Flood Inundation Analysis using XP-SWMM Model in Urban Area

한 국 방 재 학 회 논 문 집 제8권 5호 2008년 10월

pp. 155 ~ 161

하천방재

XP-SWMM 모형을 적용한 도시지역의 침수해석

Flood Inundation Analysis using XP-SWMM Model in Urban Area

이종형*·연기석**

Lee, Jong hyeong · Yeon, Kee Seuk

···

Abstract

The flood damage shows different types in natural river watershed and in urban drainage watershed. In recent, increasing of the imper- vious area gives rise to short concentration time and high peak discharge comparing with natural watershed and it is a cause of urban flood damage. In this paper, we use a XP-SWMM model developed based on EPA-SWMM version for analyzing the inundation area, inundation depth and inundation area considering building effect. The two events(2005.06, 2005.07) has been used for the validation of model. HEC-RAS model has been applied for simulation of changing water level, and the results has been used for calculating area of the inundation. The observed inundation area(21.41 ha) in August, 1998 was in good agreement with the simulated value(23.45 ha) of XP- SWMM model. An influence of inundation area considering building effects has been analized by the DTM of XP-SWMM model.

Keywords :

Urban inundation, XP-SWMM, Building effect.

요 지

도시유역은 자연하천유역에 비해 다른 유형의 홍수피해를 보여주고 있다. 최근에 불투수면적의 증가로 홍수도달시간의 감소와 높은 첨두유량의 발생을 가져오면서 도시홍수피해의 원인이 되고있다. 본 연구에서는 XP-SWMM모형을 적용하여 침수심, 침수 면적을 시간대별로 침수해석을 수행하였으며, 침수해석시 건물의 영향을 고려하였다. XP-SWMM모형의 보정 및 검증을 위해 두 개의 강우사상(2005.06, 2005.07)을 적용하였고, 하천 외수위의 변하는 HEC-RAS모형을 통해 산정하였다. 모의결과 실제 관측된 침수면적(21.41ha)에 비해 산정된 침수구역의 면적은 23.45%로서 9.5% 과다하게 모의되었다. 또한 XP-SWMM모형의 DTM(DigitalTerrain Model)을 구축하여 주요 시간대별 건물의 영향에 따른 침수범위를 분석하였다.

핵심용어 : 도시침수, XP-SWMM모형, 건물효과

···

1. 서 론

경제발전과인구증가에따른 급격한도시화현상은도시지 역의인구밀도를높이고, ^{집약적으로토지를이용하게하였다}.

도시지역의침수는강우 규모가배수시스템의용량을초과하 거나, 하천수위상승으로관로 내에역류가 발생함으로써우 수 배제를 제대로 수행하지 못할 경우에 발생하며, 이러한 도시지역의침수는 비도시 지역에 비하여 공공 기반시설 및 개인재산에막대한피해를 일으키게된다.

도시배수시스템을 이용한유출량을계산하기위해서는다 양한수치모형이이용되어왔다. 미환경보존국에서개발된우 수관리모형인 SWMM(Storm Water Management Model)^모

형은 도시유출량을 계산하고 외수위에 의한 내수배제 불량 및배수시스템 과부하로인한월류유량의 계산등을지원하고 있으며, 최근 MOUSE, XP-SWMM과 같은 GUI 기반의상용

소프트웨어들의 개발로도시지역에서의 유출해석에 적용되고 있다. Hsu 등(2000)은 SWMM 모형을이용하여관망의절점 에서 잉여수에 의해 발생하는 침수에 대하여 모의하였으며, Phillips ^등(2005)^{은 도시지역의 배수 시스템을} XP-SWMM

모형과 2차원 침수해석을 위한 TUFLOW 엔진을 이용하여

1D/2D 모델링을실시하고, 도시침수해석에관한 2차원침수

해석의 적용에 XP-SWMM모형의 적용성을평가한 바 있다.

Smith ^등(2006)^{은도시유역에서의홍수에의한침수구역을소}

구역별로분할하여모의하고구역별배수구역을 결정하는연 구를 수행한바있다. 홍준범등(2006)은 XP-SWMM 모형을 이용해굴포천확장에따른홍수소통능력을 분석하였으며, 이

창희(2005)^는 GIS^{를 기반으로한도시지역의 침수해석에서내}

배수시스템과지하공간의침수해석을연계하여실시한바있다.

