1. 서 론
2. 연구 방법
2.1 InfoWokrs ICM
2.2 Direct Rainfall Modelling
3. 모형의 적용
3.1 연구유역 및 강우
3.2 DRM 모형 구축
4. 연구 결과
4.1 Direct Rainfall Modelling 기반 침수 분석 결과
4.2 관측데이터 기반 침수심 비교
5. 결 론
1. 서 론
도시화와 기후변화로 인한 단시간 고강도 강우의 빈도·강도 증가는 도시 배수체계의 부담을 가중하며, 관거 용량 한계, 하천 범람, 그리고 하천 수위 상승이 중첩되는 복합 침수 양상을 초래하고 있다(ME and KMA, 2020). 특히 포장·불투수 면적이 높은 도심에서는 강우가 짧은 시간에 집중되어 관거·우수토실을 초과하는 유량이 발생하고, 외수(하천·해안) 수위 상승과 결합될 경우 내수 배수 저하 및 역류로 인한 침수가 가중되는 경향이 보고되고 있다.
실제 사례로 2022년 8월 중부권 집중호우 동안 서울 동작구의 24시간 누적 강우량은 381.5 mm에 달했으며, 동일시기가 시간당 최대 141.5 mm의 국지성 호우가 관측되었다(KMA, 2023a). 이어 2022년 9월 태풍 힌남노 내습 시 포항에서는 일 최대 342.4 mm가 기록되었고, 하천 범람, 수위 상승과 배수 능력 저하가 겹치며 저지대와 지하공간을 중심으로 광범위한 도시 침수가 발생하였다(KMA, 2023b). 특히 포항은 영일만과 접한 해안 도시로 태풍·폭풍해일의 직접 영향을 받는 지형·입지 특성을 가지며, 이에 따라 하천 범람과 내수 침수가 중첩되는 취약성이 장기간에 걸쳐 확인되고 있다.
이러한 복합 침수를 정밀하게 해석하기 위해 전통적으로는 소유역 기반(subcatchment-based) 수문학적 접근이 널리 활용되어 왔다. 이 접근은 불투수율·경사·조도 등의 평균치를 사용하고 유효우량과 유출수문곡선을 산정하고 이를 1차원 관거/하도 해석에 투입한다(Huber and Dickinson, 1988). 그러나 평균화 계산은 세부 지형·토지이용의 공간 연속성과 저지대 연결성, 배수구 인근의 국지적 흐름 변화를 충분히 반영하기 어렵고, 외수 수위 상승과의 상호작용을 2차원 공간에서 일관되게 표현하는 데에도 한계가 있다. 실무 절차 측면에서도, 전통 방식은 보통 ‘1차원 강우-유출 산정-1차원 관거 해석-월류량 기반 2차원 침수분석’의 단계식 구조로 이루어져 소유역 경계의 수작업 분할이 필수적이며, 분할 기준과 해상도 선택이 분석자에 따라 달라져 동일 지역이라도 결과 편차가 커질 수 있다. 이를 보완하기 위해 최근 주요 수치해석기법으로 격자에 강우를 직접 재하하는 Direct Rainfall Modelling (DRM; Rain-on-Grid/Rain-on-Mesh)이 대두된다. DRM은 2차원 천수방정식(Saint-Venant)을 근간으로 침투·표면저류·지표 유동을 격자 단위에서 동시 계산하고, 계산된 2차원 유출이 맨홀·빗물받이 등을 통해 1차원 관망으로 유입되거나(역류 시 재유출) 하는 교환유량을 수두차 기반 공식으로 연성하여 강우로 인한 유출량을 산정한다. 이는 고해상도 지형과 토지특성을 격자 단위로 통합하여, 미세 지형 요소가 유량 경로와 저류에 미치는 영향을 고려한다. 또한 강우가 지표에 작용한 뒤 관망(1D)과 지표(2D) 사이 유량은 수위차 기반 교환유량으로 자동 배분되므로, 맨홀·빗물받이가 포화·월류 상태일 때는 추가 유입이 억제되고 유수는 지형구배와 저지대 연결성을 따라 우회·확산하는 과정을 고려한다. 이처럼 DRM은 정확한 물길을 추적하고, 유출량·침수 범위·도달 시점의 산정 정확도를 높이는 데 의의가 있다. 아울러 별도의 1D 수문모형 구축·교환 없이 2D 격자에 직접 강우를 적용해 유출을 경로화하므로, 모델 구축 기간과 비용을 절감하고 절차 복잡도를 낮출 수 있음이 보고되어 왔다.
