맨홀 손실계수 기반 도심지 배수능력 평가 및
과부하 관거-맨홀 월류예측시스템 개발

도심지 침수는 강우에 따른 지표유출이 배수관망으로 유입되고, 관망의 배수능력을 초과한 유량이 맨홀을 통해 월류하여 지표면으로 확산되는 과정이므로 이를 연계한 해석이 필요하다. 특히 과부하 상태에서는 맨홀 형상과 관거 접합조건에 따른 수리적 손실이 관거 수위와 월류량에 영향을 미칠 수 있어, 과부하 발생 여부와 유량 변화에 따른 맨홀 손실 특성을 반영해야 한다.
본 연구에서는 도심지 배수능력 평가 기술부분인 맨홀 손실계수를 고려한 도심지 배수능력 평가를 위해 격자기반 도시침수 해석모형 GUDS(Grid-based Urban Drainage System analysis model)를 활용하여 지표유출·관거이송·지표면 침수를 연계하고, 과부하 맨홀의 유형과 유량 조건에 따라 손실계수를 동적으로 반영하였다. 과천시 양재천 하류 실증유역에 해석모형을 적용하여 손실계수 반영 전·후의 침수양상을 비교하고, 맨홀 손실이 침수해석 결과에 미치는 영향을 검토하였다.
시스템 개발 부문에서는 강남역 일대를 대상으로 강우 시나리오별 시계열 침수정보 조회, 손실계수 적용 여부에 따른 결과 비교 및 공간자료 기반 침수영향분석 기능을 구현하였다. 사용자가 강우 조건과 분석 영역을 선택하여 침수분포와 영향정보를 함께 확인할 수 있도록 지도와 통계정보를 연계하였다.
해석 결과를 실무에 활용하기 위해서는 강우 조건과 시간에 따른 침수범위 및 침수심을 관망과 주요시설의 위치정보와 함께 제공할 필요가 있다. 또한 시간대별 침수분포를 통해 침수 발생과 확산 양상을 파악하고, 건축물과 인구 등의 공간자료를 연계하여 영향권 내 대상의 위치와 규모를 확인할 필요가 있다. 이러한 해석기술과 시스템을 통해 제공되는 정보는 현장 점검 및 대응 대상 검토에 필요한 기초자료로 활용할 수 있다.
이러한 해석기술의 개발·적용 내용과 시스템의 주요 기능을 소개하고, 향후 현장 검증과 도시침수 관련 정보 연계를 통한 활용 방향을 제시하고자 한다.

도시침수는 지표에서 발생한 유출이 관망으로 유입되고, 관망의 과부하와 월류가 다시 지표면 침수로 이어지는 연쇄적인 과정으로 발생하므로, 각 과정을 개별적으로 해석할 경우 침수 거동을 일관되게 재현하기 어렵다. 이에 따라 지표유출, 관거이송, 침수해석의 세 과정을 동일한 격자 체계 위에서 연계 해석할 수 있도록 격자기반 도시침수 해석모형 GUDS(Grid-based Urban Drainage System analysis model)를 개발하였다. 지표유출 모듈은 D8 알고리즘(O’Callaghan and Mark, 1984)과 NRCS-CN 방법, Clark 단위도법을 기반으로 각 맨홀에 유입되는 유출 시계열을 산정하고, 관거이송 모듈은 PySWMM(Python Strom Water Management Model)을 통해 EPA-SWMM 엔진과 연계되어 관거 유동과 과부하 및 월류량을 계산하며, 침수해석 모듈은 WCA 2D(Guidolin et al., 2016) 기법으로 맨홀 월류량의 지표면 침수 확산을 모의하도록 구성하였다. 본 모형은 10m 이하의 고해상도 격자를 기반으로 지역 특성을 세밀하게 반영하는 동시에 입력 매개변수를 최소화하여 실무자의 접근성을 높이도록 설계되었다(Yu et al., 2025). 해석 결과는 격자 단위의 침수심과 침수 범위의 시계열로 산출되므로 침수예상도 작성과 침수 위험지역 평가에 직접 활용될 수 있다. 아울러 격자 해상도별 해석 결과와 계산 소요시간의 비교를 통해 실무 적용에 적정한 격자 해상도를 검토하고 침수 확산 계산식을 수정·보완하는 등 개발 모형의 적용성 검토를 병행하였다.

