[논문]SWMM을 활용한 농업용수 네트워크 모형 단순화 분석 - 만대 저수지 사례를 중심으로 -

안성수; 방나경; 이종서; 방성수; 남원호; 김한중

doi:10.5389/ksae.2022.64.1.027

SWMM을 활용한 농업용수 네트워크 모형 단순화 분석 - 만대 저수지 사례를 중심으로 -
Simplified Analysis of Agricultural Water Network Model Using SWMM - A Case Study of Mandae Reservoir - 원문보기

한국농공학회논문집 = Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, v.64 no.1, 2022년, pp.27 - 37

안성수 (Korea Rural Community Corporation, Gangwon Regional Headquarter, Hongcheon-chuncheon District Office) , 방나경 (Department of Convergence System Engineering, Hankyong National University) , 이종서 (Korea Rural Community Corporation, Chungnam Regional Headquarter) , 방성수 (Korea Rural Community Corporation, Office of Overseas Project) , 남원호 (School of Social Safety and Systems Engineering, Institute of Agricultural Environmental Science, National Agricultural Water Research Center, Hankyong National University) , 김한중 (School of Social Safety and Systems Engineering, Institute of Agricultural Environmental Science, Hankyong National University)

Abstract ▼ AI-Helper

This study established a water supply network based on the operation case of Mandae Reservoir in Yanggu-gun, Gangwon-do, to analyze the efficient distribution and management of agricultural water supplied from the reservoir to irrigation areas using the hydraulic analysis model SWMM. In order to construct a model to analyze the water canal network, network conditions needs to be simplified, and in particular, excessive detail or simplification of the irrigation area can lead to errors in the analysis results. Therefore, the effect of the water canal network model was analyzed by simulating the appropriate simplification process step by step. The results of simplifying the actual block shape of the analysis target area using SWMM showed that there was no significant difference in the results even if 7 lots were simplified to 2. Also, it was found that the construction and analysis of a simplified network model were reliable when the excess quantity was 2% or more compared to the required quantity for each case of analysis of the paddy field.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1 Location of mandae reservoir project
그림 Fig. 2 Total block diagram of SWMM model
표 Table 1 Characteristics of SWMM model
그림 Fig. 3 Zone status of analysis target
표 Table 2 Characteristics of Mandae reservoir and irrigation area
그림 Fig. 4 Simplification model of irrigation area
그림 Fig. 5 Build of irrigation canal network of mandae reservoir
그림 Fig. 6 Responsiveness analysis of irrigation canal according to time change in experiment model
그림 Fig. 7 Water volume and log trend line of each field blocks
표 Table 3 Status of open canal system for water distribution
표 Table 4 Water velocity on start point of canal during transplant period (unit: m/s)
그림 Fig. 8 Responsiveness analysis of irrigation canal according to time change in conspiration model
표 Table 5 Excess water volume of each case for simplification of field block

AI 본문요약
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문제 정의

지나치게 모형을 세부화 하면 현장조사와 입력자료 구축에 많은 노력이 들어가고 지나치게 단순화 하면 모의결과의 오차가 커질 수 있다. 본 연구에서는 농업용수 공급 네트워크를 구축하면서 용수로 인근 관개면적을 구축할 때 최대한 간결하게 하여 시간과 비용의 절감이 가능한지를 면적의 단순화 모의과정과 결과 값을 기초적인 사례분석을 통해 연구하고자 한다. 관개면적 단순화에 대한 분석은 만대간선 수로 시점에서 공급되는 면적을 세분화 단계별로 급수모의를 하였다.
농업용수 네트워크 모형의 단순화를 통해 실제 수로의 흐름을 모의할 수 있는지 검토하는 과정이 필요하다. 본 연구에서는 수로 네트워크모형의 단순화 과정을 단계별로 모의함으로써 실제 수로의 흐름을 분석하고 필지와 수로의 단순화가 모의결과에 미치는 영향을 분석하고자 한다.
본 연구에서는 저수지, 취입보 등 수원에서 공급되는 농업용수의 효율적인 분배와 유지관리를 위하여 기존 구축된 용수로와 급수 필지를 네트워크 모형에 구현하고 실제 수로의 흐름과 용수량 분배에 관한 분석을 실시하였다. 용수공급 실험모형과 실제 운영되고 있는 용수로의 네트워크 모형을 구축하여 수리해석모형 분석 프로그램인 SWMM을 활용하여 분석하였으며, 용수로와 필지를 4개의 분석 조건별로 단순화하여 동일한 유량과 관개면적을 공급하는 모형을 해석하였다.

