Development of Analytical System of Stormwater Runoff Reduction Facilities

도준 정; 민재 정; 국열 오

doi:10.9798/KOSHAM.2017.17.4.113

Abstract

In this study, an analytical method for stormwater runoff reduction by runoff reduction facilities was developed with the goal of applying the method on infiltration facilities proposed based on the Type, Structure, Installation and Maintenance Standards of the Runoff Reduction Facilities notified by Ministry of Public Safety and Security.

The system is consists of input and output data’s standardization and configuration due to analyze the infiltration effect in quantitative way in order to design Runoff Reduction Facilities. In addition, the system users be able to analyze the data in convenience method by advanced direct design functions and GUI functions in order to utilize properly through development business operator and runoff reduction methods of local government.

Keywords: Stormwater Runoff Reduction Facilities, Infiltration Facilities, Analytical System

요지

본 연구에서는 국민안전처에서 고시한 우수유출저감시설의 종류⋅구조⋅설치 및 유지관리 기준에서 제시한 침투시설을 대상으로 치수효과 분석시스템을 개발하였다. 시스템은 우수유출저감시설의 설계에 따른 침투효과를 정량적으로 분석할 수 있도록 입출력 자료의 구성항목과 표준화를 실시하였다. 또한 사용자 직접설계(드로잉) 기능과 다양한 GUI 기능 등을 개발하여 간편하게 분석할 수 있도록 하여 사업시행자 및 지자체의 우수유출저감대책 수립시 효과적으로 활용될 것으로 판단된다.

1. 서론

1.1 배경 및 목적

최근 도시화로 인한 불투수면적 증가로 도시의 배수능이 저하되어 외수범람보다는 내수침수가 빈번하게 발생되는 사례가 발생하고 있다. 이에 국민안전처에서는 ｢자연재해대책법｣을 개정하여, 특별시장⋅광역시장⋅특별자치시장 및 시장⋅군수는 관할구역의 지역특성 등을 고려한 우수의 침투 또는 저류를 통한 재해의 예방을 위하여 우수유출저감대책을 5년마다 수립하도록 하고 있다(시행일 2014.08.07.). 우수유출저감시설 분석과 관련한 국내외 연구동향과 관련하여 Kang et al.(2015)의 연구에 의하면 국내에서는 현장계측과 실험을 통해 저감효과를 검증하는 연구가 주를 이루었으며, 국내 실정에 특화되어 저감시설의 적정위치 선정 및 효과를 분석할 수 있는 시스템을 개발한 사례는 미비한 실정으로 보고되었다.

최근 연구동향을 살펴보면 Han et al.(2006)은 Dual Drainage 도시침수해석을 통하여 배수시스템에서의 범람유량을 산정하고 이로인한 지표면 침수해석을 실시하도록 개발하였으며, Lee et al.(2007)는 투수성 포장과 침투 트렌치를 고려한 수정 SWMM을 개발하고 적용하였다.

Jang et al.(2010)은 개발공간 단위별로 침투, 증발, 지하수 등의 모의가 가능하도록 하는 링크-노드 형식인 도시유역 물순환 해석모형(CAT) 개발하였다.

Kang et al.(2015)는 우수유출저감시설 지침 개선 및 치수효과 분석시스템 개발 연구를 통해 저류시설 저감효과 중심의 우수유출분석시스템 프로토타입을 개발한바 있다. 선행연구들을 조사한 결과 국내외에서 가장 많이 사용되는 EPA- SWMM 엔진을 적용하고 있으며 대부분 저류시설 설계를 위한 프로그램 개발에 의존되어 있다. 이에 본 연구에서는 SWMM 엔진을 동일하게 사용하여 기존 프로그램들과 연동이 가능하면서 침투시설에 특화된 정량적 치수효과 분석기법 개발이 필요하다고 판단하였다. 특히, 국민안전처에서 제시한 실험적 연구결과를 토대로 침투시설의 규모계획 및 배치와 사전 모의를 위한 분석기법을 시스템으로 개발하고 우수유출저감대책 수립시 활용하는데 그 목적이 있다. 또한 사용자 직접설계(드로잉) 기능과 다양한 GUI 기능 등을 개발하여 활용성을 제고하고자 하였다.

