EPA SWMM
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1. 개요
EPA SWMM(Storm Water Management Model)은 도시 유역 관리, 수질 해석, 하수도 시스템 설계 및 홍수 통제를 위한 미국 환경 보호국(EPA)에서 개발한 소프트웨어이다. 이 프로그램은 다양한 수리·수문학적 기능을 제공하여 관망 규모에 제한 없이 수로, 저류지, 펌프 등 수리 구조물을 적용할 수 있으며, 강우-유출, 침투, 지하수 흐름 등 다양한 흐름 조건을 모의할 수 있다. SWMM은 도시 침수 예측, 하수관거 설계, 비점오염 관리, 저영향 개발(LID) 기술 적용 효과 분석 등 광범위하게 활용되며, 기후 변화 시나리오를 통합하여 미래의 홍수 위험을 예측하는 데에도 사용된다. SWMM 엔진을 기반으로 하는 다양한 상용 소프트웨어 패키지가 존재하며, 한국에서도 도시 홍수 방어 및 수자원 관리 분야에서 SWMM 플랫폼을 활용한 연구와 개발이 활발히 이루어지고 있다.
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| EPA SWMM | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
| 이름 | 폭풍우 관리 모델 |
| 다른 이름 | SWMM |
| 개발자 | 미국 환경 보호국 (US EPA) |
| 현재 버전 | 5.2 |
| 운영체제 | 윈도우 |
| 라이선스 | 퍼블릭 도메인 |
| 웹사이트 | 공식 웹사이트 |
| 상세 정보 | |
| 유형 | 강우-유출-지하수 유출 시뮬레이션 모델 |
| 목적 | 도시 지역의 수문 및 수리 분석 설계 및 규모 조정 저영향 개발(LID) 통제 전략 평가 |
| 적용 분야 | 우수 배수 시스템 설계 및 평가 홍수 관리 계획 수립 오염 물질 제어 전략 개발 총 최대 일일 부하 (TMDL) 연구 지원 |
| 특징 | 강우, 증발산, 지표면 유출, 지하수 흐름 등 다양한 수문 과정 시뮬레이션 관망, 하천, 저류지 등 다양한 수리 시설 모델링 물의 품질 변화 예측 (오염 물질 추적) 저영향 개발 (LID) 기술 효과 평가 |
| 입력 데이터 | 강우량 지형 정보 토양 특성 토지 이용 정보 관망 정보 수리 시설 정보 오염 물질 정보 |
| 출력 데이터 | 유량 수위 유속 오염 물질 농도 홍수 발생 지역 LID 시설 효과 |
| 장점 | 사용자 친화적인 인터페이스 다양한 기능 공개 소스 코드 활발한 사용자 커뮤니티 |
| 단점 | 복잡한 모델링 과정 높은 데이터 요구량 전문 지식 필요 |
| 관련 모델 | EPANET (상수도 관망 해석 모델) BASINS (유역 분석 및 시뮬레이션 시스템) |
| 기술적 정보 | |
| 프로그래밍 언어 | C |
| 지원 플랫폼 | 윈도우 |
| 최신 버전 | 5.2 (2023년) |
| 라이선스 | 퍼블릭 도메인 |
| 활용 사례 | |
| 도시 계획 | 도시 개발에 따른 우수 유출량 변화 예측 및 관리 대책 수립 |
| 환경 영향 평가 | 개발 사업이 수질에 미치는 영향 평가 |
| 기후 변화 연구 | 기후 변화가 도시 지역의 홍수 발생 빈도 및 심도에 미치는 영향 분석 |
| 참고 문헌 | |
| 매뉴얼 | SWMM 사용자 매뉴얼 |
| 기술 문서 | SWMM 기술 참조 매뉴얼 |
| 추가 정보 | |
| 관련 웹사이트 | 미국 환경 보호국 SWMM 웹사이트 |
2. 기능
EPA SWMM(Storm Water Management Model)은 도시 지역의 유출수량 및 수질을 시뮬레이션하는 동적 강우-유출-라우팅 모델이다. 단일 사건뿐만 아니라 장기간(연속) 시뮬레이션에도 사용될 수 있다. SWMM은 강우를 받아 유출 및 오염 부하를 생성하는 소유역에서 작동하며, 이 유출수를 파이프, 채널, 저장/처리 장치, 펌프 및 조절기 시스템을 통해 전달한다.
SWMM은 각 소유역 내에서 생성된 유출수의 양과 질, 그리고 각 파이프와 채널의 유량, 흐름 깊이 및 수질을 시간 단계별로 추적한다. 이를 통해 도시 지역의 다양한 수문 및 수리 과정을 고려하여 홍수 통제, 수질 관리, 범람 예측 등 다양한 분야에 활용된다.
SWMM은 크게 수문학적 기능과 수리학적 기능으로 나눌 수 있으며, 자세한 내용은 하위 섹션을 참고할 수 있다.
SWMM은 배수 시스템을 여러 주요 환경 구획 사이의 일련의 물과 물질 흐름으로 개념화한다. 이러한 구획과 SWMM 객체는 다음과 같다.
| 구획 | 설명 | SWMM 객체 |
|---|---|---|
| 대기 | 강수가 내리고 오염 물질이 토지 표면 구획에 침전되는 구획 | 강우량계 (시계열, 외부 텍스트 파일, NOAA 강우량 데이터 사용 가능) |
| 토지 표면 | 하나 이상의 세분유역 객체로 표현되며, 강수(비 또는 눈)를 받고, 지하수 구획으로 침투, 운송 구획으로 표면 유출 및 오염 물질 부하를 보냄. | 세분유역, 저영향 개발 (LID) 제어 |
| 지하수 | 토지 표면 구획에서 침투를 받아 운송 구획으로 전달. | 대수층 |
| 운송 | 물을 배출구 또는 처리 시설로 운송하는 운반 요소(채널, 파이프, 펌프, 조절기)와 저장/처리 장치를 포함. 표면 유출, 지하수 상호 흐름, 위생 건조 날씨 흐름 또는 사용자가 정의한 수위 곡선에서 유입. | 노드 및 링크 |
2. 1. 수문학적 기능
SWMM은 다음과 같은 다양한 수문학적 과정을 모의할 수 있다.- 시간에 따라 변화하는 강우
- 지표면 정체수의 증발
- 적설량, 제설 및 융설
- 불투수 및 투수 지역 모두에서 우울 저장소로부터의 강우 차단
- 불포화 토양층으로의 강수의 침투
- 침투된 물의 지하수층으로의 침투
- 지하수와 파이프 및 도랑 사이의 간극 흐름
- 유역 지표 흐름의 비선형 저수지 라우팅
- 다양한 유형의 저영향 개발(LID) 관행을 통한 강우/유출의 포착 및 유지[17]
저영향 개발(LID) 기능은 SWMM 5.0.019/20/21/22 및 SWMM 5.1+에 새롭게 추가되었다. 이는 소유역 내에 통합되어 있으며, 빗물 저장조, 배수로, 투수성 포장, 녹지 옥상, 우수 정원, 바이오 리텐션 및 침투 트렌치에서 월류, 침투 흐름 및 증발을 더욱 세분화할 수 있다.
SWMM 5.1.013의 LID 제어 기능에는 다음과 같은 녹색 인프라 유형이 포함된다.[17]
- 가로수 화분: 바이오 리텐션 셀은 자갈 배수 침대 위에 놓인 엔지니어링된 토양 혼합물에서 자란 식물을 포함하는 함몰부이다. 이들은 직접 강우와 주변 지역에서 포획된 유출수의 저장, 침투 및 증발을 제공한다.

- 녹지 옥상: 녹지 옥상은 옥상에서 과도한 침투된 강우를 옥상에서 제거하는 특수 배수 매트 재료 위에 놓인 토양층이 있는 바이오 리텐션 셀의 또 다른 변형이다.

- 침투 트렌치: 침투 트렌치는 상류의 불투수 영역에서 유출수를 가로채는 자갈로 채워진 좁은 도랑이다.

- 투수성 포장: 연속 투수성 포장[19] 시스템은 자갈로 채워지고 투수성 콘크리트 또는 아스팔트 혼합물로 포장된 굴착된 영역이다.
- 저수조: 빗물 저장조(또는 저수조)는 폭풍 발생 시 지붕 유출수를 수집하는 용기이며 건조 기간 동안 강우를 방출하거나 재사용할 수 있다.
- 식생 배수로: 식생 배수로는 풀과 기타 식생으로 덮인 경사진 측면이 있는 채널 또는 함몰된 영역이다.
- 습지는 수질 개선, 지하수 재충전, 홍수 방지, 미적 개선 또는 이들의 조합에 자주 사용된다.
- 건조지는 폭풍 후 일시적으로 물을 저장하지만 결국 제어된 속도로 하류 수역으로 비워진다.
- 식생 필터 스트립은 완충 지대의 한 유형으로, 일반적으로 좁고 긴 식생 영역으로, 유출 속도를 늦추어 물에 의해 운반되는 침전물, 유기물 및 기타 오염 물질이 침전되어 제거되도록 한다.
