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가설 설정
- ILLUDAS 모형은 1974년에 미국에서 고안된 방법으로 직접연결 불투수지역 뿐만 아니라 간접연결 포장지역 및 녹지지역으로 부터의 유출 또한 고려할 수 있는 방법이다. 모형에서는 배수구역내 유출이 배수로로 연결되는 과정이 동일하다고 가정하며, 각 소유역별 직간접 포장면적, 녹지면적, 침투능 등을 고려하여 산정된다. SWMM 방법은 1971년 미국 EPA(Environmental Protection Agency)와 Metcalf & Eddy Inc.
제안 방법
- 6 5m 이상에 적용 가능한 Eq. 4을 채택하여 변환한 유량자료와 비교 및 검토하였다. 증산대교 지점의 시수위 자료는 서울특별시 하천관리 사이트(http://hongsu.
- 본 모형에서는 산정된 흐름방향에 따라 격자별 경사를 산정한다. 따라서 대상 격자와 흐름 방향의 격자와의 고도차 및 격자 중심간 거리를 통하여 경사를 구한다. 산정된 격자별 흐름방향, 누적수 및 경사는 강우-유출 해석시 비선형 저류방정식의 입력자료로 활용된다.
- 또한, 본 연구에서는 격자별로 강우 자료를 입력하기 위하여 3개 강우관측소의 평균강우량을 티센법을 이용하여 산정한 후 10 m×10 m 격자로 전환하여 적용하였다.
- 본 연구에서 제안된 모의기법을 한강수계 불광천의 증산대교 상류유역에 적용하여 모형의 적정성을 검토하였다. 불광천 유역 중 증산대교 상류의 유역면적은 18.
- 본 연구에서는 도시유역의 강우-유출 해석을 위하여 격자기반의 지표면 유출해석과 기존의 ILLUDAS 모형을 결합하여 새로운 모형을 제시하였으며, 이를 실제 유역인 불광천 유역에 적용하였다. 불광천 유역중 증산대교 상류 유역은 면적이 약 18.
- 불광천 유역에 대하여 4개의 강우사상을 적용하여 유출수문곡선을 산정하였다. 또한 기존의 ILLUDAS 모형을 이용하여 유출량을 산정하였다.
- 89 km2이며 대다수의 중심지역이 도시화가 모두 이루어진 전형적인 도시유역이다. 지표면 유출해석으로 GIS기반의 자료를 이용하여 소유역별로 유출량을 산정한 후 관망해석을 통하여 최종 유출구 지점인 증산대교에서의 유출 수문곡선을 산정하였다. 지표면 유출해석은 비선형저류방정식을 이용하여 격자의 흐름에 따라 산정하였다.
대상 데이터
- 887 km2이다. 대상 유역은 64개 소유역으로 구분되며 Fig. 4와 같다.
- ILLUDAS 모형은 SWMM 모형에 비하여 제한 조건이 많은 모형이나 국내에서는 기존 시가지의 관망자료(관망심도 및 맨홀위치 등) 부족으로 인하여 주로 사용되고 있으며 적용사례 또한 많은 모형이다. 본 연구에서는 대상지역으로 유역의 대부분이 도시화 되어 있는 불광천 유역을 선정하였다. 불광천 유역 주변의 3개 기상관측소와 1개의 수위 관측자료를 이용하였으며 기본매개변수는 관련문헌 등을 참조하여 결정하였다.
- 본 연구의 DEM 자료는 수치지도 1/5,000의 고도 자료를 기반으로 격자크기 10 m×10 m로 구성되었으며, DEM 자료를 이용하여 흐름방향 및 경사를 Fig. 5와 같이 산정하였다.
- 본 연구에서는 대상지역으로 유역의 대부분이 도시화 되어 있는 불광천 유역을 선정하였다. 불광천 유역 주변의 3개 기상관측소와 1개의 수위 관측자료를 이용하였으며 기본매개변수는 관련문헌 등을 참조하여 결정하였다.
