SWAT모델과 물수지분석을 이용한 물재이용에 의한 도시물순환 변화 분석
Analysis for water cycle change using SWAT model and water balance analysis depending on water reuse in urban area
김영란1*･황성환2･이성옥3
Young-Ran Kim1*･Seong-Hwan Hwang2･Sung-Ok Lee3
1서울연구원 안전환경연구실 선임연구위원, 2서울시립대학교 도시홍수연구소 연구부장, 3서울연구원 안전환경연구실 연구원
1Senior Research Fellow, Dept. of Safety and Environment Research, Seoul Institute
2Research Professor, Dept. of Civil Engineering, Urban Flood Research Institute
3Researcher, Dept. of Safety and Environment Research, Seoul Institute
ABSTRACT
Water cycle within the human civilization has become important with urbanization. To date, water cycle in the eco-system has been the focus in identifying the degree of water cycle in cities, but in practicality, water cycle within the human civilization system is taking on an increasing importance. While in recent years plans to reuse water have been implemented to restore water cycle in cities, the effect that such reuse has on the entire water cycle system has not been analyzed. The analysis on the effect that water reuse has on urban areas needs to be go beyond measuring the cost-savings and look at the changes brought about in the entire city’s water cycle system. This study uses a SWAT model and water balance analysis to review the effects that water reuse has on changes occurring in the urban water cycle system by linking the water cycle within the eco-system with that within the human civilization system. The SWAT model to calculate the components of water cycle in the human civilization system showed that similar to measured data, the daily changes and accumulative data can be simulated. When the amount of water reuse increases in urban areas, the surface outflow, amount of sewer discharge and the discharged amount from sewage treatment plants decrease, leading to a change in water cycle within our human civilization system. The determinant coefficients for reduced surface outflow amount and reduced sewer discharge were 0.9164 and 0.9892, respectively, while the determinant coefficient for reduced discharge of sewage treatment plants was 0.9988. This indicates that with an increase in water reuse, surface flow, sewage and discharge from sewage treatment plants all saw a linear reduction.
Key words: Water cycle in human civilization, water reuse, changes in urban water cycle, SWAT model, water balance analysis, surface outflow, sewer discharge, discharge of sewage treatment plant
주제어: 인공계물순환, 물재이용, 도시물순환 변화, SWAT모형, 물수지분석, 지표유출수, 하수발생량, 하수처리수 방류량
1. 서 론
1)경제발전과 함께 시민들의 환경보전 의식의 상승에
Received 25 February 2015; Revised 4 August 2015; Accepted 6 August 2015
*Corresponding author: Young Ran Kim (E-mail: [email protected])
따라 안전하고 깨끗한 물에 대한 요구가 증가하고 있 다. 도시는 산업화와 도시화로 인구가 집중되고 생활 및 공업 용수 등의 용수수요가 증가하고 있으나, 기후 변화로 강우 편중현상이 심해져 물 공급의 불균형이 나타나면서 수원의 안정적인 확보방안이 필요하다.
수원의 확보방안으로 물재이용이 적절한 방안으로 적용되고 있다. 1999년 Mann 등은 간이처리를 통하여 주거지 물사용량의 50~80%를 차지하며, 손쉽게 재이 용이 가능한 샤워, 목욕물 등의 Greywater를 지하수충 전, 하천유지용수, 도시용수로 최대로 이용할 수 있는 방법을 제시하였다, 또한 2010년 전진홍 등은 도시용 수, 중수도, 도시오염물질 및 빗물 관련 단위 시스템 현장계측장비의 데이터를 기반으로 분석 결과를 도출 하여 설계된 아키텍처를 수정․보완하여 물순환 통합관 리시스템 네트워크 구성을 개발하여 U-City 물순환시 스템 통합구축을 위한 아키텍처를 개발하였다.
