1. 서 론

최근 기온상승 및 환경변화에 따른 강우패턴의 변화로 인해 전 세계적으로 가뭄과 홍수 즉, 물 재해로 고통을 받고 있다. 특히 우리나라는 여름철의 강우에 민감하게 영향을 받아 과거에 비해 매우 불안정하고 예측하기 어려운 기상환경이 발생하고 있으며, 이에 따라 태풍, 국지성 집중호우 등의 발생 빈도와 피해는 점점 커지고 있다. 최근 연구를 통해 살펴보면, 기후변화의 영향에 의해 미래로 갈수록 극한강수와 가뭄의 심도가 증가하고, 발생빈도 역시 증가할 것으로 전망되었다(Kim and Ha, 2013). 우리나라의 주요하천의 제방설계 기준은 주로 100년 이하 빈도로 설계되어 있다. 하지만 기후변화의 영향에 따라 극한강수 또한 증가되고 있기 때문에 제방의 월류 파쇄 등으로 인한 도심지의 홍수범람 피해가능성은 더욱 높아지고 있다. 현재 침수를 모의할 수 있는 다차원 침수 모형은 SWMM (Storm Water Management Model), MIKE FLOOD, FLO-2D 등이 있다. 이 중 FLO-2D의 경우 모의 시간이 오래 걸리고, SWMM의 경우 관망 구축 등 기본 입력 자료를 구축하는데 오랜 시간이 소요되며, MIKE FLOOD 역시 하천망 구성 및 경제조건 등 기본자료 구축이 오랜 시간이 소요되는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 지형자료와, 유입 홍수량 등 간단한 수문자료만을 이용하여 홍수범람으로 인한 도심지의 침수확산 경로를 모의할 수 있는 분포형 홍수 범람모형인 SIMOD을 이용하였다. 입력 지형자료로는 DEM (Digital Elevation Model)과 DSM (Digital Surface Model)을 사용하여 도심지 침수분석을 실시하였으며, 모형의 적용성을 검토하기 위하여 상용모형인 FLO-2D와 비교분석을 실시하였다.

2. 연구동향

국내외 적으로 침수분석에 대한 연구는 많이 진행되고 있으며 최근 도심지에서의 내·외수로 인한 침수 해석에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. Syme et al.(2004)은 도시지역 범람 유출모델링을 위해 기존의 수치지형도를 이용한 분석에서 더 나아가 토지이용도를 추가하여, 시설물에 의한 흐름의 경로와 지하 배수 변화 등을 고려하여 홍수범람을 모의하였다. Lee et al.(2006)은 도시하천유역에서 집중호우 시 제방범람과 범람에 따른 침수 피해를 해석하기 위해 우리나라의 대표적 도시하천인 중랑천 홍수 및 제방붕괴 특성을 연구하였다. Nanshan et al.(2007)은 홍수위험을 예측·평가하는 통합홍수범람모의 모형을 개발하였다. 이 모형은 DEM과 유입유량자료, 마찰 매개변수를 이용하는 것으로 홍수위험범위를 예측하는 연구를 진행하였다. Park et al.(2009)은 하천 제방붕괴 시 제방의 침식 및 세굴이론에 기초한 범람 홍수량해석과 시간에 따른 제방붕괴 폭의 변화, 침수범위와 침수위 추정을 예측할 수 잇도록 하천 유량변화를 고려한 제방붕괴를 연구하였다. Pathirana et al.(2011)은 1D 배수 모형인 EPA-SWMM5와 연계할 수 있는 2D 도심 침수모형을 개발하여 SWMM의 복잡한 입·출력 구조를 단순화시켜 도시침수를 모의하였다. Kim et al.(2011)은 댐 붕괴에 대한 DAMBRK (DAM BReaK Flood Forecasting Model)과 GIS를 연계한 홍수범람 지도 작성을 위하여 여러 가지 댐 붕괴 시나리오를 산정하고 수심별 홍수범람지도를 작성하는 방법에 관한 연구를 진행하였으며, Kim et al.(2014)은 가능 최대 강수량 발생 시, 댐 붕괴를 모의하여 붕괴 지속시간에 대한 첨두 홍수량을 산정한 뒤, MIKE FLOOD 모형을 이용하여 범람 양상 및 침수 면적을 모의하였다. Yang et al.(2015)은 홍수범람지역의 격자망을 구축하여 각 격자에서 일정 시간에 따른 유입홍수량의 총량분배를 이용하여 제내지에서 홍수 범람경로를 추정하였다. Go et al.(2015)은 댐붕괴 모형과 FLO-2D를 연동한 산대 저수지 붕괴 침수 모의에 관한 연구를 진행하였으며, Lee et al.(2016)은 DEM과 유입유량을 이용한 제내지의 홍수추적 모형인 SIMOD를 이용하여 시간에 따른 침수범위를 모의함으로써 기존 외수위 연장을 이용한 잠재침수구역과 비교 분석하였다.

