SSP5-8.5 시나리오 적용을 통한 확률 강우량 재산정 및 방재설계기준 고도화 방안
Re-estimation of Design Rainfall Under SSP5-8.5 and Implications for Flood Design Standards
Article information
Abstract
최근 빈발하는 기록적 집중호우는 현행 방재시설 설계기준이 기후변화로 인한 비정상성과 극한 사상 발생 특성을 충분히 반영하지 못하고 있음을 드러내고 있다. 본 연구는 SSP5-8.5 기후변화 시나리오를 적용하여 중⋅장기 강우량 변화를 정량적으로 분석하고, 법화천 유역을 대상으로 확률 강우량, IDF (Intensity-Duration-Frequency) 곡선, 설계 강우 시간 분포 산정 절차를 검증하였다. 분석 결과, 미래 강우량은 단기간 집중호우의 빈도와 강도가 크게 증가하는 경향을 보였으며, 기후 시나리오 적용 시 산정된 확률 강우량은 기존 관측자료 기반 결과에 비해 최대 약 15% 이상 높은 것으로 나타났다. 이러한 결과는 방재시설 설계 시 기후 비정상성을 고려한 확률 해석 및 시간 상세화 기법 적용이 필수적임을 시사한다. 본 연구는 설계강우량 산정 절차를 체계화하고, 기후 시나리오 기반의 실증적 검증을 통해 방재기준 개선의 기술적 토대를 마련하였다. 이를 통해 향후 방재기준은 정적 설계기준에서 동적⋅적응형 설계기준으로의 전환이 요구됨을 학문적으로 입증하였다.
Trans Abstract
Recent extreme rainfall events have revealed the limitations of current disaster prevention design standards, which do not adequately reflect the nonstationarity and frequency of extreme events under climate change. This study applied the SSP5-8.5 climate change scenario to quantitatively assess medium- to long-term rainfall variations and conducted an empirical analysis of the Bubhwa Stream watershed. It included the estimation and validation of design rainfall, intensity-duration-frequency (IDF) curves, and temporal rainfall distributions. The results show that future rainfall will be characterized by a significant increase in both the frequency and intensity of short-duration extreme storms. The design rainfall values based on the climate scenario are approximately 15% higher than those derived from historical observations. These findings highlight the necessity of incorporating nonstationary frequency analyses and temporal disaggregation techniques into flood design practices. By systematizing the design rainfall estimation procedure and providing empirical verification based on various climate scenarios, this study establishes a technical foundation for improving disaster prevention guidelines. The results underscore the academic and practical need to transition from static design standards to dynamic and adaptive design criteria in an era of climate change.
1. 서 론
최근 전 지구적 기후변화는 대기 순환과 수문학적 과정의 변화를 가속화 시키며, 이상기후 현상을 빈번하게 발생시키고 있다(Sohn et al., 2013; Park et al., 2021). IPCC 제6차 평가보고서(IPCC, 2021)에 따르면, 지구 평균기온이 1 ℃ 상승할 경우, 대기 중 수증기량과 강수 강도가 약 7% 증가할 것으로 예측되며, 이는 극한 강우 빈도⋅강도의 유의미한 확대를 초래할 것으로 전망된다.
이러한 변화는 강수량의 시⋅공간적 분포를 불규칙하게 만들고, 특정 지역에서는 단기간에 집중되는 극한 강우를 유발하여 홍수와 같은 수재해 발생 위험을 급격히 증가시킨다. 우리나라 또한 이러한 기후변화의 영향을 직접적으로 경험하고 있으며, 최근 몇 년 간의 관측자료는 기존 방재체계의 대응능력을 넘어서는 새로운 양상의 재해 발생 패턴을 보여주고 있다(Park et al., 2021).
대표적으로 2020년 중부지방에서는 54일간의 기록적인 장마가 발생하였으며, 2022년에는 서울에서 시간당 141 mm에 달하는 초단기 집중호우가 발생하여 도심지 침수와 대규모 인명⋅재산 피해가 뒤따랐다. 2023년 전북 군산에서는 하루 동안 429.4 mm의 최대 일강우량이 기록되었으며, 전국 평균 누적 강우량은 648.7 mm (일평균 30.6 mm)로 관측되었다. 이어 2025년 경남 산청 지역에서는 누적 632 mm의 폭우가 내려 산사태로 많은 인명피해와 재산 피해가 발생하였으며, 전남 함평에서는 147.5 mm에 이르는 극한 강우가 발생하여 하천 범람과 도시 침수가 발생하였다.
