1. 서론
지구온난화의 가속 및 기후변화로 추정되는 게릴라성 집중호우와 돌발홍수 등이 잦아지고, 급격한 도시화로 불투수율이 크게 높아져서 첨두유출량이 증가하였고, 인구집중 등으로 저지대의 개발이 가속화되어 하천변을 따라서 자연배제가 어려워진 지역이 매우 많아졌다. 이로 인하여 서울시 등 대도시에서의 홍수피해 및 저지대 중심의 내수침수 잠재위험성이 크게 증가하여, 수방능력의 향상을 위해 구조적방법으로 많은 빗물펌프장의 건설 및 지속적인 신⋅증설 중심으로 진행되고 있다. 그러나 빗물펌프장의 운영개선을 통한 홍수방어능력개선에 대한 노력은 일부에서 시범적으로 시도되고 있으나 대부분은 유수지의 수위만을 기준으로 펌프를 가동하고 있다. 이러한 운영방법은 급격한 수위변화에 효율적으로 펌프가 가동되지 못하고, 침수가능성에 대한 높은 불확실성을 내포하는 단점이 있는 것으로 지적된바 있다(Ministry of Construction Transportation, 2006). 이는 빗물펌프장의 증설과는 별도로 효율적인 펌프가동을 위한 개선노력이 필요함을 의미한다고 할 수 있다.
과거 도시침수피해에 관한 연구를 살펴보면 Shin et al.(2014)은 다양한 강우특성 및 XP-SWMM을 활용하여 내수 침수피해액 및 시나리오 기반 침수피해곡선을 작성하여 내수침수 위험도가 높은 지역의 침수피해특성 분석기법을 제시하였다. Song and Lee(2012)는 도시하수관거시스템의 침수위험순위를 Entropy 및 다기준 의사결정기법인 Promethee를 적용하여 침수위험 평가기법을 제시하였으며, 최근에 Lee et al.(2016)은 서울시의 자치구별 강우 및 지형, 토지피복구성, 주택조사, 배수시설, 재해이력 데이터 등으로 호우침수위험도 예측모델을 개발하였다.
빗물펌프장 운영과 관련한 연구로 Shim and Yoon(1995)는 도시 저지대에서의 침수피해방지를 위한 빗물펌프장의 운영개선모형을 개발하였다. Shim(1998)은 침수피해의 최소화를 위한 과학적인 운영방안으로 ILLUDAS 모형으로 강우강도와 지속기간을 기준으로 펌프가동대수를 결정하는 펌프운영기준을 제시하였다. Cho(2005)는 수리학적 홍수추적으로 한강변에 위치한 빗물펌프장의 외수위를 모의하여 각 빗물펌프장의 배수문 개방에 필요한 팔당댐 방류량과 도달시간을 산정하여 빗물펌프장운영에의 적용을 제안하였다. Joo et al.(2010)은 다양한 확률호우사상을 빗물펌프장의 자동운영시스템에 적용하여 실시간 운영시스템의 개선을 모의한 바 있다. Song et al.(2014)은 펌프의 조기가동에 의한 내수침수의 저감효과를 분석하였고, Song et al.(2015)은 하류의 기점수위와 상류의 빗물펌프장 지점을 기준으로 실시간 관측 외수위을 기반으로 단기간 내 펌프장 방류토구 잠식수위에 도달되는 강우량의 예측절차를 제시하였다. Shim et al.(1996)은 SWMM과 petri net diagram 및 종합지표로 효율적인 펌프조작모형을 개발하였고, Jun et al.(2007) 및 Lee et al.(2007)은 도시 내배수시스템의 실시간 운영모형 및 다양한 펌프운영규칙에서의 신뢰도기반 침수저감방안을 제시하였다.
본 연구에서는 도시지역 홍수방재를 위한 구조적 개선을 위해 주로 구축되어온 빗물펌프장의 운영시나리오에 대하여 빗물펌프장에서의 운영개선으로 인한 우수배제시스템의 신뢰도 개선효과를 정량적으로 분석하는 절차를 제시하고 대상유역에 대하여 모의를 수행하였다. 이때 침수용량을 침수면적으로 정량화하기 위하여 침수흔적도와 모의된 침수용량을 이용하여 침수용량을 침수면적으로 환산하였다. 또한 우수배제시스템의 신뢰도는 전체유역 대비 침수량 및 침수지점수를 기존으로 하는 기존의 연구성과(Lee, 2012)에서 제시된 기법을 적용하였다. 빗물펌프장의 운영개선에 의한 침수저감효과에 대한 정량적 분석과 함께 기존 신뢰도 기법의 개선방향 및 빗물펌프장 중심의 구조물적 홍수저감 이외에 필요한 구조적 개선방향의 필요성 등을 파악하고자 하였다.
