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. 서론2. 문헌연구3. 지리정보시스템을 이용한 적용유역의 분석 및 하수관망 구성4. 전산모형 및 지리정보시스템을 결합한 모형의 적용 5. 하수도 관리 시스템의 원격관리를 위한 Web GIS

1.1 연구배경 및 목적• 도시유역의 배수체계의 문제

• 도시화로 인한 수문환경적 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 (95 년 춘천 )

• 전산모형의 비교 및 이론연구• GIS 를 이용한 기본 데이타베이스 구축 및 분석

– 수문분석 , 파라미터 추출

• SWMM 과 ArcView 를 결합한 강우유출 및 하수도 모델링– 약 - 밀 결합방식 : 사용자 인터페이스개선 , 기능확장 , 자료호환– 입력 및 결과자료의 GIS DB 화 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• SWMM 의 특성 및 이론 연구

– RUNOFF, TRANSPORT

도시유역의 유출특성

• 배수유역의 불투수성– 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

– 지표면 , 집수지 , 합류관내 하수

• 유출속도의 증가로 인한 오염물의 이동 촉진

• NPS 의 유입지점 불명확

• 유입수질의 큰 변화폭

– 높은 첨두농도

• 제어 및 관리의 어려움

배수체계 및 관리의 문제점

• 합류식 관거– 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

SWMM 의 기본이론 및 특징

• 1971 미국 EPA 에서 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

RUNOFF 모형과 TRANSPORT 모형의 계산절차

RUNOFF 모형의 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

2/13/5)(*)(

SddnA

Wi

dtdd

p

오염물의 축적식 (Buildup)

• Power-linear

)1()(

)3()( )2(

QFACTtPSHED

tQFACTtPSHED QFACK

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

• fp 는 임의의 시간에서 침투능 (mm/hr)

• f0 는 초기침투능 (mm/hr)

• f 는 종기 침투능 (mm/hr)

• k 감쇄율• t 는 강우 개시시간

ktcp effff

)( 0

• Horton’s Equation

TRANSPORT 모형의 기본방정식

Continuity Equation and Manning Equation Assume - pipe slope = friction slope - steady flow in each time interval

2/10

3/2

0

SRnA

Q

tA

XQ

S0: pipe slope Sf:friction slope

X:pipe length R:hydraulic radius

A:cross-sectional area of pipe

관거내에서 오염물의 추적 RUNOFF& TRANSPORT

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)

LKCVQCCQdTdV

CdtdC

VVCdtd

ii

)(

Governing differential equation - Assume :Complete mixing by CSTR

3. 지리정보시스템을 이용한적용유역의 분석 및 하수관망의

구성

• 기본 데이타베이스 구축• 유역경계도 및 하도망 추출• 표고 , 경사도 , 경사방위 분석• 연구지역선정 및 배수유역 구성• 배수관로 및 차집관로 구성

3.1 기본 GIS 데이터베이스 구축• 지형도

– 국립지리원 1:25,000 8 개 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 (0 등급 ), 시가지조성지 (1 등급 ), 농경지 (2 등급 ), 과수원 (3 등급 ),

이차초원 (4 등급 ), 조림지 (6 등급 ), 이차림 A(7 등급 ), 이차림 B(8 등급 )

• 하수관망도 ( 차집관거 )– 춘천시 1:50,000 하수처리계획 평면도

• 시경계도 (‘95)

수치지도 구축절차Thematic Map

Tracing

Scanning

Vectorizing

Editing Raster

DXF to ARC Importing

Input TIC, Projection to Transverse Mercator

TOPOLOGY Generation

Editing Vector

COVERAGE

Conversion

TINSHAPE

Input ATTRIBUTE

GRID

Topographic Map(DXF)

Spatial Analysis

Extract MODEL PARAMETER

Apply to MODEL

AR

C/I

NF

OA

rcV

iew

Mic

roS

tati

on

지형도시경계내의 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 ofFlow 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

표고분석100m: 58.5%, 100:48.5

경사도 분석10%: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 (33 개 )

– 주거지 62.9%, 녹지 , 14.4%, 상업 8.7%, 공업 7.8%, 학교 6.2%

• 유역경계도 + 하수처리구역 = 처리구역내 소유역 (9 개 )

• 토지이용도 + 소유역 = 소배수유역 (45 개 )

• 관로총연장 447km, 차집관로 연장 17km, 보급율 49.4%

• 하도망 + 하수처리구역 + 차집관로 연결부 = 배수체계도

하수처리구역으로 절출된 토지이용도 및 소유역

소배수유역 및 토지이용 비율 주거지 62.9%, 녹지 , 14.4%, 상업 8.7%, 공업 7.8%, 학교 6.2%

배수체계도 및 배수관의 단면도

차집관로 및 배수관로의 구성

• 배수관거와 연결성 고려

• 단순화 (35 개노선 14 개 노선 )

4. 전산모형및 GIS 를 결합한모형의 적용

• 4.1 SWMM 과 ArcView 의 결합• 4.2 강우유출 모델링• 4.3 하수관망 모델링• 4.4 하수관망 해석을 위한 다차원유한 요소 알고리즘의 개발

