내배수시스템 실시간 운영 모형을 이용한 배수펌프장 운영기법 개발 Development of a Pump Operation Rule in a Drainage Pump Station using a Real Time Control Model for Urban Drainage System원문보기
일반적인 도시 내배수시스템은 시설물과 운영방법으로 구분된다. 시설물은 관거, 수문, 배수펌프장 등으로 구성되며 운영방법은 펌프 및 수문운영으로 구성된다. 이러한 내배수시스템에서 유역의 유출 및 펌프 운영을 실시간으로 모의하고 배수효과를 고려할 수 있는 운영 모형은 펌프를 효과적으로 운영하기 위하여 필요하며, 이러한 실시간 운영 모형을 통하여 도시유역의 침수 위험을 감소시키기 위한 효율적인 펌프 운영 기법의 개발이 가능하다. 본 연구에서는 SWMM 5.0 DLL과 Excel을 포함한 Visual Basic 6.0을 연계하여 실시간 운영 모형을 개발하였다. 또한, 효율적인 펌프 운영을 위한 두 개의 펌프 운영 기법을 제안하였다. 첫째는 각 맨홀의 수위를 통하여 현재 상황을 고려한 펌프의 운영이며, 둘째는 실시간으로 운영되는 각 시간단위별 유입량 전량을 배제하는 기법이다. 제안된 두 개의 기법은 현재의 펌프장 운영 기법인 유수지 수위에 따른 펌프 운영을 모의한 결과와 비교하였으며 개발된 모형은 중곡배수분구에 적용되었다.
일반적인 도시 내배수시스템은 시설물과 운영방법으로 구분된다. 시설물은 관거, 수문, 배수펌프장 등으로 구성되며 운영방법은 펌프 및 수문운영으로 구성된다. 이러한 내배수시스템에서 유역의 유출 및 펌프 운영을 실시간으로 모의하고 배수효과를 고려할 수 있는 운영 모형은 펌프를 효과적으로 운영하기 위하여 필요하며, 이러한 실시간 운영 모형을 통하여 도시유역의 침수 위험을 감소시키기 위한 효율적인 펌프 운영 기법의 개발이 가능하다. 본 연구에서는 SWMM 5.0 DLL과 Excel을 포함한 Visual Basic 6.0을 연계하여 실시간 운영 모형을 개발하였다. 또한, 효율적인 펌프 운영을 위한 두 개의 펌프 운영 기법을 제안하였다. 첫째는 각 맨홀의 수위를 통하여 현재 상황을 고려한 펌프의 운영이며, 둘째는 실시간으로 운영되는 각 시간단위별 유입량 전량을 배제하는 기법이다. 제안된 두 개의 기법은 현재의 펌프장 운영 기법인 유수지 수위에 따른 펌프 운영을 모의한 결과와 비교하였으며 개발된 모형은 중곡배수분구에 적용되었다.
An urban drainage system consists of two major systems : flood drainage facilities and operating practices. The facilities are composed of sewer networks, gates, and pumping stations and the operating practice consists of pump or gate operation. Then, a real time simulation system which is able to s...
An urban drainage system consists of two major systems : flood drainage facilities and operating practices. The facilities are composed of sewer networks, gates, and pumping stations and the operating practice consists of pump or gate operation. Then, a real time simulation system which is able to simulate urban runoff and the pump operation and to consider the backwater effect is required to operate efficiently the pump. With this system, the efficient pump operating rule can be developed to diminish the possible flood damage on urban areas. In this study, a real time simulation system was developed using the SWMM 5.0 DLL and Visual Basic 6.0 equipped with EXCEL. Also, for developing efficient pump operating Rules, two new Rules were suggested. The first Rule is designed to operate pumps considering the condition of sewer networks such as depths of each junction. The second is to discharge all the amount of inflow at each time step. Results obtained by those Rules were compared with one by the current pump operating Rule which is able to consider only the depth of the retard basin. The developed model was applied to Joonggok retard basin and verified their applicability.
