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2024년 12월 19일 (목) 23:43 기준 최신판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 도심 지하 주차장 침수 대비 자동 배수 시스템

영문 : Automatic drainage system to prevent flooding in city centre underground car parks

과제 팀명

水호해조

지도교수

서명원 교수님

개발기간

2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20218900** 안*연(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20218900** 김*연

서울시립대학교 환경공학부 20218900** 양*은

서울시립대학교 환경공학부 20218900** 이*원

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

- 본 과제는 극한 강우 시 지하 주차장의 침수 피해를 방지하기 위한 시스템임. 
- '차수 모니터링 시스템'을 통해 지하 주차장 내 빗물 유입을 차단하며, '급속 배수 시스템'으로 지하 주차장 내 유입된 우수를 신속하게 배수함. 
- SWMM의 강우-유출 모의 기능을 이용하여 극한 강우에 대응 가능한 용량의 집수정을 설계함. 
- 기존 침수 대응책과 달리 침수에 대한 객관적인 기준을 제시하고, 집수정을 1차 저류지로써 활용하며, 강한 배수 능력을 발휘하도록 함. 
- 극한 강우로 인한 인명 및 재산 피해를 최소화하고, 지하 공간 침수와 관련한 법률의 개정 방향 및 기술 가이드라인을 제시하여 도시의 침수 대응력을 강화하는 것을 목표로 함.

개발 과제의 배경

- 기후변화로 인한 태풍, 극한 호우의 발생이 빈번해지면서 저지대, 지하구조물의 침수 위험도가 높아지고 있음. 
- 환경부와 행정안전부에서는 침수 피해를 방지하기 위한 대책을 도입하였으나, 여전히 침수 발생 이후의 체계적인 대책은 미흡한 실정임.

개발 과제의 목표 및 내용

개발 과제의 목표

1) 도심 지하 주차장 침수 예방 및 대응을 위한 효율적인 자동 배수 시스템을 구축한다. 
2) 침수 피해로 인한 주민 안전 문제와 재산 손실을 최소화한다. 
3)「자연재해대책법」제17조제1항의 '지하공간 침수 방지를 위한 수방기준' 보완을 위한 지하 주차장 침수 대비 시설 가이드라인을 제시한다.

개발 과제의 내용

극한 호우로 인한 도심 내 저지대 중 지하 주차장의 침수 위험에 대응하기 위한 시스템을 설계하고자 한다.
- 강우 시 지하 주차장에 설치된 초음파 수위 센서를 통해 지하 주차장 내 수위가 침수 레벨에 도달한 것이 확인되면 관리자에게 알림을 전송함. 
- 경고 알림을 받은 관리자는 실시간 감시 카메라를 통해 침수 상황임을 확인하고, 차수막을 가동하는 '차수 모니터링 시스템'을 통해 지하 주차장 내 빗물 유입을 차단함. 
- SWMM(Storm Water Management Model)을 통해 최대 강우강도를 고려한 집수정을 설계하여 1차 저류시설로 활용함. 
- 집수정 수위에 따라 배수 펌프를 단계적으로 작동하여 유입된 우수를 신속히 배출함.

먼저, '건물자산가치'는 건물 연면적과 m²당 금액을 곱하여 산정되며, 대상지 인근의 주거단지를 기준으로 계산하였다. 산정 결과는 아래 표과 같이 약 1,549억 8,948만 원이다.

'건물 침수편입률'은 건물의 면적을 대상지인 서초4동의 면적으로 나누어 계산하며, 아래 식 (3)과 같이 약 0.46이다.

'건물침수피해율'은 '객체기반법을 이용한 침수피해액 추정 방안 연구'(나유경, 최진무, 2019)에 제시된 값을 적용하여 0.11로 한다. 따라서 건물피해액은 아래 식 (4)와 같이 78억 3,740만 원이다.

침수차량 피해액

침수차량 피해액은 대상지인 서초구를 기준으로 하며, 대상지 지하 주차장의 주차 가능 대수와 차량 보험비용을 곱하여 산정한다. '주차 가능 대수'는 미래관 지하 주차장을 기준으로 354대이다. 또한 '삼성화재 교통안전문화연구소'에 따라 2022년 기준 서초구의 '차량 보험 비용'은 차량 1대당 830만 원이었다. 따라서 침수차량 피해액은 아래 식 (5)에 따라 29억 3,820만 원이다.

비용(C, Cost)
- 자동 차수막

자동 차수막 관련 회사에 문의한 결과 본 과제에서 설계한 7.4 ⨉ 0.55 (m²) 크기의 자동 차수막의 설치 비용은 약 4,900만 원이다.

