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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 이러한 어려움을 해결하고자 2차원 흐름의 문제를 1차원 해석이 가능한 방사형 흐름의 문제로 간략화 하고 불투수 경계조건의 설정이 필요 없으면서도 2차원 흐름에서 일어나는 수렴류와 흐름파의 역확산 해석이 가능한 1차원 확산파 방정식(diffusion wave equation)을 이용하였다. 따라서 본 연구에서는 간단한 2차원 지표면 흐름 해석을 통해 배수구역의 크기와 흐름의 수렴정도(집수시설의 크기)에 따른 초기세척강도 변화를 모의함으로써 수렴류와 역확산파가 존재하는 2차원 흐름에서 배수구역 크기와 초기세척강도간의 함수관계를 고찰하고, 이 결과를 토대로 주차장과 같은 2차원 불투수 지역에서 비점오염저감시설의 초기우수 처리효과를 상승시킬 수 있는 집수시설의 배치 방안을 논하고자 한다.
- MFF비와 L의 개념과 상호 상관성은 2차원적 불투수 배수구역에서 집수시설의 설계시 적용할 수 있을 것이다. 물론 배수구역의 크기와 모양은 현장조건에 따라 다양하겠지만 본 연구에서는 정사각형 모양의 주차장을 예를 가지고 2차원 불투수 배수구역에서의 비점오염저감시설의 초기우수처리효과를 극대화하기 위한 집수시설이 최적 배치 방안을 논하기로 한다.
- 본 절에서는 배수구역 길이 L값을 조절함으로써 비점오염저감시설의 초기우수처리 효과를 상승시키는데 어느 정도 기여할 수 있는지에 대하여 예를 들어 보이고자 한다. 본 설계 예는 도로와 같은 1차원 배수구역을 대상으로 하여 집수시설의 개수를 달리하여 L값을 변경함으로써 MFF비의 변화 및 이에 따른 최종적인 비점오염 저감효율을 산정해 보았다. 대상 오염물질은 COD 보다는 도시유역에서보다 문제가 되고 있는 중금속의 하나인 Cu를 대상으로 하였다.
- 본 연구는 Kang 등(2006)의 1차원 강우유출 모의를 2차원 문제로 확장시킨 것으로, 흐름의 수렴이 존재하는 2차원 배수구역에서의 초기세척현상에 대한 일반적인 특성을 파악하고, 이를 토대로 주차장과 같은 2차원적 배수구역에서 비점오염저감시설의 초기우수 처리 효과를 극대화하기 위한 집수시설의 배치 방안에 대한 고찰을 목표로 하였다. 주차장과 같이 2차원 지표면 흐름을 모의하기 위해서는 불투수 경계조건 구현이 가능한 2차원 방정식을 사용해야 하지만 이 경우 주차장과 같이 비교적 노면경사가 커서 얕은 흐름(shallow wagter flow)을 형성하는 경우 수치해석 해를 구하는 과정에서 발생하는 불투수 경계면에서의 해의 진동문제를 해결하기란 쉽지 않다.
- 본 연구에서는 2차원 불투수 배수구역에서의 초기세척효과에 대한 일반적 특성을 고찰하고자 이상적인 방사형 흐름 해석을 이용하였다. 그러나 실제 배수구역은 기하학적 형태와 지형적 특성이 상이하고 이에 따라 흐름의 방향과 수렴 특성에 대한 공간적 변화가 존재하므로, 보다 정확한 2차원 유출 해석을 위해서는 불투수 경계면에서의 안정된 수치해를 계산할 수 있는 수치해석기법에 대한 연구가 선행되어야 할 것으로 판단된다.
- 본 연구에서는 방사형 강우유출모의를 통하여 2차원 불투수 배수구역에서의 초기세척현상을 모의하고 이를 토대로 비점오염저감시설의 초기우수처리 효과 향상 방안을 제시하였다. 방사형 강우유출모의를 위하여 1차원 운동파 방정식 및 오염물질 유출모델식을 이용하였고, 배수구역의 크기와 집수시설의 규모에 따른 시나리오별 초기유출 모의를 통해, 배수구역내 흐름 길이와 흐름의 수렴도가 초기세척강도에 미치는 영향을 분석하였다.
- 값을 변화시켜가면서 모의결과를 관찰함으로써 관찰이 가능하다. 본 연구에서는 배수구역의 길이 L = 1, 5, 10, 20, 50, 100, 및 200m 각각에 대하여 집수시설의 반경 r0 = 1, 5, 10, 100m로 변화시켜가면서 모의를 수행함으로써, 배수구역의 크기와 흐름의 수렴도에 따른 초기세척강도에의 영향을 관찰하고자 하였다.
- 본 절에서는 배수구역 길이 L값을 조절함으로써 비점오염저감시설의 초기우수처리 효과를 상승시키는데 어느 정도 기여할 수 있는지에 대하여 예를 들어 보이고자 한다. 본 설계 예는 도로와 같은 1차원 배수구역을 대상으로 하여 집수시설의 개수를 달리하여 L값을 변경함으로써 MFF비의 변화 및 이에 따른 최종적인 비점오염 저감효율을 산정해 보았다.
- 아울러, 초기세척현상과 같은 강우유출수의 동적 유출특성은 강우패턴이나 지형적 특성 등 지역적 조건에 크게 좌우되므로 본 연구에서 제안한 집수시설 최적 배치 방안을 고려할 경우 반드시 해당지역의 특성과 조건을 고려한 모의결과나 모니터링 결과를 활용하여야 함을 강조하고자 한다.
가설 설정
- 다만 상기의 1차원 오염물질 운송방정식을 방사형 흐름 문제에 적용하기 위해서는 방사형 배수구역 말단 집수지점으로부터의 거리에 따라 증가하는 노면에 축적된 오염물질의 초기 총중량에 대한 고려가 필요하다. 이를 위해 그림 1에 보인바와 같이 방사형 배수구역에서 노면에 축적된 오염물질의 단위면적당 중량이 동일한 경우를 가정하여 집수구역으로부터의 거리에 따른 단위 길이당 오염물질의 중량에 대한 초기 분포를 식 10과 같이 산정하여 식 8의 초기값으로 설정하였다.
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