토지이용특성을 활용한 도시유역 중소하천 분류기준: 김해시지역을 중심으로
Classification Criteria of Urban Basin for Medium and Small Stream using Characteristics of Land Use: Focus on Gimhae-si
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Abstract
최근 하천에서 발생하는 침수피해는 대규모 하천보다는 중소규모의 하천에서 주로 발생하고 있다. 국가하천이나 규모가 큰 지방하천의 경우 하천정비등의 재해대책이 수립된 반면 중소규모 하천의 경우 침수피해에 대한 대책이 미비한 실정이다. 중소규모 하천 중에서도 도시지역을 통과하는 도시하천의 경우 침수피해 발생시 인명이나 사회기반시설의 피해규모가 크게 발생하여 중점적인 관리가 필요하다. 본 연구에서는 침수피해에 대한 예방이 필요한 중소하천에 대하여 분류기준과 도시지역을 통과하는 중소하천의 토지이용특성 중 불투수면적을 통한 도시유역 분류기법을 제안하고자 한다.
Trans Abstract
Recently, Flood damage in river is mainly occurring in medium and small streams. In case of national river or large scale local rivers, disaster management such as river improvements were established. Whereas, In case of medium and small stream, disaster management for flood damage is insufficient. Among medium and small streams of the streams passing urban areas if flood damage occur, the focus of management is required to large scale damage of human and infrastructure. In this study, it proposed selection criteria of medium and small streams that flood damage is recently increased and medium and small streams that passes through the urban area that classification criteria of urban basin proposes using impervious area.
1. 서론
기후변화에 따른 강우량 증가와 도시화에 따른 불투수면적 증가는 침수피해를 유발하는 요인으로 작용하고 있다. 이러한 침수피해를 대비하기 위해 하천정비기본계획, 저류시설, 펌프장 등의 대책으로 국가하천이나 규모가 큰 지방하천의 침수피해는 감소하였으나 상대적으로 규모가 작은 지방하천이나 소하천이 포함된 중소규모의 하천에서는 아직도 많은 침수피해의 위험성이 대두되고 있다.
국내외 중소하천에 대한 연구들은 강우발생에 따른 홍수량산정, 홍수예경보 분석 모듈 개발, 한계강우량 및 유효우량 산정등 중소하천에서 발생하는 유출관련 연구가 주로 진행되었다. Vieux et al. (2005)은 소규모 도시유역인 텍사스주 휴스턴시에서 강우정보만을 이용하여 홍수예보가 가능한 도표를 작성하여 홍수예보에 활용하였으며 Park et al. (2013a) 중소하천의 선행함수조건을 고려한 한계강우량을 산정, Lee and Kim (2015)은 논산천 수계내 중소하천의 실측된 유량 및 부유사량의 분포특성을 분석하였다. Koo and Jun (2014), Song et al. (2014), Ahn et al. (2008), Shin et al. (2004), Song et al. (2015)은 하천범람으로 인한 직접적인 피해가 반복되어 발생하는 중소규모의 하천에 대한 홍수예경보 체계 구축 연구를 수행하였으며 Rim and Lee (2011)은 중소하천(요천)에 대하여 강턱유량, 특정 재현기간 유량, 유효유량을 산정하고, 세가지 다른 지표들 사이의 상관관계를 분석 하였다.
국내외 도시유역에 대한 연구들은 수치모형프로그램을 통한 침수분석이나 배수구역 산정, 강우량 변화에 따른 침수특성, 도시특성의 단위도 산정등의 연구를 수행하였다. Pathirana et al. (2011), Shubert and Sanders (2012), Lhomme et al.(2004), Smith et al. (2006), Park and Ha (2013b)은 수치모형프로그램을 통한 도시유역에서의 침수피해에 관한 연구를 수행하였다. Zhang et al. (2011), Smith et al. (2005), Park et al. (2013c)은 도시유역의 하천특성을 통한 단위도를 산정하였으며 Ahn et al. (2012)은 침수피해에 직접적인 영향을 미치는 요소를 치수계획 규모별로 분석하였다.
국내외 토지이용도나 불투수면적에 관한 연구들은 도시지역 우수관거의 내수침수 저감이나 최적노선선정, 침수위험도평가기법 개발, 토지이용도 변화에 따른 유출특성 변화, 시설물 설치에 따른 적용성이나 취약성 평가관련 연구를 수행하였다. Park et al. (2011), Lee (2012), Joo et al. (2013)은 불투수면적 증가에 따른 우수관거의 내수침수나 최적노선 결정과 평가기법을 제시하였으며 Lee et al. (2008), Park et al.(2011), Park and Kang (2009)은 토지이용도 변화에 따른 수문특성, 유출특성등의 변화에 관한 연구를 수행하였다. Park et al. (2012), Ahn et al. (2010), Hyun and Lee (2010)은 토지이용도나 불투수면적에 따른 빗물관리시설의 적용성, 지하수변화, 수해취약성평가에 대한 연구를 수행하였다.
