[논문]관측 강우와 침수모의를 이용한 부산 에코델타시티 수해저감에 관한 연구

김윤구; 김성률; 전해성; 추연문

doi:10.17663/jwr.2020.22.3.187

관측 강우와 침수모의를 이용한 부산 에코델타시티 수해저감에 관한 연구
A Study on the Flood Reduction in Eco-Delta City in Busan using Observation Rainfall and Flood Modelling 원문보기

한국습지학회지 = Journal of wetlands research, v.22 no.3, 2020년, pp.187 - 193

김윤구 (부산대학교 사회환경시스템공학과) , 김성률 (부산대학교 사회환경시스템공학과) , 전해성 (부산대학교 사회환경시스템공학과) , 추연문 (BK21+ 사업단)

초록
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최근 찾아지는 이상기후와 급격한 도시화에 따른 불투수 면적의 증가는 저류량 감소로 이어져 지표유출량의 증가를 가져오게 되었다. 증가한 지표유출량은 도시하천의 범람으로 인한 침식, 수중 생태계 파괴, 도심지 내 인적 및 재산상의 피해를 유발하는 원인이 되고 있다. 최근 국내에서는 국지성 호우, 태풍, 홍수로 인해 이러한 피해가 증가하고 있다. 이에 대한 대책으로 부산광역시는 2012년부터 2023년까지 미래지향적인 수변도시 조성을 목표로 부산 에코델타시티 친수구역 조성을 진행하게 되었다. 따라서 본 논문에서는 미환경보호국에서 개발한 SWMM(Storm Water Management Model)을 활용하여, 현 도시하천 상태와 강수량 자료를 분석수집하고 홍수 피해를 모의하기 위한 목표 유역을 선정하였다. 모의된 자료를 사용하여 다양한 경우에 대한 수해저감 대책을 제시하였다. 수해저감 대책 방안에 대한 시나리오를 구축하여 각 케이스 별로 재해방지방안을 구축하는 방법이다. 30년 빈도 80분의 강우사상으로 침수모의 해석을 실시하여 구조적 방안과 비구조적 방안을 고려하였을 때, 배수문 증설보다 배수펌프장의 증설 효과가 큰 것으로 판단되며 비구조적 재해방지방안인 사전배제 방법과 결합하여 8개의 시나리오와 그에 대응하는 대안을 계획하였다. 각 대안에 대한 평가를 실시한 결과, 6안의 펌프장 증설 100㎥/s와 사전배제 EL.(-)1.5m가 최적대안이라고 판단되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The increase in the area of impervious water due to the recent abnormal weather conditions and rapid urbanization led to a decrease in the amount of low current, resulting in an increase in the amount of surface runoff. Increased surface runoff is causing erosion, destruction of underwater ecosystems, human and property damage in urban areas due to flooding of urban river. The damage has been increasing in Korea recently due to localized heavy rains, typhoons and floods. As a countermeasure, the Busan Metropolitan Government will proceed with the creation of the Eco-Delta City waterfront zone in Busan with the aim of creating a future-oriented waterfront city from 2012 to 2023. Therefore, the current urban river conditions and precipitation data were collected by utilizing SWMM developed by the Environment Protection Agency, and the target basin was selected to simulate flood damage. Measures to reduce flood damage in various cases were proposed using simulated data. It is a method to establish a disaster prevention plan for each case by establishing scenario for measures to reduce flood damage. Considering structural and non-structural measures by performing an analysis of the drainage door with a 30-year frequency of 80 minutes duration, the expansion effect of the drainage pump station is considered to be greater than that of the expansion of the drainage door, and 8 scenarios and corresponding alternatives were planned in combination with the pre-excluding method, which is a non-structural disaster prevention measure. As a result of the evaluation of each alternative, it was determined that 100㎥/s of the pump station expansion and the pre-excluding EL.(-)1.5m were the best alternatives.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Flow chart
그림 Fig. 2. Research Area Status Map
그림 Fig. 3. Research Area Basin
표 Table 1. Research Watershed Status
표 Table 2. Comparison of Probability Rainfalls Data
그림 Fig. 4. Research Basin pipe&culvert data
그림 Fig. 5. Total Basin Mapping
표 Table 3. Result of Inside Water level calculation - Structural method
표 Table 4. Result of Inside Water level calculation – Non Structural method
표 Table 5. Result of Inside Water level calculation – Structural, Non Structural method
표 Table 6. Summary of the optimal method

