1. 서 론

최근 급격한 도시화와 기후변화로 인해 극한 강우의 발생 빈도가 증가하고 있다(Martel et al., 2021). 또한, 기후변화로 인해 강우 사상의 시간적 패턴과 첨두량이 변화하여 강우 발생 시 도심지의 배수 시스템 성능에 영향을 미치고 있다(Fadhel et al., 2018). 도심지는 대부분이 불투수면으로 피복 되어있으며, 배수 시스템의 설계용량을 초과하는 강우의 발생 시 침수가 쉽게 발생할 수 있는 특성이 있어, 극한 강우로 인한 침수에 특히 취약하다. 또한, 높은 인구 밀도와 주요 인프라가 집중되어 있어 침수와 같은 재난 발생 시 그 피해가 비도심지에 비하여 크게 발생한다.

도심지로 분류되는 지역 내에서도 지역마다 유역 경사, 불투수면 피복 비율, 배수 시스템의 설계용량 등 서로 다른 지역 특성이 존재하기 때문에 도심지 침수 분석은 일반적으로 유역 단위 또는 일정한 연구 영역에 대하여 수행된다. Huang and Jin (2019)은 지리정보시스템(GIS)과 강우-유출 모형인 Storm Water Management Model (SWMM)을 결합한 2차원 침수해석 알고리즘을 제시하고, 중국 Longwen 구역에 대하여 침수해석을 수행하였다. Sidek et al. (2021)과 Bibi et al. (2023)은 강우-유출 해석 및 월류 유량에 의한 2차원 침수해석이 가능한 상용 소프트웨어인 PCSWMM을 이용하여 각각 말레이시아의 Damansara 유역 및 에티오피아의 Robe town에 대하여 침수해석을 수행하였다. Cheng et al. (2020), Chen et al. (2023) 및 Liu et al. (2024)은 각각 중국의 Jinan City의 일부 영역, Zhoukou City 및 Yuelai New Town에 대하여 지속기간 2시간 또는 3시간의 설계 강우에 대하여 첨두 강우 발생의 시간적 변화에 따른 도심지의 침수 경향을 평가하였고, 첨두 강우의 발생이 지연됨에 따라 도심지의 총 침수 면적이 증가하는 경향을 확인하였다.

도심지 침수는 일반적으로 1~3시간의 짧은 지속기간을 가지는 국부적인 호우에 의해 발생하나, 2020년 8월 광주광역시에서는 지속기간 약 27시간의 강우로 인해 도심지 내 침수피해가 발생한 바 있으며, 2022년 8월 서울특별시에서는 지속기간 약 13시간의 강우로 인해 도심지 내 침수피해가 발생한 바 있다. 2020년 중국에서는 양쯔강 유역에서 6월 초에서 7월 말까지 약 2개월 동안 지속한 장마 발생으로 인해 많은 침수피해를 일으킨 바 있으며, 이러한 강우 지속기간의 증가 패턴은 전 세계적 기후변화 특성 중 하나이다. 또한, 최근 빈번히 관측되고 있는 ‘대기의 강(atmospheric river)’ 현상은 강한 강우 강도, 강우 지속기간 증가에 따른 도시침수 문제를 일으키고 있다. 따라서 이와 같은 침수 발생 사례로부터 이상 강우 및 강우 패턴 변화로 인한 내수배제시스템의 홍수대응 성능 및 도심지의 내수침수 면적 변화 특성에 대한 평가가 필요한 상황이다. Table 1은 최근 선행연구에서 도심지 홍수 및 침수 특성 분석을 위해 적용한 강우의 재현 기간 및 지속기간을 정리한 표이다. 최근 강우 지속기간의 증가 경향에도 불구하고 대부분 4시간 이하의 단기 지속기간에 대한 설계 강우만을 고려하였다는 한계가 존재한다.

