1. 서 론

최근 국내에서 발생하는 도시침수는 기후변화에 따른 집중호우의 반복과 도시개발에 따른 불투수면적의 증가와 하천의 수위상승으로 인한 배수지연 및 하수관거 통수능력 부족 등으로 인한 내수침수피해가 대부분을 차지한다. 이와 같은 도시홍수 피해를 경감하기 위해서는 기존에 설치되어 있는 도시 배수시스템의 배수능력을 정확하게 판단하여 방재시설물을 관리하여야 하고 침수흔적도 및 침수예상도 등을 제작하여 사전 대피체계를 마련해야 한다. 그러나 기 설치된 관거의 배수능력을 정확하게 판단하고 적재적소에 유출저감 시설을 설치하기 위한 관거의 배수능력 평가방법은 미흡한 실정이다. 특히, 기존의 모든 관거시설은 개수로 상태로 계획하고 설계되고 있으므로 과부하 관거유출에 대한 고려 및 과부하 관거시설의 흐름변화에 대한 연구가 미미한 상황이다. 따라서 현재 관거시설의 배수능력 평가 및 저류시설의 대한 설계와 시공을 위하여 과부하상태를 고려한 도시 관거에서의 유출을 비교적 정확하게 모의하여 보다 실제적인 도시침수 분석 결과를 활용한 내수침수 대책이 필요한 실정이다.

현재 도시 배수시스템의 유출해석 및 침수해석을 위해서는 국내에 널리 사용되고 있는 XP-SWMM 모형은 표면유출 및 관거의 흐름해석과 2차원 침수해석이 가능하다. 그러나 XP-SWMM 모형은 맨홀을 하나의 절점(node)으로 간주하여 맨홀의 형상과 모양에 따른 흐름변화와 에너지의 손실을 고려하지 못하기 때문에 발생하는 손실계수를 절점 형태로 입력해 주어야한다. 또한 XP-SWMM 모형을 이용한 침수모의 시 손실계수를 고려하는 경우와 고려하지 않는 경우의 침수범위의 차이가 상이함에도 불구하고 손실계수를 고려하지 않고 침수해석을 실시하고 있다. 이와 같이 XP-SWMM 모형을 비롯한 기존에 개발된 도시유출 해석모형들은 맨홀에서 발생하는 국부손실의 영향을 고려하지 못하고 있으며, 이에 따른 침수해석 시 고려해야하는 손실계수의 적용에 관한 연구가 미흡한 실정이다. 따라서 도시침수 모의 시 보다 실제적인 침수범위를 모의하기 위해서는 과부하 맨홀 등 관거시설에서 발생하는 에너지 손실을 고려한 내수침수 해석의 기준이 필요하다.

SWMM 모형을 이용한 도시침수해석에 관련된 연구를 살펴보면, 국외에서는 Maitland et al.(1999)이 XP-SWMM32를 호주, 일본, 미국의 시험 유역에 적용하여 모형의 적용성을 검토한 결과 개수로와 관수로 등 복잡한 배수체계의 해석에서 만족할 만한 결과를 얻었고, Hsu et al.(2000)은 관망의 절점에서 잉여수에 의해 발생하는 침수에 SWMM을 이용하여 모의하였다. 또한 Zaghloul et al.(2001)은 SWMM을 이용한 도시유출 모의 시 신경망 이론을 이용하여 매개변수 최적화를 실시하여 성과를 얻었다. Phillips et al.(2005)은 도시지역 배수시스템의 2차원 침수해석을 위하여 XP-SWMM모형과 TUFLOW 엔진의 연계를 통하여 도시 침수해석에 관한 2차원 침수해석의 적용성을 증명하였다. Smith et al.(2006)은 도시유역에서의 홍수에 의한 침수구역을 소유역별로 분할하여 모의하고 배수구역을 구역별로 결정하였으며, Rangarajan et al.(2008)은 미국 버지니아의 대상유역에 XP-SWMM과 TUFLOW 엔진의 연계를 통한 2차원 홍수해석의 효과를 입증하였다. Cantone et al.(2009)은 ILLUDAS, HEC-HMS, 및 InfoSWMM 모형을 이용하여 단순화 가정을 위한 잠재적인 위험에 대한 연구를 하였다.

