1. 서 론
2. 연구방법
2.1 XP-SWMM 모형
2.2 연구대상지역 현황
2.3 XP-SWMM 모형 구축
3. 내수침수 해석 결과 및 분석
3.1 실제 강우 및 방재성능목표 강우량에 따른 침수특성 분석
3.2 침수방지대책 제안
4. 결 론
1. 서 론
초고도 산업화와 도시화로 인해 강우 침투능이 감소하고 지표 유출이 증가하여, 집중호우와 태풍으로 인한 재해가 대형화되고 있다. 특히 우리나라에서는 하천 외수 침수보다 하수도 용량 부족으로 인한 내수침수가 빈번하며, 기존 합류식 하수관로는 증가하는 강우량과 유출량을 감당하기 어려운 실정이다. 제주도는 내륙과 다른 유출특성을 가지고 있어 태풍 및 집중호우에 취약하며, 개발로 인한 지형 변화가 빠르게 진행되고 있다. 특히 2018년 6~10월간 발생한 집중호우로 서귀포시 성산읍 일대의 저지대 주거지역의 침수피해가 반복적으로 발생한 사례가 있다.
XP-SWMM을 이용한 침수해석 연구사례로 Phillips et al.(2005)은 도시지역의 배수 시스템을 XP-SWMM 모형과 2차원 침수해석을 위한 TUFLOW 엔진을 이용하여 1D/2D 모델링을 실시하고, 도시 침수해석에 관한 2차원 침수해석의 적용에 XP-SWMM 모형의 적용성을 평가하였다. Jeong(2019)은 XP-SWMM 모형을 이용하여 해안 도시지역의 특성을 고려하여 침수해석을 실시하였으며, 우수관로의 통수능 부족과 조위영향에 의한 침수해소대책을 제시하였다. Park(2019)은 태풍에 의해 침수피해가 발생한 울산지역의 피해현황 및 기용역보고서, CCTV 분석을 실시하여 XP-SWMM 모형의 모의를 통해 당시 상황을 재현하고, 지역특성을 고려한 침수피해 방지대책을 제시하였다. Sun et al.(2021)은 연안지역인 부산시 마린시티 지역을 대상으로 침수흔적도와 매개변수의 변화에 따른 XP-SWMM 침수 모의의 결과를 비교하여 매개변수별 적정 적용 범위를 산정에 대하여 연구하였다. Hasan et al.(2019)은 말레이시아의 해안에 인접한 Aur River 유역을 대상으로 XP-SWMM 모형을 적용하였으며, 도시화로 인한 불투수 면적 증가가 유역의 수문학적 특성에 미치는 영향을 분석하였다.
다량의 강우로 인해 발생하는 도심지 침수에 대한 해석과 침수피해 예방을 위하여 본 연구에서는 제주도 연안지역의 개발로 인한 침수피해 사례에 대해 유역특성, 개발에 의한 지형변화, 시설물 규모 능력, 강우 현황 등의 분석 ‧ 검토를 통해 침수 원인을 분석하고, 내수침수 해석을 위한 XP-SWMM 모형을 이용하여 모형 적용성을 평가하고 본 모형을 이용한 대상지역의 방재성능목표에 대한 침수피해 저감대책을 제시하였다.
2. 연구방법
2.1 XP-SWMM 모형
XP-SWMM(Stormwater & Wastewater Management Model for Expert)은 기존 EPA(Environmental Protection Agency)의 SWMM 엔진을 기반으로 EXTRAN 블록을 포함시켜 구조물적 현상을 해석 가능토록 보완한 모형이며, 시각적인 기능을 제공하기 위해 윈도우화 하여 양질의 시뮬레이션이 가능하게 되었다(Lee and Yeon, 2008). 특히, WBM Oceanics Australia 및 퀸즐랜드 대학교에서 개발한 TUFLOW 엔진과 결합하여 1D, 2D 조합을 통해 수로의 수리, 홍수터 저류 및 이송, 침수지역 구현 등이 가능토록 보완되었다(Sun et al., 2021). 모형의 강점으로는 단일강우뿐만 아니라 연속적으로 발생하는 강우에 대한 계산까지 가능하고, 강우분포 및 연산 시간 간격 등은 임의로 조정이 가능하다. 강우-유출해석을 위한 배수 소유역(노드)은 수십에서 수십만 개의 노드 및 링크를 구성할 수 있으며, 도시관망 해석을 통하여 도시지역 내에서 발생하는 표면 유출량과 관망의 수리해석을 동시에 해석하여 유출량 추적, 지표면 저류량 등을 산정할 수 있는 통합적 모형이다.