이와 같은 연구로 해외에서는 직접강우를 격자에 적용하는 기법의 유효성이 분석되고 있다. Alam et al. (2015)는 MIKE FLOOD에 Direct Rainfall을 적용하여 강우를 2D 격자에 직접 부여하고, 1D 하천-2D 지표 간 교환을 수두차 기반 위어식으로 처리해 단일 체계에서 강우-유출-경로화를 일괄 재현하였다. 이 접근은 별도 1D 수문모형 없이 2D 내에서 유출을 경로화함으로써 소유역 분할 의존성과 구축 공정을 줄이는 실무적 이점을 제시하였으며, 도심지에서 분석자별 소유역 분할 편차를 완화하는데 유효함을 평가하였다. 또한 HEC-RAS 기반 ROG (Rain-on-Grid)와 ROM (Rain-on-Mesh)는 격자 형태와 소프트웨어 명칭의 차이만 있을 뿐, 본 연구에서 정의한 DRM과 마찬가지로 시간·공간 분포 강우를 2차원 해석에 직접 적용하는 동일 계열의 방법에 해당한다. Zeiger and Hubbart (2021)는 SWAT모형 기반 침투와 저류를 고려하여 유효강우량을 산정하였다. 이후 HEC-RAS 2D의 Rain-on-Grid로 격자별 직접 강우 재하한 결과를 침수심·도달시각 재현 성능을 평가하였다. Varra et al. (2025)은 남이탈리아 Low Calore 유역에 HEC-RAS 6.6 Rain-on-Grid를 적용해 2015년 극한 강우 사건을 재현하고, 결과를 철도 인프라 피해 분포와 대조하여 직접강우 기반 해석의 실무 적합성을 확인했다. 이와 더불어 InfoWorks ICM은 DRM 기법을 통해 강우 적용 영역 설정, 격자·폴리곤 기반 가중, 침투·조도 구역 정의, 1D-2D 교환유량 계산식 등의 기능을 제공함으로써 실제 도시 침수 해석을 위한 실무적 워크플로를 지원하고있다(Autodesk, 2024).
그럼에도 국내 조건에서 DRM을 활용한 실제 극한 사건 재현과 침수심 정량 검증 사례는 아직 충분히 축적되지 않았다. 특히 포항 냉천과 같이 하천과 해안의 상호작용이 동시에 작용하는 도시 하류부에서는, 1D-2D의 다양한 영향이 맞물려 있기에 DRM을 통해 도시 관망의 경계수위 상승시 배수능 저하와 국지 역류가 침수 전개에 미치는 정량적 평가가 필요하다. 이에 본 연구는 2022년 태풍 힌남노 시 포항시 냉천 하류부를 사례로 InfoWorks ICM의 DRM 기반 복합 침수 과정을 재현하고 관측 자료로 정량 검증하고자 한다. 이를 위해 고해상도 DEM과 토지 특성이 반영된 격자망을 구축하고, 하천 범람 및 통수능 저하로 인한 내수 월류 등을 고려한 지표에서의 강우 유출을 재현하였다. 이후 모의 결과는 하천 수위 흔적도 및 CCTV·현장 사진에서 추정한 침수심·발생 시점과 대조하여 적절성을 평가하였다.
2. 연구 방법
2.1 InfoWokrs ICM
InfoWorks ICM은 영국 Wallingford Software의 Info Works 계열과 MWH Soft에서 개발된 기술이 2009년에 통합·운영되면서 시작되었으며, 2011년 사명을 Innovyze로 변경한 이후 본격적으로 확장된 1D-2D 연계 수자원 해석 플랫폼이다. 이후 2021년 Autodesk가 Innovyze를 인수하면서 현재는 Autodesk InfoWorks ICM이라는 이름으로 제공되고 있다. 이 프로그램은 하나의 모델 안에서 관거·하천(1D)과 지표면(2D)을 동시에 계산할 수 있는 통합 기능을 지원하여, 도시 우·하수, 하천 및 범람원, 지표 침수 간의 상호작용을 일관되게 재현할 수 있다. 또한 격자에 직접 강우를 부여하는 Direct Rainfall 방식, 레이더 기반 혹은 다각형 강우 자료 활용, 소유역 유출 모형과의 연계, SUDS/LID와 같은 실제 도시 배수 요소까지 고려한 시나리오 기반 설계 및 운영 해석이 가능하다.
이와 같이 InfoWorks ICM은 외부 모형의 단순 결합이 아닌 자체 1D-2D 통합 엔진을 통해 강우-유출-홍수 전파 과정을 물리적으로 일관되게 재현한다. 이러한 계산의 수리적 기반은 Navier-Stokes 방정식의 수심 평균 천수방정식에 있으며(Eqs. (1), (2), and (3)), 이는 유동이 주로 수평으로 지배되고 수직 방향의 속도 변화는 무시할 수 있다고 가정한다(Alcrudo and Mulet-Marti, 2005).
