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문제 정의
- 그 동안의 여러 연구 및 문헌들을 살펴보면, 모형의 각종 매개변수들의 변화에 따라 모의결과에 어떠한 영향을 미치는가를 살펴봄으로써 도시유역의 거동을 검토한 예들을 제시하고 있는데(Nix, 1994), 본 연구에서는 반대로 모의된 결과를 통하여 매개변수의 변화 방향을 결정하고자 하였다. 이에 따라 유출양상에 영향을 미치는 것으로 알려져 있는 불투수면적비, 유역폭, 지표저류, 지표 및 하도조도계수 등과 지면경사 및 침투계수들을 앞에서 제시한 한계기준들과의 관계로 정리하면 표1과 같은 결과를 제시할 수 있었다 즉, 측정된 유출양상과 모의결과를 비교하여 새로운 매개변수 값들을 유추해낼 수 있는 결정규칙들을 구성해 낼 수 있었으며, 한 예로 모의된 유출체적이 측정값보다 큰 경우(volumes are too big), 이를 조정하기 위해서는 불투수 유역의 면적(impervious area percentage) 또는 유역폭 (char-width)을 감소시켜보거나, 불투수 지역에서의 지표 저류량을 증가시킴으로서 모의결과를 개선시킬 수 있었다.
- 본 연구에서는 대전광역시에서 최근에 계획. 개발한노은유역을 선정하여 도시화로 인한 유출현상의 변화를 분석하였다.
- 본 연구에서는 시험 유역이 아닌 실제 유역의 도시화에 따른 유출특성을 살펴보고자 하였으며 관측 자료가 빈약한 상태에서 계산되므로 값의 객관성을 상호 보완하기 위하여 전문가 시스템을 함께 적용하여 유출영향 분석을 실시하였다 연구 유역으로는 대전광역시에서 최근에 계획 . 개발 중인 도시화유역으로 노은 지역을 선정하였다.
가설 설정
- 산출한다. 본 연구에서는 유속을 관거의 최적유속인 L0~ 1.5 m/ sec로 가정하고(대전광역시, 1999), 이 유속을 관거 구간 거리로 나누어 유하시간을 산출하였다. 따라서 노은 1 유역의 도달시간(tc)은 관거의 최장연장이 2283 m 이므로
제안 방법
- 본 연구에서는 실제 유역의 유출응답을 살펴보기 위하여 60분의 설계 강우 지속시간을 갖는 강우에 대하여 유출해석을 실시하였다 우수 유출량 산정을 위한 확률년수로는 건설부제정 "하수도 시설기준"(건설부 1988) 에 따라 간선 하수관거는 10년, 지선 하수관거는 5년의 확률빈도를 적용하였고, 이상 수문현상으로 인한 국지적 호우 집중현상을 고려하여 20년의 확률빈도를 추가로 적용하였다.
- 2) 실측 강우 및 유출자료에 전문가시스템을 적용하여 최적 매개변수를 추정하였다.
- 3) 강우의 재현기간에 따라 변화하는 유역의 유출 현상을 알아보기 위하여 실제 도시유역의 관거 설계 빈도로 일반적으로 사용되는 5년 10년 빈도의 강우와 이상기후 현상을 반영할 수 있도록 20 년 빈도의 강우를 추가로 적용하였다.
- 5) 설계 강우의 시간분포에 따른 유출응답을 살피기 위해 Huff의 4분위법을 추가로 이용하였으며, 지속시간 60분의 설계 강우를 적용하였다.
- 6) 도시의 발달에 따른 경향을 침투율 및 불투수 지역 비율을 변화시켜 그 경향을 살펴보았다.
- SWMM모형에 강우 1, 현재의 유역 조건과 개발 전 유역 조건을 가정하여(불투수 면적 5 %, 침투율 85 %) 도시 개발 전·후 유출 상황을 비교하였다{그림 5],
- 계획. 개발한노은유역을 선정하여 도시화로 인한 유출현상의 변화를 분석하였다. 실제의 유역자료와 관거 자료에 작용하였으며, 강우는 실제 및 설계 강우를 고려하였다 SWMM 모형을 적용한 결과들을 종합하면 다음과 같다.
