1. 서 론
2. 연구대상지
2.1 연구대상지의 일반현황
2.2 연구대상지의 재해현황
2.3 유역 현황
3. 2차원 흐름 수치모의
3.1 연구대상지역의 3차원 지형공간 정보 구축
3.2 2차원 흐름모형 구성
3.3 수치모의 시나리오
3.4 수치모의 결과
4. BIM 기술을 이용한 침수구역 표출 및 대피경로 작성
5. 결 론
1. 서 론
건축물 설계 및 관리 분야에서 시작된 BIM(Building Information Modeling)기술이 다양한 분야로 확산되어 활용되고 있다(Cerovsek, 2011). BIM 기술은 기존의 2차원적인 설계를 3차원으로 확장하였고 이에 각종 속성을 더하여 4D, 5D, 6D 등으로 확장되고 있다. 기존의 CAD, GIS 등이 설계와 시공분야에서 국한되어 사용되어졌다면, BIM은 설계, 시공, 공정관리, 유지관리, 상황관리 등 여러 분야에서 활용되어지고 있다(Hardin, 2009). 최근까지 재난관리분야에서는 모델링 결과를 표출하고 재난관리를 위한 의사결정 정보 생산에 GIS를 주로 활용하였다(NDMI, 2003; Singh and Fiorentino, 2013; Kim et al., 2018; Kim et al., 2019). 입력 자료의 구축을 위해서 사용되어진 GIS는 결과의 표출에서도 2차원적인 시각 표출이 가능했고 과거 도면 위주의 표출에 비해 많은 장점을 가지고 있었다(Sarhadi et al., 2012). 최근 발달된 2차원, 3차원 수리 모형에서 생산되는 다양한 정보와 이를 반영하기 위해서는 별도의 표출시스템이 필요하게 되었고 BIM은 이러한 요구사항을 반영할 수 있는 최적의 기술이다(MPSS, 2015). 수공 분야에서는 전통적인 BIM 기술 보다는 수공 분야가 커버해야 공간적인 광범위성으로 인한 데이터의 문제를 해결하기 위해 표출의 정도를 조절하는 LOD(Level of Degree) 개념을 적용하여 반영하고 City Geography Markup Language(CityGML) 등과 같은 개방적이고 지형공간정보의 표출이 가능한 BIM 표준 기술의 제안이 필요해 보인다(de Laat and van Berlo, 2011). 특히 BIM 기술이 가지는 시각화 기술과 표출기능은 관리자들을 위한 다중의사결정 과정과 국민의 재해에 대한 이해와 대비를 도울 수 있는 좋은 도구가 될 것으로 판단한다.
재난재해 발생 시의 피해 상황을 예측하고 이에 신속하게 대처함으로써 피해를 최소화하기 위해 재난 재해 상황을 모의할 수 있는 수리 모형을 3차원으로 가시화하고 BIM(Building Information Modeling) 기술을 활용한 재난 관리 시스템을 구축할 필요성이 대두되고 있다. 재난 발생상황을 사전에 모의하고 대처방안을 3차원 형상정보로 가시화하기 위해서는 계측 및 모니터링 데이터와 수방시설물에 대한 속성정보, 그리고 홍수피해 예상지역에 대한 3차원 공간정보의 제공이 필요하다. 따라서 각 요소들의 통합 정보와 3차원 형상정보를 이용하여 구축되는 BIM 모델과 수방시설물에 대한 데이터 계측 및 모니터링을 통해 체계화된 데이터분석, 그리고 비상대처계획에 따른 재해상황 행동조치 시뮬레이션이 연계된 능동형 통합 방재 시스템의 개발이 필요하며, 구축되는 3차원 BIM 기술을 활용한 재난관리 시스템은 수방시설물의 상황관리와 피해 저감에 효과적인 도구로 활용될 수 있다.
2. 연구대상지
본 연구는 도시 유역에 홍수와 해수면 상승이 복합적으로 영향을 미치는 시나리오를 구성하고 각 시나리오에 의한 홍수피해를 모의한 후 그에 대응하는 대피경로를 설정하는 것을 목적으로 하므로, 연구목적에 적합한 연구대상지 선정을 위해 다음과 같이 3가지 조건을 설정하였다. 1) 해안에 위치한 충분히 발달된 도시유역, 2) 해수면 상승 및 호우에 의한 피해이력이 있는 유역, 3) 대하천이 유역을 관통하지 않는 독립된 유역. 이러한 3가지 조건에 따라 창원시 성산구 및 의창구 일대 유역을 연구대상지로 선정하였다.
