[논문]도시지역의 침수저감을 위한 내외수 연계 운영 기법 개발: 목감천 유역을 중심으로

권순호; 정현우; 황윤권; 이의훈; 김중훈

doi:10.5762/kais.2021.22.1.257

도시지역의 침수저감을 위한 내외수 연계 운영 기법 개발: 목감천 유역을 중심으로
Combined Inland-River Operation Technique for Reducing Inundation in Urban Area: The Case of Mokgam Drainage Watershed 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.22 no.1, 2021년, pp.257 - 266

권순호 (고려대학교 미래건설환경융합연구소) , 정현우 (고려대학교 건축사회환경공학과) , 황윤권 (한국수력원자력(주)) , 이의훈 (충북대학교 토목공학부) , 김중훈 (고려대학교 건축사회환경공학부)

초록
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최근 전 세계적으로 기후변화로 인해 설계빈도를 초과하는 강우가 발생함에 따라 도시 지역의 침수피해가 종종 발생한다. 도시 침수방어 대책으로는 구조적 대책과 비구조적 대책이 있다. 본 연구에서는 비구조적 대책 중에서 내배수 시스템의 운영에 초점을 두었다. 제안 방법인 내외수 연계 운영 방법은 상류 지점에 모니터링 지점을 선정하여 빗물펌프장에 유입되는 유입량을 예측하고, 이를 바탕으로 펌프를 운영하는 방법이다. 본 연구에서는 내외수 연계 운영 기술을 목감천 유역에 적용하였으며, 서울특별시에 큰 침수피해가 발생했던 기왕 강우인 2010년, 2011년 사상을 바탕으로 내외수 연계 운영 방법을 검증하였다. 2010년, 2011년 강우 사상을 적용 결과, 기존 운영 방법대비 침수 저감 효과는 각각 34.9 %, 54.4 % 만큼 감소한 것으로 확인되었다. 즉, 본 연구에서 제안한 내외수 연계 운영 방법은 유수지의 추가 저류공간을 확보함으로써 도시 유역 내에서 침수피해를 최소화했음을 확인하였다. 또한, 집중호우가 많이 발생하는 도시지역에서 침수를 예방하고, 시민의 생명과 재산을 지킬 수 있을 것으로 기대한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Urban areas can often suffer flood damage because of the more frequent catastrophic rainfall events from climate change. Flood mitigation measures consist of (1) structural and (2) non-structural measures. In this study, the proposed method focused on operating an urban drainage system among non-structural measures. The combined inland-river operation technique estimates the inflow of pump stations based on the water level obtained from a preselected monitoring point, and the pump station expels the stored rainwater to the riverside based on those estimates. In this study, the proposed method was applied to the Mokgam drainage watershed, where catastrophic rainfall events occurred (i.e., 2010- and 2011-years), and severe flood damage was recorded in Seoul. Using the proposed method, the efficiency of flood reduction from the two rainfall events was reduced by 34.9 % and 54.4 %, respectively, compared to the current operation method. Thus, the proposed method can minimize the flood damage in the Mokgam drainage watershed by reserving the additional storage space of a reservoir. In addition, flooding from catastrophic rainfall can be prevented, and citizens' lives and property in urban areas can be protected.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Schematic of SWMM configuration
그림 Fig. 2. Mokgam drainage network used in this study
표 Table 1. Information of individual pump stations in this study [19]
그림 Fig. 3. Schematic of the inland- and river-based operation methods
그림 Fig. 4. Schematic of the inland- and river-based operation methods
그림 Fig. 5. Inflow hydrograph in Nebu-bridge
그림 Fig. 6. Rainfall hyetograph used in this study
표 Table 2. Rating curve equation used in this study
그림 Fig. 7. Comparison between the proposed and current operation methods
표 Table 3. Comparison of flood reduction efficiency with proposed and current operation methods