- 기존 연구에 따르면 지속시간 6 hr 이하에서는 대전지방을 포함한 우리나라 대부분 지역에서 제2구간 호우가 제일 많은 빈도를 나타내고 있으며(서병하와 김남원, 1989), 따라서 본 연구에서도 Huff의 제2구간 호우를 대상 호우로 선정하고, 지속기간 60분의 빈도별 설계 우량주 상도를 다음의 표 5와 같이 결정하였다.
- 이렇게 이루어진 유출은 금강 제 3지류인 반석천으로 배출되어 갑천으로 흘러 들어가게 된다. 배수 관망도를 살펴보면 주로 유출은 북쪽과 서쪽에서 이루어져 남쪽으로 내려오다가 남쪽에서 발생한 유출과 더불어 동쪽으로 빠져나가게 설계되었는데 이 중 A, B, C점은 총유출이 이루어지기 이전의 관거에서의 유출을, D점은 이들이 모두 합류된 총 유출을 계산할 수 있는 곳으로 선정하고, 27개의 소유역으로 구분하였다(그림 1).
- 유역을 분할하였다. 본 연구에서는 소유역 자료를 산출하기 위하여 지형도(1/5000)와 우수계획평면도 (1/1200, 대한주택공사, 1993; 한국토지공사, 1997) 등을 이용하여 노은 유역(27개 소유역)을 분할하였으며, SWMM 모형을 위한 소유역 입력자료는 다음 표 6과 같다.
- 빈도별 강우로부터 지속시간별 강우량을 구하기 위하여 대전지방의 5, 10, 20년 빈도 강우강도 공식(대전광역시, 1999)을 Talbot 식으로 선정하고, 강우 강도공식으로부터 지속기간별 누가강우량을 구한 후 이를 시간 강우량으로 환산하여 크기 순서로 시간별 강우량을 구하며, 중앙 집중 형태로 분포시킴으로써 설계 강우 주상 도를 작성하는 중앙 집중형 설계 강우를 지속시간이 60 분에 대하여 구하였다.
- 개발한노은유역을 선정하여 도시화로 인한 유출현상의 변화를 분석하였다. 실제의 유역자료와 관거 자료에 작용하였으며, 강우는 실제 및 설계 강우를 고려하였다 SWMM 모형을 적용한 결과들을 종합하면 다음과 같다.
- 여기서, 사건 i에서의 자료 수를 ni, 1번째 수문곡선에 대한 측정 및 모의 유출값 ( j=l, ni )을 mj, pjS, mi를 사건 [에서의 평균유출량을 의미하며, 이러한 수치 비교를 통하여 추정과정의 진행 및 매개변수들의 민감도를 검토하는 기준으로 사용하였다.
- 유역은 먼저 지형도를 이용하여 배수구역의 경계를 설정하고, 관로 형태와 설치위치, 지적도와 토양도 등 토지 이용상황과 토양의 특성, 행정구역 등의 자료를 기초로 유역을 분할하였다. 본 연구에서는 소유역 자료를 산출하기 위하여 지형도(1/5000)와 우수계획평면도 (1/1200, 대한주택공사, 1993; 한국토지공사, 1997) 등을 이용하여 노은 유역(27개 소유역)을 분할하였으며, SWMM 모형을 위한 소유역 입력자료는 다음 표 6과 같다.
- 대전광역시 하수도정비 기본계획(대전광역시, 1999)에서 적용된 강우 강도공식과 한국건설기술연구원에서 과거 47년(1941 ~ 1987)간의 강우자료를 통계적으로 분석 . 작성한 「한국확률강우량도(건설부, 1988)」의 대전광역시 IDF 곡선을 비교하여 적절한 빈도별 강우강도를 결정하도록 하였다. 이에 따르면 5년, 10년 그리고 20년 빈도 모두에서 Talbot형 강우강도공식의 값이 대체적으로 가장 크게 나타난 것을 볼 수 있으며, 그 다음으로 Sherman 형, Japanese형 그리고 IDF 곡선의 순으로 나타났다.
