RUNOFF 블록

RUNOFF 블럭은 SWMM 모형내에서 초기연산이 수행되는 부분으로 강우사상에 대 해 배수유역에서의 유출현상과 수면변화를 모의하여 SWMM 모형내 다른 부(部) 블럭 들의 기초자료로 사용되는 수문곡선과 오염도곡선을 제공한다.

RUNOFF 블럭의 가장 중요한 기능은 선정된 시간과 위치에서 다른 블럭의 실행에 필요한 자료(유입수문곡선, 오염도곡선 등)를 제공하는데 있다. 따라서, RUNOFF 블럭 은 배수유역을 단순화된 배수유역과 관망으로 재구성하여 해석한다.

가. RUNOFF 블럭의 구성

RUNOFF 블럭은 35개의 부 프로그램으로 이루어져 있으며 기본적인 구성은 다음과 같다.

1) RHYDRO - 강우, 유역특성, 배수관망 자료 등의 입력자료 처리 2) QHYDRO - 수질자료를 처리

3) HYDRO - 주 연산블럭으로 각 배수구간 유출량과 오염물질을 계산 4) HCURVE - 수문곡선과 오염도곡선을 출력

5) PRPOLL - 수질자료를 출력 6) PRFLOW - 유출량자료를 출력

나. 소유역의 특성 인자

Ponce(1989)에 의하면 소유역의 특성은 다음과 같이 5가지로 분류될 수 있으며, 유역 분할시 고려해야 할 특성과, SWMM 모형상에서 분할된 소유역의 물리적인 특성은 다 음과 같다.

구 분 특 성

소유역

강우는 시간에 따라 균등하게 분포한다.

강우는 공간적으로 균등하게 분포한다.

강우지속기간은 도달시간을 초과한다.

유출은 주로 지표면유출로 구성된다.

수로내 저류의 영향은 무시된다.

분할된 소유역

각 소유역은 유사한 지표면특성을 갖는다.

지표면 흐름이 집수로에 유입할 때 수직한 방향으로 유입한다.

유출은 집수로에 유입되며 다른 유역으로 흐르지 않는다.

지표면 유로의 길이는 지표면 흐름이 집수로와 만나는 길이다.

표 3.3 SWMM 모형의 소유역 특성인자

1) 유역 면적

소유역은 지형도, 항공사진 등을 이용하여 분리된 균등한 경사, 균질한 토양 등의 일 정한 특성을 지닌 배수구역으로 볼 수 있다. 소유역 면적에 대한 상한, 하한의 크기는 제한되어 있지 않으나, 측정된 유출체적이 측정된 강우체적을 초과할 경우 주의 깊게 검토되어야 하는 요소이다.

2) 유역 폭

지표면유출은 직사각형 집수유역 수로에 대해 수직하게 흐르는 것으로 가정한다. 여 기서 유역의 폭이란 지표면의 물리적인 폭을 나타낸다. 그러나, 실제의 유역은 대칭적 이며 균등한 특성을 지닌 직사각형의 형태로 나타낼 수 없으므로 자연상태에 있는 유 역의 폭을 결정하는 일반적인 방법이 필요하다. 유역의 경사와 조도계수가 결정되면, 유역의 폭을 조절함으로서 유출수문곡선의 형태를 변화시킬 수 있으므로 유역폭의 결 정은 중요하다.

유출에 있어서 유역의 폭이 증가하면 유출은 보다 신속하게 평형상태에 도달하게 되며, 지면저류량을 감소시키게 된다. RUNOFF 블럭에서는 배수유역이 불규칙하고, 수

로가 배수유역의 중심부에 위치하지 않을 경우에는 무차원 왜곡도계수를 이용하여 직 사각형 형태의 유역으로 유역 폭은 보정한 후 유출을 계산한다.

가상의 배수유역에서 왜곡도 계수는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

S_k= (A₂-A₁)

A (3.1) 여기서, 는 왜곡도계수, 은 분할된 유역의 한쪽 면적, 는 유역의 다른 한쪽 면적, 는 유역전체의 면적^__를 나타낸다.

   _⋅ (3.2)

여기서, 는 유역폭, 은 주 배수로의 길이이며, ⋅이다.

유역 폭에 따라 유출특성이 변화하며 유역 폭이 결정된 후에는 조도계수와 경사를 이용하여 유역의 유출특성을 보정한다.

