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문제 정의
- 이 논문에서는 FFC2Q (WQUAL) 모형의 기본이론을 검토하고 그 적용성을 분석하였다. 서울시 군자배수구역의 실제 강우를 대상으로 계산치와 실측치와의 비교를 통한 오염물의 축적 및 쓸림량 산정과 이를 위한 주요 매개변수의 선택 및 그 영향을 검토하고, 기존 모형 SWMM과 MOUSE과 비교하였다.
- 이 연구에서는 축적계수와 축적지수 및 건기일수에 따른 각 방법별 오염물 누가축적량의 증가선형을 비교 검토하였다. 즉, Fig.
제안 방법
- FFC2Q 모형에서 유효우량 산정방법은 투수지역과 불투수지역으로 구분하여 계산하며, 투수지역에서는 토양형에 따른 Horton 계수를 이용한 방법과 토지이용현황을 고려한 NRCS 방법을 선택 적용할 수 있도록 하였다. 지표면 유출해석에서 SWMM 및 MOUSE은 투수지역과 불투수지역에 같은 방법을 적용하였으나, FFC2Q 모형에서는 투수지역과 불투수지역에 대하여 Clark합성단위도법 및 시간-면적곡선법을 선택하여 적용할 수 있도록 개발하였다.
- FFC2Q모형으로 실 강우사상에 대하여 모의하고 계산 결과를 실측치 및 기존의 모형들과 비교함으로써 그 적용성을 평가하였다. 먼저, 강우량이 적었던 강우사상 E1에서 이 모형은 유출수문곡선형에서 SWMM모형과 유사하였으며, MOUSE와는 상승부에서 차이가 있었다.
- 이 연구에서는 강우의 지속시간, 분포 및 오염물 축적과 쓸림 등의 조건에 따른 CSOs의 오염물 부하특성을 군자배수구역에서의 3개 강우사상에 대하여 FFC2Q으로 모의하고 계산결과를 실측치와 비교하여 그 적용성을 검토하였으며, 주요 비점부하량 산정 관련 수질매개변수의 선택과 그 민감도를 분석하였다. 또한 기존모형 SWMM, MOUSE와의 비교를 통하여 그 실용성을 평가하였다. FFC2Q 모형은 주요 검토항목 대상을 중심으로 입력 자료를 단순화 하였음에도 불구하고 기존모형과 대등한 유출, 해석기능을 수행하는 것으로 판단되었다.
- 또한, 강우 초기시의 유출량과 오염부하량과의 관계성을 검토하였으며, 강우 분포와 지속시간에 따른 유출량과 비점오염성분의 부하특성을 분석하였다.
- 서울시 군자배수구역의 실제 강우를 대상으로 계산치와 실측치와의 비교를 통한 오염물의 축적 및 쓸림량 산정과 이를 위한 주요 매개변수의 선택 및 그 영향을 검토하고, 기존 모형 SWMM과 MOUSE과 비교하였다. 또한, 도시 지역에서의 CSOs 비점오염물 부하량을 강우 분포, 지속시간에 따라 산정하고 부하특성을 분석하였다.
- 먼저, 비점원 오염부하량 산정과 관련하여 오염물 축적 산정식별 최적 매개변수값을 적용하고 계산결과를 비교 검토하였다. 산정 방법은 Fig.
- 이 논문에서는 FFC2Q (WQUAL) 모형의 기본이론을 검토하고 그 적용성을 분석하였다. 서울시 군자배수구역의 실제 강우를 대상으로 계산치와 실측치와의 비교를 통한 오염물의 축적 및 쓸림량 산정과 이를 위한 주요 매개변수의 선택 및 그 영향을 검토하고, 기존 모형 SWMM과 MOUSE과 비교하였다. 또한, 도시 지역에서의 CSOs 비점오염물 부하량을 강우 분포, 지속시간에 따라 산정하고 부하특성을 분석하였다.
- 건기시의 유량 및 수질계산은 계수지정법을, 우기시의 유출해석은 투수지역과 불투수지역으로 구분하고, 각 소유역의 형상을 고려하여 Clark 방법과 시간-면적곡선법을 선택하여 계산할 수 있다. 오염부하량은 오염물 축적량산정식과 쓸림방정식 및 기여계수를 적용하여 계산시간별 오염물질 부하량 및 농도 등을 계산한다. 비점오염물의 축적량은 일오염물축적법, Power-Linear법, Exponential법, Michaelis-Menton법 중에서 선택하여 모의하며, 쓸림량의 계산은 지수형 쓸림 방정식에 의해 각 수질항목(SUS, SET, BOD5, COD, TN, TP, COLI)에 대한 해석이 가능하다.
