탄력성을 고려한 우수관망의 최적설계

Optimal Sewer Network Design Considering Resilience: Resulting Design Comparison for Different Level of Failure Depth

최근 세계적으로 기후변화로 인해 설계빈도를 초과하는 강우가 발생함에 따라 설계빈도를 기반으로 하는 우수관망의 침수피해가 종종 발생한다. 내배수시스템에서 실패를 준비하고, 대응 및 복구하는 시스템의 능력, 즉, 복원탄력성의 개념을 고려하여 우수관망에 적용하는 것이 매우 중요하다. 본 연구에서는 침수피해 심도를 만족하고, 시스템의 총 설계비용을 최소화하는 탄력성-제약조건을 기반으로 한 최적설계모형을 제안하였고, 여기서, 실패 (침수) 심도는 시스템의 저항력을 의미한다. 최적화된 관의 제원 및 노선을 결정하기 위해 강우-유출모형인 SWMM 모형과 화음탐색법을 연계 사용하고, 이를 2개의 가상 네트워크에 적용하여 유의미한 결과를 도출하였다. 또한, 최적화방법을 사용하여 관의 제원 및 노선을 결정하고, 탄력성을 기반으로 한 설계에 대한 시스템의 설계비용은 복원력을 고려하지 않는 시스템의 설계비용과 비교하였다. 도출된 결과를 통하여 내배수시스템의 안정성과 경제성을 동시에 고려하여 적절한 수준을 만족하는 도시 내배수시스템의 설계방안을 채택할 수 있다.

We are recently observing that traditional probaility-based on design of urban drainage network often fails because more frequent occurrence of catastrophic heavy rainfall event from global climate change. Therefore, it is very critical to consider system’s ability to prepare, react, and recover from a failure (i.e., resilience) in urban drainage network design. This study proposes a resilience-constrained optimal design model of urban drainage network which minimizes total system cost while satisfying a predefined level of failure depth (i.e., resilience measures). In addition, failure (i.e., flooding) depth refers to the level of degradation in system performance. Optimal layout and pipe sizes are identified by the proposed model comprised of Harmony Search Algorithm (HSA) for optimization and Storm Water Management Model (SWMM) for dynamic hydrology-hydraulic simulation. The proposed model is demonstrated through the design of two hypothetic networks. In addition, The resilience-based design obtained is compared to the least-cost design obtained with no resilience consideration with respect to optimized layout and pipe sizes. it is possible to adopt the optimal sewer network design that satisfying the different level of failure depth by considering stability and economy in urban drainage systems.