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문제 정의
- 모형의 보정은 모의 결과의 정확성과 모형예측을 위한 신뢰성 확보를 위해 수행된다. 장재천 유역의 유량 측정 결과를 통해 모형 보정에 활용할 실측유량과 최초 SWMM5 모형의 계산결과를 통해 보정을 수행하였다.
제안 방법
- 5). CN값의 경우 Arcview 3.2 프로그램을 사용하여 토지이용도와 토양도에 대한 특성인자의 조합으로 산정을 하였다. 그리고 지면 저류량과 조도계수에 대한 값은 Table 1과 Table 2에서 제시된 값을 이용하였다.
- Table 7은 시범지구 내 LID 시설의 적용 면적 및 개수를 나타낸다. SWMM5 모형 내 LID 시설의 적용은 개발 후에 대한 SWMM5 모형에서 Table 7에서 제시한 LID 시설을 각 소유역에 적용하여 구축하였다.
- 구축된 SWMM5 모형으로 대상유역에 대한 개발 전·후, LID 시설 설치 후의 유출특성을 분석하였다.
- 대상유역의 개발 전·후, LID 시설 설치 후의 지표수, 지하수유출 및 수문순환인자에 대한 변화를 살펴보고 자 SWMM5 모형을 이용하여 물순환 분석을 수행하였다.
- 유출 모니터링의 결과는 SWMM5 모형의 보정에 사용되며 장기유출모의의 경우 호우사상뿐 아니라 평상시 유출 모니터링도 필요하다. 모형 보정 수행에서 모형의 신뢰를 확보하기 위하여 시범지구와 장재천 하류에 대해 단면 측량과 음파도플러유속계(ADV; Acoustic Doppler Velocimeter)를 이용하여 유속을 측정하여 유량을 조사하였다. 유량측정의 측정위치는 시범지구 유역의 하류부와 장재천 유역의 하류부로 총 2곳으로 Fig.
- 본 논문에서는 아산 탕정 시범유역의 개발 전 유역 및 하도 특성자료와 실측된 유량 측정 값으로 SWMM5 모형을 보정하였으며, 보정된 모형을 통하여 아산 탕정 1단계 시범지구의 개발 후 수문분석과 LID 시설을 설치할 경우에 대한 유출 저감 효과분석을 수행하였다.
- 본 논문에서는 유역과 하도에 관련된 입력자료 구축을 위해 대상유역의 경사도 분석, 토양도, 토지이용도 등을 GIS(geographic information system) 프로그램을 이용하여 분석하였다(Fig. 5).
- 본 연구에 적용된 SWMM5 모형은 SWMM 모형에 LID 빗물관리시설의 수문영향분석이 가능하도록 추가 수정 개발된 모형이다. 미국 EPA에서 기존 SWMM 모형에 빗물정원, 습지, 침투트렌치, 침투정, 식생도랑, 투수성포장, 빗물정원 등의 LID 시설 모의가 가능하도록 개발(2010년)되었고 현재 지속적인 수정·개발이 이루어지고 있다.
- 본 연구에서는 아산탕정 물순환 시범도시 유역을 대상으로 미국 EPA(United States Environmental Protection Agency, 환경보호국)에서 수정 개발한 SWMM 5.0의 LID 모듈을 적용하여 개발 전․후, 계획된 LID 시설 설치에 따른 물순환 개선효과를 분석하였다.
- 본 연구에서는 조성 중인 아산탕정 물순환 시범지구을 대상으로 미국 EPA에서 개발·수정한 SWMM5 모형의 LID 모듈을 적용하여 개발 전·후의 유출 저감 효과와 LID 시설 설치에 따른 물순환 개선효과를 분석하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 대상유역에 대한 유역유출 모의를 위해 SWMM5 모형에 구축한 입력자료를 각각의 소유역에 대하여 적용하였다. 분할된 소유역, 하도에 대한 입력 자료와 수집된 기상자료를 이용하여 유역 유출모의 체계를 구축하였다. SWMM5 모형은 유역 입력자료로 소유역 면적, 유역폭, 평균경사, 불투수면적비, 조도계수, CN(Curve Number) 값 등을 사용한다.
