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문제 정의
- 또한 단순화 정도에 따라 강우-유출모형을 5가지로 나누어 구축하고 적정 모의시간, 1D/2D모델을 사용한 유출분석, 침수분석을 통해 실시간 도시홍수예측에 적합한 단순화 범위를 산정하였다. 이를 통해 단순화 관망의 유출결과의 신뢰성을 높이고 모의시간을 단축하여 인명 및 재산피해를 최소화하기 위한 골든타임을 확보하여 홍수피해에 취약한 중 ․ 소규모 도시하천에서의 예측시스템 구축에 기여하고자 하였다.
제안 방법
- 2) 하수관망의 적정 단순화 범위를 산정하기 위하여 2차원 침수분석을 실시하였다. 누가유역면적별로 단순화의 범위가 커질수록 월류지점의 개수가 크게 감소하고 위치가 바뀌었으나 비슷한 침수양상을 나타내었다.
- 개발된 하수관망 단순화 알고리즘을 사용하여 대림분구 SWMM모형의 단순화를 실시하였다. 2010년 09월 21일 호우사상을 사용하여 분석을 진행하였으며, 펌프장의 유출결과와 매개변수 최적화를 진행한 단순화 이전 모형의 유출결과를 비교하여 유출모형의 신뢰성을 검증하고 단순화 이전과 이후의 유출결과를 비교 ․ 분석하였다. Fig.
- 3단계, 지선간선 연산은 누가되어 계산된 노드의 면적을 바탕으로 사용자가 일정 면적을 지정하여 지선과 간선을 구분할 수 있도록 시스템화하였다. 지선, 간선의 구분은 사용자가 지정한 면적기준보다 적은 누가유역면적을 가진 노드들을 지선으로 설정하여 연결관들을 단순화하며 면적기준보다 큰 누가 유역면적을 가진 노드부터 간선으로 간주하여 실제 관망으로 구성한다.
- TUFLOW를 이용한 2차원 침수분석은 SWMM모형의 1차원 유출분석결과에서 나타나는 노드의 월류량을 입력자료로 사용하여 침수분석을 진행한다. 월류지점의 위치는 단순화가 진행됨에 따라 삭제된 노드로 인해 그 위치가 계속 변하게 되며 월류지점의 노드 개수, 월류량 또한 다르게 나타나 2차원 침수결과에 영향을 준다(Table 7).
- 단순화 알고리즘 수행을 위한 입력 자료는 유역과 관망의 모든 매개변수를 고려하기 위하여 Subcatchment, Subarea, Infiltration, Conduit 등의 정보를 포함하는 SWMM의 .inp파일을 사용하였으며, 하수관망 단순화 프로그램은 초기조건 설정, 유역면적 연산, 지선간선 연산, 매개변수 연산 그리고 관망생성의 5단계로 구성되어있다(Table 1).
- 개발된 하수관망 단순화 알고리즘을 사용하여 대림분구 SWMM모형의 단순화를 실시하였다. 2010년 09월 21일 호우사상을 사용하여 분석을 진행하였으며, 펌프장의 유출결과와 매개변수 최적화를 진행한 단순화 이전 모형의 유출결과를 비교하여 유출모형의 신뢰성을 검증하고 단순화 이전과 이후의 유출결과를 비교 ․ 분석하였다.
- 2는 누가유역면적별 단순화를 실시한 강우-유출모형의 결과를 도시하였다. 다양한 누가유역면적을 기준으로 단순화된 모형들의 유출량 결과를 확인하기 위하여 0.5 ha, 1 ha, 3 ha, 6 ha, 12 ha, 총 5가지의 누가유역면적으로 단순화를 실시하였다. 누가유역면적 기준이 커질수록 관거와 노드의 개수는 줄어들지만 매개변수연산을 통해 각각의 절점이 차지하는 유역면적은 모두 334.
- 45 ha이다. 대림분구에는 대림3 빗물펌프장이 위치해 있으며, 유출분석결과의 검증을 위해 2010년 09월 21일 호우사상에서 대림3 빗물펌프장의 펌프장 운영기록을 기반으로 펌프장 유출량을 산정하고, 유출모형의 결과와 비교하여 검증을 실시하였다.