- 4을 채택하여 변환한 유량자료와 비교 및 검토하였다. 증산대교 지점의 시수위 자료는 서울특별시 하천관리 사이트(http://hongsu.seoul.go.kr)에서 취득하였다.
데이터처리
- 지표면 유출해석은 비선형저류방정식을 이용하여 격자의 흐름에 따라 산정하였다. 산정된 유출 수문곡선은 증산대교 수위관측소에서 관측된 수위를 수위-유량곡선에 의하여 유량으로 환산된 값과 비교 분석 하였다. 4개의 실제 강우사상을 적용하여 유출수문곡선을 산정한 결과 총유출량은 11.
이론/모형
- (2) 및 광폭의 Manning식 Eq. (3)을 이용하여 유출깊이에 대한 비선형 방정식을 구성하고, Newton-Rapson 방법을 이용하여 격자별 유출깊이 y를 산정한다. 격자별 유출깊이가 계산되면 연속방정식에 대입하여 유출량 Q를 산정한다.
- 그리고 불광천 유역의 관망에 대한 매개변수(관망길이, 경사, 조도계수 등)는 서울특별시(2009)에서 제시된 값들을 적용하여 분석하였다.
- 그러나 우리나라의 도시유역은 상세 우수관거 자료가 불충분한 곳이 많아 SWMM 모형을 구축하기에는 무리가 있는 실정이다. 따라서 본 연구 모형에서는 도시유출해석 모형 중 SWMM 모형과 해석결과가 유사하고 입력자료가 간단하여 적용성이 우수한 ILLUDAS 모형의 관망해석 방법을 적용하였다.
- 따라서 본 연구에서는 김문모 등(2007)이 제시한 비선형저류방정식을 적용한 격자기반의 유출 해석 모형과 관망해석시 국내에서 주로 사용되는 ILLUDAS모형을 결합하여 유역에 적용하였다. ILLUDAS 모형은 SWMM 모형에 비하여 제한 조건이 많은 모형이나 국내에서는 기존 시가지의 관망자료(관망심도 및 맨홀위치 등) 부족으로 인하여 주로 사용되고 있으며 적용사례 또한 많은 모형이다.
- 박상식 및 이종태(2008)에 의하면 3가지 방법(Vieux, 2004; Charles 및 Fred, 2002; Hjelmfelt, 1986)에 의하여 토지피복별 조도계수를 구하여 유출량을 산정한 결과 Hjelmfelt(1986)이 제안한 값이 실측치와 유사한 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서도 격자별 조도계수를 산정하기 위하여 Hjelmfelt의 값을 채택하였다. 그리고 격자별 토양형(A, B, C, D)을 결정하기 위하여 정강호 등(2007)에서 제시한 값을 채택하였다.
- 불광천 유역에 대하여 4개의 강우사상을 적용하여 유출수문곡선을 산정하였다. 또한 기존의 ILLUDAS 모형을 이용하여 유출량을 산정하였다. 산정 두 유출수문곡선을 증산대교에서 관측된 시수위 곡선을 Eq.
- 이때 일반적으로 격자별 고도를 이용하여 흐름방향을 산정한다. 본 모형에서 Esri ArcGrid에서 제안한 8방향 흐름산정방법을 적용하였다. 또한 산정 전에 Fill & Sink를 통하여 연구지역을 보정하였다.
- 본 연구에서는 Hjelmfelt(1986)이 제안한 값을 근거로 토지 이용도별 조도계수를 산정한 후 격자별로 재분포시켰으며 정강호 등(2007)이 제안한 정밀토양도별 토양형을 근거로 대상 유역의 토양형을 Fig. 6에 나타내었다. 유역내 조도계수를 살펴보면 유역면적의 66.
