Article information

Abstract

Trans Abstract

1. 서론

전 세계적인 이상기후 현상으로 인하여 강우, 태풍 등으로 인한 홍수피해가 해마다 불특정지역에 국지적으로 발생함에 따라 재산 및 인명피해가 발생하고 있으므로 자연재해에 대한 만반의 대책을 갖추고 있어야 한다(UNISDR, 2011; IPCC, 2012). 2014년 재해연보(Ministry of Public Safety and Security, 2015)에 의하면 최근 10년간 발생한 전체 자연재해 피해 중85%가 태풍과 호우로 인한 피해이고, 이중 공공시설물에 대한 피해는 전체피해 시설물 중 약 70.5%를 차지하고 있다. 이처럼 자연재해 피해에 대비하여 인명과 재산을 보호하기 위해서는 태풍, 호우 발생 시의 공공시설물에 대한 피해규모 예측이 필요하게 된다. 이와 같은 지리적·환경적 특성을 고려한 체계적인 분석을 통한 피해규모를 예측은 재해에 대비한 재난/안전 계획 수립에 활용될 수 있다(Kim et al., 2014).

지금까지 홍수피해규모 산정 연구는 침수심에 대한 함수를 이용하거나(Merz et al., 2010; Green et al., 2011, FEMA, 2011), 특정지역에 대한 인자들을 이용하여 함수식으로 개념화하는 방법이 이용되어 왔는데(Kreibich et al., 2010), 주로 건물과 건물의 내용물에 대한 연구가 많이 이루어졌다. 그러나 자연재해 피해 중 대부분을 차지하는 공공시설물에 대한연구는 특정자산 피해를 기준으로 피해율(피해계수 적용)을 산정하는 방법과 침수면적항을 설명변수로 하는 피해추정 회귀식에 의한 방법이 이용되고 있다. 특정자산 피해액을 기준으로 피해율을 산정하는 방법은 일반자산 또는 특정자산(농작물 등) 피해액에 따라 공공시설물 피해액이 결정되는 방식이며, 간편법(Ministry of Construction and Transportation, 2000)과 다차원법(Ministry of Construction and Transportation, 2004)이 이에 해당되나 대상구역 내 공공시설물에 대한 현황은 고려되지 못한다. 침수면적항을 설명변수로 하는 피해추정 회귀식에 의한 방법은 개선법(Ministry of Construction and Transportation, 2001), Yeo(2003) 등에 의한 방법이 해당되며, 침수면적으로부터 피해액을 산출하는 구조이나, 피해율을 적용하는 방식과 마찬가지로 해당지역의 실질적인 공공시설물의 현황은 고려되지 않은 한계를 지니고 있다(Kim, 2013). 즉, 현재까지 농작물 피해를 기준으로 피해계수를 곱하여 산정하는 간편법과 침수면적항을 설명변수로 하는 피해추정 회귀식을 적용한 개선법, 그리고 일반자산피해액에 비율계수(169.4%)를 일괄 곱하여 적용하는 다차원법은 공공시설물의 현황 및 수문기상데이터를 기반으로 한 피해 추정방식이 아니기 때문에 이를 개선한 기술개발이 필요한 실정이다.

본 연구에서는 공공시설물 중 가장 많은 피해액이 발생((Ministry of Public Safety and Security, 2015)하고 있는 하천시설에 대해서 호우 태풍으로 인한 홍수피해규모 예측을 위한 함수를 개발하고자 한다. 이를 위해 재해지역 현장을 관리하기 위한 목적으로 운영되는 국가재난관리시스템(National Disaster Management System, NDMS)과 국가 수자원관리종합정보시스템(Water Resources Management Information System, WAMIS)의 정보를 이용하였다. 국가재난관리시스템의 공공시설물 피해 관련 DB는 공공시설피해상세, 공공시설복구정보, 재해대장 기본정보, 피해산출내역(지자체보고), 복구산출내역(확정보고), 피해복구효과로 구성되며, 이중 시설물별 피해내역에 해당되는 피해일시, 피해시설물, 피해규모(연장)와 피해액 정보를 활용하였다. 이와 함께 국가 수자원관리종합정보시스템에서는 과거 피해발생시의 강수량, 유량, 그리고 개수율, 하천연장 등과 같은 하천제원 정보를 이용하였으며, 대상지역은 강원도의 4개 시·군과 충청북도의 3개 시·군의 지방하천에 대해서 함수를 개발하고 그 결과를 비교검증 하였다.

