1. 서 론
최근 기후변화로 인하여 집중호우 및 태풍 발생 빈도가 증가하고 있으며, 강우의 불확실성이 높아지고 있다(Yang and Yang, 2013). 특히, 제주도는 한라산의 영향으로 고도가 높아질수록 강우가 증가하는 경향이 뚜렷하게 나타나고 있으며(Ko et al., 2014), 산간지역의 강우는 해안가 지역보다 최대 2~3배 이상의 강우가 발생하고 있다.
태풍 및 집중호우로 인한 침수피해가 매년 발생함에 따라 지역별 방재성능목표를 설정하여 홍수와 호우 등으로부터 재해를 예방하기 위한 노력을 기울이고 있으나 설정 기준이 현실을 반영하지 못하는 경우가 많아 지속적인 피해가 발생하고 있다.
감사원의 ‘기후위기 적응 및 대응 실태’ 감사 결과, 기후변화로 인한 도심 침수, 댐 월류, 교량 붕괴, 항만 침수 등 미래 위험 요인 등이 확인되었다. 또한, 기후변화 시나리오를 적용하여 시설별 미래 위험도를 분석한 결과 홍수와 관련된 도심 배수시설, 댐⋅저수지와 교량은 단기(2040년)에 침수 또는 월류 발생 가능성이 존재하는 것으로 분석되었다(Borad of Audit and Inspection of Korea, 2023).
최근 500년 빈도 이상의 강우 발생 등 각 시도별 방재기준을 초과하는 폭우 발생 빈도가 잦아지고 있으며, 그로 인한 피해 규모도 점차 증가하고 있다(IPCC, 2021). 자연재해로부터 인명 및 재산피해를 줄이기 위해서는 지역 특성에 맞는 기후변화 대응 전략이 필요하다. 행안부는 자연재해대책법에 따라 배수시설 등의 설계기준이 되는 방재성능목표를 설정하고 있으며, 지자체에서는 해당 목표를 근거로 도시침수 대응사업 추진을 위한 자연재해저감종합계획을 수립하고 있다.
제주도의 경우 방재성능목표 설정 시 지역별 방재성능목표 설정 기준 지침에 따라 ASOS 종관기상관측(제주, 서귀포, 성산, 고산 지점) 4곳의 자료를 이용하여 방재성능목표를 산정하고 있다(MOIS, 2022). 제주도는 산지와 평지의 강우 특성이 다르고, 산지의 강우량이 평지에 영향을 주지 않는 지역 특성을 감안하여 해발고도 20~70 m 사이에 위치한 ASOS 지점의 관측값 사용을 권고하고 있으나, 태풍 및 집중호우 시 발생하는 피해 양상 및 규모를 살펴봤을 때 방재성능목표가 제주도 지역 특성을 제대로 반영하지 못하고 있는 실정이다. 이와 관련하여 재해 예방을 위한 선행 연구로 Ahn (2014)은 방재성능목표에서 제시한 강우량의 지속기간 적정성을 판단하기 위해 강우-유출 모형을 이용하여 강우지속 기간과 임계지속 기간의 최대유출량을 비교하였다. Ko et al. (2014)은 제주도 기상자료를 이용하여 등우선법을 적용한 남⋅북부 지역의 고도-확률강우량 산정 및 관계를 도출하였으며, Ko et al. (2018)은 제주도의 방재성능목표 설정 기준을 개선하기 위하여 고도와 지역 특성을 반영한 강우 분석 및 제주 동부, 서부, 남부, 북부로 권역에 대한 방재성능목표 강우량을 제시하였다. 또한 Kim et al. (2021)은 XP-SWMM 모형을 이용하여 연안도시 지역의 재해발생 위험성을 고찰하고, 기후변화 시나리오에 의한 해수면 상승을 반영한 침수 위험 분석 등 방재성능목표 설정에 대한 개선방안을 제시하였다. 제주도를 대상으로 한 선행연구에서는 지역 구분에 따른 고도와 확률강우량 간의 상관성을 분석하였으며, ASOS 지점(제주, 서귀포, 성산, 고산)에 대한 권역별 방재성능목표 강우량을 제시하였다.
