기후위기 대응을 위한 도시침수 관리 정책 개선방안 연구

이승수,양일주,이문환,노성진 한국환경연구원 2022 기본연구보고서 Vol.2022 No.-

Ⅰ. 연구의 배경 및 목적 □ 본 연구는 기후위기에 대응해 도시침수로 인한 피해를 줄이기 위한 정책개선 방안 도출을 위한 목적으로 수행되었음 Ⅱ. 해외 정책 현황 □ 제2장에서는 일본, 미국, 유럽, 중국 등 해외의 도시침수 관리 정책 현황에 대한 사례 조사를 통해 시사점을 도출하였음 ㅇ 일본은 침수피해의 발생을 방지하는 구조적 대책을 중점적으로 시행하였으나, 최근 기후변화로 인해 도시침수 발생 위험이 증가함에 따라 침수 발생 이후 인명피해 저감을 위한 비구조적 대책을 적극적으로 시행하고 있음 ㅇ 미국은 국가홍수보험 프로그램과 주정부의 대책을 연계해 주정부의 적극적인 자구책 마련을 독려하는 체계를 운영하고 있음 ㅇ 유럽은 적극적인 홍수위험에 대한 정보공개를 바탕으로 사전 홍수위험 평가와 위험 지역 선정 관리계획 수립 및 이행평가를 연계해 선순환 구조를 가진 관리체계 마련하였음 ㅇ 중국의 스펀지도시 조성사업은 획일적이고 단편적인 대책의 위험성과 한계성에 대해 시사하는 바가 큼 Ⅲ. 국내 정책 현황 □ 제3장에서는 중앙정부와 지자체의 도시침수 관리현황을 파악하고, 그간 시행된 다양한 대책을 구조적 대책과 비구조적 대책으로 구분해 도시침수 저감대책 현황을 조사하고, 국내 도시침수 관련 연구현황을 조사·분석해 연구의 성과와 한계점 그리고 향후 연구방향에 대해 제시하였음 Ⅳ. 도시침수 관리 정책의 한계점 □ 제4장에서는 제3장에서 파악된 다양한 대책의 한계점을 도출하였으며, 그 결과는 다음과 같음 ㅇ 다양한 구조적 대책이 시행되고 있음에도 기후변화로 인해 달라진 강우의 변동성을 고려할 때 구조적 대책 중심의 정책만으로는 피해저감 효과에 한계가 있을 것으로 파악되었음 ㅇ 대표적 비구조적 대책인 홍수위험지도는 단순한 침수심 정보제공 수준에 그쳐 실제 상황 발생 시 대처를 위한 정보가 부족함 ㅇ 지자체의 경우 도시침수 예경보를 위한 시스템이 마련되어 있음에도 불구하고 운영을 위한 기술적 역량과 법적 근거가 미비해 실제 활용성은 매우 저조함 ㅇ 도시침수 현황 분석과 대응책의 효과 분석에 필수적이라 할 수 있는 시뮬레이션의 근거자료가 되는 하수관로 GIS 정보화율을 확인한 결과, 지자체별 정보화율의 편차가 컸으며 특히, 국가 하수도통계와 정보화율의 수치 및 속성정보 누락과 같이 자료의 신뢰도를 저하시키는 문제점이 발견되었음 ㅇ 지자체 관리체계의 대응현황을 조사한 결과, 지자체별로 예산과 인력 등에 따라 대응 수준의 차이가 큰 것으로 파악되었음 ㅇ 지자체 담당자 면담을 통해 대책 수립과 이행에 관한 애로사항을 조사한 결과, 도시침수 관리사업이 환경부와 행정안전부로 이원화되어 두 부처의 정책이 유사하면서도 미세한 차이가 있어 지자체 단위에서 혼선을 야기한 것으로 파악되었음 ㅇ 국고보조사업으로 추진되고 있는 하수도정비중점관리구역과 재해위험개선지구로 지정된 지역 내에서만 사업이 추진될 수 있어 정책집행의 유연성이 부족함 Ⅳ. 정책제언 □ 본 연구에서 조사 및 분석된 결과를 바탕으로 다음과 같은 정책을 제언함 - ㅇ 구조적 대책 중심에서 비구조적 대책과의 조화에 기반한 정책수립 기조 확립 필요 강우 변동의 불확실성을 고려해 구조적 대책과 비구조적 대책의 효과적인 조합을 통해 침수피해 발생 억제와 침수 발생으로 인한 인명피해 저감을 위한 정책방향 수립이 필요 ㅇ 기후변화 영향평가를 통한 시나리오별 대응방안 마련 - 기후변화 시나리오에 따른 시간 단위(hourly) 강우자료를 생산하고, 이를 이용해 기후변화로 인한 침수영향 평가를 수행한 후 시나리오별 맞춤형 대책 수립 필요 ㅇ 비구조적 대책의 법적 근거 마련 - 홍수위험지도 관리 개선을 위한 법적 근거 마련 - 인명피해 저감을 위해 침수시나리오에 따라 동, 구 단위의 대응(침수정보 제공방식, 대피장소 마련, 피난경로 개발 등) 시나리오 개발 - 지자체 단위의 도시침수 예경보 시행을 위한 법·제도 마련 ㅇ (가칭) 도시침수 관리지역 지정 및 관리체계 개선 - 하수도정비중점관리지역과 자연재해위험개선지구를 병합해 ‘(가칭)도시침수 관리 지역’으로 지정하고 관리지역을 선정하기 위한 평가체계 및 대책 수립의 효과를 평가할 수 있는 체계 마련 ㅇ 하수관로 정보화 자료의 신뢰성 제고방안 마련 - 하수관로 정보화사업 수행 시 구축된 자료의 신뢰도 평가 절차 마련 ㅇ 지역맞춤형 대책 개발을 통한 시민참여 확대 - 지역에 대한 이해도가 높은 지역주민들을 대상으로 도시침수 피해 저감을 위한 지역맞춤형 대책을 수립해 시민 참여도를 높이고 정책의 효과를 극대화하는 방안 마련 Ⅰ. Background and Aims of Research □ This study was conducted with the purpose of deriving policy improvement measures to reduce damage caused by urban inundation in response to the climate crisis. Ⅱ. Status of Overseas Policies □ In Chapter 2, implications were drawn from case studies on the current status of ountermeasures against urban inundation in Japan, the United States, Europe, and China. ㅇ Japan focused on structural measures to prevent urban inundation damage. However, as urban inundation risks have increased due to recent climate change, non-structural measures to reduce human damage after flooding are being actively implemented. ㅇ The United States operates a system that encourages state governments to actively prepare self-rescue measures by linking the national flood insurance program with state governments’ countermeasures. ㅇ The EU established a management system designed to boost virtuous cycle by linking preliminary flood risk assessment with the establishment of risk area selection management plans and implementation evaluation based on active disclosure of flood risk information. ㅇ China’s sponge city development project has many implications for the dangers and limitations of uniform and fragmentary measures. Ⅲ. Domestic Policy Status □ In Chapter 3, the current status of urban inundation control by the central and local governments was identified, and the current status of urban inundation reduction measures was investigated by classifying the various measures implemented so far into structural and non-structural measures. In addition, the current status of research related to urban flooding in Korea was investigated and analyzed, and the achievements and limitations of the research and future research directions were presented. Ⅳ. Limitations in Current Urban Flood Management Policies □ In Chapter 4, the limitations of various countermeasures investigated in Chapter 3 were identified, and the