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1. 서 론

세계적인 기상이변에 따른 지역별 호우의 양상은 2000년 이전과 다르게 많은 인명 및 경제적 피해를 발생시키고 있다. 국내의 경우 최근 10년간 우기에 해당하는 7, 8, 9월의 강우 패턴이 2000년 이전과는 다른 집중호우의 향상을 나타내고 있다. 대표적으로 서울시의 예를 살펴보면 반포천 상류부의 통수능력이 부족해 2011년 7월 3일간 535 mm에 폭우로 인해 강남역 일대가 침수되고 우면산 산사태로 16명이 목숨을 잃었다. 또한, 2022년 8월 8일 발생한 폭우는 강남역 일대의 저지대를 중심으로 침수가 발생하여 경제적으로 큰 피해가 발생했다. 따라서 이러한 집중호우 기간에 도시홍수를 예방할 수 있는 대표적인 치수 구조물인 우수관로, 빗물펌프장, 빗물저류조 등의 역할은 더욱 더 중요시 되고 있다.

기존의 도시홍수 대응에 관한 연구는 재내지의 통수능을 증대하기 위해 우수관망의 최적설계 등에 관한 연구와 빗물펌프장의 최적의 운영방안을 토출하여 차집된 우수를 하천으로 빠른 시간내에 방류 할 수 있는 연구가 많이 수행되었다(Kwon et al., 2018; Lee and Chung, 2018; Choo et al., 2017). 도시지역 빗물펌프장 및 빗물저류조 운영과 관련된 주요 문헌을 살펴보면 다음과 같다. Joo et al. (2010) 등은 Jun et al. (2007) 등이 개발한 빗물펌프장 실시간 운영모형과 Lee et al. (2007) 등이 개발한 빗물펌프장 실시간 운영프로그램에 적합한 3가지의 펌프운영규칙을 개선하고 이를 실제 빗물펌프장에 적용하여 유수지의 최대수위 저감 및 상류유역의 월류량 저감 정도를 분석하였다. Lee et al. (2016) 등은 빗물저류조 유입부 형태와 모니터링 지점을 고려한 구조 및 비구조적 대책을 동시에 고려될 수 있는 복합적인 방식을 제시하였다. Sim et al. (2017)은 빗물펌프장의 펌프운영시나리오를 작성하고 2010년 및 2011년 강우자료를 펌프운영시나리오에 적용하여 강우-유출해석을 수행하고 월류 저감량을 분석하여, 가장 큰 월류 저감량을 보인 시나리오를 바탕으로 침수면적 저감 규모를 추정하였다. Jin et al. (2018) 등은 소하천과 같은 유역의 홍수분석에 필요한 자료가 미비한 경우 무인 드론을 이용하여 항공촬영 후 이를 바탕으로 지형자료 등을 구축하여 SWMM 모형을 적용하여 유역의 침수해석을 수행하였다.

내수 및 외수를 동시에 고려한 홍수방어 관련된 연구를 살펴보면 다음과 같다. Jang et al. (2006)은 GIS기법을 이용하여 지형을 분석하고 예상침수지역을 구분하였으며 HEC-RAS 부정류 분석을 통한 하도의 홍수유출 분석과 저지대 침수해석을 통해 GIS와 연계하여 예상침수지도를 작성하였다. Cho et al. (2015)은 HEC-HMS모형을 적용하여 대상유역의 홍수량을 산정하고 미국 기상청의 FLDWAV 모형을 적용하여 하도에서의 홍수해석을 수행하였다. 이를 바탕으로 제방의 월류 및 경제조건을 산정 후, LDWAV 및 SWMM 모형의 결과를 바탕으로 2차원 침수해석을 하였다. Song et al. (2015) 등은 도림천 유역의 빗물펌프장을 대상으로 집중호우로 인한 펌프장 저류조의 수위가 상승하는 경우 이를 사전에 예방하기 위해 위험수위 도달 전에 이를 예측 강우량을 산정 할 수 있는 방법을 제안하였다. Kang et al. (2010)은 도시지역에서 발생되는 월류량을 산정하기 위해 SWMM모형을 이용하였으며, 발생된 월류량을 바탕으로 지표수 흐름을 해석하기 위해 범람해석 모형인 FLUMEN모형을 이용하여 도시지역의 도로에서의 흐름을 분석하였다. 또한, 최대 월류 발생시 도로를 통해 노면수 집중을 일으키는 맨홀을 주요 맨홀로 선정하여 주요 지점에 저류지 설치 방안 및 관거를 확대하는 방안의 시나리오를 설정하여 월류저감 효과를 분석하였다. Lee et al. (2023) 등은 도시유역의 홍수피해 분석을 위해 XP-SWMM 모형을 이용하여 부산시의 동천을 대상으로 2020년 7월 실제 강우량자료를 바탕으로 우수관거에 의해 범람하는 내수 침수피해 정도를 분석하고 실제 피해 사례와 비교하여 분석하였다.

