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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.8 No.2 pp.49-57
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2017.8.2.049

Development Method for Water Circulation Industrial Land Using Storm Water Management Modeling Based on Low Impact Development and Application of Bio-polymer Soil to Industrial Land

Heo-Jin Kim1, Jong-Sup Park2
1PhD. Candidate, Department of Civil Engineering, Sangmyung University, Cheonan, Chungnam, Korea
2Professor, Department of Civil Engineering, Sangmyung University, Cheonan, Chungnam, Korea
Corresponding author: Park, Jong-Sup Department of Civil Engineering, Sangmyung University, 31-gil Sangmyung-ro, Dongnam-gu, Cheonan, Chungnam, 31066, Korea. +82-41-550-5314, +82-41-577-1201jonpark@smu.ac.kr
May 1, 2017 June 5, 2017 June 8, 2017

Abstract

In this study, the land use is analyzed by using the SWMM-LID (Low Impact Development) program to minimize the environmental damage caused by the development. In order to effectively utilize pre - development hydrological conditions, we analyzed the land use of existing industrial complex. The study areas selected were a completed industrial complex and an ongoing industrial complex in order to effectively identify the characteristics of the industrial complex and the water circulation system. Numerical simulation used SWMM-LID to enable quantitative hydrological impact assessment of penetration, storage facilities and LID planning elements. In the case of natural conditions, the infiltration amount was 16.3% and 1.5% of the total rainfall at B, C point, respectively. However, after applying the existing land use plan, the infiltration amount at point B was 12.1% and at point C was 3.9 %. In the case of point B, the amount of infiltration decreased due to the development of greenery as an impervious site. On the other hand, the amount of infiltration at point C increased as the existing industrial complex was replaced by greenery. Therefore, high infiltration amount can be secured when land use plan is redeveloped in green areas or parks in areas where the permeability coefficient is high according to the ground conditions in the complex. Two types of bio-polymer soil were developed to increase the LID effect and were tested to compare typical soil with these bio-polymer soils.


Storm Water Management Modeling을 활용한 LID 기반 물순환 산업단지 토지이용 기법개발과 Bio-Polymer Soil 적용 연구

김 회진1, 박 종섭2
1상명대학교 기술융복합학과 박사과정
2상명대학교 건설시스템공학과 교수

초록


    1서 론

    기후변화와 끊임없이 변화하는 자연현상과 더불어 우 리나라에서는 지속가능한 자연자원의 보전과 활용을 위해 노력하고 있다. 과거 토지의 적극적 활용이 요 구되었던 지역은 집중적인 도시화가 이루어졌고, 절대 보전의 우선순위와 가치가 높은 지역은 보전 중심의 관리가 이루어졌다. 산업단지의 경우 많은 기업이 일 정한 공간에 집적하여 생산 활동을 전개하고 낙후된 지역경제 활성화와 친환경 복합산업단지 및 주변개발 사업과 연계한 클러스터 형식의 개발 및 관리가 이루 어졌다(Kang et al., 2012).

    공학적인 강우관리 및 기존 산업단지의 토지이용 방식과 달리 개발이전의 수문상태를 활용하는 저영향 개발(Low Impact Development, LID)은 기존 녹지를 활용함으로서 개발로 인한 환경피해를 최소화 하였다. 또한 별도의 부지확보 필요 없이 주변공간에 간단하 게 적용할 수 있는 환경적으로나 경제적으로도 효과 적인 산업단지 조성의 필요성이 대두되었다(Park et al., 2007).

    그러나 이에 대한 구체적인 실행 방안이나 계획⋅ 실행 기법 연구와 구체적인 토지 특성에 따른 국내 도입 사례가 부족한 실정이다. 산업단지에서 효율적인 토지이용과 도시화 집중화로 인해 야기된 유출량 증 가, 열섬, 비점 오염원 증가 등의 다양한 문제를 해결 하는 기법 개발이 필요하다.

