• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2023년도 학술발표회
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• pp.233-233
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• 2023

효율적인 수자원 관리에 필수적인 요소 중 하나는 유역 유출의 정확한 예측이다. 동일한 유역이라 할지라도 과거 기후조건에 대해 매개변수나 모형구조가 최적화된 수문모형은 현재나 미래 기후에 대해 최적이라 할수 없으며, 이에 따라 유역 유출 해석의 불확실성 또한 증가하고 있다. 수문자료동화는 모형의 입력 자료에 따른 불확실성을 줄이고 예측정확도를 향상 시킬 수 있는 방법으로, 수문모형의 상태량이나 매개변수를 업데이트하여 모형 초기 조건의 가능성 높은 추정치를 생성하는 기법이다. 본 연구에서는 국내 댐 상류 유역에 대해 집중형 수문모형과 순차자료동화 기법의 연계 패키지인 airGRdatassim 모형을 적용하여, 앙상블 칼만 필터와 파티클 필터 기법의 수문자료동화 특성을 비교 분석하고, 자료동화와 관련된 하이퍼-매개변수의 불확실성이 수문모의 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 자료동화 적용 결과, 두 자료동화 기법 중 파티클 필터에 의한 모의성능이 높았으며 기상강제력 노이즈의 범위, 갱신 대상 상태량 설정, 앙상블 설정 등 수문자료동화의 설정과 관련된 하이퍼 매개변수의 불확실성은 두 기법별 뚜렷한 차이를 보였다. 또한, 본 연구에서는 일단위에서 시단위로 확장한 유량 예측 자료동화의 시험 모의결과 및 앙상블 수문동화기법의 도전과제에 대해서도 논의한다.

• 한국항공우주학회지
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• 제36권3호
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• pp.258-263
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• 2008

초음속 순항 엔진 연소기에 적용하기에 유리한 스크류형 선회기를 장착한 인젝터의 성능을 이론적, 수치적, 실험적 방법을 통해 밝혀 내었다. 인젝터의 성능은 유출계수와 분무각을 중심으로 살펴보았으며, 이에 영향을 미치는 형상 파라미터를 정의하고 기준 인젝터를 설계하여 형상계수에 따른 성능의 변화를 살펴보았다. 정의된 범위에서 인젝터의 성능은 이론적 예측에 의한 값보다 작은 값으로 나타났으며, VOF 방법을 사용한 수치해석에 의해 성능이 매우 잘 예측되는 것을 확인할 수 있었다. 점성장벽에 해당하는 특성은 나타나지 않았으며, 최소 0.05의 유출계수와 최대 104의 분무각을 얻을 수 있었다.

• 한국농업기계학회:학술대회논문집
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• 한국농업기계학회 2017년도 춘계공동학술대회
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• pp.58-58
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• 2017

