1. 서 론
2. 연구 방법 및 내용
2.1 연구 대상 지역
2.2 연구 절차 및 모형 개요
2.3 지형자료 및 격자 구축
2.4 입력자료 및 경계조건
3. 연구 결과
3.1 침수 모의 결과
3.2 도시 침수 발생 지역 검증
4. 결 론
1. 서 론
기후변화로 인한 강우 패턴의 변화와 도시 지역의 불투수율 증가는 홍수 재해의 발생 양상을 복잡하게 변화시키고 있다(IPCC, 2021). 최근 국내외에서는 짧은 시간에 집중되는 국지성 호우와 태풍으로 인해 도심 지역이 광범위하게 침수되는 사례가 빈번히 발생하고 있으며, 이로 인한 인명 및 재산 피해가 사회적 문제로 대두되고 있다(Kundzewicz et al., 2014; KOSHAM, 2023). 특히 도시 침수는 하천 월류에 의한 외수 피해뿐만 아니라 도시 내부의 배수 능력 부족으로 발생하는 내수 피해가 동시에 작용하는 복합적 특성을 지니므로, 이를 정확히 해석하기 위한 복합 침수 모의 연구의 필요성이 점차 강조되고 있다(Smith, 1994).
실제 사례로 2022년 9월 태풍 힌남노 당시 포항 지역에서는 일 최대 342.4 mm, 시간 최대 91.2 mm/h의 극한 강우가 기록되었으며(KMA, 2022), 이는 국내 설계빈도를 크게 초과하는 수준이었다. 이로 인해 하천 범람과 내수 침수가 동시에 발생하여 광범위한 도심부가 침수되었으며, 저지대와 지하공간을 중심으로 심각한 피해가 발생하였다. 이러한 극한 강우 사례는 도시 침수 해석에서 수치 분석과 현장 사례 비교를 통한 검증의 필요성을 뒷받침하는 근거가 된다.
이러한 수요에 대응하기 위해 다양한 수치모형이 개발·적용되어 왔다. SWMM, InfoWorks, TUFLOW 등 상용 모형은 하수관망과 지표 유출을 정밀하게 연계할 수 있어 도시 침수 해석에 활용도가 높으나, 입력자료 확보의 어려움, 모형 구축 절차의 복잡성, 그리고 상용 라이선스 비용 등으로 인해 연구자 및 실무기관에서의 접근성은 제한적이다(Rossman, 2010; Syme, 2001). 반면, 미국 공병단(USACE)에서 개발한 HEC-RAS는 공개 소프트웨어로 비교적 간단한 입력자료와 사용자 친화적인 인터페이스를 바탕으로 1차원·2차원 연계 해석과 외수·내수 복합 해석이 가능하다는 장점을 지니고 있다 (USACE, 2021). 특히 HEC-RAS 2D 모형은 격자 기반 시뮬레이션을 통해 침수 심도 및 범위를 시·공간적으로 표현할 수 있어, 실제 피해 지역의 분포와 특성을 비교·분석하기에 적합하다. 그러나 국내에서는 HEC-RAS 2D를 활용한 도시 침수 해석 연구가 아직 부족하며, 실제 홍수 사례를 대상으로 한 수치적 검증 연구는 제한적으로 보고되고 있다.
본 연구유역인 냉천유역에 대해 Hwang (2024)은 TUFLOW의 1D·2D 연계 모형을 적용하여 태풍 힌남노 사상을 모의하고, CCTV 및 피해 영상을 활용하여 결과를 검증하였다. 해당 연구는 침수 발생 시점, 확산 범위, 최대 침수심 등이 실제 피해 상황과 정성적으로 일치함을 보여주었으나, 모형 구축 절차의 복잡성과 높은 데이터 요구량은 실무 적용성 측면에서 한계로 지적되었다. 이와 같이 국내외 선행연구는 복합 침수 현상을 재현하는 데 의미 있는 성과를 보였으나, 대부분 상용 모형 중심으로 이루어져 접근성과 효율성이 떨어지고, 단순한 입력자료만으로도 실제 침수 현상을 얼마나 정밀하게 재현할 수 있는지에 대한 검증은 충분히 이루어지지 않았다. 특히 해외에서는 Rain-on-Grid (RoG)와 같은 격자 기반 기법이 점차 적용 사례를 넓혀가고 있으나, 국내에서는 아직 관측자료와의 정량적 비교를 포함한 연구가 미흡한 실정이다.
