태화강 유역의 연안 복합홍수 발생기준 산정에 관한 연구
Estimating a Coastal Compound Flood Standard for the Taehwa River Basin
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Abstract
강우와 조위의 상호작용에 의해서 발생하는 연안지역의 복합홍수는 기후변화에 의한 해수면 상승과 강우량 변화의 영향으로 위험성이 증대되고 있다. 그러나 국내에서는 강우와 조위의 상호작용을 고려한 연안지역의 복합홍수 분석은 이루어지지 않고 있다. 이에 본 연구에서는 해안과 접해 있는 태화강 유역을 대상으로 복합홍수 개념을 적용하여 태화강 유역의 복합홍수 발생기준을 산정하였다. 그 결과 강우강도는 22.42 mm/hr 이상, 조위는 0.71 m 이상일 때 복합홍수가 발생하였다. 또한 복합홍수 발생 시 주변 기상 및 해양인자를 분석한 결과, 태풍이 복합홍수 발생에 영향을 주는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 연구결과는 복합홍수의 위험에 대비하기 위한 재난 관리 계획을 수립하는데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
Trans Abstract
The risk of coastal compound flood, caused by the interaction of rainfall and tides, has been increasing with sea level rise and changes in rainfall due to climate change. However, there is no costal compound flood study that considers the interaction of rainfall and tides in Korea. Therefore, this study applied the compound flood concept to the Taehwa river basin to estimate the compound flood standard for the Taehwa river basin. The result revealed that the coastal compound flood occurred when the rainfall intensity was greater than 22.42 mm/hr and the tide was greater than 0.71 m. In addition, the study found that typhoon plays a role in coastal compound flood by analyzing the distribution of meteorological and oceanographic factors during the compound flood events. Our results can be used to develop disaster management plans to prepare for the risk of compound flood.
1. 서 론
인류의 역사를 살펴보면, 연안지역은 인간의 삶에 있어서 매우 중요한 지역으로 활용되었다. 과거에는 어업과 무역을 위한 항만으로서의 역할로 많이 활용되었다면, 근래에는 전기 생산을 위한 화력발전소, 원자력발전소 등 발전소들이 많이 위치하고 있으며, 각 국가별 통신망을 연결하기 위한 통신 센터 등 사회를 유지하기 위한 사회기반시설들이 집중되어 있는 공간으로서 역할을 하고 있다. 이러한 연안지역의 다양한 역할로 인해 많은 수의 사람들이 연안지역에 살고 있다. 1990년에 전 세계 인구의 약 23%에 해당하는 12억 명의 사람들이 연안지역(해안선으로부터 100 km 이내 지역)에 거주하였다면(Small and Robert, 2003), 2010년에는 약 27%에 해당하는 약 19억 명으로 증가되었고(Kummu et al., 2016), 2020년에는 약 29억 명이 연안지역에 살고 있고 지속적으로 그 수가 증가될 것으로 전망되고 있다(Reimann et al., 2023). 이렇듯 많은 인구와 주요 시설들이 몰려있는 연안지역은 홍수 재난에 노출되어 있으며, 기후변화로 인한 해수면상승과 강우량의 변화로 인해 홍수의 위험도가 더욱 증가되고 있다.
국내에서 발생한 자연재난 중에서 매년 많은 피해를 발생시키고 있는 홍수는 강우강도, 지속시간 및 지역적 특성에 따라 하천홍수, 도시홍수, 돌발홍수, 연안홍수(혹은 해안홍수) 등 4가지로 구분할 수 있다. 하천홍수는 강우로 인해서 하천의 수위가 증가하고, 하천이 범람하여 발생한 홍수로 정의되며, 도시홍수는 지역의 도시화에 따른 불투면적의 증가(유효강우량 증가 및 도달시간의 단축), 도시 내수배제 시스템의 배수 불량 등에 의해 도시지역에서 발생한 홍수를 의미한다. 돌발홍수는 지형학적으로 경사가 급한 산악지역 등에서 단시간에 많은 양의 강우에 의해 높은 수위의 홍수파가 형성되어 순식간에 하류 지역으로 전파되는 홍수이다. 연안홍수는 태풍, 지진 등으로 인해 내륙으로 밀려오는 바닷물의 영향으로 발생한 홍수이며, 만일 하천의 하류부가 바다와 연결된 감조하천이 존재할 경우 연안홍수는 바닷물의 영향뿐만 아니라 강우에 의해서 발생하는 유출량에도 영향을 받아서 발생하게 된다(Lee et al., 2022). 따라서 감조하천에서의 연안홍수는 앞선 다른 종류들의 홍수들과 달리 강우뿐만 아니라 바닷물의 영향, 즉 조위의 영향을 받는 구별된 특성을 보이고 있다(Lee et al., 2021). 이러한 특성은 복합재난이 가지는 특성과 동일하다.
Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC)에서는 복합재난을 “사회적 혹은 경제적 위험을 유발하는 2개 이상의 재난유발인자 혹은 재난들에 의해서 발생한 재난”으로 정의하였다(Field et al., 2012). 이는 과거 재난 연구들에서 각 재난들을 독립적인 요소로 가정했다면, 복합재난에서는 각 재난유발인자 혹은 재난 사이의 상호작용을 고려한다. 이러한 개념이 홍수와 접목되면서 제시된 것이 복합홍수이다. 복합홍수는 두 개 혹은 그 이상의 홍수 원인들이 동시 혹은 짧은 시간 내에 발생하여 원인들 간의 상호작용을 통해서 발생하는 홍수를 의미한다(Xu et al., 2022). 특히 연안지역에 적용될 경우, 강우와 조위의 상호작용에 의해서 발생하는 복합홍수로 정의되고 있다. 이를 통해서 기존 연구들에서는 감조하천에서의 조위의 영향을 부가적인 요소로 취급했다면, 복합홍수에서는 강우와 같이 홍수를 발생시키는 주요 원인으로서 다루면서, 강우와 조위의 상호작용을 고려하고 있다(Shin, 2024).