본 연구에서는 강우-유출 해석 소프트웨어인 PCSWMM (version 7.6.3695)을 이용하여 실제 침수 이력이 존재하는 광주천 북부 도심지 영역에 대하여 내수침수 모의를 수행했다. 다양한 강우 패턴 및 지속기간 변화에 따른 내수침수 변화 특성을 분석하기 위해 Huff의 4분위법(Huff, 1967)을 적용하여 각 분위별 지속기간 1, 2, 3, 6, 12, 24시간 및 5, 10, 20, 50, 100, 200, 500년 재현 기간의 설계 강우를 생성하였다. 생성한 설계 강우를 모형에 적용하여 강우 패턴에 따른 도심지 침수 변화 특성 및 배수 시스템 성능 변화 경향을 분석했다. 또한, 강우 패턴 변화에 따른 내수침수 모의결과로부터 침수로 인한 위험성 평가를 수행하였다.

2. 연구 방법

2.1 연구 영역 및 모형 검증

본 연구에서는 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 2020년 8월 7일~9일 발생한 강우로 인한 침수 이력이 존재하는 광주천 북부의 도심지를 연구 대상지로 선정했다. 연구 영역의 총면적은 약 202.77 ha이며, 대상 영역의 94.63%가 불투수면으로 피복 되어있어 내수침수에 취약한 지역이다. 해당 영역 내 배수 시스템으로서 하수관거 및 하수 맨홀이 있으며, PCSWMM을 이용한 강우-유출 및 내수침수 시뮬레이션을 위해 Fig. 2와 같이 하수 관망과 지형 격자 및 소유역을 구성했다. 하수 관망은 주요 도로망을 기준으로 단순화하여 Fig. 2(a)와 같이 구성하였으며, 광주천과 용봉천의 수위변화 영향을 반영하기 위해 하수 관망과 하도를 연계한 1차원 격자를 구성했다. 그리고 1차원 강우-유출 모형과 연계한 침수 면적 계산을 위해 건축물 및 구조물 등으로 인해 침수가 발생할 수 없는 영역을 제외한 2차원 격자를 Fig. 2(b)와 같이 구성했다. 2차원 격자는 수치표고모델(DEM) 자료를 이용하여 격자별 표고를 반영하여 구성하였으며, 1차원 모형을 통해 계산된 맨홀 월류량 및 하천 범람 홍수량을 침수 흐름 계산에 반영하기 위해 1차원 모형의 맨홀 및 하도 격자점을 2차원 격자점과 동일한 위치에서 연계하여 1차원 모형에서 flooding 발생 시 해당 유량이 2차원 격자점에 반영되도록 구성하였다. 강우-유출 해석을 위해 Fig. 2(c)와 같이 연구 영역 내 소유역을 구성하였으며, 강우 발생 시 각 소유역에서 소유역 특성을 반영한 강우 유출이 발생한다. 각 소유역에서 발생한 유출량은 하수 관망 및 하도로 전달되고, 맨홀 월류 및 하천 범람 발생 시 2차원 격자에서 해당 유량이 반영되어 침수 흐름이 나타난다. 모의를 위해 dynamic wave routing method를 적용하였으며, 하류 경계조건으로 free outfall 조건을 적용하였다.

Fig. 1.

Description of study area and validation points

Fig. 2.

Model configuration for inundation simulation

구성한 침수 모형의 검증을 위해 2020년 8월 7일~9일의 침수상황을 모의했다. 강우-유출 모의를 위해 Fig. 3과 같이 광주광역시 대성초교 강우관측소의 시강우량 자료를 이용했다. 해당 침수상황에서 촬영된 3개 지점(U1, U2, S1)에 대한 침수심 사진에 기초하여 침수심을 추정하고, 침수심 모의결과와 비교하여 모형을 검증하였다. Fig. 4는 2020년 8월 7일~9일 강우 사상에 대한 내수침수 시뮬레이션 결과와 각 지점에서 모형 검증을 위한 침수심 관측자료를 나타낸다. 시뮬레이션 결과는 최대 침수심이 발생한 순간의 침수현황을 나타내며, 과거 침수 발생지점과 동일한 지점에서 침수가 발생하는 결과가 나타났다. 사진 자료를 기준으로 침수심을 추정하기 위해 수면의 경계가 불분명한 사진의 경우 딥러닝 기반의 고해상도 변환 모델인 Real-ESRGAN을 이용하여 그 경계를 구분하였다. U1, U2 지점의 침수 사진에서 침수심 추정을 위해 차량의 전고(1.42 m)를 바탕으로 측정한 차량의 타이어 지름(0.46 m)을 기준으로 침수심을 각각 0.35 m, 0.4 m로 추정했다. 그리고 S1 지점에서는 성인여성의 무릎 높이(0.5 m)를 기준으로 침수심을 0.35 m로 추정했다. Table 2는 각 검증지점에서 침수심 추정결과와 시뮬레이션을 비교한 결과이며, 평균 상대오차는 7.26%로 나타나 모형의 구성이 적절히 이뤄졌음을 알 수 있다.

