홍수 범람 시뮬레이션 모델 간의 수위예측 결과 비교분석: 진주시 와룡지구에 대한 SWMM 및 HEC-RAS 분석을 중심으로
Comparative Analysis of Water-Level Forecasting Using SWMM and HEC-RAS Flood Simulation Models: A Case Study of Waryong, Jinju
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Abstract
최근 기후변화로 인해 국지성 집중호우가 증가하면서 많은 하천과 도시 지역에서 빈번한 홍수가 발생하고 있다. 특히 경상남도 진주시 송백지구부터 와룡지구는 태풍과 집중 호우뿐만 아니라 남강댐의 방류로 인한 침수 피해가 자주 발생하고 있다. 특히, 이 와룡지구는 고수부지에 해당하기는 하나 다양한 편의시설들이 위치하고 있어 홍수 범람 시 원상복구를 위한 상당한 경제적 손실이 발생하고 있다. 본 연구에서는 와룡지구에서의 홍수 범람을 시뮬레이션하기 위해 HEC-RAS와 EPA-SWMM 두 가지 홍수 해석 모형을 비교 분석하였다. HEC-RAS는 지형 기반의 범람 효과와 물의 공간적 확산을 반영하는 2D 해석에 특화되어 있어 하천이나 저지대에서의 홍수 예측에 유리하며, EPA-SWMM은 하수 시스템과 관로 흐름을 중심으로 한 1D 해석에 특화되어 도시지역의 배수 시스템 분석에 적합하다. 두 모델은 각각 2020년 9월 4일에 측정된 유량인 792 m3/s과 와룡지구의 계획홍수량인 3,540 m3/s을 바탕으로 시뮬레이션을 수행하여 수위 예측 결과를 도출했다. 그 결과 model a-1은 15.25 m, model a-2는 14.81 m, model b-1은 19.20 m, model b-2는 17.11 m로 산정되어, 와룡지구의 실제 침수 깊이와 모델 시뮬레이션 결과를 비교분석 하였다. 분석 결과, HEC-RAS는 지형 데이터를 세밀하게 반영하고 2D 흐름을 고려하여 실제 침수 깊이와 더 가까운 결과를 나타냈으며, EPA-SWMM은 관로 흐름에 중점을 둔 1D 해석으로 침수 깊이를 과소 산정하는 경향을 보였다. 본 연구를 통해 두 모델이 각각 다른 해석 특성과 한계를 가지므로, 현장 상황에 맞춰 두 모델을 병행하여 사용하는 것이 더 정확한 홍수 예측과 범람 분석을 위한 최적의 방법임을 제시할 수 있을 것으로 보인다. 향후 연구에서는 1D와 2D 해석을 결합하거나 모델을 보정하여 정확성을 더욱 높일 필요가 있다고 판단된다.
Trans Abstract
Frequent flooding occurs in many rivers and urban areas, exacerbated by recent increase in localized heavy rainfall events induced by global climate change. Particularly, the area encompassing Songbaek to Waryong districts in Jinju is frequently affected by flooding due to typhoons and heavy rainfall-related outflow from the Namgang Dam, resulting in significant economic losses, though it is located in a flood plain. In this study, two flood analysis models, namely HEC-RAS and EPA-SWMM, were used to simulate the flood overflow in Waryong district. HEC-RAS is specialized in 2D analysis, and simulates topography-based inundation effects and spatial spread of water, thus making it advantageous for flood prediction in rivers or low-lying areas. In contrast, EPA-SWMM is specialized in 1D analysis, and focuses on sewer systems and conduit flows, thus rendering it suitable for urban drainage system analysis. These two models were used for simulations based on (i) a measured discharge of 792 ㎥/s from a recent flood event that caused overflow of the study area and (ii) a projected flood discharge of 3,540 ㎥/s for Waryong district. The simulations demonstrated that models a-1, a-2, b-1, and b-2 estimated flood depths of 15.25, 14.81, 19.20, and 17.11 m, respectively. A comparison of these results with the actual flood depth in Waryong District showed that HEC-RAS, which considers 2D flow and reflects detailed topographic data, yielded results closer to the actual flood depth. In contrast, EPA-SWMM, which focuses on 1D conduit flows, tended to underestimate the flood depth. In essence, this study suggested that considering the different analysis characteristics and limitations of the two models, their comparative analysis can provide a more accurate approach for flood prediction and overflow analysis. Future research should focus on combining 1D and 2D analyses or calibrating these models to enhance accuracy.
