1. 서 론
2. 간선저류지 설계 특성인자 분석
2.1 간선저류지 개념
2.2 간선저류지 설치 조건
2.3 특성 분석 조건
2.4 유역형상에 따른 첨두유출량 변화
2.5 불투수율 변화에 따른 첨두유출량 변화
2.6 특성 인자 변화를 고려한 민감도 분석
3. 간선저류지의 적용에 따른 침수저감효과 분석
3.1 대상유역 및 매개변수 추정
3.2 간선저류지 적용에 따른 침수범위 분석
4. 결 론
1. 서 론
현재 우리나라는 지속적인 도시화 및 산업화로 인하여 도시 과밀화가 집중되는 대도시 집약적으로 대규모 택지 및 개발 사업이 이루어져 도시지역의 상당 부분이 아스팔트와 콘크리트 등으로 구성된 불투수층으로 바뀌었으며, 이에 따라 기존에 우수유출의 설계에 적용되던 기준을 상회하는 유출 현상이 발생하면서 기 설치되거나 기존 기준으로 설치 예정인 홍수 저감시설의 방어능력을 취약하게 만들거나 효용성에 의문을 만들고 있는 실정이다. 특히 기후변화 및 기상 이상현상으로 인한 도심지에서의 국지성 호우의 증가는 설계빈도 이상의 강우가 빈번하게 발생하도록 하고 있으며, 이는 유역의 형상 및 경사 등에 맞추어서 설치되는 도로 및 하수관거로 신속하게 유입되면서 도시 유역의 출구부인 하천지대 및 저지대에서 유출량이 집적되거나 배수량의 급격한 증가로 인하여 도시 침수의 악영향을 미치고 있으며, 우리나라 대부분의 대도시는 산업화 이후에 개발되어 하수관거의 노후화, 통수능 부족현상 및 난개발로 인한 배수 관거의 교차 설치 등으로 인하여 상습적으로 침수피해가 발생하고 있다.
대부분의 도시지역에서 강우발생으로 인한 대부분의 도심지 유출수는 우수관거 또는 하수관거 시설에 의하여 도심지 근처의 도시 하천으로 배수되므로 도시 배수시설인 관거시설의 통수능력은 도심지 내수 침수를 예방하기 위한 필수적인 요소라고 할 수 있다. 그러므로 최근 관거시설 개선사업, 빗물펌프장 소형화 및 효율개선 사업 및 지하 우수유출 저류조 설치 등과 같은 도심지 내수 침수 방어에 대한 개선 사업들이 지속적으로 제안되고 시행되고 있는 실정이다. 그러나 국내 대부분의 도시는 지하에 수많은 시설물 및 지장물들이 설치되고 있어 관거시설과 연계한 지하 저류시설 설치를 위한 부지 확보가 어렵고 내수 침수 저감을 위한 저류조의 최적 설치 위치의 파악도 어려운 실정이다. 또한 기 관거의 배수능력을 향상하기 위하여 노후 배수관거의 교체를 위해서는 막대한 예산이 소요되므로 이에 대한 예산확보가 어려운 실정이므로 도심지의 내수침수 피해를 저감하기 위한 배수시설 또는 저류시설의 합리적이고 효율적인 설계 기준이 필요하다. 그러므로 기존 배수시설의 설치 시와 비교하여 보면 동일한 강도의 강우에서도 도심지의 우수 유출량이 증대되고 유출 양상이 변화되고 있는 다양한 도시지역에서 원활한 내수배제를 위해서는 우수관거의 용량 증대 및 단순 지하저류조의 설치가 아닌 기존 배수시설과 연계가 가능하면서도 배수가 용이한 형태의 저류시스템의 설치가 필요하다고 판단된다.