AI 본문요약
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문제 정의

부산시는 이에 대한 대책으로 2012년부터 2023년까지 부산에코델타시티 친수구역을 조성하고 있다. 따라서 본 연구는 미 환경보호청에서 개발한 SWMM(Storm Water Management Model)을 기반으로 부산 에코델타시티 친수구역의 내수침수피해를 사전 모의하고, 이에 대한 홍수저감 대책을 제시하고자 한다. 또한 본 연구결과를 활용하여 상습 침수지역의 침수분석과 홍수피해 관리방안의 기초자료로 활용하며, 침수 피해원인을 종합적으로 검토, 재해를 사전에 예방하고자 한다.
최근 급격한 도시화에 따른 불투수 면적의 증가와 빈번하게 발생하는 이상기후와 강우량의 증가로 도시 유역내 저지대 및 상습침수 구역의 피해를 가중시켰다. 따라서 본 연구에서는 SWMM을 이용하여 부산에코델타시티 조성사업 대상지역인 부산광역시 강서구에 대한 침수모의룰 진행하였으며 홍수저감 대책 방안을 제시 하였다. 확률 강우강도식과 부산기상대의 56개년의 시우량 자료를 활용하여 11개의 강우지속기간에 대하여 조사 및 분석하였으며, 서낙동강 외수위를 경계조건으로 30년 빈도 강우사상을 적용한 검토 결과 대상유역의 경우 침수 피해가 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
따라서 본 연구는 미 환경보호청에서 개발한 SWMM(Storm Water Management Model)을 기반으로 부산 에코델타시티 친수구역의 내수침수피해를 사전 모의하고, 이에 대한 홍수저감 대책을 제시하고자 한다. 또한 본 연구결과를 활용하여 상습 침수지역의 침수분석과 홍수피해 관리방안의 기초자료로 활용하며, 침수 피해원인을 종합적으로 검토, 재해를 사전에 예방하고자 한다.
본 연구에서는 부산 에코델타시티 친수구역 조성지역(강서구 명지동 ~ 대저2동)을 대상으로 홍수저감 대책 수립현황을 분석하고, 집중호우, 태풍 등 자연재해 발생 시 침수피해를 사전분석 하고자 한다. 연구 방법은 우선 대상유역인 부산시 에코델타시티의 유역 현황(하천현황, 강우자료)을 분석하고, 홍수피해 모의를 위한 모델을 선정한다.
(2018)은 이란 우르미아(Urmia) 지역의 배수 시스템의 정확성을 평가하고 PROMETHEE II 접근법과 SWMM을 사용하여 하위 유역에 우선 순위를 부여하기 위해 SWMM을 사용하여 도시부 집수의 지표 유출을 산정한바 있다. 본 연구에서는 부산시 에코델타시티를 연구대상지로 설정하여 SWMM모델을 통한 홍수 피해 모의를 수행하고, 모의된 자료를 토대로 수해저감 대책을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 최근 국지성 강우 및 태풍 내습 시 부산시 방재성능 향상을 목표로 이전의 홍수기록, 정부부처 기준, 타당성검토 기준에 의거하여 강우의 빈도를 30년 빈도로 결정하였다. 관거 입력 자료는 관의 연장, 형상, 규격을 아래 Fig.
확률 강우강도식과 부산기상대의 56개년의 시우량 자료를 활용하여 11개의 강우지속기간에 대하여 조사 및 분석하였으며, 서낙동강 외수위를 경계조건으로 30년 빈도 강우사상을 적용한 검토 결과 대상유역의 경우 침수 피해가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 침수분석 결과를 토대로 홍수 시 침수에 대한 저감대책을 제시하고자 한다. 첫 번째는 저류시설 및 기타시설을 설치하는 방안으로 50년 빈도의 홍수 유출량을 기준으로 16개소의 영구 저류지 설치방안, 식생수로를 설치하여 침투·저류면적의 확대와 비점오염원의 저감과 함께 비점오염원 저감시설과의 연계처리 방안 계획 및 빗물이 하부층으로 직접 통과하여 상업지구의 우수유출량 감소가 용이하도록 투수성 포장을 계획한다.