이에 본 연구에서는 동일 사상을 대상으로 HEC-RAS 2D 모형을 적용하여 외수와 내수가 동시에 작용하는 복합 침수 현상을 재현하고, CCTV 및 피해 사진 자료를 통해 모형 결과의 적합성을 검증하였다. 연구의 공간적 범위는 포항시 냉천 본류와 인근 저지대 도심부로 설정하였으며, 분석 기간은 2022년 9월 6일 태풍 힌남노 사상(02:00-13:30)으로 한정하였다. 모형 구축 과정에서는 DEM과 맨홀 월류를 단순화하여 반영하고, 소규모 배수구나 건축물 내부 구조와 같은 미세 지형 요소는 고려하지 않았다(NGII, 2022). 이러한 설정을 통해 비교적 단순한 입력자료만으로 실제 피해 양상을 정량적으로 재현하고 검증함으로써, HEC-RAS 2D 모형의 적용 가능성과 한계를 평가하고자 하였다.
본 연구는 도시 복합 침수 현상을 신뢰성 있게 재현할 수 있음을 보여주며, 향후 도시 홍수 위험 평가와 예·경보 체계 고도화, 방재 정책 수립을 위한 기초자료로 활용될 수 있다는 학술적·실무적 의의를 갖는다. 특히 HEC-RAS 2D 모형의 직관적인 시뮬레이션 결과는 연구자뿐만 아니라 정책결정자와 실무자가 실제 피해 상황을 이해하고 대응 전략을 마련하는 데 효과적인 도구가 될 수 있음을 보여준다.
2. 연구 방법 및 내용
2.1 연구 대상 지역
본 연구의 대상 지역은 경상북도 포항시를 관통하는 냉천 유역으로, 태풍 힌남노(2022년 9월 6일) 당시 대규모 침수가 발생한 대표적인 도시 유역이다. 냉천은 낙동강 수계의 지류로, 유역 면적은 약 76.4 km2, 유로 연장은 약 20.8 km이며, 포항 도심을 중심으로 고밀도 주거·상업·산업 지역을 포함한다. 유역 내 인구와 기반시설이 밀집되어 있어 홍수 취약성이 높으며, 특히 불투수면적의 증가로 인해 강우 시 단시간 내 유출이 급격히 발생하는 특성을 보인다(KOSHAM, 2023).
냉천 유역은 과거에도 태풍 매미(2003), 차바(2016) 등 대형 태풍 시 반복적으로 범람과 침수 피해가 보고되었다. 특히 2022년 태풍 힌남노 당시에는 기상청 관측 기준으로 일 누적 강우량 약 342.4 mm, 시간 최대 강우강도 약 90-110 mm/h의 집중호우가 기록되었다(KMA, 2022). 같은 시기 하류부 조위 상승이 겹치면서 하천 범람과 내수 배수 불능이 동시에 발생하였고, 포항시 오천읍 및 시내 저지대에서 심각한 침수가 발생하였다. 이는 외수와 내수가 복합적으로 작용한 대표적 도시 홍수 사례로, 복합 침수 해석 연구의 필요성을 잘 보여준다.
본 연구에서는 침수 모의 결과를 검증하기 위하여 Fig. 1에 나타난 바와 같이 두 개의 검증 구역(A-D, E-G)을 선정하였다. 첫 번째, 아파트 단지 및 공동주택 지역(A-D 지점)으로, 차량 및 저층 건물 침수를 통해 외수·내수 복합 침수 양상을 확인할 수 있는 구역이다. 두 번째, 도로 및 공동주택 단지(E-G 지점)로, 배수 불능과 저지대 침수 상황을 검증하기 적합하다. 이와 같은 구역별 구분은 CCTV 영상 및 피해 사진을 활용한 정량적 비교·검증의 공간적 기준으로 활용하였다.
Fig. 1은 HEC-RAS 2D 모형에서 설정한 해석 영역(녹색선), 냉천 본류 유로(청색), 그리고 검증 지점(A-G)의 위치를 보여준다. 유역 상류부는 상대적으로 경사가 크고 불투수율이 낮은 반면, 중·하류부 도심 지역은 고밀도 개발로 불투수율이 높아 단시간 집중호우 시 급격한 유출이 발생한다. 또한 하류부는 조석 및 하천 제방 구조의 영향을 함께 받으므로, 외수와 내수가 동시에 작용하는 복합 침수 현상이 뚜렷하다. 이러한 특성으로 인해 냉천 유역은 HEC-RAS 2D 모형을 활용한 복합 침수 해석 및 검증 연구에 적합한 대상지라 할 수 있다.