이 연구에서는 제주도 하천을 대상으로 고도에 따른 지역 구분(해안 지역, 중산간 지역, 산간 지역) 및 AWS 강우자료를 포함한 면적확률강우량을 산정하여 고도에 따른 강우 영향성을 분석하였다. 또한, 태풍 차바(2016) 사상에 대한 인접 하천과의 강우 및 홍수량 비교를 통하여 산간 지역의 강우가 홍수량에 미치는 영향을 분석하였다.
2. 연구대상지역
제주도 대부분의 하천은 한라산 부근에서 발원하여 해안가로 길게 뻗어있는 직류형 하천으로, 유로연장이 짧고, 경사가 매우 급한 특성을 띄고 있어 하천 범람 피해가 종종 발생하고 있다. 연구대상 유역 선정 시 홍수 범람에 의한 피해 이력이 큰 유역을 선정하였으며, 산간지역의 강우 효과를 분석하기 위하여 인접한 하천 중 발원지의 위치가 상이한 유역 2개소를 연구대상 유역으로 선정하였다(Fig. 1).
한천은 한라산 정상부에서 발원하는 하천으로 태풍 나리(2007)와 차바(2016) 내습 시 도로 및 교량, 차량 파손 등 큰 피해가 발생하였으며, 유역면적 36.76 km2, 유로연장 20.45 km 유역 평균 폭 1.8 km의 유역 특성을 보이고 있다. 산지천은 중산간 지역 상류부에서 발원하는 하천으로 태풍 나리 내습 시 하천 범람에 의한 침수 피해가 극심하였으며, 유역면적 12.11 km2, 유로연장 13.76 km 유역 평균 폭 0.88 km의 유역 특성을 보이고 있다(Table 1).
3. 연구방법
3.1 강우자료 수집
기상청에서 관리하고 있는 제주도내 강우관측 지점은 총 41개소(ASOS 4개소, AWS 37개소)이며, 제주도 전역에 고루 분포하고 있다(Fig. 2). 도내 강우관측 지점 중 30년 이상 관측자료 보유 지점은 13개소, 20년 이상 관측자료 보유 지점 21개소, 10년 이상 관측자료 보유 지점 25개소로 파악되었으며(Table 2), 지점별 확률강우량 산정을 위하여 30년 이상 관측자료를 확보한 ASOS 지점 4개소, 20년 이상 관측자료를 확보한 AWS 지점 15개소(섬 지역 제외)의 강우관측 자료를 취득하였다(Table 3).
Table 2
Number of Rainfall Observation Stations by Period
| Data | Number of observation stations (EA) | |||
|---|---|---|---|---|
| Less than 10 years | 10 to 20 years | 20 to 30 years | More than 30 years | |
| ASOS | - | - | - | 4 |
| AWS | 16 | 4 | 8 | 9 |
| Total | 16 | 4 | 8 | 13 |
Table 3
Observation Stations and Data Length of Rainfall Data
3.2 확률강우량 산정
각 관측지점에 대한 지속기간 및 시간 강우자료를 수집하여 1시간 간격 임의시간 24시간의 연 최대치 강우자료를 산정하였다. 최근 빈번하게 발생하는 극한강우를 고려하여 재현기간 10년, 30년, 50년, 100년, 200년, 300년, 500년 빈도의 확률강우량을 산정하였으며, 본 연구에서는 30년, 50년, 100년 빈도의 자료를 활용하여 비교 분석하였다. 확률분포형은 Gumbel 분포형(Eqs. (1), (2))을 채택하였으며, 매개변수 추정은 관측자료 기간이 짧은 경우에도 오차가 크지 않으며 다른 매개변수 추정 방법에 비해 안정적인 결과를 얻을 수 있는 확률가중모멘트법(Eq. (3))을 채택하였다.