results are as follows: ㅇ Even though various structural measures are being implemented, damage reduction might be limited with the structural measures only, when the variability of rainfall caused by climate change is taken into account. ㅇ Flood risk mapping, a representative non-structural countermeasure, is limited to simply providing information on the depth of flooding and inundation, so there is insufficient information in the event of an actual situation. ㅇ In the case of local governments, although a system for the forecasting and warning of urban inundation already exists, it is not being utilized due to a lack of technical capacity and legal basis for operation. ㅇ Checking the GIS informatization rate for the sewer system which is the basis for simulations essential for analyzing the current state of urban inundation and the effectiveness of countermeasures, wide variations in informatization rates were found according to local governments. In particular, problems that decrease the reliability of the data were found, including the difference between the national sewage statistics and the informatization rates, and the omission of the attribute information of the GIS data. ㅇ We looked into how well the management system of each local government responds to urban inundation, and found out that the level of response varies greatly depending on the budget and manpower of each local government. ㅇ We examined the difficulties related to the establishment and implementation of countermeasures through interviews with local government officials. As the urban inundation management project is managed by the Ministry of Environment and the Ministry of Public Administration and Security and their policies are similar but have subtle differences, confusion is caused at the local government level. ㅇ Flexibility in policy implementation is lacking as the project can only be carried out within areas designated as sewage maintenance intensive management zones and disaster risk improvement zones, which are being promoted as government subsidy projects. Ⅴ. Policy Suggestions □ Based on the results of investigation and analysis in this report, the following policies are suggested. ㅇ It is necessary to establish a basis for policy establishment based on harmony between structural measures and non-structural measures. - Considering the uncertainty of rainfall intensity, it is necessary to establish policy directions for reducing damage caused by flooding through an effective combination of structural and non-structural measures. ㅇ Prepare response plans for each scenario through climate change impact assessment - It is necessary to establish customized measures for each scenario after producing hourly rainfall data according to the climate change scenario and using it to evaluate the impact of inundation due to climate change. ㅇ Preparation of legal basis for non-structural measures - Establishment of legal basis for improving flood risk map management - Develop scenarios for response (provision of flood information, preparation of evacuation sites, development of evacuation routes, etc.) at the district level according to inundation scenarios to reduce human casualties - Establishment of laws and systems for the implementation of urban flood forecasting and warning at the local government level ㅇ Designation of urban inundation management areas (tentative name) and improvement of management systems - Establish a system to evaluate the effect of establishing an evaluation system and countermeasures to designate ‘urban inundation management areas (tentative name)’ by merging the sewerage priority management area and the natural disaster risk area ㅇ Prepare measures to improve the reliability of information data on sewerage systems - Establishment of a procedure for evaluating the reliability of data established during the sewage pipe informatization project ㅇ Expansion of citizen participation through the development of regionally tailored measures - Establish regionally tailored measures to reduce urban inundation damage targeting local residents with a high understanding of the region to increase citizen participation and prepare a plan to maximize the effect of the policy