- 개발 중인 도시화유역으로 노은 지역을 선정하였다. 적용 모형으로 SWMM 모형은 최근의 연구를 통해 지표면 유출, 관거의 흐름해석, 우수의 양수 및 처리시설과 수질을 고려하는 강우-유출 순환 모형으로서 비교적 양호한 모의를 수행한다고 알려져 있어 선정하였다.
- 비교하여 비교적 강우강도 값이 크게 산정되는 Talbot형 강우 강도 식을 택하였다. 추가로 SWMM 모형의 매개변수 조건을 변화하여 개발 전의 유출을 모의하고, 도시 개발 이전과 이후의 유출현상 변화 양상을 살펴보았다.
대상 데이터
- 1) 대상 유역의 지형, 지리 및 관망시설 자료의 파악과 최근 강유* 출 자료를 확보하였다.
- 4) 유역의 도달시간에 따른 유출양상을 살피고자 도달 시간이 40분으로 추정되는 대전광역시 노은 유역을 선정하였다.
- 최근에 계획 . 개발 중인 도시화유역으로 노은 지역을 선정하였다. 적용 모형으로 SWMM 모형은 최근의 연구를 통해 지표면 유출, 관거의 흐름해석, 우수의 양수 및 처리시설과 수질을 고려하는 강우-유출 순환 모형으로서 비교적 양호한 모의를 수행한다고 알려져 있어 선정하였다.
- IDF관계는 전대수지에 재현기간별로 곡선군으로 표시하거나 강우강도 공식의 형태로 나타낼 수 있으며, 이러한 강우강도 공식의 형태에는 Talbot형, Sherman 형, Japanese형의 3가지로 표현된다. 대전광역시 하수도정비 기본계획(대전광역시, 1999)에서 적용된 강우 강도공식과 한국건설기술연구원에서 과거 47년(1941 ~ 1987)간의 강우자료를 통계적으로 분석 . 작성한 「한국확률강우량도(건설부, 1988)」의 대전광역시 IDF 곡선을 비교하여 적절한 빈도별 강우강도를 결정하도록 하였다.
- 본 모형의 매개변수 추정과 검정을 위하여 실측한 강우 자료는 노은 농수산 시장에 설치된 강우량기를 통해 2002년 8월 6일 08시부터 7일 18시까지(34시가 강우 1)와 13일 02시부터 15시까지(13시간, 강우 2) 측정된 두 집단의 시간 강우들을 사용하였다. 노은 관측소는 94년에 설치되어 2001년에 교체 설치되었다.
- 본 연구에서 선정한 대상유역은 노은유역으로 도달 시간은 약 40분(3.2.1 절)으로 추정하였다.
- 본 연구의 관거 자료는 「대전 노은지구 택지개발사업 기본계획 및 기본설계(한국토지공사, 1997)」의 우수계획평면도(1/1200)를 참고하였으며, 관거의 제원은 다음의 표 7과 같다.
데이터처리
- SWMM 모형의 RUNOFF 블록을 적용하여 개발 후의 유출 양상을 모의하였다 강우 1에 대하여 A, B, C, D 점에서 (1) ~(4) 식을 통하여 매개변수를 추정하고(그림 2), 강우 2에 대하여 검정한 결과는 그림 3 과 같으며, 노은지역(20년 빈도 60분 지속)의 유출 수문곡선 및 첨두 유출량 모의 결과는 그림 4와 같다.
이론/모형
- 유입시간은 정확한 배수로가 없는 상태에서 산이나 계곡의 지표면을 따라 배수로까지 도달하는데 걸리는 시간이며, 강우점과 관거까지의 거리, 주태 공장 등의 밀집도 지질 및 지형에 따라 다르기 때문에 정확한 산출이 어렵다. 따라서 본 연구에서는 우리나라에서 일반적으로 많이 사용되고 있는 표 2의 하수도 시설기준의 유입시간(환경부, 1998)을 참고로 하였다.
- Mononobe 공식은 도달 시간이 큰 자연하천유역에 대하여 개발된 방법이므로 짧은 강우지속기간을 가지는 도시유역에는 적합지 않다 (원석연, 1993). 따라서 본 연구에서는 중앙 집중형 강우분포법과 Huff의 4분위법을 적용하였다.
