Flood Inundation Analysis in Urban Area Using XP-SWMM

1) Nam Yung ENC Co., Ltd.

XP-SWMM 모형을 이용한 도심지역 침수해석

Flood Inundation Analysis in Urban Area Using XP-SWMM

김 진 수

¹⁾

^†

Received: September 15

, 2014; Revised: September 23

, 2014; Accepted: November 25

, 2014

ABSTRACT : Current domestic research is to demonstrate the effectiveness and efficiencies of flood prevention measures through one -dimensional numerical analysis and this study’s object is to help water managers to make the efficient decisions by applying the two-dimensional urban run off model XP-SWMM model in the flooded area and comparing with the flood prevention measures.

Statistics were analyzed, based on the data collected from Cheongju Weather Service from 1967 to 2011 for 45 years. 50 years Flood frequency simulations of water flow capacity analysis of the target area for flooded areas 539,548 m

, inundation depth 1.0 m, was analyzed by inundation time of 48 minutes. When comparing with the constructions of bypass road and underground storage facilities to increase the water flow capacity of A1 small drainage areas as flood protection, if you install a batching target underground detention basin with a capacity of 13,500 m

, it is expected that the flood by rainfall with frequency of 50 years will be resolved completely. In preparation for extreme weather in the future flood mitigation measures, underground storage tank installation is considered a better efficient way.

Keywords : Underground storage tank, Flooded area, Frequency

요 지 : 현재 국내 연구는 1차원 수치해석을 통한 침수방지대책의 효과분석 및 효율성을 입증하는 형태로 본 연구에서는 2차원 도시유출모형인 XP-SWMM 모형을 침수지역에 적용, 침수방지대책을 상호 비교･분석함으로써 수자원관리자의 효율적인 정책결정 에 반영할 수 있도록 하는 것이 본 연구의 목적이다. 기상데이터는 지난 1967년부터 2011년까지 45년간 청주 기상대에서 수집한 것으로 통계 분석하여 사용하였다. 대상 배수구역 통수능력 분석을 50년 빈도 모의 결과 침수면적 539,548m

, 최대침수심 1.0m, 침수시간 48분으로 분석되었다. 침수대책으로 A1 소배수구역의 통수능력 증대를 위해 우회수로 및 지하저류시설 건설을 비교한 결과 대상유역에 용량이 13,500m

인 지하저류시설을 설치할 경우 50년 빈도의 강우까지 침수가 완전 해소될 것으로 판단된다. 향후 침수 저감대책으로 이상기후에 대비할 수 있는 지하저류조 설치가 효율성이 좋을 것으로 판단된다.

주요어 : 우수저류조, 침수면적, 빈도

Journal of the Korean Geo-Environmental Society 16(1): 29～36. (January, 2015) http://www.kges.or.kr

ISSN 1598-0820 DOI http://dx.doi.org/10.14481/jkges.2015.16.1.29

1. 서 론

최근 현재 우리나라는 지구 온난화 현상으로 인한 기온 상승과 이상기후로 인한 국지성 집중호우로 인명과 재산피 해는 해를 거듭할수록 증가하고 비점오염원의 하천유입은 하천환경에 악영향을 주고 있다. 도시지역에 있어서 홍수피 해 원인은 외수위 상승에 따른 통수능력 부족 시 범람에 의 한 침수와 수리구조물의 배제능력 부족에 의한 침수피해로 구분할 수 있다. 최근 도시지역에 발생하는 홍수피해의 대 부분이 국지성 집중호우 시 수리구조물의 배제능력 부족으 로 인한 피해가 증가하는 추세이다. 이를 방지하기 위해서 도시지역 침수방지 및 비점오염원에 의한 수질오염 방지를 위해 도시지역 내 저류지 설치에 대한 연구는 활발히 진행

되고 있다.