    이 연구는 단계적인 연구 수행을 통하여 LID기반 물순환 산업단지 운영기술을 개발하고자 한다. 우선 기존산업단지 중 연구대상 산업단지를 선정하여 LID 기반 물순환 산업단지 운영계획을 수립한다. SWMM(Storm Water Management Modeling) 모형 모의와 유출 및 수질 모의를 계획하고 해당 모의 수 행 모형을 결정한다. 모형모의를 통한 영향분석 결과 를 이용하여 LID기반 물순환 산업단지 운영기술의 운영방안을 도출한다.

    2LID기반의 물순환산업단지

    기존산업단지의 경우 수문⋅환경 분야에서 문제점들 이 제기되고 있으며 이러한 문제점을 보완하기 위해 생태산업단지가 구축되었으며, 녹지 확보 위주의 생태 산업단지가 가지는 한계성을 극복하기 위한 LID기반 의 물순환 산업단지의 계획⋅설계기법 구축 및 적용⋅ 운영기술 개발의 필요성이 증대되었다.

    저영향개발(LID)은 강우유출 발생지점 즉 발생원 에서부터 침투, 저류를 통해 도시화에 따른 수생태계 를 최소화하여 개발 이전의 상태에 최대한 가깝게 만 들기 위한 토지이용 계획 및 도시개발 기법을 말한다 (Ministry of Environment, 2013b). LID 기법은 기존 의 강우유출수 관리와는 근본적으로 다른 접근방식을 가지며, 선진국에서는 강우유출수의 관리에 있어서 빗 물을 신속히 배수하는 시스템이 아닌 예술성과 환경 오염부하를 줄이는 방법을 활용하고 있다.

    기존 개발방식과 LID 개발방식의 차이점은 물순 환 및 수환경의 차이를 가져오며, 신속한 배수를 목 표로 하는 기존 개발방식에 비해 첨두유출량을 감소 시키며, 도시 및 발생원에서 빗물을 침투, 저류, 증발 시켜 물을 머금는 형태이다. 따라서 기존 산업단지와 생태산업단지 개발 시 LID 요소기술을 적절히 배치 하여 운영할 경우 자연적 물순환 체계를 유지함과 동 시에 물환경 개선, 미기후 향상, 주민친화성 향상 등 의 효과를 볼 수 있다(Ministry of Environment, 2013a). 다음 Table 1은 기존방식과 LID방식을 단계 별로 비교한 것이다.

    3연구대상 산업단지 선정 및 분석

    LID기반 물순환 산업단지 운영기술 개발을 위한 산 업단지의 토지이용특성, 기상현황, 유역특성 등을 파 악하기 위하여 산업단지 조성이 이미 완료된 기존 산 업단지와 현재 조성 중인 산업단지를 선정하였다. 산 업단지 선정 시 산업단지내 접근성이 좋으며, LID 적 용이 쉽고 유역현황 자료구축 및 모니터링이 가능한 대상지를 선정하였다. 기존산업단지와 조성되는 산업 단지 특성과 물순환체계 구축 전⋅후를 효과적으로 파악할 수 있는 산업단지로 검단일반지방산업단지와 석문국가산업단지를 선정하였다.

    3.1검단일반지방산업단지

    검단일반지방산업단지는 유역면적 2.203km2 로 인천도 시공사가 추진하고 있는 조성사업의 일환으로 행정구 역상 인천광역시 서구 오류동에 위치하고 있다. 단지 는 전체면적 중 산업시설용지 61.3%와 지원시설용지 2.5%, 주거용지 0.3%, 공공시설용지 35.9% 등으로 구 성하여 계획되었으며 그 중 공원⋅녹지(완충녹지, 공 원, 저류시설)는 10.1%이며 빗물유출량 및 오염물질 배출이 높은 도로는 전체의 20.5%를 차지한다. 아래 Table 2와 Table 3은 검단일반지방산업단지의 표고 분석과 경사 분석 결과를 나타내고 있다.

    또한, 모니터링단지의 특성(유출, 토지이용계획 등) 파악을 위하여 현장조사를 실시하였다. 현장조사 는 다음 Fig. 1과 Fig. 2와 같이 사전에 우수계획평면 도로 A, B, C, D 유역으로 구분하여 방류구 및 합류 지점을 중심으로 실시하였다. A유역의 경우 총 3개의 저류지가 조성되어 있으며, B, C, D 유역은 1개소가 조성되어있다.

