최근 우리나라의 침수피해는 하천 범람과 같은 외수 침수피해보다 도심 내 국지성 집중호우로 인한 내수 침수피해가 늘어나는 추세이다. 또한, 전 지구적으로 진행되고 있는 기후변화의 영향으로 도심에서 발생하는 침수문제는 더욱 심화될 것으로 전망된다. 도심지에서의 침수를 방지하고, 집중호우에 의한 피해에 대비하기 위해서는 하수관거의 역할이 더욱 중요하다. 하수관거는 다양한 구조적, 비구조적 대책 중에서도 도심지의 침수피해를 최소화할 수 있는 가장 효과적이고 중요한 사회기반시설이다. 하지만 우리나라의 경우 설계빈도 이하의 강우에서도 도심지가 침수되는 사례가 빈번하게 발생하고 있다. 따라서 본 연구에서는 설계빈도 이하의 강우에서 도심지가 침수되는 원인을 분석함으로써 도시 하수관거 설계방법의 적절성을 평가하고자 한다. 국내에서는 호우의 수문학적 요소에 따라서 호우 빈도를 판단하는 다양한 기준이 존재하지만 설계빈도 이하의 강우사상에서 침수된 원인을 밝히기 위해 하수관거의 간선 설계기준(75mm/hr)과 지선의 설계기준(65mm/hr)을 넘지 않은 침수사상을 활용하였다.
두 개의 강우-유출 모델(Makesw, SWMM)을 활용하여 설계빈도 이하의 강우에서 침수가 발생하는 원인을 분석하였다. 이를 위해 대상유역에 대한 설계강우를 산정하고, 과거 침수사상 중 하수관거 설계빈도 이하의 강우가 기록된 호우사상을 선정하였다. 선정한 호우사상을 도시유출해석모델 SWMM의 입력으로 하여 유출량을 모의하였고 맨홀의 침수여부를 판단하여 침수를 야기하는 강우사상임을 확인하였다. 또한, 대상유역에 대한 관망 및 소유역 자료를 구축하고 합리식을 기반으로 하는 하수관거 수리해석모델 Makesw와 도시유출해석모형 SWMM에 적용하여 모든 관을 대상으로 설계 홍수량을 모의하였다. 각 모델에서 홍수량은, Makesw의 경우, 합리식으로 산정되는 첨두 홍수량을, SWMM에서는 관 내 모의되는 첨두 유량(peak flow)을 의미한다. 설계 강우를 적용하여 산정된 Makesw와 SWMM 설계 홍수량과 실제 강우를 Makesw와 SWMM에 적용하여 산정한 모의 홍수량을 비교 및 분석하였다.
본 연구를 수행한 결과, 설계 홍수량에 대해서는 합리식을 기반으로 한 Makesw의 모의값이 SWMM의 모의값보다 훨씬 크게 산정되는 것으로 나타났다. 유역 유출구의 경우, Makesw에 의한 설계 홍수량 값이 SWMM에 의한 값보다 약 60배 정도 크게 산정되었다. 반면 실제 호우사상을 통해 산정된 홍수량에 대해서는 3개 호우사상 중 2개 호우사상에서 SWMM으로 모의된 홍수량이 Makesw로 모의된 홍수량보다 크게 산정되었다. 특히, 간선으로 바로 연결되는 1차지선의 경우, 많게는 85%, 적게는 71%의 관망에서 SWMM으로 모의된 홍수량이 Makesw로 모의된 홍수량보다 크게 산정되었다. 실제 과거 침수사상을 적용하였을 때 SWMM에 의한 홍수량이 합리식보다 크게 산정된 관망은 간선, 간선과 바로 연결되는 1차지선 그리고 최상류 관거인 4차지선인 것으로 나타났다.
이러한 결과는, 강우가 내린 분포형상이 관내에서 모의되는 첨두 값에 영향을 많이 미치는 것으로 판단된다. 선정된 호우사상 3개를 모의한 결과에서 Makesw와 SWMM간의 차이가 가장 크게 나타난 호우사상은 단기간 집중호우 형태로 나타났다. 해당 호우사상의 총 강우량 대비 77%에 해당하는 강우는 지속시간 2시간, 총 강우량 대비 91%에 해당하는 강우는 지속시간 3시간으로 나타났다. 유역이 침수되는 것은, 현재 관의 설계 기준이 되는 시간 최대강우강도로 홍수량을 모의하는 것보다 단기간 집중호우 등이 갖는 강우특징이 관내 유출량 모의에 더 큰 영향을 미치기 때문이다. 추후 도심 내 상습침수구역 중 합리식 기반으로 하수관망이 설계된 유역을 대상으로 실제 침수사상을 활용하여 연구할 필요가 있으며, 도시하수관거 침수원인분석 시 기초자료로 활용될 것으로 사료된다.