- 시범지구 유역은 하천 수질 및 물순환 개선을 위해 LID 시설을 적용하여 강우 시 초기우수 5∼10 mm 규모의 강우를 하천으로 유출시키지 않고 유역 내에 침투시키도록 계획되었다.
- 입력자료 및 모형의 매개변수에 대한 보정을 위해 강우 시 유량측정을 수행하였다. 유출 모니터링의 결과는 SWMM5 모형의 보정에 사용되며 장기유출모의의 경우 호우사상뿐 아니라 평상시 유출 모니터링도 필요하다.
- 천안관측소의 1973년 1월부터 2011년 8월까지 약 38년 동안의 기상자료를 이용하여 장재천 유역의 유출 연속모의를 실시하여 보정하였으며, 장재천 유역에 대한 보정결과는 Fig. 8과 Fig. 9에 나타내었다. 전반적으로 모의된 결과와 측정값이 비교적 일치하는 것을 확인할 수 있으며, Table 5는 각 측정값과 모의된 결과를 나타낸 것으로 대부분이 5% 이하의 상대 오차를 가지는 것으로 나타났다.
- 그리고 시범지구 유역 내 5 mm 강우에 대한 배제를 위하여 식생수로의 추가 배치를 계획하고 있다. 침투도랑과 식생수로의 경우 공원 및 완충녹지 구간에 적용하였으며 도심형 인공습지는 도로 내 식수대 공간에 적용하였다. 측구형 침투시설의 경우 녹지구간과 식수대 공간이 없는 지역에 우수받이를 대신하여 적용되었다.
대상 데이터
- 아산신도시는 충남 천안시를 대상으로 하는 택지 개발 사업이다. 남북방향으로 매곡천과 장재천이 흐르고 본 연구대상 유역인 아산탕정 시범유역은 장재천 유역에 속한다. 대상지 남쪽에는 곡교천과 천안천이 합류하고 있으며, 동서쪽에 완만한 표고의 산지가 형성되어 있다.
- 남북방향으로 매곡천과 장재천이 흐르고 본 연구대상 유역인 아산탕정 시범유역은 장재천 유역에 속한다. 대상지 남쪽에는 곡교천과 천안천이 합류하고 있으며, 동서쪽에 완만한 표고의 산지가 형성되어 있다.
- 대상지역에 적용된 시설은 토지이용의 계획, 도로횡단구성, 적용 지점의 토질 특성을 고려하여 대상지역을 15개의 유역으로 구분하여 LID 시설을 적용하였으며, 적용된 LID 시설의 개요는 Table 6과 같다.
- 모형 보정 수행에서 모형의 신뢰를 확보하기 위하여 시범지구와 장재천 하류에 대해 단면 측량과 음파도플러유속계(ADV; Acoustic Doppler Velocimeter)를 이용하여 유속을 측정하여 유량을 조사하였다. 유량측정의 측정위치는 시범지구 유역의 하류부와 장재천 유역의 하류부로 총 2곳으로 Fig. 7에 나타내었다.
- 대상지역에 적용된 시설은 토지이용의 계획, 도로횡단구성, 적용 지점의 토질 특성을 고려하여 대상지역을 15개의 유역으로 구분하여 LID 시설을 적용하였으며, 적용된 LID 시설의 개요는 Table 6과 같다. 적용된 LID 시설은 도심형 인공습지의 경우 60개소, 측구형 침투시설 435개소, 침투트렌치 845개소, 식생수로 76개소의 시설을 배치하였으며, 빗물통과 투수성포장도 배치하였다. 그리고 시범지구 유역 내 5 mm 강우에 대한 배제를 위하여 식생수로의 추가 배치를 계획하고 있다.
- 미국 EPA에서 기존 SWMM 모형에 빗물정원, 습지, 침투트렌치, 침투정, 식생도랑, 투수성포장, 빗물정원 등의 LID 시설 모의가 가능하도록 개발(2010년)되었고 현재 지속적인 수정·개발이 이루어지고 있다. 적용이 가능한 대상 유역은 도시유역, 인위적 배수계통을 갖는 소유역 등이다. 시간적 특성은 단일, 연속강우에 의한 계산이 가능하며, 강우간격은 임의로 설정할 수 있다.