여기서 h는 수심(m), u,v는 수평 속도(m/s), g는 중력가속도, q는 면적당 순 유입(m/s)으로 강우, 증발, 침투, 1D와2D 교환유량을 유입 +항으로, 유출은 −항으로 적용한다. 및 는 각각 x 및 y 방향의 경사, , 는 마찰경사이며, 마찰은 보통 Manning식으로 다음과 같이 표현한다(Eq. (4)).
2.2 Direct Rainfall Modelling
DRM 기법은 강우를 2D 격자에 직접강우 형태로 적용 기법이다. 적용된 강우(Event)의 시계열 데이터는 지형자료를 기반으로 구축된 비정형 격자에 유입으로 적용되어 2D 영역에서 깊이 평균 천수방정식(Saint-Venant)에 기초한 수치해석이 수행된다. 이때 각 격자의 특성(침투·마찰 효과 등)을 반영함으로써, 지형과 토지이용 특성에 따라 유량이 자연스럽게 생성·이동하며, 일부는 관망을 통해 배수되고 일부는 저지대에 저류되거나 하천·해안으로 직접 유출된다. 이러한 과정은 별도의 소유역 분할이나 유역 특성치(면적, 폭, 구배 등)를 인위적으로 산정할 필요 없이, 실제 지형과 인프라 조건에 근거한 흐름을 모의할 수 있다. 이와 유사하게 Zeiger and Hubbart (2021)는 HEC-RAS 2D의 Rain-on-Grid 기법을 적용하여 사건 기반 유효강우를 격자 단위로 직접 재하하고, 토지피복 기반 조도계수를 반영해 유출 과정을 모의하였다(Fig 1(a)).
또한 DRM을 이용한 유출 산정에서는 내수와 외수를 구분하지 않고 하나의 체계에서 함께 다룬다. 즉, 하천 구간을 2차원 격자로 포함할 경우 동일한 강우장이 하천 격자에도 직접 적용되며, 동시에 상류 경계에서 주어지는 유입곡선과 결합되어 질량 보존 법칙을 바탕으로 하천 내 수위와 유량이 계산된다. 이와 같은 접근을 활용한 사례로 Varra et al. (2025)은 이탈리아 남부 Low Calore 유역에 HEC-RAS 6.6 Rain-on-Grid 기법을 적용하여, 하천과 인접 지형 격자에 직접 강우를 부여하고 수위 및 유량 변화를 통해 철도 인프라의 피해와의 연관성을 분석하였다(Fig. 1(b)).
본 연구에서는 InfoWorks ICM의 DRM 기능을 활용하여 이와 유사한 절차를 구현하였다. 다만 여기서는 한 단계 더 확장하여, 계산된 하천 수위를 1차원 관망 모형과 연계함으로써 지표·하천과 관망·방류구 간의 상호작용을 동시에 고려하였다. 이러한 연계 과정에서 방류구에서는 수위 차이에 따른 교환 유량이 즉시 반영되어 관내 흐름을 변화시키며, 외수 수위가 상승하면 배수 능력이 저하되고 수위 역전 시 관내 역류가 발생한다. 포화되거나 월류한 입구에서는 추가 유입이 제한되고, 지표 유량은 지형 경사와 저지대 연결성에 따라 분산·우회한다. 반대로 외수 수위가 낮아질 경우 배출이 다시 시작되거나 증가하여, 2차원 흐름장은 시간 경과에 따라 재편성된다. 즉, DRM은 방류구와 맨홀에서의 교환을 반영한 지표면 침수 발생과 확산을 연속적으로 재현하고, Fig. 2를 통해 이러한 연구 방법을 개략적으로 도식화하였다.
3. 모형의 적용
3.1 연구유역 및 강우
본 연구는 포항시 냉천 하류부를 연구유역으로 설정하였고, 유역 면적은 약 16.47 km2이다. 냉천은 북구 두호동에서 발원하여 포항운하를 거쳐 영일만으로 연결되고, 연구 유역 내 토지이용은 주거, 상업, 공업 등의 복합 기능들이 혼재되어 있다. 상류에는 완만한 지대와 농경지가 분포하고, 하류로 갈수록 충적 평야가 발달하여 하천과 시가지가 밀접하게 접해있다. 이로 인해 하천과 인접한 저지대는 범람에 상대적으로 취약한 특성을 보인다.
