swat-swmm 결합모형을이용한...

SWAT-SWMM 결합모형을 이용한도시지역 유출해석

2008. 7. 30.

1. 필요성 및 목적

2. SWAT과 SWMM 모형 비교

3. SWAT과 SWMM 모형의 결합

4. SWAT-SWMM 결합모형의 특성

5. 입력자료 구축

6. SWAT-SWMM 결합모형의 적용결과

7. 결과의 요약

발 표 순 서

1. 1. 필요성필요성 및및 목적목적

도시화로 인한 유역특성변화 요소를 고려할 수 있는

수문모형의 구축

준 분포형 장기 유출모형인 SWAT과 도시지역의

유출해석에 주로 이용되는 SWMM 모형의 RUNOFF

블록 결합

자연유역은 물론 도시유역의 제반 유역특성을 적절히

고려할 수 있는 SWAT-SWMM 결합모형의 시범 적용

2. SWAT2. SWAT과과 SWMM SWMM 모형의모형의 비교비교

규모에 따른 유역의 구분 (1)

SWAT 모형은 대상유역(basin)을 여러 개의

소유역(subbasin)으로 구분하고, 소유역을 동일한 특성을

가진 HRU로 세분하여 유출 산정하고, 도시지역의 HRU는

투수지역, 배수관에 직접연결된 불투수지역, 배수관에

직접연결되지 않은 불투수지역 등 3개로 세분됨

SWMM 모형은 대상유역(catchment)을 여러 개의

소유역(subchachement)으로 구분하고, 소유역을 투수지역,

지면저류가 있는 불투수지역과 지면저류가 없는 불투수지역 등

3개(snowmelt가 실행되면 4개로 구분됨)로 세분하여 유출

산정


규모에 따른 유역의 구분 (2)

일반적으로 도시지역은 상류가 주로 산지나 삼림이고 하류의

하천주변에 주로 발달하는 특성이 있고, SWMM은 작은

면적의 도시지역을 대상으로 개발되었음

대상유역은 basin(SWAT), 소유역은 subbasin(SWAT) 또는

catchment(SWMM), 소유역의 세분은 HRU(SWAT) 또는

subcatchment(SWMM)으로 대응시킴

도시지역의 HRU 또는 subcatchment는 투수지역 또는

불투수지역으로 다시 세분됨


도시지역의 지표면 유출

투수지역

불투수지역합성 CN의 산정

총 유출 총 유출

[SWAT] [SWMM]


도시지역에서의 침투

투수지역

불투수지역

[SWAT] [SWMM]


지표면 유출과 침투

SWAT SWMM

SCS CN 방법 또는 Green & Ampt방정식SCS CN 방법을 이용할 경우 도시HRU의 지표면 유출량은 합성 CN이용HRU의 지표면 유출량을 지체시켜소유역내 주 수로에 유입

CN 값이 일별로 갱신

HRU 면적에 대해 균일하게 침투

Hroton 방정식 또는 Green & Ampt 방정식RUNOFF 블록의 경우, 비선형저수지 방정식 이용

소유역에 대해 3개 또는 4개로세분하여, 각각의 지표면유출량을 합산하여 소유역에출구로 유출침투능 회복방정식에 의해 침투능회복투수면적에서만 침투하고, 소유역에 대해 균등하게 분포


도시지역에서의 증발산

투수지역

불투수지역

[SWAT] [SWMM]


증발산

SWAT SWMM

잠재 증발산량 산정실재 증발산량은 식물피복에 의한증발 및 증산량과 눈에 의한 승화및 토양으로부터의 증발량 산정식물에 의한 증산량은 LAI, 식물성장, 토양층의 가용수분등의 함수토양증발량은 토양층으로부터만발생눈으로부터의 승화고려HRU의 전 면적에 대해 증발산발생

최대 증발산량 입력지면저류량의 증발량, 비포화지대의 증발산량, 포화지대의 증산량 산정특별히 고려하지 않음.