Eqs. (1), (2)에서 α는 축척매개변수, x0 는 위치매개변수 이며, Eq. (3)에서 p,r,s는 양의 지수, E[ ]는 기대값, F(x) 는 X의 누가확률밀도함수(비초과확률), 1- F(x)는 초과확률이다.
매개변수 적합성이 인정된 확률분포형에 대하여 5가지 적합도 검정(X2 검정, Kolmogorov-Smirnov (KS) 검정, Cramer Von Mises (CVM) 검정, Prob Plot Corr Coeff (PPCC), 수정된 Anderson-Darling 검정)을 수행하고, 매개변수 추정 방법별, 지속기간별, 적합도 검정 방법별로 적합도 검정을 확인하였다.지점확률강우량 산정 후 면적확률강우량을 산정하기 위해 티센면적비를 적용하였으며, 한라산의 영향으로 해발고도 200 m 이상의 중산간 지역과 600 m 이상의 산간 지역에서 많은 강우가 발생하는 특성을 반영하기 위해 ASOS 지점 자료를 사용한 면적확률강우량과 AWS 자료를 포함한 면적확률강우량을 산정 후 비교하였다.
3.3 산간지역의 강우 영향성 분석 및 홍수량 산정
한천 유역의 고도에 따른 강우 변화를 산정하기 위하여 태풍 차바(2016) 사상을 적용하여 고도와 강우량에 대한 상관관계를 분석하였으며, 발원지 위치가 다른 유역 2개소에 대한 강우 및 유출량을 비교하여 산간 지역의 강우 영향성을 분석하였다. 상관관계 분석 시 고도별 관측소 위치와 강우자료에 대한 선형회귀식을 유도하였으며, 이에 따른 결정계수를 산정하여 고도와 강우량의 상관성을 분석하였다.
산간 지역의 강우가 홍수량에 미치는 영향을 분석하기 위해 한천과 산지천 유역에서의 홍수량을 산정 후 비교하였다. 전자파표면유속계를 활용하여 홍수량을 산정하였으며, 홍수량이 과대산정 되지 않도록 표면유속을 실제 유속으로 보정하기 위한 보정계수를 적용하였다. 보정계수는 제주수자원연구단에서 제주도 하천에 적용 시 다수 연구(Yang et al., 2012; Kim et al., 2015)를 통하여 검증한 유속 계수 0.85를 활용하였다.
4. 연구 결과 및 고찰
4.1 확률강우량 산정 및 비교
방재성능목표와 비교하기 위해 홍수량 산정표준지침(Ministry of Environment of Korea, 2019)에서 제시하고 있는 등우선법(Isohyetal method)이 아닌 방재성능목표 설정 기준과 동일한 Thiessen 다각형법을 적용하였다. 또한, 고도 구분에 따른 강우량을 비교하기 위하여 해안 지역, 중산간 지역, 산간 지역으로 구분하여 면적확률강우량을 비교하였다(Fig. 3).
제주도내 ASOS 관측지점은 동서남북 지역에 각 1개소씩 4개소가 존재하며, 100 m 이하 고도에 위치하고 있다. 해안가 지역에 위치한 ASOS 자료를 활용하여 Thiessen 다각형법 적용 시 연구대상지인 한천 유역은 제주와 서귀포 관측지점의 영향을 받는 것으로 나타났으며, 대부분 제주 지점(고도 20 m)의 영향을 받는 것으로 분석되었다. 600 m 이하의 중산간 지역을 포함 시 제주와 산천단 관측지점의 영향을 받으며, 고도 337 m에 위치한 산천단 지점(82%)의 영향이 큰 것으로 나타났다. 또한, 600 m 이상의 산간지역을 모두 포함하였을 경우 고지대에 위치한 어리목(42.3%), 진달래밭(10.3%), 윗세오름(7.4%) 지점의 영향이 큰 것으로 나타났다(Table 4).