An urban drainage system consists of two major systems : flood drainage facilities and operating practices. The facilities are composed of sewer networks, gates, and pumping stations and the operating practice consists of pump or gate operation. Then, a real time simulation system which is able to simulate urban runoff and the pump operation and to consider the backwater effect is required to operate efficiently the pump. With this system, the efficient pump operating rule can be developed to diminish the possible flood damage on urban areas. In this study, a real time simulation system was developed using the SWMM 5.0 DLL and Visual Basic 6.0 equipped with EXCEL. Also, for developing efficient pump operating Rules, two new Rules were suggested. The first Rule is designed to operate pumps considering the condition of sewer networks such as depths of each junction. The second is to discharge all the amount of inflow at each time step. Results obtained by those Rules were compared with one by the current pump operating Rule which is able to consider only the depth of the retard basin. The developed model was applied to Joonggok retard basin and verified their applicability.
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문제 정의
수문 분석이 이루어져야 하는데 기존의 도시유출모형들은 기 관측된 강우 자료를 바탕으로 결과의 검증 차원에서 이용되어지고있는 반면 운영 기법의 마련을 위해서는 실시간으로 관측되는 강우에 대한 실시간의 유출 분석이 이루어져야 한다. 따라서 본 연구에서는 도시유출모형을 이용하여내 배수 시스템의 실시간 유출 분석 및 펌프의 실시간 자동 운영이 가능한 내배수시스템 실시간 운영 모형을 개발하였다. 또한 개발된 모형을 이용하여 유수지 및 빗물펌프장의 실시간 강우-수위-유출 관계 해석을 통하여 호우 발생 시 내수침수를 최대한 억제할 수 있는 펌프 운영 기법을 개발하였다.
그러나 유수지로의 유입량은 유수지와 연계된 배수문과 배수펌프장의 운영조건에 따라 변하는 유수지의 수위에 영향을 받는다. 따라서 본 연구에서는 실시간으로 변하는 유수지의 수위를 고려하여 산정된 유입량을 바탕으로 유수지 및 배수펌프장을 운영하는 실시간 운영 모형을 개발하였다.
0 의 DLL(Dynamic Link Library)을 연계하여 실시간으로 변화하는 강우에 대하여 유출 분석이 가능하도록 구성되었다. 또한, 유수지 유입구에서의 배수효과 (Backwater effect)를 고려하여 주어진 가동 조건하에펌프의 자동 운영이 가능하도록 구성되었다. 또한, 개발된 모형을 이용하여 펌프의 운영에 있어서 유수지 수위에 따른 운영, 내배수시스템 상황을 고려한 운영 및 시점별 유입량을 고려한 운영 등 세 가지 모의 운영을 실시함으로써 내수침수에 가장 효과적인 펌프 운영 기법을 제안하였다.
특히, 상류지역의 침수 발생을확대시키는 유수지 내 배수효과에 대한 고려가 없는 고정된 펌프 가동 기준은 다양한 호우 사상의 발생 및 유역 상황에 능동적으로 대처하기에 무리가 있다. 본 연구에서는 개발된 실시간 운영모형을 이용한 효율적인 펌프 운영 기법 마련을 위하여 현행 일반적인 펌프 운영 기법에 대하여 우선적으로 모의하였다.
본 연구에서는 기존의 연구에서 사용되지 않았던 SWMM 5.0 DLL을 이용하여 visual basic과 연계한 실시간 운영모형을 개발하였으며, 유수지의 수위에 따른 배수효과의 영향을 고려하여 실시간으로 변하는 유수지의 상황을 갱신함으로써 펌프 운영조건에 따룬 자동 제어가 가능하도록 구성되었다. 펌프의 운영 조건으로는 현행 일반적인 배수펌프장 운영 조건인 유수지 수위에 따른 운영 조건(Rule 1)과 본 연구에서 제안된 내 배수 시스템의 상황을 종합적으로 고려하여 상류 절 점에서 의과 부화 발생 여부에 따른 운영 (Rule 2) 및 유수지 초기가동 수위 이상 시 발생하는 유입량을 전량 배제하는 운영 조건(Rule 3)을 모의하여 비교 검토하였다.
