ILLUDAS-NPS 모형은 초기강우에 의한 수질항목별 오염부하량 및 농도계산을 위하여 개발하였다. 이 모형은 국내의 도시지역 유출해석에 주로 사용되는 ILLUDAS 모형에 건기 및 우기시의 수질해석 과정들을 추가한 것으로써 건기시의 경우 유량 및 수질 계산은 계수지정법을 사용하였으며, 우기시의 경우 유량 계산은 기존 ILLUDAS 모형의 알고리즘, 수질 계산은 일일 오염물 축적법과 쓸림방정식을 적용하여 계산시간별 오염물질 부하량 및 농도 등을 계산하였다. 모형의 검정을 위하여 홍제천 유역의 3개 강우사상을 대상으로 검토한 결과 총부하량, 첨두농도, 첨두농도 발생시간 등에서 전반적으로 실측치와 유사한 결과를 얻을 수 있었다. 또한, 이 모형에 의한 계산결과를 SWMM, STORM 등의 기존 도시유출${\cdot}$수질 모형들의 결과와 비교 검토하였는바, SWMM 모형과 비교적 잘 일치함을 확인할 수 있었다.
ILLUDAS-NPS 모형은 초기강우에 의한 수질항목별 오염부하량 및 농도계산을 위하여 개발하였다. 이 모형은 국내의 도시지역 유출해석에 주로 사용되는 ILLUDAS 모형에 건기 및 우기시의 수질해석 과정들을 추가한 것으로써 건기시의 경우 유량 및 수질 계산은 계수지정법을 사용하였으며, 우기시의 경우 유량 계산은 기존 ILLUDAS 모형의 알고리즘, 수질 계산은 일일 오염물 축적법과 쓸림방정식을 적용하여 계산시간별 오염물질 부하량 및 농도 등을 계산하였다. 모형의 검정을 위하여 홍제천 유역의 3개 강우사상을 대상으로 검토한 결과 총부하량, 첨두농도, 첨두농도 발생시간 등에서 전반적으로 실측치와 유사한 결과를 얻을 수 있었다. 또한, 이 모형에 의한 계산결과를 SWMM, STORM 등의 기존 도시유출${\cdot}$수질 모형들의 결과와 비교 검토하였는바, SWMM 모형과 비교적 잘 일치함을 확인할 수 있었다.
An ILLUDAS-NPS model was developed which is able to compute pollutant loadings and the concentrations of water quality constituents. This model is based on the existing ILLUDAS model, and added for use in the water quality analysis process during dry and rainy periods. For dry period, the specificat...
An ILLUDAS-NPS model was developed which is able to compute pollutant loadings and the concentrations of water quality constituents. This model is based on the existing ILLUDAS model, and added for use in the water quality analysis process during dry and rainy periods. For dry period, the specifications of coefficients for discharge and water quality were used. During rainfall, we used the daily pollutant accumulation method and the washoff equation for computing water quality each time. According to the results of verification, the ILLUDAS-NPS model provides generally similar outputs with the measured data on total loadings, peak concentration and time of peak concentration for three rainfall events in the Hong-je Basin. In comparison with the SWMM and STORM models, it was shown that there is little difference between ILLUDAS-NPS and SWMM.
An ILLUDAS-NPS model was developed which is able to compute pollutant loadings and the concentrations of water quality constituents. This model is based on the existing ILLUDAS model, and added for use in the water quality analysis process during dry and rainy periods. For dry period, the specifications of coefficients for discharge and water quality were used. During rainfall, we used the daily pollutant accumulation method and the washoff equation for computing water quality each time. According to the results of verification, the ILLUDAS-NPS model provides generally similar outputs with the measured data on total loadings, peak concentration and time of peak concentration for three rainfall events in the Hong-je Basin. In comparison with the SWMM and STORM models, it was shown that there is little difference between ILLUDAS-NPS and SWMM.
