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첨두유출량 저감을 위한 도시유역 경계 및 우수관망 최적 설계
Optimal Designs of Urban Watershed Boundary and Sewer Networks to Reduce Peak Outflows 원문보기

한국방재학회논문집 = Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation, v.11 no.2, 2011년, pp.157 - 161  

이정호 (한밭대학교 토목공학과) ,  전환돈 (서울과학기술대학교 건설공학부) ,  김중훈 (고려대학교 건축사회환경공학과)

초록
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자연유역에서의 유역 분할에 관한 많은 연구가 진행되어왔음에도 불구하고, 도시유역에서의 유역 분할에 관한 연구는 이루어져있지 않다. 도시유역간의 경계 구분에 있어서 두 개의 유역 사이에 어떤 자연적 경계 또는 행정적 경계가 존재하지 않아 그 구분이 모호한 경우, 각기 다른 유출구를 갖는 우수관망에 의한 도시유역간의 경계는 오직 우수관거시스템의 설계자에 의하여 결정된다. 본 연구에서 제안된 UWDM(Urban Watershed Division Model)은 각 유역의 유출구에서의 첨두유출량을 동시에 감소시키기 위한 유역경계를 결정하게 된다. 이때, UWDM은 복수의 관거 연결 방향을 갖는 맨홀간 연결 방향을 결정함으로써 우수관거 유출구에서의 첨두 유출량을 저감시키기 위한 우수관망을 결정한다. UWDM을 통한 우수관망의 변경은 관거 내 유출 수문곡선의 중첩효과를 변화시키기 때문에, 최적화된 우수관망에서의 수문곡선은 그 중첩효과가 감소된 만큼 유출구에서의 첨두 유출량을 감소시킬 수 있다. 따라서 UWDM은 유역 경계상에서의 맨홀간 관거의 연결 방향을 유전자알고리즘을 이용하여 결정함으로써 인접한 도시유역간의 경계를 최적화할 수 있다. 본 연구에서 제안된 모형은 서울의 50.3 ha의 각기 다른 유출구를 갖는 인접한 두 개의 도시유역에 적용되었으며, 이 모형의 유역 구분에 의하여 두 개의 우수관망 유출구에서의 첨두유출량은 약 22% 감소하는 결과를 나타냈다. 자연유역에서의 유역 분할에 관한 많은 연구가 진행되어왔음에도 불구하고, 도시유역에서의 유역 분할에 관한 연구는 이루어져있지 않다. 도시유역간의 경계 구분에 있어서 두 개의 유역 사이에 어떤 자연적 경계 또는 행정적 경계가 존재하지 않아 그 구분이 모호한 경우, 각기 다른 유출구를 갖는 우수관망에 의한 도시유역간의 경계는 오직 우수관거시스템의 설계자에 의하여 결정된다. 본 연구에서 제안된 UWDM(Urban Watershed Division Model)은 각 유역의 유출구에서의 첨두유출량을 동시에 감소시키기 위한 유역경계를 결정하게 된다. 이때, UWDM은 복수의 관거 연결 방향을 갖는 맨홀간 연결 방향을 결정함으로써 우수관거 유출구에서의 첨두 유출량을 저감시키기 위한 우수관망을 결정한다. UWDM을 통한 우수관망의 변경은 관거 내 유출 수문곡선의 중첩효과를 변화시키기 때문에, 최적화된 우수관망에서의 수문곡선은 그 중첩효과가 감소된 만큼 유출구에서의 첨두 유출량을 감소시킬 수 있다. 따라서 UWDM은 유역 경계상에서의 맨홀간 관거의 연결 방향을 유전자알고리즘을 이용하여 결정함으로써 인접한 도시유역간의 경계를 최적화할 수 있다. 본 연구에서 제안된 모형은 서울의 50.3 ha의 각기 다른 유출구를 갖는 인접한 두 개의 도시유역에 적용되었으며, 이 모형의 유역 구분에 의하여 두 개의 우수관망 유출구에서의 첨두유출량은 약 22% 감소하는 결과를 나타냈다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Although many researches have been carried out concerning the watershed division in natural areas, it has not been researched for the urban watershed division. If the boundary between two urban areas is indistinct because no natural distinction or no administrative division is between the areas, the...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • Optimal network module이 하나의 우수 관망을 결정지었을 때, Hydraulic design module의 주요 역할은 설계 요건을 만족시키면서 우수 관망 내 관거의 관경 및 경사를 선택하고 궁극적으로 목적함수라는 최종 목표를 위한 연산을 수행하는 것이다. 다음의 그림 5는 Hydraulic design module의 구성도를 나타낸다.
  • 따라서 본 연구에서는 이상의 개념을 고려하여 도시유역에서의 유역 경계를 결정하기 위한 새로운 모형인 Urban Watershed Division Model(UWDM)을 개발하였다. 본 연구에서 개발된 UWDM은 유역 경계가 불명확한 도시유역에서의 유역간 경계 설정 및 유역별 최적 우수관망을 동시에 구성할 수 있는 모형이다.
  • 본 연구에서는 김중훈 등(2009)과 이정호(2010)의 연구를 바탕으로 우수관망의 노선 결정에 있어서 유출구 첨두유출량 최소화를 목적함수로 하는 우수관망 최적 설계를 기본 메카니즘으로 하였다.
  • Optimal network module은 아래의 식 (1)과 같은 목적함수를 갖는다. 이것은 두 개의 소유역(배수분구)으로 구성되어 있는 도시유역에 대하여 소유역별 첨두 유출량의 저감 효과를 최대화하는 유역 경계 및 우수관망을 결정하는 것에 목적을 두고 있다.
  • 본 연구에서 개발된 UWDM은 유역 경계가 불명확한 도시유역에서의 유역간 경계 설정 및 유역별 최적 우수관망을 동시에 구성할 수 있는 모형이다. 이때 인접한 도시유역간의 경계 설정 및 유역별 우수관망의 최적 설계는 각 유역별 첨두 유출량 최소화를 목적함수로 하였다.
  • 그러나 유역의 경계를 구분할 만한 요소들이 불확실한 경우에 있어서는 일반적으로 설계자의 판단에 의하여 유역이 구분되어지며, 이러한 경우 어떠한 관점에서 유역의 경계 및 우수관망을 구성하느냐에 따라서 상대적인 효과는 다르게 나타날 수밖에 없다. 일반적으로 우수관망의 설계가 최소비용을 목적으로 구성되며, 유역 경계의 설정이 불분명한 기준에 의하여 이루어지는 현재의 우수관망 설계 시스템에 대하여 본 연구에서는 도시 유역에서의 내수침수 방재를 목적으로 우수관망 유출구 첨두 유출량을 최소화할 수 있는 도시유역의 경계 설정 및 우수관망 최적화 모형을 개발하였다.

