1. 머리말
최근 전 세계적으로 지구온난화와 기후변화로 인 한 강우패턴의 변화로 강우가 발생하는 빈도가 잦아 지고 피해규모가 점점 더 커지고 있다. 특히, 우리 나라에서는 여름철 집중 호우 및 국지성 호우에 의 해 매년 인명피해와 재산피해가 급증하고 있다. 또 한, 급격한 도시화는 도시유역에서 홍수피해를 가중 시키는 중요한 요인이 되고 있으며, 우리나라의 경
우 과거에는 주로 농경지 중심으로 피해가 발생하였 으나, 최근 홍수피해 잠재능이 높은 도시지역에서 내수 침수 및 하천변 저지대를 중심으로 홍수피해가 급격하게 증가하는 추세로 변화하였다. 이를 대비하 기 위해 도시지역에서의 홍수피해를 저감시키기 위 한 노력으로 홍수방재 시설규모의 계획기준을 상향 조정하는 등의 적극적인 치수대책이 적극적으로 이 루어지고 있다. 기존의 치수대책은 내수침수 방어를 위해 내배수시설 증설, 제방축제 등 구조적 대책이 이루어지고 있다. 집중호우 및 극한호우와 같이 설 계빈도를 초과한 강우사상으로 인해 도시지역의 피 해를 야기할 수 있어 구조적인 대책으로는 한계가 있다. 또한, 구조적 치수대책만으로 홍수피해를 획 기적으로 저감시키는 것은 엄청난 비용 및 시간소모 등 현실적인 어려움이 있다.
따라서 현실적으로 실행이 가능한 구조적 대책과 는 별도로 기능성 및 경제성을 고려하여 기존 홍수 방재시설물의 방재성능을 향상시킬 수 있는 비구조 적 대책이 함께 수립되는 것이 매우 중요하다. 이러 한 비구조적인 대책 중 내외수 연계 내배수시스템 최적운영 기술을 개발하기 위해 본 과업을 수행하였 다. 과거에는 집중호우, 불투수면적, 홍수유출이 적 고 자연제방, 홍수터, 지표수 침투 등으로 치수방재 대책이 수립되었으나, 치수시설은 부족한 실정이었 다. 현재 기후변화로 인해 강우패턴이 변화하여 집 중호우의 횟수가 증가, 도시화에 따라 불투수면적
Issue
내외수 연계 내배수시스템 최적운영 기술
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김 중 훈
고려대학교 건축사회환경공학부 교수 [email protected]
이 정 호
한밭대학교 건설환경공학과 부교수 [email protected]
조 덕 준
동서대학교 건축토목공학부 부교수 [email protected]
이 증가에 따라 홍수유출이 증가하는 추세이다. 치 수방재대책은 내수배제와 외수방어를 목적으로 세 워졌고 내수배제를 목적으로 빗물펌프장 설치 및 관 거 정비를 실시하였다. 또한, 외수방어를 목적으로 제방축제 및 하도개선 등의 구조적 대책이 수립되었 다. 내수배제를 목적으로 한 치수시설의 포화로 새 로운 침수저감을 위한 방안이 필요로 하고, 이에 대 한 대안으로 비구조적 대책의 일환인 내배수시설물 을 포함한 수리구조물들의 연계운영을 위한 최적운 영방법을 개발하였다.
본 과업의 최종 연구목적은 ‘내외수 연계 내배수 시설 최적운영 기술’ 이며, 그림 1은 각 세세부별 연 구의 구성 및 모식도를 나타내었다.
