이상화 지형을 이용한 GUDS의 도시 침수해석 특성 분석

Analysis of the Characteristics of Urban Flood Inundation Modeling in GUDS (Grid-Based Urban Drainage System Analysis Model) Using Idealized Topography

최근 기후변화와 도시화로 인해 국지성 호우가 증가하면서, 도시 침수 피해가 반복적으로 발생하고 있다. 이러한 상황에서 다양한 강우 시나리오를 신속, 정밀하게 모의할 수 있는 2차원 침수해석 모형의 필요성이 커지고 있다. 본 연구에서는 WCA2D기반 2차원 침수 모듈로 구성된 격자기반 도시배수 모형 GUDS (Grid-based Urban Drainage System Analysis Model)을 대상으로, 천수방정식 기반 상용 모형 XP-SWMM과의 침수해석 특성을 비교하였다. 경사로형 유역, 단일 격자 경사 유역, 깔때기형 유역의 세 가지 이상화 지형을 설정하고, 동일한 유입 조건 하에서 두 모형을 적용하였다. 지점별 유속, 수심, 침수 확산정도, 수치 불안정성 발생 여부를 비교 분석 하였으며, 종방향 단일 격자 유역에서는 두 모형의 최대 유속과 침수심이 약 10% 이내에서 일치하여 1차원 조건에서 GUDS의 유동 재현성이 확인되었다. 경사로형 및 깔때기형 유역에서는 XP-SWMM이 국지적으로 더 빠르고 깊은 흐름을 모의한 반면, GUDS는 상대적으로 평탄한 분포로 차이를 보이면서도 최대 침수심과 침수면적의 차이가 경사로형에서는 13.3%, 14.6%, 깔때기형에서는 9.8, 6.7%로 나타났다. 또한 급경사 구간에서는 XP-SWMM은 수치 불안정성이 나타난 반면, GUDS는 수치적 안정성 측면에서 우수한 특성을 보였다. 다만 본 연구는 이상화 지형과 단순유입 조건만을 고려하였기 때문에 실제 도시 지형, 복잡한 배수체계, 다양한 강우 패턴을 충분히 반영하지 못하는 한계가 있다. 향후에는 실제 도시 유역 적용을 통해 GUDS의 신뢰성과 일반성을 추가로 검증할 필요가 있다.

Recent climate change and urbanization have increased localized heavy rainfall, leading to repeated urban inundation events and a growing need for two-dimensional inundation models that can quickly and accurately simulate various rainfall scenarios. This study compares the inundation behavior of a Grid-Based Urban Drainage System Analysis Model (GUDS), a grid-based urban drainage model which has a WCA2D-based surface module, with that of the shallow-water-equation-based commercial model XP-SWMM. Three idealized catchments—inclined, single-grid inclined, and funnel-type—were configured, and both models were run under identical inflow conditions. Model performance was evaluated using pointwise flow velocity and water depth, inundation propagation, and the occurrence of numerical instabilities. In the longitudinal single-grid case, the differences in maximum velocity and water depth were within approximately 10%, confirming that the GUDS can reproduce one-dimensional flow behavior. In the inclined and funnel-type cases, XP-SWMM produced locally faster and deeper flows, whereas GUDS yielded smoother fields. Differences in maximum water depth and inundation area were 13.3% and 14.6% in the inclined case and 9.8% and 6.7% in the funnel case, respectively. Additionally, the XP-SWMM showed numerical instabilities in steep-slope sections, while the GUDS remained stable. However, only idealized topographies and simple inflow conditions were considered, and future work should verify the reliability and generality of the GUDS for real urban catchments.