전산수리해석/EPA SWMM 실습

Default 설정

♣♣♣

1. Project > Default 설정 한 뒤,
2. 좌측 메뉴에서 Option 설정할 것.

수리학적 추적 모형

Routing Method

• 정상류(Steady flow)
  • 도관 저류량 영향 검토 불가.
  • 단순히 유역 전체 표면유출수 합산에 불과.
• 운동파(Kinematic wave)
  • 배수, 초과저수량, 범람같은 점변부등류 조건 제외한 상황에만 적용.
• 동파(Dynamic wave)
  • 배수, 초과저수량, 범람같은 도시 배수 시스템에서 발생하는 점변부등류 조건에 적용 가능.

Option

Time steps

Reporting Step은 rainfall data의 시간 단위랑 맞춰준다.

값 입력 팁

관망을 미리 짜둔 뒤, 특성값은 엑셀로 inp를 열어서 공백 기호에 따라 텍스트 구분하여 입력하면 편하다!

Hydrology

Rain Gauge

자주 실수하는 것 : Rain format에서 Volume, Intensity, Cumulative 선택

• Intensity : 강우강도 자료를 사용하는 경우 선택. mm/hr 또는 in/hr로 표기.
• Volume : 강우량 자료를 사용하는 경우 선택. mm 또는 in 단위로 표기.
• Cumulative : 누가강우량 자료를 사용하는 경우 선택. mm 또는 in 단위로 표기.

서로 다른 형태로 변환하는 연습하기. 수문학 기사 문제라 어려울 것 없음.

어떤 형태로 넣든 SWMM 해석 결과가 동일해야 함.(오차도 동일해야 입력을 제대로 한 것임)

time interval은 rainfall data의 시간간격에 맞춰준다.

강우지속시간이 rainfall data의 마지막에 찍히는 시간값과 동일.

만약 Huff 분포 사용 시 무차원값으로 나온다. 차원 있는 값으로 바꾸어주어야 함. 지속시간, 빈도에 따른 확률강우량을 알면, 무차원 확률강우량에 곱해서 구한다.

Subcatchment

• % slope : 평균 표면 경사
• % Imperv : 불투수 면적비
• N Imperv : 불투수면적 Manning 조도계수
• N perv : 투수면적 Manning 조도계수
• Dstore-Imperv : 불투수면적 요지저류 깊이(mm or inch)
• Dstore-perv : 투수면적 요지저류 깊이(mm or inch)
• % Zero-Imperv : 요지저류 없는 불투수면적 비$\left(={\frac {\text{요 지 저 류 없 는 불 투 수 면 적 }}{\text{불 투 수 면 적 }}}\right)$

요지저류란? 유역 내 웅덩이에 모인 저류.

매 subcatchment마다 rainfall gauge 입력 잊지 말아야 함!!

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유역폭 계산

$W=(2-S_{k})L$

• L : 주 배수로 길이

왜곡도 계수

$S_{k}={\frac {A_{2}-A_{1}}{A}}$

• A : 유역 전면적
• $A_{1}$ : 유역 한쪽 면적
• $A_{2}$ : 유역 다른쪽 면적
  

Infiltration model

♣♣♣식 암기

5가지

1. Horton
2. Modified Horton
3. Green-Ampt
4. Modified Green-Ampt
5. Curve Number

Horton

$f_{p}=f_{c}+({\color {red}f_{0}-f_{c}})e^{-kt}$

Where

$f_{p}$ is the infiltration rate at time t(cm/hr)

$f_{0}$ is the initial infiltration rate or maximum infiltration rate(cm/hr)

$f_{c}$ : 종기 침투능 또는 mimimum infiltration rate(cm/hr)

$k$ is the decay constant specific to the soil. 토양 종류, 식생 피복따른 상수.(hr^-1)

침투능은 침투가 진행될수록 감소. 누가침투량은 당연 증가.

total volume of infiltration, F, after time t. 위 식을 적분하여 얻는다.

