딥러닝과 강우유출모형 기반 도시홍수 피해저감 대책 수립 연구 : - 서울 도림천, 도시하천을 중심으로

원용만 서울시립대학교 일반대학원 2022 국내박사

최근 기후변화로 인한 돌발강우 패턴과 강우강도의 증가 그리고 도시 집중 개발로 인한 강우 유출량 증가로 인해 도시유역의 내외수 침수피해 가 급격히 증가하고 있으며 최근에도 인명과 재산피해가 끊임없이 발생하 고 있다. 또한, 지속적인 도시화로 인해 불투수 지역은 계속 증가하고 있 으며 대부분의 도시침수 취약지역에는 3~5시간 이하의 짧은 도달시간을 가지는 도시하천이 연결되어 있어 집중호우에 매우 취약하다. 그동안 발 생한 도시홍수 피해는 사후 복구와 시설 보완 대책에 집중되어 완전한 홍수 위험 제거에 한계가 있어 구조적 대책뿐만 아니라 정확하고 선제적인 홍수 예경보와 같은 비구조적 대책에 대한 필요성이 대두되고 있다. 현재 도시 홍수피해를 저감하기 위한 다양한 연구들이 진행되고 있으며, 물 관 리 일원화를 위한 관련 기관별 하천관리 이관 및 통합과 하천기본계획, 특정 하천유역 치수계획을 통한 구조적 홍수 피해 저감 대책 수립 그리고 최근 에는 급격히 발전하는 빅데이터와 인공지능 모델을 활용한 홍수 예경보, 피 해저감에 관한 연구들이 많은 관심을 받고 있다. 도시홍수 피해를 저감하기 위한 정확하고 선행적인 홍수 예경보와 침수 위험성 분석을 통한 홍수 피해저감 대책의 수립은 필수적인 전제조건이다. 본 연구에서는 딥러닝과 강우 유출 모형을 적용하여 도시하천을 중점으로 돌발홍수에 의한 인명피해를 사전에 방지하는 비구조적 대책과 도시지역의 침수 위험성 평가를 통한 구조적 대책을 수립하였다. 도시홍수 취약지역의 피해저감을 위한 대책 수립 연구는 첫 번째, 돌발홍수에 의한 도시하천의 인명피해를 저감하기 위해 도시지역의 외수(하천)와 내수(하수관망) 그리고 치수시설물(빗물펌프장, 지하 저류조)을 모두 고려한 통합 물리 모형을 구축하 고 강우 시나리오를 분석하여 도시하천 둔치 수위 예경보 기준을 수립하 였다. 강우 유출 모형의 정확성을 제시하기 위해 2020년 08월 호우 사상을 - v - 대상으로 하천의 수위와 펌프장 유출량 결과를 실측자료와 비교하고 검보 정 하였다. 두 번째, 도시하천의 홍수경보 방안으로, Vanilla ANN 모형 과 LSTM, Stack-LSTM, Bidirectional LSTM의 딥러닝 모형을 구축하 고 8월 20일 호우 사상을 대상으로 하천 둔치 수위 경보를 검증하였다. 각 각의 모형들은 도시하천의 10분 단위 수위 자료를 학습하고 하천의 특성 과 도달시간 그리고 침수 위험지역 등을 고려하여 선정된 대상 지점의 30분 후 수위를 예측하도록 구축하였다. 딥러닝 모형 중 LSTM을 적용한 홍수경보가 리드타임 30분의 수위 예측에 대해 RMSE 모형 평가 결과 가 0.1388로 분석되어 효과적인 홍수경보 기능을 수행하였다. 세 번째, 딥러닝과 강우 유출 모형을 기반으로 분석된 침수 위험성 결과를 바탕으 로 대상 유역의 도시홍수방어 행동 매뉴얼을 작성하였다. 국내의 실질적 인 도시홍수 대응은 지자체 위주로 수행 되며, 정확한 돌발홍수 대응을 위 해서 대상 유역의 하천 통제구간 및 기준, 진출입 차단시설 운영기준, 돌발 홍수 대응프로세스, 추가 홍수 대응 시설물 설치 등을 제시하였다. 마지막 으로, 도시유역의 강우 유출 모형을 기반으로 도시침수를 저감할 수 있는 구조적 대책을 수립하였다. 외수와 내수 그리고 치수시설물의 적용을 통해 대상 유역의 특성을 모두 고려한 물리 모형 분석으로 대상 도시유역 현시점의 침수 위험구간과 침수저감 방안들을 분석하고 침수 저 감량과 사 업비 등을 고려하여 최종 홍수방어 대안을 수립하였다. 본 연구의 도시하천 돌발홍수 예경보 및 도시침수저감 대책 수립 연구는 도시하천에서 발생하 는 인명피해를 선제적으로 방어하고 도시침수저감 대책 수립방안을 제시하 는 사례연구로서 도시지역의 침수저감 방안 수립에 기여하고 다른 도시유 역의 특성을 고려하여 추가 확장 방안을 마련할 수 있다. Abstract Recent increases in unusual rainfall and rainfall intensity due to climate change, along with an increase in heavy rainfall outflow from intensive urban development, are leading to a rapid increase in floods in and out of urban basins, regularly causing damage to human life and property. In addition, the constant increase of impervious surface areas due to continuous urbanization means that most areas already vulnerable to urban flooding are connected to urban rivers with a flood arrival time of under three to five hours, making them highly vulnerable to localized torrential rain. urban flood damage reduction policies have been concentrated on measures for post-flood recovery and facility improvement, with limited efforts for the reduction of flood risk. Currently, there is a need for non-structural measures such as precise and pre-emptive flood warnings. Various studies on the reduction of urban flood damage are currently underway, and a structural flood damage reduction measure for the escalation and integration of the unification of water management using a river master plan and specific river basin dimension plan is being established. There has also been an increased interest in studies on damage reduction that use big data and artificial intelligence models for flood warnings, which are developing rapidly as of late. Establishing flood damage reduction measures through accurate and pre-emptive flood warnings and flood risk analysis is an - 134 - essential prerequisite for the reduction of urban flood damage. In this study, deep learning and a rainfall runoff model were applied to establish non-structural measures to prevent casualties from flash floods that originate from city rivers, as well as structural measures for flood risk evaluation in urban areas. As a first step, a study on measures for the reduction of damage and casualties due to flash floods in areas vulnerable to urban flooding built integrated physical models that considered the urban area's rivers, sewer network, and flood control facilities (rainwater pumping stations and underground storage tanks) and analyzed heavy rainfall scenarios to evaluate the standard for urban river water level warnings. To confirm the accuracy of the rain runoff model, the river water level and pumping station flow data of the August 2020 heavy rain event were compared and calibrated with the actual measured data. Second, for the flood warning plan for urban rivers, Vanilla ANN, LSTM, Stack-LSTM, and Bidirectional LSTM deep learning models were constructed and verified against the water level warning during the heavy rain event of August 20. Each model was constructed to learn the water level data in 10-minute increments, and to consider this alongside the river's characteristics, arrival time, and flood risk area, in order to predict the water level after 30 minutes from the selected target. Among the deep learning models, the RMSE model that applied LSTM with a flood warning lead time of 30 minutes was found to have a model evaluation result of 0.1388, meaning that it - 135 - effectively performed the flood warning function. Third, an urban flood prevention manual was created for the target watershed, based on the results of the flood risk analyzed from the deep learning and rain runoff models. As domestic urban flood response is being carried out by local municipalities, the river control sections and standards, standards for facilities to block entry and exit points, flash flood response processes, and installation of additional facilities for flood response for the target watersheds were presented for an effective flash flood response. Finally, structural measures for the reduction of city flooding were established based on the rainfall runoff models for urban watersheds. Through an analysis of a physical model that considers all the characteristics of target watersheds including external, internal, and flood control facilities, a final flood prevention approach was established that analyzes the target watershed's current flooding danger zone and flood reduction measures, while considering flood reduction and business expenses. This study's evaluation of urban river flash flood warnings and urban flooding reduction measures presents a case study that contributes to the evaluation of the flood protection measures of urban areas, to pre-emptively prevent casualties from urban rivers and reduce flooding in urban areas. It can be used to consider the characteristics of other urban watersheds to arrange additional prevention measures.

