전산모형 및 지리정보시스템을 결합한 Web 기반의 유역 및 하수도관리시스템의 개발 2000.11.27 강원대학교 대학원 환경·생물공학과 환경시스템 연구실 박 형 춘

목 차 1. 서론 2. 문헌연구 3. 지리정보시스템을 이용한 적용유역의 분석 및 하수관망 구성 4. 전산모형 및 지리정보시스템을 결합한 모형의 적용 5. 하수도 관리 시스템의 원격관리를 위한 Web GIS

1.1 연구배경 및 목적 도시유역의 배수체계의 문제 도시화로 인한 수문환경적 영향 도시방재, 방류수계수질오염, 하수도 효율저하 유역 특성 및 하수도 등의 방대한 자료 관리 지형정보, 시설정보, 문서정보 등 하수도의 공사부실, 노후화, 관리체계 미흡 운영요원 부족/비전문성 지리정보시스템과 전산모형을 결합한 하수도시설의 최적운영 자원공유 및 활용도 향상을 위한 인터넷 환경조성 관리자, 의사결정자, 일반시민

1.2 연구내용 및 방법 도시유역의 수문·환경적 특성 배수체계및 관리체계 문제점 도출 대상지역선정(95년 춘천) 전산모형의 비교 및 이론연구 GIS를 이용한 기본 데이타베이스 구축 및 분석 수문분석, 파라미터 추출 SWMM 과 ArcView를 결합한 강우유출 및 하수도 모델링 약-밀 결합방식:사용자 인터페이스개선, 기능확장, 자료호환 입력 및 결과자료의 GIS DB화 및 분석 강우유출모형 파라미터의 예민도 분석 강우유출모형을 결합한 하수도모형 적용 원격관리체제 및 Web GIS 적용 구축된 시스템의 공동활용 통한 효율성 증대

2. 문헌연구 도시유역의 유출특성 도시유출의 환경적 특성 배수체계 및 관리체계의 문제점 SWMM의 특성 및 이론 연구 RUNOFF, TRANSPORT

도시유역의 유출특성 배수유역의 불투수성 도시방재 및 하수도시설 기후변화 총유출량, 첨두유량증가 첨두도달시간 단축 우수지체효과 감소 지표면의 요철저류 감소 수리학적 통수능력 증가 도시방재 및 하수도시설 침수 및 하천범람 하수도 용량초과 하수도 및 처리장 효율저하 기후변화 온도 및 강수량 증가 등

도시유출의 환경적 특성 인구집중, 상공업, 교통량 비점오염원 증가 주요 오염원 유출속도의 증가로 인한 오염물의 이동 촉진 지표면, 집수지, 합류관내 하수 유출속도의 증가로 인한 오염물의 이동 촉진 NPS의 유입지점 불명확 유입수질의 큰 변화폭 높은 첨두농도 제어 및 관리의 어려움

배수체계 및 관리의 문제점 합류식 관거 시공불량 및 노후화 관거 용량부족 배수불량 방대한 자료로 인한 관리소홀 및 활용도 저하 우수와 오수 동일관거로 배제 및 운반 호우시 하수처리장 효율저하 시공불량 및 노후화 불명수 유입 지하수 오염 관거 용량부족 불투수면적 증가 로 유출량 증대 요인 도시 팽창에 따른 미증설 요인 배수불량 집수시설 미비 요인 관거 퇴적, 막힘 요인 방대한 자료로 인한 관리소홀 및 활용도 저하 도시팽창에 따른 시설확장 유역 및 하수도의 도면, 문서자료 자료의 미갱신/부정확성 운영요원의 부족 및 비전문성 정책결정자, 설계자 및 시공, 관리자의 의사소통 수단 부족

SWMM의 기본이론 및 특징 1971 미국 EPA에서 개발한 공용 모형 인위적인 배수계통/도시유역에 적합 강우유출 및 하수도관망의 유량 및 수질을 동시에 해석 다른 모형과 연계가능 WASP, Qual2e, Hec, RUNOFF 배수 지역의 지표유출 및 오염도 변화 추적 수문곡선과 오염도 곡선 출력 TRANSPORT 우기 및 건기의 하수관거내의 침입수량 계산 하수관로내 유동 및 하수수질 변화 계산

RUNOFF모형과 TRANSPORT모형의 계산절차

RUNOFF모형의 기본 방정식 Determine depth and flow with Continuity Equation and Manning Equation for each subbasin d : depth(m) dp :depression storage(m) t : time(sec) W: basin width n :Manning’s coefficient A : basin area (m2) i*: Rainfall access(m/sec) S : Slope