이창희등(2006)은배수시스템에서의과부하로인한도시지역

에서의침수심을계산하기위해서우수배수시스템모형과 2차

***정회원·공주대학교건설환경공학부교수 (E-mail : [email protected])

****한밭대학교토목·환경·도시공학부도시공학전공교수

원지표류 모형을연계한 새로운모형을개발하였다.

본연구에서는도시지역에서 배수시설의부족과 외수위상 승에 의한 내수배제 불량으로 발생되는 홍수피해에 대하여 시간별침수위, 침수범위등을모의하며, 또한 도시지역의특 성상 토지이용의대부분을 차지하고 있는 건물의 영향을 고 려한침수해석을수행하고자한다.

2. XP-SWMM 기본이론

XP-SWMM은 미국 EPA SWMM의 유출해석을 사용자가

쉽게모형을구축하고수행할수있도록시각적인기능을제 공하기 위하여 윈도우화한 것으로 기본적인해석 방법이나

구조는 SWMM과동일하다.

SWMM은호우에의한 유출유량과수질을예측하기위해

강우주상도, 기상학적 입력자료, 소유역이나 관로와 같은 시 스템의 특성을 고려하여 실제의 호우사상을 모의한다. XP-

SWMM 모형은기존의 TRANSPORT BLOCK을 확장, 보완

하기위해수공구조물의월류, 배수, 압력류등의계산이가능

하도록설계된 EXTRAN BLOCK을포함시켜보완시켰다.

본연구에서는 RUNOFF ^{블록을 이용하여각 소유역의강}

우-유출을 해석하고, EXTRAN 블록을 이용하여 배수시스템

에서의흐름 및월류되는 유량을산정하였다.

RUNOFF블록에서의 소유역에 대한 연속방정식은 다음과

같이나타낼 수있다.

(1)

여기서,

V

:^{물의 체적}(m³),

t

:^시간(sec),

A

s:^{수표면 면적} (m²),

i

:초과강우량(mm/hr),

Q

O:유출량(m³/sec)이다.

지표면유출은 유역면적을 광폭으로 보아 수리반경이 수심

과같다는 가정아래 Manning^{방정식을사용하여계산한다}.

(2)

식 (2)^에서,

W

^{는 유역의 폭}(m),

n

^는 Manning^{의 조도계수},

d

는 지면저류깊이(m),

S

는 소유역경사(m/m)이다

각 시간 간격에서의 유출량은 Manning 식을 이용하여 계

산되며, EXTRAN블록에서배수시스템에서의 절점과 연결관

로에서의입력자료로사용된다.

EXTRAN 블록은 개수로와관망에대해유량추적을수리학

적으로수행하는 모형이다. 연결관로에서우수관로의흐름문 제를 해석하기 위한 기본미분방정식은 점변부정류인 천수방 정식으로부터 운동량방정식과 연속방정식을 연계한 다음 식

(3)을이용한다.

(3)

여기서,

A

는 단면적,

Q

는 관로유량,

V

는 관로유속,

x

는 관로

/수로 방향의거리,

t

는 시간,

g

는 중력가속도,

H

는관로수위

(

z

+

h

),

S

f는 마찰(^에너지)^경사이다.

3. 대상유역 및 수문자료처리

3.1 대상유역

연구의 대상유역은국내의 유역중 수문자료의계측기간이 오래되었고, 관리가 비교적양호한 유역인 국제수문개발계획

(IHP)의 대표유역인 보청천 유역을 연구 대상유역으로 선정

하였다. ^{보청천 유역은 금강수계의 동부에 위치하고 있으며}

유역면적은 476.68

km

², 하천연장 49

km

의 중소유역이며 과 거 침수기록이있는지역이다. 그림 1은 과거 침수실적이있 는 보은 시가지를나타내고있다.

3.2 유역도 구축

본 연구에서는 침수구역 해석결과를 가시적으로 명확하게 표현하기 위하여 3차원 유역도를구축하였다. 우선대상유역 의 수치지도로부터 표고값 속성을가지고 있는 등고선(7111,

7112)과 표고점(7113) 레이어로부터높이값을추출하여 불규

칙 삼각망(TIN: Triangulate Irregular Network)을 생성하였 으며, ^{이때 유역의 형태를 결정지을 수 있는 도로망과 하천}

망 레이어는 각각 Hard Break line과 Soft Break Line으로 활용하여 표고값으로만 TIN을 만들었을때 생길 수 있는 실 지형을 제대로반영하지못하는 점을보완하였다.