2.2 연구대상지역 현황
본 연구대상지역인 제주특별자치도 서귀포시 성산읍 오조리 마을은 제주도 동부 해안에 위치한 주거지역으로 저 평지 형태이고 하류부에 위치한 자연습지로 우수가 배수되고 있다. 그러나 지리적 ‧ 지형적 여건으로 인하여 일주도로를 경계로 발생하는 우수가 저지대 주거지역의 배수시설로 유입되어 통수능력 부족과 더불어, 최근 유역 내 자연습지의 매립 과정에서 토지형질변경이 발생하였으나, 그에 따른 재해 측면의 저감대책이 반영되지 않은 것으로 보아 적절한 행정절차 없이 시행된 것으로 사료된다. 재해 측면의 저감대책 미수립과 우수저류능력 저하 및 배수로 정비 미비에 따른 연구대상지역의 반복적인 침수 사례를 대상으로 최근 개발이 활발한 제주도 연안 지역의 내수침수 특성 분석 및 피해 방지대책을 제시하고자 선정하였다.
연구대상지역의 자연습지가 2012년에 매립된 이후 2018년 6월부터 10월까지 발생한 집중호우로 인하여 최대 침수면적 1.0 ha, 주택 8개 동 및 도로가 침수되었다(Table 1). 배수 체계는 지역의 직 상류부 및 옆의 자연습지 2개소로 우수가 유입되어 저류되다가 하류 측 자연습지로 천천히 배수되어 처리되는 시스템이었으나, 자연습지가 매립되면서 2개소의 배수구조물 중 1개소가 폐쇄되고 나머지 배수로 또한 제 기능을 발휘하지 못하였다(Fig. 1).
Table 1.
Damage in the study area
2.3 XP-SWMM 모형 구축
오조리 마을내 우수관로 현황 및 유역정보는 국토지리정보원의 수치지형도(1/1,000)와 관련기관(서귀포시) 우수관망 정보를 자료를 활용하여 RUNOFF 블록의 1차원 관망 정보를 구축하였다. 2차원 침수해석을 위한 수치지형도 1/1,000 표고 정보를 활용하여 XP-SWMM 모형의 수치지형모델(DTM)로 표고 격자(1 m)를 구축하고, 토양, 토지이용도를 활용하여 산림, 논, 밭 등의 투수 지역과 주거지 등의 불투수 지역으로 구분하였다(Fig. 2).
연구대상유역은 소규모 주거지역으로 우수관망은 주거지 내 도로를 따라서 설치되어 있는 관망도를 통하여 확인할 수 있으며, 그 외에는 자연배수로 및 미등재 배수통관으로 구성되어 있어 현지조사 제원을 이용하여 유역내 링크 10개, 노드 11개로 구축하였다(Tables 2 and 3). 대상 유역내 노드로 유입되는 유출량 산정을 위한 소유역은 맨홀위치 및 관망 규모 변화 등을 기준으로 7개의 소유역으로 구성하였다(Fig. 2, Table 2).
Table 2.
XP-SWMM manhole input data
Table 3.
XP-SWMM pipe input data
XP-SWMM 모형의 적정성 검토와 연구대상지역의 방재성능목표 강우량에 따른 침수해석을 위해 최근 연구대상지역에서 발생한 침수피해 이력 중 2018년 6월 30일과 2018년 9월 12일의 1시간 최대 호우사상을 이용하였으며, 침수피해 발생 시기와 합리적으로 비교하기 위해 침수피해 발생 시기와 가까운 시기에 발행된 ‘미래 기후변화 영향 등을 고려한 지역별 방재성능목표 설정 ‧ 운영 기준(MOIS, 2017)’에서 제시한 제주도 동부 지역의 방재성능목표 강우량을 이용하였다(Table 4). 하류단 경계조건 설정을 위해 해당 기간 성산포 검조소의 최대조위를 이용하였으며, 방재성능목표 강우량 발생 시의 조위는 ‘오조 자연재해위험개선지구 타당성조사’ 사례를 참고하여 성산포 검조소 대조평균고조위를 이용하였다.
