본 연구에서는 대구광역시 서구 비산7동 지역을 배수구역으로 선정하여 집중호우발생시 유출특성을 모의하고, 침수피해를 저감시키기 위한 방안으로 지하저류조의 설치에 따른 침수피해 저감효과에 대한 분석을 실시하였다. SWMM 모형을 적용하여 2003년 태풍 '매미' 사상에 대한 유출해석을 실시하였으며, 유출해석을 통하여 계산된 월류량에 대한 2차원 침수모형을 적용한 침수해석을 통하여 2003년 당시의 침수흔적도와 침수해석 결과의 비교 및 검증을 실시하여 침수지역의 공간적 분포가 매우 유사한 양상을 보이고 있는 것을 확인하였다. 또한 지하저류조의 설치에 따른 침수피해 저감효과를 분석하기 위하여 동일한 강우조건을 가지고 대상유역에 대한 유출해석을 실시하여 월류된 유량에 대한 2차원 침수해석을 실시하여 침수피해 저감효과를 분석하였다. 지하저류조의 설치 및 크기에 따른 침수피해 저감효과를 분석한 결과 지하저류조의 높이가 1.7 m($120m{\times}180m{\times}1.7m$)인 경우 월류체적은 72%, 침수면적은 40.1% 감소하였고, 높이가 2.0m($120m{\times}180m{\times}2.0m$)인 경우 월류체적은 84.8%, 침수면적은 50.6% 감소하였으며, 높이가 2.2 m($120m{\times}180m{\times}2.2m$)인 경우 월류체적은 94%, 침수면적은 91.2% 감소하였고, 높이가 2.5 m($120m{\times}180m{\times}2.5m$)인 경우는 월류가 발생하지 않는 것으로 확인되었다. 지하 저류조의 크기와 위치에 따른 침수피해 저감영향에 대한 정량적 분석을 통하여 제시된 연구결과는 침수피해 방지를 위하여 경제적이고 사회적으로도 활용가치가 높은 지하저류조의 설치를 위한 충분한 기초자료가 될 것으로 기대된다.
본 연구에서는 대구광역시 서구 비산7동 지역을 배수구역으로 선정하여 집중호우발생시 유출특성을 모의하고, 침수피해를 저감시키기 위한 방안으로 지하저류조의 설치에 따른 침수피해 저감효과에 대한 분석을 실시하였다. SWMM 모형을 적용하여 2003년 태풍 '매미' 사상에 대한 유출해석을 실시하였으며, 유출해석을 통하여 계산된 월류량에 대한 2차원 침수모형을 적용한 침수해석을 통하여 2003년 당시의 침수흔적도와 침수해석 결과의 비교 및 검증을 실시하여 침수지역의 공간적 분포가 매우 유사한 양상을 보이고 있는 것을 확인하였다. 또한 지하저류조의 설치에 따른 침수피해 저감효과를 분석하기 위하여 동일한 강우조건을 가지고 대상유역에 대한 유출해석을 실시하여 월류된 유량에 대한 2차원 침수해석을 실시하여 침수피해 저감효과를 분석하였다. 지하저류조의 설치 및 크기에 따른 침수피해 저감효과를 분석한 결과 지하저류조의 높이가 1.7 m($120m{\times}180m{\times}1.7m$)인 경우 월류체적은 72%, 침수면적은 40.1% 감소하였고, 높이가 2.0m($120m{\times}180m{\times}2.0m$)인 경우 월류체적은 84.8%, 침수면적은 50.6% 감소하였으며, 높이가 2.2 m($120m{\times}180m{\times}2.2m$)인 경우 월류체적은 94%, 침수면적은 91.2% 감소하였고, 높이가 2.5 m($120m{\times}180m{\times}2.5m$)인 경우는 월류가 발생하지 않는 것으로 확인되었다. 지하 저류조의 크기와 위치에 따른 침수피해 저감영향에 대한 정량적 분석을 통하여 제시된 연구결과는 침수피해 방지를 위하여 경제적이고 사회적으로도 활용가치가 높은 지하저류조의 설치를 위한 충분한 기초자료가 될 것으로 기대된다.
In this study, runoff simulation was carried out in the area of Bisan 7-dong, Seo-gu, Daegu as drainage basin and the effects of the installation of underground storage facilities were analyzed during heavy rainfall. SWMM model was used for the runoff and pipe network analysis on Typhoon Maemi, 2003...
In this study, runoff simulation was carried out in the area of Bisan 7-dong, Seo-gu, Daegu as drainage basin and the effects of the installation of underground storage facilities were analyzed during heavy rainfall. SWMM model was used for the runoff and pipe network analysis on Typhoon Maemi, 2003. 2-D inundation analysis model based on diffusion wave was employed for inundation analysis and to verify computed inundation areas with observed inundation trace map. The simulation results agree with observed in terms of inundation area and depth. Also, the effects of flood damage mitigation were analyzed through the overflow discharge and 2-D inundation analysis, depending upon whether the underground storage facility is installed or not. When the underground storage facility ($W:120m{\times}L:180m{\times}H:1.7m$) is installed, volume of overflow could be reduced by 72% and flooding area could be reduced by 40.1%. When the underground storage facility ($W:120m{\times}L:180 m{\times}H:2.0m$) is installed, volume of overflow could be reduced by 84.8% and flooding area could be reduced by 50.6%. When the underground storage facility ($W:120m{\times}L:180m{\times}H:2.2m$) is installed, volume of overflow could be reduced by 94% and flooding area could be reduced by 91.2%. There is no overflow of manhole, when the height of storage facility is 2.5 m. It is expected that the study results presented through quantitative analysis on the effects of underground facilities can be used as base data for socially and economically effective installation of underground facilities to prevent flood damage.