지속가능한 도시홍수저감에 대한 연구 : 그린인프라와 배수관망을 중심으로

황준식 영남대학교 대학원 2018 국내박사

Vulnerability to floods in urban areas is increasing day by day due to climate change and climate extremes. Therefore, various types of counter measures are introduced to urban catchments such as detention or retention ponds, pumping stations, levees and drainage systems. However, these conventional structural measures can trigger serious flood damages in case of failure due to operational problems. Therefore, this study aims to minimize these problems and focused on sustainable alternatives that can operate persistently to prevent floods in the event of hydrologic extremes. As one of these sustainable alternatives, this study focused on evaluation of green infrastructures (GI) focusing on the directly connected impervious areas (DCIA). The DCIA of an urban catchment is more accurate indicator than the total impervious area (TIA) to assess the changes in the hydrological system of the catchment. This study assessed the impact of GI on hydrologic response of urban catchments based on the reduction of DCIA due to implementation of GI. To achieve this, this study evaluated the spatial planning of DCIA in an urban catchment by combing the width function-based unit instantaneous hydrograph (WFIUH) and the changed of DCIA by GI. The result showed that the difference of changes in the DCIA depending on spatial planning of GI and the resulting shape of the direct runoff hydrographs and reduced peak flows. The results also suggested that the assessment of GI should be done with extreme caution and should be verified using appropriate hydrological models to assess the impact of changes of DCIA in the catchment. The results also showed that the WFIUH can be an alternative to the existing model due to the model simplicity and the capability of DCIA analysis. The results from the suggested approach showed that the direct runoff hydrograph is close to the results from the highly detailed and heavy SWMM model. Quantitative assessment tools for the spatial distribution of the impervious area and the changes in the DCIA suggested an innovative way to effectively and strategically introduce the GI for urban environments that can handle floods in urban catchment. A second alternative is the configuration of drainage networks based on the relation between network topology and hydrologic response of a network. This study analyzed the characteristics of drainage network using Gibbs' model in Seoul. The results showed that the drainage network of Seoul area has a very wide network configuration. The results showed that there was no significant correlation between the layout of the network and the geomorphological and topological characteristics of the catchment. This is important because the construction of the drainage network is not entirely dependent on these natural characteristics. Therefore, it is necessary to consider the configuration of the drainage network because the drainage network structure of a catchment is closely related to the peak flow of the runoff hydrograph. This study proved this with a case study that examines the effect of alternative drainage network in Seoul. The results showed that efficient drainage network poses potential risks to flood. On the other hand, the alternative drainage network with low efficiency and high sinuosity reduces peak flows and volumes also with the historical extreme events. The study also showed that distinctively different network configurations can be applied to different location in an urban catchment for the purpose of reducing peak flows at the outlet. Therefore, the design of drainage network configuration in urban watersheds can be a crucial alternative for the flood mitigation in urban environments. 기후변화와 이상기후로 인하여 도시지역의 홍수에 대한 취약성이 날로 증가하고 있다. 그러므로 저류지 또는 유수지, 펌프장, 제방, 배수시스템과 같은 도시유역에 다양한 유형의 대응책들이 도입되고 있다. 그러나, 이러한 전통적인 구조적 대책은 운영상 문제 발생 시 더 심각한 홍수피해를 일으킬 수 있다. 따라서 이번 연구는 극한 수문사상으로 인한 홍수발생 시 이러한 문제를 최소화하고, 지속적인 홍수저감 기능을 수행할 수 있는 지속가능한 대안에 초점을 맞추고 있다. 이러한 지속가능한 대안 중 하나로서, 직접 연결된 불투수지역(DCIA)에 초점을 둔 그린인프라(GI) 평가를 수행하였다. 도시유역에서의 DCIA는 유역의 수문학적 반응의 변화를 평가함에 있어 전체 불투수지역(TIA)보다 더 정확한 지표로 사용할 수 있다. 이번 연구에서는 GI 적용으로 인한 DCIA 감소를 기준으로 GI가 도시유역의 수문학적 반응에 미치는 영향을 평가하였다. 이를 위하여, 본 연구에서는 폭함수 기반의 폭함수단위도법과 GI 적용에 따른 DCIA 변화를 결합하여 도시유역에서의 DCIA의 공간적 변화에 대하여 평가를 하였다. 그 결과 GI의 공간계획에 따른 DCIA 변화 양상과 직접유출 수문곡선의 모양 및 첨두홍수량의 저감을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 GI의 평가가 신중하게 이루어져야 하며, 유역의 DCIA 변화가 미치는 영향을 평가하기 위해 적절한 수문모형을 사용하여 검증되어야 한다는 것을 의미하는 것이다. 또한 WFIUH 모형이 단순하고 DCIA 분석이 가능함으로써 기존모형의 대안이 될 수 있음을 보여주었다. 이러한 결과는 매우 상세하게 구축한 SWMM 모형의 직접유출 곡선의 결과와 금회 제안한 접근법의 결과가 매우 유사했기 때문이다. 불투수지역의 공간적 분포와 DCIA의 변화에 대한 정량적 평가는 도시유역의 홍수를 다룰 수 있는 도시환경 조성을 위해 GI를 효과적이고 전략적으로 도입할 수 있는 방법을 제시하였다. 두 번째 대안은 네트워크의 기하학적 특성과 수문학적 응답 사이의 관계에 기반한 배수관망 구성에 관한 연구이다. 이번 연구에서 서울의 배수관망의 특성을 분석하기 위하여 Gibbs 모델을 이용하였다. 그 결과 서울지역의 배수관망의 특성은 매우 넓은 범위의 네트워크 구성을 가진 것으로 분석되었다. 이전의 연구와 비교하여, 금회 연구는 네트워크의 구성과 유역의 특성(유역경사 등)에 대한 상관성분석결과 큰 연관이 없는 것으로 밝혀졌다. 이러한 결과가 중요한 이유는 배수관망의 구성은 자동적으로나 자연적으로 지형적인 특성에 의하여 전적으로 결정되지 않기 때문이다. 따라서 유역의 배수관망 구성은 유출 수문곡선의 첨두유량 또는 홍수와 깊은 관련성이 있기 때문에 배수관망 배치 구성에 대한 고려가 필요하다. 금회 연구사례는 서울지역의 대안 배수관망 구성을 검토하는 것이다. 일반적으로 배수관망 시스템은 유역에서 발생한 유출수 또는 홍수 등을 유역외부로 빨리 배출하기 위하여 만들어졌다. 다른 한편으로, 서울의 사례는 효율적인 배수관망이 홍수집중에 대한 위험성을 내포하고 있으며, 잠재적 홍수위험도를 증가시킬 수 있다는 것을 보여주었다. 또한 효율적 배수관망은 홍수가 발생하지 않았을 경우 유출부에서 높은 첨두량을 자는 경향이 있음을 보여주었다. 반면 효율성이 낮고 만곡부가 많은 금회 대안 배수관망은 홍수가 발생하지 않았을 경우 첨두유량을 저감 시키고 홍수가 발생하였을 경우 홍수량을 저감 시킨다. 따라서 도시유역에서 적절한 배수관망 구성을 관리하는 것이 도시환경에서 효율적인 홍수 완화를 위한 대안책이 될 수 있다.