지금까지 도시의 물순환은 지표면 불투수면의 저감 을 통하여 증발량 및 침투량이 증가되는 자연물순환 회복에 초점이 맞추어져 왔다. 최근 도시의 물순환을 회복시키기 위하여 물재이용이 추진되고 있다(Ministry of Environment, 2001; Ministry of Environment, 2006 ; Seoul Metropolitan Government, 2013). 물재이용이 물 순환에 미치는 영향에 대해서 2012년 박진호 등은 물 재이용에 따른 물사용량 절감량과 SWAT 모형을 이용 하여 토지이용변화에 따른 자연계 물순환을 모의하였 다. 그러나 물재이용이 도시지역의 자연계와 인공계를 포함한 전체 물순환 체계에 미치는 영향에 대해서는 분석되어 있지 않은 상태이다. 물재이용이 도시지역에 미치는 영향에 대해서는 용수량의 대체에 의한 상수량 절감효과와 같은 단편적 측면에서 벗어나 도시전체의 물순환에 미치는 영향으로 전개되어야 한다. 그러므로 물재이용이 도시지역의 물순환에 미치는 영향을 분석 하기 위하여 대표적인 자연계 물순환 SWAT 모형의 물순환 분석결과와 인문계 물순환 요소의 물수지분석 을 연계하여 인문계 물순환 변화를 모의하였다. 또한 물재이용으로 빗물이용, 중수도 및 하수처리수재이용 에 따른 인문계 물순환의 민감도 분석을 실시하여 도 시지역의 건전한 물순환 회복을 위한 물재이용 계획을 평가할 수 있는 모의방법을 구축하였다.
2. 연구방법
2.1 분석대상 유역
분석대상 유역은 도시지역에서 물순환모형이 구축되어 과거부터 지금까지 물순환 상태가 파악되어 있고, 물재이 용 관련 자료가 축적되어 있는 서울시를 대상으로 하였다.
2.1.1 표고 및 경사
서울시 평균표고는 EL. 63.46m이며, 전체면적 605.25㎢ 중에서 표고 EL.25~50m는 31.00%를 차지하 고 있으며, 표고 EL.50m 이하의 비율은 68.85%로서 대부분을 차지하고 있다(Fig. 1. 참조).
Seoul Metropolitan Government, 2012, Basic Plan for the Establishment of an Advanced Water System
Fig. 1. Distribution of surface height in Seoul.
2.1.2 인구 변화
지난 30년간 연평균 인구증가율은 1980년대에는 22.3%로서 증가하는 경향을 보이다가, 1990년대는 -4.9%로 점차 감소하였다. 2000년대 와서는 2.36%로서 다시 증가하지만 증가 경향은 크지 않다(Fig. 2. 참조).
Fig. 2. Demographic changes in Seoul.
2.1.3 불투수율 변화
서울시의 불투수율은 지난 50년간 지속적으로 증가 하여 2010년에 47.77%를 나타내었으며 그 이후 변화 없이 지속되고 있다(Fig. 3. 참조).
Table 1. Simulation of water circulation components within the human civilization system
Water circulation model Components of water circulation within the human civilization system
SWAT - None
WEP - Amount of clean water used, amount of leakage in clean water, amount of sewage, miscellaneous discharge into streams, underground water reserves, agricultural water usage, infiltration facilities
SWMM - Amount of sewage
SHER - Amount of sewage, amount of clean water used, infiltration and reservoir facilities
Table 2. Components of the changes in water circulation due to water reuse
Water circulation system Components of changes in water circulation
Inflow category Outflow category
Human civilization
- Amount of clean water used, amount of underground water used
- Amount of rain water used, amount of wastewater reclamation used, amount of treated wastewater reused
- Amount of sewage generated - Amount of inflow/infiltration flow
Natural eco system
Ground surface
and soil - Rainfall1) - Amount evaporated1)
- Surface outflow2), Subsurface outflow1) Aquifer - Underground water contained1)
- Amount of underground water used - Outflow of underground water - Outflow of underground water2) 1) the results of the SWAT model analysis on water circulation in the eco system was applied.
2) Use of water resource was applied to the analysis results of the SWAT model for water circulation in the eco system.
Fig. 3. Changes in impervious area rate in Seoul.
2.2 분석방법
물재이용에 따른 물순환 변화를 파악할 수 있는 모형을 구축하기 위하여, 국내에서 많이 적용되어 검증된 물순환 모형을 비교분석하였다. 2007년 한국건설연구원에서는 물순환 해석 기술지침서 작성을 위하여 WEP(Water and Energy transfer Process), SWMM(Storm wastewater Management Model), SHER(Similar Hydrologic Element Response)모형을 검토하였다(Table 1참조). Jang et al. (2004) 등은 청계천 유역의 물순환 분석을 위하여 SWAT 모형을 이용하였다. 또한, Kim et al. (2012)은 국내 현황에 맞게 개발한 유역 물순환 해석 모형인 CAT(Catchment hydrologic
cycle Assessment Tool)를 저영향 평가에 적용하였다.