- 본 연구에서는 실시간 도시홍수예보를 위한 강우-유출모형의 모의시간 단축으로, 하수관망 단순화 방안을 제시하고 적정 단순화 범위를 산정하기 위하여 2차원 침수분석을 실시하였다. 도시유역 유출분석에 주로 사용되는 SWMM과 TUFLOW를 적용하여 분석을 실시하였으며, 하수관망 단순화를 5가지의 범위로 나누고 유출분석과 침수분석의 결과를 통하여 실시간 도시홍수예보를 위한 적정 단순화 범위를 산정하고자 하였으며, 주요 결과를 정리하면 다음과 같다.
- 초기관은 상류 유입관로가 없는 관, 분기관은 두 갈래 이상으로 나누어진 관으로 통수 단면적이 제일 큰 관을 주 분기관, 그 외의 관을 부 분기관으로 설정하였으며 만약 통수단면적이 같을 경우 구축된 관망데이터에서 관의 순서가 앞에 있는 것을 주 분기관 나머지를 부 분기관으로 명명하였다. 두 개 이상의 관이 합쳐지는 관을 합류 관으로 설정하였으며, 마지막으로 최하류 관로를 방류관으로 지정하였다.
- 단순화되어 삭제되는 노드와 관망의 매개변수 값은 누가되어 더해진 유역면적을 기준으로 단순화 되지 않는 기존 노드와 관망의 매개변수 값과 가중 평균하여 보정된다. 또한 단순화 정도에 따라 강우-유출모형을 5가지로 나누어 구축하고 적정 모의시간, 1D/2D모델을 사용한 유출분석, 침수분석을 통해 실시간 도시홍수예측에 적합한 단순화 범위를 산정하였다. 이를 통해 단순화 관망의 유출결과의 신뢰성을 높이고 모의시간을 단축하여 인명 및 재산피해를 최소화하기 위한 골든타임을 확보하여 홍수피해에 취약한 중 ․ 소규모 도시하천에서의 예측시스템 구축에 기여하고자 하였다.
- (2009)은 하수관망의 개념적 모델의 연산속도와 기계적 모델의 정확성을 결합하여 새로운 하수관망 단순화 모델을 개발하였다. 본 연구에서는 매개변수 최적화가 완료된 SWMM 강우-유출모형을 사용하여 모형의 단순화를 실시하였으며 개발된 단순화 알고리즘을 시스템화하여 자동화시켰다. 삭제된 유역의 노드와 관망의 매개변수를 단순화되지 않은 노드와 관망에 적용하여 유역의 모든 매개변수를 합리적으로 고려하였으며 단순화 전 ․ 후의 모형에서 동일한 유출결과를 나타내었다.
- 본 연구에서는 실시간 도시홍수예보를 위한 강우-유출모형의 모의시간 단축으로, 하수관망 단순화 방안을 제시하고 적정 단순화 범위를 산정하기 위하여 2차원 침수분석을 실시하였다. 도시유역 유출분석에 주로 사용되는 SWMM과 TUFLOW를 적용하여 분석을 실시하였으며, 하수관망 단순화를 5가지의 범위로 나누고 유출분석과 침수분석의 결과를 통하여 실시간 도시홍수예보를 위한 적정 단순화 범위를 산정하고자 하였으며, 주요 결과를 정리하면 다음과 같다.
- 본 연구에서는 하수관망의 적정 단순화 범위를 산정하기 위하여 TUFLOW모형을 사용하여 2차원 침수분석을 실시하고 그 결과를 비교 ․ 분석하였다. Fig.
- 1은 분석대상 지역인 도림천 대림분구를 도시하였다. 유출모형의 단순화를 진행하기 위하여 서울시에서 제공한 2015년도 하수관망 GIS자료를 기반으로 SWMM모형을 구축하고 매개변수를 최적화하였다. 대상지역인 도림천 대림분구의 하수관망 개수는 총 2,012개, 총 면적은 334.
- 6). 이러한 2차원 침수분석결과들을 종합하여 실시간 도시홍수예보를 위한 적정 단순화 범위를 산정하였다.
대상 데이터
- 유출모형의 단순화를 진행하기 위하여 서울시에서 제공한 2015년도 하수관망 GIS자료를 기반으로 SWMM모형을 구축하고 매개변수를 최적화하였다. 대상지역인 도림천 대림분구의 하수관망 개수는 총 2,012개, 총 면적은 334.45 ha이다. 대림분구에는 대림3 빗물펌프장이 위치해 있으며, 유출분석결과의 검증을 위해 2010년 09월 21일 호우사상에서 대림3 빗물펌프장의 펌프장 운영기록을 기반으로 펌프장 유출량을 산정하고, 유출모형의 결과와 비교하여 검증을 실시하였다.
