Issue
물 순환 개선시설 설계 및 계획 수립을 03
위한 의사결정 지원시스템
1. 서론
도시화로 인한 불투수율의 증가와 빈번하게 발생 하고 있는 이상 기온과 극심한 가뭄 및 홍수와 같은
기후변화로 인해 물 순환은 크게 위협받고 있다. 이 러한 현상은 예측이 어려워서 관련 피해에 대한 정 확한 교체가 거의 불가능하다. 특히 도시 지역은 인 구밀도가 높고 중요시설이 모여 있어서 재해에 대해 매우 취약한 상황이다. 따라서 선진국에서는 기후변 화로 인해 발생할 수 있는 도시 지역의 재해를 대비 하기 위해 개발 이전 상태의 물 순환으로 최대한 복 원하려는 시도가 지속적으로 이루어지고 있다. 이러 한 개념이 저영향개발(low impact development, 이하 LID) 대책으로 다양한 측면에서 관련기술이 개 발되고 있다. 미국의 환경보호청(Environmental Protection Agency, 이하 EPA)은 오래 전부터 도 시유역에 집중적으로 사용되고 있는 Storm Water Management Model(이하 SWMM)을 개발하고 있 다. 2009년에 출시된 버전5에는 이러한 LID 시설을 수문학적으로 분석할 수 있는 도구를 포함하고 있 다. 미국 EPA는 현재까지도 지속적으로 보완하고 있지만 지역마다 다르게 나타나는 LID 시설의 효과 를 고려하여 적절한 LID 시설의 설계 및 계획을 효 율적으로 수립할 수 있는 도구는 전혀 포함하고 있 지 않다. 따라서 본 글에서는 국토교통부의 「첨단기 술 기반 하천 운영 및 관리 선진화 연구단」의 연구지 원을 받아 개발된 LID 시설에 대한 적절한 설계안 및 계획안의 도출을 지원해 줄 수 있는 시스템을 소 개하고자 한다.
송 재 열
서울과학기술대학교 건설시스템공학과 연구원 sjyeol84@naver.com
정 은 성
서울과학기술 대학교 부교수 eschung@seoultech.ac.kr
이 상 호
부경대학교 토목공학과 교수 peterlee@pknu.ac.kr
정 태 훈
부경대학교 토목공학과 박사 수료 justin_0607@daum.net
2. SWMM 모형의 소개
SWMM 모형은 도시지역에서 유출의 수량 및 수 질에 대하여 단일 사상 또는 장기 연속유출모의가 가능한 프로그램으로, 1971년에 최초로 개발되었고 현재까지 꾸준히 개선되고 있다. SWMM 모형은 각 소유역에 입력된 강수량을 통해 유량과 오염 물질 부하량을 모의하며, SWMM의 설계 내용에 따라 관 망, 수로, 저장 및 처리 장치, 펌프, 조절장치 등을 포함한 복잡한 물 순환 시스템에 대한 분석도 가능 하다. 따라서 시뮬레이션 기간 동안에 각 관망과 수 로에서의 유출량, 유속, 수심 등의 수량인지와 다양 한 수질인자에 대한 농도 등을 모의 할 수 있도록 구 성되어 있다. 특히, SWMM 모형은 개발전 자연유역 에서 개발후 도시유역에 대한 개발 전/후 홍수량을 비교할 수 있는 기능도 포함하고 있다. 또한, 2009
년에 출시된 SWMM5 버전에서는 다양한 LID 시설 에 대한 수문학적 모의가 가능하도록 개선되었는데 LID 시설의 저장 및 저류, 침투 등의 기능을 포함한 유출량 모의가 가능하다. 2016년 9월에도 LID 관련 버그 및 LID 관련 설계요소의 추가, 프로그램의 내 부 오류 등을 개선한 새로운 버전 v5.1.011이 공개되 어 현재 자유롭게 다운로드가 가능한 상태이다.