4.1 SWMM 과 ArcView 의 결합

• 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

• 목 적 – GIS 이용한 유역의 물리적 특성 반영– 모형의 입력자료 분석 및 추출– 효율적인 결과 도시 및 출력– GIS 의 수치연산 능력 보강– 다량의 자료 및 반복작업에 효율

SWMM 과 ArcView 의

통합모델링 절차

GISDatabase Management

Analysis DataDisplay In-output data of Model

Parameter Analysis ToolsParameter Extracting

Data conversion

SWMMSimulation of Runoff and Sewer Line

Result Analysis Toolserror function

Par

amet

er C

ontr

ol

Ret

urn

Res

ult

s

NO

YES

Input data Tools(Geographic & Attribute)

Results

Visual Basic 을 이용한 시스템 통합

- GIS 의 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

3 차원 분석기능을 이용한 시설물 및 인문환경의 분석

4.2 강우유출모형의 적용

• 대상유역 : 춘천시 하수처리구역• ArcView 를 이용한 입력자료 분석 및

구성• RUNOFF 모형의 적용• 결과의 분석• 모형의 파라미터 예민도 분석

모형의 파라미터 추출 과정

RUNOFF 모형의 입력자료 구성

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

유출모형의 파라미터 예민도 분석

� 분석절차• 주요 파라미터 선정

– 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• ArcView 를 이용한 하수도

입력자료 분석 및 구성• RUNOFF 모형과 TRANSPORT

모형의 통합적용– RUNOFF 의 유출수문곡선과

오염농도곡선을 이용

• 결과의 분석

하수도시스템의 입력자료구성

하수도시스템의 입력자료 분석- 관경 , 경사도

강우유출 및 하수도 모형의통합모델링 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 수질 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

• Web GIS 의 개념 및 특징• Web GIS 의 구현기술• Web GIS 의 적용

– MapObject 와 Active X– ArcView IMS– 터미날 서비스

Web GIS 의 개념 및 특성

� 개념• 인터넷 + GIS• 네트워크 환경에서 지리정보의 입력 , 수정 , 분석 , 출력

� 특성• 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 비교장 점 단 점

CGI -서버가 모든 기능수행-플랫폼 독립적

-과중한 서버 및 통신부하-GIS 기능제한

Plug-in -클라이언트 자원 활용 -플랫폼 의존적-클라이언트의 자원필요

ActiveX -클라이언트 자원활용-연산능력, 전송기능, 그래픽인터페이스의 컴포넌트웨어

-플랫폼 의존적-클라이언트 자원필요

Java Applet -클라이언트 자원활용-플랫폼 독립적-그래픽 인터페이스-파일크기 작고 효율적 전송

-분석결과 클라이언트에 저장 할 수 없음-기능 복잡해지면 전송부하큼

CGI(Common Gateway Interface) 방식

WWW Browser WWW Server

GIS Server

CGI Script

ReturnResults

SentResult

Invoke

TranslateResult

User Request

ServerRequest

사용자의 모든 요구는 서버에서 전달되고

모든 결과가 다시 사용자에게 전달 ( 서버 부하발생 )

Java Applet 방식

WWW BrowserWWW Server(Java Applet)

GIS Server

Send Java AppletAnd Data Object

Request GIS Data

Object

GIS 기능및 데이터가 서버에서 사용자에게 보내져 실행

초기 데이터 및 애플릿 이외에는 통신부하 없음

Plug-in

WWW Browser WWW ServerRequest GIS Data

Object

Browser 가 자료형을 이해하지 못함

로컬시스템에서 Plug-in 이나 Help프로그램을 찾는다 .

Send Data Object

GIS Plug-in

GIS Data 가디스플레이 된다 .

No

Yes

웹브라우져가 GIS 데이터 인식하면 사용자에게 플러그 인 후 작동

ActiveX 방식

WWW Browser WWW Server

Send ActiveX ControlAnd Data Object

Request GIS Data

Object

Display of GIS Controls and GIS Data

작동방식 Plug-in 과 유사 , 웹브라우져가 GIS 데이터 인식하면 HTML 에 참조된 ActiveX control 작동

Plug-in 방식

WWW Browser WWW ServerRequest GIS Data

Object

Browser 가 자료형을 이해하지 못함

로컬시스템에서 Plug-in 이나 Help프로그램을 찾는다 .

Send ActiveX ControlAnd Data Object

GIS Plug-in

GIS Data 가디스플레이 된다 .

No

Yes

ActiveX Control 을 만들기 위한 Visual Basic 인터페이스 설계

ActiveX Control 을 이용한 유역관리 Web GIS

ArcViewIMS 를 이용한 Web GIS 의 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 • GIS 를 결합한 유역 및 하수도 의 적용

– 강우시 합류식 배수체계 유량 및 수질모델링– 유출모형의 파라미터 예민도 분석 및 활용방안 제시

• Web GIS 를 이용한 시스템의 원격관리 및 활용방안 제시