도시유역의 저지대에서 집중호우에 따른 내수침수의 방지를 위해 빗물펌프장이 설치되어 있다. 현재 국내의 빗물펌프장은 자동화시스템에 의한 펌프 운영으로, 기준수위 도달 시 펌프 가동이 자동적으로 이루어지도록 프로그래밍 되어있다. 빗물펌프장에 설치된 펌프는 기계 및 전기 공급 시스템에 따라 모든 펌프를 한번에 동시 가동할 수 없으며, 현재 빗물펌프장 시스템은 펌프의 on/off가 각각의 펌프 한 대씩 순차적으로 가동하도록 설정되어 있다. 또한 펌프운영의 제한성으로 인하여, 빗물펌프장에 설치된 펌프의 종류에 따른 토출량이 상이할 경우, 펌프의 on/off 가동 순서에 의하여 빗물펌프장 운영의 효율이 달라질 수 있다. 따라서 본 연구에서는 배수 유역면적, 유수지 및 펌프 용량 등 현장 여건에 따라 최적의 펌프 운영을 수행할 수 있는 알고리즘을 활용하여 펌프장의 운영 방식 개선을 통해 펌프 조합 및 on/off의 여러 case를 통해 일반적이고 현장 운영자들이 적용하기 쉬운 운영 방식을 연구하였다.

도시지역에서 강우가 내리면 우수관거, 빗물저류지 및 빗물펌프장 등을 통하여 우수가 배제된다. 따라서 도시유역은 이들 내배수시설물의 홍수방재능력의 한계를 초과하는 호우사상이 발생하면 유역의 저지대를 중심으로 침수가 일어나게 된다. 침수저감을 위해서는 관거의 확장, 빗물저류지의 신·증설 및 빗물펌프장의 신설 또는 확장 등 홍수방재시설물의 능력 확장을 통하여 가능하다. 이러한 구조적인 대책은 도시지역 및 계획강우량 등의 한계가 있으므로 우선적으로 기존 방재시설물의 운영 최적화를 통하여 방재능력의 극대화가 이루어져야 한다. 비구조적인 대책인 최적운영은 주로 제어가 가능한 빗물펌프장에서 가능하므로 최적홍수제어는 빗물펌프장의 최적제어라고 할 수 있다. 이 또한 관거의 통수능 부족 등에 의한 중상류 저지대침수 등 빗물펌프장에서의 운영최적화에도 한계가 있게 된다. 본 연구에서는 빗물펌프장에서의 최적운영으로 기대할 수 있는 최대 침수저감량을 추정하기 위한 절차를 제시하고 적용을 시도하였다. 이를 위하여 시범유역을 선정하고 빗물펌프장의 설계 및 실운영자료 등을 조사하고 최대의 운영조건으로 가능한 침수저감능력을 분석하였다.

본 연구에서는 도시유역 내 위치한 빗물펌프장들을 포함하는 중소하천에 대하여 수리･수문 분석을 통하여 강우량-유출량-수위변동 관계를 도표화함으로써 단기간 내 예측된 강우량이 미리 설정된 기준 강우량에 해당 할 시 펌프를 조기가동하여 유수지의 여유용량 확보 및 상류 도시유역에서의 내수침수 위험성을 저감시키고자 한다. 따라서 본 연구에서는 빗물펌프장에서의 펌프 조기가동 운영을 위한 기준강우량 산정과 관련된 일련의 분석 체계를 수립하였으며, 이를 바탕으로 상·하류의 관측수위 기반 수위변동 예측 기술 및 본류수위에서의 영향 분석에 따른 적정 조기가동기준을 제시하였다. 상·하류 관측수위 기반의 빗물펌프장 조기가동에 관한 연구는 타당성 검토 및 기반 기술의 초기 개발 단계에 해당하며 현재 하나의 빗물펌프장 중심으로 펌프 조기가동 운영 기법을 제안한 상태이다. 향후 상·하류 관측수위 기반 수위변동 예측 및 상하류 빗물펌프장 운영에 따른 본류수위 영향 분석 기술의 연계분석 과정을 통해 정확성을 향상시킬 필요가 있다고 판단되며, 향후 이에 따른 수위 변동 영향을 고려한다면 기존의 펌프장 가동을 더욱 효과적으로 운영함으로써 도시유역에서의 치수안전성을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.