방재시설의 설계기준은 ｢자연재해대책법｣에 근거하여 행정안전부가 5년 주기로 마련하는 방재기준 가이드라인을 기반으로 마련하고 있다(NDMI, 2024). 설계기준은 주로 과거 관측자료에 기반한 설계강우량 산정에 의존하고 있어, 기후변화에 따른 강우 패턴의 비정상적 변동성과 극한 현상을 충분히 반영하지 못한다는 한계가 있다(NDMI, 2024). 이러한 한계 상황에서, 기후변화 시나리오를 반영한 미래형 극한 강우에 대한 적응력 강화가 가능한 방재기준 개선에 대한 필요성은 점차 증대되고 있다.
Sharma et al. (2021)은 기후변화를 고려하기 위하여 도시 인프라에 적용할 수 있는 안전계수(safety factor) 기반 설계기준을 제시하였다. 연구에 따르면, 기존 설계 강우 기준에 1.4배에서 1.7배 수준의 안전계수를 반영할 경우, 기후변화로 인한 불확실한 강우 패턴에도 방재시설물의 신뢰성과 대응능력을 확보할 수 있다고 분석하였다.
우리나라에서도 확률 강우량 및 설계홍수량 산정에 여유율을 적용하고 있는데(MOIS, 2017; NDMI, 2024), 벨기에, 덴마크, 영국, 뉴질랜드 등에서도 이와 유사한 기후변화 할증 요인(Climate Change Adjustment Factor)을 IDF (Intensity-Duration-Frequency) 및 설계홍수량 산정에 적용하고 있다(Wasko et al., 2024). 하지만 이러한 방법으로 산정한 확률 강우량은 경향성이 없어 통계학적으로 적절하지 않으며, 비정상성과 불확실성을 고려하는데 한계가 있어 이론적으로도 타당하지 않다(Jeong and Kim, 2022; NDMI, 2024).
Kundzewicz and Licznar (2021)는 현행 설계기준이 기후변화로 인한 강우 비정상성과 불확실성을 충분히 반영하지 못하고 있으므로, 설계홍수량 산정 방법론 자체의 개편 필요성을 강조하였다. Song et al. (2013)은 지점 홍수빈도 해석이 기후변화 및 변동성을 반영하지 못한다는 문제점을 밝혔으며, 이에 대한 대안으로 많은 연구자들이 지역 빈도 해석방법의 도입을 제안하였다(Stedinger and Lu, 1995; Hosking and Wallis, 1997; Lee and Heo, 2001; Heo et al., 2007).
Kwon et al. (2011)은 기후변화 시나리오를 설계홍수량 산정에 반영하기 위하여 소양댐 유역을 대상으로 다변량 다운 스케일링 기법과 SAC-SMA 강우-유출 모델을 결합하여 홍수량 변화 가능성을 평가하였다. Wasko et al. (2024)은 호주를 대상으로 기온상승에 따른 강우 강도 증가를 반영하기 위해 IDF 곡선 조정, 그리고 비정상성을 고려한 설계홍수량 산정 기법을 제안하였다.
Lee and Kang (2022)은 한반도 전역의 1973-2020년 강수량 데이터를 활용해 k-평균 군집 분석을 수행하여 계절별 강수량 공간분포의 지역적 특성을 규명하였다. 연구 결과는 기존의 일률적 설계강우량 산정 방식에서 벗어나 지역 맞춤형 설계강우량 산정 기준을 마련해야 함을 강조하였다. 특히, 우리나라에서는 개별 방재 시설별 설계강우량 및 홍수량 산정방법이 상이하여 국가 차원의 통합적⋅과학적 홍수위험 관리체계 구축에 장애를 초래하고 있어 이에 대한 개선이 요구되고 있다(NDMI, 2024).