2. 연구방법
2.1 연구절차 및 연구유역
본 연구는 빗물펌프장의 운영시스템에 대하여 각각의 펌프가동에 필요한 기준을 분류하고 세부적인 운영시나리오를 구성하여 기왕의 호우에서의 운영모의 및 신뢰도의 연계분석으로 적합한 운영방향의 유추 및 신뢰도 개선 정도를 제시하기 위한 연구로 전체 흐름도를 Fig. 1에 나타내었다.
연구에 적용한 대표강우사상은 2010년 9월 20일~22일 및 2011년 7월 26일~29일 서울에 발생한 시단위 강우사상으 로 대상유역 외에도 서울시 일원에 침수를 유발한 호우사상이다. 선정된 호우사상에 대하여 비교를 위한 초기기준조건의 모의를 위하여 발생호우기간에 빗물펌프장에서 적용되고 있었던 유수지수위에 따른 펌프가동과 동일조건에서 침수모의를 하였다. 다음 단계로 빗물펌프장의 운영시나리오를 구성하여 각각의 시나리오 별로 모의를 하여 기존운영조건에서의 모의결과와 비교하여 우수배제시스템의 월류특성을 분석하고 시스템의 신뢰도를 산정하여 위험도로 전환하였다. 또한 각각의 운영시나리오별로 월류저감효과를 평가하고자 하였다. 이때, 기왕강우 발생시기의 침수흔적도를 조사하여 추정된 침수면적과 EPA-SWMM에서 모의된 월류량과의 관계를 회귀식으로 유도하고 효율적인 운영시나리오에서의 월류량을 침수저감면적으로 환산하여 침수저감효과를 분석하였다.
연구지역은 서울시 영등포구에 위치한 대림3 빗물펌프장 유역으로 유역 및 우수관망현황 등을 Fig. 2에 나타내었다. 연구유역의 유역면적은 248.5ha이며 유역은 전반적으로 매우 완만한 경사를 이루고 우수거가 종방향으로 길게 형성되어 있으며 유역 내에 자연수로는 거의 없고 인공적으로 설치된 우수관망이 총 1,787의 절점으로 매우 복잡하게 구성되어 있다. 또한 우수관망의 통수능력은 5∼10년 빈도의 확률강우량으로 계획되어 있어서 집중호우가 발생하면 일부 저지대 중심으로 침수에 취약한 지역이다.
유역에서의 빗물배제는 유역출구에 설치된 대림3빗물펌프장을 통하여 도림천으로 유하되며 도림천 수위가 상승하면 수문을 닫고 빗물펌프에 의하여 강제배제 되고 있다. 빗물펌프장에는 전체 12대의 펌프가 설치되어 있으며 각각의 펌프는 유수지수위에 따라서 가동규모가 결정되고 있는데 각 펌프의 유수지수위 별 펌프 토출량은 Table 1과 같다.
Table 1
Pump Capacity with Current Operating Water Level (Seoul city, 2010)
2.2 빗물펌프장 운영 시나리오
본 연구에서 유수지의 수위증가에 따라서 다양한 펌프운영 시나리오를 설정하고 각각의 시나리오에서 유출모의를 통한 침수저감효과를 분석하여 효율적인 운영조건을 제시하기 위하여 우선 초기운영수위에 따라 2가지로 분류하였다. 첫 번째는 Table 2와 같이 기존 운영기준으로 초기운영수위를 고정시키고 0.1m단위로 펌프가동 운영수위를 낮추어 가동시키는 조건부터 초기운영수위에서 12대 모두 가동되는 조건까지를 포함하였다.
Table 2
Pump Operating Water Level with Fixed Initial Depth (Existing Rule)
두 번째로는 Table 3과 같이 초기운영수위까지도 낮추어 펌프를 최대한 조기 가동하는 운영조건으로 0.2m까지 초기운영수위를 낮추는 것을 포함하여 시나리오를 분류하였다.
Table 3
Pump Operating Water Level with Assumed Initial Depth (Powered Rule)
모의는 기존의 운영조건과 26가지의 운영시나리오에 대하여 도시유출모형인 SWMM을 이용하였으며 각각의 시나리오별로 월류발생지점 및 월류량을 도출하였다. 또한 분석결과는 Lee(2012)에 의해 개발된 우수관망시스템의 신뢰도분석법을 활용하여 운영시나리오 별 빗물배제시스템의 신뢰도를 분석하고 위험도로 전환하였다. Lee(2012)은 신뢰도분석에 있어서 최초 월류 발생시간부터 종료까지의 유출총량 대비 월류총량 및 월류지점 수를 기초로 RV(Reliability of overflow Volume)인 초과강우에 의한 총 유출량 대비 월류발생총량 비와, RN(Reliability of Number of overflow nodes)으로 유역의 총 절점 수 대비 월류발생지점 수의 비로 나타내었다. 또한, RSDMM(Reliability of Sewer system using Distance Measure Method)을 거리척도법(Distance Measure Method, DMM)로 나타내었는데 이는 현재 상태의 평가를 위하여 시스템파괴가 일어나지 않는 상태에 대한 차이를 척도로 정량적으로 나타내는 우수관망의 신뢰도 평가법으로 구체적인 방법은 Lee(2012)의 연구에 상세히 기술되어 있다.
