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문제 정의
- 따라서, 도시유역과 같은 복합유역의 특성을 반영할 수 있고 FFC2Q 기존 버전을 비롯한 기존 도시유역 유출해석 모형들이 가지고 있는 적용 한계를 개선하고자 입력강우에 대한 침투해석을 지표면의 상황에 따라 수행할 수 있으며, GIS를 통한 유역의 지형학적인 구성상태가 고려된 강우-유출해석 모형을 개발을 목표로 FFC2Q 기존 버전을 확장 및 개선하였다.
가설 설정
- 4) 다양한 단면형의 관거에 대한 설계가 가능하다.
제안 방법
- 지표면 유출해석 방법의 경우 ILLUDAS, SWMM 및 MOUSE 모형에서는 투수 지역과 불투수지역에 같은 방법을 적용하였으나, FFC2Q 모형에서는 투수 지역과 불투수 지역에 운동 파 법, Clark 법 및 시간-면적곡선법을 토지이용 상태에 따라 각각 선택적으로 적용할 수 있도록 하였다. 또한, 상기 외국 모형들이 소유역을 직사각형 형태로 단순화한 반면에 본 모형에서는 유역의 형상을 실제 유역형상과 유사하게 유형화하여 이에 따른 유출 특성을 반영하였다. 관거유출해석의 경우 SWMM, MOUSE 모형에서는 운동파, 확산파, 동역학파 방법의 선택이 가능한 반면에, ILLUDAS 모형에서는 등류수심을 가정한 kinematic wave에 의하여서만 관거 유출해석을 실시한다.
- 있다. 모형은 강우 및 유효우량 산정, 지표면 유출해석, 관거 유출해석, 오염물 축적 및 쓸림 해석 부분의 4개 모듈로 구분하여 각 적용이론을 검토하고 계산 프로그램 및 GUI를 작성하였다.
- 각 부프로그램은 강우해석, 지표면 유출해석, 관거 유출해석, 수질해석 등의 4개 모듈로 구분할 수 있으며, 각 모듈들은 부프로그램인 HYDRO에서 제어되어 실행된다.
- 산정할 수 있다. 또한, 주관거의 압력류 및 배수효과를 고려하기 위하여 동역학파 법을 도입하였다.
- FFC2Q 모형의 메인 GUI 화면 및 입력창은 그림 7과 같으며, 유역의 전반적인 사항, 프로젝트의 기본사항 및 강우해석, 지표면 유출해석, 관거 유출해석 및 수질해석을 위한 창이 트리 형식으로 입력되는 창, 각 항목별 상세정보 입력창 및 유역의 형상을 개략적으로 묘사할 수 있는 GUI 창으로 구성하였다. FFC2Q 모형 의 초기화면은 상단의 메뉴바와 툴바 및 그리기 기능을 통하여 유역을 표시할 수 있으며 구성된 유역은 좌측 상단의 트리를 통하여 확인할 수 있다.
- 프로젝트 관리 화면은 해석/설계모드, 지표면 유출해석 시 유역형상의 고려 여부, 침투방정식(Horton/ NRCS)의 선택 및 수질해석 여부를 구분할 수 있도록 구성되어 있으며 프로젝트의 전반적인 방법이 입력 된다.
- 각각의 필수 알고리즘을 다음 표 4와 같이 세부모듈을 구성하여 Processing 과정을 수행하도록 하였다. Processing 과정을 거친 grid celle 시간에 따라 침투 심, 유출심, 지표 유출량, 침투량, 총 유출량과 같은 정보를 가지게 되며 결과에 해당하는 정보는 raster 형태로 출력되거나 사용자가 원하는 지점에 대한 2차원 그래프 형태로 출력되도록 Postprocessing을 구성하였다.
- ② 불확실성 요소가 많고 매개변수의 설정이 어려운 유효우량 분리법을 이용한 강우의 초기 손실량을 산정하지 않고 지표면의 특성을 고려한 침투해석을 실시한다.
- ③ 투수성 토양층의 포화상태를 고려하여 포화 침투해석 및 불포화 침투해석을 실시한다.
- ④ 지표 유출과 지표하 유출의 경계층의 상호작용에 대한 coupling 해석을 실시한다.
- 오염물질 축적방법의 경우 FFC2Q, SWMM 모형에서는 토지이용 및 수질항목별 오염물질과 건기 일수 등을 고려하여 4가지 방법에 의하여 축적량을 계산하였고, MOUSE 모형에서는 토사유출량이 수질해석을 지배하는 것으로 간주하여 수질해석을 한다. 오염물 쓸림 방법의 경우 FFC2Q, SWMM 및 MOUSE 모형에서는 초기 강우강도를 고려한 쓸림방정식을 구축하였다.
이론/모형
- 수질해석을 한다. FFC2Q에서 채택한 유효 우량산정 방법은 투수지 역과 불투수지 역에서의 지면 저류량을 고려하고, 투수지역에서 토양형에 따른 Horton 계수를 이용하는 방법과 토지이용현황을 고려한 NRCS 방법을 적용하였다. 지표면 유출해석 방법의 경우 ILLUDAS, SWMM 및 MOUSE 모형에서는 투수 지역과 불투수지역에 같은 방법을 적용하였으나, FFC2Q 모형에서는 투수 지역과 불투수 지역에 운동 파 법, Clark 법 및 시간-면적곡선법을 토지이용 상태에 따라 각각 선택적으로 적용할 수 있도록 하였다.