최근 기후변화에 따른 집중호우로 도시홍수의 피해가 급격히 증가하고 있다. 이러한 도시홍수를 효과적으로 방어하기 위해서는 내배수시설의 성능 개선이 선행되어야 한다. 이러한 내배수 시설의 성능 개선을 위해서 현재 기 설치되어 있는 빗물펌프장의 설계 및 운영에 대한 성능평가가 필요하다. 성능평가가 이루어져야 유입부 및 흡입부의 설계를 개선하거나 펌프의 용량을 증대하는 대안을 제시할 수 있을 것이다. 하지만 현재 설계기준에는 빗물펌프장의 설계 및 운영에 대한 성능 평가 방법이 부재한 실정이다. 따라서 빗물펌프장 내 흐름특성을 분석하여 설계 및 운영에 대한 성능 평가방법을 제시할 필요가 있다. 배수능력 평가 기준을 마련하기 위한 빗물펌프장 내 흐름특성 분석은 수리모형실험을 통하여 분석하는 것이 가장 이상적이나 현실적인 문제로 인하여 수치모의를 통해 분석하는 것이 적당할 것으로 판단된다. 수치모의를 사용하기 위해서는 수치모의의 검증이 필히 선행되어야 하므로 본 연구에서는 국내 빗물펌프장 흡입부의 설게기준과 기설치된 빗물펌프장의 형상을 고려하여 수치모의의 검증에 필요한 수리실험을 수행하였다. PIV(Particle Image Velocimety)를 이용하여 빗물펌프장 흡입부 주변의 유속장에 대한 자료를 확보하였다. 확보한 유속장 자료와 ANSYS CFX 모의 결과와 비교하여 3차원 수치모형의 검증을 수행하였다.

불투수지역이 대부분인 도시유역의 경우, 우수관을 통한 우수의 배제가 유출시스템의 대부분을 차지한다. 도시지역의 우수관로 및 빗물펌프장의 용량을 설계하기 위해서는 일반적으로 강우빈도해석을 통해 계산된 빈도별 강우를 Huff시간분포 등을 사용하여 일괄적으로 시간 분포시켜 유출을 계산한다. 그러나 이러한 설계는 기후변화 등으로 인해 게릴라성 호우 등이 빈번히 발생하고, 평균적인 강우강도가 증가하고 있는 현실의 불확실성을 제대로 반영하지 못한다. 그러므로 본 연구에서는 설계강우사상의 첨두강우강도가 가지는 불확실성을 분석하기 위해, 설계강우사상을 시간 분포시키는 대표적인 방법이며, 실제 본 연구의 적용지역인 가산1빗물펌프장의 설계에 사용된 Huff 2분위 방법과 과거 발생한 실제 강우사상들을 이용한 유출해석을 실시하였다. 그 결과, 유역 내 지체효과가 거의 없는 도시지역의 경우에는 총강우량보다는 첨두강우강도에 의해 유역 내 홍수가 유발된다는 것을 확인하였고, 이를 입증하기 위해 회귀분석을 수행하였다. 즉, 총강우량이 같다고 하더라도, 첨두강우강도에 따라 상류 우수관의 범람이 야기될 수 있으며, 이러한 현상은 같은 빈도의 설계강우량이라고 해도 지속시간이 짧은 경우에 더 큰 첨두강우강도를 가지므로 더욱 두드러졌다. 이것을 본 연구에서는 설계강우사상를 시간분포시킴에 의해 야기되는 첨두강우강도의 불확실성이라고 정의하고, 이에 대한 정량화 및 고려가 도시지역의 유출시스템 설계 시 고려되어야 함을 제안하였다.