2.1 연구대상지의 일반현황
연구대상지인 창원시는 창원시, 마산시, 진해시가 2010년 7월 1일 통합‧출범되어 의창구, 성산구, 마산합포구, 마산회원구, 진해구로 개편되었다. 지리적으로 한반도의 동남단 해안에 접해 있으며, 산업적으로는 동남인해 중화학공업지역에 속한 대규모 기계공업단지가 위치해 있다. 연구대상지인 창원시 의창구와 성산구의 인구는 약 48만명(Changwon, 2020)으로 창원시 총 인구의 약 46%를 차지하는 충분히 발달해 있는 도시지역이다.
2.2 연구대상지의 재해현황
창원시 성산구 및 의창구 일대 유역은 남천, 창원천, 내동천의 합류부가 유역의 중하류에 위치하고 있으며, 2009년 창원천이 범람하여 창원종합버스터미널 및 팔용공구상가가 침수되는 하천재해가 발생하였고(Changwon, 2013), 2016년 태풍 차바 내습시 219 mm/day의 강우가 발생하여 내수재해가 발생한 전형적인 분지형 유역이다. 또한 창원천은 본류인 남천과 합류하여 마산만으로 유입되지만 마산만의 만조와 집중호우가 동시에 발생하면 해수가 역류해 상습적으로 주택가 침수가 발생하고 있다(Fig. 1, Fig. 2).
2.3 유역 현황
2.3.1 남천
남천은 옹산에서 발원하여 진해저수지와 천선일반산업단지를 지나 우안으로 남산천이 유입된 후, 창원국가산업단지를 관통하여 지류인 창원천과 합류하여 마산만으로 유출된다. 남천은 유역면적 110.96 km2, 유로연장 10.27 km, 유역 평균폭 10.80 km인 지방하천으로 창원시를 관류하는 하천이다. 남천유역은 하천을 따라 동서로 길게 이어진 형상으로 중하류는 비교적 완만한 경사를 보이고 있으나 상류의 경사는 급한 편으로 남천의 기하학적 특성은 Table 1과 같다.
2.3.2 창원천
창원천은 비음산에서 발원하여 용추저수지와 창원대학교를 거쳐 반원동에서 남서방향으로 흐름이 전환되어 지류인 내동천과 합류한 후, 남천 우안으로 유입되어 마산만으로 유출된다. 창원천은 유역면적 45.02 km2, 유로연장 8.63 km, 유역 평균폭 5.22 km인 지방하천으로, 상류부의 경사는 급한 반면 하류부는 비교적 완만한 경사를 보인다. 창원천은 전형적인 도시하천으로 상류에는 홍수조절능력이 없는 용추저수지가 위치한다. 창원천의 배수분구는 내동분구, 명곡분구, 퇴촌분구, 반송분구로 분류할 수 있으며 창원천의 기하학적 특성은 Table 1과 같다.
2.3.3 내동천
내동천은 북동에서 발원한 창원천의 지류로 유역면적 4.06 km2, 유로연장 5.20 km, 유역 평균폭 0.78 km인 지방하천으로 창원대로를 따라 유하하다 사화사거리 부근에서 남쪽으로 방향을 전환하여 창원청과시장 부근에서 본류인 창원천에 합류된다. 내동천의 하상은 주로 모래로 형성되어 있고, 내동천의 기하학적 특성은 Table 1과 같다. 내동천은 남천 및 창원천과 비교하여 유역면적이 약 1/27과 1/11에 불과하여 본 연구에서는 하천으로 모형화하지 않았다.
3. 2차원 흐름 수치모의
3.1 연구대상지역의 3차원 지형공간 정보 구축
2차원 흐름해석 모형을 구성하기 위해서는 하천의 종횡단 정보와 함께 하천 범람으로 인해 흐름이 발생할 것으로 예상되는 모든 지형의 3차원 공간정보가 요구된다. 하천의 3차원 공간정보는 창원천 하천정비기본계획(Changwon, 2000)의 하천 종횡단자료로 구성된 HEC-RAS 자료를 활용하여 구성하였으며, 제내지의 3차원 공간정보는 국토지리정보원의 1:5,000 연속수치지형도(Fig. 3)를 활용하여 구성하였다.