본 연구에서 개발한 하천시설에 대한 피해규모 산정 함수는 방재관리와 기후변화에 대비한 계획을 수립하고 정책개발과결정을 하는데 있어서 중요한 정보를 제공해 줄 수 있다. 특히 이러한 피해규모를 금전적으로 평가하는 것은 재해저감대책을 마련하는데 필요한 매우 유용한 정보를 제공할 수 있게 된다.

2. 연구방법

집중호우로 인해 발생하는 하천에서의 재해는 주로 제방 토공의 유실이나 제방 호안의 유실이 대부분을 차지하고 있다. 따라서 하천에 대한 손상함수 개발을 위해 발생 원인에 해당하는 수문정보와 피해가 발생한 하천의 상태정보 그리고 피해규모와 같은 재해정보를 수집 분석하였다. 함수 개발을 위한 인자는 크게 시간에 따라 영향을 미치는 인자와 지형학적 영향인자로 구분할 수 있다. 시간에 따라 영향을 미치는 인자와 관련하여 실제 하천에서 발생하는 피해는 주로 하천의 수위가 고수위를 형성함에 따라 발생하게 되며, 고수위 형성과 관련된 기상정보인 강우량 자료와 하천의 유량자료를 직접적인 원인으로 분류할 수 있다. 이와 같은 수문정보는 대상하천의 유역 내 수자원관리종합정보시스템의 강우량 자료와 유량자료를 활용하였다. 하천의 상태정보는 과거 집중호우로 인해피해가 발생한 하천의 물리적인 상태를 반영하기 위한 인자로서 하천 정비종합계획에 따른 하천 개수율과 하천연장을 지형인자로 선정하였다. 그리고 피해규모산정을 위한 함수 개발에 가장 중요한 자료인 재해정보는 재난관리시스템으로부터 과거 2009년~2015년까지의 재해대장 기본정보, 공공시설피해상세자료, 공공시설복구정보자료, 복구산출내역자료 등을 확보하여 시·군별 상세 피해 자료를 추출하였으며, 이로부터 피해건별로 하천에서의 피해물량(피해연장)과 피해액 자료를 사용하였다.

이와 같은 자료로부터 하천에 대한 피해규모를 산정하기 위한 함수는 하천별 하천연장에 대한 피해연장 비를 피해율(종속변수)로 두고, 강우량, 단위비유량, 하천 개수율 그리고 하천연장을 주요 인자로 하여 식 (1)과 같은 비선형 회귀곡선식을 개발하였다.

여기서, DR은 피해율(Damage Rate, %)을 의미하며, R은 일강우량(Daily Rainfall, mm), USD는 단위비유량(Unit Specific Discharge, m³/sec/km²), RI는 피해발생 하천의 개수율(River Improvement), L은 피해가 발생한 하천연장(Length, m)을 의미한다.

이러한 자료들을 활용하여 Fig. 1에 보는 바와 같은 절차를 통해 비선형 회귀곡선식인 손상함수를 개발할 수 있다. 개발된 손상함수에 대한 적용성 검토를 위해 과거 연도별 시·군 단위의 피해 자료로부터 손상률을 산정하게 되며, 이로부터 피해하천에 대한 피해액을 추정하여 실제 과거에 발생한 연도별 피해액과 비교하여 손상함수에 대한 검증을 실시하게 된다. 이 때, 검증에 사용되는 손상함수는 대상 시·군의 연도별 재해 특성값을 사용하여야 하며, 이러한 인자들을 사용한 손상함수는 식 (2)와 같이 나타낼 수 있다.

Fig. 1

Process of Developing River Flood Damage Function

여기서, DR¯은 연단위 시·군 손상률(Damage Rate, %)을 의미하며, R¯은 연단위 재해발생일의 일평균 강우량(Daily Rainfall, mm), USD¯는 연단위 시·군 하천규모별 평균 단위비유량(Unit Specific Discharge, m³/sec/km²), RI¯는 시·군 내 하천의 평균 개수율(River Improvement), L¯은 대상 시·군의 지방하천 또는 소하천과 같은 피해발생 하천의 평균 연장(Length, m)을 의미한다.