    3.2석문국가산업단지

    충남 당진군에 위치하고 있는 석문국가산업단지는 총 면적 12.018km2 , 호소 면적 0.657km2 , 유수지 최저계 획고 EL.(-) 3.0m 관리수위 EL(-) 1.5m, 계획 홍수 위(H.W.L) EL(+) 1.5m, 최대 담수용량 2.618 km2 의 유역형상을 띄고 있다.

    석문국가산업단지의 현장조사는 단지 내에 발생하 는 빗물이 관로를 통해 유수지내로 유입되는 지점에 대해 실시하였으며, 단지가 공사 중에 있어 주변 도 로 및 제방도로를 우선으로 실시하되 내부 공사가 진 행된 곳의 경우 우수관로 및 유출구에 대해 현장조사 를 실시하였다(Fig. 3).

    석문국가산업단지 주변도로와 제방도로의 배수시 스템을 조사한 결과 제방 옆 도로의 우수를 배제하기 위하여 약 200m 간격으로 도로 양쪽으로 집수정(우 수받이)이 설치되어있다. 도로하부 횡방향으로 우수관 로가 매설되어 완충녹지 방향 도수로를 설치하여 우 수를 배제하는 것으로 조사되었다.

    Fig. 34번 조사지점을 제외하고는 1번부터 10 번 조사지점은 주변도로 및 제방도로의 우수를 완충 녹지를 거쳐 석문유수지로 배출되는 것으로 조사되었 으며, 4번 지점은 건물 주차장, 옥상배수 등의 우수가 4번 유출관을 통해 유수지내로 유입되는 것으로 조사 되었다.

    석문국가산업단지 조사 결과 주변에서 발생하는 다량의 빗물유출수내 고농도의 비점오염원을 포함하 여 석문유수지내로 유입되며, 5번 지점에서 확인한 유출수에 의한 사면침식, 토사유입, 쓰레기 및 협잡물 유입, Oil & Greese, 중금속 등의 오염물질이 직접 유입되는 것으로 조사되었다.

    2013년 5월 09일∼10일에 석문국가산업단지 주변 제방도로 7번 지점에 대한 유량 및 수질조사를 실시 하였다. 배수면적은 약 1,400m2이며, 수질시료 채취방 법은 해당 유역면적에서 발생하는 빗물에 대한 수질 및 유량 특성이 파악될 수 있도록 연속적으로 측정하 였으며, 시료채취 간격은 유출이 발생하는 시점을 기 준으로 0분 5분 10분 15분 30분 1시간 단위로 시료를 채취하였으며, 1시간 이후부터 강우종료까지 1시간∼4 시간 간격으로 시료를 채취하였다. 강우 특성 결과는 총강우량 17.7mm, 총강우지속시간 13.28hr, 총유출지 속시간 8.65hr, 평균강우강도 1.33mm/hr, 총강우량 25.0m3, 총강우지속시간 22.919m3로 유출률은 91.5% 로 나타났다.

    석문국가산업단지 7번 지점 유역의 강우 시 유량 및 수질조사를 실시하기 위하여 총 11개의 수질시료 를 채취하였다. 강우초기 수질시료 겉보기 농도분석 결과 강우초기(0∼30분)의 강우유출수가 높은 농도로 유출되는 것으로 나타났으며, 주로 화물운반차량과 관 광 차량 등 차량으로 인한 토사, 부유물질, 중금속 등 이 배출될 것으로 예상된다. 유출수 수질 분석결과 TSS의 경우 14.6∼685.0 mg/L의 범위를 나타내고 있으며, CODCr은 12.0∼67.7 mg/L, TN은 1.18∼ 10.08 mg/L의 범위를 나타내고 있다. 중금속의 경우 Zn은 0.137∼0.247 mg/L, Cd는 0.0028∼0.0084 mg/L, Pb는 0.049∼0.118 mg/L로 분석되었다.

    3.3LID 산업단지 적용 방안

    산업단지 계획 흐름은 현황조사, 현장조사 및 여건분 석, 기본구상, 각종 계획 등의 순서로 구분할 수 있다. LID 적용은 기본구상 및 각종계획 시행중 공원⋅녹 지 위치 및 규모 구상시 반영할 수 있으며, 적용되는 각종 법률을 참고하여 계획에 반영할 수 있다(Soe, 2008).