비접촉식 초음파 수위계

본 설계에서 채택한 사양의 비접촉식 초음파 수위계의 가격은 약 87만 원이다.

집수정

실무자께 비용을 문의한 결과, 콘크리트 집수정의 설치 비용은 1 m³당 약 60만 원이다. 따라서 본 설계에서 설정한 1,560 m³ 용량의 콘크리트 집수정의 설치 비용은 아래 식 (6)에 따라 약 9억 3600만 원이다.

펌프

본 과제에서 채택한 사양의 펌프 가격은 약 174만 원이며, 총 3대를 이용하므로 아래 식 (7)에 따라 비용은 약 520만 원이다.

빗물 감지 센서

빗물 감지 센서의 가격은 105,000원이다.

위 내용에 따라 B/C ratio는 약 10.9으로, 경제성이 매우 높다고 판단된다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

공통 분담

- 과제 주제 선정 및 자료 조사

- 기존 기술 조사 및 경제성 분석

- 개념설계 및 상세설계

- 프로토타입 제작

- PPT 제작 등 발표 준비

개인 분담

- 김재연: 개념설계 발표, 최종설계 발표, 지하 주차장 내 침수 범위 및 용량 산정, 펌프 자동화 시스템 설계

- 안세연: 경쟁력분석 발표, 포스터 제작, 생활안전지도에 근거한 설계 대상지 선정, 지하 공간 침수 방지 시스템 구축

- 양가은: 상세설계 발표, 포스터 제작, 생활안전지도에 근거한 설계 대상지 선정, 펌프 자동화 시스템 설계

- 이예원: 과제제안서 발표, 포스터 발표, 지하 주차장 내 침수 범위 및 용량 산정, 지하 공간 침수 방지 시스템 구축

설계

설계사양

제품의 요구사항

목적계통도

QFD

개념설계안

전체 시스템

집수정

설계방법 및 내용

대상지 선정

2022년 8월 집중 호우로 인한 강남역 인근의 침수 피해 지역을 대상으로, 해당 지역의 '침수 흔적도'와 '도시침수지도'를 고려하여 구체적인 설계 대상지를 정하였다.

침수 흔적도

침수 흔적도는 과거에 극한 호우로 물에 잠기는 피해를 입었던 지역, 피해 잠재성이 있는 영역을 표시한 지도로, 강남역은 2등급, 역 인근 주거 단지에서는 4등급의 피해가 발생했음을 확인하였다.

도시침수지도

도시침수지도는 극한 호우 조건에서 빗물펌프장과 빗물저류조 등 우수배제시설의 용량 초과 및 고장 시 발생 가능한 가상의 침수 범위, 침수심을 나타낸 지도로, 해당 지역에 추후 4등급 이상의 침수 피해가 발생할 수 있음을 확인하였다.

대상지 선정

'침수 흔적도'와 '도시침수지도'를 고려하여 서초 4동 일대의 DEM(Digital elevation model; 수치표고표형) 자료를 분석하였다. 표고 분석 결과, 아래 그림과 같이 A, B, C, D 지역의 표고가 가장 낮으므로 장마철 저지대 침수 위험 지역임을 확인하였다.

위의 기준을 바탕으로 강남역을 포함한 ‘서초 4동’을 대상지로 선정하고, 그 중 침수 피해가 있었던 A, B, C, D 구역 중 A 구역을 구체적인 설계 구역으로 설계를 진행하였다.

차수 모니터링 시스템

'차수 모니터링 시스템'은 다음과 같은 프로세스로 작동된다. 지하 주차장 외부에 부착한 빗물 감지 센서로 강우 상황을 감지한다. 강우 상황인 경우, 초음파 수위 센서를 통해 지하 주차장 내 수위가 침수 레벨에 도달한 것이 확인되면 관리자에게 '차수막 가동 알림'을 전송한다. 경고 알림을 받은 관리자는 실시간 감지 카메라를 통해 침수 상황임이 확인되면 차수막을 가동한다. 강우 상황 이외의 경우, 초음파 수위 센서에서 침수 레벨 이상의 거리가 측정되어도 알림이 전송되지 않는다. 이는 관리자의 자의적 판단 하에 차수막을 설치하였던 기존 설치 방식과는 달리 객관적인 차수막 가동 시점 기준을 도입하고 자동 설치를 통해 수동 설치의 비효율성을 해소한다.