- 분석대상지역은 도시화가 많이 진행된 서울시의 하천유역 중에서 최근 침수피해가 빈번히 발생하고 있는 도림천의 대림 배수분구로 설정하고 분석을 수행하였다. Fig.
성능/효과
- 1) 도시유역의 하수관망 자료는 그 개소수가 많을 뿐만 아니라 자료의 구성이 복잡하여 모든 하수관망을 사용하여 구축된 유출모형은 실시간 도시홍수예보에 적합하지 않다. 따라서 관망정보를 단순화하는 최적화 알고리즘이 필요하다.
- 다만 누가유역면적을 기준으로 6 ha 이상에서는 상류부터 삭제되는 노드에 의해 나타내지 못하는 침수지역이 크게 발생하여, 과대한 단순화는 단순화 이전 관망과 다른 침수결과를 나타낼 수 있는 것으로 분석되었다. 2차원 침수분석 후 침수면적, 주요침수구간, 침수심 등을 비교 ․ 분석한 결과, 누가 유역면적을 기준으로 1 ha의 단순화 범위가 단순화 이전의 분석결과와 가장 유사함을 나타내는 것으로 분석되었으며 실시간 도시홍수예보를 위한 입력자료로는 모의시간을 고려하여 3 ha의 단순화가 가장 적절한 것으로 판단되었다. 결과적으로 SWMM의 매개변수들을 모두 고려하여 노드 및 관거의 개수를 약 70~80%정도 단순화하여 관망을 구성하는 것이 가장 적절한 것으로 검토되었다.
- 이를 통해 누가유역면적별로 관망에 대해 단순화를 진행하였을 때, 노드 개수와 관망 개수는 거의 일정한 비율로 같이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. SWMM의 모의시간은 0.5 ha 기준에서 약 5분의 모의시간이 감소되었으며 12 ha 기준에서는 약 8분의 모의시간 감소로, 단순화 이전 관망대비 96%까지 모의시간이 감소하였다. 모의시간 또한 노드, 관망 개수와 마찬가지로 거의 일정한 비율로 동일하게 감소되는 것으로 분석되었다.
- 2차원 침수분석 후 침수면적, 주요침수구간, 침수심 등을 비교 ․ 분석한 결과, 누가 유역면적을 기준으로 1 ha의 단순화 범위가 단순화 이전의 분석결과와 가장 유사함을 나타내는 것으로 분석되었으며 실시간 도시홍수예보를 위한 입력자료로는 모의시간을 고려하여 3 ha의 단순화가 가장 적절한 것으로 판단되었다. 결과적으로 SWMM의 매개변수들을 모두 고려하여 노드 및 관거의 개수를 약 70~80%정도 단순화하여 관망을 구성하는 것이 가장 적절한 것으로 검토되었다.
- 단순화 범위에 따른 관경의 분포는 12 ha에서 600 mm 이하의 관들이 모두 삭제되었으며 1000 mm 미만의 관들은 누가유역면적이 커질수록 큰 폭으로 관망의 개수가 감소하는 것으로 분석되었다(Table 5). 관망과 노드의 개수가 80% 이상 단순화된 6 ha의 관망에서는 600 mm 이하의 관망이 24개나 남아있어 일정길이 이하의 관경을 가진 관망을 무조건적으로 단순화하는 것은 유역과 관망의 특성을 모두 고려하지 못하는 것으로 분석되었다.
- 단순화의 범위가 커질수록 작은 관경의 관망이 크게 감소하는 추세를 나타내었지만 노드의 개수가 80% 이상 단순화된 6 ha의 관망에서도 많은 수의 600 mm 이하의 관망이 간선으로 지정되어, 일정 길이 이하의 관경을 가진 관망을 무조건적으로 단순화하는 것은 지양해야 한다. 노드와 관망의 개수 그리고 모의시간 모두 단순화 범위에 따라 50~90%까지 감소되어 본 연구에 사용된 단순화 기법이 실시간 도시홍수예보에 적합한 것으로 분석되었다.