기후적으로 포항시는 연평균 강수량이 약 1,356.4 mm로 경상북도 평균(1,291.6 mm)보다 높은 수준이며, 연강수량의 60% 이상이 6월에서 9월 사이에 집중된다(Pohang Carbon Neutrality Support Center, n.d.). 이러한 특성으로 인해 여름철 태풍 발생 시 단시간동안 고강도 강우가 발생하고, 특히 도시 관망과 연결된 외수위 상승이 겹칠 경우 배수 능력이 급격히 저하되는 경향을 보인다. 태풍 힌남노(2022년 9월 6일)는 최근 포항시에서 발생한 홍수 사건 중 가장 큰 피해를 유발한 사례로, 하천 범람과 내수 월류 및 지하공간 침수 등 도시 인프라의 복합적 피해를 야기했다. 당시 포항의 일 누적 강수량은 342.4 mm로 기록되었으며(KMA, 2022), 본 연구에서는 이를 대표 극한 호우사상으로 선정하여 기상청 기상자료개방포털에서 제공하는 종관기상관측(ASOS)로써 포항관측소에서 관측된 5분 단위 강우 시계열을 입력자료로 활용하였다(Fig. 3). 추가적으로, 강우 공간 분포의 보조 검증을 위해 기상청 자동기상관측시스템(AWS)의 구룡포, 호미곶, 감포, 토함산 자료와 환경부 T/M (수문자동측정망)의 화산, 덕동, 국당 관측소 자료를 함께 검토하였다. 다만 덕동과 호미곶 관측소에서는 2022년 9월 6일 05:00 이후 일부 시점에서 결측이 발생하였으며, 두 지점 모두 냉천 유역과의 거리가 상당히 이격되어 본 연구의 주 분석 입력자료에는 직접 반영하지 않았다. 태풍힌남노 강우 분석 결과, 2022년 9월 5일 17:00부터 9월 6일 09:00까지 16시간 동안 누적 강우량은 379 mm, 최대 시간 강우 강도는 91.2 mm/h로 나타났다. Table 1은 지역빈도해석을 통해 추정된 빈도 및 지속시간별 확률강우량을 나타내며, 해당 자료 기준으로 태풍 힌남노는 16시간 기준 500년 빈도 확률강수량(357.7 mm~368.8 mm) 수준으로(Gyeongbuk Sinmun, 2022), 해당 유역의 방재계획 설계빈도를 상회하는 고강도 강우에 해당한다. 따라서 본 연구에서는 이를 Direct Rainfall Modelling 기법의 성능을 비교·검증하는 입력 강우 자료로 활용하였다.
Table 1.
Regional frequency analysis–based design rainfall estimates for the Pohang station
3.2 DRM 모형 구축
3.2.1 관망 네트워크
침수해석을 위한 유역 경계는 지형적 배수체계와 관망 유입 특성의 일치성을 기준으로 설정하였다. 우선, DEM을 활용해 표고 분포와 주요 유로선을 분석하여 하천(냉천 본류 및 지류)의 지형적 분수계를 분석하였다. 이후, 본 연구에서 InfoWorks ICM을 이용해 구축한 관망 네트워크의 실제 유입·배출 흐름 방향을 반영하여, 지표 배수 경로와 관거 흐름이 일관되도록 유역 경계를 설정하였다. 이를 통해 하천 합류부와 주요 맨홀·토실의 배수 영향권이 일치하는 세부 유역을 정의하였으며, 최종 경계는 고저차·배수방향·실제 침수 이력 지역을 종합 고려하여 확정하였다. 이러한 절차를 거쳐 구축된 침수해석용 유역 경계는 Fig. 4(a)에 제시하였다.
Fig. 4(b)는 GIS상 구축된 관망 네트워크이다. 사용된 노드는 1,396개로 이 중 맨홀 1,343개와 방류구 53개로 구성된다. 이때, 연구 유역 분석에 고려된 관거는 600mm 이상의 관을 고려하였다. 맨홀 입력자료는 지반고(ground level) 및 맨홀 바닥고(invert level)를 포함하고, 좌표 정보를 정합하여 공간적으로 일관된 데이터셋을 구축하였다. 또한 관망의 방류구는 총 53개로, 이 중 자유 방류구 1개와 하천 수위가 연동된 방류구 52개로 구분된다. 자유방류는 임계수심 조건을 가정하였고, 하천 수위가 연동된 방류구는 Outfall-2D 방식으로 구현하였다.
노드와 연결되는 관거 링크는 총 1,281개로, 형상별로는 원형 903개, 사각 372개, 사변형 6개로 분류된다. 각 관거는 단면 치수(내경·폭·높이), 종단 구배, 관저 표고 및 연결 관계를 시설 도면에 따라 입력하였다. 또한 재질별 특성을 고려해 Manning 조도계수는 원형(CIRC) 0.013, 직사각형(REC) 0.015, 수평과 수직 비율이 2:1인 사다리꼴(OT2:1) 0.020으로 구분 적용하였다(ASCE, 1982). 유역내 구축된 관망 네트워크는 FIg. 4(b)와 같다.
