도시유역의 중·하류부에 주로 설치되는 4방향 합류맨홀에서 과부하 흐름에 의한 에너지 손실은 도심지 침수피해를 가중시키는 주요 원인이다. 과부하 4방향 합류맨홀에는 유입관의 유입조건에 따라 흐름 양상이 크게 변화되며, 중간맨홀 뿐만 아니라 3방향(T형) 합류맨홀의 흐름조건을 구성한다. 그러므로 유입관의 유입유량 변화에 따른 과부하 4방향 합류맨홀의 에너지 손실 변화 분석 및 손실계수 산정이 필요하다. 본 연구에서는 하수도시설기준을 준용하여 맨홀직경 및 관경을 1/5로 축소 한 수리실험 장치를 제작하였다. 과부하 사각형 4방향 합류맨홀에서 유입관의 유입유 량비 변화에 따른 손실계수를 산정하기 위하여 유입관(주 유입관 및 양측면 유입관)의 유입유량비를 10% 간격으로 변화시켜 다양한 유량조건(40 case)을 선정하였다. 실험 결과 중간맨홀에서 0.40의 가장 낮은 손실계수가, 90° 접합맨홀에서 1.58의 가장 높은 손실계수가 산정되었다. 또한 합류맨홀(T형, 4방향)의 경우 측면 유입유량이 한쪽으로 편향될수록 보다 큰 손실계수를 나타냈다. 유입관의 유입유량 조건 변화에 따른 손실계수를 산정하여 손실계수 범위도를 작도하였으며, 과부하 사각형 4방향 합류맨홀에서 모든 흐름조건을 고려할 수 있는 손실계수 산정식을 제시하였다. 제시된 산정식은 유입관의 유입유량이 변화하는 배수시스템의 설계 및 검증에 적용이 가능할 것으로 판단된다.

도시화 및 산업화로 인한 도시지역의 불투수율의 증가와 국지성 호우로 인하여 도시지역의 홍수에 대한 방어능력이 취약하게 되었다. 도시지역 의 홍수피해 저감을 위하여 저류지와 침투시설을 포함한 각종 우수유출저감시설이 적용되고 있다. 그러나 국내 대도시의 경우 우수유출저감시설 설치를 위한 부지 확보가 어렵고 노후화된 관거 개선을 위한 예산확보도 어려운 실정이므로 도심지의 치수능력 향상과 예산을 절감시킬 수 있는 기 존 우수관거를 연계한 저류시스템(이것을 간선저류지라 부르기로 한다)의 설계가 필요하다고 판단된다. 본 연구에서는 세 가지 형상(세장형, 중앙 형, 집중형)의 가상유역을 대상유역으로 선정하여 기존 우수관거를 연계한 저류시스템인 간선저류지를 유역 내의 임의의 위치에 설치하였을 경우 간선저류지의 용량에 따른 우수유출저감효과를 분석하였다. 간선저류지는 6가지의 용량(1,000 m3, 3,000 m3, 5,000 m3, 10,000 m3, 20,000 m3, 30,000 m3)으로 설정하였고, 우수유출저감효과를 분석하기 위한 저류지의 설치위치는 전체 유역면적에 대한 저류지 상류부 면적의 비를 각 각 20%, 40%, 60%, 80%로 변화시키면서 설치위치를 다양하게 적용하여 대상유역의 우수유출저감효과를 분석하였다. 또한 도출된 결과를 이 용하여 간선저류지 설치위치에 따른 관계도 및 관계식을 제시하였다.

일반적으로 쇠살대 빗물받이는 도로 표면유출 흐름을 차집하여 도시배수 시설로 배제하기 위하여 설치된다. 빗물받이의 규모 및 설치간격 을 결정하기 위하여 빗물받이 차집유량 산정식이 필요하다. 그러므로 쇠살대 빗물받이 유입구의 차집능력 분석이 필요하다. 본 연구에서는 도로 빗물받이의 차집유량 산정을 위해 수리실험모형을 제작하여 720회의 실험을 실시하였다. 빗물받이 제원은 현재 대부분의 국도에 설치 되는 크기인 40×50cm,40×100cm 및 40×150cm를 Froude 상사법칙을 이용하여 1/2로 축소 모형을 제작하였다. 측구의 유량은 도로의 차선 (2~4차선), 경사(도로 종경사 2~10%, 측구 횡경사 2~10%) 및 설계빈도(최대 30년)을 고려하였다. 실험 결과 측구의 횡경사가 커질수록 빗물받 이로 유입되는 유량은 증가하였으며, 빗물받이 유입부의 길이가 증가함에 따라 유입부 측면부를 통한 횡유입량을 증가시켜 빗물받이 유입부의 차집효 율을 증가시켰다. 실측 차집유량을 이용하여 회귀분석 실시하여 빗물받이 유입구 크기별 차집유입량 산정식을 도출하였다. 기존 경험식과 비교한 결 과, 도출된 산정식은 상향된 빈도를 반영한 빗물받이 유입부의 차집유량을 보다 정확하게 산정하였으며, 도로 배수시설 설계에 기초자료로 활용이 가 능할 것으로 판단된다.

