Vol. 48 No 6. 2015. 6 | 47

학술/기술기사

Water for Future

EPA SWMM을 기반으로 한 유역 유출모형(XP-SWMM, PCSWMM) 소개 및 비교

1. 서론

최근 우리나라에는 기후변화에 따라 국지성 집

중 호우가 빈번히 발생하고 있는데, 단일 강우사

상에 대하여 같은 양의 강우가 장기간에 걸쳐 내

리는 것보다 단기간에 집중해서 내리는 것이 더

많은 피해를 입힐 수 있다.

도시 유역의 경우, 우수관거의 설계빈도를 초과

하는 강우가 발생하게 되면 침수 피해가 발생하게

된다(그림 1). 이와 같은 도시의 침수 피해를 예측

및 예방하기 위해서는 유역 유출모형을 이용하여

관심 지점의 홍수량을 결정해야 한다. 또한, 침수

취약 지역에 대한 침수 면적 및 침수위를 산정해

야 할 필요가 있다.

유역 유출모형이란 강수가 하천유량으로 변환

되는 수문순환 과정을 모의하는 모형이다. 여기서

유역은 모형화의 대상이 되는 시스템이고 강수는

입력 자료이며 이로부터 유출양상이 계산된다. 그

리고 이러한 수문순환 과정에서 유출수의 수질이

변동되다. 어떤 유출모형은 수량만을 모의하는 반

면 어떤 것들은 수량과 수질을 함께 모의한다(수

자원공사, 2001).

본고에서는 여러 가지 유역 유출모형 중 도시

유역을 모의할 경우 사용되고 있는 SWMM(Storm

Water Management Model)과 SWMM을 기반

으로 개발된 CHI(Computational Hydraulics

International)사의 PCSWMM, XP-Software사

의 XP-SWMM을 소개하고자 한다.

진 영 규 ●●●

부경대학교 토목공학과 석사과정accvn75@gmail.com

이 상 호 ●●●

부경대학교 토목공학과 교수peterlee@pknu.ac.kr

정 태 훈 ●●●

부경대학교 토목공학과 박사과정jthwise@pknu.ac.kr

그림 1. 우수분출로 인한 도시 침수(하이드로소프트, 2014)

48 | 물과 미래

학술/기술기사

Water for Future

2. EPA SWMM 기반의 유역 유출모형

2.1. EPA SWMM5.1

SWMM은 도시유역의 강우에 의한 홍수량을 산

정하기 위하여 1971년에 미국 EPA의 지원아래 개

발된 모형으로서, 도시유역 하수시스템 내의 유량

과 수질을 모의할 수 있도록 구성되어진 유역 유

출모형이다.

SWMM4 모형의 구성은 5개의 실행모듈과 5

개의 보조모듈 그리고 126개의 부 프로그램으로

구성되어 있지만, SWMM5 모형의 경우 사용자

편의환경이 추가되어서 그림 2와 같이 구성되어

있다.

SWMM은 강우주상도, 기상자료, 소유역의 자

료, 하수 관로자료를 입력하여 유역의 유출 유량

과 수질을 예측하고, 오염물질에 대한 처리를 모

의할 수 있다. SWMM은 단일·연속강우와 융설

에 의한 유출모의를 수행할 수 있다. 연산시간 간

격은 강우사상에 대해 임의조절이 가능하다. 그

리고 소(小)배수유역에서 대(大)배수유역까지 적

용이 가능하며 최대 3,000개의 소유역, 2,000개

의 수로 또는 관로를 사용할 수 있다. 유출은 강우

와 융설로 인하여 발생하고 지표유출은 비선형 저

류방정식을 사용하여 추적하며, 침투량 산정에는

Horton 또는 Green-Ampt 식을 사용한다(이상

호 등, 2010).