일반적으로 도시지역에 설치되는 저류지는 유역 하류의 홍수피해를 저감시키고 유출량의 급격한 집적을 지체시킴으로써 도시 배수시설 내의 유출율을 감소시키는 역할을 하고 있다. 국외의 저류지에 관한 연구동향을 살펴보면, 저류지 예비설계단계에서 적용 가능한 저류방정식을 이용하여 저류지 용량을 결정할 수 있는 저류지 계획모형을 개발하였다 (Wycoff and Singh 1976, Abt and Grigg 1978). David and Bedient (1980)는 강우와 토지이용 조건의 변화를 고려하여 저류지의 규모를 결정하였으며, Russell (1980)은 수정된 유출모형을 이용하여 저류지 형상에 대한 연구를 진행하였고, Guo and Urbonas (1996)는 Runoff Capture Ratio를 사용하여 저류지의 적정 규모를 산정하였다. 또한 Bohler and Hahn (2005)은 HEC-HMS과 TR-20 모형을 이용하여 강우빈도에 따른 저류용적의 분석하였으며, Hong (2006)은 단일 방류구를 가진 저류지의 최대 용적을 간편하게 설계할 수 있는 방안을 제시하였다.
국내의 경우에는 Lee et al. (1991)은 도시화로 인한 유출양상을 나타내는 도시화 인자들이 유수지 용량결정에 미치는 영향을 분석하여 유수지 계획모형을 제시하였으며, Lee et al. (1995)은 가상유역 및 실유역을 적용하여 지체저류시설의 크기와 위치를 나타내는 회귀식을 제시하였다. Yoon and Lee (2001)는 임계지속기간에 따른 최대 저류지 용적을 산정하여 저류지의 적정 용량 산정을 위한 방안을 제시하였다. Kim and Ko (2005)는 합리식을 이용한 저류지 계획모형으로 빗물저류조 규모 산정에 관하여 연구하였다. Lee and Kim (2008)은 저류지의 설치위치에 따라 유출저감효과 및 설치위치 매개변수의 관계식을 제시하였으며, Lee and Kwak (2008)은 저류지 추적을 시행하지 않고 저류지 설계가 가능한 저류지 간편설계기법을 개발하였다. Jang et al. (2010)은 저류지 개수와 설치위치에 따른 저류효과를 PondPack 모델을 이용하여 분석하였으며, Jang and Lee (2011)는 저류지 방류암거설계를 위한 매개변수들의 상관관계 분석을 통하여 저류지 방류암거의 간편설계기법을 제시하였다. Kim et al. (2011)은 강변저류지의 홍수조절 효과를 수리실험을 통하여 분석하였으며, Choi et al. (2012)은 배수구역 내 최대 월류량이 발생하였던 확률강우에 대한 유출해석을 통하여 지하저류조의 규모 및 설치위치를 분석하였다. Cho et al. (2014)은 강변저류지의 홍수위 저감효과를 도출하기 위해 남한강에 위치한 여주 강변저류지를 대상으로 1차원 및 2차원 모의를 수행하였으며, Lee et al. (2014)은 기존에 제시된 저류지 간편설계기법 및 방류암거의 간편설계기법을 통합하여 저류지의 규모를 산정하고 동시에 방류를 위한 암거설계가 가능한 간편프로그램을 개발하였다.
본 연구에서는 도시화에 따른 불투수 지역의 증가 및 설계빈도 이상의 강우 증가로 유출량이 증대되고 있는 도시지역에서 내수침수 저감을 위해 기존의 우수관거를 연계한 저류시설인 간선저류지 개념을 적용하여 저류지의 설치위치 및 용량에 따른 우수유출저감효과를 검토하고 여수 도원지구를 대상으로 간선저류지 설치위치 및 용량에 따른 관계를 검증하고 기존의 우수유출 저감시설과 간선저류지 설치에 따른 내수침수 저감효과를 비교 및 분석하였다.
