Water cycle analysis is important in assessing the healthiness of water cycle by quantifying various elements of water cycle including evapotranspiration, infiltration, and runoff. Only after such assessment of water cycle is made, one can devise an improvement plan to address the problems identified. In this study, water cycle analysis was performed for Gunja drainage located in metropolitan Seoul using Aquacycle model developed in Australia to assess the problems of urban water cycle. In addition, feasibility analysis of reuse scenarios such as rainwater use and wastewater reuse was performed to examine their influences on improving the water cycle.
From the analysis of water cycle of Gunja drainage, it was shown that hydrologic components such as evapotranspiration and surface runoff were highly dependent upon the change of impervious area. From the simulation of urban water cycle, it was found that, of total of 1,388 rainfall, 306 was lost through evapotranspiration. Surface runoff of 1,044 occurred, of which 937 at impervious area and 107 at pervious area. Finally, 99 of rainfall was recharged into groundwater. In summary, 75% of total rainfall occurred in the form of surface runoff, and groundwater recharge only accounted for about 7%. This suggests serious distortion of water cycle which can be attributed to urbanization. When compared to the water cycle in rural region (Pyungtaek in the vicinity of Seoul), it was found that impervious area of urban region was 9 times bigger, thereby reducing evapotranspiration by 39% and increasing surface runoff by 154%, and groundwater recharge has decreased by 75%.
Along with water cycle analysis, the effect of rainwater use and wastewater reuse on water cycle was also evaluated using Aquacycle model for the study area. Reusable water was confined to use with irrigation and toilet water, and the analysis showed that the amount of reusable water was 890 combining rainwater and wastewater reuse. For the reuse, rainwater storage with a capacity of 20,000 was determined as optimal capacity in case of rainwater use and the wastewater treatment plant with a capacity of 2,700 in case of wastewater reuse.
With rainwater use, it was shown that imported water supply of 312 can be saved through rainwater use, and that is water supply savings of 10% and surface runoff reduction of 26%. On the other hand, with wastewater reuse, it was shown that water supply savings of 31% and wastewater reduction of 30% can be achieved. There is not much rainfall except during summer season in Korea whereas the amount of wastewater occurs steadily in large volume throughout the year. For this reason, it can be said that wastewater reuse has an advantage over rainwater use in providing consistent water supply.
The groundwater store level is getting low about 11cm per a year due to the forced pumping and groundwater use. Thereby river dry steam is on going. Also the groundwater recharge evaluated with SCS-CN was shown differences 4.2% of total rainfall according to soil classes in the study area.