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문제 정의
본 연구에서는 도시유역의 유출 및 수질을 동시에 모의하기 위하여 국내에서 도시 배수구역의 유출해석에 널리 사용되고 있는 ILLUDAS 모형에 수질해석 모듈을 추가시킨 ILLUDAS-NPS 모형을 개발하였으며, 실제유역에 적용한 결과를 SWMM 및 STORM 모형들과 비교 검토하였다. 본 모형에서는 소유역의 토지이용 및 수질항목별 오염물질 계산 및 추적과정을 통한 배수 계통 주요지점별 수질계산이 가능토록 하였다.
본 연구에서는 도시유역의 유출 및 수질을 동시에 모의하기 위하여 국내에서 도시 배수구역의 유출해석에 널리 사용되고 있는 ILLUDAS 모형에 수질해석 모듈을 추가시킨 ILLUDAS-NPS 모형을 개발하였으며, 실제유역에 적용한 결과를 SWMM 및 STORM 모형들과 비교 검토하였다. 본 모형에서는 소유역의 토지이용 및 수질항목별 오염물질 계산 및 추적과정을 통한 배수 계통 주요지점별 수질계산이 가능토록 하였다. 또한, 모형내 입력 강우자료의 시간간격 변화에 따른 수질모의가 가능하도록 구성하였다.
본 연구에서는 도시유역의 초기강우 기간에 배수계통으로 부하되는 유량 및 수질을 해석하기 위한 ILLUDAS-NPS 모형을 개발하였다. 본 모형을 이용하여 홍제천 유역에서의 실측치와의 검증 및 기존의 유출·수질해석 모형인 SWMM, STORM과 비교 검토를 실시하였다.
가설 설정
또한, Terstriep과 Lee(1989) 등은 ILLUDAS 모형에 GIS 인터페이스를 결합하여 유량 및 수질을 모의할 수 있는 AUTO_QI 모형을 개발하였다. 이 모형에서는 수질계산 모듈에서 오염물질의 선형축적(Linear Accumulation) 및 지수쓸림 방정식 (Exponential Washoff Equations)을 이용하였으며 쓸림감쇠계수 및 기본 개념 등은 기존의 SWMM 모형과 동일하다고 가정하였다. 또한, 사용자가 적용지역의 특징을 고려할 수 있도록 하였으며 강우사상별로 총 오염물질 부하량(Total Washoff Loads)을 유출체적으로 나누어 유량가중 평균농도(EMC, Event Mean Concentration)를 결정할 수 있도록 하였다.
오염물질 축적방법의 경우 DRAINQUAL 모형에서는 연석의 길이당 오염물질 축적량 계산 및 청소일수 등을 고려하였고, Q-ILLUDAS 모형의 경우 소유역별로 유사의 입경(총 5가지)을 고려하여 오염물질 축적량을 산정하였다. AUTO_QI 모형의 경우 시간의 경과에 따라 오염물질이 선형적으로 축적한다고 가정하였으며, ILLUDAS-POLL 모형에서는 인구밀도 및 청소인자를 고려한 오염물질 원단위법을 이용하였다. 금회 연구(ILLUDAS-NPS)에서는 토지이용 및 수질항목별 오염물질과 건기일수 등을 고려하여 축적량을 계산하였다.
이때, 오염물질의 부유성과 침강성을 고려하였으며 관측치와의 보정을 위한 경험식으로써 유출강도를 고려하여 계산하였다(HEC, 1977). 또한 BOD5 항목의 경우에는 부유성 물질의 10%, 침강성 물질의 2%가 쓸림량 계산에 영향을 준다고 가정하였다(Metcalf and Eddy, 1971).
제안 방법
이 모형에서는 수질계산 모듈에서 오염물질의 선형축적(Linear Accumulation) 및 지수쓸림 방정식 (Exponential Washoff Equations)을 이용하였으며 쓸림감쇠계수 및 기본 개념 등은 기존의 SWMM 모형과 동일하다고 가정하였다. 또한, 사용자가 적용지역의 특징을 고려할 수 있도록 하였으며 강우사상별로 총 오염물질 부하량(Total Washoff Loads)을 유출체적으로 나누어 유량가중 평균농도(EMC, Event Mean Concentration)를 결정할 수 있도록 하였다.