점적 호스의 원통형 미로 구조물내의 유동특성을 분석하기 위해 금속판에 동일한 구조의 미로가 가공된 시험부를 활용하여 압력과 유량의 변화에 대한 실험을 CFD 해석하였다. 해석은 미로의 길이에 따른 유량 특성을 정밀하게 분석하기 위해 전체 미로에 구간별 총 8개의 배출구를 배치하고 밸브 조절을 통해 구간별 압력에 따른 유량을 측정함으로서 실험에 의한 압력과 유량의 관계를 검증하고 새로운 경질 미로를 설계하는데 응용하고자 한다. 경질 미로의 이론적인 해석에서 정밀도가 실험을 대신할 가능성이 있는지에 관심을 두었다. 점적관수의 경질 미로는 디자인을 달리함으로써 성능이 높고 미세한 스케일이 침착되지 않는 고성능의 점적관수 장치의 개발이 가능할 것으로 판단하였다. 미로 입구의 공급 유체 압력(Gauge pressure)을 0.5, 1.5, 2.5, 3.0 bar로 나누어 공급하였으며, 8개의 구간별 유출되는 유량은 전자저울에서 측정하였다. 향후 최적 미로의 새로운 설계를 위해 미로구조 전체를 CFD 해석하였고 그 결과를 실험치와 비교 분석하였다. 또한 경질 미로내 각 구간별 세부적인 유동구조를 분석하였고 해석결과와 실험결과를 통해 향후 새로운 경질 구조의 개발이 가능 할 것으로 판단되었다. 경질 미로의 입구압력에 따른 미로의 길이 #1과 #2에 대한 CFD 분석에서는 전체적으로 경질 미로에 압력이 증가할수록 미로의 유체 속도가 증가됨을 알 수 있었으며 이것은 #2에서도 거의 같은 양상을 나타내었다. 미로 통로에서는 와류로 인한 이물질의 멈춤 현상이 발생하지 않을 만큼 흐름이 원활함을 알 수 있었다. 미로의 길이 #3과 #4에 대한 CFD 분석과 미로의 길이 #5와 #6에 대한 CFD 분석에서는 압력이 증가하고 미로의 길이가 길어질수록 속도에도 영향을 미치고 있는 것으로 나타났으며 미로와 미로 사이의 넒은 통로에서는 유속이 크게 떨어지고 있음을 알 수 있었다. 따라서 이 부분에는 유체속의 이물질이 침착할 수 있는 가능성이 있으며 통로가 좁은 곳에서는 유속이 증가되는 것으로 나타났다. #7과 #8은 미로의 상하단으로 유출되는 부분의 차이이므로 실질적으로 해석의 결과는 차이가 없었다. 경질 미로에 대한 압력에 따른 미로의 길이별 유출량은 지수적인 반비례 현상을 나타내어 앞서 실험한 연구의 결과와 1~2% 오차 범위에서 잘 일치하였다. 따라서 점적 호스의 경질 미로에 대한 설계는 이론적인 해석을 통하여 새로운 디자인이 가능할 것으로 판단되었다. 경질 미로의 미로의 길이에 따른 CFD 분석의 결과는 실험적인 유출량의 값과 거의 일치하였다. 미로와 미로 사이의 넒은 통로에서는 유속이 크게 떨어져 이물질들이 침착될 가능성이 있었으며 실질적으로 넓게 설계하는 것이 유리하지 않을 것으로 판단되었다. 경질 미로에 대한 압력에 따른 미로의 길이별 유출량은 지수적으로 반비례 하였으며 점적 호스의 경질 미로에 대한 새로운 설계는 이론적인 해석을 통하여 가능할 것으로 판단되었다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2021년도 학술발표회
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• pp.20-20
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• 2021

하천에서 유해화학물질 유출사고로 인하여 오염물질이 유입되었을 경우, 이에 대응하기 위하여 오염운의 도달시간과 농도를 예측하는 것은 매우 중요하다. 종방향의 혼합거동이 중요한 넓은 범위의 하천을 대상으로 오염물질의 이송을 예측하기 위하여 일반적으로 1차원 Fickian 모형을 사용한다. 그러나 실제 하천에서 오염물질의 농도를 측정하였을 경우, 대부분의 농도분포는 오염물질의 저장대효과로 인하여 긴 tail 부분을 갖는 왜곡된 분포를 갖게 된다. 이러한 저장대 효과는 여러 하천내의 다양한 불규칙성으로부터 발생하나, 국내 하천에 많은 보가 설치되어 있음에도 불구하고 하천 내부에 설치된 수리구조물에 의하여 발생하는 인공적인 저장대 효과에 관한 연구가 미흡한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 실내 수리실험과 수치 모의를 통하여 노치가 존재하는 보주변에서의 흐름 특성과 오염 물질의 이송 특성을 규명하고, 이를 통해 보의 지형 및 수리적 인자가 저장대 메커니즘에 미치는 영향을 분석하였다. 수리 실험을 통한 넓은 범위에서의 수평방향 흐름장과 농도장을 측정하기 위하여 본 연구에서는 광역 계측방법인 Large Scale Particle-Image-Velocimetry (LSPIV) 기법과 Planar-Concentration-Analysis (PCA) 기법을 각각 유속과 농도 측정을 위해 적용하였다. 더 많은 보의 지형 및 수리적 조건에 따른 저장대 메커니즘을 분석하기 위하여 3차원 Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) 모형을 통해 모의조건을 확장 적용하였다. 측정 및 모의 결과를 바탕으로 노치가 존재하는 보의 지형 및 수리적 인자가 저장대 메커니즘에 미치는 영향을 분석하였다. 저장대 영역 면적의 크기는 노치사이의 간격이 증가할수록 증가하였으며 노치의 높이의 경우에는 크게 민감하지 않은 경향을 나타냈다. 추적물질의 체류 시간은 노치사이의 간격과 보의 높이가 증가할수록, 유량이 감소할수록 증가하여 질량교환계수 값이 감소하는 경향을 나타냈다. 프루드 수와 레이놀드 수 모두 질량교환계수와 양의 상관 관계를 나타냈으나 저장대 영역의 면적의 크기와는 낮은 관계성을 나타냈다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2018년도 학술발표회
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• pp.287-287
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• 2018

