1. 서 론
2. 방 법
2.1 하천의 영향예보를 위한 발령기준 설정
2.2 하천의 영향한계강우량 산정기술 개발
2.3 대상지역 선정 및 영향한계강우량 산정
3. 대상지역의 하천특성
3.1 하천 현황
3.2 설계빈도를 고려한 수문학적 하천 특성
4. 호우예보를 위한 영향한계강우량 산정
4.1 설계빈도을 고려한 하천의 영향한계강우량 산정
4.2 영향예보 운영을 위한 영향한계강우량 발령기준 분석
5. 결 론
1. 서 론
최근 기후변화로 인한 집중호우의 발생빈도와 강도가 증가하고 있으며 단순한 기상학적 인자만으로는 침수피해를 예측하고 감소하기에는 한계가 있다. 세계기상기구(World Meteorological Organization, WMO)는 2015년에 영향예보를 위해서는 재해의 가능성, 재해의 취약성, 재해에 따른 위험노출을 동시에 고려하여야 한다고 제시하고 있다(WMO 2015, Kim 2017). 또한, Yeh (2017)은 영향예보가 단순한 기상학적 인자 중심의 예경보를 넘어 사회적 대응을 유도할 수 있는 새로운 형태의 영향예보가 필요하다고 평가하였다.
영국의 기상청(Met office)에서는 영향예보를 기반으로 홍수, 폭염, 폭설 등의 다양한 기상예보에 적용하고 있다. Flood Forecasting Centre (FFC)는 리스크 매트릭스를 기반으로 홍수 영향예보 시스템을 구축하였따. 위험단계를 관심, 주의, 경계, 심각의 4단계로 구분하고 각 단계별 행동지침을 개발하였다(FFC 2017). 또한, Grid-to-Grid (G2G) 분포형 수문모형을 적용하여 격자 단위로 홍수위험도를 산정하여 지역별 홍수영향을 실시간으로 예측 및 잔달하고 있다(Cranston et al. 2012, Price et al. 2012, Cole 2018, Steven 2018). 이러한 예보 체계는 기상학적 인자를 고려한 현상 중심의 예보에서 영향 중심의 예보로의 전환을 실현한 대표적 사례로 평가된다.
국내에서도 영향예보 도입을 위한 연구와 제도적 논의가 지속되어 왔다. Kim et al. (2017)은 선진국의 영향예보 운영사례를 분석하여, 공급자 중심의 예보 체계에서 벗어나 수요자 중심 예보 체계로의 전환 필요성을 제기하였다. Lee (2017)는 서울 강남지역을 대상으로 침수피해를 유발하는 한계강우량을 추정하여 도시형 영향예보 가능성을 검토하였다.
정량적인 영향예보를 위해서 피해가 발생하는 영향한계강우량(Rainfall threshold)을 산정하기 위해 국내외 연구가 수행되었다. Li et al. (2016)은 하천 범람에 따른 홍수위험을 평가하기 위한 홍수 예경보 매뉴얼형 임계강우량 산정기법을 제안하였고, Forestieri et al. (2016)은 TOPDM (Topography-based Probability Distributed Model)을 활용하여 시칠리아 유역의 최대 유출을 유발하는 영향한계강우량을 도출하였다. Tian et al. (2019)은 10년간의 홍수사례와 레이더 강우자료를 이용해 도시침수를 유발하는 영향한계강우량을 산정하였으며, Kim and Kun (2019)은 로지스틱 회귀분석을 통해 지속시간별 영향한계강우량을 제시하였다.
Choo et al. (2020)이 한계강우량을 이용하여 침수심을 산정하고, 서울 강남지역 주요 지점(사당동, 대치역 등)에 적용하여 높은 예측 정확도를 검증하였다. Kang et al. (2022)은 표준유역, 도시, 하천, 침수흔적을 유형별로 구분한 다방법(Multi-Method) 접근을 제시하여, 실제 피해사례와 비교한 결과 영향한계강우량이 피해규모를 잘 반영함을 확인하였다. Multi-Method의 영향한계강우량의 피해규모는 가장 위험성이 높은 Layer 층의 위험도를 표출하는 것으로 대부분 도시지역에 대한 위험이 표출되며 상대적으로 많은 설계강우량이 필요한 하천의 위험도는 반영되기 어렵다. 이러한 연구들은 영향예보의 실효성을 높이기 위한 정량적 기준으로서 영향한계강우량의 중요성을 부각시켰다.