3.2.2 지형 및 격자 구축
지형은 도시 침수해석에서 유량의 흐름 경로, 범람 양상, 저지대 침수 분포를 결정하는 가장 핵심적인 요소로, DRM 기법의 정확성을 좌우하는 주요 인자이다. 본 연구에서는 지형 정보를 최대한 상세하게 구축하기 위해, 먼저 냉천 하도에 대한 하천기본계획(GB, 2024)수립 당시 측량한 종·횡단 단면자료를 활용하였다. 이후 이 단면 정보를 고해상도 수치표고모델(DEM)과 결합·보간하여 제내지-제외지가 연속적으로 연결된 단일 지형자료를 구축하였으며, 연구 유역 전체 DEM과 통합함으로써 하천과 배후지 지형이 일관되게 연계되도록 하였다. 이렇게 구축된 지형자료는 유량 이동 경로, 하도 범람, 배후 저지대의 침수 분포를 정밀하게 모의하는 기초 자료로 사용된다.
이후 해당 DEM을 기반으로 InfoWorks ICM의 메쉬 생성 기능을 이용하여 비정형 삼각 격자망 705,910개를 구축하였다. 삼각 격자의 해상도는 최소(7m2) 및 최대(10m2) 크기로 설정하였으며, 지형에 민감한 메싱기법을 사용하여, 도시 저지대, 산악 인접부, 그리고 하천 인접부의 미세지형을 반영하기에 충분하도록 설정하였다. Fig. 5는 지반고(m)를 바탕으로 생성된 격자를 나타내며, 하천지역과 산악지역의 고도가 급변하는 구간에서 삼각 격자가 더 세밀하게 분할되어 있음을 보여준다. 이렇게 구축된 고해상도 격자는 강우가 직접 분포되는 DRM 기법에서 빗물이 실제 지형을 따라 모이고 흘러가는 과정을 보다 자세히 반영할 수 있게 한다.
지표 특성을 구축된 각 격자에 반영하기 위해 토지이용도를 기반으로 침투구역(Infiltration Zones)과 조도구역(Roughness Zones)을 구분하였다. 냉천 유역은 총 1,942개의 영역(polygon)으로 세분화되었으며, 각 영역은 19가지 토지이용 분류로 정의되었다. 침투 매개변수는 SCS 토양형에 따른 Horton 식의 매개변수(Autodesk, 2025)를 참조하여 산정하였으며, 초기 침투율, 최소 침투율, 감소계수의 조합으로 각 토양군 특성을 반영하였다. 또한 표면 조도는 Manning의 조도계수(McCuen et al., 2002)에 근거하여 토지이용별로 0.011~0.8 범위에서 차등 적용하였다. Table 2에서 토지이용도별 침투 및 조도의 매개변수 값을 보여주며, Fig. 6은 GIS상 구축된 토지이용도를 구역별로 상이한 색으로 보여준다. 또한 구축된 polygon 및 매개변수는 InfoWorks ICM에서 공간데이터로 입력되며, 구축된 705,910개 격자에 각자 매칭된다. 이를 통해 격자 단위의 유동계산에서 강우의 침투, 지표유출, 저류 과정을 보다 실제 조건에 가깝게 반영하고자 하였다.
Table 2.
Parameters by land use
한편, 지형·토지피복 정보를 격자 단위까지 세분하여 반영하였음에도, 실제 도시 공간에서는 고층·중층 건물이 유출 특성에 추가적인 영향을 줄 수 있다. 선행 연구에 따르면, 단일 또는 소수의 고층 건물을 대상으로 지붕과 벽면을 분리하여 모의할 경우, 벽면을 따라 유출이 집중되면서 유출량과 첨두유량이 증가하는 한편, 지붕에서 지표로 내려오는 경로가 길어져 도달시간이 다소 지연되는 상반된 효과가 함께 나타나는 것으로 보고된다(Yoo et al., 2021; Cho and Yoo, 2020). 다만 이러한 연구들은 제한된 건물 구역을 대상으로 한 실험적·소규모 사례가 대부분이며, 다수의 건물이 밀집한 실제 도시 전체를 대상으로 DRM에 건물 형상을 정밀하게 반영한 사례는 아직 충분히 축적되어 있지 않다. 본 연구에서는 냉천 하류부 전체를 대상으로 하천-지표-관망을 연계한 침수해석에 중점을 두었기 때문에, 개별 건물 형상은 지형·토지이용에 기반한 고조도·저투수 영역으로 단순화하여 반영하였으며, 건물 밀집지역의 상세 유출 특성까지 포함하는 DRM 기반 정밀 해석은 향후 별도의 심화 연구로 수행할 가치가 있다고 판단하였다.