비포화지대에서 최대증발산량과수분량을 간단히 고려하여 산정고려하지 못함소유역의 투수지역에서만 발생


토양구조의 비교

비포화 대수층

포화 대수층

깊은 대수층

토양층

포화 대수층(얕은 대수층)

비포화 대수층

깊은 대수층

지표하

지하수

투수지역

[SWAT] [SWMM]


토양구조

SWAT SWMM

토양층, 비포화 대수층, 포화대수층(얕은 대수층, 깊은대수층)으로 구분토양층에 의한 측방흐름 및토관흐름을 고려하여 지표하유출량 산정HRU의 지표하 유출량을 지체시켜소유역내 주수로에 유입

비포화 대수층과 포화대수층으로구분

고려하지 못함

-


지하수

SWAT SWMM

토양층 최하단의 침루량이 비포화대수층을 침루 및 지체하여 얕은대수층과 깊은 대수층을 함양깊은 대수층의 수분함량과 깊은대수층으로의 침루량은 유역외로사라지는 손실량사용자 입력치와 얕은 대수층의수분함량에 따라 지하수 유출량산정HRU가 위치한 소유역의 주수로의상류에 유입

침투량이 비포화 대수층을거치면서 침루하고 포화대수층을함양유역외 손실량인 깊은 침루량산정

하천수위와 지하수위를 고려하여지하수 유출량 산정

사용자가 지정한 소유역으로 유출


하도 또는 수로/관의 추적

d

d0 d1

QW = f2(t)

Q

S

I

QGW

Q I = f1 (t)

[SWAT] [SWMM]


하도유출

SWAT SWMM

소유역내 주수로에 대해변동저류추적법과 Muskingum방법으로 하도 추적

수로형태는 1:2의 사다리꼴로가정하고, 사다리꼴의 상부폭을5배 확장하여 홍수터 가정수공구조물 고려 못함

소유역 수와 하도수가 동일

RUNOFF 블록의 경우, 수로/관에대하여 비선형 저류방정식을이용하여 수로 또는 관의 수위 및유량 산정수로 또는 관의 형태를 다양하게입력 가능

광정, 예연, 삼각위어와오리프스는 사디리꼴, 포물선수로, 원형관과 결합하여 모의가능다름

3. SWAT3. SWAT과과 SWMM SWMM 모형의모형의 결합결합

SWAT과 SWMM 모형의 분해 (1)

SWAT 모형과 SWMM 모형을 입력부분, 계산부분,

출력부분으로 분해

SWAT SWMM


SWAT과 SWMM 모형의 분해 (2)

SWMM 모형을 SWAT 모형의 구성형태로 재구성하기

위해 유역추적과 하도추적 분해

HYDRO RDIIRES

GUTTER

WSHED

RDIISHED

QSHED

GUTTER

SMSTAT

RDIIRES

GUTTER

WSHED

RDIISHED

QSHED

GUTTER

SMSTAT

HYDRO

단위기간 루프

타임 루프

단위기간 루프타임 루프

타임 루프

W-2


SWAT과 SWMM 모형의 결합

S-2

Yes

S-1

SWMM run ?No

W-1

subbasin ?

Start

End

route ?

SWMM run ? SWMM run ?

Yes

W-2-1 W-2-2

No No

SWAT의subbasin

SWAT의route

Yes YesNo No

SWMM run ?

W-2-3

Yes

Yes

No

SWMM run ?

W-3

Yes No

4. SWAT4. SWAT--SWMM SWMM 결합모형의결합모형의 특성특성

유역추적 (1)

구 분 SWAT SWMM SWAT-SWMM

snowmelt

-HRU에 내리는강수에 대해 강우또는 강설을 구분

-HRU에 대해융설계산

- isnow 옵션

0 : 수행하지 않음.

