한반도의 호우 패턴이 강도와 빈도의 증가로 인해 예측이 힘들어지는 상황을 극복하기 위하여 다양한 구조적 및 비구조적 대책이 꾸준히 마련되어져 왔다. 비구조적인 대책으로 홍수 예⋅경보 시스템 구축과 준실시간 재해 현황 정보 제공, 지역민을 대상으로 한 교육 등을 실시하고 있으나 2020년 국내에서 발생한 홍수피해 사례를 보듯이 재해 발생 시 재해 담당자뿐만 아니라 일반 시민들의 재해정보 활용성을 극대화할 구체적인 방안과 대처계획 수립이 필요한 실정이다.

국내⋅외적으로 도시홍수 피해 저감을 위한 예⋅경보 개선을 위한 연구가 지속해서 수행되고 있다. Lee et al. (2006)은 Dual-Drainage 개념에 의한 도시홍수해석모형을 개발을 위하여 SWMM 모형과 월류 유량의 전파과정을 계산하는 DEM 기반 침수해석모형을 통합하였다. Han et al. (2007)은 비정형 격자기반의 침수해석 모형을 개발하여 DEM기반 침수해석 모형과 비교를 통하여 비정형 격자기반 침수해석모형의 적용성을 제시하였다. Yoon et al. (2014)은 기존의 폭풍해일 수치모형에 강우와 우수관망을 해석할 수 있는 알고리즘을 추가하여 수치모형을 개발하고 단순화된 지형에 적용하여 강우에 의한 범람과 우수의 배수, 해수의 역류 현상에 따른 영향을 모의하였다. Lee et al. (2015)은 과부하 맨홀의 손실계수를 고려한 도시지역 침수 해석을 위하여 유량의 변화와 맨홀 형상 변화에 따른 특성 분석을 위하여 수리실험을 실시하였다. Ahn et al. (2015)은 이중편파 레이더 강우자료와 격자기반 분포형 강우-유출 모형인 KIMSTORM (KIneMatic wave STOrm Runoff Model)을 이용하여 유출해석을 수행하고, 관측된 침수 자료와의 비교를 통해 레이더 강우자료의 효용성을 검토하였다. Lee et al. (2017)은 1D-2D 통합 도시홍수 해석 모형을 이용한 침수 원인 분석을 위하여 1차원 하수관망 2차원 범람 모형의 국내 적용성을 검토하고 과거 도시 홍수 사상의 침수 원인 분석을 수행하였다. Lee and Yoon (2017)은 격자기반 침수해석모델을 개발하여 강우 시나리오에 따른 침수 취약 지역 추정과 준실시간 침수 예측을 하였다. An et al. (2018)은 분할격자기법과 격자세분화기법을 동시에 활용하면 매우 적은 수의 격자로 복잡한 형상의 흐름영역을 표현할 수 있는 격자기반 2차원 침수해석모형 K-Flood를 개발하여 관측자료와 모의결과를 비교하여 적용성을 검증하였다. Kim et al. (2019)은 실무에서 하천기본계획 수립 시 활용되는 HEC-RAS 기반 1차원 침수위 모형 결과와 DEM을 기반으로 침수지도 작성의 복잡한 단계를 자동화시키고, 오픈소스인 QGIS와 연계할 수 있어 고비용의 ArcGIS에 기반하지 않는 OpenGIS 기반 홍수범람지도 생성 자동화 소프트웨어를 개발하여 빈도별 홍수사상에서 범람의 특성을 시범적으로 구현하고 분석하였다. Lee (2020)는 기후변화 취약성 분석 함수를 이용해 도시홍수에 대한 건축구조물의 취약성을 진단하는 방법을 제시하였다. Sun et al. (2021)은 XP-SWMM을 이용하여 연안 지역의 침수모의에 관한 매개변수의 민감도를 분석하고 적절한 적용 범위를 제시하였다. Kang et al. (2021)은 ANN 기반 도시침수 위험 기준 예측 모델을 개발하여 신속하면서도 정확도가 향상된 도시침수 예측 가능성을 제시하였다.

Chen et al. (2009)는 강우-유출 모형과 침수모형으로 구성된 GIS기반의 도시홍수 예측 모형 GUFIM을 개발하여 도시홍수 모의에 대한 적용성을 제시하였다. Chang et al. (2014)는 준실시간 도시홍수 모델링을 위하여 정적 인공신경망 1개와 동적 인공신경망 2개를 사용하여 도시홍수 예측 모형을 개발하였다. Kim et al. (2015)은 짧은 홍수 모의 소요 시간이 가능한 다공성 천수방정식 모델링을 이용하여 기존의 천수방정식을 이용한 홍수 모델링보다 넓은 범위의 홍수모의 가능성을 제시하였다. Bruwier et al. (2017)은 다공성의 천수방정식 기반의 홍수모형의 매개변수 결정을 위한 모델링 스케일을 고려하여 도시홍수 예측 개선 가능성을 제시하였다. Lee and Kim (2018)은 강우 자료 적용 용이성을 통해 현재 홍수 예측 기법의 단점을 극복할 수 있는 다차원 홍수 피해 분석 방법을 사용하여 홍수 피해 가능성을 기반으로 새로운 홍수 예측 기술이 개발하였다. Xie et al. (2021)은 침수 예측을 위하여 인공신경망 기반의 하이브리드 모델링 접근법을 개발하였다. Li et al. (2020)은 중국 광동성 지역을 대상으로 기후변화와 인간 활동이 홍수 취약성에 미치는 상대적인 영향을 정량적으로 평가하기 위하여 클라우드 모델을 제시하였다. Arabameri et al. (2020)은 이란의 Gorgan 유역을 대상으로 하이브리드 기계학습 앙상블 기법을 고려한 돌발홍수 민감성 모형을 평가하였다. Cheng et al. (2022)은 소규모 도시 유역에서의 돌발홍수 위험도 저감과 경보 운영을 위한 소유역 맞춤형 수리⋅수문 모형을 개발하여 적용성을 분석하였다. Li et al. (2022)은 도시지역의 홍수 예측을 위하여 1D-2D 연계 강우⋅유출모형을 적용한 다양한 재현기간 별 강우 시나리오에 대한 모의를 수행하였다.