- FFC2Q에서 채택한 유효 우량산정 방법은 투수지 역과 불투수지 역에서의 지면 저류량을 고려하고, 투수지역에서 토양형에 따른 Horton 계수를 이용하는 방법과 토지이용현황을 고려한 NRCS 방법을 적용하였다. 지표면 유출해석 방법의 경우 ILLUDAS, SWMM 및 MOUSE 모형에서는 투수 지역과 불투수지역에 같은 방법을 적용하였으나, FFC2Q 모형에서는 투수 지역과 불투수 지역에 운동 파 법, Clark 법 및 시간-면적곡선법을 토지이용 상태에 따라 각각 선택적으로 적용할 수 있도록 하였다. 또한, 상기 외국 모형들이 소유역을 직사각형 형태로 단순화한 반면에 본 모형에서는 유역의 형상을 실제 유역형상과 유사하게 유형화하여 이에 따른 유출 특성을 반영하였다.
- 및 유출량 산정 모듈로 구분된다. 유효우량 산정은 투수/불투수지역의 지면서류량을 포함하여 Horton 법과 NRCS 법을 선택하여 계산하도록 구성되어 있다. 유출량 산정은 토지이용도에 따라 시간- 면적곡선법, Clark 유역추적법, NRCS 합성단위 도법 및 운동파 법을 계산하는 각 부프로램을 통하여 맨홀로 유입되는 유출량 수문곡선을 계산한다.
- 유효우량 산정은 투수/불투수지역의 지면서류량을 포함하여 Horton 법과 NRCS 법을 선택하여 계산하도록 구성되어 있다. 유출량 산정은 토지이용도에 따라 시간- 면적곡선법, Clark 유역추적법, NRCS 합성단위 도법 및 운동파 법을 계산하는 각 부프로램을 통하여 맨홀로 유입되는 유출량 수문곡선을 계산한다. 또한, BASIN에는 도달시간 산정, 시간-면적곡선 산정 등 유출량 산정을 위한 기본 프로그램도 포함되어 있다.
- 축적의 형태는 일 오염물 축적법, Power-Linear 식, Exponential 식 , Michaelis -Menton 식 중 하나를 선택하여 적용할 수 있도록 하였다.
- 축적된 오염물질들이 유출강도에 의하여 계산 시간별로 쓸려나가는 양을 계산하기 위하여 다음의 지수함수 쓸림 방정 식을 사용하였다.
- 도시 및 자연하천 또는 도시관거내에 오염물질이 유입 되 었을 때 수심방향과 하폭방향으로의 혼합이 완료된 후의 오염물질의 확산 및 혼합은 1차원 확산 방정식을 이용하여 해석한다, 1차원 확산모형은 Taylor(1954)의해 오염물질의 종확산 거동을 예측하기 위하여 제안된 Fickian 확산모형을 사용하였다.
- 오염불질의 생화학적 감소 및 생성이 일어나지 않는 보존성 오염불질에 대한 확산모형은 다음 식 ⑻과 같으며, 이를 하도/관거내로 유입된 오염물질의 종방향 이송과 확산을 동시에 계산하는 양해법의 수치 기법 중 Upwind 기법을 적용하여 해석하였다.
- 경우에 가장 중요하고 어려운 문제의 하나는 적정 종확산계수 값의 선정이다. 실측된 종확산계수가없는 경우에서는 기존의 이론식이나 추정식에 의거하여 결정하여야 하며, FFC2Q의 WQUAL에서는 비교적 적은 매개변수 자료를 사용하면서 양호한 결과를 나타내고 있는 Iwasa와 Aya(1991) 공식을 적용하였다(서 일원과 정태성, 1995).
- 지표 및 지표하 유출은 침투류 및 복 귀류에 의한 상호작용을 수행하게 되며 각 grid cell에서 총 유출량을 산정하게 된다. FFC2Q-COBRA에서 적용한 지표 및 지표하 유출해석 방식과 상호작용 및 수치해석 방식은 지표 유출해석의 경우 지표면의 경사에 따른 흐름해석과 횡방향 유입에 대한 원활한 해석을 위해 2차원 해석을 기반으로 설정하고, 지표하 유출해석에서는 투수성 토양의 물성치를 비교적 효과적으로 반영할 수 있는 Boussinesq 방정식을 사용하였으며, 지표 및 지표하의 흐름에 대한 결합방식은 반복기법 (Iterative method)으로 결정하고 관거해석의 경우 SWMM 5.0의 오픈소스를 이용하여 운동 파와 동역학파 기법에 방식을 이용하고 있다. 각각의 필수 알고리즘을 다음 표 4와 같이 세부모듈을 구성하여 Processing 과정을 수행하도록 하였다.
성능/효과
- 한편, 오염물 이송의 경우 FFC2Q 모형에서는 이송-확산방정식, SWMM 모형에서는 확산방정식, MOUSE 모형에서는 이송과 확산방정식을 적용한다. 분석 대상 수질항목으로서 FFC2Q, SWMM 및 MOUSE 모형에서는 모두 SS, BOD5, COD, TN, TP, 대장균 항목들의 모의가 가능하나, Ⅱ.LUDAS 모형은 수질해석 모듈이 없이 유출해석만 가능하다.
- 1) 강우는 동일 소유역에 대하여 공간적으로 균등하게 분포하며, 각 소유역별로 다른 강우관측소를 선택할 수 있다.
- 2) 소유역이 주로 투수 지역으로 이루어진 자연유역일 경우에는 시간-면적법, 또는 Clark 유역추적법을 선택하여 적용할 수 있으며, 불투수 지역에서는 시간-면적법 및 운동파 법을 적용할 수 있다.
- 분석 결과는 강우량, 지표면유출, 하도유출 및 수질 항목에 대하여 각 맨홀(노드)별로 확인할 수 있으며, 유출 수문곡선 및 오염물 농도곡선의 형태 이외에도 첨 두 량, 체 적 및 발생 시간 등에 대하여 각 맨홀(노드) 별로 표 형태의 출력을 확인할 수 있다.
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