기후변화에 따른 설계홍수량의 변화분석
Analysis of the Change in Design Flood due to Climate Variation
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Abstract
최근 이상기후로 인해서 국지적인 집중호우와 양극화현상이 발생함에 따라 재산 및 인명피해가 증가하고 있다. 특히 한반도는 1970년대 이후 무분별한 도시화로 인하여 불투수 면적이 증가하고 침투능이 감소하면서 홍수 유출량이 증가하였다. 이에 따른 대책 마련을 위해서 설계홍수량 변화 양상을 검토해 볼 필요가 있다. 본 연구에서는 기후변화에 따른 홍수량의 변화 추세 검토를 목적으로 최근 20~30년 도시화가 집중된 안양천을 대상 유역으로 선정하여 홍수량을 산정 및 비교하였다 홍수량 산정을 위한 지형학⋅기상학 인자를 2013년도의 유출곡선지수와 1960년부터 2016년 9월까지의 기상청 강우자료를 이용하였다. 홍수량 비교결과 강우량이 증가함으로써 홍수량이 증가하는 것을 알 수 있었다. 이에 따라 치수대책 수립을 위하여 홍수량의 변화양상을 주시할 필요가 있다.
Trans Abstract
Recently, due to the abnormal climate, local heavy rains and polarization have caused damage to property and harm to people. In particular, the Korean peninsula has been flooded since 1970s due to indiscriminate urbanization, resulting in increased impervious area and decreased permeability. It is necessary to examine the change in design flood volume in order to prepare the countermeasures accordingly. The purpose of this study is to examine trends of flood volume due to climate change, and to calculate and compare the flood quantity of Anyang stream, which has recently been concentrated on urbanization for about 20~30 years. The topographic and meteorological factor And 1960 of September 2016 were used. From the comparison of the flood amount, it was found that the flood amount increases due to the increase in the rainfall amount. Therefore, it is necessary to pay attention to the change of the flood amount in order to establish the counter measures.
1. 서론
기후변화는 20세기 이후 인류에게 가장 중요한 안건 중 하나가 되었다. IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)의 4차보고서에 따르면 소빙하기가 끝난 19세기 말부터 현재까지 전 지구의 평균 지상 기온은 약 100년 동안 지구온난화로 인한 평균기온이 약 0.7°C 상승했다고 보고되었다. 지구온난화로 인한 지구평균기온 상승은 생태계의 변화와 기상이변으로 이어지게 되며, 평균기온이 1.5°C에서 2.5C상승하면 20~30%의 생물종이 사라질 우려가 있다. 특히 3°C가 상승하게 되면 아시아에서는 연간 700만 명이 홍수의 위험에 직면하고 전 세계의 약 1억명 이상이 식량부족에 시달릴 것으로 예상되어 진다고 보고되고 있다 IPCC(2007).
전 세계적으로 이상기후에 따라 기온이 상승하고, 국지성호우와 양극화현상에 대한 대책마련을 위한 연구가 이루어졌다. 1990년대 중반에는 기후변화가 유역의 물 순환에 어떠한 영향을 미치는지를 연구들이 주를 이루었으며, 이들은 수문 관측 자료를 분석하여 기후변화의 징후를 발견하려는 연구들을 수행하였다(Lins, 1994; Mitosek, 1995). 또한 1990년대 후반 Lettenmier et al. (1999)와 Bogel et al. (1999)는 기후변화로 인한 미래 수자원의 변동성을 정량적으로 평가하려는 연구들을 수행하였다.
또한 기후변화로 인한 수자원의 변화가 사회경제에 미치는 영향을 분석하려는 연구들도 시도되었다(Alcarno et al., 2003). 국내에서도 기후변화가 수자원에 미치는 영향에 대한 연구들이 꾸준히 진행되어 왔다(Yoon et al., 1998; Ahn et al., 2001; Kim et al., 2004). 이후에 Jung et al. (2007a)은 기후변화에 의한 수자원의 변동과 이에 따른 유역별 취약성을 평가하여 기후변화 시나리오에 대한 연구를 시도하였다.