Fig. 3.

Rainfall data for model validation

Fig. 4.

Comparison of inundation simulation results and photos from the event

2.2 설계 강우 생성

설계 강우 생성을 위해 MLTM (2009)의 광주지역 지속기간별 확률 강우 강도 식을 적용하였으며, 재현 기간 5, 10, 20, 50, 100, 200, 500년 강우에 대한 재현 기간별 확률 강우 강도 식은 Eq. (1)과 같다.

여기서 I는 강우 강도(mm/hr), T는 강우 지속 기간(min)이며, a와 b는 Table 3에 나타낸 바와 같이 강우 재현 기간에 따른 값이다. 확률 강우 강도 식에 따라 재현 기간 5, 10, 20, 50, 100, 200, 500년, 지속기간 1, 2, 3, 6, 12, 24시간의 강우에 대하여 42개 Case의 확률강우량을 설정했다. 그리고 Huff 4분위법을 적용하여 각 분위별 설계 강우를 생성하여 모두 168개 Case에 대해 강우-유출 및 침수 시뮬레이션을 수행했다. Fig. 5는 재현 기간별 지속기간 2시간의 분위별 설계 강우를 나타낸다.

Fig. 5.

Design rainfall for 2-hr duration using the Huff quartile method

2.3 침수 경향 및 위험성 평가

강우 패턴 변화에 따른 도심지 침수 특성을 분석하기 위해 각 강우 시나리오별 총 침수 면적을 산정하여 비교했다. 그리고 강우 지속기간, 재현 기간별 첨두 강우 발생 시점과 총 침수 면적의 Pearson Correlation Coefficient (PCC)를 산정하여 첨두 강우 발생 시점 변화와 총 침수 면적의 상관관계를 분석하였다. 또한, 강우 패턴의 변화가 내수 배제 성능에 미치는 영향을 분석하기 위해 도심지 배수 시스템 성능평가지표인 Number of Surcharged Pipes (NSP)와 Length of Surcharged Pipes (LSP)를 산정하였다. NSP는 만관 흐름이 발생하는 관망의 수, LSP는 만관 흐름이 발생한 관의 총 길이로 계산한다(Cheng et al., 2020). NSP와 LSP의 산정을 위해 하수관의 양 단이 만수 되었을 때 하수관에서 만관 흐름이 발생한 것으로 간주하였다.

내수침수 발생 시 강우 패턴 변화에 따른 침수 위험성 변화 경향을 판단하기 위해 DEFRA and EA (2006)에서 제안하는 침수 흐름 내 보행자의 위험성 평가지표인 Hazard Rating (HR)을 산정하였다. HR은 Eq. (2)와 같이 계산한다.

여기서, h는 침수심(m), U는 침수 흐름 유속(m/s), DF는 0, 0.5 또는 1의 값을 가지는 debris factor이다. DF는 침수심, 침수 흐름 유속 및 토지이용에 따라 Table 4와 같이 결정된다. 본 연구 대상 영역은 도심지이므로 침수심이 0.25 m를 초과하거나 유속이 2 m/s를 초과하는 경우 DF를 1로 결정하였으며, 그 외의 경우에는 0으로 결정하였다. 침수 흐름에서 보행자의 위험도는 Table 5와 같이 HR의 범위에 따라 5가지 단계로 분류된다.

