최근의 기후변화에 따른 강우발생의 특성을 살펴보면, 매년 일강수량 100 mm 또는 200 mm 이상의 발생일수가 지속적으로 증가하고 있으며, 시강우량 50 mm 또는 80 mm 이상의 경우도 빈번하게 발생하고 있다. 빈도로 환산하면 작게는 20-30년에서 크게는 50-100년에 해당한다. 현재 주로 이용되는 빈도중심의 강우 설계 방법으로는 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 없다는 것을 의미하며, 이를 해결할 수 있는 새로운 개념의 접근 방법이 필요한 시점이다(NEMA, 2010).

과거 자연유역에서의 유역분할에 따른 경계 설정에 관한 많은 연구가 진행되어 왔음에도 불구하고, 도시유역에서의 경계설정에 관한 연구는 이루어져 있지 않다. 도시유역에서 유역간의 경계는 일반적으로 자연적, 구조적, 행정적 구분에 의하여 결정된다. 즉, 유역의 경계는 하천, 산 등의 자연적 경계와 도로, 건물 등의 구조적 경계 및 행정적 경계에 의하여 결정되어진다(Lee et al., 2011). 유역 경계가 결정되면 설계자는 하나의 내배수 처리시설 유출구로 연결되는 우수관거시스템을 상류로부터 하류에 이르기까지 설계하게 된다. 따라서 도시유역에서의 내배수시설 기준 배수구역 경계설정은 각각의 우수관망 시스템을 설계하기 위한 틀이 되는 가장 중요한 요소들 중 하나로 볼 수 있다. 그러나 유역 간의 경계가 자연적, 구조적, 행정적 구분에 의하여 명확히 결정될 수 없는 유역에 대해서는 설계자의 판단에 근거하여 유역경계를 설정할 수밖에 없다.

내배수시설 기준 배수구역의 경계설정에 있어 인접한 배수구역간 구분이 명확하지 않다고 보는 이유는 무엇보다 설계자의 판단에 의하여 유역간 경계가 설정되기 때문이다. 더불어 판단에 의한 기준을 근거로 유역별 유출특성에 따라 우수관거 시스템을 포함한 내배수시설 및 기준을 설정하여 왔다. 현재까지 유역간 구분이 불명확한 상황에 있어 유역에서의 유역 경계의 설정에 대한 이렇다 할 기준은 존재하지 않았다. 실제 내배수시설의 배수구역에 있어 경계 설정이란 유역 내에서 발생하는 우수를 충분히 배제할 수 있도록 내배수시스템을 설계하기만 하면 되는 것이었기 때문이다.

본 연구에서는 유출의 집중효과를 분담시키고자 한다. 이를 위한 내배수시설의 경계 재설정 기법을 토대로 집중적으로 발생하는 침수 문제가 제어될 수 있다 판단되었다. 인접한 유역간 우수관거시스템의 설계는 대상 유역에 따라서 결정되어지는 것이다. 유역간의 경계가 변화할 경우에 대상 유역의 면적이 달라지면 하나의 유출구로 연결되는 전체 우수관거 시스템의 설계 방안은 달라질 수밖에 없다. 그러므로 내배수시설의 경계 재설정은 우수관거시스템 내 유출의 집중효과를 제어하기 위한 또 다른 변수로서 고려되어야만 한다.

실제 유역의 경계가 불명확한 도시유역에 대해서는 각기 다른 유출구를 갖는 도시유역 간의 관계를 동시에 고려하여 최적 우수관망을 구성하여야만 한다. 하나의 유역에 대한 경계가 변화한다는 것은 인접한 유역의 경계가 변화하는 것과 같은 의미이기 때문이다. 따라서 유역 경계가 불명확한 유역의 대한 유역 경계의 설정은 그 경계가 영향을 미치는 인접 유역에서의 흐름 양상을 동시에 고려하여 관망을 구성하여야만 한다(Lee et al., 2011).

본 연구에서는 내배수시설 기준 배수구역 경계 재설정기법을 제안하고자 한다. 이를 바탕으로 효과적이고 정량적인 내수침수에 대한 피해 저감을 목표로 하며, 개선된 관거시스템 구성을 바탕으로 경계 재설정 기법이라는 하나의 설계 기법을 적용하고자 한다. 적용 가능한 주요 우수관망 대한 분석결과들을 바탕으로 내수침수 저감효과를 분석함으로써 내배수시설 기준 배수구역 경계 재설정 기법의 개발을 위한 검증을 진행하였다. 이는 향후 최적화 기법을 해당 기법에 적용하기 위한 검토단계로써 내배수시설 경계 재설정 모형 개발을 위한 사전 검토단계에 해당한다.

