1. 서 론
2. 연구방법
2.1 SWMM 모형
2.2 FLO-2D 모형
2.3 LSSI 기법
2.4 분석방법
3. 침수분석 결과
3.1 보성군 보성읍(집중호우, 2018. 07. 01.)
3.2 경주시 안강읍(태풍 “산바”, 2012. 09. 17.)
3.3 울진군 울진읍(태풍 “미탁”, 2019. 10. 02.)
3.4 포항시 용흥동(집중호우, 2005. 08. 25.)
3.5 김해시 활천동(집중호우, 2005. 08. 25.)
3.6 제주시 삼도2동(태풍 “차바”, 2016. 09. 28.)
3.7 부안군 부안읍(집중호우, 2008. 08. 16.)
3.8 청주시 충북대학교(집중호우, 2012. 08. 15.)
4. 결 론
1. 서 론
기후변화에 따른 이상강우 및 강한 태풍이 자주 발생하고 있다. 2012년(태풍“산바”), 2016년(태풍“차바”), 2018년(집중호우), 2019년(태풍“미탁”) 등이 발생하였으며, 특히 최근 2020년 6월 24일부터 8월 16일까지(54일간) 역대 최장기간 장마가 이어져 한반도에 최대 920 mm 이상의 강우가 발생하여 침수 비해가 발생하였다. 또한 태풍 “바비”, “마이삭”, “하이선”이 2주간격으로 내습하여 침수피해가 곳곳에서 발생하여 인명과 재산피해가 발생하였다.
도시 지역의 침수 피해는 내수침수가 73%이며, 외수범람이 27%를 차지하고 있다. 내수침수는 지형적인 저지대 문제(22%)와 배수능력 부족(14%), 하천의 수위 상승으로 인한 배수불량(14%), 하수역류 노면배수(13%), 하수관거 용량부족(11%)등이 있다(Shon et al., 2010).
이런 내수피해 원인은 도시화에 따른 하천변 저지대 개발과 불투수 지역의 증가가 큰 영향을 미친다. 이는 첨두유량의 증가 및 도달시간이 단축되어 홍수의 위험성이 매우 증가하여 침수 발생 위험성이 증가시키는 원인이 된다. 이러한 도시지역의 강우흐름은 대부분 지표 흐름이나 우수관로를 통한 내수배제가 발생한다. 도시침수의 양상을 보면 하천수위 상승으로 인한 내수배제 불량, 우수관로 통수능력 부족으로 인한 지표흐름이 발생하게된다. 지표흐름이 발생하면 도지지역의 상대적인 저지대로 지표흐름이 발생하며 우수쏠림 현상으로 쉽게 침수가 발생할 가능성을 지니고 있다.
침수관련 연구동향을 보면 Dutta and Herath (1998)은 자산가치를 조사한 자료와 홍수범람모형을 GIS와 연계한 FDA (Flood Damage Assessment Methodology)을 개발하였다. Tate (1999)은 HEC-RAS와 ArcView를 이용하여 침수흔적도를 작성하였다. MLIT (2000)에서는 기존의 “치수경제조사요강”의 방법을 보완 및 발전시켜 “치수경제조사메뉴얼”을 발간하였다. Biza et al. (2001)은 자산정보, 경제적 자료, 수문자료 등을 GIS와 연계한 FAT (Flood Analysis Toolbox) 홍수피해 산정모형을 개발하였다. Beffa and Cnonell (2001)은 2차원 범람모형인 Hydro2de 모형을 개발하여 제내지의 지형특성과 격자생성조건에 대해 검토하였으며 Waihao 강의 홍수터에 적용하여 안정성 및 정확성을 분석하였다.