3. 연구 결과

3.1 강우 패턴에 따른 침수 면적 변화

강우 재현 기간, 지속기간, 첨두 강우 발생 시점 변화에 따라 발생한 총 침수 면적을 비교하여, 강우 패턴이 내수침수에 미치는 영향을 분석했다. Table 6은 5년 빈도 재현 기간과 500년 빈도 재현 기간의 2시간 지속 강우에 대한 침수 면적을 강우 분위별로 나타낸 결과이며, Fig. 6은 해당 강우에 따른 침수 범위와 수심을 나타낸 결과이다. 강우의 재현 기간이 5년에서 500년으로 증가함에 따라 총 침수 면적 또한 증가하였으며, 두 재현 기간에서 모두 첨두 강우의 발생이 지연될수록 총 침수 면적이 증가하였다. 주된 침수는 Fig. 6(a)에 나타낸 바와 같이 5년 빈도, 500년 빈도 재현 기간에서 모두 연구 영역의 중서부(A1), 남동부(A2) 및 동부(A3) 영역에서 발생하였다. Fig. 6(a)에 붉은색으로 나타낸 영역은 2020년도 침수 흔적도 및 침수피해 발생지역을 나타낸 것이며, 주 침수 영역인 A1 및 A3가 해당 영역에 포함된 것이 확인되어 설계 강우의 적용에 따른 모형의 침수 모의결과가 실제 침수 발생 범위를 적절히 반영할 수 있음을 나타냈다. 주 침수 발생 영역 중 연구 영역의 중서부에 해당하는 A1 영역에는 직경 1,100 mm의 대구경 하수관거와 직경 400 mm의 하수관거가 합류하는 지역이 존재한다. 또한, 직경 1,000 mm 이상의 대구경 하수관거 설치 지점 중 일부 구간에서는 직경 600, 700 mm 하수관거가 연결되어 있다. 대구경 하수관거와 직경 600, 700 mm 하수관거가 연결된 지점에서 최초로 침수가 발생하였으며, 이어서 대구경 하수관거와 직경 400 mm의 소구경 하수관거의 합류부에서 추가로 침수가 발생하였다. 따라서 대구경 하수관거로부터 유입된 우수가 소구경 하수관거로 이동하는 과정에서 소구경 하수관거의 우수배제 용량을 초과하는 유량이 유입되어 내수침수가 발생한 것으로 나타난다. 이러한 내수침수는 A1 영역의 중심부와 남서부에서 발생하여 강우의 분포가 1분위에서 4분위로 변화함에 따라 영역의 동부로 확대되었다. 연구 영역의 남동부에 해당하는 A2 영역은 직경 400~600 mm의 소형 하수관거가 주로 설치되어 있으며, 일부 구간에서 직경 1,000 mm 하수관거와 직경 450~500 mm 하수관거의 합류부가 존재한다. 이 영역에서는 직경 400 mm의 하수관거 설치 지점에서 먼저 침수가 발생하였으며, 이후 대구경 하수관거와 소구경 하수관거의 합류부에서 침수가 발생했다. 내수침수의 발생과 영역 내 경사로 인해 A2 영역의 중심부로부터 광주천 방향으로 침수 흐름이 발생하였으며, 강우의 분포가 1분위에서 4분위로 변화함에 따라 침수 면적이 확대되었다. 연구 영역의 동부에 해당하는 A3 영역에는 직경 800~1,000 mm의 하수관거가 주로 설치되어 있으나 일부 구간에서 직경 300 mm의 소형 하수관이 연결되어 있다. 영역 내 대구경 하수관거와 소구경 하수관거의 연결부에서 침수가 발생하였으며, 강우 분포가 1분위에서 4분위로 변화함에 따라 침수 면적이 일부 증가하였으나, 역방향 경사로 인해 침수 범위가 비교적 확대되지 않은 것으로 나타났다. 따라서 대상 지역에서는 대구경 하수관거와 소구경 하수관거의 연결부 또는 합류부에서 소구경 하수관거의 설계용량 초과로 인해 내수침수가 발생하며, Fig. 6(a)에 나타낸 바와 같이 영역 내 경사특성으로 인해 경사 방향으로 침수 영역이 확대되는 것으로 나타났다.

Fig. 6.