GIS를 이용한 도시지역 침수해석

이창희,한건연,김지성,Lee, Chang-Hee,Han, Kun-Yeun,Kim, Ji-Sung 한국지리정보학회 2006 한국지리정보학회지 Vol.9 No.2

본 연구의 목적은 도시지역에서의 침수시뮬레이션에 필요한 도시침수해석모형을 개발하고, 이를 GIS(geographic information system)와 연계 운영할 수 있는 시스템을 구축함에 있다. 이를 위해서 미국환경보호청(EPA)의 SWMM(storm water management model)모형을 이용하여 도시지역 배수 시스템에서의 도시유역 유출량 및 월류량을 계산하고, 지표면으로 월류된 유량에 대해 GIS를 이용한 침수해석을 실시하였다. GIS를 이용한 침수해석 모형으로는 Level-Pool 침수해석모형과 DEM 기반 침수해석모형을 개발하고 도시지역에서의 시간별 침수위 및 침수범위 등을 계산 할 수 있게 하였다. 도시배수시스템과 지표침수해석모형을 GIS를 이용하여 통합시킨 도시침수해석 모형을 통해서 배수 시설에서의 유출량 예측과 지표면에서의 월류유량의 전파특성을 예측할 수 있도록 구성하였다. 본 연구결과는 도시지역에서의 배수 시설의 설계 및 운영의 문제, 침수 예상도의 작성 및 각종 홍수 예경보 수립에 기여할 수 있을 것으로 판단된다. The purpose of this study is to develop an urban inundation model using GIS(geographic information system). The model is combining a storm sewer system model and a overland-flow model for the estimation inundation depth in urban area caused by the surcharge of storm sewers. SWMM(storm water management model) was employed to resolve the storm sewer flow and to provide the overflow hydrographs caused by the failure of a drainage system due to the shortage of drainage capacity. The level-pool overland-flow model and DEM based overland-flow model were used to calculate the detail inundation zones and depths due to the surcharge on overland surface. The simulation results can help the decision preventing flood damages by redesigning and enlarging the capacities of storm sewer systems in the inundation-prone areas. The model can also be applied to make the potential inundation area map and establish flood-mitigation measures as a part of the decision support system for flood control authority.