우수관거 시설에서 맨홀은 관거의 접합을 위해 반드시 설치되어야 하는 중요한 요소이다. 이러한 맨홀 접합부에서는 유입관으로 유입되는 유량의 급격한 확대와 유출관으로 배수되는 유량의 급격한 축소 등 흐름의 복잡한 변화가 발생한다. 맨홀에서의 복잡한 흐름은 설계강우를 초과하지 않는 강우량에서 과부하 조건을 형성하며 도심지 침수의 심각한 영향을 미친다. 특히 여러 관이 접합되어 있는 합류맨홀의 경우 유출관거로의 원활한 배수가 유도되지 않을 뿐 아니라 다양한 방향의 흐름이 서로 상충하며 급격한 에너지 손실을 유발한다. 도심지 중 하류부에서 주로 발생하는 침수피해는 복잡한 우수관거 시설의 구성에 따른 합류맨홀의 증가로 인해 그 규모가 늘어나는 추세이다. 바닥이 평평한 기본형태의 맨홀에서 발생되는 과부하 흐름과 여러 유량 조건에서의 에너지 손실에 관한 연구는 지속적으로 수행되어왔다. 최근 맨홀 내부에 흐름을 유도시켜주는 인버트를 설치하여 에너지 손실을 저감하려는 연구가 활발히 이루어지고 있지만 이를 실제 도시지역에 적용하여 침수해석이나 관거 배수능력 평가를 수행하기 위한 필요한 기초자료는 미비한 실정이다. 본 연구에서는 인버트가 설치된 개선형 4방향 합류맨홀의 유량 조건을 다양하게 변화시키며 유입유량 조건에 따른 개선형 맨홀의 손실계수를 분석하였다. 유량 조건은 세 개의 유입관에서 각각 설계유량 $1{\ell}/s$의 유량이 유입되는 총 유입유량 $3{\ell}/s$를 기준으로 각 유입관의 유입유량을 10%씩 변화시킨 40case의 유량 조건을 선정하였다. 이렇게 선정된 유량 조건은 경우에 따라 중간 맨홀, 3방향 합류맨홀 또는 4방향 합류맨홀의 흐름을 다양하게 나타내었으며, 40case의 손실계수를 분석하여 모든 맨홀 접합 조건에서의 손실계수를 파악할 수 있었다. 합류맨홀에서의 개선형 인버트 적용성을 확인하기 위하여 인버트가 설치된 개선형 맨홀에서 산정된 손실계수를 기초로 모든 유입유량 조건에서 적용이 가능한 손실계수 범위도를 작도하였다. 손실계수 범위도는 통계분석에 활용되어 개선형 맨홀의 유입유량 조건에 따른 손실계수 산정식을 도출하는 기초자료로 활용되었다. 이와 같이 도출된 산정식을 적용하면 실제 도심지에 개선형 맨홀을 적용하였을 경우에도 정확한 침수 해석이나 관거 배수능력 평가가 가능할 것으로 판단된다.

• 상하수도학회지
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• 제28권6호
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• pp.623-634
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• 2014

본 연구는 도시하수를 처리하는 혐기성 유동상 반응조(AFBR)의 유출수 내에 존재하는 황화물, 인을 제거하기 위한 후속 공정으로서 화학응집의 가능성을 평가하였다. pH 범위 5.9에서 7.2까지는 화학응집을 통한 황화물, 인 및 COD의 제거율에 큰 영향을 주지 않았다. 알칼리도의 요구량은 $Fe(OH)_3$를 형성 및 황화물과 인을 제거하기 위한 $Fe^{3+}$의 양을 통해 추정한다. 응집보조제 농도 2 mg/L에서 음이온성 폴리머는 플록의 크기와 침전성 면에서 가장 좋은 결과를 보였다. AFBR 유출수의 황화물을 제거하기 위해 투입한 응집제 주입비($Fe^{3+}/S^{2-}$)는 0.64로 인공폐수 실험을 통해 확인한 이론적인 응집제 주입비 0.67에 가까우나 황화물 제거율은 75.2%에 그쳤다. 이렇게 높은 응집제 주입비를 요구하는 이유는 인공폐수와는 다르게 AFBR 유출수에는 황화물, 인, 수산화이온, 중탄산염이 존재하고 $Fe^{3+}$와 경쟁적으로 반응하기 때문이다. 응집제 주입비 2.0에서 황화물과 인의 농도는 각각 0.1, 0.5 mg/L 이하로 감소했다. 응집제 주입량 50 mg $Fe^{3+}/L$에서 평균적인 유출수의 COD 농도는 80 mg/L로 대부분 용존성 COD로 구성되어 있고 제거율은 55%이다. 더 높은 COD 제거율을 얻기 위해서는 AFBR에서의 용존성 COD 제거율을 강화해야 한다. $Fe^{3+}$를 이용한 화학응집은 AFBR 유출수 내의 황화물, 인 및 COD를 동시에 제거할 수 있고, 이는 상대적으로 높은 처리수 수질을 요구하지 않는 나라의 기존 하수처리 공정을 대체할 수 있을 것이다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2010년도 학술발표회
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• pp.1360-1364
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• 2010