Development and Application of a 2D Flow Analysis Model for Urban Flood Management

신은택 인천대학교 대학원 2024 국내박사

Due to environmental changes, water-related incidents and disasters are constantly occurring today. According to the EM-DAT Disaster Epidemiology Research Center (CRED, Centre for Research on the Epidemiology of Disasters), which collects and announces disaster data worldwide, approximately 73% of the disasters that occurred in 2022 were caused by floods and storms. Moreover, due to the high urbanization rate in Korea, floods often occur in urban areas, and their impact is increasingly becoming a major concern for urban residents and policy makers. Therefore, many efforts are ongoing to predict and manage such water flows. One of these research efforts is the development of flow analysis models, which are important mathematical tools used to understand and predict the aforementioned natural or scientific phenomena. In the past, the focus was on analyzing river flows and reservoirs using one-dimensional flow models. However, recent urban floods caused by extreme rainfall spread widely under the influence of urban topographic structures in space, leading to the development and application of two-dimensional models. At the same time, the advancement of remote sensing technology (especially high-resolution and high-precision input data such as LiDAR and Radar(SAR) data) that can be utilized as two-dimensional data and the improvement of computing capabilities are enhancing the applicability of two-dimensional models. However, there are still many difficulties in applying two-dimensional flow analysis models to urban flood phenomena, and efforts are needed to enhance their applicability. A comprehensive historical review of the researchers who led the development of two- dimensional flow models suggests that the future direction of two-dimensional flow analysis model development includes complex topography, dry/wet treatment, movement of dry/wet fronts, and beds with high roughness values. This can be summarized as an expansion of spatial accuracy and application dimensions, and the handling of generation terms and flow rates, indicating progress towards enhancing applicability. In this study, a two-dimensional flow analysis model was developed for urban flood analysis, and the computational data structure of the model was transformed from cell-centered to interface-centered to enhance applicability. In addition, a distributed inflow boundary condition was developed to input boundary conditions that match the user’s intention in complex urban shapes. Finally, an adaptive boundary condition was developed to handle vertical structures within the city. The techniques proposed above are all designed to enhance the applicability of the two-dimensional flow analysis model for urban flooding and are expected to contribute to the convenience and consistency of urban flood analysis. The accuracy and stability of the two-dimensional flow analysis model for urban flood analysis in this study were confirmed through comparative verification with existing researchers. The applicability in actual field cases was also confirmed to be high in terms of accuracy and stability through verification for analyzing the flow of rivers located near cities and verification of sudden flash flood cases. Therefore, if various applications for urban flood reduction are made through the developed model of this study, it will be possible to provide effective and practical results. Keywords: 2D flow analysis model, urban flooding, numerical analysis, shallow water equations, disaster reduction 환경의 변화로 인하여 오늘날 물로 인한 사건 및 재난은 끊임없이 발생하고 있다. 전 세계의 재난 데이터를 수집·발표하는 EM-DAT 재난역학연구센터(CRED, Centre for Research on the Epidemiology of Disasters)에 따르면 2022년 발생한 재난의 약 73%가 홍수와 폭풍으로부터 발생하였다고 한다. 더욱이 도시화율이 높은 국내 특성으로 도시 지역에서의 홍수가 자주 발생하고 있으며, 그 영향은 점점 더 도시 주민과 정책 입안자들의 주요 관심사가 되고 있다. 따라서 이러한 물의 흐름을 예측하고 관리하기 위한 많은 노력들이 지금도 진행되고 있다. 이를 위한 연구 중 하나로서 흐름해석 모형의 개발이며, 앞서 언급한 자연 현상 또는 과학적 현상의 이해와 예측을 위해 사용되는 중요한 수학적 도구로 활용되고 있다. 과거에는 1차원 흐름 모형을 이용하여 하천의 흐름과 저류지 해석에 중점을 두었다. 그러나 최근에는 극한 강우로 인하여 발생하는 도시홍수는 공간상에서 도시 지형 구조물의 영향을 받아 넓게 퍼져나가는 양상을 보이기 때문에 2차원 모형의 개발과 적용이 대두되고 있다. 이와 동시에 2차원 데이터로 활용할 수 있는 원격 감지 기술(특히 고해상도 및 고정밀 입력 데이터인 LiDAR 및 Radar(SAR) 데이터)의 발전과 컴퓨팅 능력의 향상은 이차원 모델의 적용 가능성을 높이고 있다. 하지만 도시홍수 현상에 대하여 2차원 흐름해석 모형을 적용하는 것에는 여전히 많은 어려움이 있으며, 적용성 높이기 위한 노력이 필요한 시점이다. 2차원 흐름 모형의 개발을 이끌었던 연구자들의 해당 분야의 역사적 검토를 종합하면 향후 2차원 흐름해석 모형의 개발 방향은 복잡한 지형과 마름/젖음 처리, 마름/젖음 전선의 이동, 높은 거칠기 값을 가지고 있는 하상 등이 있다고 언급하였다. 이를 정리하면 공간 정확도와 적용 차원의 확장 그리고 생성항과 흐름율의 처리 등으로 표현할 수 있으며, 적용성을 높이기 위한 방향으로 진행되고 있음을 알 수 있다. 본 연구에서는 도시홍수 해석을 위한 2차원 흐름해석 모형을 개발하였으며, 적용성을 높이기 위하여 모형의 계산 데이터 구조를 셀 중심에서 인터페이스 중심으로 변환하였다. 또한 복잡한 도시의 형상에서 사용자의 의도에 부합한 경계조건을 입력할 수 있도록 분포형 유입유량 경계조건을 개발하였다. 마지막으로 도시내의 수직 구조물을 처리하기 위한 적응형 경계조건을 개발하였다. 제안된 위의 기법들은 모두 2차원 흐름해석 모형의 도시홍수 적용성을 높이기 위한 기법으로 도시홍수 해석을 위한 편의성과 일관성을 높이는데 기여할 수 있을 것이라 판단된다. 본 연구의 도시홍수 해석을 위한 2차원 흐름해석 모형은 기존 연구자와의 비교 검증을 통하여 모형의 정확성 및 안정성을 확인하였으며, 도시 인근에 위치한 하천의 흐름을 해석하기 위한 검증과 갑작스럽게 발생하는 플래시 홍수 사례의 검증을 통하여 실제 현장 사례에서의 적용 또한 정확성과 안정성이 높음을 확인하였다. 따라서 본 연구의 개발모형을 통하여 도시홍수 저감을 위한 다양한 활용을 한다면 효과적이고 실용적인 결과의 제공이 가능할 것이다.