2.2 연구 절차 및 모형 개요
2.2.1 HEC-RAS 모형 개요
HEC-RAS는 미국 공병단(USACE)에서 개발한 공개 소프트웨어로, 국내 수자원 분야에서 널리 활용되는 대표적 하천 해석 모형이다(USACE, 2021). 특히 1차원 부정류 해석은 실무와 학술 연구에서 빈번하게 적용되고 있으나, 2차원 해석 및 1D-2D 연계 해석의 활용 사례는 상대적으로 제한적이다. 최근 해외에서는 HEC-RAS 2D 또는 연계 모형을 활용한 도시 홍수 및 복합 침수 해석 사례가 점차 확대되는 추세이며 (Shustikova et al., 2019; Patel et al., 2020), 국내에서는 여전히 2D 기능을 적용한 연구가 부족한 실정이다(Lee et al., 2022).
HEC-RAS 2D는 DEM 기반 격자망을 활용하여 하천 범람과 도시 침수 과정을 공간적으로 모의할 수 있으며, 상류 유입·하류 조위·내수 월류 등 다양한 경계조건을 동시에 처리할 수 있다는 장점이 있다(Brunner, 2016). 본 연구에서는 이러한 기능을 활용하여 본류 범람을 재현하기 위한 1D-2D 연계 해석을 수행하였고, 맨홀 월류를 반영하기 위해 내부 경계조건(internal boundary condition)을 적용하였다. 최종 결과는 HEC-RAS Mapper를 통해 Raster 기반으로 추출하여 실제 피해 양상과 비교·검증하였다.
즉, 기존에 주로 활용되어 온 1D 해석 범위를 넘어 HEC-RAS 2D 기능을 도시 복합 침수 해석에 직접 적용함으로써, 본 모형의 실무적·학술적 적용 가능성을 평가하였다.
2.2.2 연구 절차
본 연구의 전체 수행 절차는 Fig. 2에 요약적으로 제시되어 있으며, 첫번째 단계로 하천 본류의 1차원 모형을 구축하였다. 하천기본계획 단면 자료를 바탕으로 본류 구간을 구성하고, 상류 경계에는 지점별 유량을, 하류 경계에는 조위 조건을 입력하여 부정류 해석을 수행하였다. 산정된 본류 수위와 유량은 이후 2차원 해석 영역의 경계조건으로 활용되었다.
다음으로 국토지리정보원에서 제공하는 DEM (5 m 해상도)을 적용하여 해석 범위를 설정하고, 하천 및 인근 도심 지역을 포함하는 2D 격자망을 구축하였다. 평균 격자 크기는 약 10 m로 설정하였으며, 제방과 주요 도로는 breakline으로 지정하여 실제 지형 특성이 흐름 경로에 반영되도록 하였다.
본류의 1D 구간과 도심부 2D 영역은 제방을 통한 연결 구조로 연계하였다. 또한 도시 내 배수 불능 현상을 재현하기 위해 HEC-RAS 2D의 내부 경계조건 기능을 활용하였다. GIS 기반 맨홀 위치를 내부 경계점으로 정의하고, XP-SWMM 모의에서 도출된 맨홀 월류량을 시간별 유량 자료 형태로 입력하여 외수와 내수가 동시에 작용하는 복합 침수 과정을 모의하였다.
최종적으로 구축된 모형을 통해 부정류 해석을 수행하였으며, 결과는 Fig. 1의 A-G 지점별 CCTV 영상과 피해 사진을 통해 검증하였다. 차량 휠 아치, 도어 손잡이, 건물 출입구 등 침수 높이 판별 지표를 활용하여 추정한 실제 침수심과 모의 결과를 비교함으로써, HEC-RAS 2D 모형의 도시 유역 복합 침수에 재현성에 대한 검증 절차를 수행하였다.
2.3 지형자료 및 격자 구축
본 연구에서는 국토지리정보원에서 제공하는 5 m 해상도 DEM과 하천기본계획 단면 자료를 통합하여 본류 및 인근 도심 지역의 지형을 구축하였다. DEM과 단면 자료는 HEC-RAS Terrain 기능을 이용해 통합하여 본류와 제내·제외지의 연계성을 확보하였다.