Comparison of inundation maps for 2-hr duration design rainfall events

강우 패턴이 내수침수에 미치는 영향을 분석하기 위해 강우 지속기간과 첨두 강우 발생 시점별 총 침수 면적의 변화 경향을 분석했다. Table 7은 강우 재현 기간 및 지속기간별 시나리오에 대해 총 침수 면적과 강우 지속기간에 대한 첨두 강우의 발생 시점 비율(tpeak/T)의 PCC 산정결과를 나타낸다. 그리고 Fig. 7은 동일 지속기간별 강우 분위에 따른 총 침수 면적의 변화를 비교한 결과이다. 강우 지속기간이 증가함에 따라 강우의 시간적 분포가 분산되며, 강우 강도가 감소하여 총 침수 면적이 감소하는 경향을 나타냈다. 지속기간 1~3시간의 단기 지속 강우의 경우, Huff 1분위에서 Huff 4분위 강우 패턴으로 변화함에 따라 총 침수 면적이 증가하는 것으로 나타나 첨두 강우 발생이 지연됨에 따라 총 침수 면적이 증가하는 경향을 나타냈다. 총 침수 면적과 tpeak/T에 대한 PCC 값도 1에 가깝게 산정되어 강한 양의 상관관계가 나타났음을 알 수 있다. 이러한 관계성은 3시간 지속기간 강우에서 감소하여 Huff 분위 별 강우 패턴에 따른 침수 면적의 변화가 크지 않았으며, 1, 2시간 지속 강우보다 PCC가 감소하는 결과가 나타났다. 지속기간 6~24시간 강우에서는 1~3시간 지속기간의 강우에서보다 낮은 강우 강도로 인해 침수 면적이 감소했으며, 1~3시간 지속기간 강우와 달리 Huff 1분위 강우에서 가장 넓은 침수 면적이 발생했다. 이에 따라 6~24시간 지속 강우에서는 총 침수 면적과 tpeak/T에 대한 PCC 값이 음의 값을 나타냈다.

Fig. 7.

Total flooded area for each quartile

1~3시간 지속기간의 설계 강우에서는 비교적 높은 강우 강도로 인해 초기 발생한 우수의 영향으로 배수 시스템이 포화하게 되고, 이후 첨두 강우의 발생이 침수 면적을 증가시킨 것으로 나타났다. 반면, 지속기간이 6시간 이상인 설계 강우에서는 1~3시간 지속기간의 강우와 비교하였을 때 비교적 낮은 강우 강도로 인해 초기 강우를 배수 시스템이 비교적 원활하게 처리하여 첨두 강우 발생 시점이 총 침수 면적의 변화에 큰 영향을 미치지 않았다. 하지만 Huff 1분위 강우 패턴에서는 예외적으로 높은 침수 면적을 나타냈는데, 이는 Fig. 5에서 볼 수 있듯 Huff 1분위 강우에서 다른 분위의 강우보다 높은 첨두 값을 나타내어 발생한 비교적 강한 강우 강도의 강우 발생으로 인해 배수 시스템의 성능을 초과하는 강우 유입이 발생했기 때문이다. 지속기간 3시간 이하의 단기 설계 강우에서도 1분위 강우가 가장 높은 첨두 값을 가지나, 첨두치에 가까운 강우의 지속기간이 수 시간인 장기 강우의 특성과 비교하였을 때, 단기 지속 강우는 그 지속기간이 비교적 짧아 단기 강우에서는 이러한 영향보다 강우 분포의 영향이 더 큰 것으로 나타났다. PCC 산정결과에서 PCC의 절댓값이 1~3시간 지속기간의 설계 강우에서 6~24시간 지속기간의 설계 강우보다 높은 경향을 나타내며, 설계 강우의 지속기간이 1시간에서 3시간으로 증가할 때, PCC의 값은 감소하는 것으로 나타난다. 따라서 설계 강우의 강우 패턴은 지속기간 3시간 이하일 때 총 침수 면적의 변화에 더 큰 영향을 미치며, 강우 지속기간 증가에 따라 침수 면적에 대한 강우 패턴의 영향은 감소하는 것으로 나타났다.

