프로그램의 기능과 특징
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xpswmm(Stormwater&Wastewater Managemement Model)은, 1969~1971년에 아메리카
환경 보호청(U.S.Environment Protection Agency)의 지도・원조에 의해, 컨설턴트 회사 Metcalf and
Eddy사, 플로리다 대학(University of Florida), Water Resource Engineers사(현 Camp,Dresser
and McKee,Inc.)의 3기관에 의해서 개발된 코드에 기원을 가지는 시스템이며, 도시 지역의 수량・수질 해석 모델로써,
아메리카・캐나다등을 중심으로, 세계 각국에서 널리 이용되고 있는 실적 풍부한 모델입니다.
본 시스템은 복수의 계산 모듈로 구성되지만, 크게 강우 손실 모델, 지표면 유출 해석 모델, 관내 수리 해석 모델, 범람 해석
모델, 오탁 부하 해석 모델로부터 구축됩니다.
xpswmm기본 시스템에 더해, 범람 해석을 하는 XP-Flood：2D모듈이나, 리얼타임 컨트롤을 하는 XP-RTC모듈, 수치
지형 데이터용의 XP-GIS모듈등의 추가 모듈의 제품 라인업을 갖추고 있습니다. |
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■ 기능(유출 해석:수문 모드)
유출 해석에서는, 유역 전체를 몇개의 소유역으로 분할하여, 지표면에서의 침투역・불침투역, 움푹패인 저류지를 고려한 해석이 가능합니다.
● 강우 해석：
일정 시간 간격, 임의 시간 간격등의 임의의 시계열 데이터의 작성, 실적 강우의 계획 강우로의 확대등의 모든 강우 파형의 설정이
가능합니다.
● 강우 손실 해석：
토지 이용마다의 초기 손실로써, 움푹패인 저류지, Horton식 또는 Green-Ampt식에 의한 침투능에서의 지하로의 침투,
증발산에 의한 강우의 손실을 고려해, 강우량으로부터 지표면에 유출하는 유효 강우량을 산출합니다.
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| ▲유효 강우의 취급 |
● 표면 유출 해석： 유효 강우가 지표면을 흐르는 경과를 산출합니다.
・비선형 저류법(RUNOFF법)
・등가 조도법(KinematicWave식)
・SCS곡선법(강우와 침투의 경험칙을 사용하는 모델)
・라우렌산 비선형법(저류 함수법)
・단위도법(유닛 하이드로 그래프)
・시간 면적법(타임 에리어법)
・국지법(SBUH법, CUHP법, LA지역법, Snyder법)등
비선형 저류법에서는, 지표면류의 물은 넓은 범위에 걸친 얇은 층이라고 가정하고, 연속 방정식과 표면류의 Manning방정식등으로
해법합니다.
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| ▲유역의 단순화 |
▲비선형 저류법의 개념도 |
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■ 기능(수리 해석:수문 모드)
루프관등의 복잡한 관거 해석이 가능하며, 임의 지점에서의 수량, 수질을 사계열적으로 해석할 수 있습니다. 수리 모드에서의 단독
계산도 가능하며, 수문 모드와 연결시켜, 표면 유출 해석으로부터 구해지는 하이드로 그래프를 빗물, 맨홀등으로부터 관거・배수로로의
유입량으로 한 연동한 해석도 가능합니다.
● 수리 해석：
수리 해석에서는, 완전 세인트 베난트 방정식에 기초를 둔 Dynamic wave법을 표준으로 하지만, KinematicWave법이나
EPA-SWMM법에 의한 해석도 가능합니다.
・Dynamic wave법(1차원 부정류 모델)
・Kinematic wave법(1차원 등류 해석 모델)
・EPA-SWMM법法
세인트 베난트 방정식의 전 항목을 고려하고 있기 때문에, Dynamic wave법에 의한 1차원 부정류 해석 모델에서는, 역류나
배수, 루프를 이루는 네트워크 흐름등의 모든 1차원 수리 현상을 해석 가능합니다.
・개수로 흐름, 압력 흐름
・펌프, 댐등의 수리 구조물을 편입한 계산
・하수도망, 저류 시설등의 대책 시설의 효과
● 개수로 수리(하천류, 수로 해석)：
개수로 흐름의 해석에 관해서는, 1차원 부정류 모델에 의해 해석합니다.