침수 레벨 설정

차수 모니터링 시스템이 작동하는 시점을 결정하기 위하여 지하 주차장 내 침수 레벨 기준을 설정하였다. 지하 주차장의 경우 침수 시 차량에 가장 큰 피해가 발생하므로 차량의 침수 정도를 나타내는 기준으로 침수 레벨을 설정하고자 하였다. 현재 침수 차량에 대한 명확한 규제는 없지만, '한국자동차기술인협회' 등에서 차체 하단 및 실내 바닥이 침수된 경우부터 부분 침수로 정의하고 있다. 따라서 객관적인 기준을 마련하기 위해 모든 차량의 필수 구성품인 타이어의 규격화된 크기 정보를 이용하였다. 특히 본 과제의 경우, 아파트의 지하 주차장이 대상이므로 차량 중 일반 승용차 타이어를 기준으로 침수 레벨을 제시하였다.
'서울연구원'에서 제시한 '타이어 규격 정보 기준 침수 레벨 구분 및 높이' 에 따르면 승용차에는 17~10인치의 타이어가 가장 널리 사용되고 있는 것으로 조사되었다. 승용차용 타이어 규격에 따른 각각의 크기 정보는 아래 표과 같다.
'서울연구원'은 바닥 면을 레벨 0으로 하여 타이어와 림의 높이를 기반으로 침수 수위를 다섯 단계로 구분하여 아래 표, 그림과 같이 나타내고 있다. 이를 참고하여 타이어 규격별 침수 위험도를 기반의 침수 기준 수위를 제시하였다.

0~12 cm에 해당하는 '레벨 1'은 침수 위험은 없지만 주의가 필요한 단계이다. 12~35 cm에 해당하는 '레벨 2'는 차고가 낮은 일부 승용차의 경우 침수 위험이 발생하는 높이로 침수가 시작되는 단계이다. 또한 12 cm는 침수 피해가 발생하지 않고 보행자와 차량의 안전한 통행이 가능한 최대 수위이다. 따라서 본 설계에서는 레벨 2단계의 최소 높이인 12 cm를 기준으로 차수 모니터링 시스템을 작동하여 ‘레벨 2’ 단계의 수위가 되는 것을 방지함으로써 침수 피해를 최소화하는 것을 목적으로 하였다.

초음파 수위 센서

본 과제에서는 강우 상황에서 초음파 수위 센서를 통해 지하 주차장 바닥 면과의 높이를 측정해 침수 레벨을 감지한다. 수위 센서 결정에는 측정 거리와 센서의 가격을 고려한다.
각 회사의 초음파 수위 센서의 견적서를 문의하여 비교한 결과는 아래 표와 같으며, 측정 거리가 3 m 내외이고, 측정 시간과 센서 가격의 경제성을 고려하여 A사의 수위 센서를 선택하였다.

차수막

차수막은 지하 주차장 입구에 설치하며, 우수의 완전 차단을 위해 지하 주차장 입구의 폭과 동일한 7.4 m로 설정하였다. 차수막의 재질은 알루미늄과 스테인리스가 주로 사용되는데, 알루미늄이 더 가벼워 빠른 설치가 가능하고, 가격이 저렴하여 경제성을 확보할 수 있으므로 알루미늄으로 설정하였다.
'삼성화재 교통안전문화연구소'에 따르면 차수막은 아래 표와 같이 종류별로 적정 방수 높이가 상이하다. '하강식' 차수막의 적정 방수 높이는 0.3~1.0 m로, 실무자의 판단을 반영하여 차수막의 높이는 55 cm로 결정하였다.

따라서 차수막의 사양은 다음과 같다.

급속 배수 시스템

SWMM 강우-유출 시뮬레이션

홍수량 산정을 위해서는 대상 지역의 배수구역 특성을 고려해야 한다. 도시 지역에서는 일반적으로 SWMM(Storm Water Management Model)과 같은 도시유출모형을 적용한다. SWMM은 도시 유출 및 수질 모델링을 수행할 수 있는 모형으로, 도시 유역 내에서 강우 사상으로 발생하는 유출량과 오염물질에 대한 지표면 및 지하 흐름, 배수관망에서의 유출량 추적, 오염물 처리와 비용 계산, 저류량 산정 등을 종합적으로 모의할 수 있다. 모델의 구조는 설계 강우의 산정, 지표면 유출 특성 모형, 하수관거의 추적, 유출수문곡선 산정 등으로 구성되어 있다(김유진, 2024).
본 연구에서는 SWMM의 강우-유출 시뮬레이션 기능을 통해 강우 발생 시, 대상 지역의 강우 유출과 관거 내 흐름을 연계하여 홍수량을 모의한다. 대상지는 '서초4동'이며, 서울시청 물재생계획과에서 제공받은 '서초4동 하수 관망도' 자료를 통해 아래 그림과 같이 SWMM 입력 관망도를 구성하였고, 입력 자료는 아래 표를 바탕으로 작성하였다.