본 연구에서는 최근 20~30년 간 무분별한 도시화가 진행된 안양천을 대상유역으로 선정하여 기후변화에 따른 설계홍수량의 변화를 분석 및 비교하고자 하였다. 이를 위해 기후변화에 따른 국내 강우량의 변화양상을 파악하고, 홍수량의 변화추세를 분석하여 수공구조물의 설계기준으로 사용하여 재해 예방⋅대책을 마련하고 효율적인 수자원 설계 및 관리를 위해 설계홍수량을 산정하는 지속적인 연구가 필요하다.
설계홍수량을 산정하기 위해서 1900년대부터의 기상청 강우 자료에 극치강우사상을 추가하여 확률강우량을 산정하여 설계홍수량의 변화양상을 분석하였다. 안양천 유역의 특성을 파악하기 위해 AUTO CAD를 사용하였다. FARD2006 (Freqyency Analysis Rainfall Data Program, 2006; National Disaster Management Reasearch Institute, 1998)을 이용하여 확률강우량을 산정하였으며, 토지피복도와 ArcGIS를 이용하여 유출곡선지수를 산정하였다. 그리고 AutoCAD를 이용하여 유역특성을 파악하였다. U. S. Army Corps of Engineering, USACE)에서 개발된 HEC-1(Hydrologic Engineering Center, 1990)을 이용하여 설계홍수량을 산정하였다.
2. 주요 지형학적 인자 산정
2.1 대상유역 현황 및 유역특성인자 산정
Gyeonggi-do(2011)의 보고서에 따르면 대상유역인 안양천은 기본계획이 되어 안양천의 자료는 신뢰성이 높은 자료를 이용할 수 있다고 보고되었다.
대상유역의 기초적인 사항으로는 산지를 제외한 하천주변으로 도시를 형성하고 있으며 상류부는 급한 경사를 보이고 하류부로 갈수록 완만한 경사를 보이고 있다.
안양천은 행정구역상 서울특별시, 안양시, 시흥시, 부천시, 의왕시, 광명시, 군포시, 과천시에 위치하는 하천으로 하천변으로 시가지가 형성되어 있는 전형적인 도시 하천이다. 유역의 면적, 유로연장, 하천현황은 Table 1과 같다.
Watershed Feature
2.2 유출곡선지수(Curve Number) 산정
우리나라 수공구조물의 설계홍수량 추정은 사용미국 토양보존국(U.S. Soil Conservation Service, 1972)에서 개발한 유출곡선지수(Curve Number) 분류기준을 주로 사용하고 있다.
도시화의 정도를 파악하기 위하여 유역 내 유출곡선지수를 산정하였다. 토지이용현황 자료는 국토지리정보원(National Geographic Information Institute)에서 제공하는 수치토지 이용도와 환경부(Ministry of Environment)에서 제공하는 수치토지피복도를 이용하여 국토교통부(Ministry of Land Infrastructure and Transport)에서는 우리나라 토지이용 분류기준에 따른 유출곡선지수 기준(MOLIT, 2012)을 제시하였다.
여기서 SCS(1972) 분류 기준에 따르면 토양종별특성은 4개의 군으로 분류 되어 있으며 우리나라에서 정밀토양도를 수문학적 토양군으로 분류할 때 분류기준을 그대로 응용하여 Table 2와 같이 사용하고 있다.
Hydrological Soil Group
유역에 동일한 강우가 내릴 경우 선행토양수분상태에 따라 유출률이 틀려진다. AMC-I인 조건에서는 토양이 건조한 상태이기 때문에 침투가 커 유출률이 낮은 상태이고 AMC-II인 조건에서는 선행강우로 인해 침투가 감소하고 유출률이 증가하게 된다. AMC-III인 조건에서는 선행강우로 토양이 포화상태로 유출률이 높은 상태이다. 현재 SCS (1972)에서 정한 선행 토양함수조건은 Table 3과 같으며 Eqs. (1) 및 (2)를 이용하여 실제 상황에 해당하는 AMC에 맞도록 CN값을 조정해야 한다. 하지만 본 연구에서는 수공구조물 설계를 고려하여 유출율이 가장 높은 AMC-III를 선택하였다.