2. 2. 수리학적 기능
SWMM은 관망 규모에 제한 없이 다양한 형태의 수로, 저류지, 탱크, 펌프, 위어, 오리피스 등 다양한 수리 구조물을 적용할 수 있다.[10] 지표면 유출, 지하수 흐름, 침투수, 청천 시 흐름, 사용자 정의 흐름 등 다양한 흐름 조건을 적용할 수 있다. 운동파 또는 완전 동적파 적용이 가능하며, 배수 효과, 역류 등 다양한 수면형을 모델링할 수 있다.[10] 펌프 작동, 오리피스 개폐, 위어 월류수위 설정 등 동적 제어 규칙을 적용할 수 있다.[10]SWMM은 유출수 및 외부 유입을 파이프, 채널, 저장/처리 장치 및 분산 구조의 배수 시스템 네트워크를 통해 라우팅하는 데 사용되는 유연한 수리 모델링 기능을 제공한다. 주요 기능은 다음과 같다:
- 무제한 크기의 네트워크 처리[10]
- 다양한 표준 폐쇄 및 개방 도관 형태뿐만 아니라 자연 채널 사용[10]
- 저장/처리 장치, 유량 분할기, 펌프, 위어 및 오리피스와 같은 특수 요소 모델링[10]
- 지표 유출, 지하수 상호 흐름, 강우 의존 침투/유입, 건조 날씨 위생 흐름 및 사용자가 정의한 유입으로부터 외부 흐름 및 수질 입력 적용[10]
- 운동파 또는 완전 동적파 흐름 라우팅 방법 사용[10]
- 배수, 포화, 역류 및 표면 연못과 같은 다양한 흐름 체제 모델링[10]
- 펌프 작동, 오리피스 개방 및 위어 마루 높이를 시뮬레이션하기 위해 사용자가 정의한 동적 제어 규칙 적용[10]
SWMM5는 도시/교외의 지하 흐름을 배수 네트워크의 수리학적 계산과 통합하여 이전 버전에 비해 크게 개선되었다. 이를 통해 모델러는 실제 개수로/얕은 대수층 환경에서 물리적으로 발생하는 상호 작용을 개념적으로 모델링할 수 있게 되었다.
3. 적용
SWMM은 전 세계적으로 하수 및 폭풍우 연구에 널리 사용되는 모델이다. 일반적인 적용 분야는 다음과 같다.[1]
| 분야 | 설명 |
|---|---|
| 하수도 시스템 설계 및 홍수 통제 | 홍수 통제를 위한 배수 시스템 구성 요소 설계 및 크기 조정, 홍수 통제 및 수질 보호를 위한 저류 시설 및 부속 장치 크기 조정을 수행한다. |
| 합류식 관거 월류 및 비점 오염 관리 | 합류 하수 범람(CSO) 및 위생 하수 범람(SSO)을 최소화하기 위한 제어 전략 설계, 위생 하수 범람에 대한 유입 및 침투의 영향 평가, 폐기물 부하 할당 연구를 위한 비점원 오염 물질 부하 생성을 수행한다. |
| 도시 유역 관리 및 수질 해석 | 습한 날씨 오염 물질 부하를 줄이기 위한 BMP 및 소유역 LID의 효과를 평가하고, 도시 및 농촌 유역의 강우-유출을 모델링한다. 또한 폭풍우, 위생 및 합류 하수 시스템의 수력 및 수질을 분석하고 하수 수집 시스템 및 도시 유역의 마스터 플래닝을 수행한다. |
| 기타 | NPDES 허가, CMOM 및 TMDL을 포함한 USEPA의 규정과 관련된 시스템 평가, 홍수 수준 및 홍수량의 1D 및 2D(표면 연못) 예측을 수행한다. |
EPA SWMM은 퍼블릭 도메인 소프트웨어이므로 누구나 자유롭게 복사하고 배포할 수 있다.[1] SWMM 5 엔진은 C로, GUI는 델파이로 작성되어 있어 학생이나 전문가들이 쉽게 편집하거나 기능을 추가할 수 있다.[1]
3. 1. 하수도 시스템 설계 및 홍수 통제
SWMM은 다양한 하수도 모의에 사용된다. 그중에서도 특히 다음 분야에 주로 활용된다.- 홍수 통제를 위한 하수도 시스템 규모 산정 및 설계[1]
- 홍수 통제 및 수질 관리를 위한 부속시설 설계[1]
- 홍수 통제를 위한 배수 시스템 구성 요소 설계 및 크기 조정[1]
- 홍수 통제 및 수질 보호를 위한 저류 시설 및 부속 장치 크기 조정[1]
3. 2. 합류식 관거 월류 및 비점 오염 관리
SWMM은 합류식 관거 월류량 최소화 설계, 비점 오염에 의한 부하량 평가, 오염물 최적 관리방안(BMP)과 저영향 개발(LID) 효과성 평가 등에 사용된다.[1]3. 3. 도시 유역 관리 및 수질 해석
SWMM은 시가지 또는 초지 유역의 강우-유출을 모델링하고, 우수, 오수, 또는 합류식 하수도의 수리 및 수질을 해석하는 데 사용된다.[1] 또한 하수도 시스템과 도시 유역의 종합 계획을 수립하는 데에도 활용된다.[1]SWMM은 도시 지역에서 유출을 생성하는 다양한 수문 과정을 고려하며, 여기에는 다음이 포함된다.[1]
- 시간 변화 강우
- 지표면 정체수의 증발
- 눈의 축적 및 융해
- 우울 저장소의 강우 차단
- 불포화 토양층으로의 강우 침투
- 침투된 물의 지하수층으로의 침투
- 지하수와 배수 시스템 사이의 상호 흐름
- 지표수 흐름의 비선형 저수지 라우팅
- 다양한 유형의 저영향 개발(LID) 관행을 통한 강우/유출의 포착 및 유지
SWMM은 또한 유출수 및 외부 유입을 파이프, 채널, 저장/처리 장치 및 분산 구조의 배수 시스템 네트워크를 통해 라우팅하는 데 사용되는 유연한 일련의 수리 모델링 기능을 포함한다.[1]
- 무제한 크기의 네트워크 처리
- 다양한 표준 폐쇄 및 개방 도관 형태뿐만 아니라 자연 채널 사용
- 저장/처리 장치, 유량 분할기, 펌프, 위어 및 오리피스와 같은 특수 요소 모델링
- 지표 유출, 지하수 상호 흐름, 강우 의존 침투/유입, 건조 날씨 위생 흐름 및 사용자가 정의한 유입으로부터 외부 흐름 및 수질 입력 적용
- 운동파 또는 완전 동적파 흐름 라우팅 방법 사용
- 배수, 포화, 역류 및 표면 연못과 같은 다양한 흐름 체제 모델링
- 펌프 작동, 오리피스 개방 및 위어 마루 높이를 시뮬레이션하기 위해 사용자가 정의한 동적 제어 규칙 적용
3. 4. 한국의 SWMM 적용
SWMM은 다음과 같은 다양한 하수도 모의에 사용된다.- 홍수 통제에 필요한 하수도 시스템의 규모 도출 및 설계
- 홍수 통제 및 수질 관리를 위한 부속시설의 설계
- 합류식 관거 월류량 최소화를 위한 설계
- 비점 오염에 의한 부하량 평가
- 오염물 최적 관리방안(BMP)과 저영향 개발(LID) 효과성 평가
- 시가지 또는 초지 유역의 강우-유출 모델링
- 우수, 오수, 또는 합류식 하수도의 수리 및 수질해석
- 하수도 시스템과 도시 유역의 종합 계획 수립.
EPA SWMM은 퍼블릭 도메인 소프트웨어이므로 무료로 복제하거나 배포할 수 있다. SWMM 5의 엔진은 C로 작성되어 있으며, GUI는 델파이로 되어있다. 때문에 학생 또는 전문가들은 쉽게 편집하거나, 부가 기능을 만들어 사용할 수 있다.
4. 역사
SWMM은 1969년부터 1971년 사이에 처음 개발되었으며, 이후 여러 차례 주요 업그레이드를 거쳤다.[15] 초기 버전(SWMM1)은 플로리다 대학교(UF), CDM, M&E에 의해 개발되었고, 1975년(SWMM2, UF), 1981년(SWMM3, UF, CDM), 1988년(SWMM4, UF, OSU, CDM)에 걸쳐 개정되었다. 2001년부터 2004년 사이에는 C 언어로 완전히 재작성된 SWMM5가 미국 환경 보호청(EPA)와 CDM에 의해 개발되었다.[15]
현재 SWMM 버전인 5.2.3은 이전 Fortran 릴리스를 C 언어로 완전히 다시 작성한 것이다.[15] SWMM5 코드는 오픈 소스 및 퍼블릭 도메인 코드이며, EPA 웹사이트에서 다운로드할 수 있다.[15]
EPA SWMM 5는 유역 입력 데이터 편집, 수문, 수력, 실시간 제어 및 수질 시뮬레이션을 실행하고 다양한 그래픽 형식으로 결과를 볼 수 있는 통합된 그래픽 환경을 제공한다. Microsoft Windows XP, Windows Vista, Windows 7, Windows 8, Windows 10에서 실행할 수 있으며, Unix에서도 재컴파일하여 실행할 수 있다.[15]
최근 재작성된 EPA SWMM은 미국 환경 보호청의 국가 위험 관리 연구소(National Risk Management Research Laboratory)의 물 공급 및 수자원 부서에서 개발되었으며, 여기에는 CRADA(Cooperative Research and Development Agreement) 하의 CDM Inc.의 컨설팅이 포함되어 있다.
