2-1.Study and explain the Watershed and Sewer Management model SWMM.

20041462 이승윤

환경모델링중간고사환경모델링중간고사

(1)Theory(1)Theory

(Physical Processes,Chemical Processes(Physical Processes,Chemical Processes,Biological Processes),Biological Processes)

• SWMM 모형은 도시지역의 수량 및 수질을 모델링하기 위하여 개발된 모형

• 유역내 강우 , 지표유출 , 수질변화에 관계된 모든 부분의 해석을 수행할 수 있게 개발되었으며 , Extran 의 모듈을 사용하여 Backwater, 배수관망에서의 수리 유동상황을 역동적으로 해석할 수 있음

• 1969 년에서 1971 년에 걸쳐 미국 EPA 에서 개발된 SWMM 은 도시지역의 지표유출 해석에 광범위하게 사용되었으며 , 1994 년에 4.3 Version 으로 개량

• 유역내의 우수관로 , 합류식관로 , 자연배수로 등에서의 유동 , 수위 , 오염물 농도 등을 해석

• SWMM 은 실행 , 유출 , 이동 , Extran, 저류 및 처리의 5 개의 부모형으로 구성

• 실행모형은 모델링 전체를 조절하는 기능을 수행하며 부모형간 자료를 구성하고 , 입출력을 지시

• 유출모형은 강우에 의해 유역 내에서 발생하는 지표유출과 오염도 변화를 추적하여 , 수문곡선과 오염도 곡선을 출력함

• 유출모형의 계산결과를 다른 모형에서 이용하여 모델링을 수행

• 이동모형은 우기 및 건기의 하수시스템으로의 침입수량을 계산하며 Extran 모형은 배수관망에서의 유량 및 수심 등의 유동 상황을 추적

• 관로내의 유량을 해석하기 위하여 연속방정식과 운동방정식을 연계하여 계산 .

• 저류 및 처리 모형은 수리 , 수질에 대한 저류 및 처리장치의 효율을 평가

• Window Interface SWMM 모형은 관거 및 수로망을 통하는 지표로부터의 강우 및 오염물의 이동 , 저류 /처리시설 , 방류수 등을 모의실험할 수 있는 복잡한 모형임

• 우수 관로 , 합류식 하수관거 , 자연 배수구 등의 집수유역에 유동 , 수위 , 오염물 농도 등을 단일 및 계속적으로 모의실험함

• 모형은 계획 및 설계에 모두 사용되며 , 계획 모형은 도시의 유출 문제 및 제시된 완화 조치의 전반적인 평가에 사용

• 이것은 장기적인 강우 자료를 사용하여 몇 년 동안의 연속적인 모의실험에 의해 이루어짐

• 자료 입력 및 모형 실행에 있어 사용자를 돕고 복잡한 모형을 사용자가 친숙하게 하기 위하여 Window Interface SWMM 이 개발되었음

• 강우와 용설에 의해 유출이 발생 , 비선형 저류방정식에 의해 지표면유출을 묘사 , 침투량 산정에는 Horton 혹은 Green-Apmt 방정식을 사용

• 지표수 수질은 건기동안 오염물질의 선형 /비선형 축적과 감소인자에 의한 오염물질의 유실을 기본으로 함

• 건기시 유량 및 수질계산은 인구밀도와 같은 통계적인 인자와 Shield 기준에 의한 관로 내 SS 의 퇴적을 기본으로 함

• 화학적과정

- Runoffbolck 에서는 10 개의 수질 , transportmodul에서의 3 개의 수질모의가 가능

- 다른 모형과의 연계 – 수질모형인 WASP 와 DYNHTD모형 , 독립적이거나 전체의 SWMM 모형과 HEC, STORM, QUAL-Ⅱ 모형

- 모형의 정확성 – 유출은 약간의 보정에 의해 비교적 정확한 결과를 얻을 수 있음 , 수질은 폭넓은 보정을 필요로 하며 실측자료가 없을시 매우 부정확함

• 모형의 구조- Blosk 형태로 구성 – 5 개의 serviceblock

- 4 개의 computational block

- 각각의 block 은 특정한 기능을 가지며 block 특정한 기능을 가지며 다른 block 에서 사용

- 일반적으로 executive block 과 하나 혹은 두개의 computationnal block 과 함께 실행

모형의구조

• Runoffblock

- 본 모형은 swmm 모델의 가장 중요한 모형

- 강우 및 온도부 모형 또는 사용자가 정의한 우량분포로부터 기상자료를 계산한 후 눈 융해 모의실험 기능과 함께 비선형저류접근법을 사용하여 강우 - 유출과정을 모의실험

- 최종적으로 유출모형은 하수관로 유입부에서의 수분곡선 및 오염도 곡선을 출력한다 .

