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문제 정의
- 이 연구는 조만강 유역에 물과 오염물 유줄을 예측하는 모형인 SWMM 모형을 적용하여, 우수와 오염물 유출을 정확히 예측할 수 있는 유역유출모델링시스템을 구축하고 오염부하량을 산정할 목적으로 수행하였다. 또한 예즉시스템의 정확도 향상을 위해 SWMM 모형에서 사용하는 매개변수에 대한 민감도 분석과 검보정을 수행하였다.
가설 설정
- 초과강우강도는 강우강도(幻 m/s)와 침투로 인한 손실(J, m/s)의 차로 표현된다. Runoff 블록에서 지표면 유출은 폭이 넓은 개수로 흐름으로 가정(수리반경이 수심과 같다고 가정)하고 아래의 Manning 방정식을 사용하여 계산한다.
제안 방법
- 환경관리공단"은 서울시와 경기도 일대 도심지의 합류식 하수관거 월류수 및 분류식 우수관거의 우수 유출에 대한 오염부하량을 평가하기 위하여 SWMM을 적용하였으며, 단일강우 및 연속강우에 대한 발생 특성과 관리대안에 대하여 검토하였다 장 등刀은 부산시 온천천 유역에 대하여 SWMM의 흐름분할기능을 적용하여 합류식 하수관거 월류수의 영향으로 인한 도시하천의 수질오염현상을 평가하였다.
- 1) SWMM 모형을 수행하기 위해, 자료수집과 GIS 분석을 하여 각각의 소유역 및 하도구간에 대한 입력 자료를 구축하였다. 그 결과 토지이용에 의한 불투수 면적 산출은 실제보다 크게 나왔으며, 더많은 유출이 발생하였다.
- PCSWMM에서 제공하는 민감도분석 도구는 손쉽게 사용할 수 있으며, 빠른 분석 결과를 도출하여 시간 절약과 사용자의 편의를 증가시키는 유용한 프로그램이다. PCSWMMe SWMM 4.4h를 원시 프로그램으로 사용하고 있어서 SWMM 5.0과 약간의 차이가 날 수도 있으나, 민감도 분석을 수행하는데 있어서 큰 영향은 없을 것으로 판단되어 PCSWMM을 민감도 분석도구로써 사용하였다. 민감도 분석도구를 이용하여 첨두유량과 총 유출체적에 대하여 매개 변수의 민감도를 비선형 민감도도표로 분석하였다.
- PCSWMM에서 제공하는 민감도분석도구를 이용하여 유량 및 수질에 영향을 끼치는 매개변수에 대하여 민감도분석을 실시하였다. PCSWMM에서 제공하는 민감도분석 도구는 손쉽게 사용할 수 있으며, 빠른 분석 결과를 도출하여 시간 절약과 사용자의 편의를 증가시키는 유용한 프로그램이다.
- SWMM 5.0 모형에서 소유역과 하천 그리고 노드를 생성하고, 수집되고 분석된 소유역 자료와 하도자료를 입 력하였다. 유역면적 및 불투수율 등은 유역에 따라 많은 차이를 보였으며, 조도계수는 일괄적으로 적용하였다.
- SWMM 모형에서 수질항목에 영향을 미치는 매개변수는 [Table 5]와 같으며, 이 표에 있는 매개변수들에 대한 민감도 분석을 수행하였다. 수질관련 매개변수는 전체유역에 공통으로 적용되므로 B0D에관해 1회 실시하였다.
- 각각의 매개변수를 초기값을 기준으로 -50%에서 +50%까지 25%씩 변화시켜 첨두유량과 총 유출체적의 변화를 알아보았으며, 그 결과는 [Fig. 7~8]과 같다. 각각의 매개변수들이 골고루 영향을 주고 있으며, 유역 면적, 불투수 면적, 침투계수, 종기침투능, 유역폭의 순서로 민감한 것으로 나타났다.
- 강동교 지점의 강우시 측정자료를 이용하여 조만간유역의 보정 및 검증을 수행하였다. [Table 6]과 같이 보정은 2007년 2회 측정된 자료를 이용하였으며, 검증은 2008년 2회 측정된 자료를 이용하였다.