2. 간선저류지 설계 특성인자 분석
2.1 간선저류지 개념
일반적으로 설치되는 저류시설은 입지적으로 분류하면 유역의 말단부에 설치되어 배수구역으로부터 유입된 우수를 조절할 목적으로 설치된 지역 외 저류 (Off Site Retention)와 배수구역내에 내린 강우가 우수관거, 유수지 및 하천으로 유입되기 전에 물을 일시적으로 저류시켜 유출을 억제하는 지역 내 저류 (On Site Retention) 시설로 분류할 수 있으며, 저류시설은 연결형태에 따라 하도 내 (On Line) 저류시설, 하도 외 (Off Line) 저류시설로 구분할 수 있다. 하도 내 (On Line) 저류시설은 관거 또는 하도 내 저류시설을 설치하는 것으로 모든 빈도에 대해 유출저감이 가능하다. 또한 첨두홍수량 감소 및 첨두발생시간을 모두 지체시킬 수 있으며, 하도 외 (Off Line) 저류시설에 비해 상대적으로 설치규모가 크다. 하도 외 (Off Line) 저류시설은 횡월류 위어 등으로 유량을 분리하는 방법으로 하도 내 (On Line) 저류시설에 비해 상대적으로 설치규모가 소규모이며, 첨두홍수량 만을 저감할 수 있다. 또한 저빈도의 홍수에 대해 저감효과가 미흡하다.
또한 우수관거 및 빗물펌프장에 설계빈도 이상의 강우 발생으로 침수가 발생하였을 경우 빗물저류조나 우수유출저감시설 등의 설치로 하류지역의 침수를 저감 시킬 수 있으나 수용천이 근접한 위치에 있는 경우 우회관거를 이용하여 우수를 배출시키는 방안이 가장 효과적일 수 있다. 그러나 도시지역 내 수용천이 인접하지 않거나 수위가 계획홍수위 이상일 경우에는 우회 관거를 배수흐름이 비교적 원활한 지역의 우수 관거로 연결시킴으로써 그 효과를 기대할 수 있다. 따라서 간선저류지는 Fig. 1과 같이 소규모 지하저류지를 이용하여 우수를 지체시킨 후 우회 관거를 이용하여 우수를 흐름이 원활한 지역의 우수관거로 우회하여 우수관거의 통수능을 확보할 수 있는 구조물이라고 정의할 수 있다 (Lee et al. 2017).
2.2 간선저류지 설치 조건
간선저류지는 설계빈도 이상의 강우 발생으로 인하여 도시 유역에서 관거시설의 설계빈도를 상회하는 초과 유출량이 발생함에 따라 내수 침수피해가 가중되고 있는 도시지역이나 저류지 설치 및 우수관거 개선사업 등의 침수저감사업으로 해결하지 못한 소규모 유역에서는 간선저류지의 설치에 따른 침수 저감효과를 기대할 수 있다. 이러한 간선저류지는 지하구조물의 간섭이 없는 위치에 소규모로 설치하여야 하며, 설치 위치는 관거시설 내에 유출량의 지체현상이 발생하는 구간이나 월류 발생 지역의 상류부에 설치하여 일정량을 저류시킨 후 흐름이 원활한 하류관거나 수용천으로 자연유하시킨다. 이러한 간선저류지의 적절한 설치를 위해서는 도시유출모형 (SWMM)으로 다양한 빈도의 강우사상을 설치 대상 유역에 적용하여 기존 관거시설의 배수능력을 검토하고 과부족 용량을 산정한 후에 설치 규모를 결정하고 유역에서 발생할 수 있는 다양한 강우 사상에도 배수 관거 내의 흐름이 원활하도록 간선저류지의 방류지점으로 결정한다. 또한 간선저류지로 유송 잡물의 유입을 방지할 수 있는 구조물을 설치하여야 하며, 저류지의 유입 및 저류 상황을 모니터링 할 수 있는 수위 센서 등을 설치하도록 하여 지속적인 유지관리를 하여야 한다.