연안홍수를 대상으로 진행된 국외연구사례들을 먼저 살펴보면, 본격적으로 복합홍수 용어가 적용된 연구들은 Wahl et al. (2015) 연구 이후이지만, 이미 이전부터 강우와 조위의 관계 혹은 상호작용에 대해 분석한 연구들이 진행이 되었다. Svensson and Jones (2004)은 영국의 서쪽과 남쪽 해안지역을 대상으로 연안지역의 홍수를 발생시키는 조위, 강우, 그리고 유량의 관계를 확률론적 방법론 기반의 의존도 지표를 개발하여 적용하였다. 각 지역마다 산정된 의존도는 다르나 3가지 요소들이 유의미한 의존도를 가지는 것을 확인하였다. Lian et al. (2013)은 중국 푸저우시를 대상으로 연안홍수의 원인인 강우와 조위의 결합확률 산정하고 이를 기반으로 홍수량을 산정하였다. 강우와 조위가 모두 극한상태에서 동시에 발생할 확률은 희박하나 동시 발생 시에 기존의 단일요소에 의해서 발생한 홍수보다 더 큰 피해를 발생시킬 수 있다는 것을 확인하였다. 2015년 이후 복합홍수의 연구들을 살펴보면 초기에는 복합홍수의 개념을 수립하기 위한 연구들이 진행되었다(Wahl et al., 2015; Ikeuchi et al., 2017; Bevacqua et al., 2020). 복합홍수의 개념들이 정립된 후에는 강우와 조석의 상호작용을 고려한 빈도해석, 복합홍수량 또는 복합홍수위 산정 방법 혹은 모형 개발, 복합홍수 위험도 분석, 기후변화를 고려한 복합홍수 전망 등 다양한 연구들이 진행되었다(Ikeuchi et al., 2017; Hendry et al., 2019; Ganguli et al., 2019; Bevacqua et al., 2019; Gu et al., 2022; Jalili and Najafi, 2023; Wijetunge and Neluwala, 2023; Feng et al., 2023). 이러한 해외 연구사례들은 2가지 공통적인 사항들을 제시하고 있는데, 첫 번째는 복합홍수는 일반적으로 강우에 의해서 발생하는 홍수보다 더 큰 규모를 가지며 이로 인한 피해 역시 막대한 영향력을 가진다는 것이다. 두 번째는 복합홍수의 발생확률이 기후변화로 인한 해수면 상승과 강우량 변화로 인해서 증가하고 있다는 것이다.
국내에서 연안홍수와 관련하여 진행된 연구들을 살펴보면, Jo et al. (2000)은 기존의 방법론을 통해서 감조하천을 대상으로 개발된 수위-유량곡선에 수위와 조위의 수면차라는 새로운 항을 추가하여 감조하천의 저수위에 해당하는 유량을 값을 보다 정확하게 산정할 수 있도록 하였다. Oh et al. (2007)은 감조하천의 수위자료에 웨이블릿 변환을 적용하였고, 주기성을 가지는 요소들을 축출하였다. 축출한 요소들을 조위자료와 비교한 결과, 조위와 유사한 특성을 가지는 것을 확인하였다. Jeong (2012)은 Well-balanced HLLC (Harten-Lax-van Leer-Contact)를 활용한 2차원 유한체적 모형을 개발하여 연안도시지역의 침수를 모의하였으며, 특히 여러 시나리오 중에서도 바다로부터 감조하천으로 유입되는 유량이 커질수록 침수심과 침수면적이 증가되었다. Choo et al. (2016)은 국내 4개 수역(서해, 남해, 동해, 제주)의 연별변동추이와 연평균상승률을 분석하고, 이를 기존에 산정된 감조하천의 설계 외수위와 비교하여 현 설계 외수위 산정 방법론의 문제점을 제시하였다. 그리고 해결방안으로서 해수면의 증가추세(해수면상승률), 하천설계빈도 등을 고려하는 방향성을 제시하였다. Choi et al. (2019)은 감조하천을 대상으로 기수립된 방재성능목표 강우량외에도 해수면 상승 시나리오를 추가적으로 고려하여 예상침수구역을 XP-Storm Water Management Model을 통해 산정하였다. 이외에도 감조하천의 수위를 산정하기 위해서 머신러닝방법을 적용한 연구들(Jung et al., 2018; Lee et al., 2021), 연안홍수 위험도 분석 연구들(Lee and Choi, 2018; Kim et al., 2018; Kim et al., 2023; Kim, 2023) 등이 진행되었다. 국내에서 수행된 연구들을 살펴보면, 감조하천에서의 홍수가 강우와 조위에 영향을 받고 있는 것을 인지하고 이를 고려하여 연구를 진행하였다. 하지만 대부분의 연구들에서는 조위를 홍수에 영향을 주는 부가적인 요소로만 고려하고 있으며, 강우와 조위의 상호작용에 대한 것은 제시되어 있지 않다. 또한 감조하천보다는 연안지역의 도시에 집중하고 있기 때문에 내수배제에 대한 해수위의 영향을 주로 분석하였다. 따라서 아직까지 국내에서는 복합홍수 개념 또는 유사한 개념을 적용한 연구 사례가 없다고 볼 수 있다.
이에 본 연구에서는 국내 감조하천을 대상으로 복합홍수의 개념을 최초로 적용하고자 한다. 본 연구에서는 국내 감조하천이 존재하는 유역 중에서도 태화강 유역을 선정하였다. 태화강 유역의 경우에는 하류부가 동해와 연결되어 있기 때문에 조위에 영향을 받고 있으며, 하류부에 대도시가 발달되어 있어서 복합홍수 발생 시에 막대한 홍수 피해가 발생할 수 있는 곳이기 때문에 복합홍수에 관한 연구가 필요한 곳이다. 본 연구에서는 복합홍수의 정의 및 발생과정을 태화강 유역에 적용하여 태화강 유역의 복합홍수 발생기준을 정량적으로 제시하였다. 그리고 코플라기반의 이변량 빈도해석을 통해서 국내 복합홍수 발생기준에 대한 빈도 분석을 수행하였다. 마지막으로 복합홍수 발생 시 한반도 주변 기상 및 해양인자의 분포를 분석하여 복합홍수 발생에 영향을 주는 요소를 파악하였다.