본 연구에서는 실시간으로 변화하는 강우에 대하여 유수지 및 배수펌프장에서의 강우-수위—유출 관계를 배수효과를 고려하여 실시간으로 모의하고 펌프 운영조건들에 따른 자동 운영을 모의하였다.
본 연구에서는 실시간으로 변화하는 강우에 대하여 유수지 및 배수펌프장으로 유입되는 유입량을 실시간으로 모의하기 위하여 USEPA의 SWMM 5.0 모형을 이용하였으며, SWMM 5.0의 DLL을 연계하여 배수펌프장의 펌프 제어가 실시간으로 가능한 운영모형을 개발하였다.
제안 방법
대상유역에 대한 강우조건으로는 재현기간 5년, 10년 및 20년에 대하여 강우지속기간 60분, 120분 및 180분을 각각 적용하여 강우의 분포형태는 Huff 1, 2, 3, 4분위를 적용하였다. 또한, 본 모형에 적용된 강우는 발생 빈도에 따르는 확률강우량을 사용하였으나 현재의 시점을 기준으로 현재까지의 강우만을 알고 있다고 가정하여 현재까지의 강우와 이에 따르는 수위기록만을 입력하여 시간별로 유수지 상황에 맞는 유입량을 모의하였다.
낮추도록 모의하였다. 따라서 과부하가 발생하지 않는 경우는 유수지의 수위에 따른 운영을 실시하고 과부하가 발생한 경우는 유입유량을 전량 배제하는 운영조건을 바탕으로 모의하였다.
따라서 본 연구에서 개발된 내배수시스템 실시간 운영모형은 효율적인 내배수시스템의 운영 기법 마련에 필요한 기본적인 분석 모형을 제공하며, 본 모형을 이용한 모의 운영을 통하여 합리적이고 효율적인 펌프 운영 기법이 제안되었다.
따라서 본 연구에서는 도시유출모형을 이용하여내 배수 시스템의 실시간 유출 분석 및 펌프의 실시간 자동 운영이 가능한 내배수시스템 실시간 운영 모형을 개발하였다. 또한 개발된 모형을 이용하여 유수지 및 빗물펌프장의 실시간 강우-수위-유출 관계 해석을 통하여 호우 발생 시 내수침수를 최대한 억제할 수 있는 펌프 운영 기법을 개발하였다.
또한, 유수지 유입구에서의 배수효과 (Backwater effect)를 고려하여 주어진 가동 조건하에펌프의 자동 운영이 가능하도록 구성되었다. 또한, 개발된 모형을 이용하여 펌프의 운영에 있어서 유수지 수위에 따른 운영, 내배수시스템 상황을 고려한 운영 및 시점별 유입량을 고려한 운영 등 세 가지 모의 운영을 실시함으로써 내수침수에 가장 효과적인 펌프 운영 기법을 제안하였다.
적용하였다. 또한, 본 모형에 적용된 강우는 발생 빈도에 따르는 확률강우량을 사용하였으나 현재의 시점을 기준으로 현재까지의 강우만을 알고 있다고 가정하여 현재까지의 강우와 이에 따르는 수위기록만을 입력하여 시간별로 유수지 상황에 맞는 유입량을 모의하였다. 확률강우량은 1960년부터 2004년까지의 44개년 강우 자료에 대한 분석을 통하여 산정되었으며 다음의 Table 2는 재현기간별 지속기간에 따른 확률강우량 산정 결과를 나타낸다.
