격자별 침수심 분포 분석을 통한 우수저류조 설치 유무에 따른 침수피해 저감효과 분석
Analysis of Flood Damage Mitigation Effects Based on the Presence of a Rainwater-Retaining Facility Through Flood-Depth Distribution Analysis by Grid
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Abstract
최근 기후변화에 따른 국지성 호우로 인해 도시유역의 침수피해가 증가하고 있다. 이에, 우수유출저감시설 설치, 하수관거 개량 등을 통하여 피해를 저감시키고자 하고 있다. 이에 따른 침수저감효과 분석 방법 또한 다양한 방법으로 제시되며, 기존에 대표적으로 사용되는 방법에는 월류량, 첨두홍수량, 침수지도를 통한 침수저감효과 분석 방법이 있다. 하지만, 위 방법은 사람⋅재산 피해에 직접적으로 영향을 미치는 침수심의 저감효과를 파악하기 어렵다. 또한 침수지도를 통한 방법은 육안으로 저감효과를 분석해야 하므로 분석이 어렵다. 따라서, 본 연구에서는 격자별 침수심 분포 분석 방법을 통한 새로운 침수저감효과 분석 방법을 제시하였다. 도시유역 유출모델인 XP-SWMM 모델을 통해 격자별 최대침수심을 구하고, python 프로그램으로 0.1 m 구간별 침수심의 격자개수를 분석하였다. 결과적으로 다양한 강우 시나리오 조건과 경계조건 하에서, 본 연구에서 제시하는 우수저류조 설치 전후의 구간별 침수심 격자 저감 개수 확인을 통해 이전 방법보다 더 정량적인 침수저감효과 분석이 가능하고, 사람⋅재산에 직접적으로 영향을 미치는 침수심 격자의 저감 또한 정확한 판단이 가능할 것으로 판단된다.
Trans Abstract
In recent years, localized heavy rainfall due to climate change has caused increased flood damage in urban areas. To address this issue, efforts are being made to mitigate damage through the installation of a rainwater-retaining facility and improved sewer systems. Various methods have been proposed to analyze the flood mitigation effects of these measures, with commonly used approaches including the analysis of overflow volume, peak flood discharge, and flood maps. However, these methods have limited capacity to accurately assess the reduction in flood depth, which directly affects human safety and property. Additionally, the use of flood maps requires visual analysis, which makes it difficult to evaluate the reduction effects accurately. Therefore, this study proposes a new method for flood reduction using grid-based flood-depth distribution analysis. The maximum flood depth for each grid was determined using the XP-SWMM urban runoff model, and the number of grids for each 0.1-meter flood-depth interval was analyzed using a Python program. Consequently, under various rainfall scenarios and boundary conditions, the proposed analysis method enables a more quantitative assessment of flood mitigation effects by comparing the number of reduced flood-depth grids before and after the installation of the rainwater retention facility. This approach also allows for a more precise assessment of the reconstruction of flood-depth grids, which directly affects human safety and property.
1. 서 론
최근 급격한 기후변화로 인해 국지성 호우로 인한 피해가 증가하고 있으며, 이에 따라, 2009년 이후로 우수저류조 설치를 통해 도시지역 침수피해를 저감을 위해 노력하고 있다. 하지만, 이러한 시설 설치, 하수관거 개량 등의 설계과정에서 침수피해가 완전해소 되지 않는다면 정확한 효과를 가늠할 수 없다. 또한, 기후변화가 심각해짐에 따라 현재 운영되는 구조물의 침수해소 능력의 재평가도 중요시되고 있다.
이러한 이유로 침수피해를 정량화하여 침수저감효과를 분석하기 위해, 월류량, 첨두홍수량, 침수지도를 이용한 방법 등 여러 가지가 사용되고 있지만, 침수가 완전해소 되지 않는 이상 침수면적, 첨두홍수량의 저감 등의 수치를 통해서는 정확한 저감효과를 판단하기 어렵다. 또한, 침수면적이 100% 해소되지 않는 이상, 침수예상도 상에서 그 차이를 육안으로 확인하는데 어려움이 있다. 따라서, 침수저감효과를 더 정량화하여 판단하기 위해 본 연구에서 새로운 침수저감효과 분석 방안을 제안하였다.
먼저, 기존 방법과의 차이를 보여주기 위해 침수저감효과 분석 시 주로 사용되었던 월류량, 첨두홍수량, 침수지도를 통하여 침수저감효과를 분석한다.
이후, 새로운 침수저감효과 분석 방법인 격자별 침수심 분포 분석 방법을 이용하여 0.1 m 침수심 간격에 따라 격자를 구분하고, 2차원 해석결과 상에서 사람 및 재산피해가 발생하지 않는 침수심(ex. 0.2 m)인지 확인하며 피해를 주는 침수심의 개수를 비교하여 그 효과를 입증한다.
