1세부 : 내외수 연계 홍수위험 및 침수예측 선진화 기술 개발

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Special Issue

1. 들어가기 앞서

내외수 연계 도시 침수저감 능력향상 기술 연구단 (이하 내외수 연구단)은 도시홍수로 인한 인명 및 재

산피해를 최소화하고 내외수 연계 도시 침수저감 능 력향상 기술 연구를 통하여 도시 내배수 시스템 선 진화를 이루어 홍수재해로부터 안전한 도시 구축을 달성하는데 있다. 여기서, 도시 내배수 시스템 선진 화 기술은 도시홍수에 대비하여 하천과 도시 배수시 설을 연계한 통합 침수방지 시스템 구축을 통한 내 수배제 성능을 향상시키는 기술을 의미하며, 홍수재 해로부터 안전한 도시의 구축은 신규 우수관거 설치 나 저류시설 등의 확충을 통한 침수 저감이 아닌, 기 존 우수관거와 배수 및 저류시스템 활용하고 하천과 연계하여 도시홍수의 예산 절감 및 피해 감소하는 것이 주된 목적이 있다.

이에 그림1과 같이 내외수 연구단은 내외수 연계 도시침수저감 능력향상 기술 연구의 실무적용으로 2020년 이후 10년간 피해액 0.5조원 절감(연간 홍 수피해액 및 복구액 2.5조원의 20% 절감)을 최종목 표로 두고 있다.

또한, 2020년 이후에 10년을 3단계별로 구 분하여, 1단계(3년, 2020~2022년)는 피해액 및 복구액의 1.2조(매년 0.4조) 절감, 2단계(3 년, 2023~2025년)는 피해액 및 복구액의 1.5조 (매년 0.5조) 절감, 3단계(4년, 2026~2030년) 는 피해액 및 복구액의 2.3조(매년 0.6조) 절감 으로 구체적인 목표를 설정하였다. 목표의 달성 을 위해 과제추진 전략을 3단계로 설정하였으 며, 1단계(1차년도, 2013.06.15.~2014.06.14.,

1세부 : 내외수 연계 홍수위험 및

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침수예측 선진화 기술 개발

문 영 일 ●●●

(연구단 주관기관, 1세부 주관기관, 1-4세부) 서울시립대학교 토목공학과 교수/도시홍수연 구소 소장

[email protected]

권 현 한 ●●●

(1-1세부)

전북대학교 토목공학과 교수 [email protected]

윤 선 권 ●●●

(1-2세부)

APEC 기후센터 선임연구원 [email protected]

전 경 수 ●●●

(1-3세부)

성균관대학교 수자원전문대학원 교수/원장 [email protected]

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1세부 : 내외수 연계 홍수위험 및 침수예측 선진화 기술 개발 Special Issue

12개월)에는 기반기술 개발, 2단계(2~3차년 도, 2014.06.15.~2016.06.14., 24개월)는 핵심 요소 기술개발 및 성과점검, 3단계(4~5차년도, 2016.06.15.~2018.06.14., 24개월)는 실증연구 및 실용화 기술개발로 현재 2단계 2차년 연구가 진행 중에 있다.

내외수 연구단에서는 1, 2, 3세부로 크게 구분할 수 있으며, 1세부에서는 “내외수 연계 홍수위험 침 수예측 선진화 기술개발”, 2세부에서는 “내배수시설 성능개선 및 설계 선진화 기술개발”, 3세부에서는

“내배수 시스템 최적 운영기법 개발”을 세부별 목표 로 설정하여 진행하고 있으며, 전체적인 연구의 흐 름은 그림 2와 같다.

위에서는 내외수 연구단의 전체적인 연구목표와 흐름에 대한 간략한 내용설명을 소개하였다. 본 글 에서는 1세부의 “내외수 연계 홍수위험 및 침수예측 선진화 기술개발”에 관한 연구내용을 중심으로 기술 하고자 한다.