하천 좌·우 제방은 breakline으로 지정하여 흐름 경계가 실제 지형 특성을 반영하도록 하였다. 또한 DEM에 포함된 도로 지형은 주변보다 상대적으로 높은 지형 요소로 표현되어, 물의 흐름을 제약하는 수리적 경계로 작용하였다. 이로 인해 도로가 제방처럼 한쪽 지역의 흐름을 차단하다가, 일정 수위를 초과하면 월류 현상이 발생하여 침수가 인근 지역으로 확산되는 과정이 모의되도록 하였다. 다만 도로 단차, 건축물 내부 구조, 소규모 배수구와 같은 미세 지형 요소는 반영하지 않았다.
해석 영역은 하천을 중심으로 좌안과 우안으로 구분하였다. 좌안 영역의 면적은 약 3.91 km2로 총 38,641개의 격자 셀로 구성되었으며, 셀 면적은 최소 82.07 m2, 최대 275.53 m2, 평균 101.27 m2로 나타났다. 우안 영역의 면적은 약 5.56 km2로 총 55,169개의 격자 셀로 구성되었으며, 셀 면적은 최소 79.19 m2, 최대 196.01 m2, 평균 100.84 m2로 산정되었다. 두 영역을 합한 전체 해석 범위는 약 9.47 km2이다.
격자는 평균적으로 약 10 × 10 m 수준으로 유지되도록 설정하였으며, 침수 양상이 집중되는 저지대 및 주요 도로 구간은 세밀하게 분할하여 국지적 수위 변화를 정밀하게 반영하도록 하였다. 구축된 격자는 이후 1D-2D 연계 및 내부 경계조건 설정을 포함한 복합 침수 모형 구축의 기초 자료로 활용되었다.
2.4 입력자료 및 경계조건
본 연구에서 구축한 HEC-RAS 모형의 입력자료는 유입·유출 조건, 그리고 내수 조건으로 구성된다.
상류 유입 조건은 냉천 본류 상류와 광명천, 신광천, 석냥지천, 은적천 합류점 등 주요 지류 합류부에 설정하였다. 유입 유량은 환경부 수문 관측망 자료와 기존 유역 해석 결과를 참조하여 산정된 HEC-HMS 기반 홍수량을 활용하였다. 해당 유량은 유역의 면적, 불투수율 등을 고려한 모의 결과로, 태풍 힌남노 당시의 급격한 유출 특성을 반영하기 위해 10분 간격의 시계열 자료로 입력하였다. 본 연구에서는 직접 유출 산정을 수행하지 않고 과거 검증된 유역 해석 결과를 참조하여 적용하였다. Fig. 3은 상류 및 지류에서 설정된 유입 지점의 위치와 본류 단면 입력 예시를 보여주며, Fig. 4(a)는 각 유입 지점에서 입력된 유량 데이터를 그래프로 나타내어 경계조건의 시간적 변화를 확인할 수 있도록 하였다.
하류 경계조건은 포항 조위 관측소에서 관측된 실제 수위를 Stage Hydrograph 형태로 10분 간격으로 입력하여, 태풍 힌남노 당시 하류 수위 변동이 모의에 반영되도록 설정하였다. 특히 하류단의 주요 단면에는 조위 변동이 직접 작용하도록 Stage Hydrograph 조건을 적용하였으며, 그 하류 방향의 개방단에는 하천 종단 경사에 따른 자연 배수 흐름을 모의하기 위해 Normal Depth 경계조건을 병행 적용하였다. 이러한 설정을 통해 조위 변동 구간에서는 외수 영향을, 개방 구간에서는 안정적인 유출 조건을 각각 반영할 수 있었다. Fig. 4(b)는 포항 조위 관측소의 관측 자료를 기반으로 작성된 Stage Hydrograph 시계열 입력 데이터를 나타낸다. 다만 파랑과 조류 등 외적인 요인은 본 연구 범위에서 제외하였다.