선행연구된 중소하천, 도시유역, 토지이용도 및 불투수면적의 관한 연구들은 하천특성에 따른 유출량 산정, 하천범람에 따른 침수범위나 위험성 그리고 우수관거에서 발생하는 유출특성 및 침수피해등에 대한 연구가 수행되었을 뿐 중소하천의 특성이나 도시유역 분류기준 등에 관한 연구는 선행되지 않았다. 따라서 본 연구에서는 전국 지방하천과 소하천을 검토하여 중소하천에 대한 분류기준을 수립하고 김해시를 대상으로 도시유역의 유출특성에 영향을 미치는 토지이용도 중에 불투수면적에 따른 도시유역 분류기법 개발에 대하여 제안하고자 한다.
2. 중소하천의 정의
우리나라의 하천 분류는 국가하천, 지방하천 그리고 소하천으로 구분되어 있으나 유로연장이나 유역면적등에 따른 명확한 하천의 분류기준은 제시되어 있지 않다. 국가하천을 제외한 지방하천이나 소하천의 지정은 관할 시군구의 공공이해에 따라 공시되고 있어 하천분류의 폭이 광범위하게 구분되어져 있다. 또한, 근래에 발생되고 있는 침수피해는 국가하천이 아닌 지방하천이나 소하천에서 주로 발생하고 있어 일정규모의 지방하천이나 소하천을 분류하여 침수피해에 대비한 하천관리를 수행해야 한다. 따라서, 본 연구에서는 전국 지방하천과소하천에 대한 특성을 조사하여 중소하천의 분류기준을 제안하고자 한다.
2.1 하천의 분류
국내의 하천 분류는 ‘하천법’이나 ‘소하천 정비법’에서 하천의 규모나 공공이용 목적에 따라 국가하천, 지방하천, 소하천으로 Table 1과 같이 분류하고 있다. 국가하천은 이치수의목적으로 유역면적이 200 km2이상의 대규모 하천, 지방하천은 공공이해를 위해 시도지사가 구간을 지정하는 하천, 소하천은 하천길이가 500 m이상이거나 폭이 2 m이상인 하천으로 구분된다. 우리나라의 법률 및 법령에서 제시한 하천의 분류는 관리가 필요하거나 공공이해와 밀접한 영향이 있는 하천으로 국가하천, 지방하천, 소하천으로 구분할 수 있는 최소한의 기준만을 제시하고 있는 실정이다.
Classification of Stream
2.2 중소하천 분류기준
최근 10년동안 발생된 전국 하천의 피해금액은 국가 및 지방하천이 7,627억원(52.7%), 소하천이 6,835억원(47.3%)으로 전체적인 피해금액은 비슷한 규모이다. 그러나 국가하천 및 지방하천의 경우 지속적인 하천정비를 진행하였음에도 소하천과 동일하게 피해금액이 지속적으로 발생하고 있다. 이는 하천정비가 완료된 국가하천이나 지방하천에서의 피해가 아닌 중소규모의 지방하천과 소하천에서 발생되는 피해로서 중소규모 하천의 관리가 필요하다고 판단된다.
중소규모의 지방하천과 소하천의 하천관리가 필요하나 국내의 하천기준에 따른 구분만으로는 중소규모 하천의 선정이 어렵다. 따라서, 본 연구에서는 지방하천과 소하천의 하천특성 중 하천연장에 대하여 검토하고 일정크기 이상의 하천을 중소하천으로 제안하고자 한다. 현재 우리나라에서 관리되고 있는 전국하천 개수는 국가하천 62개, 지방하천은 3,811개, 소하천은 21,732개로 Fig. 1과 같다.
Korean Rivers and streams.