2. 방법론
2.1 복합홍수 정의 및 발생과정
복합홍수에 대한 정의는 많은 연구자들에 의해서 제시되어졌다(Table 1). 복합홍수에 대한 정의들을 살펴보면, 복합재난이 가지는 특징인 (1) 2개 혹은 그 이상의 요소들에 의해서 발생, (2) 재난 발생 원인들이 동시 혹은 짧은 시간 내에 연속적으로 발생, (3) 재난 발생 원인들이 결합하거나 상호작용하여 재난의 규모를 증가시킴 등이 정의에 포함되어 있다(Kim et al., 2024). 복합홍수의 원인으로 대부분 연구들에서는 감조하천이 있는 연안지역을 대상으로 하기 때문에 강우, 조위, 유출량 등을 제시하고 있다면 일부 연구들에서는 복합홍수를 서로 다른 종류의 홍수들의 조합으로 보기 때문에 서로 다른 종류의 홍수들을 원인으로 제시한다. 원인이 연구마다 설정한 대상지역과 복합홍수의 정의에 따라서 다르지만, 모든 연구에서 복합홍수의 원인들이 동시 혹은 연속적인 발생을 가지며, 이들의 상호작용의 중요성을 제시하고 있다.
Definition of Compound Flood
복합홍수에 관한 대부분의 연구는 감조하천이 있는 연안지역을 대상으로 수행되었다. 이는 감조하천이 다른 하천들과 비교하여 강우 외에 요소에 영향을 받는 명확한 근거를 보여주기 때문이다(Lee et al., 2018). Fig. 1은 태화강의 하류에 위치한 태화교 수위관측지점(하구로부터 7.6 km)과 태화강 상류에 위치한 병영교 수위관측지점(하구로부터 17.5 km)에서 동일한 기간 동안 관측한 수위를 보여주고 있다. 두 수위 그래프를 보면 저수위(Low Water Level)에서 크게 차이가 있는 것을 확인할 수 있다. 태화교의 저수위에 해당하는 부분을 보게 되면 조위가 가지는 특성 중에 하나인 주기성이 나타나 있는 것을 볼 수 있다. 이와 반대로 병영교 자료에서는 내륙 하천과 같이 저수위에서 특정 수위 값을 유지하고 있는 것을 확인할 수 있다. 즉 감조하천이 강우 외에도 조위의 영향을 받는 것이 관측 자료에서 명확하게 들어남으로서 감조하천의 홍수가 복합재난의 정의 및 특성에 부합하는 것을 확인할 수 있다.
Water Level Data of Taehwa River Basin (Taehwagyo and Guyeonggyo)
감조하천의 강우와 조석간의 상호작용은 복합홍수가 기존 홍수보다 연안지역에 많은 피해를 발생시키거나 피해 규모를 증폭시킨다. 이러한 복합홍수는 다양한 발생과정을 가지고 있다(Wahl et al., 2015). Wahl et al. (2015)은 복합홍수의 발생과정을 강우와 조위의 조건에 따라서 3가지로 제시하였다. 첫 번째 발생과정은 연안 지역에서 강우와 조위의 동시발생에 의해서 설계빈도 이상의 홍수를 발생시키는 경우이다. 이 경우에는 복합홍수의 원인들의 동시 발생에 따른 상호작용으로 인해 하천의 유량이 급격하게 증가하게 되어 피해를 발생시킨다. 특히 강우와 조위가 모두 극한 상태일 경우에는 기존 홍수보다 압도적으로 큰 홍수량을 발생시킨다. 두 번째 발생과정은 극한상태의 조위에 의해서 하천 전체의 수위가 증가된 상태에서 강우가 발생하여 홍수 피해가 발생하는 경우이다. 이미 조위에 의해서 홍수 위험성이 평소보다 증가된 상태에서 강우가 발생함으로 설계빈도 이상의 홍수량이 하천에서 발생한 것이다. 이때 발생하는 강우는 침수피해를 직접적으로 발생시키지 않는 강우량임에도 불구하고 조위에 영향으로 홍수 피해를 발생시킬 수 있다. 세 번째 과정은 직접적인 홍수피해를 일으키지는 않지만 해안구조물이나 배수구조물 등에 영향을 줄 수 있는 조위가 영향을 주고 있는 상태에서 강우가 직접적인 요인으로 작용하여 홍수 피해를 발생시키는 경우이다. Wahl et al. (2015)이 제시한 발생과정을 살펴보면, 발생과정이 강우와 조위 중에서 어떤 요소가 직접적으로 홍수피해를 발생시키는 요인으로 작용하는지에 따라서 나누어져 있지만 최종적으로는 강우와 조위 모두가 홍수피해에 영향을 주는 것을 볼 수 있다. 본 연구에서는 제시된 발생과정 중에서 제일 큰 피해 잠재력을 가진 극한 강우와 극한 조위에 의해서 발생하는 복합홍수를 지체시간과 분위수를 이용한 방법론을 통해서 식별하고 이에 대한 정량적인 기준을 제시하고자 하였다(Fig. 2).