개발 모형의 실제 도심지에 대한 적용성을 확인하기 위하여 과천시 양재천 하류의 주거·상업시설 밀집지역을 실증유역으로 선정하였다. 지형자료, 배수체계, 우수관망 등 유역-관로 현황에 대한 조사를 통해 주요 매개변수를 추출하고 이를 기반으로 도시유출모형을 구축하였으며, 재현기간과 지속시간을 달리한 다양한 강우 시나리오에 대한 침수해석을 수행하였다. 그 결과 강우 조건이 달라져도 양재천 인접 서측과 지형이 낮은 북측 저지대에서 침수가 반복되는 공간 패턴이 확인되었다. 또한, XP-SWMM과의 침수심 공간분포 비교에서 높은 일치성이 나타나 개발 모형의 재현성을 확인하였다.

실제 도심지에서는 건물과 도로 등 구조물이 침수의 흐름 경로를 좌우하며, 유역 특성에 따라 적합한 유출 해석 방법도 달라진다. 이에 따라 다양한 침투방정식과 지표유출 해석방법을 취사선택할 수 있도록 침수해석 모형을 보완하여 국내 적용성을 확대하고, DEM에 건물, 도로를 지형모델에 반영하여 정밀한 해석이 가능하도록 구축하였다. 그 결과 건물 사이의 도로를 따라 침수가 확산되는 시가지 특유의 침수 양상을 재현할 수 있게 되었으며, 계측 상황을 3단계로 구분한 검·보정 체계를 통해 모형의 신뢰성을 검증하고 있다.
맨홀 손실을 침수해석 모듈에 반영하기 위해서는 신뢰할 수 있는 보정 맨홀손실계수(K′)의 확보가 선행되어야 한다. 계측되는 압력수두를 기반으로 계산 맨홀수위를 산출하여 기준값으로 정의하고, 이 계산수위에 SWMM의 모의수위가 대응되도록 하는 보정 맨홀손실계수를 유량 및 측면유입비 조건별로 역산정하였다. 이를 바탕으로 맨홀 유형별 보정손실계수 회귀식과 회귀식의 유효구간을 도출하였다.
한편 맨홀의 손실계수는 형상과 접합조건, 그리고 강우 진행에 따라 변화하는 유량 조건에 의해 달라지므로, 고정된 값을 일괄 적용할 경우 실제의 수리적 손실을 반영하기 어렵다. 이에 따라 SWMM 입력자료로부터 맨홀 접합형상을 자동 분류하고, 과부하가 발생한 맨홀에 대해서만 유형과 유량 조건에 따라 손실계수를 산정하여 직전 시간단계로 회귀(hotstart 적용) 후 손실계수 적용 및 재계산하는 동적 적용 알고리즘을 적용하여 맨홀 손실계수를 적용한 도심지 침수해석 모형의 고도화를 진행하였다. 이를 통해 강우 진행에 따라 변화하는 과부하 구간의 손실계수을 일관되게 반영한 2차원 침수해석이 가능하다.

이러한 체계를 바탕으로 맨홀 손실 반영이 침수해석 결과에 미치는 영향을 확인하기 위하여 기존 문헌의 맨홀 유형별 손실계수를 실증유역에 적용하고 적용 전·후의 침수 양상을 비교하였다. 그 결과 손실계수 적용 시 최대 침수심과 침수면적, 총 월류량이 모두 증가하는 것으로 나타나, 맨홀 손실을 반영하지 않은 침수해석은 도심지의 침수위험을 과소평가할 수 있음을 확인하였으며, 침수예상도 작성과 위험지역 평가에 맨홀 손실 특성을 반영할 필요성을 제시하였다.