내수침수예측을 위한 도시유역 우수관거용량 검토

이재준,김재영,윤세의 한국방재학회 2014 한국방재학회 학술발표대회논문집 Vol.2014 No.-

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.

월파량을 고려한 연안도시 지역의 침수면적 추정

송영석(Song Youngseok),주진걸(Joo Jingul),이정호(Lee Jungho),박무종(Park Moojong) 한국방재학회 2017 한국방재학회논문집 Vol.17 No.2

연안지역에 인접한 도시지역의 침수피해는 일반적인 도시침수피해의 특성뿐만 아니라 연안지역의 조위상승 및 월파량이 포함된 복합적인 형태의 침수피해가 발생한다. 그러나 국내외 연안도시지역의 특성을 고려한 연구는 미비한 실정이다. 본 연구에서는 부산시 해운대구 수영만 일원을 대상으로 XP-SWMM을 활용하여 방재성능목표강우량, 설계빈도 해일고, 월파량을 고려한 연안도시지역의 침수면적을 추정하고자 한다. 월파량을 반영하지 않은 일반적인 도시침수피해 분석과 월파량을 고려한 연안도시침수피해 분석을 수행하였으며 월파량을 고려한 분석의 침수면적이 16.4% 증가하였다. 연안도시는 월파량에 의한 침수피해가 증가함을 확인할 수 있었으며, 본 연구의 대상지역처럼 고밀도로 집적된 연안도시지역에서는 침수피해에 대비하기 위하여 반드시 월파량을 고려한 배수설계가 요구될 것으로 판단된다. Inundation damage in urban area adjacent to the coastal area causes complex forms of inundation damage including not only characteristics of general urban inundation damage but also tide elevation rise and Wave Overtopping in the coastal area. But, a study on the inundation characteristics of coastal urban area are insufficient. This study estimates the inundation area in the coastal city area considering disaster prevention performance goal rainfall, design surge height, wave overtopping applying XP-SWMM to Busan-si Haeundae-gu Suyeong bay. Analysis of general urban inundation damage without wave overtopping and coastal city damage analysis considering wave overtopping were performed. As a result, inundation area was increased by 16.4%. Therefore, it confirmed the feasibility and necessity of inundation damage analysis considering the rainfall, surge height, wave overtopping in coastal urban area.