본 모형에서 이용된 SWMMe 각 맨홀에서의 수위와 시간별 침수량을 제공한다. 따라서 보다 안정적인 내 배수 시스템 운영을 위해서는 기존의 유수지 수위에 따른 운영에 비하여 각 맨홀의 수위벡터를 고려한 운영이 보다 실질적인 안정성을 마련할 것으로 기대된다.
본 모형에서는 시간별 강우자료가 입력되어 유수지 유입량 및 유수지 수위를 모의하며 배수효과를 고려하여 유수지 수위에 따른 유입량의 모의 과정을 반복한다. 따라서 본 모형에서는 임의시간(t=n)의 수위를 기준으로 1단계 진행된 시간(t=n+l)에서의 유입량 및 관거, 절점의 흐름 상태를 모의하며 현행 배수펌프장의 강우량 및 유수지 수위가 분단위로 측정되기 때문에 이들 자료를 이용하여 분단위의 모의가 이루어진다.
본 연구에서 개발된 실시간 운영모형은 비쥬얼 베이직을 통하여 엑셀(excel)과 SWMM 5.0 DLL을 연계하였으며 각 구성요소들 간의 관계는 Fig. 1과 같다.
따라서 내배수시스템의 운영 목적에 부합되게 침수피해를 최소화하기 위해서는 가능한 자연 배수 조건과 같은 조건을 만들어주어야 한다. 본 연구에서는 맨홀에서의 과부하 발생시점을 내배수시스템의 침수위험도가 증가하는 시점으로 고려하여 과부하 발생시점부터는 유수지의 수위를 초기 펌프가동수위와 같은 형태로 유지하도록 펌프를 운영하였다. 맨홀에서의 과부하란 다음의 Fig.
본 연구에서는 프로그램 개발도구로서 비쥬얼 베이직 (visual basic)을 사용하였고, 입력파일을 제공하여 SWMM 5.0 DLL을 통하여 생성된 결과파일에서 유출 수문곡선을 추출하는 형태로 구성하였다.
여기서, 과부하 발생시점 이후에 유입되는 유량에 대해서는 유수지의 수위를 낮추어서 배수효과의 영향을 받지 않도록 유수지로 유입되는 유량을 전량 배제하고 초기 가동수위 이상으로 올라간 유수지의 수위를 초기가 동수위로 낮추도록 모의하였다. 따라서 과부하가 발생하지 않는 경우는 유수지의 수위에 따른 운영을 실시하고 과부하가 발생한 경우는 유입유량을 전량 배제하는 운영조건을 바탕으로 모의하였다.
0 DLL을 이용하여 visual basic과 연계한 실시간 운영모형을 개발하였으며, 유수지의 수위에 따른 배수효과의 영향을 고려하여 실시간으로 변하는 유수지의 상황을 갱신함으로써 펌프 운영조건에 따룬 자동 제어가 가능하도록 구성되었다. 펌프의 운영 조건으로는 현행 일반적인 배수펌프장 운영 조건인 유수지 수위에 따른 운영 조건(Rule 1)과 본 연구에서 제안된 내 배수 시스템의 상황을 종합적으로 고려하여 상류 절 점에서 의과 부화 발생 여부에 따른 운영 (Rule 2) 및 유수지 초기가동 수위 이상 시 발생하는 유입량을 전량 배제하는 운영 조건(Rule 3)을 모의하여 비교 검토하였다.
대상 데이터
본 연구에서 적용된 유역은 서울시 광진구에 위치한중곡 배수펌프장 유역으로서 4개의 유입 관거와 8개의 펌프, 1개의 유수지로 구성되어있다.
이론/모형
본 연구에서 개발된 내배수시스템 실시간 운영모형은 유출 해석을 위하여 SWMM(Storm Water Management Model) 5.0을 이용하였으며 SWMM 5.0 의 DLL(Dynamic Link Library)을 연계하여 실시간으로 변화하는 강우에 대하여 유출 분석이 가능하도록 구성되었다. 또한, 유수지 유입구에서의 배수효과 (Backwater effect)를 고려하여 주어진 가동 조건하에펌프의 자동 운영이 가능하도록 구성되었다.