교량, 도로 및 암거 설계 시 기후변화 영향을 반영하기 위하여 Cem et al. (2025)은 지속가능한 홍수-위험 기반 설계 프레임워크를 제안하였다. 이 연구는 강우-홍수 모형, 사회⋅환경 요인, GIS 기반 공간 데이터 등을 통합 분석하여, 향후 설계 홍수위 산정 시 정량적 보정 및 적응형 설계 변수를 적용하는 방안을 명시하고 있다. Karnicar (2024)와 Boncheva (2022)는 기후변화에 대응하는 설계기준이 정기적으로 업데이트 가능한 동적 체계로 발전할 필요성을 강조하였다. 유럽연합은 위험평가 지도 및 관리계획은 6년 주기로 정기적으로 검토⋅업데이트되어야 하며, 기후변화로 인한 홍수 발생 가능성 증가와 그 영향이 반영되어야 한다고 강조하였다(ECA, 2018).
따라서 국내 방재 정책은 기존의 과거 자료 중심의 정적 기준에서 벗어나, SSP5-8.5 등 기후변화 시나리오 기반의 최신 기후모델 예측 결과를 반영하고, 정기적으로 갱신 가능한 동적 기준 체계로 전환할 필요가 있다. 나아가, 지역별, 시설별 특성을 고려한 차별화된 설계기준 접근법을 도입함으로써 국가 전체 방재시설을 포괄할 수 있는 기후변화 적응형 방재기준 가이드라인의 마련이 시급하다.
본 연구에서는 다음과 같은 세부 절차를 통해 방재기준 가이드라인 개선 방안을 제시하고자 한다: (i) SSP5-8.5 시나리오를 기반으로 온도, 강우 등 주요 재해 인자의 강도⋅빈도 변화에 대한 중⋅장기 예측 결과를 수집하고 (ii) 수집된 예측 자료를 활용하여, 각 부처에서 수립 중인 풍수해 관련 방재시설의 기존 설계홍수량 적정성을 평가한 후 (iii) 평가 결과를 바탕으로 기후 위기에 대응 가능한 수준으로 중⋅장기 강우 증가량을 반영하여 설계강우량 산정하는 방안을 제시한다.
이를 통해 본 연구는 기후변화 리스크를 적극적으로 고려하는 과학적⋅체계적 방재기준 체계 전환의 기초를 마련함으로써, 현재 방재 시설별로 이질적인 설계강우량 산정 방식을 통일된 방식으로 개편해, 방재시설 전체를 아우르는 통합적인 설계기준 산정체계 마련과 국가 재난 대응의 신뢰성과 효율성을 강화하는 데 기여 하고자 한다.
2. 재료와 방법
2.1 방재 시설별 설계기준 조사 및 분석
국내 방재 시설별 설계기준에서 제시하는 설계강우량 산정방법은 Table 1과 같이 다소 차이를 보이고 있다. 본 연구에서는 비교를 위하여 설계강우량 산정 체계를 Fig. 1과 같이 크게 i) 대상 방재시설 선정, ii) 기상관측소 선정, iii) 강우 자료 수집, iv) 기후변화 시나리오 적용성 검토, v) 확률 강우량 산정, vi) 강우강도식 유도, vii) 설계 강우 시간 분포 산정의 7개 항목으로 구분하였다.
Methods for Estimating Design Rainfall Presented in Existing Design Standards for Disaster Prevention Facilities
Flowchart of Comprehensive Estimation Method for Design Rainfall to Consider Climate Change
첫째 기상관측소 선정 시 대부분의 시설에서 종관기상관측(ASOS)과 방재기상관측(AWS) 자료를 주로 활용한다. 그러나 시설 특성에 따라 추가적인 자료가 사용되는데, 예를 들어 도로 시설은 도로배수관측망(RDMS), 농업용 배수시설은 국가수자원종합정보시스템(WAMIS), 댐⋅조절지는 수자원공사의 수문자료시스템(KMS), 항만시설은 기상청 연안기상관측망(KMACMMS)과 해양관측부이시스템(OOBS)을 병행하는 것으로 조사되었다.
강우 자료 기간 및 활용 방식에 있어서는 하천 및 소하천의 경우, 30년 이상의 장기간 관측자료를 보유한 관측소 자료만을 활용하는 반면, 도로⋅농업⋅항만 등 타 시설은 관측 기간과 무관하게 모든 가용 자료를 활용하는 것으로 나타났다. 국외의 경우 호주를 제외한 일본, 미국, 영국은 관측 기간과 무관하게 모든 가용 관측자료를 활용하고 있는 것으로 나타났다.