국내･외에 저류지 관련 연구동향을 살펴보면 국외의 경 우 저류지의 규모와 용량에 관해서 David & Bedient(1980) 는 호우빈도와 토지이용조건, 저류지의 운영법에 따른 저류 지의 규모 결정에 관한 수학적인 해석을 시행하였다. 또한 Russell(1980)은 농촌지역에서 개발된 후 도시지역에 대해 수 정된 유출해석모형을 저류지 추적에 적용하여 저류지의 형태 에 관한 일반적인 결론을 도출하였으며, Guo & Urbonas (1996)는 Runoff Capture Ratio를 이용하여 저류지의 용적 에 관한 사항을 연구하였다. Hsu et al.(2000)은 관망의 절점 에서 잉여수에 의해 발생하는 침수를 SWMM 모형을 적용 하여 모의하였다. Hong(2008)은 단일방류구를 가진 저류지 설계를 위해 수치해석을 대체하여 저류지의 최대용적을 간

Fig. 1. SWMM configuration

Table 1. Components of block SWMM

Block Input data Output data

Runoff - 200 storm drians

10 pollutants Transport 200 storm drians

4 pollutants 200 storm drians Extran 200 storm drians 200 junction, drians Storage /

Tretment

10 processing device 3 pollutants

10 processing efficiency 3 pollutants

단하게 산출할 수 있는 차트를 제시한바 있다.

국내의 경우에는 2000년 이전까지는 Lee et al.(1991)의 도시화 영향을 고려한 유수지의 계획, Lee et al.(1993)의 우 수관거 및 유수지 설계를 위한 임계지속기간, Yoon & Lee (2001)는 저류비의 개념을 이용하여 산정된 저류지 용량과 강우지속기간에 따른 저류지의 최대용적을 비교･분석하여 저류지 설계 시 적정용량 산정방법을 제안하였다. 또한 Kim et al.(2011)은 강변저류지의 설치에 의한 홍수저감효과를 실험을 통해 분석하였고, Ahn(2013)은 off-line 저류지의 대 표적인 형태인 저류지 월류부에서 월류제 또는 수문 형식에 따른 홍수저감효과를 제시한바 있다.

현재 국내 연구는 1차원 수치해석을 통한 침수방지대책 의 효과분석 및 효율성을 입증하는 형태로 본 연구에서는 2차원 도시유출모형인 XP-SWMM 모형을 이용하여 내수배 제시스템을 구축하고 침수지역에 적용, 침수방지대책을 상 호 비교･분석함으로써 수자원관리자의 효율적인 정책결정 에 반영할 수 있도록 하는 것이 본 연구의 목적이다.

2. XP-SWMM 기본이론

2.1 XP-SWMM 모형의 구성 및 개요

SWMM 모형의 구성은 Fig. 1과 같이 5개의 실행블록과 5개의 보조블록들로 구성되며, 126개의 부프로그램들을 포 함하고 있다. 개발초기에는 RECEIVING WATER 블록을 포함한 6개의 실행블록이 있으나, 1981년 이후 RECEIVING WATER 블록은 SWMM 모형에서 제외되었다.

RUNOFF 블록에서는 배수유역을 200개의 관로, 집수구 로 구성할 수 있으며, 소유역에서의 유출은 항상 접합부나 수로/관로에 유입되고 작은 배수관망을 모의하기 위해서는 가지망 하수시스템을 사용한다.

3. 모형의 적용

3.1 대상유역 현황

본 연구의 대상유역은 충북 청주시 흥덕구 개신동 일원 에 위치하며, 충북대학교 및 상업지구와 주거지로 구성되 어 있다. 전체 유역면적은 3.05km²이며 우수관망은 지선 5 년, 간선 10년 빈도로 설치되어 있고 충북대학교 인근의 [email protected]×2.0 우수관로와 시계탑 인근 2.0×1.5 우수관로가 합 류하여 [email protected]×2.5 박스관로를 통하여 지방하천인 가경천으 로 유출된다.

충북대학교 인근 EL.147.5m, 시계탑 인근 EL.76.9m, 최 종방류구 EL.42.9m로 지형의 경사가 매우 급하며, 충북대 학교(A3) 우수관로와 시계탑(A2) 우수관로가 합류하는 구 간의 경우 관로 내 수위상승 영향으로 우수소통이 원활하지 않은 지형학적 특징을 나타내고 있다.