본 연구에서는 강원도의 258개 하천을 대상으로 설계기준과 수문학적 특성을 반영하여 지역별 및 단계별 하천 영향예보 발령기준과 영향한계강우량 산정기술을 제시하고자 한다. 이를 통해 기존 강우량 중심의 호우예보를 강우–유출–수위 연계형 영향예보체계로 확장하여, 침수위험 예측 및 홍수 대응체계를 위한 하천의 정량적인 영향예보 분석방법을 제시하고자 한다
2. 방 법
2.1 하천의 영향예보를 위한 발령기준 설정
영향예보는 단순히 태풍, 호우, 폭염 등의 기상현상을 예보하는 것이 아니라 기상현상으로 인해 사람, 사회, 경제, 환경에 미치는 잠재적 영향을 함께 예보하는 것을 의미한다. 기상청에서는 영향예보를 ‘위험기상의 발생 가능성과 함께, 그로 인한 사회적 영향을 고려하여 전달하는 예보’로 정의를 하고 있다(Korea Meteorological Administration 2016).
영국 기상청(MetOffice)에서는 영향예보의 패러다임의 변화를 선도적으로 이끌고 있다. 기상형상 자체보다는 그 현상이 사회에 미치는 영향을 중심으로 경보를 발령하는 국가기상위험경보시스템을 구축하였다. 영국의 기상청은 영향예보를 발령하기 위한 위험 매트릭스(Risk Matrix)를 기반으로 경보 단계 및 행동 지침을 운영하고 있다(Fig. 1).
우리나라의 홍수통제소에서는 하천의 피해를 절감하기 위해서 홍수특보를 운영하고 있다. 홍수주의보는 계획홍수위의 약 50% 이상 수위이며 홍수경보는 계획홍수위의 약 70% 이상 수위가 예상 시에 발령하고 있다. 그러나, 하천을 대상으로 하는 영향예보를 위해서는 하천의 수위별 위험 특성과 수위를 유발하는 영향한계강우량의 산정이 필요하다.
하천을 대상으로 하는 영향예보는 하천 수위상승과 수위상승에 따른 위험의 발생 가능성을 사전에 예측해야 한다. 따라서, 본 연구에서는 하천의 영향예보를 위해 우리나라의 홍수통제소의 홍수특보와 영국의 리스크매트릭스를 고려하여 총 4단계의 영향예보 발령단계를 개발하고자 한다. 하천을 대상으로 하는 영향예보는 발령기준은 관심(Very Low), 주의(Low), 경고(Medium), 위험(High)의 4단계로 구분하였다. 영향예보의 발령기준 4단계 중 주의와 위험은 우리나라의 홍수특보와 연계하여 주의는 계획홍수위의 약 50% 이상인 조건, 위험은 계획홍수위에 약 70% 이상인 조건을 적용하며 관심과 경고는 계획홍수위에 10%의 차이를 고려하여 고수부지의 침수에도 대응하고자 한다. 하천의 영향예보의 관심은 계획홍수위의 40%이상의 수위, 주의는 계획홍수위의 50% 이상의 수위, 경고는 계획홍수위의 60% 이상의 수위, 위험은 계획홍수위의 70% 이상 수위로 Table 1과 같이 설정하였다.
Table 1.
Warnning criteria for river impact based forecast
2.2 하천의 영향한계강우량 산정기술 개발
우리나라 기상청은 강우량 중심의 호우주의보와 호우경보에 대한 호우예보를 운영하고 있다. 호우주의보는 3시간 60 mm 이상 또는 12시간 110 mm 이상 강우 예상 시에 호우경보는 3시간 90 mm 이상 또는 12시간 180 mm 이상 강우 예상 시에 발령하고 있다. 호우예보의 3시간 지속시간에 대한 강우는 집중호우로 인하여 국가하천을 제외한 지방하천 및 소하천에서 범람 및 침수피해의 주요원인으로 인식되어 왔다. 그러나, 이러한 강우량 기준은 기상학적 위험에만 초점을 맞추고 있으며 하천의 수위상승에 따른 피해의 영향은 반영되지 않는다.