본 논문과 같이 침수저감효과를 분석하기 위해 국⋅내외로 다양한 연구들이 수행되었다.
Choi et al. (2003)은 인천의 상습침수지역 중 승기천 배수구역에 대하여 침수당시 실제강우사상에 대한 유출모형을 확인하고 우수저류시설 설치여부에 따라 첨두시간, 첨두홍수량, 총유출량을 비교하여 우수저류시설의 종류, 위치, 규모에 따라 그 효과를 보였다.
Choi et al. (2010)은 도시유출해석모형인 MOUSE를 이용하여 상습 침수 지역이었던 소래포구 지역의 지표면 유출량을 통한 관망해석을 실시하였으며, 연구 대상지역의 우수저류조 설치 전과 후의 관내수위 및 첨두홍수량을 비교하여 우수저류조 설치 유무에 따라 수위 및 첨두홍수량에서 저감효과가 나타남을 보였다.
Kim et al. (2010)은 대구광역시 서구 비산7동 지역을 배수구역으로 선정하여 집중호우시 유출특성을 모의하고, 지하저류조 설치 및 크기에 따라 월류체적, 침수면적을 비교하여 침수피해 저감효과를 분석하였다.
Kwon (2011)은 우수관거의 통수능 부족과 지형적으로 저지대에 속해 있어 상대적으로 내수침수에 취약한 대구광역시 신암5동 지역을 대상 지역으로 선정하여 저류지를 중⋅상류부에 설치하여 유출저감시설이 없는 경우, 상류 저류지 설치 시, 중류 저류지 설치 시, 상류 및 중류 저류지 설치 시로 나누어 지속시간별 첨두유출량, 침수위, 침수면적을 비교하여 우수저감시설의 저감효과에 대해 분석하였다.
Choi (2015)은 서울시 양천구 신월 빗물저류배수시설을 대상으로 상습침수지역의 침수에 대하여 XP-SWMM 모형을 이용하여 침수모의를 수행하였으며, 대심도 빗물저류배수시설이 설치됨으로써 침수범위, 침수량, 침수시간, 하수관거 내 수위변화 분석을 통해 침수 저감효과를 보였다.
Choi and Jun (2018)은 폭풍해일로 인한 해수면 상승과 강우로 인한 요인을 주안점으로 두고 SWMM을 이용하여 제주 산지천의 침수해석을 실시하여 그 결과로 건물 및 인명 피해에 대한 침수피해 정량화 분석을 실시하였다.
Lee (2019)는 도시지역에서 기존의 우수관거를 연계한 저류시설인 간선저류지 개념을 제안⋅적용하여 관련 특성인자를 분석하고 간선저류지 설치위치 및 방류지점에 대한 설계방안을 제시하고, 간선저류지 설치로 인한 도시지역의 내수침수 저감효과를 비교⋅분석하였다. 이에, 간선저류지 설치 위치에 따른 유출구의 첨두유량, 유역저류비에 따른 유출구 첨두유량비와 첨두저감량을 비교하였고, 간선저류지 설치에 따라 침수셀의 개수, 침수면적, 침수면적의 비, 침수저감율을 비교하였다.
Na (2019)는 객체기반법을 이용하여 침수피해를 정량화 하였다. 많이 사용되고 있는 다차원법과 객체기반법을 비교하여 다차원법에서 고려하기 힘들었던 건물 자산가치 등을 산정하여 정확도높은 침수피해 정량화를 제시하였다.
이처럼 다양한 침수저감효과를 분석하기 위한 방법들이 제시되었으며, 대체로 월류량, 첨두발생량, 침수지도를 통한 침수저감효과 분석이 이루어지고 있다. 하지만, 이와 같은 침수저감효과 분석방법은 침수저감시설 설치나 하수관거 개량 등으로 사람 및 재산 피해에 미치는 영향이 정량적으로 얼마나 저감 되는지는 판단하기 어렵다. 특히, 월류량 또는 침수면적이 100% 저감이 아니라면 선행 연구에서 사용한 분석 방법이 명확하지 않을 수 있다. 또한, 침수심이 다르지만 침수면적에 큰 차이가 없다면 효과가 있음에도 불구하고 효과가 없다고 판단될 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 사람 및 재산 피해에 직접적으로 영향을 미치는 침수심을 기준으로, 강우 시나리오에 따라 격자별 침수심 분포 분석을 통해 침수저감효과 분석 방안을 제시하고자 한다.
