Simulation modeling of urban flood resilience in inland and coastal area

국문 초록 (Abstract)

도시홍수는 집중호우나 태풍과 같은 다양한 원인으로 인해 발생하며, 내륙이나 해안지역 등 다양한 공간에서 나타난다. 이러한 도시홍수에 대한 대응은 과거부터 지속적으로 이루어져 왔으나, 최근 기후변화와 인간의 개발 등의 사회생태적인 변화는 이러한 도시홍수의 피해와 규모를 더욱 불규칙적이고, 크게 발생시킨다. 이는 기존의 방식에 한계를 불러일으켰으며, 사회생태시스템에 대한 이해를 바탕으로 도시홍수의 예방, 대응, 회복을 고려한 회복력 개념을 바탕으로 접근해야 하는 필요성을 제시하게 되었다. 그 과정에서 회복력을 정량적, 정성적으로 파악하고 계획에 응용할 수 있도록 시뮬레이션 모델링과 같은 기법을 활용한 연구가 수행되어야 한다.
본 연구의 목적은 도시홍수에 대응하기 위해 시뮬레이션 모델링을 활용하여 생태적, 사회적 시스템 내의 도시홍수에 대한 그린 인프라스트럭쳐의 회복력 향상 효과를 평가하는 것이다. 이를 위해 다음의 과정을 수행했다. 첫째, 집중호우로 인한 내륙지역의 도시홍수를 대상으로 서울시 내의 적지를 도출하고 시뮬레이션 모델을 구축함으로써 그린 인프라스트럭쳐 적용으로 인한 우수유출에 대한 저감효과를 예측하고, 리질리언스를 정량화하여 분석했다. 또한 비용편익 분석과 사회적인 영향을 논의했다. 둘째, 태풍으로 인한 해안지역의 도시홍수를 대상으로 해운대구 내의 적지를 도출하고 시뮬레이션 모델을 구축함으로써 그린 인프라스트럭쳐 적용을 통한 우수유출 저감효과와 리질리언스의 특성들을 분석했다. 또한 그린 인프라스트럭쳐의 비용편익 분석과 사회시스템 측면의 정책과 영향들을 분석했다.
내륙지역을 대상으로 도시홍수에 대한 우수유출 저감효과와 리질리언스, 사회적인 영향을 분석한 결과는 다음과 같다. 서울시를 대상으로 홍수취약성을 분석한 결과 강동구, 강북구, 도봉구 지역이 도출되었으며, 우수유출 저감모듈을 그린 인프라스트럭쳐로써 적용한 지역별 유출저감의 효과는 강동구, 강북구, 도봉구의 순서대로 나타났다. 단위면적당 유출저감의 효과는 강북구, 도봉구, 강동구의 순서대로 나타났다. 이는 전체 면적의 측면에서는 강동구 지역이 가장 많으나 해당 지역별 인공지반의 비율이 다르기 때문에 단위면적으로 환산할 경우 결과가 다르게 나타났다. 그린 인프라스트럭쳐 적용을 통한 리질리언스의 향상 효과는 강동구 지역이 가장 높았으며, 강북구와 도봉구 순서대로 나타났다. 리질리언스 분석의 경우 그린 인프라스트럭쳐의 적용과 함께 지역별 보유하고 있는 빗물펌프장의 수와 용량이 차이 때문에 다르게 나타났다. 비용편익 분석의 측면에서는 강동구 지역의 편익이 약 8년 후에 설치비용을 상쇄하는 것으로 나타났다. 강북구 지역과 도봉구 지역의 편익은 약 7년 반 이후 설치비용을 상쇄하는 것으로 나타났다. 정책과 사회적인 측면에서는 도봉구 지역에서는 도시홍수에 대응하는 세부 계획이 일부 수립되어 있으나 다른 지역에서는 대응체계 구축이 미흡한 것으로 나타났다.
해안지역을 대상으로 도시홍수에 대한 우수유출 저감효과와 리질리언스 향상 효과, 사회적인 영향 들을 분석한 결과는 다음과 같다. 2016년 태풍 차바로 인한 피해를 입은 해운대구 지역을 대상으로 홍수취약성을 분석하고 적지를 도출했다. 옥상녹화와 침투형 저류시설, 투수성 포장을 그린 인프라스트럭쳐로써 적용한 결과, 6시간과 9시간 후의 첨두유출 저감효과가 나타났다. 그린 인프라스트럭쳐를 유형별로 적용한 결과 6시간에는 옥상녹화의 효과가 더 높았으나 9시간 후에는 침투형 저류시설의 효과가 더욱 높게 나타났다. 투수성 포장의 경우 그린 인프라스트럭쳐를 동일한 비율로 적용한 기본 시나리오보다도 효율이 떨어지는 것으로 나타났다. 리질리언스 향상 효과는 그린 인프라스트럭쳐를 20% 적용한 이후부터 다시 원래의 시스템을 회복하는 것으로 나타났다. 그린 인프라스트럭쳐의 유형별 효과는 대체로 침투형 저류시설이 가장 높게 나타났다. 비용편익의 측면에서 옥상녹화는 약 2억 3천만원 정도의 편익이 발생했으며, 침투형 저류시설의 경우 약 7천 9백만원, 투수성 포장의 경우 약 7천 2백만원 정도의 편익이 발생했다.
