1. 서 론
홍수는 전 세계적으로 가장 빈번한 자연재해 중 하나이고, 기후변화로 인한 강우강도의 증가는 사회, 경제, 환경 등 다양한 분야에 심각한 피해를 입히고 있다(Park et al., 2023). 특히, 도시 지역은 재산과 인구가 밀집되어 있어 홍수로 인한 침수 발생 시 대규모의 피해를 유발하고 있다.
도시 침수의 발생 원인은 도시 하천이 넘쳐서 발생하는 외수 범람(fluvial flooding)과 우수관거나 저류시설 등 우수배제 시설의 통수능 부족으로 인한 내수 침수(pluvial flooding)로 구분할 수 있다(Lee et al., 2022). 특히, 하천이 관류하는 도시 지역에서 강우로 인해 하천이 범람하는 경우, 내수 침수가 동시에 발생할 가능성이 크다. 이는 상대적으로 우수관거의 설계 빈도가 하천에 비해 낮게 계획되기 때문이다. 실제로, 2020년 7월에 부산시 동천 하류부의 저지대 지역은 강우 시 하천이 범람하였고, 우수관거의 통수능 부족에 따른 내수 침수가 동시에 발생하였다(KSCE, 2021). 유사하게, 2022년 9월에 포항시에서는 태풍 힌남노에 의한 강우량이 하천 등 방재시설물의 계획빈도를 초과하여 많은 인명 피해와 대규모의 재산 피해를 유발하였다(Kim, 2022).
이러한 도시 유역에 대한 침수 발생의 원인을 분석하고, 적절한 대책을 수립하기 위해 많은 연구자와 기술자들은 SWMM (storm water management model)을 사용하고 있다. 미국의 환경보존국(Environmental Protection Agency, EPA)의 지원 아래 개발된 EPA-SWMM은 복잡한 배수체계의 흐름을 해석할 수는 있지만, 맨홀을 통해 범람한 강우-유출수가 지표면을 따라 전파되는 침수 현상을 모의할 수는 없다. 이에 최근에는 XP-SWMM, PC-SWMM, InfoWorks ICM 등 침수 해석이 가능하도록 개발된 상용 프로그램이 주로 활용되고 있다. 한편, Nam et al. (2021)은 1차원 하수 관망 모형(SIPSON)과 유한요소법을 이용한 하천 및 제내지의 유동해석 모형을 결합하여 내수 침수와 하천 범람을 동시에 해석할 수 있는 모형을 개발한 바 있다.
일반적으로 하천이 관류하는 도시 유역에서 하천의 영향을 받는 지역의 홍수 및 침수 해석에는 하천의 수위를 도시 홍수 모형의 경계조건으로 고려하여 분석한다. 하지만 대부분의 도시 하천에는 수위관측소가 존재하지 않아 분석에 어려움이 있다. 일례로서, Cho et al. (2011)은 수영강 하구의 수위를 상대적으로 먼 거리에 위치한 조위관측소의 조위를 이용하여 설정하였고, Kang et al. (2012)은 빗물펌프장의 운영 실적을 이용하여 추정한 유수지의 수위를 하류단 경계조건으로 활용하였다. 이와 같은 한계를 개선하기 위해 여러 연구에서는 HEC-RAS, FLDWAV 등의 수리학적 모형을 이용하여 하천의 수위를 직접 계산하고, 이를 도시 홍수 모형의 입력자료로 활용하였다(Yu et al., 2005; Lee and Yeon, 2008; Cho et al., 2015). 한편, 하천 범람과 내수 침수를 동시에 해석한 사례로서, Baek et al. (2006)은 KIMSTORM 모형을 이용하여 맨홀의 범람량을 산정한 후, 하천 범람을 포함하여 제내지 침수 해석을 수행한 FLUMEN의 입력자료로 활용하였다. 또한, Cho et al. (2015)은 HEC-HMS, SWMM, FLDWAV, 2차원 해석 프로그램 등 4개의 프로그램을 연계하여 내수 침수와 하천 범람에 의한 침수 현상을 구현하였다. 하지만 이러한 프로그램 간 연계를 통한 분석에는 각각의 독립된 모형을 구성하여 보정하고, 연계 분석의 적절성을 검토해야 하는 등 많은 시간과 노력이 요구된다. 또한, 프로그램 간 연계는 대부분 단순히 특정 모형의 분석 결과를 다른 모형의 입력자료로 활용하는 수준이므로, 수리/수문학적 연속성이 결여될 수밖에 없다.