최근 저영향개발(low impact development;

LID) 시설을 이용하여 강우유출수와 비점오염

원을 저감할 수 있도록 도시를 개발함에 따라

SWMM 5.1에 5개의 저영향개발 시설(식생저류

지, 투수성포장, 침투 저류지, 빗물 통, 식생 수로)

모의 요소를 추가하였다(그림3). 다음 절에서는

SWMM을 기반으로 한 상용화된 유역 유출모형에

대하여 기술하고자 한다.

2.2. XP-SWMM

XP-SWMM은 호주 XP-Software에서 개발한

프로그램이다. 전 세계적으로 많은 사용자를 보

유하고 있을 뿐만 아니라, 프로그램 환경 및 메뉴

얼이 한글화가 되어 있으며, 국내에 XP-SWMM

에 대한 전문 교육 시스템이 구축되어 있어 국내

업계 및 대학에서도 널리 사용되고 있다.

그림 2. SWMM 5의 구성(정태훈, 2010)

Vol. 48 No 6. 2015. 6 | 49

EPA SWMM을 기반으로 한 유역 유출모형(XP-SWMM, PCSWMM) 소개 및 비교

Water for Future

XP-SWMM의 기본적인 해석 방법이나 구조는

SWMM 5.0을 1차 해석 엔진으로 이용하고 있으

며, XP-SWMM의 독자적인 엔지니어링 엔진과

툴을 이용하고 있다(표 1). 또한, 사용자의 편의성

을 확보하기 위하여 엑셀, GIS, SWMM 등과의

호환이 가능하며, AutoCAD 파일을 XP-SWMM

의 관망으로 변환 가능하다. 또한, 도시의 침수

해석을 위하여 2차원 모의 기능을 추가하였다. 그

림 4는 XP-SWMM의 기본 사용자 편의환경 화

면이다.

XP-SWMM은 유역의 침수를 해석하기 위

하여 도시 지역의 침수모의가 가능한 2차원 해

석 프로그램인 TUFLOW(Two-dimensional

Unsteady FLOW)를 기본 엔진으로 사용하고 있

다. TUFLOW는 WBM Oceanics Australia 및 퀸

즐랜드 대학교에서 개발하였다.

그림 3. SWMM5에서 모의 가능한 저영향개발 시설(CHI, 2014)

그림 4. XP-SWMM의 기본 GUI 화면(하이드로소프트. 2014)

50 | 물과 미래

학술/기술기사

Water for Future

2.3. PCSWMM

PCSWMM은 캐나다의 CHI 사에서 SWMM의

수리/수문 해석 엔진을 기반으로 하여 Windows

용 사용자 편의환경을 도입한 유역 유출모형이다.

SWMM과 마찬가지로 도시유역에 주로 적용되며

단일 강우나 연속 강우의 모든 경우에서 적용이

가능하다.

PCSWMM은 사용자의 편의성, 시각화의 우수

성, 측량자료 입력의 편의성, 민감도 분석, 튜닝

기법의 모형 보정, 침수 분석 등의 장점을 가지고

표 1. XP-SWMM의 레이어 구성에 따른 처리 능력(하이드로소프트, 2014)

Runoff Sanitary Hydraulics

지표 유출 ○

지하수 융기 ○

융설 ○

증발 ○ ○ ○

관으로의 침투 ○ ○ 유량에 따름

건기시 유량 ○ ○

저리 유입량 ○ ○

사용자 정의 수문 곡선 ○ ○

일정 유입량 ○ ○

배수 유입량 ○

정구배 ○ ○ ○

급구배 ○ ○

0% 혹은 역구배 ○

맨홀에서의 범람 ○

surcharge 맨홀 저류 ○ ○ 담수를 사용할 때

surcharge 혹은 가압수 ○

저류 노드 ○ ○

역류 효과 ○

방류 경계 조건 ○

이중배수 ○

SWMM의 모든 폐합관 ○ ○ ○

SWMM의 모든 개수로 ○ ○ ○

HEC-2형식 단면 ○ ○ ○

원형 및 박스형 오리피스 ○ ○ ○

수평 웨어 ○ ○ ○

사용자 정의 웨어 ○

펌핑 ○ ○

정수두 펌프 ○ ○

등수두 펌프 ○

실시간 제어 요소(레귤레이터) ○

Vol. 48 No 6. 2015. 6 | 51

EPA SWMM을 기반으로 한 유역 유출모형(XP-SWMM, PCSWMM) 소개 및 비교

Water for Future

있기 때문에 전 세계적으로 많은 사용자를 보유하

고 있다.