- 09%)를 각각 점하고 있다. 국립지리원의 1:25,000 수치지도를 이용하여 GIS 분석을 통하여 TIN(Triangular Irregular Network, 불규칙 삼각망) 파일을 생성하고 30 m 격자(grid)의 DEM(Digital Elevation Model, 수치 표고 모형)을 생성하여 고도 및 경사 분석을 수행하였다. 조만강 유역의 평균고도는 EL.
- 수행하였다. 또한 예즉시스템의 정확도 향상을 위해 SWMM 모형에서 사용하는 매개변수에 대한 민감도 분석과 검보정을 수행하였다.
- 유역을 토지이용 및 수치지도를 이용하여 24개의 소유역으로 나누고 각 소유역에 대한 유역면적, 유역폭, 불투수면적, 하천경사, 하천길이 등을 GIS를 이용하여 분석하고 산출하였다. 모형 내에 강우자료, 하천망, 소유역을 구성하고 각각의 소유역과 하천망을 연결하여 모형을 구축하였다.
- 0과 약간의 차이가 날 수도 있으나, 민감도 분석을 수행하는데 있어서 큰 영향은 없을 것으로 판단되어 PCSWMM을 민감도 분석도구로써 사용하였다. 민감도 분석도구를 이용하여 첨두유량과 총 유출체적에 대하여 매개 변수의 민감도를 비선형 민감도도표로 분석하였다. 민감도 분석결과는 이후 보정 및 검증을 수행할 경우 매개변수의 변동범위를 정하는 중요한 정보이다.
- 조도계수는 하천정비 기본계획을 참고하여 설정하였다. 소유역과 하도구간을 연결하여 [Fig. 6]과 같이 SWMM 모형의 배수계통도를 구성하였으며, 강우 및 오염물의 유출에 대한 수치모의를 실시하였다.
- 대한 민감도 분석을 수행하였다. 수질관련 매개변수는 전체유역에 공통으로 적용되므로 B0D에관해 1회 실시하였다.
- 오염부하량을 수치모의 하기위해 수질오염의 척도를 나타내는 5가지 주요 항목(SS, BOD, COD, TN, TP)을 설정하였다. 오염물의 축적한계량은 실제 계측이나 실험을 통해서 설정하는 것이 가장 이상적인 방법이다.
- 이용하여 추정하였다. 유량 관련 매개변수 11 개와 수질 관련 매개변수 5개 에 대하여 보정 및 검증을 통하여 대상지역의 적절한 매개변수 값을 제안하였다. 또한, 강우량과 오염부하량의 상관관계를 분석하여 초기 30%의 강우량에 총 오염부하량의 약 60%가 발생되는 것을 밝혀 초기오염 관리 의 중요성을 입증하였다*
- 0 모형에서 소유역과 하천 그리고 노드를 생성하고, 수집되고 분석된 소유역 자료와 하도자료를 입 력하였다. 유역면적 및 불투수율 등은 유역에 따라 많은 차이를 보였으며, 조도계수는 일괄적으로 적용하였다. 하도구간의 길이는 237~5, 420 m 범위를 보이고 있으며, 하도의 경사는 최대가 2.
- 유역유출모형 인 SWMM 모형을 이용하여 조만강유역의 강우와 오염물 유줄을 예즉할 수 있는 유역유출 모델링 시스템을 구축하였으며, 예측 시스템의 정확도 향상을 위해 민감도 분석과 검보정을 수행하였다. 이 연구를 통하여 얻을 수 있는 결론은 다음과 같이 요약할 수 있다.
- 0을 이용하여 모형을 구축하였으며, 민감도분석은 CHI사의 PCSWMM Sensitivity Wizard를 이용하여 수행하였다. 유역을 토지이용 및 수치지도를 이용하여 24개의 소유역으로 나누고 각 소유역에 대한 유역면적, 유역폭, 불투수면적, 하천경사, 하천길이 등을 GIS를 이용하여 분석하고 산출하였다. 모형 내에 강우자료, 하천망, 소유역을 구성하고 각각의 소유역과 하천망을 연결하여 모형을 구축하였다.
- 일반적으로 Executive 블록과 하나 혹은 두 개 이상의 계산 블록이 함께 실행된다. 이 각각의Runoff 블록을 이용하여 강우 및 오염물 유출을 모의하였다.
