4. Study and explain the Watershed and Sewer Management model SWMM

1. 4. Study and explain the Watershed and Sewer Management model SWMM 강원대학교 환경공학과 20050147 정수지

2. SWMM 모형은 도시지역의 수량 및 수질을 모델링하 기 위하여 개발된 모형이다. 유역내 강우, 지표유출, 수 질 변화에 관계된 모든 부분의 해석을 수행할 수 있게 개 발 되었으며, Extran의 모듈을 사용하여 Backwater, 배 수관망 에서의 수리 유동상황을 역동적으로 해석할 수 있다. 1969년에서 1971년에 걸쳐 미국 EPA에서 개발된 SWMM은 도시지역의 지표유출 해석에 광범위하게 사용되었으며, 1994년에 4.3 Version으로 개량되었다. 유역내의 우수관로, 합류식관로, 자연배수로 등에서의 유동, 수위, 오염물 농도 등을 해석한다. 4. Study and explain the Watershed and Sewer Management model SWMM

3. SWMM은 실행, 유출, 이동, Extran, 저류 및 처 리의 5개의 부모형으로 구성된다. 실행모형은 모델링 전체를 조절하는 기능을 수행한다. 즉, 부모형간 자료를 구성하고, 입출력을 지시한다. 유출모형은 강우에 의해 유역내에서 발생하는 지표유출과 오염도 변화를 추적하여, 수문곡선 과 오염도 곡선을 출력한다.

4. 유출모형의 계산결과를 다른 모형에서 이용하 여 모델링을 수행한다. 이동모형은 우기 및 건 기의 하수시스템으로의 침입수량을 계산한다. Extran 모형은 배수관망에서의 유량 및 수심 등 의 유동 상황을 추적한다. 관로내의 유량을 해 석하기 위하여 연속방정식과 운동방정식을 연 계하여 계산한다. 저류 및 처리 모형은 수리, 수 질에 대한 저류 및 처리장치의 효율을 평가한다.

5. Window Interface SWMM 모형은 관거 및 수로망을 통하는 지표로부터의 강우 및 오염물의 이동, 저류/처 리시설, 방류수 등을 모의실험할 수 있는 복잡한 모형 이다. 우수 관로, 합류식 하수관거, 자연 배수구 등의 집수유역에 유동, 수위, 오염물 농도 등을 단일 및 계 속적으로 모의실험한다. 모형은 계획 및 설계에 모두 사용되며, 계획 모형은 도시의 유출 문제 및 제시된 완화 조치의 전반적인 평 가에 사용된다. 이것은 장기적인 강우 자료를 사용하여 몇 년동안의 연속적인 모의실험에 의해 이루어진다.

6. 자료 입력 및 모형 실행에 있어 사용자를 돕고 복잡한 모형을 사용자가 친숙하게 하기 위하여 Window Interface SWMM이 개발되었다.

7. 1) Theory •물리적 특성 –강우와 용설에 의해 유출이 발생, 비선형 저류방정식에 의해 지표면 유출을 묘사,침투량 산정에는 Horton 혹은 Green-Apmt 방정식을 사용,지표수 수질은 건기 동안 오염 물질의 선형/비선형 축적과 감소 인자에 의한 오염 물질의 유실을 기본으로 함. 건기시 유량 및 수질 계산은 인구 밀도와 같은 통계적인 인자와 Shield 기준에 의한 관로내 SS의 퇴적을 기본으로함

8. •화학적 과정 – Run off bolck에서는10개의 수 질,transport modul에서의 3개의 수질 모의가가능 ―다른 모형과의 연계 – 수질모형인WASP와DYNHTD모형,독립적이거나전체의 SWMM모형과 HEC,STORM,QUAL-Ⅱ모형 ―모형의 정확성 –유출은 약간의 보정에 의해 비교적 정확한 결과를 얻을수있음, 수질은 폭넓은 보정을 필요로하며 실측 자료가 없을시 매우 부정확함

9. Run off block •본모형은 swmm 모델의 가장중요한모형 •강우 및 온도 부모형 또는 사용자가 정의한 우량 분포로부터 기상자료를 계산한 후 눈융해 모의 실험 기능과 함께 비선형 저류접근법을 사용하여 강우-유출 과정을 모의실험

11. •최종적으로 유출 모형은 하수관로 유입부에서 의 수분곡선 및 오염도 곡선을 출력한다. •본 모형은 몇분–몇 년의 기간에 대한 모델링 을 수행한다. •몇 주 미만의 모의실험은 단일 사상방식,장 기 모의 실험은 연속방식으로 수행된다. 융설을 제외하고는, 모든 계산은 두 가지 경우에 대해 동일하게 수행

12. •유출 부모형에서의 수질 분석 과정은 옵션의 변화를 통해 지표 유출성 분부하의 산출을포함 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  200개의 배수 구역 및200개의 수로/관로 및 유입으로 세분  •유출 부모형은 다른  swmm의 부 모델으로  file을 전환함으로써 200개의 유입부 및 10개의 성분에 대한 수문곡선 및 오염도곡선을 출력 

13. Transport block •이동 모형은 하수 관거를 통하는 유량 및 오염물 경로 를 상세히 추적. •유량 경로는kinematic wave기법을 사용하는 반면, 수질은 초기 이동에 대한 완화 기준에 근거하여 1차 감 소 및 하수 관거 내의 세척 및 퇴적모의실험, 건기의 유량 및 수직의 산출 등을 포함 •이동 부모형은 interfacefile에 의한 유출부 모형 또는 사용 자에 의해 정의 된 입력 자료로부터 산출된 유입부의 수분 곡선 및 오염도 곡선을 사용 •이후에 전기 유량 및 수질, 침투, 각 수로/관거의 오염물 부하, 연구 지역을 결정

14. Numerical Algorithm 지표 유출을 위해서는 소유역을 지면지류가 있 는 혹은 없는 불투수층과 지면 지류가 있는 투수층으로 나눈다. 지면질 류를 비선형 저수지로 가정하여 아래 그림과 지표 유출을 가정.

16. •비선형 저수지는 연속방정식과 Manning 방정 식에 의해 결정되어 진다. 지면에 저류된 양은 연속방정식에 의하며 다음과 같다.

17. • 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

18. 유출량은 Manning 방정식에 의해 구함 Where W =subcatchmentwidch,ft n = Manning’sroughness coeffcient dp = depth of depression storage,ft S = subcatchment slope,ft/ft

19. •(1)식과(2)식을 이용하여 미지수인 길이 d를 구할 수 있으며 이를 비선형 저수지 방정식이 라 한다. •식(3)은 각각의 시간간격에 대해 풀어야 하며 시간간격의 초기시간과 최종시간을 각각 d1,d2라하면 식(3,4)은 다음과 같다.

20. •식(3,4)를 Newton–raphson 시행착오법에 의 해 d2에 대해서 풀고 이 값을Manning 방정식 에 대입시켜 시간 간격의 마지막 순간 유출량을 산정한다.

21. Rating curve method 일반적으로 침전 물질의 부하율은 유량이 증가할수록 부하율이 증가하는Rating curve의 관계를 나타내며 다 음과 같다 Where WFLOW = subcatchment runoff,efs POFF = constituent load washed off at time, t,mg/s ROCEF =coefficient that includes corret units conversion WASHPO = exponent

22. 오염 물질이 한정되어 있지 않은 소유역 특히 홍수 기간동안 오염물질의 유출은 Ratingcurve 형태를 띠는 경우가 많으며 식에 의해 설명되어 진다.