PCSWMM은 GIS 및 CAD 파일을 불러올 수 있

으므로, 도시 유역의 배수 관망에 대한 모형 구축

이 용이하다. 또한 구글 어스와 연동하여 모의하고

자 하는 유역에 대한 가시화된 자료를 볼 수 있다.

그림 5. PCSWMM의 기본 화면

3. XP-SWMM, PCSWMM의 비교·평가

3.1. 2D MODELING

국지성 집중호우가 우수관의 설계 용량을 초과

하면 우수관의 설계 홍수량을 초과하는 우수가 도

로에 범람하거나 도심에 위치한 하천이 범람하여

도시 침수 피해가 일어나고 있다. 이를 예방 및 저

감하기 위하여 침수 취약지역에 대한 수치해석이

필요하다.

XP-SWMM과 PCSWMM은 각각 다른 방법으

로 도시유역의 2차원 침수해석 모의를 한다. XP-

SWMM의 경우 TUFLOW 모형을 탑재하여 2차원

지표유출과 침수모의를 한다(그림 6). TUFLOW

는 XP-SWMM 엔진의 1차원 관망에 동적으로

연결되어, 2차원 영역에 연결된 1차원 관망의 조

합으로 흐름 모형을 구축한다. TUFLOW는 2차

원 모형인 만큼 수위와 유속 벡터, 수심, 단위 유

량 벡터, 에너지 경사 등의 자료들을 출력 할 수

있다. TUFLOW의 기본 해석 방법은 Runge-

Kutta의 2차 유한 차분을 사용하고, Stelling의

유한 차분 방법 즉, ADI(alternating diredction

implicit) 기법에 의하여 천수 방정식을 수치해석

한다(정재희, 2012).

그림 6. TUFLOW 자료의 입출력구조 (정재희, 2012)

52 | 물과 미래

학술/기술기사

Water for Future

PCSWMM의 경우 2차원 침수 해석을 위해 연

속방정식과 1차원 점변 부정류 방정식(St. Venant

방정식)을 사용하고 있다(그림 7). 도시 침수에 대

한 수치 해석 시 모의하고자 하는 유역에 대하여

사용자의 정의에 따라 육각형의 격자를 생성하고,

격자의 중심에 각 격자의 평균 고도를 맨홀 입구

의 고도로 하는 노드를 생성하게 된다. 그 이후,

각 노드를 연결하는 자유수면의 개수로를 연결하

여 연속방정식과 1차원 점변 부정류 방정식을 이

용하여 침수 해석을 수행한다. 해석 결과로 각 지

점의 수위와 유속을 알 수 있다.

이와 같이 XP-SWMM과 PCSWMM은 각기 다

른 방식으로 침수에 대한 모의를 할 수 있다. XP-

SWMM이 2차원 모형을 이용하여 침수 지역을 모

의한다고 해서 좋고, PCSWMM이 1차원으로 침수

지역을 모의한다고 해서 열등하다고 단정 지을 수

는 없다. 2차원 모형의 경우, 1차원 모형보다 민감

한 부분이 많기 때문에, 계산 결과가 발산하기 쉬

우며, 1차원 모형에 비하여 계산 시간도 오래 걸린

다. 그러므로 도시 침수에 대하여 모의를 할 경우,

사용자의 목적에 따라 모형을 선택하여야 한다.