제안 방법

연구대상지 현지조사결과 신포 및 맥도배수펌프장의 경우 펌프시설 용량까지의 운영사례는 없는 것으로 조사되었으며, 부지 계획고를 하천 계획홍수위 이상으로 숭고를 반영하였다. 구축된 자료를 통해 강우사상(30년빈도, 80분) 침수모의 해석을 수행하였다. 모의된 자료를 토대로 다양한 시나리오에 대한 침수모의 작업을 수행하였으며, 검증 및 침수발생 우려를 대비한 최적의 안을 구축하고 Case별 시설용량을 산정하여 홍수저감방안을 검토하였다.
SWMM모형에서 맨홀은 관로를 연결하며 관망을 결정 시 관을 연결시켜주는 역할을 한다. 맨홀 입력 자료는 최대 깊이와 Invert 표고로 구성되어 있으며, 소유역을 분할하고 유역별 평균경사 폭, 면적 등을 산정하였다.
구축된 자료를 통해 강우사상(30년빈도, 80분) 침수모의 해석을 수행하였다. 모의된 자료를 토대로 다양한 시나리오에 대한 침수모의 작업을 수행하였으며, 검증 및 침수발생 우려를 대비한 최적의 안을 구축하고 Case별 시설용량을 산정하여 홍수저감방안을 검토하였다. 본 연구의 연구 흐름도는 아래 Fig.
지정학적으로 김해우량관측소(국토교통부 관할) 및 부산관측소(기상청 관할)가 위치하고 있으며, 관측소별 확률강우량 비교 분석을 위하여 서낙동강수계 하천기본계획과 부산기상청 및 금회 산정 부산기상청 확률강우량을 비교하였다. 비교분석결과 금회 산정한 확률강우량이 부산 방재성능목표를 상회하는 것으로 조사되어, 부산관측소의 자료를 1973년부터 2017년의 최근 50년 자료를 수집하였고, 지속기간별 고정시간 연 최대 강우량을 활용하여 기상 및 수문분석을 실시하였다(Table 2).
상기 강우사상(30년빈도, 80분)을 통해 강우유출모의를 시행한 결과 침수 발생 우려가 있으므로 구조적, 비구조적, 구조적·비구조적 총 세 가지 방안에 대하여 검토해보았다.
입력한 자료를 바탕으로 구간별 통수능 검토를 실시하였다. 서낙동강 외수위를 경계조건으로 시행하였으며, 설계 빈도인 30년 빈도 검토결과 대상 유역은 침수 피해가 발생하지 않았다. 소유역별 통수단면 검토는 Fig.
0m) 방안을 검토하였으며, 운영효과 기대는 어려울 것으로 판단되었다(Table 4). 세번째는 구조적 방안과 비구조적 방안을 조합하여 8가지 시나리오를 구성해보았다(Table 5).
5m이다. 약 3년 빈도 이상의 호우 발생 시 저지대 대부분이 내수배제로 인한 문제가 발생하게 되는데, 최적의 침수 방지 대안은 저 빈도 홍수 시 저지대 침수를 최소화하는 방안을 기준으로 현지 여건을 종합적으로 고려하여 결정토록 하였다(Table 6).
2). 이를 통해 유역의 형태를 판단할 수 있는 유역의 평균 폭 및 형상 계수를 분석하였다. 대상지역의 배수유역은 크게 3개의 수계(서낙동강, 평강천, 맥도강)를 따라 34개의 유출지점으로 구분하였다(Table 1, Fig.
입력한 자료를 바탕으로 구간별 통수능 검토를 실시하였다. 서낙동강 외수위를 경계조건으로 시행하였으며, 설계 빈도인 30년 빈도 검토결과 대상 유역은 침수 피해가 발생하지 않았다.
지정학적으로 김해우량관측소(국토교통부 관할) 및 부산관측소(기상청 관할)가 위치하고 있으며, 관측소별 확률강우량 비교 분석을 위하여 서낙동강수계 하천기본계획과 부산기상청 및 금회 산정 부산기상청 확률강우량을 비교하였다. 비교분석결과 금회 산정한 확률강우량이 부산 방재성능목표를 상회하는 것으로 조사되어, 부산관측소의 자료를 1973년부터 2017년의 최근 50년 자료를 수집하였고, 지속기간별 고정시간 연 최대 강우량을 활용하여 기상 및 수문분석을 실시하였다(Table 2).
첫 번째는 저류시설 및 기타시설을 설치하는 방안으로 50년 빈도의 홍수 유출량을 기준으로 16개소의 영구 저류지 설치방안, 식생수로를 설치하여 침투·저류면적의 확대와 비점오염원의 저감과 함께 비점오염원 저감시설과의 연계처리 방안 계획 및 빗물이 하부층으로 직접 통과하여 상업지구의 우수유출량 감소가 용이하도록 투수성 포장을 계획한다.