기후변화에 따른 도시침수가 도시교통네트워크에 미치는 영향 예측 기술 개발

정세진,허다솜,김병식 한국수자원학회 2022 한국수자원학회논문집 Vol.55 No.12

Climate change is predicted to increase the frequency and intensity of rainfall worldwide, and the pattern is changing due to inundation damage in urban areas due to rapid urbanization and industrialization. Accordingly, the impact assessment of climate change is mentioned as a very important factor in urban planning, and the World Meteorological Organization (WMO) is emphasizing the need for an impact forecast that considers the social and economic impacts that may arise from meteorological phenomena. In particular, in terms of traffic, the degradation of transport systems due to urban flooding is the most detrimental factor to society and is estimated to be around £100k per hour per major road affected. However, in the case of Korea, even if accurate forecasts and special warnings on the occurrence of meteorological disasters are currently provided, the effects are not properly conveyed. Therefore, in this study, high-resolution analysis and hydrological factors of each area are reflected in order to suggest the depth of flooding of urban floods and to cope with the damage that may affect vehicles, and the degree of flooding caused by rainfall and its effect on vehicle operation are investigated. decided it was necessary. Therefore, the calculation formula of rainfall-immersion depth-vehicle speed is presented using various machine learning techniques rather than simple linear regression. In addition, by applying the climate change scenario to the rainfall-inundation depth-vehicle speed calculation formula, it predicts the flooding of urban rivers during heavy rain, and evaluates possible traffic network disturbances due to road inundation considering the impact of future climate change. We want to develop technology for use in traffic flow planning. 기후변화는 전 세계적으로 강우의 빈도와 강도를 증가 시킬 것으로 예측되며 급격한 도시화와 산업화로 인해 도시 지역의 내수 침수 피해로 양상이 바뀌고 있다. 이에 기후변화에 따른 영향평가는 도시계획에 매우 중요한 요소로 언급되고 있으며, 세계기상기구(WMO)는 기상 현상으로부터 발생할 수 있는 사회, 경제적 영향을 고려하는 영향예보의 필요성을 강조하고 있다. 특히 교통에 있어서 도시침수로 인한 교통 시스템의 성능 저하는 사회에 가장 해로운 요소이며 영향을 받는 주요 도로마다 시간당 £ 100k 정도인 것으로 추정하고 있다. 그러나 국내의 경우 현재 기상재해의 발생에 대한 정확한 예보 및 특보를 제공해도 그 영향을 제대로 전달하지 못하고 있다. 따라서 본 연구에서는 도시홍수의 침수심을 제시하고 차량에 영향을 미칠 수 있는 피해에 대처하기 위해 각 지역의 고해상도 분석 및 수문학적 요인을 반영하고, 강우로 인한 홍수 정도와 차량 운행에 미치는 영향 정도를 조사할 필요가 있다고 판단하였다. 이에 강우-침수심-차량속도의 산정식을 간단한 선형회귀식이 아닌 다양한 머신러닝 기법을 이용하여 제시하고자 한다. 또한 또한 기후변화 시나리오를 강우-침수심-차량속도 산정식에 적용하여 집중호우 시 도시하천의 침수를 예측하고 미래 기후변화의 영향을 고려한 도로 침수로 인해 발생할 수 있는 교통 네트워크의 장애를 평가하며, 도시 교통흐름 계획에 이용하는 기술을 개발하고자 한다.

Dual-Drainage 개념에 의한 도시침수해석모형의 개발

이창희(Lee Chang Hee),한건연(Han Kun Yeun),노준우(Noh Joon Woo) 대한토목학회 2006 대한토목학회논문집 B Vol.26 No.4B

본 연구의 목적은 Dual-Drainage 개념에 의한 도시침수해석모형을 개발함에 있으며, 이를 위해 도시지역 배수시스템 해석모형으로 널리 이용되고 있는 SWMM모형과 월류유량의 전파과정을 계산하는 DEM기반 침수해석모형을 통합하였다. 배수시스템 해석 모형인 SWMM모형의 계산결과를 이용하여 침수해석을 수행하는 연계모형의 경우 월류지점으로부터의 침수진행과정을 잘 모의할 수 있으나, 월류발생이 끝난 시간에도 지형상의 영향으로 인하여 일부 침수유량이 일부지점에 계속 침수된 채 있는 등 지표침수유량의 배수과정을 제대로 모의하지 못할 수 있다. 이를 해결하기 위해서는 침수지역에 대한 지표류홍수 추적시 일부 침수유량이 과부하가 발생하지 않는 유입구 지점을 통과할 때 다시 배수시스템으로 유입되는 것을 고려하여 재유입되는 양을 산정하고 유입된 유량은 배수시스템 내의 흐름에 반영되도록 배수시스템과 침수해석모형을 통합한 새로운 모형을 개발하였다. 본 모형을 이용하여 침수상황의 시간별 진행과정을 분석함으로써 도시홍수에 대한 침수위험지접 파악 및 주민대피지도 구축 등에 활용될 수 있을 것으로 판단된다. An urban inundation model coupling an one-dimensional stormwater model, SWMM(Storm Water Management Model), and a two-dimensional inundation model was developed to simulate inundation caused by the surcharge of storm sewers in urban areas. The limitation of this model which can not simulate the interaction between drainage systems and surcharged flow was resolved by developing Dual-Drainage inundation analysis model which was based upon hydraulic flow routing procedures for surface flow and pipe flow. The Dual-Drainage inundation analysis model can simulate the effect of complex storm drainage system. The developed model was applied to Dorim, catchment. The computed inundated depth and area have good agreement with the observed data during the flood events. The developed model can help the decision support system of flood control authority for redesigning and constructing flood prevention structures and making the potential inundation zone, and establishing flood-mitigation measures.