본 연구에서는 침수분석 프로그램 중 XP-SWMM은 수리·수문분석을 바탕으로 지형자료, 우수관로 및 방재시설을 적용하여 비교적 현실과 비슷한 상황을 반영 할 수 있도록 되어있으나, 모형 구축에 많이 시간이 필요하다. 반면에 FLO-2D의 경우 지형자료를 이용하여 지표수 흐름과 하도내의 홍수-수문곡선과 강우-유출곡선을 추적 할 수 있도록 되어 있어 비교적 간단하고 빠르게 분석 할 수 있다. 특징이 다른 두 모형을 비교분석하여 목적과 상황에 맞는 모형을 선택할 필요가 있다.
2. 연구방법
내수침수 피해가 발생한 지역 중 침수흔적이 조사되어 있는 8개 도시지역을 선정하여 내수 침수 분석을 실시하였다.
2.1 SWMM 모형
SWMM모형은 U.S.EPA에서 개발된 모형으로, 도시유역이나 인위적인 배수계통을 갖는 유역에서 강우사상으로 인해 발생하는 지표면 및 지표하 흐름, 배수관망에 대한 유출량 추적 등 강우-유출 및 하도 추적 모두 가능한 도시유출 모형이다(Huber and Dickinson, 1988). SWMM 모형의 구성은 ① RUNOFF, ② TRANSPORT, ③ EXTRAN, ④ STORAGE, ⑤ EXECUTIVE 등의 5개의 실행블럭들과 5개의 보조블럭들로 구성되며, 126개의 부 프로그램들로 구분되어 계산을 수행한다. 다음 Fig. 1은 SWMM 모형의 실행블럭과 보조블럭을 개념적으로 도시하였다.
유출 해석방법은 비선형 저수 방법, 운동파 방법, Laurenson 비선형 방법, 시간-면적 방법 Clark 유역추적법 등을 사용하며, 도달시간 저류상수 등을 산정하여 유출량을 산정한다. 팀투량 산정방법은 Horton식, GreenAmpt식 CN을 사용하여 침투량을 산정 할 수 있다.
SWMM에서 관거의 물 흐름을 추적하는 방법에는 비선형 저수지 방법과 운동파(kinematic wave) 추적법, 동역학파(dynamicwave) 추적법이 있다. 동역학파의 지배방정식은 1차원 점변 부정류의 연속방정식과 운동량방정식이다. SWMM은 링크의 유량 Q를 계산하기 위하여 두 식을 하나로 변형한 식(Eq. (1))을 사용한다.
여기서, A는 흐름 면적, x는 관이나 수로를 따른 거리, t는 시간, g는 중력가속도, H = z + h는 수두, z는 관거의 바닥 높이, h는 수심, Sf는 에너지경사이다.
2.2 FLO-2D 모형
FLO-2D 모형은 1988년에 미국 콜로라도 주의 보험용 도시 침수 가능지역을 파악하기 위하여 처음 개발되었다. FLO-2D는 체적을 보존시키면서 홍수의 추적을 재현해내는 모형으로 홍수 재해, 홍수 침수 가능지역, 홍수 피해저감 등에 유용하게 사용될 수 있다. 기본적으로 지표면 홍수 모의를 시작으로 다양한 지형적 요건 즉, 도시지역의 건물, 교량, 제방 등의 유동 장애물, 유동 경로에서 손실 등에 대한 구성 요소를 시뮬레이션에 추가 할 수 있다. FLO-2D 모형은 미국 연방방재청인 FEMA에 의하여 공인된 모형이라 신뢰성이 높다.
FLO-2D 모형은 GDS, MAPPER++ 등이 있어 자동적으로 침수 구간을 구별해낼 수 있으며, 결과를 그래프 처리하여 보여준다. 전통적인 홍수 해석인 하천제방 월류는 물론이거니와 자연 지형이나 하천 지류, 토석류, 도시 홍수 등도 모의가 가능하다. 강우-유출 모의도 가능하다.