강우 지속기간이 3시간 이하일 때는 높은 강우 강도를 유지하여 배수 시스템의 용량을 초과하는 우수 유출이 발생하여 총 침수 면적이 증가하고, 지속기간 6시간 이상의 경우에는 강우 강도가 감소하여 총 침수 면적이 감소하게 됨을 알 수 있다. 이러한 결과는 Fig. 8을 통해 확인할 수 있다. Fig. 8은 동일 분위별 지속기간에 따른 총 침수 면적을 비교한 결과이며, 비교적 단기 지속기간의 설계 강우에서 총 침수 면적이 증가함을 확인할 수 있다. 지속기간 3시간 이하의 강우에서는 높은 강우 강도를 갖는 강우로 인해 배수 시스템의 배수 한계를 초과하게 되어 총 침수 면적이 증가했다. 반면, 강우 지속기간이 6시간 이상일 때는 상대적으로 낮은 강우 강도가 발생하고 이에 따라 배수 용량 처리가 상대적으로 원활해져 총 침수 면적이 감소했다. 특히 강우 지속기간이 2시간일 때 분위 별 강우 패턴과 관계없이 대부분 가장 넓은 총 침수 면적을 일으키는 결과를 나타냈다. 지속기간 1시간의 설계 강우는 지속기간 2시간의 강우보다 강한 강도를 가지나, 그 지속기간이 비교적 짧아 총 강우량은 지속기간 2시간의 강우에서 더 크게 나타난다. 따라서 지속기간 2시간의 설계 강우에서 지속기간 1시간의 설계 강우보다 배수 시스템의 포화와 내수침수 발생에 미치는 영향이 더 큰 것으로 나타난다. 따라서 도심지의 침수 면적은 설계 강우의 강우 강도 및 총 강우량에 영향을 받으며, 2시간 지속 강우에서 가장 큰 침수피해가 발생할 수 있는 것으로 나타났다.

Fig. 8.

Total flooded area for each duration

3.2 NSP 및 LSP

500년 빈도 재현 기간에 해당하는 극한 강우 발생 시 강우 패턴의 변화가 배수 시스템의 성능에 미치는 영향을 분석했다. 강우 지속기간과 Huff 분위 별 강우 패턴 변화에 따른 NSP 및 LSP를 산정하여 배수 시스템의 한계를 초과하는 요인을 분석했다. NSP와 LSP 산정결과는 각각 Figs. 9 and 10과 같으며, x축은 강우 지속기간(T) 대비 시간 변화(t/T)를 나타낸다. NSP와 LSP는 그 값이 최대로 도달하는 시점에서 일부 차이가 나타났으나, 대체로 유사한 변화 경향이 나타났다. 강우 지속기간이 1시간인 경우(Figs. 9(a) and 10(a))에는 강우 패턴의 변화가 NSP와 LSP 변화에 큰 영향을 미치지 않았다. 강우 지속기간이 2, 3시간 일 때는 Huff 1, 2분위와 Huff 3, 4분위 강우 패턴이 각각 유사한 NSP와 LSP의 시간에 따른 변화를 나타냈다. 1, 2분위 강우 패턴에서는 강우 지속기간 동안(t/T) NSP와 LSP가 최댓값을 나타낸 후 점차 감소하였으나, 3, 4분위 강우 패턴에서는 강우 지속기간이 종료되는 시점(t/T)이후 최댓값을 나타낸 후 점차 감소하는 경향을 보였다. 지속기간 6시간 이상의 설계 강우에서는 각 강우 패턴별 시간 변화에 따른 NSP와 LSP의 값이 첨두 강우의 발생 시점에 따라 명확하게 구분되었으며, 각 Huff 분위별 강우 패턴의 첨두 강우가 발생하는 시점에서 NSP와 LSP가 최대가 된 후 점차 감소하는 경향을 나타냈다.

Fig. 9.

Time variation of NSP under 500-yr design rainfall scenarios

Fig. 10.

