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문제 정의
- 본 연구에서는 이중배수체계모형을 활용하여 청주시 상습 침수구역을 대상으로 설계 강우량에 따른 침수특성을 분석하고 이로부터 하수관거 통수능력을 검토하였다. 이를 위해 대상지역의 LiDAR 데이터로부터 1m × 1m 해상도의 DSM을 구축하여 지형 입력자료로 활용하였으며, IDF 곡선에 의한 설계 강우량을 Huff의 시간차분법 활용하여 시간 강우량으로 환산하고 이를 수문 입력 자료로 활용하였다.
- 이에 본 연구에서 강우 시 월류수 혹은 지표수의 관거 내 재유입을 고려할 수 있는 이중배수체계모형을 활용하여 대상유역의 전 관거를 대상으로 설계 강우량에 따른 도시 유역의 침수를 모의하고 설계 강우량의 재현기간 변화에 따라 달라지는 침수특성을 분석하고자 한다.
- 이중배수체계모형의 특성상 하수관거의 하수량이 지표면 침수에 미치는 영향을 고려할 수 있는 점을 감안하여 본 연구에서는 하수관거의 흐름을 실측 유량자료를 활용하여 보정하였다. 통상적으로 침수 발생 시 침수깊이에 대한 조사는 이루어지지 않고 침수흔적조사 등을 통해서 침수영역만을 확인하는 것이 일반적인 형태이므로 침수영역 혹은 침수깊이를 이용하여 지표면의 매개변수를 보정하는 것은 어려움이 있다.
제안 방법
- 침수특성의 정확한 분석을 위해 해당 유역의 모든 관거를 모의대상으로 설정하였다. 따라서 기존 소유역 기반의 모형과 달리 맨홀의 집수면적을 수리계산서를 통해 구득하여 모형의 입력 자료로 활용하였다. 대상유역의 하수관거 연장은 총 31.
- 통상적으로 침수 발생 시 침수깊이에 대한 조사는 이루어지지 않고 침수흔적조사 등을 통해서 침수영역만을 확인하는 것이 일반적인 형태이므로 침수영역 혹은 침수깊이를 이용하여 지표면의 매개변수를 보정하는 것은 어려움이 있다. 따라서 하수관에서의 흐름을 가급적 정밀하게 모의하게 지표면의 매개변수를 문헌 등에서 제시한 값을 이용하여 침수를 모의하였다.
- 본 모형은 1차원 배수관망 해석은 물론 2차원 지표수 흐름을 해석할 수 있도록 개발되었으며 표고자료 입력 시 자체적인 DTM(Digital Terrain Model)을 생성하여 지표수의 동적인 흐름을 모의할 수 있다. 또한 저류지 최적 설계를 위한 별도의 모듈을 제공하고 있으며 재해도 작성을 위한 다양한 위험도 평가기법을 제공한다. 본 모형의 지배방정식은 다음과 같다.
- XP-SWMM 2D는 미국 EPA의 SWMM (Storm Water Management Model)모형과 호주 WBN사에서 개발한 2차원 침수해석용 Full Dynamic 엔진인 TUFLOW (Two dimensional Unsteady FLOW)를 결합한 모형이다. 본 모형은 1차원 배수관망 해석은 물론 2차원 지표수 흐름을 해석할 수 있도록 개발되었으며 표고자료 입력 시 자체적인 DTM(Digital Terrain Model)을 생성하여 지표수의 동적인 흐름을 모의할 수 있다. 또한 저류지 최적 설계를 위한 별도의 모듈을 제공하고 있으며 재해도 작성을 위한 다양한 위험도 평가기법을 제공한다.
- 본 연구에서는 침수모의를 위한 지형자료 구축 시, LiDAR 측량자료에 의한 1m × 1m 해상도 자료를 활용하였으며, 각 구조물의 표고를 직접 활용하여 지표수가 침입할 수 없는 영역을 설정하는 방식을 활용하여 지형자료를 구축하였다.
- 연구 대상지역 하수관거 통수능력의 검토를 위해 설계 강우사상을 산출하였다. 설계 강우사상은 청주지역의 IDF(Intensity Duration Frequency) 곡선을 통해 재현기간 10년, 30년, 50년, 200년 빈도의 1시간 지속강우를 대상으로 선정하였다.