가설 설정

  • 반면, 소유역에 A에서의 1번 3번 맨홀 지점 및 소유역 B에서의 10번, 11번 맨홀지점의 경우 각 소유역에서의 관망의 구성에 영향을 미칠 뿐 유역 경계 구분에는 영향을 미치지 않는 지점들로 이들을 복수의 관거 연결 방향성을 갖는 optional node로 명칭지었다. 이때 맨홀 지점간의 관거의 연결은 지표고가 높은 곳에서 낮은 곳으로 연결되는 것을 가정하였다. 따라서 복수의 연결 방향성을 갖는 맨홀 지점은 해당 지점 주변에 관거의 연결이 가능한 낮은 지표고의 맨홀 지점이 2개 이상 존재하는 것을 의미한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
UWDM의 개발이 의미하는 바는 무엇인가? 본 연구에서 UWDM의 개발이 의미하는 바는 다음과 같이 정리될 수 있다. 첫째, 도시유역에서의 유역 경계란 그 결과물로서의 유역 내 우수관거 시스템을 설계하여야 하는 필요조건이 아닌 도시유역 내 내수침수 위험도 저감을 위하여 변화될 수 있는 요소이며, 우수관거 시스템의 설계와 동시에 고려되어야 한다. 둘째, 도시유역에서의 내수침수 위험도를 저감시킬 수 있는 유역 경계의 설정 및 최적 우수관망의 설계가 가능한 UWDM은 대단위 도시유역에서의 전반적인 우수관거 시스템 설계에 유용하게 활용될 수 있다.
UWDM은 어떻게 구성되어 있는가? UWDM은 Optimal network module과 Hydraulic design module로 구성되어 있다. 다음의 그림 1은 UWDM의 기본적인 구조를 나타낸다.
현재 도시유역에서의 우수관거의 설계는 어떻게 설계되고 있는가? 현재 도시유역에서의 우수관거의 설계는 최단거리의 관거 노선 설정에 따라 최소비용의 공사비가 소모되도록 설계되고 있다. 우수관거의 최적 설계에 대한 기존의 연구들 또한 수리학적 조건을 만족시키는 범위 내에서 최소의 비용을 위한 관거 설계에 초점을 맞추어왔다.
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참고문헌 (9)

  1. 한국수도협회 (2005) 하수도시설기준, 환경부, pp. 59-67. 

  2. 김중훈, 주진걸, 전환돈, 이정호 (2009) 우수관거 흐름 제어를 위한 관망 설계에 관한 연구, 한국방재학회논문집, 제9권 1호, pp. 1-7. 

  3. 이정호 (2010) 우수관망 노선 결정에 따른 첨두유출량 변화 분석, 한국산학기술학회논문지, 제11권 12호, pp. 5151-5156. 

  4. Froise, S. and Burges, S.J. (1978) Least-cost design of urban-drainage network, Journal of Water Resources Planning and Management, Vol. 104, No. 1, pp. 75-92 

  5. Merritt, L.B. and Bogan, R.H. (1973) Computer based optimal designof sewer system, Journal of Envir. Engrg. Div., Vol. 99, No. 1, pp. 35-53. 

  6. Mays, L.W. and Wenzel, H.G. (1976) A serial DDDP approach for optimal design of multi-level branching storm sewer systems, Water Resources and Research, Vol. 12, No. 5, pp. 913-917. 

  7. Mays, L.W. and Yen, B.C. (1975) Optimal cost design of branched sewer system, Water Resources and Research, Vol. 11, No. 1, pp. 37-47. 

  8. Tekeli, S. and Belkaya, H. (1986) Computerized layout generation for sanitary sewers, Journal of Water Resources Planning and Management, Vol. 112, No. 4, pp. 500-515. 

  9. Weng, H.T., Liaw, S.L. and Huang, W.C. (2004) Establishing an optimization model for sewer system layout with applied genetic algolithm, Environmental Informatics Archives, Vol. 5, No. 1, pp. 26-35. 

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