2. 격자별 침수심 분포 분석 방안
2.1 강우시나리오 설정
｢재해영향평가 등의 협의 실무지침(Ministry of the Interior and Safety, 2023)｣에서 확률강우량은 30년 빈도, 50년 빈도, 방재성능목표강우량을 비교 및 검토하는 것을 제안하고 있으며, ｢우수유출저감시설의 종류⋅구조⋅설치 및 유지관리 기준(Ministry of the Interior and Safety, 2018)｣에서 우수저류조의 설계강우는 영구구조물은 50년빈도 강우를 기준으로 하도록 제시한다. 따라서, 본 연구에서는 30년 빈도, 50년 빈도, 방재성능목표강우량을 고려하여 침수저감효과를 분석하며, 빈도별 강우량은 ｢홍수량 산정 표준지침(Ministry of Environment, 2019)｣의 확률강우량을 사용한다. 방재성능목표강우량은 ｢지역별 방재성능목표 설정 기준(Ministry of the Interior and Safety, 2022a)｣의 지역별 방재성능목표강우량을 사용하며, ｢지역별 방재성능목표 설정 기준(Ministry of the Interior and Safety, 2017)｣ 보다 높지 않은 경우, 2017년에 산정된 방재성능목표강우량을 사용한다.
우수저류시설 설계 시 용량을 결정하기 위해, 임계지속시간을 결정하고 해당 홍수량을 저류하는 용량으로 결정한다. 따라서, 우수저류시설의 설계 당시의 임계지속기간을 기준으로 30년, 50년, 방재성능목표강우량의 침수저감효과를 분석한다.
2.2 하류단 경계조건
Fig. 1과 같이 하류단 배수효과를 고려하고, 하류단 경계조건은 침수 결과에 차이를 줄 수 있기 때문에 하류 영향이 없는 자유방류 조건과 기점수위 조건으로 나누어 분석한다.
Outlet Boundary Condition
부산 수영지구는 조위의 영향을 받는 경우이므로 약최고고조위를 기점수위 조건으로, 양재 근린공원지구는 하천의 영향을 받는 경우이므로 하천의 계획홍수위를 기점수위로 한다.
2.3 격자별 침수심 분포 분석
｢자연재해저감 종합계획 세부수립기준(Ministry of the Interior and Safety, 2022b)｣을 보면, 도시유역에서 허용 침수심 0.2 m를 적용하여 위험지구의 영향범위를 평가한다. 이는 사람에게 피해를 줄 수 있는 침수심 기준을 구분한 것이다. 또한, ｢도로터널 방재⋅환기시설 설치 및 관리지침(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2024)｣에서는 지하차도별로 침수심, 주변 하천 수위, 시우량 등을 고려하여 최대 침수심은 15 cm 이하로 하고, 그 이상은 위험 침수심으로 구분하고 있다.
따라서, 사람⋅재산에 직접적인 영향을 미치는 침수심을 구분하여 침수심 구간에 따른 격자별 침수심 분포 분석을 이용한 새로운 침수피해 분석 방안을 제시하고자 한다.
침수심 구간에 따른 격자별 침수심 분포 분석을 위해, 먼저, XP-SWMM 상에서 30년 빈도, 50년 빈도, 방재성능목표강우량을 적용하여 침수 해석된 결과의 격자별 최대 침수심을 추출한다. 침수심 구간에 따른 효과 분석을 위해 python 코드를 사용하여 0.1 m 침수심 구간별로 격자 개수를 분류한다.
강우 시나리오, 하류단 경계조건, 우수저류조 설치 여부에 따라 ｢자연재해저감 종합계획 세부수립기준(Ministry of the Interior and Safety, 2022b)｣의 허용침수심인 0.2 m를 기준으로 두고 피해를 야기할 수 있는 침수심 격자의 개수가 어느 정도 감소하였는지를 격자 개수 차이(= -(미설치 - 설치))의 계산 공식을 사용하여 침수심 별 격자 개수의 차이를 나타낸다.
위 과정은 Flow chart (Fig. 2)와 같으며 침수저감효과 분석 시, 동일한 조건으로 우수저류시설 설치 전후의 격자별 침수심 분포 변화를 비교⋅분석한다.
Flow Chart
3. 대상 유역
3.1 대상 유역 선정 및 구축
우수저류조 설치를 통한 격자별 침수심 분포 분석을 위해, 행정안전부 관할 전국 우수저류시설 설치 지구 105개소를 전수조사하였다. 이 중, 객관적인 침수저감효과 데이터를 얻기 위해 도심지에서 침수의 주된 원인이 되는 특징인 도심지-고밀도, 해안가(조위영향)을 가진 지역을 선정하였다. 최종적으로 조위의 영향이 있고 도심지인 부산 수영지구, 고밀도의 도심지인 서울 양재근린공원지구 지역을 Fig. 3에서처럼 대상 유역으로 선정하였다.