AI 본문요약
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문제 정의

빗물펌프장의 방류토구를 닫을 경우, 자연배수 없이 펌프 가동을 통해 유수지 유량을 토출하게 된다. 본 연구에서는 내수 개념의 연계 운영방법과 외수 개념의 연계 운영 방법을 통합한 ‘내외수 연계 운영방법’을 개발하였다.
본 연구에서는 도시지역의 침수피해를 최소화하기 위해 새로운 비구조적 대책 방법인 내외수 연계 운영 기법을 제시하였다. 개발 기법인 내외수 연계 운영 기법은 상류 지점에 관측지점을 선정하여 빗물펌프장에 유입되는 유입량을 예측하고, 이를 바탕으로 펌프를 운영하는 기법이다.
최근 설계 빈도를 초과하는 강우가 발생함에 따라 도시지역의 침수피해액은 점차 증가하고 있으며, 이를 보완하기 위해 침수 저감 대책을 개발하고 있다. 본 연구에서는 도시지역의 침수피해를 최소화하기 위해 새로운 비구조적 대책 방법인 내외수 연계 운영방법을 제안하였다. 제안 기법은 상류 지점에 모니터링 지점을 선정하고, 빗물펌프장에 유입되는 유입량을 예측함으로써 펌프를 효율적으로 운영하여 유역 내, 하천변 침수피해를 최소화하기 위한 새로운 비구조적 대책이다.
하지만, 이는 한 번에 많은 강우가 내릴 경우, 개봉1 빗물펌프장에서 많은 양의 우수를 방류하기 때문에 안양천 주변에 침수피해를 야기할 수 있는 단점을 가지고 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해, 본 연구에서는 목감천 유역에서의 내수와 외수를 모두 고려한 운영 방법을 개발하였다. 목감천 유역에 모니터링 지점을 선정하여, 목감천이 내수로 운영될 때 관측지점의 실시간 수위로부터 예측유입량 산정을 통해 펌프 방류량을 결정하여 운영한다 (Fig.
할 수 있는 방안을 제시하였다. 수문운영 관련 주요 연구를 살펴보면, [16]은 빗물펌프장의 유수지의 수위를 바탕으로, 유수지와 유수지 사이에 있는 수문을 운영함으로써 유수지의 추가 저류공간 확보와 침수저감 효과를 동시에 향상시킬 수 있는 기법을 개발하였다.

가설 설정

이는, 운동량방정식을 이용하며, 흐름이 1방향이고, 흐름 단면에서 균일 유속분포를 보인다고 가정한다. 또한, 정수압이 작용하며, 흐름의 경사가 완만하다고 가정하며, 마찰 손실을 Manning‘s 식으로 산정한다. 그래서, 유출 흐름 해석을 위한 부정류방정식을 식(1)과 같이 유도할 수 있다.
특히, 강우 초기에는 자유수면을 가지는 개수로의 흐름에서는, 지속적인 강우가 발생하면 관로의 수위가 상승하여 압력 차에 의한 흐름으로 전환되는 것도 고려할 수 있다. 이는, 운동량방정식을 이용하며, 흐름이 1방향이고, 흐름 단면에서 균일 유속분포를 보인다고 가정한다. 또한, 정수압이 작용하며, 흐름의 경사가 완만하다고 가정하며, 마찰 손실을 Manning‘s 식으로 산정한다.