In this study, runoff simulation was carried out in the area of Bisan 7-dong, Seo-gu, Daegu as drainage basin and the effects of the installation of underground storage facilities were analyzed during heavy rainfall. SWMM model was used for the runoff and pipe network analysis on Typhoon Maemi, 2003. 2-D inundation analysis model based on diffusion wave was employed for inundation analysis and to verify computed inundation areas with observed inundation trace map. The simulation results agree with observed in terms of inundation area and depth. Also, the effects of flood damage mitigation were analyzed through the overflow discharge and 2-D inundation analysis, depending upon whether the underground storage facility is installed or not. When the underground storage facility ($W:120m{\times}L:180m{\times}H:1.7m$) is installed, volume of overflow could be reduced by 72% and flooding area could be reduced by 40.1%. When the underground storage facility ($W:120m{\times}L:180 m{\times}H:2.0m$) is installed, volume of overflow could be reduced by 84.8% and flooding area could be reduced by 50.6%. When the underground storage facility ($W:120m{\times}L:180m{\times}H:2.2m$) is installed, volume of overflow could be reduced by 94% and flooding area could be reduced by 91.2%. There is no overflow of manhole, when the height of storage facility is 2.5 m. It is expected that the study results presented through quantitative analysis on the effects of underground facilities can be used as base data for socially and economically effective installation of underground facilities to prevent flood damage.
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문제 정의
현재까지 살펴본 많은 연구자들에 의한 도시유역의 우수유출 저감시설에 관한 연구를 살펴보면 저류지와 침투시설을 통한 우수유출 저감에 관한 연구는 상당부분 수행되었으나, 국내의 경우 지하저류조의 설치에 따른 침수피해 저감효과에 관한 연구는 미흡한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 도시유역내의 지하저류조 설치에 대한 우수유출 저감효과를 분석하고 월류된 유량에 대한 2차원 침수해석을 실시하여 침수피해 저감효과를 정량적으로 분석함으로써 도시지역의 배수시스템을 설계함에 있어서 침수피해 저감시설로써 지하저류조의 역할 및 기능에 대한 기초자료를 제시하고자 한다. 향후 경제적 편익을 고려하고 관거 내 유속을 방해하는 토사 등의 영향이 고려된 정확한 유량자료를 실측하여, 모의에 사용하는 각종 매개변수의 정확도를 높여 보다 정교한 자료를 제시한다면 도시유역에서의 각종 침수피해를 최소화 할 수 있는 보다 합리적인 방재대책 수립에 큰 도움을 줄 것으로 판단된다.
7 m)을 초과하는 수심에 대해서는 16 m3/s의 토출량을 일정하게 유지하도록 구성하였다. 또한 본 연구에서는 2003년 당시의 또 다른 주요 피해원인이었던 금호강의 배수영향에 따른 달서천의 외수위 상승을 고려하기 위하여 SWMM 모형을 적용한 유출해석의 유출구 지점이 달서천과 직접 연결되도록 구성하였다. 그러나 2003년 당시의 달서천에 대한 첨두수위는 존재하지만 시간별로 측정된 수위 값이 존재하지 않기 때문에 첨두수위를 기준으로 하는 달서천의 수위 수문곡선을 생성하여 모의에 적용하였다.
본 연구에서는 내수배제 불량이나 외수위 상승으로 인한내수침수와 관련하여 관거에서의 수리해석과 연계한 지표면에서의 2차원 침수해석을 실시하기 위하여 도시지역에서의 수리·수문 해석모형인 미국 환경보전국(EPA)에서 개발된 우수관리모형인 SWMM(Storm Water Management Model) 모형과 확산파 방정식을 기본식으로 하는 2차원 침수해석 모형을 통합하여 배수시스템에서의 월류된 유량을 가지고 2차원 침수해석을 실시하도록 구성하였다.
본 연구에서는 대구광역시 서구 비산7동 지역을 배수구역으로 선정하여 집중호우 발생시 침수피해를 저감시키기 위한 방안으로 지하저류조의 설치에 따른 침수피해 저감효과에 대한 분석을 실시하였다. 연구 내용의 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.
본 연구에서는 지하저류조의 설치 및 크기에 따른 침수피해 저감영향을 분석하기 위하여 대상유역 내에 지하저류조가 설치되는 지점을 가정하고, SWMM 모형을 적용한 도시 지역 유출해석에서 앞서 가정한 지하저류조를 고려하는 유출해석 결과로 나타난 월류량에 대한 2차원 침수해석 결과를 이용하여 침수피해 저감영향을 분석하는 연구를 수행하였다. 지하저류조의 설치를 제외한 모든 조건은 태풍 ‘매미’ 사상에 대하여 적용한 조건과 동일하게 하였다.
가설 설정
RUNOFF 블럭에서의 지표면유출은 흐름단면의 폭이 충분히 크기 때문에 동수반경은 수심과 같다고 가정하여 Manning 공식으로 계산된다.
표면수심의 초기조건은 0으로 가정하지만 이는 필요한 경우 특정 값이 입력된다. 경계조건은 유역 외부의 요소로의 유입이 없다고 가정하며, 해석은 지정된 종료시간이 끝날 때까지 진행된다.