- 천안관측소 2002～2011년까지 10년 강우에 대한 지표수, 지하수흐름에 대한 특성인자를 분석하였으며 그 결과는 Table 8, Table 9와 같다. 개발에 따른 불투수면적의 증가로 인하여 개발 후의 경우 개발 전보다 지표면 유출량이 약 38% 증가하였으며 이로 인해 침투가 감소하여 지표수 및 지하수 순환이 원활하지 않았다.
이론/모형
- 이에 아산신도시는 늘어난 불투수면적으로 인한 우수 유출 및 물순환에 끼칠 영향을 개발 전 상태와 유사하게 되돌리기 위해 분산형 빗물관리 시범지구로 선정하고 LID 기법을 적용하였다.
- 물리적 특성으로 유출은 강우와 유출로 발생하고 지표면 유출은 비선형 저류방정식을 사용한다. SWMM 모형에서 침투량 산정에는 Horton 식과 Green-Ampt 및 NRCS 방법을 이용한다. Fig.
- 분할된 소유역, 하도에 대한 입력 자료와 수집된 기상자료를 이용하여 유역 유출모의 체계를 구축하였다. SWMM5 모형은 유역 입력자료로 소유역 면적, 유역폭, 평균경사, 불투수면적비, 조도계수, CN(Curve Number) 값 등을 사용한다. 하도와 관련된 입력자료는 하도형상, 단면제원, 하도길이 등이다.
- 대상유역에 대한 유역유출 모의를 위해 SWMM5 모형에 구축한 입력자료를 각각의 소유역에 대하여 적용하였다. 분할된 소유역, 하도에 대한 입력 자료와 수집된 기상자료를 이용하여 유역 유출모의 체계를 구축하였다.
- 장재천 유역의 유량 측정 결과를 통해 모형 보정에 활용할 실측유량과 최초 SWMM5 모형의 계산결과를 통해 보정을 수행하였다. 모형의 보정에는 유역 및 하도의 조도계수, 지면 저류량, 지하수 유출과 관련된 매개변수 등과 같은 수문학적 매개변수를 반복적으로 조정하여 계산된 결과가 측정 결과에 근사하도록 시행착오법이 적용되었다.
- 공간적 특성은 배수유역에서 큰 배수유역까지 적용이 가능하다. 물리적 특성으로 유출은 강우와 유출로 발생하고 지표면 유출은 비선형 저류방정식을 사용한다. SWMM 모형에서 침투량 산정에는 Horton 식과 Green-Ampt 및 NRCS 방법을 이용한다.
- 아산탕정 시범유역의 유출모의 수행을 위해 SWMM5 모형을 적용하였으며, 시범지구가 속한 유역인 장재천 유역에 대하여 Fig. 3과 같이 장재천 유역 현황 및 소유역 분할도를 나타내었다.
- 모형의 보정은 모의 결과의 정확성과 모형예측을 위한 신뢰성 확보를 위해 수행된다. 장재천 유역의 유량 측정 결과를 통해 모형 보정에 활용할 실측유량과 최초 SWMM5 모형의 계산결과를 통해 보정을 수행하였다. 모형의 보정에는 유역 및 하도의 조도계수, 지면 저류량, 지하수 유출과 관련된 매개변수 등과 같은 수문학적 매개변수를 반복적으로 조정하여 계산된 결과가 측정 결과에 근사하도록 시행착오법이 적용되었다.
성능/효과
- 1. SWMM5 모형의 보정 결과, 모의 및 실측유량의 오차는 전반적으로 5% 이하의 상대오차를 나타났다. 최대오차 13%에 대한 측정값과 모의값의 경우 0.
- 2. 대상유역에 대한 개발 전․후의 모의 결과, 개발 전 대비 개발 후의 지표 유출량이 약 38 % 증가하였고, 지하수 유출량은 약 20 % 감소하는 것으로 분석되었다. 하지만 LID 시설을 설치함에 따라 LID 시설을 설치하지 않을 때보다 지표 유출량의 경우 18 % 정도의 감소와 지하수 유출량은 10 % 증가의 물순환 개선효과를 나타내었다.
- 개발에 따른 불투수면적의 증가로 인하여 개발 후의 경우 개발 전보다 지표면 유출량이 약 38% 증가하였으며 이로 인해 침투가 감소하여 지표수 및 지하수 순환이 원활하지 않았다. 개발 후의 유역 특성인자를 그대로 적용한 모형에 계획된 LID 시설을 적용하여 분석한 결과, LID 시설을 적용하지 않은 상태의 개발 후보다 지표 유출이 약 20% 감소한 반면, 침투와 증발산은 각각 18%와 8% 증가하였다. 또한, 지하수 유출도 10% 증가하여 평상시 하천수량을 증대시키는 것으로 나타났다.
