와 모헨조다로의 주요 도시에서는 모든 주택이 물과 배수 시설을 이용할 수 있었다.[1][5]
2. 1. 고대
인더스 문명은 고도로 발달된 하수도 및 배수 시스템을 갖추고 있었다. 하라파와 모헨조다로의 주요 도시에서는 모든 주택이 물과 배수 시설을 이용할 수 있었으며, 폐수는 주요 거리를 따라 설치된 덮개 있는 중력 하수도를 통해 처리되었다.[1][5]
2. 2. 중세 및 근대
18세기와 19세기에는 속이 빈 파이프 배수관이 발명되면서 배수 기술이 더욱 발전하였다. 네덜란드에서는 풍차를 이용한 배수 시스템을 통해 저지대를 개간하여 농경지와 거주지를 확보하였다. 속이 빈 파이프 배수관은 1753년에 사망한 휴 달림플 경이 발명하였다.[2]3. 종류
배수는 배수 방식과 대상에 따라 다양하게 분류할 수 있다.
배수 방식에 따라 간선배수, 개거배수, 자연배수로 나눌 수 있다. 간선배수는 강, 하천 등 간선 수로를 이용하는 방식이고, 개거배수는 개수로나 도랑을 이용하는 방식이다. 자연배수는 수면 기울기를 이용하여 홍수 등의 과잉수를 배제하는 방식이다.
배수 대상에 따라 농업 배수, 도시 배수, 건설 배수, 플랜터 배수 등으로 나눌 수 있다. 농업 배수는 습지 토양을 농업에 사용하거나, 토양 염분을 제어하기 위해 사용된다. 도시 배수는 빗물이나 생활 하수를 처리하여 침수 피해를 예방하고 공중 보건을 유지한다. 건설 배수는 건설 현장에서 물을 제거하여 안전하고 효율적인 작업을 돕는다. 플랜터 배수는 화분 등에서 과도한 물을 제거하여 식물 생육에 적합한 환경을 조성한다.
3. 1. 배수 방식에 따른 분류
배수 방식은 크게 간선배수, 개거배수, 자연배수로 나눌 수 있다. 간선배수는 강, 하천 및 대수로와 같은 간선 수로를 이용하여 배수하는 방법이다. 개거배수는 개수로나 도랑을 이용하는 방식이다. 자연배수는 수면 기울기를 이용하여 홍수 등의 과잉수를 배제하는 것으로, 배수문 신설 및 확장, 문비 설치 및 개량(전동화), 승수로 설치, 매립복토 등의 공법이 있다. 자연배수는 사업비 및 유지 관리가 저렴하고 경제성이 양호하나, 계획적인 배수 관리가 곤란하고 이상 홍수 발생 시 외수의 범람으로 피해가 발생할 수 있다.3. 1. 1. 간선배수
강, 하천 및 대수로와 같은 간선 수로를 이용하여 배수하는 방법이다.3. 1. 2. 개거배수
개수로나 도랑에 의한 배수방식이다.3. 1. 3. 자연배수
수면 기울기에 의해 홍수 등의 과잉수를 배제하는 것이다. 배수문 신설 및 확장, 문비 설치 및 개량(전동화), 승수로 설치, 매립복토 등에 의한 공법이 있으며, 사업비 및 유지 관리가 저렴하고 경제성이 양호하나, 계획적인 배수 관리가 곤란하고 이상 홍수 발생 시 외수의 범람으로 피해가 발생할 수 있다.3. 2. 배수 대상에 따른 분류
배수 대상에 따른 분류는 다음과 같다.- 농업 배수: 습지 토양을 농업에 사용하기 위해 배수한다. 빙하 작용으로 생긴 호수가 부식토로 채워져 생긴 늪지를 개간하거나, 해안 평야나 강 삼각주의 높은 지하수면을 낮추는 것이 그 예이다. 벼 생산과 같이 작물 주기에 따라 물을 채우거나 빼는 것도 포함된다.[1] 습한 기후에서 눈 녹은 물이나 폭우로 인한 일시적인 물에 잠김 현상을 해결하거나, 과수 생산 시 물에 잠기는 피해를 막기 위해 배수가 필요하다.[1] 건조한 지역에서는 관개 후 증발산 작용에 의해 발생하는 토양 염분을 제어하기 위해 배수가 필요하다.[1]
- 도시 배수: 도시 지역에서 빗물이나 생활 하수를 처리하여 침수 피해를 예방하고 공중 보건을 유지한다. 지속 가능한 도시 배수 시스템(SUDS)은 자연적인 물 순환을 모방하여 도시 배수의 효율성을 높이고 환경 영향을 줄이는 것을 목표로 한다.