운동파 근사법은 배수영향이 큰 경우에는 적합하지 않다. 계산 수행시에는 상류부 경계조건만이 필요하고, 각 수로요소는 다른 요소데 대해 독립적인 계단형 수로로 가정한다. 각 연산단위시간 dt에서 두 개의 미지수 유량 Q와 수심 d가 존재하며 이를 위한 두 개의 방정식이 구성된다.
운동량 방정식을 간단히 나타내는데 있어서, 운동파 근사법은 하상경사와 마찰경사를 제외한 모든 항을 무시할 수 있다고 가정한다. 특히 가파른 수로바닥경사에 적합한 이 가정은 많은 강우-유출 모델의 기초가 되어왔다.
제안 방법
1. 본 연구에서는 내수배제 불량이나 외수위 상승으로 인한 내수침수와 관련하여 관거에서의 수리해석과 연계한 지표면에서의 2차원 침수해석을 실시하기 위하여 도시지역에서의 수리수문 해석모형인 미국 환경보전국(EPA)에서 개발된 우수관리모형인 SWMM(Storm Water Management Model)모형과 확산파 방정식을 기본식으로 하는 2차원 침수해석 모형을 통합하여 배수시스템에서의 월류된 유량을 가지고 2차원 침수해석을 실시하도록 구성하였다.
2. 대상유역에 대한 본 연구의 구성 및 2차원 침수해석 모형의 검증을 위하여 2003년 태풍 ‘매미’ 당시의 강우사상에 대하여 SWMM 모형과 2차원 침수해석의 연계를 통한 유출해석 및 월류량에 대한 침수해석을 실시하였다.
5와 같이 대상유역을 10 m×10 m 격자 5,341개로 구성하여 침수해석을 실시하였다. 2차원 침수해석을 위한 제내지의 조도계수 산정은 과거 침수실적 자료를 사용하여 조도계수를 산정하여야 하지만, 본 대상유역에 대한 침수실적은 존재하지만 관련자료가 부족하여 홍수 지도제작지침(2001)의 범람모형 매개변수 산정절차에 의거하여 토지이용 등을 조사해 그것을 바탕으로 조도계수를 산출 하는 합성등가조도계수를 적용하는 방법을 선택하였으며, 본 연구에서는 홍수지도제작(낙동강상류부) 보고서(2007)에서 제시한 대상유역이 포함되는 대구지구 도심지의 합성등가조도 계수인 n=0.125를 적용하였다.
3. 본 연구에서는 지하저류조의 설치에 따른 침수피해 저감 영향을 분석하기 위하여 월류 발생지점인 102번 맨홀근처에 위치한 북부시외버스정류장의 버스 대기주차장(120 m×180 m)에 가상의 지하저류조가 설치되는 경우에 대하여 동일한 강우조건을 가지고 유출해석 및 침수해석을 실시하였다.
Fig. 4는 유출해석에 적용된 태풍 ‘매미’ 당시의 대구기상대에서 관측된 강우사상을 보여주고 있으며, 유출해석을 통하여 계산된 월류량에 대한 2차원 침수해석에서는 Fig. 5와 같이 대상유역을 10 m×10 m 격자 5,341개로 구성하여 침수해석을 실시하였다.
SWMM 모형을 통한 배수관망 및 유출해석을 위하여 본 연구의 대상유역인 비산배수구역의 배수계통도를 Fig. 3과 같이 구성하여 모의를 실시하였다. Fig.
또한 본 연구에서는 2003년 당시의 또 다른 주요 피해원인이었던 금호강의 배수영향에 따른 달서천의 외수위 상승을 고려하기 위하여 SWMM 모형을 적용한 유출해석의 유출구 지점이 달서천과 직접 연결되도록 구성하였다. 그러나 2003년 당시의 달서천에 대한 첨두수위는 존재하지만 시간별로 측정된 수위 값이 존재하지 않기 때문에 첨두수위를 기준으로 하는 달서천의 수위 수문곡선을 생성하여 모의에 적용하였다. 모의에 적용된 달서천의 수위 수문곡선은 금호강의 배수 영향을 반영하기 위하여 달서천 합류 후 금호강에서의 수위 관측지점인 성서관측소에 대한 수위기록의 시간에 따른 비율을 달서천의 첨두수위에 적용하여 유출구 지점의 경계조건으로 생성하였다.
대상유역에 대한 본 연구의 구성 및 2차원 침수해석 모형의 검증을 위하여 2003년 태풍 ‘매미’ 당시의 강우사상에 대하여 SWMM 모형과 2차원 침수해석의 연계를 통한 유출해석 및 월류량에 대한 침수해석을 실시하였다.
또한 제내지에서의 2차원 침수해석을 위한 입력자료는 GIS Tool(Arc-View, Arc-GIS 등)을 이용하여 대상유역에 대한 TIN 및 Grid를 생성하고, 이를 ASCII 파일로 변환하여 직접 입력자료로 사용할 수 있도록 구성하여, 입력자료 구성에 대한 복잡한 문제들을 쉽고 편리하게 해결할 수 있도록 하였다.
그러나 2003년 당시의 달서천에 대한 첨두수위는 존재하지만 시간별로 측정된 수위 값이 존재하지 않기 때문에 첨두수위를 기준으로 하는 달서천의 수위 수문곡선을 생성하여 모의에 적용하였다. 모의에 적용된 달서천의 수위 수문곡선은 금호강의 배수 영향을 반영하기 위하여 달서천 합류 후 금호강에서의 수위 관측지점인 성서관측소에 대한 수위기록의 시간에 따른 비율을 달서천의 첨두수위에 적용하여 유출구 지점의 경계조건으로 생성하였다. 모의에 적용된 달서천의 수위 수문곡선은 Fig.