국내에서는 Lee et al.(2005)은 SWMM 모형을 통하여 설계 강우 조건에 따라 주요 매개변수들이 계산 결과치에 주는 민감도를 분석하였고, Lee et al.(2008) 등은 XP-SWMM 모형의 DTM (Digital Terrain Model)을 구축하여 주요 시간대별 건물의 영향에 따른 침수범위를 분석하였다. Cho et al.(2011)은 건물 및 도로의 영향을 고려하여 침수모의의 정확도를 향상시키기 위해 실제와 근접한 지형자료 구축을 통하여 2차원 침수해석을 하였으며, Ahn et al.(2013)은 6가지의 침수특성치(관로첨두유출량, 최대침수면적, 침수용량, 평균침수심, 특정지점의 최대침수심, 특정지점의 침수지속시간)를 정의하여 침수위험성 평가방법을 제시하였다. Lee et al.(2015)은 수리 실험을 통해 산정한 과부하 중간맨홀에서의 손실계수를 XP-SWMM 모형에 적용하여 손실계수 적용유무에 따른 침수범위의 변화특성을 분석하였으나, 간선관거 만을 고려한 단순 관망을 대상으로 중간맨홀의 손실계수 만을 고려한 한계를 가지고 있으므로 흐름과 형상에 따라 변화하는 과부하 맨홀에서의 에너지 손실의 영향을 반영하지 못하는 한계를 가지고 있다. 이와 같이 국내·외 많은 연구에서 도시 유역의 침수모의를 보다 실제적으로 분석하기 위하여 연구하고 있으나, 기존의 도시 유역의 유출 및 침수해석 시에 관거시설이 과부하가 됨에 따른 에너지 손실의 적용 방안이나 과부하 관거흐름에서 맨홀의 형상 및 형태의 변화에 따른 에너지 손실이 통수능력에 미치는 영향에 대한 분석 연구가 미진한 실정이다.

따라서 본 연구에서는 기존 연구에서 수리실험을 통하여 산정된 과부하 맨홀에서의 형상(원형, 사각형) 과 형태(중간맨홀, 90° 접합맨홀, 3방향(T형) 합류맨홀 및 4방향 합류맨홀)별 및 인버트(반원형, U자형) 설치에 따른 손실계수를 도림 1 배수분구의 침수모의에 직접 적용하였다. 과부하 관거에서의 손실계수 적용은 일차적으로 XP-SWMM의 유출 해석을 통하여 과부하 관거를 추정하고 추정된 과부하 관거에 산정 손실계수를 적용하여 재유출 해석을 실시하였다. 재유출 해석 결과를 이용하여 2차원 침수해석을 실시하였으며, 모의된 대상 유역의 침수범위는 Seoul Safety Nuri(2013)에서 제시된 침수범위와 비교하였다. 대상 도시유역의 실제 침수면적과 모의된 침수면적을 비교 분석함으로써 XP-SWMM 모형의 2차원 침수해석에서 보다 합리적인 침수 범위를 산정을 위한 손실계수의 적용성을 검토하였다. 이와 같이 본 연구는 기존의 수리실험을 통하여 산정된 다양한 손실계수를 도심 침수해석에 적용할 경우 침수범위 해석의 정확성 향상 방안 및 도심지에서 발생하는 과부하 맨홀에서의 인버트 설치에 따른 침수 저감 방안의 적용 가능성을 분석하여 과밀 도심지의 침수예방에 기초자료로 활용하는 데에 목적이 있다.