2005년 5월, SWMM 5는 FEMA 모델 승인 페이지에서 승인되었으며,[16] NFIP 모델링을 위해 SWMM 5 버전 5.0.005(2005년 5월) 이상이 승인되었다. SWMM 5는 많은 모델링 패키지의 계산 엔진으로 사용되며, SWMM5의 일부 구성 요소는 다른 모델링 패키지에 포함되어 있다.
4. 1. 초기 개발 (1969-1971)
SWMM은 1969년부터 1971년 사이에 처음 개발되었다.[15] 초기 개발에는 플로리다 대학교(UF), CDM(Camp Dresser & McKee), M&E(Metcalf & Eddy)가 참여했다.[15] 이 기간 동안 개발된 SWMM1은 FEMA(Federal Emergency Management Agency) 승인을 받지 못했고, LID(Low Impact Development) 제어 기능도 포함되지 않았다.[15]| 개발 주체 | FEMA 승인 | LID 제어 |
|---|---|---|
| UF, CDM, M&E | 아니요 | 아니요 |
4. 2. 주요 업그레이드
SWMM은 1969년부터 1971년 사이에 처음 개발된 이후 여러 차례 주요 업그레이드를 거쳤다.[15] 주요 업그레이드는 다음과 같다:| 버전 | 개발 연도 | 주요 특징 |
|---|---|---|
| SWMM 2 | 1973년 ~ 1975년 | |
| SWMM 3 | 1979년 ~ 1981년 | |
| SWMM 4 | 1985년 ~ 1988년 | |
| SWMM 5 | 2001년 ~ 2004년 | C 언어로 재작성[15] |
SWMM 5는 오픈 소스 및 퍼블릭 도메인 코드이며, EPA 웹사이트에서 다운로드할 수 있다.[15] 2005년 5월, SWMM 5는 FEMA 모델 승인 페이지에서 승인되었으며,[16] NFIP 모델링을 위해 승인된 버전은 SWMM 5 버전 5.0.005 (2005년 5월) 이상이다.
SWMM의 주요 버전 출시 및 FEMA 승인 여부는 다음 표와 같다.
| 출시일 | 버전 | 개발자 | FEMA 승인 | LID 제어 |
|---|---|---|---|---|
| 2023년 8월 7일 | SWMM 5.2.4 | EPA | 예 | 예 |
| 2023년 3월 3일 | SWMM 5.2.3 | EPA | 예 | 예 |
| 2022년 12월 1일 | SWMM 5.2.2 | EPA | 예 | 예 |
| 2022년 8월 11일 | SWMM 5.2.1 | EPA | 예 | 예 |
| 2022년 2월 1일 | SWMM 5.2 | EPA | 예 | 예 |
| 2020년 7월 20일 | SWMM 5.1.015 | EPA | 예 | 예 |
| 2020년 2월 18일 | SWMM 5.1.014 | EPA | 예 | 예 |
| 2018년 8월 9일 | SWMM 5.1.013 | EPA | 예 | 예 |
| 2017년 3월 14일 | SWMM 5.1.012 | EPA | 예 | 예 |
| 2016년 8월 22일 | SWMM 5.1.011 | EPA | 예 | 예 |
| 2015년 8월 20일 | SWMM 5.1.010 | EPA | 예 | 예 |
| 2015년 4월 30일 | SWMM 5.1.009 | EPA | 예 | 예 |
| 2015년 4월 17일 | SWMM 5.1.008 | EPA | 예 | 예 |
| 2014년 10월 9일 | SWMM 5.1.007 | EPA | 예 | 예 |
| 2014년 6월 2일 | SWMM 5.1.006 | EPA | 예 | 예 |
| 2014년 3월 27일 | SWMM 5.1.001 | EPA | 예 | 예 |
| 2011년 4월 21일 | SWMM 5.0.022 | EPA | 예 | 예 |
| 2010년 8월 20일 | SWMM 5.0.019 | EPA | 예 | 예 |
| 2008년 3월 19일 | SWMM 5.0.013 | EPA | 예 | 예 |
| 2005년 8월 17일 | SWMM 5.0.005 | EPA, CDM | 예 | 아니요 |
| 2004년 11월 30일 | SWMM 5.0.004 | EPA, CDM | 아니요 | 아니요 |
| 2004년 11월 25일 | SWMM 5.0.003 | EPA, CDM | 아니요 | 아니요 |
| 2004년 10월 26일 | SWMM 5.0.001 | EPA, CDM | 아니요 | 아니요 |
| 2001년 ~ 2004년 | SWMM5 | EPA, CDM | 아니요 | 아니요 |
| 1988년 ~ 2004년 | SWMM4 | UF, OSU, CDM | 아니요 | 아니요 |
| 1981년 ~ 1988년 | SWMM3 | UF, CDM | 아니요 | 아니요 |
| 1975년 ~ 1981년 | SWMM2 | UF | 아니요 | 아니요 |
| 1969년 ~ 1971년 | SWMM1 | UF, CDM, M&E | 아니요 | 아니요 |
4. 3. 최근 업데이트
SWMM 5.2.x 버전의 주요 변경 사항은 다음과 같다.| 출시일 | 버전 | 주요 변경 사항 |
|---|---|---|
| 2023년 8월 7일 | SWMM 5.2.4 | (상세 변경 사항은 원문에 명시되지 않음) |
| 2023년 3월 3일 | SWMM 5.2.3 | (상세 변경 사항은 원문에 명시되지 않음) |
| 2022년 12월 1일 | SWMM 5.2.2 | (상세 변경 사항은 원문에 명시되지 않음) |
| 2022년 8월 11일 | SWMM 5.2.1 | (상세 변경 사항은 원문에 명시되지 않음) |
| 2022년 2월 1일 | SWMM 5.2 | (상세 변경 사항은 원문에 명시되지 않음) |
위 표는 원문에 제공된 정보를 바탕으로 작성되었으며, 각 버전별 상세 변경 사항은 명시되어 있지 않다. EPA 웹사이트에서 SWMM 5 업데이트 내역을 확인할 수 있다.[15]
4. 4. 한국에서의 SWMM 발전
SWMM은 1969년부터 1971년 사이에 처음 개발된 이후 여러 번의 주요 업그레이드를 거쳤다. 현재 SWMM 버전인 5.2.3은 이전 Fortran 릴리스를 C 언어로 완전히 다시 작성한 것이다.[15] SWMM5 코드는 오픈 소스 및 퍼블릭 도메인 코드이며, EPA 웹사이트에서 다운로드할 수 있다.[15]EPA SWMM 5는 Windows XP, Windows Vista, Windows 7, Windows 8, Windows 10에서 실행할 수 있으며, Unix에서도 재컴파일하여 실행할 수 있다.[15] 2005년 5월, SWMM 5는 FEMA 모델 승인 페이지에서 승인되었으며, NFIP 모델링을 위해 SWMM 5 버전 5.0.005(2005년 5월) 이상이 승인되었다.[16]
SWMM 5는 많은 모델링 패키지의 계산 엔진으로 사용되며, SWMM5의 구성 요소는 다른 모델링 패키지에도 포함되어 있다.
| 출시일 | 버전 | 개발자 | FEMA 승인 | LID 제어 |
|---|---|---|---|---|
| 2023년 8월 7일 | SWMM 5.2.4 | EPA | 예 | 예 |
| 2023년 3월 3일 | SWMM 5.2.3 | EPA | 예 | 예 |
| 2022년 12월 1일 | SWMM 5.2.2 | EPA | 예 | 예 |
| 2022년 8월 11일 | SWMM 5.2.1 | EPA | 예 | 예 |
| 2022년 2월 1일 | SWMM 5.2 | EPA | 예 | 예 |
| 2020년 7월 20일 | SWMM 5.1.015 | EPA | 예 | 예 |
| 2020년 2월 18일 | SWMM 5.1.014 | EPA | 예 | 예 |
| 2018년 8월 9일 | SWMM 5.1.013 | EPA | 예 | 예 |
| 2017년 3월 14일 | SWMM 5.1.012 | EPA | 예 | 예 |
| 2016년 8월 22일 | SWMM 5.1.011 | EPA | 예 | 예 |
| 2015년 8월 20일 | SWMM 5.1.010 | EPA | 예 | 예 |
| 2015년 4월 30일 | SWMM 5.1.009 | EPA | 예 | 예 |
| 2015년 4월 17일 | SWMM 5.1.008 | EPA | 예 | 예 |
| 2014년 10월 9일 | SWMM 5.1.007 | EPA | 예 | 예 |
| 2014년 6월 2일 | SWMM 5.1.006 | EPA | 예 | 예 |
| 2014년 3월 27일 | SWMM 5.1.001 | EPA | 예 | 예 |
| 2011년 4월 21일 | SWMM 5.0.022 | EPA | 예 | 예 |
| 2010년 8월 20일 | SWMM 5.0.019 | EPA | 예 | 예 |
| 2008년 3월 19일 | SWMM 5.0.013 | EPA | 예 | 예 |
| 2005년 8월 17일 | SWMM 5.0.005 | EPA, CDM | 예 | 아니요 |
| 2004년 11월 30일 | SWMM 5.0.004 | EPA, CDM | 아니요 | 아니요 |
| 2004년 11월 25일 | SWMM 5.0.003 | EPA, CDM | 아니요 | 아니요 |
| 2004년 10월 26일 | SWMM 5.0.001 | EPA, CDM | 아니요 | 아니요 |
| 2001년–2004년 | SWMM5 | EPA, CDM | 아니요 | 아니요 |
| 1988년–2004년 | SWMM4 | UF, OSU, CDM | 아니요 | 아니요 |
| 1981년–1988년 | SWMM3 | UF, CDM | 아니요 | 아니요 |
| 1975년–1981년 | SWMM2 | UF | 아니요 | 아니요 |
| 1969년–1971년 | SWMM1 | UF, CDM, M&E | 아니요 | 아니요 |
5. 모델링 변수
EPA SWMM은 도시 지역의 유출수량 및 수질을 시뮬레이션하기 위한 동적 강우-유출-라우팅 모델이다. SWMM은 강우, 증발, 침투, 지하수 흐름, 지표수 흐름 등 다양한 수문 과정을 고려하며, 이러한 과정을 모델링하기 위해 다양한 변수들이 사용된다.[1]
SWMM에서 사용되는 주요 모델링 변수는 다음과 같다.