- 건설 배수: 건설 현장에서 발생하는 물을 제거하여 안전하고 효율적인 작업을 돕는다. 옹벽과 같은 토류 구조물의 경우, 지하수 배수를 고려하여 수압 축적으로 인한 손상을 방지해야 한다.[1]
3. 2. 1. 농업 배수
습지 토양은 농업에 사용하기 위해 배수가 필요할 수 있다. 미국 북부와 유럽에서는 빙하 작용으로 수많은 작은 호수가 생겼으며, 이 호수들은 점차 부식토로 채워져 늪지를 이루었다. 이 중 일부는 개방된 도랑과 참호를 사용하여 부식토를 만들었고, 이는 주로 채소와 같은 고부가가치 작물에 사용된다.[1]이러한 유형의 세계 최대 프로젝트는 네덜란드에서 수세기 동안 진행되어 왔다. 암스테르담, 하를렘, 레이덴 사이 지역은 선사 시대에는 늪지와 작은 호수였다. 토탄 절단(이탄 채굴), 지반 침하 및 해안선 침식으로 인해 점차적으로 하를레메르 호 또는 하를렘 호로 알려진 하나의 큰 호수가 형성되었다. 15세기에 풍력 풍차 펌프 엔진의 발명으로 일부 주변 토지 배수가 가능해졌다. 그러나 호수의 최종 배수는 대형 증기 동력 펌프의 설계와 지역 당국 간의 합의를 기다려야 했다. 이 호수는 1849년부터 1852년 사이에 제거되어 수천 km2의 새로운 토지가 만들어졌다.[1]
해안 평야와 강 삼각주는 계절적으로 또는 영구적으로 높은 지하수면을 가질 수 있으며, 농업에 사용하려면 배수 시설 개선이 필요하다. 그 예로 미국의 플로리다 주 플랫우드 감귤 재배 지역을 들 수 있다. 강우량이 많은 시기에는 과도하게 습한 토양으로 인한 감귤 농장의 피해를 막기 위해 배수 펌프가 사용된다. 벼 생산은 작물 주기의 다른 단계에서 논에 물을 채우거나 빼야 하므로 완전한 물 관리가 필요하다. 네덜란드는 해안을 따라 저지대를 배수하고 원래 국가가 크게 확장될 때까지 바다를 밀어내어 이러한 유형의 배수에서도 선두를 달리고 있다.[1]
습한 기후에서 토양은 매년 짧은 기간 동안 눈이 녹거나 폭우로 인해 물에 잠기는 경우를 제외하고는 작물 재배에 적합할 수 있다. 점토가 주성분인 토양은 물을 매우 천천히 아래로 통과시킨다. 한편, 식물 뿌리는 뿌리 주변의 과도한 물이 토양을 통한 공기 이동을 막기 때문에 질식한다.[1] 다른 토양은 경반이라고 하는 광물화된 토양의 불투수성 층을 가질 수 있거나, 비교적 불투수성 암석층이 얕은 토양 아래에 있을 수 있다. 배수는 과수 생산에 특히 중요하다. 그렇지 않으면 우수한 토양이라도 일 년에 일주일 동안 물에 잠길 수 있으며, 이는 과일 나무를 죽이고 교체가 이루어질 때까지 토지의 생산성을 잃기에 충분하다. 이러한 각 경우에 적절한 배수는 일시적인 물의 흐름을 제거하여 한해살이 식물 또는 여러해살이 식물 작물의 피해를 방지한다.[1]
건조한 지역은 종종 관개를 통해 농사를 지으며, 배수의 필요성은 고려하지 않을 것이다. 그러나 관개수는 항상 미네랄과 염을 포함하며, 이는 증발산에 의해 독성 수준으로 농축될 수 있다. 관개 토지는 과도한 관개수로 주기적인 물 세척과 토양 염분을 제어하기 위한 배수가 필요할 수 있다.[1]
3. 2. 2. 도시 배수
도시 배수는 도시 지역에서 빗물이나 생활 하수를 처리하여 침수 피해를 예방하고 공중 보건을 유지하는 것을 목표로 한다. 지속 가능한 도시 배수 시스템(SUDS)은 자연적인 물 순환을 모방하여 도시 배수의 효율성을 높이고 환경 영향을 줄이는 것을 목표로 한다.영국에서는 최근 대규모 환경 검토를 거쳐 배수가 진행되었다. 지속 가능한 도시 배수 시스템(SUDS)은 계약자가 자연의 물 흐름을 더 가깝게 모방하는 배수 시스템을 설치하도록 장려하기 위해 설계되었다. 2010년부터 영국의 지역 및 근린 계획은 책임 있는 모든 개발 프로젝트에 SUDS를 고려하도록 법적으로 요구받고 있다.