1 or 2 : 단기 or 장기 snowmelt 수행

- isnow=0인 경우SWAT을 이용

- isnow=2인 경우SWMM의snowmelt 이용

잠재

증발산

-HRU별로잠재증발산 산정

-이로부터 실제토양증발과식물증산의 산정

- ivap 옵션에 따라입력형태가 다름.

- ivap=0인 경우증발자료를 읽지않고 설정 값이용(3mm/day)

- ivap=0인 경우SWAT

-나머지는 SWMM의방식 이용.


유역추적 (2)


침투, 침루와지하수

-침투 : CN과Green & Ampt방법

-침투량은 먼저 개개토양층 물수지를통해 측방흐름량, 침루량 등을 결정

-토양층을 초과하는양이 침루하여지하수위 상승

-Horton과 Green & Ampt 방법

-비포화지대와포화지대로 구성

-측방흐름을계산하지 않음

-침투량이 침루하여지하수위 상승

-SWMM에 지하수와관련된 입력자료가있을 경우 SWMM

-없을 경우 SWAT의침루와 지하수산정체계 이용


유역추적 (3)


하천

유입량

-HRU가 위치하고있는 소유역의주수로에 지표면, 지표하, 지하수유출이된다고 가정

-지표면 유출량은배수관 또는 수로를통해 유출되고

-지하수유출은 소유역출구 또는 사용자에의해 지정된 출구로유출

-SWMM에지하수관련 변수가입력되지 않으면지하수 유출양은SWAT으로 계산되고, 지하수는 소유역출구로 유출

유의점-SWMM에서 계산된 또는 계산할 수 있는 변수만 SWAT으로 넘기고나머지 계산은 SWAT의 체계를 따름.


하도추적


하도추적

-각 HRU에서산정된 유출량이지체되어 소유역의주수로에 유입된다고 가정

-상류에 소유역이있으면 상류유출량과 소유역유출량이 합쳐져하도추적을 수행

-변동저류추적법또는 Muskingum 방법 이용

-지표면 유출량이수로/관에 유입된후 하도추적 수행

-SWMM 모형자체가유역을 대상으로구성된 프로그램이므로 상류된 유입에관한 사항 없음

-비선형 저류방정식이용

-도시지역을 제외한나머지를 SWAT으로 모의

-상류에 소유역이있는 경우 유출량을SWMM의 주수로에유입시키고, 하도추적은 SWMM이용


모형별 특성비교


지표면 특성

(불투수/투수지역)○ ○ SWMM

배수특성

(수로/관)× ○ SWMM

도시지역 상류의

다양한 토이지용○ △ SWAT

증발산량 △ △ SWAT, SWMM

지하수 유출 ○ ○ SWAT, SWMM


요약

SWAT 모형에 SWMM 모형의 RUNOFF 블록을 병렬로

결합시킨 SWAT-SWMM 결합모형 구축

개발된 SWAT-SWMM 결합모형은 도시지역에 대하여

snowmelt, 잠재증발산, 지표수, 침투, 침루, 지하수 등의

수문순환요소를 개개 모형에 포함된 방식을 모두 이용할 수

있도록 개선

SWAT-SWMM 결합모형은 SWMM 모형의 WET time

step만 이용

5. 5. 입력자료의입력자료의 구축구축

경안천 유역내 오산천 유역

유역면적 : 47.95 km2

3개의 소유역으로 분할

SWAT 모형과 SWAT-SWMM

결합모형의 모의결과를 수문성분별로

비교

수문성분별 SWAT 모형과 SWMM

모형의 모식방법 검토

##

#

3

2

1

5. 5. 입력자료입력자료 구축구축

소유역 분할 및 하천망 구성

3

2

1


도시 소유역의 가정

2

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

: HRU

: 수로/관

13

: 소유역

82

81

83

8986

88

78

75

77

90

80 76

79

85

9184

87

3

2

1


도시 소유역과 하천망


도시 소유역과 토지이용도


도시 소유역과 토양도


도시 소유역의 모식

6. SWAT6. SWAT--SWMM SWMM 결합모형의결합모형의 적용적용 결과결과

증발산량

SWAT 모형의 경우 증발산

량은 서서히 증가하여 6-8

월 사이에 크게 증가한 후,

서서히 감소

SWMM 모형의 경우 특정

일에 크게 증가하였다가

무강우시 거의 일정하게

유지0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360Julian day

Evap

otra

nspi

ratio

n (m

m/d

ay)

