1. 서 론
2. 데이터 수집 및 제공 모듈
2.1 데이터 수집 모듈
2.2 데이터 제공 모듈
3. 홍수분석 모듈
3.1 유역유출 분석 모듈
3.2 하천흐름 분석 모듈
3.3 도시유출 분석 모듈
4. 하천 평가 모듈
4.1 하천환경 평가 모듈
4.2 하천종합 평가 모듈
5. 제방 붕괴 시뮬레이션 모듈
5.1 시뮬레이션 모델 분석
5.2 시스템 적용
6. 결 론
1. 서 론
물은 사람이 살아감에 있어 높은 중요도를 차지하고 있다. 따라서 많은 문명과 도시들은 하천을 중심으로 발전되었고, 도시하천을 원활히 관리하고, 도시에서 물과 관련하여 발생하는 문제를 해결하기 위해 많은 방법이 연구되고 있다.
물과 관련하여 발생하는 다양한 문제 중 가장 큰 문제를 일으키는 것은 홍수로써 홍수로 인해 매해 많은 물적, 인적 자원의 피해가 발생하고 있다. 도시에서 발생하는 홍수를 관리하기 위해서는 단순히 도시 내 관리뿐만 아니라 유역 상류에서 발생하는 유출부터 도시 주변에 흐르는 하천에 대한 분석이 함께 이루어져야 한다. 따라서 이러한 물의 흐름을 분석하기 위한 다양한 연구가 수행되었다. Bae et al. (2008)은 청계천 유역을 대상으로 수문관측 자료를 기반으로 홍수 예측을 할 수 있는 모델을 제시하였고, 실측자료를 이용하여 모형을 검증하였다. Yoo et al. (2006)은 SWMM 모형을 이용하여 빈도 강우와 해수위에 따른 도시홍수량을 추정하여 침수범위를 도출하였고, GIS 데이터베이스와 연계하여 침수에 따른 예상 피해를 도출하였다. 그러나 해당 연구들은 해당 지역의 국지적인 정보와 하나의 모델을 이용하여 분석을 수행했기 때문에 하천에 대한 전체적인 분석을 수행하기는 어려웠다. Sin et al. (2000)은 HEC-HMS와 HEC-RAS를 이용하여 수영강의 홍수위 분석 및 하도 내 교량에 의한 홍수 영향 분석을 수행하였다. 해당 연구에서는 하도 내 홍수위 분석은 수행하였으나, 도시 내에서 배수되는 유출량에 대한 부분은 고려되지 않았다. 이러한 연구들은 강우에 따른 물의 흐름과 홍수 발생 가능성에 관한 결과를 담고 있으나, 유역에서 유출되고 하천 흐름에 따라 유입, 유출되는 양 그리고 도시 내에서 발생하는 유출까지의 전반적인 분석은 수행되지 않았다.
하천을 관리하기 위한 평가는 다양한 방법이 있으며, 크게 치수와 환경에 관해 주안점을 두고 진행되고 있다. Song et al. (2008)은 하천 상태를 평가하기 위하여 52개의 평가항목을 도출하였으며, 10개의 평가 분류로 나누어 AHP 분석을 수행하였다. Hong et al. (2014)은 자연 하천 개수 후 하천 공간의 생태기능 변화 양상을 분석하기 위하여 제방의 유무, 사행도 횡 구조물 그리고 제내지 토지이용 등 4가지 하천환경 평가 요소를 수립하여 검토하였다. Lee (2018)는 하천환경의 기본 특성을 고려하여 하천환경 관리지표와 평가체계 수립을 하였으며, 저수로 폭, 상시 수위 그리고 수위 등 15개 평가 요소를 도출하여 평가를 수행하였다. 이렇듯 다양한 연구들이 하천을 평가하기 위해 수행되고 있으나, 대부분의 연구가 개인의 업무환경에서 이루어지고 보고서의 형태로만 제시되고 있어, 관리적인 측면과 공유적인 측면에서 어려움을 겪고 있다.