국내에서는 방기웅 등(1997) 등이 도시지역의 오염물질 유출부하량 원단위를 산정하기 위하여 합류식 하수관 월류수의 수질을 예측할 수 있는 ILLUDAS-POLL 모델을 구성하여 보정 및 검증을 실시하였다. 이 모형에서 유출오염부하량은 단위 면적당 단위강우량당의 오염물질유출량의 원단위를 산정한 후 소유역별 면적, 강우강도, 인구밀도 그리고 노면의 청소주기를 고려하여 산정하였다. 또한 초기세척효과(First Flushing Effect)와 희석효과 등을 기본식에 반영하였다.
이 모형에서 유출오염부하량은 단위 면적당 단위강우량당의 오염물질유출량의 원단위를 산정한 후 소유역별 면적, 강우강도, 인구밀도 그리고 노면의 청소주기를 고려하여 산정하였다. 또한 초기세척효과(First Flushing Effect)와 희석효과 등을 기본식에 반영하였다.
본 모형에서는 소유역의 토지이용 및 수질항목별 오염물질 계산 및 추적과정을 통한 배수 계통 주요지점별 수질계산이 가능토록 하였다. 또한, 모형내 입력 강우자료의 시간간격 변화에 따른 수질모의가 가능하도록 구성하였다.
즉, 강우사상의 경우 Q-ILLUDAS, AUTO_QI 모형에서는 연속강우, DRAINQUAL, ILLUDAS-POLL, ILLUDAS-NPS 모형에서는 단기사상을 적용하여 수질해석을 하였다.
등)별 일일 오염물질 축적량을 입력한 후 토지이용면적, 불투수면적, 건기일수 등을 고려하여 강우이전까지의 축적량을 산정하고 쓸림방정식 (Washoff Equation)을 적용하여 계산시간별 오염물질 쓸림량을 계산한다. 건기시의 수질은 사용자가 선택사항으로 계산할 수 있게 하였는바 건기시의 경우 유량 및 수질계산은 계수지정법(Specification of the Coefficients)을 이용하였으며 토지이용별 유량계수, 토지이용 및 수질항목별 오염물질 계수, 시간에 따른 유량비 및 부하율 등을 반영하였다.
토지이용 및 수질항목별 오염물질계산을 위하여 일일 오염물 축적법을 사용하였다. 즉, 토지이용 및 수질 항목별로 오염물질 축적량을 입력하여 일일 오염물질 발생량 Pi,j를 계산하며, 소유역별 토지이용 면적비 및 건기일수를 고려하여 강우시점에서의 최종 오염물질 축적량을 계산한다.
축적된 오염물질들이 유출강도에 의하여 계산시간별로 쓸려나가는 양을 계산하기 위하여 쓸림방정식을 사용하였다. 이때, 오염물질의 부유성과 침강성을 고려하였으며 관측치와의 보정을 위한 경험식으로써 유출강도를 고려하여 계산하였다(HEC, 1977). 또한 BOD5 항목의 경우에는 부유성 물질의 10%, 침강성 물질의 2%가 쓸림량 계산에 영향을 준다고 가정하였다(Metcalf and Eddy, 1971).
우량관측은 서대문구청의 디지털 우량계와 경기대(서대문)에서 설치한 자기 우량계를 동시에 사용하였다. 수위, 유량 시료채취 등은 시험유역의 출구점인 홍연 2교 직하류의 워)어(폭 29.1m)에서 측정하였으며 건기시 24시간 유량 및 수질 실험도 병행하였다(이종태, 1998).
수질 시료의 분석은 공정시험법에 따라 분석하였으며 DO, pH, 수온 등은 현장 측정을 실시하였고, BOD5, SS 등은 실내실험을 통하여 분석하였다. 본 모형의 검정을 위하여 선택한 3개의 강우조건은 Table 4와 같다.
본 연구에서는 ILLUDAS-NPS 모형의 유출 및 수질매개변수 보정을 위하여 시행착오법을 이용하였으며 실측치와 모의치의 상대오차를 최소화하는 최적 매개변수를 채택하여 검정을 위한 입력자료를 구성하였다.