2.3 특성 분석 조건
본 연구에서 제시하고 있는 간선저류지의 설치 조건을 만족하기 위해서는 간선저류지의 설치에 따른 설계 인자 및 유역 특성인자에 대한 검토가 필요하다. 본 연구에서는 간선저류지의 설치를 위한 특성을 분석하기 위하여 Lee et al. (2017)이 제안한 Fig. 2와 동일한 가상유역을 선택하였다. 이와 같이 가상유역은 20 ha의 소유역 5개로 구성된 총 100 ha 면적인 집중형 (SF = 1.00), 중간형 (SF = 0.694), 세장형 (SF = 0.25)의 3가지 가상유역을 대상유역을 고려하여 간선저류지 설치 및 유역 특성인자의 변화에 따른 관계를 분석하였다.
강우 조건은 가상유역에 내린 빗물이 배수관거를 통하여 유출구로 배수되는 것으로 가정하고 흘러 들어가는 것으로 가정하였으며, 서울시 10년 빈도, 지속시간 60분의 72.5 mm 강우를 적용하였을 때 우수관거 만관수심의 90%로 흐를 수 있도록 설계하였다. 집중형 유역은 유역폭 1,000 m, 유로연장 200 m인 5개의 유역으로 구성하였고, 중간형은 유역폭 500 m, 유로연장 400 m인 5개의 유역으로 세장형은 유역폭 500 m, 유로연장 400 m인 5개의 유역으로 구성되었다. 각 유역의 면적은 모두 100 ha로 20 ha 면적의 5개 소유역으로 구성되어 있으며, 유역의 경사는 2%, 가상유역의 불투수율은 75%를 적용하였다. 분석을 위한 적용 확률강우량은 서울시 20년빈도, 지속시간 60분의 82.3 mm를 적용하여 우수관거의 만관 흐름 및 역류 현상을 고려할 수 있도록 관거 통수량을 설정하여 SWMM의 모형 입력자료를 구성하였다.
2.4 유역형상에 따른 첨두유출량 변화
유역형상에 따른 유출구 첨두유량의 변화를 분석결과 중간형 유역의 첨두유출량은 13.568 m3/s, 집중형은 22.167 m3/s, 세장형은 18.218 m3/s로 모의되어 집중형 유역이 동일 강우가 발생할 경우 첨두유출량이 가장 큰 것으로 분석되었다. Table 1과 같이 유역면적에 비해 유로연장이 길면 형상계수가 작아지면서 첨두유출량이 작아지고, 유역면적에 비해 유로연장이 짧으면 형상계수가 커지면서 첨두유출량은 커지는 것으로 모의되었다. 중간형 유역의 형상계수는 세장형과 집중형 유역의 중간 정도이지만 각 유역의 소유역 형태로 나누어서 보면 중간형의 각 소유역의 유역폭이 500 m, 유로연장이 300 m로 세장형의 유역폭이 500 m와 유로연장이 400 m에 비해 유로연장이 짧게 구성되어 세장형 유역에 비해 첨두유출량이 낮은 것으로 판단되어 유역 첨두유출량은 유역폭과 유로연장에 상당한 영향을 미치는 것으로 판단된다.
Table 1.
Comparison of peak flow by basin shape
2.5 불투수율 변화에 따른 첨두유출량 변화
가상유역의 불투수율 변화에 따른 유역의 유출 특성을 분석하기 위해서 불투수율을 50 - 90%의 범위에서 10% 단위로 변화시키면서 유역형상에 따른 첨두유출량의 변화를 분석하였다. 가상 유역의 불투수율의 변화에 따라서 집중형 유역이 불투수율에 가장 민감한 것으로 나타났으며, 중간형의 경우에는 불투수율의 변화의 영향을 많이 받지 않는 것으로 분석되었다 (Table 2).
Table 2.
Comparison of peak flow by change of impervious ratio
이는 전 절의 결과와 유사하게 유역면적과 유로연장 비율에 따른 영향인 것으로 판단되며, 집중형 유역의 경우 불투수 면적 비율이 커질수록 첨두유출량의 증가량이 세장형 및 중간형 유역보다 상당히 커지는 것으로 분석되었다. 따라서 유역 출구에서의 첨두유출량은 유역면적, 유역 폭 및 유로연장에 많은 영향을 받는 것으로 나타났으며, 세장형 및 중간형 유역보다 유역폭이 넓고 유로연장이 짧은 집중형 유역에서 유역 출구부에서의 불투수면적의 변화에 따른 첨두유출량의 변화가 큰 것을 알 수 있다.