3.3.4 경계조건
냉천 유역의 유입 홍수량은 HEC-HMS를 이용해 산정하였으며, 모형의 유역 분할과 수문 매개변수는 냉천 하천기본계획(GB, 2024)에서 제시된 값을 그대로 사용하였다. Fig. 7은 홍수량 산정 유역과 및 홍수량 산정 지점과 하천의 위치 정보를 보여주고 있다. 본 연구에서는 NC00~NC03의 유역면적·유로연장·하상경사·형상계수는 하천기본계획의 GIS 분석 결과를 적용하고, 도달시간은 환경부 홍수량 산정 표준지침에서 제안한 서경대 공식으로 산정된 값을 사용하였다. 또한 유역저류상수는 Clark 유역추적법에 따라 산정된 결과, 유출곡선지수(Curve Number)는 토지이용 및 토양조건을 고려해 산정된 소유역별 CN 값을 그대로 인용하여 HEC-HMS의 NRCS 유효우량 모듈에 적용하였다. 이와 같이 검증된 유역·매개변수 체계를 유지한 상태에서, 기존 하천기본계획에 사용된 설계 확률강우 대신 태풍 힌남노(2022)의 5분 단위 실측 강우를 입력하여 NC0~NC3 지점의 시계열 홍수량을 재계산하였다.
이때 신광천 합류 후 냉천 지점(NC03)에서 산정된 홍수수문곡선은 신광천 및 냉천 상류 유역 전체에서 발생한 유출(진전지·오어지 상류 유역 포함)이 자연월류를 통해 하류로 전달된 결과를 반영한 값이다. 하천기본계획에서는 진전저수지와 오어저수지를 자연월류 저수지로 간주하고, 홍수조절능력은 “기대하기 어렵다”는 결론에 따라 계획홍수량 산정에서 별도의 저류·조절 효과를 차감하지 않으며, 상류 유역에서 발생한 유출을 그대로 하류 홍수량에 포함시켜 산정하고 있다. 본 연구의 HEC-HMS 계산도 동일한 유역 체계와 매개변수를 사용해 힌남노 강우를 적용하였으므로, NC03 지점 홍수량에는 진전지·오어지에서 월류된 유량이 이미 포함되어 있다고 해석할 수 있다.
2차원 침수모형에서는 상류 유입과 지류 유입을 분리 반영하기 위해, NC03 지점 누가홍수량과 상류 NC02 지점 누가홍수량의 차이를 ‘신광천 합류 후~영산천 합류부까지’ 유역에서 발생한 홍수량으로 간주하여 영산천 합류부 유입 포인트로 부여하였다. 같은 방식으로, NC02 지점과 최하류 NC00 지점 누가홍수량의 차이는 ‘영산천 합류 후~세계천 합류부까지’ 유역에서 발생한 홍수량으로 보고 세계천 합류부 유입 포인트로 입력하였다. 이론적으로는 NC01~NC00 구간을 별도 유역으로 분리할 수 있으나, 해당 구간 유역면적이 전체 냉천 유역에 비해 매우 작고, 하천기본계획에서도 NC01·NC00을 통합하여 하류 유역으로 취급하고 있어, 본 연구에서는 NC01· NC00을 합산한 누가홍수량을 사용해 세계천 유입량을 계산하였다. Fig. 8(a)는 이러한 상·하류 및 지류별 유입·방류 경계조건의 적용 위치를, Fig. 8(b)는 각 지점별 시계열 유입 홍수량을, Fig. 8(c)는 포항 조위관측소 실측 조위를 나타내고 이를 하류단 경계조건으로 적용하였다(KHOA, 2025).
4. 연구 결과
4.1 Direct Rainfall Modelling 기반 침수 분석 결과
격자에 직접 강우를 적용하여 수행한 DRM 기반 침수 해석 결과, 침수의 시간적 전개와 공간적 분포가 뚜렷하게 재현되었다. 9월 6일 00시경부터 국지적인 침수가 발생하기 시작하여 이후 점차 침수 면적이 확대되었다. 특히 03:30경부터 침수심과 침수면적의 증가 속도가 급격히 빨라졌으며, 대략 07:00 사이에 최대 침수가 발생한 것으로 분석되었다. 이후 강우가 소강 상태에 접어들면서 침수는 점차 감소하는 양상을 보였다. Fig. 9(a)는 해당 모의 시간동안 각 격자에서 분석된 최대 침수심을 종합한 침수지도이다.
Figs. 9(b)~9(d)에서 여러 지역의 침수지도를 나타내며, 다른 저역에 비해 상대적으로 침수가 크게 발생한 것으로 분석된다. 우선 Fig. 9(b)에서, 이마트 포항점 일대는 침수심이 약 1.0~2.0 m 범위로 나타났으며, 인덕초등학교와 인근 도로 구간에서는 1.5~2.5 m 수준의 깊은 침수가 발생하였다. 냉천로 구간 역시 최대 2.0 m까지 침수되어 교통 단절 가능성이 높은 것으로 분석된다. 주거 지역에서는 우방신세계아파트 단지에서 1.0~1.8 m의 침수가 나타났고, 인덕교 우안 도로에서도 최대 2.0 m에 달하는 침수가 발생하였다. 또한 Fig. 9(c)에서는 남측으로 이어지는 해병로와 주변 아파트와 주택 단지에서도 0.5~1.0 m 수준의 침수가 넓은 지역에 분포하였다. 특히 광명천 합류지점에 위치한 용산2리(Fig. 9(d)) 일대에서는 최대 침수심이 2.0 m를 초과하는 것으로 분석되었다.