2. 연구 소개
본 과업의 최종목표인 내외수 연계 내배수시스템 최적운영 기술은 외수위의 변화를 고려한 내배수시 설 (빗물펌프장, 우수관거, 유수지 등) 내수배제 및 침수 저감을 위한 시설의 효과적인 운영을 통해 내 수침수 위험을 최소화하는 기술을 의미한다. 내외 수연구단 3세부는 3-1세세부, 3-2세세부, 3-3세 세부 3개의 세세부로 구분되어 있으며, 3-1세세부
에서는 ‘내외수를 고려한 지구단위 내배수시설 운영 기술 개발’의 주제로 연구를 수행하였고, 3-2세세 부에서는 ‘내외수 연계운영 시나리오에 따른 불확 실성 분석기술 개발’의 주제로 1~3차년도까지 연구 를 수행하였으나, 4차년도부터 3-3세세부로 이관 하여 남은 연구를 수행하였다. 마지막으로 3-3세세 부에서는 ‘내외수 연계 내배수시설 최적운영시스템 개발’을 세세부별 목표로 설정하여 연구를 수행하였 다. 3세부 연구진은 3세부과제의 연구목표롤 “내외 수 연계 내배수시스템 최적운영 기술 개발”로 설정 하여 연구를 수행하였다. 3세부 연구진의 구성은 그 림 2와 같으며, 3세부과제의 주관기관 (3-3세세부) 은 고려대학교가 맡고 있다. 공동연구기관 (3-1세 세부, 3-2세세부)은 각각 한밭대학교와 선문대학교 에서 연구를 수행하였다. 선문대학교 (3-2세세부) 에서는 연구단에서 세세부 축소조정의 이유로 3차 년도까지 연구를 수행하였고, 이후 4차년도부터 5 차년도까지 주관기관 (3-3세세부, 고려대학교)에 소속되어 남은 기간에 대한 연구를 수행하였다. 위 탁연구기관으로는 동서대학교에서 참여하여 연구를 수행하였다. 그리고 3세부에서는 전문가들을 포함 하여 약 30여명의 연구진이 본 과업을 수행하였다.
3-1세세부 (한밭대학교)에서는 제내지에서의 방 류량이 외수위 수위변화와 밀접한 연관이 있으며, 반
그림 1. 3세부 연구의 구성
대로 외수위 수위가 내수의 배출가능 여부에 직접적 인 영향을 미치기 때문에 효율적인 내수침수 방어를 목표로 하여 연구를 수행하고 있다. 3-2세세부 (선 문대학교)에서는 불확실성을 고려하여 내배수시설 의 각 개별요소에서 불확실성의 발생원인 및 정량적 인 정도를 운영상황에 반영할 수 있는 방안을 제시하 였다. 3-3세세부 (고려대학교)에서는 지자체 단위로 관리하고 있는 내배수시설을 도시하천 단위로 관리 하기 위한 내외수 연계 내배수시설 최적운영 시스템 개발을 목표로 비구조적 대책의 일환인 내배수시설 물을 포함한 수리구조물들의 연계운영 방법을 개발 하여 내수침수 저감을 위해 연구를 수행하였다.
본 과업에서의 최종 연구목표는 ‘내외수 연계 내 배수시설 최적운영 기술 개발‘이며, 각 세세부의 요 소기술을 포함된 내배수시설 최적운영 시스템 (FDC 프로그램)을 개발하는데 그 목적이 있다. 그림 3에 는 3세부 연구내용 및 연구 흐름에 대한 내용을 제 시하고 있다.
3. 연구 내용
(1) 내외수를 고려한 지구단위 내배수시설 운영 기술 개발
본 연구의 최종목표인 내외수를 고려한 지구단위 (배수구역단위) 내배수시설 연계운영 기술의 대표 핵심기술은, 3-3세세부의 ‘내외수 연계 내배수시설 최적운영시스템 개발’에 연계하여 구축하였다. 시스 템 구축을 위해 내외수 실시간 변동성 예측을 통한 지구단위 (배수구역단위) 실시간 연계운영 모듈을 구성하고 개발 모듈의 시스템 구성 및 시범유역 모 의 운영을 실시하였다. 상·하류 펌프장간 연계운영 을 위하여 상류 펌프장 토출이 하류 펌프장 수위 변 화에 민감한 영향을 미치는 구간 내 (지구단위[배수 구역단위])에서 외수의 변화 예측과 하나의 펌프장 유역에서의 모니터링에 기반한 유수지 유입량 예측 을 고려하였다. 이러한 결과는 각각 관측 외수위 및 내수위 기반 분석기술로 활용되며 빗물펌프장 펌프
그림 2. 3세부 연구진 구성
운영 기반 기술에 해당한다.
