Flood mitigation effect of green-gray infrastructures in urban area

Abstract

도시화와 기후변화로 인해 극심한 강우 빈도와 규모가 증가하고 있다. 도시 홍수는 인프라와 시민 안전에 부정적인 영향을 미치며 과도한 피해 비용을 초래할 수 있다. 따라서 도시 홍수 관리 (UFM)는 도시의 구조와 기능을 개선함으로써 홍수의 물리적 원인과 잠재적 영향을 효과적으로 관리하기 위해 필수적이다. UFM은 빗물을 관리하고 물을 처리하는 능력을 향상시키기 위해 기존 인프라와 새로운 인프라 사이의 연결과 상호작용을 고려해야 한다. 도시 홍수를 완화하기 위한 기존의 방법들은 하수도 시스템의 용적 확장에 초점을 맞추었다. 그러나 이러한 조치는 주로 지표수 처리를 목표로 하므로 예측 불가능한 강우에 대한 지속가능한 해결책이 되기 어렵다. 따라서, 자연 수문 순환을 복원하고 침투 및 유지 용량을 극대화하여 유출을 제어하고 피크 흐름을 지연시키는 전략이 제안되고 적용되어 왔다. 이러한 전략은 국가 특성에 따라 다양한 용어 및 개념으로 제안되고 있고 용어에 따라 초점은 다소 다르지만, 생태 기술을 기반으로 하고 도시 미기후 및 생물 다양성 개선과 같은 수문학적 복원력 외에도 공공 이익을 제공한다는 데에서 목적이 같다. 본 연구에서는 기존 인프라를 강화 및 확장하는 그린인프라 (GI) 개념을 사용하였다. 본 연구에서 주로 활용되고 있는 방법론은 수문 모델인데 확률적, 경험적, 확률적, 결정론적 방법과 같은 다양한 연구 방법이 도시 홍수의 영향을 분석하기 위해 사용되고 있다. 그 중에서도 '실제'의 단순화된 표현에 기초한 수문학적 모델을 이용한 결정론적 방법은 위험 지역을 식별하거나 그린-그레이 인프라와 같은 공간 기술의 효과를 확인하는 데 적합하다. 본 연구에서는 또한 도시 지역에서 빗물이 처리되는 경계인 catchment 규모의 대상지를 구성하여 매개변수 추정 및 모델 업데이트를 기반으로 정확도를 강화한 홍수 완화 영향을 파악하고자 하였다. 이러한 방법론을 바탕으로 본 연구에서 주로 확인하고자 하는 것은 다양한 강우패턴과 공간 영향에 대한 그린-그레이 인프라의 홍수 완화 효과이다. 본 논문의 각 장에 대한 주요 연구 질문은 다음과 같다. 1) 그린인프라가 홍수 감소에 효과적인가? 2) 다양한 강우 패턴에 따라 홍수저감 효과는 어떻게 달라지는가? 그레이 인프라와 통합했을 때 그 효과는 어떻게 달라지는가? 3) 그린-그레이 인프라 기술이 구현되는 위치에 따라 그 효과는 어떻게 달라지는가? 연구질문에 따라 제2장에서는 결정론적 모델을 기반으로 도시홍수 시뮬레이션 모델을 구축, 교정, 검증하여 결과의 정확도를 높이려 하였다. 또한 적응 전략으로서의 GI의 효과도 평가되었다. 제3장에서는 도시홍수의 회복력 개선을 논의하는 데 중요한 부분인 다양한 강우 패턴에 따른 그린-그레이 인프라 시나리오 변화에 따른 수문학적 성능 변화를 추적하였다. 제4장에서는 선행연구에서 제시한 방법론을 기반으로 도시 유역에서의 홍수 원인과 결과 영역을 탐색하여 각 영역에 그린-그레이 인프라 중 어떤 전략을 적용하는 것이 홍수 완화 측면에서 가장 효과적인지에 대한 분석을 수행하였다. 주요 연구결과는 다음과 같다. 10-30년 재현빈도의 강우강도에서 그린-그레이 인프라 모두 효과가 점차 상쇄되기 시작하였고, 50년 재현빈도 강우에서 그린-그레이 인프라 영향은 거의 제거되었다. 도시의 홍수는 일반적으로 10년 재현빈도 강우이기 때문에, GI는 많은 강우사상에서 효과적인 전략이 될 수 있다. 강우 패턴에 따라서도 홍수와 유출 사이의 감소 효과에 차이를 보였다. 지속기간이 긴 강우에서 그린-그레이 인프라의 유출 감소 효과는 낮아졌다. 다만, 홍수 감소 효과는 반대의 결과를 보였는데 이는 고려되는 목표 지표에 따라 전략의 효과가 달라질 수 있음을 의미한다. 이는 공간적 영향 분석에서도 나타난 결과인데, 원인영역에 그린인프라를 적용하고 영향영역에 그레이 인프라를 도입하는 것이 홍수 저감 측면에서는 유리하나 유출 저감 측면에서는 두 영역에 모두 그린인프라를 설치하는 것이 유리한 것으로 나타났다. 본 연구는 도시 홍수 관리와 관련하여 기존 기반시설과 신규 기반시설 간의 상호작용을 고려할 때 바람직한 그린-그레이 인프라 계획을 위한 정보를 제공하는 데 의미가 있다. 결과는 그린-그레이 인프라 계획의 의사결정 과정에서 다양한 옵션의 상세한 비교의 중요성과 필요성을 강조한다. 특히 복잡한 도시 구조와 증가하는 강우 패턴의 변동성을 고려할 때, 본 연구의 결과는 도시홍수 관리 및 관련 정책에 유용한 시사점을 제시할 수 있을 것으로 기대한다. 다만 이 연구는 수문학적 성능에 대한 논의를 기반으로 결과를 설명하므로 의사 결정에 대한 정보를 제공하기 위해서는 비용과 관련된 함의가 필요하다.

The existing methods for mitigating urban flooding have focused on the volume expansion of sewerage systems, however, these measures alone are expensive and primarily aimed at water treatment, making them an unsustainable solution to unpredictable rainfall. Thus, strategies have been proposed and applied over the past decade to control runoff and delay peak flow by restoring natural hydrologic circulation and maximizing infiltration and retention capacities at the source. In this study, using the green infrastructure (GI) concept, a model simulation was conducted to quantify the effects of green-gray infrastructure on flood mitigation by changes in different techniques, rainfall patterns, and implementation location. Therefore, the main research question for each chapter in this paper is: 1) Is the green infrastructure effective in flood reduction? 2) How does the effect differ according to various rainfall patterns, and how does the effect differ when integrated with the gray infrastructure, 3) How does the effect differ depending on the where the green-gray infrastructure practices are implemented? This study used a deterministic hydrologic model to perform a before-and-after analysis of hypothetical scenarios such as various rainfall, technology, and location. The results of this study are significant as they improve model accuracy through parameter optimization and model correction considering both past and current time points, and quantify the potential effect of GI technology based on flood events of various characteristics. In addition, it emphasizes the importance of detailed comparisons of various options in the decision-making process related to green-gray infrastructure planning.