생성된 불규칙 삼각망(TIN)으로부터 격자 형태의 Grid 자

료인 DEM (Digital Elevation Model)으로 변환시켜 수학적 계산을 가능케하였다. 3차원입체화시킨 유역에건물의 속 성값을입력하기위해서는대상지역의 수치지도레이어중건

물레이어(4112)^{에서 추출한 폴리선 형식의 건물속성값을}

Arcview를 이용하여폴리건으로변환하였다. 그림 2는 3차원 유역도에 입력된 2차원 속성치를 나타낸 것이며, 이를

Arcview의 3D Screen 툴을 이용하여 입체적으로 표현하면

그림 3^{과 같다}.

3.3 모형의 검보정

XP-SWMM모형의 가장 기초적 자료인하수관망도를 구축

dV dt

--- = Adh --- dt = A

_s

i Q –

_O

Q W = .1 _n ---

(

d

_u

– d

)^5/3

S

^1/2

∂

Q

∂

t

--- gAS

_f

2 V

^∂

A

∂

t ---

⎝ ⎠⎛ ⎞

– V

^{2 ∂}

A

∂

x ---

⎝ ⎠⎛ ⎞

– gA

^∂

H

∂

x --- +

+ = 0

그림 1. 대상유역

하기위하여 하수관망도가입력되어있는 1 : 1,000 수치지도 로부터 DXF파일형태의하수관망도를추출하여 XP-SWMM

모형의 입력자료로 활용하였다. ^{보은읍의하수관망도는 그림} 4와 같으며, 각구역별현황은표 1과같으며, 각소배수구역

을대표하는멘홀을편의상 N1~N4, N9~N12로표기하였다.

XP-SWMM모형의 보정은 대상유역의 최종 배출구 지점

(N4)^{에유량계를설치하여 유출량을실측하였다}. ^{보은읍하수}

관망의 최하단 방류구(N4) 지점에서 실측된 2005년 6월 10

일, 2005년 7월 28일 강우사상의 유출량을 이용하여 XP-

SWMM 모형의보정과검정을 수행하였다.

그림 5는 보정사상인 2005년 6월 10일 강우사상에 대한 대상지역인 보은읍의 최종방류구 지점(N4)의 유출모의 수문 곡선이며, 그림 6은 검증사상인 2005년 7월 28일 강우사상 에 대한 유출수문곡선으로서 모의치가 실측치와 비교적 잘 일치하는 것으로나타났다.

표 2는 보정사상인 2005년 6월 10일 사상을 이용하여

XP-SWMM모형의 주요매개변수에 대한 보정결과를 나타낸

그림 2. 2차원 유역도

그림 3. 3차원 유역도

그림 4. 하수관망도

표 1. 배수구역별 특성인자

배수구역 면적

(m

²

)

관로길이

(m)

A1 87,772.88 411.41

A2 66,270.98 296.33

A3 16,933.82 178.78

A4 79,308.31 361.87

A5 29,662.57 261.84

A6 46,284.62 290.78

A7 20,682.71 283.14

A8 19,906.08 344.60

A9 58,220.53 188.34

Sum 425,042.55 2,617.09

그림 6. 유출모의결과(2005.7.28) 그림 5. 유출모의 결과(2005.6.10)

것이다.

표 3은 검증사상인 2005년 7월 28일 강우사상에 대한 모 의치와실측치와의 상대오차를분석한 것으로써, ^{첨두유량과}

첨두유량도달시간은 각각 7.14%와 4.15%의 상대오차로 분 석되었으며, 총유출량의 경우 10.5%의 상대오차로분석결과 에서알 수 있듯이양호한 모의결과를 얻을수 있었다.

4. 침수해석

4.1 과거 침수해석결과

본연구의대상유역인보은읍의 1998^년 8^월 10^{일강우사상}

에의한침수구역을모의하기위하여검·보정된 XP-SWMM

모형의모의결과를이용하여강우-유출모의를실시하였다. 그 림 7은 1998년 8월 10일 강우사상에 의한 최종 방류구(N4

지점)의 유출모의결과를나타내고 있다.