- 심하여 예측하는 것이 어렵다. 이 연구에서는 하천의 수질을 대표할 수 있는 수질항목(SS, BOD, COD, TN, TP)에 대하여 수질에 대한 보정 및 검증을 수행하였다([Fig. 12] 참조).
- 전체유역을 총 24개의 소유역으로 분할하였으며, 각 유역의 유역면적, 유역폭, 불투수 면적, 지면 경사, 조도계수, 지표면 저류, 침투관련 계수를 구축하였다. 조만강의 하도자료를 구성하기 위해 조만강 및각 소유역으로 연결된 지류를 총 20개의 하도구간으로 구성하였다.
- 토양의 성질을 정량적으로 나타내기에는 어려움이 있으므로, SCS는 토양의 침투능을 기준으로 4개의 토양군으로 분류하고 있다. 조만강 유역 내의 토양분포는 1:25,000 정밀토양도를 GIS로 분석한 후 SCS 기준의 유출발생능력에 따라 분류하였다. 조만강 유역의 SCS 토양 분류 결과는 [Fig.
- 조만강 유역의 소유역 특성자료는 수치지도, 토지이용도 그리고 토양도를 이용하여 ArcView GIS 프로그램으로 분석하여 자료를 구축하였다. 전체유역을 총 24개의 소유역으로 분할하였으며, 각 유역의 유역면적, 유역폭, 불투수 면적, 지면 경사, 조도계수, 지표면 저류, 침투관련 계수를 구축하였다.
- 전체유역을 총 24개의 소유역으로 분할하였으며, 각 유역의 유역면적, 유역폭, 불투수 면적, 지면 경사, 조도계수, 지표면 저류, 침투관련 계수를 구축하였다. 조만강의 하도자료를 구성하기 위해 조만강 및각 소유역으로 연결된 지류를 총 20개의 하도구간으로 구성하였다. 유역내 모든 하도는 자연하도로 불규칙한 형상을 지닌다.
대상 데이터
- 79로 가장 낮은 결과를 보였다. 2008년 6월 28일 사상에 대하여 검증을 실시하였다. 상관계수가 SS는 0.
- 따라서 2007년 강우자료의 경우 단일모의는 진해 AWS(Automatic Weather Station)의 15분 강우자료를 사용하였으며 , 연속모의는 김해공항기상대의 시강우 자료를 이용하였다. 2008년 강우자료는 김해관측소의 15분 강우자료를 이용하여 Rain 블록을 구축하였다. 모형에서 사용된 단일강우사상은 [Table 2]와 같다.
- 유역의 보정 및 검증을 수행하였다. [Table 6]과 같이 보정은 2007년 2회 측정된 자료를 이용하였으며, 검증은 2008년 2회 측정된 자료를 이용하였다.
- 따라서 2007년 강우자료의 경우 단일모의는 진해 AWS(Automatic Weather Station)의 15분 강우자료를 사용하였으며 , 연속모의는 김해공항기상대의 시강우 자료를 이용하였다. 2008년 강우자료는 김해관측소의 15분 강우자료를 이용하여 Rain 블록을 구축하였다.
- 모형에서 사용된 단일강우사상은 [Table 2]와 같다. 증발량은 [Table 3]의 부산기상청의 2007년 월별 소형증발접시 증발량 자료를 이용하여 입력자료를 구축하였다.
- 그러나 C2와 C3은 횡단자료가 없어 자연하도와 가장 유사한 포물형 단면으로 설정하였다. 하도의 길이는 GIS 분석을 통하여 산정하였으며, 관로경사, 횡단면 그리고 조도계수는 경상남도 (1991), 한국토지공사(1994) 그리고 김해시(1995)에서 발행한 하천정비 기본계획 보고서를 이용하여 구축하였다.
데이터처리
- SWMM 5.0을 이용하여 모형을 구축하였으며, 민감도분석은 CHI사의 PCSWMM Sensitivity Wizard를 이용하여 수행하였다. 유역을 토지이용 및 수치지도를 이용하여 24개의 소유역으로 나누고 각 소유역에 대한 유역면적, 유역폭, 불투수면적, 하천경사, 하천길이 등을 GIS를 이용하여 분석하고 산출하였다.