- 소유역 변수: 표면 조도, 지면 보류, 경사, 유로 길이 등[1]
- 침투 변수:
- Horton 방법: 최대/최소 유량, 감소 상수[1]
- Green-Ampt 방법: 투수계수, 초기 함수량 부족, 습윤선에서 토양 흡인 수두[1]
- NRCS Curve Number 방법: Curve Number[1]
- 관로 변수: Manning의 조도 계수[1]
- 기타 변수: 포화토가 완전 배수되기까지의 시간, 수질 관련 변수 (부패/세척 기능 계수, 1차 감쇠 계수, 제거 방정식)[2]
연구 지역은 단일 지점으로 배수되는 개별 소유역으로 나눌 수 있으며, 그 크기는 작은 부지에서 수천 에이커에 이르기까지 다양하다. SWMM은 시간별 또는 더 빈번한 강우 데이터를 입력으로 사용하며, 단일 사건 또는 여러 해 동안 연속적으로 실행할 수 있다.[2]
5. 1. 소유역 변수
소유역에 사용되는 변수로는 표면 조도, 지면 보류, 경사 등이 있다.[1] 침투에 사용되는 변수들은 Horton 방법을 쓰는 경우 최대, 최소 유량, 감소상수가 있다.[1] Green-Ampt 방법을 쓰는 경우에는 투수계수, 초기 함수량 부족, 습윤선에서 토양 흡인수두가 변수가 된다.[1] NRCS Curve Number를 쓸 수도 있다.[1] 관로에는 Manning의 조도계수 등을 쓸 수 있다.[1] 그밖에 포화토가 완전 배수하기까지의 시간도 변수로 넣을 수 있다.[1]계산된 모델 매개변수는 소유역에 대해 표면 거칠기, 함몰 저류, 경사, 유로 길이; 침투에 대해: 호턴(Horton): 최대/최소 속도 및 감쇠 상수; 그린-앰프트(Green-Ampt): 수리 전도도, 초기 수분 부족 및 흡입 헤드; 곡선 번호: NRCS(SCS) 곡선 번호; 모두: 포화 토양의 완전 배수 시간; 도관에 대해: 매닝의 거칠기; 수질에 대해: 부패/세척 기능 계수, 1차 감쇠 계수, 제거 방정식이다.[2]
5. 2. 침투 변수
Horton 방법을 사용하는 경우 최대, 최소 유량, 감소상수가 변수이다. Green-Ampt 방법을 사용하는 경우에는 투수계수, 초기 함수량 부족, 습윤선에서 토양 흡인수두가 변수이다. NRCS Curve Number를 사용할 수도 있다. 포화토가 완전 배수되기까지의 시간도 변수로 사용될 수 있다.[1]침투 모델링 방법은 다음과 같다.
- Horton 방법: 최대/최소 속도 및 감쇠 상수를 입력 매개변수로 사용한다.[1]
- Green-Ampt 방법: 수리 전도도, 초기 수분 부족 및 흡입 수두를 입력 매개변수로 사용한다. 건조 기간 동안 수분 부족량의 회복 속도는 수리 전도도와 경험적으로 관련이 있다.[1]
- NRCS Curve Number 방법: Curve Number 값과 완전히 포화된 토양이 완전히 건조되는 데 걸리는 시간을 입력 매개변수로 사용한다.[1]
SWMM은 증발률 및 지하수위와 같은 요인의 계절적 변화를 고려하여 월별로 고정된 양만큼 침투 회복 속도를 조정할 수 있다. 이 선택적인 월별 토양 회복 패턴은 프로젝트 증발 데이터의 일부로 지정된다.[1]
5. 3. 관로 변수
관로에는 Manning의 조도 계수 등을 쓸 수 있다.[1] 계산된 모델 매개변수는 도관에 대해 Manning의 조도 계수이다.[2]6. 수문 및 수리 기능
SWMM은 도시 지역의 유출을 모의하고 관리하기 위해 다양한 수문학적 및 수리학적 기능을 제공한다.
SWMM은 수문학적 유출 상황을 모의할 때 다음과 같은 기능을 제공한다.
- 시간에 따라 변화하는 강우
- 수표면 증발
- 적설 또는 눈이 녹음에 따른 영향
- 지면보류로 인한 손실량
- 불포화 토층으로 침투하는 강우량
- 지하수층으로 침루하는 강우량
- 다양한 저영향 개발로 인한 집수량
수리학적 조건에서는 다음과 같은 기능을 제공한다.
- 관망 규모에 제한 없음.
- 다양한 단면형의 수로 사용 (파이프, 개수로, 자연하천 단면 등)
- 저류지, 탱크, 펌프, 위어, 오리피스 등의 다양한 수리구조물 적용
- 지표면 유출, 지하수 흐름, 침투수, 청천 시 흐름, 사용자 정의 흐름 등 적용
- 운동파 또는 완전 동적파 흐름 라우팅 적용
- 배수효과(backwater), 역류, 등 다양한 수면형 모델링
- 펌프 작동, 오리피스 개폐, 위어 월류수위 설정
SWMM은 이러한 기능들을 통해 도시 지역의 유출수량 및 수질에 대한 단일 사건 또는 장기(연속) 시뮬레이션을 수행하는 동적 강우-유출-라우팅 모델이다.[10] 각 소유역 내에서 생성된 유출수의 양과 질, 그리고 각 파이프와 채널의 유량, 흐름 깊이 및 수질을 추적한다.
SWMM 5는 도시·교외의 표면과 지하의 수역을 배수 네트워크의 수문학적 계산을 통해 처리한다. 수문학과 수리학의 두 가지 계산을 분리하는 괄목할 만한 개선을 보여주는 진보이며, 실제 환경에서 물리적으로 발생하는 상호 작용을 모델링하는 것이 개념적으로 가능해졌다.
6. 1. 수문학적 기능
SWMM은 다양한 수문 유출 상황을 모의할 수 있으며, 도시 지역에서 유출을 생성하는 다양한 수문 과정을 고려한다.- 시간에 따라 변화하는 강우[10]
- 지표면 정체수의 증발[10]
- 눈의 축적 및 융해[10]
- 우울 저장소의 강우 차단[10]
- 불포화 토양층으로의 강우 침투[10]
- 침투된 물의 지하수층으로의 침투[10]
- 지하수와 배수 시스템 사이의 상호 흐름[10]
- 지표수 흐름의 비선형 저수지 라우팅[10]
- 다양한 유형의 저영향 개발(LID) 관행을 통한 강우/유출의 포착 및 유지[10]
이러한 모든 과정의 공간적 가변성은 연구 지역을 더 작고 균질한 소유역 또는 세분유역 지역의 모음으로 나누어 각 유역에 투수 및 불투수 하위 영역의 분율을 포함시켜 달성된다. 지표 흐름은 소구역, 소유역 또는 배수 시스템의 진입점 사이에서 라우팅될 수 있다.
SWMM은 침투를 모델링하기 위해 네 가지 선택 사항을 제공한다.
- '''Horton 방법'''
장기간의 강우 사상 동안 침투가 초기 최대율에서 어떤 최소율까지 지수적으로 감소한다는 경험적 관찰을 기반으로 한다. 필요한 입력 매개변수에는 최대 및 최소 침투율, 시간이 지남에 따라 침투율이 얼마나 빨리 감소하는지를 설명하는 감쇠 계수, 그리고 완전히 포화된 토양이 완전히 건조되는 데 걸리는 시간이 포함된다.
