해수면 상승을 고려한 방재성능목표설정방안연구
A Study on Establishment Method of Prevention Capacity Target Against Disasters Considering Sea Level Rise
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Abstract
도시의 내수침수 문제는 내륙도시보다 하천이나 바다에 인접한 연안도시에서 더 큰 피해를 야기하고 있다. 이는 해수면이 외수위 조건으로 작용하기 때문에 기존 방재성능목표 강우량 이하의 강우량 발생 시에도 침수발생 가능성을 높인다. 따라서 도시유역의 유출모델인 SWMM을 이용하여 대상유역으로 선정된 연안도시에 대하여 모형을 구축하고 이를 통해 해수면 상승과 확률강우량간의 변화 곡선을 작성하여 재현기간별 확률강우량을 산정하였다. 그 결과, 확률강우량에 대한 지속시간별 차이는 있었으나 침수 발생량 30% 저감시 현재 설정된 방재성능목표 강우량이 9.0~16.4% 낮아져야하며 침수발생량 50% 저감시에는 15.7~26.9% 낮아져야하는 것으로 나타났다. 본 연구 결과를 토대로 기후변화에 따른 해수면 상승이 고려된 방재성능목표 강우량 산정 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
Trans Abstract
Urban inundation problem in the coastal city adjacent to rivers or the sea causes more damage than the problem on inland city. Because the sea level is applied to the external water level conditions, the precipitation of the prevention capacity target against disasters below the average rainfall increases possibility of the inundation. Study area was constructed by the Storm Water Management Model(SWMM). Construction Model was to create a graph of sea level rise and probable precipitation estimated for various return period. As a result, there are differences of probable precipitation by each duration. For example, if overflow rate is decrease by 30 percent, the precipitation of the prevention capacity target against disasters has to be reduced between 9.0 percent and 16.4 percent. In addition, if overflow rate is decrease by 50 percent, the precipitation has to be reduced between 15.7 percent and 26.9 percent. The results of this study can be utilized to determined sea level rise is taken into account prevention Capacity target against disasters estimate data due to climate change.
1. 서론
해수면 상승 및 기후변화로 인한 연안의 사회·경제적 영향평가 및 적응전략 수립은 모든 해안 국가의 국가 전략 과제로 다루어지고 있으며, 삼면이 해안으로 둘러싸인 우리나라는 어느 국가들보다 기후변화로 인한 연안도시에서의 영향이 크게 나타날 것으로 판단된다. 특히 우리나라의 연안도시는 인구집중도가 높고 국가 항만 및 어항, 도로, 산업단지, 조선업, 수산 및 관광 산업 등으로서 국가 GNP의 상당부분을 창출하고 있다. 또한 해안이 가지는 다양한 중요성을 반영하여 항만, 도시, 관광 등의 개발 역시 증대하고 있다(Ministry of Environment, 2011). 연안도시의 개발은 해안선이 매우 인접하여 기후변화로 점차 강해지고 있는 태풍과 파랑에 의한 큰 피해가 예상되며 해수면 상승의 가속화로 인한 피해 또한 크게 증가할 것으로 전망되고 있다.
최근 기후변화로 인해 지구평균 해수면은 1961∼1993년간 매년 1.8 mm씩 상승하고 있으며 기후변화에 관한 정부 간 패널(IPPC)의 5차 보고서에 따르면 21세기 말 (2081~2100년)의 전 지구 평균 해수면은 1986~2005년 보다 0.40~ 0.63 m상승되어 기후변화의 가속화를 전망하고 있다. 또한 지구평균해수면 상승률은 약 3.2 mm/yr로 당초 IPCC가 예측한 2.0 mm/yr를 초과하고 있으며 우리나라의 경우 지구평균치보다 높은 4.0 mm/yr 이상을 기록하고 있고(Rahmstorf et al.,2007) Vermeer and Rahmstorf(2009)는 2009년 3월 코펜하겐기후변화의회는 금세기 말 해수면 상승이 시나리오별 0.75 m~1.9 m으로 1 m를 초과할 수 있을 것으로 평가하였다.
이렇듯 기후변화로 인한 해수면 상승에 따른 연안도시의 침수 및 홍수 위험도는 매년 높아지고 있으며 이를 위한 대응방안 마련을 위한 연구가 현재 활발히 진행되고 있다.