실증유역에서 확인된 맨홀 손실 반영의 효과가 실무적으로 활용되기 위해서는 다양한 도심지 여건에 대한 일반화된 평가 체계가 필요하다. 이를 위해 도심지 배수체계의 평가를 위한 성능곡선을 정의하여 실증지역에 대한 성능곡선을 작성하고, 강우 경계선과 강우 시간분포 유형 등 성능곡선의 유효한 적용경계를 설정하고자 한다.
나아가 손실계수 반영에 따른 배수체계 성능곡선의 변화 분석을 통해 배수능력을 정량적으로 평가하고, 고·중·저밀도 도심지 각 1개 대상지역을 추가로 선정하여 배수능력 평가 체계의 확대 적용을 진행하고자 한다.
도심지의 홍수위험은 강우의 규모와 지속기간, 시간분포 등 호우 양상과 맨홀의 과부하 상황에 따라 상이하게 나타난다. 이에 따라 호우 양상에 따른 과부하 맨홀 조건별 홍수위험 영향의 변화를 분석하고, 성능곡선 기반의 배수능력 평가를 통해 홍수위험 변화 상에서의 기준 강우 및 임계 강우의 변화 양상을 검토하고 과부하 맨홀의 월류 예측을 위한 경계조건을 설정하고자 한다.
현행 홍수위험지도는 맨홀 손실에 따른 침수양상의 변화를 반영하지 못하고 있으므로, 고정밀 홍수위험지도 작성을 위한 맨홀 손실 적용 요건과 변화된 해석 결과를 반영하기위한 항목을 정의하여 홍수위험지도의 개선 방안을 제시하고자 한다. 또한 강우량에 따른 침수 스펙트럼과 최초 월류 이후 시간 경과에 따른 침수 확산 경로(flood direction)의 구현을 통해 강우량별-침수시간별 침수 진행 양상을 표출할 수 있도록 침수지도를 고도화를 목적으로 한다.

홍수위험지도 제작 시 과부하 맨홀 손실계수 적용의 필요성에 대한 정책 제언을 병행하고, 서울시 등 지자체 단위 도시침수 통합정보시스템 내에 과부하 관거-맨홀 월류 예측 정보의 연계 표출 방안을 제시하고자 한다. 이러한 일련의 연구를 통해 맨홀 손실을 고려한 정밀한 도심지 배수능력 평가와 침수 예측이 가능해짐으로써, 기후위기에 따라 증가하는 도시침수 위험에 대하여 보다 신뢰도 높은 침수 대응 전략의 수립에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

과부하 관거-맨홀 월류 예측시스템(이하, 시스템)은 강우 조건에 따른 해석정보를 지도에 표출하고, 사용자가 선택한 영역의 침수영향을 조회할수 있도록 설계하였다. 주요 기능은 강우 시나리오, 맨홀 손실계수, 침수영향분석으로 구분하였다. 각 기능에서 동일한 대상지구의 관망 및 공간자료를 활용하도록 구성하여, 강우 조건별 침수분포를 확인한 후 해당 지역의 시설과 인구 현황을 검토할 수 있도록 하였다.
시스템에서 활용하는 자료는 관망과 지형 등의 해석 입력자료, 관거 수위·맨홀 월류량·침수심 등의 해석 결과자료, 건축물·토지피복·인구·방재시설 등의 영향분석 자료로 구분하였다. 관거와 맨홀의 위치 및 연결 관계는 관망정보로 제공하고, 2차원 침수해석에서 생산된 결과는 지도상의 침수범위와 침수심으로 표시하였다. 영향분석 자료는 침수결과와 공간적으로 중첩하여 분석 영역 내 영향 대상을 파악하는 데 활용하였다.
해석기술의 탑재는 맨홀 손실계수 적용 모듈과 관거 해석, 지표면 침수해석의 연계를 중심으로 구성하였다. 시·종점 맨홀을 제외한 적용 대상 맨홀에서 과부하 여부를 확인한 후 해당 조건의 손실계수를 반영하고, 유입·유량비에 따라 손실계수가 달라지는 합류 맨홀은 측면 유입비의 변화에 따라 해당 값을 갱신하도록 하였다. 이 과정에서 산정된 맨홀 월류정보를 지표면 침수해석으로 전달하고, 생산된 침수결과를 시스템의 지도에 연계하였다.
실증지역인 강남역 일대의 관망과 침수분포를 함께 확인할 수 있도록 지도 화면을 구성하였다. 주요 기능 선택 메뉴와 시간 제어 기능, 분석 결과를 제공하는 정보 영역을 배치하였으며, 관거·맨홀, 행정구역, 건축물 및 방재시설 등의 정보를 중첩하여 조회할 수 있도록 하였다. 사용자는 대상지구 전체의 침수분포를 확인한 후 관심 지역을 확대하여 주변 관망과 주요시설의 위치를 함께 살펴볼 수 있다.