집수정

「물의 재이용 촉진 및 지원에 관한 법률」에 따르면 건축 면적 10,000 m3 이상의 건물에 빗물 집수시설이 의무적으로 설치되어야 하며, 집수는 자연유하 방식으로 이루어져야 하므로 기존 지하 1층의 지하 주차장의 하부에 우수 집수정을 설치한다.
아래의 왼쪽 그림과 같이 최대 강우강도를 고려하여 서초구에서 관측한 2022년 8월 최대 강우량을 포함한 24시간의 강우 자료를 입력 자료로 이용하였다. SWMM 강우-유출 시뮬레이션 결과 A 구역 부근의 최대 강우 시 홍수량은 J64 지점의 유출량인 25,193 m³이므로 이를 지하 주차장으로 유입되는 유량으로 설정하였다. 우수 집수정의 용량은 강우 시작 후 첨두 홍수량 발생 시점을 기준으로 하여 11시 30분 기준 누적 강우량 2,889 m³을 고려하였다. 지하 주차장의 수위가 12 cm 일 때 약 1,330 m³ 용량의 우수를 저류 가능하므로 누적 강우량 2,889 m³에서 해당 용량을 제외한 약 1,560 m³을 집수정 용량으로 설계하였다. 지하 주차장의 누적 용량을 주차장 내부 수위 12 cm 이내로 허용하여, 보행자와 차량의 안전 통행뿐 아니라 주변 지역의 침수 방지를 위한 저류 시설로 이용하는 가능성을 고려하였다.
따라서 집수정의 사양은 아래 표와 같다.

펌프

우수 집수정에 설치되는 펌프의 사양은 저수조 부피, 지하 주차장 면적, 펌프 토출 유량 등을 고려해 결정하였다. 이를 결정하기 위한 시뮬레이션은 python 기반의 'Google Colab' 사이트를 통해 진행하였다.

SWMM을 통해 산정한 시간별 강우량 값을 'rain' 파일로 불러온 후, 시간대별 우수 유입 로직을 구성하였다. 시간대별 홍수량을 누적하여 계산한 강우가 지하 주차장을 지나 우수 집수정으로 유입되도록 하고, 집수정의 수위가 1.0 m, 1.5 m, 2.0 m에 도달함에 따라 펌프의 가동 대수가 1, 2, 3대로 조절되도록 설정하였다. 이후 집수정이 최고 수위가 되었을 때, 집수되지 못한 초과량이 실시간으로 지하 주차장으로 유입되도록 하여 지하 주차장의 수위를 계산하였다. 지하 주차장의 수위가 12 cm가 될 경우 차수막을 가동하여 외부 강우의 유입을 차단하고 지하 주차장 내 존재하는 강우가 완전히 배수될 때까지 펌프가 가동되도록 하는 시뮬레이션 코드를 위의 그림과 같이 작성하였다.

펌프의 사양을 결정하기 위하여 펌프 토출 유량을 0.33 m³/min~2.0 m³/min 범위 내 값으로 조절하며 시뮬레이션을 진행하였다. 지하 주차장 하부에 집수정이 설치되므로, 15 m 이상의 펌프 양정 및 양정에 따른 최대 토출 유량을 가정하여 시뮬레이션을 진행하였다. 결과적으로 위 그림의 펌프 곡선에 따라 펌프 양정이 15 m이고 1.9 m³/min의 토출 용량을 가진 펌프인 'ㄷ사'의 'DBS-L150'이 가장 적합하다고 판단하였다.

위의 왼쪽 그래프를 통해 극한 강우에 빠르게 대처하여 주차장 내 수위를 낮추는 시나리오를 바탕으로 한 펌프의 토출 유량 적합성 검증 결과를 확인할 수 있다. 또한 집수정의 수위와 펌프 가동 대수를 나타낸 위의 오른쪽 그래프를 통해 시간대별 강우에 따라 유연하게 펌프가 운전할 수 있도록 하였다. 초기 강우 시에는 1~2대 수준으로 운전되고, 극한 강우 시 3대가 가동하여 본 설계에서 목표로 하는 빠른 배수 성능을 발휘하는 것으로 나타났다.

회로 설계

회로도

차수 모니터링 시스템

주차장 외부에 설치된 빗물 감지 센서(MH-RD)에서 강우가 감지될 시에만 초음파 수위 센서(HC-SR04)가 지하 주차장 바닥과의 거리를 측정한다. 측정된 수위 값이 침수 레벨에 해당할 경우, 차수막 가동 LED(Diode)가 작동되고 이와 동시에 LCD 모니터(LCD 16X2 Display)에 'Flood Warning' 문자가 나타나도록 하여 관리자에게 침수 경고 알림이 뜨도록 설계하였다.