최근 지구온난화로 인한 기상재해의 피해가 전 세계적으로 계속 증가하고 있다. 특히 집중호우는 시민들의 안전과 재산에 막대한 피해를 주고 있으며, 도시지역의 불투수성 포장은 홍수피해를 더욱 증가시키고 있다.(주진걸 2010, 전원준 2006) 따라서 도시지역의 홍수피해 및 저지대 내수침수 잠재 위험성을 방지하기 위하여 빗물펌프장이 각 도시지역에 설치되고 있으나, 연중 강우량의 절반이 여름에 밀집된 우리나라의 특성 상 빗물펌프장의 본연의 기능을 필요로 하는 강우계급은 강우빈도 중 20%에 그치고 있다(권용찬 2013, 박멱옥 2008). 본 연구에서는 한강으로 유입되는 A하천의 수위를 조절하기 위해 설치된 빗물펌프장에 생태유수지를 조성하여 강우 계급에 따른 홍수제방 효과 및 비점오염 저감효율을 평가하였다. 강우강도 1~2계급(10mm 이하, 10~30mm)에 대해 비점오염 저감시설로서 정상가동 되지만 3~4계급(30~50mm, 50mm 이상)이상의 강우량이 발생할 경우 시설이 침수되었다(국립환경과학원 강우유출수 조사방법, 2009). ROFM(강우량 빈도법) 산출 결과 1~2계급의 강우빈도는 연중 강우 빈도의 78.3%로 장마기간을 제외한 대부분을 차지하였으며, 비점오염원의 저감효율 평가결과 1계급 35.7%, 2계급 25.6%, 3계급 –25.8%, 4계급 –27.4%의 제거효율을 보였다. 이러한 강우모니터링 결과를 통해 빗물펌프장에 조성한 생태유수지가 비점오염저감 및 홍수제방 양쪽 모두 순기능을 하는 것으로 나타났다. 매년 강수량은 10년 강우 평균에 비해 갈수록 높아지고 있으며, 일 최대 강수량이 200mm 이상으로 발생하는 등 단기간 집중되는 높은 강도의 강우가 발생하고 있다. 그에 따라 시설이 파손되거나 침강지의 토사가 빠른 유속에 의해 유실되는 등 정상운영에 어려움을 겪고 있어 변화하는 강우사상에 따른 시설의 적정 운영 및 유지관리가 요구되고 있다.

일반적으로 빗물펌프장의 운영은 유입부의 수위만을 고려하여 운영되고 있는데 이러한 운영 방식은 수위가 급격하게 변화할 경우 효율적으로 대처하기 어렵다는 한계를 가지고 있다. 이에 많은 연구자들은 다양한 모형을 이용하여 빗물펌프장의 효율을 극대화하기 위한 노력을 하였다. 하지만 빗물펌프장 주변의 흐름특성을 실제 측정한 결과가 없었기 때문에 이들 모형을 검증하기 어렵다는 한계가 있었다. 따라서 빗물펌프장 효율적 운영을 위한 모형들의 검증을 위한 빗물펌프장 운영 시 빗물펌프장 주변의 흐름특성을 실측한 자료가 필요하다. 이에 본 연구에서는 개봉1 빗물펌프장을 대상으로 표면영상유속계를 이용하여 빗물펌프장 운영 시 유수지 유입부와 빗물펌프장 토출부 주변의 유속분포를 측정하였다. 유속분포 측정은 2012년 8월 15일 발생한 홍수사상에 대하여 실시하였다. 빗물펌프장 주변의 유속분포 측정에 표면영상유속계를 적용한 결과 짧은 시간에 유속을 측정할 수 있기 때문에 급격한 수위 변화에 충분히 대응할 수 있어 빗물펌프장 주변의 평면유속분포 측정에 적용이 가능한 것을 확인하였으며 향후 빗물펌프장 주변에 고정으로 설치한다면 실시간 유속분포 측정도 가능할 것으로 판단된다.