● 관내 수리(하수도 관로망)：
압력관 상태의 해석에 관해서는, 프라이스 맨슬롯에 의해 1차원 부정류 모델에 의해 해석합니다.
● 오탁 부하량 해석：
하기의 모델에 의해 오탁 부하 해석에 대응합니다.
・지표면 퇴적 유출 모델
・퇴적 물질 수송 모델
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| ▲개수로 수리 모델 |
▲관내 수리：프라이스 맨슬롯 개념도 |
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■ 기능(범람 해석등의 추가 기능)
범람 해석에서는, 「하수도에서 일수」→「일수한 물에 의한 지표면 범람」→「범람류의 하수도로 되돌아옴」이라고 하는 범람 발생부터
종식까지의 일련의 수리 현상에 관해서, 지하의 관내 수리 해석과 지표면의 범람 해석으로 상호의 해석 정보를 교환해 순서대로 계산함으로써,
지하의 하수도 흐름과 지표면의 범람류를 연동시켜 연속적으로 해석합니다.
● 범람 해석(XP-Flood：2D모듈)：
우수 배제 시설내 수리(자유 수면 흐름・압력 흐름)의 1차원 부정류 해석과 연동한 지표면을 메쉬 분할하여 범람 상태를 2차원 부정류
모델에 의해 해석합니다. 메쉬내에 분포하는 맨홀부에서 관거와 접속함으로써, 관거의 유하 능력 이상의 우수가 맨홀로부터 일수하고,
지표면의 구배에 따라서 유하・확산한다고 한 해석이 됩니다.
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| ▲1차원 및 2차원 부정류의 일체화 해석의 개념도 |
▲네트워크의 3D표시 |
●리얼타임 컨트롤(RTC)(XP-RTC모듈)：
리얼타임 컨트롤은, 저류지나 배수 펌프, 가동댐, 수문등의 수리 구조물을 관로 시스템안에 배치하고, 강우량이나 수위의 관측치를
기초로 즉시 효과적으로 조작하여, 침수 방지나 수역 오탁의 삭감을 하는 수법입니다. 각종 센서로부터의 수위나 유량등의 관측 데이터에
기초를 둔 수문, 댐, 펌프등의 조작을 동적으로 제어시킨 시뮬레이션이 가능하며, 기존 시설의 활용 방법이나 운용 방법의 계획,
펌프 시설등의 최적 운전 룰의 제안등이 가능합니다.
● GIS(XP-GIS모듈)：
GIS등의 수치 지형 데이터를 이용해서, Excel/Access 혹은 ESRI등의 기존 OLE이나 ODBC준거한 데이터베이스를
임포트함으로써, 유출 해석 모델을 효율적으로 작성할 수 있습니다. |
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■ 기능(인터페이스)
인터페이스는 사용하기 쉬운 그래피컬 환경에서 동작합니다. 마우스, 메뉴 커맨드와 툴 아이콘을 사용하면서, 네트워크를 화면상에서
대화적으로 작성・변경할 수 있습니다.
● 레이어 컨트롤 패널：
메인 화면에는, 레이어나 오브젝트를 관리하는 컨트롤 패널이 있습니다. 이 레이어 컨트롤 패널에서는, 항공 사진, 토지 이용 그
외의 모델 데이터를 포함하는 SHAPE파일이나 지형 모델(TIN)등의 오브젝트나 레이어의 선택, 형식의 변경과 구성하기 위한 기능이
있습니다.
●1차원 모델：
링크(하천, 수로, 관, 펌프, 댐을 나타냅니다)노드(링크의 접점이며, 사용하는 맨홀이나 수로, 하천의 단면변화점을 나타내고,
저류 특성을 가지게 하는 것이 가능합니다)
● 2차원 모델：
CAD, SHAPE파일이나 항공 사진등의 배경 레이어의 임포트나 관리를 할 수 있습니다. 옵션의 DTM툴에 의해, 모델에 지형
표고 데이터를 추가하는 것이 가능합니다.