제안 방법

먼저, Runoff 블럭은 도시 유역에서의 유출로 인한 유입량, 주 관로에서의 유량 또는 침수량의 추적을 모의한다. Transport 블럭은 Runoff 블럭에서 연산된 결과를 기본 자료로 활용하여 시스템을 통해 유량 및 침수량의 추적을 모의한다. 하지만, Transport 블럭은 Runoff 블럭에서 직접 유입량을 계산하기 때문에, 이를 직접적으로 산정하지는 않는다.
강우-유출 모의를 수행하기에 앞서, 2010년, 2011년의 강우 자료를 포함한 모니터링 지점의 유량을 입력자료로 선택하고, 모니터링 지점의 수위를 바탕으로 펌프를 운영하였다. 목감천의 수위가 일정 값을 초과하게 되면, 목감천과 안양천을 잇는 수문을 폐쇄하고, 모든 하천 유량을 개봉1 빗물펌프장의 유수지로 유입이 시작된다.
또한, 유수지의 추가 저류공간을 확보하여 하천의 통 수능을 최대한 확보하고, 유역 내의 침수피해를 최소화하였다. 개발 기술은 목감천 유역에 적용되었으며, 서울특별시에 큰 침수피해가 발생했던 기왕 강우인 2010년, 2011년 기왕 강우사상을 바탕으로 개발 기법을 검증하였다.
개발 기법인 내외수 연계 운영 기법은 상류 지점에 관측지점을 선정하여 빗물펌프장에 유입되는 유입량을 예측하고, 이를 바탕으로 펌프를 운영하는 기법이다. 또한, 유수지의 추가 저류공간을 확보하여 하천의 통 수능을 최대한 확보하고, 유역 내의 침수피해를 최소화하였다. 개발 기술은 목감천 유역에 적용되었으며, 서울특별시에 큰 침수피해가 발생했던 기왕 강우인 2010년, 2011년 기왕 강우사상을 바탕으로 개발 기법을 검증하였다.
먼저, 우리나라의 침수피해 정보를 확인할 수 있는 재해 연보 (행정안전부에서 매년 발간하는 피해정보를 기록한 자료)를 기반으로 2010년부터 2019년까지의 기간 동안 서울특별시에 가장 큰 피해 (인명 및 경제적 피해) 가발생했던 침수피해 정보를 조사하였다. 이 결과를 바탕으로, 목감천 유역에 침수피해가 가장 크게 발생했던 연도로는, 2010년 (Fig.
모니터링 지점으로 선정하였다. 모니터링 지점으로부터 예측유입량을 계산하기 위해, 대상지점의 수위-유량 곡선을 활용하였다 (Table 2) [20]. Fig.
즉, 외수의 상황을 고려하면서 빗물펌프장 저류지의 추가적인 공간확보를 통해 내수 및 외수 침수의 위험을 동시에 줄일 수 있다. 본 연구에서 제안하는 내외 수 연계 운영방법은 내수와 외수를 동시에 고려하여 물을 적절히 분배함으로써, 내수침수와 외수침수를 모두 줄일 수 있는 운영 기법을 제안한다.
본 연구에서는 두 가지의 기왕 강우사상으로부터 기존운영 방법과 제안 방법의 결과를 비교 분석을 수행하였다. 기존 운영방법의 결과보다 제안하는 내외수 연계 운영 방법의 결과에서 침수량이 각각 –34.
6(b))으로 확인되었다. 본 연구에서는, 2010년과 2011년의 강우 사상을 바탕으로, 제안하는 운영방법과 현재 운영방법 간의 비교 및 검토를 수행하였다.
그 이후 너부대교, 모니터링 지점에서의 수위 값에 따라 방류펌프를 가동하게 된다. 이러한 내외수 연계 운영 방법에 2010년과 2011년 기왕 강우사상을 각각 모의하고, 각 강우사상별 침수량 및 기존 운영에 따른 침수량을 계산하였다.
본 연구에서는 도시지역의 침수피해를 최소화하기 위해 새로운 비구조적 대책 방법인 내외수 연계 운영방법을 제안하였다. 제안 기법은 상류 지점에 모니터링 지점을 선정하고, 빗물펌프장에 유입되는 유입량을 예측함으로써 펌프를 효율적으로 운영하여 유역 내, 하천변 침수피해를 최소화하기 위한 새로운 비구조적 대책이다. 제안 기술은 목감천 유역에 적용하였으며, 서울시의 대표적인 침수 사례인 2010년, 2011년 기왕 강우사상을 바탕으로 침수 모의 결과를 제시하고, 효율적인 비구조적 대책임을 검증하였다.

대상 데이터

대상 지점의 수위변동 분석을 통해, 본 연구에서는 도시하천의 모니터링 지점으로 목감천 상류부의 ‘너부대교’ 를 모니터링 지점으로 선정하였다. 모니터링 지점으로부터 예측유입량을 계산하기 위해, 대상지점의 수위-유량 곡선을 활용하였다 (Table 2) [20].
본 연구에서 대상유역으로 선정한 목감천 유역은 Fig. 2와 같으며, 서울특별시의 구로구 (개봉1, 2 빗물펌프장) 와 경기도 광명시 (광명 빗물펌프장과 광명 제1, 제2, 제 3 빗물펌프장)를 포함한 두 개의 배수구역으로 구성되어있다. 먼저, 개봉1, 2 빗물펌프장은, 서울특별시 구로구에 위치하는 배수시설이며, 해당 유역의 경우, 네 개의 유수지를 두 곳의 빗물펌프장이 공용으로 활용 가능하여, 서로 연계 운영이 가능한 특징을 가지고 있다.