3. 연구 방법

도심지 침수분석을 실행하기 위해, 제방이 있고 제내지 내에 주거 산업 단지가 밀집한 지역을 선정하였다. 그 후, 200년 빈도 수위 시, 제방파제 시나리오를 적용하여 침수분석을 실행하였다. 침수분석 모형으로는 SIMOD 모형과 기존의 침수분석 모형인 FLO-2D모형을 이용하였다. 입력 지형자료는 기존의 침수분석시 사용되는 DEM과 건물, 도로 등의 표고를 적용할 수 있는 DSM 지형자료를 이용하였다. 그 후 SIMOD와 FLO-2D모형을 이용하여 도심지 내의 침수분석을 실시하였으며 둘의 결과의 비교분석을 실시하였다. 연구의 흐름은 Fig. 1과 같다.

Fig. 1.

Study Flow Chart

Fig. 2.

Multi Direction Method

4. 이론적 배경

4.1 SIMOD(Simplified Inundation MODel)

시나리오 기반으로 발생된 홍수에 의한 하천범람유량은 시간에 따라 임의의 격자에서 발생시킬 수 있다. 발생된 흐름은 Figs. 3 and 4와 같이 하향 기울기를 가지는 흐름방향 경사일 때와 상향 기울기를 가지는 역방향 경사일 때의 흐름 경로가 달라지게 된다. 하향기울기의 흐름을 가질 때는 다중흐름방향법(MDM)을, 상향기울기의 흐름을 가질 때는 평수가정법(FWA)을 이용한다. MDM은 침수가 시작되는 격자를 기준으로 인접한 8개의 격자 중에서 표고가 낮은 격자에 할당하는 방법이며, FWA는 침수가 시작되는 셀 주변 8개 셀이 모두 시작 셀보다 표고가 높을 때 인접한 셀로 할당하는 방법이다(Lee et al., 2016).

Fig. 3.

Flat-Water Assumption

Fig. 4.

Discharge Flux across Grid Element Boundaries (FLO-2D Manual, 2009)

4.2 FLO-2D

FLO-2D 모형은 1988년에 미국 콜로라도 주의 보험용 도시침수 가능지역을 파악하기 위하여 처음 개발되었다. FLO-2D 모형은 체적을 보존시키면서 홍수의 추적을 재현해내는 모형이다. 기본적으로 지표면 홍수 모의를 시작으로 다양한 지형적 요건, 도시지역의 건물, 교량, 제방등의 유동 장애물, 유동경로에서 손실 등에 대한 구성 요소를 시뮬레이션에 추가할 수 있다(Fig. 4). FLO-2D모형은 미국 연방재난관리청(Federal Emergency Management Agency, FEMA) 공인된 모형이므로 신뢰성이 높으며, GDS, MAPPER++등이 있어 자동적으로 침수 구간을 구별해낼 수 있으며, 결과를 그래프 처리하여 보여준다. 전통적인 홍수 해석인 제방월류를 기본으로 자연 지형이나 하천, 토석류, 도시 홍수 등도 모의가 가능하다(Go et al., 2015). FLO-2D의 흐름방정식은 Eq. (1)과 같으며, 연속방적식과, 운동량방정식을 기본으로 한다.

  (1)

여기서, 는 유량의 깊이, 는 시작격자에서 8방향 흐름(x방향) 중 하나의 평균유속이며, 는 초과강우강도이다. 는 마찰경사로 Manning 방정식을 기반으로 한다.

Fig. 5.

Location of Study Area

5. 적용 및 결과

5.1 대상지역

본 논문에서 도심지 지역의 제방 월류-파제 시나리오를 적용하기 위해 하천이 인접해 있고, 충분한 높이의 제방이 있는 금호강 하류에 위치한 성서제 내 주거 산업단지를 대상지역으로 선정하였다. 금호강 유역은 대구 광역시, 경상북도의 경산시, 영천시, 포항시, 칠곡군 등 총 1개 광역시, 1개도, 3개시, 2개군, 7개구, 4개읍, 20개면의 전체 또는 일부를 포함하는 유역으로 유역면적 2,092.42km², 유로연장 116.0km²에 이르고 있다. 금호강 유역에는 자호천, 고촌천, 신령천, 신천 등 총 52개의 지방하천이 있으며, 금호강을 포함하여 총 하천연장은 590.76km²에 달한다(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 1997).

Table 1. Cumulative Total Outflow

5.2 입력자료 구축

5.2.1 유입홍수량 산정

본 연구에서는 2009년 국토해양부에서 발간한 낙동강수계 하천기본계획을 참고하여 200년빈도 홍수위를 이용하여, 200년 빈도 홍수위 시, 제방 파제가 시작되는 시나리오를 설정하였다. 제방 붕괴시나리오는 제방붕괴 지점 제방고 상단 기준 높이 7m, 폭 35m의 제방이 파제되는 것으로 가정하였다. 붕괴된 제방을 통해 하천의 홍수위가 월류되면 유입홍수량은 사각 웨어로 가정하여 Eq. (2)를 이용하여 산정하였다. 그 후, 제방 파제가 시작되는 시점으로부터 24시간동안의 침수모의를 실시하였다.

 (2)

는 제내지로 유입되는 유량, 는 수로의 폭, 는 웨어의 수두이다.