(http://www2.epa.gov/water-research/
storm-water-management-model-swmm)
3. 연구성과 소개
3.1 토지이용변화에 대한 민감도 분석 도구 토지이용변화에 대한 민감도 분석 도구(Land Use
그림 1. LUSM의 불투수율 변화에 따른 총유량 및 첨두유량 변화량 결과(6단계) 화면
Sensitivity Module, 이하 LUSM)는 중소유역의 토 지이용과 관련된 물리적 변수 시나리오를 사용자가 정의하면 자동으로 SWMM의 입력파일을 생성하여 분석한 뒤 수문학적 분석 결과를 보여주는 의사결정 지원시스템이다(그림 1). LUSM은 토지이용이 변화 되기 전과 변화된 후의 총유량과 첨두유량 등의 값 을 보여주는데 이러한 민감도에 따라 어느 소유역 이 우선적으로 물 순환 개선 시설의 설치가 필요한 지 찾아주는 것을 지원해주는 프로그램이다. LUSM 은 2013년도에 설치형 프로그램으로 개발이 되었으 나, 2016년에 편이성을 증대시키기 위해 Python 프 로그램을 이용하여 웹기반 프로그램으로 개선되었 다(http://dev.cedar.kr:4997).
LUSM은 총 6단계의 과정을 통해 진행되며, 1단 계에서는 SMWM의 입력 파일을 불러오고, 2단계에
서는 불러온 SWMM 입력 파일에 구축 되어있는 유 역 중 분석을 하고자하는 대상 소유역들을 선택한 다. 3단계에서는 선택된 대상유역들의 불투수율 변 화량 시나리오를 입력하고, 4단계에서는 생성될 시 나리오를 확인할 수 있다. 이때 복수의 소유역에 대 한 다수의 시나리오를 입력하므로 동시에 분석해야 하는 시나리오의 수가 매우 많아질 수 있다. 5단계 에서는 LUSM에서 자동으로 SWMM의 입력파일을 생성하고 모의하여 총유량 및 첨두유량 결과를 표로 제시하고 사용자가 결과를 확인 할 수 있도록 구성 되어 있으며, 6단계에서는 총유량 및 첨두유량의 변 화율에 따라 선택된 소유역의 관리 우선순위를 도출 하며, 표와 그래프를 통해 사용자가 쉽게 결과를 확 인 할 수 있도록 도와준다.
그림 2. WMAM의 물 순환 개선시설의 설계 매개변수에 대한 다중시나리오 분석 결과(7단계) 화면
3.2 물 순환 개선시설 효과 분석 도구
물 순환 개선시설 분석 도구(Water Management Analysis Module, 이하 WMAM)는 SWMM 모형 의 입력파일을 대상으로 물 순환 개선시설에 대한 다수의 설계 및 계획 관련 매개변수에 대한 다중 시 나리오 분석을 통해 수문학적 측면에서 효과적인 값 의 조합을 도출할 수 있도록 2015년에 개발되었다 (http://dev.cedar.kr:5003, 그림 2). 특히 간편한 GUI를 제공하고 있어서 사용자가 손쉽게 배워서 사 용할 수 있으며 많은 시나리오를 간편한 조작으로 정의하여 모든 입력파일을 자동으로 생성하고 모의 한 뒤 결과를 분석하므로 사용자의 시간과 노력을 크게 절약할 수 있는 장점을 갖고 있다(song et al., 2016). 식생체류장치(bio-retention cell), 빗물정 원(rain garden), 옥상녹화(green roof), 침투트 렌치(infiltration trench), 투수성포장(permeable pavement), 빗물통(rain barrel) 등 총 6가지 물 순 환 개선시설(그림 3)에 대한 분석이 가능하며, 각각
물 순환 개선시설의 설계 및 계획 매개변수에 대한 민감도 분석 결과와 다중 시나리오 분석 결과를 표 와 그래프 형태로 확인이 가능하다.
WMAM은 다양한 물 순환 개선시설의 설계 매개 변수에 대한 민감도 분석을 통해 SWMM 결과에 크 게 영향을 미치는 민감한 설계 매개변수를 찾도록 도 와주며, 다중시나리오 분석을 통해 수문학적 측면에 서 가장 효과적인 시나리오를 얻을 수 있게 도와준 다. 또한, 민감도 분석과 설계 및 계획 매개변수에 대 한 다중 시나리오 분석 결과를 그림과 표로 제시해 주기 때문에 다양한 형태로 결과를 확인 할 수 있다.