- 민감도 분석결과를 바탕으로 강동교 지점에서 측정된 실측값과 이에 대응하는 모의값을 비교하여 보정 및 검증을 실시하였으며, 그 결과는 [Fig. 11]과 같다. 2007년 8월 28일의 경우 첨두유량을 측정하지는 못하였으나 관측값과 모의값은 거의 비슷하게나 왔다.
이론/모형
- Rimoff 블록에서 관로 유출은 비선형 저류방정식으로 계산하며, 이 방정식의 해는 Newton-Rapleoii 방법으로 구한다. 각 적분 연산구간에서 Manning 식을 사용하며, 유줄현상의 동역학적 거동은 준정상 상태로 근사하여 처리한다.
- 사용된다. Runoff 블록은 각 소유역의 수심과 유량을 결정하기 위해 연속방정식과 Manning 방정 식을 사용한다. [Fig.
- 구한다. 각 적분 연산구간에서 Manning 식을 사용하며, 유줄현상의 동역학적 거동은 준정상 상태로 근사하여 처리한다. 이 방법은 수심 d와 단면적 4가 시간에 따라 급하게 변화하지 않는 경우에 적용성이 우수하다.
- Q는 蛆과 此+'의 평균값을 이용하여 Manning 공식으로 구한다. 관로에서도 표면유출에서와 같이 비선형방정식인 식 (3)과 (4) 의 해를 구하기 위해 Newton-Raphson 반복법을 사용한다, 관로유출 계 산을 위한 Newton- Raphson 함수는 다음과 같다.
- 오염물의 축적한계량은 실제 계측이나 실험을 통해서 설정하는 것이 가장 이상적인 방법이다. 그러나 시간적, 경제적 문제로 실험을 하기란 쉽지 않으므로 축적식은 선형을 가정한 Power-linear 식을 적용하였다.
- 이 연구에서는 흥수시의 강우사상을 이용하지 않기 때문에 선형-지수 식을 적용하였다.
- 조»는 황구지천 유역에 대하여 월별 및 연평균비점오염부하량을 산정하기 위하여 SWMM을 적용하였다. 환경관리공단"은 서울시와 경기도 일대 도심지의 합류식 하수관거 월류수 및 분류식 우수관거의 우수 유출에 대한 오염부하량을 평가하기 위하여 SWMM을 적용하였으며, 단일강우 및 연속강우에 대한 발생 특성과 관리대안에 대하여 검토하였다 장 등刀은 부산시 온천천 유역에 대하여 SWMM의 흐름분할기능을 적용하여 합류식 하수관거 월류수의 영향으로 인한 도시하천의 수질오염현상을 평가하였다.
- 5%로 매우 완만하다. 조도계수는 하천정비 기본계획을 참고하여 설정하였다. 소유역과 하도구간을 연결하여 [Fig.
- 지표면 유출에 대한 기본방정식은 마찰경사를 유역경사와 같다고 가정하는 운동파 근사법인 비선형저류방정식이 사용된다. Runoff 블록은 각 소유역의 수심과 유량을 결정하기 위해 연속방정식과 Manning 방정 식을 사용한다.
- 토지이용 현황은 국립지리원의 1:25,000 토지이용도를 이용하여 국토해양부의 토지이용 분류법에 따라 GIS를 사용하여 분석하였다. [Fig.
성능/효과
- 전"은 화옹간척지구에 SWMM과 회 귀분석 방법을 이용하여 비점오염원 부하량을 비교분석하였으며, SWMM을 이용한 비점오염원 부하량 산정 방법이 신뢰성이 높은 것으로 판단하였다. 유2)는 안양천수계의 비점오염원 유출특성을 SWMM 모형을 적용하여 분석한 결과, 비점오염원이 전체 수질오염의 50% 이상을 차지하고 있음을 밝히고, 오염총량 관리에 있어 비점오염원 관리의 중요성올 입증하였다.
- 2) 강우 유출에 대한 민감도 분석 결과, 유역면적과 불투수 면적 비율이 가장 민감하게 나타났으며, 다음으로 Horton의 침투 관련 매개변수와 유역폭이 민감한 결과를 나타내었다. 하도 관련 매개 변수는 조도계수가 가장 민감한 결과를 나타내었다.