1.2 시스템 개발환경

본 연구는 침투시설 분석기법 고도화 및 편의성을 고려한 설계 구성자료 구축방법 개발과 침투시설 분석기법의 설계적용 방법 및 구성항목 표준화 기법 개발로 구분된다. 침투공식 적용을 위해서 대표적인 침투공식인 Green-Ampt 공식과 NRCS-CN 공식을 분석하고 침투시설 분석기법에 적용하였다. 또한, 사용자의 편의성을 제고하고자 국내외에서 강우유출분석에 가장 많이 활용되고 있는 EPA-SWMM 모형과의 연계방안을 수립하였고 입출력 결과에 대한 주제도 기능과 맨홀의 프로파일링 기능 등을 개발하였다. 침투시설 분석기법의 설계적용 방법 및 구성항목 표준화 기법 개발을 통하여 사용자가 직접 소유역, 링크 및 노드를 설계하고 침투시설을 적용하는 기법과 SWMM 모형과의 연계를 위해 GIS 입력자료 또는 사용자 설계시 입력되는 자료들의 표준화 기법을 개발하였다. 시스템 개발은 Microsoft사의 Windows 7 기반의 운영체제와 .NET Framework 4.0 이상의 SDK (Software Development Kit) 사용자 PC 환경에서 구동되도록 개발되었다. 데이터 형식은 GIS 파일(.shp 등), text 파일, 이미지 파일로 구성되고 시스템 형식은 폐쇄형으로, 개발언어는 C#을 사용하였다. 다음 Table 1은 시스템 개발환경을 정리하여 기술하였다.

Table 1

Development Environment of System

Division	Content
Operating System	Window 7 pro
SDK (Software Development Kit)	Microsoft.NET Framework 4.0
Data type	GIS, Text, Image
System type	Closed System
Language	C#
Tool	Visual Studio 2010(C#)

2. 침투시설 분석시스템 구성자료 구축

2.1 침투시설 배치 및 설계 분석 기법

우수유출저감시설의 종류⋅구조⋅설치 및 유지관리 기준(National Disaster Management Institute, 2016)에서 제시한 침투시설은 투수성 보도블록, 침투트렌치, 투수성포장, 침투측구, 침투집수정 등이 있다. 본 연구에서는 침투시설의 치수효과를 분석하기 위한 2가지 방안을 제시하였는데, 침투시설 모의가 가능한 대표적인 시스템인 EPA-SWMM에서 적용하고 있는 Green-Ampt 방법과 추가적으로 실무에서 많이 사용되고 있는 NRCS-CN 방법을 도입하였다. Table 2는 두 모형의 특성을 비교한 결과이다.

Table 2

Comparison of Green-Ampt and NRCS-CN

Class	Green-Ampt	NRCS-CN
Consept	physically based Model	Empirically based Model
Factors Affecting	Rainfall Intensity, Rainfall Duration, Infiltration Processes	Total Rainfall Volume
Used Parameters	Suction Head, Conductivity, Initial Deficit	Curve Number

2.1.1 Green-Ampt 공식 적용

먼저 국내외에서 침투시설 모의가 가능한 대표적인 시스템인 EPA-SWMM (Storm Water Management Model)에서는 Green-Ampt 모델로 침투시설 효과분석을 다루고 있다(United States Environmental Protection Agency, 2015). 하지만 Green-Ampt 모델은 자료 구독 및 사용이 불편한 단점이 있다(e.g., Chow et al., 1988; Arnold and Allen, 1996; Mays, 2005; Ficklin and Zhang, 2013).

Green-Ampt 공식은 Green과 Ampt에 의해 1911년에 개발(Green and Ampt, 1911)되어 매개변수 추정과 모델의 적용성에 관해 현재까지 연구가 진행되고 있으며, 시간을 기반으로 한 침투모델로 강우 강도, 지속시간 및 토양의 침투 프로세스의 영향을 모의할 수 있는 물리적 특성을 지닌 모델이다.

Green-Ampt 공식을 적용한 침투시설 설계방법의 경우에는 EPA-SWMM의 LID control을 참고하였으며, 기존 유역에서의 불투수면적을 대체하는 침투시설 면적에 침투공식을 적용하여 강우유출해석을 실시하고 투수면적에서 발생된 유출량과 합하여 총 유출량을 산정하는 방식으로 설계방법을 개발하였다. 각 침투시설은 단면(layer)으로 구분되어 사용자가 각 layer의 제원을 설정하여 모의하는 방식으로 구성되어 있다. 이때 layer는 총 6개로 지표면위 담수층에 해당되는 Surface Layer, 토양과 식재로 구성되어 첫 번째 침투기작이 적용되는 Soil Layer, 투수성 시설에만 해당되는 Pavement Layer, 자갈 또는 쇄석으로 구성되어 침투된 강우유출수를 공극안에 일부 저류시키는 Storage Layer, 침투된 강우유출수를 암거를 통해 배수시키는 Underdrain Layer, 옥상녹화에만 해당되는 Drainage Mat Layer로 구성된다.