본 연구에서 개발된 2차원 확산파 침수해석 모형은 도시 지역 유출해석 모형인 SWMM 모형과의 연계를 통하여 내수침수에 따른 범람해석을 실시할 수 있도록 구성하였다. 또한 제내지에서의 2차원 침수해석을 위한 입력자료는 GIS Tool(Arc-View, Arc-GIS 등)을 이용하여 대상유역에 대한 TIN 및 Grid를 생성하고, 이를 ASCII 파일로 변환하여 직접 입력자료로 사용할 수 있도록 구성하여, 입력자료 구성에 대한 복잡한 문제들을 쉽고 편리하게 해결할 수 있도록 하였다.
대상유역에 대한 본 연구의 구성 및 2차원 침수해석 모형의 검증을 위하여 2003년 태풍 ‘매미’ 당시의 강우사상에 대하여 SWMM 모형과 2차원 침수해석의 연계를 통한 유출해석 및 월류량에 대한 침수해석을 실시하였다. 본 연구에서는 2003년 당시의 주요 피해원인 가운데 하나인 초기 펌프 가동의 문제를 재현하기 위하여 Fig. 6과 같이 펌프장의 수심이 1.0 m에 도달할 때까지는 펌프가 가동되지 않고, 수심이 1.0 m를 초과하면 펌프가 가동하기 시작하여 펌프장으로 들어오는 관거의 직경(1.7 m)을 초과하는 수심에 대해서는 16 m3/s의 토출량을 일정하게 유지하도록 구성하였다. 또한 본 연구에서는 2003년 당시의 또 다른 주요 피해원인이었던 금호강의 배수영향에 따른 달서천의 외수위 상승을 고려하기 위하여 SWMM 모형을 적용한 유출해석의 유출구 지점이 달서천과 직접 연결되도록 구성하였다.
본 연구에서는 비산배수구역에 대한 배수계통도를 구성할 때 지선부분을 제외한 주요 간선부분만을 고려하였고, 침수 해석을 위한 격자를 생성함에 있어서도 1:1000 수치지형도를 사용하였다. 배수계통도를 구성함에 있어서 지선부분까지 상세하게 고려하고, 침수해석을 위한 격자를 생성하는 경우 Lidar 자료 등 보다 개선된 측량자료를 적용한다면 보다 개선된 적합도를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구에서는 월류 발생지점인 102번 맨홀근처에 위치한 북부시외버스 정류장의 버스 대기주차장(120 m×180 m)에 높이를 달리하는 가상의 지하저류조가 설치되는 경우에 대하여 동일한 강우 조건을 가지고 유출해석 및 침수해석을 실시하였다.
북부 시외버스정류장의 버스 대기주차장(120 m×180 m)에 On-Line 형태의 지하저류조가 설치되는 것을 고려하여 배수계통도를 Fig. 12와 같이 구성하여 SWMM 모형을 통한 유출해석을 실시하였다.
북부시외버스정류장의 버스 대기주차장(120 m×180 m)에 설치되는 지하저류조에 따른 침수피해 저감효과를 분석하기 위해 저류조의 높이를 1.7 m, 2.0 m, 2.2 m, 그리고 2.5 m로 달리하여 지하저류조의 용량을 구분하였고, 지하저류조의 설치 및 용량에 따른 대상유역의 유출해석 및 월류량에 대한 2차원 침수해석을 수행하였다.
초기 연산이 수행되는 부분으로 강우사상에 대해 배수유역에서의 유출현상과 수질변화를 모의하며, 임의의 강우우량도, 선행강우조건, 토지이용도, 지형도 등의 자료를 이용 하여 지표면 및 지표하유출을 추적한다.
또한, 식 (17)을 이용하여 비산배수구역에 대한 침수해석의 적합도를 계산하였다. 호우기간 동안 시간별 침수지역과 침수심에 대한 정확한 기록이 없고 홍수가 끝난 후 작성된 침수흔적도만 존재하기 때문에, 비산배수구역에서의 침수해석의 결과로 나타난 최대 침수범위와 Fig. 2에 제시된 침수 흔적도의 비교를 통하여 적합도를 판단하였다. 침수해석에 대한 적합도는 침수흔적도의 침수면적인 Aobs와 침수해석 모형으로부터 계산된 침수면적인 Acal의 비교로 이루어졌고, 2003년 태풍 ‘매미’사상 당시의 실제 침수 범위는 56,790 m2로 나타났고, 본 연구에서 개발한 모형에 의한 2차원 해석결과 60,351 m2의 지역에 침수가 발생하는 것으로 분석되어 매우 근사한 결과를 보이고 있으며, 침수지역의 공간적 분포 또한 매우 유사한 양상을 보이고 있는 것을 확인하였으며, 위에 제시한 적합도 공식에 적용하여 84.
이 모형은 합류, 분류 시스템으로 구성되는 도시배수유역에서 유출현상을 모의할 수 있으며, 자연수로와 같은 임의 단면의 수로도 사다리꼴로 근사시켜 계산한다. 흐름을 정류로 가정하고 유출해석을 하는 경우 배수수문곡선을 구할 수 없는데, 이러한 문제점을 보완하기 EXTRAN 블럭은 흐름을 부정류로 계산하도록 설계되었다.
