강우시 효율적인 하수처리 방안 마련을 위한 연구

SSOAP 도구상자(toolbox)는 RDII를 정량화하고 분류식 하수관로 시스템의 통수능 분석 및 상태 평가를 지원하는 컴퓨터 소프트웨어 도구의 모음이다. 도구 모음에는 오수관로 시스템의 유량에 대한 동적 추적(routing)을 수행하기 위하여 EPA에서 개발한 SWWM5(EPA’s SWWM version 5)가 포함되어 있다. SSOAP 도구상자에 적용된 RDII 예측 방법은 집중된 하수관로 상태평가 프로그램을 설계하고 성공적인 현장조사를 수행하기 위한 효과적인 도구를 제공한다. 또한 시공 전/후의 관로 통수능 평가를 활용하여 수관로 시스템의 갱생(rehabilitation) 후 성능 평가를 지원한다. SSOAP 도구상자는 글로벌 컨설팅, 엔지니어링, 시공, 운영 회사인 미국의 CDM Smith사와 EPA와의 상호 협력적 연구 및 개발 협의체를 통하여 개발되었다. 모델링은 모니터링을 통해 실측된 데이터에 기초하여 해당 배수유역내 하수도시스템의 수리적, 수질적 거동을 모사하는 모델을 구축하는 것이다. 모델링을 통하여 강우시 하수도시스템의 반응 특성화 및 예측, 수질 오염물질의 유입 특성화 및 예측, 월류수 발생 및 월류수의 수역에서의 영향 특성화 및 예측, 월류수와 기타 오염원의 상대적인 영향정도 특성화 및 예측이 가능하다. 분류식 하수도시스템의 경우에는 모니터링을 통해 실측되지 않은 강우발생 조건에서 하수도시스템의 수리적 거동(하수발생량, I/I 및 RDII, SSO 발생량)을 예측할 수 있으며, 이를 바탕으로 하수도시스템에서 나타날 수 있는 문제점을 예측할 수 있다. 특히 분류식하수도월류수(SSOs)의 발생 강우조건을 보다 정밀하게 도출할 수 있으며, 하수관로의 수위 예측을 통하여 어느 지점에서 SSOs가 발생하는지 파악하여 관련 대책(하수관로정비 사업을 통한 RDII 저감, 처리장 수문 제어)과 범위를 설정하는데 활용이 가능하다. 모델링을 위한 관망 구축은 기초자료로 입수된 하수관망도와 수리계산자료 등을 활용하며, 모델 시뮬레이터에 입력하기 위한 기초자료를 작성한 후 이를 시뮬레이터에 입력하여 관망을 구축하였다. 관망은 실증대상지역의 하수관로 중 주요 간선관로를 중심으로 관망을 분리하고 말단부를 유출지점으로 선정하였다. 유출지점은 합류부 또는 합류부 이전 지점을 선택하여 소유역 구분시 말단 지점이 되도록 하였으며, 일반적으로 1개 소유역에 1개소를 선정하는 것을 원칙으로 하였다. 또한 간선관로를 중심으로 관망을 분리할 경우에는 유하흐름을 고려하여 주요 간선관로를 선정하고 이를 기준으로 관로를 분리하였다. 또한, 모델 입력을 위한 관망정보 작성시에는 관로번호, 상류맨홀 및 하류맨홀, 관로 연장, 관경(사각관로는 높이 및 폭), 관저고 및 지반고, 조도계수, 맨홀번호, 좌표(X, Y)를 기본적으로 입력하였다. 단, 간선관로를 분리하여 입력하므로 하수도대장의 관로 및 맨홀번호 입력이 곤란한 경우에는 임의로 번호를 부여하여 일련번호를 입력하였다. 합류식 하수도시스템에 대한 모델 구축은 간선관로를 분리하여 정리한 후 간선관로에 대한 소유역을 분할 작성하고, 각 관로 및 유역에 대한 정보를 모델 시뮬레이터에 입력하는 단계로 진행하였다. 이를 위해 적정 규모로 소유역을 분할하고 기초자료를 정리하여 작성한 후 시뮬레이터에 입력하여 유출모델을 구축한 뒤, 실측된 모니터링 데이터를 활용하여 검보정을 수행하여 최종적인 모델을 구축하였다. 유역 구축은 소유역 규모 설정단계와 유역정보 입력 단계로 진행하였다. 