도시계획 적용을 위한 도시홍수 위험도 평가 연구

이상혁 부산대학교 대학원 2017 국내석사

한국형 국지성 호우로 인한 도시홍수 방재대책에 관한 연구 : -법과 제도·정책·시설물 중심으로-

문종철 한세대학교 대학원 2023 국내박사

지구온난화의 가속화로 기상이변이 증가하고 있고, 풍수해의 발생 건수도 늘어나고 있다. 본 연구는 지난 10년간 전국 주요도시의 풍수해 발생관련 자료를 조사하여, 풍수해로 인한 전국 주요 도시의 피해 현황을 파악함으로써, 풍수해의 가장 큰 원인인, 집중호우로 인한 피해의 방재대책에 대한 문제점과 개선 방향을 중심으로 연구하였다. 현재 우리나라의 연구는 도시홍수에 대한 구체적이고, 체계적인 연구가 이루어지지 않고 있고, 다양한 관련 데이터들도 각 기관별로 흩어져 있어, 도시홍수에 대한 구체적인 피해 자료가 제대로 집계되지 않고 있다. 본 연구를 통해, 국지성 집중호우의 특성을 가지고 있는, 우리나라의 풍수해 피해에 대하여 자료를 통한 구체적인 파악을 목적으로 하였고, 이를 통한 실증적인 정책 및 방재대책의 방향성을 모색하고자 하였다. 도시 쏠림 현상이 두드러지는 현대 사회에서는, 유수지와 우수관거 등 홍수를 예방하기 위한 예방시설 용량을 초과하는 집중호우가 발생하게 되면, 반지하 주택·상가·주차장·터널 등 도심의 지하와 저지대에 있는 여러 시설에서 필연적으로 침수피해가 발생한다. 이와 같은 추세라면 앞으로의 도시침수 양상은 현재보다 자주 발생할 것이며, 그 강도도 더 강해질 것이므로, 이를 대비하기 위한 노력이 시급해 보인다. 이에 본 연구에서는 도시홍수 피해가 반복되지 않도록 집중호우와 관련된 주요 현황을 살펴보고, 도심 홍수 방재대책의 문제점 및 향후 과제를 검토하고자 한다. 이를 위해 2012년 이후부터 2021년까지 10년 동안 전국 주요 도시를 기준으로 자연재해 중 풍수해로 인한 영향과 그 피해를 월별, 연도별로 추세를 파악하고, 피해가 집중되는 지역과 계절 및 원인을 분석하였다. 그리고 2000년대부터 선행연구로 기록되어 있는 풍수해 중, 국지성 호우 피해 사례 및 유형, 풍수해 대응을 위한 연구, 피해 경감을 위한 방재대책의 문제점과 해외사례를 비교하여 개선 방향을 중심으로 본 연구를 진행하였다. 위의 연구를 통해 제안하는 개선 방향을 위한 내용은 다음과 같다. 첫째, 법과 제도적 정비의 필요성이다. 현재의 도시홍수 방재에 관련된 법과 제도는 광범위하며, 도시홍수에 초점을 맞춘 세부조항들이 단편적으로 흩어져 있고, 지휘체계 또한 일원화 되어있지 않다. 방재 매뉴얼도 통합된 매뉴얼이 없는 상황이다. 이런 부분들의 일원화 및 체계화가 선결되어야만 방재에 대한 보다 효율적이고 빠른 대응이 가능하다. 둘째, 방재에 대한 정책적인 대응이다. 현재는 중앙정부와 지자체 간의 방재역할에 대한 정립이 제대로 되어 있지 않아, 재난 발생 시 책임소재가 불분명하며, 이런 이유로 대비와 복구도 효율성 없이 매번 달라져서 일선에서 빠른 대응을 하기 힘들어진다. 중앙정부는 대비 위주의 방재, 지자체는 대응 위주의 방재를 함으로써, 지자체에 예산의 부담을 벗어나게 함과 동시에 현장 지휘의 권한을 보다 많이 부여하여, 효율성을 도모해야 한다. 그리고 복구예산도 예방과 복구의 분리편성을 제도화함으로써, 중앙정부와 지자체가 예산의 부담을 적절하게 나누는 것을 제도화 해야 한다. 또한 도시홍수와 관련된 전문성을 갖춘 인력의 양성이 필요하다. 실제 현장에서의 경험과 방재에 대한 전문성을 갖춘 기존 인력을 최대한 활용하고, 그런 전문인력 중심의 교육체계가 이루어져야 한다. 그러기 위해서는 방재와 관련된 전문직의 신설이 필요하다. 셋째, 구조적 방재대책의 필요성이다. 방재를 위한 하드웨어적인 투자가 보다 적극적으로 이루어 져야 한다. 해외에서 이미 활발하게 진행되고 있는 지상 유수지의 적극적인 활용으로 유수지와 유휴지를 결합한 효율적 운영이 필요하며, 불투수 면적을 줄이는 노력과 대심도터널의 빠른 확산이 필요하다. 이러한 사업들은 필연적으로 기존 거주민들의 반발에 부딪히게 되므로 지자체와 민간단체가 같이 참여하는 홍보와 교육이 반드시 필요하다. 그리고 효율적 방재를 위한 언론, 지역공동체, 지자체, 민간단체간의 정조공유를 통한 신속한 예보체제가 필요하다.