끝으로 하천에 대한 평가가 이루어지고 대비하고 있는 상황에서 발생할 수 있는 문제가 돌발적인 제방 붕괴로 인한 수재해이다. 최근 저수지들의 붕괴로 하천이 범람하여 도시가 잠기는 사건이 발생하고있다. Jeon et al. (2005)은 제방의 월류 혹은 붕괴에 따라 홍수파가 제내지로 전파되는 홍수류 해석을 하였으며, 2차원 모형을 적용하여 제내지 내 범람 해석을 수행하였다. Park et al. (2009)은 하천 제방 붕괴에 대한 제방 침식, 범람 홍수량 해석 그리고 시간에 따른 제방붕괴 폭과 침수위 등을 예측하는 제방 붕괴 모형을 개발하였다. 이러한 많은 연구가 수행되고 있으나, 시스템을 통해 결과까지 제공되는 결과는 미비한 상태이며, 3차원으로 분석되어 수심 등이 가시화되는 결과는 전무한 상태이다.
따라서 본 연구에서는 이러한 도시홍수 분석, 하천 관련 평가 그리고 제방 붕괴로 발생하는 수재해 들을 분석하고 즉각적으로 가시화할 수 있는 도시하천관리 연계플랫폼을 개발하였다. 2장에서는 본 플랫폼에 구축되는 모듈들의 데이터 수집 및 제공에 관한 내용을 설명하고, 3장에서는 도시홍수 분석을 위하여 유역 유출부터 도시 유출에 이르기까지의 분석 구조와 개발에 관한 내용을 제시한다. 4장에서는 하천 관련 평가 개발내용을 나타내고, 5장에서는 제방 붕괴 시뮬레이션에 대한 설명과 결과를 제시한다.
2. 데이터 수집 및 제공 모듈
2.1 데이터 수집 모듈
도시하천관리를 위해 최우선으로 선행되어야 하는 사항은 자료수집이다. 수집된 자료는 도시하천의 현재 상태에 대한 파악과 모델들의 입력자료로 사용된다. Fig. 1은 도시하천 관련 기관으로부터 데이터를 수집하여 플랫폼에서 관리하기까지의 흐름을 나타낸다. 본 플랫폼에서는 물환경정보시스템(Water Environment Information System, WEIS), 국립환경과학원(National Institute of Environmental Research, NIER), K-water, 한강 홍수통제소(Han River Flood Control Office, HRFCO) 그리고 기상청 기상자료개방포털(Korea Meteorological Administration, KMA) 등 도시하천을 분석 및 평가하기 위한 자료를 여러 기관의 시스템을 연계하여 수집한다.
수집하는 데이터는 시스템 제공 특성과 데이터 특성에 따라 수집하는 방법을 달리하였다. 본 연구에서는 그림에서 나타내는 HTTP 수집, 로그 및 센서 데이터 수집, DBMS 수집 그리고 FTP 수집 네 가지 방법을 사용하여 데이터를 수집한다. 수집된 데이터는 본 플랫폼에서 정제 및 전처리 과정을 거쳐 데이터 분류에 따라 저장되게 된다. Fig. 1 중앙 상단의 그림은 데이터 연계 모니터링을 제공하는 화면으로, 연계되는 시스템과 데이터에 따른 상태와 데이터 수집 이력을 제공하며 수동으로 재수집할 수 있는 기능도 제공한다.