본 연구에서는 하천이 관류하는 도시 유역의 침수 분석 시, 단일 모형으로 하천 범람 및 내수 침수를 동시에 모의할 수 있는 방법을 제시하였다. XP-SWMM은 우수관거를 고려하여 맨홀 범람에 의한 침수 현상을 구현할 수 있고, 불규칙한 단면 형상의 하천과 교량 구조물을 고려할 수 있다. 본 연구에서는 2020년 7월에 하천 범람과 내수 침수가 동시에 발생한 부산 동천 유역에 XP-SWMM을 적용하여 분석의 적절성을 검토하였다.
2. 연구 방법
2.1 XP-SWMM
2.1.1 XP-SWMM의 개요
XP-SWMM은 EPA-SWMM의 엔진을 기반으로 구성된 유역의 강우-유출수 및 배수체계에 관한 흐름 해석 모듈과 TUFLOW (Two-dimensional Unsteady FLOW) 엔진 기반의 범람 유동 계산 모듈을 통합한 수리-수문 모의 모형이다(Sun, 2021).
XP-SWMM은 사용자의 편의성을 높이기 위해 엑셀(EXCEL), GIS, EPA-SWMM 등 타 소프트웨어와 호환이 가능하도록 기능을 개선하였고, AutoCAD 또는 GIS 파일을 통해 관망을 손쉽게 구성할 수 있도록 하였다(Jin et al., 2015). 그리고 EPA-SWMM에서 강우-유출 해석에 사용하는 비선형 저류방정식(nonlinear reservoir equation) 이외에도 실제 설계에 많이 사용되는 Clark, Snyder 등의 합성단위도 방법과 시간-면적법(time-area method) 등 다양한 강우-유출 해석 방법을 추가하여 활용성이 제고되었다. 또한, 여러 가지의 강우 및 분석 조건을 시나리오로 구성하여 일괄적으로 실행될 수 있도록 개선되었다.
2.1.2 XP-SWMM을 이용한 하천 범람 해석 방법
XP-SWMM은 불규칙한 수로 단면과 교량을 고려할 수 있어 1차원 하천 모의가 가능하다. XP-SWMM에서는 하천을 노드(node)와 링크(link)로 구성하고, 하천 범람은 노드에서 발생한다. 그리고 하천 범람은 노드의 계산 수위가 하천 좌⋅우안에 위치한 제방고 중 낮은 제방고를 상회할 때 발생하게 된다. 하지만 이러한 현상은 실제 하천 범람의 양상과 상이하다. 즉, 실제의 하천 범람은 하천의 수위가 좌⋅우안의 제방고보다 높아질 때, 한쪽 또는 양쪽의 제내지로 전파되는 반면, XP-SWMM에서는 하천 수위가 양안에 위치한 제방고 중 낮은 제방고를 상회할 때 범람하고, 범람된 물은 노드 상단에서 발생한다. 따라서 단순히 XP-SWMM을 이용하여 하천을 모의하는 경우, 하천 범람에 의한 제내지 침수 현상을 적절히 모사할 수 없다.
이에 본 연구에서는 XP-SWMM으로 실제 하천 범람을 구현하기 위해 하천을 구성하는 노드와 좌⋅우안의 제내지 지반을 연결하는 가상의 관거를 생성하는 방안을 고려하였다. 가상의 관거는 좌⋅우안의 제방고와 제방 외측 제내지의 지반고를 반영하여 구성된다. 이에 따라 계산된 하천 수위가 좌⋅우안의 제방고보다 높아질 때 해당 방향(한 방향 또는 양방향)의 제내지로 하천수가 범람하도록 하였다. Fig. 1(a)는 본 연구에서 고려한 하천 범람 시 가상의 관거에 의한 침수 현상 모의에 관한 개념을 나타내고, Fig. 1(b)는 XP-SWMM에서 가상의 관거를 설정하여 하천 범람에 의한 제내지 침수를 모의하기 위한 화면을 나타낸다.