또한, Kim et al. (2006)이 SWAT 모형을 이용하여 불투 수율변화의 도시화에 따른 영향을 분석하였다. SWAT 모형은 불투수율 변화에 따른 물순환 분석에 널리 이용되 고 있으며, 국내․외 많은 대상유역에 대해 물순환을 분석 하여 적용성이 검증된 모형이다. 특히, 자연계 물순환 요소의 변화를 검토하고 물수지 분석을 통하여 인문계 물순환 변화에 대한 모의가 쉬운 특징을 가지고 있다.
본 연구에서는 도시지역에서 물재이용에 따른 인공계 물순환 변화를 분석하기 위하여 SWAT 모형을 적용하였다.
3. 물재이용에 따른 물순환 변화 모형
3.1 물순환 변화 구성요소
SWAT 모형은 인공계 요소를 고려하지 않는 단순한 자연 계 물순환 모형이다. 다른 물순환 모형과는 달리 인공계 물순환 요소를 고려하지 않으므로 간단한 물수지 분석을 통하여 인공계 물순환 구성요소 변화를 분석할 수 있다.
SWAT 모형으로 산출되는 물순환 구성요소와 물수 지 분석으로 물재이용에 따른 인공계 물순환 변화를 분 석하는 물순환 구성요소를 정리하면 Table 2와 같다.
인공계 물순환 요소의 유입항목은 상수, 지하수, 빗
물이용, 중수도 및 처리수재이용에 의하여 하수관거 로 유입되며, 하수관거로 유입된 오수와 합류식 관거 로 유입된 자연계 표면유출량인 우수 중 2Q는 물재생 센터로 유입되어 물재생센터의 방류량으로 공공수역 인 하천으로 배출된다.
3.2 자연계 물순환요소의 변화량 산정방법
자연계 물순환의 구성요소는 강우량, 증발산량, 표 면유출량, 중간유출량, 지하수함양량 및 지하수유출량 이다. 자연계 물순환의 6개 구성요소 중에서 표면유출 량은 빗물이용시설 빗물이용량 만큼 우천시 표면유출 량이 감소하게 된다. 표면유출량 중에서 일부는 차집 관거를 통하여 물재생센터로 유입되므로 인문계 영향 을 크게 받는다. 하수차집 및 빗물이용을 고려한 표면 유출량은 다음과 같이 산정한다.
Q'sf= Qsf-VRain Use-Qc
여기서,
Q'sf : 빗물이용 및 하수차집을 고려한 표면유출량 (m3/일) Qsf : SWAT 모형의 표면유출량 분석결과(m3/일) VRain Use : 빗물이용시설 저류량(m3)
Qc : 2010년 하수발생량 3배의 차집용량 기준에 의한 차집우수량(m3/일)
3.3 인공계 물순환 요소의 변화량 산정방법
인공계 물순환의 주요 구성요소는 상수와 지하수 등을 포함한 총물사용량과 하수발생량, 빗물이용시설, 중수도시설, 하수처리시설에 의한 물재이용량과 불명 수량, 물재생센터의 유입량 등이다.
2001년~2010년 10년간 서울관측소 기상자료를 SWAT 모형으로 모의한 일별 자연계 물순환 변화 모의결과 와 물수지 계산을 결합하여 인문계 물순환 요소의 일 변화를 산정한다.
3.3.1 총물사용량 산정
대상유역에서의 총물사용량은 상수와 지하수 뿐만 아니라 빗물, 중수도, 하수처리수와 같은 물재이용에 따른 물사용량을 포함하면 다음과 같이 산정된다.
QuseT= Quse+ QRain Use+ QWwRe Use+ QSTPRe Use
여기서,
QuseT : 유역(basin) 총 물사용량(m3/일) Quse : 상수와 지하수 사용량(m3/일) QRain Use : 빗물사용량(m3/일)
QWwRe Use : 중수도사용량(m3/일)
QSTPRe Use : 하수처리수재사용량(m3/일)
3.3.2 빗물이용량 산정
빗물이용량은 빗물이용시설에서 실질적으로 저장 된 빗물의 사용량이다. 빗물이용시설 용량에 대하여 서울시의 40년간 강우분석으로 도출된 독립강우 1회 시 평균 빗물저장율 0.234를 적용하여 산정한다.