급속 배수 시스템

아두이노의 수위 센서(SZH-EK507)와 워터 펌프를 활용하여 집수정 내부 수위에 따른 급속 배수 시스템을 나타내었다. 아크릴 수조 벽면에 수위 센서를 부착하며, 수조 내에 물이 유입됨에 따라 감지되는 수위 값은 시리얼 모니터에 표시된다. 초기에 정지 상태에 있는 워터 펌프는 설정된 수위 범위에 따라 단계적으로 한 개씩 가동되며, 수조 내부 수위가 일정 수준 미만에 도달하면 워터 펌프가 전부 정지하도록 설계하였다.

소프트웨어 설계

차수 모니터링 시스템

아래의 코드를 통해 빗물 감지 센서로 강우 상황을 감지하고, 강우 상황일 때 초음파 센서가 수위를 측정하도록 설정한다. 또한, 지하 주차장 내부 수위가 침수 레벨에 도달하였을 때 LCD 모니터와 다이오드에 신호가 전달되도록 설정한다.

급속 배수 시스템

아래의 코드를 통해 수위 센서가 집수정 내 수위를 측정하고, 측정한 수위를 기준으로 워터 펌프의 작동 여부가 결정되도록 설정한다.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

아두이노 회로를 활용한 차수 모니터링 시스템 시연

아두이노 회로를 활용한 급속 배수 시스템 시연

포스터

개발 과제 핵심 결과

본 설계는 극한 강우 시 주거 단지 지하 주차장의 침수를 막아 인명 및 재산 피해를 최소화하기 위한 시스템으로, 기존 시설과의 차이점은 아래 표와 같다.

완료작품의 평가

향후 전망

법률 개선 방향

시행령 개정에 따른 기술적인 가이드라인
- 행정안전부 고시 - 「자연재해대책법」 제3장제1절제10조(물막이판, 모래주머니 등)

행정안전부 고시 - 「자연재해대책법」 제3장제2절제14조(배수펌프 및 집수정 설치)

행정안전부 고시 - 「자연재해대책법」 제17조제1항 ‘지하공간 침수 방지를 위한 수방기준’ 제18조 (경보방송 시설)