Table 4.
Setting heavy rainfall event and downstream boundary conditions
Division |
Hourly maximum rainfall (mm) |
Tidal height (EL.m) | Note |
2018.06.30 | 33.6 | 0.73 | Seongsan Observatory |
2018.09.12 | 54.3 | 1.15 | Seongsan Observatory |
Disaster prevention performance target (MOIS, 2017) | 125 | 0.954 | Eastern Jeju |
3. 내수침수 해석 결과 및 분석
3.1 실제 강우 및 방재성능목표 강우량에 따른 침수특성 분석
연구대상지역의 XP-SWMM 모형 침수모의에 대한 적정성을 검토하기 위해서는 계측결과를 활용하여야 하나, 본 유역은 미계측유역으로서 실제 발생한 강우에 따른 침수면적으로 검증하였다.
2018년 6월 30일은 시간최대강우 33.6 mm가 발생할 시점에 유출부의 조위가 0.73 m 상승하고 있어 배수지점에서 자연배수가 되지 않고, 마을 앞 습지가 우선적으로 만수위가 됨으로써 마을 내 우수관로로 역류 및 월류 침수가 발생하여 약 8,750 m2의 면적이 침수되는 것으로 분석되었다. 특히 연구대상지역에서 지대가 가장 낮은 MOJ06~MOJ08(LOJ05~LOJ07) 구간은 지반고(EL. 1.4 m~EL. 1.6 m)가 성산포 최고조위와 약 0.5 m 이내의 고도차로 인하여 마을 앞 자연습지가 만수위가 되면서 마을 도로에 약 0.24 m의 침수가 된 것으로 분석되었다(Fig. 3).
9월 12일에도 시간최대강우(54.3 mm) 및 유출부 조위 1.15 m 상승과 맞물려 6월 30일 피해와 같은 침수피해가 발생하였으나 발생강우 및 조위가 더 크게 발생하여 MOJ06~MOJ08(LOJ05~LOJ07) 구간에서 최대 침수심 0.33 m, 침수면적 약 10,350 m2이 침수된 것으로 분석되었다(Fig. 3).
연구대상지역 XP-SWMM 모형의 적정성을 침수유형 및 침수면적, 범위를 토대로 검증한 결과 2018년 6월 30일 발생한 침수흔적도에 의한 침수면적은 9,000 m2이며, 모형의 침수면적 결과로 8,750 m2(유사율 97%)으로 나타났으며, 2018년 9월 12일 발생한 침수흔적도에 의한 침수면적은 10,000 m2이며, 모형의 침수수면적은 10,350 m2(유사율 96%)로 나타나 모형의 신뢰성이 높은 것으로 분석되었다(Table 5). 그리고 XP-SWMM 모형의 검증결과를 토대로 연구대상지역에 대한 방재성능목표 강우량(1시간 125 mm) 발생 및 조위 상승(0.954 m)과 맞물려 침수면적 12,620 m2, 최대침수심 0.43 m의 피해가 발생한 것으로 분석되었다(Fig. 4, Table 5).
Table 5.
Results of XP-SWMM inundation simulation
Division |
Hourly maximum rainfall (mm) |
Tidal height (EL.m) |
Inundation trace (m2) |
Inundation area of simulation (m2) |
2018.06.30 | 33.6 | 0.73 | 9,000 | 8,750 |
2018.09.12 | 54.3 | 1.15 | 10,000 | 10,350 |
Disaster prevention target (MOIS, 2017) | 125 | 0.954 | - | 12,620 |
위 결과를 토대로 최근 강우발생 빈도 및 첨두강우량 증가, 저지대 지형적 여건 및 고조위 시간 때와 맞물린 배제능력 불량, 자연습지 매립에 따른 유역내 저류능력 상실로 유출량 증가 및 집중시간 감소, 인위적 매립 시 배수시설 폐쇄 및 미정비 등으로 배수 능력 부족이 침수원인으로 분석되며, 침수피해를 방지하기 위한 대책을 제안한다.
