Analysis of Inundation Causes in Urban Area based on Application of Prevention Performance Objectives

1. 서 론¹⁾

최근 기후변화에 의한 국지성 집중호우로 인해 도시유역 에서의 피해가 크게 증가하고 있다. 태풍 ‘루사’내습시인 2002년 8월 30일∼9월 1일에는 강원도 강릉지방에 500년 빈도를 크게 상회하는 강우강도에 해당하며, 우리나라 연강 우량의 절반 이상인 일강우량 870mm가 짧은 시간동안 집 중되어 246명이 사망하였고, 약 5.2조라는 막대한 재산피 해를 발생시켰다. 본 연구 대상유역에서는 1998년 8월 3일

∼18일에 집중호우가 내렸으며, 1시간최대강우량은 약 200

†

To whom correspondence should be addressed.

Department of Urban Engineering, Hanbat National University E-mail: [email protected]

년 빈도에 해당하는 95.0mm, 24시간 최대강우량은 8월 11 일∼8월 12일까지 약 500년 빈도에 해당하는 411.5mm의 강우량이 발생하여 큰 침수피해를 입은 것으로 조사되었다.

위와 같은 피해가 발생하는 원인은 직접침수와 우수관거에 서의 역류 등을 들 수 있다. 또한 이러한 침수피해는 도시 화에 따른 불투수면적의 증가로 인해 첨두홍수유출량 증가 와 우수관거의 통수능 부족으로 인한 월류, 우수관거의 방 류지점에서 외수위 상승에 따른 내수배제 불량 등이라 할 수 있다.

현재 방재시설물 설계기준은 소관 부처별로 제정·관리되 어 시설물 종류와 설치시기에 따라 방재성능이 상이하고 유기적인 배수시스템 운영이 어려워 지역별 통합 방재성능 구현이 미흡한 실정으로 최근과 같은 집중호우시 관거의 용량부족으로 인한 침수피해는 지속적으로 발생하고 있어

도시유역에서의 방재성능목표 적용과 침수원인 분석

김종섭^†

한밭대학교 도시공학과

Analysis of Inundation Causes in Urban Area based on Application of Prevention Performance Objectives

Jong-Sub kim

Department of Urban Engineering, Hanbat National University

(Received: 17 June 2014, Revised: 11 September 2015, Accepted: 04 Janurary 2016)

요 약

본 연구의 목적은 도시유역의 2차원 침수해석 등의 정량적 분석이 가능한 XP-SWMM(Stormwater & Wastewater Management Model) 모형을 통해 도시방재성능 목표를 적용하여 도시지역의 침수피해 원인 분석 및 해소방안을 제시 하는 것이다.

이를 위하여 대상지역의 유역 및 우수관거, 지형 데이터 등을 이용하여 DTM(Digital Terrain Model) 및 우수관망을 구축하여 입력자료로 활용하였으며, 대상유역의 현재 도시방재성능을 평가하였다. 대상유역의 침수피해 원인을 검토한 결과, 우수관거의 통수능 부족으로 인한 1차 침수피해가 발생하였으며, 또한 방류구와 인접한 하천의 외수위 상승에 따른 내수배제 불량에 의해 침수피해가 가중되는 것으로 분석되었다. 따라서, 이러한 침수피해를 해소하기 위해서는 통수능이 부족한 관거의 개량 및 유역 특성을 고려한 방수로 신설 등의 저감대책이 필요한 것으로 판단되었다.

핵심용어 : 도시방재성능목표, DTM(Digital Terrain Model), XP-SWMM

Abstract

The purpose of this study is to analyze quantitatively the inundation causes by applying the prevention of performance objectives using the urban storm water runoff model XP-SWMM. The model was built by using DTM and storm sewer-network with the storm sewer and geo-data of the study area as input-data to assess the current performance of prevention. An analysis of the causes of the inundation by the frequency and the rainfall-duration. As a result, lack of pipe capacity due to flooding, as well as inundation heavier that the backwater rainfall occurs due to the rise of water level of outside. For solve the inundation damage, It is necessary to improvement pipe of capacity lack and installation of a flood control channel.