유역의 최하단 방류구에서 보청천 본류로 자유방류식으로

방류되나보청천홍수위가방류구관저고 147.78 m를 넘게되

면 역류를차단할 수 있는 장치가 없어 역류가발생하게 되 는 실정이다. 따라서 대상유역내 침수를야기시키는침수량 은외수위의변동에따라그 양이변화하게되므로최종방류 구(N4지점)가 위치한지점에서적용 호우사상인 1998년 8월

10^{일의 외수위 변화를} HEC-RAS^{모형을 이용한부정류 해석}

을 통하여 외수위 변화를 모의하고, 외수위 변화와 내수 침 수량과의관계를모의하였다. 그림 8은유역의최종방류구지 점의 부정류해석을 모의한수문곡선을나타내고있다.

그림 9는외수위변동의외부 경계조건과유역내내수배제 상황을 모형내에서 모의한 하수관거의동적 변화 양상을 나 타내고 있다.

표 4는 외수위 변화에 따른 1998년 8월 10일 사상의 6시 간 간격별침수현황이다. 그림 10에 침수구역변화양상을나 타내었고, 가장 침수가 많이 일어난 시간은 8월 12일 08시 경인 것으로나타났는데, 그 결과를살펴보면 단순히침수깊 이와 침수면적이비례하는 것이 아닌 유역내 내수배제와 외 수위 변화에따라 침수구역이나타나고있음을 알수있다.

가장 많은 침수피해가 발생한 것으로 모의된 1998년 8월

12일 08시경 의 침수구역과그림 11에 나타낸국가수자원관 리종합시스템(www.wamis.go.kr)의 침수실적도와비교한결과 침수실적도상의 침수면적은 21.41ha인 반면에모의된침수면 적은 23.45ha로서 9.5%가량 과다하게 모의되었다. 침수실적 도와 모의된침수구역의분포를살펴보면그양상이매우 상 이한데이는 침수실적도의제작과정이 침수피해가발생한 후 에 현장조사및 탐문을 통하여 침수구역을획일적으로 작성 하였기 때문인것으로 판단된다.

4.2 건물의 영향을 고려한 침수구역 산정

대상유역내의 건물의영향에의한 침수구역의 변화는건물

이 차지하는 면적에 의해 달라진다. XP-SWMM모형의

DTM(Digital Terrain Model)^{을 구축하고 건물을 비활성영역}

으로선정함으로써 건물의영향에대하여분석할수있었다.

실제의 경우건물 내부로도물이 침수될수 있으나, 본 연 표 2. XP-SWMM모형의 주요매개변수 보정결과

매개변수 설명 초기값 보정후의값

x1 Manning roughness of pervious area 0.015 0.013

x2 Depression storage of pervious area 4.5 mm 2.0 mm

x3 Ultimate infiltration rate(Horton`s) 1.27 mm/hr 2.85 mm/hr

x4 Infiltration decay rate(Horton`s) 0.00083/sec 0.0005/sec

x5 Sub-catchment width 85.4~104.2 m 64.9~123.2 m

x6 Percent impervious area 20~72.5% 16.5~79.1%

x7 Sub-catchment slope 0.0035~0.023 0.0035~0.023

그림 7. 유역출구점(N4)에서의 유출모의 결과(1998.8.10) 표 3. 유출모의 분석결과

구분 관측치 모의치 상대오차

(%)

첨두유량

0.042 m

³

/sec 0.039 m

³

/sec 7.14

첨두유량도달시간

240 min 230 min 4.15

총유출량

231.3 m

³

255.6 m

³

10.5

그림 8. 최종방류구 지점의 수문곡선

구에서는건물내부로침수되는것은없다고 가정하고건물영 향에의한침수구역을산정한결과를표 5^에 6^{시간간격으로}

나누어 건물에 의한 침수구역에 대한 영향을 나타내었으며,

최대 침수구역이 나타난 1998년 8월 12일 08시경에 대하여 건물의영향을고려한경우에대한침수구역을그림 12에 나 타냈다. ^표 5^{에서 알 수 있듯이 건물의 영향을 고려하지 않}

았을경우의 침수면적은 23.45ha이고, 건물의 영향을고려하

였을 경우의 침수면적은 25.34ha로서 건물의 영향을 고려하 였을 때 침수면적이 8.05% ^{증가하는것으로 나타났다}.