- '''Modified Horton 방법'''
최소 침투율을 초과하는 누적 침투량을 상태 변수로 사용한다. 이는 강우 강도가 낮을 때 보다 정확한 침투 추정치를 제공한다. 이 방법은 기존의 호턴 방법과 동일한 입력 매개변수를 사용한다.
- '''Green-Ampt 방법'''
토양 기둥에 선명한 습윤 전선이 존재하여, 아래의 초기 함수율을 가진 토양과 위의 포화 토양을 구분한다고 가정한다. 필요한 입력 매개변수는 토양의 초기 수분 부족량, 토양의 수리 전도도, 그리고 습윤 전선에서의 흡입 수두이다.
- '''Curve Number 방법'''
유출량 추정을 위해 NRCS(SCS) 곡선수 방법을 사용한다. 토양의 총 침투 용량은 토양의 표로 정리된 곡선수에서 찾을 수 있다고 가정한다. 강우 시에는 이 용량이 누적 강우량과 잔여 용량에 따라 감소한다. 이 방법의 입력 매개변수는 곡선수와 완전히 포화된 토양이 완전히 건조되는 데 걸리는 시간이다.
SWMM은 또한 증발률 및 지하수위와 같은 요인의 계절적 변화를 고려하기 위해 월별로 고정된 양만큼 침투 회복 속도를 조정할 수 있도록 한다.
6. 2. 수리학적 기능
- 무제한 크기의 배수 네트워크를 시뮬레이션할 수 있다.[10]
- 다양한 표준 폐쇄 및 개방 도관 모양과 자연 채널을 사용할 수 있다.[10]
- 저장/처리 장치, 유량 분할기, 펌프, 웨어 및 오리피스와 같은 특수 요소를 모델링할 수 있다.[10]
- 표면 유출, 지하수 간류, 강우 의존 침투/유입, 건조 날씨 위생 흐름 및 사용자 정의 유입으로부터 외부 흐름 및 수질 입력을 적용할 수 있다.[10]
- 운동파 또는 완전 동적파 흐름 라우팅 방법을 사용할 수 있다.[10]
- 배수, 월류, 역류 및 표면 연못과 같은 다양한 흐름 체제를 모델링할 수 있다.[10]
- 펌프 작동, 오리피스 개방 및 웨어 마루 수준을 시뮬레이션하기 위해 사용자 정의 동적 제어 규칙을 적용할 수 있다.[10]
- 침투된 물의 지하수층으로의 침투 및 지하수와 배수 시스템 간의 간류, 지표 흐름의 비선형 저수지 라우팅이가능하다.[10]
6. 3. 라우팅 옵션
EPA SWMM은 각 계산 시간 단계 내에서 흐름이 균일하고 일정하다고 가정하는 정상류 라우팅, 운동량 방정식의 단순화된 형태를 사용하는 운동파 라우팅, 그리고 이론적으로 가장 정확한 결과를 생성하는 동적파 라우팅을 제공한다.- 정상류 라우팅: 가장 단순한 유형의 라우팅으로, 상류의 유입 수문곡선을 지연이나 형태 변경 없이 하류로 전달한다. 채널 저류, 배수 효과 등을 고려할 수 없고, 수지상 이송 네트워크에서만 사용할 수 있다. 장기 연속 시뮬레이션을 사용한 예비 분석에 적합하다.
- 운동파 라우팅: 연속 방정식과 운동량 방정식의 단순화된 형태를 함께 풀어 유입이 채널을 통해 라우팅될 때 감쇠되고 지연된 유출 수문곡선을 초래할 수 있다. 배수 효과, 흐름 반전 등을 고려할 수 없고, 수지상 네트워크 레이아웃으로 제한된다. 적당히 큰 시간 단계로 수치적 안정성을 유지할 수 있으며, 정확하고 효율적인 라우팅 방법이다.
- 동적파 라우팅: 완전한 1차원 생 베낭 방정식을 풀어 이론적으로 가장 정확한 결과를 생성한다. 채널 저류, 배수, 흐름 반전 및 가압 흐름을 고려할 수 있고, 일반적인 네트워크 레이아웃에도 적용할 수 있다. 하류 흐름 제한으로 인해 상당한 배수 효과가 발생하고 웨어 및 오리피스를 통한 흐름 조절이 있는 시스템에 적합하다. 매우 작은 시간 단계를 사용해야 한다.
7. 저영향 개발 (LID) 요소
Low-impact development|저영향 개발영어(LID) 기능은 SWMM 5.0.019 이후 버전에 새롭게 추가되었다. 이 기능을 통해 빗물 저장조, 배수로, 투수성 포장, 녹지 옥상, 우수 정원, 바이오 리텐션, 침투 트렌치 등 다양한 LID 시설에서 발생하는 월류, 침투 흐름, 증발 등을 더욱 상세하게 모의할 수 있다.[10]
LID는 일반적으로 부지에서 유출되는 폭우의 집중된 흐름을 최소화하거나 방지하기 위한 노력으로, 불투수 표면(콘크리트 등)을 사용할 경우 폭우가 침투할 수 있는 투수성 영역으로 주기적으로 중단하는 방식을 제안한다. 각 LID의 다양한 하위 프로세스는 SWMM5에서 표면, 포장, 토양, 저장, 배수 매트 및 배수와 같이 정의할 수 있으며, 각 LID 유형은 SWMM 5에서 허용되는 하위 프로세스 유형에 제한이 있다.
7. 1. LID 요소 종류
Low-impact development|저영향 개발영어(LID) 기능은 SWMM 5.0.019 이후 버전에 새롭게 추가되었다. 이 기능은 소유역 내에 통합되어 빗물 저장조, 배수로, 투수성 포장, 녹지 옥상, 우수 정원, 바이오 리텐션, 침투 트렌치 등에서 월류, 침투 흐름, 증발을 더욱 세분화할 수 있다.[10]각 LID는 표면, 포장, 토양, 저장, 배수 매트, 배수 등 다양한 하위 프로세스로 정의될 수 있다.
각 LID 유형은 SWMM 5에서 허용되는 하위 프로세스 유형에 제한이 있다. LID 요약 보고서는 .rpt 파일에서 확인할 수 있으며, 외부 보고 파일에서는 표면 깊이, 토양 수분, 저장 깊이, 표면 유입, 증발, 표면 침투, 토양 침투, 저장 침투, 표면 유출, LID 연속성 오류 등을 볼 수 있다.
SWMM 5 LID 구획 유형은 저장, 언더드레인, 표면, 포장, 토양으로 구성된다.
| LID 유형 | 구획 구성 |
|---|---|
| 바이오 리텐션 셀 | 저장, 언더드레인, 표면 |
| 침투 트렌치 | 저장, 언더드레인, 표면 |
| 투수성 포장 | 저장, 언더드레인, 포장 |
| 빗물 저장조 | 저장, 언더드레인 |
| 식생 배수로 | 표면 |
각 LID 유형은 SWMM 5에서 레이어라고 하는 서로 다른 기본 구획 객체를 공유한다.
각 유출 시간 단계에서 이 일련의 방정식은 수치적으로 해석되어, LID 유닛으로의 유입 수문곡선이 유출 수문곡선, 지하 저장, 지하 배수, 주변 토양으로의 침투 등으로 변환되는 방식을 결정한다. 저장층을 제거하여 우수 정원을, 토양층을 포장층으로 교체하여 투수성 포장 시스템을 나타내는 등, 바이오 리텐션 모델을 변형하여 다른 LID를 표현할 수 있다.
LID의 표면층은 직접 강우와 다른 지역의 유출수를 모두 받는다. 표면층은 하부 토양층으로의 침투, 저류 저장, 식생에 의한 증발산(ET), 표면 유출 등으로 물을 잃는다. 토양층은 식생 성장을 돕는 개량된 토양 혼합물을 포함한다. 표면층에서 침투를 받고, 증발산과 하부 저장층으로의 침투로 물을 잃는다. 저장층은 굵은 쇄석이나 자갈로 구성된다. 상부 토양층에서 침투를 받고, 하부 자연 토양으로 침투하거나 천공된 파이프 언더드레인 시스템을 통해 유출되어 물을 잃는다.
SWMM 5.1.013의 LID 제어 기능에는 다음과 같은 녹색 인프라 유형이 포함된다.
- 가로수 화분: 자갈 배수층 위에 놓인, 식물이 자라는 토양 혼합물을 포함하는 함몰부 (바이오 리텐션 셀의 일종).
- 녹지 옥상: 옥상에서 과도한 침투수를 제거하는 배수 매트 위에 토양층이 있는 바이오 리텐션 셀의 변형.
- 침투 트렌치: 상류 불투수 영역의 유출수를 가로채는, 자갈로 채워진 좁은 도랑.
- 빗물 저장조: 폭풍 시 지붕 유출수를 모아 건조 시 방출하거나 재사용하는 용기.
- 식생 배수로: 풀과 식생으로 덮인 경사진 측면을 가진 채널 또는 함몰 영역.
- 습지: 수질 개선, 지하수 재충전, 홍수 방지, 미관 개선 등에 사용.
- 건조지: 폭풍 후 일시적으로 물을 저장하고, 제어된 속도로 하류로 방류.