시공간적 초상세 강우자료를 이용한 실시간 도시홍수 단기예측

김민석 서울시립대학교 2017 국내박사

최근 기후변화로 집중호우가 증가하고 있으며 향후에는 집중호우의 발생빈도가 더욱 증가할 것으로 분석되고 있다. 따라서 10~20km의 공간적 범위에서 단시간에 집중되는 집중호우의 강우특성과 집중호우로 인한 피해를 절감하기 위해서는 시공간적 초상세 강우자료를 이용한 수문분석과 선행적인 도시홍수예보가 필요하다. 현재 대부분의 수문분석은 한반도 조밀도 36.0km로 구성된 지상기상관측지점의 시 단위 강우자료를 이용함에 따라 집중호우의 시공간적 범위를 고려할 수 없는 뿐만 아니라 36.0km 이내의 확률강우량과 강우시간분포를 동일하게 적용하는 문제점 그리고 유출변동이 심한 중소규모 도시하천의 유출특성을 고려하기 어려운 문제점이 있다. 따라서 본 연구에서는 한반도 조밀도 13.3km로 구성된 방재기상관측지점의 분 단위 강우자료의 품질관리를 통해 시공간적 초상세 강우자료를 이용한 수문분석을 하였으며, 기후변화 시나리오 자료의 편의보정과 시간상세화로 기후변화를 고려한 수문분석을 실시하였다. 또한, 선행적인 도시홍수예보를 위해 관측자료 기반의 Flow Nomograph와 레이더 예측강우를 산정하였으며, 레이더 예측강우와 관측강우의 연동을 통한 유출분석으로 실시간 도시홍수 단기예측 적용 및 검증을 하였다. 본 연구에 분 단위 강우자료 품질관리 절차를 기 개발된 품질관리방법과 비교한 결과, 1분 단위 품질관리 및 강우 공간상관구조를 고려한 품질관리는 큰 차별성을 갖는 것으로 나타났다. 품질관리를 실시한 분 단위 강우자료를 시 단위 강우자료와 상관성분석, 연 최대치계열 및 연 최대치 발생시간에 대해 평가한 결과, 모두 시 단위 강우자료와 유사한 결과를 보였으며 이를 통해 품질관리절차의 적합성을 확인할 수 있었다. 확률강우량, 강우시간분포 그리고 강우-유출분석 단계로 시공간적 초상세 강우자료를 이용한 수문분석을 실시한 결과, 기존 지상기상관측지점의 시 단위 강우자료를 이용한 수문분석으로 발생하는 공간적 시간적 측면의 문제점 보완뿐만 아니라 더욱 효과적인 수문분석 결과를 도출하는 것으로 나타났다. 그리고 일 단위로 구성되어 있는 기후변화 RCP 4.5와 8.5 시나리오에 대해 분위사상법을 통한 편의보정과 과거 호우기반의 시간상세화를 적용하여 기후변화를 고려한 수문분석을 실시한 결과, 도림천 유역의 설계홍수량은 현재의 설계홍수량에 비해 2100년도에 13.3~54.8CMS 증가하는 것으로 나타났다. 마지막으로 실시간 도시홍수예보를 위한 단기예측 결과, 호우사상별 첨두유출량 발생시간은 약 60분, 첨두유출량은 약 35분전에 오차범위 4% 이내에서 정확한 예측이 가능한 것으로 나타났다. 본 연구의 결과는 분 단위 강우자료의 품질관리 향상, 시공간적 측면에서 유역 및 지역적 특성을 반영한 수문분석, 기후변화 대응 그리고 신속성과 정확도 높은 실시간 도시홍수예보 단계예측으로 도시홍수피해저감에 크게 기여 할 것으로 판단된다. Recently, climate change has increased severe rainstorms, which are expected to become more frequent. In order to consider the characteristics of severe rainstorms that are concentrated for a short time and a spatial range of 10~20km, a hydrological analysis using spatio-temporal rainfall data in extremely high resolution and proactive urban flood forecasts are necessary to reduce human and property damage caused by severe rainstorms. Currently, most hydrological analyses are conducted with hourly rainfall data at the Surface Synoptic Stations(SSS). The density of the SSS in the Korean peninsula is 36.0km, which cannot cover spatial ranges of severe rainstorms. Moreover, a problem occurs in hydrological analysis in that hydraulic structures, such as small and mid streams shorter than 36.0km as well as sewer networks, are applied with the same design rainfall and rainfall time distribution. Using hourly rainfall data for hydrological analysis causes problems that the characteristics of severe variations are not reflected when analyzing runoff. Therefore, this study conducted a hydrological analysis in terms of a closer spatio-temporal aspect through quality control of minutely rainfall data from Automatic Weather Stations(AWS) that is made up density of the Korean peninsula, 13.3km. Additionally, it conducted a hydrological analysis considering climate change through bias correction and temporal downscaling of the scenario data. For proactive forecasts of urban flood to reduce damage, Flow Nomograph based on observation data and radar forcasting rainfall were estimated. Runoff analysis, which links actual rainfall and radar forcasting rainfall, was applied to real-time urban flood forecasts and verified. As a result of comparing the pre-existing quality control method, quality control considering the spatial correlation structure of rainfall and minutely rainfall was a significant difference. Also, as a result of evaluating the minutely rainfall data that quality control was conducted for with hourly rainfall data, correlation analysis, annual maximum series and annual maximum occurrence time, it was revealed that all showed similar results to the hourly rainfall data; this proved the appropriateness of the quality control process. Results of hydrological analysis using spatio-temporal rainfall data in extremely high resolution through the steps by design rainfall, rainfall time distribution and rainfall-runoff analysis revealed the spatio-temporal problem of hydrological analysis using hourly rainfall data of SSS was supplemented, and more effective hydrological analysis results were derived. Furthermore, bias correction through the quantile mapping method and temporal downscaling of past rainstorms were applied to the RCP4.5 and 8.5 climate change scenarios consisting of a daily unit so as to conduct hydrological analysis considering climate change. As a result, design flood in the Dorimcheon basin was expected to increase by about 13.3~54.8CMS in 2100 compared to the current design flood. Finally, as a result of short-term forecasting for real-time urban flood warning, the peak flow volume time was about 60 minutes by rainfall events, and the accurate prediction of peak flow volume was available within a margin of error of 4%, about 35 minutes before. The results of this study are expected to be useful for improvement of quality control for minutely rainfall, spatio-temporal hydrological analysis reflecting characteristics of the basin and region, adaption of climate change and contribute to reducing urban flood damage through rapid and accurated real-time urban flood forecasts.