기존의 연구사례는 도시홍수의 피해를 최소화하기 위해서 우선순위를 재내지 중심으로 설정하고 월류발생에 따른 피해를 경감하기 위해서 우수관로의 최적설계와 빗물펌프장의 최적운영에 집중되어 있다. 그러나 도시홍수 피해는 내수침수 및 외수범람 등 다양하고 복합적 영향에 의해 피해가 발생하고 있어 이에 관한 연구가 필요하다. 우기 및 태풍이 발생하는 집중호우 기간에 빗물펌프장에서는 차집된 우수를 강제 배수를 극대화하는 방향으로 펌프를 가동하게 되며, 이러한 경우는 수문으로 차단된 외수위는 고려되지 않는다. 또한, 방류되는 하천의 수위가 높아지면 재외지의 범람으로 인해 제방 붕괴 등의 위험한 상황이 발생할 수도 있어 빗물펌프장은 운행을 중단 하거나 또는 강제 배수량을 최소화하는 운영이 필요하게 된다. 그러나 이때 빗물펌프장의 배수량 전체를 중지하게 되면 우수관로의 월류로 인한 재내지의 내수침수가 발생하게 되어 홍수피해를 가중된다.

기존의 문헌조사 결과에서 외수 및 내수를 동시에 고려할 수 있는 빗물펌프장 운영에 관한 연구는 미비하였다. 따라서 재외지의 수위 상승으로 인한 제방 붕괴의 위험을 최소화 하면서 재내지의 우수관로의 월류를 최소화 할 수 있는 최적의 빗물펌프장 운영이 요구된다. 본 연구는 내외침수를 저감 하면서 외수위를 동시에 고려하기 위해서 다양한 시나리오를 바탕으로 모의분석을 수행하여 내수침수의 피해가 최소화 되는 범위에서 빗물펌프장의 배수량을 제한하여 방류하천의 수위 상승을 억제할 수 있는 빗물펌프장 운영기법을 제시하고자 하였다.

2. 연구방법

본 연구는 하천의 범람으로 인한 이차적인 내수침수를 방어하기 위해 비구조적 대책 중 하나인 운영적 측면의 내외수를 고려한 빗물 펌프운영 방안을 제시하였다. 하천의 외수위 상승을 억제하기 위해서는 빗물펌프장의 펌프 운영을 중지하여 펌프에서 토출되는 배수량을 줄이는 방안이 있다. 그러나, 빗물펌프장의 펌프를 중지하게 되면, 유수지의 수위가 상승하게 되어 유수지로 유출되는 유출구가 잠식되어 배수효과로 인해 내수 침수의 위험도가 높아진다. 따라서, 외수위 상승을 억제하는 동시에 내수 침수가 증가하는 것을 억제할 수 있는 적절한 펌프 운영 조건이 필요하다. 본 연구의 전반적 흐름을 Fig. 1에서 살펴보면, 유전자 알고리즘의 최적화 기법을 적용한 펌프별 최적의 운영 수위를 산정은 기존의 선행 연구 결과를 이용하여, 이를 바탕으로 펌프의 가동을 최소화 할 수 있는 운영 시나라오를 구성하고, 서울시 확률강우량을 바탕으로 강우시나리오를 구성 후 내수침수를 최소화 하면서 외수의 수위를 감소시킬 수 있는 최적의 펌프 운영조건을 산정하는 것이다.

Fig. 1

Study Flow Chart

2.2 펌프운영 및 강우 시나리오

외수위가 상승하는 위급한 상황발생시 외수위 상승을 억제해야 한다. 즉, 기존에 하천수위 상승을 억제하기 위한 방법은 하천폭의 확장과 제방고 증설과 같은 구조적 대책이 있으나, 건물의 밀집과 하천변의 토지이용이 증대되면서 하천폭 확장이 어려워졌다. 이러한 이유는 기존의 제방 둑을 도로 또는 산책로 등으로 사용하고 둔치 부지를 친환경 생태공원 등으로 활용하고 있기 때문이다. 따라서, 외수위가 상승하는 위급한 상황시 이를 억제하기 위한 비구조적 대책이 필요하다. 본 연구에서는 외수위 상승을 억제하는 동시에 월류 발생에 따른 내수침수가 급증하는 것을 방어하기 위한 펌프운영조건을 산정하기 위해 Table 1과 같이 펌프를 연속적으로 중지하는 시나리오를 제시하였다.