- 식생 필터 스트립: 좁고 긴 식생 영역으로, 유출 속도를 늦춰 침전물, 유기물 등을 제거하는 완충 지대의 일종.
7. 2. LID 요소의 하위 과정
Low-impact development|저영향 개발영어(LID) 요소는 SWMM5에서 표면, 포장, 토양, 저장, 배수 매트 및 배수와 같은 다양한 하위 프로세스로 정의될 수 있다.[10] 각 LID 유형은 허용되는 하위 프로세스 유형에 제한이 있다.- 표면층: 직접 강우와 다른 지역에서의 유출수를 받는다. 침투, 저류, 증발산(ET), 표면 유출에 의해 물을 잃는다.
- 토양층: 식생 성장을 지원하는 개량된 토양 혼합물을 포함한다. 표면층에서 침투를 받고, 증발산과 저장층으로의 침투로 물을 잃는다.
- 저장층: 굵은 쇄석이나 자갈로 구성된다. 토양층에서 침투를 받고, 자연 토양으로 침투하거나 천공된 파이프 배수 시스템을 통해 유출되어 물을 잃는다.
이러한 하위 프로세스들은 수치적으로 해석되어, LID 장치로 유입되는 수문곡선이 유출 수문곡선, 지하 저장, 지하 배수 및 주변 토양으로의 침투 조합으로 변환되는 방식을 결정한다.
7. 3. 각 LID 유형별 특징
Low-impact development|저영향 개발영어(LID) 시설은 빗물 저장조, 배수로, 투수성 포장, 녹지 옥상, 우수 정원, 바이오 리텐션 및 침투 트렌치에서 월류, 침투 흐름 및 증발을 더욱 세분화할 수 있도록 소유역 내에 통합되어 있다.[10]각 LID 유형별 특징은 다음과 같다.
| 유형 | 설명 | 그림 |
|---|---|---|
| 바이오 리텐션 셀 | 자갈 배수층 위에 놓인 공학적 토양 혼합물에서 자란 식물을 포함하는 함몰부이다. 직접 강우와 주변 지역에서 유입된 유출수를 저장하고, 침투시키며, 증발시키는 기능을 한다. 가로수 화분은 바이오 리텐션 셀의 일종으로, 콘크리트 상자 안에 식재되며, 토양 아래 자갈층이 추가 저장을 제공한다. | |
| 침투 트렌치 | 상류의 불투수 영역에서 유입되는 유출수를 가로채는 자갈로 채워진 좁은 도랑이다. 저장 용량을 제공하고 포획된 유출수가 아래의 자연 토양으로 침투할 수 있는 시간을 늘려준다. | |
| 다공성 포장 LID | 자갈로 채워지고 투수성 콘크리트 또는 아스팔트 혼합물로 포장된 굴착된 영역이다. 강우가 즉시 포장을 통과하여 아래의 자갈 저장층으로 이동하고, 자연적인 속도로 부지의 자연 토양으로 침투할 수 있게 한다. | |
| 빗물 저장조 | 폭풍 발생 시 지붕 유출수를 수집하는 용기로, 건조 기간 동안 강우를 방출하거나 재사용할 수 있다. | |
| 식생 배수로 | 풀과 기타 식생으로 덮인 경사진 측면이 있는 채널 또는 함몰된 영역이다. 수집된 유출수의 전달 속도를 늦추고 유출수가 아래의 자연 토양으로 침투할 수 있는 시간을 늘려준다. |
각 LID 유형은 SWMM 5에서 레이어라고 하는 서로 다른 기본 구획 객체를 공유한다. 바이오 리텐션 셀에는 저장, 언더드레인 및 표면 구획이 있다. 침투 트렌치 뚜껑에는 저장, 언더드레인 및 표면 구획이 있다. 다공성 포장 LID에는 저장, 언더드레인 및 포장 구획이 있다. 빗물 저장조에는 저장 및 언더드레인 구획만 있고 식생 배수로 LID에는 단일 표면 구획이 있다.
7. 4. 한국형 LID 기술 적용
EPA SWMM영어은 저영향 개발(LID) 기능을 통해 한국의 지형 및 기후 특성에 맞는 다양한 기술을 적용하고 그 효과를 분석할 수 있도록 지원한다. 한국형 LID 기술은 빗물 관리와 관련된 문제를 해결하고 도시 환경을 개선하는 데 중요한 역할을 한다.EPA SWMM영어을 활용한 한국형 LID 기술 적용 사례 및 효과 분석의 몇 가지 예시는 다음과 같다.
- 빗물 저장조 (Rain Barrel) 설치: 건물 옥상이나 지붕에서 빗물을 모아 저장하는 시설을 설치하여, 모아진 빗물을 조경 용수나 청소 용수 등으로 활용할 수 있다. 이를 통해 수돗물 사용량을 줄이고, 집중호우 시 빗물 유출량을 감소시켜 도시 침수 피해를 예방하는 효과를 얻을 수 있다.
- 투수성 포장 (Permeable Pavement) 적용: 일반적인 아스팔트나 콘크리트 포장 대신 빗물이 땅속으로 스며들 수 있는 투수성 포장재를 사용한다. 이를 통해 빗물이 지하로 침투하여 지하수 함량을 높이고, 도시 열섬 현상을 완화하며, 빗물 유출량을 줄여 하수관거의 부하를 감소시키는 효과를 얻을 수 있다.
- 식생수로 (Vegetated Swale) 조성: 도로변이나 공원 등에 식물을 심은 수로를 조성하여 빗물이 수로를 따라 흐르면서 자연적으로 정화되도록 한다. 식생수로는 빗물 속 오염 물질을 제거하고, 빗물 유출 속도를 늦춰 침수 피해를 예방하며, 도시 경관을 개선하는 효과를 가져온다.
- 옥상녹화 (Green Roof) 조성: 건물 옥상에 식물을 심어 빗물을 저장하고 증발시켜 빗물 유출량을 줄이는 방법이다. 옥상녹화는 도시 열섬 현상을 완화하고, 건물의 에너지 효율을 높이며, 도시 생태계를 복원하는 데 기여한다.
- 빗물 정원 (Rain Garden) 조성: 정원, 공터, 도로변에 작은 정원을 조성하여 빗물이 땅속으로 잘 스며들도록 유도하는 시설이다. 빗물 정원은 빗물 유출을 줄이고, 지하수를 함양하며, 도시 생태계를 복원하고, 미관을 개선하는 효과를 가진다.
- 침투 트렌치 (Infiltration Trench): 상류의 불투수 영역에서 유출수를 가로채는 자갈로 채워진 좁은 도랑이다. 저장 용량과 포획된 유출수가 아래의 자연 토양에 침투할 수 있는 추가 시간을 제공한다.
이러한 한국형 LID 기술들은 EPA SWMM영어 시뮬레이션을 통해 그 효과를 정량적으로 분석할 수 있다. 예를 들어, 각 기술별 빗물 유출 저감 효과, 오염 물질 제거 효과, 지하수 함양 증진 효과 등을 분석하여 최적의 LID 기술 조합을 도출하고, 도시 빗물 관리 계획 수립에 활용할 수 있다.
한국은 여름철 집중호우와 도시화로 인한 불투수 면적 증가로 인해 빗물 관리의 중요성이 더욱 강조되고 있다. 따라서 EPA SWMM영어을 활용한 한국형 LID 기술 적용은 도시 침수 예방, 수자원 확보, 도시 생태계 복원 등 다양한 측면에서 긍정적인 효과를 가져올 수 있을 것으로 기대된다.
8. SWMM 구성 요소
SWMM은 배수 시스템을 여러 주요 환경 구획 사이의 물과 물질 흐름으로 개념화한다. 이러한 구획과 SWMM 객체는 다음과 같다.[10]
- 대기 구획: 강수가 내리고 오염 물질이 토지 표면 구획에 침전되는 곳이다. 강우 입력값을 나타내기 위해 강우량계 객체를 사용하며, 시계열, 외부 텍스트 파일 또는 NOAA 강우량 데이터를 사용할 수 있다.
- 토지 표면 구획: 하나 이상의 세분유역 객체로 표현된다. 이곳은 비 또는 눈의 형태로 대기 구획에서 강수를 받고, 지하수 구획으로 침투 형태로 유출을 보내며, 표면 유출 및 오염 물질 부하 형태로 운송 구획으로 보낸다. 저영향 개발(LID) 제어는 세분유역의 일부이며 유출수를 저장, 침투 또는 증발시킨다.
- 지하수 구획: 토지 표면 구획에서 침투를 받아 이 유입의 일부를 운송 구획으로 전달한다. 대수층 객체를 사용하여 모델링된다.
- 운송 구획: 물을 배출구 또는 처리 시설로 운송하는 일련의 운반 요소(채널, 파이프, 펌프 및 조절기)와 저장/처리 장치를 포함한다. 표면 유출, 지하수 상호 흐름, 위생 건조 날씨 흐름 또는 사용자가 정의한 수위 곡선에서 유입될 수 있다. 노드 및 링크 객체로 모델링된다.