L¯값은 시·군 관할 내 전체 하천연장에 대한 피해하천의 평균 피해연장 비를 적용하여 식 (3)과 같이 구할 수 있는데, 여기서 L_T는 시·군 관할 내 지방하천의 전체 하천연장을 의미하며, α는 시·군 내 지방하천의 전체 하천연장에 대한 연도별로 피해가 발생한 하천의 연장 비를 의미하며, β는 시·군 내 피해가 발생한 하천 연장에 대한 피해 연장의 평균 비를 의미한다

개발된 손상함수에 대한 검증을 위해 사용된 연도별 피해액은 각 하천별로 발생한 피해 연장에 대한 피해액과의 관계로부터 비선형 회귀곡선식을 유도하여 피해액 산정에 이용하는 방법과 하천별 피해액을 피해 연장으로 나누어 단위 연장당 평균 피해액을 산정하는 방법과 같은 두 가지 방법을 이용하여 피해액을 추정하였다. 지방하천에 대한 손상함수개발을 위해 강원도의 원주시, 횡성군, 평창군 그리고 춘천시, 충청북도의 괴산군, 음성군, 충주시를 대상으로 인자 분석을 실시하였으며, Table 1은 해당 시·군에 대해 재난관리시스템으로부터 추출한 전체 재해발생 건수와 지방하천에서 발생한 재해 건수를 나타내고 있다. Table 1에서 보는 바와 같이 강원도의 4개 시·군은 자료 수가 충분하지는 않지만, 추출된 자료를 이용하여 시·군별로 함수 개발을 실시하였으며, 충청북도의 3개 시·군은 활용 가능한 자료 수가 부족하여 3개 시·군을 합쳐서 함수 개발을 실시하였다.

Table 1

No. of Infra Structure Damage

3. 하천 홍수피해함수 개발

지방하천에 대한 손상함수 개발을 위해 식 (2)와 같이 시·군별 재해발생일의 강우량, 지방하천별 단위비유량, 개수율 그리고 하천연장과 같은 인자특성을 사용하여 다양한 형태의 선형 및 비선형 회귀분석을 실시하였다. 그 결과 식 (4)와 같은 2차 비선형다항식의 결정계수가 가장 높게 나타났으며, 이때 인자들에 대한 모수 추정값 상관성은 Table 2와 같이 나타났다. Table 2에서 보는 바와 같이 강우량, 단위비유량, 개수율 그리고 하천연장의 일차 차수항에 대한 상관성은 모두 ±0.5 이하로 낮게 나타났으며, 변수간의 일차와 이차에 대한 상관성도 동일 변수를 제외하고 대부분 ± 0.5 이하로 나타났다.

Table 2

Correlation of the Estimated Parameters

Table 3에서는 강원도 4개 시·군과 충청북도 3개 시·군에 대해 산정한 2차 비선형 다항식의 매개변수들과 결정계수 R²을 나타내고 있다. Table 3에서 보는 바와 같이 원주시의 결정계수는 0.989로 매우 높게 나타나는 반면에 춘천시, 평창군, 횡성군에서는 0.5이하로 낮게 나타났는데 향후 분석 자료의 보완을 통해 개선 할 수 있을 것으로 판단된다.

Table 3

Estimated Parameters of the Damage Function

4. 하천 홍수피해함수 검증

강원도의 4개 시·군과 충청북도의 3개 시·군의 지방하천에 대해 개발된 2차 비선형다항식에 대한 적용성 검증을 위해 각 시·군에서 과거 발생한 연도별 피해이력을 대상으로 피해율을 산정하였다. 시·군별로 추정된 피해율로부터 피해액을 산정하기 위해서는 시·군별 지방하천의 피해발생 연장을 추정하여야 한다. 이를 위해 시·군별로 연도별 피해가 발생한 지방하천 전체 연장에 피해율을 적용하였으며, 피해액 추정은 다음과 같은 두 가지 방법을 이용하였다.

피해연장-피해액 관계식은 시·군별로 재해가 발생한 지방하천별 피해연장과 재해연보 상의 피해액에 대한 자료를 Fig. 2와 같이 도시하여 회귀곡선식을 유도하였으며, 이 식에 추정제방 피해연장을 적용하여 피해액을 산정하였다.