HEC-RAS 자료는 하천의 종단 측점별 상대적 횡단 거리와 그에 대응하는 표고로 구성되어있어 2차원 평면상에 위치시켜 하천이 포함된 3차원 지형정보를 생성하기 위해서는 각 종단 측점의 위치를 결정해야 한다. 본 연구에서는 연속수치지형도에 표시된 제방과 HEC-RAS의 제방을 일치시키는 방법으로 지형정보 상에 하천정보를 정합하였다.
모형을 구성하기 위해서는 연속수치지형도를 DEM으로 변형하고, DEM을 이용하여 점(Point) 정보로 공간을 구성해야 한다. Fig. 4는 연속수치지형도를 TIN으로 변형하고, TIN을 DEM으로 변형한 후, 설정된 격자 크기에 따라 격자점의 3차원 좌표를 추출한 결과이다. 본 연구에서는 격자간의 간격을 10 m로 설정하고 격자점의 3차원 좌표를 추출하였다.
3.2 2차원 흐름모형 구성
본 연구에서 2차원 흐름해석에 사용한 Hydro_AS-2D 모형은 모형의 구성(Pre-Process)과 결과의 표출(Post-Process)에 SMS(Surface-water Modeling System)를 이용한다. 격자는 사각망을 기본으로 필요한 경우 삼각망으로 구성하였다. 모형 구성에 사용한 총 element 수는 495,027개, 총 node 수는 493,877개이다. Fig. 5는 SMS로 구성한 모의대상 지역이다. 제내지 및 하천의 조도계수는 토지이용도를 기반으로 설정하였다.
3.3 수치모의 시나리오
본 대상지는 완벽한 단일 유역으로 대상지를 둘러싸고 있는 산지로 인해 다른 지역과 구분된다. 대상지 내 유출은 창원천, 남천, 내동천을 통해 마산만으로 이루어지는데, 유역 내 유일한 출구부인 마산만의 수위가 상승할 경우 하구부에서 합류하는 세 하천의 수위 상승이 불가피할 것으로 판단된다. 이러한 조건을 시나리오 설정의 주요 인자로 활용하여 창원시 성산구 및 의창구 일대에 대하여 재난 시나리오의 조합을 구성하고 이에 대한 수치모의를 수행하였다. 강우 및 해수면 조건은 MOIS(2018)의 연구성과(Fig. 6, Fig. 7)를 활용하였다.
Fig. 6.
Rain and sea level rise conditions utilized in combination of disaster scenarios (MOIS, 2018)
강우 및 해수면 상승 시나리오의 시계열 조합은 최악의 경우를 상정하기 위해 강우의 첨두치와 폭풍해일의 첨두치가 비슷한 시각에 발생할 수 있도록 설정하였다. 강우가 유출로 전환되는 유역의 반응 시간을 고려하여 강우의 첨두 발생시각이 폭풍해일의 첨두 발생시각보다 약 2시간 이르게 두 조건의 시계열을 조합하였다.
3.4 수치모의 결과
거대 태풍에 의한 거대강우와 기후변화에 의해 상승된 해수위 조건에 거대 태풍이 통과하며 발생시킨 폭풍해일 조건을 조합한 시나리오를 대상으로 2차원 침수모의를 수행하였다. Fig. 7(a)는 모의 시작 후 8시간 경과 시의 모의결과이다. 해수위 상승에 의해 하천의 하류부 수위가 상승하였으며 강우에 의해 하천 수위 역시 상승하였다. 이 시점까지는 강우량이 크지 않아 하천 수위 상승은 하류부 해수위 조건에 영향을 받고 있다.
Fig. 7(b)는 최대침수면적을 보이고 있다. 모의 시작 후 약 26시간 경에 하류부 경계조건인 폭풍해일에 의한 해일고가 최고 수위를 보이고 강우량 조건은 모의 시작 후 약 24시간 경에 강우강도가 최고가 된다. 이 시점에서 침수면적은 최대가 되며 시가지 중 산지를 제외한 대부분의 지역에 침수가 발생한다.
Fig. 7(c)는 강우 이벤트가 종료된 시점에서의 모의 결과이다. 해수위 조건도 폭풍해일 이벤트가 지난 이후이나 일부지역에서는 침수 현상이 유지되고 있는 것을 알 수 있다.