Time variation of LSP under 500-yr design rainfall scenarios

지속기간 3시간 이하의 단기 강우에서는 1, 2분위 강우가 3, 4분위 강우보다 비교적 높은 NSP 및 LSP 값을 나타냈다. 이 결과는 지속기간 3시간 이하의 단기 강우 사상 발생 시 첨두 강우가 조기에 발생하는 Huff 1, 2분위 강우 패턴에서 3, 4분위 강우 패턴보다 영역 내 배수 시스템의 성능 저하 범위가 증가함을 나타낸다. 지속기간 6시간 이상 강우의 경우에서는 NSP와 LSP의 증감 시점이 강우 지속기간 증가에 따라 첨두 강우의 발생 시점별로 명확히 구분되었으며, 지속기간 6, 12시간의 강우에서 그 최댓값은 3분위에서 가장 낮게 나타났다. 특히 4분위 강우에서 다른 분위 강우 패턴에서 볼 수 없었던 첨두값 상승 경향이 강우 사상 종료 시점 부근에서 나타났으며, 이는 첨두 강우가 후반에 발생함에 따라 영역 내 배수 성능 저하 범위가 증가함을 나타낸다. 따라서 초기 강우 유출수가 충분히 배수되지 못하고 관로 내 머물러 있으며, 강우 후반 첨두 강우 발생으로 강우 유출수 유입량이 증가함에 따라 배수 용량을 초과하는 관로가 증가한 것으로 판단된다. 이러한 경향은 지속기간이 24시간으로 증가 됨에 따라 사라졌으며, 강우 지속기간의 증가로 인해 분산된 강우를 배수 시스템이 더 원활하게 처리하고 있음을 보여준다.

지속기간 3시간 이하의 단기 강우에서는 배수 시스템의 성능과 강우 패턴 간 관계성이 총 침수 면적의 변화 경향과 차이를 보였다. 총 침수 면적의 변화 경향과 달리 Huff 3, 4분위 강우보다 1, 2분위 강우에서 영역 내 배수 시스템의 성능 초과 범위가 더 넓게 나타났으나, 총 침수 면적은 3.1절에서 제시한 바와 같이 Huff 4분위 강우에서 가장 넓게 나타났다. 반면, 지속기간 6시간 이상의 강우에서는 배수 시스템의 성능 초과 범위가 가장 넓은 경우와 총 침수 면적이 가장 넓은 경우 모두 Huff 1분위 강우의 적용 시나리오에서 나타났다. 총 침수 면적의 변화 경향과 배수 시스템의 성능 변화 경향을 고려하였을 때, 단기 지속 강우 사상의 초반에 발생하는 강우량은 도심지 배수 시스템의 포화에 영향을 미쳐, 첨두 강우의 조기 발생에 따라 배수 시스템의 성능 초과 범위가 증가한 것으로 나타나며, 강우 사상의 후반에 발생하는 강우량은 도심지의 침수 발생에 영향을 미쳐 첨두 강우의 발생 지연에 따라 총 침수 면적이 증가한 것으로 나타났다. 또한, 지속기간 6시간 이상의 설계 강우에서는 단기 지속 강우의 경우와 같이 초반 강우량이 배수 시스템의 포화에 영향을 미쳐 1, 2분위 강우에서 성능 저하가 가장 크게 나타났으나, 단기 지속 강우보다 비교적 낮은 강우 강도로 인해 배수 처리가 원활하여 총 침수 면적의 발생에는 강우 패턴의 영향이 낮은 것으로 나타났다.

3.3 Hazard risk

강우 패턴의 변화에 따라 도심지 내 침수 위험성의 변화 경향을 판단하기 위해 500년 재현 기간 강우의 분위별, 지속기간별 강우 시나리오에 대하여 침수 영역 내의 HR을 산정하였으며, 그 결과는 Fig. 11과 같다. Low 단계의 위험도는 위험성은 낮으나 주의가 필요한 단계이며, 이에 해당하는 위험 면적은 지속기간 3시간 이하의 단기 지속 강우에서 크게 나타났다. 특히 2시간 지속기간의 강우에서 가장 크게 나타났으며, 첨두 강우 발생 지연에 따라 그 위험 면적 또한 함께 증가하여 총 침수 면적의 산정결과와 유사한 경향성이 나타났다. Moderate 단계의 위험도는 보행자 중 일부 취약계층에 위험한 단계를 나타내며, 이에 해당하는 위험 면적은 지속기간 2시간 강우에서 크게 나타났으나, 첨두 강우 발생 시기와는 상관관계가 낮은 것으로 나타났다. 이러한 현상은 Fig. 6(a)의 A1 및 A3에 해당하는 영역에서 2, 4분위 강우를 적용한 경우 평균 유속이 1, 3분위 강우보다 비교적 크게 나타나, 유속 변화에 민감한 HR과 DF의 특성으로 인해 Figs. 11(b) and 11(c)에 나타난 바와 같이 1, 3분위 강우에서 Moderate 단계로 분류된 영역이 2, 4분위 강우에서는 Significant 단계로 분류되었기 때문으로 판단된다. Significant 단계의 위험도는 보행자 대부분에게 위험한 단계를 나타내며, 이에 해당하는 위험 면적은 단기 강우에서 크게 나타났으며, 단기 강우 내에서 첨두 강우의 발생 지연에 따라 그 위험 면적이 증가하여 총 침수 면적의 증가 경향과 유사한 관계가 나타났다. 모든 단계 위험 면적의 합으로 산정한 총 위험 면적(Total risk area)은 모든 분위에 대하여 지속기간이 2시간인 경우 가장 크게 나타났으며, 장기 지속 강우보다 단기 지속 강우에서 크게 나타났다. 또한, 단기 지속 강우의 경우에서 그 값은 첨두 강우 발생 지연에 따라 증가하는 경향이 나타나 강우 패턴 변화에 따른 총 침수 면적의 변화 경향과 동일한 경향성을 나타냈다.