Key words : DTM(Digital Terrain Model), Prevention of performance objectives, XP-SWMM

도시지역의 침수피해에 효과적으로 대응하기 위한 연구들 이 진행되고 있다. Jeong et al.(2003)은 도시유출 모형을 이용하여 도시화 유역의 유출을 해석하였으며 Hong et al.(2006)은 XP-SWMM을 이용하여 도시하천에서의 홍수 소통 능력을 평가하였다. 한편 최근 개정된 ｢지역별 방재성 능목표 설정기준(2012.8, 소방방재청)｣에서는 ｢자연재해대 책법｣ 제16조의2제1항에 따른 방재성능 목표(홍수, 호우 등으로부터 재해를 예방하기 위한 방재정책 등에 적용하기 위하여 처리 가능한 시간당 강우량 및 연속강우량의 목표) 를 지속시간별로 설정하여 ｢하수도법｣ 제2조제3호에 따른 하수도 중 하수관거를 적용 대상 시설로 분류하여 관리토 록 하였다. 따라서 본 연구에서는 지역별 방재성능목표를 적용할 경우 도시유역의 우수배제 시설에 대한 계획빈도 변화를 검토하고, 침수양상을 XP-SWMM 모형을 통해 모 의하여 침수 원인에 대한 해소방안을 모색하였다.

2. 연구 방법

2.1 유역의 개황

대상지역은 보은군 보은읍 삼산리 일원의 시가지로 Fig.1 과 같이 지방하천인 보청천, 항건천, 중초천이 합류되는 구 간으로 집중호우시 내수배제 불량에 의한 침수피해가 상습 적으로 발생하는 것으로 조사되었다.

본 연구의 대상지역은 기 개발된 시가지로써 유역내 하천 은 위치하지 않는 것으로 조사되었으며, 과거 피해 현황을 조사한 결과 1998년 집중호우시 54.6ha의 가옥 및 농경지 가 침수되는 등 가장 큰 피해를 입은 것으로 기록되었고, 현재 보은군 재해위험개선지구로 지정되어 관리되고 있는 것으로 조사되었다.

Fig. 1. Study area

2.2 XP-SWMM 모형

도시지역 상습침수지역은 침수원인 분석 및 정확한 예측 이 가능한 방법이 필요하며, 부정류해석을 통한 관로내 압

력류 및 배수위 영향 등의 분석이 가능한 방법을 동원하여 종합적인 침수저감대책을 수립하여야 한다. 따라서, 본 연 구에서는 침수 위험도 분석시 도시지역내 우수관망 해석이 가능하고 맨홀범람, 배수위 영향, 압력류 계산이 가능한 모 형인 XP-SWMM모형을 이용하였다.

도시유역에서의 설계홍수량 산정을 위하여 국내에서 사 용되고 있는 모형으로는 합리식, RRL, ILLUDAS 모형, SWMM 모형 등이 있다. 이 중 합리식과 RRL 모형은 적 용이 간편하다는 이점으로 널리 사용되어오고 있으나, 설계 자의 주관에 따라 유출량 계산에 큰 차이를 나타낼 수 있 다. 한편, ILLUDAS 모형은 지표면의 양상과 배수관로의 계통을 고려하므로, 앞의 두 모형보다는 정확한 계산결과를 기대할 수 있다.

그러나 배수관망이 각종 수리구조물을 포함하고 있는 경 우에는 정확한 유출량을 산정한다고 보기는 어렵다. 또한, 관로에서의 흐름을 등류로 보고 해석함으로써 관로내 수심 의 변화와 배수의 영향을 고려할 수 없는 한계가 있다.

SWMM모형은 도시유역내에서 강우사상으로 인해 발생 하는 유출량과 오염물질에 대한 지표면 및 지표하 흐름, 배 수관망에서의 유출량 추적, 저류량 산정, 오염물질의 처리 와 비용계산 등을 모의할 수 있는 종합적인 모형이다 (Huber et al.).

