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

1. 환경모델링중간고사 2-1.Study and explain the Watershed and Sewer Management model SWMM. 20041462이승윤

2. (1)Theory(Physical Processes,Chemical Processes,Biological Processes)

3. SWMM 모형은 도시지역의 수량 및 수질을 모델링하기 위하여 개발된 모형 • 유역내 강우, 지표유출, 수질변화에 관계된 모든 부분의 해석을 수행할 수 있게 개발되었으며, Extran의 모듈을 사용하여 Backwater, 배수관망에서의 수리 유동상황을 역동적으로 해석할 수 있음

4. 1969년에서 1971년에 걸쳐 미국 EPA에서 개발된 SWMM은 도시지역의 지표유출 해석에 광범위하게 사용되었으며, 1994년에 4.3 Version으로 개량 • 유역내의 우수관로, 합류식관로, 자연배수로 등에서의 유동, 수위, 오염물 농도 등을 해석

5. SWMM은 실행, 유출, 이동, Extran, 저류 및 처리의 5개의 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

6. 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

7. 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

8. 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 SWMM이 개발되었음 

9. 강우와 용설에 의해 유출이 발생, 비선형 저류방정식에 의해 지표면유출을 묘사, 침투량 산정에는 Horton 혹은 Green-Apmt방정식을 사용 • 지표수 수질은 건기동안 오염물질의 선형/비선형 축적과 감소인자에 의한 오염물질의 유실을 기본으로 함 • 건기시 유량 및 수질계산은 인구밀도와 같은 통계적인 인자와 Shield기준에 의한 관로 내 SS의 퇴적을 기본으로 함

10. 화학적과정 • Runoffbolck에서는 10개의 수질, transportmodul에서의 3개의 수질모의가 가능 • 다른 모형과의 연계 – 수질모형인 WASP와 DYNHTD모형, 독립적이거나 전체의SWMM모형과 HEC, STORM, QUAL-Ⅱ모형 • 모형의 정확성 – 유출은 약간의 보정에 의해 비교적 정확한 결과를 얻을 수 있음, 수질은 폭넓은 보정을 필요로 하며 실측자료가 없을시 매우 부정확함

11. 모형의 구조 • Blosk형태로 구성 – 5개의 serviceblock • 4개의 computational block • 각각의 block은 특정한 기능을 가지며 block 특정한 기능을 가지며 다른 block에서 사용 • 일반적으로 executive block과 하나 혹은 두개의 computationnal block과 함께 실행

12. 모형의구조

13. Runoffblock • 본 모형은 swmm모델의 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.

14. 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

15. 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 200개의 배수 구 역 및 200개의 수로/관로 및 유입으로 세분  • 유출부 모형은 다른  swmm의 부모델으로 file을 전환함으로써 200개의 유입부 및 10개의 성분에 대한 수문곡선 및 오염도곡선을 출력 

16. Transportblock • 이동모형은 하수관거를 통하는 유량 및 오염물 경로를 상세히 추적 • 유량경로는 kinematic wave 기법을 사용하는 반면, 수질은 초기이동에 대한 완화기준에 근거하여 1차 감소 및 하수관거내의 세척 및 퇴적모의실험, 건기의 유량 및 수직의 산출 등을 포함 • 이동부모형은 interfacefile에 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

17. (2) Numerical Algorithm

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

19. 비선형 저수지는 연속방정식과 Manning방정식에 의해 결정되어지며 지면에 저류되 sanf의 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

20. 유출량은 Manning방정식에 의해 구함 WhereW=subcatchmentwidch, ft n = Manning’sroughness coeffcient dp = depth of depression storage, ft S = subcatchment slope, ft/ft

21. (1)식과 (2)식을 이용하여 미지수인 길이 d를 구할 수 있으며, 이를 비선형저수지방정식이라 함

22. 식(3)은 각각의 시간간격에 대해 풀어야하며 시간간격의 초기시간과 최종시간을 각각 d1,d2라하면 식(3,4)은 다음과 같음 • 식(3,4)를 Newton–raphson 시행착오법에 의해 d2에 대해서 풀고 이값을 Manning방정식에 대입시켜 시간간격의 마지막 순간유출량을 산정 함

23. Ratingcurvemethod • 일반적으로 침전물질의 부하율은 유량이 증가 할수록 부하율이 증가하는Ratingcurve의 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

24. 오염물질이 한정되어 있지 않은 소유역 특히 홍수 기간 동안 오염물질의 유출은Ratingcurve형태를 띠는 경우가 많으며 식에 의해 설명되어진다.

25. 3) Run the example data