최적화와 침수피해를 고려한 도시유역 우수관망의 최적 개량 방안 연구 = A study on the optimal improvement plan for a urban sewer network using the optimization method and flood damage assessment
최근 국지성 집중호우에 따라 단시간동안 급격한 강우량이 발생하고 있으며 도시지역은 불투수면적의 증가로 도달시간이 감소하고 유출량은 증가되어 배수시스템의 용량을 초과하여 도시유역에서 지속적으로 침수피해가 발생하고 있다. 도시유역의 침수피해는 대부분 배수시스템의 우수배제 능력의 초과로 인한 내수침수가 발생하며, 비도심지에 비해 상대적으로 직접적인 피해규모가 클 뿐만 아니라 교통마비 등의 2차 피해를 유발할 수 있다. 내수침수를 저감하기 위해서는 기설치된 우수관거의 개량, 저류지 및 배수펌프장의 설치와 같은 구조적 대책과 홍수예경보 프로그램의 개발, 침수해석에 따른 침수위험지역의 예측 등 시스템 및 제도적 개선을 통한 비구조적 대책으로 구분할 수 있다. 일반적으로 구조적 대책은 직접적으로 침수피해를 저감할 수 있으나, 대규모 예산이 장기간에 걸쳐 투자되어야 한다는 단점을 가진다. 따라서, 강우로 인한 유출량을 산정하고 침수해석을 통해 침수발생지역을 예측하여 대상유역의 특성을 고려한 효율적이고 경제적인 우수관거 개량 방안이 필요하다.
기존의 침수저감을 위한 하수관거 개량사업은 설계빈도에 따른 확률강우량을 합리식 및 SWMM 모형 등을 통한 강우-유출 해석으로 설계홍수량을 산정하여 개별 관거의 관경을 결정하였다. 도시유역에서 강우로 인한 유출해석은 대부분 SWMM 모형을 이용하며, 국내에서는 일반적으로 실무자의 경험을 토대로 우수관거를 개량하여 실무자 개인의 능력에 따라 다른 결과가 도출된다. 실무자의 주관적 판단에 따른 시행착오법에 의한 우수관거의 개량 방법은 설계안의 개수가 제한적이고, 설계강우에 따른 유출량만을 고려하기 때문에 더 나은 개선안이 도출되지 않을 수 있다. 본 연구에서는 EPA SWMM과 프로그램 개발도구를 통해 최적화 알고리즘을 연계하여 객관적이고 다양한 설계안의 도출이 가능한 시스템을 개발하고자 하였다. 또한, 기존 강우-유출에 대한 최적화는 목적함수로 비용의 최소화 또는 비용, 신뢰성, 월류량 등의 다목적 최적화를 수행하였으나, 이는 내수배제를 위한 더 나은 개선안이 도출되지 못할 수 있으므로 본 연구에서는 월류량의 최소화를 목적함수로 하였으며 패널티 함수를 사용하여 기존 관망의 공사비를 초과하는 설계안은 제외하였다.
EPA SWMM은 지표면에 따른 침수해석 기능이 없으므로 월류 발생 지점에서의 월류량만을 산정하나, 이는 침수심 및 침수면적을 고려할 수 없으므로 지표면의 특성을 고려한 2차원 침수해석을 통해 보다 정확한 침수분석이 필요하다. 따라서 최적화를 통해 도출된 대안들을 2차원 침수해석이 가능한 상용화 프로그램인 XP SWMM에 적용하여 침수분석을 수행함으로서 침수량을 산정하고 침수양상 및 침수발생위치를 검토하였다. 또한, 사회·경제적 가치에 따른 대상유역의 특성을 고려하기 위해 침수피해 평가를 수행하고 그 결과를 반영하여 우수관거를 개량하고자 하였다. 침수피해평가를 위해서 토지이용도를 기반으로 도시유역의 침수피해 항목을 산정하였으며, AHP-Entropy 방법의 연계를 통해 침수피해 항목별 상대적 중요도와 대안 간의 편차를 모두 고려하여 침수피해 평가를 수행하였다. 최종적으로 침수피해 평가결과를 반영하여 각 대안별 침수량에 따른 우선순위를 산정하였으며, 침수양상 및 침수발생위치의 중요도를 고려하여 최적의 우수관거 개량 방안을 선정하였다.
Recent localized heavy rainfall has caused rapid rainfall for a short time. In urban areas, the time of concentrate decrease and the runoff increase are caused due to the increase of impermeable area and the flooding damage occurs continuously because of exceeding the capacity of the drainage system. Inundation damage in urban watersheds is mostly due to the excess capacity of the drainage system. This is not only a large direct damage compared to the non-urban area, but also may cause secondary damage such as traffic paralysis. The method to reduce the inundation classify structural methods such as the improvement of stormwater drainage, the installation of reservoirs and pumping stations and the non-structural methods through institutional improvement such as the development of the program to predict the occurrence of flooding and flood area. In general, structural methods can directly reduce flood damage but it have the disadvantage that large budgets must be invested over a long period of time. Therefore, it is necessary to plan the runoff due to rainfall and to predict the inundation area through inundation analysis, and to efficiently and economically improve the drainage system considering the characteristics of the target watershed.
In the sewer network improvement plan to reduce the existing inundation, the probability of rainfall based on the design frequency was estimated by the rainfall-flow analysis using rational equations and SWMM model and then the diameter of individual conduits was determined. Most of the runoff analysis in urban watershed is using SWMM model and in Korea, the result is different depending on the practitioner's experience. This study aims to derive objective and various design plans by linking optimization algorithms and EPA SWMM. In the optimization, the objective function is to minimize the amount of overflow which is the main purpose of the drainage system.
Since inundation analysis is necessary through two-dimensional flood analysis considering the surface altitude characteristics, inundation analysis is performed by applying the alternatives derived from optimization. In this study, immersion analysis was performed using XP SWMM. It was calculated the inundation amount, pattern and location. In addition, in order to consider the characteristics of the target basin according to socio-economic values, the flood damage assessment was performed and the results were reflected when improving the stormwater drainage system. For the flood damage assessment, the flood damage items of urban watersheds were classified based on land use. In order to consider both the relative importance of each item and the variation between alternatives, the flood damage assessment was performed by linking the AHP-Entropy method. Finally, the priority was calculated according to the inundation amount of each alternative by reflecting the result of the inundation damage assessment and the optimal stormwater improvement plan was selected considering the importance of the inundation pattern and the location of the inundation
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