대상 데이터

상기 강우사상(30년빈도, 80분)을 통해 강우유출모의를 시행한 결과 침수 발생 우려가 있으므로 구조적, 비구조적, 구조적·비구조적 총 세 가지 방안에 대하여 검토해보았다. 검토 시 조건은 빈도별 홍수량(2년~200년)과 기 수집된 부산관측소 자료 중 대표 4개 자료(`91년~`16년)를 활용하였다. 첫 번째로, 구조적 방안은 배수펌프장 및 배수문 증설 시 내수위 저감 효과분석으로, 배수문 증설보다 배수펌프장 증설이 내수위 저감 효과가 큰 것으로 판단되었다(Table 3).
본 연구에서는 최근 국지성 강우 및 태풍 내습 시 부산시 방재성능 향상을 목표로 이전의 홍수기록, 정부부처 기준, 타당성검토 기준에 의거하여 강우의 빈도를 30년 빈도로 결정하였다. 관거 입력 자료는 관의 연장, 형상, 규격을 아래 Fig. 4와 같이 SWMM모형에 구축하였고 관망 구성은 모형의 특성을 고려해 600mm 이상의 우수관을 대상으로 분석하였으며, 대상유역의 우수관망도를 활용하여 총 172개의 맨홀자료를 사용하였다. SWMM모형에서 맨홀은 관로를 연결하며 관망을 결정 시 관을 연결시켜주는 역할을 한다.
이를 통해 유역의 형태를 판단할 수 있는 유역의 평균 폭 및 형상 계수를 분석하였다. 대상지역의 배수유역은 크게 3개의 수계(서낙동강, 평강천, 맥도강)를 따라 34개의 유출지점으로 구분하였다(Table 1, Fig. 3).
본 연구에서는 부산 에코델타시티 친수구역 조성지역(강서구 명지동 ~ 대저2동)을 대상으로 홍수저감 대책 수립현황을 분석하고, 집중호우, 태풍 등 자연재해 발생 시 침수피해를 사전분석 하고자 한다. 연구 방법은 우선 대상유역인 부산시 에코델타시티의 유역 현황(하천현황, 강우자료)을 분석하고, 홍수피해 모의를 위한 모델을 선정한다. 본 연구에서는 SWMM모델을 활용하였다.
연구지역은 김해공항, 부산신항, 신항만 배후철도와 인접한 곳으로 인근 도시들과의 접근성이 우수하고, 대상 유역의 수치지형도를 이용하여 각 유역별 유역면적 및 유로연장을 산정하였다(Fig. 2). 이를 통해 유역의 형태를 판단할 수 있는 유역의 평균 폭 및 형상 계수를 분석하였다.
현재 연구 대상지역에서 인접한 펌프장은 녹산배수펌프장이다. 이는 저지대 침수 완전해소 보다는 침수 면적 최소화를 목적으로 건설되었다.