국내의 경우 해수면 상승의 예측과 한반도에서의 침수면적을 산출하여 해수면 상승에 따른 침수 위험성을 평가하였으며(Choi et al., 2006) 해수면 상승에 따른 취약성 분석 및 효과적인 대응대책을 수립하기 위하여 연안도시에서의 범람성을 평가하고 대응방향을 마련하는 연구가 진행되었다(Korea Environment Institute, 2010). 또한 국립해양조사원(2011)은 해수면 변동을 정밀 조사하여 해수면 상승 원인 및 연안도시에서의 정량적 파급효과 분석, 체계적인 적응 및 대응방안, 기후변화 자료의 활용방안 등을 제시하였다.
본 연구에서는 우리나라 대표 연안도시를 대상으로 도시유역 유출모델인 SWMM을 이용한 해수면 상승과 확률강우량간의 변화 곡선을 작성하여 재현기간별 확률강우량을 산정하였다.
이를 통해 해수면 상승이 고려된 방재성능목표 강우량을 설정하여 연안도시의 침수 저감방안을 모색하고자 한다.
2. 연구방법
연안도시는 해수면의 영향을 많이 받는 지역이며 본 연구의 대상지구인 부산 센텀지구 또한 우수관의 방류구가 수영강계획 홍수위보다 낮게 설치되어 있어 이로 인해 침수가 빈번히 발생하는 유역이다. 현재 우리나라는 호우 방재를 위해 방재성능목표 강우량을 제시하고 있으나 연안도시의 지형적 특성으로 인해 해수면 상승 및 해일로 인한 침수피해에 취약하며 방재성능목표이하의 강우 발생 시에도 침수 위험에 노출되어있는 실정이다.
이에 본 연구는 연안도시의 홍수 취약성 평가기술과 대응방안에 대한 초석을 마련하고자 하였다. 도시 유출모형인 SWMM(Storm Water Management Model)을 이용하여 대상유역의 모형을 구축하고 해수면 상승이 대상유역 침수 발생에 미치는 영향을 고려하기 위해 인근 조위관측소의 자료를 조사하였다. 이렇게 조사한 각종 조위면 중 선정된 4개의 대표조위는 모형의 경계조건으로 적용하였으며 모형에 적용한강우량은 국민안전처에서 제시한 방재성능목표 강우량을 이용하였다. 이는 홍수, 호우 등의 재해 예방을 위해 재현기간 30년에 해당하는 지속시간 1, 2, 3시간의 확률강우량으로서 이를 강우량으로 적용하여 발생한 침수량을 침수 발생량 100%로 설정하였다. 이때 확률강우량의 시간적 분포는 강우마다 다양하게 나타날 수 있는 분포경향을 예측 할 수 없으므로 우리나라의 실무에서 거의 통일된 방식인 Huff의 4분위법(Huff’s Quartile Method)을 이용하여 강우를 적용하였다. 또한 침수 발생량 감소에 따른 해당 확률강우량을 산정하기 위하여 시행착오법(Try and Error)을 이용해 방재성능목표 강우량을 낮추어가며 모형의 강우 자료를 적용하였다. 이후 산정된 조위별 침수 발생량이 30% 감소되었을 경우와 50% 감소되었을 경우에 해당하는 확률강우량을 선정하여 해수면 상승고와 확률강우량간의 변화 곡선을 작성하였다.
따라서 연안도시 내수침수에 해수면 상승이 미치는 영향을 분석하고 현재 설정된 방재성능목표 강우량의 적절성을 검토하고자 하였다.
3. 대상 지점 조사 및 분석
3.1 대상유역현황
본 연구에서는 과거 침수 이력과 지형적 특징으로 인한 강우 발생시 해수면이 외수위로 작용 할 수 있는 유역을 대상지점으로 선정하였다.
대상유역은 부산광역시 동부에 위치하고 있는 해운대구에 속해 있으며 동측부는 낮은 산지와 주거지역으로 구성된 분지형태인 장산과 우동천, 남쪽으로는 수영강이 남류하며 바다와 맞닿은 연안에 저지대가 전개되어 있다. 또한 대상 유역에서의 유출지점이 수영강 계획 홍수위(EL. 0.54 m)보다 낮게 설치되어 있어 조위의 영향을 받는 유역이다. 대상유역의 상세 현황은 아래의 Table 1과 같다.