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 [[파일:환경종합설계 水호해조 특허4.jpg]]
-*기술 로드맵
+*기술로드맵
-[[파일:환경종합설계 水호해조 기술로드맵.jpg]]
+[[파일:환경종합설계 水호해조 기술로드맵11.jpg]]
 ====시장상황에 대한 분석====
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 ====제품의 요구사항====
 [[파일:환경종합설계 水호해조 개발요구사항.jpg]]
+====목적계통도====
+[[파일:환경종합설계 水호해조 기술로드맵.jpg]]
 ====QFD====
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 * 침수 흔적도
 침수 흔적도는 과거에 극한 호우로 물에 잠기는 피해를 입었던 지역, 피해 잠재성이 있는 영역을 표시한 지도로, 강남역은 2등급, 역 인근 주거 단지에서는 4등급의 피해가 발생했음을 확인하였다.
+<br />[[파일:환경종합설계 水호해조 침수흔적도.jpg]]
 :* 도시침수지도
 도시침수지도는 극한 호우 조건에서 빗물펌프장과 빗물저류조 등 우수배제시설의 용량 초과 및 고장 시 발생 가능한 가상의 침수 범위, 침수심을 나타낸 지도로, 해당 지역에 추후 4등급 이상의 침수 피해가 발생할 수 있음을 확인하였다.
+<br />[[파일:환경종합설계 水호해조 도시침수지도.jpg]]
 :* 대상지 선정
 '침수 흔적도'와 '도시침수지도'를 고려하여 서초 4동 일대의 DEM(Digital elevation model; 수치표고표형) 자료를 분석하였다. 표고 분석 결과, 아래 그림과 같이 A, B, C, D 지역의 표고가 가장 낮으므로 장마철 저지대 침수 위험 지역임을 확인하였다.
+<br />[[파일:환경종합설계 水호해조 대상지DEM.jpg]]
+<br />위의 기준을 바탕으로 강남역을 포함한 ‘서초 4동’을 대상지로 선정하고, 그 중 침수 피해가 있었던 A, B, C, D 구역 중 A 구역을 구체적인 설계 구역으로 설계를 진행하였다.
 ====차수 모니터링 시스템====
-내용
+'차수 모니터링 시스템'은 다음과 같은 프로세스로 작동된다. 지하 주차장 외부에 부착한 빗물 감지 센서로 강우 상황을 감지한다. 강우 상황인 경우, 초음파 수위 센서를 통해 지하 주차장 내 수위가 침수 레벨에 도달한 것이 확인되면 관리자에게 '차수막 가동 알림'을 전송한다. 경고 알림을 받은 관리자는 실시간 감지 카메라를 통해 침수 상황임이 확인되면 차수막을 가동한다. 강우 상황 이외의 경우, 초음파 수위 센서에서 침수 레벨 이상의 거리가 측정되어도 알림이 전송되지 않는다. 이는 관리자의 자의적 판단 하에 차수막을 설치하였던 기존 설치 방식과는 달리 객관적인 차수막 가동 시점 기준을 도입하고 자동 설치를 통해 수동 설치의 비효율성을 해소한다.
+* 침수 레벨 설정
+차수 모니터링 시스템이 작동하는 시점을 결정하기 위하여 지하 주차장 내 침수 레벨 기준을 설정하였다. 지하 주차장의 경우 침수 시 차량에 가장 큰 피해가 발생하므로 차량의 침수 정도를 나타내는 기준으로 침수 레벨을 설정하고자 하였다. 현재 침수 차량에 대한 명확한 규제는 없지만, '한국자동차기술인협회' 등에서 차체 하단 및 실내 바닥이 침수된 경우부터 부분 침수로 정의하고 있다. 따라서 객관적인 기준을 마련하기 위해 모든 차량의 필수 구성품인 타이어의 규격화된 크기 정보를 이용하였다. 특히 본 과제의 경우, 아파트의 지하 주차장이 대상이므로 차량 중 일반 승용차 타이어를 기준으로 침수 레벨을 제시하였다.
+<br />'서울연구원'에서 제시한 '타이어 규격 정보 기준 침수 레벨 구분 및 높이' 에 따르면 승용차에는 17~10인치의 타이어가 가장 널리 사용되고 있는 것으로 조사되었다. 승용차용 타이어 규격에 따른 각각의 크기 정보는 아래 표과 같다.
+[[파일:환경종합설계 水호해조 타이어규격.jpg]]
+<br />'서울연구원'은 바닥 면을 레벨 0으로 하여 타이어와 림의 높이를 기반으로 침수 수위를 다섯 단계로 구분하여 아래 표, 그림과 같이 나타내고 있다. 이를 참고하여 타이어 규격별 침수 위험도를 기반의 침수 기준 수위를 제시하였다.
+<br />[[파일:환경종합설계 水호해조 타이어침수레벨.jpg]]
+<br />[[파일:환경종합설계 水호해조 침수레벨그림.jpg]]
