Water for Future
1. 들어가기 앞서
도시홍수로 인한 인명·재산피해 최소화 및 도 시 내배수 시스템 선진화를 통해 홍수재해로부터 안전한 도시구축을 목표로, 2013년 6월 국토교통 부 R&D과제 “내외수 연계 도시 침수저감 능력향 상 기술 연구(이하 내외수 연구단)”를 개시하였다.
여기서 도시 내배수 시스템 선진화는 도시홍수에 대비하여 하천과 도시 배수시설을 연계한 통합 침
수방지 시스템 구축을 통한 내수배제 성능을 향상 시키는 기술을 의미하며, 홍수재해로부터 안전한 도시구축은 배수시설 및 저류시설 등의 확충을 통 한 침수저감이 아닌 기존 배수 및 저류시설을 활 용하고 하천과 연계하여 도시홍수의 피해 감소하 는 것을 뜻한다.
내외수 연구단의 전반적인 소개와 연구내용에 대해 지난 2015년 1월호 수자원학회지 Special Issue에서 소개한 바 있으며, 내외수 연구단은 1 세부과제 “내외수 연계 홍수위험 및 침수예측 선 진화 기술개발”, 2세부과제 “내외수 연계 내배수 시설의 성능개선 및 설계 선진화 기술”, 3세부과 제 “내외수 연계 내배수 시스템 최적운영기술 개 발”로 구성된다. 내외수 연구단 과업은 총 3단계 5 차년으로, 1단계 1차년도는 기반기술개발, 2단계 2~3차년도는 핵심요소와 시스템개발, 3단계 4~5 차년도는 시범유역적용 및 시스템 검증과 실용화 를 목표로 진행하고 있다. 과업 2단계 종료시점에 서 시스템 개발은 1세부의 “내외수 연계 내수침수 예측 시스템”이며, 3단계 4차년도에서는 1세부의 산출물인 “내외수 연계 내수침수예측 시스템”과 2 세부의 “내외수 연계 내배수 시설의 성능개선 및 설계 선진화 기술”, 3세부의 “내외수 연계 내배수 시설 최적운영 시스템”이 하나의 시스템으로 연계 되어 그림 1과 같이 내외수 연구단 최종성과물인
“내외수 연계 통합 내수침수예보 시스템”을 개발
「내외수 연계 내수침수예측시스템」
기술 소개
김 민 석 ●●●
서울시립대학교 도시홍수연구소 책임연구원 [email protected]
육 지 문 ●●●
서울시립대학교 도시홍수연구소 연구원 [email protected]
문 영 일 ●●●
서울시립대학교 토목공학과 교수 /도시홍수연구소 소장/내외수연구단 단장 [email protected]
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하게 된다. 그리고 3단계 5차년도에서는 “내외수 연계 통합 내수침수예보 시스템”에 대한 고도화와 현장검증을 통한 실용화를 실시하게 된다. 현재 내외수 연구단은 3단계 4차년 과업을 진행하고 있
으며, 본 글 에서는 2단계 종료시점까지 개발된 내 외수 연구단은 1세부의“내외수 연계 내수침수예측 시스템”에 대한 핵심기술을 중심으로 기술하고자 한다.
그림 1. 내외수 연구단 최종성과물 “내외수 연계 통합 내수침수예보 시스템”
2.「 내외수 연계 내수침수예측시스템」
구성
매년 반복적인 도시지역의 침수피해와 중소규모 하천범람에도 불구하고, 중소규모 도시하천에 대 한 홍수 예·경보나 내수침수에 대한 예보는 전무 한 실정이며, 현재 대부분의 홍수 예·경보는 대 규모 하천을 중심으로 실시되고 있다. 이에 내외 수 연구단은 과업시점부터 분석대상유역을 중소규 모 도시하천으로 설정하고, 과업내용과의 적합성, 도시홍수 피해여부, 내배수시설 조사, 뉴스 및 신 문의 언론보도 자료를 통한 중요도 등을 기반으로 내외수 연구단의 대표시범유역을 중소규모 도시하 천인 도림천 유역으로 선정하였다.