셀룰러 오토마타 기반 WCA2D 모형을 이용한 부산 온천천 유역 고해상도 도시 침수 해석

최현진,이송희,우현아,노성진 대한토목학회 2023 대한토목학회논문집 Vol.43 No.5

기후변화로 인해 전 세계 주요 도시에서 홍수의 빈도와 위험성이 증가함에 따라, 도시 침수에 대비한 선제적 대응을 위해 넓은 공간 영역에서 고 해상도 2차원 침수 정보를 신속하고 정확하게 해석할 수 있는 모의 기술의 중요성이 대두되고 있다. 기존의 천수 방정식(shallow water equations)에 기반한 물리적 해석 방법은 고해상도 침수 예측을 위해 많은 컴퓨터 자원과 계산 시간이 소요되는 한계가 있다. 본 연구는 전환 규칙과 가중치 기반 시스템을 사용하여 침수의 시공간 변화를 모의하는 셀룰러 오토마타(cellular automata) 기반 2차원 침수 해석 모형 Weighted Cellular Automata 2D (WCA2D)의 이론적 배경을 고찰하고, 부산 온천천 유역의 침수 사상 모의를 통해 재현하여 국내 도시 유역에 대한 적용성을 검토하였다. 또한, Open Computing Language (OpenCL)와 Open Multi-Processing (OpenMP)과 같은 병렬계산(parallel computing) 기술을 적용한 버전을 순차계산(sequential computing) 결과와 비교하여 연산 성능을 평가하였다. 연구 결과, WCA2D 모형에 의한 최대 침수심 분포는 과거 침수피해지도와 유사하게 모의되어, 복잡한 지형 특성을 가지는 도시 유역 침수의 시공간적 변화를 해석하기에 적절함을 확인하였다. 또한, 병렬계산 적용 시 순차계산 버전에 비해 OpenCL과 OpenMP는 약 8배~14배, 5배~6배 연산 효율이 향상되어 효율적인 도시 침수 모의가 가능하였다.

Fuzzy C- Means(FCM)를 이용한 도시유역 침수위험도 산정

이정호,이원우,김중훈,전환돈 한국방재학회 2011 한국방재학회논문집 Vol.11 No.4

Generally, inundation risk should be estimated to establish the flood disaster prevention policy in urban areas. In this study, a new method was suggested to estimate urban inundation risk. To develop the suggested method, we selected the five factors such as surface elevation, surface slope, pipe density, population and sediment in pipe, which have influence on the urban flood risk. Although the contribution of each factor to increase the risk must be considered at the same time, it is difficult to combine those contributions because each factor has different units. For this reason, the new method adopts the Fuzzy C-Means (FCM) algorithm which is one of the fuzzy cluster algorithms and makes it possible to consider the contribution of those factors that increase urban inundation risk at the same time. To verify the applicability of the suggested method, we applied the suggested method to Gunja basin in Seoul, Korea. Firstly, we collected the five factors for each sub-basin and used them to perform the FCM to estimate the inundation risk of each sub-basin. Then, the results obtained from the analysis were compared with the inundation history of Gunja basin. Comparison results showed that the high-risk sub-basins were in good agreement with the sub-basins which have the inundation history. Thus, the inundation risk estimation using FCM can be applicable to establish the disaster prevention policy for urban flood. 도시유역에서의 내수침수에 대한 저감대책을 수립하기 위해서는 유역별 침수위험도의 산정이 기본적으로 이루어져야 한다. 본 연구에서는 도시유역에서의 침수위험도를 정량화할 수 있는 새로운 침수위험도 산정방법을 제안하였다. 침수위험도 산정 지표로 이용된 인자로는 지표고, 경사, 관밀도, 인구, 단위면적별 평균유사발생량 등이며, 이들 인자들은 침수발생에 영향을 미치는 요소로서 고려되었다. 따라서 침수위험도 산정은 이들 인자들의 복합적인 고려를 통해 이루어져야 하는데, 각 인자들은 정량적 가치 척도가 서로 다르기 때문에 복합적인 고려가 어렵다. 따라서 본 연구에서는 이들 각 인자들의 복합적 고려를 통해 하나의 정량화된 침수위험도를 산정하기 위하여 퍼지 클러스터 알고리즘의 하나인 Fuzzy C-Means(FCM) 알고리즘을 이용하였으며, FCM을 이용하여 여러 가지 인자들을 복합적으로 고려하여 하나의 정량화된 지표로 침수위험도를 산정하였다. 본 연구에서 제안된 FCM을 이용한 침수위험도 산정 결과 높은 침수 위험도를 갖는 것으로 평가된 유역들의 경우 과거 실제 침수가 발생된 유역과 대부분 일치하는 것으로 분석되었다. 이 같은 분석을 통하여 본 연구에서의 침수위험도 산정 방법에 대한 신뢰성이 검증되었으며, 따라서 본 연구의 결과는 도시유역에서의 내수침수 방재계획의 수립에 있어서 유역별 위험도 산정이라는 기초적인 분석과정에 활용될 수 있을 것이다.