대상유역의 최근 침수피해 현황으로는 2012년 8월 15일 01:00～26일 12:00 총강우량 169.0mm, 1시간 최대 48.5mm 의 집중호우 발생 시 합류부 인근 지역이 침수피해를 입은 바 있다.

3.2 유량 및 수질측정

대상유역의 유출특성을 분석하기 위하여 최종방류구 [email protected]×

2.5 박스관로 내에 유량계 2개를 설치하여 유량을 측정하였 다. 측정시기는 우기 시 1회 실시하여 대상유역의 유출특성 을 분석하였다.

2012년 6월 29일 0:00～7월 1일 23:50 10분 간격으로 2 개 지점의 유량을 자동측정하여 총 유출되는 유량측정 결과 는 Fig. 4～Fig. 5와 같다.

3.3 모형 구축

SWMM(Storm Water Management Model) 모형은 도시유 역의 유출량 산정, 우수관거 추적, 저수지 추적 등을 통하여 우수관거와 저류지 설계 등과 같은 수량(quantity) 부분과 아울러 수질(quality) 부분까지 분석이 가능한 종합적인 모

① site ② site Fig. 2. Flowmeter settings

Fig. 3. 2012. 8. 15.~16 Inundation damage

형이다.

대상유역 배수구역 및 우수관망도는 주간선을 중심으로 지선을 포함하여 유역 끝단까지의 유출 및 침수 모의가 가 능하도록 노드 750, 링크 781개로 구성하였다.

SWMM 모형에서 지표면 유출해석과 관련된 입력자료는

맨홀번호, 유역면적, 도달시간, 관거 유출해석과 관련된 입 력자료는 관거번호, 상･하류 맨홀번호, 관경, 관거길이, 관 거경사, 조도계수 등을 GIS 자료를 추출하여 구축하였다.

또한 기존 내수배제시설의 능력을 검토하기 위하여 배수구 역의 설계빈도 5, 10, 20, 50년 설계강우에 대해서 각각의

Fig. 4. Flow measurement results (2012. 6. 29 0:00~7. 30 23:50)

Fig. 5. Water quality measurement results (2012. 6. 29 21:30~7. 1 6:40)

Fig. 6. XP-SWMM model construction

유출해석을 실시하였다. 최종방류 하천 가경천의 빈도별 홍 수위를 방류수위(EL. 41.74m)로 결정하였다.

3.4 모형분석 결과

3.4.1 2012년 강우사상 분석결과

대상유역 침수원인을 정량적으로 분석하기 위하여 XP-

Fig. 7. Simulation results analysis (2012. 8. 15)

Fig. 8. A1 area simulation results

Fig. 9. A2 area simulation results

15일 01:00～26일 12:00 대상유역에는 총강우량 169.0mm, 1시간 최대 48.5mm의 집중호우가 발생하였으며, 호우사상 을 토대로 대상유역의 XP-SWMM 모형분석결과 침수면 적 3,369m², 침수심 0.45m로 분석되었다. 2012년 호우사상 에 대한 모형분석 결과는 Fig. 7과 같다.

Fig. 8과 같이 대상유역은 전체배수구역 중 59%를 차지하 는 A3 소배수구역 충북대학교 통과 우수관로([email protected]×2.0)의 유속은 3.77m/s, A2 소배수구역 시계탑인근 우수관로(2.0×1.5) 의 유속은 2.78m/s, 합류 후 우수관로([email protected]×2.5)의 유속은 2.99m/s로 우수관로 합류로 유속이 감소하는 것을 알 수 있 으며, 이는 합류부 와류로 인한 수위상승으로 배수불량 현

Fig. 10. A3 area simulation results

(a) 10 year (b) 20 year (c) 50 year

Fig. 11. Frequency analysis results

Table 2. Frequency analysis results Frequency

(year)

Flooded area (m

)

Maximum flooding depth (m)

Flooding time (min)

10 293,672 0.15 26

20 523,331 0.55 37

50 539,548 1.00 48

상이 발생하는 것으로 판단된다.