Soil Moisture Condition
Change in Design Flood Volume due to Increase of Probability Rainfall at the Frequency of 200 Years
3. 강우분석
3.1 강우자료 채택 및 Thiessen비 산정
설계 대상 유역과의 거리, 시 우량 관측년 수, 표고, 수계에 의한 유역분리 등을 종합적으로 고려하여 유량관측소를 선정한다. 수집 대상 강우량자료는 시간별 강우자료이며 자료를 이용하여 지속기간별 최대강우량을 산정하여야 한다. 이때 시간별 강우자료는 1시간동안 내린 평균 강우 값이며 임의적으로 내리는 강우가 한 시간 동안 고르게 내리기는 어렵다. 그러므로 그 시간 안에 더 큰 강우가 발생할 수 있으므로 고정시간-임의시간 환산계수를 이용하여 임의시간 강우량자료로 재 산정할 필요가 있다.
한편, 강우지속기간이 48시간을 초과하는 경우에는 환산계수를 적용하지 않아도 무방하며, 측정자료 자체가 임의기간 자료인 10분 및 60분 강우자료는 환산계수를 적용하지 않고 그대로 사용하여야 한다.
안양천 유역의 해당 되는 우량관측소는 서울과 수원관측소이며 서울에서의 강우자료는 1961년부터 2016년 9월의 자료를 사용하였으며 수원의 강우자료는 1964년부터 2016년 9월까지의 자료를 산정하였다.
Thiessen 다각형법은 각 관측소에서 관측된 강우량에 유역내의 관측소 주위로 작도한 Thiessen 다각형의 면적 비를 가중치로 부여하여 평균 강우량을 산정하는 방법이다.
대상유역에 Thiessen 다각형을 작도하면 서울, 수원관측소 2개의 지점으로 Fig. 1과 같이 나누어지게 되며 그 비는 서울 59.3%, 수원 40.7%의 비율로 산정이 된다.
Seoul, Suwon, Observation Station Map
3.2 지점확률강우량 산정
임의시간 강우자료를 이용하여 대표적인 확률강우량 산정 프로그램인 FARD2006을 사용하여 지점확률강우량을 산정했다. 확률분포함수의 매개변수 추정방법으로는 확률 가중 모멘트법을 사용하였다.
최적 확률분포형으로는 Gumbel분포와 GEV분포가 실무에서 사용되고 있으나 산정되는 GEV분포는 확률강우량의 크기 차이가 크므로 지역적 불연속을 방지하기 위하여 Gumbel분포를 사용하였다.
국가 하천인 안양천의 설계빈도를 생각하여 재현기간 200년, 지속시간 24시간일 때의 확률강우량을 산정하였다.
하지만 Thissen 다각형법에 의해 가중치를 적용하여 안양천 유역의 확률강우량의 증감율을 비 1990년도의 확률강우량부터 2016년도의 확률강우량의 평균증가율을 분석해본 결과 서울은 1.23%, 수원은 0.11% 안양천 유역은 0.71% 같이 증가된 것으로 분석 되었다. 이러한 추세로 지속될 경우 향후 확률강우량은 증가 될 것으로 예측되었다.
3.3 강우강도식 산정
중⋅대규모 하천의 경우에도 배수구조물 등에 필요한 짧은 강우지속기간에 대한 홍수량 산정을 위해서는 강우강도식의 산정이 필요하며, 소하천정비기본계획이나 하수도정비기본계획에서 활용⋅참조하기 위해서는 강우강도식을 유도하여 제시 하는 것이 바람직하다.
강우강도식의 형태로는 Talbot형, Sherman형, Japanese형, 등과 같은 회상수 형태와 3회귀상수인 General형, 전대수 다항식형 등이 있다. 이와 같은 여러 공식중 상관계수가 높게 나타나는 형을 채택하는 것이 원칙이며, 회귀상수의 개수가 많은 General형이나 전대수 다항식형의 상관계수가 상대적으로 높으므로 이들 두 가지 중 Eq. (3)인 전대수 다항식형으로 산정하였다.
여기서 I(t)는 강우지속기간에 따른 강우강도(mm/hr), t는 강우지속기간(min), th는 강우지속기간(hr), a, b, c, d, e, f, g, n 등은 회귀상수이다.
3.4 도달시간 및 저류상수 산정
표면류 흐름의 유하시간과 하도흐름의 유하시간은 산정 방법을 달리 적용하는 것으로 하지만, 중규모 이상 하천유역의 경우 전체 도달시간에서 차지하는 비중이 작고, 하도시점이 지도 축척에 따라 달라지는 문제점 등을 감안하여 유역의 시작점에서 하도종점까지의 유하시간을 동일한 방법을 적용하여 산정하였다.