시스템의 주요 기능은 강우 조건별 침수 양상을 확인하고, 손실계수 반영 결과를 비교한 뒤 관심 지역의 침수영향을 분석하는 순서로 활용할 수 있도록 구성하였다. 각 기능의 주요 내용은 다음과 같다.

강우 시나리오는 대상지구에 대해 지속기간 1시간, 총강우량 10~150 mm의 범위를 10 mm 간격으로 구성하였다. 사용자가 강우 조건을 선택하면 해당 조건의 해석 결과를 지도에서 확인할 수 있도록 하였다. 이를 통해 동일한 대상지구에서 강우 규모에 따른 침수범위와 침수심의 차이를 검토하고, 강우량 증가에 따라 추가로 영향을 받는 지역을 살펴볼 수 있도록 하였다.

침수해석 결과는 10분 단위의 시계열로 제공하였다. 사용자는 분석 시간대를 선택하거나 결과를 재생하여 침수가 발생하는 위치와 주변으로 확대되는 과정을 확인할 수 있다. 침수심은 구간별 색상과 범례로 표시하여 침수범위 내부의 수심 분포를 파악할 수 있도록 하였으며, 관망과 시설물 정보를 함께 표시하여 시간대별 침수영향을 검토할 수 있도록 하였다.
이러한 기능은 강우 조건별 공간적 차이와 동일 강우 조건에서의 시간적 변화를 함께 살펴보는 데 활용할 수 있다. 특히 주요시설 주변에서 침수가 나타나는 시점과 이후의 분포 변화를 확인함으로써 현장 점검 대상과 대응 검토 범위를 정하는 데 필요한 기초정보를 제공한다.

맨홀 손실계수 기능은 동일한 강우 조건에서 산정한 손실계수 적용·미적용 결과를 시스템에서 비교할 수 있도록 구성하였다. 각 조건의 침수범위와 침수심을 지도에 표시하여 해석 단계에서 반영한 맨홀 손실 특성이 지표면 침수분포에 미치는 영향을 확인할 수 있도록 하였다. 사용자는 대상지구 전체의 결과를 비교한 후 차이가 나타나는 구간을 확대하여 살펴볼 수 있다. 관거와 맨홀의 위치를 함께 표시하면 해당 구간의 관망 배치와 주변 침수분포를 연관 지어 검토할 수 있으며, 손실계수 반영에 따른 변화가 어느 지역에 나타나는지 파악하는 데 도움이 된다.

비교 표출 결과는 관망의 수리 조건 변화가 지역의 침수 양상에 미치는 영향을 검토하는 자료로 활용할 수 있다. 적용·미적용 결과의 차이는 손실계수 반영에 따른 해석 결과의 변화를 의미하며, 예측 정확도에 대한 평가는 관측자료 및 침수흔적도와의 비교 검증을 통해 판단할 필요가 있다.