● 시나리오 매니저：
하나의 모델에 대해서, 다른 배수 시설을 설정한 복수의 시나리오에 대해서 시나리오 매니저에 의해 관리함으로써, 시설 효과를 정량적으로
평가할 수 있습니다. |
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■ 기능(애니메이션 표시)
자신의 해석 결과의 해석이나 제3자에게로의 프리젠테이션 용도로써, 여러가지 바리에이션 애니메이션 표시가 가능합니다.。
● 애니메이션 출력(수리 해석)：
임의 지점에서의 동수 구배선 및 수량, 수질을 시계열적으로 애니메이션 표시합니다.
● 애니메이션 출력(범람 해석)：
최대 침수 영역 또는 최대 침수에서의 범람맵을 동적으로 애니메이션 표시할 수 있습니다.
● 애니메이션 출력(3차원 패스(원근)표시)
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■ UC-win/Road와의 연계
xpswmm에 의한 범람 해석 결과를 UC-win/Road에 의해, VR로 표현할 수 있습니다.
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■ 특징
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하천, 하수도, 하천과 하수도의 통합 해석, 오탁 부하, 범람 해석등의 모든 용도에 적용할 수 있습니다. |
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DTM등의 수치 지도 데이터등의 활용에 의해, 간단하게 지형 데이터를 구축할 수 있습니다. |
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역류나 배수, 루프를 이루는 네트워크 흐름등의 복잡한 흐름을, 1차원(관로)과 2차원(지표면)의 부정류 해석에 의해 엄밀하게 해석합니다. |
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리얼타임 컨트롤 기능에 의해, 기존 시설의 활용 방법이나 운용 방법의 계획, 펌프 시설등의 최적 운전 룰의 제안등이 가능합니다. |
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시나리오 매니저 기능에 의해, 대책 시설(바이패스관, 저류 시설등)을 넣어, 효과의 검증이 조작성 좋게 가능합니다. |
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침수 시뮬레이션에서는, 관로내의 수리와 지표면의 범람 현상과 연동한 일체화 해석을 할 수 있습니다. |
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설정 강우에 대한 침수 지역, 침수 수심, 침수 시간, 범람 유속등의 해석 결과가 3D나 애니메이션으로 표시되어, 해석 결과의
평가시에 편리합니다. |
■ 적용 범위/검토 사례
우수 대책에서는 정비 수준의 향상에 따라, 사업 규모가 커지는 경향이 있으며, 기존 시설의 유하 능력이나 저류 능력을 적정하게
평가하고, 기존 시설을 유효 활용한 효율적인 시설 계획이 요구되어 오고 있습니다. 또한, 사업의 추진에 있어서, 적절한 설명 책임을
다하는 것이 중요하며, 사업 내용이나 사업 효과를 알기 쉽게 설명하는 수단이 필요하게 됩니다.
xpswmm에서의, 시간적・공간적인 분포를 가지는 강우를 부여하고 토지 이용을 고려한 분포형 모델에 의한 유출 해석 기능, 또는
부정류 해석에 의한 정밀도가 높은 시설 능력의 정량화, 게다가 풍부한 애니메이션 표시 기능등의 편리성으로부터, 주로, 우수 대책
사업, 하수 합류 개선 사업, 침수 대책 사업등의 폭넓은 용도로 국내외에서 활용되고 있습니다.
【유출 해석】
임의 지점의 수위 및 우수 유출량을 시계열로 파악할 수 있기 때문에, 유역 전체의 유출・침수 상황을 평가하고, 현황 하천, 기설
관거등의 유하 능력 문제 장소나 침수 원인의 특정등의 용도에 이용하실 수 있습니다.
하천과 하수도를 통합적으로 해석할 수 있기 때문에, 방류하는 곳의 하천의 영향을 고려한 침수 대책 시설 및 펌프 운전의 조정 방법이나,
하천과 하수도를 연계한 수해 대책의 상태 및 일체적인 개선 효과의 검토에도 이용하실 수 있습니다.
【범람 해석】
하수도등의 기존 배수 시설을 표현할 수 있으며, 관거내와 지표면과의 쌍방향을 일체적으로 수리 해석할 수 있기 때문에, 범람 흐름이
확산적으로 전파하는 구역, 맨홀에서의 일수가 범람하고 다른 맨홀로부터 관거에 재유입하는 구역등의 시뮬레이트가 가능하여, 효과적・효율적인
침수 대책의 계획, 사업 효과를 해석하는 툴로써 이용하실 수 있습니다.