- 지표면 유출해석으로 GIS기반의 자료를 이용하여 소유역별로 유출량을 산정한 후 관망해석을 통하여 최종 유출구 지점인 증산대교에서의 유출 수문곡선을 산정하였다. 지표면 유출해석은 비선형저류방정식을 이용하여 격자의 흐름에 따라 산정하였다. 산정된 유출 수문곡선은 증산대교 수위관측소에서 관측된 수위를 수위-유량곡선에 의하여 유량으로 환산된 값과 비교 분석 하였다.
성능/효과
- 산정된 유출 수문곡선은 증산대교 수위관측소에서 관측된 수위를 수위-유량곡선에 의하여 유량으로 환산된 값과 비교 분석 하였다. 4개의 실제 강우사상을 적용하여 유출수문곡선을 산정한 결과 총유출량은 11.70%~16.30%, 첨두유출량은 1.10%~6.96%의 상대오차를 나타내었고, 첨두시간은 1시간이내의 오차를 나타내어 실제 유출사상과 유사한 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서 제시한 모형은 기존의 ILLUDAS모형 보다 상세하고 정확한 도시유역 유출을 추정함으로써 도시 유역의 수해 방지시 유용하게 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 7 및 Table 2에 나타냈다. Event 1의 경우 첨두유출량은 ILLUDAS 모형은 실제 유량 보다 크게 산정하였고, 본 연구 모형은 상대오차 6.96%으로 실제 유량과 유사하게 나타났다. Event 2의 경우 두 모형 모두 실측 유출수문곡선과 유사하게 산정되었으나 본 연구 모형의 첨두유출량 상대오차가 1.
- 96%으로 실제 유량과 유사하게 나타났다. Event 2의 경우 두 모형 모두 실측 유출수문곡선과 유사하게 산정되었으나 본 연구 모형의 첨두유출량 상대오차가 1.10%로 IILUDAS 모형보다 작은 것으로 나타났다. Event 3의 경우는 Event 1과 비슷하게 나타났으나 본 모형 또한 15시간 이후의 유출수문곡선은 실제 유출과 다르게 나타났다.
- Event 3의 경우는 Event 1과 비슷하게 나타났으나 본 모형 또한 15시간 이후의 유출수문곡선은 실제 유출과 다르게 나타났다. Event 4의 경우도 첨두유출량은 ILLUDAS 모형은 실제 유량 보다 크게 산정하였고, 본 연구 모형은 상대오차 1.75%으로 실제 유량과 유사하게 나타났다. 첨두 발생시간은 Event 1~4에서 실제 첨두 유출 발생시간과 같거나 1시간 늦게 산정되는 것으로 나타났다.
- 첨두 발생시간은 Event 1~4에서 실제 첨두 유출 발생시간과 같거나 1시간 늦게 산정되는 것으로 나타났다. 유출총량의 경우 ILLUDAS 모형은 전반적으로 과대 산정을 하였으며 본 연구모형은 상대오차 11.70%~16.30%으로 실제 유출총량과 전반적으로 유사하게 나타났다. 하지만 두 모형 모두 20 m3/s 이하의 유출량은 잘 모의하지 못하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 따라서 본 연구에서 제시한 모형은 기존의 ILLUDAS모형 보다 상세하고 정확한 도시유역 유출을 추정함으로써 도시 유역의 수해 방지시 유용하게 활용할 수 있을 것으로 판단된다. 그러나 추후 조도계수 등 매개변수에 대한 분석, 강우의 공간분포에 대한 보정 및 여러 유역에서의 추가적인 검증이 필요할 것으로 판단된다.
- 96%의 상대오차를 나타내었고, 첨두시간은 1시간이내의 오차를 나타내어 실제 유출사상과 유사한 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서 제시한 모형은 기존의 ILLUDAS모형 보다 상세하고 정확한 도시유역 유출을 추정함으로써 도시 유역의 수해 방지시 유용하게 활용할 수 있을 것으로 판단된다. 그러나 추후 조도계수 등 매개변수에 대한 분석, 강우의 공간분포에 대한 보정 및 여러 유역에서의 추가적인 검증이 필요할 것으로 판단된다.
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