3.3.3 중수도이용량 산정
중수도이용량은 중수도시설에서 실질적인 중수사 용량으로서, 서울시 중수도시설용량에 대한 평균가동 율인 0.423을 적용하여 산정한다.
3.3.4 하수처리수 재이용량 산정
하수처리수 재이용은 장내용수와 장외용수로 구 분된다. 장외용수 하수처리수 재이용 중에서 도로 청소용수는 전량이 청소용수로 사용되므로 청소에 따른 오수전환률을 적용하여 산정한다. 또한 기타 장외용수는 장외용수 중에서 도로물청소를 제외한 하수처리수 재이용량이며, 중수도와 물사용 용도가 유사하므로 동일한 오수전환율을 적용하여 산정한 다. 장내용수, 도로물청소량 및 기타장외용수로 구 분된 하수처리수 재이용량의 연속방정식은 다음과 같다.
QRe Use= QRe UseSTP+ QRe UseR+ QRe Useetc+ QRe Useriver
여기서,
QRe Use : 전체 하수처리수재이용량(m3/일)
QReUseSTP : 하수처리수재이용의 장내용수량(m3/일)
QRe UseR : 하수처리수재이용의 장외용수 중에서 도
로물청소량(m3/일)
QRe Useriver : 하수처리수재이용의 장외용수 중에서 하
천유지용수량(m3/일)
QRe Useetc : 장외용수 중에서 기타장외용수량(m3/일)
3.3.5 하수발생량 변화 산정
상수 및 지하수에 의한 하수발생량은 서울시 2010 년의 행정동 단위의 상수와 지하수 이용량을 연면적 단위로 분할하여 산정한다. 빗물이용, 중수도 및 하수 처리수재이용에 의한 하수가 상수 및 지하수에서 발 생되는 하수에 추가된다. 중수도의 하수는 재이용에 의하여 발생하지 않고, 오수전환율로 인하여 하수발 생량은 추가적으로 감소된다. 하수발생량의 연속방정 식은 다음과 같다.
QWw= Cuse× Quse+ CRain Use× QRain Use
+ (CWwRe Use-1) × QWwRe Use+ CRe UseR
× QRe UseR+ CRe Useetc× QRe Useetc
여기서,
QWw : 유역(basin) 내 하수발생량(m3/일) Quse : 상수와 지하수 사용량(m3/일) QRain Use : 빗물이용량(m3/일)
QRe UseR : 하수처리수재이용 장외용수량 중 도로물
청소량(m3/일)
QRe Useetc : 하수처리수재이용 중 도로물청소 제외 기타
장외용수량(m3/일)
QWwRe Use : 중수도에 의한 물재이용량(m3/일)
Qc : 2010년 하수발생량 3배의 차집용량 기준에 의한 차집우수량(m3/일)
Cuse, Rain Use, WwRe Use : 상수와 지하수, 빗물이용, 중수 도의 오수전환률
CRe UseR, CRe Useetc : 장외용수(도로물청소, 기타)의 오수 전환률
하수발생량을 산정할 때 상수 및 지하수의 물사용 량은 단위연면적당 1일 하수발생량을 적용하며, 물 재생센터 유입량을 최종적인 하수발생량으로 산정 한다.
Q'STPIN= QWw+ Qunknown1at+ Qunknowngw+ QC
여기서,
Q'STP : 인공계물순환을 고려한 물재생센터 유입량(m3/일) QC : 2010년 하수발생량 3배의 차집용량 기준에 의
한 차집우수량(m3/일)
3.3.6 불명수량 변화 산정
불명수량은 물재이용으로 변화되는 물순환 과정에 서 중간 및 지하수유출량 중에서 하수관거로 유입되 는 불명수량을 산정하는 것이다. 불명수발생률을 중 간유출량 및 지하수유출량에 대한 비율로서 산정한 다. 불명수발생량은 서울관측소의 강우발생일을 기준 으로 선행무강우일수를 고려하여 평상시 불명수량, 지하수유출량에 영향을 받는 불명수량, 중간유출량에 영향을 받는 불명수량은 다음과 같이 산정한다.