대규모 하천에 비해 도달시간이 상대적으로 짧
은 중소규모 도시하천의 도시홍수예보를 위해서 는 선행적인 예측을 통한 신속성과 도시홍수예보 에 대한 정확성 확보가 필수적이라고 할 수 있다.
“내외수 연계 홍수위험 및 침수예측 선진화 기술 개발”을 목표로 하고 있는 내외수 연구단 1세부에 서는 그림 2과 같이 연구를 진행하고 있으며, 1세 부 성과를 종합하여 2단계 종료 시, “내외수 연계 내수침수예측 시스템”을 그림 3과 같이 구축하였 다. “내외수 연계 내수침수예측 시스템”에는 강우 예측기술, 우수관망 단순화 기술, 매개변수 추정 및 모니터링 기술, 내수침수해석기술이 대표적인 핵심기술로 포함되어 있으며, 이 핵심기술을 통해 도시홍수예보에 대한 신속성과 정확성을 확보하고 있다.
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그림 2. 내외수 1세부 연구구성
관측강우 예측강우 내외수모의(1D)
관측강우 (기상청, 국토부)
레이더, 레이더+위성을 이용한
초단기예측강우 SWMM을 이용한 내외수모의
침수모의(2D) 침수관리 및 위험도분석 우수관망관리
Tuflow를 이용한 침수모의 침수흔적도, 침수DB관리, 침수 위험도, 내수침수대응
우수관망 단순화 및 매개변수 추정 그림 3. 내외수 연계 내수침수예측시스템 구성
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3.「 내외수 연계 내수침수예측시스템」
핵심기술
3.1 초단기 강우예측 기술
강우예측기술은 레이더를 이용한 강우예측과 레
이더+천리안 위성을 이용한 강우예측으로 구분되 며, 시스템에서는 사용자에 따라 선택하여 분석을 수행할 수 있다. 레이더 또는 레이더+천리안 위성 을 이용한 강우예측은 그림 4와 같이 크게 3단계 를 걸쳐 예측강우를 생산하게 된다.
그림 4. 레이더를 이용한 강우예측기술
첫 번째 단계는 레이더 자료의 변환(극좌표계 -> 직교좌표계)을 실시하고 Mohr and Vaughan 방법을 이용하여 공간해상도 250m × 250m 의 CAPPI(Constant Altitude Plan Position Indicator) 자료를 생산한다. 두 번째 단계는 초 단기 강우 예측을 위해 이동벡터의 보정과 더불어 TREC(Tracking Radar Echoes by Correlation) 기법을 적용하여 예측시간동안 강우의 선형적인 이동을 예측한다. 마지막 단계는 정량적 예측강 우를 생산하는 단계로, Z-R관계식을 이용하여 10~120분 예측강우가 도림천 유역 방재기상관측 지점(Automatic Weather Stations, AWS)에 지
점강우와 유역면적강우로 생산된다. “내외수 연 계 내수침수예측시스템”에서는 보다 정확한 유출 수문곡선을 도출하기 위해 유역의 면적강우가 아 닌, 강우관측지점의 관측강우+강우관측지점의 예 측 강우를 연동한 강우를 입력하여 유출분석을 수 행한다. 현재 시스템에서 정량적 예측강우를 생산 을 위한 Z-R관계식은 집중호우와 같은 열대성 호 우에 적합한 으로 설정되어 있다. 그러나 고도화 단계에서는 레이더 또는 레이더+천리안 위성으 로 강우예측 시, 강수의 형태를 추정하여 적합한 Z-R관계식을 제안하는 방법을 적용할 예정이다.
