EPA SWMM 을기반으로한유역유출모형 (XP-SWMM, PCSWMM) 소개및비교 1. 서론 진영규 최근우리나라에는기후변화에따라국지성집 중호우가빈번히발생하고있는데, 단일강우사 상에대하여같은양의강우가장기간에걸쳐내 리는것보다단기간에집중해서내리는것이더 많은피해를입힐수있다. 부경대학교토목공학과석사과정 accvn75@gmail.com 이상호 부경대학교토목공학과교수 peterlee@pknu.ac.kr 정태훈 부경대학교토목공학과박사과정 jthwise@pknu.ac.kr 도시유역의경우, 우수관거의설계빈도를초과 하는강우가발생하게되면침수피해가발생하게 된다 ( 그림 1). 이와같은도시의침수피해를예측 및예방하기위해서는유역유출모형을이용하여관심지점의홍수량을결정해야한다. 또한, 침수취약지역에대한침수면적및침수위를산정해야할필요가있다. 유역유출모형이란강수가하천유량으로변환되는수문순환과정을모의하는모형이다. 여기서유역은모형화의대상이되는시스템이고강수는입력자료이며이로부터유출양상이계산된다. 그리고이러한수문순환과정에서유출수의수질이변동되다. 어떤유출모형은수량만을모의하는반면어떤것들은수량과수질을함께모의한다 ( 수자원공사, 2001). 본고에서는여러가지유역유출모형중도시유역을모의할경우사용되고있는 SWMM(Storm Water Management Model) 과 SWMM을기반으로개발된 CHI(Computational Hydraulics International) 사의 PCSWMM, XP-Software사의 XP-SWMM을소개하고자한다. 그림 1. 우수분출로인한도시침수 ( 하이드로소프트, 2014) Vol. 48 No 6. 2015. 6 47
2. EPA SWMM 기반의유역유출모형 2.1. EPA SWMM5.1 SWMM은도시유역의강우에의한홍수량을산정하기위하여 1971년에미국 EPA의지원아래개발된모형으로서, 도시유역하수시스템내의유량과수질을모의할수있도록구성되어진유역유출모형이다. SWMM4 모형의구성은 5개의실행모듈과 5 개의보조모듈그리고 126개의부프로그램으로구성되어있지만, SWMM5 모형의경우사용자편의환경이추가되어서그림 2와같이구성되어있다. SWMM은강우주상도, 기상자료, 소유역의자료, 하수관로자료를입력하여유역의유출유량과수질을예측하고, 오염물질에대한처리를모의할수있다. SWMM은단일 연속강우와융설에의한유출모의를수행할수있다. 연산시간간격은강우사상에대해임의조절이가능하다. 그리고소 ( 小 ) 배수유역에서대 ( 大 ) 배수유역까지적용이가능하며최대 3,000개의소유역, 2,000개 의수로또는관로를사용할수있다. 유출은강우와융설로인하여발생하고지표유출은비선형저류방정식을사용하여추적하며, 침투량산정에는 Horton 또는 Green-Ampt 식을사용한다 ( 이상호등, 2010). 최근저영향개발 (low impact development; LID) 시설을이용하여강우유출수와비점오염원을저감할수있도록도시를개발함에따라 SWMM 5.1에 5개의저영향개발시설 ( 식생저류지, 투수성포장, 침투저류지, 빗물통, 식생수로 ) 모의요소를추가하였다 ( 그림3). 다음절에서는 SWMM을기반으로한상용화된유역유출모형에대하여기술하고자한다. 2.2. XP-SWMM XP-SWMM은호주 XP-Software에서개발한프로그램이다. 전세계적으로많은사용자를보유하고있을뿐만아니라, 프로그램환경및메뉴얼이한글화가되어있으며, 국내에 XP-SWMM 에대한전문교육시스템이구축되어있어국내업계및대학에서도널리사용되고있다. 그림 2. SWMM 5 의구성 ( 정태훈, 2010) 48 물과미래