슬롯 드레인은 배수와 병행하여 추가 파이프 작업 시스템을 설치할 필요를 없애도록 설계된 채널 배수 시스템으로, 생산의 환경 영향을 줄이고 물 수집을 개선한다. 스테인리스 강, 콘크리트 채널, PVC 및 HDPE는 건설 프로젝트에서 업계 표준이 된 슬롯 배수에 사용할 수 있는 모든 재료이다.
3. 2. 3. 건설 배수
건설 현장에서 발생하는 물을 제거하여 안전하고 효율적인 작업을 돕는다. 옹벽과 같은 토류 구조물의 경우, 지하수 배수를 고려하여 수압 축적으로 인한 손상을 방지해야 한다.[1]건축 수량 적산 기준 해설에 따르면, 공사에서의 배수란 공사 중의 용수 및 우수의 제거를 말하며, 그 수량은 용수량 및 강우량, 배수용 기재류의 수량을 구할 필요가 있을 때 배수의 수량과 토질 등을 기반으로 배수 계획을 설정한 후 계측, 계산한다고 한다.[1] 굴착 바닥면이 지하수위 이하인 경우 및 부지의 주위에서 유입수가 있을 때나 우수 등은 배수 처리를 하지 않으면 굴착 작업이 곤란하게 된다.[1] 따라서 통상 굴착에 따른 배수는 사전에 토질 조사, 지하수위 조사 등을 실시하여 배수 공법을 검토해야 한다.[1]
옹벽은 불투수성 재료로 시공되어 지하수의 흐름을 막을 수 있다.[1] 지하수 흐름이 막히면 벽에 수압이 축적되어 심각한 손상을 초래할 수 있다.[1] 적절하게 배수되지 않으면 옹벽이 휘어지거나 움직이고 파손되어 틈새가 벌어질 수 있다.[1] 수압은 또한 토양 입자를 침식하여 벽 뒤에 공극을 만들고 상부 토양에 싱크홀을 유발할 수 있다.[1] 전통적인 옹벽 배수 시스템에는 프렌치 드레인, 배수관 또는 눈물구멍이 포함될 수 있다.[1] 토양 침식을 방지하기 위해 지오텍스타일 필터 섬유가 배수 시스템과 함께 설치된다.[1]
물갈이 배수 계획에는 가마바 공법, 필터 우물 공법, 웰 포인트 공법, 딥 웰 공법, 지멘스 웰 공법과 같은 것들이 있다.[1] 배수 계획에 따라, 각 공법의 개소수, 연 m, 펌프 대수, 가동 일수 등으로 계산하는 것이 일반적이다.[1]
3. 2. 4. 플랜터 배수
플랜터 배수는 식물 용기 또는 화분에서 과도한 물을 제거하여 식물 생육에 적합한 환경을 조성하기 위한 배수 시스템이다. 적절한 배수는 물이 고이는 것을 방지하고 건강한 식물 성장을 촉진하기 위해 플랜터에서 매우 중요하다. 플랜터 배수에는 배수 구멍, 배수층 또는 특수 배수 시스템을 통합하여 과도한 물이 플랜터에서 빠져나가도록 한다. 이는 뿌리 썩음, 물 축적 및 식물 건강에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 기타 문제를 방지하는 데 도움이 된다. 플랜터에 적절한 배수를 제공함으로써 최적의 식물 성장을 지원하고 원예 또는 조경 프로젝트의 전반적인 성공에 기여한다.[4]플랜터 배수 방법은 다음과 같다.