2. 과부하 맨홀의 손실계수 선정 및 적용방법

2.1 과부하 맨홀의 손실계수 선정

다양한 접합 형태에 따른 맨홀의 손실계수를 도시침수모형에 적용하기 위하여 선행된 실험 자료를 분석하여 손실계수를 입력하였다. Lee et al.(2015)은 과부하 중간맨홀에서의 손실계수를 0.61(원형), 0.68(사각형)으로 산정하였으며, Kim et al.(2008)은 과부하 90° 접합 맨홀에서의 평균 손실계수를 1.6으로 산정하였다. 또한 Kim et al.(2010)은 과부하 3방향(T형) 합류맨홀에서의 손실계수를 0.4~1.5로 제시하였으며, Ryu et al.(2016)은 과부하 4방향 합류맨홀에서의 손실계수를 0.4~0.8로 산정하였다. 기 산정된 손실계수의 범위 내에서 측면 유량의 영향이 크게 발생할 때 산정된 손실계수의 최대값을 Table 1과 같이 XP-SWMM 모형 입력 자료로 각 합류맨홀에 적용하였고, XP-TABLE을 활용하여 손실계수를 입력하고 침수모의를 실시하였다. 본 연구에서는 수리실험을 통하여 산정된 다양한 손실계수의 적용성을 검증하고 및 침수범위의 변화 양상을 분석하고자 한다.

Table 1. Selected Head Loss Coefficients at Surcharged Manholes

2.2 중간맨홀의 손실계수 적용한 침수모의 절차

XP-SWMM 모형은 맨홀을 하나의 절점(node)로 간주하여 절점의 형상과 크기에 따른 흐름변화와 절점 내의 에너지 손실변화를 직접적으로 고려할 수 없으므로 관거 유출해석 시에 손실계수를 절점으로 입력하는 형태를 권장하고 있다(XP Solution, 2013). 이에 따라 XP-SWMM 모형에 적용할 손실계수를 선정하기 위하여 선행된 과부하 맨홀의 손실계수 실험 자료를 분석 및 선정하였다. 우선 손실계수 적용에 따른 침수범위 변화를 분석하기 위해 과부하 중간 맨홀의 손실계수를 적용하였다.

손실계수를 고려한 침수모의 절차는 다음과 같다. 우선 Fig. 1(a)와 같이 손실계수를 적용하지 않은 상태에서 1차 유출해석을 실시한 후 Fig. 1(b)와 같이 XP-TABLE 상에서 월류 시간이 존재하는 관을 선정한다. 여기서, 월류 시간이 존재하는 관은 과부하 흐름이 있었던 관으로 해석할 수 있기 때문에 해당 관에 Fig. 1(c)와 같이 손실계수를 입력하고, Fig. 1(d)와 같이 손실계수를 적용한 침수모의를 실시한다. 여기서 각 과부하 맨홀에서의 손실계수를 적용하기 위해서는 입구손실과 출구손실에 나누어 적용하였다. 이는 Lee et al.(2015)이 제시한 손실계수를 입구손실이나 출구손실에 적용한 결과와 입구손실과 출구손실에 동일하게 나누어 적용한 경우 동일한 결과를 얻어 나누어 고려하는 것이 보다 합리적이라는 분석 결과를 참고하였다.

Fig. 1.

Process of Inundation Area Simulation with Head Loss Coefficients at Surcharged Manholes

실제 본 연구에서 손실계수의 적용방법에 따른 침수모의를 실시한 결과, 손실계수를 나누어 적용한 침수모의를 진행한 경우와 입구손실 또는 출구손실에 적용하여 침수모의를 진행한 경우의 침수범위의 차이가 미미한 것으로 나타났기 때문에 기존의 손실계수 입력방법의 적용이 가능한 것으로 판단되었다. 손실계수를 입력한 후 2차 유출해석을 실시하고 손실계수 적용에 따른 침수범위의 변화를 분석하였다.

2.3 합류맨홀의 손실계수 입력방법

도시 유역 내의 배수관망에서 과부하 맨홀의 형태에 따른 손실계수를 각 맨홀 형태에 알맞게 적용하기 위해서는 Fig. 2와 같이 구축 배수관망도와 맨홀 형태에 따른 노드를 우선적으로 분류하여야 한다. 분류된 노드 설명 값과 배수관망도를 직접적으로 비교하여 과부하 맨홀 각각의 형태와 일치하도록 중간맨홀, 90° 접합맨홀, 3방향(T형) 합류맨홀 및 4방향 합류맨홀 등으로 XP-TABLE를 사용하여 분류한다.

Fig. 2.

Classification of Nodes with Change of Manhole Types

각 맨홀의 분류 후에는 2.2절의 침수모의 절차에 따라서 1차 유출해석을 실시한 뒤 분류한 노드 중 과부하 맨홀을 산정한다. 각 과부하 맨홀의 형태별 손실계수를 과부하 관거의 유출부에 Fig. 3과 같이 맨홀 형태에 따른 각각의 손실계수를 입력하고 재 유출해석을 실시한다.