3.2. 사용자 편의 기능

앞에서 소개한 EPA SWMM5.1, XP-SWMM,

PCSWMM은 모두 사용자 편의환경을 가지고 있

다. EPA SWMM5.1은 편의환경 내에서 모형자료

의 입력과 모의결과 출력 같은 기본적인 기능만

을 제공하고 있다. 따라서 모형의 입력자료 생성

에 필요한 대부분의 작업은 ArcGIS 등의 다른 프

로그램을 사용하여 진행해야 한다. XP-SWMM

과 PCSWMM은 이러한 문제점을 개선하여 GIS,

CAD, HEC-RAS등의 자료를 호환 이용할 수 있

도록 하여 모형의 입력자료 생성 시 사용자가 편

리하게 이용할 수 있다.

EPA SWMM5.1을 주로 이용하는 사용자의 경

우 PCSWMM의 사용자 편의환경이 더욱 더 익

숙할 것이다. PCSWMM의 경우 EPA SWMM5.1

의 계산엔진을 수정하지 않고 사용자 편의환경만

을 제공하기 때문에 입력환경이 EPA SWMM5.1

과 상당히 유사하다. 하지만 XP-SWMM의 경

우 TUFLOW의 개발 등의 이유로 SWMM 계산엔

진을 계속적으로 수정해 오고 있기 때문에 EPA

SWMM5.1과는 일부 차이가 있다.

XP-SWMM은 프로그램 및 매뉴얼이 한글화가

되어 있다. 국내에서는 XP-SWMM에 대한 전문

교육 시스템이 구축되어 있으며, 사용자 교육용

동영상 자료 또한 널리 배포되어 있다.

PCSWMM은 프로그램 및 매뉴얼이 한글화가

되어 있지 않아 국내에서는 덜 알려져 있으나, 국

제적으로는 활발히 활용되고 있다. 그러나 가격은

XP-SWMM에 비하여 매우 저렴하다.

4. 결론

본고에서는 SWMM을 기반으로 한 상용화된 프

로그램인 XP-SWMM과 PCSWMM에 대하여 소

개하였다. XP-SWMM과 PCSWMM은 SWMM그림 7. PCSWMM을 이용한 도심 침수 분석

Vol. 48 No 6. 2015. 6 | 53

EPA SWMM을 기반으로 한 유역 유출모형(XP-SWMM, PCSWMM) 소개 및 비교

Water for Future

을 기반으로 하여 제작된 유역 유출모형이기 때문

에 많은 공통점을 가지고 있으나, 개발된 목적이

나 각 회사의 모형에 대한 추구하는 목적이 다르

기 때문에 차이점도 가지고 있다. 그로 인하여 각

각의 모형은 장·단점이 있다.

사용자는 목적에 맞게 모형을 선택하여야 하며,

모형의 선택에 있어 중요한 것은 모형 결과의 정

확성과 모형 취득 시의 비용, 각 모형에 대한 각종

연구 자료들이 될 것이다.

5. 감사의 글

본 연구는 국토교통부 물관리연구사업의 연구비

지원(11기술혁신C06)에 의해 수행되었습니다.

이상호, 이정민, 박재현, 이길성 (2009). 제3회 SWMM-GE Workshop 교재. 수자원의

지속적 확보기술개발 사업단, p. 3.

정재희 (2012). 분지형 도시유역의 치수관리계획. 석사학위논문, 연세대학교, p. 13.

정태훈 (2010). SWMM과 FLUMEN을 연계한 수영·망미 저지대의 침수분석, 부경대학

교, p. 10

하이드로소프트 (2014). XP-SWMM, pp. 8-12.

한국수자원공사 (2001). 수자원분석시스템 구축기법에 관한 연구 보고서, p. 6

Computational Hydrulics International (2014). Introduction to modeling low

impact develoopment (LIDs) in PCSWMM/EPASWMM5, p. 1.

참고문헌