초기강우시의 토지이용 및 수질항목별 오염물질 축적량은 기존 관측자료가 없기 때문에 실측치로부터 계산된 오염물질 부하량을 감안하여 시산법으로 보정하였다. 또한, 쓸림계수 등의 매개변수의 입력치들도 동일한 과정을 통하여 보정을 실시하였다.
본 모형에 의한 계산결과와 관측된 강우 및 수질분석 자료들과의 유출용적, 첨두유량, 총부하량, 첨두농도, 발생시간 등을 비교함으로써 모형의 적용성을 검토하였다.
비점오염원 발생의 주요원인은 토지이용 및 강우특성의 변화 등에 기인하므로 강우로 인한 유출량과 오염부하량과의 특성 파악은 중요하다. 본 연구에서는 유출 특성에 따른 오염부하량을 표현하기 위하여 누적오염 부하량비를 이용하였다. 이 방법은 강우기간 중 계산시간 동안의 유량 Q(t)에 대한 누적유량 ∑Q(t)비인 Q(t)/∑Q(t)를 가로축으로 하고, 오염부하량 P(t)에 대한 누적오염 부하량 ∑P(t)비인 P(t)/∑P(t)를 세로축에 도시하여 기울기가 1보다 크면 오염물질 부하가 강한 것이며, 기울기가 1보다 작은 경우는 그 반대를 의미한다.
비점오염 원단위는 단위시간당 단위토지면적에서 배출되는 비점오염물질량을 의미하며 주요 산정방법은 경험식 및 실측법으로 구분된다. 실측법은 3가지로 나뉘어지며 첫째, 지표면에서 오염물질 총량을 실측한 후 축적율 및 분해율을 적용하는 방법, 둘째, 특정지역을 통과하는 하천 상·하류 수질의 차이를 환산하거나 강우 전·후의 부하량 차이를 환산하여 대상유역의 비점오염물질 배출원단위를 산정하는 방법, 셋째, 토지이용별 강우시 배출물질을 직접 채취하여 농도를 측정하는 방법으로써 측정횟수가 충분하면 상기 방법들 중 가장 신빙성이 높은 방법이다.
본 연구에서는 두 번째 강우 전·후의 부하량 차이를 환산하는 방법을 이용하여 ILLUDAS-NPS 모형에 의한 계산치와 실측치를 보정 및 검정한 후 계산치에 의한 총 부하량을 이용하여 홍제천 유역의 원단위를 산정하는 과정을 검토하였다.
본 모형을 이용하여 홍제천 유역에서의 실측치와의 검증 및 기존의 유출·수질해석 모형인 SWMM, STORM과 비교 검토를 실시하였다. 또한 개발된 모형에 의해 산정된 총 오염 물질 발생량을 이용하여 비점오염 원단위의 산정을 검 토하였다.
(1) 본 모형에서는 건기시의 오염물질의 축적 및 초기강우로 인한 쓸림현상을 통하여 총부하량, 첨두 농도, 발생시간 등을 모의할 수 있도록 기존 ILLUDAS 모형의 유출해석 알고리즘에 수질해석 부분을 추가하였다.
대상 데이터
46km으로 조사되었다. 유출분석을 위하여 전 유역을 총 29개의 소유역들로 Fig. 2와 같이 구분하였다.
3%로 구성되어있다. 우량관측은 서대문구청의 디지털 우량계와 경기대(서대문)에서 설치한 자기 우량계를 동시에 사용하였다. 수위, 유량 시료채취 등은 시험유역의 출구점인 홍연 2교 직하류의 워)어(폭 29.
데이터처리
본 연구에서는 도시유역의 초기강우 기간에 배수계통으로 부하되는 유량 및 수질을 해석하기 위한 ILLUDAS-NPS 모형을 개발하였다. 본 모형을 이용하여 홍제천 유역에서의 실측치와의 검증 및 기존의 유출·수질해석 모형인 SWMM, STORM과 비교 검토를 실시하였다. 또한 개발된 모형에 의해 산정된 총 오염 물질 발생량을 이용하여 비점오염 원단위의 산정을 검 토하였다.