중소하천 분류기준을 제안하기 위해 전국 지방하천과 소하천에 대하여 검토하였다. 전국 지방하천은 3,811개, 하천연장은 1.31 km~87.09 km으로 낙동강유역 1,176개, 한강유역 901개, 금강유역 881개, 영산강유역 372개, 기타유역 481개로 평균 하천연장은 7.24 km이며 전국 소하천은 21,732개, 하천연장은 0.5 km~9.57 km으로 낙동강유역 7,208개, 한강유역 5,332개, 금강유역 2,429개, 영산강유역 1,149개, 기타유역 5,614개로 평균 하천연장은 1.57 km이다(Fig. 2(a),(b)). 하천연장의 최대, 최소의 차이가 지방하천은 약 80배의 격차가 소하천은 약 20배의 격차가 발생하고 있으나 지방하천 중 하천연장이 긴 하천의 경우 기본계획이나 침수피해 대책이 수립될 가능성이 크며 소하천 중 하천연장이 작은 하천의 경우 침수피해의 영향이 미비할 것으로 판단된다. 지방하천과 소하천의 하천연장은 극대값과 극소값의 차이가 크게 발생하여 평균값이 표본의 데이터를 대표한다고 보기 힘들다. Box-Whisker plot는 순서통계량으로 최대값, 3분위수(75%), 중앙값, 1분위수(25%), 최소값으로 구분하여 이상치의 자료위치와 데이터 분포를 쉽게 파악할 수 있는 그래프로 전국 지방하천과 소하천의 하천연장에 대한 특성은 Fig. 2(c)와 같다. 지방하천과 소하천의 중복된 하천연장의 범위는 약 1 km~9 km로 지방하천의 상위 25%를 제외한 8.04 km이하의 하천과 소하천은 상위 25%인 1.93 km이상의 하천에서 두 하천이 공통된 하천연장의 특성을 구분할 수 있다. 따라서, 본 연구에서 제안하는 중소하천의 분류기준은 지방하천의 하천연장이 8.04 km이하, 소하천은 하천연장이 1.93 km이상의 하천으로 지방하천의 75%인 2,859개와 소하천의 25%인 5,433개로 총8,292개 하천이 이에 해당한다.
Local River and Small Stream Characteristics.
3. 도시유역 중소하천 분류기준
하천에서 발생하는 침수피해는 산지지역보다는 도시지역에서 더 큰 피해가 발생하게 된다. 특히 도시지역에서 발생하는 침수는 갑작스런 강우발생으로 하천월류나 제방붕괴에 따른 사회기반시설 및 인명피해를 유발하는 직접적인 원인이 된다. 도시지역을 통과하는 하천 중 청계천, 중랑천, 온천천등 규모가 큰 지방하천의 경우 침수피해에 대한 하천정비나 대책마련들이 우선적으로 수립되어 있으나 중소규모의 하천의 경우하천 개수도 많고 어느하천이 위험한지 판단하기 어렵다. 따라서, 본 연구에서는 김해시를 대상으로 중소하천 분류기준을 개발하고 현장조사를 통해 도시지역을 통과하는 대상하천과 비교하여 적정성을 검토하였다.
3.1 대상지역
경상남도 남동부에 위치한 김해시는 도시지역과 자연지역이 공존하는 지역이다. 김해시는 낙동강과 서낙동강의 국가하천이 통과하며 지방하천 조만강과 화포천을 중심으로 29개의 지방하천, 97개의 소하천으로 구성되어 있다(Fig. 3). 김해시의 면적은 458.8 km2, 불투수면적은 56.7 km2, 지방하천이 118.9 km, 소하천이 109.8 km으로 Table 3과 같으며 불투수면적의 산정은 토지피복지도 분류체계에서 시가화 건조지역(주거지역, 공업지역, 상업지역, 위락시설지역, 교통지역, 공공시설지역)에 대하여 분류 하였다.
Study Area.
Korean River and Stream Damage Cost duing Last 10 Years Unit : Billion won
Basin Characteristics
3.2 김해시 중소하천 분류
김해시는 29개의 지방하천과 98개의 소하천을 포함하고 있으며 본 연구에서 제안한 중소하천 분류기준을 적용하여 김해시의 중소하천을 분류하였다. 분류된 중소하천은 지방하천의 하천연장이 8.04 km이하, 소하천의 하천연장이 1.93 km이상인 하천으로 김해시 지방하천 전체 29개 중 25개, 소하천 전체 98개 중 23개로 총 48개가 중소하천이 Fig. 4와 같이 분류하였다.
Medium and Small Stream in Gimhae-si.
3.3 현장조사를 통한 도시유역 분류
김해시의 중소하천 48개에 대하여 강우발생시 고수부지 월류에 따른 인명피해나 하천 월류에 따른 사회시설 피해의 가능성이 높은 도시유역을 통과하는 중소하천을 분류하였다. 기존의 선행된 도시유역관련 연구는 토지이용특성의 유출량 산정이 주를 이루고 있을 뿐 도시유역을 구별하는 연구방법은 개발되지 않았다. 따라서 본 연구에서는 김해시의 중소하천을 대상으로 도시유역 하천 선정을 위해 전수 조사를 실시하였다. 도시유역 분류기준은 중소하천을 중심으로 양안에 도시지역의 토지이용 특성인 주거지역, 산업지역, 공업지역등이 하천에 연속적으로 500m이상 위치하고 있는 하천을 선정하였다(Fig. 5). 김해시의 48개 중소하천 중 도시유역 중소하천으로 분류된 하천은 총 13개로 하천의 특성은 Table 4와 같다.