오염물의 축적식(Buildup) Power-linear PSHED(T) : Accumulation mass of pollutant at t (kg) t: Antecedent dry weather(days) QFACT(1):First build-up parameter, e.g., limitation QFACT(2):Second build-up parameter, e.g.,Power or exponent QFACT(3):Third build-up parameter, e.g., Buildup coefficient

침투방정식 Horton’s Equation fp는 임의의 시간에서 침투능(mm/hr) f0는 초기침투능 (mm/hr) k 감쇄율 t는 강우 개시시간

TRANSPORT모형의 기본방정식 Continuity Equation and Manning Equation Assume - pipe slope = friction slope - steady flow in each time interval S0: pipe slope Sf:friction slope X:pipe length R:hydraulic radius A:cross-sectional area of pipe

관거내에서 오염물의 추적 RUNOFF& TRANSPORT Governing differential equation - Assume :Complete mixing by CSTR C : discharge concentration(mg/l) V:volume(m3) Ci : inflow concentration(mg/l) K:decay coefficient Q : outflow rate(cms) Qi:inflow rate(cms) L: existing pollutant(mass/time)

3. 지리정보시스템을 이용한 적용유역의 분석 및 하수관망의 구성 기본 데이타베이스 구축 유역경계도 및 하도망 추출 표고, 경사도, 경사방위 분석 연구지역선정 및 배수유역 구성 배수관로 및 차집관로 구성

3.1기본 GIS 데이터베이스 구축 지형도 토지이용도 토양도 녹지자연도 하수관망도(차집관거) 시경계도(‘95) 국립지리원 1:25,000 8개 도엽 병합 등고선, 도로망, 수계망 토지이용도 춘천시 1:25,000 도시계획총괄도(‘95) 주거, 공업, 상업, 학교, 공원녹지, 임야 토양도 농촌진흥청 1:50,000 개략토양도 양토, 미사질양토, 사양토, 세사양토, 미사질실양토, 범람지(자갈,모래) 녹지자연도 환경처 1:25,000 녹지자연도 수역(0등급), 시가지조성지(1등급), 농경지(2 등급), 과수원(3 등급), 이차초원(4 등급), 조림지(6 등급), 이차림A(7 등급), 이차림B(8 등급) 하수관망도(차집관거) 춘천시 1:50,000 하수처리계획 평면도 시경계도(‘95)

Input TIC, Projection to Transverse Mercator Extract MODEL PARAMETER 수치지도 구축절차 Thematic Map Tracing Scanning Vectorizing Editing Raster DXF to ARC Importing Input TIC, Projection to Transverse Mercator TOPOLOGY Generation Editing Vector COVERAGE Conversion TIN SHAPE Input ATTRIBUTE GRID Topographic Map(DXF) Spatial Analysis Extract MODEL PARAMETER Apply to MODEL ARC/INFO ArcView MicroStation

지형도 시경계내의 등고선, 도로망, 수계망

토지이용도

녹지자연도

토양도

배수구역 및 차집관거

음영기복도 - aGrid.Hillshade(Az 135, Alt 45, aFactor)

3.2 유역경계 및 하도망추출 과정 Contour Map ( DXF -> SHP ) TIN DEM (grid) Lowpass filtering Flow Direction Flow Accumulation Flow Length Sink Filling Stream Network Watershed Boundary

Algorithm of Flow Direction and sink filling ZonalFill and Merge request  filledDEM.FlowDirection(False)

TIN(Triangle Irregular Network) Contour line  IDW, Spline, Kriging Method  3D Surface

DEM  Filled DEM  Flow Direciton  Flow Accumulation

하도망(Stream Network) Flow Acc. Grid  Stream Network Grid  Polyline

유역경계도(Watershed boundary) Stream Network Gird  Link  outlet  Watershed Boundary Grid  Polygon

표고분석 100m: 58.5%, 100:48.5

경사도 분석 10%:51.1%, 10%:48.9%

경사방위도(Aspect) 경사의 방향(북 0, 동 90, 남 180, 서 270)

3.3 배수유역 및 관로의 구성 하수처리면적 1549.2 ha 토지이용도 + 하수처리구역 = 처리구역내 토지이용도(33개) 주거지 62.9%, 녹지, 14.4%, 상업 8.7%, 공업7.8%, 학교 6.2% 유역경계도 +하수처리구역 = 처리구역내 소유역(9개) 토지이용도 + 소유역 = 소배수유역(45개) 관로총연장 447km, 차집관로 연장 17km, 보급율 49.4% 하도망 + 하수처리구역 + 차집관로 연결부 = 배수체계도