이론/모형

EPA-SWMM을 이용하여 강우-유출 시뮬레이션을 수행하였다. 강우-유출 모의를 수행하기에 앞서, 2010년, 2011년의 강우 자료를 포함한 모니터링 지점의 유량을 입력자료로 선택하고, 모니터링 지점의 수위를 바탕으로 펌프를 운영하였다.

성능/효과

빗물펌프장의 운영을 개선함으로써 하천의 통수능을 원활히 하여 하천 수위를 감소시켜, 침수피해를 줄일 수 있었다. 그러므로 본 연구에서 제안하는 내외수 연계 운영방법은 제내지의 침수량을 저감하면서 동시에, 제외지의 침수량도 줄일 수 있으므로, 도시하천 관리를 위한 적절한 비구조적 대책임을 확인하였다.
수행하였다. 기존 운영방법의 결과보다 제안하는 내외수 연계 운영 방법의 결과에서 침수량이 각각 –34.9% (2010년), -54.8 % (2011년) 침수저감 효과가 나타난 것을 확인하였다. 그 이유로는, 모니터링 지점에서의 수위를 바탕으로 예측유입량을 산정하고, 빗물펌프장의 펌프 조기가동을 통해 유수지의 추가 저류공간 확보와 적절한 펌프 운영을 수행하여 외수 및 내수침수를 모두 저감시켰기 때문이다.
2010년 강우사상으로부터 도출된 결과를 살펴보면, 총 침수량은 기존 운영 방법에서는 590, 687 ㎥/s, 내외수 연계운영 방법에서는 384, 790 ㎥ /s로 각각 확인되였다. 내외수 연계운영 방법을 적용한 결과에서 205, 897 ㎥/s 침수량이 감소하고, 34.9 % 의 침수 저감효과를 나타내었음을 확인하였다. 또한, 첨두값의 결과에서도 기존 운영 방법에서는 8, 749 ㎥/s, 내외 수 연계운영 방법에서는 6, 489 ㎥/s 의 첨두 값이 발생하였으며, 제안 방법에서 2, 260 ㎥/s의 침수량이 줄어들었으며, 침수 저감효과를 나타낸 것을 확인하였다.
9 % 의 침수 저감효과를 나타내었음을 확인하였다. 또한, 첨두값의 결과에서도 기존 운영 방법에서는 8, 749 ㎥/s, 내외 수 연계운영 방법에서는 6, 489 ㎥/s 의 첨두 값이 발생하였으며, 제안 방법에서 2, 260 ㎥/s의 침수량이 줄어들었으며, 침수 저감효과를 나타낸 것을 확인하였다. 이 뿐만 아니라, 방류량의 결과에서도 큰 차이를 보였다.
2). 또한, 해당 위치에서의 수위를 바탕으로, 수위-유량 곡선을 활용하여 빗물펌프장으로 유입되는 유입량을 예측하고, 그 값을 기반으로 펌프를 운영하여 유수지의 저류공간을 최대한 확보하여 침수피해를 줄일 수 있다. 즉, 외수의 상황을 고려하면서 빗물펌프장 저류지의 추가적인 공간확보를 통해 내수 및 외수 침수의 위험을 동시에 줄일 수 있다.
본 연구에서 제안하는 내외수 연계 운영방법은 두 가지의 기왕 강우사상으로부터 침수피해를 줄이는 데에 효과적임을 확인하였다. 빗물펌프장의 운영을 개선함으로써 하천의 통수능을 원활히 하여 하천 수위를 감소시켜, 침수피해를 줄일 수 있었다.
마지막으로, (3) 도시지역의 침수 범위 및 심도를 정량적으로 분석하여 침수피해액을 산정하고, 경제성 분석도 수행하여, 다양한 도시 침수 방재에 관한 연구에 활용할 수 있다. 본 연구의 결과로, 비구조적 침수저감 대책을 통해 도시 내 배수 시스템의 침수저감 효율을 증대시킬 수 있다. 또한, 집중호우가 많이 발생하는 도시지역에서 침수를 예방하고, 시민의 생명과 재산을 지킬 수 있을 것으로 기대한다.
확인하였다. 빗물펌프장의 운영을 개선함으로써 하천의 통수능을 원활히 하여 하천 수위를 감소시켜, 침수피해를 줄일 수 있었다. 그러므로 본 연구에서 제안하는 내외수 연계 운영방법은 제내지의 침수량을 저감하면서 동시에, 제외지의 침수량도 줄일 수 있으므로, 도시하천 관리를 위한 적절한 비구조적 대책임을 확인하였다.
특히, 기존 운영 방법에서는 조기가동을 하지 않기 때문인 것으로 판단된다. 이를 더 자세히 살펴보면, 유출량의 경우, 제안된 내외수 연계 운영 방법이 기존 운영 방법보다 많음을 확인하였다. 이 의미는, 유출량이 많으면 배수구역 내에 저류하고 있는 빗물이 적어진다는 의미와 같으며, 그만큼 침수량도 감소했다는 의미를 갖는다.
제안 기법은 상류 지점에 모니터링 지점을 선정하고, 빗물펌프장에 유입되는 유입량을 예측함으로써 펌프를 효율적으로 운영하여 유역 내, 하천변 침수피해를 최소화하기 위한 새로운 비구조적 대책이다. 제안 기술은 목감천 유역에 적용하였으며, 서울시의 대표적인 침수 사례인 2010년, 2011년 기왕 강우사상을 바탕으로 침수 모의 결과를 제시하고, 효율적인 비구조적 대책임을 검증하였다. 다음과 결론을 얻을 수 있었다.
이 뿐만 아니라, 방류량의 결과에서도 큰 차이를 보였다. 제안 방법보다 기존 운영 방법에서 훨씬 적은 우수가 방류된 것을 확인할 수 있다 (Fig. 7(a)).