2.2 대상유역
2.2.1 유역 및 하천 현황
본 과업의 분석 대상 지역이 포함된 동천 유역은 부산광역시의 중앙 남단부에 위치한다. 동천은 주거 밀집 지역과 시가지 중심지를 관통하는 대표적 도시 하천으로서, 대부분의 구간은 복개되어 있고 전포천 합류 이후의 하류부는 개수로 구간이다. 동천 유역의 면적은 30.6 km2이고, 동천의 하구는 부산항과 접하고 있어 동천 하류부는 조위의 직접적인 영향을 받는 감조 구간이다. Fig. 2는 동천 유역과 본 연구의 침수 분석 대상 구간인 동천 하류부의 개수로 주변을 표시하고 있다.
2.2.2 배수체계 현황
동천 유역의 배수체계는 동천과 지류 하천, 우수 관망으로 구성된다. 이에 따라 과업 대상 지역의 배수체계를 구성하기 위해 동천 하천기본계획(Busan City, 2006, 2020), 부산광역시 하수도정비기본계획(Busan City, 2015), 부산시 도시정보시스템(UIS)을 활용하였다.
한편, 동천 하류의 개수로 주변 지역은 대부분 저지대로서 강우 시 동천의 수위 상승으로 인해 자연 배수가 불량하다. 이에 동천 개수로 주변에는 6개의 배수펌프장(성소, 골든뷰, 동천1, 동천2, 자성대1, 자성대2)이 설치되어 운영되고 있다. Fig. 3은 각각의 배수펌프장 위치와 설치 제원을 나타낸다.
2.3 수문 및 지형 조사
2.3.1 수문 관측자료 조사
본 연구에서는 2020년 7월 10일과 23일에 동천 개수로 구간에서 발생된 침수 현상을 분석하기 위해 부산 기상관측소의 1분 단위의 강우자료를 수집하였다. 또한, 동천 하구는 부산항의 조위 영향을 받으므로 인근에 위치한 부산 조위관측소에서 측정한 1분 단위의 조위자료를 수집하였다.
2.3.2 지형 및 수심 측량
도시 지역의 침수 분석을 위해서는 맨홀을 통해 범람한 강우-유출수가 지표면을 따라 전파되는 현상을 구현하기 위한 정밀 지형자료가 요구된다. 이에 본 연구에서는 드론 및 지상 기준점 등을 이용하여 제내지 측량을 수행하였다. 또한, 동천의 범람 현상 모의를 위해서는 정밀한 하천 단면이 요구되므로 수심 측량을 통해 제외지 측량을 병행하였다. Fig. 5는 드론 측량을 통해 제작한 정사영상과 수치 표면 모형(digital surface model, DSM)이다. Fig. 6은 수심 측량을 통해 결정된 5 m 간격의 격자 수심도를 나타낸다.
3. 연구 결과
3.1 침수 모의 모형 구축
2020년에 부산 동천 하류의 저지대에서 발생한 하천 범람 및 내수 침수를 모의하기 위해 XP-SWMM을 이용하였다. 동천 유역은 매우 넓은 반면, 침수가 발생된 지역은 대부분 하류의 개수로 구간 주변이므로 해당 구간을 중심으로 하천 및 우수관망 등의 배수체계를 구성하였다. 이때, 동천 개수로 상류 유역은 단일 유역으로 고려하여 동천 하류부 개수로 구간의 유입 홍수량을 분석하였다.
Fig. 7은 XP-SWMM으로 구성한 배수체계를 나타내는데, 파란색 영역은 하천 구간이다. 본 연구에서는 동천 개수로 구간에 대하여 수심 측량자료와 동천 하천기본계획에 수록된 하천 단면을 활용하여 하천을 구성하였다(Fig. 8). Fig. 8(a)는 XP-SWMM 상에 입력된 하천 단면의 예를 나타낸다. 또한, 동천 하류부에는 홍수 시 하천 수위 상승에 영향을 미칠 수 있는 교량이 다수 존재하므로 이를 고려하였다(Fig. 8(b)). 그리고 2.1.2절에 기술한 바와 같이 범람한 하천수가 제내지로 유입될 수 있도록 제방고와 좌⋅우안의 지반고를 고려하여 가상의 관을 설정하였다.
