소수계 물 관리 시스템 개발을 위한 통합 모델 연구

Abstract

본 연구에서는 하천의 상류에 위치해 있는 작은 수계를 대상으로 최적 물 관리를 목적으로 하는 시스템에 적용할 수 있는 유역모델과 수질모델을 연계 적용하였다. 한강 지류인 경안천을 대상으로 상세한 시스템을 구성하여 연속 모의와 작은 시간 단위까지 예측이 가능하도록 SWMM과 WASP5를 적용 모델로 선정하고, 1996년 1년을 대상으로 적용하였다. 지형 조건과 취, 배수 지점에 근거하여 22개의 소유역과 111개의 세부유역으로 나누어 유역 시스템을 구성한 후, 유역 모델인 SWMM을 적용하였다. DEM을 분석하여 하천과 유역과 관련한 지형 정보를 추출하였고, 지리정보시스템을 이용하여 토지이용도와 토양도를 소유역별로 분석하여 얻어낸 지역 특성인자를 유역모델에 입력하였다. SWMM RUNOFF 블록에서 산정된 유출 수량은 기존의 취, 배수 자료와 함께 수문을 계산하는 SWMM EXTRAN 블록에 적용하여 대상 유역의 전반적인 일별, 시간별 수문 변화를 모의, 예측하였다. 유역 모델에서 예측한 소유역별 비점 오염 부하량은 수질 모델에 입력하였다. 수질모델은 동적 모델로 SWMM과 연계가 용이하게 구성되어있는 WASP5를 선택하였다.대상 수계를 유역, 수문 모델의 소유역 구분에 근거하여 전체 45개 구획(Segment)으로 나누고 BOD, TN, TP 세 가지 수질 항목을 대상으로 대상 수체의 변화를 모의하였다. 적용 결과, 유역, 수문 그리고 수질 모델을 연계한 시스템이 전반적으로 대상 유역의 수문, 수질 경향을 잘 모의함을 보였다. 일부에서 보이는 오차는 소유역별 자세한 측정 자료나 지형, 수리 구조물에 대한 정보 부족, 모델 자체의 결함 또는 선행 모델 결과에서 발생한 오차에서 기인한 것으로 사료된다. 이 결과를 바탕으로 토지이용변화와 설계 강우 시나리오를 적용하여 그에 따른 대상 수체의 변화를 모의하였다. 토지이용변화는 대상 유역에서 진행중인 도시계획에 근거하여 인구를 기준으로 도시 면적을 증가시키고 그에 따른 불투수 비율도 조정하였다. 점 오염 부하량은 정확한 예측이 불가능하므로, 인구 증가에 따른 배출부하량 변화만을 고려하였다. 모의 결과 수문은 토지이용변화 전의 모델 예측값과 비교하여, 기저 유량에는 큰 변화가 없으나, 첨두 유량이 최고 135%까지 증가함을 보였다. 이는 유역 내 불투수 지역이 증가함에 따른 것이다. 수질 경향은 강우시기에는 희석효과로 크게 증가하지 않았으나, 비강우시기에 점오염 부하량이 증가하여 오염 정도가 급격하게 증가하였다. 모델 시스템을 유역 내 범람 예측에 적용하기 위해 20, 30, 50, 80, 100년 빈도 24시간 확률 강우를 적용하였다. 적용 결과, 유역의 하구로 갈수록, 큰 강우일수록 장시간 동안 범람이 발생함을 보였다. 이상에서와 같이 소수계를 대상으로 적용한 유역과 수질모델이 자세하고 정확한 수문, 수질 예측이 가능하며, 여러 물 관리 방안들에 대해 기초 정보를 제공하고, 평가할 수 있는 시스템에 효과적으로 활용될 수 있을 것이라 기대된다. ; For efficient water managements, watershed and water quality model were linked and applied to a small watershed located on the upper stream. A watershed model, SWMM and a water quality model, WASP5 were applied to the study area, Kyoungan Stream network for 1996. These models are used due to have advantages to simulate continuously and solve in the small time step. The study watershed was divided into 22 sub-watershed and 111 catchments based on the topographic condition and water use and drainage system. Then SWMM RUNOFF block was applied. Topographic data were calculated from DEM analysis. Watershed physical characteristics were estimated by the soil and landuse map analysis using a GIS tool and published literature. Landuse is classified five type: forest, urban, rice paddy, field, others. Soil is characterized by the water permeability SWMM EXTRAN block simulates daily and hourly flow. The system was organized in the link and node series. Flow simulation was based on the runoff flow result and water use and drainage data. The water quality model, WASP5 is a dynamic model. It is connected to SWMM with little effort because the result of SWMM is transformed easily to WASP5 input. The non-point source load and flow data of prior model result is imported to WASP5. The objective stream system was divided into 45 segments based on the watershed delineation. The model estimated three water quality parameters, BOD, TN, TP. In the result of model application, the model estimated hydrology and water quality trend in the study area well. Some errors in the model result were caused by the lack of full measured sub-watershed data and hydraulic structure data, a defect in the model, and the effect of the errors in a prior modeling. The calibrated model was used to estimate how the flow quantity or water quality of a stream would be effected by the change of watershed landuse and the design precipitation. The change rate of landuse was proportionate to the design population in the urbanization plan of the study area. And imperviousness ratio was adjusted based on the changed urban area. Because it is impossible to estimate the exact change of point source load, only the change of load followed by the increase of population was considered. In the hydrology result, the baseflow was maintained constantly, but the peakflow was increased by 135% compared with the estimated value before changing in the landuse. It was resulted from the increase of an impervious area. Water quality parameters were showed not to be increased in the rainy season. Especially, water quality in the non-rainy season was increased rapidly because pollutants from the point source are large in the quantity. The flow analysis of models has been performed based on the design storm in 20, 30, 50, 80, 100 return period for flood prediction. The result showed that the closer to the outlet of watershed and the larger rainfall, the longer it get flooded. The models were proved to be available to estimate the objective small water system in accurate and detail. If it is supplemented some defects, models will be useful in evaluating and deciding the water resource management plan in the small water system.