모든 SWMM 모델에 모든 구획이 나타날 필요는 없다.[10] 예를 들어, 운송 구획만 모델링할 경우, 사전 정의된 수위 곡선을 입력으로 사용할 수 있다.[10]
8. 1. 주요 객체
EPA SWMM영어의 주요 객체는 다음과 같다.| 객체 | 설명 |
|---|---|
| 강우량계 (GAGE) | 강수량 입력을 나타낸다. 시계열, 외부 텍스트 파일, NOAA 강우량 데이터를 사용할 수 있다. |
| 소유역 (SUBCATCH) | 비 또는 눈의 형태로 강수를 받고, 지하수 구획으로 침투를 보내며, 표면 유출 및 오염 물질 부하 형태로 운송 구획으로 보낸다. 저영향 개발 (LID) 제어는 소유역의 일부이며 유출수를 저장, 침투 또는 증발시킨다. |
| 노드 (NODE) | 이송 시스템의 구성 요소로, 배출구 또는 처리 시설로 물을 운송한다. 유입은 표면 유출, 지하수 상호 흐름, 위생 건조 날씨 흐름 또는 사용자가 정의한 수위 곡선에서 발생할 수 있다. |
| 링크 (LINK) | 이송 시스템의 구성 요소로, 채널, 파이프, 펌프 및 조절기 등을 포함한다. |
| 오염 물질 (POLLUT) | 수질 구성 요소를 시뮬레이션하기 위한 오염 물질의 축적/유출 기능을 나타낸다. |
| 토지 이용 (LANDUSE) | 토지 이용 범주를 나타낸다. |
| 시간 패턴 (TIMEPATTERN) | 건기 흐름 시간 패턴을 나타낸다. |
| 곡선 (CURVE) | 일반 값 테이블을 나타낸다. |
| 시계열 (TSERIES) | 일반 시계열 값을 나타낸다. |
| 제어 (CONTROL) | 이송 시스템 제어 규칙을 나타낸다. |
| 횡단면 (TRANSECT) | 불규칙 채널 단면을 나타낸다. |
| 대수층 (AQUIFER) | 지하수 대수층을 모델링한다. |
| 단위 유량도 (UNITHYD) | RDII 단위 유량도를 나타낸다. |
| 적설 (SNOWMELT) | 적설 매개변수 세트를 나타낸다. |
| 모양 (SHAPE) | 사용자 지정 도관 모양을 나타낸다. |
| LID | 저영향 개발 처리 장치를 나타낸다. |
이 외에도 노드 유형 (교차점, 배출구, 저장소, 분배기)과 링크 모양 (원형, 채워진 원형, 직사각형 등)이 있다. 이러한 객체들은 물 순환, 배수, 하수 또는 우수 네트워크의 수력학적 구성 요소, 그리고 수질 구성 요소를 시뮬레이션하는 데 사용된다.[10]
8. 2. 노드 유형 및 유입량
SWMM 5에서 사용 가능한 노드 유형에는 교차점, 배출구, 저장소, 분배기가 있다.[10] 저장 노드는 깊이/면적 테이블을 사용하거나 면적과 깊이 간의 함수 관계를 가질 수 있다.[10]노드 유입량의 종류는 다음과 같다.[10]
- external_inflow
- dry_weather_inflow
- wet_weather_inflow
- groundwater_inflow
- rdii_inflow
- flow_inflow
- concen_inflow
- mass_inflow
건기 유입량(dry_weather_inflow)에는 monthly_pattern, daily_pattern, hourly_pattern, weekend_pattern이 포함될 수 있다.[10]
8. 3. 구성 요소 구조
SWMM 5는 사용자가 시뮬레이션 중에 선택할 수 있는 다양한 주요 수문 및 수력학적 구성 요소를 제공한다.[10] 이러한 구성 요소는 다음과 같다.- 침투 옵션: 강우가 지표면을 통해 토양으로 스며드는 과정을 모델링하기 위한 방법으로, Horton, 수정된 Horton, Green Ampt, 곡선 번호(Curve Number) 방법 중 선택할 수 있다.
- RDII (Rainfall Dependent Infiltration/Inflow): 강우에 따라 발생하는 침투 및 유입량을 의미한다.
- 수질: 오염 물질의 이동과 변화를 시뮬레이션한다.
- 지하수: 지하수 흐름과 지표수와의 상호작용을 모델링한다.
- 적설: 눈의 축적, 융해 과정을 시뮬레이션한다.
- 흐름 라우팅 옵션:
- 정상 상태(Steady State): 시간에 따라 유량이 변하지 않는 흐름을 가정한다.
- 운동파(Kinematic Wave): 흐름의 연속 방정식과 운동량 방정식을 단순화하여 계산 효율성을 높인 방법이다.
- 동적파(Dynamic Wave): 흐름의 연속 방정식과 운동량 방정식을 완전하게 고려하여 가장 정확하지만 계산 시간이 오래 걸리는 방법이다.
9. SWMM-CAT 기후 변화 부가 기능
폭우 관리 모델 기후 조정 도구(SWMM-CAT)는[10] 2014년 12월 SWMM5에 새로 추가된 기능이다. 이 도구는 미래 기후 변화 예측을 폭우 관리 모델(SWMM)에 통합할 수 있는 사용하기 쉬운 소프트웨어 유틸리티이다. SWMM은 최근 기후 조건의 미래 변화 영향을 나타낼 수 있는 각 시계열에 대한 월별 조정 계수를 받아들이도록 업데이트되었다.
EPA SWMM 5 모델의 데이터 생성을 지원하는 다른 외부 프로그램으로는 SUSTAIN,[22] BASINS,[23] SSOAP,[24] 및 EPA 국립 강우 유출량 계산기(SWC)[17]가 있다. 이 계산기는 미국(푸에르토리코 포함) 내 특정 부지에서 연간 강우량과 유출 빈도를 추정하는 데스크톱 응용 프로그램으로, 지역 토양 조건, 토지 피복, 과거 강우량 기록을 기반으로 한다.
9. 1. SWMM-CAT의 역할
SWMM-CAT는 미래의 기후 변화 예측을 폭우 관리 모델(SWMM)에 통합할 수 있는 소프트웨어 유틸리티이다.[10] SWMM은 최근 기후 조건의 미래 변화 영향을 나타낼 수 있는 각 시계열에 대한 월별 조정 계수를 받아들이도록 업데이트되었다. SWMM-CAT는 세계 기후 연구 프로그램(WCRP) 결합 모델 비교 프로젝트 3단계(CMIP3) 아카이브의 일부로 실행되는 글로벌 기후 변화 모델에서 파생된 위치별 조정을 제공한다(그림 4).[21]SWMM-CAT는 SWMM 프로젝트 파일에 위치별 기후 변화 조정을 추가한다. 기온, 증발율, 강수량, 그리고 서로 다른 재현 기간의 24시간 설계 강우량에 월별 기준으로 조정이 적용될 수 있다. 이러한 조정의 출처는 WCRP CMIP3 아카이브의 일부로 실행되는 글로벌 기후 변화 모델이다. 이 아카이브에서 다운스케일링된 결과는 EPA의 CREAT 프로젝트를 통해 과거 값과 비교하여 변경 사항으로 생성 및 변환되었다.[21]
SWMM5에 적용할 조정 세트를 선택하는 데 사용되는 단계는 다음과 같다.
1) 사용 가능한 경우 위치의 위도 및 경도 좌표 또는 5자리 우편 번호를 입력한다. SWMM-CAT는 해당 위치에 가장 가까운 CMIP3 결과에 대한 다양한 기후 변화 결과를 표시한다.
2) 단기 또는 장기 예측 기간을 기반으로 기후 변화 예측을 사용할지 여부를 선택한다. 표시된 기후 변화 결과는 선택한 내용에 따라 업데이트된다.
3) SWMM에 저장할 기후 변화 결과를 선택한다. CMIP3 프로젝트에 사용된 다양한 글로벌 기후 모델에서 생성된 결과 범위를 포괄하는 세 가지 선택 사항이 있다. 고온/건조 결과는 평균 온도 변화가 모든 모델 예측의 상한선에 있고 평균 강우량 변화가 하한선에 있는 모델을 나타낸다. 온난/습윤 결과는 평균 온도 변화가 하한선에 있고 평균 강우량 변화가 더 습한 쪽에 있는 모델을 나타낸다. 중간 결과는 온도 및 강우량 변화가 모든 모델의 중앙값에 가장 가까운 모델을 나타낸다.
4) 조정을 저장할 기존 SWMM 프로젝트 파일을 선택할 수 있는 대화 양식을 불러오려면 SWMM에 조정 저장 링크를 클릭한다. 이 양식을 통해 저장할 조정 유형(월별 온도, 증발, 강우 또는 24시간 설계 강우)도 선택할 수 있다. 온도 및 증발 단위 변환은 SWMM 파일에서 감지된 단위 시스템(미국 또는 SI)에 따라 자동으로 처리된다.