Fig. 9(a)에서 P1~P4는 교량이 위치한 지점이며, P1은 문덕교, P2는 원영교, P3는 인덕교, P4는 냉천교이다. 각 지점별 하천 범람 특성을 분석하기 위하여 단면 추출하고, 각 지점의 최대 침수 수심을 산정한 결과, 교량별 공간적 차이가 뚜렷하게 확인되었다(Fig. 10). 또한 본 연구의 모형에서 산정된 각 교량 위치의 하천 단면(Figs. 10(a), 10(c), 10(d) and 10(e))을 하천기본계획에 제시된 단면(Fig. 10(b), 10(d), 10(f) and 10(i))과 비교하였다. 모형에 적용된 지형자료는 비정형 삼각격자를 기반으로 구축되었으며, 격자화 과정에서의 위치 오차로 인해 일부 단면 형상에 미세한 차이가 발생하였으나, 전체적인 형상은 계획 단면과 유사한 경향을 보였다.
문덕교(P1)와 구간은 제방 범람은 발생하지 않았으나, 하천 단면 내 수위가 상승하여 제방 여유고가 크게 축소되는 것으로 나타났다(Fig. 10(a)). 이는 향후 설계빈도 이상의 강우가 발생할 경우 범람 위험이 잠재되어 있음을 시사한다. 반면, 원용교(P2)에서는 06:30~08:00 사이에 제방 월류가 발생하여 우안부 도로로 유입되는 침수가 모의 되었고(Fig. 10(c)), 인덕교(P3)에서는 좌안과 우안 제방 모두에서 범람이 발생하였다. 특히 인덕교 일대는 05:00~10:00 동안 광범위한 침수가 이어졌으며, 침수 수심은 약 2 m에 달하는 것으로 분석되어 구조적·지형적 취약성이 뚜렷하게 드러났다(Fig. 10(e)). 냉천교(P4) 구간에서도 좌안 제방을 따라 월류가 발생하였으며, 침수심은 제방 상부에 근접하는 수준으로 확인되었다(Fig. 10(g)).
4.2 관측데이터 기반 침수심 비교
또한, 실제 확보 가능한 CCTV 영상과 사진 등 관측 자료가 존재하는 지점을 중심으로 침수심 검증을 수행하였다. 검증 대상은 우방신세계타운 1차 아파트, 오천시장 인근 도로, CU 포항오천점 앞 도로, 오천읍 주택가, 이마트 포항점 주차장 등 비교적 관측이 가능한 구역으로 한정하였다. 해당 지점의 침수심은 지형에 따라 다르게 분석되기에 분석 구역의 최소 침수심에서 최대 침수심까지 범위를 비교하였다. 각 구역별 출처는 Table 3에 명시하고 있다
Table 3.
Photo source
Fig. 11는 A~F의 총 6지점에 대한 침수심을 비교한 사진이다. A 지점인 우방신세계타운 1차 아파트에서는 지하주차장 및 지상주차장에서 침수가 발생하였다(Fig. 11(b)). 관측 사진 속 차량의 침수심을 근거로 침수심은 약 1.0~1.2 m 범위로 추정되며, 수치모의 결과는 1.2~1.6 m 수준으로 나타났다. 해당 구간에서 지하공간으로 대량의 유입이 발생한 것으로 판단되며, 이로 인해 관측값과 모의 값의 차이가 발생한 것으로 판단된다. B 지점인 오천시장 방면 도로에서는 윙바디 트럭이 침수된 높이를 근거로 약 0.9 m로 관측되었고, 모형 결과 역시 범위 내인 0.4~0.9 m로 거의 일치하였다(Fig. 12(b)). C 지점인 CU 포항오천점 앞 도로는 중앙분리대 높이를 기준으로 약 0.3 m가 확인되었으며, 모형은 0.1~0.3 m로 유사하게 나타났다(Fig. 12(c)). D 지점인 오천읍 주택가 도로에서는 승용차 바퀴가 전부 잠긴 상태가 확인되어 약 0.7 m로 추정되었고, 모형 결과는 0.5~0.9 m 범위로 제시되었다(Fig. 12(d)). E 지점은 이마트 포항점 주차장으로, 1톤 트럭의 침수 깊이를 기준으로 약 1.2 m 침수가 관측되었으며, 모형 결과는 1.0~1.4 m 범위로 분석되었다(Fig. 13(b)). F 지점 역시 1톤 트럭의 침수를 기준으로 약 1.2~1.4 m 침수가 확인되었고, 모형은 1.3~1.7 m 범위를 보여 근사한 결과를 나타냈다(Fig. 13(c)).