Fig. 3.

Input of Head Loss Coefficients with Change of Manhole Types using XP-TABLE

3. 대상유역의 선정 및 입력자료 구축

3.1 대상유역의 선정

본 연구에서는 과부하 맨홀의 손실계수를 고려한 내수침수해석을 실시하기 위해 서울특별시가 선정한 침수취약지역을 참고하여 실측치에 대한 자료가 있어 모의치와 비교할 수 있는 지역을 대상유역으로 선정하여야 한다. 본 연구에서 대상유역으로 선정된 도림1 배수분구는 서울특별시에서 지정한 34개 침수취약지역 중 중점관리지역에 포함되는 곳으로 2001년, 2010년, 2011년의 강우에 대한 침수이력과 해당 강우에 따른 침수흔적도가 있고 펌프장에서의 유출량을 기록한 자료가 있기 때문에 실측치와 모의치의 비교가 가능하다고 판단되어 대상유역으로 선정하였다. 본 연구에서는 대상유역의 2010년 9월 21일~22일 발생한 강우로 인하여 35.65ha의 면적이 침수된 사상에 대하여 적용하였으며, 침수범위는 Fig. 4와 같다.

Fig. 4.

Inundation Area of Dorim 1 Basin (2010.09.21.~22)

도림1 배수분구의 총 면적은 약 2,706,254m²이고, 불투수 지역의 면적은 약 2,381,420m²로 불투수율은 88.0%로 높은 비율을 차지한다. 대상 유역은 도림천과 봉천천이 합류되는 도림천 하류의 우안지역으로 평균 표고는 EL.11.70m이다. 서울시가 지정한 침수취약지역 중 중점관리지역인 영림초교 주변은 비교적 완만한 평지형의 지역으로 빗물펌프장으로 유입되는 유역이다(서울특별시 하천관리과, 2013). 이 지역의 침수피해는 영림초등학교 인근의 대림2 빗물펌프장 유역의 지선관거 통수능의 부족과 시흥대로의 노면수가 상대적으로 저지대인 영림초등학교 인근으로 유입되어 발생되었다. 또한, 대림3 빗물펌프장의 유입관로 통수능 부족으로 인해 유입관거 도달시간의 지체로 상류 유역의 침수가 일어났으며 반지하 형태의 가옥에 많은 침수피해가 발생되었다. 대상유역에는 대림2 빗물 펌프장과 대림3 빗물 펌프장이 위치하고 있으며, 대림2 빗물 펌프장의 경우 20년 빈도로 설계되어 있고 펌프용량은 336m³/min이고, 대림3 빗물 펌프장은 30년 빈도로 설계되어 있고 펌프용량은 3,411m³/min이다. 두 펌프장의 방류하천은 도림천이며, 대상유역의 펌프장 현황과 토지이용 현황은 Fig. 5와 같다.

Fig. 5.

GIS Maps for Dorim 1 Basin

3.2 XP-SWMM 모형의 입력자료 구축

XP-SWMM 모형을 통한 침수모의를 위해 대상유역의 관망을 구축하였다. 대상유역의 관망데이터 분석 결과 지역 내에는 지선관거(∅150~∅600미만) 33,244m, 간선관거(∅600~∅1,500) 52,423m, ∅1,500 이상은 3,332m가 매설되어있었다. 관거형상, 매설깊이, 맨홀 등 상세한 관망정보는 서울시 GIS 관망데이터를 이용하였다. XP-SWMM 모형의 1차원 관망구성을 위하여 서울특별시의 관망자료와 수치지도를 이용하여 입력자료를 구성하였다. 본 연구를 위해 도림1 배수분구에 설치되어 있는 대림2, 대림3 빗물펌프장의 운영조건을 고려하여 입력자료를 구축하였으며, 3,112개의 노드와 3,364개의 링크로 구성하였다(Fig. 6). XP-SWMM 모형에서 2차원 침수해석을 실시하기 위하여 1:5,000 축척의 수치지도를 이용해 DTM (Digital Terrain Model)을 생성하여 지형자료를 구축하였다. 대상 유역의 수치지도로부터 표고값 속성을 가지고 있는 등고선과 표고점 레이어를 선택하여 Shape 파일을 생성한 후 TIN (Triangular Irregular Network)을 구축하고 XP-SWMM 상에서 DTM으로 변환하여 지형자료를 구축하였으며, 격자는 10m×10m 크기의 셀, 약 26,000여 개로 구성하였다.