4. 현대 기술
현대 배수 시스템은 여러 기술을 활용하여 효율성과 지속 가능성을 높이고 있다. 새로운 배수 시스템은 지오텍스타일 필터를 사용하여 미세한 토양 입자가 배수구에 들어가 막히는 것을 방지한다. 지오텍스타일은 토목 공학 및 환경 공학용으로 특별히 제조된 합성 섬유 직물이다. 지하수가 많은 곳에서는 배수관 바닥을 따라 구멍이 뚫린 플라스틱(PVC 또는 PE) 파이프를 설치하여 배수량을 늘린다.
HDPE로 만들어진 조립식 플라스틱 배수 시스템도 사용되는데, 코코넛 섬유나 걸레 필터를 포함하는 경우가 많다. 이러한 재료는 사용 편의성 때문에 점점 더 많이 사용되고 있다. 지난 30년 동안 지오텍스타일, PVC 필터, HDPE 필터가 가장 일반적으로 사용되는 토양 필터 매체가 되었다.[1]
4. 1. 지오텍스타일
새로운 폭풍우 배수 시스템은 미세한 토양의 입자 크기가 통과하여 배수구를 막는 것을 막고 유지하는 지오텍스타일 필터를 통합한다.[1] 지오텍스타일은 토목 공학 및 환경 공학 분야에 사용하기 위해 특별히 제조된 합성 섬유 직물이다.[1] 물이 통과하도록 하면서 미세한 토양 입자를 유지하도록 설계되었다.[1] 일반적인 배수 시스템에서는 자갈, 조개 껍데기, 돌 또는 암석과 같은 조립 입상 재료로 채워질 도랑을 따라 설치된다.[1] 그런 다음 지오텍스타일을 돌 위에 접고 도랑을 흙으로 덮는다.[1] 지하수는 지오텍스타일을 통해 스며들어 돌을 통해 배출구로 흐른다.[1] 지하수위가 높은 조건에서는 배수구에서 운반되는 물의 양을 늘리기 위해 구멍이 뚫린 플라스틱 (PVC 또는 PE) 파이프가 배수구 바닥을 따라 설치된다.[1]또는 HDPE, 종종 지오텍스타일, 코이어 섬유 또는 걸레 필터를 통합한 조립식 플라스틱 배수 시스템을 고려할 수 있다.[1] 이러한 재료는 합성 배수재 및 콘크리트 라이너보다 더 비싼 돌 배수 골재를 운반하고 설치할 필요가 없기 때문에 사용이 간편하여 사용이 점점 더 일반화되고 있다.[1]
지난 30년 동안 지오텍스타일, PVC 필터 및 HDPE 필터가 가장 일반적으로 사용되는 토양 필터 매체가 되었다.[1] 이들은 생산 비용이 저렴하고 설치가 쉬우며, 공장에서 제어되는 특성을 통해 미세한 실트 토양 조건에서도 장기적인 여과 성능을 보장한다.[1]
4. 2. 슬롯 드레인
슬롯 드레인은 수로 배수 시스템의 일종으로, 추가 배관 시스템 설치 없이 물을 효율적으로 모아 배수하도록 설계되어 생산 과정에서 환경 영향을 줄인다. 슬롯 배수에는 스테인리스강, 콘크리트 수로, PVC, HDPE 등의 재료가 사용되며, 건설 프로젝트에서 업계 표준으로 자리 잡았다.[7]4. 3. 지속 가능한 배수 시스템
지속 가능한 도시 배수 시스템(SUDS)은 도시 지역의 물 순환을 개선하고 환경 영향을 줄이기 위한 다양한 기술과 접근 방식을 포괄한다.시애틀 시립 시설은 스트리트 에지 얼터너티브 프로젝트(Street Edge Alternatives Project)라는 시범 프로그램을 만들었다. 이 프로젝트는 "기존의 파이프 시스템보다 개발 이전의 자연 경관을 더 가깝게 모방하는 배수 시스템을 제공"하는 데 중점을 둔다.[3] 이 거리는 도로 옆에 도랑이 있고, 그 지역 전체에 식물이 심어져 있는 것이 특징이다. 연석이 없는 보도에 중점을 두어 물이 거리 옆 투과성 표면으로 더 자유롭게 흐르도록 한다. 식물 덕분에 도시 지역의 유출수는 모두 직접 땅으로 들어가는 것이 아니라 주변 환경에 흡수될 수도 있다. 시애틀 시립 시설에서 실시한 모니터링에 따르면, 배수 프로젝트에서 유출되는 우수가 99% 감소했다고 보고했다.[3]
영국에서는 지속 가능한 도시 배수 시스템(SUDS)이 계약자가 자연의 물 흐름을 더 가깝게 모방하는 배수 시스템을 설치하도록 장려하기 위해 설계되었다. 2010년부터 영국의 지역 및 근린 계획은 책임 있는 모든 개발 프로젝트에 SUDS를 고려하도록 법적으로 요구받고 있다.