관측 외수위 기반 분석기술은 도시 하천에서의 외 수위 변화에 따른 상·하류의 관측수위 기반 수위변 동 예측 기술 및 본류수위에서의 영향 분석에 따른 적정 조기가동기준을 제시하였다. 이를 토대로 빗물 펌프장 운영에서의 조기 가동에 따른 운영 기법 및 알고리즘을 실제 구성함으로서 내배수시설의 동적 운영 기술에 기초자료로의 활용이 가능하다. 관측 내수위 기반 분석기술은 우수관망 모니터링 기법 및
내수 예측 기법을 포함하여 개발되었다. 빗물펌프장 유수지의 유입량을 단기간 내 예측하기 위해 엔트로 피 기법을 이용하고 우수관망 상류 지점에서의 적 정 모니터링 지점을 선정하였다. 또한, 개발된 기술 은 상류 관측 유량에 따른 하류 유수지 유입량의 단 기간 예측이 가능하다. 또한, 그림 4는 앞서 개발된 3-1세세부의 핵심기술을 나타낸 것이다. 5차년도 최종성과물은 실제 펌프의 조기가동을 위한 운영방 안을 가이드라인으로 제시되었다.
그림 2. 3세부 연구내용 및 흐릅도
그림 2. 3세부 연구내용 및 흐릅도
3-3세세부의 최종목표인 내외수 연계 내배수시 설 최적운영시스템 개발을 위해 도시하천 중심의 통합관리시스템을 개발하였다. 개발된 프로그램인 Flood Drainage Control (FDC)에는 본 과업의 핵 심요소기술 중 하나인 빗물저류조 최적운영 기술, 빗물펌프장 최적운영 기술, 인근 빗물펌프장의 운 영현황 및 하천의 외수위 정보를 관리하고 공유하 는 기술이 포함되었다. FDC는 모니터링 지점 선정 을 위해 대상유역의 최초월류발생지점 검토 기술이 포함되어 있다. 최초월류발생지점의 검토를 위해 대
상유역에 적절한 Huff 분포의 분위 및 강우지속시 간을 선택하고, 강우총량을 증가시켜가며 모의를 수 행한다. 모의결과에서 침수가 처음 발행하였을 때의 지점을 모니터링 지점으로 선정하게 된다. 해당 모 니터링 지점은 빗물저류조의 최적운영을 위한 모니 터링 지점이 되며, 이를 통해 모니터링 지점의 수위 를 기반으로 한 빗물저류조의 배수펌프 가동 여부를 결정한다. 빗물저류조 최적운영 기법 (그림 5)은 연 속강우가 발생하였을 때, 추가 저류공간을 확보하여 도시지역에서의 침수위험을 줄일 수 있는 기술이다.
그림 5. 모니터링 지점 수위를 기반으로 하는 빗물저류조 최적운영 기법 (2) 내외수 연계 내배수시설 최적운영시스템 개발
그림 6은 외수범람을 고려하여 빗물펌프장의 최 적운영 기법에 대한 모식도를 나타낸 것이다. 그림 6 (가)는 도시하천의 수위가 상승하여 제방여유고 가 확보되지 않은 경우를 보여주고 있다. 이때 외수 범람을 고려한 빗물펌프장 최적운영을 적용하게 되 면 빗물펌프장 유수지의 저류능력을 최대한 활용하 여 제방여유고가 확보될 때까지 유수지에서 저류를 시작한다. 그림 6 (나)는 도시하천의 수위가 하강하 여 제방여유고가 확보된 경우에 빗물펌프장의 운영
을 재개한다. 즉, 방류하천의 수위가 낮아져 제방여 유고가 확보되었을 경우 빗물펌프장에서의 운영은 정상적으로 돌아가게 되며 펌프에 의한 방류를 재개 하게 된다. 그림 6 (다)는 빗물펌프장의 운영을 재개 하는 두 번째 조건을 보여준다. 빗물펌프장의 유수 지 수위가 High Water Level (H.W.L)에 도달하였 을 경우 도시하천에서의 제방여유고 확보에 상관없 이 다시 방류를 시작한다.