Target Watershed Setting
부산 수영지구 우수저류조의 총 저류용량은 17,900 m3 으로 2017년에 준공되었으며, 수영지구는 유역 내 하천이 없고 우수관로를 통해 광안리 해수욕장으로 직접 방류된다. 우수저류조의 지상은 수영중학교 운동장으로, 지하가 우수저류조로 활용되고 있다. 부산 수영지구는 광안리 해수욕장을 제외하고 대부분 주거지역이고 호암초등학교, 광안초등학교, 수영중학교, 동아중학교 등의 학교와 양로원이 위치해있어 침수피해 발생 시 시설물의 피해뿐만 아니라 인명 피해의 가능성도 우려된다.
서울 양재근린공원지구의 우수저류조의 총 저류용량은 14,065 m3으로 2017년에 준공되었다. 지상은 운동장, 지하 1층은 주차장으로 활용되고 있으며 지하 2층부터 우수저류조로 활용되고 있다. 방류되는 하천의 수위는 고려하지 않고 청천 시 펌프 가동에 의해 강제 배제하고 있다. 양재근린공원지구는 일반주거지역으로 빌딩 및 아파트가 밀집되어 있어 인구밀집도가 높아 침수 발생 시 피해규모가 클 것으로 예상되므로 선제적 대응이 필요할 것으로 판단된다. 또한 지형은 대체로 평탄하나 일부 저지대로 인한 침수피해가 발생된다.
3.2 대상 유역별 경계조건 설정
앞서 2.1절에서 언급한 대로, ｢재해영향평가 등의 협의 실무지침(Ministry of the Interior and Safety, 2023)｣에서 확률강우량은 30년 빈도, 50년 빈도, 방재성능목표강우량을 비교 및 검토하는 것을 제안하고 있으므로, 본 연구에서는 30년 빈도, 50년 빈도를 고려하여 침수저감효과를 분석하였으며, 적용한 빈도별 강우량은 Table 1과 같다.
Frequency Based Probable Rainfall (mm)
마찬가지로, 우수저류시설의 설계 당시의 임계지속기간을 기준으로 30년, 50년, 방재성능목표강우량의 침수저감효과를 분석하였고, 임계지속기간은 Table 2에서처럼 부산 수영지구는 210분, 양재근린공원지구는 150분이 적용되었다.
Critical Duration by Area (min)
하류단 경계조건은 2.2절에서 언급한 대로, Table 3과 같이 자유방류 조건, 기점수위 조건으로 나누어 분석하였다. 부산 수영지구는 조위의 영향을 받는 경우이므로 약최고고조위를 기점수위 조건으로, 양재 근린공원지구는 하천의 영향을 받는 경우이므로 하천의 계획홍수위를 기점수위로 하였다.
Initial Water Level Condition by Area (EL.m)
4. 유역 적용
4.1 유역별 월류량, 첨두홍수량, 침수지도 비교
유역별로 월류량을 통한 침수저감효과 분석 시, Tables 4~5에서처럼 부산 수영지구는 하류단 경계조건을 자유방류 조건으로 모의하였을 때, 30년 빈도에서 약 55.59%, 50년 빈도에서 약 43.59%, 방재성능목표강우량에서 약 48.48% 월류량이 저감된다. 즉, 30년빈도, 방재성능목표강우량, 50년 빈도 순으로 강우량이 커질수록 총 월류량이 저감되는 경향을 보인다.
Overflow Volume Comparison Before and After Rainwater Retention Facility Installation (m3) (Busan Suyeong_Free Fall)
Overflow Volume Comparison Before and After Rainwater Retention Facility Installation (m3) (Busan Suyeong_H.W.L)
하류단 경계조건을 약최고조위 조건으로 모의하였을 때, 30년 빈도에서 약 55.15%, 50년 빈도에서 약 45.14%, 방재성능목표강우량에서 약 45.93% 월류량이 저감된다. 이는 자유방류 조건과 마찬가지로, 강우량이 커질수록 월류량 저감률이 저감된다. 약최고조위 조건으로 모의 시, 50년 빈도와 방재성능목표강우량의 총 월류량 저감률 차이가 매우 비슷하게 나타나는데, 이는 하류단 경계조건 차이로 인해 하류부 관거의 통수능이 저감되었기 때문임을 알 수 있다.
서울 양재근린공원지구에서는 Tables 6~7처럼 하류단 경계조건을 자유방류 조건으로 모의하였을 시, 30년 빈도에서 약 47.76%, 50년 빈도에서 약 50.46%, 방재성능목표강우량에서 약 54.10%의 월류량이 저감되는 것으로 분석되었다.
