최근 기후 변화와 도시화가 가속화되고 있다. 또한, 극한 강우 사상의 발생 빈도가 증가함에 따라 하수도 용량 등의 부족으로 배수불량에 의해 지하 수위가 상승하여 내수침수가 발생한다. 이러한 이유로 인프라의 기능 상실이 발생하여 공공의 안전이 보장되지 않으며, 비상 대응 및 복구를 위해 손실이 발생한다. 인명 및 재산 손실 최소화를 위해 대응 방안 마련이 시급하여 우리나라에서는 하수관거 설계빈도를 상향 조정하는 등의 구조적인 대응 방안을 수행하고 있다.
그러나, 최근 구조적 대응 방안의 설계빈도를 상회하는 극한 강우의 발생 빈도가 증가함에 따라 도시침수가 지속하여 발생하고 있다. 구조적인 대응 방안의 경우, 경제적, 시간적 자원이 장기적으로 요구되므로, 신속한 대응에 어려움이 존재한다. 비구조적 대응 방안은 구조적 대응 방안에 비해 단기적이며 저비용으로 대응이 가능한 경우가 많고, 실시간 상황에 적합한 예·경보 또는 대응 방안을 마련할 수 있다. 따라서, 최근의 이상기후에 따른 도시침수 문제는 구조적 대응 방안과 동시에 조기 대응이 가능한 비구조적 대응 방안을 고려하여야 하는 시점이라고 판단된다. 본 연구에서는 도시침수의 비구조적 대응을 위한 최적 수위 모니터링 지점 선정 방법론을 개발하고 모니터링을 활용한 도시침수 대응 프로세스를 제안하였다.
첫 번째로, RFAHD를 활용한 수문분석을 통해 연구대상지역의 확률강우량을 산정하였다. 연구대상지역 내 AWS 관측소가 부재함에 따라 티센다각형 작도를 통해 인근 AWS 관측소에 대한 가중치를 부여하여, 28개년(1995~2022년)에 대하여 강우 데이터를 구축하였다. 연구대상지역의 강우 특성을 파악하기 위해 자기상관 분석, 연 강우 평균 발생 개수 분석, 변동계수 분석에 따라 무강우 지속시간을 산정하였다. 분석 결과, 변동계수 분석법이 평균 및 표준편차가 1에 근접하는 지점을 명확하게 판단할 수 있어 강우 사상 분리를 위한 무강우 지속시간 결정 방법으로 활용하였으며, 무강우 지속시간은 18시간으로 결정되었다. 강우 사상 분리를 수행한 결과, 지속시간이 1시간에 해당하는 강우 사상이 603개(32.52 %)로 가장 많았고 지속시간 2시간의 강우 사상이 368개(19.85 %), 지속시간 3시간의 강우 사상이 223개(12.03 %)로 산정되었다. 또한, 구축된 강우 데이터를 활용하여 확률강우량을 산정하여 확률강우강도식을 결정하였으며, 본 연구에서는 모든 재현기간에 대해 결정계수가 0.999 이상으로 높게 나타난 전대수 다항식형을 채택하였다.
두 번째로, 연구대상지역에 대하여 일상적인 강우 상황부터 극한 강우 사상까지 다양한 특성을 종합적으로 고려하기 위해 설계빈도와 지역 특성을 고려하였다.
현재 국내에서는 하수도시설의 설계빈도로 10, 30, 50년을 제시하고 있으나, 극한 강우 사상의 발생 빈도가 증가함에 따라 이를 대비할 수 있는 100년 빈도까지 고려하였다. 또한, 앞서 강우 사상을 분리한 결과 연구대상지역은 지속시간이 짧은 강우 사상의 발생 빈도가 현저히 높다고 판단되며, 시나리오 설정 시 해당 지역의 강우 특성을 반영하여 4개의 재현기간(10, 30, 50, 100년)과 3개의 지속시간(1, 2, 3시간)을 종합하여 총 12개의 시나리오를 설정하였다. 이후, 설정한 시나리오를 기반으로 Huff의 4분위 중 홍수 대응에 활용할 수 있는 3분위를 적용한 시간 분포를 적용하였다.
세 번째로, 도시침수 대응을 위한 최적 수위 모니터링 지점 선정 방법론을 개발하였다. 최적 수위 모니터링 지점 선정을 위해 시나리오별 월류 지점을 도출하고, 해당 지점을 주요 지점으로 결정하였다. 모든 시나리오 결과를 종합하였을 때, 전체 1,956개 맨홀에서 월류 발생이 예상되는 맨홀은 총 67개(3.43 %)로, 주요 지점은 하류부에 집중된 특성이 나타났다. 이는 상류와 하류가 수문학적으로 긴밀한 관계가 있고 강우 시 하류로 누적되는 현상이 반영된 것으로 판단된다.
주요 지점에 대하여 효율적인 모니터링 수행을 위해 맨홀 간 최대 거리와 관로의 연결성을 고려하여 그룹화를 수행하였다. 연구대상지역의 관로는 600 mm 이하에 해당하는 관로가 약 84.35 %에 해당하므로, 하수도 설계기준 상 제시된 맨홀 설치조건을 고려하여 75 m를 최대 거리로 고려하였다. 이때, 맨홀 간 거리가 75 m를 초과하더라도 하나의 관로로 연결되어 있다면 직접적인 상호연결성이 존재하므로 동일 그룹 내에 귀속시켰다. 따라서, 최종 그룹은 총 17개([그룹 1]~[그룹 17]), 최하류 그룹은 [그룹 15]로 도출되었다.
최하류부에 해당하는 [그룹 15]의 [52번 맨홀]은 모든 시나리오에서 수위 패턴의 최대 유사성과 침수흔적 최소 거리를 만족하는 최적 수위 모니터링 지점으로 결정하였다. 해당 지점을 기준으로 수위 패턴의 최대 유사성, 침수흔적과의 최소 거리 이외에도 그룹의 비중복, 예산에 따른 모니터링 지점의 개수를 고려하여 시나리오를 종합하여 12개 지점을 도출하였다. 이를 종합하여 유하시간을 고려하여 반경 200m 내에서 중복이 없고 침수흔적까지의 최소 거리가 가장 짧은 지점을 우선으로 4개 지점이 도출되었다.
마지막으로, 선정된 최적 수위 모니터링 지점을 활용한 실시간 모니터링 기반 비구조적 대응 프로세스를 제안하고자 하였다. 본 연구에서는 기상청에서 제공하는 초단기 강수 예측 데이터를 활용하여 한계 강우량 이상이 될 것으로 예측되는 경우 유관기관에 구체적인 예보 방안을 제안하였다. 예측 강우량을 기반으로 한 시뮬레이션 결과 도출된 월류 발생 예상 지점을 도출한다. 이때, 비상 대응 체계 구축에 활용될 수 있는 실시간 위치에 기반한 최적 대피 경로를 제안하였다. 해당 프로세스는 침수 위험 지역을 제약조건으로 설정하여 Dijkstra 알고리즘을 활용한 대피소까지 가는 최단 경로를 탐색하였다.
본 연구에서 제안한 방법론을 활용하면 제한된 자원 내에서 효과적이고 유동적인 모니터링을 실현할 수 있을 것이다. 제안된 모니터링 방법과 대응 프로세스는 각 지역의 특성에 유연한 대응이 가능하며, 도시침수 선제 대응을 위한 효과적인 의사결정에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.