In this study, rainfall characteristics with stationary and non-stationary perspectives were analyzed using generalized extreme value (GEV) distribution and Gumbel distribution models with rainfall data collected in major cities of Korea to reevaluate the return period of sewer flooding in those cities. As a result, the probable rainfall for GEV and Gumbel distribution in non-stationary state both increased with time(t), compared to the stationary probable rainfall. Considering the reliability of ξ1, a variable reflecting the increase of storm events due to climate change, the reliability of the rainfall duration for Seoul, Daegu, and Gwangju in the GEV distribution was over 90%, indicating that the probability of rainfall increase was high. As for the Gumbel distribution, Wonju, Daegu, and Gwangju showed the higher reliability while Daejeon showed the lower reliability than the other cities. In addition, application of the maximum annual rainfall change rate (ξ1·t) to the location parameter made possible the prediction of return period by time, therefore leading to the evaluation of design recurrence interval.

최근의 기후변화로 인한 국지성 호우의 증가로 도시유역의 내수침수피해가 증가하고 있다. 도시 내수침수에 큰 영향을 미치는 시간당 강우량이 증가하였으며, 도시화 및 산업화로 인한 불투수 지역의 증가로 인해 하천으로 유입되는 첨두유량의 증가, 도달시간의 감소 등의 수문학적 특성이 나타나게 되었다. 이로 인해 도시지역의 홍수에 대한 방어능력이 취약하게 되었으며 매년 호우로 인한 도시내수 침수 피해가 발생하고 있는 실정이다. 최근 침수피해가 발생한 광화문, 강남역, 사당역 일대 등은 불투수 지역의 비율이 80% 이상이므로 강우 발생시 빗물이 지하로 침투되지 못하며, 우수관거의 노후화로 인한 용량부족으로 인한 침수가 발생되는 것으로 판단된다. 대도시의 경우 대부분의 우수관거가 오래전에 매설되어 최근 발생하는 강우에 대한 대처능력이 떨어지므로 앞으로도 침수피해가 또다시 발생할 수 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 도시유역의 내수침수예측을 위해 현재 실무에서 가장 많이 사용되는 도시유출모형인 XP-SWMM을 이용하여 서울시 강남역, 목동 빗불펌프장 배수분구를 대상지역으로 선정하여 방재성능목표강우량을 입력강우로 적용하여 강우-유출분석을 실시하였으며, 침수피해가 발생하는 지역의 우수관거 용량 검토를 실시하였다.

도시화로 인한 인구집중 및 개발 집중현상으로 하천변 저지대 및 지하공간 사용이 증가하였고, 불투수층이 증가하여 도시유역의 배수체계는 우수관거에 의존하고 있다. 이러한 변화로 의해 우수관거의 저류용량 부족 및 외수와 내수의 충돌로 인한 도심지 역류 현상으로 인한 침수피해가 발생하고 있다. 기후변화로 인한 국지성 기습폭우에 의해 우리나라 침수면적은 줄어드는 추세지만 수해 밀도는 높아지고 있어 인구가 밀집되어 있는 도시지역에서의 피해는 급증하고 있다. 도시 침수피해 발생시 인명 및 재산뿐만 아니라 사회기반시설의 피해 등, 내수배제 불량에 의한 침수빈도는 더욱 빈번히 발생할 것으로 예상되며, 도시유역 유출특성을 고려한 홍수의 정확한 예측과 내수배제 효율증가가 필요하다. 본 연구에서는 상습침수가 발생하는 도시유역에 대하여 도시유역 유출특성을 고려한 홍수의 정확한 예측을 위해 강우분석 및 내외수를 고려한 홍수량을 산정하고, 도시유출모형인 SWMM 모형을 이용하여 하수관거의 월류를 분석하고, 이 결과를 홍수범람해석 모형과 연계하여 도시유역에서의 집중호우 발생시 범람해석을 실시하여 수방시설물의 홍수배제 효율을 분석하였다. SWMM 모형의 적용결과 외수위영향에 따른 원활한 내수배제가 불가능 한 것으로 나타났고, 관거 월류량이 많아진 것으로 나타났다. SWMM 모형의 결과를 이용하여 홍수범람해석 모형을 모의한 결과 지표경사와 도로를 따라 노면수가 모여 침수현상을 발생시키는 것으로 나타났다.