도시유역 물순환 해석 모형(Catchment hydrologic cycle Analysis Tool, CAT)은 기존의 개념적 매개변수 기반의 집중형 수문모형과 물리적 매개변수 기반의 분포형 수문모형의 장점을 최대한 집약하여, 도시유역 개발 전/후의 장/단기적 물순환 변화특성을 정량적으로 평가하고 물순환 개선시설의 효과적인 설계를 지원하기 위한 물순환 해석 모형이다. 이 모형은 수문학적으로 균일하게 판단되는 범위를 소유역으로 분할하여 지형학적 요인에 의한 유출 특성을 객관적으로 반영할 수 있으며, 개발 공간 단위별로 침투, 증발, 지하수 흐름 등의 모의가 가능하도록 하는 링크-노드 방식으로 개발되었다. 모형의 UI(User Interface)는 사용자가 손쉽게 모형을 적용/관리하고, 여러 시나리오를 동시에 효과적으로 모의하여 분석할 수 있도록 설계되었다. 또한, 모든 입/출력 자료를 엑셀이나 텍스트 형식과 연동되도록 하여 프로젝트별 매개변수 관리가 용이하도록 개발하였다. 특히 본 모형에서는 사용자의 목적에 맞는 다양한 물순환 개선시설(침투시설, 저류지, 습지, 빗물저장시설, 리사이클 및 외부급수 등)의 구현 및 모의가 가능하도록 개발하였다. 여기서, 물순환 개선시설이란 빗물을 흡수하고 저류할 수 있는 도시녹지시설 혹은 구조물로서 도심 내의 불투수면을 저감시키고 유출수를 줄이면서 동시에 녹지를 확보하여 효과적인 물순환 기능에 영향을 미치는 시설들이다. 이러한 물순환 개선시설은 신도시 및 지역 혁신도시 개발 등의 대규모 토지이용변화가 예상되는 개발지역에 대한 평가 및 개선 기술을 제공하여 물순환 건전화를 위한 설계에 직접적으로 활용될 수 있는 큰 장점을 지니고 있다. 먼저 침투 시설은 계획침투량을 반영하며 토양으로의 침투량과 지하수로의 이동을 모의한다. 저류시설은 하도 내에 위치한 online 저류지와 하도 외에 위치한 offline 저류지로 구분하고 저류지 수면의 증발량과 취수량을 고려하며, 방류구를 통한 방류량을 반영하였다. offline 저류지의 경우는 하도 내의 흐름의 규모에 따라서 일정량을 넘는 경우만 offline 저류지로 유입될 수 있는 양을 산정하도록 하였으며 하류 하천으로의 방류를 반영하여 홍수 후에 저류지가 비워지도록 하였다. 유역 내의 습지는 식생과 수면에서의 증발산을 반영하였다. 습지의 저류능력을 넘는 양은 월류되어 하류로 유출되며, 방류구를 통한 방류량을 반영하였다. 빗물저장시설의 경우는 초기우수와 같은 일정량 이하의 유입량과 시설용량을 초과하는 양은 방류하도록 하였고, 물 사용량을 반영하였다. 또한, 본 모형에서는 하천 내에서 취수하여 유역으로 공급할 수 있도록 리사이클 처리노드를 계획하였다. 리사이클은 용수 이용 목적에 따라 필요지역으로 공급되는 것으로 하였으며, 하천유지용수의 목적으로 취수되어 상류 혹은 하류의 임의 지역으로 공급되는 것을 포함하였다. 또한, 유역외부에 광역으로 급수되는 공급량도 반영하도록 하였다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제56권1호
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• pp.53-62
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• 2023