- 천안관측소 2002～2011년까지 10년 강우에 대한 지표수, 지하수흐름에 대한 특성인자를 분석하였으며 그 결과는 Table 8, Table 9와 같다. 개발에 따른 불투수면적의 증가로 인하여 개발 후의 경우 개발 전보다 지표면 유출량이 약 38% 증가하였으며 이로 인해 침투가 감소하여 지표수 및 지하수 순환이 원활하지 않았다. 개발 후의 유역 특성인자를 그대로 적용한 모형에 계획된 LID 시설을 적용하여 분석한 결과, LID 시설을 적용하지 않은 상태의 개발 후보다 지표 유출이 약 20% 감소한 반면, 침투와 증발산은 각각 18%와 8% 증가하였다.
- 개발 후의 유역 특성인자를 그대로 적용한 모형에 계획된 LID 시설을 적용하여 분석한 결과, LID 시설을 적용하지 않은 상태의 개발 후보다 지표 유출이 약 20% 감소한 반면, 침투와 증발산은 각각 18%와 8% 증가하였다. 또한, 지하수 유출도 10% 증가하여 평상시 하천수량을 증대시키는 것으로 나타났다. 즉, LID 시설을 적용함에 따라 유역의 전체적인 물순환 개선효과가 뚜렷하게 나타나는 것으로 분석되었다.
- 9에 나타내었다. 전반적으로 모의된 결과와 측정값이 비교적 일치하는 것을 확인할 수 있으며, Table 5는 각 측정값과 모의된 결과를 나타낸 것으로 대부분이 5% 이하의 상대 오차를 가지는 것으로 나타났다. 최대 오차인 13%가 발생한 2011년 7월 7일 12시경의 측정값과 모의값은 0.
- 또한, 지하수 유출도 10% 증가하여 평상시 하천수량을 증대시키는 것으로 나타났다. 즉, LID 시설을 적용함에 따라 유역의 전체적인 물순환 개선효과가 뚜렷하게 나타나는 것으로 분석되었다.
- 전반적으로 모의된 결과와 측정값이 비교적 일치하는 것을 확인할 수 있으며, Table 5는 각 측정값과 모의된 결과를 나타낸 것으로 대부분이 5% 이하의 상대 오차를 가지는 것으로 나타났다. 최대 오차인 13%가 발생한 2011년 7월 7일 12시경의 측정값과 모의값은 0.340 ㎥/s와 0.392 ㎥/s로 유량 차이는 0.052 ㎥/s에 불과하므로 유량측정 시 발생할 수 있는 오차를 감안한다면 모형의 보정결과는 비교적 양호한 것으로 판단된다.
- SWMM5 모형의 보정 결과, 모의 및 실측유량의 오차는 전반적으로 5% 이하의 상대오차를 나타났다. 최대오차 13%에 대한 측정값과 모의값의 경우 0.340 ㎥/s와 0.392 ㎥/s로 유량 차이는 0.052 ㎥/s로 유량측정 시 발생할 수 있는 오차로 감안한다면 모형의 보정은 비교적 적절하였다고 판단된다.
- 대상유역에 대한 개발 전․후의 모의 결과, 개발 전 대비 개발 후의 지표 유출량이 약 38 % 증가하였고, 지하수 유출량은 약 20 % 감소하는 것으로 분석되었다. 하지만 LID 시설을 설치함에 따라 LID 시설을 설치하지 않을 때보다 지표 유출량의 경우 18 % 정도의 감소와 지하수 유출량은 10 % 증가의 물순환 개선효과를 나타내었다.
후속연구
- 3. 본 연구에서는 LID 시설 설치에 따른 우수유출 저감 효과에 대한 실험적인 모니터링과 모델링을 통한 물순환 개선효과를 분석하였고, 본 연구의 결과는 추후 LID 시설 설치에 따른 정량적인 우수유출저감 및 물순환 개선효과 방법론으로 제시할 수 있을 것으로 판단된다.
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