2.3 강우자료의 분석

대상유역의 지배관측소인 보은관측소의 40년간(1973∼

2012년)의 강우자료를 수집하여 지속기간별 최대강우량을 조사·분석하였다. 대상강우로는 10분, 60분, 2~24시간(매 시간)에 대해 지속기간별 매년 최대 강우량을 추출한 후 10분, 60분은 기상연보에 수록된 강우량과 비교하여 추출 된 연최대 강우량자료의 적정성을 검토한 후 채택하였으 며, 2∼24시간 고정시간 강우량은 임의시간 강우량으로 환 산하여 확률강우량을 산정하였다. 확률강우량 산정시 매개 변수 추정방법은 확률가중모멘트법(PWM), 최적확률분포 형은 Gumbel 분포를 채택하여 재현기간 10년, 20년, 30 년, 50년, 80년, 100년, 200년에 대해 강우지속기간별로 확률강우량을 산정하였다. 금회 산정된 확률강우량(②)과

｢확률강우량도 개선 및 보완 연구(2011),국토해양부｣에서 산정한 확률강우량(①)은 Table 4와 같으며, 본 연구에서 는 검토대상지역의 임계지속시간인 지속시간 1시간의 강 우량이 더 크게 산정된 ｢확률강우량도 개선 및 보완 연구 (2011),국토해양부｣의 확률강우량을 방재 측면의 안정성을 위해 채택하였고, 적합도 검정결과를 Table 1 ~ Table 3 에 수록하였다.

2.4 도시방재성능목표

본 연구에서는 ｢지역별 방재성능목표 설정기준(2012.8, 소방방재청)｣을 토대로 보은군의 방재성능목표를 검토하 였으며, 보은군의 방재성능목표 강우량과 금회 연구에서 분석한 확률강우량의 설계빈도를 비교한 결과 Table 5와

Table 1. Result of goodness of fit by moments method

Variables Duration time(min)

10 60 120 180 240 360 540 720 1440

GAM2 P O PC - - - - PC P

GAM3 - - - - - - - - -

GEV O O PC PC PC PC C O C

GUM O O PC - - - - PC C

LGU2 O O O O PC O O O O

LGU3 O O C PC PC PC C O C

LN2 P P PC - - PC PC PC PC

LN3 P P PC PC PC PC PC PC PC

LP3 PX PX PXC PXC PXC PX PXC PXC PX

WBU2 PX PX - - - - - PXC PXC

WBU3 - - - - - - - - -

GLO O O PC PC PC PC PC C C

GPA - - - - - - - - -

Table 2. Result of goodness of fit by likelihood

Varialbles Duration time(min)

10 60 120 180 240 360 540 720 1440

GAM2 P P P PC - - - P P

GAM3 O O P - PC - PC PC O

GEV O O C P P O O C O

GUM O O P P P P P P C

LGU2 O O O O PC O O O O

LGU3 O O - - - - - - -

LN2 P P P P P PC PC P PC

LN3 P P P PC PC PC P PC PC

LP3 PX PX PX PX PX PX PX PX PX

WBU2 PXC PX - - - - - PXC PXC

WBU3 - PX - - - - - - -

GLO O O C - - O O C O

GPA - - - - - - - - -

Table 3. Result of goodness of fit by Probability weighted moment

Varialbles Duration time(min)

10 60 120 180 240 360 540 720 1440

GAM2 P O P PC - - - PC P

GAM3 - O - - - - - - -

GEV O O O O C O O C O

GUM O O P P PC - PC P C

LGU2 O O O O PC O O O O

LGU3 O O - - - - - - -

LN2 P P P PC PC P P P P

LN3 P P - - - - - P P

LP3 PX PX PX - - - - PX PX

WBU2 PX PX PXC - - - - - -

WBU3 - PX - - - - - - -

GLO O O O - - O O C O

GPA - - - - - - - - -

where,

O : all goodness of fit tests are cannot be rejected P : only PPCC test is rejected

C : only chi-square test is rejected PX : PPCC test is not performed

PXC : PPCC test is no performed and only chi-square test is rejected

- : others

Table 5. Prevention of performance objectives

Variables Duration time

1hr 2hr 3hr

Bo-Eun 80mm 110mm 140mm

Analysis 81.3mm 109.8mm 135.2mm

Remarks 50year 30year 30year

같이 강우지속시간 1시간의 경우 50년 빈도, 2시간과 3시 간의 경우 30년 빈도로 검토되었다.