SWAT-SWMM 결합모형SWAT 모형

SWAT 모형은 증발산에 저항하는 요소가 모형에서 고려되나,

SWMM 모형은 이러한 저항요소가 고려되지 않아 증발산량의

분포에 많은 차이 발생


지표면 유출량

SWAT > SWMM

SWAT 모형은 SCS CN

방법, SWMM 모형은

Horton의 침투능방정식을

이용했을 경우로, 지표면

유출량과 침투량의 분리

방법에 의한 차이0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360Julian day

Surf

ace

runo

ff (m

m/d

ay)


토양으로의 침투량은 토양수분과 밀접한 관계가 있으며, 두 모형

은 침투능의 회복방정식에서도 차이를 보임


지하수 유출량

SWAT < SWMM

SWAT 모형은 지표하+ 지하수, SWMM 모형은지하수 유출량을 의미

SWAT 모형에 의한 지표면유출량이 더 크므로 침투량및 지하수 유출량은SWMM 모형의 결과가 큼

토양구조의 경우 SWAT 모형은 토양층, 비포화 대수층포화대수층, 깊은 대수층 등 4개의 층, SWMM 모형은비포화 대수층, 포화 대수층, 깊은 대수층 등 3개의 층으로구성되어 두 모형에서 토양층을 모식하는 방법이 서로 다름

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360Julian day

Soil

runo

ff (m

m/d

ay)



수문성분별 유출량 비교

연 강우량에 대하여 증발

산량, 지표면 및 지하수

유출이 기여하는 양을 비교

증발산량과 지하수 유출

량은 SWMM, 지표면 유출

량은 SWAT 모형에 의해

산정된 결과가 크게 분석

1987년의 경우, 두 모형에 의한 소유역 유출량은 유사한

반면, 지표수와 지하수 유출량의 구성량은 뚜렷한 차이를

보임

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

SWAT SWAT-SWMM SWAT SWAT-SWMM SWAT SWAT-SWMM

수문성분별

유출량

(mm

)

Groundwater Subsurface runoff Surface runoff Evapotranspiration

1985 1986 1987


하천 유출량

적용유역의 1, 2번 소유

역은 SWAT 모형으로

모의되고, 3번 소유역만이

SWAT과 SWAT-SWMM

결합모형으로 모의

도시 소유역의 경우 하천망,

토지이용도, 토양도 등이

서로 다름

도시 소유역이라 가정한 3번 소유역의 하도추적은 SWAT

모형의 경우 Muskingum 방법, SWMM 모형의 경우

비선형저류방정식과 Manning식 이용

0.00

0.01

0.10

1.00

10.00

100.00

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360Julian day

Dis

char

ge (c

ms)


7. 7. 결과의결과의 요약요약

장기 강우-유출 모형인 SWAT 모형에 도시지역의 영

향을 적절히 고려할 수 있도록 SWMM 모형을 포함시

킨 SWAT-SWMM 결합모형을 경안천 유역내 오산천

유역에 적용

SWAT과 SWMM 모형에 의한 수문성분을 정량적으로

비교 분석하였고, 수문성분의 모식방법 검토

하천출구에서의 유출체적은 SWAT 모형에 의한 결과

가 약간 크게 분석되었으나, 첨두유출량은 SWAT-

SWMM 결합모형에 의한 결과가 30-50% 정도 크게

산정

swat-swmm 결합모형을이용한...

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