내수 조건은 포항시 오천읍 내 주요 하수관망과 맨홀 자료를 수집하여 XP-SWMM에 적용한 후, 총 163개 맨홀의 시간별 월류량을 산정하였다. 해당 결과는 HEC-RAS 2D 영역 내 각 맨홀 위치에 Flow Hydrograph으로 입력되어 도시 내부의 배수 불능 현상이 실제 침수로 연결되도록 구현하였다. 각 맨홀의 위치와 영향권은 GIS 좌표를 기반으로 지정하여 공간적 정확성을 확보하였으며, 맨홀 월류량의 크기는 포항시 하수도정비 기본계획상의 설계유량과 유사한 범위 내에서 도출되어 적용의 타당성을 확보하였다. 그러나 세부 관로 체계와 소규모 배수시설은 반영하지 않아, 국지적 침수 과정을 단순화하였다. Fig. 5는 산정된 맨홀 월류량 중 일부 지점을 발췌하여 그래프로 제시한 것으로, 내수 배수 불능 현상의 발생 양상을 확인할 수 있도록 하였다.
결과적으로 본 연구에서는 DEM과 하천 단면 자료를 통해 실제 지형을 반영하고, 환경부 자료 및 검증된 수문 모의 결과를 활용하여 상류 유입 조건을 설정하였다. 하류 경계조건은 국립해양조사원의 조위 관측 수위를 기반으로 Stage Hydrograph을 적용하고, 자연 배수를 고려하기 위해 Normal Depth 조건을 병행하였다. 또한 XP-SWMM을 통해 산정된 맨홀 월류량을 내수 조건으로 반영하여 외수와 내수가 동시에 작용하는 복합 침수 과정을 구현하였다. 이러한 설정을 통해 HEC-RAS 2D 모형이 도시 유역의 복합 침수 발생 특성을 현실적으로 재현할 수 있도록 하였다.
3. 연구 결과
3.1 침수 모의 결과
Fig. 6은 2022년 9월 6일 태풍 힌남노 사상을 대상으로 HEC-RAS 2D 모형을 이용하여 산출한 시간별 침수심 분포 결과이다. 본 모의는 외수와 내수를 동시에 고려한 복합 침수 해석으로, 시뮬레이션은 10분 간격으로 수행하였다. 결과의 이해도를 높이기 위해 침수 양상이 뚜렷하게 변화하는 6개 시점을 제시하여, 도시 내 침수의 발생-확산-극대화-배수 과정을 단계적으로 분석하였다.
발생 단계(03:00)에서는 냉천 본류 수위 상승에 따라 하천 인접 저지대에서 국지적 범람이 관찰되었다. 침수심은 0.2-0.5 m 수준으로 얕았고, 침수 범위 또한 국지적으로 제한되었다. 이는 선행연구에서 보고된 도시 저지대 범람 특성과 유사하다.
확산 단계(04:00)에는 강우 강도가 증가하면서 하천 월류와 배수 불능이 동시에 작용하여 침수 범위가 도심 전역으로 확대되었다. 평균 침수심은 0.5-1.2 m로 상승하였으며, 교차로·상업 밀집 지역·저지대 주거지 등에서 뚜렷한 침수 패턴이 나타났다. 이는 내수와 외수가 동시에 작용할 경우 침수 확산 속도가 급격히 증가함을 보여준다.
극대화 단계(06:00-07:00)에는 배수 능력을 초과하는 유입이 지속되면서 도로망과 저지대 전역에서 침수가 심화되었다. 일부 구역에서는 침수심이 1-2 m에 달하였고, 산업단지·지하차도·도심부 저지대 교차로에서는 2 m 이상, 국지적 저지대에서는 3-4 m에 달하는 침수가 발생하였다. 이는 실제 피해 사례와도 일치하며, 모형이 극대화 단계의 침수 특성을 적절히 재현했음을 보여준다.
배수 단계(10:00, 13:00)에서는 강우 종료 이후 대부분의 지역에서 수위가 점차 낮아졌으나, 저지대에서는 여전히 약 1 m 내외의 침수가 지속되며 배수 지연 현상이 뚜렷했다. 13:00 시점에는 대부분 지역에서 침수가 완화되었으나, 배수 취약 지역에서는 0.2-0.8 m의 잔류 침수가 남아 도로 통행과 도시 활동에 제약을 주었다. 이는 도시 배수 능력과 저류 용량이 침수 지속 시간에 결정적 영향을 미친다는 점을 시사한다.
종합하면, HEC-RAS 2D 모의 결과는 태풍 힌남노 당시 침수의 발생-확산-최대-배수 과정을 정량적으로 재현하였으며, 특히 외수와 내수가 복합적으로 작용할 때 침수 심도가 급격히 증가하는 특성을 명확히 확인할 수 있었다.