1. 서 론
최근 전 세계적인 기후변화로 인한 국지성 집중호우 발생빈도가 증가하여 홍수 발생 등 수많은 하천에 영향을 미치고 있다(Kim et al., 2021). 미래 기후변화의 영향과 리스크는 점점 더 복잡해지고 관리가 어려워질 것으로 전망하고 있다(IPCC, 2023). 기후변화는 폭우와 같은 극한 기상 사상의 발생빈도와 규모를 증가시키고 있다(UNESCO and UN-Water, 2020). 실제 우리나라에 매년 시간당 100 mm 이상의 호우가 발생하고 있다. 2024년 7월의 지역별 시간당 강우를 보면, 의정부 103 mm, 파주 101 mm, 군산 145 mm, 2022년 8월에는 군산에 시간당 145.5 mm, 서울에는 141 mm 등 짧은 기간에 발생하는 강한 강우가 발생하고 있다(Kim, Jang et al., 2024).
기후변화로 인한 태풍과 집중 호우로 경상남도 진주시 금산면 일원 송백지구부터 와룡지구는 1년에 2~3회 정도 침수가 발생한다. 특히, 2020년 9월 3일 태풍 마이삭 이후 최고 580 m3/s의 남강댐 방류로 인해 와룡지구는 9월 4일 약 1.0 m 정도의 침수가 발생하였다(Fig. 1).
Jinju Waryong District of September 4th, 2020
침수가 빈번하게 발생함에 따라 홍수 범람해석모형 제작을 통해 홍수 대비가 중요시되고 있다(Nam et al., 2021). 홍수 범람해석모형은 침수원인에 따라 하천 범람을 모의하는 외수 범람해석모형과 도시 내⋅배수 시스템 불량으로 인한 침수를 모의하는 내수 범람해석모형으로 구분할 수 있다. 외수 범람해석모형은 대표적으로 HEC-RAS, MIKE11, FLDWAV 등이 있으며, 내수 범람해석모형은 SWMM, MOUSE, InfoWorks ICM 등이 있다(Lee and Lee, 2016).
내⋅외수 범람해석모형의 종류가 다양함에 따라 각각의 모형의 적용성 비교 및 평가에 대한 연구가 활발히 진행되어 왔다. 국외의 선행된 연구 중 Patel et al. (2017)은 Surat 지역에서 HEC-RAS 1D 및 2D 모형을 이용하여 침수지도를 제작하여 이를 평가하였다. Liu et al. (2019)은 30 m의 균일한 격자를 사용하여 HEC-RAS와 LISFLOOD-FP의 1D 및 2D 모듈을 비교하여 1D 모형보다 2D 모형에서의 침수해석결과가 더 정확함을 주장하였다. 또한, Shustikova et al. (2019)은 HEC-RAS 모형과 LISFLOOD-FP 모형을 다양한 격자 크기에서 모의했으며, 결과의 정확성과 효율성에 대해서 평가하였다. 국내에서는 HEC-RAS와 FLUMEN 모형을 이용하여 홍수위를 계산하고 비교했으며, 두 모형의 결과는 유사하게 나타난 것을 확인하였다(Park, 2011). 또한, Lee and Lee (2016)는 곡교천 대상의 FLUMEN 모형결과와 비교를 통해 HEC-RAS 2D 모형의 모형의 특징, 사용성, 적용성, 결과 등을 평가했으며, Song et al. (2015)는 FFC2Q와 XP-SWMM을 비교 분석하여 도시설계기법이 유출저감에 미치는 영향을 평가하였다.