3.2 침수방지대책 제안
연구대상지역은 2018년 6월 30일, 8월 23일, 9월 12일, 10월 5일 발생한 집중호우 시 해안가(남해) 조위 상승으로 인한 내수배제 불량, 기존 자연습지 매립으로 인한 저류능력 저하, 주요 간선배수로 및 우수관의 통수능 부족 등으로 침수피해가 발생하였다. 따라서, 강우 발생 시 연구대상지역의 침수문제 해결을 위한 저지대 주거지역에 대한 침수 방지대책을 제시한다.
연구대상지역은 지형여건 및 관망흐름 체계 특성상 저지대 주거지역(LOJ05~LOJ07)으로 우수가 집중되는 특징을 보이고 있다. 과거처럼 자연습지가 주변에 산재해 있어 호우시 우수가 일시 저류된 후 하류로 방류되는 흐름이 발생하지 않기 때문에 현재 배수 체계를 유지하는 것은 저지대 마을의 잠재적인 침수 위험성을 증대시키는 효과를 유발할 것으로 사료된다.
침수방지대책 수립 시 저감시설물 설치 부지의 활용성에 따라 방지대책을 다양하게 검토할 수 있으며, 본 연구에서는 기존 습지 부지를 최대한 활용한 자연배제 방안과 최소한의 부지 활용을 통한 강재배제 방안을 제시하였다(Table 6). 최적 침수방지대책 선정을 위해 지역여건, 치수적 안전성, 경제성, 주민민원, 주민편의, 주변환경과의 조화 등을 종합적으로 검토하고 모형을 통한 계획빈도, 방재성능강우량에 대한 추가 해석이 필요할 것으로 사료된다.
Table 6.
Inundation prevention measures
4. 결 론
본 연구에서는 제주도 연안 지역인 서귀포시 성산읍 오조리 마을 일대의 저지대 침수피해 발생 원인을 분석하기 위해 도시개발의 지형변화, 시설물 규모 능력검토, 강우 발생 현상 분석을 통해 침수특성(피해원인)을 도출하였으며, XP-SWMM 모형을 이용하여 모형적용의 적정성을 평가하였다. 그 결과를 토대로 침수피해 방지대책을 수립하였다. 본 연구의 수행과정을 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
(1) XP-SWMM 모형의 침수 모의에 대한 적정성을 검토하기 위해서 실제 발생한 강우 및 조위에 따른 침수피해 자료를 사용하여 검증하였으며, 피해지역의 실제 강우 침수 모의는 침수피해 이력 중 시간최대강우량이 크게 나타난 2018년 6월 30일, 2018년 9월 12일 호우사상에 대하여 침수양상으로 검증한 결과 2018년 6월 30일 강우량에 대한 침수면적 8,750 m2(침수면적 유사율 97%), 2018년 9월 12일은 침수면적 10,350 m2(침수면적 유사율 96%)로 분석되어 모형의 신뢰성을 확인하였다.
(2) 검증된 XP-SWMM 모형을 활용하여 제주도(동부) 방재성능목표 강우량 발생 시 유출분석 및 침수 모의를 실시한 결과 연구 대상 지역 내 12,620 m2의 침수면적과 0.43 m(도로기준)의 최대 침수심이 발생하는 것으로 분석되었다.
(3) 우수관로 배수체계 및 2차원 침수 모의 분석결과 침수피해 원인은 집중호우시 저지대 지형적 여건 및 고조위 시간 때와 맞물린 배제능력 불량, 유역내 저류 능력 부족, 인위적 습지 매립으로 배수시설 폐쇄에 따른 배수능력 부족으로 나타났다.
(4) XP-SWMM 모형을 적용한 침수대책 방안 검토결과 경제성, 유지관리성, 자연친화성, 잠재적 방재능력 및 주변환경조화 등을 고려해 기존 습지부지를 최대한 활용하며 배수체계를 조정하는 방안을 침수방지대책으로 제시하였다.
최적 침수방지대책 선정을 위해 지역여건, 치수적 안전성, 경제성, 주민민원, 주민편의, 주변환경과의 조화 등을 종합적으로 검토하고 모형을 통한 계획빈도, 방재성능강우량에 대한 추가 침수해석이 필요한 것으로 사료된다.