02분반 물길흘러조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 기후 변화 대응을 위한 퇴적 위험도 분석 및 관리‧점검을 위한 웹 플랫폼 개발

영문 : Development of a WebPlatform for Analyzing Sedimentation Risk and for Management and Monitoring in Response to Climate Change

과제 팀명

물길흘러조

지도교수

구자용 교수님

개발기간

2025년 9월 ~ 2025년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20228900** 백*경(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20208900** 장*환

서울시립대학교 환경공학부 20228900** 권*성

서울시립대학교 환경공학부 20228900** 이*현

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

본 과제는 기후 변화 속 늘어나는 도시 침수 사고 문제를 대비하고, 인명 및 재산 피해를 최소화하는데 기여하기 위해 총 두 단계에 걸쳐 배수시스템 유지관리 시스템을 설계하였다. 배수능 저하에 영향을 줄 것으로 예상되는 인자를 선정하여 1차로 퇴적물량을 예측하고, 이때 선별된 위험 지역에 대해 2차 예측을 추가로 진행한다. 개발된 1단계 모델에는 기상청에서 제공하는 초단기 강우 예보 데이터를 융합하여 실제 강우 이벤트에 따른 침수 위험도와 관리 우선순위를 동적으로 갱신 및 제공하고자 하였으며, 1단계 모델을 통해 선별된 위험지역에는 센서를 설치하여 실시간 모니터링을 진행한다. 이를 통해 단순 추정에서 벗어나 모델의 정확도를 향상시키고, 거시적인 위험 분포도 확인 및 미시적인 실시간 현황 파악이 가능해진다. 또한, 필요 지역에만 센서를 설치함으로써 비용 부담을 감소시켜 예산, 인력 등의 측면에서 효과적인 사전적 대응을 기대할 수 있다.

개발 과제의 배경

도시침수란 홍수로 인한 도시하천의 범람 또는 도시지역 내에서 강우가 적절히 배수되지 아니하여 발생하는 침수현상을 말한다(도시침수방지법). 침수피해란 도시침수로 인하여 발생한 생명·신체 또는 재산상 피해를 말한다.

행정안전부 재해연보에 따르면 2023년 도시 침수(호우, 홍수 중심) 피해는 재산피해 9,582억 원, 이재민 8,322명을 기록했다. 연도별로 보면 2021년 661억 원, 2022년 5,927억 원, 2023년 9,582억 원으로 해마다 가파르게 증가하고 있다. 인명피해 역시 2021년 3건, 2022년 19건, 2023년 53건으로 크게 증가하고 있으며, 복구에 드는 국비 투입 역시 2021년 1,475억 원, 2022년 1조 743억 원, 2023년 1조 2,097억 원으로 늘어났다. 극한호우 단일 사건의 피해 강도도 커졌다. 물정보포털에 따르면 2022년 8월 수도권 집중호우는 사망·실종 19명, 재산피해 3,115억 원에 달했고, 서울 동작구에서는 일 381.5mm의 기상관측 이래 최대 폭우가 관측되는 등 도심 저지대·하천 인접 지역을 중심으로 피해 강도가 심화되는 양상이다.

서울연구원에서 발표한(2025년 5월) 정책연구 “배수기능 확보 위한 빗물받이 설치와 유지관리 개선방안”에 따르면 빗물받이의 막힘은 위와 같은 침수피해를 가중시킨다. 이는 주로 빗물받이 최상단의 그레이팅이 낙엽, 무단투기된 담배꽁초, 쓰레기 혹은 악취 방지를 위한 덮개 등으로 막힌 상태에서 강우가 발생하면 발생한다. 국립재난안전연구원에 따르면 집중호우(시간당 강우량 50mm 이상) 발생 시 빗물받이의 막힘은 침수 면적을 약 3배 가량 증가시키며, 침수 깊이는 2.3배 이상 증가시키는 것으로 나타났다. 이를 방지하기 위해 시민들에게 본인의 주거지 또는 상가 앞 빗물받이를 점검하는 캠페인을 진행중이나, 그레이팅 외에 시민이 접근하기 어려운 빗물받이 내부에도 토사와 낙엽 등이 쌓여 빗물받이 막힘을 유발하기도 한다. 이 문제를 해결하기 위해서는 지자체에서 지속적인 청소와 준설을 진행해야 하지만, 예산 또는 인력 부족 등의 문제로 어려운 상황이다. 서울연구원 정책연구(2025년 5월)에 의하면 자치구별 빗물받이는 평균 23,378개가 설치되어 있으나, 1개 자치구 1일 준설 가능 빗물받이 수는 200~300개소로 연 2회 준설을 실시하고 있다. 하지만 토사를 비롯한 이물질 등은 준설 이후 즉시 재발하므로 우기 전에 맞추어 모든 빗물받이에 대한 준설을 진행하기에는 역부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 두단계에 걸쳐 진행되는 배수구 퇴적물량 예측 및 관리‧점검 시스템을 개발하여 사전예방적 차원에서의 준설을 최적화함으로써 침수 피해를 최소화 하고자 한다.