(가) 빗물펌프장 최적운영모식도 (유수지 저류)
(나) 빗물펌프장 최적운영모식도 (외수하강의 경우)
(다) 빗물펌프장 최적운영모식도 (외수상승의 경우) 그림 6. 외수범람을 고려한 빗물펌프장 최적운영 기법
FDC는 실제 빗물펌프장에 적용가능하고, 현장 실 무자들의 의견 및 개선사항을 반영하여 개발한 프로 그램이다. 내외수 연계 내배수시스템 최적운영 기술 은 강우량과 내수위를 입력자료로 하여 강우-유출 시뮬레이션을 기반으로 예측시간 후의 유입량을 계 산하여 예측내수위로 펌프운영 규칙을 결정한다. 특 히, 기상청에서 제공하는 강우자료를 연계하여 예측 강우를 입력자료로 활용함으로써 유입량 예측의 정 확성을 높이고, 사전 대응시간을 추가로 확보할 수
있다. FDC는 강우사상에 따른 유수지로의 유입량을 예측하고 내수위 및 외수위와 수문 작동에 따라 자 연 방류량을 예측함으로써 펌프의 조기 가동을 가능 하게 하는 기술이다. 추가적으로 지자체용 프로그램 을 개발하여 인근 빗물펌프장의 운영현황 및 하천의 외수위 정보를 관리하고 공유하며, 하천의 모니터 링 지점의 수위가 위험수위에 도달하면 해당 빗물펌 프장에서 긴급운영 모드를 운영하게 된다. 그림 7은 FDC의 흐름도를 나타내었다.
그림 7. Flood Drainage Control (FDC)의 흐름도
그림 8. Flood Drainage Control (FDC)의 UI 구성 (안)
그림 8은 개발 프로그램의 실시간 운영 중 모니터링 화면의 UI 구성 (안)을 나타내고 있다.
4. 맺음말
3세부에서는 총 3단계 (5차년도)를 걸쳐 내외수 연계 내배수시스템 최적운영 기술 개발의 핵심요소 기술을 개발하였다. 1단계 (1차년도)에서는 기존 내 배수시스템의 운영기법을 조사하고 내외수 연계 최 적운영 시스템의 콘텐츠를 구성하였다. 2단계 (2차 년도 및 3차년도) 과업은 내수침수 위험 저감량에 대한 정량화 기술, 외수위를 고려한 내배수시설 최 적운영 기술, 최적운영 기술 개선 및 보완과 개발된 최적운영 기술 적용에 따른 침수피해 저감 분석을 수행하였다. 3단계 (4차년도 및 5차년도)에서는 개 발된 핵심요소 기술을 활용하여 기존운영시스템과 연계 방안을 구축하고, Lab test를 통한 고도화를 수행하여 내외수 연계 최적운영시스템 및 운영매뉴 얼을 작성하였다. 현재 연구 결과는 현장적용 및 관 리운영을 위해 매뉴얼을 현장 실무자에게 전수하고 침수위험지역 내배수계획 수립에 활용, 사회적 및 기술적인 효과를 부각시킬 수 있다. 마지막으로 최 적운영시스템 및 운영가이드라인을 현장 실무자에 보급함으로써 체계적인 내배수 홍수방재 정책을 수
립할 수 있을 것이다.
도시침수 저감을 위한 홍수위험 저감 및 내외수 연계 최적운영 시스템 개발을 통한 국제사회에서의 관련 분야의 국가 위상향상, 체계적인 도시침수 저 감대책 마련으로 국민 불안 해소 및 삶의 질 향상, 재해에 강한 국토 기반 인프라 조성으로 국민에게 쾌적한 삶을 제공하는 등의 사회·경제적 효과가 기 대된다. 또한, 본 과업에서 개발된 Flood Drainage Control (FDC) 시스템을 침수위험지역에 보급하여 내수침수방지 및 위험 최소화, 동남아시아를 포함한 홍수피해가 빈번한 저개발 국가들의 시작확보, 고 가의 외산 소프트웨어의 수입대체 효과 등의 기술적 효과도 기대할 수 있다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부 물관리연구사업의 연구비 지원 (17AWMP-B066744-05)에 의해 수행되었습 니다.