EPA SWMM 을기반으로한유역유출모형 (XP-SWMM, PCSWMM) 소개및비교 그림 3. SWMM5 에서모의가능한저영향개발시설 (CHI, 2014) XP-SWMM의기본적인해석방법이나구조는 SWMM 5.0을 1차해석엔진으로이용하고있으며, XP-SWMM의독자적인엔지니어링엔진과툴을이용하고있다 ( 표 1). 또한, 사용자의편의성을확보하기위하여엑셀, GIS, SWMM 등과의호환이가능하며, AutoCAD 파일을 XP-SWMM 의관망으로변환가능하다. 또한, 도시의침수해석을위하여 2차원모의기능을추가하였다. 그림 4는 XP-SWMM의기본사용자편의환경화 면이다. XP-SWMM은유역의침수를해석하기위하여도시지역의침수모의가가능한 2차원해석프로그램인 TUFLOW(Two-dimensional Unsteady FLOW) 를기본엔진으로사용하고있다. TUFLOW는 WBM Oceanics Australia 및퀸즐랜드대학교에서개발하였다. 그림 4. XP-SWMM 의기본 GUI 화면 ( 하이드로소프트. 2014) Vol. 48 No 6. 2015. 6 49
표 1. XP-SWMM 의레이어구성에따른처리능력 ( 하이드로소프트, 2014) Runoff Sanitary Hydraulics 지표유출 지하수융기 융설 증발 관으로의침투 유량에따름 건기시유량 저리유입량 사용자정의수문곡선 일정유입량 배수유입량 정구배 급구배 0% 혹은역구배 맨홀에서의범람 surcharge 맨홀저류 담수를사용할때 surcharge 혹은가압수 저류노드 역류효과 방류경계조건 이중배수 SWMM의모든폐합관 SWMM의모든개수로 HEC-2형식단면 원형및박스형오리피스 수평웨어 사용자정의웨어 펌핑 정수두펌프 등수두펌프 실시간제어요소 ( 레귤레이터 ) 2.3. PCSWMM PCSWMM은캐나다의 CHI 사에서 SWMM의수리 / 수문해석엔진을기반으로하여 Windows 용사용자편의환경을도입한유역유출모형이다. SWMM과마찬가지로도시유역에주로적용되며 단일강우나연속강우의모든경우에서적용이가능하다. PCSWMM은사용자의편의성, 시각화의우수성, 측량자료입력의편의성, 민감도분석, 튜닝기법의모형보정, 침수분석등의장점을가지고있기때문에전세계적으로많은사용자를보유하 50 물과미래
EPA SWMM 을기반으로한유역유출모형 (XP-SWMM, PCSWMM) 소개및비교 고있다. PCSWMM 은 GIS 및 CAD 파일을불러올수있 으므로, 도시유역의배수관망에대한모형구축 이용이하다. 또한구글어스와연동하여모의하고 자하는유역에대한가시화된자료를볼수있다. 그림 5. PCSWMM 의기본화면 3. XP-SWMM, PCSWMM의비교 평가 3.1. 2D MODELING 국지성집중호우가우수관의설계용량을초과하면우수관의설계홍수량을초과하는우수가도로에범람하거나도심에위치한하천이범람하여도시침수피해가일어나고있다. 이를예방및저감하기위하여침수취약지역에대한수치해석이필요하다. XP-SWMM과 PCSWMM은각각다른방법으로도시유역의 2차원침수해석모의를한다. XP- SWMM의경우 TUFLOW 모형을탑재하여 2차원지표유출과침수모의를한다 ( 그림 6). TUFLOW 는 XP-SWMM 엔진의 1차원관망에동적으로연결되어, 2차원영역에연결된 1차원관망의조합으로흐름모형을구축한다. TUFLOW는 2차원모형인만큼수위와유속벡터, 수심, 단위유량벡터, 에너지경사등의자료들을출력할수 있다. TUFLOW의기본해석방법은 Runge- Kutta의 2차유한차분을사용하고, Stelling의유한차분방법즉, ADI(alternating diredction implicit) 기법에의하여천수방정식을수치해석한다 ( 정재희, 2012). 그림 6. TUFLOW 자료의입출력구조 ( 정재희, 2012) Vol. 48 No 6. 2015. 6 51