확률 강우량 산정 방법은 모든 시설에서 일반적으로 GEV, Gumbel, Log-Pearson III 분포 등을 적용하여 확률 강우량을 산정하는 것으로 조사되었다. 참고로 일본은 확률 강우량 산정 방법으로 지점 빈도 해석방법을 미국과 영국은 지역 빈도 해석방법을 호주는 확률 강우량도를 사용하고 있다. 강우 강도식은 공통적으로 지역별 IDF곡선 및 일반화된 방정식을 이용하며, 최신 수위-유량 관계식 결과가 반영된다. 시간 분포를 산정하기 위하여 대부분의 시설은 Huff 분포(Huff, 1967)와 SCS Type II 분포를 적용한다. 다만, 하천시설의 경우 지역별 특성을 고려하여 실측 기반 지역분포를 추가적으로 적용하는 특징이 있다.
국내 방재시설 설계강우량 산정 방법을 분석한 결과, 국내 방재 시설별 설계강우량 산정 방법은 시설별로 상이한 접근법을 채택하고 있어, 기후변화에 따른 극한 강우의 증가 및 지역적 변동성을 일관되게 반영하기 어렵다는 한계가 있다. 또한, 특정 시설별 설계기준은 장기간 강우자료를 기반으로 하는 반면, 일부는 짧은 기간의 자료도 포함하여 산정하고 있어, 동일한 지역에서도 시설 종류에 따라 설계강우량에 차이가 발생할 수 있다. 이는 지역 특성에 적합한 통합적 설계강우량 산정 기준을 마련하는 데 있어 제한 요인이 되고 있다.
2.2 SSP 기후변화 시나리오 선정 및 적용 절차
방재기준에 미래 기후변화 시나리오를 적용하여 설계강우량을 산정하기 위해 기상청의 앙상블 시나리오와 앙상블 시나리오에 포함된 5개 개별 지역 기후 모델 시나리오를 함께 분석하였다. 분석에 사용된 지역 기후 모델은 Had GEM3-RA, WRF, CCLM, GRIMs, RegCM4이다. 국내 주요 부처별로 설계기준에 대한 기후변화 시나리오를 기준에 활용한 현황을 조사한 결과, 공통적으로 앙상블 시나리오를 적용하고 있으며, 개별 시나리오를 적용한 사례는 없는 것으로 나타났다.
본 연구에서는 전국적인 강우량 변화를 파악하기 위해 전국적인 공간 분포를 고려하여 Table 2와 같이 전국을 7개 권역으로 나누고 각 권역별로 대표 관측소를 선정하였다. 각 관측소별 앙상블 시나리오 1종과 개별 시나리오 5종에 대한 2021~2100년 일강우량 자료를 누계하여 Fig. 2에 도시하고 비교 분석하였다. 비교 결과 총 6종의 시나리오 중, GRIMs 시나리오가 강우량 값이 가장 높게 나타나, 방재 관점에서의 설계강우량 분석 시나리오로 선정하였다.
List of Selected Representative Station in Each Region
Comparison of Annual Daily Cumulative Precipitation of SSP Scenarios
본 연구는 기후변화를 적용한 설계강우량 산정을 위해 대상 유역 선정, 기상관측소 선정, 기후변화 시나리오 적용, 확률 강우량 산정, 강우 강도식 유도, 설계 강우 시간 분포 결정 순으로 절차를 마련하였다. 적용 방법은 전통적인 설계강우량 산정 절차와 유사하나, 기후변화를 고려하기 위해 미래 기후변화 시나리오 적용을 포함한 것이 차이점이라고 할 수 있다.
기후변화 시나리오 적용에 앞서 고려되어야 할 사항은 과거 강우의 실제 강우 패턴과 미래 강우 패턴을 비교하여, 기후변화 시나리오 적용 여부를 결정하는 것이다. 만약, 과거 강우보다 미래 강우의 패턴이 크게 나타나는 경우, 일 단위로 제공하고 있는 미래 기후변화 시나리오를 시간 단위로 상세화하여 설계강우량을 산정한다. 반면, 과거 강우와 미래 강우의 패턴이 유사한 경우, 기존 빈도 해석 결과를 반영하여 설계강우량을 산정하는 것이 요구된다.
중⋅장기 강우량 예측 결과를 검토하기 위해 최신 기후변화 시나리오인 SSP5-8.5 시나리오에 대하여 연평균 강우량 및 연평균 홍수기 강우량을 비교 검토하였다. 기후변화 시나리오는 방재기준에 적용할 목적으로 기상청에서 제공하는 5종의 앙상블 시나리오를 비교하여 극치를 나타내는 GRIMs 모델의 결과를 사용하였으며, 연평균 강우량 및 연평균 홍수기 강우량 값들은 시도별로 평균하여 Table 3에 수록하였다.