Fig. 6.

XP-SWMM Input Data (Pipe Networks)

3.3 XP-SWMM 모형의 매개변수 보정

도림1 배수분구에서의 침수해석의 적정성 확인 및 실제 침수면적과 모의 침수면적을 비교 분석하기 위해서는 실제 실측 자료를 통한 모형의 매개 변수의 최적화가 선결되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 대림3 빗물펌프장을 중심으로 2010년과 2011년 강우사상에 대해서 SWMM모형의 매개변수 검보정을 실시하였다. SWMM모형의 매개변수 추정은 Fig. 7의 2010년 9월 20일 21:30~2010년 9월 22일 05:30까지 호우사상(IETD:6hr)을 대상으로 검토하였으며, 매개변수 검증은 2011년 7월 26일 15:40~ 2011년 7월 29일 16:20까지 호우사상(IETD:6hr)을 대상으로 실시하였다.

Fig. 7.

Hyetograph at Seoul AWS

일반적인 매개변수 보정을 위해서는 평상시 실측 유출수문곡선과 유출 해석 결과를 비교함으로써 과부하 맨홀에서 손실계수의 입력 조건을 제외하고 관거 및 유역의 특성 변수를 보정한 후에 침수범위 해석의 실시하여 맨홀에서의 손실계수 유무에 따른 침수 범위 해석을 실시한다. 그러나 본 연구에서는 대상유역의 평시 실측 유출수문곡선이 없는 관계로 홍수시 펌프장으로의 유입수문곡선을 매개변수 보정에 활용하였다. 따라서 과부하 맨홀에서의 손실계수를 적용한 후의 펌프장 유입지점에서의 유출곡선과 실측 펌프장 유입곡선을 비교하여 매개변수를 보정하였다. Fig. 8은 보정에 따른 2010년 9월 21일과 2011년 7월 26일 강우에 대한 대상지역인 도림1 배수분구의 펌프유입수문곡선과 모의수문곡선의 비교 결과를 나타내고 있다. 도림1 배수분구에서의 침수범위의 정확한 모의를 위하여 중간맨홀의 손실계수를 적용하였다. Fig. 8에서 알 수 있듯이 모의수문곡선은 2010년 9월 20일∼21일 강우사상에서는 최대 펌프 유입량은 28.52m³/sec이며, 모의된 첨두 유출량은 31.22m³/sec로 상대오차가 약 5.6% 정도의 양호한 오차를 보이고 있으며, 2011년 7월 26~29일 강우사상에서는 최대 펌프 유입량은 32.49m³/sec이며, 모의된 첨두 유출량은 27.99m³/sec로 상대오차가 약 13%정도의 오차를 보이고 있으나, 첨두유출량을 제외한 전반적인 유출수문곡선이 형태가 유사한 것으로 나타나 비교적 정확한 값을 나타내는 것으로 나타났다. Table 2는 맨홀의 손실계수를 원형 중간맨홀 0.61, 사각형 중간맨홀 0.68로 기본적으로 적용한 후 XP-SWMM 모형의 도림1 배수분구의 주요매개변수에 대한 보정결과를 나타낸 것이다. 여기서, SWMM 모형의 매개변수는 지형학적 인자와 수문학적 인자로 구분되며, 지형학적 인자는 1/5,000 지형도와 GIS를 활용하였으므로 측량오차의 범위를 고려하여 오차범위를 ±5%로 설정하였으며, 수문학적 인자는 사용자의 주관적인 판단과 동일 재질에 따른 범위가 크므로 수정 범위를 해당 변수의 하한값에서 상한값까지 활용하였다. 특히 종기침투능의 경우 4가지 Soil type을 고려하여 매개변수를 추정하였으며, Soil type에 따라 각각 다른 값을 적용하였다.

Fig. 8.