3. 결과 및 고찰

3.1 모형의 구축

대상지역의 도시침수 양상을 검토하기 위하여 대상지역 의 유역 및 하수관거, 지형 정보 등을 XP-SWMM 모형 에 입력하여 모형을 구축하였다(Table 6). 삼산지구의 배 수체계는 Fig. 2에서 알 수 있듯이 5개의 방류구를 통해서 지방하천인 보청천과 항건천으로 각각 방류되는 것으로 나타났다.

3.2 임계지속시간의 결정

대상유역의 임계지속시간을 결정하기 위해 재현기간 50년 빈도의 지속시간별 첨두홍수량을 XP-SWMM 모형을 이 용하여 산정하였으며 결과는 Table 7과 같이 모든 배수유 역에서 1시간(60min)으로 나타났다. 주요 방류구별 지속시 간별 첨두홍수량의 관계는 Fig. 3 ~ Fig. 7과 같다.

Table 6. Model configuration

Variables Values Remarks

Node 266EA End of discharge : 5EA Rink 288EA Total Length : 11,841m

Area Total : 54.64ha

Fig. 2. Model in the study area

Fig. 3. Peak discharge-durations(SS-1) Table 4. Results of rainfall frequency analysis

Return Period (yr)

Duration time(min) / Rainfall(mm)

10 60 120 180 240 360 540 720 900 1,080 1,440

10 ① 27.2 62.0 88.5 107.8 123.1 146.5 171.4 189.4 203.5 214.9 232.5

② 20.6 59.3 90.8 107.0 123.1 145.9 171.4 190.9 205.7 218.1 237.2

20 ① 31.1 70.5 102.1 125.2 143.2 170.5 199.4 220.5 237.1 250.8 272.3

② 23.0 66.9 104.7 123.6 142.6 169.6 199.4 222.0 239.9 254.2 276.0

30 ① 33.3 75.2 109.8 135.2 155.1 185.0 216.5 239.2 257.0 271.5 294.2

② 24.3 71.4 112.7 133.1 153.8 183.3 215.5 240.0 259.5 275.0 298.4

50 ① 36.1 81.3 119.6 147.6 169.4 202.1 236.3 261.2 280.7 296.7 322.0

② 26.0 76.9 122.7 145.0 167.8 200.3 235.6 262.4 284.0 301.0 326.3

80 ① 38.6 86.7 128.6 159.1 182.9 218.3 255.1 281.7 302.6 319.7 346.8

② 27.5 81.9 131.9 156.0 180.6 215.9 254.0 282.9 306.5 324.8 351.9

100 ① 39.8 89.4 132.7 164.5 189.1 225.8 264.0 291.6 313.3 331.1 359.3

② 28.2 84.3 136.2 161.1 186.6 223.3 262.8 292.6 317.1 336.1 364.0

200 ① 43.5 97.4 145.8 181.3 208.7 249.5 291.5 321.8 345.6 365.3 396.4

② 30.5 91.7 149.7 177.2 205.5 246.2 289.8 322.7 350.1 371.0 401.5

Fig. 4. Peak discharge-durations(SS-2)

Fig. 5. Peak discharge-durations(SS-3)

Fig. 6. Peak discharge-durations(SS-4)

Fig. 7. Peak discharge-durations(SS-5)

3.3 현재 방재성능수준 평가

대상유역의 현재 방재성능수준을 평가하기 위해 XP-SWMM 모형을 통하여 우수배제시설에 관하여 앞서 산정된 임계지 속시간 1시간에 대한 강우량별로 침수발생여부를 분석한 결과는 Table 8과 같다. 방재성능 평가 지침(안)(2012.10, 소방방재청)에 따르면 침수발생이 시작되는 강우량을 그 지역의 현재 방재성능 수준으로 평가하고 있으며, 대상유역 의 현재 방재성능은 침수가 발생되는 시간당 40~45㎜가 현재 방재성능 수준이라 할 수 있다.

