하수도 및 배수 시스템 설계를 위한 확률강우량 산정, 강우 데이터 구축, 통계적 분석 및 SWMM 모델 활용 방안 doc_id CNTS-00118872468_22

첫 번째 단계로는, 획득된 시계열(Time-series) 형태의 수문자료로부터 지속기간별 혹은 재현기간(혹은 설계빈도) 별 확률강우량을 추정하기 위한 기초적인 강우자료 구축단계로서, 대상지점의 수문자료를 연도별로 분류하고 지속기간 별 최대 누적 강우량을 추출하는 단계이다. 필요에 따라 강우 지속기간의 경우 별도로 산정이 가능하나, 일반적으로 [5분, 10분, 15분, 20분, 30분, 40분, 50분, 60분, 90분, 120분, 180분, 240분, 360분, 540분, 720분, 900분, 1080분, 1440분, 2880분, 4320분] 단위로 수문자료에 대한 연최대치 계열을 작성한다. 단, IDF 분석에 활용되는 수문자료의 경우, 미국(USDC)의 NOAA Atlas 14에서는 지역의 동질성이 확보가 되지 안는 기상학적이나 지형학적으로 명확하게 서로다른 특성이 나타나는 수문 관측 지점의 통계분석을 위해서는 확률강우량의 신뢰도를 위하여 50년 이상의 수문 시계열을 활용할 것을 추천하고 있으나, 호주(Australian Rainfall and Runoff)의 연구에 따르면 30년 강우자료를 활용하는 것으로도 수문자료를 확률강우량으로 추정하는데 큰 무리가 없는 것으로 판단된다. 수공구조물의 경우 홍수범람을 방지하기 위한 치수 관점에서 홍수량을 추정하기 위해 강우자료를 이용하는 것으로 유역시스템을 모의한다. 실제, 홍수량의 경우 계측이 매우 어려우며, 유역의 변화, 자료기록기간 또는 계측 자체의 신뢰성 문제로 인하여 강우자료를 통해 모의된 홍수량을 기반으로 설계를 수행한다. 배수시설에 해당되는 관로의 경우 전체 수공구조물 중 비교적 소규모 시설로서, 사회 경제적인 요인과 복합적으로 관련되어 있어, 이를 반영할 수 있도록 강우자료를 확률론에 기반하여 분석한다. 강우강도(Intensity)-지속기간(Duration)-재현기간(Frequency) 관계를 이용하여 도출되는 확률강우량을 수문량으로 활용하여 수문자료를 시설물 설계에 반영한다. 확률강우량의 경우 강우의 공간적 특성에 대한 현실적인 연구가 부족하여 지역간 강우의 동질성에 대한 불명확한 현실을 고려하여 기상청 자료를 활용하여 관측 지점 별 수문자료의 IDF(강우강도-지속기간-재현기간) 해석을 적용한다. IDF 곡선은 지속기간, 재현기간 별 도출된 확률강우량은 모두 시강우량(mm/hr)단위로 표기하여 동일한 재현기간을 가지는 경우 지속기간을 변수로 가지는 하나의 곡선으로 표현된 일종의 경험식을 의미한다. 확률 강우강도식을 이용하여 지점별 강우 발생 현황을 모식한다. 일반적으로 확률강우강도식의 기본 형태는 지속기간에 따라 확률 강우강도가 감소하는 형태로 제시된다. 국내의 경우 Talbot 형, Sherman 형, Japanese 형을 사용한다. 최근 연구에 따르면 호수에서 사용되는 전대수지 식을 추가적인 검토를 수행하였으며, 연구결과 Sherman 식에 비하여 매우 높은 정확도가 나타났다. 일반적으로 국내의 경우 6차 다항식을 활용한다. 단, 기존에 설계를 위해 제시되었던 실무를 위한 확률강우강도 식은 재현기간이 통합된 형태의 식인 Fair 식, 이원환 식, 허준행 식을 활용하였으나. 실제 적합도에 있어서는 매우 큰 오차가 발생 할 수 있다. 