2.6 특성 인자 변화를 고려한 민감도 분석
유역 출구의 첨두유출량이 유역의 면적, 폭 및 길이의 영향에 따라서 민감하게 변화되는 것으로 나타났으므로 이들 인자의 민감도를 알아보기 유역 폭과 유로연장 변화에 따른 첨두유출량의 변화를 분석하였다. 유역 폭은 500 m로 기본 가정하고 100 m씩 증가시켜 900 m까지 변화시켰으며, 유로연장은 400 m를 기준으로 가정하고 80 m씩 증가시키면서 720 m까지 변화시키면서 민감도를 분석하였다 (Fig. 3).
Fig. 3에서 유역 폭이 커질수록 유출구의 첨두유출량이 증가하는 것으로 나타났으나 유출량의 증가폭이 크게 나타나지는 않았으나 유역 폭이 작아질수록 첨두유출량의 감소폭은 상대적으로 커지는 것으로 분석되었다. 또한 유로연장이 길어질수록 유출구 첨두유출량은 감소하는 것으로 나타났으며, 길이가 짧아질수록 유출구 첨두유출량은 증가하는 경향을 보이다가 일정 지점이후부터는 첨두유출량의 변화가 거의 없는 것으로 분석되었다.
3. 간선저류지의 적용에 따른 침수저감효과 분석
3.1 대상유역 및 매개변수 추정
여수 도원지구는 전라남도 여수시 선원동, 안산동, 학동 일대를 포함하고 있다. 대상유역의 면적은 233 ha, 유로연장 1.91 km, 형상계수는 0.64로 가상유역의 중간형 유역과 비슷한 형태로 구성되어 있다 (Fig. 4). 주변은 산지로 되어 있으며, 우수의 방류는 남쪽에 위치한 남해로 이루어진다. 본 대상유역은 2010년 집중호우, 2011년 태풍 무이파, 2016년 및 2017년 집중호우로 상습적으로 침수가 발생한 이력이 있다. 본 연구에서는 Fig. 5와 같은 2017년 8월 19 - 23일 발생한 집중호우를 이용하고 실제 침수범위를 대상으로 Table 3과 같이 매개변수 추정을 실시하였다.
Table 3의 추정 매개변수를 적용하여 SWMM 모형으로 본 연구의 대상 유역인 여수도원지구의 침수해석을 수행하여 Fig. 6과 같이 침수구역이 모의되었으며, Fig. 6의 침수범위는 과거 침수이력과 거의 동일하게 도원사거리를 중심으로 침수가 발생한 것으로 분석되었다.
Table 3.
Correction results of major parameters
3.2 간선저류지 적용에 따른 침수범위 분석
간선저류지에 저류된 유출수를 흐름이 원활한 하류 관거 또는 수용천으로의 배수시키기 위한 시설물로 설치 목적에 따라 도시유역의 내수침수 저감효과를 향상시키기 위해서는 저류지의 방류지점 선정이 매우 중요하다고 판단된다. 따라서 본 연구에서는 실제 침수 유역인 여수 도원지구를 대상으로 간선저류지를 적용하기 위하여 도원지구의 유역 면적을 고려하여 중간형 간선저류지를 선택하였으며, 유역 상류부 면적비를 적용하여 간선저류지의 설치위치를 선정하고 간선저류지 적용에 따른 내수침수 저감효과를 분석하였다.
간선저류지의 설치위치는 Fig. 7과 같이 간선저류지 상류부 면적비가 40%인 지점에 설치하는 것으로 가정하였다. 저류지 용량은 자연유하로 방류가 이루어 지는 것을 고려하여 3,000 m3로 결정하였다. 또한 도원지구의 특성상 면적비가 60%, 80%에 상응하는 지점이 없으므로 두 개의 간선관거가 만나는 지점을 방류지점으로 결정하여 침수 저감효과를 분석하였다. 두 개의 간선관거 합류지점부터 유역 출구지점까지의 배수관거는 기존 관거 통수능 분석에서 관거 내 통수능력의 여유가 있으므로 흐름이 원활한 상태이므로 방류지점을 선정하였다.