    산업단지 설계는 현장조사, 상위계획검토, 기본 및 실시설계로 구성되며, 계획에서의 LID 요소 반영과 시설물 설치로 기대할 수 있는 요소를 모두 적용할 수 있다.

    이 연구에서는 LID 기반 산업단지 토지이용계획 (안) 개발을 위하여 우선 산업단지 조성 시 적용 가 능한 LID 요소 기술(환경부, 2013)을 검토하였다. 총 10가지의 시설 중 토지이용별 적용성을 검토하여 산 업단지 계획 및 설계, 조성 시 적용 형태별 LID시설 을 검토하였다.

    LID 적용 시 우수집수가 용이하고 주변 녹지와 기타 유역우수 등을 고려하여 LID적용(안)을 수립하 였다. 고려내용으로는 처리배수유역의 비점오염원 발 생 특성, 계획부지 특성, 유지관리 용이 및 설치비용 저감, 구조적 및 주민의 안전성 확보, 주변 환경과의 조화, 지하수위 등이 있다.

    공원 및 일반녹지 등의 구성을 달리하여 물수지가 개선되는 최적(안)을 제시하고 이에 대한 분석을 실 시하였으며 그 내용은 다음과 같다.

    대안 첫 번째는 당초의 가로망을 유지하고 LID 효과를 높일 수 있는 위치로 공원⋅녹지 위치를 변경 하여 투수계수가 가장 양호한 지역으로 공원을 배치 하는 방법과 두 번째는 첫 번째 대안을 기준으로 하 여, 가로망을 일부 변경해 비점오염원이 가장 많은 대로변에 녹지를 설치하는 것이다.

    따라서, 모니터링 단지를 대상으로 LID기반 산업 단지 적용성 검토를 실시하여 SWMM모형을 이용하 여 LID 개념을 고려한 산업단지 토지이용계획(안)을 기준으로 모의를 수행한다.

    4SWMM을 활용한 모델링

    본 연구에서는 모니터링 단지의 모니터링지점에 대하 여 개발이전 상태(소규모 공업단지, 개발 전), 산업단 지 조성 후(기존 토지이용), LID 개념을 반영한 산업 단지(LID 기반 토지이용(안))에 대해 분석하기 위해 SWMM-LID 모형을 사용하였다.

    SWMM 모형은 강우주상도, 기상자료, 소유역의 자료, 하수관거 자료를 입력하여 유역의 유출 유량과 수질을 예측하고, 오염물질에 대한 처리를 모의할 수 있다(Lee et al., 2011).

    SWMM-LID모형은 SWMM모형에 LID 빗물관리 시설의 수문영향분석이 가능하도록 추가 수정개발된 것으로 모형은 미국EPA(미환경보호국)에서 기존 SWMM모형에 빗물정원, 습지, 침투트렌치, 침투정, 식생도랑, 투수성포장, 빗물정원 등의 LID 시설 모의 가 가능하도록 개발된 모형이다. 따라서 침투⋅저류시 설 및 LID 계획요소의 정량적인 수문영향평가가 가 능하다. Fig. 5는 SWMM-LID모형의 구성 및 유출개 념을 설명한 그림이다.

    4.1LID적용 지역 선정

    모니터링 지점 선정 시 지역 선정은 접근성이 용이한 지, 토지이용특성을 잘 반영하는지, 배수유역을 확보 할 수 있는지, 모니터링시 안전한지, 결과에 대한 대 표성을 가지고 있는지 여부를 가지고 판단하였다.

    판단기준에 따라 모니터링 지점은 B유역과 C유역 을 선정하였으며, B유역은 복합시설용지의 대표성을 보이고 있다. C유역은 공장용지가 대부분 위치하고 있어 산업적 특성을 나타내고 있다(Table 4).

    4.2모니터링단지 유출 특성 분석

    모니터링단지에 대한 유출특성을 파악하기 위해 강우 시 유량과 수질 모니터링을 실시하였다. 유량측정은 유량계를 이용하며, 수질시료 채취는 객관적 평가를 위해 Table 5와 같은 조사항목으로 실시하였다.