Table 1

Pump Operation Scenarios

또한, 빗물펌프장의 경우 유수지 수위에 따라 펌프가 순차적으로 가동되고 있다. 따라서, 지속시간별 저빈도 부터 고빈도에 따른 강우시나리오를 바탕으로 상황별 최적 펌프운영조건을 제시하였다. 강우 시나리오는 Table 2와 같이 나타내었으며, 서울시 확률강우를 기반으로 강우 시나리오를 작성하였다. 강우의 범위는 2년 빈도 부터 200년 빈도에 해당되며, 2022년 현재 서울시는 강우강도 40 mm/hr 이상인 호우가 발생하는 경우에는 침수 피해가 발생할 수 있다고 자체적으로 판단하고 있어서 본 연구에서도 강우강도가 40 mm/hr 이상인 음영으로 표시한 호우사상을 적용하였다.

Table 2

Rainfall Scenarios

3. 적용 및 결과

3.1 대상유역

연구 대상유역 Fig. 2와 같으며 유역 전체면적은 248.5 ha이다. 이 유역은 2011년 7월, 2022년 8월 등의 집중호우로 인해 서울시의 대표적인 침수 피해지역으로 분류되고 있으며 하천의 제방고가 높지 않으며, 주변에 인구 밀집 지역인 영등포구, 관악구를 관통하여 흐르는 전형적인 도시 하천으로 홍수 범람시 많은 경제적 피해를 유발 시키고 있다. 또한, 이러한 하천범람 피해를 줄이기 위해서 유역 출구인 대림3 빗물펌프장에는 12대의 펌프를 운영하고 있으며 집중호우 발생시 도림천으로 강제 배수가 되도록 운영하고 있다.

Fig. 2

Basin Subject to Study

3.2 최적 펌프운영 조건 산정

본 연구에서는 펌프운영 시나리오 및 강우 시나리오를 바탕으로 최적 펌프운영조건을 산정하였다. 최적 폄프 운영에 필요한 총 12대 펌프별 최적의 초기 운영 수위는 최적화 기법인 유전자 알고리즘을 이용하여 Sim et al. (2018) 등이 수행한 연구 결과를 적용하였다. 최적의 펌프운영 조건을 산정하기 위해서는 펌프운영 시나리오별 절점에서 발생되는 월류 증가량 분석이 가장 적적할 방법으로 판단되었다. 따라서, 본 연구의 대상지역인 대림3 빗물펌프장의 총 12대의 펌프를 대상으로 펌프 운영 시나리오를 Case1부터 11까지 구성하였다. 예를 들어 Table 1에서 Case 1의 경우는 펌프 1호기부터 11호기까지 운영되는 시나리오이다. 즉, 펌프 12호기의 가동을 중단하고 토출량을 줄임으로써 외수의 상승을 억제하고자 하였다. 즉, 최적의 펌프운영 조건 산정을 위해 Table 1의 펌프운영 시나리오와 Table 2의 강우 시나리오의 조합을 적용하여 산정하였다.

최적 펌프운영 산정은 Fig. 3과 같이 펌프 가동 댓수의 변화량에 따른 월류량이 급격히 상승하거나 변화하는 구간을 최적의 펌프운영조건으로 산정하였다. 즉, Fig. 3은 예를 들어 지속시간 40분에 강우량 60 mm의 강우시나리오를 대표로 나타내었다. 60 mm/40 min 강우 시나리오에서 펌프운영 조건이 Case 9 (펌프 1~3호기 운영)에서 총 월류량이 급격히 상승하였다. 따라서, Case 9를 최적 펌프운영조건으로 선정하였으며, 이때는 펌프를 3대만 운영하여도 내수침수의 급증 방지하고 외수위 상승을 억제할 수 있는 펌프의 운영조건이라 판단하였다.

Fig. 3

Rainwater Pumping Station Operation Scenarios and Total Flooding Amount

각 강우 시나리오별 최적 펌프운영조건을 Table 3의 5란에 나타내었으며, 6란에는 펌프 가동 대수를 나타내었다. Table 3의 결과를 살펴보면 대체적으로 강우량의 지속시간이 길어질수록 강우강도는 낮아지며, 발생되는 총월류량 및 발생되는 월류발생 지점의 댓수도 감소하는 것을 알 수 있다. 이는 첨두 강우강도가 낮아지면, 유출에서 첨두 발생시간이 늦춰지는 것으로 판단되었다. 그러나, 총강우량이 동일하기 때문에 펌프운영조건 선정에는 큰 변화는 없었다.

Table 3

Optimal Pumping Station Operation Results according to Rainfall Scenarios

본 연구에서 Table 3의 결과를 바탕으로 Fig. 4와 같이 지속시간별 강우강도에 따른 펌프운영조건 관계를 나타내었다. 즉, Fig. 4는 동일한 지속시간을 가지는 강우 시나리오별로 구분한 후 강우강도에 따른 펌프 운영 조건을 나타내었다.