간선저류지 설치에 따른 도원지구의 침수 저감효과를 분석한 결과는 Fig. 8과 Table 4와 같다. Table 4에서 간선저류지의 설치 전의 도원지구 침수면적은 221,207 m2로 모의되었으나 간선저류지 설치 후의 침수면적은 76,211 m2으로 모의되어 간선저류지 설치에 따라서 침수면적이 약 66.5% 정도 감소하는 것으로 나타났다. 이는 관거합류 지점부터 유역 출구지점까지 배수관거의 통수능에 다소 여유가 있어 많은 유출수가 관거로 유입되어도 배수관거의 만관 흐름이 미발생됨에 따라 간선저류지 설치에 따른 침수 저감효과가 비교적 크게 나타난 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 기존 설계 강우강도와 동일한 크기의 강우에서도 우수유출량이 증대되고 있는 도시지역에서 내수침수 저감 효과를 가지면서도 원할한 유출수의 배수를 위해 기 설치된 우수관거와 연계할 수 있는 간선저류지의 개념을 제시하였으며, 제안한 간선저류지를 적용할 수 있도록 간선저류지의 특성인자들과 설계를 위한 매개변수들의 관계를 분석하였다. 분석된 결과를 활용하고 실제 침수유역에 간선저류지를 설치를 위하여 설치위치 및 방류위치를 적용함으로 여수 도원지구의 내수침수 저감효과를 분석하여 다음과 같은 결과를 도출하였다.
1) 도시 내 우수유출을 저감하여 내수침수를 예방하기 위하여 오프라인 저류지와 우회관거를 결합한 소규모 지하저류지를 이용하여 관거 내의 유출수를 지체한 후에 우회관거를 활용하여 흐름이 원활한 배수관거로 우회하여 침수를 저감할 수 있는 구조물인 간선저류지의 개념을 정의하고 설치조건을 제시하였다.
2) 도시 유역에서 간선저류지의 설치위치에 따른 첨두유출량의 변화를 세장형, 집중형 및 중간형인 유역형상 변화를 반영하여 분석한 결과, 유역 폭이 커질수록 유출구의 첨두유출량이 증가하는 것으로 나타났으나 유출량의 증가폭이 크게 나타나지는 않았으며 유역 폭이 작아질수록 첨두유출량의 감소폭은 상대적으로 커지는 것으로 분석되었다. 또한 유로연장이 길어질수록 유출구 첨두유출량은 감소하는 것으로 나타났으며, 길이가 짧아질수록 유출구 첨두유출량은 증가하는 경향을 보이다가 일정 지점이후부터는 첨두유출량의 변화가 거의 없는 것으로 분석되었다.
3) 실제 도시유역에서의 간선저류지를 적용하기 위하여 도원지구의 유역 면적을 고려하여 중간형 간선저류지를 선택하였으며, 유역 상류부 면적비를 적용하여 간선저류지의 설치위치를 선정하고 간선저류지 적용에 따른 내수침수 저감효과를 분석한 결과, 간선저류지 설치에 따라서 침수면적이 약 66.5% 정도 감소하는 것으로 나타났으므로 본 연구에서 제시한 간선저류지는 도시지역의 내수침수를 저감시키는 데에 효과가 있는 것으로 판단된다.
4) 우수저류시설의 경우 침수가 일어나는 직상류 구간에 설치하여 하류부의 침수를 방지하는 목적을 가지고 있으므로 향후 본 연구에서 제시하는 간선저류지의 침수 저감 효과에 대한 보다 상세한 분석을 위하여 유역내 설치 위치에 따른 침수 저감 효과 분석 및 실증 연구에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