【침수 예상도, 해저드맵의 작성】
2005년의 수방법 일부 개정에 의해, 적확한 판단・행동을 실현하기 위해 방재 정보의 충실을 도모하기 위해서, 침수 상정 구역의
지정・공표를 하는 하천이, 홍수 예보 하천 뿐만이 아니라, 수위 주지 하천에까지 확대되었습니다. 그에 따라, 침수 상정 구역을
포함한 시읍면장은, 홍수 해저드맵을 이용하여 홍수 예보등의 전달 방법이나 피난 장소, 그 외 홍수시의 원활하고 신속한 피난 확보를
도모하기 위하여, 필요한 사항에 대해서, 주민에 주지시킬 것이 의무화되어, 사실상 홍수 해저드맵의 작성・공표가 의무화 되었습니다.
이 개정에 더불어, 침수 상정 구역 및 해저드맵 조사 비용의 예산 보조 제도가 마련되어, (2009년까지), 각각 작성・공표가
진행되고 있습니다. 앞으로도 더욱 수요가 증가하는 해저드맵의 작성에 있어서도 이용하실 수 있습니다.
【합류식 하수도 개선】
합류식 하수도는 수질 보전상 및 공중 위생상의 문제로부터, 2004년도의 하수도법 시행령의 개정에 있어서 10년간에 걸쳐 개정하는
것이 의무화 되었습니다. 합류식 하수도의 현황 파악, 개선 대책안의 계획, 개선 대책의 평가・검증, 또는 하천과의 연계 대책의
창안에 관한 검토에도 이용할 수 있습니다.
【시설 설계】：
종래의 합리식을 이용한 설계 수법으로부터, 효과적인 설계 수법으로의 전환으로써, 강우의 시간적・공간적 분포를 재현한 침수 시뮬레이션을
이용하는 것이 권장되고 있습니다. 이와 같은 배경으로부터, 배수 시설 설계, 하수도 기간 시설등의 사업 효과를 시뮬레이터에 의한
사전 평가나 대책 전후 효과의 정량화에 이용하실 수 있습니다. 또한 하수 시설 뿐만 아니라, 농업용 수로, 공업용 수로등의 배수
시설에 대해서도 유하 능력의 평가에 적용할 수 있습니다.
【시설 운용 계획】：
펌프장, 분수대, 저류 시설등의 수리 구조물을 설정할 수 있기 때문에, 우수 정비 목표의 향상에 대응한 각종 침수 대책 시설 효과를
확인할 수 있습니다. 게다가, 복수의 펌프나 댐, 게이트 시설등의 리얼타임 컨트롤(RTC)에 의한 조작 설정함으로써, 시설 운용
계획의 책정, 효율적인 하수도 시스템 운전 수법의 효과를 정량적으로 확인할 수 있습니다.
【오탁 부하 해석】：
우수 수질의 영향 과정을 시뮬레이트하여, 오탁 부하물을 생성점으로부터 수집점까지 추적할 수 있으며, 오염이나 침전 문제에 대해서
적용할 수 있습니다. 오탁 부하 유출 상황의 현황 파악이나, 개선 대책후의 오탁 부하량 삭감 효과등의 오탁 부하 해석에 적용할
수 있습니다. 수질 문제에 관해서는, 최적 관리 수법(BMP)을 적용할 수 있습니다.
■적용 기준류
하수도등의 우수 배수 시설을 고려할 수 있는 범람 해석에 적용 가능한 요건을 충족시키는 우수 유출 해석 소프트웨어로써, 하기의
공식집, 매뉴얼, 가이드라인등에서는 『xpswmm』가 게재되어 있습니다.
・「수리 공식집, 1999년도」
・「유출 해석 모델 이익 활용 매뉴얼, 2006년 3월, (재)하수도 신기술 추진 기구」
・「도시 지역 범람 해석 모델 활용 가이드라인(안)－도시 침수－, 2004년 11 월, 국토 기술 정책 종합 연구소 수해 연구실」
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