LSTM 모형과 로지스틱 회귀를 통한 도시 침수 범위의 예측

김현일,한건연,이재영 대한토목학회 2020 대한토목학회논문집 Vol.40 No.3

Because of climate change, the occurrence of localized and heavy rainfall is increasing. It is important to predict floods in urban areasthat have suffered inundation in the past. For flood prediction, not only numerical analysis models but also machine learning–basedmodels can be applied. The LSTM (Long Short-Term Memory) neural network used in this study is appropriate for sequence data, butit demands a lot of data. However, rainfall that causes flooding does not appear every year in a single urban basin, meaning it is difficultto collect enough data for deep learning. Therefore, in addition to the rainfall observed in the study area, the observed rainfall in anotherurban basin was applied in the predictive model. The LSTM neural network was used for predicting the total overflow, and the resultof the SWMM (Storm Water Management Model) was applied as target data. The prediction of the inundation map was performed byusing logistic regression; the independent variable was the total overflow and the dependent variable was the presence or absence offlooding in each grid. The dependent variable of logistic regression was collected through the simulation results of a two-dimensionalflood model. The input data of the two-dimensional flood model were the overflow at each manhole calculated by the SWMM. According to the LSTM neural network parameters, the prediction results of total overflow were compared. Four predictive models wereused in this study depending on the parameter of the LSTM. The average RMSE (Root Mean Square Error) for verification and testingwas 1.4279 , 1.0079  for the four LSTM models. The minimum RMSE of the verification and testing was calculated as 1.1655 and 0.8797 . It was confirmed that the total overflow can be predicted similarly to the SWMM simulation results. Theprediction of inundation extent was performed by linking the logistic regression with the results of the LSTM neural network, and themaximum area fitness was 97.33 % when more than 0.5  depth was considered. The methodology presented in this study would behelpful in improving urban flood response based on deep learning methodology. 기후변화의 영향으로 국지성 및 집중호우에 대한 발생 가능성이 높아지는 시점에서 과거에 침수피해를 입은 도시 유역에 대하여 실제 호우에 대한 침수 양상을 예측하는 것은 중요하다. 이에 수치해석 기반 프로그램과 함께 기계학습을 이용한 홍수 분석에 대한 연구가 증가하고 있다. 본 연구에서 적용한 LSTM 신경망은 일련의 자료를 분석하는데 유용하지만, 딥 러닝을 수행하기 위하여 충분한 양의 자료를 필요로 한다. 그러나 단일 도시유역에 홍수를 일으킬 강우가 매년 일어나지 않기에 많은 홍수 자료를 수집하기에는 어려움이 있다. 이에 본 연구에서는 대상 유역에서관측되는 강우 외에 전국 단위의 실제 호우를 예측 모형에 반영하였다. LSTM (Long Short-Term Memory) 신경망은 강우에 대한 총 월류량을 예측하기 위하여 사용되었으며, 목표값으로 SWMM (Storm Water Management Model)의 유출 모의 결과를 사용하였다. 침수 범위 예측을위해서는 로지스틱 회귀를 사용하였으며, 로지스틱 회귀 모형의 독립 변수는 총 월류량이며 종속 변수는 격자 별 침수 발생 유무이다. 침수 범위자료는 SWMM의 유출 결과를 바탕으로 수행된 2차원 침수해석 모의 결과를 통해 수집하였다. LSTM의 매개변수 조건에 따라 총 월류량 예측결과를 비교하였다. 매개변수 설정에 따른 4가지의 LSTM 모형을 사용하였는데, 검증과 테스트 단계에 대한 평균 RMSE (Root Mean SquareError)는 1.4279 , 1.0079 으로 산정되었다. 최소 RMSE는 검증과 테스트에 대하여 각각 1.1656 , 0.8797 으로 산정되었으며, SWMM모의 결과를 적절히 재현할 수 있음을 확인하였다. LSTM 신경망의 결과와 로지스틱 회귀를 연계하여 침수 범위 예측을 수행하였으며, 침수심 0.5m 이상을 고려하였을 때에 최대 침수면적 적합도가 97.33 %으로 나타났다. 본 연구에서 제시된 방법론은 딥 러닝에 기반하여 도시 홍수 대응능력을 향상 시키는데 도움이 될 것으로 판단된다.