$F_{t}=f_{c}t+{({\color {red}f_{0}-f_{c}}) \over k}(1-e^{-kt})$

Green-Ampt

$f_{p}=K_{s}{\frac {L+S}{L}}=K_{s}\left(1+{\frac {S}{L}}\right)$

• K_s : 투수계수
• L : 지표면에서 습윤선까지 거리
• S : 습윤면에서 모세흡인 수두(Suction Head)

Darcy의 법칙으로부터 유도됨.

$q={\frac {Q}{A}}=K_{s}\cdot S_{f}$

에너지경사

$S_{f}=-{\frac {\partial h}{\partial z}}$

$q=-K_{s}{\frac {\partial h}{\partial z}}$

$f_{p}=K_{s}{\frac {h_{1}-h_{2}}{z_{1}-z_{2}}}=K_{s}{\frac {h_{0}-(-S-L)}{L}}$

• h₁ : 지면 위 물의 깊이. = h₀ = 작다고 보아 0으로 볼 수 있다.
• h₂ : 습윤선 아래 건조토양에서 수두

습윤선까지 거리가 L이 되는 시각까지 단위면적당 누가침투량

$F(t)=L(\theta _{s}-\theta _{i})=L\times IMD$

• $\theta _{s}$ : 포화토양 함수비
• $\theta _{i}$ : 습윤면 아랫부분 함수비
• IMD : 초기 토양수분 미흡량(Initial Deficit)

정리하여 아래 식을 시행착오법을 통해 F(t) 계산함.

$F(t)=K_{s}t+S\times IMD\times \ln \left[1+{F(t) \over S\times IMD}\right]$

침투능은

$f_{p}(t)=K_{s}\left(1+{\frac {S\times IMD}{F(t)}}\right)$

Curved Number

유출수문곡선#NRCS 유효우량 산정 참고.

• CN 크면 불투수면(도시유역)
• CN 0에 가까우면 투수면(자연유역)
• 유출율 크면 침투율 낮음.

NRCS가 총우량과 유효우량의 관계를 분석한 결과 0에서 100까지의 무차원 유출곡선지수(Curve Number, CN) 제안.

$CN={\frac {25400}{S+254}}\quad or\quad S={\frac {25400}{CN}}-254$

• S : 최대잠재보유수량(Potential maximum retention)

Hydraulics Node

합류지(Junction), divider, 저류지, 배수구(outfall)

Junction

Depth는 Invert의 총 높이(깊이)

Outfall

Type

• Free : 출구 수위를 연결된 관의 한계류 수위와 정상류 수위의 최솟값으로 결정.
• Normal : 연결관 정상류 깊이에 따라 출구 수위 결정.
• Fixed : 유역 출구 수위 고정.
• Tidal : 조석 높이 대 시간으로 구성된 표에 따라 수위 결정.
• Time series : 시계열에 입력된 자료에 따른 수위.

flap gate 설치해야하는 경우 outfall에서 설정해주는 게 아니라, outfall과 연결된 conduit에서 해준다. tide gate랑은 다름.

Storage

필수 입력자료 4

• Invert EL.(표고)
• Max Depth(최대 수심)
• Initial Depth(최초 수심)
• Storage Curve(저류 곡선)

선택 입력자료 5

1. 외부 유입량(Inflow)
2. 오염물질 처리(Treatment)
3. 과부하 수심(Surcharge Depth)
4. 증발계수 (Evaporation factor)
5. 누수손실(Seepage Loss)

Storage curve

Functional curve

$Surface\ area=A\times (Depth)^{B}+C$

• A : Coefficient(표면적과 Storage 깊이 관계 함수의 계수)
• B : Exponent(표면적과 Storage 깊이 관계 함수의 지수)
• C : Constant(표면적과 Storage 깊이 관계 함수의 상수)

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Tabular curve : 면적 대 깊이로 이루어진 커브. 수심은 바닥부터 측정.

Hydraulics link

도관(Conduit), 펌프, 오리피스, 웨어, 배수구

Conduit

Inlet, Outlet 거꾸로 끼우면 안 됨.