    이 연구에서 모니터링단지의 특성을 도출하고자 인근 기상관측소를 중심으로 월별 강우량과 연 강우 량 등을 분석하였다. 그 중 검단산업단지와 같은 행 정구역에 위치하는 공촌동(511)지점을 활용하였다. Fig. 6은 모니터링단지의 월별 강우량과 연강우량을 2010년부터 2014년까지 분석하여 나타낸 것이다. 분 석 결과 6월, 7월, 8월에 강우가 집중되는 전형적인 국내강우특성을 나타내었으며, 전체 연강우의 약 60% 를 차지하는 것으로 분석되었다.

    4.3모니터링 결과

    이 연구에서 신규 모니터링단지를 선정하고 3월부터 강우 시 모니터링을 수행하였다. Table. 6은 2014년 1 월부터 10년 월평균강우량의 약 22∼69%의 강우량을 나타내었다. 모니터링 당시 B지점 주변으로 교량공사 가 진행 중에 있었으며, 다량의 토사가 유역 주변 도 로에서 유입되었다. 모니터링 시 오전 1회 살수차 운 행으로 토사가 유입되어 시료 겉보기 농도가 높게 나 타났다.

    Fig 7은 B지점과 C지점에서 채취한 수질분석 결 과의 Hydro-Polluto 그래프를 나타낸 것이다. 오염물 질별 유출특성은 초기 높은 농도로 유출되다 낮아지 는 경향을 보이고 있다. 그러나 B지점의 경우 살수차 운행으로 다량의 토사가 유입되었던 시료에서는 입자 상 물질과 유기물질, 중금속 등 고농도의 오염물질이 발생하는 것으로 확인되었다. 또한 유출량과 강우량에 대하여 선형회귀분석을 수행한 결과 B지점의 유출계 수는 약 0.88, C지점은 0.87로 산정되었다(Fig.8).

    4.4모니터링단지 유역특성인자 구축

    모니터링단지에 대하여 물리적 매개변수와 수문학적 매개변수를 구축하였다. 물리적 매개변수는 유역면적, 유역평균경사, 불투수 면적비율 등이며, 수문학적 매 개변수는 Mannong계수, 지표면저류, 침투계수 등을 나타낸다. 모니터링단지(Fig. 9, Fig. 10)에 대하여 2004년부터 2013년 동안 시강우자료를 이용하여 물수 지분석을 실시하였다. 모니터링단지에 대한 유역특성 입력 자료는 다음의 Table 7과 Table 8과 같다.

    Curve Number의 경우 평시 유역에 대한 물수지 분 석에 적용 가능한 AMC-Ⅲ를 적용하였다.

    5SWMM 모의 및 분석 결과

    모니터링단지(Fig. 10a)의 모니터링지점(B지점, C지 점)에 대하여 개발이전 상태(소규모 공업단지, 개발 전), 산업단지 조성 후(기존 토지이용), LID 개념을 반영한 산업단지(LID 기반 토지이용(안))에 대하여, 최근 10년(2004년∼2013년) 강우자료를 적용하여 분 석하였다(Fig. 10b). Table 9은 지점별 강우량, 침투 량, 지표증발샹, 지표유출량의 분석결과를 나타내고 있으며, Fig. 11은 개발전후의 유출분석 값을 나타내 고 있다.

    6Bio-polymer 개발 및 LID영향 분석

    모니터링 단지에 대하여 LID 영향도를 향상시키기 위하여 Bio-polymer soil를 개발하고 자연 흙 상태, Beta-glucan적용, Xanthan gum적용으로 구분하여 식생발아 및 생장, 강우에 의한 토양유실량 등을 실 험을 통하여 분석하였다. Fig. 12는 개발된 Biopolymer soil의 전자주사현미경 영상으로 촘촘하면서 다공질의 모습을 보이고 있다. Fig. 13을 살펴보면 세 가지 토양의 식생 성장모습을 비교한 것으로 Beta-glucan적용 흙이 빠른 성장을 보였으며, 다음으 로 Xanthan gum적용 흙도 상대적으로 자연 흙보다 우수한 성장속도를 보였다.