Urban Basin of Medium and Small Stream.
Characteristics of Urban Medium and Small Stream
4. 토지이용특성을 고려한 중소하천 도시유역 특성
하천에서 발생되는 피해는 산지유역보다는 도시유역에서 큰 피해가 발생되며 일반적인 도시유역의 분류는 토지이용에 따른 불투수면적을 활용하여 산정하고 있다. 그러나 하천 중심의 유역단위에서는 산지유역과 도시유역이 혼재되어 있어 도시유역만의 특성을 분석하기에는 어려움이 있다. 도시유역에 위치한 하천은 도시지역을 가로질러 통과하거나 우회하며 하천이 흐르고 있어 하천중심선을 기준으로 일정범위에 포함된 토지이용도를 활용할 수 있다면 도시유역 특성을 포함한 하천을 분류할 수 있을 것으로 판단된다. 따라서, 본 연구에서는 김해시의 도시유역 중소하천 13개에 대하여 유역단위와 중소하천의 하천중심선을 기준으로 50 m, 100 m, 150 m 범위에 대해 토지이용특성 중 불투수면적을 적용한 도시유역특성을 분석하였다.
4.1 유역단위의 도시유역 중소하천 토지이용특성
김해시 도시유역 중소하천 13개에 대하여 유역단위에 대한 토지이용특성 중 불투수면적에 대하여 분석하였다. 김해시에 위치한 도시유역 중소하천의 불투수면적 분포는 Fig. 6와 같으며 각 도시유역 중소하천의 유역면적에 대한 불투수면적 비율을 산정하였다. 각 하천의 유역면적에 대한 불투수면적 비율은 평균 12.16%으로 최소 4.21%부터 최대 30.41%으로 Table 5와 같이 분석되었다. 도시유역 중 불투수면적이 작은 내동천, 안하천, 율하천, 원지천, 무릉천의 경우 도시지역이 하천주변이나 상하류지점에 밀집되어 있어 유역 전체에 대한 불투수면적 비율이 작게 산정되었다.
Impervious of Urban Basin for Medium and Small Stream.
Impervious Ratio of Urban Basin for Medium and small stream
4.2 하천중심선에 따른 중소하천 토지이용특성
중소하천 도시유역의 토지이용특성을 분석하기 위해 중소하천의 하천중심선을 기준으로 일정 범위에 포함된 불투수면적 비율에 대하여 분석 하였다. 하천중심선을 기준으로 일정범위에 포함된 불투수면적을 분석하기 위해서는 선에 대한객체를 면의 객체로 변경해야 한다. 선에 대한 객체를 면의 객체로 정의하기 위해 Arcgis의 Buffer tool의 공간분석기능을 적용하였다. 본 연구에서 선정된 도시유역 중소하천의 하천 중심선을 기준으로 Buffer tool을 적용하여 하천이 모두 포함될 수 있는 최대 하폭인 50 m를 기준으로 100 m, 150 m 하천 범위에 대하여 도시유역의 특성을 분석하였다.
김해시 13개 중소하천에 대한 분석 결과는 Fig. 7과 같다. 도시유역 중소하천의 하천중심선에 대한 불투수면적 비율은 Buffer 50 m는 5.05%부터 65.31%으로 평균 19.52%, Buffer 100 m는 6.52%부터 63.81%으로 평균 19.60%, Buffer 150 m는 6.48%부터 62.68%으로 평균 19.48%의 범위에 대하여 Table 6과 같이 분석되었다. 도시유역 중 불투수면적이 작은무릉천, 퇴래천의 경우 하천 상류나 하류부분에만 도시유역이 포함된 하천이며 신어천, 내삼천의 경우 하천을 주변으로 도시지역이 계속적으로 형성되어 높은 불투수면적을 포함한 하천이다.
Impervious Characteristics by Stream Center Line.