- 이를 위해 대상지역의 LiDAR 데이터로부터 1m × 1m 해상도의 DSM을 구축하여 지형 입력자료로 활용하였으며, IDF 곡선에 의한 설계 강우량을 Huff의 시간차분법 활용하여 시간 강우량으로 환산하고 이를 수문 입력 자료로 활용하였다.
- 침수특성 분석을 위해 대상유역의 하수관거 정보를 취합하여 모형을 구축하였다. 침수특성의 정확한 분석을 위해 해당 유역의 모든 관거를 모의대상으로 설정하였다.
대상 데이터
- Fig. 4에서의 3지점(PT#1, PT#2, PT#3)은 연구 대상지역 내에서 비교적 침수심이 깊은 지역으로 3개의 지점 중 PT #1과 PT #2 지점의 하수관거에 유량계를 설치하여 2012년 10월 22일 강우 시 하수량을 관측하고 이를 활용하여 모형의 보정을 수행하였다.
- 이는 실제 침수가 발생했던 시점에 하수관거 내 유량조사가 수행되지 않아 모형의 보정과 침수특성 분석을 위한 강우사상을 별도 선정하였으며 보정을 수행했던 10월 22일 강우 시에는 대상 유역 내에 침수가 발생하지 않았다. 모형 구축 시 활용한 조도계수는 선행연구를 통해 검증된 값을 사용(콘크리트 관 : 0.014(Maidment, 1993))하였으며, 대상지역의 전체 맨홀을 대상으로 모형을 구축하였기 때문에 맨홀 별 집수면적은 수리계산서의 제공값을 사용하였다. 또한 지표수의 맨홀로의 재유입은 모형에서 제공하는 PRE-2009 방법을 활용하였으며 그 식은 다음과 같다.
- 모형의 보정을 위한 강우사상은 2012년 10월 22일에 관측된 강우사상(강우량 : 37.5mm, 강우강도 : 3.4mm/hr)을 선택하였고 침수특성 분석을 위한 강우사상은 2012년 8월 15일에 관측된 강우사상(총강우량: 165mm, 강우강도 : 16.5mm/hr)을 선택하였다. 이는 실제 침수가 발생했던 시점에 하수관거 내 유량조사가 수행되지 않아 모형의 보정과 침수특성 분석을 위한 강우사상을 별도 선정하였으며 보정을 수행했던 10월 22일 강우 시에는 대상 유역 내에 침수가 발생하지 않았다.
- 본 연구의 대상지역은 충청북도 청주시의 상습침수지역으로 청주시를 가로지르는 무심천의 우안에 위치하고 있다. 북동쪽으로는 우암산(EL.
- 연구 대상지역 하수관거 통수능력의 검토를 위해 설계 강우사상을 산출하였다. 설계 강우사상은 청주지역의 IDF(Intensity Duration Frequency) 곡선을 통해 재현기간 10년, 30년, 50년, 200년 빈도의 1시간 지속강우를 대상으로 선정하였다. Fig.
- 39mm(200년 빈도)로 나타났으며, 본 연구에서는 재현기간 10년~200년까지의 설계 강우량을 수문 입력 자료로 활용하였다. 여기서 100년빈도 설계 강우량은 50년빈도 설계 강우량과 차이가 크지 않아 200년 빈도의 극한 강우를 선택하였다.
- 6은 청주지역의 IDF 곡선을 나타내며 Table 3은 지속시간에 따른 설계 강우량을 나타낸다. 청주지역의 1시간 지속 설계강우량은 재현기간별로 60.71mm(10년 빈도), 72.49mm(30년빈도), 78.05mm(50년 빈도), 93.39mm(200년 빈도)로 나타났으며, 본 연구에서는 재현기간 10년~200년까지의 설계 강우량을 수문 입력 자료로 활용하였다. 여기서 100년빈도 설계 강우량은 50년빈도 설계 강우량과 차이가 크지 않아 200년 빈도의 극한 강우를 선택하였다.
- 침수특성 분석을 위해 대상유역의 하수관거 정보를 취합하여 모형을 구축하였다. 침수특성의 정확한 분석을 위해 해당 유역의 모든 관거를 모의대상으로 설정하였다. 따라서 기존 소유역 기반의 모형과 달리 맨홀의 집수면적을 수리계산서를 통해 구득하여 모형의 입력 자료로 활용하였다.