국내에서는 다른 모델에 비해 HEC-RAS와 EPA-SWMM 모델의 비교분석 평가는 상대적으로 적은 것으로 확인되었다. 이에 본 연구에서는 진주시 와룡지구를 대상으로 HEC-RAS (Brunner, 1995; USACE, 2008; Kim, Hwang et al., 2024)와 EPA-SWMM (Rossman, 2010; Lee and Choi, 2015)모형 결과 비교 분석하여, 각 모형이 실제 홍수 상황을 얼마나 정확하게 반영하는지 평가하고자 한다. 이를 통해 두 모델의 시뮬레이션 결과가 현장 데이터와 어느 정도 일치하는지 확인하고, 실제 홍수 예측에 더 적합한 모델을 도출하고자 한다.
2. 연구 대상지
진주시는 2020년 9월 4일 칠암둔치, 망경둔치, 상평둔치 등 남강 일대의 고수부지에 침수가 발생했으며, 특히 와룡지구에는 끄티공원이 존재하여 생활체육시설 및 편의시설의 피해 원상복구를 위한 경제적인 손실이 가장 크게 발생하였다.
본 연구에서는 HEC-RAS와 EPA-SWMM의 모형 결과 정확성 검토를 위해 상습 침수되는 경상남도 진주시 금산면에 위치한 와룡지구를 연구대상지로 설정하였다(Fig. 2). 또한, 모형 결과 도출을 위해 진주시-덕오리의 유량관측소를 선택하여 관측 유량을 추출하였다.
Study Area. Indicates Jinju-Deogori flow Station of Yellow Triangle, Waryong District of Blue Square
3. 연구 방법
본 연구에서는 모델의 시뮬레이션 결과가 현장 데이터와 어느 정도 일치하는지 확인하기 위해 HEC-RAS와 EPA-SWMM을 사용하여 비교분석 하였다.
모델 산정을 위해 진주시 와룡지구에 현장 측량을 진행하였으며, 측량 결과를 바탕으로 DSM자료를 추출하였다. 이후 와룡지구에 위치한 진주시-덕오리 유량관측소에서 추출한 2020년 9월 4일의 관측 유량인 Q = 792 m3/s를 HEC-RAS와 EPA-SWMM에 적용하였다. 또한, 비교 결과의 정확성을 높이기 위해 관측 유량뿐만 아니라, 와룡지구의 계획홍수량인 Q = 3,540 m3/s을 추가로 적용하였다. 본 연구에서 사용한 모델의 시뮬레이션 과정은 Fig. 3에 나타냈다.
Model Simulation Process
Fig. 3(a)는 HEC-RAS 시뮬레이션 과정이다. HEC-RAS의 RAS Mapper를 실행한 후 현장 측량한 와룡지구의 DSM파일을 삽입하였다. 삽입한 DSM파일을 바탕으로 지형데이터를 입력한 후 경계조건선을 표시한다. 마지막으로 본 연구에서 사용할 유량인 Q = 792 m3/s, Q = 3,540 m3/s를 입력한 후 2차원 흐름 영역을 격자 또는 셀 단위로 나누어 해석한다. Fig. 3(b)는 EPA-SWMM 시뮬레이션 과정을 나타낸다. EPA-SWMM을 실행한 후 배경으로 사용할 사진을 삽입한다.
본 연구에서는 와룡지구의 DSM 파일을 활용하였다. 이후 DSM 파일을 바탕으로 분석하고 싶은 유역을 선택하여 관로를 표시한다. 마지막으로 관로의 유량 Q = 792 m3/s, Q = 3,540 m3/s를 입력한 후 모델을 실행한다. 본 연구에서는 실제 홍수 상황을 모의하여 비교분석함에 목적이 있어 HEC-RAS와 EPA-SWMM 모두 비정상류로 분석을 진행하였으며, 남강하천기본계획서에 따라 조도계수를 0.027로 적용하였다.