Qunknown= Qunknown1at+ Qunknowngw
여기서,
Qunknown : 평상시 불명수량(m3/일)
Qunknown1at : 평상시 불명수율(중간유출량 영향, m3/m3) Qunknowgw : 평상시 불명수율(지하수유출량 영향, m3/m3) Qunknowngw= Cunknowngw× Qgwa
여기서,
Qunknowngw : 지하수유출량에 영향을 받는 불명수량
(지하수유출 영향, m3/일)
Cunknowngw : 지하수유출량에 대한 불명수발생률(m3/m3)
Qunknown1at= Cunknown1at× Q1at
여기서,
Qunknown1at : 중간유출량에 영향을 받는 불명수량
(지하수유출 영향, m3/일)
Cunknown1at : 중간유출량에 대한 불명수발생률(m3/m3)
3.3.7 물재생센터 방류량 변화 산정
물재생센터의 방류량(Discharge of WWTP)은 미처 리하수를 포함한 총량으로 다음과 같이 산정한다.
Q'STPOUT= QWw+ Qunknown1at+ Qunknowngw+ Qc
-QRe UseR-QRe Useetc-(1- CReUseSTP) × QRe UseSTP
-1/CRe Useriver× QRe Useriver
여기서,
Q'STPOUT : 인공계물순환을 고려한 물재생터 방류량 (m3/일)
QRe Useriver : 하수처리수재이용 장외용수 하천유지
용수량(m3/일)
CRe Useriver : 하수처리수재이용 하천유지용수의 공급
효율
Table 3. Mediating variables related to SWAT water circulation and outflow analysis Item Mediating variable
Description Category Optimization
Crop.dat USLE_C 0.001~0.003 Cover coefficient for covering of the land
Ground ALPHA_BF 0.144 Constant for reduced water due to outflow from the base
Water GWQMN 0 Critical moisture content of shallow aquifers for base flow amount GWREVAP 0.155 REVAP coefficient for shallow aquifers
REVAPMN 11 Critical moisture content of shallow aquifers for infiltration
HRU CANMX 5 Maximum storage capacity of the canopy
General ESCO 0.25 Coefficient to compensate for evaporation from the soil ESCP 0.25 Plant uptake compensation factor.
EVPOT 0.7 Pothole evaporation coefficient Soil SOL_AWC 0 Effective moisture content of soil Management CN_2 36 SCS outflow curve index at AMC-II
3.4 물재이용에 따른 물순환변화 모형 최적화 3.4.1 SWAT 모형 매개변수 최적화
SWAT의 유출량 관련 매개변수는 유출, 토지이용, 토양 및 경사와 관련된다. 물순환 및 하천유출량 산정 을 위하여 이용된 SWAT의 물순환 및 유출분석 관련 매개변수는 다음 Table 3과 같다.
Jang(2004)은 SWAT 모형의 매개변수 민감도를 분 석하였다. 지표수 유출과 관련된 매개변수 중 GWQMN, ALPHA_BF, GWREVAP, REVAPMN의 민감도가 1등 급으로 매개변수에 대한 지표수 유출의 변화가 큰 것 으로 분석하였다.
3.4.2 매개변수 검․보정 결과
인문계 물순환은 일단위의 물수지 분석방법으로 분 석하였다. SWAT 모형에서 물순환 분석의 매개변수 는, 2004년에 서울시의 물순환을 모의한 SHER 모형 (Seoul Metropolitan Government, 2004)과 기타 물수지 분 석모형의 유출량 산정결과를 비교하여 최적화하였다.
물순환 관련 매개변수 검보정을 위한 측정자료 부 족으로 SWAT 모형 매개변수 검보정 결과를 SHER 모형과 가지야마, Tank, 비유량과 같은 기타모형의 모 의결과와 비교분석을 통하여 매개변수 최적화를 검정 하였다.
(1) SHER 모형 물순환 모의값
서울시 10년간 기상자료를 이용한 SHER 모형 모의
결과와 SWAT 모의결과를 비교하여 매개변수를 최적화 하였다. SWAT의 물순환 모의값을 빗물관리시설 설치 기본계획: Basic Plan for building Rainwater management facility (Seoul Metropolitan Government, 2012) SHER 모 형 물순환 모의값과 비교한 결과는 Fig. 4와 같다.