- 비교하여 비교적 강우강도 값이 크게 산정되는 Talbot형 강우 강도 식을 택하였다. 추가로 SWMM 모형의 매개변수 조건을 변화하여 개발 전의 유출을 모의하고, 도시 개발 이전과 이후의 유출현상 변화 양상을 살펴보았다.
- 정확한 입력 자료를 필요로 함에 따라 실제 유역 및 시설자료, 최근의 강우-유출자료를 사용하였으며, 최근의 기상 현상을 반영하기 위하여 여러 개의 강우 강도 식과 건설부(1988)의 확률 강우량도를 참고 . 비교하여 비교적 강우강도 값이 크게 산정되는 Talbot형 강우 강도 식을 택하였다.
성능/효과
- 1. SWMM 모형에서 첨두유량 유출용적, 첨두 도달시각 등이 모두 근사하게 산출됨으로써 유역의 반응 경향을 해석하는데 큰 무리가 없는 것으로 보였다
- 2. 도시의 개발 전·후의 유출양상을 살펴보면 첨두유출량은 약 20 % 정도의 증가율을 보였으며, 첨두 유량 발생시각은 25 분이 단축됨으로서 첨두 유량 발생시각의 감소와 첨두 유출량적의 증가가 뚜렷하여 개발 전.후의 유출양상이 크게 변화됨을 볼 수 있었다
- 3. 높은 강우강도를 가지는 강우 강도 식(Talbot형)과 배수 관망 설계빈도인 5년, 10년 빈도 외에 20년 빈도를 가지는 강우에도 대체적으로 발생된 유출량을 무리 없이 배출하는 것으로 보아, 대상 유역의 배수관망의 설계는 양호하게 이루어진 것으로 판단되었다.
- 이에 따르면 5년, 10년 그리고 20년 빈도 모두에서 Talbot형 강우강도공식의 값이 대체적으로 가장 크게 나타난 것을 볼 수 있으며, 그 다음으로 Sherman 형, Japanese형 그리고 IDF 곡선의 순으로 나타났다. 누가강우강도 값에서도 5년 및 10년 빈도에서 지속기간 80분 정도까지는 Talbot형 강우강도공식의 값이 가장 크게 나타났고 그 이후로는 Sherman형, Japanese 형 강우강도공식이 Talbot 형 보다 큰 값을 보여주었다 반면 IDF 곡선에 의한 강우강도 값은 여타의 다른 강우 강도공식 값들에 비하여 작게 나타났으나, 빈도가 커질수록 그 차이는 줄어들었다.
- 강우가 시작한지 30분 정도에 이루어졌다. 분위별 유출도 강우의 시간분포에 의하여 매우 상이한 양상을 보이는 등 설계 강우의 시간분포 방법에 따라 첨두 유출량 발생 시각이 매우 민감하게 반응함을 알 수 있었다.
- 하였다. 이에 따라 유출양상에 영향을 미치는 것으로 알려져 있는 불투수면적비, 유역폭, 지표저류, 지표 및 하도조도계수 등과 지면경사 및 침투계수들을 앞에서 제시한 한계기준들과의 관계로 정리하면 표1과 같은 결과를 제시할 수 있었다 즉, 측정된 유출양상과 모의결과를 비교하여 새로운 매개변수 값들을 유추해낼 수 있는 결정규칙들을 구성해 낼 수 있었으며, 한 예로 모의된 유출체적이 측정값보다 큰 경우(volumes are too big), 이를 조정하기 위해서는 불투수 유역의 면적(impervious area percentage) 또는 유역폭 (char-width)을 감소시켜보거나, 불투수 지역에서의 지표 저류량을 증가시킴으로서 모의결과를 개선시킬 수 있었다. 결국, 이러한 관계들을 이용하면 수문현상에 따른 매개변수들의 개선전략을 설정할 수 있으며, 이와 함께 이들 관계를 규칙화하면 전문가 시스템의 구성을 위한 지식베이스의 구축기반으로 이용할 수 있을 것이다.