Study on the influence of sewer network simplification on urban inundation modelling results

Lee, Seung-Soo,Pakdimanivong, Mary,Jung, Kwan-Sue,Kim, Yeonsu 한국수자원학회 2018 한국수자원학회논문집 Vol.51 No.4

도시유역에서 발생한 유출은 지표면뿐만 아니라 하수관망을 통해 배수되며, 도시침수 모의 수행시 하수관망을 수문학적 배수 시스템의 한 구성요로서 고려하는 것은 매우 중요하다. 그러나 도시 침수 모의를 수행하는 대부분의 연구자들이 적절한 기준에 준하지 않고 직관적으로 하수관망을 단순화시켜 모의를 수행하는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 1D-2D 결합 도시침수 해석 모형을 이용하여 수지상 구조에 구분법에 기반하여 단순화 된 하수관망의 도시침수 해석 결과에 미치는 영향을 분석하였다. 하수관망 해석을 위한 1차원 모델은 Lee et al. (2017)에 의해 소개된 모형으로서 지표면과 하수관망 사이의 유입과 역류를 동시에 모의할 수 있고, 2차원 지표면 모델은 불규칙 삼각망을 이용하여 지표수 흐름을 모의하며 1차원 하수관망 해석모형과 연계되어 도시침수를 모의할 수 있다. 하수관망은 수지상 구조 구분법에 기반하여 2차, 3차 그리고 단순화 하지 않은 경우로 구분할 수 있으며, 구분된 각 하수관망은 서울시 사당역 인근에 많은 침수 피해를 발생시킨 2011년 7월 27일 강우 사상에 적용하여 제안된 방법의 적용성을 평가하였다. 모든 케이스에 대하여 침수면적, 지표면에서 하수관망으로의 유입 유량, 하수관망에서 지표면으로의 역류 유량 등을 비교하였으며, 마지막으로 하수관망 단순화를 위한 적절한 기준 제시에 대한 논의를 수행하였다. In urban areas, runoff flow is drained through sewer networks as well as surface areas. Therefore, it is very important to consider sewer networks as a component of hydrological drainage processes when conducting urban inundation modelling. However, most researchers who have implemented urban inundation/flood modelling, instinctively simplified the sewer networks without the appropriate criteria. In this research, a 1D-2D fully coupled urban inundation model is applied to estimate the influence of sewer network simplification on urban inundation modelling based on the dendritic network classification. The one-dimensional (1D) sewerage system analysis model, which was introduced by Lee et al. (2017), is used to simulate inlet and overflow phenomena by interacting with surface flow. Two-dimensional (2D) unstructured meshes are also applied to simulate surface flow and are combined with the 1D sewerage analysis model. Sewer network pipes are simplified based on the dendritic network classification method, namely the second and third order, and all cases of pipes are conducted as a control group. Each classified network case, including a control group, is evaluated through their application to the 27 July 2011 extreme rainfall event, which caused severe inundation damages in the Sadang area in Seoul, South Korea. All cases are compared together regarding inundation area, inflow discharge and overflow discharge. Finally, relevant criterion for the simplification method is recommended.