이론/모형

연구 방법은 우선 대상유역인 부산시 에코델타시티의 유역 현황(하천현황, 강우자료)을 분석하고, 홍수피해 모의를 위한 모델을 선정한다. 본 연구에서는 SWMM모델을 활용하였다. 연구대상지 현지조사결과 신포 및 맥도배수펌프장의 경우 펌프시설 용량까지의 운영사례는 없는 것으로 조사되었으며, 부지 계획고를 하천 계획홍수위 이상으로 숭고를 반영하였다.
본 연구에서는 부산에코델타시티를 대상으로 강우유출모형을 시행하였다. 그 결과 30년 빈도의 확률강우에서 침수가 발생하는 것을 확인하였고, 저류시설 및 기타시설을 설치하여 침수를 예방할 필요가 있다.

성능/효과

두 번째는 저감대책 수립방안에 대한 시나리오를 구축하여 각 케이스 별로 재해방지방안을 구축하는 방법이다. 30년 빈도 80분 강우사상으로 침수모의 해석을 실시하며 구조적 방안과 비구조적 방안을 고려하였을 때 배수문 증설보다 배수펌프장의 증설이 효과가 큰 것으로 판단되며 비구조적 재해방지방안인 사전배제 방법과 결합하여 8개의 시나리오와 그에 대응하는 대안을 제시하였고, 각 대안에 대한 평가를 실시한 결과 6번째 안으로 제시한 펌프장 증설 100m³/s와 사전배제 EL.(-)1.
본 연구에서는 부산에코델타시티를 대상으로 강우유출모형을 시행하였다. 그 결과 30년 빈도의 확률강우에서 침수가 발생하는 것을 확인하였고, 저류시설 및 기타시설을 설치하여 침수를 예방할 필요가 있다. 먼저 첫 번째로, ‘영구저류지 설치’는 방류구 하류단을 토사조절부 상단으로 하는 침사지의 홍수조절부 제원결정과 동일하게 계획하고, 저류지의 소요용량 산정시 적용하는 임계지속시간은 홍수유출량과 같이 강우지속시간을 5분 간격으로 증가 시키면서 설계빈도로 결정된 50년 빈도의 저류지 유입홍수량을 대상으로 저류지 추적을 실시하여 저류지의 용량을 최대로 하는 지속기간을 임계지속기간으로 채택하여야 한다.
첫 번째로, 구조적 방안은 배수펌프장 및 배수문 증설 시 내수위 저감 효과분석으로, 배수문 증설보다 배수펌프장 증설이 내수위 저감 효과가 큰 것으로 판단되었다(Table 3). 두 번째는 비구조적인 방안으로 사전배제)-0.5m ~ -2.0m) 방안을 검토하였으며, 운영효과 기대는 어려울 것으로 판단되었다(Table 4). 세번째는 구조적 방안과 비구조적 방안을 조합하여 8가지 시나리오를 구성해보았다(Table 5).
먼저 첫 번째로, ‘영구저류지 설치’는 방류구 하류단을 토사조절부 상단으로 하는 침사지의 홍수조절부 제원결정과 동일하게 계획하고, 저류지의 소요용량 산정시 적용하는 임계지속시간은 홍수유출량과 같이 강우지속시간을 5분 간격으로 증가 시키면서 설계빈도로 결정된 50년 빈도의 저류지 유입홍수량을 대상으로 저류지 추적을 실시하여 저류지의 용량을 최대로 하는 지속기간을 임계지속기간으로 채택하여야 한다.
본 연구에서는 SWMM모델을 활용하였다. 연구대상지 현지조사결과 신포 및 맥도배수펌프장의 경우 펌프시설 용량까지의 운영사례는 없는 것으로 조사되었으며, 부지 계획고를 하천 계획홍수위 이상으로 숭고를 반영하였다. 구축된 자료를 통해 강우사상(30년빈도, 80분) 침수모의 해석을 수행하였다.
검토 시 조건은 빈도별 홍수량(2년~200년)과 기 수집된 부산관측소 자료 중 대표 4개 자료(`91년~`16년)를 활용하였다. 첫 번째로, 구조적 방안은 배수펌프장 및 배수문 증설 시 내수위 저감 효과분석으로, 배수문 증설보다 배수펌프장 증설이 내수위 저감 효과가 큰 것으로 판단되었다(Table 3). 두 번째는 비구조적인 방안으로 사전배제)-0.
따라서 본 연구에서는 SWMM을 이용하여 부산에코델타시티 조성사업 대상지역인 부산광역시 강서구에 대한 침수모의룰 진행하였으며 홍수저감 대책 방안을 제시 하였다. 확률 강우강도식과 부산기상대의 56개년의 시우량 자료를 활용하여 11개의 강우지속기간에 대하여 조사 및 분석하였으며, 서낙동강 외수위를 경계조건으로 30년 빈도 강우사상을 적용한 검토 결과 대상유역의 경우 침수 피해가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 침수분석 결과를 토대로 홍수 시 침수에 대한 저감대책을 제시하고자 한다.