Averaged Annual Precipitation and Annual Flood Season Precipitation in Each Si⋅Do
연평균 강우량은 제주도가 가장 큰 것으로 나타났으며, 대부분의 시도가 평균 값인 4.38 mm를 상회하였는데 인천, 충북, 전북, 세종, 대구, 경북의 6개 시도는 평균보다 작은 것으로 나타났다. 연평균 홍수기 강우량은 서울이 12.32 mm로 가장 크게 나타났으며, 전국 평균은 10.72 mm로 연평균 강수량에 비해 2.45배 정도 큰 것으로 나타났다. 연평균 홍수기 강우량은 인천, 충남, 충북, 세종, 대구, 경북, 울산, 부산의 8개 시도를 제외한 모든 시도에서 평균을 상회하는 것으로 나타났다.
강우량 예측 결과는 홍수기(6월 21일~9월 20일)와 홍수기를 제외한 기간의 편차가 커 단순 연평균만으로는 분석에 한계가 있으나, 본 연구에서는 경향 파악을 위해 연평균 강우량을 사용하였다. 연평균 강우량의 전국 평균값은 Fig. 3과 같이 연도별로도 편차가 크게 나타나는데, 전체 기간을 단기(’21~’46년), 중기(’47~’73년), 장기(’73~’100년)로 구분할 때 중기 전망까지는 SSP1-2.6과 SSP5-8.5의 강우량 값이 유사하나, 일부 기간에서는 SSP1-2.6이 SSP5-8.5보다 강우량 값이 크게 나타나는 구간이 존재하였다. 장기 전망에서는 SSP5-8.5의 강우량이 급격히 상승하는 반면 SSP1-2.6의 강우량은 조금 감소하는 것으로 나타나 두 시나리오의 강우량 값이 차이를 보이는 것으로 나타났다.
Comparison of SSP1-2.6 and SSP5-8.5 Scenario Based National Averaged Flood Season Averaged Precipitation
2.3 대상 하천 유역 선정
본 연구는 최근에 수립된 하천기본계획 보고서 유무, 최근 피해사례, 감사원 지적 사항(BAI, 2024) 등과 같은 사회⋅정책적 이슈를 고려하여 분석 대상 유역으로 9개 소하천 유역을 후보지로 선정하였다. 하천기본계획 보고서는 개정된 홍수량 산정 지침에 따라 설계 강우가 산정된 2019년 이후에 수립된 보고서를 수집하였다. 2019년 이후 기본계획이 수립된 하천 유역은 용인시 청미천, 영동군 법화천, 어촌천, 봉현천, 화성시 자안천, 옥천군 건진천의 6개로 조사되었다. 최근 피해사례는 2024년 7월 한반도 폭우 사태로 인해 특별재난지역으로 선포된 곳을 고려하였으며, 이 지역에 포함된 하천으로는 시흥시 운연천, 신천, 가학천이 선정되었다. 감사원은 시흥시 도심 15개 지역을 대상으로 하여 SSP 시나리오를 활용한 확률 강우량을 산정하고, 기존 방재성능목표의 적정성을 검토한 바가 있다(BAI, 2024). 본 연구에서는 이들 하천중 2024년에 하천기본계획 보고서가 수립된 하천을 우선 선정하고 이들 하천 중 피해지역을 고려하여 최종적으로 Fig. 4에 도시한 영동군 법화천 유역을 대상 유역으로 선정하였다.
Conceptual Map of Bubhwa River Basin with Near Weather and Rainfall Stations
3. 설계강우량 산정방법 개발 및 검증
3.1 강우 자료 수집
법화천 유역 내에는 기상, 강우 관측소가 존재하지 않아 Fig. 4와 같이 법화천 유역 인근에 위치한 관측소 자료를 수집하였다. 수집된 자료를 분석하여 유역을 대표하는 기상관측소는 가장 가까운 곳에 위치한 추풍령 관측소를 채택하였으며, 설계강우량 산정을 위한 강우 관측소는 Table 4에 제시한 황간, 모서2, 청산, 묘금, 청성의 5개 관측소를 채택하였다.