- 하지만 단순화의 범위가 커질수록 노드가 제일 먼저 삭제되는 상류지역에서는 단순화 이전 관망에서 분석된 침수결과가 나타나지 않았다. 노드의 개수에 따른 2차원 침수면적과 모의시간의 관계에서 노드의 개수가 줄어들수록 일정하게 감소하는 모의시간에 비해 2차원 침수면적은 누가유역면적 6 ha부터 크게 감소하기 시작하며 침수분석의 오차를 10%내외로 허용하였을 때, 3 ha가 모의시간 대비 가장 적절한 단순화 범위로 분석되었다(Fig. 6). 이러한 2차원 침수분석결과들을 종합하여 실시간 도시홍수예보를 위한 적정 단순화 범위를 산정하였다.
- Table 6은 누가유역면적별 TUFLOW모형의 침수면적을 산정한 결과로, 단순화에 따른 침수면적과 단순화 이전 관망의 침수면적을 비교 ․ 분석하였다. 누가유역면적 1 ha와 3 ha를 적용한 단순화 관망이 단순화 이전 관망과 가장 유사한 침수면적차이(1.95%, 3.89%)를 보이고 있으며 12 ha에서는 46.61%까지 침수면적이 감소하였다.
- 5 ha, 1 ha, 3 ha, 6 ha, 12 ha, 총 5가지의 누가유역면적으로 단순화를 실시하였다. 누가유역면적 기준이 커질수록 관거와 노드의 개수는 줄어들지만 매개변수연산을 통해 각각의 절점이 차지하는 유역면적은 모두 334.45ha로 동일한 것으로 분석되었으며 삭제된 노드와 관망의 SWMM 매개변수들은 누가된 노드의 유역면적 값을 기준으로 가중 평균되어 단순화된 노드와 관망의 매개변수 값으로 계산되었다.
- 26% 감소하였다. 누가유역면적이 점차 늘어나면서 노드와 관망 개수는 계속 감소하며, 12 ha의 경우에는 노드 개수 128개, 관망 개수 126개로 단순화 이전 관망에 비해 각각93.27%, 93.69%까지 감소하였다. 이를 통해 누가유역면적별로 관망에 대해 단순화를 진행하였을 때, 노드 개수와 관망 개수는 거의 일정한 비율로 같이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
- 누가유역면적별로 단순화의 범위가 커질수록 월류지점의 개수가 크게 감소하고 위치가 바뀌었으나 비슷한 침수양상을 나타내었다. 다만 누가유역면적을 기준으로 6 ha 이상에서는 상류부터 삭제되는 노드에 의해 나타내지 못하는 침수지역이 크게 발생하여, 과대한 단순화는 단순화 이전 관망과 다른 침수결과를 나타낼 수 있는 것으로 분석되었다. 2차원 침수분석 후 침수면적, 주요침수구간, 침수심 등을 비교 ․ 분석한 결과, 누가 유역면적을 기준으로 1 ha의 단순화 범위가 단순화 이전의 분석결과와 가장 유사함을 나타내는 것으로 분석되었으며 실시간 도시홍수예보를 위한 입력자료로는 모의시간을 고려하여 3 ha의 단순화가 가장 적절한 것으로 판단되었다.
- 모의시간 또한 노드, 관망 개수와 마찬가지로 거의 일정한 비율로 동일하게 감소되는 것으로 분석되었다. 단순화 범위에 따른 관경의 분포는 12 ha에서 600 mm 이하의 관들이 모두 삭제되었으며 1000 mm 미만의 관들은 누가유역면적이 커질수록 큰 폭으로 관망의 개수가 감소하는 것으로 분석되었다(Table 5). 관망과 노드의 개수가 80% 이상 단순화된 6 ha의 관망에서는 600 mm 이하의 관망이 24개나 남아있어 일정길이 이하의 관경을 가진 관망을 무조건적으로 단순화하는 것은 유역과 관망의 특성을 모두 고려하지 못하는 것으로 분석되었다.
- Table 4는 누가유역면적별로 단순화된 모형의 관망과 노드의 개수 그리고 유출분석결과를 도출하는 시간(Run time)을 정리한 결과이다. 단순화 이전 모형의 전체 노드 개수 1,901개와 관망 개수 2,012개를 기준으로 하여 각 누가유역면적별 단순화에 따른 노드 및 관망 감소 비율을 확인하였다. 누가유역면적 0.