이론/모형
이 모형에서는 수질모의를 위하여 토지이용 상태를 주택지역, 고층 주택지역, 상·공업지역 및 공원녹지·농지지역 등의 4가지로 구분하였으며, 일일 오염물 축적법(Daily Pollutant Accumulation Method) 을 이용하여 오염물질(SS, BOD5 등)별 일일 오염물질 축적량을 입력한 후 토지이용면적, 불투수면적, 건기일수 등을 고려하여 강우이전까지의 축적량을 산정하고 쓸림방정식 (Washoff Equation)을 적용하여 계산시간별 오염물질 쓸림량을 계산한다. 건기시의 수질은 사용자가 선택사항으로 계산할 수 있게 하였는바 건기시의 경우 유량 및 수질계산은 계수지정법(Specification of the Coefficients)을 이용하였으며 토지이용별 유량계수, 토지이용 및 수질항목별 오염물질 계수, 시간에 따른 유량비 및 부하율 등을 반영하였다.
우기시의 유출량 계산은 기존 ILLUDAS 모형에 의한 결과치를 이용하였다. 즉, ILLUDAS 모형에서는 불투수지역, 투수지역 및 간접연결 불투수지역 등에서 시간-면적곡선을 이용하여 유출량을 계산하며 이 결과를 이용하여 관거 유입부의 입력자료로 사용된다.
토지이용 및 수질항목별 오염물질계산을 위하여 일일 오염물 축적법을 사용하였다. 즉, 토지이용 및 수질 항목별로 오염물질 축적량을 입력하여 일일 오염물질 발생량 Pi,j를 계산하며, 소유역별 토지이용 면적비 및 건기일수를 고려하여 강우시점에서의 최종 오염물질 축적량을 계산한다.
축적된 오염물질들이 유출강도에 의하여 계산시간별로 쓸려나가는 양을 계산하기 위하여 쓸림방정식을 사용하였다. 이때, 오염물질의 부유성과 침강성을 고려하였으며 관측치와의 보정을 위한 경험식으로써 유출강도를 고려하여 계산하였다(HEC, 1977).
성능/효과
BOD5, SS 의 경우 총부하량은 ILLUDAS-NPS, SWMM, STORM 모형들 간의 결과가 유사하였으나 실측치와는 편차가 큼을 알 수 있었다. 첨두농도의 경우 ILLUDAS-NPS 및 SWMM 모형에 의한 결과치가 실측치와 유사하였다.
STORM 모형의 경우 첨두농도는 비슷하였으나 발생시간이 상대적으로 길게 나타났다. ILLUDAS-NPS 및 SWMM 모형의 결과치에서 첨두유량의 발생시간보다 오염물질 항목별 첨두농도가 빠르게 발생되었으며, 이는 첨두유량의 발생시간 이전의 초기유출시 고농도의 오염물질이 다량 함유되어 부하되는 특성을 반영한 결과이다.
두 번째 강우사상(E-2)의 경우 ILLUDAS-NPS 모형에 의한 계산결과 BOD& 및 SS의 첨두치는 실측치와 근사하였으나 총 유출용적 및 부하량에서는 타 강우의 경우와는 달리 실측치와 상당한 편차를 보였는바 이는 실측치의 결측구간 보간 등에서 발생할 수 있는 오류의 영향으로 추정된다.
BOD5 항목에서는 총부하량의 경우 ILLUDAS-NPS와 SWMM 모형에 의한 결과치가 매우 유사하게 나타났으나 실측치와는 비교적 큰 편차를 보였다. 첨두농도에서는 모든 모형에서 실측치와 유사하게 모의되었으며 발생시간의 경우 ILLUDAS-NPS, SWMM, STORM 모형 순으로 나타났다.
항목에서는 총부하량의 경우 ILLUDAS-NPS와 SWMM 모형에 의한 결과치가 매우 유사하게 나타났으나 실측치와는 비교적 큰 편차를 보였다. 첨두농도에서는 모든 모형에서 실측치와 유사하게 모의되었으며 발생시간의 경우 ILLUDAS-NPS, SWMM, STORM 모형 순으로 나타났다. SS 항목에서는 총부하량의 경우 STORM 모형의 결과가 실측치와 가장 비슷하였으나 발생시간의 경우 과대하게 산정되었다.