4. 연구 결과
본 연구에는 와룡지구의 실제 침수된 수심과 모델의 시뮬레이션 수위 결과가 얼마나 일치하는지 분석하기 위해 HEC-RAS와 EPA-SWMM을 이용하여 모형 제작을 진행하였다. 그 결과는 Figs. 4와 5에 나타냈다.
Model Simulation Results with Event Flow (Q = 792 m3/s)
Model Simulation Results with Planning Flow (Q = 3,540 m3/s)
Figs. 4와 5는 모델 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다. Event flow는 2020년 9월 4일의 관측유량을 나타내며, Planning flow는 와룡지구의 계획홍수량을 나타낸다. Fig. 4는 관측유량을 적용한 와룡지구의 수위 결과로 (a)는 HEC-RAS, (b)는 EPA-SWMM로 나타냈다. 관측유량을 적용한 HEC-RAS의 수위 결과 값은 15.25 m로 산정되었으며, EPA-SWMM의 수위 결과 값은 14.81 m로 산정되었다.
또한, Fig. 5는 계획홍수량을 적용한 와룡지구의 수위 결과로 Fig. 4와 같이 (a)는 HEC-RAS, (b)는 EPA-SWMM로 나타냈다. 계획홍수량을 적용한 HEC-RAS의 수위 결과 값은 19.20 m이며, EPA-SWMM의 수위 결과 값은 17.11 m로 산정되었다. 이 결과를 바탕으로 시각화하여 Fig. 6에 나타내었다.
Visualization of the Result of Applying Event Flow in Waryong District. (a) HEC-RAS, (b) EPA-SWMM: (1) Planning Flow, (2) Event Flow
Fig. 7은 Figs. 4, 5와 6의 결과를 바탕으로 비교 편리성을 위해 취합하여 나타낸 것이다. 관측유량을 적용한 HEC-RAS와 EPA-SWMM의 수위 결과 값은 각각 15.25 m, 14.81 m로 0.44 m 차이가 나는 것을 알 수 있다. 또한, 계획홍수량을 적용한 HEC-RAS와 EPA-SWMM의 수위 결과 값은 각각 19.20 m, 17.11 m로 2.09 m 차이가 남을 나타낸다. Fig. 7의 수위 결과 값을 바탕으로 도표화하여 Table 1에 나타냈다.
Flood Level with Different Simulation and Two Flood Events
Model Simulation Results of HEC-RAS and EPA-SWMM in Waryong District. Average Elevation of Waryong District: 14.90 m
Table 1은 와룡지구의 모델 별 산정된 수위를 나타냈으며, 와룡지구의 표고와 모델을 통해 산정된 수위의 차이를 나타낸다. 비교분석의 편의성을 위해 HEC-RAS @Event Flow는 model a-1로, EPA-SWMM @Event Flow는 model a-2로 나타냈으며, HEC-RAS @Planning Flow를 model b-1로, EPA-SWMM @Planning Flow 를 model b-2로 나타냈다. Table 1은 차례로 모델 별 수위 결과, model a, b 각각의 수위 결과 값 차이, 각 모델과 와룡지구의 평균 표고인 14.90 m와 차이 값으로 구성되어 있다.
와룡지구의 평균 표고 14.90 m와 model a-1의 결과 차이는 0.35 m, mode a-2의 결과 차이는 -0.09 m임을 알 수 있다. 또한, model b-1과 model b-2의 산정 결과는 와룡지구의 평균 표고와 각각 4.30 m, 2.21 m가 차이남을 알 수 있다. 2020년 9월 4일 당시 침수심이 약 1.0 m임을 고려하였을 때, HEC-RAS에 비해 EPA-SWMM의 결과가 실제 현장 값과 비교하여 더 큰 차이를 보임을 알 수 있다. model a-1은 실제 침수심보다 0.65 m, model a-2는 1.09 m 낮은 값을 보였다. 이를 통해 두 모델 모두 실제 침수심에 비해 과소 산정되는 경향이 있음을 확인할 수 있다. 특히 model a-1은 model a-2에 비해 상대적으로 더 나은 결과를 보였으나, 여전히 현장 관측치와의 오차가 존재한다. 반면, model a-2는 -0.09 m로 비정상적으로 낮게 산정되어 EPA-SWMM이 지표면 흐름을 정확히 반영하지 못했을 가능성을 나타낸다.