일반적으로 XP-SWMM은 맨홀을 하나의 절점으로 간주하여 절점의 형상과 크기에 따른 국부손실의 영향을 고려하지 못하기 때문에 침수면적을 과소 산정한다. 그러므로 과부하 맨홀 내에서의 손실계수를 고려한 해석 방안 및 손실계수의 적용에 따른 침수해석에 관한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 유량변화 및 맨홀 형상 변화에 따른 수리실험을 실시하여, 과부하 맨홀(원형, 사각형)에서의 손실계수를 각각 0.61과 0.68로 산정하였다. 또한 XP-SWMM을 이용하여 군자배수분구를 대상으로 산정된 손실계 수의 적용 유무에 따른 침수면적의 변화특성을 분석하였다. 분석 결과 손실계수를 적용하면 침수면적이 3.5ha 증가하는 것으로 나타났다. 이는 손실계수 적용에 따라서 맨홀에서의 월류량이 증가하기 때문이다. 대상유역에 손실계수를 적용하였을 경우 실제 침수면적과의 일치율은 약 58%로 나타났으며, 손실계수를 고려하지 않았을 경우의 일치율은 약 40%로 나타났다. 그러므로 과부하 맨홀에서의 손실계수를 고려한 2차원 침수해석의 결과는 도시지역의 침수 위험지역을 정확하게 파악하기 위한 기초적인 자료로 활용이 가능할 것으로 판단된다.

최근 들어 온난화 현상 및 기후변화 등으로 전세계적으로 가뭄, 홍수, 한파 등 기상이변 현상이 빈번히 발생하고 있으며, 이러한 기상이변 현상은 과거의 기상현상과는 달리 국지성호우 발생과 강우량의 증가 등으로도 나타나고 있다. 계획 홍수량을 초과하는 극치강우가 빈번하게 발생하면서 기존 홍수 방어, 치수 안전 시설물 등 기존 방재 시설물들의 치수 안전도를 저하시키고 있다. 또한 급격한 개발로 인한 도시화, 산업화 등으로 토지이용이 꾸준히 확대 되었고, 이로 인해 도심지역의 도로구역, 주거구역, 상업구역, 공업구역등의 인위적인 포장으로 인해 녹지는 감소하고 불투수지역이 증가하게 되었다. 도시유역에서의 피해는 개발정도와 인구집중 등에 따라 자연유역이나 소도시유역과는 달리 엄청난 경제적 피해와 피해규모가 상대적으로 크게 나타나고 있는 실정이다. 따라서 침수 취약지구로 선정되어진 도림천 유역에 대해 재현빈도 및 토지이용 변화에 대한 수문분석 및 우수관거 통수능력 분석을 위해 XP-SWMM(Stormwater & Wastewater Management Model)모형을 이용하여 우수관거의 규모, 형상 변화에 따른 저류용량을 검토하였다.

일반적으로 관거 및 맨홀 등의 도시 배수 시스템에서의 유사 및 유송잡물의 퇴적은 유수 흐름의 저항, 합류식 하수도의 조기 운영 및 도시 침수 및 주수로에서의 필연적인 오염 발생 등의 하수도 시설에 심각한 영향을 미친다. 그러므로 배수관과 연결된 합류맨홀에서 유사의 거동 특성 및 퇴적 양상을 분석할 필요가 있다. 본 연구에서는 문헌조사 및 현장조사를 실시하여 실험장치를 제작하고 실험조건을 선정하였다. 선정된 실험조건인 맨홀 형상 조건(사각형, 원형), 유사 유입 조건, 유입 유사량 및 유사 유입 관거를 변화시키면서 실시하였다. 맨홀 내부에 경사형 benching을 설치한 개선형 합류맨홀은 맨홀의 형상에 관계없이 합류맨홀 내 유사퇴적을 저감시키는 데에 상당한 효과를 나타내고 있으므로 도시 배수 시스템에서 개선형 합류맨홀은 관거 시설의 배수능력을 증대시킬 것으로 판단된다.