Fig. 11.

Risk areas for each quartile and duration for 500-yr design rainfall scenarios

4. 결 론

본 연구에서는 광주천 북부 도심지를 대상으로 강우 패턴 변화가 침수 면적 변화에 미치는 영향을 분석하였다. 다양한 강우 사상에 대한 침수 면적 변화를 분석하기 위해 5~500년 빈도의 강우에 대해 1~24시간의 강우 지속기간을 고려한 Huff 분위 별 강우를 생성했다. 각 강우 사상에 대해 침수 면적의 변화 특성을 분석하였으며, 500년 빈도의 극한 강우 발생에 따른 배수 시스템의 성능과 보행자의 보행 안전도를 분석하였다. 연구의 주요 결과는 다음과 같다.

(1) 도심지 내수침수는 하수관거의 연결부 또는 합류부에서 소규모 하수관거의 설계용량 초과로 인해 발생하며, 침수 범위는 유역 내 경사특성에 따라 그 확대 범위가 결정되었다.

(2) 강우 지속기간별 총 침수 면적 산정결과, 지속기간이 6시간 이상인 강우에 대해서는 강우 분위 별 침수 면적의 변화가 크지 않은 반면, 지속기간 3시간 이하의 단기 강우에서는 첨두 강우 발생 지연에 따라 총 침수 면적이 증가하였다. 따라서 침수 대응 전략 수립을 위한 설계 강우 생성 시 보수적 판단을 위해 2시간 지속기간에 대해 첨두 강우가 지연 발생하는 Huff 3, 4분위 강우를 적용할 필요가 있다.

(3) 배수 시스템 성능 평가를 위한 NSP 및 LSP의 계산 결과, 첨두 강우가 지연 발생할 때 침수 면적이 증가했던 결과와 달리, 첨두 강우가 조기 발생할 때 NSP 및 LSP의 최댓값이 증가했다. 따라서 배수 시스템의 한계 성능 평가를 위해서는 Huff 1, 2분위의 설계 강우에 대해 검토할 필요가 있다.

(4) HR 계산 결과로부터 침수 흐름에 의한 보행 위험 면적을 평가한 결과, 대부분 단계의 위험 면적이 단기 지속 강우에 대해 첨두 강우가 지연 발생하는 경우 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 침수 흐름에 의한 보행 위험도 평가 시 단기 강우 및 첨두 강우의 지연 발생이 나타내는 설계 강우를 적용해야 한다.

본 연구를 통해 도심지 침수해석 시 설계 강우의 패턴에 따른 침수 특성 및 배수 시스템의 변화 경향을 확인하였고, 그 상관관계를 확인하여 각 해석 목적에 따른 적합한 설계 강우의 지속기간과 강우의 패턴을 제시하였다. 후속 연구에서는 다양한 강우 패턴의 적용 시나리오에 대해 우수 유출 저감시설의 도심지 침수 저감 성능을 산정하여 우수 유출 저감시설의 시설별 특성 및 그 적용 가능성에 대하여 제시할 예정이다.