2. 연구소개

매년 반복되고 있는 도시유역의 침수피해로 인한 우리나라 피해액은 2000년 이후 연평균 2조원을 넘 어서고 있으며, 집중호우·이상기후 등으로 인해 피 해액은 점차 증가할 것으로 예상된다. 특히 서울시 는 최근에 발생한 도시홍수의 내수침수 저감을 위하 여 연간 5,000억 원씩 10년간 투자할 것으로 발표하 였으며, 소방방재청은 도시방재성능 목표강우량을 지자체별로 공시하는 등 내수침수로 인한 피해 저감 을 위한 지속적인 투자가 계속되고 있다. 이 대부분 의 투자는 빗물펌프장 및 저류조 설치, 우수관망 확 충 등과 같은 구조적인 방안이다. 또한, 대규모 하천 의 경우, 홍수 예·경보를 실시하고 있으나, 중소규 모의 하천 또는 내수침수 등에 대한 도시홍수 예·

경보는 현재 미비하며, 홍수기에 각각의 내배수 시 설물을 따로 운영을 하고 있으며, 내배수 수공구조 물의 연계 운영과 도시홍수의 홍수 예·경보에 대한 그림 1. 내외수 연구단 비전

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Special Issue | 내외수 연계 도시 침수저감 능력향상 기술 연구

시스템은 전무한 실정이다. 이에 내외수 연구단 1세 부 연구진은 시나리오기반 내외수 연계 홍수위험 지 역 산정기술을 개발하여 내외수 연계한 홍수예측 및 침수관리 S/W와 매뉴얼을 제공하고 사용자 목적에 맞는 다양한 형태의 내외수 침수도 작성 및 내외수 연계 침수해석모형을 구축을 통한 도시홍수 방재 시 스템을 구축하고자 한다.

이를 위해 그림 3과 같이 1세부과제의 연구목표를

“내외수 연계한 침수예측 선진화 기술 개발”로 설정 하고 외수위 변화에 따른 도시하수관거 위험도 평가 시스템 개발, 초단기 및 단기 강우 예측 기반기술 개 발, 외수위 변화를 고려한 침수예측 기술개발, 내외 수 연계 침수예측 선진화 기술 개발에 대한 연구를 진행하고 있으며, 1세부의 구성은 그림 4와 같이 내 외수 연구단과 1세부과제의 주관기관, (1-4세부)는 서울시립대가 맡고 있으며, (1-1세부)전북대, (1-2 세부)APEC 기후센터, (1-3세부)성균관대, (1세부

위탁)웹솔루스로 총 33명의 연구진이 연구를 진행 하고 있다.

3. 연구 내용

1-1세부 전북대에서는 다양한 시간스케일에 대한 강우발생모형과 Bayesian 기반의 SWMM 모형을 연계하여 외수에 대한 도시하수관거의 위험도를 정 량적으로 평가한다. 또한 기상청 기후변화 시나리오 (RCP)를 반영하여 내·외수연계 홍수예측시스템의 입력 자료로써 활용할 계획이다. 1-2세부 APEC 기후센터에서는 강우레이더·다중위성을 이용한 초 단기 강수예측 및 정량화기술을 개발과 함께 단기 기상예측 모형을 통한 도시지역의 집중호우 및 태 풍 예측 시스템을 구축하여 초단기 및 단기 강우 예 측결과를 내·외수연계 홍수예측시스템의 입력 자 그림 2. 내외수 연구단 연구 모식도

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그림 3. 1세부 연구 구성

그림 4. 1세부 연구진 구성

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료로 활용할 것이다. 1-3세부에서는 합류부 배수위 영향을 고려한 홍수위험분석과 도시하천유역 중·

소규모 하천의 본류-지류하천을 연계한 침수예측 기술 개발로 홍수위험분석 예·경보시스템에 활용 할 것이다. 1-4세부에서는 도시하천의 내외수 연계 침수해석 모형구축으로 보다 신뢰성 있는 내수침수

위험지역기법과 함께 홍수위험 및 침수예측 기술을 시범지역에 적용하는 실용화 가능성을 확보하고자 하는 기술을 개발할 것이다. 1세부 위탁 웹솔루스에 서는 1세부 전체에 대한 내용에 대한 내·외수연계 홍수예측시스템 구축을 실시할 예정이다.