Table 2. Variation of Flooded Area (DEM)

Table 3. Result of Applying SIMOD and FLO-2D Models (DEM)

5.2.2 지형자료 구축

현재 침수분석 시 대부분의 연구에서 지형자료로 DEM을 사용하고 있다. 하지만 문명의 발달에 따른 도시화가 증가 되고 있고, 도시화에 따른 건물군의 분포, 불투수면적 증가 등, 침수분석 시, 영향을 주는 요소들이 늘어나고 있는 추세이다. 본 연구에서는 도심지 침수분석을 기존의 DEM지형자료 뿐 만 아니라 도심지의 건물군, 도로분포를 나타낼 수 있는 DSM지형자료도 이용하여 침수분석을 실시하였다.

5.3 모형의 적용

5.3.1 DEM지형자료를 이용한 침수분석

산정된 유량을 이용하여 기존의 침수 분석 등에 보편적으로 사용하는 수치표고 모형(DEM)에 적용하여 분석을 실시하였다. 분석결과 Table 2와 같이 처음 발생 60분의 면적차이 38.7%를 제외하고는 10% 내외의 침수면적차이가 분석됨을 확인할 수 있다. 그리고 침수 분석 소요시간은 SIMOD 모델이 24시간 기준 모의구동시간이 7분으로 빠르게 분석됨을 확인할 수 있다.

Table 4. Variation of Flooded Area (DSM)

5.3.2 DSM지형자료를 이용한 침수분석

도심지 침수분석을 모의할 때에는 건물군의 분포와 도로분포에 따른 침수경로가 중요하다. 실제 대상지역의 건물 군 및 도로를 확인할 수 있는 DSM 지형자료를 이용하여 침수분석을 실시하였다. 분석결과 침수면적차이는 20% 내외로 분석되었다. DSM지형자료가 실제 도심지의 침수경로를 확인할 수 있는 장점이 있음을 확인할 수 있다. 따라서 도심지 침수분석을 실시할 때에는 DSM지형자료 사용의 필요성을 확인 할 수 있다.

Table 5. Result of Applying SIMOD and FLO-2D Models (DSM)

6. 결 론

본 연구에서는 도시침수를 짧은 시간에 분석하여 의사결정을 지원할 수 있는 분포형 홍수 추적 모형인 SIMOD의 적용성을 확인하고자 하였다. SIMOD는 도시침수분석에 필요한 여러 가지 복합적인 수리수문학적인 알고리즘을 시간에 따른 홍수총량분포방법인 다중흐름방향법과 평수가정법의 두 가지 알고리즘으로 단순화시킨 모형으로 최소 분석시간으로 나온 결과의 적용성을 분석하고자 하였으며, 이를 위하여 상용모형인 FLO-2D의 분석결과와 비교하였다. 비교 분석한 결과는 다음과 같다.

(1)SIMOD 모형과 FLO-2D 모형 홍수 분석결과 SIMOD 모형이 FLO-2D모형에 비해 침수분석시간이 작게 소요되는 것을 확인할 수 있다. 24시간 기준 SIMOD 모형의 경우 7분, FLO-2D 모형의 경우 약25분이 소요되었다. SIMOD의 경우 초기 입력시간을 고려해도 10분이면 24시간의 침수 분석이 가능할 것으로 판단된다.

(2)DEM 지형자료를 이용한 모형 분석결과 SIMOD모형과 FLO-2D 모형의 침수면적 오차율은 평균 20% 내외로 나타났다. SIMOD의 빠른 분석을 위해 유입총량에 의한 추적이므로 정도의 차이는 있을 것으로 판단되나 20% 초과하는 구간은 모형의 정도가 차이나는 것으로 추후 SIMOD의 개선이 필요한 것으로 판단된다.

(3)DSM 지형자료를 이용한 모형 분석결과 DEM지형자료에서 표현 못하는 도심지 지역의 건물군과 도로 등 시설물에 의한 간섭을 표현하는 것을 확인할 수 있으며 시간에 따른 침수 확산 경로를 실제 지형에 맞게 반영하는 것으로 나타났다.

SIMOD는 정확한 수리수문학적 분석보다는 최소 분석시간으로 빠른 분석결과를 얻고자 개발된 모형이다. 따라서 기존의 홍수범람해석을 하는 다양한 모형에 비해 분석결과의 정도는 떨어질 수 있을 것으로 판단된다. 또한 아직까지 SIMOD의 적용성이 공인된 문헌이 없는 만큼, 다양한 상용모형과의 비교 분석을 통하여 그 적용성을 확인하여 실무에 적용이 되어야 한다고 판단된다. SIMOD의 빠른 분석시간은 침수예상지역에서의 빠른 해석으로 도심지 초기 침수피해 예방을 위한 골든타임 확보 및 빠른 의사결정 지원에 도움이 될 것임으로, 추후 알고리즘 개선 및 모형 고도화를 통해 모형의 정도를 개선한다면, EAP (Emergency Action Plan) 등의 홍수재난 대응에 활용 될 수 있을 것으로 기대된다.