2.2 데이터 제공 모듈
연계플랫폼에서는 수집된 데이터와 더불어 정제과정을 통해 도출된 자료 그리고 분석 및 평가를 통해 획득된 자료를 사용자에게 제공하는 기능이 개발되어 있다. 연계플랫폼에서 데이터를 이미지, 엑셀 그리고 Open API 세 가지 방법으로 제공한다. 이 중 이미지와 엑셀 데이터는 플랫폼을 통해 조회하여 획득할 수 있는 데이터로 사용자가 가시적으로 확인하고 데이터를 내려받을 수 있도록 제공한다. 마지막 방법인 Open API는 현재 공공기관들과 여러 시스템에서 데이터를 제공하는 방법으로, 사용자의 선택으로 원하는 자료를 결합하여 사용하도록 프로토콜을 제공한다(Kim et al., 2014). 본 연구에서는 Open API 서비스로 자료를 제공하는데 REST (REpresentational State Transter) -ful 방식을 적용하였으며, 웹 프로토콜인 HTTP를 이용하여 통합 자원 식별자(Uniform Resource Identifiers, URI)를 사용자가 요구하는 조건에 따라 구성하여 해당 정보를 제공한다(Fielding, 2000). Fig. 2는 제공하는 API의 설명과 테스트를 할 수 있는 기능을 제공하는 페이지를 나타낸다. 해당 페이지에서는 기본적인 API의 개요와 URL 정보, 요청 변수, 테스트 기능 그리고 오류 코드 정보를 제공한다. 사용자는 해당 페이지에서 API를 테스트하고 획득하는 정보의 결과를 확인할 수 있다.
3. 홍수분석 모듈
도시하천에서 정확도 높은 홍수분석을 하기 위해서는 단순히 도시하천 내의 유출뿐만 아니라 유역에서부터 시작되는 물의 흐름에 대한 분석이 필요하다. 따라서 본 장에서는 도시하천 홍수를 분석하기 위해서 유역 단위 유출을 분석하는 유역유출 분석 모듈, 도시 주변 하천의 수위를 분석하는 하천흐름 분석 모듈 그리고 도시 내 유출을 분석하는 도시유출 분석 모듈에 대해 설명한다. 본 모듈은 이전 연구에서 개발한 모듈을 사용자 측면에서 사용성을 높이는 고도화 작업을 추가 진행하였다(Koo et al., 2021).
3.1 유역유출 분석 모듈
유역에서 유출되는 물의 양을 분석하기 위해 많은 연구가 진행되고 있다. 그중 많은 연구의 기반이 되는 것이 HEC-HMS와 저류함수법이다. 본 연구에서는 시스템의 직접도를 높이고 계산의 복잡도를 낮추기 위하여 저류함수법을 사용한다. 저류함수 모형은 한강 홍수통제소에 탑재되어 현재까지 홍수분석을 위해 사용되고 있다. 본 연구에서는 최종 도시유출을 도출하는 부산 Eco Delta City (EDC) 지역의 상위 유역인 낙동강 유역을 대상으로 저류함수법을 적용하여 결과를 가시화한다.
저류함수법 운동량방정식은 유출량과 저류량의 관계를 나타내는 저류방정식을 적용하여 홍수파의 연속방정식을 통해 홍수 유출량을 계산하는 방법으로, 1961년 기무라도시아키에 의해 제안되었으며, 국내에서는 1974년 한강 홍수 예보시스템에 도입된 이후 금강, 섬진강 그리고 낙동강 홍수 예보시스템에 적용되어 사용되고 있다.
본 연구에서는 유역유출을 분석하기 위하여 분할유역, 분할하도, 수문관측 그리고 시설물 4가지 정보를 입력 정보로 구축한다. 구축된 입력 정보를 토대로 모델에 적용하여 분할유역과 하도의 출구 점에서 Fig. 3과 같이 결과를 제공한다. 그림 내 지도에서 각 포인트마다 결과를 제공하며, 유역유출 포인트를 선택하는 경우 그림과 같이 그래프를 통해 결과를 제공한다. 그래프는 시점별 강우와 강우에 따른 유출 정보를 제공한다.
3.2 하천흐름 분석 모듈
본 연구에서 하천흐름에 대한 흐름을 분석하기 위하여 미 공병단에서 개발한 HEC-RAS 모델을 사용한다. HEC-RAS 모델은 자연 하천과 인공하천에서의 정상류 상태의 점변류 수면 곡선을 계산할 수 있을 뿐만 아니라 부정류 및 유사 현상 해석 기능까지 제공한다.