경사 산정방법은 단순경사방법과 등가경사방법 중 등가경사방법을 사용하여 등간격 500 m로 설정하여 각각의 구간의 경사를 구하였다.
MOLIT(2016) 금강유역치수계획보고서에 제시되고 있는 유속을 사용하여 연속형 Kraven공식을 이용하였다. 자연하천유역의 도달시간 산정에는 외국에서 개발된 kirpich공식, Rziha공식, Kraven공식(I), Kraven공식(II) 등의 경험공식 중 Kraven공식(II)을 사용하였으며 앞서 구한 각각의 유속을 이용하여 구간별 도달시간을 구하고 구간별 도달시간을 총 합하여 산정하였다.
여기서, S는 경사, V는 유속(m/sec), Tc는 도달시간(min), L은 유로연장(km)이며, 유역저류상수를 산정하기 위한 경험공식 중 본 연구에서는 최근 들어 실무에서 많이 사용하고 있는 Sabol공식을 사용하였다 도달시간은 5.36시간으로 산출되었으며 저류상수는 4.96으로 산정되었다.
4. 홍수량 산정 및 비교⋅분석
설계홍수량을 산정함에 있어 수공구조물의 설계에 활용되는 설계홍수량의 산정을 위해 국내 실무에서 적용되고 있는 각종 기준 및 이론 등을 검토하여 설계홍수량 산정시 문제가 되어 왔던 주관적 판단을 최소화함으로써 설계홍수량 산정에 대한 객관적이며 표준적인 기준을 제시한 설계홍수량 산정방법(MOLIT, 2012)을 이용하였다.
본 연구에서는 기존 강우사상을 반영하고 주로 쓰여 지는 Huff 3분위를 채택하였으며 Clark단위도법을 이용하여 설계홍수량을 산정하였다.
본 산정요령은 현재 실무에서 주로 사용하고 있는 방법이며 홍수량자료 시계열의 빈도해석보다 실무 적용성이 높은 방법인 설계 강우-유출 관계 분석에 의한 설계홍수량 산정 방법을 채택하였고 적용범위가 중⋅대규모 하천의 설계홍수량을 제시하는 것이기 때문에 단위도 방법을 적용한다.
4.1 기후변화로 인한 홍수량의 변화
강우량이 증가함에 따라 홍수량의 변화를 알아보기 위하여 토지피복이 2013년도 일 때 1990년도의 확률강우량을 5년 단위로 2016년도까지의 확률강우량을 통해서 설계홍수량을 산정하였다. 이는 재현기간 200년, 지속시간 24시간일 때 강우량 1990년부터 2016년의 강우량이 16.2 mm(3.43%)가 증가함에 따라서 설계홍수량이 총 213.94 m3/sec(8.81%)가 증가하는 것으로 나타났다.
5. 결론
세계적으로 이상기후에 따라 기온이 상승하고, 국지성호우와 양극화현상에 대한 대책마련을 위한 연구가 이루어졌다.
본 연구에서는 기후변화에 따른 설계홍수량의 변화를 분석하기 위하여, 안양천 유역을 대상으로 선정하고 확률강우량의 변화를 분석하여 설계홍수량을 산정하였다. 전체적인 홍수량 산정방법은 설계홍수량 산정요령(MOLIT, 2012)을 적용하였다.
지구온난화 및 이상기온으로 인한 기후변화로 강우량이 과거보다 증가하여 확률강우량 16.2 mm(3.43%)가 증가하여 설계홍수량은 213.94 m3/sec(8.81%)가 증가하였다.
분석결과 기상학적인 요소들로 설계홍수량이 증가하였으며 대상지역의 기후변화로 인한 강우량의 증가로 설계홍수량이 증가하는 것에 밀접한 관계가 있다는 것으로 도출되었다.
연구 결과에 따르면 설계홍수량과 확률강우량의 증가에 따라 기후변화로 인한 홍수량 증가를 예측 하였지만 추후 연구에는 확률강우량과 미래기후변화의 관계를 통한 미래 기후변화 예측에 대한 연구가 이루어져야 한다.
감사의 글
본 연구는 행정안전부 재난관리지원기술개발사업의 연구비지원(2017-MPSS31-001)에 의해 수행되었습니다.