• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2023년도 학술발표회
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• pp.108-108
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• 2023

기후변화 및 도시화로 인해 도시 내에서 증가하는 홍수로 인명 및 재산피해가 꾸준히 발생하고 있다. 특히 2022년 8월 8일 서울특별시 및 경기도 지역에 내린 폭우로 인해 8명 이상의 인명피해와 1300억원 이상의 재산피해가 발생하였다. 이러한 도시홍수를 근본적으로 방어하기 위하여 미국, 일본 등의 국가에서는 대심도 빗물저류배수터널을 활용하고 있다. 국내에서도 2011년 서울특별시 강서구 및 양천구에 발생하는 홍수를 방어하기 위하여 국내 최초 대심도 빗물저류배수터널인 '신월 빗물저류배수시설'을 건설하여 현재 운영 중에 있다. 대심도 빗물저류배수터널은 초기 개수로 흐름에서 만관 후 관수로 흐름으로 전이되는 구조물로 계획과 운영이 매우 어려운 시설이다. 이에 미국, 일본, 중국, 이탈리아 등 국가에서 대심도 빗물저류배수터널과 관련한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 대심도 빗물저류배수터널의 유입시설 중 감세부에 해당하는 수직갱과 감세지의 깊이에 따른 감세지 바닥 압력변화를 알아보기 위하여 수리실험을 수행하였다. 그 결과 감세지 깊이가 깊어질수록 바닥면의 압력이 증가하는 것으로 분석되었으며 바닥면의 압력이 감세지 깊이만큼의 정수압을 포함하는 경우 정수압 대비 최대 2.0배, 정수압을 포함하지 않는 경우 정수압 대비 최대 1.0배 인 것으로 분석되었다. 수직갱 깊이에 대한 실험 결과는 수직갱 깊이가 짧아질수록 압력이 감소하는 경향을 보이는 것으로 분석되었는데 이는 회전수 및 회전력과 관련 있는 것으로 판단된다. 향후 수직갱 직경, 수직갱 깊이에 대한 추가 연구가 필요한 것판단되며 이를 통하여 수직갱 깊이-감세지 깊이에 대한 정량적인 연구와 분석을 통해 경제적이고 안정적인 대심도 빗물저류배수터널 감세지 설계가이드라인을 제시하고자 한다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2022년도 학술발표회
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• pp.284-284
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• 2022

최근 세계적으로 급변하는 기후는 연 강수량이 여름에 집중되는 한국 강우 특성에 큰 영향을 미치고 있다. 특히 도시화된 대도시의 배수 시설 능력 부족은 돌발 강우, 국지성 집중 호우로 인한 침수 피해를 야기한다. 미국, 유럽, 일본 등의 선진국의 경우 대심도 저류배수터널을 설치하여 운영하고 있으며, 이에 대한 시설운영기준 및 매뉴얼 개발 등에 관한 연구가 활발히 이루어져 왔다. 그러나 국내에는 이와 같은 시설물에 대한 운영사례가 없고, 시설물 내 복잡한 수리 현상에 대한 수리모형 실험도 부족한 실정이다. 따라서 본 연구는 서울시 강서·양천 일대에 설치된 대심도 터널인 신월 빗물저류배수시설을 대상으로 선정하였으며, 안정적인 운영계획 수립을 위한 최적운영기준을 개발하고자 한다. 본 연구는 도시유역 강우유출모의에 적합한 XP-SWMM 모형을 활용하여 강우조건에 따라 달라지는 수직구별 유입유량, 도달시간 등의 유출특성을 반영하고 수문개방시간을 고려한 시설물 운영기준을 산정하였다. 본 연구의 결과는 도시유역 홍수예방을 위한 빗물저류배수시설의 안정적인 운영계획 수립 및 시설물 운영 매뉴얼 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2012년도 학술발표회
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• pp.604-604
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• 2012

