도시 내배수시스템의 사용연수와 관경을 고려한 조도계수 산정 및 적용성 평가

국문 초록 (Abstract)

도시 내배수시스템은 성능 한계에 직면하고 있으며, 노후 관거의 통수능 저하는 도시 침수의 주요 원인 중 하나로 지적되고 있다. 그러나 국내 설계기준은 신설 관거 기준의 조도계수를 일률적으로 적용하고 있어, 관의 노후화나 물리적 특성에 따른 수리 저항 증가를 반영하지 못하는 한계가 있다. 본 연구는 관경, 매설연도, 형상, 사용연수에 따른 조도계수 변화를 정량적으로 분석하고, 이를 설계 단계에 적용 가능한 기준으로 제안하였다. 서울특별시의 7개 배수분구에 대해 실측 수위 자료와 35개 강우사상을 활용하여 XP-SWMM 모형을 구축하고, 총 10개의 조도계수 시나리오(CASE 1~10)를 비교 분석하였다. 조도계수 시나리오는 동일한 사용연수 구간과 관경 구분을 기반으로 하되, 조도계수의 증분 방식에서 차이를 둔다.첨두 수위 오차율과 RMSE를 결합한 복합 지표를 기반으로 시나리오의 정확도를 평가한 결과, CASE 3이 모든 강우사상에서 가장 높은 일치도를 보이며 최적 시나리오로 도출되었다. 해당 조도계수는 최대 0.024로 기존 설계기준을 초과하였으며, 관거 내부의 실제 수리 저항 특성을 효과적으로 반영한 것으로 해석된다. 본 연구는 조도계수의 현실적 반영이 도시 침수 모형의 정확도를 향상시킬 수 있음을 실증적으로 제시하며, 향후 방재 인프라 설계의 신뢰성과 탄력성 확보에 기여할 수 있는 기반을 마련하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Urban Drainage Systems are becoming increasingly strained, with declining hydraulic capacity in aging conduits emerging as a key driver of urban flooding. However, in South Korea, the current design standards use fixed roughness coefficients based on new pipe conditions, which fail to reflect changes due to pipe aging or physical characteristics. This study quantitatively analyzes variations in roughness coefficients based on pipe diameter, installation year, shape, and years of use, and proposes a novel framework for practical applications. Water levels from seven different drainage networks in Seoul and 35 rainfall events were examined, and 10 roughness scenarios (CASE 1-10) were evaluated via XP-SWMM simulations. These scenarios were based on the same classifications of years of use and pipe diameter but differed in their incremental approach to pipe roughness. Each scenario was demonstrated using a composite index that combines peak water level error and RMSE ranked via the Euclidean distance. CASE 3 consistently outperformed the other scenarios, achieving the best accuracy for all rainfall events, with a maximum roughness of 0.024, exceeding the current design limits and reflecting the real-world hydraulic resistance. These findings underscore the need for more realistic roughness applications in stormwater modeling and offer pipe roughness guidelines for establishing design criteria and improving urban flood resilience.