격자기반 도시배수시스템 해석 모형(GUDS)의 적용성 검토

국문 초록 (Abstract)

기후위기에 따라 도시침수 대응의 중요성이 증가하고 있으며, 2차원 침수 해석의 필요성이 커지고 있다. 그러나 실무에서 주로 사용하는 상용 모형은 침수 해석 과정 및 결과의 활용도 측면에서 소스코드 비공개로 인한 제약이 따른다. 따라서 본 연구에서는 오픈소스 기반의 격자기반 도시배수시스템 해석 모형(GUDS)의 적용성을 검토하기 위해 기존 상용 모형인 XP-SWMM과 침수해석 결과를 비교 분석하였다. GUDS는 격자기반의 지표유출, 관거이송, 침수해석 모듈로 구성되며, 각각 NRCS-CN 및 Clark 단위도법, EPA-SWMM 연계, WCA 2D (Weighted Cellular Automata 2D) 기법이 적용된다. 유속은 침수 확산의 속도와 경로를 결정하므로, 본 연구에서는 침수 해석 결과 중 유속 분포의 특성을 중심으로 분석하였다. WCA 2D 기법은 Manning 유속과 임계 속도 중 작은 값으로 유속을 결정하는 반면, XP-SWMM은 운동량 방정식을 이용한다. 이에 따른 유속 산정 방식의 차이를 분석하기 위해 단순화된 깔때기형 및 일정 경사의 지형으로 설정하였다. GUDS는 경사와 유속이 비례하나 XP-SWMM은 일정 유속 이상 증가하지 않는 사다리꼴 분포를 보였다. 이러한 해석 방식의 차이에도 불구하고 최대침수심과 침수면적에서 10% 이내의 차이를 나타내었으며, GUDS 모형의 도시침수 해석에 대한 적용성이 인정되는 것으로 평가되었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

With climate change accelerating, the importance of responding to urban inundation has increased, thereby increasing the demand for reliable two-dimensional flood analysis. However, commonly used commercial models are constrained by closed-source architectures, limiting the flexibility of model application and result interpretation. This study examined the applicability of a grid-based open-source Urban Drainage System (GUDS) model by comparing it with the commercial XP-SWMM model. The GUDS consists of modules for surface runoff, conduit flow, and inundation analysis, incorporating the NRCS-CN method, Clark unit hydrograph, EPA-SWMM, and the Weighted Cellular Automata 2D (WCA 2D) technique. As flow velocity critically influences flood propagation patterns, this study focused on comparing the velocity distribution characteristics. While WCA 2D selects the minimum of Manning’s and critical velocities, XP-SWMM calculates velocity using the momentum conservation equation. These differences were evaluated using simulations on simplified funnel-shaped and uniformly sloped terrains. The GUDS showed a linear increase in velocity with slope, whereas the XP-SWMM displayed a trapezoidal distribution. Despite these differences in the modeling approaches, the maximum water depth and inundation area showed less than 10% difference, indicating that the GUDS model is applicable for urban flood analysis.