대상 데이터
대상유역은 상업지역으로 상가가 밀집되어 있고, 비산빗물펌프장의 배수유역권내에 있다. Fig. 1은 대상유역인 대구광역시 서구 비산7동 일대를 보여준다. 본 연구에 적용된 대상유역의 면적은 41.
본 연구의 대상유역이 되는 대구광역시 서구 비산7동 일대는 2003년 태풍 ‘매미’사상으로 인하여 대상유역 내에 위치한 북부시외버스터미널부근의 저지대에서 침수가 발생하였던 지역이다. 대상유역은 상업지역으로 상가가 밀집되어 있고, 비산빗물펌프장의 배수유역권내에 있다. Fig.
1은 대상유역인 대구광역시 서구 비산7동 일대를 보여준다. 본 연구에 적용된 대상유역의 면적은 41.89 ha이고, 토지이용도와 배수 계통도 등을 이용한 GIS 분석을 통하여 대상유역을 소유역으로 구분하여 침수해석의 기초자료로 이용하였다. 2003년 당시의 주요 피해원인은 금호강의 배수위 영향에 따른 달서천 수위상승으로 인한 내수배제 불량과 유입유량 변화에 따른 내수위계의 미설치로 인한 초기 펌프가동의 문제였던 것으로 분석되었다.
본 연구의 대상유역이 되는 대구광역시 서구 비산7동 일대는 2003년 태풍 ‘매미’사상으로 인하여 대상유역 내에 위치한 북부시외버스터미널부근의 저지대에서 침수가 발생하였던 지역이다.
이론/모형
EXTRAN 블럭은 배수관망시스템에서 유량과 수심을 계산 하기 위해 개수로·관수로 등으로 유입되는 RUNOFF 블럭 또는 타 지표면 유출 모형으로 부터의 유입수문곡선을 Dynamic 방정식을 사용하여 추적한다.
이 방정식의 해를 구하기 위하여 모형개발 초기에는 수정 Euler 방법을 사용하였으나, 후에 보다 안정된 해를 얻기 위해 Newton-Raphson 방법으로 대체되었다. Manning 공식이 각 적분 연산구간에서 사용되며, 유출현상의 동역학적 거동은 준 정류(Quasi-steady)상태로 근사 처리 하였다. 이 방법은 수심 d와 단면적 A가 시간에 따라 급하게 변화하지 않는 경우에 그 적용성이 크다.
RUNOFF 블럭에서의 지표면유출에는 마찰경사를 유역경사와 같다고 가정하는 운동파 근사법인 비선형 저류방정식이 사용된다. 각 소유역에서의 수심과 유량을 결정하기 위해 연속방정식과 Manning 공식이 사용된다.
배수시스템의 용량을 초과하거나, 하천수위 상승으로 관로 내에 역류가 발생함으로써 우수 배제를 제대로 수행하지 못할 경우 발생하는 월류량을 계산하기 위해서는 동역학적 추적에 의해 수리학적 유량 계산을 수행하는 EXTRAN 블럭이 적합하며, EXTRAN 블럭을 수행하기 이전에 각 소유역마다 강우로 인하여 발생한 유출수문곡선이 필요하다. 각 소유역마다의 유출수문곡선을 계산하기 위한 모형으로 합리식, HEC-HMS, ILLUDAS 모형 등도 이용 가능하나 SWMM 모형의 RUNOFF 블럭이 이들 모형보다 도시지역의 물리적인 특성을 잘 반영할 수 있기 때문에 SWMM 모형의 RUNOFF 블럭을 이용하였다.
RUNOFF 블럭에서의 지표면유출에는 마찰경사를 유역경사와 같다고 가정하는 운동파 근사법인 비선형 저류방정식이 사용된다. 각 소유역에서의 수심과 유량을 결정하기 위해 연속방정식과 Manning 공식이 사용된다. 운동파 근사법은 배수영향이 큰 경우에는 적합하지 않다.
기본방정식으로 1차원 부정류 점변 흐름방정식인 Dynamic 방정식을 사용하며, 수치해석적으로 시간에 대해 전진법인 양해법을 사용한다. 계산시간간격은 시스템 내에서 가장 짧은 수로·관로를 통과하는 파속의 크기를 고려하여 결정되며, 배수시스템을 LINK와 NODE로 구성하여 기존의 유출 모형이 관망형태를 수지상 형태로 한정한 점을 보완할 뿐만 아니라, LOOP형 배수관망, 웨어, 오리피스, 펌프 등의 수리 구조물로 인한 측방류 유입, 부분적인 압력류 등을 계산할 수 있다.
RUNOFF 블럭에서 관로유출은 비선형 저류방정식으로부터 계산된다. 이 방정식의 해를 구하기 위하여 모형개발 초기에는 수정 Euler 방법을 사용하였으나, 후에 보다 안정된 해를 얻기 위해 Newton-Raphson 방법으로 대체되었다. Manning 공식이 각 적분 연산구간에서 사용되며, 유출현상의 동역학적 거동은 준 정류(Quasi-steady)상태로 근사 처리 하였다.
성능/효과
2차원 침수해석에 앞서 본 연구에서는 당시의 강우사상에 SWMM 모형의 유출해석을 통하여 비산 배수구역에서의 월류량을 산정하였으며, SWMM 모형을 적용한 유출해석 결과 배수계통도 가운데 102번 맨홀에서 월류량이 발생하는 것으로 분석되었다. Fig.
SWMM 모형을 적용한 유출해석 결과 저류조의 높이가 2.5 m인 경우는 월류량이 발생 하지 않았고, 1.7 m, 2.0 m, 그리고 2.2 m에서는 Fig. 13과 같이 102번 맨홀에서 월류량이 발생하는 것으로 분석되었다.