Procedure of Determining the Coastal Compound Flood
우선 복합홍수 사상을 파악하기 위해서는 강우와 조위자료를 수집해야 한다. 복합홍수에 관한 대부분의 연구들에서는 강우 및 조위를 복합홍수의 원인으로 제시하고 있다. 홍수의 한 종류임에도 불구하고 유량을 원인으로 선택하지 않는 이유는 유량은 강우에 의해서 발생하기 때문이다. 따라서 유량의 원인인 강우를 고려함으로서 유량 또한 고려된 것으로 볼 수 있다. 두 번째로는 조위자료에 대한 지체시간을 산정하는 과정이다. 조위관측소는 조위를 관측하기 위해서 해변 또는 바다에 설치되어 있다. 따라서 관측된 조위가 감조하천에 영향을 주기 위해서는 상당한 거리를 이동해야한다. 이러한 현상을 반영하기 위해 지체시간을 조위자료에 부여해야 한다. 조위의 지체시간을 산정하는 방법으로는 지체시간에 따른 상관분석이 많이 활용되고 있다(Fang et al., 2021). 연구대상지역에서 조위의 영향이 두드러지게 나타나는 수위관측소를 결정하고, 해당 관측소들의 수위자료와 관측조위에 대하여 지체시간을 부여한 상관성 분석을 실시하여 가장 큰 상관성 계수를 도출하는 지체시간을 조위의 지체시간으로 결정한다. 이 외에도 감조하천에서 측정한 염분자료를 통해서 조위의 영향구간을 파악하여 지체시간을 산정할 수 있지만, 태화강 유역에서는 관련 자료를 제공하고 있지 않기 때문에 지체시간을 이용한 방법을 사용하였다. 수위관측소로는 조위의 영향이 두드러지게 나타나는 태화교 수위관측소를 선정하고, 이를 조위자료와 함께 상관성 분석을 실시하여 지체시간을 산정하였다. 세 번째로는 강우와 조위의 극한상태를 정의하기 위한 임계값을 결정하는 과정이다. Wahl et al. (2015)이 제시한 발생과정을 살펴보면, 강우와 조위가 결합되는 경우, 일반 강우와 극한 조위가 결합되는 경우, 그리고 극한 강우와 일반 조위가 결합되는 경우로 구분할 수 있다. 따라서 이를 재현하기 위해서는 강우와 조위에 대한 극한 상태를 결정해야 한다. 극한 상태를 결정하기 위한 방법론들은 많이 존재하며, 그 중에서 가장 간단한 방법은 정부에서 정한 극한 기준을 활용하는 것이다. 정부에서는 각 기상 및 해양 상태에 대한 주의 및 경보 수준을 결정하여 이를 기반으로 기상특보를 발현하여 피해가 발생하지 않도록 경고를 하고 있다. 기상특보는 강풍, 풍랑, 호우 등 10가지 기상 및 해양인자에 대한 특보를 포함하고 있다. 하지만 정부에서 제시한 기준을 활용하는 경우, 각 지역의 특성을 적절하게 반영하지 못한다는 문제점을 가지고 있다. 두 번째로 많이 활용되고 있는 방법이 분위수를 활용하는 것이다. 각 자료에 원하는 분위수를 설정하여 극한에 대한 기준 값으로 활용하는 방법론이다. 분위수를 활용 시에 장점은 이상치에 영향을 적게 받으며, 연구자가 원하는 극한 수준에 맞게 기준 값을 산정할 수 있을 뿐만 아니라 각 지역의 자료를 기반으로 산정하기 때문에 지역적 특성들을 잘 반영한다. 이에 본 연구에서는 강우와 조위 자료에 대해서 분위수 기반의 방법론을 적용하였으며, 총 8개의 분위수(95%, 96%, 97%, 98%, 98.5%, 99%, 99.25%, 99.5%)를 적용하였다. 다음과정으로는 산정된 극한상태 기준값을 이용하여 강우와 조위를 각각 극한상태와 일반상태로 나누고, 이를 총 4가지 그룹(그룹1: 극한 강우 + 극한 조위, 그룹2: 극한 강우 + 일반 조위, 그룹3: 일반 강우 + 극한 조위, 그룹4: 일반 강우 + 일반조위)으로 분류하는 것이다. Wahl et al. (2015)이 제시한 발생과정에서는 그룹 4를 제외한 그룹들을 복합홍수로 정의하고 있지만, 실제 막대한 피해를 발생시키고 있는 복합홍수의 경우에는 그룹 1에 해당하는 경우이다(Ganguli et al., 2019; Bevacqua et al., 2020). 마지막으로 각 분위수에 따라서 식별된 그룹 1에 대해서 연구대상지역에 발생한 홍수피해 사례와 비교⋅분석하는 것이다. 복합홍수로 식별된 사례들이 얼마나 실제 홍수 피해가 발생한 사례들과 일치하는 지를 기준으로 최종적으로 극한에 대한 최종 분위수를 결정하는 것이다. 여기서 복합홍수에 대해 극한 강우와 극한 조위에 의해서 발생한 복합홍수의 경우에는 홍수 피해를 발생시킨다는 가정사항을 설정하였다. 이는 그룹 1에 해당하는 복합홍수 사상이 발생을 하였다면, 태화강 유역에서는 홍수피해가 발생한 것을 의미한다. 실제 발생하였던 피해 사례와 식별된 복합홍수 사례가 얼마나 일치하는 지를 비교하여, 가장 높은 일치율을 보이는 분위수를 극한상태에 대한 기준 값이면서 국내 복합홍수 발생기준으로 결정하였다.
2.2 코플라기반의 이변량 빈도해석
이변량 빈도해석은 다양한 범주형 변수간의 관계를 분석하는 방법론으로, 다변량 빈도해석 중에서 변수가 2개로 고정된 경우를 의미한다. 이변량 빈도해석은 각 변수들의 발생확률뿐만 두 변수가 같이 발생하는 결합확률을 고려한다(Kwak et al., 2016). 이러한 이변량 빈도해석은 수문학 연구들에서 많이 활용되어졌는데 특히 가뭄에 대한 빈도해석을 위해서 많이 활용이 되었다. 가뭄은 여러 특성들을 가지고 있지만 가뭄이 얼마나 심각하게 발생하고 있는 지를 보여주는 심도와 가뭄이 얼마나 지속되고 있는 가를 보여주는 지속기간이 가뭄을 정의하기 위해서 많이 활용되고 있다(Kwak et al., 2021). 따라서 가뭄의 빈도해석을 수행하기 위해서는 가뭄의 심도와 지속기간을 모두 고려해야하기 때문에 이변량 빈도를 많이 활용되고 있으며, 특히 Shiau (2003)에 의해서 제안된 이변량 빈도 식이 가뭄에 대한 빈도해석에서 가장 많이 활용되고 있다(Yoo et al., 2016).
여기서, TDS는 가뭄의 지속기간(D)이 설정한 기간(d)보다 크거나 같음과 동시에 가뭄의 심도(S)가 설정한 심도(s)보다 크거나 같은 경우의 재현기간을 의미하고, E(L)은 가뭄 발생 평균 간격을 나타낸다.
Eq. (1)에서는 설정한 가뭄 지속기간(d)와 가뭄심도(s)의 각각의 발생확률(FD(d), FS(s))뿐만 아니라 지속기간과 심도의 동시 발생확률(C(FD(d), FS(s)))도 고려하여 재현기간을 산정할 수 있도록 한다. Eq. (1)은 가뭄 외에도 다른 자연재난에 대한 빈도 해석을 위한 식으로 변형되어 많이 활용되고 있다(Chowdhary et al., 2011; Najib et al., 2022). 본 연구에서는 Eq. (1)을 아래와 같이 복합홍수에 대한 이변량 빈도 식으로 변형할 수 있다.
여기서, TRT는 복합홍수의 강우강도(R)가 국내 복합홍수 발생기준 중에서 강우강도의 기준(r)보다 크거나 같음과 동시에 복합홍수의 조위(T)가 국내 복합홍수 발생기준 중에서 조위의 기준(t)보다 크거나 같은 경우의 재현기간을 의미하고, E(L)은 복합홍수의 발생 평균 간격을 나타낸다.
