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문제 정의
- 연구대상지역인 도림천 지역은 최근 2010, 2011년 호우사상으로 인해 침수피해가 발생한 바가 있다. 본 연구에서는 지형자료가 침수피해 모의에 미치는 영향을 확인하기 위하여 2011년 7월 27일 00시부터 7월 27일 24시까지의 24시간 호우 사상을 활용하여 침수피해 모의를 실시하였다. Fig.
- 현재까지 국내에서는 주로 해석모형에 치중한 연구가 수행되어 왔으며, 지형자료 자체가 침수해석에 미치는 영향에 대해서는 충분한 연구가 진행되지 못하였다. 이에 본 연구에서는 그동안 많은 연구에서 사용해 온 1:5,000 수치지도기반 10급 DEM의 적용성을 검토하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
제안 방법
- (1) 본 연구에서는 2010년과 2011년 침수피해가 발생한 도림천 유역의 대림, 신림 3, 4 배수분구를 대상으로 도시유출해석을 위한 모형을 구축하였다. 그리고, 유출해석결과를 바탕으로 1:5,000 수치지도기반 10급 DEM, 1:1,000 수치지도기반 10급 DEM과 Lidar기반 1m급 DEM별로 침수해석을 수행하였다.
- 1:1,000 수치지도는 5m급 DEM의 작성이 가능하나, 1:5,000 수치지도와의 비교를 위해 본 연구에서는 1:1,000 수치지도를 이용하여 10m DEM을 생성하여 적용하였다. Table 3은 수치지도별 표고자료 격자간격의 기준을 정리한 것이며, 수치표고자료의 규격에 따른 ㎡당 취득 점밀도를 Table 4에 나타내었다.
- SWMM의 유출해석결과에 대해 TUFLOW 모형을 이용하여 3종류의 수치표고자료별로 침수해석을 시행하였다. 유출해석에서 침수모의로 이어지는 과정은 XP-SWMM모형을 통해 수행하였으며, 그 결과는 Fig.
- (1) 본 연구에서는 2010년과 2011년 침수피해가 발생한 도림천 유역의 대림, 신림 3, 4 배수분구를 대상으로 도시유출해석을 위한 모형을 구축하였다. 그리고, 유출해석결과를 바탕으로 1:5,000 수치지도기반 10급 DEM, 1:1,000 수치지도기반 10급 DEM과 Lidar기반 1m급 DEM별로 침수해석을 수행하였다.
- 014 로 입력하였다. 이를 바탕으로 구성한 SWMM모형은 Fig. 6과 같으며, 유출량 결정을 위한 홍수량 산정 방법에는 시간-면적법을 선택하였고, 외수의 영향을 고려하기 위해 출구부인 도림천의 하천정비기본계획상의 홍수위를 조사하여(Table 6) 50년 빈도 홍수위를 입력하였다.
- 지형자료별 침수양상을 모의하기 위해 본 연구에서는 1:5,000 수치지도로부터 작성된 10m급 DEM, 1:1,000 수치지도로부터 작성된 10m급 DEM과 LiDAR측량에 따른 1m급 DEM 등 총 3가지 수치표고자료를 대상지역에 대해 구축하였으며, 상습침수지역인 하류부에 대한 각각의 DEM별 현황은 Fig. 7과 같다.
- XP-SWMM은 SWMM 모형과 TUFLOW 모형을 결합한 상용모형으로 SWMM의 1차원 관망해석과 TUFLOW의 2차원 지표수 흐름을 해석할 수 있도록 개발되었고, 자체적으로 DTM(Digital Terrain Model)을 입력하여 동적인 지표흐름을 모의 할 수 있다. 투수 및 불투수지역을 고려한 지표면에서의 유출해석과 우수관거 및 하도구간에서 1차원 흐름해석을 통해 도시유출을 모의하며, 맨홀에서 월류가 발생할 시 DTM을 기반으로 지표면 침수해석이 가능하다. 또한 지표면 침수해석 과정에서 지표 유량 중 일부가 월류가 발생하지 않는 유입구로 재유입이 가능한 Dual-Drainage 방식의 해석이 가능하여 침수에 의한 지표수의 재유입을 고려함으로써 재유입된 유량을 산정하고, 배수시스템 내의 흐름에 반영된다.
대상 데이터
- SWMM 모형을 활용하여 2010년 9월 21일 호우를 대상으로 대림, 신림 3, 4 배수분구의 유출해석을 수행하였으며, 검토 결과 297개의 맨홀에서 월류가 발생하였다. 발생된 총 월류량은 1,898,480 ㎥으로 나타났으며, 각각의 맨홀별로 최대 202,964 ㎥에서 최소 0 ㎥의 월류량이 나타났다.