Overflow Volume Comparison Before and After Rainwater Retention Facility Installation (m3) (Seoul Yangjae_Free Fall)
Overflow Volume Comparison Before and After Rainwater Retention Facility Installation (m3) (Seoul Yangjae_D.F.L)
하류단 경계조건을 하천의 계획홍수위 조건으로 모의하였을 시, 30년 빈도에서 약 70.98%, 50년 빈도에서 약 71.30%, 방재성능목표강우량에서 약 69.05%의 월류량이 저감되는 것으로 분석되었다.
자유방류 조건에서는 전체적으로 약 50%의 월류량 저감률을 보이지만, 기점수위 조건에서는 이보다 큰 저감률을 보인다. 이는 하류단 경계조건을 자유방류 조건으로 모의 시, 그 특성상 하류단의 경계조건이 좋아 우수저류시설 설치 전부터 월류량 자체가 많지 않기 때문이다.
첨두홍수량을 통한 침수저감효과 분석 시, 부산 수영지구는 Table 8과 같이 하류단 경계조건을 자유방류 조건으로 모의하였을 때, 방류구에서의 첨두홍수량이 30년 빈도에서 약 0.12%, 50년 빈도에서 약 1.03%, 방재성능목표강우량에서 약 0.69%가 저감되었고, Table 9와 같이 하류단 경계조건을 약최고조위 조건으로 모의하였을 때, 30년 빈도에서 약 1.35%, 50년 빈도에서 약 1.56%, 방재성능목표강우량에서 약 0.47% 저감되었다. 부산 수영지구의 첨두홍수량 저감률만 보았을 때는 저감률이 매우 작아보이지만, 유역 전체로 본다면 침수저감효과가 있는 것으로 분석되고, 방류구에서의 첨두홍수량 저감률이 낮은 것은 2차원 모의 시, 지표면과 관로에서의 재유입 및 유출이 일어났기 때문임을 알 수 있다.
Peak Flood Discharge Comparison Before and After Rainwater Retention Facility Installation (m3/s) (Busan Suyeong_ Free Fall)
Peak Flood Discharge Comparison Before and After Rainwater Retention Facility Installation (m3/s) (Busan Suyeong_ H.W.L)
서울 양재근린공원지구는 하류단 경계조건을 자유방류 조건으로 모의 시, Table 10과 같이 30년 빈도에서 약 18.36%, 50년 빈도에서 약 17.93%, 방재성능목표강우량에서 약 17.75%의 방류구에서의 첨두홍수량이 저감되는 것으로 분석되었다. 3개의 강우시나리오에서 모두 비슷한 저감률을 보인다. 또한, 강우량이 증가하여도 방류구에서의 첨두홍수량 저감률이 비슷하므로 우수저류시설의 효과가 좋다고 분석된다.
Peak Flood Discharge Comparison Before and After Rainwater Retention Facility Installation (m3/s) (Seoul Yangjae_ Free Fall)
Table 11과 같이 하류단 경계조건을 하천의 계획홍수위 조건으로 모의 시, 30년 빈도에서 약 20.96%, 50년 빈도에서 약 28.19%, 방재성능목표강우량에서 약 25.56%의 첨두홍수량 저감률을 나타낸다. 자유방류 조건과 기점수위 조건 모두 방류구에서의 첨두홍수량 저감률이 양호한 것을 보아, 우수저류시설의 설치로 인한 침수저감효과가 있다고 분석된다.
Peak Flood Discharge Comparison Before and After Rainwater Retention Facility Installation (m3/s) (Seoul Yangjae_ D.F.L)
마지막으로, Figs. 4~7과 같이 침수지도를 통해 저감효과 분석을 수행하였다. 분석 시, 강우 시나리오에 따라 비슷한 침수 양상을 보여 50년 빈도 침수지도만을 제시하였다. 부산 수영지구는 침수가 거의 발생하지 않는 것처럼 보일 수 있지만, 광안2동에서 0.2 m 이하의 침수심이 얕고 넓게 발생하는 경향을 보인다. 하지만, 침수범위가 과다산정되지 않도록 0.2 m 이하 침수심은 제외하여 작성하였다. 수영지구의 지형적 특성으로 인해 침수가 한 군데에 집중되지 않고 전체적으로 넓고 얕게 침수가 발생한다. 침수심을 저감시키는 것은 단시간 집중호우 발생으로 인해 유속이 빠른 경우의 침수로 인한 피해 및 위험도를 저감하는 효과를 나타내며, 수영지구와 같이 학교 및 양로원이 위치하여 대피가 어려운 취약계층이 주거하는 경우 매우 중요한 요소이다.