Box형은 Rectangular가 아니라 Closed Rectangular로 해주어야 한다.

• Inlet offset : Inlet Invert(node) 바닥에서 관을 들어올린 높이.
• outlet offset : Outlet Invert(node) 바닥에서 관을 들어올린 높이.

♣♣♣관이 역경사가 되면 절점으로 유입하는 관거, 유출하는 관거의 오프셋을 주어 node로 유입 또는 유출구 높이를 바꿔준다. offset 값은 절점 바닥고에서 얼마나 올려야 이전 절점에서 다음 절점으로 하향 직선 연결되는지 그림 그려서 닮음비 이용해 계산해보면 됨. 주의할 점은 이전 절점 또는 다음 절점에 관이 연결될 때 offset이 있다면 삼각형 그릴 때 절점 바닥고가 아니라 바닥고에서 offset된 높이를 가지고 계산해줘야한다.

Pump

기본 입력자료3

1. 유입구 절점(Inlet Node)
2. 유출구 절점(Outlet Node)
3. Pump Curve

선택 입력자료3

1. 초기 가동상태(Initial Status)
2. 펌프 가동수위(Startup Depth)
3. 펌프 정지수위(Shutoff Depth)

Curves

Pump curves

Type 설정도 잊지 말기.

• Type1
  • 오프라인 펌프.
  • 유수지 체적에 따라 점진적으로 증가(계단식 증가)하는 펌프토출량.
  • 실제로는 거의 안 씀.
• Type2
  • 인라인 펌프.
  • 유입구(storage) 절점 수심따라 펌프토출량 점진 증가(계단식 증가).
  • 대한민국의 거의 모든 펌프에서 많이 쓰임. 거의 이거 쓰면 됨.
• Type3
  • 인라인 펌프.
  • 유입구(storage)와 유출구(outfall, 하천) 절점 수두차에 따라 토출량 지속적으로 변함.(계단식 아님)
  • 가변펌프에 사용.
• Type4
  • 가변 인라인 펌프.
  • 유입구 절점 수심따라 토출량 지속적으로 변함.(계단식 아님. Type2와 차이점.)

커브 입력 시 depth 0.51, 1.01과 같은 값을 넣어주지 않으면 커브마다 형태가 많이 바뀔 수 있다.

커브에서 CMS값이 5, 10으로 두 단계로 나뉘어 있는 것은 펌프 역시 두 단계로 운영됨을 의미. 용량 증가는 각각 X배 해주면 된다.

가동조건 변경은 depth 바꿔주는 것.

Dates option

유출이 다 일어날 때까지(관내 유량(Outfall의 Total Inflow) 0 될 때까지) 시간을 늘려주어야 한다.

Subcatchment 유역폭을 줄이는 경우 도달시간이 길어지므로 유출이 다 일어날 때까지 시간설정이 되었는지 재차 확인해야 한다.

profile plot

역경사나 부정접합이 되면 안 된다. 하수도는 중력에 의해 흐르기 때문에 역경사, 부정접합이 확인되면 그 절점에 침수가 일어날 가능성이 있기 때문.

시간에 따라 봐줘야 된다. plot 띄운다음 왼쪽 메뉴 map에서 재생버튼 누르면 시간에 따라 바뀜.

모든 경로에 대해 검토해준다.

summary

• surcharge : 과부하. 만관. 통수능 부족. 가장 높이 있는 conduit의 천정(crown)까지 수위가 차면 surcharge.
• flooding : 만관을 넘어 node에 홍수 발생. 총 월류량 계산은 node flooding 값의 총합.

node flooding이 일어나지 않으면 summary의 드롭다운 목록에 node flooding이 아예 뜨지 않음. flooding 발생하지 않은 node는 나오지 않고, 발생한 node만 표로 나온다.

통수능 부족 해결방안

1. 첨두유량 감소시키는 방안
   • 유역인자 변경 : CN, 불투수 면적비 등
   • 저류지 설치
2. 관거 통수능 향상 방안
   • 관경 확대
   • 추가 우수관 매설