3.4 침수피해 원인 분석

본 연구에서는 보은군의 1~3시간 도시방재성능목표 값 중에서 대상유역의 첨두홍수량이 가장 크게 산정된 강우지 속시간 1시간의 강우량 값인 80mm(재현기간 50년 빈도) 를 설계 강우량으로 하여 수문 입력 자료로 활용하였다.

설계 강우량의 시간분포는 Huff의 4분위법을 활용하여 Huff 3분위로 강우분포 하였으며, Huff 3분위에 의한 재현 기간별 1시간 지속 설계강우량의 강우주상도는 Table 9와 같다.

Table 7. Peak discharge-durations

Variables Basin Area(ha) Peak discharge(m

/sec)

60min 70min 80min 90min 100min 110min 120min

SS-1 4.48 0.916 0.897 0.872 0.847 0.819 0.797 0.773

SS-2 17.68 3.472 3.415 3.327 3.232 3.126 3.055 2.991

SS-3 1.73 2.290 2.276 2.252 2.225 2.193 2.167 2.137

SS-4 4.72 1.289 1.265 1.235 1.202 1.167 1.137 1.104

SS-5 26.03 6.651 6.587 6.647 6.309 6.113 5.914 5.711

Table 8. Current prevention of performance Duration

(min)

Rainfall (mm)

Peak discharge(㎥/s) Induction volume

(m

)

SS-1 SS-2 SS-3 SS-4 SS-5

60 30 0.349 1.128 1.230 0.485 2.379 -

60 35 0.421 1.374 1.407 0.571 2.773 1

60 40 0.490 1.696 1.560 0.656 3.165 15

60 45 0.561 2.013 1.685 0.736 3.495 55

60 50 0.633 2.305 1.799 0.812 3.653 148

60 55 0.703 2.581 1.896 0.881 3.891 331

60 60 0.774 2.861 1.989 0.942 4.103 651

60 65 0.843 3.107 2.058 1.007 4.314 1,055

현재 대상유역의 우수배제시설은 우수관거시설이 유일하 기 때문에 기존 시설인 우수관거의 방재성능목표 80mm/1hr 을 적용하였다. 그리고 기존시설의 배제능력과 침수양상에 대한 침수위험도는 대상유역 방류구의 자유수면 조건시와 방류하천의 계획홍수위(Table 10)에 영향을 받는 외수위 경계조건시의 2가지 조건으로 구분하여 각각 분석하였다.

Table 9. Hydrograph for Prevention of performance objectives Rainfall of 5min(㎜)

Time

(min) 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Rainfall

(㎜) 2.0 4.7 5.2 5.9 7.8 10.3 12.2 12.4 10.2 5.9 1.7 1.8

Table 10. Flood water level

Variables Flood water level

(EL.m) Remarks

SS-1 152.75

Bocheong stream

SS-2 150.27

SS-3 150.27

SS-4 151.33 Hanggun

stream

SS-5 151.33

Table 11. Risk of flooding Duration

(min)

Rainfal l (mm)

Inundation

Remarks Volume

(m

) Area (ha)

Depth (m)

60 80 4,977 4.41 0.456 free water level 60 80 10,706 6.63 0.755 flood water level

Fig. 8. Scenario-Ⅰ(free water level)

Fig. 9. Scenario-Ⅱ(flood water level)

그 결과는 Fig. 8 및 Fig. 9와 같으며, 침수위험도 현황은 Table 11과 같이 외수위 경계조건시 침수용량이 약 2배 증 가하는 것으로 나타났다.

대상유역의 침수원인은 Fig. 8에서 보듯이 기존 우수관거 의 통수능 부족에 의해 침수피해가 발생하며, Fig.9와 같이 홍수시 외수위 상승에 의한 내수배제 불량으로 침수피해가 가중되는 것으로 분석되었다.