하수처리구역으로 절출된 토지이용도 및 소유역 하수처리구역으로 절출된 토지이용도 및 소유역

소배수유역 및 토지이용 비율 주거지 62.9%, 녹지, 14.4%, 상업 8.7%, 공업7.8%, 학교 6.2% 소배수유역 및 토지이용 비율 주거지 62.9%, 녹지, 14.4%, 상업 8.7%, 공업7.8%, 학교 6.2%

배수체계도 및 배수관의 단면도

차집관로 및 배수관로의 구성 배수관거와 연결성 고려 단순화 (35개노선  14개 노선)

4. 전산모형및 GIS를 결합한 모형의 적용 4.1 SWMM과 ArcView의 결합 4.2 강우유출 모델링 4.3 하수관망 모델링 4.4 하수관망 해석을 위한 다차원유한 요소 알고리즘의 개발

4.1 SWMM과 ArcView의 결합 목 적 약결합(loose integration) 방식 목 적 GIS 이용한 유역의 물리적 특성 반영 모형의 입력자료 분석 및 추출 효율적인 결과 도시 및 출력 GIS의 수치연산 능력 보강 다량의 자료 및 반복작업에 효율 약결합(loose integration) 방식 중간화일 형태의 자료교환 완전결합(full integration) 방식 단일 시스템언어/ 데이터 구조 난해한 구축방법 밀결합(tighter) 방식 자료의 호환 동일 사용자 환경 최소한의 수정으로 구현 용이 양 시스템의 높은 신뢰도

SWMM과 ArcView의 통합모델링 절차 GIS Database Management Analysis Data Display In-output data of Model Parameter Analysis Tools Parameter Extracting Data conversion SWMM Simulation of Runoff and Sewer Line Result Analysis Tools error function Parameter Control Return Results NO YES Input data Tools (Geographic & Attribute) Results

Visual Basic을 이용한 시스템 통합 - GIS의 윈도우 개발환경 보강, 자료변환, Web GIS

환경질 자료구축 및 분석

복합 대화상자(Combo Box)를 이용한 자료의 선택 및 분석

멀티미티어 자료의 공간적 연결 -사진, 도면, 동영상

팝업메뉴를 이용한 자료분석 -해당 테이블, 챠트

3차원 분석기능을 이용한 시설물 및 인문환경의 분석 3차원 분석기능을 이용한 시설물 및 인문환경의 분석

4.2 강우유출모형의 적용 대상유역 : 춘천시 하수처리구역 ArcView를 이용한 입력자료 분석 및 구성 RUNOFF모형의 적용 결과의 분석 모형의 파라미터 예민도 분석

모형의 파라미터 추출 과정

RUNOFF모형의 입력자료 구성

구축된 시스템을 이용한 소배수유역과 배수관망의 입력자료구성 구축된 시스템을 이용한 소배수유역과 배수관망의 입력자료구성

강우유출모델링 결과 강우주상도(mm/h), 유출수문곡선(m3/s), 침투곡선(mm/h)

각 소유역에서의 첨두유량 및 농도

소유역에서의 유출량 (Hydrograph)

각 소유역에서의 유출농도(Pollutograph)

각 소유역에서의 오염부하율(Loadograph)-BOD5

구축된 시스템을 이용한 전체유역의 유출수문 및 오염농도 곡선 구축된 시스템을 이용한 전체유역의 유출수문 및 오염농도 곡선

유출모형의 파라미터 예민도 분석 분석절차 결과의 활용 주요 파라미터 선정 기준값 및 적용범위 선정 적용된 변화량의 무차원화 기본이론 및 연구사례 유역폭, 유역경사 , 불투수면적비, 조도계수 선행청천기간(dry weather), 오염물 축적계수 기준값 및 적용범위 선정 기준값의 -50 ~ +50%, 변화율 25% 적용된 변화량의 무차원화 예민도 관계식산출 결과의 활용 파라미터에 의한 유출양상 파악 모형의 파라미터 최적화 타모형과 비교분석 타유역에 적용시 파라미터 예측가능

파라미터 예민도 분석결과 -유출량, 오염부하량(BOD) 유출량 순위 불투수면적비, 유역폭, 유역경사, 조도계수 오염부하량 순위 축적계수, 선행청천기간, 불투수면적비, 유역폭, 유역경사, 조도계수