3.2 침수 모의
3.2.1 침수 모의 조건
2020년 7월 10일과 23일의 침수 모의를 위해 부산 강우관측소에서 측정된 1분 단위의 강우량을 사용하였다. 그리고 동천 하구의 경계조건으로 부산 조위관측소에서 관측된 1분 단위의 조위 자료가 입력되었다(Fig. 4의 강우량 및 조위 참조). 한편, 7월 10일과 23일 모두 Table 1과 같이 자성대1 펌프장과 자성대2 펌프장이 배전반 등의 침수 또는 침수 위험으로 인해 부분 운영되었다. 이에 본 연구에서는 해당 운영 결과를 고려하여 XP-SWMM을 구성하였다.
Table 1
Operation Records of Pump Stations for July 10 and 23
특히, 7월 10일에는 하구교 하류에 Fig. 10과 같이 가물막이 시설이 설치되어 있었으므로 설계 도면을 참조하여 가물막이 시설을 XP-SWMM에 반영하였다. 반면에 7월 23일의 경우, 해당 가물막이 시설이 대부분 철거되었기 때문에 고려하지 않았다.
3.2.2 침수 모의 결과
Figs. 11과 12는 각각 XP-SWMM을 이용하여 분석한 2020년 7월 10일과 23일의 침수 모의 결과이다. 7월 10일과 23일 모두 동천 개수로 구간 주변의 최대 침수는 자성대 아파트의 주변 도로에서 발생하였다.
7월 10일과 23일의 침수 모의 결과는 유사한 듯 다른 결과를 보였다. 우선, 7월 10일에는 동천에 인접한 지역의 침수심이 7월 23일 비해 깊은 것으로 나타났다. 이는 7월 10일의 경우, 가물막이의 영향으로 상대적으로 동천의 범람량이 더 많았고, 동천의 수위가 더 높았던 것에 기인하였다. 이와 달리 7월 23일에는 상대적으로 동천과 멀리 떨어진 지역의 침수 영역이 넓은데, 이는 7월 23일의 최대 강우강도가 7월 10일에 비해 커서 내수 침수의 영향이 더 크게 나타난 결과이다.
3.3 내수 침수 발생 지역에 대한 검증
XP-SWMM에 의한 내수 침수 모의의 적절성을 검토하기 위해 7월 10일과 23일의 내수 침수 발생 지역에 대한 영상을 수집하여 침수심을 추정하였다. 다만, 해당 침수 영상들의 촬영 시점이 불분명하고, 영상을 통해 정확한 침수심을 확인하기 어려우므로 추정된 최대 침수심은 개략적인 값으로 판단하는 것이 적절하다.
3.4 하천 범람 및 내수 침수 발생 지역에 대한 상세 검증
3.4.1 실제 침수심 추정
2020년 7월 10일과 23일에 동천이 범람한 구간은 하구교 우안이다. 그리고 하구교 우안에 위치한 자성대2 펌프장에는 폐쇄회로 TV (closed circuit television, CCTV)가 설치되어 운영되고 있다. 침수 피해가 발생한 7월 10일과 23일의 자성대2 펌프장 주변의 영상 자료를 이용하여 당시의 최대 침수심을 추정하였다.
Fig. 15는 CCTV 영상과 동천 경로당 건물 및 자성대2 펌프장의 울타리를 이용하여 7월 10일과 23일의 최대 침수심을 추정한 결과이다. 해당 지역의 최대 침수심은 7월 10일에 98~106 cm, 7월 23일에 77~91 cm로 확인되었다. 동천 경로당 건물 및 자성대2 펌프장의 울타리를 통해 추정된 침수심의 차이는 해당 지역의 경사진 지형에 의한 것이다.
3.4.2 침수 모의 결과의 검증
Fig. 16은 XP-SWMM을 이용하여 7월 10일과 23일의 침수 모의 결과 중 동천 경로당 및 자성대2 펌프장 주변의 침수 모의 결과를 확대하여 제시한 화면이다. 빨강색 사각형으로 표시된 부분이 동천 경로당 및 자성대2 펌프장 주변의 최대 침수심(m)을 나타낸다. Fig. 15에서는 동천 경로당과 자성대2 펌프장 주변의 추정 침수심이 각각 제시되었지만, XP-SWMM의 침수 모의 격자는 두 지역을 포함하여 구성되었기 때문에 인접한 두 지역의 침수심을 각각 계산할 수는 없다. 이에 동천 경로당과 자성대2 펌프장 주변에 대하여 분석된 침수심은 단일 값으로 제시되었다.