WMAM은 저장 기능을 포함하고 있어서 작업했던 내용을 불러오는 것이 가능하고, 다중시나리오 분석 으로 모의된 각 시나리오의 SWMM모형 입력파일 및 출력파일의 다운이 가능하다(Ahmed et al., 2015).
WMAM은 총 10단계의 절차로 진행이 되는데, 1, 2단계에서는 이미 대상유역에 대해 구축된SWMM, 모형의 입력파일을 불러오고, 대상유역의 선택 및 물 순환 개선 시설의 종류를 선택한다. 3, 4단계에 그림 3. WMAM에서 모의 가능한 물 순환개선 시설의 종류
서는 선택된 물 순환 개선 시설의 설계 매개변수들 을 대상으로 민감도 분석을 수행하여 수문학적 효과 에 영향이 큰 설계 매개변수를 도출한다. 5~7단계 에서는 물 순환 개선 시설의 설계 매개변수를 대상 으로 다양한 조합의 시나리오 생성하고 분석한 후 수문학적 측면에서 효과적인 시나리오를 도출하며, 8~10단계에서는 도출한 설계 시나리오 중에서 하나 를 선택하여 물 순환 개선 시설의 계획을 수립하기 위해 계획 매개변수들에 대해 민감도 분석을 수행한 다. 또한 다양한 계획 매개변수들이 조합된 시나리 오를 생성하고 분석한 후 수문학적 측면에서 가장 효과적인 시나리오를 도출한다. WMAM은 수문학 적인 분석 결과를 토대로 LID 시설의 효과적인 설계 및 계획안을 도출하는 기능을 수행하고 있으나 향후 경제성 분석 기능이 추가될 경우 효율성은 더 높아
질 것으로 기대된다.
3.3 물 순환 개선 시설의 우선순위 결정도구
물 순환 개선 시설의 우선순위 결정도구(Water Management Prioritization Module, WMPM)는 SWMM 모형을 기반으로 물 순환 개선시설의 계획 과 관련하여 시나리오를 생성하고 효과적인 복원 계획의 수립을 위한 다양한 시나리오들의 우선순위 를 결정해주는 의사결정 지원시스템이다(그림 4).
WMAM은 단일 소유역 및 단일 물 순환 개선시설 의 설계 및 계획을 수립할 수 있도록 개발되었지만 WMPM은 다수의 소유역 및 다수의 물 순한 개선시 설에 대한 상대적 비교를 통한 우선순위를 결정할 수 있도록 개발되었다. WMPM도 웹 기반 프로그램
그림 4. WMPM의 유량측면 효과분석 결과 단계(7단계) 화면
으로, 설치를 따로 할 필요가 없으며, 사용자가 쉽게 배우고 이용할 수 있는 장점이 있다. 무엇보다도 반 복적으로 수행해야하는 많은 양의 모의를 짧은 시간 동안에 빠르게 수행한다는 장점이 있다. WMPM과 WMAM은 각각 독립적으로 사용할 수 있을 뿐만 아 니라, WMAM에서 효과가 우수한 것으로 드러난 시 설의 설계 및 계획안을 WMPM의 대상 소유역들에 게 적용하여 소유역과 대상 시설이 다른 물 순환 복 원계획들의 우선순위를 확인할 수 있다. WMPM은 다중 유역에 대한 물 순환 개선시설의 효과 분석을 빠르게 수행하여 우선순위를 제시하므로 이해관계 가 복잡할 수 있는 지역간 충돌을 해결하는데 효과 적으로 사용될 수 있다.
WMPM은 웹사이트(http://dev.cedar.kr:5001) 를 통해 쉽게 접근할 수 있으며, 사용자가 선택한 소 유역 및 물 순환 개선시설을 대상으로 시나리오 생 성 및 자동 SWMM모의를 통한 다중 시나리오 분석 을 수행한다. WMPM은 시나리오별로 물 순환 개선 시설의 설치 전과 설치 후의 총유량 및 첨두유량의 결과를 분석하며, 총유량 및 첨두유량의 증감률 분 석을 통해 효과가 가장 큰 순서대로 우선순위를 도 출한다. 또한, 모의된 모든 SWMM 입력파일 및 출 력파일의 다운로드가 가능하도록 만들었다.