+<br />0~12 cm에 해당하는 '레벨 1'은 침수 위험은 없지만 주의가 필요한 단계이다. 12~35 cm에 해당하는 '레벨 2'는 차고가 낮은 일부 승용차의 경우 침수 위험이 발생하는 높이로 침수가 시작되는 단계이다. 또한 12 cm는 침수 피해가 발생하지 않고 보행자와 차량의 안전한 통행이 가능한 최대 수위이다. 따라서 본 설계에서는 레벨 2단계의 최소 높이인 12 cm를 기준으로 차수 모니터링 시스템을 작동하여 ‘레벨 2’ 단계의 수위가 되는 것을 방지함으로써 침수 피해를 최소화하는 것을 목적으로 하였다.
+* 초음파 수위 센서
+본 과제에서는 강우 상황에서 초음파 수위 센서를 통해 지하 주차장 바닥 면과의 높이를 측정해 침수 레벨을 감지한다. 수위 센서 결정에는 측정 거리와 센서의 가격을 고려한다.
+[[파일:환경종합설계 水호해조 초음파수위센서 견적.jpg]]
+<br /r>각 회사의 초음파 수위 센서의 견적서를 문의하여 비교한 결과는 아래 표와 같으며, 측정 거리가 3 m 내외이고, 측정 시간과 센서 가격의 경제성을 고려하여 A사의 수위 센서를 선택하였다.
+* 차수막
+차수막은 지하 주차장 입구에 설치하며, 우수의 완전 차단을 위해 지하 주차장 입구의 폭과 동일한 7.4 m로 설정하였다. 차수막의 재질은 알루미늄과 스테인리스가 주로 사용되는데, 알루미늄이 더 가벼워 빠른 설치가 가능하고, 가격이 저렴하여 경제성을 확보할 수 있으므로 알루미늄으로 설정하였다.
+<br />'삼성화재 교통안전문화연구소'에 따르면 차수막은 아래 표와 같이 종류별로 적정 방수 높이가 상이하다. '하강식' 차수막의 적정 방수 높이는 0.3~1.0 m로, 실무자의 판단을 반영하여 차수막의 높이는 55 cm로 결정하였다.
+<br /r>[[파일:환경종합설계 水호해조 차수막 적정 높이.jpg]]
+<br /r>따라서 차수막의 사양은 다음과 같다.
+<br /r>[[파일:환경종합설계 水호해조 차수막 사양.jpg]]
 ====급속 배수 시스템====
-내용
+* SWMM 강우-유출 시뮬레이션
+홍수량 산정을 위해서는 대상 지역의 배수구역 특성을 고려해야 한다. 도시 지역에서는 일반적으로 SWMM(Storm Water Management Model)과 같은 도시유출모형을 적용한다. SWMM은 도시 유출 및 수질 모델링을 수행할 수 있는 모형으로, 도시 유역 내에서 강우 사상으로 발생하는 유출량과 오염물질에 대한 지표면 및 지하 흐름, 배수관망에서의 유출량 추적, 오염물 처리와 비용 계산, 저류량 산정 등을 종합적으로 모의할 수 있다. 모델의 구조는 설계 강우의 산정, 지표면 유출 특성 모형, 하수관거의 추적, 유출수문곡선 산정 등으로 구성되어 있다(김유진, 2024).
+<br />본 연구에서는 SWMM의 강우-유출 시뮬레이션 기능을 통해 강우 발생 시, 대상 지역의 강우 유출과 관거 내 흐름을 연계하여 홍수량을 모의한다. 대상지는 '서초4동'이며, 서울시청 물재생계획과에서 제공받은 '서초4동 하수 관망도' 자료를 통해 아래 그림과 같이 SWMM 입력 관망도를 구성하였고, 입력 자료는 아래 표를 바탕으로 작성하였다.
+<br />[[파일:환경종합설계 水호해조 SWMM입력관망도.jpg]]
+<br />[[파일:환경종합설계 水호해조 SWMM입력자료.jpg]]
+* 집수정
+「물의 재이용 촉진 및 지원에 관한 법률」에 따르면 건축 면적 10,000 m3 이상의 건물에 빗물 집수시설이 의무적으로 설치되어야 하며, 집수는 자연유하 방식으로 이루어져야 하므로 기존 지하 1층의 지하 주차장의 하부에 우수 집수정을 설치한다.
+<br />아래의 왼쪽 그림과 같이 최대 강우강도를 고려하여 서초구에서 관측한 2022년 8월 최대 강우량을 포함한 24시간의 강우 자료를 입력 자료로 이용하였다. SWMM 강우-유출 시뮬레이션 결과 A 구역 부근의 최대 강우 시 홍수량은 J64 지점의 유출량인 25,193 m³이므로 이를 지하 주차장으로 유입되는 유량으로 설정하였다. 우수 집수정의 용량은 강우 시작 후 첨두 홍수량 발생 시점을 기준으로 하여 11시 30분 기준 누적 강우량 2,889 m³을 고려하였다. 지하 주차장의 수위가 12 cm 일 때 약 1,330 m³ 용량의 우수를 저류 가능하므로 누적 강우량 2,889 m³에서 해당 용량을 제외한 약 1,560 m³을 집수정 용량으로 설계하였다. 지하 주차장의 누적 용량을 주차장 내부 수위 12 cm 이내로 허용하여, 보행자와 차량의 안전 통행뿐 아니라 주변 지역의 침수 방지를 위한 저류 시설로 이용하는 가능성을 고려하였다.
+[[파일:환경종합설계 水호해조 SWMM강우입력자료.jpg]]
+[[파일:환경종합설계 水호해조 node flooding.jpg]]
+<br />따라서 집수정의 사양은 아래 표와 같다.
+<br />[[파일:환경종합설계 水호해조 집수정사양.jpg]]
+* 펌프