3. 적용 및 결과
3.1 빗물펌프장 운영시나리오 별 모의 결과
펌프 운영시나리오 별로 월류발생지점 및 월류량을 분석한 결과 초기운영수위를 0.5로 고정시키고 유수지수위를 기존 운영수위에서 0.1m단위로 낮추면서 펌프를 운영한 그룹1의 시나리오(시나리오 1~17)의 경우 2010년의 호우에서는 시나리오 13에서 기존운영조건과의 월류발생량 차이가 –0.05x10³m³ (0.06%)로 가장 크게 나타냈으며, 2011년의 호우에서도 시나리오 13에서 –0.06x10³m³ (0.18%)로 가장 큰 차이가 나타났다. 또한 초기수위 및 운영수위를 동시에 낮추어 모의하여 기존펌프운영조건과 비교한 결과는 월류량이 2010년 호우에서는 시나리오 25에서 –0.015x10³m³ (0.18%), 2011년 호우에서는 시나리오 22에서 –0.23x10³m³ (0.69%)의 저감효과를 나타냈다.
시나리오 구성상 가장 조기에 펌핑하도록 설정된 시나리오 17 및 26에서 가장 큰 저감효율을 예측했으나 시나리오 13 및 25가 저감효과가 높게 나타났다. 이는 강우형태 및 침수특성에 따라 유수지로의 유입량이 다르기 때문으로 판단된다. 즉, 유수지로의 유입량을 조기에 토출시켜도 강우의 첨두발생시간과 중상류의 유하시간 및 유역현황에 따라서 침수양상이 다를수 있음을 의미한다. 또한 유입량의 집중에 의한 유수지의 수위상승속도의 증가가 배수효과로 인하여 월류증가가 발생되는 것으로 판단된다. 따라서 유수지에 유입량 변화를 고려한 펌프운영이 효율적인 것으로 판단된다.
전체적으로 위험도가 1% 미만이 저감되는 것으로 나타났으나 이는 신뢰도 산정기준이 전체유역에서의 유출총량 대비 월류총량과 총지점수 대비 월류발생지점수가 저감되는 기준에 의하여 평가되기 때문에 위험도의 비율이 작게 나타나는 것으로 보이는 것이다. 즉, 침수가 전체유역대비 저지대 중심의 일부유역에 집중되어 발생하기 때문이라 할 수 있다. 이를 기존운영에서 침수가 발생된 지점만을 대상으로 개선운영모의를 하여 개선운영 전후의 침수면적을 비교하면 저감효과가 비교적 크게 나타나게 된다. 다만, 유역이 완만하고 유로연장이 복잡하며 종방향이 연장이 긴 경우로 펌프의 가동수위를 낮추어 운영하는 개선운영조건만으로는 한계가 있음을 추정할 수 있다. 이는 유수지로 유입되기 이전 상⋅하류 관망의 통수능 부족 등의 이유로 펌프장으로의 유입 전에 월류가 발생되기 때문이다. 또한, 대상유역은 역구배 및 관의 연결이 불합리하게 되어 있는 구간이 다수 있어서 빗물펌프장으로의 유입이 원활하도록 배수시스템의 구조적 개선도 필요할 것으로 판단된다. 즉, 펌프장의 운영효율을 극대화하기 위해서는 전제적으로 빗물펌프장으로의 유입이 원활하도록 선제조치가 필요하다고 할 수 있다. 이는 기존연구(Joo et al., 2010)에서 대상유역에 따라서 운영에 대한 효율적인 개선으로 저감효율이 약 10%~ 50%까지 나타난 결과의 예에서 알 수 있다.
3.2 신뢰도(위험도) 분석 결과
본 연구에서 위험도 저감(월류 발생량 저감) 효과를 침수저감면적으로 환산하기 위하여 2010년 및 2011년 실제 강우사상을 SWMM으로 모의된 월류량에 대하여 수해백서 및 서울안전누리 홈페이지 등을 이용하여 침수면적을 산정하여 Fig. 3에 2010년 및 2011년 침수흔적도를 나타내었으며 월류량과 침수면적 관계를 회귀식으로 작성하였다.