하천흐름 분석의 입력 정보는 유역유출 결과와 더불어 하천망, 경계조건 그리고 강우 정보를 이용하여 구성된다. 하천망 자료는 분석 하천에 대한 지형정보를 나타내며, 낙동강 하천기본계획(MOLIT, 2013) 및 서낙동강수계 국가하천 기본계획(MOLIT, 2012)을 기반으로 구축하였다. 경계조건은 하굿둑, 수문 그리고 펌프장 정보를 포함하는 자료로, 하천기본계획과 유역유출 결과 등을 기반으로 개폐 조건을 구축하였다. 강우 정보는 유역유출과 동일한 정보를 분석 대상지에 대해서만 추출하여 반영하였다.
하천흐름 분석 결과는 하천 단면 정보를 기반으로 Fig. 4와 같이 표출된다. 지도 위 하천 단면을 선택하는 경우 그림과 같이 우측에 하천 수위가 표현된 하천 단면 그래프와 해당 단면의 시점별 수위, 유량 그리고 유속 정보가 표로 제공된다. 해당 그래프와 표는 그림 하단과 그래프 상단의 애니메이션 버튼을 통해 시점별 변화를 확인할 수 있도록 제공된다.
3.3 도시유출 분석 모듈
도시유출 분석 모듈에는 미국 환경보호청에서 만든 EPA SWMM 모델을 적용하였다. EPA SWMM은 강우-유출-지표면 유출 시뮬레이션 모델로, 제내지에서 강우로 인해 발생하는 지표면 유출, 지하수 및 증발 등 수문학적 특성과 관수로 및 개수로 등 관망 및 하천에 대한 유출량을 예측하는 데 사용할 수 있는 모델이다.
도시유출은 본 연구의 최종 테스트베드인 EDC 지역을 대상으로 수행된다. 대상 지역의 우수관망과 맨홀에 대한 위치와 정보는 EDC 설계서와 도면을 기반으로 구성하였다. EPA SWMM의 입력자료는 하나의 input 자료로 구성되며, 옵션 항목들에 대한 자세한 사항은 이전 연구에서 언급하였다. 본 연구에서의 입력자료 구성은 EDC 초기 설계서를 기반으로 유역, 맨홀 그리고 우수관망 정보를 구축하였다. 강우 정보는 우량 게이지를 선정하여 유역별로 설정된 우량계의 강우 정보를 적용하나, 분석영역이 국소 지역이기 때문에 하나의 강우 정보를 사용하였다.
도시유출 분석 결과는 입력자료로 사용된 맨홀과 우수관망 자료를 기반으로 Fig. 5와 같이 플랫폼에서 제공한다. 지도 위에 표현된 맨홀과 우수관망은 맨홀 수위와 통수능에 따라 색으로 표시된다. 맨홀과 우수관망을 선택하는 경우 그림 우측과 같이 선택 항목에 따른 정보를 그래프와 표로 제공한다. 맨홀을 선택하는 경우 맨홀 수위에 대한 정보가 그래프로 표시되고, 월류량과 표면 유출량 그리고 유입정보가 표로 제공된다. 관망을 선택하는 경우 통수능 정보가 그래프로 제공되고, 유속과 유심 그리고 유속 정보가 표로 제공된다.
4. 하천 평가 모듈
4.1 하천환경 평가 모듈
4.1.1 평가 모델 분석
하천 환경평가는 하천을 평가하는 데 있어서 중요한 요소이다. 그러나 기존 하천 평가의 경우 적은 항목 수와 단순한 점수 표현법으로 인해 제대로 된 환경평가가 이루어지지 않았다. 본 연구에서는 하천의 환경에 대한 원활한 평가를 위하여 10개 항목에 대하여 1~20까지의 배점을 책정하는 평가 기법을 시스템에 적용한다(Yeo et al., 2020).