증발산량과 중간유출량은 기존 SHER 모형에 비하 여 적으며, 표면유출량과 지하수유출량은 많게 모의 되었다. 지하수유출량을 제외한 각 물순환 항목의 편 차는 10% 범위 이내로 매개변수를 검보정하였다. 지 하수유출량이 차지하는 비율은 크지 않다. 현재 서울 시에서 생활용수, 공업용수 및 농업용수로 이용되는 65,350m3/일의 지하수이용량은 서울시 면적 605.4km2 에 대하여 연간 39.4mm/년의 유출 또는 함양될 지하 수를 양수하여 이용하는 것이다.
Fig. 4. Comparison of simulations using SHER model and SWAT model for water circulation
SHER 모형은 함양된 지하수를 양수하여 이용하는 지하수이용량의 인문계 물순환을 고려하며, 기존 SWAT 모형은 인문계 물순환을 고려하지 않는다. 그러므로 지하수유출 또는 함양된 지하수를 양수하여 이용하는 것은 지하수유출량에 영향을 미치므로 지하수유출량 의 편차를 10% 이내로 검보정하는 것은 어렵다.
(2) 기타 모형 물순환 모의값
SWAT 모형의 유출량과 서울특별시 수도정비기본 계획(Ministry of Environment, 2007)에서 분석된 잠실 수중보 지점의 가지야마 공식, 탱크모형 및 비유량법 으로 산정한 연간유출량을 비교 검토한 결과는 Table 4 와 같다.
SWAT 모형과 가지야마공식, 탱크모형 및 비유량법 과의 유출량의 평균편차는 2.5%, 3.2% 및 –8.4%로서 SWAT 모형과 기타모형과의 편차는 10% 이내이다.
Table 4. Comparison of SWAT model and other models used for Jamsil Water Reservoir
Year Rainfall (mm)
Outflow(1 million m3/year) Kajiyama Tank Specific
discharge SWAT 2001 1,218.9 10,344 10,231 13,243 10,660 2002 1,104.5 15,180 15,044 17,481 15,540 2003 1,792.9 24,775 24,626 28,534 25,355 2004 1,337.0 19,874 19,754 20,290 2005 1,440.1 17,868 17,761 19,052 18,437 Source : Estimated annual outflow values for the Kajiyama equation, tank model, and specific discharge method referenced the 2007 Basic Plan for The Refinement of Water Treatment Facilities.
4. 물순환 변화 모의 및 비교 검토
4.1 일자료 모의결과 도시적 비교결과
서울시 물재생센터 유입유량 측정자료와 인문계 물 순환을 고려한 모의결과는 Fig. 5~Fig. 8과 같다.
물재생센터 유입유량 모의결과는 현재 물사용량을 이용한 원자료를 인문계 물순환 모의방법으로 산정한 결과로서 청천일 하수발생량 측정자료와 유사하게 모 의된다. 따라서, 인문계 물순환 모의방법이 현재 인문 계 물순환의 일변화를 유사하게 모의할 수 있는 것으 로 나타났다.
Fig. 5. Comparison of the daily measured changes in inflow and simulation values at Jungrang Sewage Treatment Plant
Fig. 6. Comparison of the measured inflow and simulation values at Tancheon Sewage Treatment Plant
Fig. 7. Comparison of the daily measured changes in inflow and simulation values at Seonam Sewage Treatment Plant
Fig. 8. Comparison of the daily measured changes in inflow and simulation values at Nanji Sewage Treatment Plant
4.2 누가유입유량 비교결과
서울시 최근 4년간 물재생센터의 누가유입량 측정 자료와 모의결과를 비교한 결과는 Fig. 9~Fig. 12에 나 타내었으며, 누가값을 정리한 결과는 Table 5와 같다.