PCSWMM의경우 2차원침수해석을위해연속방정식과 1차원점변부정류방정식 (St. Venant 방정식 ) 을사용하고있다 ( 그림 7). 도시침수에대한수치해석시모의하고자하는유역에대하여사용자의정의에따라육각형의격자를생성하고, 격자의중심에각격자의평균고도를맨홀입구의고도로하는노드를생성하게된다. 그이후, 각노드를연결하는자유수면의개수로를연결하여연속방정식과 1차원점변부정류방정식을이용하여침수해석을수행한다. 해석결과로각지점의수위와유속을알수있다. 이와같이 XP-SWMM과 PCSWMM은각기다른방식으로침수에대한모의를할수있다. XP- SWMM이 2차원모형을이용하여침수지역을모의한다고해서좋고, PCSWMM이 1차원으로침수지역을모의한다고해서열등하다고단정지을수는없다. 2차원모형의경우, 1차원모형보다민감한부분이많기때문에, 계산결과가발산하기쉬우며, 1차원모형에비하여계산시간도오래걸린다. 그러므로도시침수에대하여모의를할경우, 사용자의목적에따라모형을선택하여야한다. 3.2. 사용자편의기능앞에서소개한 EPA SWMM5.1, XP-SWMM, PCSWMM은모두사용자편의환경을가지고있다. EPA SWMM5.1은편의환경내에서모형자료의입력과모의결과출력같은기본적인기능만을제공하고있다. 따라서모형의입력자료생성에필요한대부분의작업은 ArcGIS 등의다른프로그램을사용하여진행해야한다. XP-SWMM 과 PCSWMM은이러한문제점을개선하여 GIS, CAD, HEC-RAS등의자료를호환이용할수있도록하여모형의입력자료생성시사용자가편리하게이용할수있다. EPA SWMM5.1을주로이용하는사용자의경우 PCSWMM의사용자편의환경이더욱더익숙할것이다. PCSWMM의경우 EPA SWMM5.1 의계산엔진을수정하지않고사용자편의환경만을제공하기때문에입력환경이 EPA SWMM5.1 과상당히유사하다. 하지만 XP-SWMM의경우 TUFLOW의개발등의이유로 SWMM 계산엔진을계속적으로수정해오고있기때문에 EPA SWMM5.1과는일부차이가있다. XP-SWMM은프로그램및매뉴얼이한글화가되어있다. 국내에서는 XP-SWMM에대한전문교육시스템이구축되어있으며, 사용자교육용동영상자료또한널리배포되어있다. PCSWMM은프로그램및매뉴얼이한글화가되어있지않아국내에서는덜알려져있으나, 국제적으로는활발히활용되고있다. 그러나가격은 XP-SWMM에비하여매우저렴하다. 4. 결론 그림 7. PCSWMM 을이용한도심침수분석 본고에서는 SWMM 을기반으로한상용화된프 로그램인 XP-SWMM 과 PCSWMM 에대하여소 개하였다. XP-SWMM 과 PCSWMM 은 SWMM 52 물과미래
EPA SWMM 을기반으로한유역유출모형 (XP-SWMM, PCSWMM) 소개및비교 을기반으로하여제작된유역유출모형이기때문에많은공통점을가지고있으나, 개발된목적이나각회사의모형에대한추구하는목적이다르기때문에차이점도가지고있다. 그로인하여각각의모형은장 단점이있다. 사용자는목적에맞게모형을선택하여야하며, 모형의선택에있어중요한것은모형결과의정확성과모형취득시의비용, 각모형에대한각종 연구자료들이될것이다. 5. 감사의글본연구는국토교통부물관리연구사업의연구비지원 (11기술혁신C06) 에의해수행되었습니다. 참고문헌 이상호, 이정민, 박재현, 이길성 (2009). 제3회 SWMM-GE Workshop 교재. 수자원의지속적확보기술개발사업단, p. 3. 정재희 (2012). 분지형도시유역의치수관리계획. 석사학위논문, 연세대학교, p. 13. 정태훈 (2010). SWMM과 FLUMEN을연계한수영 망미저지대의침수분석, 부경대학교, p. 10 하이드로소프트 (2014). XP-SWMM, pp. 8-12. 한국수자원공사 (2001). 수자원분석시스템구축기법에관한연구보고서, p. 6 Computational Hydrulics International (2014). Introduction to modeling low impact develoopment (LIDs) in PCSWMM/EPASWMM5, p. 1. Vol. 48 No 6. 2015. 6 53