본 연구의 결과를 통해 HEC-RAS는 지형적 범람 효과와 물의 공간적 확산을 반영하여 수위를 예측하는 데 있어 상대적으로 정확한 결과를 도출할 수 있으나, 모델이 지형과 수리적 특성에 따라 여전히 차이를 보이기 때문에 더욱 세밀한 매개변수 조정이 필요할 것으로 보인다. 반면, EPA-SWMM은 관로 흐름에 초점을 맞춘 1D 해석 기반 모델로, 범람 후의 지표 흐름을 충분히 반영하지 못해 수위가 과소 산정되는 한계가 발생한다고 판단할 수 있다. 이와 같은 분석을 통해, HEC-RAS와 EPA-SWMM 모두 각각 특정한 한계를 가지고 있다는 점을 확인할 수 있다.
시간별 관측유량에 따른 수위변화 그래프(Fig. 8)를 분석한 결과, HEC-RAS와 EPA-SWMM은 수위 변화에 있어 서로 다른 경향을 보였다. HEC-RAS는 초기 수위가 시간 경과에 따라 지속적으로 증가하며 상대적으로 일관된 증가 추세를 보이고 있다. 반면, EPA-SWMM은 초기 수위가 HEC-RAS와 비교해 훨씬 낮게 산정되었으며, 전반적으로 변동이 많아 수위 상승 속도가 일정하지 않은 경향이 확인되었다. 이러한 경향은 EPA-SWMM의 1D 해석 방식이 지표 흐름과 같은 복잡한 물리적 현상을 충분히 반영하지 못했기 때문으로 판단된다. 특히, 그래프에서 HEC-RAS의 수위는 약 15.4 m까지 상승한 반면, EPA-SWMM의 수위는 약 15.0 m에 그쳐 두 모델 간 약 0.4 m의 차이가 발생했다. 이러한 결과는 HEC-RAS가 상대적으로 범람 상황에서의 물의 공간적 확산과 지형적 특성을 보다 정확히 반영하는 반면, EPA-SWMM은 관로 흐름에 초점을 맞춘 모델로 지표 흐름 반영에 한계가 있음을 다시 한번 확인시켜준다.
Changes in the Water Level of Event Flow (Q = 792 m3/s) Over Time: Blue Line is HEC-RAS, Red Line is EPA-SWMM
HEC-RAS는 지형적 범람 효과와 물의 공간적 확산을 보다 정밀하게 반영할 수 있어, 하천이나 저지대에서 물이 범람하는 상황을 분석할 때 유리한 것으로 보인다. 특히, Saint-Venant 방정식을 기반으로 1D 및 2D 해석이 가능해 지형적 범람 효과와 물의 공간적 확산을 정밀하게 반영하여 수위를 예측할 수 있다. 반면, EPA-SWMM은 Manning 공식과 연속방정식을 활용한 1D 해석 중심의 모델로 주로 관로 흐름과 도시 배수 시스템에 초점을 맞춰 설계되어 있으며, 도시지역의 배수 시스템 분석이나 유수 흐름이 제한적인 지역에서는 EPA-SWMM이 더 적합할 수 있다는 결과(Jang et al., 2020)를 보강할 수 있다.