- 본 모형은 몇 분 – 몇 년의 기간에 대한 모델링을 수행한다 .

- 몇 주미만의 모의실험은 단일사상방식 , 장기모의실험은 연속방식으로 수행된다 . 융설을 제외하고는 , 모든 계산은 두 가지 경우에 대해 동일하게 수행

- 유출부 모형에서의 수질분석 과정은 옵션의 변화를 통해

지표유출 성분부하의 산출을 포함

1) 건기시에 성분이 축적되며 우기시에 세척 2) 부하가 유량에 비례하는 “ ratinigcurve” 접근법 3) 일정한 농도 ( 강우 부하 포함 ) 4) 일반적인 토양 손실 방정식 , 전체 유역은 최대 200 개의 배수

구 역 및 200 개의 수로 /관로 및 유입으로 세분 - 유출부 모형은 다른 swmm 의 부모델으로 file 을

전환함으로써 200 개의 유입부 및 10 개의 성분에 대한 수문곡선 및 오염도곡선을 출력

• Transportblock

- 이동모형은 하수관거를 통하는 유량 및 오염물 경로를 상세히 추적

- 유량경로는 kinematic wave 기법을 사용하는 반면 , 수질은 초기이동에 대한 완화기준에 근거하여 1 차 감소 및 하수관거내의 세척 및 퇴적모의실험 , 건기의 유량 및 수직의 산출 등을 포함

- 이동부모형은 interfacefile 에 의한 유출부모형 또는 사용자에 의해 정의된 입력 자료로 부터 산출된 유입부의 수분곡선 및 오염도곡선을 사용

- 이후에 전기 유량 및 수질 , 침투 , 각 수로 /관거의 오염물 부하 , 연구지역을 결정

(2) Numerical (2) Numerical AlgorithmAlgorithm

• 지표 유출을 위해서는 소유 역을 지면지류가 있는 혹은 없는 불투수층과 지면 지류가 있는 투수층으로 나눈다 . 지면질류룰 비선형저수지로 가정하여 아래그림과 지표유출을 가정

비선형 저수지는 연속방정식과 Manning 방정식에 의해 결정되어지며 지면에 저류되 sanf 의 양은 연속방정식에 의하며 다음과 같음

  Where v= A·d=volumeofwaterthesubarea,ft3                d = water depth, ft                T = time, sec                A = surface area of subarea, ft2                I  = rainfall excess = rainfall/ snowmelt                       intensit evaporation/infiltration rate

ft/sec

• 유출량은 Manning 방정식에 의해 구함

 WhereW=subcatchmentwidch, ft               n = Manning’sroughness coeffcient              dp = depth of depression storage, ft              S = subcatchment slope, ft/ft

• (1) 식과 (2) 식을 이용하여 미지수인 길이 d 를 구할 수 있으며 , 이를 비선형저수지방정식이라 함

• 식 (3) 은 각각의 시간간격에 대해 풀어야하며 시간간격의 초기시간과 최종시간을 각각 d1,d2 라하면 식 (3,4) 은 다음과 같음

• 식 (3,4) 를 Newton–raphson 시행착오법에 의해 d2에 대해서 풀고 이값을 Manning 방정식에 대입시켜 시간간격의 마지막 순간유출량을 산정 함

• Ratingcurvemethod

- 일반적으로 침전물질의 부하율은 유량이 증가 할수록 부하율이 증가하는 Ratingcurve 의 관계를 나타내며 다음과 같음

Where  WFLOW = subcatchment runoff,efs                POFF = constituent load washed off                         at time, t,mg/s                ROCEF =coefficient that includes corret                        units conversion                WASHPO = exponent

 • 오염물질이 한정되어 있지 않은 소유역 특히 홍수 기간

동안 오염물질의 유출은 Ratingcurve 형태를 띠는 경우가 많으며 식에 의해 설명되어진다 .

3) Run the example data