2.3 LSSI 기법
LSSI (Lee-Salle Shape Index)는 비교대상간 교차면적을 계산하여 공간적인 위치 정확도를 측정하는 것이다. 즉, SWMM 분석결과와 FLO-2D 분석결과의 교집합 면적과 합집합 면적으로 나누어 일반화된 지수 형태로 값을 산출하여 두 자료간의 공간적인 위치 부합정도를 측정하는 지수이다. 이러한 LSSI는 일반화된 지수 형태로 값을 산출하여 기준 자료와 측정자료의 위치 정확도를 측정 할 수 있는 방법으로 0과 1사이의 값을 가지며 값이 1에 가까울수록 공간적 일치도가 높다(Eq. (2)). 이러한 특징에 의해 LSSI는 공간적인 부합정도(Table 1)를 참고하기에 상당히 효율적인 방식이다. (Chung et al., 2007).
여기서 A는 XP-SWMM 침수모의 면적, B는 FLO-2D 침수모의 면적이다. 예를 들어, XP-SWMM 침수모의(A)의 면적을 산정하고 FLO-2D 침수모의 (B)의 면적을 산정한 후, 두 침수면적의 교집합을 합집합으로 나눈 것이 LSSI 방법이다.
Table 1.
LSSI method
| Range (%) | Deg. of Accuracy |
| 40.0 over | Excellent |
| 30.0 over | Good |
| 20.0 over | Fair |
| 10.0 over | Poor |
| 5.0 over | Fail |
2.4 분석방법
본 연구대상지는 침수흔적도가 있는 지역을 대상으로 검토하였다. 검토대상지(Fig. 2)는 총 8곳으로 Table 2에 검토대상지 및 침수피해 발생시기 총강우량을 제시하였다.
Table 2.
Target area
강우자료(Fig. 3)는 침수발생당시 인근 기상관측소의 실강우사상을 적용하였으며 강우시간 간격은 10분을 적용하였다. XP-SWMM에서 적용된 우수관로는 우수관로 전산자료 및 수리계산서를 사용하였으며, 홍수량 산정방법은 도심지임을 감안하여 지체시간이 없는 시간-면적법을 적용하여 산정하였다.
지형자료는 1:5000 전자지도를 이용하여 지표흐름 분석에 사용하는 TIN 파일, DEM 파일을 생성하였다.
모형의 정확도를 높이기 위하여 침수흔적도를 바탕으로 XP-SWMM에서 검·보정을 실시하였다. 그 후, XP-SWMM 모형을 이용하여 유출량 산정 및 1차원 관거 해석과 월류된 우수의 지표수 흐름을 해석하였으며, 지표수 흐름을 비교하기 위하여 XP-SWMM에서 발생한 유출량을 FLO-2D에 적용하여 지표수 흐름 분석을 실시하였다. 두 모형에서 계산된 지표수 흐름에 의한 침수면적의 정확도를 측정하기 위하여 LSSI기법을 적용하여 비교하였다.
3. 침수분석 결과
검토대상지에 대한 침수흔적도, XP-SWMM 및 FLO-2D에 대한 침수분석한 결과는 Fig. 3, LSSI 분석결과는 Table 3과 같다. 침수흔적도는 조사원들의 주관적인 사항이 포함되어 있고, 모형에서의 지형자료는 수지지형도(Fig. 4) 자료를 인용하여 일부구간 왜곡이 발생함으로 인하여 침수흔적도 및 모형의 침수분석 (Fig. 5)은 참고자료로 사용하였다. 침수분석 결과는 Table 4에 제시하였다.
Table 3.
XP-SWMM flood discharge analysis result
Table 4.
LSSI analysis result
3.1 보성군 보성읍(집중호우, 2018. 07. 01.)
보성군 보성읍의 2018. 07. 01 집중호우에 의한 강우로 1일강우 230.0 mm가 발생하였다. 보성읍의 지형은 보성초등학교 방향으로 산지가 형성되어 있고, 보성역 지점은 저지대로 상습침수구역으로 확인되었다. 보성읍의 유역면적은 63.32 ha이며, 침수발생시 유역에서 발생하는 첨수홍수량은 9.80 m3/s로 분석되었다. 침수분석을 한 결과 저지대인 보성역 주면으로 침수가 주로 발생하였으며, LSSI 분석결과 49.88%로 Excellent로 분석되었다.