Eq. (2)를 통해 국내 복합홍수기준에 대한 재현기간을 산정함으로서 태화강유역에서의 복합홍수에 대한 발생빈도를 확인할 수 있다.
Eq. (2)를 통해 복합홍수에 대한 빈도해석을 수행하기 위해, 우선 강우와 조위에 대한 확률분포형을 적합시키는 과정이 필요하다. 강우강도와 조위에 대해서 각각 6개의 확률분포형(Normal, Log-normal, General Extreme Value (GEV), Weibull, Gamma, Gumbel distribution)에 대해서 적합을 시키고 3가지 통계값(Negative Log Likelihood (NLL), Bayes Information Criterion (BIC), P-value)를 통해 평가하여 가장 적합도가 높은 확률분포형을 최종 분포형으로 선택하였다. 두 번째로는 강우강도와 조위로 구성된 코플라(Copula)함수를 산정하는 것이다. 코플라함수는 변수들간의 상관관계 혹은 종속성을 나타내는 함수로 이를 통해서 2개의 변수간의 결합확률을 산정할 수 있다. 본 연구에서는 총 4개의 코플라함수(Gaussian, Clayton, Gumbel Frank copula functions)를 후보군으로 설정하고 코플라함수에 대한 적합도를 평가하기 위해서 BIC를 산정하여 비교하였다.
3. 대상지역 및 데이터 수집
본 연구에서는 태화강 유역을 대상지역으로 선정하였다(Fig. 3). 태화강은 국내 대표적인 감조하천으로 태화강의 하류부가 동해와 연결되어 있으며, 태화강 하류부 지역에 하천을 중심으로 도시지역이 발달되어 있다(Fig. 3(a)). 태화강 유역의 기하학적 특성을 살펴보면, 태화강 유역의 면적은 660.86 km2, 유역의 둘레길이는 162.28 km이며, 형상계수는 0.31이다. 태화강 유역의 하천들의 형상계수 대부분이 0.1~0.5인 장방형에 가까워 첨두홍수량이 급격히 증가하지는 않지만 수위가 장시간 지속될 위험이 있으며, 특히 상류지역에서 강우가 머물러 있거나 또는 하류에서 상류로 강우가 진행될 경우에 유량이 지속적으로 유하하여 수위지속시간도 길어져 치수적으로 불리한 상황이 발생할 가능성을 내포하고 있다(Shin, 2024). 태화강 유역에서 발생한 과거 자연재난 피해 이력을 재해연보를 통해서 살펴보면, 태풍이 25회로 가장 많이 발생하였으며, 다음으로 강우에 의한 침수피해, 폭설 등 순으로 많이 발생하였다. 피해액에서는 태풍, 강우, 지진 순으로 많은 피해를 발생시켰다. 이를 통해서 태화강 유역에 침수로 인한 피해가 자주 발생한 것을 확인할 수 있다.
Land Use Map and 14 Observation Stations of Taehwa River Basin
복합홍수의 발생기준을 산정하기 위해서 총 14개의 관측소로부터 시단위 강우강도, 수위, 조위관측자료를 2001년 1월 1일부터 2023년 12월 31일에 해당하는 기간에 대해서 수집하였다(Fig. 3(b)). 기간을 2001년 1월 1일부터 2023년 12월 31일까지로 설정한 이유는 선리 기상 관측소가 2000년 중반부터 강우강도 자료를 가지고 있기 때문이다. 강우량의 경우에는 태화강 주변의 12개의 관측소(삼호동, 선리, 운문, 덕현리, 삼동초교, 봉월초교, 영지초교, 시래동, 외동중학교, 신답교, 울산, 태화교)를 대상으로 국가수자원종합정보시스템(Water Resources Management Information System (WAMIS), http://wamis.go.kr/)을 통해서 구축하였다. 조위자료에 대한 지체시간을 산정하기 위해서 조위의 영향을 가장 많이 받고 있는 태화교 지점을 대상으로 WAMIS에서 자료를 수집하였다. 마지막으로 조위자료의 경우에는 울산 조위 관측소를 대상으로 조위자료를 수집하였다. 울산 조위관측소는 태화강 유역에서 가장 가까운 조위관측소로 하구에서 약 404 m 정도 떨어져있다. 울산조위관측소의 조위자료는 해양수산부에서 운영하는 바다누리 해양정보서비스(http://www.khoa.go.kr/oceangrid/khoa/intro.do)를 통해서 수집하였다. 마지막으로 국내 복합홍수 발생에 영향을 주는 요소를 확인하기 위해서 한반도 주변의 기상 및 해양인자에 대한 자료를 구축하였다. 기상 및 해양인자의 경우에는 미국 해양대기청(Natinal Oceanic and Atmospheric Adminstration (NOAA), https://www.ncei.noaa.gov/)의 자료를 활용하였다. NOAA는 미국 연방정부의 기상, 해양, 대기 등에 관련된 연구 및 운영을 담당하는 기관으로서 전 세계 해양에서 관측한 다양한 기상 및 해양 인자 자료들을 제공하고 있다. 본 연구에서는 기존 복합홍수 관련 연구들을 참고하여(Fang et al., 2021; Saldio et al., 2021; Lai et al., 2021; Bloomfield et al., 2024), NOAA에서 제공하는 자료 중에서 강우량과 조위에 영향을 주는 기상 및 해양인자로서 해수면기압, 가강수량, 풍속을 선택하였다.