WMPM은 8단계로 구성되어 있는데 1단계에서 는 대상유역에 대해 이미 구축된 SWMM 모형의 입 력파일을 선택하고, 2단계에서는 WMAM의 모의 에 활용된 파일을 선택함으로써 물 순환 개선시설 을 선택한다. 3단계에서는 2단계에서 선택한 물 순 환 개선시설의 설계 매개변수를 확인하고, 4단계 에서는 2단계에서 선택한 물 순환 개선 시설의 계 획 매개변수를 확인한다. 5단계에서는 1단계에서 선 택한 SWMM의 입력파일을 대상으로 2단계에서 선 택한 물 순환 개선시설을 적용할 대상 소유역을 선 택한다. 6단계에서는 5단계에서 선택한 대상 소유 역과 2단계에서 선택한 물 순환 개선시설을 조합하 여 분석 대상 시나리오를 구성하고, 동시에 SWMM 의 모의를 수행한다. 7단계에서는 구성된 시나리오
에 대하여 총유량과 첨두유량을 계산하여 물 순환 개선시설의 계획 전/후에 대한 변화율을 비교한다.
8단계에서는 7단계에서 계산된 변화율을 바탕으로 수문학적으로 효율이 좋은 순서대로 시나리오의 우 선순위를 제시한다. 9단계는 모의 과정을 저장하고 SWMM 모형의 파일을 다운로드 받을 수 있도록 구 성되어있다. 물 순환 개선 계획의 우선순위는 수문 학적 효율뿐만 아니라 사회적 상황 및 수요 등의 요 인도 매우 중요하므로 이를 추가로 고려할 경우 효 율성이 더 커질것으로 예상된다.
4. 결론
Python 언어을 이용하여 개발한 웹기반 의사결 정 지원시스템, LUSM, WMAM, WMPM은 EPA에 서 개발하고 있는 SWMM 모형의 LID 분석 기능을 효과적으로 활용하기 위해 개발되었다. 근래 도시화 및 기후변화로 인한 부정적인 영향을 최소화하기 위 해 개발 이전 상태로의 물 순환 복원을 위한 개선시 설의 계획을 과학적으로 수립하는데 도움을 주는 기 능이 있다.
LUSM은 물 순환 개선시설을 계획 할 때, 각 지역 에서의 불투수율 면적의 변화에 따른 민감도를 확인 하게 하여 어떤 지역이 도시화에 대해 부정적인 영 향이 큰지를 보여준다. WMAM은 하나의 대상 유역 에 대해 물 순환 개선시설을 도입할 경우 수문학적 으로 적절한 설계안 및 계획안을 도출할 수 있도록 안내하는 기능을 수행하다. WMPM은 물 순환 개선 시설이 어느 지역에 설치될 경우 수문학적으로 보다 효율적인지 우선순위를 과학적으로 제시해주는 기 능을 수행한다. 이와 같이 세 개의 프로그램은 각각 유용한 기능을 갖고 있으며 지속가능한 물 순환 계 획을 수립하기 위해 함께 사용될 수도 있다.
현재 개발된 프로그램들은 2013년-2016년에 다 수의 국내외 프로그램 교육회 및 시연회를 실시하 였으며 향후에도 지속적으로 개최하여 사용자들
의 다양한 의견을 반영할 계획이다(그림 5). 이러 한 과정을 통해 이미 구축된 교육 자료는 유투브 및 Shareslide 웹사이트를 통해 이미 공개되어 있으며 향후 지속적으로 업데이트 할 예정이다. 더 나아가
글로벌 유저들과 지역별 적용사례를 공유하고 함께 논문으로 출간하기 위한 노력이 진행 중에 있으며 향후에도 계속할 예정이다.
그림 5. 국내외 프로그램 교육 및 시연회
(a) 2016년 4월 국내 교육 및 시연회 (b) 2016년 8월 국외 교육 및 시연회
감사의 글
본 연구는 국토교통부 물관리연구사업의 연구비 지원(11기술혁신C06)에 의해 수행되었습니다.
참고문헌
J.Y. Song, E.-S. Chung, S.-H. Kim, and S.-H. Lee (2016), “Introduction of decision support system for design of LID based on SWMM5.1: A case study in Korea” Engineering Challenges for Sustainable Future, p: 317-321, CRC Press.