강우는 단일강우와 연속강우로 구분하여 적용할 수 있으며, 단일강우의 경우에는 특정 강우조건에서의 하수도의 수리거동 특성(하수발생량, 관로수위, 월류수 발생 등)을 분석하기 위한 것이며, 연속강우는 1년 이상의 수년간 연속된 강우를 적용하여 월류수 발생 빈도, 총월류수 발생량, 총월류부하량 등을 분석하기 위해 적용된다. 본 연구에서는 단일강우는 합성강우로 적용하였으며, 강우 통계분석을 통해 강우발생확률(80%)에 따른 설계강우를 선정하고 여기에 강우지속시간을 반영하여 강우자료를 생성하여 적용하였다. 또한, 5/10/20/30/40/50/75/100/200mm에 대한 단일강우를 만들어 적용하였다. 강우지속시간에 따른 강우분포는 일반적으로 주로 사용하는 Huff 방법 및 ABM 방법을 적용하였다. 연속강우를 적용하여 연간모의를 수행할 경우에는 강우 통계분석을 통해 선정한 대표강우를 적용하고, 수년간의 강우를 적용하는 경우에는 강우를 적용한 연도 범위를 미리 정하여 해당 기간 강우자료를 활용하는 방식으로 적용하였다. 강우 유입수량의 설계지표로 산정된 우천일 유입수량의 국내 적정 범위를 선정하기 위해 선행적으로 확률분포를 활용한 통계적인 이상치 제거과정을 수행하였다. 유입수량 레이터의 특성상 지역별 편차 발생은 자연스러운 현상으로서 지점별 통계 분석을 수행한 청천일 침입수량, 첨두계수와 달리 히스토그램의 쏠림 현상이 관측되었다. 히스토그램의 왜곡도(Skewness) 현상의 주요 원인인 지역적 차이를 반영한 확률 모델로서 GEV(Generalized Extreme Value) 모형을 선택하였다. 일평균하수량 대비 유입수량 비율의 히스토그램을 활용하여 GEV 분포에 커브피팅을 수행한다. 지점별 산정된 비율 중, 피팅된 확률분포함수의 누가 확률이 상위 95%이상인 지점을 이상치로 판단하여 제거하였다. 우선, 기존자료를 보충하기 위해 추가적인 강우데이터가 필요한지 여부를 확인하여야 한다. 일반적으로, 충분히 구체적인 수준의 꾸준한 강우 모니터링 데이터가 없이 월류수의 유량과 수질이 측정되고 있는 지역에서는 강우량을 모니터링해야 한다. 이 경우 모니터링 및 모델링 계획에서는 전체 하수도시스템을 대표할 수 있는 데이터를 제공하기 위해 강우량계가 설치될 장소를 지정하여야 한다. 강우량계는 강우 추적 및 강우 강도의 위치 편차가 하수도시스템 영역내 강우량 추적에 큰 오차를 유발하지 않도록 설치해야 한다. 또한 소규모 유역에 대해서는 분석 및 모델 보정에 필요한 충분한 데이터를 얻을 수 있도록 추가적인 강우량계를 설치함으로써 하수도시스템 분석 및 모델링에 유용한 정보를 상대적으로 저렴하게 얻을 수 있다. 미국 환경보호청(U.S EPA)의 SWMM(Stormwater Management Model)은 주로 도시지역의 단일사건 또는 장기간의 유출량 및 유출 수질 시뮬레이션에 사용된다. 하지만 비도시지역의 배수 시스템에 대해 적용할 수 없는 것은 아니며 많은 활용법이 존재한다. SWMM 모델은 전세계적으로 강우 유출, 합류식 및 분류식 하수관로, 기타 배수 시스템과 연관된 계획, 분석, 설계에 사용된다. SWMM은 침투(infiltration) 및 저류(retention)를 통한 유출 저감과 국가의 방류 수계에 손상을 유발하는 방류를 저감하기 위한 지방, 주, 국가차원의 우수관리 목표를 지원하기 위해서 개발되었다. SWMM은 1971년 최초 개발된 이래 저영향개발(LID) 제어와 같은 녹색 인프라 업무 추가를 포함하여 몇 차례 주요한 업그레이드를 거쳤다. SWMM은 관로, 우수관로와 같은 회색 인프라 우수제어전략을 평가하는데 널리 사용되고, 비용⋅효율적인 녹색/회색 하이브리드 우수제어 솔루션을 수립하기 위한 효과적인 도구이다.