최근 빈번하게 발생하고 국지성 집중호우와 같이 갑작스럽게 발생한 높은 강도의 강우에 의한 유출량에 적절하게 대처하기 위하여 실시간 배수펌프장 운영기법의 개발 및 내수침수 예측이 가능한 시스템 개발이 요구된다. 본 연구의 목적은 최근 빈번하게 발생하고 있는 도시지역에서의 집중호우로 인한 내수침수에 대비하기 위하여, 내배수 시설의 실시간 운영 알고리즘을 개발하고 이러한 도시홍수 대책의 효과를 분석 및 향후 내수침수 예측을 위하여 내수침수 해석 모형을 개발하고자 한다. 개발한 모형의 적용성을 검증하기 위하여 마포배수구역에 발생한 2010년 9월 호우사상에 대하여 적용하였다. 뉴로-퍼지 모형은 불필요한 입력자료의 수는 모형의 규칙수를 증가시키고 오차를 유발하므로 최소한의 입력자료를 구성하기 위하여 크게 시간적 매개변수와 공간적 매개변수로 나누어 모형을 개발하였으며 가장 작은 오차과 큰 결정계수를 가지는 모형을 최종적으로 선택하였다. 이전 시간의 입력자료로부터 현재 시간의 수위를 예측하고 예측된 현재 시간의 수위를 바탕으로 작동 펌프의 수를 산정해야 한다. 이 과정에서 최적의 작동 펌프의 수를 계산하기 위하여 최적화 기법으로 수정된 유전자 알고리즘을 적용하였으며 여러 제약조건과 목적함수를 만족시키는 작동 펌프의 수를 도출하였다. 계산된 작동 펌프의 수는 뉴로-퍼지모형의 입력자료가 되어 다음 시간의 수위 예측이 가능하도록 한다. 마포배수구역에 적용결과 모든 배수펌프장에서 최고수위와 최저수위를 만족하는 결과를 얻을 수 있었으며, 잦은 펌프의 작동과 정지상태를 피하여 운영비 측면에서도 효과적인 결과를 얻을 수 있을 것으로 예상된다. 또한 뉴로-퍼지를 이용한 실시간 배수펌프장 내수위 예측 값을 경계조건으로 하여 개발한 2차원 통합침수해석 모형의 적용성을 검증하였다. 모의결과의 검증을 위해 침수실적도와 2차원 통합침수해석모형에 의해 계산된 침수면적간의 적합도 비교 결과 70~80% 범위를 보였다. 뉴로-퍼지 모형을 직접 가동 배수펌프의 수 혹은 토출량을 결정하도록 알고리즘을 구성하지 않음으로서 데이터 기반모형이 가지는 한계점을 극복하고자 우선 배수펌프장의 내수위를 예측하였고 예측된 수위로부터 운전자의 판단이 반영될 수 있으며 배수펌프장의 재난 비상상황시 재해정보지도를 구축함으로서 주민들에게 정보를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.

본 연구는 상습침수가 발생하는 도시의 소규모유역에서 flow nomograph를 작성하여 실시간 침수예측의 적용 가능성을 평가하고자 하였다. 하수관망에 의하여 배수가 되고 있는 소규모 도시유역에 대하여 지속시간별 강우량 자료를 SWMM 모형을 이용하여 유출모의를 수행하여 상습침수지역에서의 강우량에 따른 surcharge 발생, 침수발생시점 및 침수발생 등을 확인하여 flow nomograph를 작성하였다. 작성된 노모그래프에 대하여 기존 주요호우 및 동래예보 강우에 의한 침수예측과 이들 호우사상을 SWMM에 의하여 분석하여 비교하는 방법으로 홍수경보 가능성을 확인하였다. 소규모 도시유역특성상 강우에 의한 홍수도달시간이 짧고 빠르게 침수가 발생하는 특성상 실시간 호우에 의한 충분한 침수경보의 시간확보가 쉽지 않으나 작성된 모노그래프에 의한 침수경보 예측가능성이 있는 것으로 판단되었다. 동래예보의 경우 3시간 호우를 예보하고 있어서 보다 예보시간 확보가 수월하나 강우의 시간분포의 불확실성과 예측강우의 오차에 의한 유출의 오차를 극복해야 하는 문제가 있었다. 그럼에도 소규모 유역의 침수예측은 현재의 시점에서 볼 때 진보된 실무활용성이 있다고 판단된다.