본 연구에서는 내배수시설의 경계 재설정에 따른 효과적이고 정량적인 내수침수의 저감효과 분석을 실시하였다. 본 연구에서는 첫째, 내배수시설의 경계 재설정의 필요성에 대하여 일반적인 개념 제시하고, 둘째, 내배수시설 경계 재설정 및 우수관망 설계 변경조건을 설정하였다. 셋째, 실제 도심지 내배수시설 유역에 본 연구에서 제안한 기법을 토대로 내수침수저감효과를 검증하였다. 이를 바탕으로 넷째, 내배수시설 침수저감 증대를 위한 경계 재설정 기법을 수립하였다.

본 연구에서 제안하는 내배수시설 경계 재설정 기법이란 경계 재설정에 따른 침수저감 효과를 보다 명확히 나타냄으로써 시스템의 유출량 분산을 통한 침수발생 저감을 목적으로 한다. 기존의 유역 경계 설정이 설계자의 임의성이 개입되어지는 것에 비하여 침수저감 이라는 구체적이고 객관적인 판단 근거에 유역 경계를 설정하는 판단기준을 제공하는 것을 목적으로 한다.

일반적으로 내배수시설의 개발 및 설계는 해당 유역에서 발생한 유출량을 전량 소화할 수 있도록 해야한다. 유역 내에 위치한 내배수시설을 바탕으로 효율적인 운영을 통해 침수위험을 최소화하는 것을 목적으로 한다. 유역 내에서의 침수위험을 공간적으로 분리시키고, 시설물을 이용하여 분산되도록 하여 저지대나 공공시설 들이 밀집된 특정 지역에 과도한 위험부담을 주거나 특정한 내배수시설에 과도하게 의존하지 않도록 설계되어야 한다.

이러한 설계원칙을 바탕으로 본 연구에서는 먼저 빗물펌프장을 이용한 펌프 조기가동 효과를 토대로 침수저감 효과를 검토하고 소화하지 못하는 유출량, 즉 월류발생을 방지하기 위한 경계 재설정 기법의 효과를 검증하였다. 다만, 경계 재설정을 통한 침수 저감효과 검토는 지리적으로 연속된 인접한내배수시설 유역을 대상으로 한 기법에 해당하며, 해당 유역간의 효율적인 내배수시설 운영을 포함한 분석을 통해 내수배제 능력을 확보하도록 하는데 의미가 있다.

내배수시설의 경계 재설정 연구의 필요성은 기후변화로 인한 국지성 집중호우, 해수면 상승 등과 같은 기상재해의 측면에서도 찾을 수 있다. 단시간에 특정지역에 집중되는 국지성 집중호우의 경우 방재시설의 설계용량의 상향등을 고려할 수 있겠으나, 설계용량을 빈번히 초과하는 국지성 집중호우의 자체 특성상 시설용량을 늘리는 것만으로는 한계가 있고, 경제성 또한 확보하기 어렵다. 또한 기상이변으로 인해 과거에 침수피해를 입지 않은 지역도 안전을 보장받기 어려운 추세에 있다(NEMA, 2010).

내배수시설의 경계 재설정 기준은 저지대를 포함한 상습 침수지역과 홍수피해 예상지역 및 주요 기반시설 등과 같이 홍수에 취약하거나 지구에 대하여 개발사업 등의 사업 및 타당성 검토 등의 계획을 수립하는 경우 내배수시설 등을 활용한 기준을 제시하여 침수피해를 체계적이고 종합적으로 방지하도록 하는데 목적이 있다.

이러한 침수피해를 방지하기 위해 지리적으로 연속된 일정한 지구를 대상으로 한 방어기준을 규정함으로써 기존 내배수시설 유역이 갖는 치수능력으로 하여금 보다 향상된 치수안전성를 확보하도록 하는데 필요성이 있다. 이러한 특성은 기상이변 현상에 효과적으로 대응함으로써 과도하게 시설물중심의 구조적 예방대책 내지 복구 대책이 주류를 이루고 있는 지금까지의 홍수방어대책과 더불어 새로운 방안이 될 수 있다. 연구에서 제안한 기법은 결국 지자체의 재난방지 목적의 사업을 추진함에 있어 해당 유역의 여건, 침수의 위험성 등에 비추어 사업의 필요성이 판단되는 경우에 적용 가능하다.