대상 유역에 대한 2003년 태풍 ‘매미’사상 당시의 실제 침수 범위는 60,351 m2로 나타났고, 본 연구에서 개발한 침수 해석 모형에 의한 2차원 해석결과 56,790 m2의 지역에 침수가 발생하는 것으로 분석되어 매우 근사한 결과를 보이고 있으며, 침수지역의 공간적 분포 또한 매우 유사한 양상을 보이고 있는 것을 확인하였으며, 적합도 공식에 적용하여 84.23%라는 높은 수준의 적합도를 얻을 수 있었다.
2% 감소하였다. 또한 지하저류조의 높이가 2.5 m(120 m×180 m×2.5 m)인 경우는 월류가 발생 하지 않는 것으로 확인되었다.
2% 감소하였다. 또한 지하저류조의 높이가 2.5 m(120 m×180 m×2.5 m)인 경우는 월류가 발생 하지 않는 것으로 확인되었다.
지하저류조의 설치 및 크기에 따른 침수피해 저감효과를 분석한 결과 지하저류조의 높이가 1.7 m(120 m×180 m×1.7 m)인 경우 월류체적은 72%, 침수면적은 40.1% 감소하였고, 높이가 2.0 m(120 m×180 m×2.0 m)인 경우 월류체적은 84.8%, 침수면적은 50.6% 감소하였으며, 높이가 2.2 m(120 m×180 m×2.2 m)인 경우 월류체적은 94%, 침수면적은 91.2% 감소하였다.
지하저류조의 설치에 따른 침수피해 저감효과를 분석한 결과 지하저류조의 높이가 1.7 m(120 m×180 m×1.7 m)인 경우 월류체적은 지하저류조가 설치되기 전의 26,964 m3에서7,560 m3로 72%, 침수면적은 60,351 m2에서 36,169 m2로40.1% 감소하였고, 지하저류조의 높이가 2.0 m(120 m×180 m×2.0 m)인 경우 월류체적은 지하저류조가 설치되기 전의 26,964 m3에서 4,104 m3로 84.8%, 침수면적은 60,351 m2에서 29,834 m2로 50.6% 감소하였으며, 지하저류조의 높이가 2.2 m(120 m×180 m×2.2 m)인 경우 월류체적은 지하저류조가 설치되기 전의 26,964 m3에서 1,620 m3로 94%, 침수면적은 60,351 m2에서 5,319 m2로 91.2% 감소하였다.
침수해석에 대한 적합도는 침수흔적도의 침수면적인 Aobs와 침수해석 모형으로부터 계산된 침수면적인 Acal의 비교로 이루어졌고, 2003년 태풍 ‘매미’사상 당시의 실제 침수 범위는 56,790 m2로 나타났고, 본 연구에서 개발한 모형에 의한 2차원 해석결과 60,351 m2의 지역에 침수가 발생하는 것으로 분석되어 매우 근사한 결과를 보이고 있으며, 침수지역의 공간적 분포 또한 매우 유사한 양상을 보이고 있는 것을 확인하였으며, 위에 제시한 적합도 공식에 적용하여 84.23%라는 높은 수준의 적합도를 얻을 수 있었다.
후속연구
4. 본 연구와 같이 지하저류조의 크기와 위치에 따른 침수피해 저감영향에 대한 정량적 분석을 통하여 제시된 연구결과는 침수피해 방지를 위하여 경제적이고 사회적으로도 활용가치가 높은 지하저류조의 설치를 위한 충분한 기초자료가 될 것으로 판단된다. 또한 도시지역에서는 펌프장에 의한 침수피해 저감영향이 상당부분을 차지한다는 점을 고려하여 지하저류조와 펌프장이 동시에 원활하게 홍수량을 감당할 수 있는 시스템을 구성하고 그에 따른 침수피해 방지대책을 세우는 것이 반드시 필요하다.
지하저류조를 설치함으로 인하여 침수피해가 저감되는 것은 당연하지만, 본 연구와 같이 지하저류조의 크기와 위치에 따른 침수피해 저감영향에 대한 정량적 분석을 통하여 제시된 연구결과는 침수피해 방지를 위하여 경제적이고 사회적으로도 활용가치가 높은 지하저류조의 설치를 위한 충분한 기초자료가 될 것으로 기대된다. 또한 본 연구에서는 2003년 당시에 펌프장의 초기가동에 문제가 있었다는 점을 구현 하기 위하여 펌프장이 처음부터 가동되는 것이 아니라 일정한 수위를 초과하면 가동되는 것으로 가정하여 유출해석을 실시하였기 때문에, 펌프장이 처음부터 가동하는 것으로 배수시스템을 구성하여 모의를 실시한다면 보다 적은 월류량이 계산될 것이다. 그러므로 침수피해 저감을 위해서는 지하 저류조와 펌프장이 동시에 원활하게 홍수량을 감당할 수 있는 배수시스템을 구성하고 그에 따른 침수피해 방지대책을 세우는 것이 반드시 필요하다.
이러한 지하저류 조를 설치한다면 빗물펌프장의 오작동 시에도 충분한 저류용량의 확보로 침수피해를 저감할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 토지의 이용효율이 상당히 낮은 현재의 북부시외버스터미널 부지에 침수피해 저감시설인 지하저류조를 설치함에 있어서 단순하게 지하저류조만 설치하는 것이 아니라, 지하를 2층 구조물로 하여 지하1층은 공영주차장, 지하2층은 지하저류조, 그리고 지상은 시외버스 대기주차장으로 활용한다면, 시외버스터미널 주변의 상습적인 주차문제와 침수피해 문제를 동시에 해결할 수 있는 좋은 방법 가운데 하나가 될 것으로 기대된다.