3) 불투수 면적

분할된 소유역에서 불투수율은 항공사진과 토지이용도를 이용하여 정확하게 측정될 수 있는 요소이다. 실제로, 이러한 작업은 지루하며, 시간의 소모가 많으므로 유역에서 몇 개의 대표 유역을 선정하여 세밀하게 측정한 후 나머지 유역을 외삽법으로 보간하 는 방법이 일반적으로 사용된다. SWMM 모형에서 주의해야 할 점은 불투수유역은 수 리학적으로 배수시스템에 직접 연결된 유역만을 고려해야 한다는 것이다.

4) 지면 경사

소유역에서의 경사는 표면유출 유로를 따라 상류유역 끝에서 하류 유출부까지의 평 균길이를 사용한다. 유역의 형태가 단순한 경우의 경사는 표고차를 유로 길이로 나눈 값이 된다. 그러나, 유역의 형태가 복잡한 경우에는 계산을 단순하게 하기 위해 여러 표면유출 유로를 생략하고 생략된 유로 길이를 가중값으로 사용하여 전체유역의 경사 값을 결정한다.

5) 조도계수

지표면의 상태는 변화가 다양함으로 수로에서와 같이 일반적인 Manning 조도계수 값이 설정되어 있지 않다. 대상유역의 지표면의 ^값은 수심, 유량 또는 Reynolds 수에 의해 영향을 받는다. 소유역을 합성할 경우 조도계수는 다음 식 (3.3)과 같이 조화평균 을 사용하여 합성된 값을 사용한다.



 _

  _

   

(3.3)

식 (3.3)에서 는 불투수 유역에 대한 면적비, _는 불투수유역 조도계수, _는 투 수유역에 대한 조도계수이다. Kinematic wave공식에 있어서 토지이용 및 표면상태에 따른 조도계수 값은 표 3.4 및 표 3.5와 같다.

토지이용 조도계수

상업지구 0.015 ∼ 0.030

준 상업지구 0.020 ∼ 0.035

고밀도 주거지역 0.025 ∼ 0.040

저밀도 주거지역 0.030 ∼ 0.055

공원 0.040 ∼ 0.080

표 3.4 Kinematic wave공식의 토지이용에 따른 조도계수 값

표 면 상 태 조도계수 표 면 상 태 조도계수 아스팔트포장지역 0.012 경작지가 없으며,

수목이 정렬되어 있는 지역 0.030 콘크리트포장지역 0.014 경작지가 있고,

수목이 정렬되어 있는 지역 0.040

평 지 0.020 목 초 지 0.040

기복이 심한 평지 0.030 조밀한 잔디 0.060

수 림 0.020 관목과 덤불 0.080

잔 디 0.030

표 3.5 Kinematic wave공식의 표면상태에 따른 조도계수 값

6) 지표면저류

투수유역과 불투수유역의 지면에 충분하게 지면저류가 되기 이전에는 지표면유출이 발생하지 않는다고 가정한다. RUNOFF 블럭에서는 투수유역에 지면 저류된 물은 침 투와 증발로 인해 손실되고, 불투수유역에서는 오로지 증발에 의해서만 손실이 발생한 다고 본다. SWMM에서 평균 지표면저류 깊이는 다음의 식 (3.4)와 같이 표현하였다.

평균 지면저류 깊이 = ⋅_    ⋅_ (3.4)

식 (3.4)에서 ^는 불투수 지역의 면적비, ^는 불투수유역의 지표면저류 깊이(mm),

_는 투수유역의 지표면저류 깊이(mm)를 나타낸다.

SWMM 모형내에서 지면저류는 유출체적을 보정하기 위한 검증인자로 사용되며, 지 면저류 값은 여러 강우사상의 강우량에 대한 유출체적(수심)을 나타내므로 불투수 유 역에 대한 강우유출자료에서 얻을 수 있다. 유출이 일어나지 않을 경우 강우의 손실, 차단은 지면저류된 것으로 본다.