침투시설의 특성에 따라 구성되는 layer는 다르며, 시스템에서는 각 시설별로 layer가 활성화/비활성화 되어 있어 사용자가 활성화 되어 있는 layer에만 제원과 매개변수를 입력할 수 있도록 개발하였다. Fig. 1은 Green-Ampt 모델을 적용한 침투시설 설계화면이며, Fig. 1(a)는 침투형 타입인 침투트렌치, 침투측구, 침투통의 대한 설계화면이고 Fig. 1(b)는 투수형 타입인 투수성 포장과 투수성 보도블럭의 설계화면이다.

Fig. 1

Rainfall-Runoff Reduction Facilities Setup Window used Green-Ampt Method

2.1.2 NRCS-CN 공식 적용

NRCS-CN방법은 USDA (United States Department of Agriculture)에서 1950년대 개발되어 현재까지 강우유출을 모의하는데 가장 보편적으로 사용되는 방법이며, 강우강도와 지속시간을 고려하지 않고 총 강우량만 고려하는 개념적 모형이다. 국외에서는 정밀토양도를 기반으로 Green-Ampt 공식에 필요한 매개변수 추정이 용이하나, 국내의 경우에는 침투시설별 토양 특성에 따른 매개변수를 추정하는 연구가 아직은 미흡한 실정이어서 침투시설 설계 시 NRCS-CN방법과 비교하여 적정한 매개변수를 추정하여 적용하는 데에는 한계가 있다. NRCS-CN 방법은 Green-Ampt 방법과 달리 EPA-SWMM의 LID control에서 지원하지 않는 침투공식이며 기법 적용을 위해서는 소유역 차원에서 접근이 필요하다. NRCS-CN 방법의 경우에는 Green-Ampt 방법에 비하여 매개변수가 적고 적용이 간단한 특징이 있다.

침투시설 치수효과 분석시스템에서는 Fig. 2와 같이 소유역 내 투수면적의 기존 CN값과 설치하고자 하는 침투시설의 CN값을 면적가중평균 방식으로 계산하여 적용 후 소유역의 대표 CN값을 이용하여 강우-유출 분석을 수행하는 방식으로 개발을 수행하였다.

Fig. 2

Application Process of NRCS-CN Method in System

국민안전처 국립방재연구소에서는 Table 3과 같이 각 침투시설별 치수효과를 실증실험 연구를 통해 AMC-I과 AMC-III 두 선행강우 조건에 따른 CN값을 제시하였다(National Institute For Disaster Prevention, 2009). 제시된 CN값을 시스템 내에 탑재하여 설계자가 시공시 적용할 침투시

Table 3

CN Range of Infiltration Facility

Infiltration Facility	Permeable Block	Infiltration Trench	Infiltration Collecting Well
CN	70.93~78.64	83~84	85~89

설의 투수계수와 규모 등을 고려하여 선택할 수 있도록 구축하였다.

본 연구에서는 소유역 내 토지이용형태별로 투수면적에 부여된 CN값과 설치하고자 하는 침투시설의 CN값을 이용하여 면적가중 평균화하였으며, 이렇게 변경된 소유역의 CN값을 이용하여 강우유출 분석을 수행하는 방식으로 개발하였다.

이때, 침투시설 설치면적이 해당 유역의 불투수면적보다 클 경우에는 투수면적의 일부에 시설이 설치되어 기존 투수면적의 일부 면적의 CN값이 설치하고자 하는 침투시설의 CN값으로 변경되어야 함으로 불투수면적보다 설치하고자 하는 침투시설의 면적이 클 경우와 작을 경우에 따라 해당 소유역의 대표 CN값을 정하는 방법을 두 경우로 나누어 개발을 수행하였다. Fig. 3은 NRCS-CN 모델을 적용한 침투시설 설계화면이다.