도시화 및 기후변화가 도시홍수피해에 미치는 영향에 관한 연구

하경준 부산대학교 대학원 2017 국내박사

The purpose of this study is to investigate the impact of urbanization and climate change on urban flood damage, and to establish a new correlation based on theoretical considerations. Previous studies on the impact on flood damages assume that the primary linear function is the sum of urbanization(impervious area), the rainfall variable and socio-economic factors. This study started from the criticism of this previous study. From a critical point of view, I propose an approach to the role of regulatory variables based on the definition of socio-economic factors as well as hydrological theory that urban flood damage is affected by impervious areas and rainfall, as a new approach. In summary, I tried to establish the theoretical relationship between impervious areas and rainfall to flood damage, and to derive a new correlation for the moderating the effect of social vulnerability variables. This study establishes two hypotheses from the viewpoint of the theoretical review and the critical point of the previous study as follows. Research hypothesis 1: The impact of urbanization and rainfall on urban flood damage is an exponential relationship model. Urban flood damage will increase exponentially with increasing urbanization and rainfall. Research hypothesis 2: Socio-economic factors of cities will play a role in controlling variables to increase or decrease damage in case of urban flooding. Based on the above hypothesis, this study complied 20 years data from 104 cities, counties and districts that experienced urbanization. The panel analysis is a dynamic method of analyzing how the characteristics of interest are changing with the passage of time by combining the recent cross-section with a time series. In this study, the autocorrelation and heteroscedasticity, which are the basic assumptions of the regression model, were proactively tested. As a result of the test, the panel GLS model was preferentially used because it did not satisfy both basic assumptions. In addition, since the analysis of basic statistics shows that more than 50% of urban flood damage tends to be offset to zero, the panel tobit model was used together to prevent an underestimation of the coefficient value. The results of this study are summarized as follows. The panel GLS model and the panel tobit model were applied to 104 cities, counties, and districts with high urbanization, respectively. As a result, the panel GLS model showed that when rainfall increased by 10%, urban flood damage increased by about 14%. And when impervious areas increased by 10%, urban flood damage increased by about 20%. As a result of applying the panel tobit model, urban flood damage increases by 29% when the impervious area increases by 10%. And when rainfall increases by 10%, urban flood damage increases by 44%. In this study, the panel tobit model was finally adopted and Hypothesis 1 was proven sufficiently when it was considered that the significance of the variability of rainfall and impervious areas and the fit of the model were high. In other words, the effect of urbanization and rainfall on urban flood damage was exponential, and it can be concluded that urban flood damage increases sharply when urbanization and rainfall increases. In the second hypothesis of this study, the panel GLS model and the panel tobit model using socioeconomic factors as moderating variable effects were used to find that the fit of the model was high and the significance of each variable was significantly high. It is analyzed how urban flood damage increases as the number of the vulnerable population under 5 years of age is increases. The results for the vulnerable population under age 5 are consistent with previous studies. As a result, the second hypothesis that socioeconomic factors play a role as a moderator variable to control urban flood damage in the event of a disaster, was satisfied. The theoretical implications that can be presented through this study are as follows. First, urban flood damage increases exponentially as urbanization and rainfall increases. Second, Socioeconomic factors act as moderator variables of urban flood damage, which can increase or reduce urban flood damage. Methodologically, regression analysis should be preceded by a test of heteroscedasticity and autocorrelation. If the rate at which the dependent variable is zero is high, it is preferable to use a tobit model. In addition, this study used the results of the analysis to predict future urban flood damage trends. Urban planning scenarios are assumed to be “high carbon climate non adaptive society” and “low carbon climate adaptive society”. As a result, it is estimated that the urban flood damage of future cities will increase by up to 500% more than in the case of “high carbon climate non adaptive society”. In “low carbon climate adaptive society”, urban flood damage was reduced by 20-30%. Based on this, three policy suggestions were presented. First, in order to realize a low-carbon climate change adaptive society, a priority should be placed on bringing about a change in awareness in the field of urban planning. Changes in perceptions should be accompanied by a change in perceptions from public officials to citizens to formulate and implement policies. In addition, goals and values for implementing a society that can acclimate well to climate change should be prioritized for the long-term planning of urban planning, and action plans to support this should be taken. Second, policy is needed to improve socioeconomic factors. Disaster safety education is a typical measure to improve the adaptive capacity of vulnerable groups. Systematic and effective disaster safety education is expected to change the knowledge, behavior and attitudes about disaster safety. I propose a plan to enhance the resilience of the region as another adaptive capacity improvement plan. To do this, it should be understood what resources the community has in order to improve disaster preparedness in the region. Finally, I propose reduction targets for municipalities or countries to improve water cycle for urban flood mitigation. In this study, I propose establishing a reduction goal of 20-30%. In addition, I would like to present a policy plan that can be utilized in urban planning along with future target amounts in order to expand the applicability of policy. In this study, we propose a plan that can be included in the zoning or district unit plans, which are a strong regulatory measure, to expand the participation of private businesses.