국지성 집중호우에 따른 도심지 내수 침수 피해의 주원인으로 하수관거의 설계기준을 초과하는 강우가 침수피해의 주요 원인이며, 도심화로 인해 불투수 면적이 증가함에 따라 유출되는 시간이 짧아 저지대의 피해는 불가피하다. 2010년과 2011년에 100년 이상의 강우사상이 서울시에 연이어 나타나면서 집중호우로 인한 피해지역이 유사하게 나타났으며, 광화문 거리의 연이은 침수는 현재 서울시의 하수관거의 용량과 빗물펌프장 및 저류조 시설로 구성된 기존 수방대책의 한계점을 보이고 있다. 이에 서울시는 광화문 일대의 배수능력을 향상시키기 위하여 효자배수분구 빗물배수터널을 계획하고 있다. 일본, 미국 및 유럽 등지에서는 대심도 지하수로 시설에 대한 수리실험 및 수치 연구를 바탕으로 다양한 지하방수로가 건설되어 국지성 집중 강우에 대해 적절히 대응하고 있으나, 국내의 경우에는 대심도 지하방수로 시설에 대한 연구가 미비하여 지하방수로 설계 지침 및 기술적 자료가 부족한 실정이다. 그러므로 대심도 빗물배수터널 시설에서의 흐름특성 분석에 관한 수리실험 및 수치해석 등의 구체적인 연구가 필요하다고 판단된다. 본 연구에서는 수리모형 실험의 물질적 및 시간적 한계를 극복하기 위하여 일반적으로 3차원 유체거동의 특성분석에 많이 사용되는 Fluent 6.3 모형을 이용하여 대심도 빗물배수터널 시설의 접선식 유입구에 대한 흐름특성을 수치모의 하였다. 접선식 유입구 및 수직갱(drop shaft)에 대한 기하 모형의 격자망은 수치해석의 안정성 확보를 위하여 그림 1과 같이 6면체 격자로 구성하였다. 맨홀 내의 다상유동을 고려하기 위하여 VOF(Volume of Fluid) Scheme을 적용하였으며, 수치해석 방법으로는 비정상류, 1st order implicit method를 사용하였다. Fluent에서의 난류 흐름을 계산하는 방법에는 난류 운동에너지와 난류 에너지 소산율 $\epsilon$의 전달 방정식을 도입한 k-$\epsilon$ 난류 모형을 채택하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2021년도 학술발표회
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• pp.418-418
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• 2021

신월 빗물저류배수시설은 2010년 집중호우로 침수피해가 발생한 강서구 및 양천구의 저지대 침수문제 해결을 위해서 양천구의 지하 50m 깊이에 설치한 직경 10m, 길이 3.6km, 저류량 32만톤 규모의 지하 대심도 저류 터널이다. 해당 시설은 강우 발생시 유역의 중상류 하수관에서 횡월류 수문을 통해 우수를 저류터널로 유입 및 저류하고, 하류에 위치한 목동 빗물펌프장과 연계하여 배수할 수 있도록 구성되어 있다. 현재 시설의 운영은 유입부 인근에 설치된 수위계를 통해 수문 가동 여부를 판단하고 있으며, 운영 기준 및 매뉴얼은 서울기술연구원에서 지속적인 모니터링을 통해 고도화하고 있다. 본 연구의 목적은 실측 수위 기반의 신월 빗물저류배수시설 운영을 자동화하기 위한 방편으로, 딥러닝 기반의 RNN, LSTM, GRU 등의 알고리즘을 이용하여 유입부 관거 수위를 예측하는 모델을 개발하는 것을 목표로 하였다. 모델의 개발 및 검·보정을 위해 2010년부터 유역 내 구축되어 있는 강우 및 하수관 수위 자료와 목동 빗물펌프장 운영자료를 활용하였다. 현재 신월 빗물저류배수시설은 2020년 5월 준공되어 절대적인 자료 축적 기간이 부족하기 때문에, 향후 지속적인 강우-수위 모니터링을 통해 모델을 고도화하여 시설의 운영에 활용할 수 있도록 개선해 나갈 예정이다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2016년도 학술발표회
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• pp.99-99
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• 2016

최근 홍수의 특성과 피해 양상은 과거와는 다르게 변화하고 있으며, 급격한 도시화로 인하여 기존 하천유역의 저류 능력이 감소하였는데 이러한 한계를 극복하기 위하여 이미 외국에서는 대심도 터널을 활용한 홍수재해 관리방안이 오래전부터 활용되어 왔다. 본 연구에서는 현재 서울시에 건설중인 '신월 빗물저류배수시설' 연속강우 시 대심도 터널의 수리적 안정성 평가와 운영방안 수립을 위한 수리모형실험을 실시하였다. 모형은 Froude 상사법칙을 사용하여 원형의 1/50크기로 제작하였다. 모형의 전체 저류 가능량은 모형기준 $2.78m^3$ (원형 $347,778m^3$)이며, 터널 내 잔류수는 전체 저류 가능량의 0 ~ 100%까지 10%씩 변화시켜 실험 CASE를 선정하였다. 각 실험CASE별 수직 유입구 안정성 평가를 실시한 결과 터널 내 잔류수가 10%~80%까지 존재 할 때는 저지수직구1에서의 압축공기 폭발현상으로 인한 월류현상이 발생하였으며, 10%~40%까지는 저지수직구2에서 월류현상이 발생하였다. 하지만 고지수직구에서는 모든 CASE에서의 공기폭발 현상 및 월류현상이 발생하지 않아 유입성능 및 공기배출 성능이 충분히 발휘되고 있는 것으로 분석되었다. 또한 저지수직구1에서의 월류현상 발생 시점은 5분55초에서 3분42초까지 빨라졌으며 저지수직구2에서의 월류현상 발생 시점은 5분57초에서 4분57초로 빨라졌다. 이는 터널 내 잔류수량이 증가할수록 터널 내 만관시점이 빨라져 발생하며, 저지수직구1,2에서의 압축공기 폭발현상 및 월류 현상은 터널 내에서 발생한 반사파의 영향으로 판단된다. 차후 터널 내 반사파 발생에 대한 연구가 추가적으로 진행되어야 할 것이다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제52권5호
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• pp.313-323
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• 2019