내배수시설의 효과적인 치수능력 증대를 위한 연구는 우수관망의 수리·수문학적 조건을 경계로 최적화 과정을 통한 설계 연구와 더불어 내배수시설을 운영하는 다양한 조건에서의 효과적인 운영이라 할 수 있다.

우수관망의 최적화 연구의 대표 연구사례를 살펴보면 Mays and Yen(1975)과 Mays and Wenzel(1976)의 동적계획법 연구사례를 들 수 있다. 해당 연구들은 수리·수문학적 분석을 토대로 관거 설계의 최소비용을 고려하여 관거별 주요제원 등을 결정하는 모형을 개발하였다. Tekeli et al.(1986)은 최단비용과 연관되는 최단경로 설계 알고리즘을 적용하여 우수관망을 설계하기 위한 최적모형을 개발하였다. 국내에서는 Jang (1999)이 동적계획법 이론을 바탕으로 관의 경사, 깊이등을 합리식에 적용하여 통수능력 확보를 위한 연구를 진행하였다. Park and Jang (2005)은 Jang이 제안한 연구를 개량하여 경제성을 고려한 도시 우수관망의 최적화 모형을 개발하였다. Kim et al., (2006)등은 우수관망 시스템 설계에 적용 가능한 최적화 기법들을 소개하였다. 각 기법들의 특징을 나열하였으며, 관거의 매설깊이를 이용한 최적우수관망의 구성을 통해 효과를 검증하였다. Lee (2011)와 Lee et al., (2012)이 기존의 최소비용의 목적함수들과 달리 첨두 유출량 최소화를 목적함수로 둔 우수관망 최적설계 모형을 개발하였다.실제 도시유역에 대하여 다양한 인공적인 강우 사상 및 실제강우 사상 적용을 통해 첨두유출량 저감효과를 제시하였으며 관거 내 유출량의 중첩효과를 고려하고자 하였다.

내배수시설의 효과적인 운영과 관련된 사례를 살펴보면 Yoon and Lee (1995) 및 Shim and Yoon (1995)는 도시유역에서의 내수침수를 경감시키기 위한 유수지 및 빗물펌프장의펌프 운영조작 모형을 개발하였다. Kim et al., (2004)은 배수펌프장의 유수지 수위와 펌프대수를 조합하여 퍼지모형을 적용한 기법을 개발하였다. Lee et al. (2007)은 내배수시스템을 실시간으로 제어할 수 있는 운영 기법을 제안하였으며 이를 토대로 빗물펌프장의 운영 시스템을 개발하였으며, Joo et al.(2010)은 개발된 모형을 바탕으로 침수저감 효과와 경제성분석을 실시하였다.

앞서 언급한 바와 같이 내배수시설의 근본적인 목적은 유역내에서 발생하는 유출량 전량을 소화할 수 있어야 한다. 즉, 유역 내 내배수시설을 적정 운영함으로써 침수위험을 최소화해야 한다. 즉, 유역 내에서의 침수위험을 공간적으로, 시설물별로 분산되도록 하여 저지대나 공공시설 들이 밀집된 특정지역에 과도한 위험부담을 주거나 특정한 내배수시설에 과도하게 의존하지 않도록 설계되어야 한다. 이러한 설계원칙을 바탕으로 본 연구에서는 먼저 대림3 빗물펌프장을 이용하여 펌프의 조기가동을 통해 침수저감 효과를 분석하였다.

본 연구 대상유역인 대림3 빗물펌프장은 서울시 영등포구대림동의 도림천변에 위치하고 있다. 대림3 빗물펌프장의 배수유역인 도림1 배수분구는 행정구역상 영등포구와 동작구의 경계에 위치하고 있으며, 영등포구 197.2 ha 유역과 동작구 51.3 ha 총 248.5 ha에서 발생하는 유출이 현재 대림3 빗물펌프장으로 유입되고 있다. 해당 유역 인근 운영되고 있는 펌프장은 대림3, 대림2, 신대방간이 빗물펌프장 등 3개소가 운영되고 있다.