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3.2 우수관망 단순화 기술
정확성 높은 내수침수예측 및 홍수예보를 위한 강우-유출모형 구축은 필수적이다. 내외수 연구 단에서는 도시유역과 같이 인위적 배수계통을 갖 는 유역에 적용되고 있는 강우유출모형 SWMM 5.0을 기반으로 분석을 수행하고 있다. SWMM 모형의 우수관망 정보는 서울시에서 관리하고 있 는 GIS 하수관망도를 기반으로 구축하였으며, 그 림 5(a)는 내외수 연구단 대표시범유역인 도림천 유역에 대한 우수관망을 구축한 결과이다. 우수관 망 구축결과, 총 우수관망 링크의 갯수는 31,480 개로 나타났다. 우수관망 자료가 많을수록 모형
의 분석시간은 증가하게 되며, 전체관망을 이용하 여 실시간 도시홍수예보에 적용한다면 모형의 분 석시간으로 골든타임을 놓치는 문제점이 발생하게 된다. 따라서 우수관망 단순화를 통한 모형의 모 의시간 단축이 필요하다. 이에 우수관망 단순화는
①초기조건 체크, ②유역면적 연산, ③지선 및 간 선 연산, ④매개변수 연산, ⑤관망생성의 순으로 진행하였으며, 빗물펌프장의 운영 및 유출량 검증 을 위한 링크는 사용자가 지정하는 방식으로 시스 템화 하였다. 그림 5(b)는 사용자가 선택한 누가유 역면적 12ha를 기반으로 우수관망 단순화를 실시 한 결과이다.
그림 5. 우수관망 단순화 기술
(a) 도림천 유역 전체관망 (b) 도림천 유역 단순화 관망
우수관망 단순화 기술을 통해 자동으로 전체 우 수관망 중 85%를 단순화할 수 있었으며, 표 1과 같이 강우-유출모형의 모의시간이 약 90% 감소 하는 것으로 나타났다. 이는 단순화를 실시한 우
수관망을 실시간 도시홍수예보에 적용하여 유출분 석을 실시할 경우, 짧은 모의시간으로 전체 우수 관망에 비해 약 90%의 골든타임을 확보할 수 있다 는 것을 의미한다.
표 1. 관망에 따른 분석시간과 SWMM 모의시간
분석시간 SWMM 모의시간
(a) 도림천 유역 전체관망 (b) 도림천 유역 단순화관망 (c)저감률(%)
60min 00:11:00 00:01:12 89.1
180min 00:40:00 00:03:37 91.0
360min 01:20:21 00:07:24 90.8
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3.3 매개변수 추정기술 및 모니터링 기술
다음으로, 전체 우수관망(그림 5(a))과 단순화 를 실시한 우수관망(그림 5(b))은 과거 호우사상 기반으로 매개변수 추정을 실시한다. SWMM 모 형은 부정확한 배수시설의 제원과 유역특성 등이 매우 복잡하므로, 모든 정보를 정확하게 반영하여 모형을 구축하거나 매개변수를 추정하는 것은 한 계가 있다. 또한 대부분 SWMM 모형 구축시 매 개변수 보정은 수동 작업으로 이루어 지고 있으 며, 종종 물리적인 범위를 벗어나는 매개변수 추 정이 이루어지기도 한다. 이러한 문제점을 보완하 고자, 탐색알고리즘이 우수한 DDS(Dynamically Dimensioned Search) 알고리즘을 기반으로 한 매개변수 추정기술을 개발하고 시스템에 탑재하 였다. DDS 매개변수 최적화 알고리즘은 국외 수 문학적 모델링 모의 결과에서 비교적 짧은 시간
에 높은 신뢰성을 갖는 매개변수 최적화 성능을 보이고 있다. DDS 매개변수 최적화 알고리즘을 적용하여 매개변수를 추정한 결과, 약 200~300 회 수준에서 첨두홍수량을 효과적으로 재현할 수 있는 최적매개변수를 도출하는 것으로 나타났으 며, 전체적인 첨두홍수량은 최소 80%~94%까 지 모의되는 것으로 나타났다. 3단계 4차년도 현 재에는 더욱 효과적인 매개변수를 추정하기 위해 PSO(Particle Swarm Optimization algorithm) 알고리즘으로 Multi-Object Function을 적용하 는 분석을 수행하고 있으며, 추정된 매개변수를 검증하기 위해 그림 6과 같이 도림천 유역의 하천 수위, 우수관망 수위, 빗물펌프장 유입 및 유출 자 료를 이용하여 검증하고 있다. 또한, 추가적으로 검증이 필요한 지점에는 모니터링 장비(고정식 유 량계 2개소, 고정식 수위계 1개소)를 설치하는 협 의가 진행되고 있으며, 3단계 5차년도에는 국토
그림 6. 매개변수 추정기술 및 모니터링 기술
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교통부 유량조사사업단이 내외수 연구단 1세부 위 탁과제로 참여하여 도림천 출구점 인근 도림교 지 점에서 수위-유량관계곡선식을 개발할 예정이다.