배수계통도를 구성함에 있어서 지선부분까지 상세하게 고려하고, 침수해석을 위한 격자를 생성하는 경우 Lidar 자료 등 보다 개선된 측량자료를 적용한다면 보다 개선된 적합도를 얻을 수 있을 것으로 판단된다. 또한 호우기간 동안 시간별 침수지역과 침수심에 대한 기록이 존재한다면 모형에 적용되는 조도계수 및 격자크기 등에 대한 변화를 통하여 대상유역에 대한 보다 적합한 침수해석 모형을 구축할 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구에서는 비산배수구역에 대한 배수계통도를 구성할 때 지선부분을 제외한 주요 간선부분만을 고려하였고, 침수 해석을 위한 격자를 생성함에 있어서도 1:1000 수치지형도를 사용하였다. 배수계통도를 구성함에 있어서 지선부분까지 상세하게 고려하고, 침수해석을 위한 격자를 생성하는 경우 Lidar 자료 등 보다 개선된 측량자료를 적용한다면 보다 개선된 적합도를 얻을 수 있을 것으로 판단된다. 또한 호우기간 동안 시간별 침수지역과 침수심에 대한 기록이 존재한다면 모형에 적용되는 조도계수 및 격자크기 등에 대한 변화를 통하여 대상유역에 대한 보다 적합한 침수해석 모형을 구축할 수 있을 것으로 기대된다.
향후 침수피해 방지를 위한 시설의 설치가 추진되어 현재의 위치에 지하저류조를 설치하거나 노후된 대구 북부시외버스터미널을 재건축하게 되는 경우 우수유출 저감시설로써 지하저류조를 설치한다면 대상유역에서 예상되는 침수피해를 상당부분 저감할 수 있을 것으로 판단된다. 이러한 지하저류 조를 설치한다면 빗물펌프장의 오작동 시에도 충분한 저류용량의 확보로 침수피해를 저감할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 토지의 이용효율이 상당히 낮은 현재의 북부시외버스터미널 부지에 침수피해 저감시설인 지하저류조를 설치함에 있어서 단순하게 지하저류조만 설치하는 것이 아니라, 지하를 2층 구조물로 하여 지하1층은 공영주차장, 지하2층은 지하저류조, 그리고 지상은 시외버스 대기주차장으로 활용한다면, 시외버스터미널 주변의 상습적인 주차문제와 침수피해 문제를 동시에 해결할 수 있는 좋은 방법 가운데 하나가 될 것으로 기대된다.
지하저류조를 설치함으로 인하여 침수피해가 저감되는 것은 당연하지만, 본 연구와 같이 지하저류조의 크기와 위치에 따른 침수피해 저감영향에 대한 정량적 분석을 통하여 제시된 연구결과는 침수피해 방지를 위하여 경제적이고 사회적으로도 활용가치가 높은 지하저류조의 설치를 위한 충분한 기초자료가 될 것으로 기대된다. 또한 본 연구에서는 2003년 당시에 펌프장의 초기가동에 문제가 있었다는 점을 구현 하기 위하여 펌프장이 처음부터 가동되는 것이 아니라 일정한 수위를 초과하면 가동되는 것으로 가정하여 유출해석을 실시하였기 때문에, 펌프장이 처음부터 가동하는 것으로 배수시스템을 구성하여 모의를 실시한다면 보다 적은 월류량이 계산될 것이다.
SWMM 모형은 도시유역 내에서 강우사상으로 인한 유출량과 오염물질에 대한 지표면 및 지표하 흐름, 배수관망에서의 유출량 추적, 저류량 산정, 오염물질의 처리와 비용계산 등을 모의 할 수 있는 종합적인 모형이며, SWMM 모형의 주요 계산 블럭은 강우로부터 발생한 유출량과 수질 구성요소들을 계산하기 위한 RUNOFF 블럭, 과부하가 일어나지 않는 경우 배수 시스템의 유량과 수질에 대해서 운동학적 추적에 의해 계산하는 TRANSPORT 블럭, 저류조절 장치를 통한 유량 및 수질을 추적하는 STORAGE/TREATMENT 블럭, 그리고 동역학적 추적에 의해 수리학적 유량 계산을 하는 EXTRAN 블럭으로 구성된다. 추가적인 보조 블럭은 강우사상에 대한 선행 입력, 통계학적 분석, 그래프 출력 등과 같은 것을 수행한다.
따라서 본 연구에서는 도시유역내의 지하저류조 설치에 대한 우수유출 저감효과를 분석하고 월류된 유량에 대한 2차원 침수해석을 실시하여 침수피해 저감효과를 정량적으로 분석함으로써 도시지역의 배수시스템을 설계함에 있어서 침수피해 저감시설로써 지하저류조의 역할 및 기능에 대한 기초자료를 제시하고자 한다. 향후 경제적 편익을 고려하고 관거 내 유속을 방해하는 토사 등의 영향이 고려된 정확한 유량자료를 실측하여, 모의에 사용하는 각종 매개변수의 정확도를 높여 보다 정교한 자료를 제시한다면 도시유역에서의 각종 침수피해를 최소화 할 수 있는 보다 합리적인 방재대책 수립에 큰 도움을 줄 것으로 판단된다.