3.6 침수피해 해소 방안

앞서 검토된 바와 같이 침수피해의 주요 원인인 기존 우 수관거의 통수능 부족에 의한 침수피해를 해소하기 위해선 Table 12와 같이 유역 내의 우수관거 총연장 11,841m 중 약 21%인 2,504m의 관거 개량이 필요한 것으로 검토되었 으며, Fig. 10에 통수능이 부족한 관거를 붉은색으로 표시 하였다.

외수위 상승에 따른 내수배제 불량으로 가중되는 침수피 해를 해소하기 위해서는 유역 출구지점에 배수펌프장을 설 치하는 방안, 유역내 우수저류지 설치, 외수위 효과가 상쇄 되는 하류 지점으로의 방수로 신설 등의 해소 방안을 고려 할 수 있다. 시가지 지역인 본 연구 대상지역의 지역 특성을

Table 12. Lack of pipe capacity

Circular Rectangular

Diameter (mm)

Length (m)

Width (m)

Height (m)

Length (m)

200 5.1 0.3 0.3 611.4

300 10.0 0.3 0.5 51.5

400 32.8 0.4 0.4 37.1

450 45.6 0.4 0.5 224.6

500 382.1 0.5 0.4 45.4

600 235.2 0.5 0.5 42.5

700 151.0 0.6 0.6 43.4

1,000 231.9 0.9 0.9 49.7

1,200 128.3 1.0 1.0 59.8

1.5 0.8 117.8

Total 1,221.0 Total 1,283.2

Total : 2,504.2m

Fig. 10. Lack of pipe capacity

Fig. 11. Establish sluiceway without storm sewer imporvement

Fig. 12. Storm sewer improvement & establish sluiceway

감안하여 침수피해 해소 방안 중 방수로 신설 방안에 대하 여모형을 이용한 침수피해 해소 여부를 모의하였으며, 그 결과 보청천 하류측 1.6km 지점까지 방수로를 신설할 경 우 외수위 상승에 의해 가중되는 2차적 침수피해가 해소되 는 것으로 검토되었다.

Fig. 11은 통수능이 부족한 기존 우수관거의 개량없이 방 수로만을 신설할 경우의 침수피해 모의결과이며, Fig. 12는 방수로 신설과 기존 우수관거 개량을 병행하였을 경우의 침수피해 모의 결과로써 대상유역의 침수피해가 해소되는 것으로 모의되었다.

4. 결 론

본 연구에서는 2차원 도시유출해석모형인 XP-SWMM 모형을 이용하여 보은군 보은읍 삼산리 일원 상습침수 유 역의 첨두홍수량이 발생하는 임계지속시간을 산정하고 현 재 방재성능수준을 평가하였으며, 대상유역에 해당하는 방 재성능목표를 적용하였을 경우의 침수피해 발생원인 및 해 소방안을 검토하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) 대상유역 내 5개 배수구역의 임계지속시간은 모두 60 분으로 나타났으며, 대상유역의 현재 방재성능수준은 시간 당 40~45mm인 것으로 평가되었다.

2) 대상유역의 방재성능목표를 적용한 침수피해 원인 분 석결과 1차적 주요원인은 기존 우수관거의 통수능 부족에 의한 배수불량이며, 인접하천의 외수위 상승에 따른 내수배 제 불량으로 침수피해가 가중되는 것으로 나타났다.

3) 침수피해 해소를 위해서는 기존 우수관거의 방재성능 수준 향상을 위한 관거 개량 및 대상지역의 특성을 고려한 방수로 신설이 필요한 것으로 판단된다.

Reference

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EAP.(2010). Storm Water Management Model User’s Manual(Version 5.0)

Hong, JB, Kim, BS, and Seoh, BH, & Kim, HS (2006).

Assessment of flood flow conveyance for urban stream using XP-SWMM.

J. of Korea Water Resources Association

Huber, WC, and Dickinson, RE (1998).

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