최근 도시지역의 내수침수로 인한 피해가 급증하고 있어 이에 대한 대책으로 제내지의 초과 우수를 하천으로 강제 배수시키는 빗물펌프장에 대한 설치 요구가 증대되고 있다. 빗물펌프장의 효율적 운영을 위해서는 내수와 외수의 변화를 충분히 고려하여야 한다. 또한 본류 수위 증가로 인해 배수위 영향을 받는 지천의 경우에는 본류 수위 변화를 고려해야 하고, 본류 합류부에 배수문이 설치되어 있을 경우에는 빗물펌프장의 운영뿐만 아니라 효율적인 배수문 조작이 요구된다. 따라서 빗물펌프장과 배수문의 최적 설계 및 운영 방법을 수립하기 위해서는 기존 수치모형을 이용한 결과뿐만 아니라 빗물펌프장 운영 시 실제 흐름특성 변화를 관측한 자료가 필요하다. 이를 위해 본 연구에서는 개봉1 빗물펌프장과 개봉1 배수문을 대상으로 홍수 시 빗물펌프장 운영에 따른 배수문 주변의 흐름특성을 측정하였다. 유속분포 측정은 표면영상유속계를 이용하였으며, 측정 구간은 배수문 직상류와 직하류에 대하여 실시하였다. 유속분포 측정 결과 홍수위 상승 시와 하강 시 배수문 주변의 흐름특성 변화뿐만 아니라 빗물펌프장 운영에 따른 배수문 주변의 흐름특성 변화도 확인할 수 있었다.

빗물펌프장에 설치된 펌프는 운영되는 동안 홍수시 변화하는 하도의 수위조건에 영향을 받는다. 이러한 하도수위변화는 펌프운영효율을 저하시키는 캐비테이션, 수격 및 서징 등의 현상을 발생시키는 원인이 될 수 있다. 펌프운영효율이 저하하게 된다며, 빗물펌프장으로 유입되는 홍수를 원활하게 배제시키지 못함으로써, 도시내수침수에 의한 홍수를 발생시킬 수 있다. 펌프의 효율을 떨어뜨리는 캐비테이션의 발생원인은 다양하지만, 흡수정 내에서는 흡입관 주위에서 vortex가 발생하여 물과 함께 공기가 유입되어 캐비테이션이 발생하게 된다. 이러한 vortex는 다양한 흐름조건에 의하여 형성되므로, 흡수정 내의 수위조건을 반영한 수치모의를 주로 수행하였다. 본 연구에서는 하천에서 발생한 홍수시 변화하는 수위를 수치모의에 반영하고 흡수정 내의 수위 조건에 따라서 발생하는 흡수정 내의 흐름특성을 분석하였다. 연구에서 적용된 빗물펌프장의 경상남도 김해시의 OO 빗물펌프장이다. 펌프가 단일 운영되는 조건과 다중 운영되는 조건에 대하여 수위변화를 적용하여 FLOW-3D 모형을 이용한 3차원 수치모의를 수행하였다.

계속되는 도시 개발붐은 유역내 불투수지역을 증가시켜 첨두홍수유출량이 늘어나게 되었고, 도시지역 저지대에서 침수피해가 자주 그리고 크게 발생하게 되었다. 본 연구에서는 홍수침수피해를 최소화 하기 위하여 빗물펌프장의 과학적인 운영바안을 제시하였다. 첫째, 연구대상유역에 대하여 기왕의 강우사상에 맞는 도시 홍수유출모형으로 ILLUDAS 모형을 선정하였다. 둘째, ILLUDAS모형으로 재현기간별 강우사상에 대한 유출수문곡선을 모의한 후 강우지속기간에 따른 펌프