토양의 표면상태 저 류 깊 이

불투수유역

포장된 유역 0.13 ∼ 0.40

지 붕 수평 0.25 ∼ 0.80

경사 0.13 ∼ 0.25

투수유역 잔 디 0.50 ∼ 1.25

수 림 0.50 ∼ 1.50 표 3.6 표면굴곡으로 인한 저류깊이(표면저류량)

다. 유역의 분할과 합성 1) 유역의 분할

유역의 유출특성을 계산하기 위해서는 먼저 배수유역에 대한 경계를 정한 후 유역 전체를 소유역으로 분할하고, 지표흐름과 수로/관로 흐름으로 분리하게 된다. 유역의 분할은 물리적인 배수시스템을 수치적으로 수식화하는 과정으로 볼 수 있다.

SWMM 모형 개발 초기에 소유역은 균등한 유역특성(경사, 조도 등)을 갖는 직사각 형으로, 유역의 형태는 면적, 유역폭, 경사 등의 요소로 설정되었다.

지표면의 형태는 저류깊이, 조도계수, Horton의 침투계수 등으로 구성된다. 소유역은 같은 크기로 구성될 필요는 없으며, 불규칙한 형태의 유역은 평균폭 등을 사용하여 등 가의 사각형으로 근사된다.

유역은 먼저 항공사진 또는, 지형도를 이용하여 배수구역의 경계를 설정하고, 배수구 역도로 유역의 관로 형태와 설치 위치 등을 구성한 후, 지적도와 토양도 등으로 소유 역의 토지 이용 상황과 토양의 특성, 행정구역 등의 자료를 기초로 유역을 분할하게 된다.

2) 유역의 합성

전체 배수유역은 여러 개의 소유역으로 분리되거나, 합성될 수 있으며, 배수유역 출 구에서의 수문곡선과 오염도곡선만을 고려하는 경우, 유역을 분할하지 않고 하나의 유 역으로 계산하여도 충분하다.

단일 강우사상에 대해 필요한 소유역의 수는 수리학적으로 고려되는 즉, 모델화 되는 성분들(배수, 월류, 추적, 저류 등)의 함수로 볼 수 있다. 유역의 입력자료의 양은 유역 의 수가 줄어들면 감소하게 된다. 그러나, 유역의 수를 줄일 경우에 문제가 되는 것은 단순하게 유역의 수를 줄이는 것이 아니라 유역을 세분화하여 시뮬레이션한 수문곡선 과 오염도곡선의 값과 같은 정도의 값을 계산하도록 조정하며 줄여야 한다는데 있다.

유역의 폭을 알맞게 보정하면 여러 소유역을 합성된 하나의 등가 소유역으로 구성할 수 있으며, 소유역을 합성할 경우에는 유역을 합성함으로써 손실되는 저류량을 보정하 는 것이 중요하다. RUNOFF에서는 유역의 폭을 변화시킴으로 합성된 유역에서의 유 출특성을 보정하며, 유역의 조도계수, 경사 등을 변화시켜도 같은 결과를 얻을 수 있 다. 여기서, 조도계수와 경사는 합성시에 조화평균을 이용하여 계산하게 되므로 실제 유역 합성시 보정되어야 하는 인자는 유역폭이다.

유역내에서 유출을 고려할 경우 유역의 폭이 감소하면 도달시간이 길어져 지면저류 의 양을 증가시키게 된다. 그러므로 소유역이 합성되어, 배수관망내에서 저류량이 감소 하게 되면, 합성된 배수유역의 폭과 소유역에서의 폭을 줄인다. 합성된 유역의 폭은 근 사적으로 유출수문곡선 첨두치를 일치시키기 위해 합성된 소유역내 주배수로 길이의 2 배 정도가 된다.

라. 침투량 산정

SWMM 모형에서 투수유역으로부터의 침투는 Horton 또는 Green-Ampt 방정식을 선택하여 사용할 수 있으나, 국내에서는 Green-Ampt 방정식에 대한 전반적인 적용성 의 검토가 아직 이루어지지 않았으며, 자료 또한 미비하므로 본 연구에서는 Horton 방 정식을 사용하였다.

Horton의 침투방정식은 식 (3.5)와 같다.

f_p=f_c+ (f_o-f_c)⋅e^-kt (3.5)

여기서, ^는 임의 시간에 있어서의 침투능 (mm/hr), ^는 초기 침투능 (mm/hr), ^

는 종기 침투능 (mm/hr), t는 시간 (hr), ^는 토양의 종류와 식생피복에 따라 결정되는 상수이다. 이 식은 시간에 대한 함수로 폭우시 동안 지수감소 침투율을 나타내고 있다.