Table 2는 영상을 통해 추정된 침수심과 XP-SWMM에 계산된 침수심의 오차를 분석한 결과이다. 7월 10일의 동천 경로당 건물 주변의 침수 모의 결과는 실제 침수심에 비해 0~0.08 m 작게 나타났다. 반면에 7월 23일의 동천 경로당 건물 주변의 침수 모의 오차는 0.13~0.27 m로 분석되었다. 7월 23일에 대한 침수 모의 결과의 오차가 상대적으로 큰 것은 7월 10일 침수 피해 발생 이후, 복구가 완벽하게 이루어지지 않았기 때문으로 판단되었다. 즉, 7월 10일 침수 당시, 동천 우안의 담벼락 일부는 붕괴되었고, 가물막이 공사를 위해 홍수벽이 일부 절개된 상태였다. 이후 임시 복구를 통해 해당 담벼락 및 홍수벽 부재 구간에 하천 범람을 막기 위한 모래주머니 등이 설치되어 있었다. 7월 23일의 실제 침수 현상에서는 이러한 임시 홍수방어 시설 주변에서 하천수의 부분적인 누수가 발생하였을 것이지만, 모형을 통해 이를 재현할 수는 없기 때문에 발생된 오차로 판단된다.
Table 2
Validation of Simulation for Inland and River Flooding
4. 결 론
하천 범람과 내수 침수는 발생 메커니즘이 상이하고, 분석 방법이 달라 대부분 독립적으로 분석되고 있다. 하지만 최근의 부산, 포항, 청주 등 도시 관류 하천이 존재하는 도시 지역에서는 하천 범람과 내수 침수가 동시에 발생되고 있다. 이에 본 연구에서는 XP-SWMM을 이용하여 하천 범람과 내수 침수를 동시에 모의할 수 있는 방법을 제시하였다. 그리고 해당 방법을 2020년 7월 10일과 23일에 하천 범람과 내수 침수가 동시에 발생한 부산시 동천 유역에 적용하여 침수 모의의 적절성을 검토하였다.
침수 분석을 위해 유역, 우수관거, 펌프시설, 하천, 교량 등의 현황조사를 통해 배수체계를 구현하였고, 고해상도 드론 및 수심 측량을 통해 제내지 및 제외지의 지형을 상세 조사하였다. 침수 분석에는 기상관측소에서 측정된 1분 단위의 강우량을 이용하였고, 분석 대상 구간이 감조 하천이므로 인근의 조위 관측자료를 모형의 하류단 경계조건으로 활용하였다. 한편, 실제 현장 상황을 고려하기 위해 펌프장 운영 실적을 모형에 반영하였고, 2020년 7월 10일의 분석에서는 하천 내에 조성되어 있던 가물막이 시설을 고려하여 하천 단면을 구성하였다.
침수 모의 결과는 당시의 침수 영상을 통해 검증되었다. 2020년 7월 10일과 23일 모두 동천 하류부 개수로 구간 주변의 넓은 지역에서 내수 침수가 발생했는데, 이러한 현상이 모형을 통해 적절하게 모의되는 것으로 분석되었다. 특히, 하천 범람과 내수 침수가 동시에 발생한 지역 주변에는 CCTV가 존재하여 당시의 침수 상황을 자세히 확인할 수 있었는데, 7월 10일과 23일 모두 CCTV를 통해 추정된 최대 최대 침수심과 모의를 통해 분석된 최대 침수심이 유사한 것으로 분석되었다.
2023년 8월에 ‘도시하천유역 침수피해방지대책법안’이 국회 본회의를 통과하는 등 도시 유역의 침수 문제 해결을 위한 국가 차원의 노력이 추진되고 있다. 본 연구는 하천이 관류하는 도시의 침수 문제에 대한 원인 분석과 적절한 대책 수립을 위한 기술적 개선에 기여할 수 있을 것으로 판단된다. 다만, 본 연구에서는 XP-SWMM을 이용하여 하천 범람에 의한 침수를 해석하기 위해 범람한 하천수가 제내지로 유입되도록 가상의 관을 가정하였다. 이러한 가정은 하천 범람이 국부적으로 발생하는 경우에 유효할 수 있지만, 제방을 따라 넓은 영역에서 발생하는 하천 범람의 구현에는 한계를 가진다. 따라서 다양한 하천 범람 현상을 모의할 수 있는 일반적인 해석 방법이 요구된다.
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