개발 과제의 목표 및 내용

본 연구에서 궁극적으로 도달하고자 하는 목표는 사전예방 차원에서의 퇴적물량 산정을 통한 배수시스템 유지관리 최적화이다. 이를 위해 배수능 저하에 영향을 줄 것으로 예상되는 인자들을 활용하여 퇴적물량 예측 모델을 개발한 뒤, 위험지역을 선정할 예정이다. 위험지역에는 추가로 센서를 설치하여 실시간 데이터를 수집하고, 이를 기상청의 초단기 강우 예보 데이터와 융합하여 시스템의 정확도 및 신뢰도를 향상시키고자 한다.

(1) 설계 대상지 선정

1단계 모델 예측을 위한 설계 대상지는 서울특별시의 동대문구로 정하고자 한다. 2단계 모델 예측을 위한 설계 대상지는 교내 캠퍼스로 설정하여, 1단계 모델 예측에 실시간 데이터를 결합하였을 때의 정확도 변화도 함께 살펴보고자 한다. 2단계 모델 개발을 위해서는 실제로 센서를 설치한 뒤 실시간 데이터를 수집해야 하기에, 교내 캠퍼스가 위치한 동대문구를 설계 대상지로 선정하여 프로젝트를 진행할 예정이다.

(2) 1단계 모델 개발

가. 활용 데이터

1단계 모델 개발에 활용되는 데이터는 다음과 같다.

- 서울시 자치구별 불투수면적 현황

- 국토교통부 수치표고모델(DEM)

- 국토교통부 토지이용현황도(SHP)

- 국토교통부 도로망(현황) – SHP

- 서울시 가로수 위치정보

- 행정동 단위 서울 생활인구(내국인, 외국인)

1단계 모델은 기본적으로 DEM, 불투수율, 유동인구, 가로수 낙엽가중, 상권 등 공간변수를 동일 격자 해상도로 정규화하여 피처 레스터를 구축하고, 이를 지도학습 분류기로 학습해 역삼2동 내 침수 유발 취약성을 셀 단위로 산정하도록 구성된다. 코드상으로는 geopandas와 rasterio를 통해 벡터(SHP)와 래스터(TIF)간 변환, 정합을 수행하며, 모든 입력은 기준 DEM의 해상도/영역/변환행렬을 상속받도록 처리된다.

지형은 ‘수치표고모형(DEM)’을 활용하여 고도 원본값 자체뿐 아니라 지형 특성을 설명하는 파생 변수를 함께 사용한다. 이는 원천 고도 데이터가 가진 지형 정보를 보다 정교하게 반영하기 위함이며, 경사향(aspect), 경사도(slope), 지형의 상대적 높낮이(Topographic Position Index, 이하 TPI), 집수량(flow accumulation)의 네 가지 파생변수를 파이썬의 지리공간 데이터 추상 라이브러리인 GDAL과 유역경계설정 및 하천망 추출을 수행하는 pysheds를 이용하여 생성하였다. 단순 고도 값만으로는 지형의 방향성, 경사 변화율, 주변 대비 상대 높낮이, 유출 집중도와 같은 지형 구조적 특성을 충분히 표현하기 어렵기 때문이다. 이러한 한계를 보완하고 지형적 패턴이 퇴적 위험도에 미치는 영향을 정량적으로 모델에 반영하기 위해 파생변수를 포함하였다.

불투수율은 해당 벡터/속성을 기준 DEM 격자에 래스터화하여 연속값 지도로 만든다. 유동인구와 상권 데이터 역시 속성필드를 지정해 동일한 격자에 래스터화한다. 마지막으로, 가로수 데이터는 점 데이터에 낙엽량 가중치를 부여해 계산한뒤, 낙엽가중 밀도 피처로 활용한다. 이 중, 가로수 데이터는 수종, 수고, 수관너비, 흉고지름, 관리등급 등 세부 속성을 포함하여 계절별 낙엽량 및 표면 덮개 효과를 반영할 수 있다. Hrotkó et al.(2020)에 따르면 가로수는 도시 내 표면 환경에 직접적인 영향을 미치며, 낙엽 발생을 통해 대기 중 퇴적 물질의 지표 기여를 증가시킬 수도 있다.

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

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설계 사양

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개념설계안

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이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

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결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

빗물받이와 센서의 결합 상태

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포스터

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완료작품의 평가

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향후계획

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특허 출원 내용

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