4. 적용 및 분석
4.1 국내 연안 복합홍수 발생기준 산정
2.1절의 Fig. 2의 절차를 따라서 태화강유역의 복합홍수발생기준을 산정하고자 하였다. 이를 위해서 3절에서 제시된 것처럼 14개의 기상관측소에서 강우량, 조위관측소에서 조위, 태화강 수위관측소에서 수위 자료를 수집하였다. 14개의 기상관측소에서 수집한 강우강도 자료에 대해서 Thiessen을 적용하여 지점 자료를 면적 자료로 변환하였다. 다음으로는 조위관측소의 위치에 의해서 발생하는 지체시간을 산정하기 위해서 지체시간에 따른 상관분석을 수행하였다. 지체시간으로는 0시간부터 9시간까지 총 10개의 지체시간을 선정하였으며, 지체시간 적용 시 수위자료의 시간은 고정시킨 상태에서 조위자료에 지체시간을 적용하였다. 지체시간의 단위는 1시간으로 선정하였는데, 이는 제공되고 있는 수위자료의 최소단위가 1시간 단위로 제공되기 때문이다. 또한, 상관분석 시에 상관계수로는 많이 활용되고 있는 Pearson 상관계수를 사용하였다. 지체시간을 고려하여 상관계수를 산정한 결과(Table 2), 조위 지체시간이 1시간 일 때, 최대 상관계수 값인 0.819를 가지는 것을 확인할 수 있었다. 이는 울산 조위관측소에서 관측된 조위가 태화강 수위 관측소의 수위에 영향을 주는데 약 1시간 정도 소요되는 것을 의미한다.
Correlation Coefficient between Water Level and Tide according to Lag Times
세 번째 과정으로는 강우강도와 조위에 대한 극한상태와 일반상태를 분류하기 위한 기준값을 산정하는 과정이다. 기준값을 산정하기 위해서 8가지 분위수(95%, 96%, 97%, 98%, 98.5%, 99%, 99.25%, 99.5%)를 강우강도 및 조위에 각각 적용하였다. 구축된 각 시계열 자료에 대해 분위수를 산정하고 이를 기준으로 큰 값을 가지는 경우를 극한상태로, 반대로 기준보다 작은 값을 가지는 경우는 일반상태로 정의하였다. 다음으로는 산정된 지체시간을 활용하여 강우강도와 조위를 하나의 쌍으로 만들었다. 이를 통해 서로 독립적인 시계열 형태를 가지고 있었던 강우강도와 조위를 하나의 쌍으로 변환하였다. 각 쌍은 하나의 강우 값과 하나의 조위 값으로 구성되어있다. 이 때, 강우강도가 만약 t시간에 발생하였다면, 조위는 t-1에 발생한 조위로 선택하여 쌍을 만들었다. 쌍이 구축이 되었다면, 각 쌍을 상태에 따라서 총 4개의 그룹(그룹1: 극한강우 + 극한조위(빨간색), 그룹2: 극한강우 + 일반조위(파란색), 그룹3: 일반강우 + 극한조위(초록색), 그룹4: 일반강우 + 일반조위(검정색))으로 분류하였다(Fig. 4).
Classification of Coastal Compound Flood Groups Based on Criteria
각 기준값에 따라서 분류된 그룹 중에서도 그룹1에 속하는 쌍들을 복합홍수의 후보군으로 설정하고, 이를 울산지역에 발생한 홍수피해기간과 비교하였다. 울산지역에 발생한 홍수피해사례는 행정안전부에서 매년 발간하고 있는 재해연보를 이용하여 확인하였다. 재해연보는 매년 국내에서 발생하고 있는 자연재난에 의한 피해 사례들을 조사한 보고서로서 각 지방정부에서 수집한 피해 내역들을 기반으로 작성이 된다. 각 기준값에 의해서 복합홍수 후보군으로 식별된 쌍들과 실제 홍수피해기간의 일치여부를 확인한 결과, 99% 분위수 부터 100% 일치하는 것을 확인할 수 있었다(Table 3). 이를 통해 태화강유역의 복합홍수발생기준이 강우와 조위가 각각 22.42 mm/hr 및 0.71 m 이상 발생하는 경우인 것으로 정의할 수 있다. 여기서 0.71 m의 조위는 조차가 가장 크게 나타나는 대조시의 평균조위인 대조평균만조위(0.69 m)보다 크며, 가장 높은 조위값을 의미하는 약최고만조위(0.96 m)보다 작은 값이다.
Concordance Rate etween Group1 and Flood Disaster according to Criteria
99% 분위수로 기준으로 나누어진 각 그룹을 살펴보면, 그룹1은 22개, 그룹2는 172개, 그룹3은 1,840개, 나머지 190,806개가 그룹4에 속하였다. 그리고 각 그룹별로 실제 홍수 피해가 발생한 날짜와 비교한 결과, 그룹2는 69.77% (120개 일치), 그룹3은 47.83% (880개 일치)가 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 강우와 조위가 모두 극한 상태가 아님에도 피해가 발생하는 것을 확인할 수 있으며, 극한 조위보다는 극한 강우에 의해서 발생한 피해가 더 많은 것을 확인할 수 있다. 이는 피해에 있어서 조위보다는 강우가 가지는 영향력이 큰 것으로 판단할 수 있다.
4.2 국내 연안 복합홍수 발생기준에 대한 이변량 빈도해석
4.1절에서 산정한 국내복합홍수 기준으로 구성된 복합홍수가 얼마나 자주 발생하는 지를 분석하기 위해서 코플라함수 기반의 이변량 빈도해석을 수행하였다. 우선 강우강도와 조위에 대해서 6개의 확률분포함수를 적합시켰다. 강우강도와 조위에 대해서 각각 적합 시킨 6개의 확률분포함수 중에서 어떤 확률분포함수가 가장 적합한지를 확인하기 위해, 3가지 통계값(NLL, BIC, P-value)을 산정하였다(Tables 4, 5). 산정된 3개의 통계값을 통해서, 강우자료는 대수정규분포가 가장 적합한 확률분포함수로 결정되었으며 조위자료에 대해서는 정규분포가 가장 적합한 것으로 나타났다.