본 연구에서는 2.1절에 하천 수위를 대상으로 영향예보 발령기준을 수립하였으며 영향예보를 위해서 수위를 유발하는 영향한계강우량을 정량적으로 산정해야 한다. 하천의 강우-유출-수위 관계를 분석하여 3시간 동안 얼마만큼의 비가 내려야 하천이 위험수위에 도달하는지 분석이 필요하다. 하천의 영향한계강우량 산정기술은 하천이 계획홍수위에 도달하거나 월류가 시작되는 강우량으로 설정하였다. 하천의 강우-유출-수위 관계 특성을 반영하고 지역별 확률강우량을 산정하여 영향예보를 위한 기준을 Fig. 2와 같이 분석한다.
하천의 영향한계강우량 산정기술은 총 6단계로 구성되었다. 1단계는 하천에 대한 설계빈도, 계획홍수위, 최신하상고 등의 수문 및 지형자료의 DB를 구축한다. 하천에 대한 수문모형은 하천정비기본계획에서 제시하는 데이터를 사용하여 적용한다. 2단계는 하천의 영향한계강우량 산정 지점으로 배수위에 영향을 받는 하천의 종점을 선정한다. 3단계는 하천의 영향예보를 발령단계를 기반으로 설계빈도에 대한 설계홍수량을 산정한다. 설계홍수량은 각 하천의 하천정비기본계획에서 하천의 종점에 대한 설계홍수량 기준을 적용한다. 4단계는 하천유역에 포함된 강우관측소를 대상으로 설계빈도에 대한 지속시간 3시간의 영향한계강우량을 산정한다. 설계빈도에 대한 지속시간 3시간의 영향한계강우량은 홍수량 산정 표준지침에서 제시하고 있는 각 강우관측소의 설계빈도별 지속시간에 대한 강우량을 산정하여 적용한다. 5단계는 지역별 티센가충지를 적용하여 시군구에 위치한 하천의 설계빈도별 지속시간 3시간의 영향한계강우량을 산정한다. 6단계는 하천의 강우-유출-수위를 고려한 영향한계강우량의 관계식을 산정한다.
2.3 대상지역 선정 및 영향한계강우량 산정
본 연구에서는 하천을 대상으로 영향예보를 위한 영향한계강우량을 산정하기 위하여 대상지역을 강원도로 선정하였다. 강원도는 태백산맥이 위치하고 지역적 경사가 급하고 지방하천과 소하천이 다수 위치하고 있다. 이러한 지역적 특성으로 강우발생시 급격한 수위상승과 범람 피해가 빈번히 발생하고 있어 단시간의 호우예보가 필요한 실정이다.
강원도의 영향한계강우량 산정은 환경부에서 고시한 홍수량 산정 표준지침(Ministry of Environment 2019)를 기반으로 강원도에 위치하고 있는 강우관측소의 지속시간 3시간에 대한 빈도별 설계강우량을 적용하였다. 하천의 설계빈도별 계획홍수위를 유발하는 설계강우량을 영향한계강우량으로 설정하였다. 강원도에 위치한 시군구를 대상으로 티센다각형을 Fig. 3과 같이 적용하였다.
강원도의 시군구를 대상으로 지속시간 3시간에 대한 영향한계강우량을 하천의 50년, 80년, 100년, 200년 빈도에 대하여 분석하였다. 50년 빈도는 113.8 mm ~ 145.8 mm, 80년 빈도는 123 mm ~ 167 mm, 100년 빈도는 127 mm ~ 191 mm, 200년 빈도는 139 mm ~ 232 mm가 Fig. 4와 같이 분석되었다. 강원도의 영향한계강우량은 빈가 증가할수록 평균 25% ~ 40%가 증가하였으며 동해안 및 산악 연계지역에서 강우강도의 상승률이 가장 높게 분석되었다. 강릉, 양양, 삼척을 연결하는 동해안 부분은 200년 빈도시 220 mm 이상의 분석되어 하천의 위험이 있을 것으로 예상된다.