Comparison of Observed Discharge and Simulated Discharge

Table 2. Correction Results of Major Parameters (Dorim 1 basin)

4. 과부하 맨홀의 손실계수 적용에 따른 침수범위 분석

4.1 과부하 중간맨홀 손실계수 적용 유무에 따른 침수범위 분석

과부하 중간 맨홀의 손실계수 적용에 따른 침수범위를 분석하기 위해 서울안전누리에서 제공하는 침수흔적도를 참고하여 실제 침수 면적을 산정하였다. 대상유역에서 XP-SMWM 모형을 이용하여 1차적으로 유출해석을 실시한 후 추정한 과부하 관거에 과부하 중간 맨홀의 평균 손실계수인 0.61(원형)과 0.68(사각형)을 적용하여 침수모의를 재실시하여 침수범위 및 매개변수 보정을 실시하였다. XP-TABLE을 통하여 원형 맨홀의 손실계수는 입구손실에 0.31, 출구손실에 0.30을 적용하였고 사각형 맨홀의 손실계수는 입구손실과 출구손실에 각각 0.34를 적용하였다. 손실계수를 적용하여 재 유출해석을 실시한 침수면적은 Fig. 9(a)와 같이 27.98ha로 모의되었으며, 손실계수를 적용하지 않은 침수모의 결과 침수면적은 Fig. 9(b)와 같이 22.00ha로 모의되었다. 대상유역인 도림1 배수분구의 2010년 침수피해 당시 침수피해면적과 비교한 결과 Table 3과 같이 손실계수를 적용하지 않은 경우와의 침수면적의 일치율은 약 62%, 손실계수를 적용한 경우에는 약 79%의 일치율이 나타나는 것으로 모의되었다. 따라서 손실계수를 고려하여 침수모의를 실시한 경우에 실제 침수면적과의 일치율이 약 17% 증가하는 것으로 나타났다.

또한 침수모의 결과와 Fig. 4의 침수범위를 비교한 결과 침수 양상은 유사하게 나타났으나, 면적 및 일부분의 침수구역에 대해 다소 차이가 나타났다. 이는 침수흔적도에는 반지하 가옥의 침수피해가 포함되어 있었으나, XP-SWMM 모형을 통한 침수모의 시에는 대상유역의 반지하 가옥 등에 대한 특성이 반영되어있지 않았기 때문에 다소 차이가 나타난 것으로 판단된다.

Fig. 9.

Simulated Inundation Area

Table 3. Change of Inundation Area by Application of Head Loss Coefficients

4.2 중간맨홀 손실계수 변화에 따른 침수범위 분석

본 연구에서 적용한 과부하 맨홀에서의 손실계수는 연결 관경(D)와 맨홀 직경(D_M)의 비(D_M/D)가 3.0인 조건에서 산정된 손실계수를 적용하였다. 일반적으로 연결관경과 맨홀 직경의 비의 변화에 따라 과부하 맨홀에서의 손실계수는 변화한다. D_M/D의 증가는 원형 맨홀에서 손실계수를 증가시키는 경향을 나타내는데, 이는 맨홀의 직경이 증가할수록 맨홀 내의 와류에 의한 흐름교란이 증가하기 때문이라고 판단된다. 따라서 맨홀의 직경이나 형상 등에 따라 손실계수는 변동될 수 있으므로 본 연구에서 적용한 손실계수 이외에 손실계수의 값을 증가시켜가며 손실계수의 변화에 따른 침수범위를 비교하였다. 침수범위 변화의 비교를 위하여 적용한 손실계수는 과부하 중간맨홀(원형)에서의 손실계수 0.61과 비교를 위한 손실계수 0.7~1.0의 범위 내에서 0.1씩 변화시키면서 침수모의를 실시한 결과는 Fig. 10과 같다.

Fig. 10.

Simulated Inundation Area with Change of Head Loss Coefficients

손실계수 변화에 따른 침수모의 결과 침수면적은 Table 4와 같이 과부하 중간맨홀에서의 손실계수 0.61, 0.68을 적용하였을 경우에는 실제 침수면적과의 일치율이 78%로 모의되었으며, 손실계수를 1.0으로 적용했을 경우에는 86%로 모의되어 손실계수가 증가함에 따라 침수면적 및 일치율이 다소 증가하였지만 큰 차이는 보이지 않았다. 따라서 XP-SWMM 모형을 이용한 내수침수해석 시, 임의의 손실계수를 적용하는 것보다 수리실험으로 산정된 손실계수를 적용하는 것이 타당한 것으로 판단된다.