이론/모형
- 그러나 국내에는 지표수의 측구를 통한 재유입에 대한 연구가 진행되지 않아 측구 혹은 맨홀의 유입계수 등을 국내 상황에 맞게 설정할 수 없는 문제가 있다. 따라서 본 연구에서는 XP-SWMM 2D모형을 활용하여 지표수의 하수관거 내 재유입을 고려하되, 재유입 계수 등과 같은 매개변수는 모형에서 제공하는 기본 값을 적용하였다.
- 014(Maidment, 1993))하였으며, 대상지역의 전체 맨홀을 대상으로 모형을 구축하였기 때문에 맨홀 별 집수면적은 수리계산서의 제공값을 사용하였다. 또한 지표수의 맨홀로의 재유입은 모형에서 제공하는 PRE-2009 방법을 활용하였으며 그 식은 다음과 같다.
- 설계 강우량의 시간분포는 Huff의 시간차분법을 활용하여 Huff 2분위로 시간 차분하였다. Fig.
성능/효과
- 특히 30년 빈도 이상의 설계 강우가 발생하였을 경우, 유역의 말단부 외에 지표수가 합류되는 삼거리에서 추가적으로 침수가 발생하는 것으로 나타났다. 강우량의 설계빈도가 증가함에 따라 침수깊이 10cm 이상의 지역은 10년 빈도 1.10 ha, 30년 빈도 3.63ha, 80년 빈도 5.71ha, 200년 빈도 10.13ha로 설계 강우량의 규모가 커짐에 따라 침수면적은 급격히 상승하는 것으로 나타났다.
- 또한 대상지역 내 주요 지점에 대한 통수부족량 산출 결과 재현기간 10년 빈도 설계 강우량을 활용한 경우에는 모두 통수 부족이 발생하지 않았으나 그 이상의 설계 강우량부터 통수부족이 발생하였다. 대상 지역 전체에서 발생하는 하수관거의 통수 부족량 산출 결과 재현기간 10년 설계 강우량 이하에서는 통수 부족량의 증감이 크지 않았으나 재현기간 10년 이상 설계 강우량부터 통수 부족량이 큰 폭으로 증가하다가 재현기간 50년 설계 강우량 이후 증가율이 둔화되는 것으로 나타났다. 본 연구의 결과를 활용하여 침수저감 계획 수립 시 하수관거의 통수능력 외에 지표면 유출수 배제시설의 능력도 중요한 인자임을 고려하여 보다 효과적인 침수저감계획을 수립할 수 있을 것을 기대된다.
- 분석 결과, 설계 강우량의 설계빈도가 증가함에 따라 침수량 및 침수면적은 선형적인 증가를 보였으며, 평균 침수심의 경우 설계빈도 30년에서 50년까지의 구간간증가폭이 완화됐을 뿐 전반적으로 강우량의 설계빈도가 증가함에 따라 침수심도 큰 폭으로 증가하는 경향을 나타냈다. 또한 대상지역 내 주요 지점에 대한 통수부족량 산출 결과 재현기간 10년 빈도 설계 강우량을 활용한 경우에는 모두 통수 부족이 발생하지 않았으나 그 이상의 설계 강우량부터 통수부족이 발생하였다. 대상 지역 전체에서 발생하는 하수관거의 통수 부족량 산출 결과 재현기간 10년 설계 강우량 이하에서는 통수 부족량의 증감이 크지 않았으나 재현기간 10년 이상 설계 강우량부터 통수 부족량이 큰 폭으로 증가하다가 재현기간 50년 설계 강우량 이후 증가율이 둔화되는 것으로 나타났다.
- 모형의 보정 결과 두 지점 모두 R2가 0.7 이상으로 재현력이 양호한 것으로 나타났으며(Fig. 5) 특히 PT#1의 경우 전체적인 유출 패턴이 실측값과 유사한 것으로 나타났다. 반면 PT #2의 유출 패턴은 다소 실측값과 상이하나 평균 유량의 경우 PT #1보다 정확도가 높은 것으로 나타났다.