이를 기반으로 호우사상, 수위 또는 유출량에 따 른 매개변수의 분류 그리고 검증으로 신뢰도 높은 강우-유출모형을 구축할 예정이다.
3.4 내수침수해석 기술
매개변수를 추정과 검증을 실시한 전체 우수관
망(그림 5(a))은 내수침수(2D)해석을 위한 강우- 유출모형으로 활용되며, 단순화를 실시한 우수관 망(그림 5(b))은 실시간 내수침수예측 및 예보를 위한 모형으로 활용이 구분된다. 먼저, 내수침수 해석은 그림 7과 같이 SWMM+TuFlow를 연동하 여 2D분석을 실시하게 되며, 시나리오 기반으로 다양한 강우지속기간과 강우를 적용하여 선행적으 로 최대침수면적의 DB를 구축하였다.
(a)강우지속기간 3시간 100mm
(c)강우지속기간 3시간 300mm
(b)강우지속기간 3시간 200mm
(d)강우지속기간 3시간 500mm
2차원 침수모의를 수행에는 많은 시간이 소요되 므로, 침수예보 시 실시간 단위로 침수모의를 수 행하는 것은 매우 어려운 일이다. 따라서 단순화
를 실시한 우수관망을 이용하여 실시간 단위 내수 침수분석을 수행하고 우수관망(Node)별 침수량 (Overflow) 그리고 유사한 강우지속기간과 강우 그림 7. 내수침수해석 기술
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의 시나리오 침수DB, 취약성 지도를 참조하여 내 수침수예측 및 예보를 실시하게 된다. 3단계 4차 년도 현재에는 침수위험도 평가 및 위험지도 작성 그리고 내수침수대응을 위한 동적의사결정 모형 수립에 대한 연구, 침수피해액 추정기술 연구가 진행 중에 있다.
4. 맺음말
본 글에서는 내외수 연구단 1세부과제에서 2단 계 3차년도까지 개발된 “내외수 연계 내수침수예 측시스템”에 대한 구성과 핵심기술에 대해 기술하 였다. 2단계까지는 개발된 기술은 한마디로 내수 침수예측기술이며, 최종적으로 과제 종료시점에 최종성과물은 1~3세부의 연구성과가 모두 연계
되고 집약된 “내외수 연계 통합 내수침수예보 시 스템”이라고 할 수 있다. 이를 위해 내외수 연구진 모두 힘을 모으고 있으며, 내외수 연구진 모두에 게 아낌없는 성원과 격려 부탁드리고자 한다. 마 지막으로 내외수 연구단의 연구는 도시홍수피해 저감으로 피해액 및 복구액을 절감하는 경제적 효 과 그리고 반복적인 재해로부터 국민의 생명과 재 산을 보호할 수 있는‘안전 한국’을 실현하는 사회 적 효과를 이루는 성공적인 연구가 될 것이다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부 물관리연구사업의 연구비 지원(16AWMP-B066744-04)에 의해 수행되었 습니다.