여기서, 건물이차지하는 면적은 5.34ha이나 건물이 차지

하는 면적이전부침수면적에영향을주는 것이아니라각각 의 시간에 따른 침수면적과침수체적과의 관계에 따라 미치 는 영향이 다르며, ^{건물이침수면적에미치는 영향은건물이}

차지하는 면적보다작은것으로 나타났다.

그림 9. 침수 면적 계산을 위한 동적 관거 변화양상 표 4. 외수위 변화에 따른 침수구역 산정

시간 침수면적

(ha)

침수총량

(

㎥

)

평균침수표고

(m)

침수깊이

(m)

1998. 8.11 08:00 2.70 41,010.02 150.86 1.52

1998. 8.11 14:00 15.45 230,144.32 152.10 1.49

1998. 8.11 20:00 3.61 63,055.96 151.07 1.75

1998. 8.12 02:00 6.52 113,258.33 151.45 1.74

1998. 8.12 08:00 23.45 375,240.88 151.98 1.60

1998. 8.12 14:00 19.29 271,396.34 151.81 1.41

1998. 8.12 20:00 10.59 165,959.01 151.77 1.57

1998. 8.13 02:00 8.29 124,675.04 151.46 1.49

그림 10. 주요 시간대별 침수구역 산정결과 (Continued...)

그림 10. 주요 시간대별 침수구역 산정결과

그림 11. 과거침수실적도 (좌)와 모의된 침수실적도의 비교

표 5. 건물의 영향을 고려한 침수구역 산정결과

시간 건물면적

(ha)

^침수면적

(ha)

비고 건물미고려 건물고려

1998. 8.11 08:00 0.29 2.70 2.84

↑

5.39%

1998. 8.11 14:00 3.17 15.45 16.20

^↑

4.88%

1998. 8.11 20:00 0.41 3.61 3.82

^↑

5.82%

1998. 8.12 02:00 0.89 6.52 6.97

↑

6.79%

1998. 8.12 08:00 5.34 23.45 25.34

↑

8.05%

1998. 8.12 14:00 4.14 19.29 20.62

^↑

6.91%

1998. 8.12 20:00 1.73 10.59 11.09

^↑

4.73%

1998. 8.13 02:00 0.22 8.29 8.39

↑

1.20%

그림 12. 건물의 영향을 고려한 침수구역 산정결과

5. 결 론

본연구에서는도시지역에서 발생한홍수피해의 원인이배 수시설의 부족과 외수위 상승에 의한 내수배제의 원인으로 발생되는 시간별 침수위, 침수범위 등을 모의하였으며, 도시 지역의 토지이용의많은 부분을 차지하고 있는 건물의 영향 을고려한 침수해석을수행하여얻은 결과는다음과같다.

(1) 첨두유량과첨두유량도달시간은각각 7.14%와 4.15%

의 상대오차로 분석되었으며, ^{총유출량의 경우} 10.5%

의 상대오차로 분석결과에서 알 수 있듯이 양호한 모 의 결과를얻을 수있었다.

(2) 1998년의호우사상에대하여주요시간대별침수구역을

산정한 결과 1998년 8월 12일 08시경에 최대 침수 구역이나타나는것으로분석되었으며, 실측된침수실

적도의 면적이 21.41ha인 반면에 산정된 침수구역의

면적은 23.45ha로서 9.5%가량 과다하게모의되었다. (3) 건물의 영향을 고려하지 않았을 경우의 침수면적은

23.45ha이고, 건물의영향을 고려하였을경우의침수면

적은 25.34ha로서 건물의 영향을고려하였을때침수면

적이 8.05% ^{증가하는 것으로 나타났다}. ^{또한 건물이}

침수면적에 미치는 영향은 건물이 차지하는 면적보다 작은것으로 나타났다.

감사의 글

본 논문은 2007년 해외 연구년 파견에 의해 이루어진 것

으로 대학당국에감사드립니다.

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◎논문접수일

: 08

년

06

월

06

일

◎심사의뢰일

: 08

^년

06

^월

16

^일

◎심사완료일

: 08

년

09

월

23

일