Table 4
Regional Classification by Elevation and Area Ratio of the Hancheon Basin by Thiessen Polygon Method
고도 구분에 따른 한천 유역의 면적확률강우량 산정 결과 저지대에 위치한 ASOS 관측자료만 활용한 경우 제일 적게 산정되었으며, 고지대에 위치한 관측소 자료가 반영될수록 결과 값이 증가하였다. 지방하천 설계빈도인 50년 빈도를 기준으로 중산간 지역의 강우를 고려하였을 경우 ASOS 관측자료 산정 결과 대비 33.8~78.5% 높게 분석되었으며, 산간 지역의 강우를 포함하였을 경우 42.8~123.6% 높게 산정되었다. 또한, 중산간 지역과 산간 지역의 면적확률강우량을 비교할 경우, 산간 지역의 결과 값이 6.7~25.2% 높게 산정되어 고도에 따른 강우 영향이 큰 것으로 나타났다(Table 5).
Table 5
Comparison of Area-weighted Probable Rainfall in the Hancheon Basin by Elevation
4.2 방재성능목표강우량 비교
재해 예방 및 방재 정책 등에 활용되는 30년 빈도의 방재성능목표 강우량과 비교 시 ASOS 자료를 이용한 해안 지역의 결과는 방재성능목표 기준 이내에 해당하여 안전한 것으로 나타났으나, AWS 자료가 포함된 중산간 지역은 24.4~38.4%, 산간 지역은 33.2~64.0% 높게 산정되어 중산간 지역이상의 강우를 반영하지 못하는 것으로 나타났다. 또한 중산간 지역 대비 산간 지역 포함 시 강우량은 7.1~18.5% 높게 산정되어 하천 유출 발생 시 하류부에서 홍수재해의 위험성이 존재하는 것으로 나타났다(Table 6).
Table 6
Comparison with Rainfall Target for Disaster Prevention Performance (30Y Return Period)
4.3 호우사상 적용 및 검토
산간지역의 강우 영향성을 분석하기 위하여 연구대상 유역인 한천 유역과 인접해 있으며 발원지 위치(고도)가 상이한 산지천 유역의 강우량과 홍수량을 비교하였다. Thiessen 다각형법 적용 시 한천유역은 제주, 산천단, 어리목, 진달래밭, 윗세오름 관측소의 강우 영향을 받으며, 중산간 지역에서 발원하는 산지천 유역은 제주, 산천단 관측소의 강우 영향을 받는 것으로 나타났다(Fig. 4).
2016년 태풍 차바 내습 시 선행강우를 포함한(10.02-10.08) 한천 유역의 면적평균강우량을 산정한 결과 해안 지역 207.7 mm, 중산간 지역 382.4 mm, 산간 지역 504.4 mm였으며, 해안 지역 기준 대비 중산간 지역은 84.2%, 산간 지역은 142.9% 증가하였다. 산지천 유역은 해안 지역에 위치한 ASOS 자료만 고려할 경우 200.1 mm, 중산간 지역의 강우를 포함하였을 경우 327 mm의 면적평균강우량이 산정되었으며 해안 지역 기준 대비 63.4% 증가하였다(Table 7).
Table 7
Comparison of Areal Average Rainfall for Typhoon Chaba
| Stream | Areal average rainfall (mm) | ||
|---|---|---|---|
| Mountainous area | Mid-mountain area | Coastal area | |
| Han stream | 504.4 (▲142.9%) | 382.4 (▲84.2%) | 207.7 |
| Sanji stream | - | 327.0 (▲63.4%) | 200.1 |
고도에 따른 강우량의 상관관계를 분석하기 위하여 회귀분석 및 결정계수(R2)를 산정하였으며, 한천 유역의 R2값은 0.8로 높게 나타났다. 선형회귀 분석 결과 기울기는 0.0691로 산정되었으며, 고도 100 m 증가에 따라 강우량은 4.1~11.0% 증가하는 것으로 나타나 산간지역의 강우 효과가 클 것으로 예상되었다(Fig 5).