해당 평가 모델을 분석하여 평가자에게 제공하기 위한 평가 그룹과 평가항목 그리고 점수 배점 등의 정보를 담을 수 있는 테이블을 구축하고 Fig. 6과 같이 관계를 구성하여 Entity-Relationship Diagram (ERD)를 도출하였다.
환경평가가 이루어지는 지점은 물환경정보시스템에서 제공하는 Korean Reach File (KRF) V3.0을 이용하였다. KRF는 집수구역, 리치 그리고 노드로 구성되어 있으며, 본 연구에서는 노드와 리치를 이용하여 평가 지점을 구축하였다.
4.1.2 시스템 적용
하천 환경평가는 기본적으로 Fig. 7과 같이 리치와 노드들로 표시된 지도 위에서 평가가 수행된다. 동그라미와 세모는 노드를 나타내며, 검은선은 리치를 나타낸다. 환경평가는 노드를 선택해 이루어지며, 좌측 상단의 조회와 등록 기능을 이용하여 평가 등록 및 평가 결과 조회가 가능하다. 우측 표는 기 평가된 결과를 제공하고 있다.
4.2 하천종합 평가 모듈
4.2.1 평가 모델 분석
하천에는 다양한 시설물과 구조물 그리고 식생이 존재하며, 구축 제방과의 상호 복합적으로 작용하여 하천에 영향을 미친다. 그러나 기존 하천 계획에서는 치수 관점에 국한하여 평가를 진행하고 결과를 반영하였다. 이에 Lee and Sim (2020)는 수리 시설물 계획 시 환경 생태 유량을 적용한 환경 기능적 측면을 분석하기 위하여 치수뿐만 아니라 하천환경을 복합적으로 고려한 시설물 평가 및 계획을 개발하였다. 본 플랫폼에서는 해당 모델을 채택하여 적용한다.
하천 종합평가 모델은 치수와 환경에 대한 종합적인 평가를 수행한다. 각 평가는 치수 4가지 항목과 환경 4가지 항목으로 구성되며, 각 항목별 특성에 따라 단면 별 혹은 하천 전체에 대하여 평가를 수행한다. 치수에는 여유고, 비탈경사, 둑마루 폭 그리고 시설물 평가가 포함되고, 환경에는 환경생태 수심, 수면폭-하복비, 수생물 이동방해 횡단구조물 그리고 수질 평가가 포함된다.
모델 분석을 통해 도출된 치수 관련 4가지와 환경 관련 4가지 평가항목과 각 평가의 세부 내역 그리고 평가가 진행되는 단면 정보들을 담는 데이터베이스를 구축하였다. 구축된 데이터베이스는 Fig. 8과 같은 관계를 갖는 ERD로 도출 가능하다. 해당 데이터베이스는 관리 테이블인 tbl_comp_eval_ mng를 기준으로 관리되며, 평가자별 관리가 가능하도록 구축하였다.
4.2.2 시스템 적용
본 연구에서는 추후 기존 자료와의 비교 검토를 위하여 신월천을 대상으로 Fig. 9와 같이 플랫폼에 평가 모듈을 구축하였다. 그림 좌측 상단에서 평가 영역과 평가 리스트를 선택하게 되면 지도 위에 해당 평가 대상 하천의 단면과 우측의 평가 팝업창이 표출된다. 평가 팝업창에는 선택 단면과 계획홍수위가 그래프로 표출되며, 하단에는 평가항목들에 대한 평가를 수행할 수 있는 입력란이 제공된다. 치수 항목 중 여유고, 비탈경사 그리고 둑마루 폭과 환경 항목 중 환경생태 수심과 수면폭-하폭비는 그림과 같이 단면별로 평가를 수행하고 시설물과 하천 횡단구조물과 수질은 하천 전체에 대해 평가를 수행한다. 하천 전체에 대한 평가항목은 버튼을 통해 팝업창을 제공하여 평가가 진행된다. 모든 평가가 완료된 이후 종합 평가점수는 치수와 환경에 부여된 가중치에 따라 도출되며, 해당 점수는 하천 계획에 대한 평가 기준으로 활용된다.