세 번째 강우사상(E-3)의 경우 ILLUDAS-NPS 모형에 의한 유출용적, 첨두유량의 계산치는 실측치와 매우 유사하였고, ILLUDAS-NPS 모형에 의한 유출수문곡선의 감수부는 실측치와 매우 유사한 양상을 보여주고 있다. 그러나, 첨두발생시간의 경우에는 SWMM 모형이 실측치와의 편차가 가장 적게 나타났다.
BOD5 항목에서는 첨두농도의 결과치중 ILLUDAS- NPS 모형에 의한 결과치가 실측치와 비교적 유사하게 나타났으며 총부하량의 경우 관측치와 다소 편차를 보였다. 또한 발생시간의 경우 ILLUDAS-NPS모형에 의한 결과치가 SWMM, STORM 모형들보다 관측치에 유사함을 보였다.
SS 항목에서는 총부하량의 경우 ILLUDAS-NPS 모형에 의한 결과치가 가장 근접하게 나타났으며 첨두농도의 경우에도 실측치와 일치함을 알 수 있었다.
이상의 결과들을 종합하여 보면 유출용적, 첨두유량, 총부하량, 첨두농도, 발생시간 등의 항목들에서 ILLUDAS-NPS 및 SWMM 모형들의 모의치가 실측치와 비교적 유사한 경향을 나타냈으며, STORM 모형에 의한 모의치와는 큰 편차가 나타남을 알 수 있었다.
총 3회에 걸친 강우사상의 해석결과를 이용하여 Fig. 6과 같이 도시한 결과 초기유출이 일어나는 시점으로부터 오염물질 부하현상이 급격히 높아지다가 다시 후반부로 갈수록 감소하는 경향성이 나타났다. 강우 사상별로 살펴보면 Event-1, 3의 경우 초반부에 다량의 오염물질이 유출됨을 알 수 있다.
(2) 모형별 유출 및 수질해석 결과를 비교하기 위하여 유줄용적, 첨두유량, 종부하량, 첨두농도, 발생시간 등의 항목별로 분석한 결과 전반적으로 ILLUDAS-NPS 및 SWMM 모형들이 비교적 일치하는 결과를 나타내었으며, 배수구역을 단일 유역으로 보아 유출 및 수질을 해석하는 STORM 모형에 의한 계산치와는 큰 차이를 보였다. 또한, ILLUDAS-NPS 모형의 적용시 강우 사상의 규모가 작은 경우(약 5mm 이하)에는 유출분석의 부정확성으로 인하여 수질해석시 양호한 결과치를 얻기 힘든 단점이 있다.
(3) 강우사상별 총오염물질 발생량을 이용하여 비점오염 원단위를 산정하는 과정에 대하여 검토하였으며 유출특성에 따른 오염부하량의 유출 특성 분석 결과 강우초기의 오염물질 부하현상이 뚜렷하게 나타남을 알 수 있었다.
첫 번째 강우사상(E-1)의 경우 전반적인 유출수문곡선의 형태는 모든 모형들에서 비슷하였으며 첨두유량의 경우 ILLUDAS-NPS 및 SWMM 모형이 STORM 모형보다 실측치와 유사한 결과를 나타내고 있다. 유출 및 수질해석에 의한 주요 결과들은 Table 5 및 Fig.
항목에서는 첨두농도의 결과치중 ILLUDAS- NPS 모형에 의한 결과치가 실측치와 비교적 유사하게 나타났으며 총부하량의 경우 관측치와 다소 편차를 보였다. 또한 발생시간의 경우 ILLUDAS-NPS모형에 의한 결과치가 SWMM, STORM 모형들보다 관측치에 유사함을 보였다.
후속연구
(4) 비점오염원 발생현상의 간헐성, 선행건기일수, 강우특성 등을 주요 경험적 매개변수들에 적절히 반영하기 위해서는 도시유역을 대상으로 지속적인 연구가 이루어져야 할 것이다.
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