Characteristics Information of Near Weather and Rainfall Stations Located Near Bubhwa River Basin
강우 자료는 홍수량 산정 지침(MOE, 2019)과 법화천 하천기본계획(Yeongdong-gun, 2024)에서 제시한 강우 자료와 함께 2022~2023년에 관측된 강우 자료를 수집하였다. 수집한 강우 자료의 연최대 강우량을 산정하고 고정시간-임의시간 환산 작업을 수행하여 확률 강우량 산정을 위한 자료를 마련하였다.
3.2 기후변화 시나리오 적용 여부 검토
기후변화 시나리오 적용 여부를 결정하기 위하여 본 연구는 과거 강우 자료와 미래 강우 자료의 호우 일수와 극한 강우 발생빈도를 비교하였다. 호우 일수는 기상청의 극한 기후지수 정의에 따라 일 강수량이 80 mm 이상인 날의 수로 정의하였으며, 극한 강우 발생빈도는 일 강우량이 100 mm, 200 mm, 300 mm를 초과하는 강우가 발생한 횟수로 정의하였다.
대상 하천인 법화천의 적용 여부 검토를 위하여 과거 강우 자료는 인근에 위치한 추풍령 기상관측소 자료를 수집하였으며, 미래 자료는 GRIMs 모델의 SSP5-8.5 시나리오 자료를 자료를 수집하였다. 수집된 자료를 분석한 결과 과거 강우 자료의 호우 일수는 연평균 1.2일, 미래 강우 자료의 호우 일수는 연평균 2.5일로 미래 강우 자료의 호우 일수가 과거 강우 자료에 비해 2배 정도 크게 나타났으며, 증가 추세를 나타내는 기울기 또한 미래 강우자료의 기울기가 과거 강우 자료 대비 14.4% 정도 큰 것으로 나타났다.
극한 강우 발생빈도는 일 강우량이 100 mm를 초과하는 강우량은 과거 강우량에서 53일 미래 강우량에서 109일 발생하였으며, 일 강우량이 200 mm를 초과하는 강우량은 과거 강우량에서 4일 미래 강우량에서 14일 발생하였다. 일 강우량이 300 mm를 초과하는 강우량은 과거 강우량에서 0일 미래 강우량에서 4일 발생하는 것으로 나타났다. 적용 여부를 검토하기 위해 호우 일수와 극한 강우 발생빈도를 비교한 결과는 과거 대비 미래 강우량의 호우 일수와 극한 강우 발생빈도가 크게 나타나 기후변화 시나리오를 적용하는 것이 적절하다는 결론을 얻었다.
3.3 확률 강우량 산정
기후변화 시나리오를 적용하여 확률 강우량을 산정하기 위해서는 미래에 대한 기준을 설정하는 것이 필요한데, 국내에서는 환경부가 기후위기 적응대책 수립지침(MOE, 2022)에서 기후변화 영향평가 수행 시 과거 10년을 기후변화 현황, 향후 20년을 미래 기후변화 전망으로 정의하고 있다. 감사원의 경우엔 미래 기후변화 전망을 단기(2021~2024년), 중기(2041~2060년), 장기(2081~2100년)로 구분하여 정의하고 있다(BAI, 2024).
본 연구는 지자체 및 공공기관을 대상으로 하는 기후위기 적응대책 수립지침에 따라 향후 20년을 기준으로 설정하고 GRIMs 모델을 이용하여 20년(2024~2043년)간의 강우량 자료를 산정하였다. 이렇게 산정된 강우량 자료를 이용하여 100년 빈도 확률 강우량을 산정하고 산정 결과는 설계기준 마련에 주로 사용하는 다음에 제시된 3가지 방법으로 산정한 확률 강우량 결과와 함께 비교하여 Table 5에 수록하였다. 3가지 방법은 i) 전국 하천유역 홍수량 산정용역(MOE, 2019)에서 제공하는 2017년까지의 강우 관측자료에 기반한 지역 빈도 해석 결과, ii) 대상 하천인 법화천의 하천기본계획(Yeongdong-gun, 2024)에서 제시하는 2021년까지의 강우 관측자료에 기반한 지점 빈도해석 결과, iii) 본 연구에서 수집한 2023년까지의 강우 관측자료에 기반하여 산정한 지역 빈도해석 결과, 그리고 iv) 기후변화 시나리오를 적용하여 산정한 결과이다.