이를 기반으로 펌프운영 시나리오에 따른 월류발생저감량을 산정하여 침수저감효과를 추정하였다. Table 5는 월류량에 따른 침수면적을 나타낸 것이다. Table 5의 25번 시나리오 및 22번 시나리오의 경우 Table 4에 산정된 월류량을 작성된 회귀식에 적용하여 침수면적으로 환산하였다. 산정결과 2010년의 경우 0.28%가 2011년의 경우 5.20%의 침수면적이 저감되었다. Fig. 4는 월류량-침수면적 관계식을 나타낸 것으로 강우의 월류량을 분석하면 대략적인 침수면적의 추정이 가능할 것으로 판단된다.
Table 4
Flood Characteristic Result According to Pump Operating Scenarios
Table 5
Flooding Area vs. Flood Volume
빗물펌프장의 운영시나리오에 의한 우수배제시스템의 월류지점의 개수 및 월류량을 기준으로 하는 신뢰도 및 위험도 분석은 적용된 2010년 및 2011년 강우사상에서 월류량 차이가 가장 큰 시나리오(2010년 25번 시나리오, 2011년 22번 시나리오)에서의 결과를 Table 6에 나타내었다. 신뢰도 산정결과 2010년 현재운영기준에서 0.9054(90.54%), 25번 시나리오에서는 0.9107(91.07%)로 0.53%의 차이를 보였다. 2011년 강우를 적용한 현재운영기준의 신뢰도는 0.9750 (97.50%), 22번 시나리오에서는 0.9762(97.62%)로 0.12%의 차이를 보였다. 분석결과 빗물펌프장의 운영개선이 신뢰도가 상승 및 위험도 감소에 유리하게 작용되는 것으로 나타났으나 빗물펌프장으로의 유입이 원활하지 않은 연구유역의 경우는 주된 침수원인이 빗물펌프장으로 유입 전에 침수가 발생하는 경우로 빗물펌프장의 운영개선만으로 신뢰도가 크게 상승되지는 않는 것으로 나타났다.
Table 6
Existing Operational Rule with Representative Scenario Reliability Analysis
4. 결론
대도시지역은 집중호우 및 돌발호우 등에 취약하여 구조적 개선으로 주로 빗물펌프장을 집중 설치하여 집중호우에 대비하고 있으며, 빗물펌프는 대부분 유수지수위가 일정수위에 도달하면 펌프를 순차적으로 가동시키는 단순규칙으로 운영되고 있다. 본 연구에서는 펌프운영시나리오를 설정하고 내수침수저감에 기여하는 척도로 운영개선에 의한 유역전체의 침수저감을 신뢰도기법에 의하여 정량적으로 평가하고자 하였다. 대상유역에서 펌프운영 시나리오 별 신뢰도 개선에 해당하는 침수저감효과를 침수를 유발한 기록이 있는 2010년과 2011년 강우사상에 대하여 EPA-SWMM 모의를 통한 월류량 및 유역배수시스템의 신뢰도를 분석하였다. 이때 침수면적은 침수흔적도와 모형에 의한 월류량과의 관계를 회귀분석 하여 침수저감효과를 분석하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.
첫째, 빗물펌프장의 운영시나리오에 따라서 월류량 저감에 기여하는 규모를 정량적으로 얻을 수 있으며 우수배제시스템에서의 신뢰도를 기반으로 홍수방재를 위한 빗물펌프장의 운영개선효과에 대한 정량적 평가가 가능하다고 판단되었다.
둘째, 연구유역과 같이 빗물펌프장으로의 유입 전에 침수가 발생하는 경우는 펌프운영개선효과는 크지 않게 나타났다. 이 경우 빗물펌프장의 신증설 외에 유역내의 배수시스템의 구조개선으로 통수능력부족으로 인한 침수해소와 함께 펌프장의 운영개선이 함께 이루어져야 할 것으로 판단되었다.
셋째, 침수피해는 침수용량보다는 침수면적이 주요한 기준이 되므로 침수흔적지도 등을 이용하여 침수면적과 월류량의 관계를 유역별로 구축하면 강우량에 대하여 펌프운영에 따른 월류량과 함께 침수면적을 추정할 수 있으므로 홍수방재대책에 효율적으로 활용될 수 있다고 판단된다.
넷째, 침수저감을 위한 신뢰도 분석에 있어서 침수지역은 저지대에 집중되므로 전체유역면적 대비 침수면적비율이 작아서 운영개선 등에 의한 침수저감비율이 작게 나타나므로 침수면적 중 운영개선으로 인한 저감면적 등으로 분석하여 신뢰도를 분석하기 기법의 개발이 필요할 것으로 판단된다.
추후 연구로 빗물펌프장의 운영시나리오 이외에 소규모저류지의 분산설치 및 침수지역 일부 관거의 개선 등 유역내의 최소 구조적 및 비구조적 방안을 종합하여 침수저감효과를 모의하는 기법의 연구가 진행되면 실무적으로 더욱 적용성이 높아질 것으로 판단된다.
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