Fit Tests of Rainfall Intensity
Fit Tests of Tide
다음으로는 강우강도와 조위의 결합확률을 산정하기 위한 코플라함수를 선택하는 과정이 필요하다. 그에 앞서서 강우강도와 조위자료가 얼마나 상관성을 보이는 지를 Kendall’s tau 상관계수를 이용하여 분석하였다. 기존에 많이 활용되었던 Pearson 상관계수는 해당 데이터가 정규분포를 따르지 않는 경우에 잘못된 상관성을 산정할 수 있는 단점을 가진 반면에 Kendall’s tau 상관분석은 자료의 분포형에 대한 가정사항을 가지고 있지 않다. 상관성분석을 4.1절에서 99분위수를 이용하여 나눈 4가지 그룹 중에서 그룹4를 제외하고 적용하였으며, 각 그룹에 대해서 기간을 전체기간, 여름기간(6-8월), 태풍기간(7-10월)로 나누어서 분석을 하였다(Table 6). 우선 모든 강우강도과 조위에 대한 결과를 보면, 각 기간에 대해서 산정된 상관계수 값들이 상당히 작기 때문에 유의미한 상관성을 가지는 것으로 판단하기 어렵다. 다음으로 그룹1, 즉 복합홍수로 식별된 경우에 대한 상관분석 결과를 보면 다른 경우들보다 압도적으로 높은 상관계수 값을 가지는 것을 볼 수 있다. 이는 복합홍수 발생 시에 나타난 강우강도와 조위가 높은 상관성을 가지는 것을 보여주며, 특히 태풍이 자주 발생하는 시기에 둘이 특히 높은 상관성을 가지는 것을 의미한다. 나머지 그룹2와 그룹3에 대한 결과를 보면, 태풍기간에 대한 그룹3에서의 결과만 유의미한 값을 보여주었다. 이러한 결과는 그룹1에 대한 코플라함수를 적용하기에 적합하다는 것을 보여준다.
Correlation Coefficient according to Group and Period
총 4가지 코플라함수(Gaussian, Clayton, Gumbel, Frank)를 강우 및 조위의 확률분포함수에 적용하여 매개변수를 산정하였다. 매개변수가 산정된 코플라 함수들에 대해 가장 적합한 코플라 함수를 결정하기 위해서 BIC를 산정하였다(Gaussian: -2.08, Clayton: -2.83, Gumbel: -2.21, Frank: -2.83). 산정된 BIC 값들이 모두 음수를 가지기 때문에 산정된 값에 절대값을 취해서 가장 작은 값을 가지는 함수를 최적의 코플라함수로 선정한다(Halkos and Tsionas, 2019). 따라서 Gaussian 코플라함수가 가장 적합하다.
위의 가정을 통해서 선정한 강우강도와 조위에 대한 각각의 확률분포함수 및 강우와 조위에 대한 코플라함수를 이용하여 Eq. (2)에 적용하여 국내복합홍수기준에 대한 빈도해석을 수행하였다 강우강도와 조위자료를 적합시킨 Gaussian 코플라함수에 대해서 99분위수의 강우강도와 99분위수의 조위의 결합확률을 산정한 결과 누가결확확률이 0.988로 산정되었으며, 이를 대입하여 재현기간은 약 132년 빈도로 산정되어졌다. 태화강은 국가하천으로서 설계빈도가 200년으로 선정되어 있는데, 본 연구에서 산정한 복합홍수의 발생빈도는 132년으로 설계빈도보다 더 자주 복합홍수가 발생하는 것을 볼 수 있다.
4.3 국내 연안 복합홍수 발생에 영향을 주는 요소 식별
태화강 유역에서 발생하는 복합홍수 발생에 영향을 주는 기상 및 해양인자를 식별하고자, 우선 NOAA에서 제공하고 있는 해수면기압, 가강수량, 풍속 자료를 수집하였다. 사용되는 3가지 기상 및 해양인자는 복합홍수 연구들에서 복합홍수의 발생에 영향을 주는 요소들로 많이 활용되고 있다. 다음으로 복합홍수발생기준에 따라서 분류된 그룹1, 그룹2, 그룹3에 속하는 사상들이 발생한 날짜에 맞게 기상 및 해양요소들을 분류하고, 이들의 평균을 산정하여 지도에 도식하였다. 먼저 해수면기압의 분포를 살펴보면(Fig. 5), 각 그룹별로 서로 다른 해수면 기압의 분포를 보이고 있다.
Distribution of Sea Level Pressure according to Groups
복합홍수로 식별된 그룹1에서의 해수면 기압의 분포를 살펴보면, 한반도 바로 아래쪽에 큰 저기압이 발달되어 잇는 것을 볼 수 있다. 그리고 발달된 저기압을 기준으로 좌우로 큰 고기압이 발생되어 있다. 그룹2에서는 한반도에는 특별히 눈에 띄는 분포가 보이지 않는다. 전체적인 특성으로는 한반도를 기준으로 남서쪽에 큰 저기압이 위치하고 있으며, 반대로 북동쪽에는 큰 고기압이 발달해 있는 것을 볼 수 있다. 그룹3에서 나타난 분포를 보면 한반도를 중심으로 북서쪽에 큰 고기압이 발달되어 있으며, 고기압이 중국 남쪽 지방까지 걸쳐서 퍼져 있다. 그리고 앞선 다른 경우들과 다르게 눈에 띄게 저기압이 발단된 지역을 찾기가 어렵다. Fig. 5의 결과에서 가장 중요한 결과는 그룹1에 대한 분포이다. 한반도 아래쪽에 발달한 저기압은 주로 태풍이 한반도 남쪽을 통해서 한반도에 상륙하는 시점에서 많이 나타나는 분이다. 즉, 해수면 기압의 분포를 통해서 복합홍수 발생에 태풍이 영향을 주는 것으로 해석할 수 있다.
두 번째로는 가강수량의 분포를 확인하였다(Fig. 6). 가강수량은 단위면적을 밑면으로 하는 공기기둥에 포함된 수증기를 모두 응결 시켰을 때 생기는 물의 총량을 나타내는 기상인자로서 얼마나 많은 수증기가 해당 지역에 포함되어 있는지를 보여준다. 가강수량의 분포를 보면, 각 그룹별로 가강수량이 북쪽 지역으로 얼마나 발달해 있는 지에서 차이를 보이고 있다. 그룹1의 경우를 보면 남쪽에 많은 가강수량이 있으며, 가강수량이 한반도 북쪽까지 분포되어 있다. 그룹2의 분포는 그룹1의 경우와 유사한 분포를 가지고 있다. 그룹2는 극한 강우로 구성된 그룹이기 때문에 같은 극한 강우를 포함하고 있는 그룹1과 유사한 분포를 가지는 것으로 해석할 수 있다. 반대로 그룹3의 경우에는 앞의 두 경우와 다르게 많은 수증기가 포함된 지역이 적으며 오히려 수증기가 적은 지역이 많이 발달되어 있는 것을 볼 수 있다. 그룹3은 일반 강우를 포함하는 경우이기 때문에 앞선 경우들보다 낮은 가강수량이 한반도에 발달해 있다.