Comparison of 100-Year Return Period Design Flood Classifying by Standard with This Study Results
확률 강우량 산정 결과를 보다 정량적으로 분석하기 위하여 법화천 인근의 5개 관측소 중 강우 관측 기간이 가장 긴 청산 관측소의 임계지속기간 6시간에 대한 확률 강우량 산정 결과를 비교하였다. 산정 결과는 환경부 135.0 mm, 하천기본계획 137.9 mm, 본 연구의 과거 계측자료에 기반한 방법이 143.1 mm, 그리고 기후변화 시나리오가 반영된 결과는 158.4 mm로 나타났다. 환경부의 확률 강우량 산정결과는 4개 방법 중 가장 작았으며, 하천기본계획은 2.1%, 금번 최근 관측결과를 반영한 방법은 5.7% 그리고 기후변화 시나리오가 반영된 결과는 14.8% 정도로 환경부 결과에 비해 증가한 것으로 나타났다.
지역별 방재성능목표 설정 기준(MOIS, 2022)에서는 기후변화를 고려하기 위하여 시군구 단위 238개 지자체에 대한 지역별 할증률을 제시하고 있다. 법화천이 위치한 충북 영동군의 할증률은 2017년 종관기상관측소(ASOS) 기준 할증률 8%, 2022년 종관기상관측소 기준 할증률 15%, 2022년 종관기상관측+방재기상관측(AWS) 기준 할증률 12%를 제시하고 있다. 2022년 ASOS+AWS 기준 할증률 12%는 기후변화 시나리오가 반영된 결과를 하천기본계획 결과와 비교했을 때의 차이 10.7%와 유사한 것으로 나타났다.
3.4 강우강도식 유도
강우 강도식은 통상적으로 지속 기간에 대한 확률 강우량이 없는 경우 보간을 위해 사용하나, 본 연구에서는 지속 기간별 확률 강우량 추이 분석을 위하여 유도하였다. 중 대규모 하천의 경우 배수 구조물 등에 필요한 1시간 이내의 짧은 강우지속기간 홍수량 산정을 위해서는 강우강도식의 산정이 필요하다.
강우 강도식 형태로는 Talbot형, Sherman형, Japanese형, Semi-Log형과 같은 General형, 확률 강우량도 개선 및 보완 연구(MLTM, 2011)에서 제시하고 있는 전대수 다항식형 등이 있다. 홍수량 산정 표준지침(MOE, 2019)에서는 이와 같은 여러 공식 중 상관계수가 높게 나타나는 형태를 채택하는 것을 원칙으로 제시하고 있어 본 연구에서는 전대수다항식을 적용하여 Table 6과 같이 계수를 유도하였다.
Coefficient Results of Rainfall Intensity Equations for Different Return Periods Under Climate Change Scenarios
유도한 강우 강도식 계수를 활용하여 현재와 미래의 강우강도-지속기간-빈도(Intensity-Duration-Frequency, IDF) 곡선을 Fig. 5와 같이 비교하여 도시하였다. Fig. 5에서 현재(Present)는 2023년까지 수집된 자료를 활용하여 산정한 10, 20, 30, 50, 80, 100, 200년 빈도 결과이며 미래(Future)는 기후변화 시나리오 결과를 반영하여 산정한 빈도 결과이다.
Results of Rainfall Intensity-Duration-Frequency Curve
Fig. 5에서 강우강도는 동일한 발생빈도의 경우라도 강우 지속 기간이 길어지면 작아지는 것을 알 수 있는데, 1시간 이내의 도달시간에서는 미래의 강우강도가 현재에 비해 다소 크게 나타났으며, 지속시간이 길어질수록 현재 강우강도와 유사하게 나타났다. 따라서 하천설계실무요령(MOE, 2024)에서 적용하고 있는 주거지, 산업단지, 단위면적당 생산성이 높은 고소득 작물 재배를 위한 시설농업 등 내수 침수로 인한 피해가 클 것으로 예상되는 지역에서는 기후변화를 반영하여 방재기준을 상향하는 것이 필요하다.
3.5 설계 강우 시간 분포
현재 국내에서는 GRIMs 모델 기반의 기후변화 시나리오 자료를 최소 시간 단위로 일단위 강우 자료를 제공하고 있다. 따라서 설계 강우 산정을 위해서는 일강우 자료를 시간 단위로 상세화하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 Huff 방법을 적용하여 Fig. 6과 같이 일 강우량을 시간 강우량으로 상세화하였다.