향후 침수피해 방지를 위한 시설의 설치가 추진되어 현재의 위치에 지하저류조를 설치하거나 노후된 대구 북부시외버스터미널을 재건축하게 되는 경우 우수유출 저감시설로써 지하저류조를 설치한다면 대상유역에서 예상되는 침수피해를 상당부분 저감할 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
우수유출 저감시설에 관한 연구로는 어떤 것들이 있는가?
윤여진과 이재철(2001)은 저류지 설계시 소요용량을 결정 하기 위해 저류비의 개념을 이용하여 산정된 저류지용량과 강우지속기간에 따른 저류지용적을 비교분석하여 적정용량을 산정하는 방법을 제시하였고, 이재응 등(2001)은 투수성 포장재를 통한 유출저감 효과를 분석하였으며, 장복진과 여운광(2002)은 현장자료를 이용한 침투집수정의 유출저감 효과에 관한 연구를 수행하였다. 최계운 등(2004)는 지하로 침투 되는 빗물을 저류조에 저장하여 하천에 일정유량을 흘려보내는 형태의 지하 빗물저류시설의 설치에 따른 유출저감 효과를 분석하였으며, 이재준 등(2006)은 도시화에 따른 도시 배수유역 특성인자와 저류지 특성인자간의 분석을 통해 저류지의 계획단계에서 활용할 수 있는 연구를 수행하였고, 김지태 등(2006)은 시험유역을 대상으로 중상류부에 유역분담 저류지를 설치함으로써 하도의 부담을 완화시키고 하류부 유출 저감에 효과적으로 나타나 유역의 치수안전도 확보에 효율적인 방안이 될 것으로 기대하였다. 송재우와 임장혁 (2007)은 우수유출 저감 기능을 가진 침투-저류 시스템을 제 안하고, 수리 모형 실험을 통해 침투-저류 시스템의 저감효과를 분석하였으며, 이재준과 곽창재(2008a)는 도시화로 인한 유출총량 및 첨두유량 증대에 대처하는 방안으로 도시유역에서 유출저감시설로서 신설되는 저류지를 간편하게 설계 하는 간편설계기법의 절차를 제시하였다. 또한 이재준 등 (2008b)은 재해영향평가서 22개소의 기 설계된 저류지를 분석대상으로 하여 여러 가지 저류지 계획모형의 적합성을 검토하는 연구를 수행하였고, 이재준과 김호년(2008c)은 유역의 형태 및 저류지의 위치에 따른 단일 저류지와 복수 저류지의 유출저감 효과를 분석하였다.
전세계적으로 홍수피해가 증대되고 있는 원인은?
전세계적으로 지구 온난화와 이상기후에 따라 호우 발생빈도 및 규모가 증가하고, 집중적이고 돌발적인 홍수 등으로 인하여 홍수피해가 증대되고 있다. 특히 도시화와 산업화로 인하여 인구가 밀집되고, 기반시설이 집중된 도시지역에서의 홍수로 인한 피해가 전체 홍수피해의 대부분을 차지하고 있는 실정이다.
홍수피해의 대부분을 차지하는 것은?
전세계적으로 지구 온난화와 이상기후에 따라 호우 발생빈도 및 규모가 증가하고, 집중적이고 돌발적인 홍수 등으로 인하여 홍수피해가 증대되고 있다. 특히 도시화와 산업화로 인하여 인구가 밀집되고, 기반시설이 집중된 도시지역에서의 홍수로 인한 피해가 전체 홍수피해의 대부분을 차지하고 있는 실정이다. 이러한 도시지역 홍수피해의 직접적인 원인은 외수의 범람에 의한 침수와 내수 배제 불량에 의한 침수피해로 구분할 수 있는데, 최근 발생하는 홍수피해의 대부분은 외수의 범람에 의한 피해보다는 각종 수리구조물의 배제능력 부족이나 방류지점에서의 배수위의 영향으로 인한 내수의 배제 불량에 기인한 피해가 증가하는 추세이다.
참고문헌 (26)
건설교통부, 한강홍수통제소(2007) 홍수지도 제작(낙동강 상류부)보고서.
건설교통부, 한국수자원공사(2001) 홍수지도 제작지침.
김지태, 권 욱, 김영복, 김수전(2006) 도시유역의 분담저류 방식에 따른 유출저감특성분석. 한국수자원학회 논문집, 한국수자원학회, 제39권, 제11호, pp. 915-922.
송재우, 임장혁(2007) 강우강도에 따른 침투-저류시스템의 우수유출저감효과에 관한 실험 연구. 한국방재학회 논문집, 한국방재학회, 제7권, 제4호, pp. 85-95.
최계운, 최종영, 김석봉(2004) 우수유출수의 도시하천 유지유량 활용을 위한 지하저류시스템 개발. 한국수자원학회 논문집, 한국수자원학회, 제37권, 제2호, pp. 163-172.
최계운, 최종영, 이진원(2009) 지하 빗물저류시설의 설치에 따른 유출 저감 효과 분석. 한국수자원학회 논문집, 한국수자원학회, 제36권, 제3호, pp. 455-464.
Hromadka, II, T.V. and Lai, C. (1985) Solving the two-dimensional diffusion flow model. Proc. Spec. Conf., sponsed by the Hydro. Div. of ASCE, Lake Buena Vista, Fla.
Hsu, M.H., Chen, S.H., and Chang, T.J. (2000) Inundation simulation for urban drainage basin with storm sewer system. J. of Hydrology, Vol. 234, pp. 21-37.
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