5. 제방 붕괴 시뮬레이션 모듈
5.1 시뮬레이션 모델 분석
본 항목에서는 제방 붕괴 시뮬레이션 모듈을 설명한다. 도시하천에서 치수 계획을 세우고 하천 평가를 통해 재난에 대비하고 있으나, 갑자기 발생하는 제방 붕괴 현상에 도시에 많은 피해를 초래하게 된다. 본 연구에서는 제방 일부가 붕괴되는 시나리오 기반의 시뮬레이션을 수행하여 붕괴 시 발생하는 침수 영역 및 침수심에 대해 분석한다.
Fig. 10은 제방 붕괴 시뮬레이션 과정을 나타내는 그림으로, 좌측은 시스템에 탑재되는 모듈을 나타내며, 우측은 시뮬레이션 과정을 뜻한다. 국가정보포털에서 지형정보와 DEM을 수집하여 지형 고도에 따라 하천 및 유역 모델링을 수행하였고, 하천지리정보시스템의 하천구역 정보와 등고선 수치정보를 대조하여 하천 경계 모델링을 수행하였다. 하상 모델링은 HEC-RAS 입력 정보인 하상 단면 정보를 기반으로 구성하였으며, 제방은 높이 2 m, 폭 7.5 m로 균일하게 구축하였다. 제방 붕괴는 20 m 영역이 파제되도록 하여 최종적으로 Fig. 11과 같이 모델링을 구성하였다. 이후 영역 및 심도 분석을 위하여 3차원으로 격자를 구성하였다.
5.2 시스템 적용
해당 모듈은 현재 시나리오 기반으로 결과를 제공하고 있으며, 추후 사용자의 선택을 통한 시뮬레이션 결과 표출을 목표로 한다. 시뮬레이션 결과는 ASCII Grid 파일로 도출되며, 해당 파일을 geoserver를 통해 스타일을 적용하여 raster로 제공한다. Fig. 12는 제방 붕괴 시뮬레이션 결과를 제공하는 화면으로, 시나리오 케이스를 선택하여 시간이 변함에 따라 붕괴로 인한 하천 범람이 발생하는 양상을 제공한다. 또한 영역의 색을 통해 침수심을 표현하여 해당 영역이 어느 정도 깊이로 침수되었는지를 직관적으로 확인할 수 있도록 제공한다.
6. 결 론
본 연구에서는 도시하천을 관리하기 위하여 홍수분석 모듈, 하천 평가 모듈 그리고 제방 붕괴 시뮬레이션 모듈을 플랫폼에 연계 및 적용하였다. 홍수분석 모듈의 경우 EDC 세물머리의 도시유출을 분석하기 위하여 상류 지역인 낙동강 유역의 유역유출부터 EDC 주변 하천의 흐름분석을 수행하는 모듈을 구축하였다. 세 개의 홍수분석 모듈은 매일 자정에 분석을 수행하여 결과를 제공함으로써, 도시지역 내 홍수분석에 대한 결과를 보다 효율적이며 직관적으로 제공한다. 하천 평가 모듈에는 하천 환경평가와 종합평가 모듈이 포함된다. 환경평가 모듈은 기존 평가에서 보다 세분화된 평가체계와 점수를 웹으로 제공함으로써 사용성을 증대할 수 있고, 종합평가 모듈은 치수에만 치우쳤던 하천기본계획을 환경에 대한 부분을 추가하고 평가를 세분화함으로써 보다 정확한 하천기본계획 수립을 가능하게 할 것으로 판단된다. 끝으로 하천 제방 붕괴 시뮬레이션 모듈을 적용함으로써, 발생 가능한 제방 붕괴에 대한 침수 양상 및 대비책을 마련하기 위한 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