본 연구에서는 전형적인 도시침수 예측 접근법인 SWMM과 Flo2D 같은 1D-2D 물리모형을 연계한 배수분구 별 침수모의에 기반한 침수 예측이 준실시간으로 적용되기 힘든 한계를 극복하기 위하여, 통합배수관망을 활용한 간략화된 물리 모형을 활용한 배수분구 단위의 침수예⋅경보 활용 가능성을 제시하였다. 개발된 모형은 배수분구 단위로 복잡하게 설치된 배수관망을 저류와 배수기능을 가진 하나의 통합배수관으로 치환하고, 통합배수관을 연결한 광역 배수관망 정보를 구축하였다. 구축된 통합배수관망과 배수분구의 DEM, 토지이용, 펌프장, 저류지 등 특성 정보를 활용한 준실시간 배수분구 침수 발생 예보의 적용성을 분석하였다.

통합배수관 도시침수 예측모형을 서울시 배수분구 단위의 침수 발생 여부를 판단⋅예측하기 위하여 적용하였다. 도시홍수 모형의 입력 강우는 수문학적 자료동화 모형과 동일한 레이더 강우를 이용하며 해상도 또한 250 m × 250 m로 수문모형과 동일하다. 준실시간 홍수예측 판단을 위하여 복잡한 배수관망의 길이, 단면 형태, 재질, 매설깊이 등을 고려하여 하나의 배수관으로 치환하였으며 치환에 사용된 배수관망은 간선, 지선 정보를 사용하였다. 배수분구의 유역의 특성을 고려하고자 토지이용, DEM, 펌프장, 저류지 정보를 이용하였다.

본 연구에서는 도시방재성능 목표 기준을 초과하는 이상기상으로 인해 과거 예측하지 못한 도시 수재해 발생 빈도가 증가함에 따라 준실시간 도시홍수 예측을 위한 모형을 개발하였다. 배수분구들이 연계된 서울과 같은 대도시 적용을 위하여 통합배수관망 개념을 적용한 배수분구 별 도시침수 발생 여부 판단 모형을 개발하고 서울 지역에 모형의 적합성을 평가하였다. 본 연구에서 도출된 결론은 다음과 같이 요약할 수 있다.

배수분구 내에 존재하는 복잡한 배수관망을 하나의 통합배수관으로 구축하여 인접한 배수분구 사이의 통합배수관망 체계에 따른 유출 작용을 반영하고 배수분구 내의 저류지, 펌프장 용량 등 배수분구의 저류 및 유출 특성을 고려하는 도시침수 예측모형을 개발하였다.

서울시 239개 배수분구의 관망자료, 지형자료를 사용하여 배수분구 별 통합배수관 부피, 경사, 길이, 조도계수를 산정하였다. 산정된 통합배수관의 부피, 경사, 길이, 조도계수는 배수분구 별 평균 경사, 원 배수관망의 유출경로를 모두 반영하기에는 짧은 통합배수관 길이, 평균 조도계수로 구성되므로 침수발생 신고 사례와 연계하여 모형 인자별 가중계수를 산정하였으며 가중계수의 범위는 0.97-2이다.

2018년 8월 호우 발생 시 서울지역의 침수사례에 대하여 적용하고, ROC 분석을 실시한 결과 TPR은 0.89로 현실에서 발생하는 침수의 예측 정확도에서 우수한 결과를 보였으나 FPR 또한 약 0.33으로 침수 발생을 과대하게 예측하는 경향을 보였다. ROC 정확도는 약 0.71을 보여 활용 가능성과 함께 개선의 여지가 존재한다. 검증에 사용된 홍수 사례의 수가 적고 행정동 기준으로 기록되어 있어 모형의 검⋅보정과 평가에 한계가 있으므로 추후 가용한 홍수 사례 자료가 증가와 추가적인 검⋅보정 및 평가를 통해 도시침수 예측 모형의 성능이 개선될 것으로 판단된다.

본 연구에서 개발한 도시홍수 발생 판단 모형 개발의 목적은 이상기상으로 인한 돌발적인 도시침수재해로부터 조기 예⋅경보 시스템 구축에 활용하고자 함이다. 본 연구에서 개발한 모형은 물리적 기반의 모형이면서 모의 시간이 상당히 개선되어 준실시간 도시침수 예⋅경보 체계 구축에 활용할 수 있을 것으로 판단되며, 추후 배수관의 경사, 조도계수, 배수관 부피 등 모형의 민감도 분석과 실제 거동을 더 잘 반영할 수 있는 자료동화기법 및 가중계수 산정에 대한 추가적인 연구와 다양한 도시침수 사례를 적용한 모형의 검⋅보정을 통하여 도시유역의 침수 예⋅경보와 수재해 저감을 위한 대책 및 전략 수립에 활용될 것으로 기대된다.