Status of Study District
3.2 유역모형 구축
대상 유역의 침수량 산정을 위한 유역 모형 구축을 위해 소유역 및 관거의 제원 등은 하수도 대장평면도(1:1000)를 이용하였다. 또한 국립해양조사원(www.khoa.go.kr)을 통해 조사한 정보를 바탕으로 평균해수면(Mean Sea Level, M.S.L), 소조승(Neap Rise, Np Rise), 대조승(Spring Rise, Sp Rise)과약 최고 고조위(Approximate Highest High Water, App. H.H.W)에 대하여 모형의 외수위 조건으로 적용하였다.
SWMM Model Construction of Study Area
3.3 강우 시나리오
국민안전처에서 제시한 ‘지역별 방재성능목표 설정기준(2012)’에 따르면 홍수, 호우 등으로부터 재해를 예방하기 위한 방재 정책 등에 적용하기 위해 처리 가능한 시간당 강우량 및 연속 강우량의 목표를 방재성능목표 강우량으로 제시하고 있다. 본 연구에서는 이를 지속기간별 확률강우량으로 적용하였으며 해당 지속시간별 확률 강우량은 아래의 Table 2와 같다.
Probable Rainfall(Busan)
Probable Precipitation in accordance with the flooding reduction
또한 본 연구에서는 Huff의 4분위법(Huff’s Quartile Method)을 이용하여 확률 강우량의 시간적 분포 해석을 하였으며 이를 모형의 시나리오로 적용하였다.
이 방법은 실측 강우의 시간분포를 바탕으로 유도되었으며 4가지 분위와 10개 초과확률별 곡선식을 제공하기 때문에 적용의 유연성이 높은 실무적인 장점을 가진 방법이라 할 수 있다(확률 강우량도 개선 및 보완연구보고서; 국토해양부, 2011).
이를 이용하여 재현기간 30년의 지속시간 1, 2, 3시간인 경우에 대해 침수 발생량이 30%, 50% 저감시의 확률강우량을 산정하였다.
4. 해수면 상승에 따른 방재성능목표
부산광역시의 방재성능목표 강우량을 이용하여 구축한 모형에 적용하였을 경우 발생한 침수량을 침수발생량이 100% 발생한 것으로 가정하였다. 이를 이용하여 각 지속 시간에 따른 침수발생량이 30%일 경우, 50%일 경우에 발생하는 확률강우량을 산정 하였다.
4.1 지속시간, 1 hr
재현빈도 30년, 지속시간 1시간에 해당하는 확률강우량 89.5 mm를 구축한 모형에 적용하였을 때 평균해수면(EL. 0.649 m)일 경우의 침수 발생량은 2.929 m3이었다. 이때 침수발생량 30% 저감 하였을 경우 침수량은 2.050 m3, 확률강우량은 8.055 mm 감소된 81.445 mm이었다. 또한 침수 발생량50% 저감하였을 경우 발생하는 침수량은 1.463 m3, 확률강우량은 14.051 mm 감소된 75.449 mm인 것으로 나타났다. 이는 기존 확률강우량인 89.5 mm에 비해 각각 9.0%, 15.7% 낮아져야 침수 발생량이 감소하는 것으로 분석되었다.
Probable Precipitation Graphs in accordance with the flooding reduction
소조승(EL. 0.860 m)일 경우의 침수 발생량은 3.594 m3이었으며 침수발생량의 30% 저감 목표시 침수량은 2.520 m3, 확률강우량은 9.308 mm 감소된 80.192 mm 이었다. 또한 침수 발생량의 50% 저감 목표시 발생하는 침수량은 1.796 m3, 확률강우량은 16.378 mm 감소된 73.122 mm인 것으로 나타났다. 이는 기존 확률강우량인 89.5 mm에 비해 각각 10.4%, 18.3% 낮아져야 침수 발생량이 감소하는 것으로 분석되었다.
대조승(EL. 1.238 m)일 경우의 침수 발생량은 5.060 m3이었으며 침수발생량의 30% 저감 목표시 침수량은 3.542 m3, 확률강우량은 11.903 mm 감소된 77.597 mm이었다. 또한 침수 발생량의 50% 저감 목표시 발생하는 침수량은 2.532 m3, 확률강우량은 20.764 mm 감소된 68.736 mm인 것으로 나타났다. 이는 기존 확률강우량인 89.5 mm에 비해 각각 13.3%, 23.2% 낮아져야 침수 발생량이 감소하는 것으로 분석되었다.