Table 5. Errors in the simulated and measured accumulated values
Category
The amount of measured accumulated inflow at Sewage Treatment Plants
(million m3/4year)
Jungrang Tan cheon Seo nam Nanji Total Calculate
data 2,195 1,143 2,212 1,055 6,605 Gauge
data 1,934 1,211 2,370 1,077 6,592
Error 261 -68 -158 -22 13
Error
rate(%) 13.5 -5.6 -6.7 -2.0 0.2
Fig. 9. Comparison of measured accumulated inflow and simulation values at Jungrang Sewage Treatment Plant
Fig. 10. Comparison of measured accumulated inflow and simulation values at Tancheon Sewage Treatment Plant
Fig. 11. Comparison of measured accumulated inflow and simulation values at Seonam Water Regeneration Plant
Fig. 12. Comparison of measured accumulated inflow and simulation values at Nanji Sewage Treatment Plant 4개 물재생센터의 오차는 –6.7~13.5%로 최대한 10%
이내의 오차율을 나타내도록 매개변수 검보정을 실시 하였다. 물재생센터에서의 4년간 누가유입량 모의값 은 6,605백만m3/4년이고 측정값은 6,592백만m3/4년으 로 오차는 0.2%인 13백만m3/4년이다.
5. 물재이용의 물순환 변화 결과
5.1 물사용량 변화
서울시의 현재의 물재이용을 50.44백만m3/년에서 8.18백만m3/년을 증가시킬 경우의 물사용량 변화는 Table 6과 같다.
Table 6. Changes in the amount of water used when water was reused
Category
Changes in the amount of water used (million m3/year) 2010year
(Baseline year)
2020year (Target year)
Amount of water
re-use
rain water
used 0.39 1.05(▲0.65)
Wastewater Reclamation and Reusing
System
2.78 4.66(▲1.88)
amount of treated wastewater
reused
47.27 52.91(▲5.65)
Amount of water reuse 50.44 58.62(▲8.18) Water supply demand 1,120.29 1,116.90(▼3.39)
Outflow of
underground water 39.25 39.25
underground water 23.85 23.85 The amount of water
used in Seoul (Exclude stream maintenance water
demand)
1,233.83 1,238.62(▲4.78)
물재이용에 의해 도시의 여건변화에 따라 증가되는 상수사용량은 물재이용계획으로 대체할 수 있다.
5.2 물순환 요소의 변화 5.2.1 물순환 변화량
서울시 중랑천, 탄천, 안양천, 홍제천 및 한강 유역 의 공공수역으로 직접 배출되는 인공계 표면유출량, 하수발생량 및 처리수방류량은 Table 7과 같다.
물재이용에 따라서 2020년의 표면유출량, 하수발생 량 및 처리수방류량은 2010년에 비하여 0.5%, 0.6%, 0.9% 감소하게 된다.
Table 7. Changes in the components of water circulation within the human civilization system
the components of water circulation
the components of water circulation within the human civilization
system(million㎥/year) 2010year 2020year surface flow 271.76 270.45(▼1.31)
sewage 1,691.51 1,681.66(▼9.85) Discharge of
WWTP(wastewater
treat plant) 1690.57 1,675.07(▼15.50)
5.2.2 물순환 요소 변화량 (1) 표면유출량 변화
물재이용에 의한 표면유출량 변화는 Fig. 13과 같다.
표면유출량은 2020년에 물재이용량을 8.18백만m3/년 증가시키면, 2020년 우수차집량의 감소로 인하여 표면유 출량은 2010년과 비교하여 0.1%인 0.18백만m3/년 증가한다.
Fig. 13. Secular changes in surface flow due to water reuse
(2) 하수발생량 변화
물재이용에 따라 변화되는 하수발생량은 Fig. 14와 같다.
Fig. 14. Secular changes in sewer discharge due to water reuse
하수발생량은 2020년에 물재이용량이 8.18백만m3/년 증가함에 따라서 2010년 하수발생량 1,691.51백만m3/년 과 비교하여 0.6%가 감소한다.
(3) 물재생센터 방류량 변화
물재이용 변화에 따른 처리수방류량 변화는 Fig. 15와 같다.
Fig. 15. Secular changes of the discharge of wastewater treatment plants responding to water reuse 물재생센터에서의 처리수배출량은 2020년 물재 이용량이 8.18백만㎥/년 증가함에 따라서 2010년 하수발생량 1,690.57백만㎥/년과 비교하여 0.9% 감 소한다.
5.2.3 물재이용의 물순환 영향 분석결과
물재이용량 1m3/년에 따른 물순환 요소의 변화량은 Fig. 16과 같다.