소유역 규모 설정단계에서는 실증대상지역(부천시 역곡하수처리구역)의 총 소유역 수의 10% 수준으로 소유역 평균면적 약 2.66ha(0.0266㎢)으로 분할되었다. 소유역 정보입력 단계에서는 빗방울이 떨어졌다고 가정할 경우 유출지점으로 유입될 수 있도록 산지의 능선, 지반고 등을 고려하여 경계를 구분하였다. 또한 불투수면적 및 투수면적 비율을 산정시에는 최신 위성사진, GIS 레이어 자료 등을 활용하여 최대한 실제 현황과 근접하도록 비율을 추정하였다. Runoff module은 배수유역에서의 유출로 인한 유량과 수질, 주관로에서의 유량 및 오염물질의 추적 모의를 위해서 발달되었다. Runoff module은 이상적인 소유역과 관로를 합성하여 유역을 표현하고, 임의의 강우나 강설에 의한 주상도를 입력하여 융설, 투수역에서의 침투 손실, 지면저류, 지표류, 수로흐름, 유입구로의 오염물 세척 등을 단계적으로 행하여 다수의 수문곡선과 오염도 곡선을 계산한다. Runoff module은 몇 분의 단일모의에서부터 몇 년까지의 연속모의에 대한 실행이 가능하고, 가장 중요한 기능은 선정된 시간과 위치에서 다른 블록의 실행에 필요한 수문 곡선과, 오염도 곡선 등을 제공하는데 있다. 따라서, Runoff module은 배수유역을 단순화된 배수유역과 관망으로 재구성하여 해석하며, 실행에 필요한 기본적인 자료는 기상 자료, 지표유량 자료, 수질 자료 등이 있다. 고품질 상업용 모델과 전⋅후 프로세서가 점점 더 많이 활용 가능해지고 있다. 상업용 모델은 사용자가 정의한 소프트웨어(custom-developed software) 또는 인기 있는 공공 영역 모델을 향상시키거나 사용자 친화적인 형태를 취하고 있다. 상업용 모델은 비용을 지불해야 하지만 사용자는 일반적으로 추가적인 사전⋅사후 프로세싱 서비스와 기술지원을 받는다. 이용 가능한 상업용 모델의 일부를 아래 표에 기술해 두었다. 일부는 무료로 공개된 공공 영역 모델과 함께 사용하기 위한 상업용 전⋅후 프로세서들도 있다. 전처리 소프트웨어는 사용자가 모델을 활용하기 위한 입력파일을 준비하는 과정에 도움을 준다. 후처리 프로세서는 모델의 결과를 그래프화, 매핑 및 기타 기술을 통해 출력하고, 분석하고, 표시하는 추가 기능을 제공한다. 모델 출력의 가장 기본적인 유형은 모델 입력이 반복되고 결과가 도표화되는 텍스트 파일이다. 여기에는 선택한 관로 및 교차점(junction)의 시간에 따른 유량 및 깊이뿐만 아니라 관이 과부하 되는 것과 같은 기타 정보가 포함될 수 있다. 모델 출력은 시스템에 유입되는 유출량(runoff volume), 시스템 하류부 경계에서 배출되는 부피, 범람(flooding)으로 인해 손실 된 부피 및 저류조의 부피 변화와 같은 산정값과 함께 전체 시스템 물질수지(mass balance)를 포함할 수 있다. 모델 출력은 모델 실행의 물질수지 정확도(mass balance accuracy)를 측정할 수도 있으며, 이는 불안정과 같은 문제가 발생했음을 나타낼 수 있다. 대부분의 모델은 텍스트 파일보다 평가하기 쉬운 도면(plot) 파일도 생성한다. 도면 파일의 출력 데이터는 여러 공용 도메인 모델(특히 SWMM)에서 사용할 수 있는 스프레드시트 소프트웨어 또는 상용 포스트 프로세서를 사용하여 구상할 수 있다. 상업용 모델은 대개 광범위한 후 처리 기능을 포함하고 있어 사용자가 시스템의 어느 지점에서든 시간에 따른 유량 또는 깊이 자료를 그리거나 어떠한 관로 세트를 따라 시간 대비 수리 프로파일(hydraulic profile)을 그릴 수 있다.