Table 4. Change of Inundation Area with Change of Head Loss Coefficients

4.3 중간맨홀의 인버트 적용에 따른 침수범위 분석

과부하 관거에서의 배수능력을 증대하기 위하여 설치되는 맨홀 내 인버트의 침수저감 효과에 대한 분석이 필요한 실정이다. Lee et al.(2015)은 군자배수구역을 대상으로 손실계수의 적용 방안 및 손실계수 적용에 따른 침수면적의 변화를 분석하였으나, 맨홀의 형상 및 인버트의 설치유무에 대한 사항을 고려하지 않았다. 그러므로 기 산정된 과부하 중간맨홀에서의 손실계수를 적용 및 인버트 설치에 따른 침수범위 변화의 분석이 필요할 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 과부하 관거에서의 배수능력을 증대하기 위하여 설치되는 중간맨홀 내 인버트의 침수저감 효과에 대한 분석을 위하여 Kim(2010)이 수리모형실험을 통하여 반원형, U자형 인버트 설치에 따라서 0.37, 0.30으로 산정된 손실계수를 XP-SWMM모형의 각 과부하 중간맨홀에 적용하였다. 인버트 형상에 따른 손실계수를 적용하여 침수모의를 실시하고 인버트를 설치하지 않은 조건에서의 침수면적과 비교 분석하였다.

침수모의 결과 Fig. 11과 같이 반원형 인버트를 고려한 경우의 침수면적은 26.08ha, U자형 인버트 설치를 고려한 경우의 침수면적은 25.47ha로 모의되었다. 중간맨홀 손실계수만을 적용하여 모의된 침수면적과 반원형 및 U자형 인버트를 고려하여 모의된 침수면적을 비교하면 침수면적이 각각 약 7%, 9% 감소하는 것으로 나타났다(Table 5). 따라서 도시 침수피해를 저감하기 위하여 과부하 맨홀에 인버트를 설치한다면 맨홀내의 에너지 손실이 저감되고 배수능력이 향상되어 침수피해 면적과 침수심을 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 11.

Simulated Inundation Area considering Head loss Coefficients due to Invert Type Change

Table 5. Change of Inundation Area considering Head loss Coefficients due to Invert Type Change

4.4 합류맨홀의 손실계수 적용에 따른 침수범위 분석

일반적으로 도심지 배수시설로 설치되는 맨홀은 중간맨홀, 90° 접합맨홀, 3방향 합류맨홀 및 4방향 합류맨홀 등 다양한 접합 형태를 가지고 있다. 특히 도시유역의 중·하류부에 주로 설치되는 4방향 합류맨홀에서의 과부하 흐름은 에너지 손실을 발생시켜 도심지의 침수피해를 가중시키는 주요 원인이다(Ryu et al., 2016). 이에 따라 보다 실제적인 침수범위를 산정을 위하여 다양한 접합 형태에 따라 발생하는 손실계수를 XP-SWMM 모형에 적용하였다. 접합 형태에 따른 손실계수는 Table 1의 중간맨홀, 90° 맨홀, T형 맨홀 및 4방향 합류맨홀에서의 손실계수를 각각 적용하였다. 도림1 배수분구에 설치된 맨홀의 구성은 Table 6과 같다.