후속연구

두 번째는 ‘식생수로 설치’이다. 식생수로 및 통로화분은 도로에서 배출되는 비점오염원을 저감시킨 후 비점오염원 저감시설에서 다시 연계처리 될 수 있도록 계획한다면 더욱 효과적인 관리가 될 것이다. 세 번째는 ‘투수성 포장’으로 보행자전용도로 또는 국영 주차장 등 빗물 관리가 용이한 장소에 설치하여, 빗물을 직접 하부 층에 통과하여 해당 지역에서 발생하는 우수유출량을 감소시키고, 토지계 배출부하량이 삭감될 수 있도록 하는 방법이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	불투수 면적의 증가는 무엇 때문에 발생하는가?	최근 찾아지는 이상기후와 급격한 도시화에 따른 불투수 면적의 증가는 저류량 감소로 이어져 지표유출량의 증가를 가져오게 되었다. 증가한 지표유출량은 도시하천의 범람으로 인한 침식, 수중 생태계 파괴, 도심지 내 인적 및 재산상의 피해를 유발하는 원인이 되고 있다.
	불투수 면적의 증가는 어떤 결과를 가져왔는가?	최근 찾아지는 이상기후와 급격한 도시화에 따른 불투수 면적의 증가는 저류량 감소로 이어져 지표유출량의 증가를 가져오게 되었다. 증가한 지표유출량은 도시하천의 범람으로 인한 침식, 수중 생태계 파괴, 도심지 내 인적 및 재산상의 피해를 유발하는 원인이 되고 있다.
	불투수 면적의 증가가 가져온 지표유출량의 증가는 어떤 원인이 되고 있는가?	최근 찾아지는 이상기후와 급격한 도시화에 따른 불투수 면적의 증가는 저류량 감소로 이어져 지표유출량의 증가를 가져오게 되었다. 증가한 지표유출량은 도시하천의 범람으로 인한 침식, 수중 생태계 파괴, 도심지 내 인적 및 재산상의 피해를 유발하는 원인이 되고 있다. 최근 국내에서는 국지성 호우, 태풍, 홍수로 인해 이러한 피해가 증가하고 있다.

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Tsihrintzis, VA, and Hamid, R (1998). Runoff quality prediction from small urban catchments using SWMM. Hydrological Processes 12(2), 311-329. [DOI: https://doi.org/10.1002/(SICI)1099-1085(199802)12:2 3.0.CO;2-R]

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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