도시차원 수문학 분석을 통한 지자체 홍수 재해 대응 방안 설계 : 강동구지역에 대한 저류조 설계를 중점으로

최영훈 서울대학교 대학원 2019 국내석사

As urbanization and climate change have surged all over the world, many cities and governments have been trying to prepare the protective design for cities and infrastructures resilient to natural disasters but flooding in the city is still one of the biggest disasters. In 2018, total amount for water disaster reached 1 trillion Yen in Japan. Although large-scale reservoirs and underground drainage systems are being installed at the national level, it is hard to construct these kinds of facilities due to high cost and time-consuming approval process. It, therefore, is needed to develop the preventive design methodologies maximizing the safety of urban areas as well as minimizing the construction cost of facilities. The objective of this study was to suggest the preventive designs for urban flood-risky areas adopted by local governments. The types of floods can be classified into 1) urban floods caused by the increase in impervious area, 2) river floods, 3) coastal floods occurring at coastal areas, and 4) sudden floods caused by sudden rainfall at steep slopes have. This study focused on urban floods, and Gangdong – gu in Seoul was chosen as a target area as it has been historically frequent floods. The disaster response technologies for flood are mainly the reservoir, the extension of the pipe, and the pitcher packing. However, because of the expensive construction cost and a large number of complaints, the packing of pavement and the extension of the pipe are difficult to be adopted. The location analyses of Gangdong - gu were executed by ArcGIS, and the types of land use were classified based on the public data of the national geographic information platform. These include schools, parking lots, public facilities, and underground warehouses. The hydrological analysis was carried out through ArcGIS's ArcHydro plug-in using DEM data. The flooded area and the watershed in Seoul were divided into several types based on the analyses. The flooded area was in the middle of the water flow, and the houses and commercial buildings were most damaged. The affecting areas were houses and commercial buildings, which were the most common types. Gangdong-gu can be represented as these two types. The technologies such as rainwater storage facilities, inundation sites, storage facilities, ecological water storage, and distributed rainwater storage were utilized for the flood-preventive design of Gangdong - gu. In the case of rainfall of 100mm per hour, which was the largest concentration of existing intensive rainfall, the flooded area without technological substitution was 84,802㎡, but the area was decreased by 8,682㎡ with applying these technologies to the selected locations. The reduction rate of flooded area is 97%, so it is concluded that the proposed design is highly effective to mitigate the flooding risk. Climate change scenarios and the probability of rainfall intensity were also considered for the proposed design. In the case of 40-year rainfall at RCP 8.5 (84 mm/h), no flooding occurred, but in the case of 70-year rainfall at RCP 8.5 (126 mm/h), half of the existing flooded area was flooded, which would provide a guideline for decision-making when the existing design is to be revised. Finally, Hazard Capacity Factor Design (HCFD) concept was proposed to generalize current proposed methods for urban flooding, later on, for applying to coastal flood or river flood. The HCFD is composed of quantifying both hazard from natural disasters and capacity of target areas, considering the climate change scenario, deterioration of infrastructure and system, contributions of the applied technologies etc. The basic concept of this method compares the hazard with the capacity to evaluate the safety factor of the city or site regarding the disaster-resisting potential. Nevertheless, this study has limitations such as insufficient information for the characteristics of pavement and underground drainage lines. It, however, would provide a methodology to design flood-resisting systems for local governments, which is based on the climate change scenario, topographic information, and site analyses. The proposed methodology, therefore, would help decision making of project implementation for mid-term and long-tern plan. 본 연구에서는 기후변화에 따른 강우량 증가로 인해 홍수의 규모가 커질 것에 대비해 지자체에서 자체적으로 재난에 대비할 수 있는 대응 방안을 설계하였다. 전 세계적으로 도시화가 급증하면서 각 종 재난에 대비한 시설이 많이 늘어나고 있지만 피해는 줄고 있지 않다. 그 중 물 재해로 인한 피가 가장 피해가 큰데 2018년 일본의 경우 그 피해액이 10조원에 다다랐다. 주로 이런 재난에 대한 대응책으로 국가차원에서 대규모 저류조 등을 설치하고 있지만 지자체 입장에서의 대응책은 현실적으로 어렵기에 부실한 상황이다. 따라서 본 연구에서는 적지분석과 수문학 분석을 통해 최소한의 재화로 최대한의 효과를 내는 설계를 진행하였다. 우선 홍수의 유형을 정리하면 불투수면적의 증가로 인해 발생하는 도시홍수, 강이나 하천의 범람으로 발생하는 하천홍수, 해안가에서 발생하는 해안홍수 그리고 급경사지에서 갑작스러운 강우로 인해 발생하는 돌발홍수가 있다. 이 중 본 연구에서는 도시홍수에 집중하였고 대상지로는 강동구를 선정하였다. 홍수에 대한 재난 대응 기술은 주로 저류조, 관거 확장, 투수포장이 있지만 투수포장과 관거 확장은 비싼 공사비 그리고 다량의 민원으로 인해 실질적으로 적용이 어려워 저류조 설치를 주된 적응 기술로 선정하였다. 강동구의 적지분석은 ArcGIS로 하였으며 국토지리정보 플랫폼의 공공데이터를 기반으로 용도를 분류하였다. 이에 해당되는 용도는 학교, 주차장, 공공시설, 지하창고 등이 해당된다. 수문학 분석은 DEM자료를 활용하여 ArcGIS의 플러그인인 ArcHydro를 통해 진행하였다. 본 연구를 통해 서울시 전체를 분석한 결과 3가지의 결과를 얻을 수있었다. 첫 째, 침수지역과 영향지역(Watershed)는 몇 가지 유형으로 나뉘었는데 침수지역은 물의 흐름 중간에 있으며 주택과 상가건물이 피해를 입은 유형이 가장 많았고, 영향지역은 주택과 상가 건물이 대부분인 유형이 가장 많았다. 강동구는 이 두가지 유형에 모두 적합하여 대표성을 띄는 구이다. 둘 째, 강동구를 대상으로 빗물 저류시설, 침수지, 저류시설, 생태수로 그리고 분산형 빗물 저류조를 배치 설계 하였고 그 효과를 보았다. 기존 집중 강우 중 가장 컸던 시간당 100mm의 강우 시 기술 대입 전 대비 기술 도입 후 총 97%의 면적이 줄어 설계안의 효과가 적절했다는 결론이 나왔다. 셋 째, 이 설계안을 기후변화 시나리오와 확률강우강도 빈도와 연계하여 비교했을 때는 조금 다른 결과가 나왔다. RCP 8.5의 40년 빈도 강우(84mm/h)의 경우는 침수가 발생하지 않았지만, RCP 8.5의 70년 빈도 강우(126mm/h)의 경우에는 기존 침수지역의 절반이 침수되었다. 시나리오와의 비교를 통해 어느 시점에 새로운 기술이 도입되어야 하는지에 대한 기준을 제시하였다. 마지막으로는 재난 성능 지수 설계(Hazard Capacity Factor Design) 모델을 개발하여 일반화 하였다. 이 모델로 도시홍수 대응의 방법론을 일반화하여 해안홍수, 하천홍수에 대입할 수 있도록 하였다. 본 연구는 분석 프로그램의 정확성, 정보의 제약 등의 한계를 가지고 있지만 지자체에서 구하기 쉬운 자료를 바탕으로 기후변화에 따른 재해 대비 방법론을 정립하고 사업 시행의 의사결정에 도움을 줄 수 있다는데 의의가 있다. 추후에 분석 방법이 더 정확해 지고 다양한 재난에 대한 방법론이 정립되어 간다면 더 나은 모델이 구축되어 갈 것이다.