Distribution of Total Precipitable Water according to Groups
마지막으로 풍속의 분포를 살펴보면(Fig. 7), 3가지 경우 모두 한반도 기준 동쪽 바다에서 높은 서풍이 발달되어 있는 것을 볼 수 있다. 본 연구에서 사용한 풍속자료가 동풍을 기준으로 한 풍속 값이기 때문에 음수를 가지는 경우에는 반대방향인 서풍으로 해석할 수 있다. 그룹1에서는 한반도 아래쪽에 높은 풍속을 가진 동풍이 발달해 있고, 한반도 위쪽에는 높은 풍속을 가진 서풍이 발달해 있다. 즉 한반도를 중심으로 높은 풍속이 발달되어 있다. 그룹2에서는 한반도에는 낮은 풍속이 발달되어 있는 것을 볼 수 있다. 그룹3은 한반도 주변에 그룹2보다는 높은 풍속이 분포되어 있는 것을 볼 수 있다. 그리고 일본쪽에서 높은 풍속의 그룹이 발달해 있다. 조위 발생에 영향을 주는 요소들은 여러 가지가 있고 풍속도 그 중에 하나이다. 풍속은 바다표면에 영향을 줌으로서 해수면을 상승시키는 효과를 일으킨다. 특히 풍속이 클 경우에 이로 인해 조위가 더 높게 상승하게 된다. 즉 그룹1과 같이 한반도 주변에 높은 풍속이 발생해 있으며, 이로 인해서 높은 조위가 발생하게 된다.
Distribution of Wind Speed (East Direction) according to Groups
복합홍수로 식별된 그룹1에 대한 각 기상 및 해양인자의 분포를 정리해보면, 한반도에 큰 저기압이 분포되어 있으며, 가강수량이 높고, 풍속 또한 높게 형성되어 있다. 이러한 특성을 종합해 보면 한반도에 태풍이 발생한 경우로 볼 수 있다. 이는 4.2절에서 Kendall’s tau를 이용한 상관분석 결과와 일치한다. 따라서 태화강의 복합홍수 발생에 태풍이 가장 큰 영향 요소로 작용하는 것으로 결론을 내릴 수 있다.
5. 결론
국내에서는 감조하천의 연안홍수를 분석하는데 있어서 조위를 부가적인 요소로서만 고려하였다. 이에 반해 해외에서는 복합홍수라는 새로운 개념을 통해 조위 및 조위와 강우의 상호작용을 중요한 요소로서 고려하고 있다. 이에 본 연구에서는 대표적인 감조하천유역인 태화강 유역을 대상으로 복합홍수의 개념을 국내 최초로 적용하여 조위를 홍수발생기준 및 빈도분석에 반영하였다. 국내에서 발생하는 복합홍수를 식별하기 위해서 강우강도와 조위 자료를 이용하여 국내복합홍수 발생기준을 산정하였다. 산정결과, 강우강도는 22.42 mm/hr 이상, 조위는 0.71 m 이상 발생하였을 때 복합홍수가 발생하는 것으로 정의할 수 있었다. 복합홍수발생기준에 대하여 코플라함수기반의 이변량 빈도해석을 수행한 결과, 132년으로 태화강의 설계빈도인 200년빈도 보다 자주 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 식별된 복합홍수사상의 발생 시 주변 기상 및 해양인자의 분포를 분석하여, 국내 복합홍수발생에 태풍이 많은 영향을 주는 것을 파악할 수 있었다.
그러나 본 연구에서 수행한 분석은 3가지 정도의 한계점을 있는데 첫째로 복합홍수는 극한강우와 일반조위 혹은 일반강우와 극한조위가 만나는 경우에도 발생이 가능하지만 본 연구에서는 복합홍수에 의해서 큰 피해가 발생할 있는 경우인 극한강우와 극한조위에 의한 발생과정만을 고려하였다. 강우와 조위 둘 중에 하나라도 일반상태임에도 불구하고 강우와 조위의 상호작용에 의해서 피해를 발생시킬 수 있는 홍수위를 발생시킬 수 있다. 따라서 추후 연구에서는 나머지 발생과정 또한 고려하는 것이 필요하다. 두 번째 한계점은 복합홍수 발생기준에서 사용한 가정사항이다. 복합홍수가 발생했음에도 적절한 홍수방어 대안들에 대한 수립이 태화강에 형성되었다면 피해를 막을 수 있다. 예를 들어 극한 조위의 영향을 받지 않기 위해서 수문을 닫거나, 저수지, 하천정비 등을 통해서 강우에 의한 유출량을 감소시키는 대안들이 존재한다면 강우와 조위의 상호작용을 최소화하여 복합홍수에 의한 피해를 막을 수 있다. 따라서 복합홍수 발생기준을 산정하는데 있어서 이러한 상황들을 고려할 수 있는 새로운 가정사항이 필요하다. 마지막으로 본 연구에서 복합홍수의 발생기준에서 홍수발생시점 이전까지 온 강우량을 고려하지 않았다. 이는 연구대상지역인 태화강의 경우, 크기에 비해서 짧은 도달시간을 가지기 때문에 유역에 발생한 강우가 빠르게 유역출구에 도달하는 특성을 가지기 때문입니다. 하지만 태화강과 반대로 긴 도달시간을 가지는 유역에 경우에는 발생한 강우가 유출량이 되기까지 긴 시간이 걸리기 때문에 홍수발생시점까지 발생한 총 강우량에 영향을 받게 됩니다. 이러한 다른 특성을 보이는 유역들에 대해서도 유효한 복합홍수 기준을 산정하기 위해서는 강우강도 외에도 홍수발생시점 이전까지 강우량 또한 고려되어야 할 것으로 판단된다.
그럼에도 불구하고 본 연구는 국내 최초로 복합홍수의 개념을 태화강유역에 적용하여 정량적인 지표를 통해서 복합홍수를 정의하였다. 이는 국내에서 발생하는 복합홍수를 식별할 수 있게 해주는 것뿐만 아니라 추후 복합홍수 위험에 대비하기 위한 재난 관리 계획을 수립하는데 기초자료로서 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 기후변화로 인한 해수면 상승 및 강우량 변화는 복합홍수의 위험성을 증가시키고 있기 때문에 복합홍수에 대한 국내 감조하천을 대상으로 하는 연구들이 보다 많이 수행될 필요가 있다고 판단된다.
감사의 글
이 논문은 2022년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. 2022R 1A2C2091773).