Fig. 1은 대림3 빗물펌프장의 유역 및 주요 관거현황을 나타내며, Table 1에 펌프장의 현황을 나타내었다. 대림3 빗물펌프장은 유수지의 수위 증가에 따라서 순차적 펌프 가동룰을 채택하고 있으며, 이에 대한 운영 기준을 Table 2에 나타내었다.

일반적으로 펌프장 조기가동은 강우사상별 유수지로 유입되는 유입량 및 유수지 내 수위 등의 예측을 통한 선행시간검토를 바탕으로 적정 시점을 결정해야 한다. 일련의 예측이 이루어진다는 가정하에 펌프의 조기가동을 고려해야 한다. 다만, 본 연구의 경계 재설정에 따른 침수저감 효과를 위한 일련의 과정으로 보고 빗물펌프장 펌프용량을 최대로 증설 및 전량 토출 운영룰을 적용하였다. 10분의 선행시간에 따른 전량 조기가동 조건으로 내배수시설의 능력을 최대로 반영하여 분석을 진행하였다.

대림3 빗물펌프장의 조기가동을 바탕으로 상류 우수관망에서의 월류량에 대한 저감효과를 분석하고자 기존 대림3 빗물펌프장 실시설계보고서에서 배수분구 내 침수위험지역 분석에 적용된 30년빈도 120분 강우지속시간 135.0 mm의 동일한 설계강우를 대표 적용하였다. 조기가동 조건을 반영한 모의결과 Fig. 2에서 나타나듯이 대림3 빗물펌프장 주변 저지대로 구성된 상습 침수구역을 중심으로 일부 절점에서 월류량 및 월류지점이 감소되는 것을 확인하였다.

대림3 빗물펌프장은 현재 20년 빈도의 시설로 운영되고 있다. 30년빈도 이상의 홍수 발생시 유수지의 저류능력 부족에 따른 저지대 지역 중심의 침수가 빈번히 발생하는 것으로 확인되었다. 관련된 실시설계보고서 수립시 DEM과 XP-SWMM모형을 이용하여 침수우려지역 검토 결과 30년빈도 이상의 홍수시 약 9.822 m³의 용량과 17,400 m²의 침수면적이 발생할 것으로 보고되었다. 대림3빗물펌프장의 배수유역인 도림1 배수분구에 대해 수치고도모형을 이용해 분석한 결과, 대림3빗물펌프장 주변과 도림천 주변 일부지역에서 G.L 11.0 m이하의 저지대가 형성되어 있다(Seoul Metropolitan Goverment, 2010). 이러한 결과들을 토대로 보고서에 수록된 결과들과 본 연구 결과를 비교해볼 때, 동일한 30년빈도의 강우 적용(현시설 20년빈도)에 대해 저지대 지역을 중심으로 공통적인 지점에서 월류가 발생하였음을 확인할 수 있다. 이에 따른 대책으로 조기가동 조건을 통해 분석한 결과 펌프장 주변 저지대지역 및 상류단 일부절점에서의 침수위험이 감소되는 것으로 모의되었다. 이상의 결과에서 나타내듯이 조기가동을 통해 대체적으로 약 10%의 월류량 저감 효과를 나타내고 있으며 Fig. 3을 통해 나열하였다.

경계 재설정에 따른 침수저감 효과를 위해 펌프용량 최대로 증설 및 전량 토출 운영룰을 바탕으로 내배수시설의 능력을 최대로 반영하여 사전분석을 진행하였다. 이를 바탕으로 유역의 경계가 불분명한 도시유역에 대해서는 인접한 유역들 중각기 다른 유출구를 갖는 도시유역 간의 관계를 동시에 고려하여 침수저감 효과를 검토하여야 한다. 유역의 경계가 변화한다는 것은 인접한 유역의 경계 역시 변화하는 것과 같은 의미이기 때문이다. 경계가 불명확한 유역에 대한 경계 재설정은 그 경계가 영향을 미치는 인접 유역에서의 구조적인 문제점을 포함한 월류특성 등을 동시에 고려하여 우수관거시스템의 재구성이 필요하다.