약최고고조면(EL. 1.298m)일 경우의 침수 발생량은 5.355m3이었으며 침수발생량의 30% 저감 목표시 침수량은 3.746 m3, 확률강우량은 12.351 mm 감소된 77.149 mm이었다. 또한 침수 발생량의 50% 저감 목표시 발생하는 침수량은 2.669 m3, 확률강우량은 21.569 mm 감소된 67.931 mm인 것으로 나타났다. 이는 기존 확률강우량인 89.5 mm에 비해 각각 13.8%, 24.1% 낮아져야 침수 발생량이 감소하는 것으로 분석되었다.
4.2 지속시간, 2 hr
재현빈도 30년, 지속시간 2시간에 해당하는 확률강우량 127.2 mm를 구축한 모형에 적용하였을 때 평균해수면(EL. 0.649 m)일 경우의 침수 발생량은 5.187 m3이었다. 이때 침수발생량의 30% 저감 목표시 침수량은 3.609 m3, 확률강우량은 13.610 mm 감소된 113.590 mm이었다. 또한 침수 발생량의50% 저감 목표시 발생하는 침수량은 2.593 m3, 확률강우량은 23.405 mm 감소된 103.795 mm인 것으로 나타났다. 이는 기존 확률강우량인 127.2 mm에 비해 각각 10.7%, 18.4% 낮아져야 침수 발생량이 감소하는 것으로 분석된다.
소조승(EL. 0.860 m)일 경우의 침수 발생량은 6.109 m3이었으며 침수발생량의 30% 저감 목표시 침수량은 4.275 m3, 확률강우량은 14.819 mm 감소된 112.381 mm이었다. 또한 침수 발생량의 50% 저감 목표시 발생하는 침수량은 3.053 m3, 확률강우량은 26.080 mm 감소된 101.120 mm인 것으로 나타났다. 이는 기존 확률강우량인 127.2 mm에 비해 각각 11.7%, 20.5% 낮아져야 침수 발생량이 감소하는 것으로 분석된다.
대조승(EL. 1.238 m)일 경우의 침수 발생량은 8.213 m3이었으며 침수발생량의 30% 저감 목표시 침수량은 5.746 m3, 확률강우량은 17.835 mm 감소된 109.365 mm이었다. 또한 침수 발생량의 50% 저감 목표시 발생하는 침수량은 4.105 m3, 확률강우량은 31.164 mm 감소된 96.036 mm인 것으로 나타났다. 이는 기존 확률강우량인 127.2 mm에 비해 각각 14.0%, 24.5% 낮아져야 침수 발생량이 감소하는 것으로 분석된다.
약최고고조면(EL. 1.298m)일 경우의 침수 발생량은 8.648m3이었으며 침수발생량의 30% 저감 목표시 침수량은 6.060 m3, 확률강우량은 18.953 mm 감소된 108.247 mm이었다. 또한 침수 발생량의 50% 저감 목표시 발생하는 침수량은 4.324 m3, 확률강우량은 32.182 mm 감소된 95.018 mm인 것으로 나타났다. 이는 기존 확률강우량인 127.2 mm에 비해 각각 14.9%, 25.3% 낮아져야 침수 발생량이 감소하는 것으로 분석된다.
4.3 지속시간, 3 hr
재현빈도 30년, 지속시간 3시간에 해당하는 확률강우량 152.2 mm를 구축한 모형에 적용하였을 때 평균해수면(EL. 0.649 m)일 경우의 침수 발생량은 5.877 m3이었다. 이때 침수발생량의 30% 저감 목표시 침수량은 4.105 m3, 확률강우량은 15.829 mm 감소된 136.371 mm이었다. 또한 침수 발생량의 50% 저감 목표시 발생하는 침수량은 2.940 m3, 확률강우량은 27.244 mm 감소된 124.956 mm인 것으로 나타났다. 이는 기존 확률강우량인 152.2 mm에 비해 각각 10.4%, 17.9% 낮아져야 침수 발생량이 감소하는 것으로 분석된다.
소조승(EL. 0.860 m)일 경우의 침수 발생량은 6.932 m3이었으며 침수발생량의 30% 저감 목표시 침수량은 4.859 m3, 확률강우량은 17.807 mm 감소된 134.393 mm이었다. 또한 침수 발생량의 50% 저감 목표시 발생하는 침수량은 3.351 m3, 확률강우량은 31.886 mm 감소된 120.314 mm인 것으로 나타났다. 이는 기존 확률강우량인 152.2 mm에 비해 각각 11.7%, 21.0% 낮아져야 침수 발생량이 감소하는 것으로 분석된다.