최근 기후변화의 영향으로 짧은 시간에 많은 양의 강우가 내리는 집중호우의 발생빈도 또한 증가하고 있다. 집중호우는 짧은 시간에 많은 양의 유출량을 발생시켜 중소하천으로 합류되기 전, 산간지역 하류부분에 홍수를 발생 시킬 수 있다. 홍수로 인한 하류지역의 피해를 감소시키기 위해서는 집중호우에 대한 산지소유역 유출량 산정이 매우 중요하다. 하지만 현재 국내에서 가장 많은 분석을 진행하고 있는 하수관망 침수분석에서는 산지소유역의 강우유출량을 산정하기보다는 기존에 보유 데이터를 활용한 시간·면적법을 사용하고 있으며, 이는 지역의 토양 특성을 정확하게 적용하였다고 판단하기 어려운 실정이다. 이에 강우 발생 시 많은 유출량으로 인해 단시간 내에 하류지역의 침수를 발생시킬 수 있는 산지소유역에 대한 강우유출량 분석을 진행한다면, 보다 정확한 유출량 산정을 통해 하류지역에 발생될 수 있는 침수 특성을 분석의 정확도가 향상되어 하류지역의 주민 대피, 피해 범위의 산정을 위한 자료로 활용 될 수 있을 것으로 판단된다. 산지소유역 강우유출량 산정을 위해 MIKE series 중 MIKE SHE를 활용하여 산지소유역 강우유출량을 산정하였고, MIKE 21 FM (Flow model)을 통해 하류지역의 침수 분석을 진행하였다. 본 연구를 통해 산지소유역에 강우 발생 시 발생 유출량 및 하류까지의 도달 시간을 확인할 수 있었으며, 이 분석 결과는 향후 강우 발생 시 하류지역에 사전 대피를 통한 인적·물적 자원을 보호하는데 활용 할 수 있을 것으로 판단된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2016년도 학술발표회
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• pp.327-327
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• 2016

하천 인근에서 지하수를 채수할 경우 지하수위 저하로 인해 하천으로의 지하수 유출이 감소하거나 하천수가 역으로 지하수계로 유입되어 하천수 감소(stream depletion) 현상이 발생한다. 이러한 지하수 양수로 인한 하천수 감소량을 산정하기 위한 방법으로 현지 계측, 수치해석 모델링, 해석해 적용 등이 있으며, 이 중에서 해석해를 이용하는 방법은 실제 하천수-지하수 연계시스템을 단순화한 조건에서 유도되었다는 단점이 있지만 비용이나 시간적 측면에서는 가장 유리하다. 본 연구에서는 Hunt(1999)가 개발한 해석해를 전산프로그램화하고 이를 하천변에 위치한 실제 지하수 관정 109개에 적용하여 양수로 인한 지하수위 강하 및 하천수 감소량을 산정하여 대수층 및 하천의 수리특성, 하천과 관정간의 이격거리에 따른 변동 특성을 분석하였다. Hunt 해석해로 양수 시간에 따른 하천수 감소량을 계산한 결과, 양수후 5년 뒤에는 지하수 양수량 대비 하천수 감소량의 비율이 80%를 초과하는 관정이 대부분인 것으로 나타났으며, 특히 수리확산계수가 $1,000m^2/d$를 넘고 하천고갈인자(Stream Depletion Factor, SDF)값이 100 보다 작은 범위에서는 양수의 영향이 크게 발생하는 것으로 분석되었다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2017년도 학술발표회
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• pp.49-49
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• 2017

최근 극한 홍수의 발생에 따른 내수배제 불량으로 인한 도시지역의 침수로 매년 많은 인명과 재산상의 손실이 크게 증가하고 있으며, 홍수피해 저감 및 복구대책으로 많은 국비가 지원되고 있으나 아직까지 예방보다는 복구비에 치중하고 있는 실정이다. 이에 본 연구에서는 도시지역에 시간 당 강우의 영향력에 대한 평가를 실시하여 상습적으로 일어나는 내수재해를 방지하고 자한다. 이를 위하여 서울시 저지대를 기준으로 상습침수 배수구역을 선택하여 1차원 SWMM모형을 구축하였다. 이때, 가장 중요한 인자 중 하나인 강우의 시간분포는 도시별 유역 규모 및 유출특성, 강우강도 특성 등에 따라 상이한 결과를 보일 여지가 다분하여 실제 침수를 일으킨 강우와 유사한 분포를 찾기 매우 어려운 실정이며, 이를 반영하기 위하여 Huff분포 모든 분위를 사용하여 SWMM 도시침수 해석을 실시하였다. 실시한 결과 맨홀의 월류량을 2차원 해석 입력자료로 사용하였으며, 2차원 해석 결과를 분위별 침수범위를 GIS를 이용하여 중첩시켜 상습 침수구역을 제시하였다. 본 연구 결과를 바탕으로 강우강도의 조건에 따라서 관로를 통하여 월류되는 시작 지점 및 그 지점을 통하여 맨홀에서의 월류량을 대략적 알 수 있었다. 또한, 능동적이며 준 실시간적인 대피지도와 우회도로설정 의사결정에 도움이 될 것으로 판단된다.