3. 대상지역의 하천특성
3.1 하천 현황
강원도의 하천정비기본계획이 수립된 국가하천과 지방하천은 총 258개소가 Fig. 5와 같이 위치하고 있다. 영향한계강우량을 산정하기 위해서 하천정비기본계획을 조사하였으며 설계빈도, 하천 종점의 계획홍수위, 최심하상고 등의 하천현황을 조사하였다.
강원도에는 국가하천은 5개, 지방하천은 253개가 위치하고 있다. 국가하천의 경우 다른 시군구와 연결되어 있으며 대부분의 지방하천은 중소하천의 규모를 가지고 있다. 지방하천은 유역면적이 작고 하상경사가 급하여 도달시간이 3시간 이내로 짧아 영향예보에서 침수피해가 예산되는 하천으로 분류할 수 있다. 하천의 설계빈도는 50년 빈도가 69개소, 80년 빈도가 98개소, 100년 빈도가 82개소, 150년 빈도가 1개소, 200년 빈도가 8개로 Table 2와 같이 구성되었다. 대부분의 지방하천이 50년 빈도에서 100년 빈도의 설계홍수량과 계획홍수위가 산정된 것을 확인할 수 있다.
Table 2.
River Status by sigungu in gangwon-do
3.2 설계빈도를 고려한 수문학적 하천 특성
본 연구에서는 강원도 내 하천을 대상으로 설계빈도별 수문학적 특성을 분석하였다. 하천은 재해 예방을 목적으로 하천정비기본계획을 수립하며 중요도에 따라서 설계빈도를 설정한다. 설계빈도는 하천의 연장, 계획홍수량, 계획홍수위 등 특성을 통해 강원도의 하천특성을 Fig. 6과 같이 확인할 수 있다.
하천의 설계빈도는 50년 빈도 ~ 200년 빈도로 분포하고 있으며 중앙값은 약 80년 빈도이며 최빈 값은 100년 빈도가 분석되었다. 설계홍수량은 하천의 규모와 설계빈도에 따라서 약 50 m3/s에서 1,800 m3/s의 범위로 분포하고 있으며 평균은 약 620 m3/s, 중앙값은 430 m3/s으로 분석되었다. 계획홍수위는 배수위의 영향을 받는 종점을 기준으로 평균 약 El.152 m이며 최대 약 El.480 m ~ El.500 m으로 전형적인 산지지형의 하천특성이 제시되었다. 하천연장은 평균 약 9.5 km이며 2 km ~ 27 km의 범위로서 대부분이 10 km 이하의 짧은 유로를 가지고 있어 도달시간이 짧은 것으로 급격한 수위상승이 예상된다.
4. 호우예보를 위한 영향한계강우량 산정
4.1 설계빈도을 고려한 하천의 영향한계강우량 산정
본 연구에서는 강원도에 위치한 258개 하천을 대상으로 설계기준의 수문특성을 고려한 3시간 지속시간에 대한 영향한계강우량을 산정하였다. 영향한계강우량은 설계빈도에 대한 계획홍수위를 유발하는 설계강우량을 기반으로 강우-유출-수위 관계를 분석하여 산정하였다. 강원도에 위치한 하천의 설계빈도를 고려한 영향한계강우량을 Fig. 7과 같이 분석되었다.
하천의 지속시간 3시간에 대한 영향한계강우량은 114 mm ~ 232 mm의 범위가 산정되었으며 설계빈도가 증가할수록 영향한계강우량의 상승 폭도 비선형적으로 확대되는 경향이 분석되었다.
지역적 영향한계강우량의 분포는 서쪽 내륙지역은 낮고 동해안 지역으로 갈수록 높은 패턴이 분석되었다. 강원도의 종단적 지형경사와 기상학적 영향으로 이러한 결과가 도출된 것으로 판단 된다. 서부 내륙쪽의 철원군, 홍성군, 화천군은 115 mm ~ 130 mm, 중부 산악지대인 평창군, 정선군, 영월시는 130 mm ~ 160 mm, 동해안 지역인 강릉시, 양양군, 삼척시는 180 mm 이상이며 일부 200 mm가 초과하는 것으로 분석되었다. 강원도 하천의 공간적 분포는 지형과 강우의 설계빈도에 따라 지역적 차이가 발생하였다.