- 것이다. 2007년 9월 15일 강우사상으로 보정을 실시하였으며, 상관계수는 0.79 이상의 결과를 보였다 COD가 0.99로 가장 높았으며, BOD가 0.79로 가장 낮은 결과를 보였다. 2008년 6월 28일 사상에 대하여 검증을 실시하였다.
- 3) 강우 유출에 대한 보정 결과 상관계수가 0.99 이상이고, 검증 결과 상관계수가 0.92 이상으로' 보정과 검증이 적절히 이루어졌다. 오염물 유출 보정결과 상관계수가 0.
- 7~8]과 같다. 각각의 매개변수들이 골고루 영향을 주고 있으며, 유역 면적, 불투수 면적, 침투계수, 종기침투능, 유역폭의 순서로 민감한 것으로 나타났다.
- 입력 자료를 구축하였다. 그 결과 토지이용에 의한 불투수 면적 산출은 실제보다 크게 나왔으며, 더많은 유출이 발생하였다. 그렇지만 나머지 지형자료의 GIS 분석결과는 유역의 특성을 잘 반영하고있다.
- 유량 관련 매개변수 11 개와 수질 관련 매개변수 5개 에 대하여 보정 및 검증을 통하여 대상지역의 적절한 매개변수 값을 제안하였다. 또한, 강우량과 오염부하량의 상관관계를 분석하여 초기 30%의 강우량에 총 오염부하량의 약 60%가 발생되는 것을 밝혀 초기오염 관리 의 중요성을 입증하였다*
- 2008년 6월 28일 사상에 대하여 검증을 실시하였다. 상관계수가 SS는 0.87, BOD는 0.94, TNe 0.68, TP는 0.75로 비교적 안정적인 결과를 보였다.
- 92 이상으로' 보정과 검증이 적절히 이루어졌다. 오염물 유출 보정결과 상관계수가 0.79 이상이고, 검증 결과는 COD 를 제외하고는 안정적인 결과를 보였다.
- 하도 관련 매개 변수는 조도계수가 가장 민감한 결과를 나타내었다. 오염물 유출에 대한 민감도 분석 결과, 첨두농도에 대해서는 쓸림 매개변수인 쓸림지수와 쓸림계수가 매우민감한 결과를 보여주고 있다. 특히 쓸림지수의 경우 +50%까지 변화시켰을 경우 초기 첨두농도가 약 7배 이상 증가함을 보여주고 있다.
- 전"은 화옹간척지구에 SWMM과 회 귀분석 방법을 이용하여 비점오염원 부하량을 비교분석하였으며, SWMM을 이용한 비점오염원 부하량 산정 방법이 신뢰성이 높은 것으로 판단하였다. 유2)는 안양천수계의 비점오염원 유출특성을 SWMM 모형을 적용하여 분석한 결과, 비점오염원이 전체 수질오염의 50% 이상을 차지하고 있음을 밝히고, 오염총량 관리에 있어 비점오염원 관리의 중요성올 입증하였다. 김3)은 보령 담수호 유역에 SWMM을 적용하여 매개변수에 대한 민감도분석을 수행하였고, 유출량과 오염부하량을 산정하여 토지이용별 부하량 기여도와 연평균 오염부하량을 추정하였다.
후속연구
- 4) 향후 유량 및 수질 관측 자료들을 보완하여 보다 정확한 모델링 시스템을 구축하는 것이 필요하다. 도시지역의 관로 시스템을 구축하여 도시지역으로부터 나오는 오염물과 논, 밭 등의 경작지에서 나오는 오염물을 분리하여 각 지역의 주요 오염원에 대한 평가가 이루어져야 할 것이다.
- 도시지역의 관로 시스템을 구축하여 도시지역으로부터 나오는 오염물과 논, 밭 등의 경작지에서 나오는 오염물을 분리하여 각 지역의 주요 오염원에 대한 평가가 이루어져야 할 것이다.
- 그렇지만 나머지 지형자료의 GIS 분석결과는 유역의 특성을 잘 반영하고있다. 따라서 앞으로 GIS와 SWMM올 연계하여 수행한다면 훨씬 효율적인 모형을 구축할 수 있을 것으로 판단된다.
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