그림 5. 1세부과제 연구진 모습

그림 6. 1세부 연구내용 및 연구흐름도

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가. 1-1세부(전북대학교) : 외수위 변화에 따른 도시하수관거 위험도 평가 시스템 개발 1-1세부과제 전북대의 최종 연구성과는 SWMM

모형의 매개변수 불확실성 정량화 및 매개변수 자 동 추정기법을 개발하고, 외수위 변화에 따른 도시 하수관거 위험도 평가 모델 소프트웨어를 개발하는 것이다.

1단계 1차년도는 국내외 강우 모의발생 기법을 조 사 및 평가하기 위해 최근 10년간 강우모의기법을 조사했으며, 다중스케일 강우 모의발생 알고리즘을 개발하여 기상청 강수지점에 대한 모형의 적합성과 국내 주요 강수지점에 대한 모형의 적합성을 검증했 다. 현재 2단계 2차년도는 기상청 RCP 기후변화 시 나리오를 기반으로 한 도시유역 강우모의기법을 개 발하고, 도시강우-유출모형 불확실성 정량화 방안 과 Bayesian MCMC 모형 기반 SWMM 매개변수 추정·불확실성 정량화 기법을 개발하여 최종적으 로 Bayesian 모형과 연계한 SWMM 모형 개발을 수 행하고 있다.

나. 1-2세부(APEC 기후센터) : 초단기 및 단기 강우 예측 기반기술 개발

1-2세부과제 APCC(APEC Climate Center)에서 는 초단기/단기 강우예측기반기술과 핵심요소 기술 을 개발하여 도시유역 최적 강우예측 시스템을 구 축하는 과업을 수행 중에 있다. 도시유역 강우의 초

단기(1~2hr) 예측을 위하여 위성영상자료와 레이더 자료를 사용하고 있으며, 강우의 단기(1~2day) 예 측을 위하여 기후역학모형을 사용하고 있다. 최종 적으로 개발된 핵심요소 기술을 내외수 연계 실시간 홍수 예·경보 시스템에 탑재하여 강우예측 입력자 료로 활용하며, 시범유역에 적용하여 검증하고자 한 다. 최종 성과물은 초단기 및 단기 강우예측 프로그 램으로, 내·외수 연계 도시홍수 예·경보 시스템으 로 구축되어 정부 및 지자체, 관련기관의 실무에 활 용될 예정이다.

1단계 1차년도에는 레이더 전처리 및 CAPPI (Constant Altitude Plan Position Indicator) 산 정 프 로 그 램 을 구 축 하 였 으 며 , 천 리 안 위 성 (Communication, Ocean and Meteorological Satellite, COMS)과 TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission) 위성을 이용한 극치 강우 추 정 알고리즘을 개발하였다. 또한 단기강우 예측 시 스템으로 사용할 기후역학 모형인 GRIMs(Global Regional Integrated Model System)와 WRF (Weather Research and Forecasting) 모형을 연 그림 7. 1-1세부 연구 흐름도

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계하여 한반도 유역의 집중호우 적용성 평가를 수 행하였다. 2단계 2차년도에는 레이더 자료와 위성 영상자료를 이용하여 강우의 최적 이동양상 분석 (Quantitative Precipitation Forecasting, QPF) 을 실시하고, 다중관측센서(Multi-sensor)기반 통 계적 후처리(Statistical Blending)를 실시하여 관측 자료와 비교·검증할 예정이며, 이를 초단기 강우예 측 프로그램 개발에 활용할 예정이다. 또한 기후역 학 모형을 이용한 단기 강우예측 검증과 민감도 분 석을 수행할 계획이다.

다. 1-3세부(성균관대학교) : 외수위 변화를 고 려한 침수예측 기술개발

1-3세부과제 성균관대에서는 유출유량 변화에 따 른 하천 수위 변화 분석기술을 개발하여 본류와 지류 하천을 연계한 홍수예보시스템을 구축하고, 내수침수 위험지도 시범 제작하는 것이다. 최종 연구 성과는 구 조물/비구조물 치수계획 수립을 위한 정보를 제공하 고, 구축된 내수침수 위험지도 기반의 통합홍수관리 를 통하여 향후 홍수피해를 경감시키는 것이다.