대조승(EL. 1.238 m)일 경우의 침수 발생량은 9.410 m3이었으며 침수발생량의 30% 저감 목표시 침수량은 6.587 m3, 확률강우량은 21.308 mm 감소된 130.892 mm이었다.
또한 침수 발생량의 50% 저감 목표시 발생하는 침수량은 4.692 m3, 확률강우량은 37.593 mm 감소된 114.607 mm인 것으로 나타났다. 이는 기존 확률강우량인 152.2 mm에 비해 각각 14.0%, 24.7% 낮아져야 침수 발생량이 감소하는 것으로 분석된다.
약최고고조면(EL. 1.298m)일 경우의 침수 발생량은 9.971m3이었으며 침수발생량의 30% 저감 목표시 침수량은 6.960 m3, 확률강우량은 21.917 mm 감소된 130.283 mm이었다. 또한 침수 발생량의 50% 저감 목표시 발생하는 침수량은 4.998 m3, 확률강우량은 38.354 mm 감소된 113.846 mm인 것으로 나타났다. 이는 기존 확률강우량인 152.2 mm에 비해 각각 14.4%, 25.2% 낮아져야 침수 발생량이 감소하는 것으로 분석된다.
5. 결론
최근 기후변화에 따른 집중호우나 강우량의 증가 및 온실효과로 인한 해수면 상승에 따라 내수침수의 발생률이 높아지고 있다. 또한 홍수나 호우에 대한 방재대응을 위해 방재성능목표강우량을 세우고 있으나 이는 실질적으로 지형적인 특징을 고려하지 않은 평준화된 지표로 사용되고 있는 실정이다. 본 연구를 통해 지속시간별 방재성능목표량 강우량이 해수면의 상승에 큰 영향을 받는 것을 알 수 있었으며 침수 저감에 따른 확률강우량의 대략적인 수치를 확인할 수 있었다. 설정 기준 조위에 따라 큰 차이를 보였으나 재현빈도 30년의 지속시간 1시간의 경우 침수발생량을 저감시키려면 현재 설정된 방재성능목표 강우량인 89.5 mm가 침수 발생량 30% 저감목표시 9.0~13.8%, 침수 발생량 50% 저감 목표시 15.7~24.1%로 낮아져야 하는 것으로 나타났다.
또한 재현빈도 30년의 지속시간 2시간의 경우 침수발생량을 저감시키려면 현재 설정된 방재성능목표 강우량인 127.2 mm가 침수 발생량 30% 저감 목표시 10.7~14.9%, 침수 발생량 50% 저감 목표시 18.4~25.3%로 낮아져야 하며 재현빈도 30년의 지속시간 3시간의 경우에는 현재 설정된 방재성능목표 강우량인 152.2 mm가 침수 발생량 30% 저감 목표시 10.4~14.4%, 침수 발생량 50% 저감 목표시 17.9~25.2%로 낮아져야 하는 것으로 나타났다.
이를 이용하여 어느 지형이든 복합적인 원인에 의해 침수가 발생할 수 있으나 연안도시의 경우, 특히 해수면이 외수위로 작용하여 내수침수가 일어날 가능성이 커짐을 염두에 두어 방재성능목표량 강우량을 세워야 할 것임을 알 수 있다. 방재성능목표 강우량을 다양하고 복합적인 지형에 맞춰 개별적으로 설정하여야한다는 것은 사실상 힘든 실정이나 연안도시의 해수면이라는 큰 특징을 고려한 방재성능목표 강우량 설정은 이루어져야할 것으로 사료된다.
따라서 본 연구 결과를 활용한다면 연안도시의 해수면상승이 고려된 방재성능목표 강우량 산정에 도움이 될 수 있을 것이며 본 연구는 남해안에 속한 연안도시를 대상으로 하였으나 이외의 다양한 연안도시를 대상으로 해수면을 고려한 방재성능목표 강우량을 산정한다면 더 신뢰성 높은 자료를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
감사의 글
본 연구는 국민안전처 사업인 ‘기후변화 적응을 위한 연안도시지역별 복합원인의 홍수 취약성 평가기술개발 및 대응방안’과제[2015-MPSS02- 014-01010000-2015]의 일환으로 이루어졌습니다. 이에 감사드립니다.