제안 방법

본 연구에서는 농업용수 공급 네트워크를 구축하면서 용수로 인근 관개면적을 구축할 때 최대한 간결하게 하여 시간과 비용의 절감이 가능한지를 면적의 단순화 모의과정과 결과 값을 기초적인 사례분석을 통해 연구하고자 한다. 관개면적 단순화에 대한 분석은 만대간선 수로 시점에서 공급되는 면적을 세분화 단계별로 급수모의를 하였다. 1단계는 현재 상황과 유사한 7개 필지로 구분하고 2단계는 3개 필지, 3단계는 2개 필지, 최종적으로는 1개 필지로 변화시켜 모의결과를 비교하였다.
본 연구에서는 저수지, 취입보 등 수원에서 공급되는 농업용수의 효율적인 분배와 유지관리를 위하여 기존 구축된 용수로와 급수 필지를 네트워크 모형에 구현하고 실제 수로의 흐름과 용수량 분배에 관한 분석을 실시하였다. 용수공급 실험모형과 실제 운영되고 있는 용수로의 네트워크 모형을 구축하여 수리해석모형 분석 프로그램인 SWMM을 활용하여 분석하였으며, 용수로와 필지를 4개의 분석 조건별로 단순화하여 동일한 유량과 관개면적을 공급하는 모형을 해석하였다. 농업용수 효율적 분배의 과정과 결과를 분석을 위한 네트워크 모형의 단순화를 진행하는 실험 모형을 4개의 조건별로 구분하여 구축하고 모의한 결과 분석 대상 필지의 시간별 수위와 저류용량의 변화를 분석한 결과 담수심과 유입량의 변화는 4개 필지를 1개 필지로 단순화 하여도 7시간 이내에 목표치에 도달하여 관개면적을 단순화하여 모델링하여 모의결과에 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.

대상 데이터

SWMM모형은 도시유역내에서 강우사상으로 인해 발생하는 유출량과 오염물질에 대한 지표면 및 지표하 흐름, 배수관 망상에서의 유출량추적, 저류량 산정, 오염물질의 처리와 비용계산 등을 모의할 수 있는 종합적인 모형이다. 모델링을 위한 핵심적인 모듈은 Hydraulics 모듈 중 Nodes와 Links 모듈로 이 모듈들은 각각 Junction, Outfall, Dividers, Storage Units와 Conduit, Pumps, Orifices (오리피스), Weirs, Outlets라는 세부 모듈들을 포함한다. Nodes 모듈은 특정지점의 수리구조물들을 모델링하는데 사용되며 Links 모듈은 특정 지점들 사이를 연결하는 수리구조물들을 모델링 하는데 사용된다.
실험모형의 분석결과를 기반으로 실제 물관리가 운영되고 있는 양구 만대 농업용수 지구에 대하여 실증모의를 진행하였다. 우선 분석대상 지역은 만대간선의 첫 번째 관개구역을 대상으로 선정하였으며, 실제 7개 필지로 구별되어 있는 8.
만대지구 일원은 상습가뭄이 발생하는 지역으로서 경지가 대규모로 집단화 되어 있고 소규모인 오유저수지와 계곡수, 관정과 취입보를 이용하여 영농을 하고 있으나 한발시에는 하천수 고갈로 영농에 어려움을 겪고 있는 지역이다. 양구군 해안면 만대리 일대에 농업용수, 생활용수, 환경용수를 공급하기 위하여 저수지 1개소를 신규로 설치하고 기존 토공수로를 구조물화 하였다.
연구 대상 지역은 연구목적과 결과를 구체적으로 도출이 가능하기 위하여 주 수원공이 저수지이며, 보조 수원이 없고 간선 및 지선수로 구성이 단순하고 들녘단위 분석이 가능한 농업용수 공급구역을 선정하기 위하여 강원도 양구군 해안면에 위치한 만대저수지를 선정하였다. 만대지구 일원은 상습가뭄이 발생하는 지역으로서 경지가 대규모로 집단화 되어 있고 소규모인 오유저수지와 계곡수, 관정과 취입보를 이용하여 영농을 하고 있으나 한발시에는 하천수 고갈로 영농에 어려움을 겪고 있는 지역이다.
실험모형의 분석결과를 기반으로 실제 물관리가 운영되고 있는 양구 만대 농업용수 지구에 대하여 실증모의를 진행하였다. 우선 분석대상 지역은 만대간선의 첫 번째 관개구역을 대상으로 선정하였으며, 실제 7개 필지로 구별되어 있는 8.1 ha 면적을 4단계 조건으로 구별하여 관망해석을 위한 필지별 면적과 고도, 분수공 크기, 필지별 지배 간선수로의 실제연장을 구하였으며, 개수로 시스템 용수분배 입력 자료는 Table 3 개수로 시스템 용수분배 조건별 현황과 같다.

