본 연구에서 도시침수 피해발생이 가능한 곳을 공간적으로 해석하기에 앞서 <표 4-11>과 같이 우리나라 도시침수 발생의 주요 특성을 조사하였다. 우리나라 도시지역 은 상류에 산지를 포함하는 지형적 특성을 가지며, 중하류 불투수 면적이 높은 토지는 상부의 복잡한 구조물과 하부의 밀도가 높은 관망으로 인해 수리학적 변화가 크고 반응 이 빠른 특성이 있다. 이로 인해 도시침수는 호우발생 시 저지대 침수, 우수 배제 실 패, 소하천 범람 등 복합적인 원인으로 발생된다.
27) 기상청에서 발표한 실험치를 중심으로 최소한의 GCMs을 활용할 예정이다.
표 4-11 도시침수 피해 원인
우수배제 실패의 원인 시스템적 원인
(1) 하천의 외수위 영향
∙ 하천외수위 상승으로 인한 월류, 하천여유고 및 통수능 부족으로 인한 범람
(2) 우수 유입시설로 인한 문제
∙ 빗물받이 시설 부족 (3) 배수펌프장 시설 문제
∙ 배수펌프장의 용량부족 및 배수로 정비불량 등 으로 인한 문제
(4) 우수관거 관련 문제
∙ 설계홍수량을 초과하는 이상호우에 대한 우수 관거 용량 부족
(5) 노면 및 위치적 문제
∙ 외수위 상승에 의한 저지대 내수배제불량
∙ 주변지역으로부터 우수의 저지대 집중
(6) 기후 및 구조적 변화
∙ 기후변화로 인한 강우의 강도 및 빈도 증가
∙ 도시환경의 변화로 인한 불투수지역의 증가 (7) 대책시스템의 부재
∙ 하천 위주의 정책으로 내수침수 저감대책 미흡
∙ 도시지역 내 과거 침수이력의 정보 부족
∙ 지하공간에 대한 개발 시 영향 검토 방안 부재
∙ 기성 도시의 건축, 방재 시설 등의 노후화에 대한 분석 방안의 부재
∙ 도시계획 시 침수대책 반영을 위한 시스템 부재 (8) 관리주체 및 법체계의 분산ㆍ관리
∙ 하수도법, 하천법, 자연재해대책법 등 관리주체 및 법체계의 이원화로 부처간 연계성 부족
자료: 심우배 (2008), 신상영 외(2011), 심재현과 최승용 (2012) 등의 내용을 재구성함
이와 같이 도시침수 현상이 다양한 원인에 의해 발생되기 때문에 효과적으로 해석 하기 위해서 적합한 모형의 선택이 매우 중요하다. 산지부 및 도시지역의 유출량 집중 으로 인한 지방하천 및 소하천의 범람에 대한 수문학적 해석이 필요하며, 도시공간 내부의 저지대 적체, 관거 이송용량 부족으로 인한 배수 지체, 하천수위 증가에 의한 관거역류 등 수리학적 해석 또한 필요하다. 아울러, 도시계획적 대책을 마련하는 데 필요한 넓은 공간범위를 포괄할 수 있는 모형의 간소화 및 연계가 중요하다. 넓은 공 간범위에 대한 침수해석에 오랜 기간 신뢰성이 검증된 모형이 필요하며, 입력자료를 쉽게 확보하고, 입력자료 구축 등에 작업량을 줄일 수 있는 모형이 선호되어야 할 것 이다.
표 4-12 검토된 침수해석 수리모형의 예
모형 특징 단점
영국 RRL ∙ 도시지역의 지표유출의 관로 유입
∙ 유입-유하-유출 과정 재현
∙ 관거 내 저류효과 고려 불가능
∙ 불투수 지역 구분 어려움
∙ 연속강우 모의 불가능 미국 ILLUDAS ∙ 도시지역 배수시스템 연계 가능
∙ 불투수 지역 고려 가능
∙ 하천 수위상승에 따른 배수시스템 영 향 고려 불가능
∙ 연속강우모의 불가능 덴마크 DHI
∙ 도시지역 특성 고려 가능
∙ 관로해석 가능
∙ 수리적 특성 해석 가능
∙ 구입가격이 비쌈
∙ 사용자의 전문성이 요구됨 미국 EPA
SWMM
∙ 도시유출 분석 가능
∙ 외수위 고려 내수배제 불량 해석 가능
∙ 배수시스템의 월류 유량 계산 가능
∙ 모형구축에 시간과 노력이 요구됨 - 입력 변수 산정, 모형구축 등 미국 공병단
HEC-RAS ∙ 정상류 및 비정상류 해석 가능
∙ 하천 홍수터 잠식과 제방 영향 모의 가능 ∙ 도시배수 해석 어려움 미국 공병단
HEC-HMS
∙ 강우-유출분석 모형으로 유입수문곡선과 하도의 물리적 특성을 통한 수문곡선 해석 가능
∙ 도시배수 해석 어려움 한국수자원학회
(2009) 표준 강우-유출
관계 곡선법
∙ 광범위한 수문관측자료의 분석으로 유역 의 유출특성 조건에 따른 강우량과 유출량 의 관계 정의로 특정 강우량에 대한 유출 량 산정이 용이
∙ 분석 유역의 면적이 광범위하고 수문 관측자료가 부족한 경우, 적용이 어 려움
본 연구에서는 도시지역을 포함한 집수유역을 크게 상류의 산지, 중소하천, 하류의 인조지역으로 구분해, 표준 강우-유출 관계 곡선법(한국수자원학회, 2009)과 함께 미 공병단의 HEC-RAS (Hydrologic Engineering Center’s River Analysis System) 모 형28), 미 EPA의 SWMM (Storm Water Management Model)29)을 연계ㆍ활용하기
28) HEC-RAS는 개수로 형태의 자연하천과 인공하천에서 1차원 정상류의 수면곡선을 계산하기 위해 개발된 것으 로 기본방정식으로 에너지 방정식이 적용된다. 수면곡선의 계산은 표준축차법이 적용되고 모르는 단면과 연속되 는 다음의 단면 간의 값을 에너지 방정식을 적용해 반복적으로 계산하고 이 때 발생되는 두 횡단면 간의 에너지 손실은 마찰공식(Manning 공식)과 수축ㆍ확대손실에 기초한다. 1970년대 미공병단 산하 수문기술연구소 (HEC, Hydrologic Engineering Center)에서 HEC-2로 처음 개발되어 현재까지 보완하여 HEC-RAS 모형 으로 발전되었다. 본 연구에서는 죄신 버전인 HEC-RAS 5.0.3을 이용하였다.