3.2 경주시 안강읍(태풍 “산바”, 2012. 09. 17.)
경주시 안강읍은 2012.09.17. 태풍 “산바”에 의해 침수가 발생하였으며 1일 최대강우는 138.4 mm가 기록되었다. 안강읍의 경사는 서측인 안강여자중학교 인근에서 안강역방향으로 지형이 형성되어 있으며 안강청소년문화의집 인근이 상대적인 저지대로 유수가 집중되어 침수가 자주 발생한다. 안강읍의 유역면적은 194.84 ha이며 유역에서 발생하는 첨두홍수량은 10.71 m3/s로 분석되었다. 침수분석 결과, 지형이 낮은 저지대로 지표흐름이 발생하여 침수가 발생하였다. LSSI 분석결과는 56.56%로 Excellent로 분석되었다.
3.3 울진군 울진읍(태풍 “미탁”, 2019. 10. 02.)
울진군 울진읍은 2019. 10. 02. 태풍“미탁”에 의해 침수가 발생하였으며, 1일 최대강우량은 555.1 mm를 기록하였다. 울진읍의 경우 오목한 그릇 모양으로 울진경찰서 주변이 저지대로 분석되었으며 강우발생시 주면 유수가 유입되어 침수가 발생하는 지역이다. 울진읍 유역면적은 52.34 ha이며 유역에서 발생하는 첨두홍수량은 10.72 m3/s로 분석되었다. 침수분석 결과, 지형 형상과 같은 저지대 주변으로 침수가 발생하였으며, LSSI 분석은 71.68%로 Excellent로 분석되었다
3.4 포항시 용흥동(집중호우, 2005. 08. 25.)
포항시 용흥동은 2005. 08. 25. 집중호우로 인하여 침수가 발생하였다. 1일 최대강우량은 121.5 mm를 기록하였다. 지형 형태는 서측은 산지로 높고 경가가 급하며, 동쯕은 완만한 평탄한 지형으로 되어 있다. 침수가 발생한 지점은 죽림사와 죽도시장 일대로 죽림사 일대는 지대가 낮아 유수가 지표흐름을 통하여 모이는 곳이며, 죽도시장은 평탄한 지역으로 유수가 주변으로 분한, 방류가 이루어지지 않는 지역이다. 용흥동 유역면적은 1141.02 ha이며 유역에서 발생하는 첨두홍수량은 70.04 m3/s로 분석되었다. 침수분석 결과, 죽임사 일대로 유수가 쏠리는 것을 확인되었으며, 죽도시장인근은 주변으로 퍼지는 현상이 확인되었다. LSSI 분석은 31.99%로 GOOD으로 분석되었다.
3.5 김해시 활천동(집중호우, 2005. 08. 25.)
김해시 활천동은 2011.07.27. 집중호우로 인한 침수가 발생하였으며, 1일 강우량은 207.0 mm로 조사되었다. 활천동의 지형은 북측은 산지로 경사가 급하며, 남측은 경사가 완만한 평탄한 지역으로 남쪽 방향으로 경사가 형성되어있다. 주 침수발생지역은 김해고등학교 주변으로 주변 지형보다 낮은 상대적 저지대에 위치하여 침수가 자주 발생한다. 활천동 유역면적은 173.00 ha이며 유역에서 발생하는 첨두홍수량은 32.13 m3/s로 분석되었다. 침수모의 결과, 침수발생지점이 지형 형상에 따라 주로 남측에 위치하고 있으며, LSSI 분석결과 44.16%로 Excellent로 분석되었다.
3.6 제주시 삼도2동(태풍 “차바”, 2016. 09. 28.)