침수영향분석 기능은 침수범위와 도시 공간자료를 중첩하여 영향권 내 건축물, 인구 및 방재시설 현황을 파악할 수 있도록 구성하였다. 사용자는 강우 조건과 분석 영역을 선택한 후 해당 영역의 침수영향정보를 조회할 수 있으며, 지도와 통계정보를 통해 영향 대상의 위치와 규모를 함께 확인할 수 있도록 하였다.
건축물은 V-world 건축물 공간자료의 주요용도코드를 활용하여 용도별 침수영향 건축물 수를 산정하였다. 이를 통해 주거시설, 의료시설, 교육시설 등의 건축물이 영향권에 얼마나 포함되는지 확인할 수 있도록 하였다. 토지피복자료는 유형별 침수 영향 면적과 해당 유형의 전체 면적 대비 비율을 분석하는 데 활용하여, 건축물 단위의 영향정보와 지역의 토지피복 특성을 함께 살펴볼 수 있도록 하였다.
인구 통계자료는 침수 영향권 내 인구 규모를 추정하는 데 이용하였으며, 빗물펌프장과 대피소 등의 위치정보를 연계하여 주변 침수분포와 방재시설 현황을 함께 확인할 수 있도록 하였다. 이러한 정보는 주요시설 주변의 침수 여부와 주민 생활에 미칠 수 있는 영향을 검토하고, 현장 확인 및 대응 대상 선정에 필요한 자료로 활용할 수 있다.

분석 결과는 선택한 영역의 침수분포와 통계정보를 함께 제공하도록 구성하였다. 사용자는 지도에서 영향 대상의 위치를 확인하고, 용도별 건축물 수와 영향권 내 추정 인구 등의 정보를 통해 해당 지역의 특성을 파악할 수 있다. 이때 공간 중첩으로 산정한 건축물 수와 인구는 침수 영향권에 포함되는 대상의 규모를 의미하며, 개별 건축물의 실제 손상이나 인명피해를 직접 산정한 값과는 구분된다.

본 연구에서는 맨홀 손실계수를 반영한 도시유출-침수해석 기술과 과부하 관거-맨홀 월류 예측 시스템을 개발하였다. 실증유역의 적용 사례에서는 손실계수 반영 시 최대 침수심, 침수면적 및 총 월류량이 증가하여 맨홀 손실 특성이 침수해석 결과에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 또한, 강남역 일대를 대상으로 시계열 침수정보 조회, 손실계수 적용 전·후 비교 및 공간자료 기반 침수영향분석 기능을 구현하였다.
향후에는 관측자료 및 침수흔적과의 비교를 통해 예측 성능을 검증하고, 적용지역을 확대하여 다양한 관망과 강우 조건에서의 적용성을 검토할 계획이다. 아울러 사용자 활용성 평가와 관측자료 연계를 추진하여 도시침수 대응에 필요한 정보 제공 기능을 보완하고자 한다.
맨홀의 수리적 손실을 반영한 도시유출-침수해석 기술과 지도 기반의 월류 예측 시스템을 연계함으로써, 맨홀 유형과 유량 조건에 따른 손실계수의 동적 적용부터 월류량 산정, 지표면 침수해석 및 영향정보 제공까지 연결하였다. 이를 통해 관거-맨홀에서 발생하는 수리적 변화가 지역의 침수양상에 미치는 영향을 검토할 수 있는 체계를 마련하였다.
침수범위와 건축물·인구·방재시설 등의 공간자료를 연계하여 침수 영향권에 포함되는 대상의 위치와 규모를 함께 확인할 수 있도록 하였다. 이러한 정보는 현장 점검 대상과 침수 대응 검토 범위를 선정하는 기초자료로 활용할 수 있다.
맨홀 손실계수를 반영한 해석기술은 도심지 배수능력 평가와 침수예상도 작성에, 개발된 월류 예측 시스템은 지자체의 재해 관련 정보시스템 등과 연계한 도시침수 정보 제공 및 대응 업무에 활용될 것으로 기대된다.

본 연구는 행정안전부 「도시침수 방어능력 강화를 위한 피해 저감 실용화기술 개발사업(RS-2025-02317734)」의 지원으로 수행되었습니다.