본 연구에서는 회복력에 대한 개념적인 이해를 바탕으로, 그 중에서도 공학적 회복력 개념을 중심으로 도시홍수의 문제를 접근하고자 했으며, 시뮬레이션 모델링 과정을 통해 도시홍수로 인한 유출과 회복력, 사회적인 영향 들을 분석하고자 했다. 내륙지역과 해안지역을 대상으로 도시홍수에 대한 취약지역을 적지로 도출하는 것부터, 해당 지역의 특성을 반영한 모델을 구축하고 유출저감 효과를 분석했다는 점에서 의의가 있다. 또한 이를 기반으로 공학적 회복력을 정량화했으며, 비용편익적인 측면과 사회적인 영향을 모두 고려함으로써 정성적이고 정량적인 접근을 시도하고자 했다. 본 연구의 결과는 도시홍수에 대응한 정부와 지자체의 정책이나 지침 수립 시, 그린 인프라스트럭쳐를 계획에 활용하기 위한 근거로 제시할 수 있다. 또한 도시홍수 회복력의 개념을 정량화시킴으로써 이론적인 기반에 그쳤던 회복력을 실질적인 자연재해에 대응하기 위한 구체적인 계획의 과학적인 근거로 활용될 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Urban floods are caused by various causes such as heavy rainfall or typhoons, and appear in various places such as inland and coastal areas. Responses to urban floods have been continuously made since the past, but recent social-ecological changes such as climate change and human development make the damage and scale of urban floods more irregular and larger. This raised limitations in the existing methods, and suggested the need to approach based on the concept of resilience considering the prevention, response, and recovery of urban flooding based on an understanding of the social-ecological system. In the process, research using techniques such as simulation modeling should be conducted so that resilience can be quantitatively and qualitatively identified and applied to planning.
The purpose of this study is to measure resilience improvement effect by green infrastructure application against urban floods in ecological and social systems using simulation modeling. Following are the objectives to accomplish the purpose of study. For this, the following process was performed. First, targeting urban floods in inland areas due to heavy rainfall, I predicted the reduction effect of stormwater runoff due to the application of green infrastructure by deriving the target area in Seoul and building a simulation model, and quantified and analyzed resilience. Cost-benefit analysis and social impact were also discussed. Second, by deriving a suitable location in Haeundae-gu for urban flooding in coastal areas caused by typhoons and building a simulation model, the effect of reducing rainwater runoff and resilience characteristics through application of green infrastructure were analyzed. In addition, the cost-benefit analysis of green infrastructure and policies and impacts in terms of social systems were analyzed.
The results of analyzing the effect of rainwater runoff reduction, resilience, and social impact of urban flooding in inland areas are as follows. As a result of analyzing the vulnerability of Seoul to flooding, Gangdong district, Gangbuk district, and Dobong district areas were derived. The effect of runoff reduction per unit area was shown in the order of Gangbuk district, Dobong district, and Gangdong district. In terms of total area, Gangdong district has the most, but the results are different when converted to unit area because the proportion of artificial ground in each region is different. The effect of improving resilience through application of green infrastructure was highest in Gangdong district, followed by Gangbuk district and Dobong district. In the case of resilience analysis, the number and capacity of rainwater pumping stations owned by each region were different with the application of green infrastructure. In terms of cost-benefit analysis, it was found that the benefits of Gangdong district offset the installation cost after about 8 years. The benefits of Gangbuk district and Dobong district were found to offset the installation cost after about seven and a half years. In terms of policy and society, some detailed plans to respond to urban flooding have been established in the Dobong district area, but the establishment of a response system is insufficient in other areas.
The results of analyzing the effect of reducing rainwater runoff, improving resilience, and social impact of urban flooding in coastal areas are as follows. Flood vulnerability was analyzed in Haeundae-gu, which was damaged by Typhoon Chaba in 2016, and a suitable location was derived. As a result of applying green roof, infiltration storage facility, and porous pavement as green infrastructure, peak discharge reduction effects were found after 6 and 9 hours. As a result of applying the green infrastructure by type, the effect of green roof was higher at 6 hours, but the effect of the infiltration storage facility was higher after 9 hours. In the case of porous pavement, it was found that the efficiency was lower than the basic scenario where green infrastructure was applied at the same rate. The resilience improvement effect was found to restore the original system again after applying 20% of the green infrastructure. In general, infiltration storage facilities showed the highest effect by type of green infrastructure. In terms of cost-benefits, green roof generated about 230 million won in benefits, about 79 million won in infiltration storage facilities, and 72 million won in porous pavement.