- 오염성분의 농도 및 부하량에 크게 영향을 미치는 매개변수로는 축적관련 매개변수와 쓸림관련 매개변수로 구분할 수 있다. 유출 및 수질매개변수의 보정을 위해 3개 강우 사상에 대한 실측치와 모의치의 상대오차를 최소화하는 최적 매개변수를 시행착오법으로 선정하여 수질성분별 입력자료를 구성하였다.
- 이 연구에서는 강우의 지속시간, 분포 및 오염물 축적과 쓸림 등의 조건에 따른 CSOs의 오염물 부하특성을 군자배수구역에서의 3개 강우사상에 대하여 FFC2Q으로 모의하고 계산결과를 실측치와 비교하여 그 적용성을 검토하였으며, 주요 비점부하량 산정 관련 수질매개변수의 선택과 그 민감도를 분석하였다. 또한 기존모형 SWMM, MOUSE와의 비교를 통하여 그 실용성을 평가하였다.
- 이 배수구역내 및 인근의 수문관측시설로는 기상청 관할 자기우량계(AWS)와 국토해양부 건설기술혁신사업으로 시행되고 있는 도시홍수재해관리기술연구단(이하 연구단)의 자동관측우량계가 있다. 이 연구에서는 이 배수구역내에 위치한 용마초등학교의 우량자료를 채택하는 것이 타당한 것으로 판단하였으며, 다음의 3개 강우사상에 대하여 유역의 출구에서 유출량 및 수질관측 실시하였다(Table 2).
- 강우분포 조건에 다른 오염물의 부하특성을 분석하기 위하여 Huff의 4분위법을 적용하였다(건설교통부, 2000). 즉, 서울지역의 1～4분위 분포에서 10년 빈도의 유출량에 따른 오염부하량을 군자배수구역에 대하여 분석하였다. Fig.
- FFC2Q 모형에서 유효우량 산정방법은 투수지역과 불투수지역으로 구분하여 계산하며, 투수지역에서는 토양형에 따른 Horton 계수를 이용한 방법과 토지이용현황을 고려한 NRCS 방법을 선택 적용할 수 있도록 하였다. 지표면 유출해석에서 SWMM 및 MOUSE은 투수지역과 불투수지역에 같은 방법을 적용하였으나, FFC2Q 모형에서는 투수지역과 불투수지역에 대하여 Clark합성단위도법 및 시간-면적곡선법을 선택하여 적용할 수 있도록 개발하였다. 또한, 다른 모형들이 모든 소유역을 직사각형 형태로 단순화하여 계산하는 반면에 본 개발모형에서는 유역의 형태를 다양화하여 유역형상에 따른 유출특성을 반영하였다( 성철 등, 2008).
- 초기강우에 의한 CSOs의 유량과 오염물부하량을 산정하고 그 관계성을 앞에서의 3개 강우조건에서 검토하였다. 이때의 유량은 시간면적법을, 비점오염물 축적량은 일오염물축적법, 그리고 오염물쓸림량은 쓸림계수와 기여계수를 고려하였다.
- 한편, 강우 초기의 집중도가 큰 Huff1 분포에서 강우 지속시간에 따른 오염물 부하특성을 검토하였다. 대체로 무차원 곡선형은 유사하게 나타났으나 지속시간이 길수록 급하게 나타났다.
- 한편, 앞에서의 최적매개변수 값을 기준 값으로 하는 상대오차가 계산 결과치에 미치는 민감도를 검토하였다.
대상 데이터
- 검토 모형에 의한 오염부하량의 계산과 이에 사용되는 주요 매개변수 값들의 선택 및 민감도를 판단하기 위하여 서울시 중랑천 유역에 위치한 복합 주거지역인 군자배수구역(광진구)을 시험 유역으로 선정하고 강우, 유출 및 수질자료들을 실측하였다.
- 주 관로는 1.7 × 1.7 m의 암거이며, 지선은 700 mm 원형관로로 구성되어있다.
데이터처리
- 유출 및 수질해석을 위하여 사용하고 있는 주요 해석 기법에 대하여 FFC2Q와 SWMM, MOUSE 모형과의 차이점과 유사점을 비교 검토하였으며, 특히 수질 성분별 비점오염 부하량산정 결과를 중심으로 계산 비교하였다(Table 3).
이론/모형
- WQUAL에서는 축적된 각 오염물질들이 유출강도에 의하여 쓸려나가는 양을 계산하기 위하여 다음의 오염 성분별 쓸림방정식들을 사용하였다.
- 비점오염물의 쓸림은 강우의 분포, 시간 및 강도에 따라 영향을 받게 되며 특히 강우의 초기에 그 영향은 크다. 강우분포 조건에 다른 오염물의 부하특성을 분석하기 위하여 Huff의 4분위법을 적용하였다(건설교통부, 2000). 즉, 서울지역의 1～4분위 분포에서 10년 빈도의 유출량에 따른 오염부하량을 군자배수구역에 대하여 분석하였다.