4. BIM 기술을 이용한 침수구역 표출 및 대피경로 작성
강우 및 해수면 상승 시나리오 조합에 대한 연구대상지의 침수현상을 3차원으로 표출하고 대피경로를 작성하기 위해 Jeong et al.(2017)의 CityGML 기반의 3차원 도시정보모델 구축 기술을 활용하였다. 3차원 도시정보모델은 3차원 지형공간 상에 실제 형상으로 구성한 3차원 건물 모델과 네트워크로 구성한 도로모델로 구성되며, 각각의 건물과 도로모델에는 침수규모, 피해정도 등을 추정할 수 있는 정보와 대피 등 의사결정을 지원하기위한 속성정보를 포함할 수 있다. Fig. 8은 3차원 도시정보모델에 표출한 침수모의 결과이다. 침수피해를 받는 건물과 침수로 인해 대피경로로 활용할 수 없는 도로를 표출할 수 있다.
본 연구에서는 창원시 의창구 및 성산구를 대상으로 침수 모의결과에 따라 10분단위로 범람구역이 변하는 것을 적용하여 각 지점 별 대피경로를 도출하였다. 재해지도 작성 기준 등에 관한 지침(MOIS, 2013)에 따르면 대피경로는 홍수범람지역을 2, 3개 권역으로 구분하여, 각 권역별로 대피소요 시간이 30분 이내인 곳에 대피소를 설치하도록 되어있다. 이를 준수하기 위하여 본 연구에서는 침수모의 결과에 따라 범람이 발생하지 않는 초‧중‧고 교육시설을 대피소로 선정하고 대피경로의 종착점으로 선택하였다. 대피시작점은 침수모의 시 최종적으로 침수가 발생하는 지점으로 하였으며, 해안이나 방파제, 교량 등 침수발생 직후 침수되는 지역은 침수 발생 시 즉각적으로 침수되거나 대피할 수 있는 경로가 제한되므로 배제하였다.
Fig. 9는 시간별로 설정된 대피경로의 한 예로 창원시 창남상가 인근에서부터 성남중학교를 목적지(대피소)로 침수 진행상황에 따라 변화하는 대피경로를 보인다. 재난 시나리오 이벤트 시작 후 23시간 20분까지는 대피소까지의 최단 경로를 선택하여 대피경로를 추천하고 있으나 이후로는 침수면적이 확대되며 최단 경로 중 일부가 침수되며 다시 침수지역을 회피하는 최단 경로를 추천하고 있다. 이벤트 발생 후 25시간 이후에는 대피소를 연결하는 모든 경로가 침수되며 대피경로 사용 불가능으로 표시되고 있다. 이를 통해 창남상가 인근에서는 재난 시나리오 이벤트 시작 후 25시간 이내 또는 하천범람 후 17시간 이내에 타 지역으로 대피해야 한다는 정보를 제공한다.
5. 결 론
본 연구는 2차원 흐름해석 모형인 Hydro_AS-2D를 이용하여 폭풍해일 및 기후변화로 인한 해수면 상승과 거대강우를 조합한 시나리오를 수치모의하여 3차원 지형공간 상에 구축한 BIM 기반 도시정보모델에 그 결과를 표출하고 최적의 대피경로를 선정한 연구이다. 하천 제방, 하구 방조제 등 다양한 수방시설물 조건에 따른 피해 규모와 범위를 정밀하게 산정하여 그 결과를 3차원 공간에 시간별로 제공할 수 있었으며, 시설물별 침수피해 발생 조건에 따라 연구대상지역 내 모든 시설물의 침수피해 발생 현황을 직관적으로 표출할 수 있었다. 도시정보모델은 도로망을 네트워크로 구성하고 시설물별 정보를 수록하도록 BIM 기반으로 구축하여 침수정도에 따라 시간별 최적의 대피경로를 생성할 수 있었다. 이러한 정보는 단기적 재난 확산 경로와 범위를 예측할 수 있게 하며, 재난 대응을 위한 신속한 의사결정 지원시스템으로 활용될 수 있다.
BIM을 활용한 3차원 재난관리모델은 재난 발생 시 대응 시뮬레이션을 제공함으로써 공공 수방 시설물뿐만 아니라 민간 사회기반시설물에 이르기까지 다양한 분야에 적용할 수 있으며, BIM을 통한 3차원 재난관리 시스템은 전국 지자체의 댐, 저수지 등을 바탕으로 한 수방시설체제사업 계획 수립에 유용하게 활용 될 수 있다. 본 시스템은 수방 시설물에만 국한되는 것이 아니라 해일과 지진 등의 재난 대비에도 적용이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 또한 지형모델의 3차원 영상 정보는 2차원 공간 피해범위 산정, 범람량 및 붕괴량 등 부피계산 뿐 아니라, 구조물 정보와의 연계를 통하여 구조물의 설계 및 시공 시 가상 시뮬레이션 구현에 활용될 수 있다.