성능/효과
개발된 실시간 운영모형을 적용 유역에 대하여 시간대별로 모의한 결과 배수효과의 영향을 고려한 유수지 유입 수문곡선이 산정되었으며 펌프 운영 조건별 침수지역 및 침수량, 과부하 발생 관거 및 발생 지속기간, 시간별 펌프 가동 대수 및 펌프의 시동.정지 회수가 산출되었다.
정지 회수가 산출되었다. 또한 강우의 재현기간, 지속기간 및 분포 형태를 달리하여 모의한 결과 배수효과의 영향이 가장 잘 나타난 강우사상은 10년 빈도 120분 지속시간의 Huff 4분위 확률강우량이었다. 이 경우 유수지 유입구에서의 첨두유량은 Rule 1 적용 시 46.
Rule 2에 의하여 운영된 경우는 유입의 초기에는 Rule 1과 유사하게 운영되 었으나 유입 이 집중되는 첨두유량 부근에서는 Rule 3과 유사하게 운영되었다. 또한, 유수지의 수위가 높게 운영되는 경우 배수효과의 영향을 많이 받는 것으로 모의되었다.
모의 결과 펌프의 운영 조건에 따라서 침수지역 및 침수량을 제어할 수 있었으며 펌프의 운영 조건은 유수지의 수위에 직접적인 영향을 미치므로 유수지 수위를 낮게 운영할수록 침수지역 및 침수 발생량이 감소하는 것으로 나타났다. 또한 유수지의 초기 가동수위 이상의 수위 발생 시 유입량을 전량 배제하는 경우(Rule 3) 는펌프의 가동이 빈번한 반면 내배수시스템의 상황을 종합적으로 고려한 운영 조건(Rule 2)은 안정성과 합리적인 측면 모두를 만족하는 효율적인 운영 방법으로 모의 되었다
그러나 펌프의 가동측면에서는 안정성을 확보하기 위한 최소수심이 있으므로 이를 고려하여야 한다. 본 연구에서 개발된 모형을 실제 유역에 모의 적용한 결과 내 배수 시스템의 상황을 고려하여 펌프를 운영하는 Rule 2와 시점별 유입량을 고려한 Rule 3에 의해 운영하는 경우 모두 기존의 펌프 운영 방법 (Rule 1)에 비하여 유수지의 수위가 비교적 낮게 운영되었으며 침수피해 역시 작게 산정되었다. 그러나 Rule 2에 따라 운영하는 경우 Rule 3에 비하여 침수 및 과부하의 저감 정도는 비슷한 반면 펌프의 가동 정지 횟수가 적게 산정되는 것으로 나타났다.
본 연구에서 개발한 실시간 운영모형은 현재의 상황을 고려하여 다음시간 단계의 유입량 산정이 가능하므로 이를 바탕으로 내배수시스템을 운영하기 위해서는 유수지의 유입량을 전량 배제하는 것이 가장 안전한 방법이다. 따라서 배수효과에 의한 유수지 유입유량을 감소시키기 위해서 유수지의 수위가 최초 펌프가 동수 위 이상이 될 경우 실시간으로 산정된 유입량을 전량 배제시키도록 시점별 유입량을 고려하여 모의 운영하였다.
후속연구
시간별 침수량을 제공한다. 따라서 보다 안정적인 내 배수 시스템 운영을 위해서는 기존의 유수지 수위에 따른 운영에 비하여 각 맨홀의 수위벡터를 고려한 운영이 보다 실질적인 안정성을 마련할 것으로 기대된다. 이를 고려하여 펌프의 운영 기법을 제안하였으며, 이것은 기존의 유수지 수위에 따른 펌프 운영에 유수지 수위 벡터의 증가 혹은 감소 여부에 따라 펌프의 추가 가동 여부를 결정하는 운영 조건이다.
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