최근 기상변화와 급속한 도시화에 따른 국지성 집중호우가 자주 발생되며, 불투수층이 급격히 증가하면서 대도시 지역에서의 침수 피해가 잇따르고 있다. 2010년과 2011년 서울시에도 100년 빈도의 집중호우가 연이어 나타나면서 광화문과 강남지역 침수가 발생하였고 이는 서울시의 현재 우수 및 하수관리 체계의 한계점을 보여준다. 이에 서울시는 체계적인 방재대책을 마련하기 위해 대심도 빗물배수터널 설치를 계획하고 있지만 국내의 경우 대심도 빗물배수터널에 대한 연구(수리실험 및 수치모의 등)가 미비하며, 구체적인 설계지침수립 등의 연구결과가 부족한 실정이다. 그러므로 대심도 빗물배수터널의 흐름특성 분석에 관한 구체적인 연구가 필요하다고 판단된다. 대심도 빗물배수터널에서 유입구(Inlet)는 유량배제 시 유입유량을 결정하는 중요한 구조물이다. 국외에서는 유입구의 형태 및 크기 등에 관한 실험 및 수치모의연구가 1980년대 이후로 지속적으로 수행되고 있으나, 국내에서는 유입구에 관한 기초적인 연구만 진행되고 있는 실정이므로 유입구에 대한 구체적인 연구가 필요하다. 특히 유입구는 형태(Scroll, Spiral, Tangential)에 따라 유입수로에서의 수심이 결정되고 이 수심이 유량의 배제능력을 평가하는 기준이 되므로 유입구의 형태별(Scroll, Spiral, Tangential) 흐름특성을 분석 하는 것이 중요하다고 판단된다. 본 연구에서는 가장 일반적으로 사용되고 있는 유입구의 종류를 소개하고, 각 유입구에 대한 흐름특성을 분석하고자 한다. 흐름특성 분석을 위해 3차원 수치모델링 프로그램인 Fluent 6.3모형을 사용하여 실시하였다. 유량 배제효율을 판단하는데 척도가 되는 유입수로에서의 최소수위를 측정하였으며, 각 유입구별 수치모의 조건(수직갱 지름, 접근수로 너비, 유량 등)은 같은 값을 적용하여 비교·분석하였다. 유입부 구조물의 격자망은 육면체와 삼각뿔 형태로 구성하였으며, 다상유동을 위해 VOF Scheme을 적용하였다. 수치해석 방법으로는 비정상류, 1st order implicit method를 사용하였고 난류모형으로는 κ-ε모형을 적용하였다.

도시화된 지역에서 기후 변화로 인한 국지적인 집중 호우가 빈번히 발생하고 있으며, 이로 인한 급격한 유출량의 증가는 도시배수 시스템의 통수불량 및 용량 부족을 야기 시키며 도심지 홍수피해로 이어지고 있다. 그러나 도시배수 시스템의 과거 시설 계획 또는 설계 시 관거 내의 마찰손실만을 고려하고 있으며, 맨홀 등의 구조물에서의 국부적인 에너지 손실은 고려하지 않고 있다. 도시배수 시스템의 설계 용량을 초과하는 유입유량, 통수능력의 저하, 외수위 상승에 따른 영향을 받을 시 관거는 만관을 초과하는 과부하 상태의 압력흐름의 지배를 받는다. 그러나 시스템의 계획·설계 시 맨홀 내의 수두손실을 무시하는 개수로 흐름만을 고려할 뿐 과부하 흐름에 의한 맨홀의 국부손실은 무시되고 있다. 따라서 도시배수 시스템 내 맨홀에서의 수리학적 에너지 손실을 고려한 배수 시설의 합리적인 평가와 유지관리 측면에서 맨홀 내 수두손실의 특성을 모의할 수 있는 모형의 개발이 필요하다. 본 연구에서는 관거 시설의 구조물 설치에 따른 국부손실의 영향을 고려한 관거 시설의 흐름해석이 가능한 수치모형을 개발하였다. 또한 조압수조 이론을 적용하여 개발된 수치모형의 계산 결과는 과부하 맨홀의 수심을 예측할 수 있도록 비교하였다. 개발된 수치모형으로부터 계산된 맨홀 내 수심의 변화는 과부하 흐름에 의한 맨홀로부터의 월류량 산정과 도시유출해석의 합리적인 평가에 기여할 것으로 판단된다.