이론/모형

SWMM 모형의 Conduts 모듈에서는 관거에서 발생할 수 있는 개수로 흐름과 관수로 흐름을 모두 해석하기 위하여, 개수로 흐름에 대한 지배방정식에 기반한 Preissmann Slot기법을 사용하여 관망을 해석하고 있다. Preissmann Slot 기법은 관로 상단에 얇은 Slot이 존재한다고 가정함으로서 개수로 흐름과 관수로 흐름을 모두 개수로의 지배방정식으로 표현하고자 하는 기법이다.
개정판은 SWMM 5로 미국 환경청 홈페이지에 프로그램과 소스코드 및 사용자 지침서를 제공하는 Open Source 소프트웨어이다. 수로와 관로에 대해 RUNOFF 블록은 비선형저류방정식, TRANSPORT 블록은 Kinematic 방정식, EXTRAN 블록은 Dynamic 방정식과 연속방정식을, 저류추적방법은 수표면이 평행하다고 가정한 수정 Pulse 방법을 사용한다.

성능/효과

용수공급 실험모형과 실제 운영되고 있는 용수로의 네트워크 모형을 구축하여 수리해석모형 분석 프로그램인 SWMM을 활용하여 분석하였으며, 용수로와 필지를 4개의 분석 조건별로 단순화하여 동일한 유량과 관개면적을 공급하는 모형을 해석하였다. 농업용수 효율적 분배의 과정과 결과를 분석을 위한 네트워크 모형의 단순화를 진행하는 실험 모형을 4개의 조건별로 구분하여 구축하고 모의한 결과 분석 대상 필지의 시간별 수위와 저류용량의 변화를 분석한 결과 담수심과 유입량의 변화는 4개 필지를 1개 필지로 단순화 하여도 7시간 이내에 목표치에 도달하여 관개면적을 단순화하여 모델링하여 모의결과에 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. 또한 네트워크 단순화 실험모형의 결과를 기반으로 실제 농업용수를 공급하고 있는 양구 만대저수지 관개구역을 대상으로 수로 및 필지 단순화하여 수리해석모형 분석 프로그램인 SWMM을 활용하여 분석한 결과 7개 필지를 2개까지 단순화하여도 분석결과에는 큰 차이가 없었으며, 논 필지 조건별 필요수량 대비 초과수량이 2% 이상 될 경우가 단순화 네트워크모형 분석의 신뢰성이 있는 것으로 나타났다.
농업용수 효율적 분배의 과정과 결과를 분석을 위한 네트워크 모형의 단순화를 진행하는 실험 모형을 4개의 조건별로 구분하여 구축하고 모의한 결과 분석 대상 필지의 시간별 수위와 저류용량의 변화를 분석한 결과 담수심과 유입량의 변화는 4개 필지를 1개 필지로 단순화 하여도 7시간 이내에 목표치에 도달하여 관개면적을 단순화하여 모델링하여 모의결과에 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. 또한 네트워크 단순화 실험모형의 결과를 기반으로 실제 농업용수를 공급하고 있는 양구 만대저수지 관개구역을 대상으로 수로 및 필지 단순화하여 수리해석모형 분석 프로그램인 SWMM을 활용하여 분석한 결과 7개 필지를 2개까지 단순화하여도 분석결과에는 큰 차이가 없었으며, 논 필지 조건별 필요수량 대비 초과수량이 2% 이상 될 경우가 단순화 네트워크모형 분석의 신뢰성이 있는 것으로 나타났다. 본 연구의 결과로써 용수로와 논 필지 단순화에 적용할 수 있는 한계범위를 제시하였다.

후속연구

본 연구의 결과로써 용수로와 논 필지 단순화에 적용할 수 있는 한계범위를 제시하였다. 다만 다른 유사한 농업용수 관개구역에도 같은 결과가 동일하게 반영되기에는 적용성의 한계가 있기 때문에 추가적인 사례분석이 필요할 것으로 사료된다.
또한 네트워크 단순화 실험모형의 결과를 기반으로 실제 농업용수를 공급하고 있는 양구 만대저수지 관개구역을 대상으로 수로 및 필지 단순화하여 수리해석모형 분석 프로그램인 SWMM을 활용하여 분석한 결과 7개 필지를 2개까지 단순화하여도 분석결과에는 큰 차이가 없었으며, 논 필지 조건별 필요수량 대비 초과수량이 2% 이상 될 경우가 단순화 네트워크모형 분석의 신뢰성이 있는 것으로 나타났다. 본 연구의 결과로써 용수로와 논 필지 단순화에 적용할 수 있는 한계범위를 제시하였다. 다만 다른 유사한 농업용수 관개구역에도 같은 결과가 동일하게 반영되기에는 적용성의 한계가 있기 때문에 추가적인 사례분석이 필요할 것으로 사료된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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