산간지역의 강우가 홍수량에 미치는 영향을 분석하기 위하여 한천과 산지천 하류부에서 전자파표면유속계를 이용한 유출량을 비교하였다.
태풍 차바(2016) 사상에 대한 홍수량 산정 결과 한천 유역에서 10월 05일 4시에 116.2 mm의 첨두강우량이 발생하였으며, 첨두홍수량은 846.3 cms로 첨두강우량 발생 30분 이후인 10월 05일 4시 30분에 발생하였다. 산지천 유역의 경우 유로연장이 짧고 경사가 급한 특성을 띄고 있어 첨두 발생 시각이 비슷하게 나타난 것으로 보이며, 첨두강우량 89.1 mm, 첨두홍수량 222.3 cms가 10월 5일 4시 동시간대에 발생하였다(Fig. 6).
한천과 산지천은 하류부를 기준으로 1.4 km 떨어진 매우 인접한 하천임에도 홍수량은 621 cms의 큰 차이가 발생하고 있다. 유역면적 및 유로연장 등 지형적 특성의 차이가 존재하나 홍수량에 가장 큰 영향을 미치는 강우량의 차이가 큰 것으로 나타났으며, 산간 지역의 강우가 홍수량에 반영된 것으로 판단된다. 이와 같은 결과는 제주도 방재성능목표 설정 시 저지대에 위치한 ASOS 자료만 활용하는 방법은 제주도 지역 특성을 반영하지 못한 것으로 보이며, 정확한 홍수량 산정 시 한계가 존재하여 중산간 지역의 AWS 자료 활용 등 개선이 필요한 것으로 판단된다.
5. 결 론
홍수 및 침수 피해를 예방하고 저감하기 위해 많은 정책적⋅설계적인 사업 등을 다양하게 수행하고 있으나, 태풍 및 집중호우 등에 의한 피해가 매년 발생하고 있다. 특히, 방재 정책 등에 활용되는 방재성능목표의 설정 기준이 현실을 반영하지 못하는 경우가 많아 지속적인 피해가 발생하고 있다. 이에 따라, 이 연구에서는 직접적인 피해 발생 지역인 한천 유역을 연구대상지로 선정하여 고도에 따른 강우 영향성 분석 및 홍수량을 비교하여 현실적인 방안을 제안하였다.
고도에 따른 강우 영향을 분석하기 위해 해안 지역과 중산간 지역, 산간 지역으로 구분하여 산정한 면적강우량을 방재성능목표 강우량과 비교한 결과 중산간 지역은 24.4~38.4%, 산간 지역은 33.2~64.0% 높게 산정되어 중산간 지역 이상의 강우는 반영하지 못하는 것으로 나타났다. 또한, 태풍 차바(2016) 사상에 대한 강우량 비교 시 중산간 지역과 산간 지역의 강우 영향이 큰 것으로 분석되었으며, 고도에 따른 강우 영향이 큰 것으로 나타났다.
발원지가 다른 인접 하천과의 홍수량 비교를 통하여 방재성능목표에서 제시하고 있는 ASOS 자료를 활용한 방법은 개선이 필요할 것으로 판단하였다. 제주도는 대부분의 하천이 한라산 인근 및 중산간 지역에서 발원하여 도심지를 유과하는 경우가 많아 하천 범람 등 홍수 피해 및 내수 침수 예방을 위한 노력이 필요하다. 이를 위해서는 AWS 자료를 포함한 개선 방안 등 제주도 지역 특성이 반영된 기준 마련이 필요하다. 향후, 방재성능목표 설정 등 재해 예방을 위한 사업 수행 시 중산간 지역 이상의 AWS 자료를 포함할 경우 강우량 증가로 인하여 많은 구조적 변경 및 설계가 이루어져야하는 만큼 경제성 분석 등을 통하여 합리적인 방안 마련을 위한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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