제주시 삼도2동의 경우 2016. 09. 28. 태풍 “차바” 내습당시 1일 최대강우량은 175.0 mm가 기록되었다. 제주도의 지형특성상 해안지역이 지대가 낮고 경사가 완만하여 유수가 집중되는 현상이 발생한다. 삼도2동 유역면적은 20.95 ha이며 유역에서 발생하는 첨두홍수량은 3.69 m3/s로 분석되었다. 침수가 발생한 지역은 해안재방이 인접한 저지대 구간으로 확인되었으며, 침수분석 결과도 같은 양상을 보였다. LSSI 분석은 54.52%로 Excellent로 분석되었다.
3.7 부안군 부안읍(집중호우, 2008. 08. 16.)
부안군 부안읍은 2008. 08. 16. 집중호우 당시 1일 최대강우량 123.5 mm가 기록되었다. 부안읍의 지형은 평탄한 지형이며 일부 상대적 저지대가 형성되어 지표흐름에 의해 침수가 발생하였다. 부안읍 유역면적은 203.46 ha이며 유역에서 발생하는 첨두홍수량은 33.99 m3/s로 분석되었다. 침수분석결과, 침수양상도 주로 저지대에서 침수가 발생하였다. LSSI 분석은 39.88%로 GOOD으로 분석되었다.
3.8 청주시 충북대학교(집중호우, 2012. 08. 15.)
청주시 충북대학교 침수는 2012. 08. 15. 집중호우때 발생하였으며 1일 총강우량은 168.0 mm를 기록하였다. 이곳의 지형특성은 높은 지형으로 되어있는 동측의 충북대학교에서 유수가 저지대인 충북대학교 정문으로 유입되어 침수가 발생하고 있다. 충북대학교 일대 유역면적은 306.59 ha이며 유역에서 발생하는 첨두홍수량은 22.98 m3/s로 분석되었다. 침수분석 결과 저지대인 충북대학교 정문에서 지형 경사를 따라 흐르는 것을 확인하였다. LSSI 분석은 65.04%로 Excellent로 분석되었다.
4. 결 론
본 연구는 침수가 발생한 지역 중 침수흔적도가 있는 8곳에 대하여 도시침수해석 모형인 XP-SWMM 과 홍수추적모형인 FLO_2D 모형을 이용하여 침수면적을 비교하여 FLO-2D 모형의 도시침수 적용성에 대하여 분석하고자 하였다. 침수면적 비교는 비교대상간 교차면적을 계산하여 공간적인 위치 정확도를 측정하기 위하여 LSSI 방법을 적용하였다.
LSSI 방법을 적용하여 두 모형에 대한 침수양상을 비교한 결과 71.68% ~ 31.99%로 Excellent에서 Good으로 분류되었다. 따라서 두 모형간의 침수양상은 비슷한 것으로 확인되었다. 침수양상이 비슷한 원인은 내수침수의 경우 우수관로 통수능력 및 외수위영향으로 내수배제가 잘 이루어지지 않는 원인도 있지만 지형적인 원인에 의한 내수침수 발생으로 침수가 발생한다는 것을 알 수 있다. 지형적인 원인으로 지형 경사에 의한 지표흐름발생으로 저지대에 유수가 집중되는 것을 확인 할 수 있었다. 즉, 우수관로의 설계빈도 이상의 강우, 또는 폐색으로 인한 지표흐름 발생시 침수가 발생하는 위치는 유수가 집중되는 저지대구간이다.
도시침수모형(XP-SWMM)은 우수관로, 방재시설물 등을 구현하여, 침수해소사업, 침수양상 등 다양한 목적에 적용하기 적합한 모형이다. 하지만 모형을 필요한 자료 수급이 어렵고 구축하기 어렵다는 단점이 있다. 그래서 지형자료를 이용하여 지표수 흐름과 하도내의 홍수-수문곡선과 강우-유출곡선만을 이용하여 침수양상을 대략적이고 간편하게 확인할수 있는 홍수추적모형(FLO-2D)을 이용하여도 간편하게 구현이 가능한 것으로 확인되었으며 FLO-2D 모형을 이용하여 도시침수 모의에도 적합한 것으로 판단된다.