Flood Inundation Prediction Map_Busan Suyeong (50yr_Free Fall)
Flood Inundation Prediction Map_Seoul Yangjae (50yr_ D.F.L)
Flood Inundation Prediction Map_Busan Suyeong (50yr_ H.W.L)
Flood Inundation Prediction Map_Seoul Yangjae (50yr_ Free Fall)
4.2 유역별 격자별 침수심 분포 분석
본 연구에서 제시하는 격자별 침수심 분포 분석을 통한 침수저감효과 분석 시, 분석 결과는 Tables 12~15와 같이 대표적으로 침수저감효과가 가장 큰 50년 빈도 결과만을 제시하였다. 부산 수영지구의 XP-SWMM 구축 격자 크기는 10 × 10 (m2)이며, 총 격자개수는 32,958개이다. 자유 방류 조건에서, 총 3개 강우 시나리오 모두 0.1~0.3 m 침수심 격자가 0~0.1 m, 침수없음 격자로 대거 이동한 것으로 분석되었다. 특히 30년 빈도에서 0.1~0.3 m 조건에서 격자가 3,083개의 저감효과를 보였고, 50년 빈도에서 1,609개, 방재성능목표강우량에서 1,998개의 저감효과를 보였다. 자유방류 조건에서, 50년 빈도와 같이 강우량이 증가할수록 사람들에게 불편함을 야기하는 0.2~0.3 m 침수심 격자에서 저감이 많았다.
Grid-Based Flood Depth Comparison Before and After Rainwater Retaining Facility Installation (Busan Suyeong_50yr_ Free Fall)
Grid-Based Flood Depth Comparison Before and After Rainwater Retaining Facility Installation (Seoul Yangjae_50yr_ D.F.L)
Grid-Based Flood Depth Comparison Before and After Rainwater Retaining Facility Installation (Busan Suyeong_50yr_ H.W.L)
Grid-Based Flood Depth Comparison Before and After Rainwater Retaining Facility Installation (Seoul Yangjae_50yr_Free Fall)
기점수위 조건 역시 자유방류조건과 비슷하게 전체적인 침수심이 낮고, 침수격자의 저감효과 또한 유사하게 나타났다. 기점수위 조건 상, 30년 빈도 0.1~0.3 m 조건에서 격자 저감효과는 3,003개, 50년 빈도에서 1,417개, 방재성능목표강우량에서 1,884개의 저감효과를 보였다. 기점수위 조건에서도 50년 빈도와 같이 강우량이 클수록 불편함을 야기하는 0.2~0.3 m 침수심 격자의 저감이 많았다. 즉, 자유방류, 기점수위 조건 모두 0.3 m 이상의 격자에서 침수가 크게 발생하지 않았고, 사람들에게 불편함을 야기하는 격자의 저감효과가 크므로 우수저류시설의 효과가 있다고 분석되었다.
서울 양재근린공원지구의 XP-SWMM 구축 격자 크기는 10 × 10 (m2)이며 총 11,404개이다. 자유방류 조건에서, 3개 시나리오 모두 침수없음 격자 이상의 침수격자 저감 개수가 많다. 특히, 0.3 m 이상 침수격자 저감개수가 30년 빈도에서 미설치 시 19개, 설치 시 6개로 총 13개 저감, 50년 빈도에서 미설치 시 34개, 설치 시 10개로 총 24개 저감, 방재성능목표강우량에서 미설치 시 43개, 설치 시 15개로 총 28개 저감되었음을 알 수 있다. 격자별 침수심 분포 분석을 통해 서울 양재근린공원의 우수저류조 설치로 인한 침수저감효과 분석 시, 전체적인 저감효과가 뛰어난 것으로 분석되었다.
서울 양재근린공원의 기점수위 조건에서도 자유방류 조건과 마찬가지로, 모든 강우 시나리오에서 침수없음 격자 이상의 침수격자 저감 개수가 많은 것으로 분석되었다. 0.3 m 이상 침수격자 저감개수는 30년 빈도에서 미설치 시 44개, 설치 시 6개로 총 38개 저감, 50년 빈도에서 미설치 시 60개, 설치 시 10개로 총 50개 저감, 방재성능목표강우량에서 미설치 시 70개, 설치 시 15개로 총 55개 저감되었다.
이처럼, 침수저감효과를 월류량, 첨두홍수량, 침수지도가 아닌 격자별 침수심 분포 분석을 통해 분석 시, 인적⋅물적 침수피해에 직접적으로 영향을 미치는 침수심 격자개수의 비교를 통해 정량적이고 정확한 분석이 가능하다고 판단된다.