도시홍수방재를 위한 시험유역의 수문모니터링시스템 적용

나현우 동의대학교 대학원 2004 국내석사

도시화와 산업화가 진행되면서 자연재해의 증가를 억제하고, 국민의 생명과 재산을 재해로부터 안전하게 보호할 수 있는 선진화, 과학화된 방재계획이 필요한 실정이다. 본 연구에서는 홍수 방재에 있어서의 구조적 대책과 비구조적 대책에 대하여 서술하고 시험유역의 수문자료가 방재에 어떻게 활용될 수 있는가에 대해 검토하고자한다. 연구의 대상유역인 동의대학교 도시유출 시험유역(54.42ha)은 현재 동의대학교 가야 캠퍼스로 30여년 전에 개발이 되었고 현재도 개발이 진행중에 있으며, 이후로도 개발에 대한 계획이 수립되어 있는 지역이다. 공간적으로 주위가 산의 능선으로 둘러싸여 유역내의 유출은 거의 대부분 단일 유출구로만 유출이 이루어지며, 부산지방의 도시유역의 특징인 경사지형의 특성을 잘 반영하고 있다. 유역기초자료 및 기상관측장비(EMS)와 자동수위관측장비(AWS)를 통해 수집된 각종 수문자료들과 유역상세자료들을 조사하여 ILLUDAS 모형과 SWMM 모형, HEC-HMS 모형의 기본입력자료로 사용하여 시험유역 유출 특성을 검토하고, HEC-HMS 모형에 대한 검정 및 검증을 통해 시험유역 저류지설계에 사용한다. HEC-HMS 모형에 소하천 설계기준인 30년 설계강우를 설정하고 불투수율의 변화양상에 따라 설계홍수량을 산정하고, 유출누가곡선상에서 저류지의 용량을 결정하였다. 시험유역의 최종 유출부 상류에 54,000㎥의 가상 저류지를 설계하였고, 저류지 설계 후 유출양상을 검토해본 결과 유출의 첨두량이 감소함을 확인할 수 있었다. 이는 저류지설계로 도시지역의 유출이 감소됨으로서 도시홍수방재에 있어서 적용성이 있음을 확인할 수 있었다. This study analyzes is describing about structural countermeasure and non-structural countermeasure in food disaster prevention and then examining hydrological data of experiment basin how to utilize on flood disaster prevention. This research is described about operation of hydrological monitoring system and basin shape of experiment basin, Dong-Eui University urban outflow experiment basin(54.42ha) is target basin of research, which has developed Bong-Eui Univ. Gaya campers from 30 years ago to now. Process various hydrological datas and basin details datas which is collected through basin basis data, environment monitoring system(EMS-DEU) and automatic water level equipment(AWS-DEU) and use as basin input data of ILLUDAS model, SWMM model and HEC-HMS model in order to examine outflow feature of experiment basin and then use in reservoir design of experiment basin through calibration and verification about HEC-HMS model. Inserted design rainfall for 30 years that is design criteria of creek into HEC-HMS model and then calculated design floods according to change aspect of the impermeable rate. Capacity of reservoir was determined on the outflow mass curve. Designed imagination reservoir(volume 54,000㎥) at last outlet upper stream of experiment basin, after designing reservoir. It could be confirmed that the peak flow was reduced resulting from examining outflow aspect. Designing reservoir must decrease outflow of urban areas. It could be confirmed that there is application in urban flood disaster prevention.

Mobile GIS를 이용한 도시 홍수재해 정보시스템 구축

강택순 慶尙大學校 大學院 2004 국내석사

Recently, The flood harzard by heavy flood is increased in urban area day after day. Urban areas, concentrated on many housings, facilities and buildings, has been more damaged than other. The study for decreasing those flood hazard by heavy flood has been carried out actively, but efficient management has not been accomplished. The study for building of flood hazard management system connects GIS to manage efficient flood hazard recently is under way actively internally and externally. Problems in management of flood hazard is that flood hazard, which occurs in damaged area again before restoring, results in tremendous damage. In this study, we constructed flood hazard management system, which connects GIS with flood hazard data, to decrease damage by flood hazard as providing flood hazard information utilizing internet and mobile GIS. This system allows citizen and related public officers to access with easy, and then retrieve information needed. In addition, its service for retrieving shelter and dangerous buildings is expected that it gives help to reduce flood damage.