Fig. 16. Decreases in the components of water circulation due to water reuse
도시지역은 물재이용량 증가에 따라 표면유출 량, 하수발생량 및 물재생센터방류량은 지속적으 로 감소하게 된다. 물재이용 저감량과 표면유출량 및 하수발생량의 결정계수는 0.9164, 0.9892이며, 물재이용 저감량과 물재생센터 방류량의 결정계수 는 0.9988로서 물재이용량의 증가에 의해 표면유출 량, 하수발생량 및 물재생센터 방류량은 선형적으 로 감소한다.
6. 결 론
물재이용이 물순환 변화에 미치는 영향을 분석하기 위하여, SWAT 모형의 자연계 물순환 모의 기능과 물수 지분석을 연계하여 인공계 물순환 요소를 모의하였다.
SWAT과 물수지분석 연계 모의를 통하여 인문계 물순환 변화를 모의한 결과는 다음과 같다.
1) 인문계 물순환 모의방법의 매개변수의 최적화를 위하여 물재생센터 유입량 측정자료를 이용하였다.
도시분석결과 물재생센터 유입량의 측정자료와 모의 자료의 일변화는 유사한 것으로 나타났다. 모의 및 측 정자료 누가값의 오차율은 –2.0~13.5%이지만, 서울시 전체는 0.2%에 불과하다.
2) 물재생센터 유입량 일변화 및 누가측정자료와 유사한 값을 모의함으로써 인문계 물순환 모의방법이 인문계 물순환의 일변화 및 총량을 잘 모의할 수 있 는 것으로 나타났다.
3) 도시지역에서 물재이용량을 증가시키게 되면 표 면유출량, 하수발생량 및 물재생센터방류량이 감소시 키는 방향으로 물순환이 변화된다.
본 연구에서 적용한 SWAT모형과 물수지분석를 연 계는 청천일을 대상으로 하는 물재이용에 따른 물순 환 변화를 분석하기 위한 모형으로 적용될 수 있을 것이다. 또한 물재이용에 따른 물순환 변화를 예측하 고 물재이용량을 결정하는 방법으로 용될 수 있다. 그 러나 SWAT 모형을 이용하고, 일별 도시유역 내 물수 지 분석을 통하여 일평균 하수발생량의 변화를 분석 하였으므로 단기 강우사상에 의한 급격한 인문계 유 출량 변화는 고려되지 못하였다. 따라서, 강우시 시강 우 또는 분단위 모의를 통한 인문계 물순환의 정밀도 를 높일 필요성이 있다.
References
Jang, D. W. 2004, Simulation of Daily Stream flows by SWAT Based on GIS, Inha university.
Kim, J. G., K. H. Son and J. W., Noh, 2006, Evaluation of Urbanization Effect and Analysis of Hydrological Characteristics in the Gap River Catchment using SWAT, Journal of Korea Water Resources Association, no.171, pp.881 – 890.
Kim, H. J., C. H. Jang, and S. J. Noh, 2012, Development and Application of the Catchment Hydrologic Cycle Assessment Tool Considering Urbanization (I) -Model Development-, Journal of Korea Water Resources Association v.45 no. 2, pp. 203-215
Ministry of Environment, 2001, Basic Plan for the Use of Water Resources, Seoul Metropolitan Government.
Ministry of Environment, 2006, Comprehensive Plan for Long Term Management of Water Resources. Ministry of Land, Infrastructure and Transport.
Ministry of Environment, 2007, Basic Plan for The Refinement of Water Treatment Facilities, Ministry of Land, Infrastructure
and Transport.
Seoul Metropolitan Government, 2004, Studying Basic Plan for water circulation in Seoul, Seoul Metropolitan Government
Seoul Metropolitan Government, 2012, Basic Plan for building Rainwater management facility in Seoul, Seoul Metropolitan Government
Seoul Metropolitan Government, 2013, Basic Plan for the Re-use of Water Resources in Seoul, Seoul Metropolitan Government.
Jinhong Jung, Hyunje Oh, 2010, Development of Water Cycle Network System in U-Eco City, Korean Society Of Civil Engineers Magazine, v.58 no.12, pp.38-44
Jinho Park, Yonggon Lee, 2012, A Study on the Application of the Sustainable Environmental System for Gyeongnam Province –Water Resources Security by Establishing of Water Cycling System-, Gyeongnam Development Institute Mann, J. G., & Liu, Y. A. 1999. Industrial water reuse and
wastewater minimization. McGraw Hill; New York:
McGraw Hill, 1999.