5. 결 론
급격한 기후변화로 인해 최근 국지성 호우로 인한 피해가 증가하고 있다. 이를 해결하기 위해 2009년 이후로 우수저류조 설치를 통해 도시지역 침수피해를 저감하고자 하고 있다. 이러한 시설 설치 뿐만 아니라, 하수관거 개량 등 다양한 침수피해 저감 대책들이 이루어지고 있고, 이에 침수 저감 대책에 따른 침수저감효과를 다양한 방법으로 분석하고 있다. 월류량, 침수면적, 첨두홍수량 저감률이 대표적인 예이다.
하지만, 월류량, 첨두홍수량 저감은 침수가 완전해소 되지 않는 이상 수치를 통해 정확히 저감효과를 판단하기 어렵다. 또한, 침수면적은 100% 해소되지 않는 이상, 침수예상도에서 그 차이를 육안으로 분석하기 어려움이 있다. 따라서, 더 정량적으로 저감효과를 보이기 위해, 격자별 침수심 분포 분석 방법이 효과적일 것이라 판단된다. 격자별 침수심 분포 분석 방법은 침수심을 0.1 m 간격으로 나누어 침수피해 저감 대책 시, 각 침수심에 해당하는 격자 개수가 얼마나 줄어드는지를 보여 저감효과를 분석하는 방법이다. 이에 따라, 직접적으로 인적⋅물적 피해에 영향을 미치는 침수심의 저감 개수를 보이며 더 정량적인 침수저감효과를 보일수 있을 것이다.
본 연구에서는 우수저류조 설치 전후에 따른 격자별 침수심 분포 분석 방법을 통해 침수저감효과를 나타내었다. 먼저, 행정안전부 관할 전국 우수저류시설 설치지구 105개를 전수조사하여 이를 바탕으로 우수저류시설의 물리적 위치에 따른 다양한 지역적 특성을 고려하여 시범지역 후보군 12개소를 선정하였다. 이후 최종적으로 도심지 지역의 2개 지역(부산 수영지구, 서울 양재근린공원지구)를 대상유역으로 선정하였다.
｢재해영향평가 등의 협의 실무지침(Ministry of the Interior and Safety, 2023)｣에 따라, 30년 빈도, 50년 빈도, 방재성능목표강우량의 확률 강우량을 사용하여 우수저류시설 설치 전후에 따른 침수저감효과를 보였다. 또한 우수저류시설 용량 결정 시, 저류지 유입홍수의 임계지속시간을 결정하고 해당 홍수유입체적을 저류하는 용량으로 결정하므로, 설계 당시의 임계지속시간을 강우 지속시간으로 하였다.
하류단 경계조건은 하류 영향이 없는 자유방류 조건과 조위의 영향을 받는 경우에는 약최고조위를 기점수위 조건으로, 하천의 영향을 받는 경우에는 하천의 계획홍수위를 기점수위 조건으로 하여 2가지 case로 나누어 침수저감효과를 분석하였다.
이를 바탕으로 우수저류시설 설치 전후에 따라 먼저, 월류량, 첨두홍수량, 침수지도로 침수저감효과를 분석하였다.
먼저, 월류량 저감을 통해 침수저감효과 분석 시, 부산 수영지구에서 하류단 경계조건을 자유방류 조건으로 모의하였을 때, 30년 빈도에서 약 55.59%, 50년 빈도에서 약 43.59%, 방재성능목표강우량에서 약 48.48% 월류량이 저감되었다. 하류단 경계조건을 약최고조위 조건으로 모의하였을 때, 30년 빈도에서 약 55.15%, 50년 빈도에서 약 45.14%, 방재성능목표강우량에서 약 45.93% 월류량이 저감된다. 서울 양재근린공원지구에서 하류단 경계조건을 자유방류 조건으로 모의하였을 시, 30년 빈도에서 약 47.76%, 50년 빈도에서 약 50.46%, 방재성능목표강우량에서 약 54.10%의 월류량이 저감되는 것으로 분석되었다. 하류단 경계조건을 하천의 계획홍수위 조건으로 모의하였을 시, 30년 빈도에서 약 70.98%, 50년 빈도에서 약 71.30%, 방재성능목표강우량에서 약 69.05%의 월류량이 저감되는 것으로 분석되었다.
월류량을 통한 분석 후, 첨두홍수량 저감을 통해 침수저감효과를 분석하였다.
부산 수영지구에서 하류단 경계조건을 자유방류 조건으로 모의하였을 때, 방류구에서의 첨두홍수량이 30년 빈도에서 약 0.12%, 50년 빈도에서 약 1.03%, 방재성능목표강우량에서 약 0.69%가 저감되었고, 하류단 경계조건을 약최고조위 조건으로 모의하였을 때, 30년 빈도에서 약 1.35%, 50년 빈도에서 약 1.56%, 방재성능목표강우량에서 약 0.47% 저감되었다. 서울 양재근린공원지구에서 하류단 경계조건을 자유방류 조건으로 모의 시, 30년 빈도에서 약 18.36%, 50년 빈도에서 약 17.93%, 방재성능목표강우량에서 약 17.75%의 방류구에서의 첨두홍수량이 저감되는 것으로 분석되었다. 하류단 경계조건을 하천의 계획홍수위 조건으로 모의 시, 30년 빈도에서 약 20.96%, 50년 빈도에서 약 28.19%, 방재성능목표강우량에서 약 25.56%의 첨두홍수량 저감률을 나타낸다.