- 본 연구의 검토대상 지역내에는 BOX관거 13,644 m, 지선관거(∅150∼∅600미만) 59,463 m, 간선관거(∅600∼∅1,500) 46,479 m가 매설되어 있다. 관거형상, 매설깊이, 맨홀 등 상세한 관망정보는 서울시 GIS 관망데이터를 이용하였으며, 이에 따른 대상지역의 배수관망현황은 Fig. 5와 같고, 간선관거 및 지선관거의 Manning 조도계수는 Chow et al(1988)의 연구에 의하면 콘크리트 흄관의 경우 0.012 이지만(Table 5), 관거의 정비상태를 고려하여 0.014 로 입력하였다. 이를 바탕으로 구성한 SWMM모형은 Fig.
- 본 연구는 1:5,000 수치지도의 도시침수해석 적용성 검토를 위해, 국토지리정보원에서 1:5,000 수치지도를 기반으로 제작한 10 m DEM을 활용하였다. 1:5,000 수치지도는 우리나라 국가기본도로, 국토지리정보원은 5년의 갱신주기를 갖고 전국에 대해 제작하였다.
- 현재 도시지역 침수 해석에 활용되고 있는 지형자료는 1:5,000 수치지도, 1:1,000 수치지도와 Lidar 측량을 통한 1m DEM 등이 있다. 본 연구는 국토지리정보원에서 제공하는 LiDAR 자료, 1:1,000 수치지도와 1:5,000 수치지도를 기반으로 한 10 m DEM을 활용하였으며, 일반적으로 1:5,000 및 1:1,000 수치지도는 그 자체로써 침수해석을 위한 지형자료로 적용되지 않고, DEM으로 변환되어 적용된다. 각각의 지형자료별 표고모델(DEM)은 제작 방법에 따라 밀도와 정확도가 달라지며, 이에 대한 상세한 내용은 다음과 같다.
- 지류인 대방 천과 봉천천은 대부분 복개되어 도로로 이용되고 있다. 본 연구는 도림천 유역의 전체 17개의 배수분구 중 대림, 신림 3, 4 배수분구에 해당하는 지역을 대상으로 하였으며, 도림천 본류의 중류에 해당하는 지역이다(Fig. 3). 유역면적은 대림 배수분구 1.
- 본 연구의 검토대상 지역내에는 BOX관거 13,644 m, 지선관거(∅150∼∅600미만) 59,463 m, 간선관거(∅600∼∅1,500) 46,479 m가 매설되어 있다.
- 본 연구의 대상지역은 도림천 유역으로, 최근 2010년과 2011년에 침수피해가 발생한 지역이다. 도림천은 한강 제 1지류인 안양천의 제 1지류로서 대방천과 봉천천이 지류로 유입되며, 총 유역면적 41.
- 1:5,000 수치지도는 우리나라 국가기본도로, 국토지리정보원은 5년의 갱신주기를 갖고 전국에 대해 제작하였다. 본 지도는 항공측량성과를 바탕으로 제작되며, 국토지리정보원은 이를 이용하여 10m급 DEM을 제작 배포하였다. 이에 따라, 다양한 연구에서 본 10m급 DEM이 침수해석을 위한 지형자료로 활용되고 있으나, 이에 대한 적정성 검증은 부족한 상태이다.
- 연구대상지역인 도림천 지역은 최근 2010, 2011년 호우사상으로 인해 침수피해가 발생한 바가 있다. 본 연구에서는 지형자료가 침수피해 모의에 미치는 영향을 확인하기 위하여 2011년 7월 27일 00시부터 7월 27일 24시까지의 24시간 호우 사상을 활용하여 침수피해 모의를 실시하였다.
이론/모형
- (2015)은 도시지역의 도로를 고려한 침수지역 예측을 위해 도로와 지형에 각각 다른 격자를 활용하여 침수 현상을 연구하였다. 본 연구는 도시지역에서 지표면 표고자료의 정확도가 침수해석에 미치는 영향을 상세 검토하였으며, 이를 위한 도시유출모형으로 XP-SWMM모형을 적용하였다.
- EPA에서 개발된 모형으로 도시 또는 인위적인 배수계통을 가진 유역에서 발생하는 지표면 또는 지표하 흐름, 배수관망에 대한 유출량 추적, 유출 및 하도추적이 가능한 도시유출 모형이다(Huber and Dickinson, 1988). 비선형 저수, 운동파 방법, Laurenson 비선형 방법, 시간-면적 방법 등 홍수량 자료 산정방법을 활용하여 유출량을 산정하고, Horton 식, Green Ampt 식, Curve Numbe(CN)을 사용하여 침두량을 산정할 수 있다. TUFLOW(Two dimensional Unsteady FLOW) 모형은 호주 WBM Pty사에서 개발한 2차원 침수해석용 엔진으로 홍수 및 해일 전파 모형으로 1D 및 2D 자유표면 유동 방정식을 사용하여 1D/2D를 연결하여 침수현상을 예측할 수 있다.