4.3 하수도의 유량 및 수질 모델링 대상유역 : 춘천시 하수관거 ArcView를 이용한 하수도 입력자료 분석 및 구성 RUNOFF모형과 TRANSPORT 모형의 통합적용 RUNOFF의 유출수문곡선과 오염농도곡선을 이용 결과의 분석

하수도시스템의 입력자료구성

하수도시스템의 입력자료 분석 -관경, 경사도

강우유출 및 하수도 모형의 통합모델링 결과

각 맨홀에서의 유량(m3/s) -차집관거 및 배수관 연결부

각 맨홀에서의 농도(mg/L)

각 맨홀에서의 오염부하율(kg/d)

구축된 시스템을 이용한 전체 하수도시스템의 유량 분석 구축된 시스템을 이용한 전체 하수도시스템의 유량 분석

구축된 시스템을 이용한 전체 하수도시스템의 수질 분석 구축된 시스템을 이용한 전체 하수도시스템의 수질 분석

구축된 시스템을 이용한 전체 하수도시스템의 오염부하 분석 구축된 시스템을 이용한 전체 하수도시스템의 오염부하 분석

구축된 시스템을 이용한 전체하수도시스템의 수심(Depth) 분석

구축된 시스템을 이용한 전체 하수도시스템의 침투율(Infiltration)

5. 하수도관리시스템의 원격관리를 위한 Web GIS MapObject 와 Active X ArcView IMS 터미날 서비스

Web GIS의 개념 및 특성 개념 특성 인터넷 + GIS 네트워크 환경에서 지리정보의 입력, 수정, 분석, 출력 S/W측면 대용량의 공간데이터의 분산처리, 다중사용자 접속 GIS data 측면 벡터/래스터 맵, 동영상, 보고서 등의 다양한 자료 Hyper-mapping 인력 및 운영조직체 관점 시공간의 제약 없는 업무환경으로 구축된 시스템의 활용도 향상 경제적 측면 자원의 공유, GIS 비용절감

구현방식의 비교

CGI(Common Gateway Interface)방식 WWW Browser WWW Server GIS Server CGI Script Return Results Sent Result Invoke Translate User Request Server Request 사용자의 모든 요구는 서버에서 전달되고 모든 결과가 다시 사용자에게 전달(서버 부하발생)

Java Applet 방식 WWW Server WWW Browser (Java Applet) GIS Server Request GIS Data Object Send Java Applet And Data Object GIS Server GIS 기능및 데이터가 서버에서 사용자에게 보내져 실행 초기 데이터 및 애플릿 이외에는 통신부하 없음

로컬시스템에서 Plug-in이나 Help WWW Server WWW Browser Request GIS Data Object Send Data Object Browser가 자료형을 이해하지 못함 로컬시스템에서 Plug-in이나 Help 프로그램을 찾는다. No GIS Plug-in Yes GIS Data가 디스플레이 된다. 웹브라우져가 GIS 데이터 인식하면 사용자에게 플러그 인 후 작동

Display of GIS Controls and GIS Data ActiveX 방식 WWW Browser WWW Server Request GIS Data Object Send ActiveX Control And Data Object Display of GIS Controls and GIS Data 작동방식 Plug-in과 유사, 웹브라우져가 GIS데이터 인식하면 HTML에 참조된 ActiveX control 작동

로컬시스템에서 Plug-in이나 Help WWW Server WWW Browser Request GIS Data Object Send ActiveX Control And Data Object Browser가 자료형을 이해하지 못함 로컬시스템에서 Plug-in이나 Help 프로그램을 찾는다. No GIS Plug-in Yes GIS Data가 디스플레이 된다.

ActiveX Control을 만들기 위한 Visual Basic 인터페이스 설계

ActiveX Control을 이용한 유역관리 Web GIS

ArcViewIMS를 이용한 Web GIS의 구현

하수도의 원격관리를 위한 터미널 서비스(Terminal Service)

6. 결 론 도시유역의 유출특성 분석 하수도 현황 및 문제점 파악 GIS 데이터베이스 구축 및 활용 효율적인 자료관리 및 파라미터추출 GIS를 결합한 유역 및 하수도 의 적용 강우시 합류식 배수체계 유량 및 수질모델링 유출모형의 파라미터 예민도 분석 및 활용방안 제시 Web GIS를 이용한 시스템의 원격관리 및 활용방안 제시