전산모형 및 지리정보시스템 을 결합한 Web 기반의 유역 및 하수도관리시스템 의 개발

1. 전산모형 및 지리정보시스템을 결합한Web 기반의유역 및 하수도관리시스템의 개발 2000.11.27 강원대학교 대학원 환경·생물공학과 환경시스템 연구실 박 형 춘

2. 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

3. 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 1.1 연구배경 및 목적

4. 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

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

6. 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

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

8. 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

9. 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

10. RUNOFF모형과 TRANSPORT모형의계산절차

11. 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

12. 오염물의 축적식(Buildup) • Power-linear PSHED(T) : Accumulation mass of pollutant att (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

13. 침투방정식 • Horton’s Equation • fp는 임의의 시간에서 침투능(mm/hr) • f0는 초기침투능 (mm/hr) • f는 종기 침투능 (mm/hr) • k 감쇄율 • t는 강우 개시시간

14. 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 TRANSPORT모형의 기본방정식

15. 관거내에서 오염물의 추적RUNOFF& 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)

16. 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

17. 3.1기본 GIS 데이터베이스 구축 • 지형도 • 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)

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

19. 지형도시경계내의 등고선, 도로망, 수계망

20. 토지이용도

21. 녹지자연도

22. 토양도

23. 배수구역 및 차집관거

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

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

26. Algorithm ofFlow Direction and sink filling ZonalFill and Merge requestfilledDEM.FlowDirection(False)

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

28. DEM  Filled DEM  Flow Direciton  Flow Accumulation

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

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

31. 표고분석100m: 58.5%, 100:48.5

32. 경사도 분석10%:51.1%, 10%:48.9%

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

34. 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

35. 하수처리구역으로 절출된토지이용도 및 소유역

36. 소배수유역 및 토지이용 비율주거지 62.9%, 녹지, 14.4%, 상업 8.7%, 공업7.8%, 학교 6.2%

37. 배수체계도 및 배수관의 단면도

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

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

40. 4.1 SWMM과 ArcView의 결합 • 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

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

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

43. 환경질 자료구축및 분석

44. 복합 대화상자(Combo Box)를 이용한자료의 선택 및 분석

45. 멀티미티어 자료의 공간적 연결-사진, 도면, 동영상

46. 팝업메뉴를 이용한 자료분석-해당 테이블, 챠트

47. 3차원 분석기능을 이용한시설물 및 인문환경의 분석

48. 4.2 강우유출모형의 적용 • 대상유역 : 춘천시 하수처리구역 • ArcView를 이용한 입력자료 분석 및 구성 • RUNOFF모형의 적용 • 결과의 분석 • 모형의 파라미터 예민도 분석

49. 모형의 파라미터 추출 과정

50. RUNOFF모형의 입력자료 구성