그림 8. 1-2세부 연구 흐름도

그림 9. 1-3세부 연구 흐름도

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1단계 1차년도에는 도심 중소하천에 대한 유량변 화예측모형을 구축하였으며, 유량변화예측모형의 매개변수 산정 기술과 본류수위/지류하천 유량에 따 른 수위 산정 기술을 개발했다. 현재 2단계 2차년 도에는 폐합형 배수체계에 대한 수리학적 계산모형 을 수립과 함께 기존 선진국 모형과 비교 및 검증계 획을 수행하고 있으며, 이는 3차년도의 내외수 연계 침수예측 모형에 기반이 될 것이다.

라. 1-4세부(서울시립대학교) : 내외수 연계 침 수예측 선진화 기술 개발

1-4세부과제 서울시립대에서는 내외수 연계 침수 예측 시험유역을 선정 및 모니터링 기술개발에 따른 내외수 연계 홍수시스템을 구축하고 침수예측 실용 화 기술 개발을 하는 것이다. 최종 연구 성과는 XP- SWMM등 고가 외산소프트웨어의 수입을 대체할 수 그림 10. 1-4세부 연구 흐름도

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있는 프로그램을 구축하고, 설계수문량 산정 고도화 를 통한 내배수시설 홍수 방어 능력과 국가 내외수 침수방지에 따른 내수배제 설계 능력의 향상이다.

1단계 1차년도에는 내외수 연계 침수예측 기술 적 용을 위한 시범 유역을 조사했다. 그리고 전 지구 온 도지표변화에 따른 한반도 강우 변동 특성과 주요도 시에 대한 강우특성과 주요도시에 대한 강우 특성을 분석했으며, 유역 맞춤형 최적 강우 시간 분포 개발 하고 내외수 연계 시스템 모듈을 설계했다. 현재 2 단계 2차년도(2014.06.15.~) 부터는 1세부 위탁 웹 솔루스가 과제에 참여하여 1세부과제의 연구내용에 대한 시범유역 통합DB 및 시나리오기반 내외수 연 계 침수 예측 기술과 내외수 침수연계모듈 개발에 따른 홍수 예보 시스템의 핵심요소 기술 개발을 수 행하고 있다.

4. 맺음말

1세부의 최종 산출물인 내외수 연계 침수해석모형 이며, 최종적으로 내외수 연구단 전체의 산출물은 1 세부의 최종 산출물과 2세부와 3세부의 연구내용이 모두 녹아들어 있는 “내외수 연계 통합 홍수예경보 시스템 개발”에 있다. 2단계(2, 3차년)에서는 각 세 부별로 핵심요소 기술을 개발하고 3단계(4, 5차년)

실증연구 및 실용화 단계에서는 1세부 산출물인 내 외수 연계 침수해석모형과 2세부의 내배수 시설 성 능평가, 3세부의 내외수 연계 내배수시설 최적운영 시스템의 연계를 실시하고 고도화 및 현장 기술 검 증을 통해 최종적으로 내외수 연계 통합 홍수 예·

경보 시스템을 도출하게 된다. 이는 내외수 연계 통 합 홍수예경보 시스템의 실무적용으로, 2020년 이 후 10년간 피해액 0.5조원 절감(연간 홍수피해액 및 복구액 2.5조원의 20% 절감)을 달성을 통한 경제적 효과와 반복적인 재해로부터 국민의 생명과 재산을 보호할 수 있는 “안전 한국”을 실현하고자 사회적 효과를 이루는 성공적인 연구가 되도록 진행해 나아 갈 것이다. 이를 위해 노력하는 연구단의 모든 연구 원들에게 아낌없는 성원과 격려를 부탁드리며, 보 다 자세한 연구단 설명은 도시홍수연구소 웹사이트 http://flood.uos.ac.kr/의 연구활동 - 내외수 연 구단에서 확인할 수 있습니다.

감사의 글

본 연구는 국토교통부 물관리연구사업의 연구비 지원(13AWMP-B066744-01)에 의해 수행되었습 니다.