슬롯 드레인은 배수와 병행하여 추가 파이프 작업 시스템을 설치할 필요를 없애도록 설계된 채널 배수 시스템으로, 생산의 환경 영향을 줄이고 물 수집을 개선한다. 스테인리스 강, 콘크리트 채널, PVC 및 HDPE는 건설 프로젝트에서 업계 표준이 된 슬롯 배수에 사용할 수 있는 모든 재료이다.
5. 배수 효과
배수는 침수 피해 방지, 토지 생산성 증대, 지내력 향상, 경지 이용률 확대 등 토지의 가치를 상승시키는 효과가 있다.
6. 법규 (대한민국)
대한민국에서는 배수와 관련된 다양한 법령이 존재하여 배수 시설의 설치 및 관리를 규제하고 있다. 관련 법규는 다음과 같다.
7. 재이용
배수는 단순한 물의 제거를 넘어, 재이용을 통해 자원 순환에 기여할 수 있다. 청동기 시대부터 생활 배수를 밭 등의 용수로 재이용하는 방안이 고안되었다.[10][11][12]
일본 기후현 구조하치만정에서는 물통이라는 수조가 단으로 된 물가를 통해 단계별 용수 재이용 시스템이 활용되었다.[13] 상류는 음용수, 2단째는 헹굼터, 3단째는 음식을 식히거나 채소와 설거지를 하는 곳, 4단째는 물고기를 키워 설거지에서 나온 것을 먹이는 방식으로 활용되었다.
참조
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서적
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[2]
웹사이트
Broadside eulogy dedicated to Patrick, Earl of Marchmount, Sir Hugh Dalrymple, and others
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2015-04-05
[3]
웹사이트
Street Edge Alternatives (SEA Streets) Project
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[4]
웹사이트
4 Expert Tips for Perfect Planter Drainage
https://drainservice[...]
2023-04-15
[5]
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[6]
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Broadside eulogy dedicated to Patrick, Earl of Marchmount, Sir Hugh Dalrymple, and others
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2015-04-05
[7]
웹사이트
Seattle: Natural Drainage Systems
http://www.seattle.g[...]
2011-06-29
[8]
기타
不均一な都市植生環境における排水および溶質浸出の変動
http://www.hydrol-ea[...]
[9]
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相隣問題は当事者間の話し合いで・自然排水受忍義務
http://www.city.yao.[...]
八尾市ホームページ
2018-03-23
[10]
간행물
Soil as a wastewater treatment system: historical development
2007-03-01
[11]
웹사이트
Wastewater recycling and reuse as a water source for Mediterranean countries: Hygienic and technological aspects
http://www.oieau.fr/[...]
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[12]
서적
Wastewater reuse und management in the Middle East and North Africa a case study of Jordan
Univ.-Verl. der TU
2010
[13]
기타
郡上八幡における水利用施設の管理実態にみられる多様性と主体性について
http://library.jsce.[...]
第55回土木計画学研究発表会・講演集
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