The Predicted Daily Rainfall Distribution and Hour Rainfall Distribution by Huff Method
본 연구의 분석 결과 향후 20년(2024~2043) 기간 중 가장 높은 일 강우량이 발생한 날짜는 2029년 6월 23일로 이때 일 강우량은 217.6 mm/day로 나타났다. 최대 일 강우량을 Huff 방법을 적용하여 시간 상세화한 결과 1시간 최대 강우량은 17.8 mm/hr로 나타났다. 산정 결과 Huff 방법은 일 강우량 대비 8.2%의 시간 최대 강우량을 산정하였는데, 이는 2024년 7월 폭우 사상시 발생했던 시간 강우량인 24.1 mm/hr와 비교할 때 다소 작게 산정하는 것으로 나타났다. 그러나 Fig. 5와 같이 향후 100년까지의 미래로 갈수록 일 강수량은 점차 증가하며, 기후변화의 불확실성을 고려할 때 2024년 7월 홍수사상 보다 높은 시 우량이 발생할 가능성이 크므로 기후변화를 고려하는 등으로 이에 대한 대비가 필요하다.
4. 결 론
본 연구는 기후변화 시나리오, 특히 SSP5-8.5를 적용하여 설계강우량 및 방재기준 산정 절차를 체계적으로 검토하고, 실제 법화천 유역을 대상으로 실증 분석을 수행하였다. 그 결과, 기후변화 시나리오를 반영한 확률 강우량은 기존 관측자료에 기반한 산정값에 비해 뚜렷하게 증가하였으며, 특히 단시간 강우 강도의 상승 폭이 두드러지게 나타났다. 따라서 기후 위기 적응 대책을 수립하는 지자체는 내수 침수로 인한 피해가 발생할 것으로 예상되는 지역에 대해서는 이를 고려하여 대책을 수립할 필요가 있다.
IDF (Intensity-Duration-Frequency) 곡선 비교 결과 또한 미래 기후 조건에서 강우 강도가 강화되는 추세를 확인할 수 있었다. 이러한 분석은 현행 방재기준이 기후 비정상성과 극한 사상의 발생빈도를 충분히 반영하지 못하고 있음을 보여주는 결과로써 국가 방재기준 수립 시 기후변화 영향을 고려하여야 함을 보여준다.
연구 방법론 측면에서, 본 연구는 (i) SSP 기반의 다중 기후모델 시나리오를 비교⋅검토하여 방재 관점에서 극치 시나리오를 선정하고, (ii) 과거와 미래 강우 패턴을 정량적으로 비교하여 시나리오 적용 여부를 과학적으로 검증하였으며, (iii) 지역 빈도 해석과 시간 상세화 기법을 통해 설계강우량 산정 절차를 고도화하였다. 이러한 절차적 접근은 기존의 단순 관측 기반 빈도 해석을 보완하며, 향후 기후적 불확실성을 반영하기 위한 방재기준 가이드라인 개선에 활용 가능한 기반을 제공한다.
또한, 본 연구는 기후변화 시나리오를 반영한 설계강우량 산정이 단순히 수치적 증가에 그치지 않고, 재현 기간별 강우 강도식 및 설계 강우 시간 분포에도 영향을 미친다는 점을 실증하였다. 이는 방재 시설 설계 시 고려해야 할 입력조건 전반에 걸쳐 기후변화 영향이 확산 됨을 의미하며, 학문적으로는 기후모델 기반 수문 설계 연구의 확장 가능성을 보여준다.
결론적으로, 본 연구는 기후변화를 고려한 설계강우량 산정 절차의 체계화 및 실증 검토를 통해 기존 방재기준의 한계를 학술적으로 규명하고, 기후 위기 적응형 설계 체계로의 전환을 위한 방법론적 토대를 마련하였다. 향후 연구에서는 다양한 시⋅공간 규모의 유역에 적용하여 본 절차의 일반화 가능성을 검증하고, 불확실성 정량화 및 확률적 위험 기반 설계 기법과의 연계성을 확대할 필요가 있다.
감사의 글
본 연구는 국립재난안전연구원의 기후위기 대비 방재기준 가이드라인 개선 연구사업의 연구비지원(NDMI-기본-2024-01-05)에 의해 수행되었습니다.