- 작성한 「한국확률강우량도(건설부, 1988)」의 대전광역시 IDF 곡선을 비교하여 적절한 빈도별 강우강도를 결정하도록 하였다. 이에 따르면 5년, 10년 그리고 20년 빈도 모두에서 Talbot형 강우강도공식의 값이 대체적으로 가장 크게 나타난 것을 볼 수 있으며, 그 다음으로 Sherman 형, Japanese형 그리고 IDF 곡선의 순으로 나타났다. 누가강우강도 값에서도 5년 및 10년 빈도에서 지속기간 80분 정도까지는 Talbot형 강우강도공식의 값이 가장 크게 나타났고 그 이후로는 Sherman형, Japanese 형 강우강도공식이 Talbot 형 보다 큰 값을 보여주었다 반면 IDF 곡선에 의한 강우강도 값은 여타의 다른 강우 강도공식 값들에 비하여 작게 나타났으나, 빈도가 커질수록 그 차이는 줄어들었다.
- 이에 따르면, 도시화 이후 첨두 유출량이 약 20 % 정도 증가하고, 첨두시간이 25분 정도 빨라지는 형태를 보여주었으나, 전체적으로는 그 형태에 변화가 없었으며, 다만 강우가 반복되는 과정에서 25~30 시간에 해당하는 유출의 모의가 도시 개발 전에 비하여 이후의 유출이 크게 나타나고 있는 것은 침투율 및 불투수 면적의 변화에 따른 유출량의 증가로 인한 현상으로 보인다.
- 중앙 집중형 강우 분포법에 비하여 Huff 2분위에 의한 첨두 유줄 값은 다소 적은 값을 보여주었고, 첨두유출량 발생시각은 중앙 집중형 강우분포에서는 30-35 분 사이에 이루어졌으며 Huff 2분위에 의한 방법에서는 강우가 시작한지 30분 정도에 이루어졌다. 분위별 유출도 강우의 시간분포에 의하여 매우 상이한 양상을 보이는 등 설계 강우의 시간분포 방법에 따라 첨두 유출량 발생 시각이 매우 민감하게 반응함을 알 수 있었다.
- 즉, 노은유역의 도달시간은 평균 38분으로서 40분에 약간 못 미치는 값이 제시되었다.
- 도시의 개발 전·후의 유출양상을 살펴보면 첨두유출량은 약 20 % 정도의 증가율을 보였으며, 첨두 유량 발생시각은 25 분이 단축됨으로서 첨두 유량 발생시각의 감소와 첨두 유출량적의 증가가 뚜렷하여 개발 전.후의 유출양상이 크게 변화됨을 볼 수 있었다
후속연구
- 이에 따라 유출양상에 영향을 미치는 것으로 알려져 있는 불투수면적비, 유역폭, 지표저류, 지표 및 하도조도계수 등과 지면경사 및 침투계수들을 앞에서 제시한 한계기준들과의 관계로 정리하면 표1과 같은 결과를 제시할 수 있었다 즉, 측정된 유출양상과 모의결과를 비교하여 새로운 매개변수 값들을 유추해낼 수 있는 결정규칙들을 구성해 낼 수 있었으며, 한 예로 모의된 유출체적이 측정값보다 큰 경우(volumes are too big), 이를 조정하기 위해서는 불투수 유역의 면적(impervious area percentage) 또는 유역폭 (char-width)을 감소시켜보거나, 불투수 지역에서의 지표 저류량을 증가시킴으로서 모의결과를 개선시킬 수 있었다. 결국, 이러한 관계들을 이용하면 수문현상에 따른 매개변수들의 개선전략을 설정할 수 있으며, 이와 함께 이들 관계를 규칙화하면 전문가 시스템의 구성을 위한 지식베이스의 구축기반으로 이용할 수 있을 것이다.
- 향후 연구과제를 생각해 볼 수 있다. 모형의 입력자료 중 관거자료는 정확하게 산출할 수 있으나 유역면적, 불투수율, 유역폭 불투수지역과 투수지역의 침투량 저류량 조도계수, 경사 등의 소유역 자료들을 추출하는데 많은 어려움이 있으므로 지리정보기법 및 전문가 시스템 등을 적극적으로 이용하고 실제 유역의 관측 자료를 많이 확보하여 각 매개변수(parameters)들의 상관성에 관한 연구가 충실히 이루어져야 할 것이다.
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