Fig. 3

Rainfall-Runoff Reduction Facilities Setup Window used NRCS-CN Method

2.2 실증실험 데이터 연계방안 수립

침투시설 치수효과 분석시스템에서 사용되는 입력자료(시스템 기본설정, 소유역, 관망, 맨홀, 강우, 저감시설 등)들을 EPA-SWMM에서 사용하는 입력파일(.inp)형태로 제공함으로써 하나의 입력자료로 두 모형을 모두 구동할 수 있다. 또한, SWMM내에서 입력자료 속성을 변경할 수 있으며, inp 파일을 텍스트 편집 프로그램(메모장 등)을 사용하여 자유롭게 수정 및 편집이 가능하다. 분석결과의 경우 우수유출저감시설 치수효과 분석기법에서는 기본적으로 결과리포트 화면을 통해 유출량, 저감효과 등의 분석결과를 제공하고 있다. 사용자가 보다 상세한 정보를 확인하고 활용하고자 할 때에는 SWMM의 경우와 같이 텍스트 형식(.rpt)의 결과파일로 제공하여 기존 SWMM 모형에 익숙한 사용자들에게 편리한 작업환경을 제공하고자 하였다.

2.3 침투시설 치수효과 표출 및 가시화

시스템 내에 주제도 범례표출기능은 데이터 입력 시와 분석 후로 나누어 확인 할 수 있으며, 데이터 입력 시에 확인 가능한 소유역 관련 변수로는 경사(Slope), 불투수면적비(Impervious), CN값(Curve Number)을 선정하였다. 면적의 경우 다른 변수들에 비해 육안으로 확인하기 쉬우며, Open-GIS기반인 본 기법에서는 면적이 자동으로 계산되는 관계로 따로 주제도를 통해 표출하지 않았다. 맨홀과 관망 관련 입력변수로는 맨홀의 관저고(Invert), 관망의 조도계수(Roughness), 관망의 직경(Max.Depth)을 선정하였다.

유출결과 분석 후 확인 가능한 소유역 관련 변수로는 침투량(Infiltration), 유출량(Runoff)을 선정하였으며, 맨홀 관련 변수는 선정하지 않았다. 프로파일링 기능을 통해 맨홀의 최대높이 및 수위를 확인 할 수 있기 때문이다. 관망 관련 변수로는 관내속도(Velocity)와 관내 유량(Flow)을 선정하였으며, 유출수의 체적(Volume) 등은 관의 직경에 따라 변동되므로 따로 표출하지 않기로 하였다.

강우유출을 해석하는 프로그램에서 관망 프로파일링의 목적은 노드와 링크에서 시간대별 수위변화 및 노드에서 월류발생 여부를 확인하는 목적으로 사용된다.

우수유출저감시설이 설치되는 개발사업장 또는 유역 또한 우수관거가 기본적으로 설치되어 있는 도심지를 대상으로 사용되기 때문에 가시화된 분석결과를 사용자가 직관적으로 확인할 수 있도록 해당 기능을 개발하였다.

3. 침투시설 분석 시스템 설계 적용

3.1 침투시설 설계적용 방법 개발

기존 SWMM 모형에서 유역설계시 소유역, 링크, 노드에 각각 입력해야하는 항목들을 분석하고 이들 항목중에서 필수항목(제원관련 항목 또는 연산에 직접 관여하는 항목)들을 분류하여 우수유출저감시설 치수효과 분석기법에 반영하였다. 소유역 설계시 활성화 변수 중 노트 기능과 융설(Snow Pack), 오염물질 축척(Initial Buildup) 등 시스템 내에 반드시 필요로 하지 않는 변수들을 제외한 14개의 변수들에서만 Table 4와 같이 설계요소에 반영하였다. 관거의 제원 및 형상에 관한 부분과 맨홀, 유출구에 관한 사항도 소유역과 마찬가지로 불필요한 변수를 제외(위치 및 사용자 메모기능)하고 적용하였으며 결과는 Table 4 및 Fig. 5와 같다. 사용자는 소유역(Fig. 5(a)), 관거(Fig. 5(b)) 맨홀 및 유출구(Fig. 5(c))의 사용자 유역설계 항목 설정을 통해 직접 유역에 침투시설을 배치하고 적용할 수 있다.