Table 4는 구역별 관측 사진을 바탕으로 추정한 침수심과 모의로 산정한 최대 침수심을 정리하였다. 또한 Fig. 14에는 네 개의 대표 구역(A, B, D, E)에 대한 시계열 침수심을 제시하였으며, 관측 기반 추정치는 빨간 선, 모의 결과는 파란 선으로 표시하였다. 시간대 비교 결과, A·E 구역의 최대 침수심은 대체로 9월 6일 오전 8시 전후에 발생한 반면, B 구역은 오전 6시경으로 나타났다. 이러한 시점은 태풍 힌남노가 오전 8시 전후 포항 지역을 통과하며 침수 피해가 집중된 상황과도 부합한다. 종합하면, DRM 기반 침수모형은 관측 추정 침수심과 대체로 근사한 값을 보였으며, 시간적·공간적 침수 특성을 정량적으로 재현하는 데 유효함을 확인하였다.
5. 결 론
본 연구는 2022년 태풍 힌남노 사례를 중심으로 포항 냉천 하류부를 연구 지역으로 선정하여, InfoWorks ICM의 Direct Rainfall Modelling (DRM) 기법을 적용한 도시 침수 해석을 수행하였다. 연구 과정에서는 본류(냉천)과 지류(신광천, 광명천 등)의 유입량과 하류 조위를 동시에 경계조건으로 반영하였다. 또한 고해상도 DEM과 토지이용도를 기반으로 격자를 구축하고, 토지피복별 침투계수와 Manning의 조도계수를 공간적으로 차등 적용함으로써 실제 지형·토지 특성이 침수 확산 과정에 미치는 영향을 반영하였다. 이를 통해 격자별 시계열 강우 적용에 따른 침수 발생, 확산, 잔류 양상을 일관적으로 추적하였으며, 태풍 힌남노 당시 주요 도로 및 주거·상업 지역에서 1.0-2.5 m 깊이의 침수가 발생하는 과정을 재현하였다. 이후 모의 결과는 CCTV 영상과 현장 사진에 기반한 관측 기록과 시·공간적으로 높은 정합성을 보였다.
이러한 결과는 DRM 기법은 단순한 유출량 계산을 넘어, 국지적인 침수의 발생 위치와 확산 경로를 직접적으로 모의할 수 있음을 보여준다. 특히 본 연구에서의 DRM 해석은 배수능 저하, 역류, 저지대 집중 등 다양한 침수 원인을 정밀하게 고려한 침수를 재현하는 데 효과적이었다. 이는 기존의 소유역 기반 유출량 산정 기법에 비해 도시 침수 현상을 보다 직관적이고 세밀하게 재현할 수 있다는 점에서 큰 장점을 갖는다.
본 연구 성과는 침수 취약지구 지정, 우선 보강 대상 구역 선정, 배수펌프 및 수문 운영 지침 마련 등 실무적 의사결정 과정에서 유용한 근거로 활용될 수 있다. 더 나아가, 기후변화로 인한 단시간 집중호우와 외수위 상승이 복합적으로 작용하는 도시 환경에서 DRM 기반 해석은 침수 예측 및 대응 체계의 신뢰도를 높이는 핵심 기술로 자리매김할 수 있다.
다만, 본 연구는 단일 극한사상에 국한되었고, 관측 기반의 정량 검증 자료가 제한적이었다는 점에서 일반화에 한계가 있다. 또한 격자 해상도, 토지이용별 조도계수, 침투 매개변수 등의 불확실성이 결과에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 한계를 보완하기 위해 향후에는 다양한 강우·조위 조합 사례에 대한 다사상 검증, 고해상도 레이더 합성강우(HSR) 자료 활용, 격자 및 매개변수 민감도 분석이 필요하다. 이러한 후속 연구는 DRM 기법의 신뢰도를 강화하고, 실시간 의사결정 지원 시스템과의 연계 가능성을 넓혀 도시 회복탄력성 제고에 기여할 것이다.
결국 본 연구는 DRM 기법의 국내 적용성과 검증 가능성을 실증적으로 제시함으로써, 도시 침수 분석 분야에서 학문적·실무적 의의를 동시에 갖는다. 특히 향후 다양한 자료와 기법을 보완하여 연구를 확장한다면, DRM 기반 해석은 기후위기 시대 도시 홍수 위험 관리의 핵심적 도구가 될 것으로 기대된다.