This study summarizes the application results of Aquacycle model as a tool for water cycle assessment and feasibility analysis of various reuse alternatives. With gloomy outlook on water supply for the future, the interest in alternative water resources such as rainwater and treated wastewater has increased substantially. As a science-based approach to shaping up of reuse options and comparing alternatives, Aquacycle looks to be a promising tool that can provide analytical muscle needed in both planning and implementation stage of water recycling program.

• <제목 차례>
• 1.서론
• 1.1연구배경 및 목적
• 1.2물순환 관련된 기존 연구 사례 검토
• (1)국외
• (2)국내
• 2.물순환 해석 모형의 선정
• 2.1물순환 해석모형
• (1)SWMM(Storm WaterManagementModel)
• (2)SWAT(SoilandWaterAssessmentTool)
• (3)SHER(SimilarHydrologicElementResponse)
• (4)WEP(WaterandEnergytransferProcess)
• (5)Aquacycle
• 2.2적용모형의 결정
• 3.Aquacycle모형의 개요 및 구조
• 3.1모형의 가정 및 이론
• 3.2모형의 구조
• (1)Unitblock
• (2)Cluster
• (3)Catchment
• 3.3입력 자료의 구성
• (1)Indoorwaterusageprofilefile
• (2)Climatedatafile
• (3)Unitblockfile,clusterfile,catchmentfile
• (4)Parameterinitialvaluefile
• 3.4모형이론
• (1)우수량 산정
• (2)불투수면에서의 표면유출과 기저유출
• (3)투수면에서의 표면유출과 지하수
• (4)하수관거로의 침투수 및 침입수
• (5)관개용수
• (6)증발산 산정
• 가)투수면에서의 증발산
• 나)불투수면에서의 증발
• (7)누수량과 상수수요량
• 가)누수량
• 나)상수공급량
• (8)하수발생량
• (9)불투수면에서 표면저류
• (10)토양수분 저류량
• (11)지하수 저류조
• (12)빗물저류조
• (13)하수처리장
• 4.대상유역
• 5.Aquacycle모형의 적용
• 5.1가정 내 물 사용형태(Indoorwaterusageprofilefile)
• 5.2기후인자
• 5.3측정변수(Measuredparameters)
• (1)가구당 평균 인원수
• (2)Unitblock관련
• 가)Unitblock의 평균 면적
• 나)Unitblock의 정원 평균 면적
• 다)Unitblock의 포장된 평균 면적
• 라)Cluster의 총 면적,도로면적,공공녹지단지 면적
• 5.4Calibration매개변수 관련
• (1)토양수분저류조
• (2)지붕,포장된 부분,도로에서의 최대손실
• (3)지붕,포장된 부분,도로에서의 유효 불투수면적 산정법
• (4)지하수 함량 및 기저유출
• 가)기저유출
• 나)지하수 함양량
• 다)지하수량
• (5)하수관거로의 침투수 및 침입수(I/I)
• (6)지하수 충진
• 가)일 최대함양량
• 나)일 최대양수가능량
• 6.도시화 따른 물수지 변화
• 6.1도시 및 농촌지역에서의 물수지 분석
• 6.2도시화 진전이 물순환계에 미치는 영향 검토
• (1)도시화가 물순환계에 미치는 영향 검토
• (2)하천건천화
• 7.환경친화적 물순환계회복 방안
• 7.1빗물이용 및 하수처리수 재이용
• 7.2우수 침투지역 조절을 통한 침투량 증가
• (1)지하수 함양량 추정 방법
• (2)SCS-CN방법을 이용한 지하수 침투모의
• 8.결론
• 9.참 고 문 헌
• <표 차례>
• 표 2.1물순환 해석 모형 비교
• 표 3.1.Aquacycle에서의 입력자료
• 표 3.2Unitblock의 구성
• 표 3.3Cluster의 구성
• 표 3.4Catchment의 구성
• 표 3.5MeasuredParameters의 구성
• 표 3.6Calibratedparameters의 구성
• 표 3.7Initialstoragelevelvalues의 구성
• 표 5.1광진구 거주 인구수별,주택 유형별 물 사용량(서울시정개발연구원,2004)
• 표 5.2가구내 거주인수별,용도별 물 사용량
• 표 5.3대상유역 내 인구(통계청,2005;광진구통계연보,2005)
• 표 5.4불투수면적에 따른 증발산산정(과학기술부,2004)
• 표 5.5감수곡선의 평균 초기 유량,감수기간 및 감수상수(이동률,1995)
• 표 5.6지하수량 결정
• 표 5.7군자배수분구 토양분포 및 설명
• 표 5.8광진구 지하수 이용현황(건설교통부,2005)
• 표 5.9군자배수분구 지하수 이용현황
• 표 6.1농촌지역에서의 토지이용현황
• 표 6.2도시화로 인한 토지이용현황 변화
• 표 6.3도시화로 인한 물순환의 변화
• 표 7.1토양형의 분류(윤용남,1998)
• 표 7.2정밀토양도의 수문군 분류
• 표 7.3유역의 평균유출곡선지수 CN의 산정(AMC-Ⅱ)
• 표 7.4선행 토양함수조건의 분류
• 표 7.5토양형에 따른 투수지역에서의 CN
• 표 7.6투수지역에서의 토양형에 함양량 변화
• 표 7.7토양형에 따른 물순환 변화
• <그림 차례>
• 그림 3.1Aquacycle모형 모식도
• 그림 3.2투수면에서의 증발산량 산정
• 그림 4.1군자배수분구 위성사진
• 그림 4.2대상유역의 행정구역도
• 그림 5.1인구수에 따른 물 사용량 변화
• 그림 5.2유역 내 건물 분포
• 그림 5.3Cluster의 총 유역,도로,공공녹지지역(위쪽부터)
• 그림 5.4토양수분 저류조에서의 강우와 유출의 관계
• 그림 5.5토양수분 저류조 용량 결정
• 그림 5.6불투수면적비에 따른 증발산량 변화
• 그림 5.7군자배수분구 토양도
• 그림 6.1군자배수분구 물순환 해석(도시화된 지역)
• 그림 6.2농촌지역 물순환 해석
• 그림 6.3도시화에 따른 물순환 변화(위쪽부터 도시화률,증발산량,표면유출,지하수함양량)
• 그림 6.4지하수 수위 변화
• 그림 6.5강제 배수와 지하수 재이용을 고려한 도시지역의 물순환
• 그림 7.1빗물저류조와 하수처리장의 용량결정
• 그림 7.2빗물이용 및 하수 재이용 시 상수도 절감효과
• 그림 7.3빗물이용 시 물순환의 변화
• 그림 7.4하수처리수 재이용 시 물순환의 변화
• 그림 7.5군자배수분구의 토양군
• 그림 7.6토양군 A경우의 물순환 해석
• 그림 7.7토양군 B경우의 물순환 해석
• 그림 7.8토양군 C경우의 물순환 해석
• 그림 7.9토양군 D경우의 물순환 해석