- 5) 특히 PT#1의 경우 전체적인 유출 패턴이 실측값과 유사한 것으로 나타났다. 반면 PT #2의 유출 패턴은 다소 실측값과 상이하나 평균 유량의 경우 PT #1보다 정확도가 높은 것으로 나타났다. Table 2는 모형의 보정결과를 나타낸다.
- 분석 결과, 설계 강우량의 설계빈도가 증가함에 따라 침수량 및 침수면적은 선형적인 증가를 보였으며, 평균 침수심의 경우 설계빈도 30년에서 50년까지의 구간간증가폭이 완화됐을 뿐 전반적으로 강우량의 설계빈도가 증가함에 따라 침수심도 큰 폭으로 증가하는 경향을 나타냈다. 또한 대상지역 내 주요 지점에 대한 통수부족량 산출 결과 재현기간 10년 빈도 설계 강우량을 활용한 경우에는 모두 통수 부족이 발생하지 않았으나 그 이상의 설계 강우량부터 통수부족이 발생하였다.
- 8은 침수면적이 최대일 때의 침수심의 분포를 나타낸다. 연구대상지역의 침수 발생은 북서쪽에 위치한 유역의 말단부에서 침수가 주로 발생하는 것으로 나타났다. 특히 30년 빈도 이상의 설계 강우가 발생하였을 경우, 유역의 말단부 외에 지표수가 합류되는 삼거리에서 추가적으로 침수가 발생하는 것으로 나타났다.
- 한편 대상지역 전체 통수 부족량을 산출한 결과는 Table 6과 같다. 재현기간 10년 설계 강우량에 대해서는 약 3600톤의 통수부족이 발생하였으나 재현기간 50년 설계 강우량부터는 통수부족량이 큰 폭으로 증가하여 재현기간 50년 약 18,000톤, 200년 약 28,000톤이 부족한 것으로 나타났다.
- 만일 각 시설별 한계 차집용량을 넘어서는 지표면 유출수가 유입되면 해당 시설과 연결되어 있는 하수관의 통수능에 여유가 있더라도 침수가 발생하기 때문에 일정 규모 이상의 강우가 발생하게 되면 침수용량 및 면적이 급격히 증가되는 것으로 판단된다. 침수심의 경우, 재현기간 30년에서 50년 빈도의 설계 강우량에 의한 증가폭이 약간 둔화되었을 뿐 전반적으로 강우량의 설계빈도가 증가하면 침수깊이도 선형적으로 증가하는 것으로 나타났다.
- PT #1의 경우 본 연구에서 검토한 모든 설계 강우에 대해 통수능력이 부족하지 않은 것으로 나타났으며 해당지점의 침수발생은 상류에서 유입되는 강우 유출수와 상류 맨홀에서 월류된 하수에 의한 것으로 판단된다. 한편, PT #2의 경우 재현기간 10년 설계 강우량 하에서는 통수능력이 부족하지 않았으나 재현기간 50년에서 급격히 증가하여 재현기간 200년 설계 강우량에서는 통수부족량이 최대이지만 증가폭이 완화되는 것으로 나타났다. 이는 해당 지점의 상류부터 통수능력이 부족이 발생하여 본 지점으로 유입되는 하수량이 감소하여 일시적으로 통수능력이 확보되었기 때문으로 판단된다.
후속연구
- 대상 지역 전체에서 발생하는 하수관거의 통수 부족량 산출 결과 재현기간 10년 설계 강우량 이하에서는 통수 부족량의 증감이 크지 않았으나 재현기간 10년 이상 설계 강우량부터 통수 부족량이 큰 폭으로 증가하다가 재현기간 50년 설계 강우량 이후 증가율이 둔화되는 것으로 나타났다. 본 연구의 결과를 활용하여 침수저감 계획 수립 시 하수관거의 통수능력 외에 지표면 유출수 배제시설의 능력도 중요한 인자임을 고려하여 보다 효과적인 침수저감계획을 수립할 수 있을 것을 기대된다.
- 향후 연구에서는 도시 표면의 수두와 관로 경사에 의한 맨홀의 월류 가능성을 검토하고 이를 통해 상습 침수구역에 기인하는 맨홀을 선별 후 이로부터 침수 위험도를 분석하고자 한다.
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