Impervious Ratio by Stream Center Line
4.3 고찰
도시유역 중소하천에 대하여 유역단위와 하천중심선에 대하여 도시유역의 특성인 불투수면적에 대하여 분석하였다. 도시유역 중소하천의 경우 유역단위에서 유역면적에 대한 불투수면적 비율은 4.21%부터 30.41%으로 평균 12.16%이, 하천중심선의 Buffer 50 m, 100 m, 150 m의 하천중심선 면적에 따른 불투수면적 비율은 6.02%부터 63.93%으로 평균 19.54%이 산정 되었다. 유역단위나 하천중심선에 따른 중소하천의 불투수면적 비율은 도시개발 정도에 따라 최소와 최대의 불투수면적 비율이 약 20%에서 60%의 큰 격차를 나타냈다. 분석결과에 대한 불투수면적 비율의 범위를 분석하기위해 Box-Whisker plot을 통해 유역단위와 하천중심선은 Fig. 8과 같이 제시하였다. 유역단위나 하천중심선의 Box-Whisker plot는 일사분위수(25%)는 유역단위가 7.02%, 하천중심선이 9.59%~10.65%, 중앙값의 유역단위가 10.58%, 하천중심선이 13.35%~14.31%, 삼사분위수(75%)는 유역단위가 16.69%, 하천중심선이 20.01%~22.79%, 유역단위와 하천폭의 분위수별 차이는 0.84%~4.61%로 5%미만의 차이를 나타냈다.
Dispersion of Basin Basis and Stream Center Line.
본 연구에서는 김해시 도시유역 중소하천의 유역단위와 하천중심선에 대한 도시유역 특성을 검토하여 중소하천에서의 도시지역 분류기준을 제안하고자 하였다. 유역단위나 하천중심선의 분석결과 불투수면적 비율의 최대와 최소의 격차가 크기 때문에 일반적인 평균에 대한 분류기준을 제안하기 보다는 Box-Whisker plot의 중앙값에 대하여 도시유역의 불투수면적 비율의 분류기준을 제안하고자 한다. 따라서 본 연구에서 제안하는 도시유역 중소하천의 분류기준은 유역단위에서는 불투수면적 비율이 7.0%이상, 하천중심선은 Buffer 50 m일 때 불투수면적 비율이 10.0%이상인 중소하천을 도시유역 중소하천으로 분류하고자 한다.
5. 결론
본 연구에서는 전국 지방하천 및 소하천을 대상으로 하천연장과 설계기준을 통해 중소하천의 분류기준을 제안하였다. 또한 김해시의 중소하천을 대상으로 사회기반시설 및 인명피해의 가능성이 높은 도시유역에 대한 유역단위와 하천중심선의 불투수면적 비율을 통한 도시유역 분류기준을 제안하였다.
중소하천은 국가하천이나 규모가 큰 지방하천을 제외한 침수피해시 위험성이 높은 중소규모의 하천을 지방하천과 소하천에서 분류하였다. 지방하천의 경우 하천연장이 8.04 km이하, 소하천의 하천연장이 1.93 km이상인 경우 중소하천으로 분류하였으며 전국 중소하천은 지방하천 2,859개와 소하천의 5,433개로 총 8,292개 하천을 분류하였다. 도시유역 중소하천의 분류기준을 제안하기 위해 김해시의 48개 중소하천을 현장조사하여 도시지역의 토지이용 특성인 주거지역, 산업지역,공업지역등이 하천에 연속적으로 500 m이상 위치하고 있는 중소하천 13개를 분류하였다. 도시유역 중소하천을 대상으로 유역단위와 하천중심선의 50 m, 100 m, 150 m에 대하여Buffer tool을 통해 분석을 수행하였다. 하천중심선의 50 m, 100 m, 150 m에 분석 변화는 미미하였으며 유역단위나 하천중심선의 불투수면적 비율은 최대값와 최소값의 격차가 크게 산정되었다. 따라서, 도시유역 중소하천 분류시 Box-Whisker plot의 중앙값에 대하여 도시유역의 불투수면적 비율 특성을 기준으로 유역단위는 7.0%이상, 하천중심선은 Buffer 50 m일 때 10.0%이상인 중소하천을 도시유역 중소하천으로 제안하였다.
본 연구결과는 김해시 도시유역 중소하천을 대상으로 분석을 수행하였기 때문에 다른 지역에 적용시 정량적인 오차가 발생할 것으로 판단된다. 그러나 중소하천의 도시유역을 분류기준을 제안하므로서 간단한 방법으로 산지유역과 도시유역을 구분할 수 있으며 다양한 지역을 추가적으로 분석한다면 정확성 높은 중소하천 도시유역 분류기준으로 제안될 수 있을 것으로 예상된다.
감사의 글
본 연구는 국민안전처 자연재해저감기술개발사업단(자연피해예측및저감연구개발사업)의 지원으로 수행한 ‘중·소하천홍수 예·경보 체계 구축’[MPSS-자연-2011-45]과제의 성과입니다.