후속연구

본 연구의 결과로, 비구조적 침수저감 대책을 통해 도시 내 배수 시스템의 침수저감 효율을 증대시킬 수 있다. 또한, 집중호우가 많이 발생하는 도시지역에서 침수를 예방하고, 시민의 생명과 재산을 지킬 수 있을 것으로 기대한다.
정량화 및 분석도 가능하다. 마지막으로, (3) 도시지역의 침수 범위 및 심도를 정량적으로 분석하여 침수피해액을 산정하고, 경제성 분석도 수행하여, 다양한 도시 침수 방재에 관한 연구에 활용할 수 있다. 본 연구의 결과로, 비구조적 침수저감 대책을 통해 도시 내 배수 시스템의 침수저감 효율을 증대시킬 수 있다.
향후 본 연구에서 개발한 내외수 연계 운영방법에 유수 지간 수문운영을 고려한 비구조적 대책 방법도 필요하다. 유수지 간 수문운영을 통해, 저류공간을 최대한 활용함으로써 제내지와 제외지의 침수량을 모두 줄일 수 있을 것으로 기대한다.
그 이유로는, 모니터링 지점에서의 수위를 바탕으로 예측유입량을 산정하고, 빗물펌프장의 펌프 조기가동을 통해 유수지의 추가 저류공간 확보와 적절한 펌프 운영을 수행하여 외수 및 내수침수를 모두 저감시켰기 때문이다. 향후 본 연구에서 개발한 내외수 연계 운영방법에 유수 지간 수문운영을 고려한 비구조적 대책 방법도 필요하다. 유수지 간 수문운영을 통해, 저류공간을 최대한 활용함으로써 제내지와 제외지의 침수량을 모두 줄일 수 있을 것으로 기대한다.
후속 연구로 (1) 펌프 운영을 통한 배수효과를 정량적으로 평가하기 위해 성능평가지표를 개발할 수 있으며, (2) 탄력성이나 신뢰도와 같은 지표를 활용한 시스템의 성능을 정량화 및 분석도 가능하다. 마지막으로, (3) 도시지역의 침수 범위 및 심도를 정량적으로 분석하여 침수피해액을 산정하고, 경제성 분석도 수행하여, 다양한 도시 침수 방재에 관한 연구에 활용할 수 있다.

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원문보기 상세보기
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Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs (MLTM), "Annual Hydrological Report on Korea (Discharge)," Ministry of Land, Republic Korea, pp. 1-715, 2008.

저자의 다른 논문 :

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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