대심도 터널은 기 개발된 도시의 부족한 배수관망 능력을 보강하기 위하여 지하에 설치하는 대규모 도시홍수 배제 시설물로 역 사이펀 관로 형태를 하고 있는 시설물이다. 대심도 터널과 같은 구조에서는 하류에서 발생한 불규칙 단파에 의하여 터널의 수리적 안정성에 문제가 발생한다. 본 연구에서는 국내 최초로 건설 중인 '신월 빗물저류배수시설'의 수리적 안정성에 불규칙 단파가 미치는 영향을 알아보기 위하여 다양한 홍수유입 시나리오에 대하여 수리모형실험을 실시하였다. 본 연구에서 수행한 수리모형실험 결과 하류에서 발생한 불규칙 단파가 상류로 이동하면서 관 내 포집되어 압축상태인 공기덩어리를 밀어내는데, 이 공기덩어리가 상류 수직유입구를 통하여 급배기 되는 과정에 수직유입구를 질식시키고 홍수유입을 차단하여 월류가 발생하는 것으로 판단된다. 또한 불규칙 단파의 이동속도를 분석한 결과 불규칙 단파가 이동하면서 에너지를 전달하고 이때 관 내 압력 상승 및 불규칙 단파의 속도 증가분이 발생하는 것으로 판단된다. 대심도 터널의 수리적 안정성에 중요한 역할을 하는 불규칙 단파의 크기 및 속도 예측을 위한 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제50권2호
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• pp.129-138
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• 2017

대심도 저류 및 배수터널은 기 개발된 도시의 부족한 배수관망 능력을 보강하기 위하여 지하에 설치하는 대규모 도시홍수 배제 시설물로 원활한 홍수 유입을 위해 적정한 규모의 수직유입구가 요구되어진다. 접선형 수직유입구 설계 시 유입구의 능력을 평가하는 중요인자로 Yu and Lee(2009)가 지배유량개념을 소개하였는데, 본 연구에서는 서울시에 설치하고자 하는 신월빗물저류배수시설의 수직유입구 3개소를 대상으로 수리모형실험을 실시하고 제안된 지배유량 개념의 적정성을 평가하였다. 지배유량 이론식($Q_{cp}$)을 이용하여 실제 측정된 지배유량($Q_{cm}$)과 비교 분석하였는데, 그 결과 이론식 대비 66~69%로 이론식이 지배유량을 과대 산정하는 것으로 평가되었다. 지배유량 이론식의 과대산정 원인을 분석하기 위하여 Yu and Lee (2009)가 사용한 자료들과 본 연구에서 측정된 자료들을 활용하여 지배유량비($Q_{cm}/Q_{cp}$)를 3가지 영역으로 분류하고 각 인자에 대한 민감도 분석을 실시하였다. Yu and Lee (2009)가 제안한 지배유량식은 접선형 수직유입구 설계인자인 B, z, ${\beta}$, e/B에 대한 영향만 고려하였으나 ${\theta}$, L과 연계된 변수들로 복합적으로 고려하는 식의 개선이 필요한 것으로 판단된다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제53권4호
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• pp.303-312
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• 2020

지하 대심도 터널은 도시 홍수방어구조물로 역 사이펀 형태의 시설물이다. 본 연구에서는 국내 최초로 건설중인 '신월 빗물저류배수시설'을 대상으로 다양한 홍수시나리오에서 불규칙 단파와 압축공기가 시설의 수리적 안정성에 미치는 영향을 확인하기 위하여 수리모형실험을 수행하였다. 본 연구 결과 하류에서 발생한 불규칙 단파가 상류로 이동하면서 시설 내 포집되어 있던 압축공기를 상류로 밀어내고 이 때 관내 압력이 상승하는 것으로 분석되었다. 또한 불규칙 단파가 통과할 때의 압력이 당시 정압력과 동압력의 합보다 큰 것으로 분석되었으며 압축공기 단면의 크기가 터널 단면적의 40% 이상인 경우 월류가 발생하는 것으로 분석되었다. 이는 시설 내 포집되어 있는 압축공기의 부피와 상관이 있는 것으로 판단되며 향후 불규칙 단파 속도와 압축공기 부피와의 관계에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.