마지막으로 침수지도에 의한 방법으로 침수저감효과를 분석하였다. 부산 수영지구의 침수발생예상도는 침수가 거의 발생하지 않는 것처럼 보일 수 있지만, 광안2동에서 0.2 m 이하의 침수심이 얕고 넓게 발생하는 경향을 보인다. 하지만, 침수범위가 과다산정되지 않도록 0.2 m 이하 침수심은 제외하여 침수지도를 작성하였다. 수영지구의 지형적 특성으로 인해 침수가 한 군데에 집중되지 않고 전체적으로 넓고 얕게 침수가 발생한다. 서울 양재근린공원지구는 우수저류시설 설치 전 모두 염곡사거리 근처에서 최대침수심이 발생하며, 양재천근린공원 인근에서 0.2 m 이하 침수심이 조금 발생하지만, 침수범위가 과다산정되지 않도록 0.2 m 이하의 침수심을 제외하여 침수지도를 작성하였다. 모든 강우시나리오를 고려했을 때, 우수저류시설 설치 전 침수가 조금씩 발생하고 있지만, 우수저류시설 설치에 따라 침수가 대부분 해소되었다. 그러나, 50년 빈도, 방재성능목표강우량에서 우수저류시설 설치 후에도 염곡사거리 근처에서 최대 침수심이 발생하는 것으로 분석되었다.
이처럼, 월류량 저감률을 통해 유역의 침수저감효과를 분석할 시, 침수범위의 저감 및 국지적인 피해 저감량을 파악할 수 없다. 또한 첨두홍수량의 저감률을 사용한다면 침수범위 및 침수심 저감에 미치는 영향이 크지 않음을 확인할 수 있다. 즉, 침수저감 효과분석 시, 월류량과 첨두홍수량, 침수지도를 통한 평가로는 정량적인 저감효과를 입증하기에 불확실하다. 따라서, 격자별 침수심 분포 분석을 통해 대상유역에 대한 침수저감효과를 분석하였다. 격자별 침수심 분포 분석 결과를 통해, 2차원 해석결과 상에서 사람 및 재산피해가 발생하지 않는 침수심(ex. 0.2 m)인지 확인하며 피해를 주는 침수심의 개수를 비교하여 그 효과를 입증하였다.
분석 결과, 모든 강우 시나리오에서, 직접적으로 인적⋅물적 피해를 발생시키는 침수심인 0.2 m 이상의 침수심 격자 개수가 부산 수영지구의 자유방류 조건에서 평균 1843개가 저감되었고, 기점수위 조건에서 평균 883개의 침수심 격자 개수가 저감되었다. 서울 양재근린공원지구의 자유 방류 조건에서 평균 31개, 기점수위 조건에서 평균 62개의 0.2 m 이상 침수심 격자 개수가 저감되었다. 두 지역에서 총 격자 개수가 다르고 우수저류조 용량도 다르기 때문에, 침수격자 개수가 다르다.
결과적으로, 격자별 침수심 분포 분석을 통하여 우수저류시설 설치에 따른 침수저감효과 분석 시, 월류량, 첨두홍수량, 침수지도에 의한 분석 방법보다 더 정량적인 분석이 이루어졌다. 추가적으로, 분석 격자는 10 × 10 격자이므로 평균 침수심 저감 격자 개수에 격자 면적을 곱하여 계산한다면 더 효과적인 침수저감을 나타낼 수 있다고 분석하였다.
즉, 본 연구를 통해 기존에 우수저류시설 설치, 하수관거 개량 등에 따른 침수저감 효과 분석 시 주로 사용되었던 월류량, 첨두홍수량, 침수지도에 의한 방법보다 더 나아가 격자별 침수심 분포 분석 방법이 침수저감 효과를 더 효과적으로 분석할 수 있을 것이라 사료된다. 기존의 분석 방법인 월류량, 첨두홍수량, 침수지도에 의한 방법과 함께 본 연구에서 제시한 격자별 침수심 분포 분석 방법을 통합지표로써 활용하도록 연구를 진행한다면 더욱 효과적인 분석 지표가 될 것이라고 사료된다.
감사의 글
본 연구는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. RS-2023-00259995).