- WQUAL에서는 강우 초기 비점오염 물질의 축적량과 부하량을 계산하며, 이때의 유출은 LNDFLOW와 CONFLOW블록으로 산정한다. 건기시의 유량 및 수질계산은 계수지정법을, 우기시의 유출해석은 투수지역과 불투수지역으로 구분하고, 각 소유역의 형상을 고려하여 Clark 방법과 시간-면적곡선법을 선택하여 계산할 수 있다. 오염부하량은 오염물 축적량산정식과 쓸림방정식 및 기여계수를 적용하여 계산시간별 오염물질 부하량 및 농도 등을 계산한다.
- 오염부하량은 오염물 축적량산정식과 쓸림방정식 및 기여계수를 적용하여 계산시간별 오염물질 부하량 및 농도 등을 계산한다. 비점오염물의 축적량은 일오염물축적법, Power-Linear법, Exponential법, Michaelis-Menton법 중에서 선택하여 모의하며, 쓸림량의 계산은 지수형 쓸림 방정식에 의해 각 수질항목(SUS, SET, BOD5, COD, TN, TP, COLI)에 대한 해석이 가능하다. 특히 WQUAL에서는 오염성분간의 영향을 고려한 기여계수를 적용 배수구역의 부하특성을 고려하여 사용자가 지정할 수 있도록 하였다.
- 유역의 지표면 오염물 축적량은 배수유역의 면적, 토지이용도, 건기일수 등에 영향을 받으며 축적 계수 및 지수들에 의하여 유역의 특성을 반영하여 일오염물축적법, Power-Linear법, Exponential법 및 Michaelis-Menton법 중에서 선택하여 계산한다(Eqs. (1)～(4)).
- 이 때 유출해석은 시간-면적법을 적용하였으며, 관련 매개변수는 허성철 등(2008)의 성과를 사용하였다.
- 초기강우에 의한 CSOs의 유량과 오염물부하량을 산정하고 그 관계성을 앞에서의 3개 강우조건에서 검토하였다. 이때의 유량은 시간면적법을, 비점오염물 축적량은 일오염물축적법, 그리고 오염물쓸림량은 쓸림계수와 기여계수를 고려하였다. 검토결과는 유출량의 상승구간에서 임의 시간 유출량(q)의 첨두유출량(Q)에 대한 비(q/Q)와 각 오염성분 농도(p)의 첨두농도(P)에 대한 비(p/P)로 표현하였다.
성능/효과
- (1) 비점오염축적량 산정식은 각 방법에서 상이한 함수형을 보이나 실측치와의 비교를 통한 각 방법별 최적매개변수의 선택으로 계산결과에 주는 차이는 크지 않음을 알 수 있었다. 한계축적량은 모든 방법에서 큰 영향을 주며, 축적지수의 영향도 컸다.
- (2) 실측 강우사상에 대한 유출, 수질 및 관련 매개변수에 대한 종합적 비교검토 결과, 모형 FFC2Q(WQUAL)는 강우조건에 따라 차이는 있지만 관측치에 근접한 모의 결과를 안정적으로 보여주었으며, 기존의 모형 SWMM 및 MOUSE와의 비교에서도 검토 항목에 따라 차이는 보였으나 전반적으로 유사한 계산결과들을 보여주었다.
- (3) 초기 강우시의 오염부하량의 증가율은 유출량에 비해 상대적으로 컸으며, BOD5, COD 등은 강우 초기시 부하량이 SS보다 크게 증가하는 경향을 보였다. 이는 오염성분들의 지표면 소류력에 저항하는 정도의 차이로 인한 것으로서 강우 초기에는 비교적 가벼운 성분의 이동이 보다 용이한데 기인하는 것으로 판단된다.
- (4) Huff1 분위에서 초기의 강우량 집중은 오염부하량의 증가에 크게 기여하고 있음을 보여주었으며, 이 범위보다 더 길게 지속되는 강우는 CSOs의 오염부하에 주는 영향이 급격히 감소되는 것으로 분석되었다.
- 두 번째 강우사상(E2)에서는 유출수문곡선형은 SWMM 모형이 실측치에 가장 유사하였으나 첨두유량 발생시간은 모두 실측치에 유사하였다. SS의 분석 결과 첨두농도의 실측치가 626.0 mg/L로서 SWMM은 625.0, MOUSE 626.2, FFC2Q은 626.0 mg/L로서 모두 실측치에 근사하였다. 다른 수질 항목에서도 개발모형의 모의결과는 실측치에 가장 유사한 값으로 모의가 되었으며, 특히 오염물 농도곡선의 형태에서 개발모형은 다른 모형에 비해 실측치에 유사한 거동을 나타내었다.