+우수 집수정에 설치되는 펌프의 사양은 저수조 부피, 지하 주차장 면적, 펌프 토출 유량 등을 고려해 결정하였다. 이를 결정하기 위한 시뮬레이션은 python 기반의 'Google Colab' 사이트를 통해 진행하였다.
+<br />[[파일:환경종합설계 水호해조 펌프시뮬코드.jpg]]
+<br />SWMM을 통해 산정한 시간별 강우량 값을 'rain' 파일로 불러온 후, 시간대별 우수 유입 로직을 구성하였다. 시간대별 홍수량을 누적하여 계산한 강우가 지하 주차장을 지나 우수 집수정으로 유입되도록 하고, 집수정의 수위가 1.0 m, 1.5 m, 2.0 m에 도달함에 따라 펌프의 가동 대수가 1, 2, 3대로 조절되도록 설정하였다. 이후 집수정이 최고 수위가 되었을 때, 집수되지 못한 초과량이 실시간으로 지하 주차장으로 유입되도록 하여 지하 주차장의 수위를 계산하였다. 지하 주차장의 수위가 12 cm가 될 경우 차수막을 가동하여 외부 강우의 유입을 차단하고 지하 주차장 내 존재하는 강우가 완전히 배수될 때까지 펌프가 가동되도록 하는 시뮬레이션 코드를 위의 그림과 같이 작성하였다.
+<br />[[파일:환경종합설계 水호해조 펌프곡선.jpg]]
+<br />펌프의 사양을 결정하기 위하여 펌프 토출 유량을 0.33 m³/min~2.0 m³/min 범위 내 값으로 조절하며 시뮬레이션을 진행하였다. 지하 주차장 하부에 집수정이 설치되므로, 15 m 이상의 펌프 양정 및 양정에 따른 최대 토출 유량을 가정하여 시뮬레이션을 진행하였다. 결과적으로 위 그림의 펌프 곡선에 따라 펌프 양정이 15 m이고 1.9 m³/min의 토출 용량을 가진 펌프인 'ㄷ사'의 'DBS-L150'이 가장 적합하다고 판단하였다.
+<br />[[파일:환경종합설계 水호해조 홍수량과 수위.jpg]]
+[[파일:환경종합설계 水호해조 펌프가동대수.jpg]]
+<br />위의 왼쪽 그래프를 통해 극한 강우에 빠르게 대처하여 주차장 내 수위를 낮추는 시나리오를 바탕으로 한 펌프의 토출 유량 적합성 검증 결과를 확인할 수 있다. 또한 집수정의 수위와 펌프 가동 대수를 나타낸 위의 오른쪽 그래프를 통해 시간대별 강우에 따라 유연하게 펌프가 운전할 수 있도록 하였다. 초기 강우 시에는 1~2대 수준으로 운전되고, 극한 강우 시 3대가 가동하여 본 설계에서 목표로 하는 빠른 배수 성능을 발휘하는 것으로 나타났다.
+===회로 설계===
+====회로도====
+* 차수 모니터링 시스템
+주차장 외부에 설치된 빗물 감지 센서(MH-RD)에서 강우가 감지될 시에만 초음파 수위 센서(HC-SR04)가 지하 주차장 바닥과의 거리를 측정한다. 측정된 수위 값이 침수 레벨에 해당할 경우, 차수막 가동 LED(Diode)가 작동되고 이와 동시에 LCD 모니터(LCD 16X2 Display)에 'Flood Warning' 문자가 나타나도록 하여 관리자에게 침수 경고 알림이 뜨도록 설계하였다.
+<br />[[파일:환경종합설계 水호해조 아두이노회로도 차수.jpg]]
+* 급속 배수 시스템
+아두이노의 수위 센서(SZH-EK507)와 워터 펌프를 활용하여 집수정 내부 수위에 따른 급속 배수 시스템을 나타내었다. 아크릴 수조 벽면에 수위 센서를 부착하며, 수조 내에 물이 유입됨에 따라 감지되는 수위 값은 시리얼 모니터에 표시된다. 초기에 정지 상태에 있는 워터 펌프는 설정된 수위 범위에 따라 단계적으로 한 개씩 가동되며, 수조 내부 수위가 일정 수준 미만에 도달하면 워터 펌프가 전부 정지하도록 설계하였다.
+<br />[[파일:환경종합설계 水호해조 아두이노회로도 배수.jpg]]
+====소프트웨어 설계====
+* 차수 모니터링 시스템
+아래의 코드를 통해 빗물 감지 센서로 강우 상황을 감지하고, 강우 상황일 때 초음파 센서가 수위를 측정하도록 설정한다. 또한, 지하 주차장 내부 수위가 침수 레벨에 도달하였을 때 LCD 모니터와 다이오드에 신호가 전달되도록 설정한다.
+<br />[[파일:환경종합설계 水호해조 회로코드 차수1.jpg]]
+[[파일:환경종합설계 水호해조 회로코드 차수2.jpg]]
-===상세설계 내용===
+* 급속 배수 시스템
-내용
+아래의 코드를 통해 수위 센서가 집수정 내 수위를 측정하고, 측정한 수위를 기준으로 워터 펌프의 작동 여부가 결정되도록 설정한다.
+<br />[[파일:환경종합설계 水호해조 회로코드 배수1.jpg]]
+[[파일:환경종합설계 水호해조 회로코드 배수2.jpg]]
 ==결과 및 평가==
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 ===관련사업비 내역서===
-내용
+[[파일:환경종합설계 水호해조 정산1.jpg]]
 ===개발 과제 핵심 결과===