3.2 도시 침수 발생 지역 검증
본 연구에서는 HEC-RAS 2D 모의 결과와 태풍 힌남노 당시의 침수 사진을 비교하여 모형의 재현성을 검증하였다. 검증은 아파트 단지 및 공동주택 지역(A-D), 도로 및 공동주택 단지(E-G) 두 가지 유형으로 구분하여 수행하였다. 각 지점별 침수심은 차량 외형(세단 1.45 m, SUV 1.65 m)과 건물 참조물(출입문, 창문 하단 등)을 기준으로 추정하였다. 구체적으로 휠 아치(0.65-0.70 m), 보닛 상단(0.80-0.90 m), 도어 손잡이(0.95-1.05 m), 창문 하단(1.10-1.20 m), 루프(1.45-1.65 m) 등이 침수심 판정의 주요 지표로 활용하였다. 다만 사진 자료는 촬영 시점이 불명확하고 추정 과정이 대략적이라는 한계가 있다. Fig. 6은 A-G지점에서의 침수 사진과 모의 결과를 대응시켜 도시 침수 현상을 비교한 예시를 제시한다.
아파트 단지 및 공동주택 지역(A-D)의 경우, A 지점은 창문 하단 기준 1.10-1.20 m로 추정되었으나 모의값은 0.914 m로 0.29 m (약 20%) 차이를 보였다. B 지점은 창문 중반(1.20 m)으로 추정되었으며 모의값은 1.19 m로 약 1% 차이를 보였다. C 지점은 창문 하단(1.10-1.20 m)으로 추정되었고 모의값은 1.234 m로 약 3% 차이를 보였다. D 지점은 루프 직하(1.45-1.65 m)로 추정되었으며 모의값은 1.603 m로 범위 내에 포함되었다(오차 약 3%). 전반적으로 A-D 구간은 ±0.2 m 또는 약 5-20% 범위 내에서 근접하여 모형의 신뢰성이 확인되었다.
도로 및 공동 주택단지(E-G)의 경우, E 지점은 도어 손잡이(0.95-1.05 m) 기준으로 추정되었으나 모의 값은 0.705m로 약 30% 차이를 보였다. 반면 F지점은 창문 하단에서 루프 근접 구간(1.20-1.45 m) 기준으로 추정되었으며 모의 값은 1.452 m로 약 2% 차이를 보였다. G지점은 바퀴 상단과 도어 손잡이 부근(0.70-1.05 m)으로 모의 값은 1.102 m로 약 5% 차이를 보였다. 전반적으로 E-G 구간은 ±0.2 m (약 5-25%) 범위 내에서 일치함을 보였으며, 특히 F와 G지점에서 ±0.05 m (5% 이내)로 거의 완벽하게 일치하여 모형의 높은 재현성을 보였다.
종합하면, 아파트 단지 및 공동주택 지역(A-D)과 도로 및 공동주택 단지(E-G)는 사진 기반 추정치와 모의 결과가 ±0.2 m 또는 평균 약 10% 이내에서 일치하여 HEC-RAS 2D 모형의 재현성이 확인되었다. 또한 관측 추정치와 모의값의 비교 분석 결과, RMSE는 0.18 m 평균절대오차(MAE)는 0.15 m, 평균 오차(ME)는 -0.0 4 m로 나타나 전반적인 오차 수준이 낮았다. 비록 결정계수(R2)가 0.23으로 상대적으로 낮은 값을 보였으나, 이는 검증 지점 수가 제한적이고 침수심의 분포가 균일하지 않아 통계적 상관성이 낮게 계산된 결과로 판단된다.
Fig. 7은 관측 추정치와 모의값의 산점도를 제시하여 두 값간의 일치 정도를 시각적으로 보여주며, Fig. 8은 RMSE 단위(0.18 m)를 명시하여 각 지점별 검증 결과를 정량적으로 나타낸다. 그리고 Table 1은 각 지점별 관측 추정치와 모의값, 오차 및 침수심 판정 기준을 함께 정리하여 검증 결과를 보다 명확히 제시하였다. 이는 사진 판독 기반 검증에도 불구하고, HEC-RAS 2D 모형이 도시 침수심의 공간적 분포와 범위를 일정 수준 적절히 반영하고 있음을 보여준다.
Fig. 7.
Validation of urban flood simulation using field photos and HEC-RAS 2D results in the Naengcheon Basin (A–G sites). Photo sources: A) Maeil Newspaper (2022); B) Sisa Hankook (2022); C) Donga Ilbo (2022); D) Hankyoreh (2022); E) KBS News (2022); F) Money Today (2022); G) APTN (2022)
Table 1.