이러한 차이로 인해 HEC-RAS는 복잡한 지형과 범람 분석에 유리하며, EPA-SWMM은 배수 시스템과 관로 유출 해석에 강점을 보이지만, 범람 후 지표면 흐름을 충분히 반영하지 못해 수위가 과소 산정되는 한계를 보인다. 따라서 두 모델은 각각의 지배방정식과 해석 특성에 따라 서로 다른 결과를 도출하며, 현장 상황에 맞는 모델 선택과 더불어 두 모델을 병행하여 사용하는 것이 현장의 특성에 따라 정확한 수위 예측과 범람 분석을 위한 최적의 방법이 될 수 있음을 알 수 있다.
5. 결 론
최근 기후변화로 인해 홍수 발생 빈도가 증가하고 있으며, 이에 따라 효과적인 홍수 범람 해석이 중요시되고 있다. 이에 본 연구에서는 진주시 와룡지구를 대상으로 HEC-RAS와 EPA-SWMM 모델을 비교 분석하였다. 이를 통해 두 모델이 실제 홍수 상황을 얼마나 정확하게 반영하는지 평가하였다.
그 결과, 와룡지구의 평균 표고는 14.90 m로, model a-1는 0.35 m, model a-2는 -0.09 m 차이를 기록하였다. 또한, model b-1과 model b-2의 결과는 각각 4.30 m와 2.21 m의 차이를 나타냈다. 2020년 9월 4일의 침수 깊이가 약 1.0 m였던 것을 고려할 때, HEC-RAS보다 EPA-SWMM의 결과가 실제 현장 값과 더 큰 차이를 보임을 알 수 있었다.
HEC-RAS와 EPA-SWMM의 해석 특성을 고려한 모델 결과의 신뢰성 평가에서는, HEC-RAS가 고해상도 DEM 데이터를 사용하여 지형의 미세한 변화를 반영하고 2D 해석을 통해 물의 공간적 분포를 정밀하게 계산하는 특성 덕분에 실제 침수심과 더 근접한 결과를 나타낸 것으로 보인다. 반면, EPA-SWMM은 1D 해석에 기반하여 범람 후 지표면 흐름을 단순화하고 관로 흐름에 집중되기 때문에 침수심이 상대적으로 낮게 산정되었다고 판단한다.
본 연구에서는 첫째, HEC-RAS와 EPA-SWMM 모두 각기 다른 해석 특성을 갖고 있어 각 모델을 비교할 때 모델의 한계가 명확하게 드러남에 한계가 있었다. HEC-RAS는 고해상도 DEM 데이터를 활용해 지형의 변화를 반영하나, 지형 특성에 따라 모델링이 복잡하고 시간이 많이 소요될 수 있으며, EPA-SWMM은 상대적으로 간단한 1D 해석 기반이지만 지형 데이터를 간접적으로 반영하고 범람 후의 지표면 흐름을 충분히 반영하지 못하는 한계가 존재한다. 둘째, XP-SWMM과 같은 2D 모델을 경제적인 이유로 실행하지 못해 추가적인 2D 흐름 해석을 통한 정확도 향상이 불가능하였다.
따라서, 향후 연구에서는 HEC-RAS와 EPA-SWMM을 통해 2D 흐름 해석과 1D 관로 흐름 해석을 결합하거나 두 모델의 해석 결과를 보완적으로 활용하는 방안을 고려할 수 있다. 또한, 실제 침수심과 모델 수치 간의 차이를 줄이기 위해 보다 정교한 지형 데이터와 기상 데이터를 기반으로 모델을 보정하고, 다양한 유량 조건에 대한 추가 실험을 통해 모델의 정확성을 높여야 할 것으로 판단된다. 두 모델 모두 특정 한계를 가지고 있지만, HEC-RAS는 지형 기반 해석을 통해 실제 현장 수위와 더 가까운 결과를 도출하였고, 향후 데이터 정밀도 향상과 모델 개선을 통해 더욱 신뢰성 있는 결과를 도출할 수 있을 것으로 기대된다.
감사의 글
이 논문은 한국연구재단의 기초연구 사업 지원을 받아 수행되었습니다(NRF-2023R1A2C1003850). 이에 감사드립니다.