9. 2. 기후 변화 조정 요소
세계 기후 연구 프로그램(WCRP) 결합 모델 비교 프로젝트 3단계(CMIP3) 아카이브의 일부로 실행되는 글로벌 기후 변화 모델에서 파생된 위치별 조정을 제공하는 폭우 관리 모델 기후 조정 도구(SWMM-CAT)는[10] SWMM5 (2014년 12월)에 새로 추가된 기능이다. SWMM-CAT는 폭우 관리 모델(SWMM) 프로젝트 파일에 위치별 기후 변화 조정을 추가하는 유틸리티이다. 월별 기준으로 기온, 증발율, 강수량, 그리고 서로 다른 재현 기간의 24시간 설계 강우량에 조정이 적용될 수 있다. 이러한 조정의 출처는 세계 기후 연구 프로그램 (WCRP) 결합 모델 비교 프로젝트 3단계 (CMIP3) 아카이브의 일부로 실행되는 글로벌 기후 변화 모델이며, 이 아카이브에서 다운스케일링된 결과는 USEPA의 CREAT 프로젝트를 통해 과거 값과 비교하여 변경 사항으로 생성 및 변환되었다.[21]SWMM5에 적용할 조정 세트를 선택하는 단계는 다음과 같다.
| 단계 | 설명 |
|---|---|
| 1 | 사용 가능한 경우 위치의 위도 및 경도 좌표 또는 5자리 우편 번호를 입력한다. SWMM-CAT는 해당 위치에 가장 가까운 CMIP3 결과에 대한 다양한 기후 변화 결과를 표시한다. |
| 2 | 단기 또는 장기 예측 기간을 기반으로 기후 변화 예측을 사용할지 여부를 선택한다. 표시된 기후 변화 결과는 선택한 내용에 따라 업데이트된다. |
| 3 | SWMM에 저장할 기후 변화 결과를 선택한다. CMIP3 프로젝트에 사용된 다양한 글로벌 기후 모델에서 생성된 결과 범위를 포괄하는 세 가지 선택 사항이 있다. 고온/건조 결과는 평균 온도 변화가 모든 모델 예측의 상한선에 있고 평균 강우량 변화가 하한선에 있는 모델을 나타낸다. 온난/습윤 결과는 평균 온도 변화가 하한선에 있고 평균 강우량 변화가 더 습한 쪽에 있는 모델을 나타낸다. 중간 결과는 온도 및 강우량 변화가 모든 모델의 중앙값에 가장 가까운 모델을 나타낸다. |
| 4 | 조정을 저장할 기존 SWMM 프로젝트 파일을 선택할 수 있는 대화 양식을 불러오려면 SWMM에 조정 저장 링크를 클릭한다. 이 양식을 통해 저장할 조정 유형(월별 온도, 증발, 강우 또는 24시간 설계 강우)도 선택할 수 있다. 온도 및 증발 단위 변환은 SWMM 파일에서 감지된 단위 시스템(미국 또는 SI)에 따라 자동으로 처리된다. |
9. 3. SWMM-CAT 활용 단계
SWMM-CAT 활용 단계는 다음과 같다.[10]1) 위치 정보를 입력한다. 위도 및 경도 좌표나 5자리 우편 번호를 입력하면, SWMM-CAT는 해당 위치에 가장 가까운 CMIP3 결과에 대한 다양한 기후 변화 결과를 표시한다.
2) 단기 또는 장기 예측 기간을 선택한다. 선택에 따라 표시되는 기후 변화 결과가 업데이트된다.
3) SWMM에 저장할 기후 변화 결과를 선택한다. CMIP3 프로젝트에 사용된 다양한 글로벌 기후 모델에서 생성된 결과 범위를 포괄하는 세 가지 선택 사항이 있다.
- 고온/건조 결과: 평균 온도 변화가 모든 모델 예측의 상한선에 있고 평균 강우량 변화가 하한선에 있는 모델을 나타낸다.
- 온난/습윤 결과: 평균 온도 변화가 하한선에 있고 평균 강우량 변화가 더 습한 쪽에 있는 모델을 나타낸다.
- 중간 결과: 온도 및 강우량 변화가 모든 모델의 중앙값에 가장 가까운 모델을 나타낸다.
4) 'SWMM에 조정 저장' 링크를 클릭하여 조정을 저장할 기존 SWMM 프로젝트 파일을 선택할 수 있는 대화 양식을 불러온다. 이 양식을 통해 저장할 조정 유형(월별 온도, 증발, 강우 또는 24시간 설계 강우)도 선택할 수 있다. 온도 및 증발 단위 변환은 SWMM 파일에서 감지된 단위 시스템(미국 또는 SI)에 따라 자동으로 처리된다.
10. SWMM 플랫폼
SWMM 엔진은 EPA의 EPA-SWMM, Autodesk의 Autodesk Water Infrastructure 제품군, PCSWMM, MIKE URBAN, Bentley Systems, Inc.의 SewerGEMS 및 CivilStorm, Jacobs의 Flood Modeller 등 다양한 소프트웨어 패키지에서 사용된다.[25] OpenWaterAnalytics의 PySWMM,[26] [https://aquanuity.com/products/aquatwin-sewer/ Aquinuity]의 AquaTwin-Sewer, [https://www.tuflow.com/ Tuflow]의 Tuflow도 SWMM 엔진을 사용한다.
10. 1. 상용 소프트웨어 패키지
다음은 SWMM5 엔진을 사용하는 몇 가지 상용 소프트웨어 패키지이다.[25]| 소프트웨어 패키지 | 개발사 |
|---|---|
| EPA의 EPA-SWMM | EPA |
| ICM SWMM | Autodesk Water Infrastructure |
| InfoDrainage | Autodesk Water Infrastructure |
| InfoWorks ICM | Autodesk Water Infrastructure (SWMM5의 RDII, 수질 및 수문학 구성 요소 포함) |
| Autodesk Storm and Sanitary Analysis | Autodesk |
| PCSWMM | |
| MIKE URBAN | |
| SewerGEMS 및 CivilStorm | Bentley Systems, Inc. |
| Fluidit Sewer 및 Fluidit Storm | |
| Flood Modeller | Jacobs |
| GeoSWMM | |
| Giswater | |
| GISpipe GIS 기반 EPANET 및 SWMM 통합 소프트웨어 | |
| PySWMM | OpenWaterAnalytics[26] |
| AquaTwin-Sewer | [https://aquanuity.com/products/aquatwin-sewer/ Aquinuity] |
| Tuflow | [https://www.tuflow.com/ Tuflow] |
참조
[1]
웹사이트
Document Display {{!}} NEPIS {{!}} US EPA
https://nepis.epa.go[...]
2021-08-17
[2]
간행물
Storm Water Management Model
US EPA, Washington, D.C.
1971
[3]
간행물
Storm Water Management Model User’s Manual, Version II
U.S. Environmental Protection Agency, Cincinnati, Ohio
1975
[4]
간행물
Storm Water Management Model. User's Manual Ver. III
U.S. Environmental Protection Agency
1981
[5]
간행물
Storm Water Management Model. User's Manual Ver. IV
U.S. Environmental Protection Agency
1988
[6]
간행물
Storm Water Management Model – Version 4: User’s Manual – Addendum 1 EXTRAN
U.S.EPA, Athens, Georgia
1988
[7]
간행물
Storm Water Management Model User’s Manual
U.S. Environmental Protection Agency, Cincinnati, OH
2007-06
[8]
간행물
Storm Water Management Model Quality Assurance Report, Dynamic Wave Flow Routing
2006-09
[9]
웹사이트
Document Display {{!}} NEPIS {{!}} US EPA
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2021-08-17
[10]
웹사이트
Storm Water Management Model (SWMM)
https://www.epa.gov/[...]
2014-05-21
[11]
웹사이트
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2021-08-17
[12]
웹사이트
Document Display | NEPIS | US EPA
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[13]
웹사이트
Document Display | NEPIS | US EPA
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[14]
문서
SWMM Reference Manual
https://www.epa.gov/[...]
[15]
웹사이트
Storm Water Management Model {{!}} Urban Watershed Management Research {{!}} US EPA
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[16]
웹사이트
FEMA: Numerical Models Meeting the Minimum Requirement of NFIP
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[17]
웹사이트
National Stormwater Calculator
https://www.epa.gov/[...]
2014-03-25
[18]
웹사이트
BIORETENTION
http://www.vwrrc.vt.[...]
[19]
웹사이트
PERMEABLE PAVEMENT
http://www.vwrrc.vt.[...]
[20]
웹사이트
Water Topics
https://www.epa.gov/[...]
2016-11-08
[21]
웹사이트
Climate Resilience Evaluation and Awareness Tool (CREAT) Risk Assessment Application for Water Utilities
https://www.epa.gov/[...]
2014-09-10
[22]
웹사이트
System for Urban Stormwater Treatment and Analysis IntegratioN (SUSTAIN)
https://www.epa.gov/[...]
2014-07-24
[23]
웹사이트
Better Assessment Science Integrating Point and Non-point Sources (BASINS)
https://www.epa.gov/[...]
2015-07-23
[24]
웹사이트
Sanitary Sewer Overflow Analysis and Planning (SSOAP) Toolbox
https://www.epa.gov/[...]
2014-06-27
[25]
논문
Modeling Urban Watersheds Impacted by CSOs and SSOs
2013
[26]
논문
PySWMM: The Python Interface to Stormwater Management Model (SWMM)
https://doi.org/10.2[...]
2020
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