Comparison of observed and simulated flood depths with error analysis at validation points
4. 결 론
본 연구는 2022년 태풍 힌남노로 인해 포항시 오천읍 냉천 유역에서 발생한 도시 침수 현상을 대상으로, 하천 범람(외수)과 내수 침수를 동시에 고려한 HEC-RAS 2D 모형의 적용 가능성과 재현성을 검증하였다. 기존 연구들은 두 현상을 주로 독립적으로 해석하거나 단순히 입력 자료를 연계하는 방식에 머물러 실제 도시 유역에서 발생하는 복합 침수 양상을 충분히 반영하지 못했다. 이에 본 연구에서는 HEC-RAS 2D 모형을 활용하여 외수와 내수가 동시에 작용하는 복합 침수 과정을 모의하고, 사진 및 CCTV 자료와 비교함으로써 모형의 재현성을 평가하였다.
분석 결과, 아파트 단지 및 공동주택 지역(A-D 지점)에서는 사진 기반 추정치 0.6-1.65 m와 모의값 0.766-1.544 m가 비교되어 +0.07-+0.18 m 수준의 차이를 보였으며, 도로 및 공동주택 단지(E-G 지점)에서는 추정 0.65-1.45 m와 모의값 0.705-1.452 m가 -0.10-+0.02 m 범위에서 근접하였다. 두 구간은 모두 ±0.2 m 이내에서 모형의 신뢰성이 확인되었다.
이러한 결과는 HEC-RAS 2D 모형이 도시 유역에서 외수와 내수를 동시에 고려한 복합 침수 해석에 효과적으로 활용될 수 있음을 보여준다. 특히 HEC-RAS 2D는 격자 기반 시뮬레이션을 통해 침수 범위와 수심 분포를 시·공간적으로 명확히 표현할 수 있으므로, 사진 및 CCTV 자료와 비교했을 때 실제 피해 양상과 유사하게 나타났다. 본 연구에서는 실제 피해 영상과 모의 결과가 공간적으로 유사하게 재현되었으며, 맨홀 월류나 건물 1층 침수와 같은 세부 현상도 모의됨을 확인하였다.
학술적으로는 본 연구가 외수-내수 복합 해석을 통해 도시 홍수 재현의 정밀도를 높였다는 점에서 의의가 있으며, 실무적으로는 실측 수위 자료가 부족한 상황에서도 사진 및 CCTV 영상 판독과 2D 시뮬레이션을 결합한 검증 방법을 제시하였다는 점에서 활용 가치가 크다.
다만, 본 연구는 입력자료의 불확실성과 모형 해상도에 따른 제약을 가진다. 강우 및 유입홍수량 산정 시 사용된 외부 수문 모형의 오차, 격자 크기 설정에 따른 수리적 단순화, 사진 판독 과정의 주관성 등은 모의 결과의 정확도에 영향을 미칠 수 있다. 또한 소규모 배수시설 및 지하 배수 체계가 단순화되어 국지적 침수의 세부 재현에는 한계가 존재한다.
향후 연구에서는 보다 정밀한 격자 해상도와 실측자료(예: 수위 관측, 유량 센서 데이터 등)를 병행하여 입력자료의 불확실성을 줄이고, 내수 배수 체계의 세부 모델링 및 시·공간적 검증 지점을 확대함으로써 모형의 신뢰도를 향상시킬 필요가 있다. 아울러, 행정안전부 및 환경부에서 구축한 홍수위험지도와 본 연구의 시뮬레이션 결과를 비교·검증함으로써, HEC-RAS 2D 모형의 실제 적용성과 정책적 활용 가능성을 평가하는 후속 연구를 수행할 예정이다.
종합하면, HEC-RAS 2D 모형이 도시 유역의 복합 침수 현상을 신뢰성 있게 재현할 수 있는 유용한 도구로 평가된다. 이는 향후 도시 홍수 대응 전략, 예·경보 체계 고도화, 방재 인프라 설계 등 다양한 분야에서 활용될 수 있으며, 특히 HEC-RAS 2D의 격자기반 시각화와 검증된 재현성은 정책결정자와 실무자가 피해 지역을 이해하고 대응 전략을 마련하는 데 매우 효과적인 의사결정 지원 도구로 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