Table 4

List of Input Data Components

Subcatchment	Conduit	Junction and outfall
Name	Name	Name
X-Coordinate	Inlet Node	X-Coordinate
Y-Coordinate	Outlet Node	Y-Coordinate
Description	Description	Description
Tag	Tag	Tag
Rain Gage	Shape	Inflow
Outlet	Shape	Treatment
Area	Number of Barrels	Invert El.
Width	Maximum Height	Max. Depth
% Slope	Max.Depth	Initial Depth
% Imperv	Length	Surcharge Depth
N-Imperv	Roughness	Ponded Area
N-Perv	Inlet Offset	Tide Gate
Dstore-Imperv	Outlet Offset	Route To
Dstore-Perv	Initial Flow	Type
%Zero-Imperv	Maximum Flow	Diverted Link
Subarea Routing	Entry Loss Coeff.	Type
Percentage Routed	Exit Loss Coeff.	Evap. Factor
Infiltration	Avg. Loss Coeff.	Seepage Loss
	Seepage Loss Rate	Storage Curve
	Flap Gate
	Culvert Code

Fig. 4

Example of Input Data Themes Screen

Fig. 5

Windows of Input Data Setup (Subcatchment, Conduits, Junctions and Uutfalls)

3.2 입력자료 구성항목 표준화 방안 수립

침투시설 분석 시스템에서 사용되는 입력자료는 소유역, 링크 및 노드관련 데이터로 구분되며, 각 입력자료는 EPA- SWMM과 연계를 위해 구성항목에 대한 표준화 방안을 수립하였다. Table 4에서와 같이 각 입력자료의 각 구성항목은 강우유출분석에 활용되는 매개변수와 같으며 실제 입력자료 형태는 GIS 기반의 쉐이프(shp) 파일이고 이를 다시 텍스트 기반의 SWMM의 입력파일 형식인 inp 파일로 변환 가능하도록 하였다.

침투시설의 경우에는 Green-Ampt 방식을 적용하였을 때 SMWM의 LID control과 바로 연동되며, NRCS-CN 방식을 적용하였을 때에는 소유역 구성항목의 침투매개변수(CN)와 연동되도록 개발하였다. 각각의 구성항목들은 사용자가 직접 입력 또는 GUI를 통해 입력할 수 있으며, 치수효과 분석시스템과 SWMM 모형의 연계시 입력자료 로딩 오류를 방지하기 위해 모두 지표유출에 관해 설정되는 매개변수 명칭은 동일하게 구성하였다.

사용자의 활용에 따라 직접 소유역, 링크 및 노드를 화면에 드로잉하고 표준화 구성항목에 맞게 값을 입력(Fig. 6)하게 되면 동일한 입력자료 파일(inp 파일)이 생성되어 SWMM에서도 이를 바로 모의할 수 있도록 하였다.

Fig. 6

Drawing-Based Custom Design Window in Flood Control Effect Analyzing System

4. 결론

최근 기후변화와 도시화의 영향으로 도심지 내수침수와 같은 재난피해가 빈번히 발생되어 왔다. 국내에서는 ｢자연재해대책법｣ 개정과 더불어 지방자치단체 장이 관할구역 지역특성 등을 고려하여 우수 침투 또는 저류를 통해 우수유출저감대책을 수립하고 우수유출저감시설을 설치하도록 하고 있다(시행일 2014.08.07). 본 연구에서는 선행연구에서 개발한 저류시설에서 침투시설 중심의 우수유출저감시설 치수효과 분석기법을 개발하고자 하였다. 침투시설의 대상은 우수유출저감시설의 종류⋅구조⋅설치 및 유지관리 기준에서 제시한 침투트렌치, 침투측구, 침투집수정, 투수성포장 및 투수성보도블록을 대상으로 분석기법을 적용하였다. 침투공식의 경우에는 국내외에서 대표적으로 많이 사용되고 있는 Green-Ampt 공식과 NRCS-CN 공식을 활용하였으며, 침투시설별 CN값은 국립재난안전연구원에서 수행한 ‘개발계획 수립시 침투시설 적용방안’ 연구에서 실증실험 결과값을 인용하였다. 또한, 사용자의 편의성을 제고하기 위해 실무에서 많이 활용되고 있는 SWMM 모형과 연계하는 방안을 수립하였고, 입출력 결과를 쉽게 파악할 수 있도록 주제도와 프로파일링 기법을 적용하였다.

본 연구를 통해 개발된 우수유출저감시설 치수효과 분석기법은 국내외 알려진 다른 기법과 비교하여 우수유출저감시설의 설계에 따른 침투효과를 정량적이면서 비교적 간편하게 분석할 수 있어 우수유출저감대책 수립시 효과적으로 활용될 것으로 기대되며 다양한 분야의 관련 전문가들이 직접 사용하고 개선사항을 도출하여 지속적인 보완과 개선이 이루어져야 할 것으로 사료된다.