- SWMM의 유출해석결과에 대해 TUFLOW 모형을 이용하여 3종류의 수치표고자료별로 침수해석을 시행하였다. 유출해석에서 침수모의로 이어지는 과정은 XP-SWMM모형을 통해 수행하였으며, 그 결과는 Fig. 10 및 Table. 8∼Table.
성능/효과
- (2) 1:5,000 수치지도기반 10급 DEM 기반 침수해석결과는 보다 정밀하고 정확한 표고정보를 갖는 DEM들 기반 침수 해석 결과와 총 침수면적의 차이는 크지 않았으나, 침수심 1m 이상의 지역에 대해, 10m×10m DEM을 이용하는 경우는 침수심이 거의 나타나지 않았으며, 특히 대림배수분구에서는 고위험 지역이 전혀 표현되지 못하였다.
- (3) 신림 4 배수분구에서 10급 DEM을 이용하는 경우에는 월류가 발생하는 맨홀에 대해 DEM상 표고값 오차로 인해 침수가 없는 것으로 나타났다. 즉, SWMM모형의 관망해석 결과상 월류가 발생하는 맨홀로 나타난 지역에서, TUFLOW모형을 통한 범람흐름 해석시는 침수가 없는 지역으로 나타난 것으로, 범람해석시 지형자료의 중요성을 확인할 수 있었다.
- 1:1,000 수치지도는 오차범위가 최대 ±0.40 m로 지형을 전반적으로 잘 묘사하여 1 m LiDAR 결과와 비슷하게 나타난 것으로 판단되고, Fig. 11의 월류 맨홀 중 10 m DEM을 이용한 경우, 범람이 이뤄지지 않은 맨홀에 대해 상세 지형정보를 검토한 결과는 Fig. 12와 같으며, 해당지역은 LiDAR 지형에는 표고값이 14 m로 나타났으나, 10m DEM 에서는 17 m로 상당히 높은 표고값을 갖고 있어, 침수해석이 이뤄지지 못하였다.
- SWMM 모형을 활용하여 2010년 9월 21일 호우를 대상으로 대림, 신림 3, 4 배수분구의 유출해석을 수행하였으며, 검토 결과 297개의 맨홀에서 월류가 발생하였다. 발생된 총 월류량은 1,898,480 ㎥으로 나타났으며, 각각의 맨홀별로 최대 202,964 ㎥에서 최소 0 ㎥의 월류량이 나타났다. Table 7은 배수분구별 월류량을 정리한 것으로, 대림 배수분구에서 가장 많은 월류가 발생되는 것으로 나타났으며, Fig.
- 본 연구대상 지역에서 발생하는 침수심은 0.5∼1 m 구간에서 가장 넓게 나타나나, 1:5,000수치지도를 기반으로 생성된 10m급 DEM은 표고값의 정확도가 ±2 m로 낮아 일부지역에서는 적정한 침수모의가 이뤄지지 못하였다.
- 또한, 신림4 배수분구의 경우, 10 m DEM을 이용한 침수해석결과가 LiDAR 및 1:1,000 수치지도의 결과와 큰 차이를 보이고 있다. 본 지역의 북동쪽에는 다수의 월류 맨홀이 존재하고 있으며, 1:1,000 수치지도를 기반으로 제작한 10 m DEM을 활용한 침수해석 결과와 LiDAR DEM 결과는 비슷한 형상으로 침수지역을 잘 나타내었으나, 10 m DEM을 이용하는 경우에는 나타나지 않았으며, Fig. 11은 이를 나타낸 것이다. 즉, SWMM모형의 관망해석 결과상 월류가 발생하는 맨홀로 나타난 지역에서, TUFLOW모형을 통한 범람흐름 해석시는 침수가 없는 지역으로 나타난 것이다.
- 이는 80년 빈도의 강우에 해당되며, 총 3,327 세대가 침수피해를 입었다. 신림 4 배수분구와 대림 배수분구의 침수현상은 복합적인 형태를 띄고 있으며, 하천 외수위영향, 관거 배수 불량 및 저지대 노면수 집중, 펌프장 내수배제불량 등의 원인으로 하류지역 저지대에서 침수가 발생하는 것으로 나타났다.
- (3) 신림 4 배수분구에서 10급 DEM을 이용하는 경우에는 월류가 발생하는 맨홀에 대해 DEM상 표고값 오차로 인해 침수가 없는 것으로 나타났다. 즉, SWMM모형의 관망해석 결과상 월류가 발생하는 맨홀로 나타난 지역에서, TUFLOW모형을 통한 범람흐름 해석시는 침수가 없는 지역으로 나타난 것으로, 범람해석시 지형자료의 중요성을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 특히, 지역의 특성에 맞는 침수해석을 위해 정밀한 지형자료와 적절한 크기의 DEM을 활용한 침수해석이 중요하다. 적절한 해상도를 적용한 침수해석으로 지형을 잘 반영한 침수모의는 침수위험지역과 대피로 파악 등에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
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