29) SWMM은 도시유역의 하수시스템을 고려한 유역의 유출모의를 위해 개발된 것으로 기본방정식으로 Saint Vernant식을 적용하였다. 본 모형은 지표면 및 지표하 흐름, 하수관망에서의 유출량 추적, 저류량 산정 등을 종합적으로 모의할 수 있고, 지표면 유출은 비선형 저류방정식, 침투량 산정은 Horton, Green-Ampt, SCS CN, 수로 및 관로에 대해 유출은 비선형 저류방정식, 수송(Transport)에는 Kinematic 방정식, 관로는 Dynamic 방정식 또는 연속방정식이 적용되고, 저류추적은 수표면이 평행하다고 가정한 수정 Pulse 방법에 기초한다. 1971년 미환경청(EAP, Environmental Protection Agency)의 지원 아래 Metcalf & Eddy 사가
로 하였다.30) 지형분석을 통해 도출된 상류 산지지역에 대해서는, 한국수자원학회 (2009)의 하천설계기준에서 제시하는 표준 강우유출 관계곡선식을 적용해 산지부에서 소하천으로 유입되는 유출량 산정하고자 하였다.31) 소하천 등 외수위 상승으로 인한 범람은 HEC-RAS 모형을 구축하되, 하천기본계획 보고서에서 제시된 하천단면별 강 우량 대비 유량값을 활용해 노면수 유입 효과를 간단히 반영하고 하천수위를 해석(<표 4-11>의 (1)에 대한 해석)하기로 하였다. 또한 중하류 인조지역 중 관망밀집지역에 대해 하수관망을 간소화32)하고, SWMM 모의를 통해 내수침수 발생 가능성을 평가 (<표 4-11>의 (2)~(5)에 대한 해석)하고자 하였다. 마지막으로 GIS 도구를 이용해 수문ㆍ지형분석을 통해 침수의 확산범위와 침수위를 도출하기로 하였다.
그림 4-18 본 연구에서의 도시침수 해석 개념도
Florida 대학 및 수자원 에지니어와 공동연구로 개발한 모형이다. 본 연구에서는 2015년에 수정ㆍ보완된 SWMM 5.1을 이용하였다.
30) 조완희 외 (2015)에서 논의된 바와 같이, 최근 학술연구 결과에서도 우리나라 도시침수 해석을 위해 값비싸거나 고급기능의 모형 보다는, 기존의 범용적으로 사용되는 모형 간 연계가 더욱 효과적임을 강조하고 있다.
31) 해당지역의 (소)하천기본계획을 통해 쉽게 자료수집이 가능하다.
32) 특히, 넓은 대상지에 대해 과도한 시간ㆍ인력 소비 없이 인구밀집지를 중심으로 SWMM 모형을 구축하고자 하였다.
앞서 언급한 방법을 토대로, 중점관리대상지의 강우 시나리오별 침수해석을 실시하 고 재해지도를 작성하기 위해 <그림 4-19>와 같은 절차를 제시하였다.
그림 4-19 침수해석 및 재해지도 제작 절차
침수해석 간소화 -표준 강우-유출
관계곡선 적용
HEC-RAS/GIS 연계 침수해석
SWMM 모형 구축
관계곡선식 산정 강우-유출 회귀 모형과 연계한 HEC-RAS 구축
하수관망의 간소화 방법론 정립 - 상류지역 적용
- 하천기본계획 수 립 시 사용한 빈 도별 확률강우량 과 계획홍수량의 상관관계 정의 - 강우 시나리오별
확률강우량에 대 한 미래 계획홍수 량 산정
- 대상유역의 상류단 경계 조건 입력 - 하천기본계획 보고서
기준의 지형 및 강우 빈도별 계획홍수량 자료 입력
- HEC-RAS 모형의 검증
- 대상유역의 GIS 자료 수집 (1:5,000 수치지도 및 하수관망도) 하수관망도와 지형도를 토대로 지선ㆍ간선 구분 - 소유역 분할 - 하수관경 기준
하수관망 간소화 GIS를 이용한 홍수위
영향 분석 유역특성 분석
- 강우시나리오별 홍수위 영향 분석
- 유역특성 자료 분석 - 지형학적 매개변수 - 간소화된 하수관망
적용 중점관리대상지
침수해석 SWMM 구축
- 외수에 의한 침수 - SWMM 주요 지점 유입량 경계조건으로 설정
- SWMM 검보정 - 모형의 재현성 평가
중점관리대상지 내 도시지역의 침수해석 - GIS를 이용한
내수에 의한 침수
도시침수 침수위 분석 및 지도 제작
재해지도 제시 - 강우시나리오별 재해지도 제시
∙ P2, RCP 8.5
∙ 지속시간 1hr
∙ 재현빈도 30년, 100년