Fig. 4

Relationship between Duration-rainfall Intensity-rainwater Pumping Station Operation

또한 Fig. 4는 강우시나리오별 강우강도와 펌프운영조건에 관해 다차항으로 회귀식을 산정하였다. 즉, 발생되는 강우의 지속시간과 총강우량을 알면 이를 강우강도로 변환하여 수식에 적용이 가능하며, 이에 따라 최적 펌프운영조건을 선정할 수 있다. 최적 펌프운영조건이 결정되어야 하는 시기는 앞서 언급한 바와 같이 하천의 수위가 상승하여 하천의 여유고가 부족한 위기 상황이 발생하는 경우이다. 따라서 본 연구에서 제시한 최적 펌프운영조건을 적용한다면, 외수위가 상승하는 것을 억제하는 동시에 내수침수가 급증하는 것을 억제할 수 있을 것으로 판단된다.

4. 결 론

집중 호우기간에는 빗물펌프장에서는 강제 배수량을 극대화하는 방법으로 펌프를 가동하게 되며, 이 경우 수문으로 차단된 방류하천의 수위는 대체적으로 고려되지 않는다. 그러나 유역 상류부의 수위 상승로 인한 재외지의 수위가 계속해서 상승하게 되면 제방 등의 붕괴 위험으로 인해 재내지의 빗물펌프장은 기존의 배수 운영을 설계 목표에 미달하여 운영할 수 밖에 없는 경우가 발생하게 된다. 이때, 재내지의 펌프 배수량을 중지 또는 설계용량 보다 작게 운영하게 되면 재내지의 우수관망내 절점에서는 월류가 발생하게 되어 침수 피해가 발생하게 된다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위해서는 재내지의 월류로 인한 침수 피해를 최소화 하고, 재외지의 수위 상승으로 인해 제방 붕괴를 예방할 수 있는 최적의 빗물펌프장 운영 규칙이 요구된다. 따라서, 본 연구는 재외지의 수위 상승을 줄이고, 재내지의 월류 발생을 최소화 할 수 있는 다양한 조건의 강우와 펌프장 운영 조합의 시나리오를 객관적으로 구성하여, 이를 바탕으로 비구조적 홍수방어 기법인 외수위 저감을 위한 빗물펌프장 운영기법을 도출하여 제시하였다.

빗물펌프장의 최적운영 기법을 도입하여 분석한 결과 강우량이 커질수록 월류량 또한 증가하며, 이에 따라 월류 증가율과 유수지 첨두수심이 커짐을 알 수 있었다. 또한, 펌프 시나리오에서 펌프운영을 11개에서 1개로 줄이면 펌프의 가동 댓수가 줄어들기 때문에 줄어든 펌프의 댓수 만큼 펌프의 배수량이 감소되어 월류량은 증가하게 되고 월류량과 유수지의 첨두수심은 증가하게 되었다. 빗물펌프장의 내수침수를 저감하고 외수위 상승을 억제할 수 있는 최적의 펌프운영조건 산정은 펌프 운영 댓수 변화에 따른 월류량의 변화가 큰 구간을 선정하여 산정하였다. 이 방법은 펌프운영 댓수에 따른 월류량의 변화가 최대가 될 때를 기준으로 하여 재내지의 침수 피해가 최소가 되는 동시에 재외지의 수위 상승을 줄일 수 있는 조건으로 판단하였다. 본 연구에서 제안한 최적의 펌프 운영 방법은 도시유역 하천에서 설계강우 이상의 호우가 발생할 때 보다 큰 효과를 보여 줄 수 있는 기법으로 판단된다. 즉, 호우로 인해 하천의 제방고 수위가 상승할 때 여유가 있다면 내수침수를 저감하기 위해 많은 펌프를 가동하여 증가 되는 월류량을 줄일 수 있지만, 반대로 하천에서의 수위가 계속 상승하여 위험수위에 도달할 경우 본 연구에서 제시한 최적 펌프운영조건을 적용한다면, 내수침수 저감과 동시에 외수위 상승을 줄일 수 있다고 판단된다.

연구에서 제시한 결과는 현재 대림3 빗물펌프장에서 호우 발생시 실제로 펌프운영 조건을 바탕으로 최적의 펌프 운영시나리오를 산정하였다. 따라서, 향후 정밀한 펌프의 운영규칙을 고려할 수 있다면 보다 효과적인 도시홍수 방어를 할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 본 연구에서 제시한 운영기법은 국내 다른 도시의 빗물펌프장에도 적용이 가능할 것으로 판단된다.

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