침수경향은 A3 소유역부터 침수가 발생하여 A1 공단오 거리에서 지형의 특성으로 하류쪽으로 침수가 진행하여 A2 소유역의 우수와 합류되는 지점에 최대침수피해가 발생하 여 침수범위가 확대되는 것을 알 수 있다.

3.4.2 빈도별 분석결과

대상유역의 우수관로 통수능력을 분석하기 위하여 강우 분석을 통해 산정된 확률강우량을 이용하여 빈도별 통수능 력을 분석하였다. 강우자료는 1967년부터 2011년까지 45년 간 청주기상대에서 수집한 것으로 빈도별 확률강우량을 산 정 후 사용하였다.

대상유역의 우수관로 통수능력은 시간당 40mm 강우 시 충북대학교 앞 도로침수 3,251m²가 발생하는 것으로 분석 되었다. 대상유역의 경우 지선 5년, 간선 10년 빈도로 설치 되어 있으나 계획빈도에서도 일부지역에서 침수가 발생하 며 빈도 상향에 따라 침수면적 및 침수심, 침수시간도 증가 하는 것으로 분석되었다.

빈도별 분석결과 침수발생 경항은 충북대학교 인근에서 침수가 발생하여 공단오거리에서 월류한 유량이 도로를 따라 충북대학교 앞 도로의 침수를 가중시키며, 시계탑 인근 월류

유량과 합류되어 침수면적이 증가하는 것으로 분석되었으며, 빈도상향에 따라 최종방류구 가경천 외수위 상승으로 최종방 류구 인근지역의 침수가 발생하는 것으로 판단된다.

10년 빈도 강우 모의 결과 침수면적 293,672m², 최대침수 심 0.15m, 침수시간 26분으로 분석되었다. 또한 20년 빈도 강 우 모의 결과 침수면적 523,331m², 최대침수심 0.55m, 침수시 간 37분이며, 50년 빈도 강우모의 결과 침수면적 539,5482m², 최대침수심 1.0m, 침수시간 48분으로 분석되어 우수관로 정비가 시급한 것으로 판단된다.

3.5 침수방지 대책별 효과 분석

대상유역의 침수원인은 A1 소배수구역의 통수능력 부족 및 가경천 외수위에 의한 배수불량에 의한 침수발생으로 판 단되며, 이를 해결하기 위한 방안을 검토하였다.

Fig. 12. Inundation damage countermeasures

(a) 20 year frequency analysis result (b) Established drains (2.5×2.5) Fig. 13. Established drains

먼저 제1안으로 Fig. 12와 같이 A1 소배수구역의 통수능 력 증대를 위해 공단오거리에서 최종방류하천인 가경천으 로 2.5×2.5 우수관로 833m 신설을 검토하였다. 우수관로의 크기는 계획빈도를 20년으로 상향하였으며, 산정된 확률강 우량 분석결과를 토대로 빈도별 유출량을 산정하여 관로의 크기를 결정하였다.

제2안으로는 전체 유역면적 중 59%를 차지하는 A3 소배 수구역 내 우수관로([email protected]×2.0) 인근에 지하저류시설을 설 치하여 일부 유량을 저류함으로써 하류부 유출부하를 경감 시키므로 침수를 방지하는 대책을 검토하였다. 󰡔우수유출 저감시설의 종류･구조･설치 및 유지관리 기준(소방방재청, 2008.7)󰡕에서는 임시구조물의 경우 30년, 영구구조물의 경 우 50년 빈도로 제시하고 있다. 따라서 본 연구에서는 설계 빈도 50년을 기준빈도로 결정하였다.