- 5 ha 기준에서 약 5분의 모의시간이 감소되었으며 12 ha 기준에서는 약 8분의 모의시간 감소로, 단순화 이전 관망대비 96%까지 모의시간이 감소하였다. 모의시간 또한 노드, 관망 개수와 마찬가지로 거의 일정한 비율로 동일하게 감소되는 것으로 분석되었다. 단순화 범위에 따른 관경의 분포는 12 ha에서 600 mm 이하의 관들이 모두 삭제되었으며 1000 mm 미만의 관들은 누가유역면적이 커질수록 큰 폭으로 관망의 개수가 감소하는 것으로 분석되었다(Table 5).
- 4는 단순화 이전 모형의 유출결과와 5가지 누가유역면적별로 단순화된 모형의 유출결과를 도시하였다. 분석된 단순화 이전 모형의 유출결과와 관측 값의 결정 계수(Coefficient of determination, COD), NSE (Nash-Sutcliffe efficiency)는 각각 0.688, 0.663으로 분석되어 구성된 모형이 실제 현상을 잘 모사하는 것으로 검토되었으며 단순화 이전 관망과 단순화된 관망의 결정계수는 0.969~0.983, NSE는 0.961~0.984로 거의 동일한 유출결과를 나타내는 것을 확인하였다(Table 3). Table 4는 누가유역면적별로 단순화된 모형의 관망과 노드의 개수 그리고 유출분석결과를 도출하는 시간(Run time)을 정리한 결과이다.
- 본 연구에서는 매개변수 최적화가 완료된 SWMM 강우-유출모형을 사용하여 모형의 단순화를 실시하였으며 개발된 단순화 알고리즘을 시스템화하여 자동화시켰다. 삭제된 유역의 노드와 관망의 매개변수를 단순화되지 않은 노드와 관망에 적용하여 유역의 모든 매개변수를 합리적으로 고려하였으며 단순화 전 ․ 후의 모형에서 동일한 유출결과를 나타내었다. 단순화되어 삭제되는 노드와 관망의 매개변수 값은 누가되어 더해진 유역면적을 기준으로 단순화 되지 않는 기존 노드와 관망의 매개변수 값과 가중 평균하여 보정된다.
- 단순화 이전의 월류지점의 개수는 168개 이지만 누가유역면적 12 ha의 단순화 관망에서는 18개까지 감소하였다. 월류지점의 노드위치는 단순화 범위에 따라 각각 다른 곳에 위치해 있으나 비슷한 군집형태를 이루고 있으며 월류지점에 따라 서로 다른 월류량이 발생하여 단순화 이전과 이후에 비슷한 침수지역과 침수량을 나타내는 것으로 분석되었다. 하지만 단순화의 범위가 커질수록 노드가 제일 먼저 삭제되는 상류지역에서는 단순화 이전 관망에서 분석된 침수결과가 나타나지 않았다.
- 따라서 관망정보를 단순화하는 최적화 알고리즘이 필요하다. 유역과 관망의 모든 SWMM 매개변수를 고려하여 단순화된 유출모형은 누가유역면적을 기준으로 하는 5가지 단순화 범위에서 모두 동일한 1차원 유출결과를 나타내었다. 단순화의 범위가 커질수록 작은 관경의 관망이 크게 감소하는 추세를 나타내었지만 노드의 개수가 80% 이상 단순화된 6 ha의 관망에서도 많은 수의 600 mm 이하의 관망이 간선으로 지정되어, 일정 길이 이하의 관경을 가진 관망을 무조건적으로 단순화하는 것은 지양해야 한다.
- 69%까지 감소하였다. 이를 통해 누가유역면적별로 관망에 대해 단순화를 진행하였을 때, 노드 개수와 관망 개수는 거의 일정한 비율로 같이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. SWMM의 모의시간은 0.
후속연구
- 하수관망 단순화 방법과 모형구축방안에 대한 연구자들의 서로 다른 주관에 의해 유출분석 결과가 상이하게 나타나고 있어 하수관망 단순화에 대한 체계적인 연구가 필요한 실정이다. 본 연구에서 제시한 누가유역면적을 기준으로 SWMM의 매개변수를 모두 고려한 단순화 방법을 통해 보다 명확한 단순화 기법 연구를 위한 기초자료로 사용되고 실시간 도시홍수 예보를 위한 입력자료로 활용되길 기대한다.
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