Based on a conceptual understanding of resilience, this study attempted to approach the problem of urban flooding with a focus on the concept of engineering resilience, and to analyze the outflow, resilience, and social impact of urban flooding through the simulation modeling process. It is meaningful in that it started with deriving areas vulnerable to urban flooding as suitable locations for inland and coastal areas, building a model reflecting the characteristics of the area, and analyzing the effect of reducing runoff. In addition, engineering resilience was quantified based on this, and a qualitative and quantitative approach was attempted by considering both cost-benefit aspects and social impact. The results of this study can be presented as a basis for using green infrastructure in planning when establishing policies or guidelines of the government and local governments in response to urban flooding. In addition, by quantifying the concept of urban flood resilience, resilience, which was limited to a theoretical basis, can be used as a scientific basis for concrete plans to respond to actual natural disasters.

목차 (Table of Contents)

• Abstract.......................................................................................................i
• 국문 요약...................................................................................................v
• Table of Contents.......................................................................................x
• List of Tables...........................................................................................xiii
• List of Figures..........................................................................................xv
• Chapter1. Introduction....................................................................................1
• 1.1 Background......................................................................................................1
• 1.2 Purpose of the study.........................................................................................8
• 1.3 Definition of terms.........................................................................................10
• Chapter 2. Literature review........................................................................12
• 2.1 Research keywords trend using network analysis.........................................12
• 2.2 Green infrastructure for urban flood...............................................................18
• 2.3 Flood resilience quantification by simulation modeling................................22
• Chapter 3. Simulation model process.........................................................25
• 3.1 Urban flood resilience simulation modeling process.....................................25
• 3.2 Selection of urban flood vulnerable area.......................................................27
• 3.3 Data collection and model construction.........................................................30
• 3.4 Stormwater runoff reduction effect analysis..................................................31
• 3.5 Resilience quantification and analysis...........................................................32
• 3.6 Social impact analysis....................................................................................34
• Chapter 4. Simulation modeling for heavy rainfall in inland area.......36
• 4.1 Introduction....................................................................................................36
• 4.2 Flood vulnerable area in Seoul........................................................................40
• 4.2.1 Study area............................................................................................40
• 4.2.2 Selection of flood vulnerable area in Seoul.............................................43
• 4.3 Urban flood resilience model construction in inland area.............................47
• 4.4 Stormwater runoff reduction effect in inland area…..................................53
• 4.4.1 Stormwater runoff reduction module simulation....................................53
• 4.4.2 Stormwater runoff reduction module application scenario.....................55
• 4.5 Resilience quantification and analysis in inland area....................................66
• 4.6 Social impact analysis in inland area……....................….............................73
• 4.6.1 Cost-benefit analysis.............................................................................73
• 4.6.2 Policy & social impact..........................................................................75
• Chapter 5. Simulation modeling for typhoon in coastal area...............79
• 5.1 Introduction....................................................................................................79
• 5.2 Flood vulnerable area in Haeundae-gu, Busan................................................84
• 5.2.1 Study area............................................................................................84
• 5.2.2 Selection of flood vulnerable area in Haeundae-gu, Busan......................85
• 5.3 Urban flood resilience model construction in coastal area............................88
• 5.4 Stormwater runoff reduction effect in coastal area........................................93
• 5.4.1 Green infrastructure application by area scenario..................................93
• 5.4.2 Green infrastructure by type scenario....................................................95
• 5.5 Resilience quantification and analysis in coastal area.................................104
• 5.5.1 Green infrastructure application by area scenario................................104
• 5.5.2 Green infrastructure by type scenario..................................................108
• 5.6 Social impact analysis in coastal area……....................…..........................118
• 5.6.1 Cost-benefit analysis...........................................................................118
• 5.6.2 Policy & social impact........................................................................119
• Chapter 6. Summary & discussions...........................................................123
• Chapter 7. Conclusions................................................................................129
• References.......................................................................................................133
• APPENDIX 1. URBAN FLOOD RESILIENCE SIMULATION MODEL EQUATION (INLAND AREA)................................................149
• APPENDIX 2. URBAN FLOOD RESILIENCE SIMULATION MODEL EQUATION (COASTAL AREA).............................................156
• 감사의 글........................................................................................................161