제1안의 경우 Fig. 13과 같이 대상유역 상류부 충북대학 교 인근의 침수를 방지할 수 있는 것으로 분석되었으나, 하 류부 일부지역의 침수는 계속하여 발생하는 것을 알 수 있 다. 이는 우수관로 통수능력 부족 및 가경천 외수위 수위상

승에 따른 영향으로 판단된다. 또한 20년 빈도 강우에 대하 여 침수예방효과가 있으므로 20년 빈도 이상의 강우 시 대 상지역의 침수피해가 예상된다.

본 연구에서는 상시 홍수가 유입되는 하도 내 저류(on-line) 방식을 채택하여 저류용량이 커지고 유지관리에도 불리하 므로, 일정 수위 이상의 홍수를 저류조로 유입시켜 첨두홍 수량을 저감하는 하도외 저류(off-line) 방식을 채택하였다.

우수저류시설의 용량은 시행오차를 통하여 충북대학교 우 수관로 인근에 off-line 형식의 지하저류시설을 설치하여 침 수가 완전히 해소되는 13,500m³로 결정하였다. Fig. 14는 지 하저류조 설치 전후의 침수구역도를 나타내고 있으며, 상류 부 저류에 따른 하류부 침수예방 효과가 매우 높은 것으로 나타났다.

따라서 본 대상유역의 침수대책으로는 우수관로 신설보 다는 지하저류조 설치를 통한 초기오염원인 비점오염의 하 천 유입을 방지할 수 있고, 50년 빈도 집중호우에도 대비할 수 있는 지하저류조 설치가 타당할 것으로 판단된다.

(a) 50 year frequency analysis result (b) Underground storage tank (V = 13,500 m

) Fig. 14. Installation water retention

4. 결 론

본 연구에서는 내수배제시스템을 고려한 정확한 수리 및 수문해석을 실시하여 도심지 침수지역에 적용함으로써 실질 적인 침수해석을 실시하고 지형적 특성을 고려한 침수방지대 책을 수립하여 수자원관리자의 효율적인 정책결정에 반영할 수 있도록 하는 것으로 본 연구에서 얻은 결론은 다음과 같다.

(1) 대상유역 2012년 8월 15일 01:00～16일 12:00 총강우량 169.0mm, 1시간 최대 48.5mm의 집중호우 발생 시 XP- SWMM 모형 모의결과 침수면적 3,369m², 침수심 0.45m 로 분석되었다.

(2) 대상유역 침수경향은 전체배수구역 중 59%를 차지하는 A3 소배수구역 충북대학교 통과 우수관로([email protected]×2.0)의 유속은 3.77m/s, A2 배수구역 우수관로(2.0×1.5)의 유속은 2.78m/s, 합류 후 우수관로([email protected]×2.5)의 유속은 2.99m/s 로 우수관로 합류로 유속이 감소하는 것을 알 수 있으 며, 이는 합류부 와류로 인한 수위상승으로 배수불량 현 상이 발생하는 것으로 판단된다.

(3) 통수능력 분석을 위한 10년 빈도 강우 모의 결과 침수 면적 293,672m², 최대침수심 0.15m, 침수시간 26분으로 분석되었다. 또한 20년 빈도 강우 모의 결과 침수면적 523,331m², 최대침수심 0.55m, 침수시간 37분이며, 50 년 빈도 강우 모의 결과 침수면적 539,548m², 최대침수 심 1.0m, 침수시간 48분으로 분석되어 우수관로 정비가 시급한 것으로 판단된다.

(4) 대상유역 침수대책으로 A1 소배수구역의 통수능력 증 대를 위해 최종방류하천인 가경천으로 2.5×2.5 우수관 로 833m 신설할 경우 교통통제로 인해 공사에 어려움이 클 것으로 판단되며, 또한 20년 빈도 이상의 강우 시 대 상지역의 침수피해가 예상된다.

(5) 지하저류시설 13,500m³를 설치할 경우 50년 빈도 강우 시까지 침수피해 예방이 가능할 것으로 판단되며, 지하

저류시설 설치에 따른 초기오염원인 비점오염의 하천 유입을 방지할 수 있어 향후 국지성 집중호우에 대비할 수 있는 지하저류조 설치가 타당할 것으로 판단된다.

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