- 세 번째 강우사상(E3)의 경우에서는 유출수문곡선의 형태와 첨두유량에서 개발모형이 실측치와 가장 유사한 결과를 나타내었다. 각 수질항목별 비교 결과 개발모형과 SWMM이 실측치에 가장 근접하였다. 첨두발생시간은 개발모형과 MOUSE에서 동일한 결과를 나타내었으며 SWMM에서는 약간 늦게 발생하였다(Fig.
- 금번 검토 대상인 3개 강우는 모두 강도가 작고 지속시간도 짧은 편으로서 첨두유출량이 발생하는 시간과 거의 같은 시간에 첨두오염부하량이 발생하였으나, 강우 지속시간이 보다 긴 경우에는 강우초기에 비점오염물의 부하량이 집중되며, 그 이후에는 유출량이 증가하더라도 오염부하량의 증가는 둔화될 것으로 판단된다.
- 두 번째 강우사상(E2)에서는 유출수문곡선형은 SWMM 모형이 실측치에 가장 유사하였으나 첨두유량 발생시간은 모두 실측치에 유사하였다. SS의 분석 결과 첨두농도의 실측치가 626.
- 세 번째 강우사상(E3)의 경우에서는 유출수문곡선의 형태와 첨두유량에서 개발모형이 실측치와 가장 유사한 결과를 나타내었다. 각 수질항목별 비교 결과 개발모형과 SWMM이 실측치에 가장 근접하였다.
- 수질 항목별 강우초기의 오염물질 축적량 계산에 적용되는 매개변수들로서, 전반적으로 건기일수와 한계축적량은 모든 방법에서 계산결과에 큰 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 이 때 건기일수는 기후조건에 의해 결정되는 사항임으로 비 경험적 계수이다.
- 모형간의 유출량 계산의 차이로 인해 오염농도 곡선에서도 약간의 차이가 발생하였으나. 수질 항목별로 비교한 결과 개발모형은 실측치에 보다 근접하였으며, 첨두치 발생시간은 적용모형 모두 실측치에 근접하는 유사한 결과를 나타내었다(Fig. 6, Table 4).
- 이상의 3개 강우사상에 대한 유출, 수질 및 관련 매개변수에 대한 종합적 비교검토 결과 FFC2Q모형은 강우조건에 따라 차이는 있지만 관측치에 근접한 모의 결과를 안정적으로 보여주었으며, 기존 모형들과의 비교에서도 검토 항목에 따라 차이는 보였으나 전반적으로 대등한 계산결과들을 보여주었다.
- 일오염물축적법에서는 소유역별 토지이용별 축적량은 계산결과에 직접적인 영향을 주었고, Power-Linear 방법에서는 축적계수와 한계축적량이 가장 민감하였으며, 대장균에 대해서는 축적지수의 민감도가 크게 나타났다. Exponential 방법에서는 한계축적량 및 축적지수가 민감하게 나타났다.
- 각 수질항목별 비교 결과 개발모형과 SWMM이 실측치에 가장 근접하였다. 첨두발생시간은 개발모형과 MOUSE에서 동일한 결과를 나타내었으며 SWMM에서는 약간 늦게 발생하였다(Fig. 8, Table 6).
- 1에서 알 수 있는 바와 같이 Power-Linear법과 Exponential법에서는 산정치가 시간에 따라 증가하다가 한계치에 접근하게 된다. 축적계수와 지수에 따라 한계치에 이르는 건기일수에는 차이가 있었으며, Exponential법은 건기일수에 따라 한계축적량에 빠르게 수렴하였다. 그러나 Michaelis-Menton법은 건기 일수가 길어져도 한계치에는 수렴하지는 않으며 오히려 축적계수의 영향이 큰 것으로 나타났다.
- (1) 비점오염축적량 산정식은 각 방법에서 상이한 함수형을 보이나 실측치와의 비교를 통한 각 방법별 최적매개변수의 선택으로 계산결과에 주는 차이는 크지 않음을 알 수 있었다. 한계축적량은 모든 방법에서 큰 영향을 주며, 축적지수의 영향도 컸다. 쓸림량 산정에서 쓸림감쇠계수의 영향이 크며 오염성분별로 기여계수를 활용으로써 첨두농도, 발생시간 등에서 관측치와 유사한 모의가 가능하였다.
- 5는 SS에 관한 것이다. 한편, 쓸림량 산정 매개변수로서 감쇠계수 모든 축적량 산정방법에 의한 계산결과에 직접적인 영향을 주는 것으로 분석되었다.
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