대림3 빗물펌프장 유역과 가장 밀접한 관계를 갖는 유역이 대림2 빗물펌프장 유역이다. 약 26 ha의 면적으로 구성되어있으며 해당유역에서 발생하는 유출은 1,000 m³의 유수지를 거쳐 도림천으로 방류된다. 강우 발생시 750 m³/min 용량의 펌프토출을 통해 침수위험을 방지하고 있다.

앞서 언급된 침수우려지역의 결과와 조기가동 조건 하에 침수 모의결과의 공통점은 대림3 빗물펌프장과 맞닿는 많은 절점들에서 월류가 발생한 특징을 파악할 수 있다. 이러한 문제점을 파악하고자 대림2, 대림3 빗물펌프장 유역에 대한 배수체계 및 우수관거 현황을 서울시에서 제공받은 GIS시스템 및 기존하수관망도 자료를 통해 면밀히 검토하였다. 검토결과 맞닿는 대부분의 절점 및 관거에서 역경사 및 단차의 문제점이 있음을 확인하였다. 불확실한 문제점을 해소하고자 분석자료를 통해 배수체계의 신뢰성을 검토하였다.

절점 간 역경사 및 단차들은 내배수시설의 경계 재설정 과정에서 각기 다른 유역으로 유출방향이 변화된다. 이때 경계재설정은 결국 소유역의 편입에 따른 유역면적 및 유출체적이 변화되기 때문에 침수위험을 저감시키는 중요한 변수로 작용한다. 결과적으로 내배수시설의 경계 재설정은 최초 구조적 문제점을 지닌 기존 관거들의 연결방향을 변화시킴으로써 유역간의 경계를 변화시키고 이를 통해 변화된 유역 경계에 따른 침수저감 효과를 분석하였다.

대림2 및 대림3 빗물펌프장 유역의 경계 재설정 과정을 거쳐 결정된 유역의 경계는 다음의 Fig. 4와 같다. 분석에 적용된 강우사상으로는 확률강우 6개 사상으로 30, 50, 80년 빈도의 지속시간 60, 120분에 대해 적용하였으며, 추가적으로 과거 대림3 빗물펌프장에 침수피해를 일으켰던 2010년 9월 20일부터 22일까지 약 3일간 내렸던 297 mm의 실강우사상을 적용하여 효과를 검증하였다.

분석에 앞서 가정된 기본조건은 앞서 도입부에서 언급한 바와 같이 대림2 및 대림3 빗물펌프장 펌프용량을 최대로 증설 및 전량 토출 운영룰을 적용함으로써 현 내배수시설의 능력을 최대로 반영하였다.

분석결과 대림3 빗물펌프장 유역 중 주요 월류발생 지점들 중 대림3 빗물펌프장 유역으로의 편입이 가능한 인근 저지대 지선관거의 편입에 따른 월류발생이 감소하는 것을 확인하였다. 또한 대림어린이공원 빗물저류조 상단의 일부 유역을 대림2 빗물펌프장 편입에 따른 유출분담으로 인한 월류량 감소효과가 증대됨을 확인할 수 있었다. 다만, 빗물저류조를 포함한 직상류의 주요 관거를 대림2 유역으로 편입하는 경계설정은 불가능한 것으로 판단된다.

내배수시설 유역 경계가 변화된 상황에서 각 유역별 우수관망 시스템의 실강우 사상 적용분석 결과를 살펴보면 대림3 빗물펌프장 유역에서의 월류발생량은 최대 83.35~94.73(×10³)m³로 현재의 우수관거시스템에 비하여 약 7~18%, 평균 10%이상 감소하였다. 또한 대림2 빗물펌프장의 경우 추가적인 유역 편입으로 인한 유출량 부담 조건하에서 침수가 발생하지 않는 결과가 산정되었다.

이 같은 결과들이 의미하는 바는 내배수시설 경계를 재설정함에 있어 내수침수 방재 효과가 반드시 고려되어야 한다는 것이다. 기존의 우수관거시스템에 있어서 유역에서의 유출특성 이라 함은 유역의 경계에 대한 결정으로부터 산출되는 것으로만 생각되어 왔다. 그러나 적용 결과로부터 알 수 있듯이 유역의 침수위험은 우수관거시스템을 변화시킴으로써 저감시킬 수 있는 요소로 적용 가능하며, 유역의 경계를 재고려 하였을 때 그 효과는 더욱 크게 나타날 수 있다. 최종적으로 분석된 일련의 과정에 대한 침수 저감효과를 정리하면 다음과 같다.