Fig. 2

Damage Length–Cost Relationship Curve

단위 피해연장당 평균 피해액은 시·군별로 과거에 지방하천에서 발생한 피해액을 하천의 피해연장으로 나눈 값을 연도별로 평균한 것으로 Table 4에는 재해발생 연도별 평균 피해액을 나타내고 있다. 표에서 보는 바와 같이 원주시의 2010년도 평균 피해액이 607,000 원/m로 가장 높게 나타났지만, 대부분의 대상 지자체에서는 250,000~460,000 원/m의 범위를 나타내고 있었다.

Table 4

Average Damage Cost per Length Unit

이와 같은 추정 피해연장을 피해액으로 산정하는 두 가지 방법을 이용하여 Table 5와 같이 시·군별로 지방하천에서 발생한 연도별 총 피해액과 비교하였다. Table 5에서 보는 바와 같이 강원도의 4개 시·군에서 연도별 피해율은 0.53~2.63%의 범위로 나타났으며, 충청북도의 괴산-충주-음성에 대한 피해율은 0.79%로 나타났다. 이들 피해율로부터 추정 피해연장과 피해액을 산정하였으며, 실제 발생했던 피해액에 대한 오차를 산정하였다. 그 결과 원주시에서는 피해연장-피해액 관계식의 경우 약 1.3~1.39%의 오차가 발생하였으며, 단위 연장당 평균 피해액을 적용하였을 경우 20.83~21.88% 범위에서 과대추정이 되는 것으로 나타났다. 춘천시에서는 피해연장-피해액 관계식의 경우 -9.59~-33.49%, 단위 연장당 평균 피해액의 경우 -14.81~-30.52% 범위로 과소 추정되는 것으로 나타났다. 평창군의 경우에서도 두 경우 모두 -21.45~-22.82%, -7.9~-27.69% 범위로 과소 추정되는 것으로 나타났으며, 횡성군에서는 2009년은 두 경우가 각각 -5.56%, -15.73% 정도 과소 추정되었으며, 2013년에는 각각 5.43%, 5.55% 정도 과대 추정되는 것으로 나타났다. 충청북도의 괴산군-충주시-음성군에서는 2012년에 대한 피해 자료에 대해 검증을 실시하였는데, 피해연장-피해액 관계식의 경우 -8.01%, 단위 연장당 평균 피해액을 사용한 경우 9.63 %인 것으로 나타났다.

Table 5

Verification of River Damage Function

5. 결론

본 연구의 목적은 국가재난 및 수자원관리시스템과 연계하여 공공시설물 중 가장 많은 피해액이 발생하고 있는 하천시설에 대해서 호우 태풍으로 인한 홍수피해함수를 개발하는 것으로 본 연구결과를 정리하면 다음과 같다.

1) 홍수피해함수에 이용되는 재해정보는 재난관리시스템으로부터 과거 2009년~2015년까지의 피해일시, 피해시설물, 피해규모(연장)과 피해액 정보를 활용하였다. 이와 함께 국가수자원관리종합정보시스템의 과거 피해발생일시의 강수량, 유량, 개수율, 그리고 하천연장 등 하천제원 정보를 이용하였다.

2) 본 연구에서는 지자체별로 작성되는 국가재난관리시스템을 이용하여 함수를 개발하였고, 행정구역별로 함수가 개발되었다. 강원도의 4개 시·군과 충청북도의 3개 시·군의 지방하천에 대해서 피해함수를 개발하였는데, 그 결과 2차 비선형 다항식의 결정계수가 가장 높게 나타났다.

3) 개발된 손상함수에 대한 적용성 검증을 위해 과거 실제 발생했던 연도별 피해액에 대한 오차 분석을 실시하였다. 그 결과 피해연장-피해액 관계식의 경우 –33.49~5.43%의 오차를, 단위 연장당 평균 피해액을 적용하였을 경우 –30.52~21.88%의 오차범위를 보여주는 것으로 나타났다.

4) 본 연구에서는 시범대상 시·군에 대해 수집된 재해정보를 이용하여 손상함수를 개발하였으나, 수집된 자료의 양적한계로 인해 충분한 정도의 정확도와 신뢰도를 확보하는 데는 한계가 있는 것으로 판단된다. 향후 지속적인 재난현장 자료 수집을 통해 손상함수의 인자 개선과 하천의 피해상황 및 피해액에 대한 정보 보완을 통해 손상함수에 대한 구조적 그리고 질적 개선을 지속해야 할 것이다.

Article information Continued