Table 6. Composition of Manhole Types in Dorim 1 Basin

과부하 맨홀의 형상에 따른 손실계수를 각각 적용한 침수모의 결과는 Fig. 12에 나타내었다. Fig. 12에서 과부하 중간맨홀에서의 손실계수만을 고려한 경우의 침수면적은 27.98ha, 맨홀의 형상에 따른 손실계수를 각각 적용하여 모의된 침수면적은 28.56ha로 나타났으며, 실제 침수면적과의 일치율은 각각 78.5%, 80.1%로 나타났다(Table 7). Table 7에서 중간맨홀의 손실계수만을 고려하여 모의된 침수면적과 접합 형태에 따른 맨홀 손실계수를 각각 적용하여 모의된 침수면적의 차이는 미미한 것으로 나타났다. 이는 Table 6과 같이 대상유역에서 중간맨홀이 설치되어 있는 비율이 전체의 약 43%, T형 합류맨홀의 설치 비율은 33%, 4방향 합류맨홀의 설치 비율은 전체의 8%였으며, 90° 접합맨홀의 설치비율은 16%이므로 적용된 중간맨홀, 3방향 및 4방향 합류맨홀 사이의 손실계수의 차이가 크게 나타나지 않았으며, 비교적 큰 손실계수를 나타내고 있는 90° 접합맨홀의 설치 비율이 높지 않기 때문에 기존의 침수모의 결과와 큰 차이를 보이지 않은 것으로 판단된다. 따라서 대상유역에서의 침수모의 시 손실계수 입력의 간편함을 위하여 과부하 중간맨홀의 손실계수 만을 적용하여도 침수면적의 변화는 크게 나타나지 않을 것으로 판단된다.

Fig. 12.

Simulated Inundation Area considering Head loss Coefficients due to Manhole Type Change

Table 7. Change of Inundation Area Considering Head Loss Coefficients Due to Manhole Type Change

5. 결 론

본 연구에서는 도시 유역의 유출 및 침수해석 시에 과부하 맨홀에서의 형상(원형, 사각형) 과 형태(중간맨홀, 90° 접합맨홀, 3방향(T형) 합류맨홀 및 4방향 합류맨홀)별 및 인버트(반원형, U자형) 설치에 따른 손실계수 적용 및 각 손실계수 적용에 따른 도림 1 배수분구에서 침수면적의 변화를 분석하여 XP-SWMM 모형의 2차원 침수해석 시 보다 합리적인 침수범위를 산정하였다. 또한 과부하 맨홀의 에너지 손실이 도시지역 침수범위의 모의에 미치는 영향 및 적용성을 분석하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.

(1)XP-SWMM 모형에 과부하 중간맨홀의 평균 손실계수인 0.61(원형 맨홀)과 0.68(사각형 맨홀)을 적용하여 침수모의를 한 결과 실제 침수면적과의 일치율이 손실계수를 고려하지 않은 경우보다 약 17% 증가하였다. 따라서 XP-SWMM 모형을 이용한 도시유역의 침수모의 시 과부하 맨홀의 손실계수의 적용은 타당하다고 판단된다.

(2)중간맨홀의 손실계수 변화에 따른 침수면적의 변화 분석 결과 실측된 중간 맨홀의 손실계수보다 큰 손실계수를 적용하여도 침수면적은 약간 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 XP-SWMM 모형을 이용한 내수침수해석 시, 임의의 손실계수를 적용하는 것보다 수리실험으로 산정된 손실계수를 적용하는 것이 타당한 것으로 판단된다.

(3)반원형 및 U자형 인버트를 고려하여 모의된 침수면적이 인버트를 고려하지 않은 침수면적보다 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 도시 침수피해를 저감하기 위하여 과부하 맨홀에 인버트를 설치한다면 맨홀내의 에너지 손실이 저감되고 배수능력이 향상되어 침수피해 면적과 침수심을 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다.

(4)과부하 맨홀의 손실계수를 적용한 침수모의 시 중간맨홀의 손실계수만을 적용한 경우의 실제 침수면적과의 일치율과 합류맨홀 손실계수의 추가 적용에 따른 침수면적의 일치율의 차이는 미미한 것으로 나타났다. 따라서 대상유역에서 침수모의 시 손실계수 입력의 간편함을 위하여 과부하 중간맨홀의 손실계수만 적용하여도 적절할 것으로 판단된다.

(5)기존의 수리실험을 통하여 산정된 다양한 손실계수를 도심 침수해석에 적용하여 도림1 배수분구에 적용한 결과 선정 유역 침수범위의 정확성을 향상하기 위해서는 과부하 맨홀의 손실계수의 적용이 필요하며, 과밀 도심지에서의 침수 저감을 위해서는 맨홀의 인버트 설치가 필요하다. 그러나 모의 대상유역의 변화에 따른 다양한 조건을 모두 반영하기 위해서는 보다 다양한 유역에서의 침수모의를 통한 손실계수의 적용성 분석이 필요할 것으로 판단된다.