    Fig 14와 Fig. 15는 자연 흙, Beta-glucan적용, Xanthan gum적용 상태에 따른 흙의 유실실험 및 실 험결과를 나타내고 있다. Bio-polymer soil을 적용한 Beta-glucan적용, Xanthan gum적용 시 유실이 거의 발생하지 않았으며, 자연 흙만을 적용한 경우 15번째 강우 후 60%가까이 흙이 유실되었다. 본 실험을 통 하여 Bio-polymer soil 적용을 통해 LID 효과가 크 게 향상되는 것을 확인할 수 있었다.

    7결 론

    산업단지 조성 시 기존의 개발방식에서 LID를 기반 으로 하는 물순환 산업단지를 도입함으로써 기존 산 업 단지가 가지고 있던 문제점들을 개선하였다. 토지 이용의 효율적 배치, 녹지공간의 효율과 주변 자연 여건 및 기후 고려, 개발지와 보전지의 선택 및 기능 화 등을 검토하였다. 도시계획적인 기법을 적용함에 있어서 공학적으로 SWMM을 통해 정량적 지표와 방 법을 제시하였고 향후 산업단지의 개발함에 있어 토 지이용관리 및 운영기술 방법을 제시하였다. 또한 녹 지, 도로를 중심으로 연구 모니터링 대상지인 검단일 반산업 단지를 대상으로 자연 상태와 기존토지이용계 획 적용 후 물순환 모델링을 통해 효과를 검토하였다.

    자연 상태의 경우 B지점과 C지점은 침투량은 전 체 강우의 16.3%, 1.5%이었으나 기존 토지이용계획 적용 후는 B지점은 12.1%, C지점은 3.9%로 나타났 다. 이는 B지점의 경우 녹지가 불투수 지역으로 개발 됨으로써 침투량이 감소하였으나, C지점은 기존 공업 단지가 형성된 곳을 공원과 녹지로 배치함으로써 침 투량을 증가시킨 것으로 분석되었다.

    단지 외부로 유출되는 양은 B지점과 C지점의 경 우, B는 3.4% 증가, C는 2.7% 감소하는 것으로 분석 되었으며, 침투가 이루어지지 않은 수량이 일부 유출 되는 형태로 물순환이 변화하였으며, 단지 내 지반조 건에 따라 투수계수가 가능한 높은 지역으로 녹지나 공원 등을 재배열하는 토지이용계획을 적용하면 높은 침투량을 확보할 수 있다는 결과를 도출할 수 있었다.

    모니터링 단지에 대하여 LID 효과를 향상시키기 위하여 Bio-polymer soil를 개발하고 자연 흙, Beta - glucan적용, Xanthan gum적용 상태로 구분하여 식 생발아 및 생장, 강우에 의한 토양유실량 등을 실험 을 통하여 분석하였다. 실험을 통하여 개발된 Biopolymer soil의 우수한 식생 발아와 성장을 확인할 수 있었으며, 토양유실 방지 또한 매우 우수함을 확 인할 수 있었다.

    Figure

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    Subwater Shed in Complex

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    Flow of Rain Water

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    Location Map of Site Investigation

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    Samples for Water Quality Analysis

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    SWMM-LID Model Construction and Water Flow

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    Monthly Rainfall of Monitoring Complex

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    Density and Flow Curve of Rainfall (Hydro-Polluto Graph)

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    Computation of Run-Off Coefficient Using Flow Curve of Rainfall

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    Partition Map of Subwater Shed in Complex

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    Locations of Outflow and SWMM Simulation

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    Annual Run-Off by Watershed

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    Electron Microscope Picture of Bio-Polymer Soil

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    Germination and Growth of Vegetation

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    Soil Loss Test

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    Accumulate Amount of Soli Loss

    Table

    Comparison of Development Methods

    Results of Elevation Analysis

    Results of Slope Analysis

    Monitoring Point Characteristics

    Monitoring Data and Procedure

    Results of Monitoring

    Monitoring Complex Watershed Characteristics Factor (Before Development)

    Monitoring Complex Watershed Characteristics Factor (After Development, LID application)

    Results of Hydrological Balance Analysis by Monitoring point

    Reference

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