4.2 영향예보 운영을 위한 영향한계강우량 발령기준 분석
강원도 지역의 호우예보 운영을 위하여 관심, 주의, 경계, 심각에 대한 단계별 발령기준의 영향한계강우량을 분석하였다. 지속시간 3시간에 하천의 영향예보 발령기준을 기반의 수위를 유발하는 영향한계강우량을 산정하였다. 하천의 영향예보 발령기준은 홍수예보의 경보를 심각으로 설정하고 각 단계별로 수위를 10% 감소하여 발령기준을 설정하였다. 기존의 홍수예보에서 홍수 주의보는 관심과 주의로 구분하였으며 관심의 경우 하천의 고수부지의 위험수위로 사람들의 대피 기준을 추가하였다. 홍수 경보는 경계와 심각으로 구분하여 홍수 경보에 대한 대응부분을 고려하여 설정하였다. 영향예보의 발령기준에 대한 강원도 하천의 영향한계 강우량은 Fig. 8과 같이 분석되었다.
영향예보 운영을 위한 발령기준별 영향한계강우량은 지역적 특성은 Fig. 7과 유사하게 분석되었다. 관심 단계에서는 23 mm ~ 35 mm, 주의 단계에서는 39 mm ~ 58 mm, 경계 단계에서는 61 mm ~ 79 mm, 심각 단계에서는 97 mm ~ 129 mm의 영향한계강우량이 분석되었다. 영향한계강우량의 발령기준은 하천이 청색 계열로 표시되어 영향 가능성이 매우 낮은 지역이 넓게 분포하며, 단계가 높아질수록(심각 단계) 적색 계열로 표시된 영향 가능성이 높은 구간이 남부 및 일부 동부 유역에 집중되는 경향을 나타낸다. 이러한 결과는 동일한 강우량이 발생하더라도 하천유역의 설계빈도 조건과 지형 특성을 고려한 단계별 발령기준 운영이 가능함을 시사한다. 강우량 중심의 기본 예보체계를 강우-유출-수위를 고려한 영향예보 체계로 전환할 수 있는 분석방법과 영향한계강우량 기준을 산정하였다. 동일한 강우량이 발생하여도 하천유역의 설계빈도 조건을 고려한 발령기준의 단계별 운영이 가능할 것으로 판단된다.
5. 결 론
본 연구에서는 하천을 대상으로 침수피해에 대한 가능성을 사전에 예측하기 위하여 하천 영향예보 발령기준을 개발하였다. 대상지역은 강원도를 선정하였으며 지속시간 3시간을 기준으로 지역별 영향한계강우량을 산정방법을 개발하고 영향예보의 단계별 영향예보 기준을 제시하였다.
기존의 기상학적 강우량 중심의 호우예보에서 설계빈도를 고려한 계획홍수위와 설계강우량을 위한 영향예보 체계를 제안하였으며 영국 리스크 매트릭스 체계를 고려하여 관심, 주의, 경계, 심각의 4단계 발령기준을 수립하였다. 영향한계강우량은 하천의 설계빈도, 계획홍수위를 기반으로 강우-유출-수위 관계에 대하여 하천 종점을 기준으로 지속시간 3시간의 영향한계강우량을 산정하였다.
강원도의 하천정비기본계획이 수립된 258개 하천을 대상으로 114 mm에서 232 mm 범위의 영향한계강우량이 산정되었다. 하천별 설계빈도의 편차로 약 35% 이상 영향한계강우량이 비선형적으로 증가하였다. 지역적 특성은 강릉시, 양양군, 삼척시는 220 mm를 초과하는 영향한계강우량이 분석되어 고위험지역으로 확인되었다.
영향예보의 발령기준에 따라서 관심, 주의, 경계, 심각에 대한 정량적인 영향한계강우량 범위를 분석하였다. 지속시간 3시간을 기준으로 관심단계는 24 mm ~ 35 mm, 주의단계는 39 mm ~ 58 mm, 경계단계는 61 mm ~ 79 mm, 심각단계는 97 mm ~ 129 mm이 분석되었다. 기존 기상청의 호우경보에 대비 하천특성을 고려한 실질적 위험상태를 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 강우량 중심의 기상예보 체계를 강우-유출-수위를 연계한 영향예보 체계를 적용할 수 있는 정량적인 분석방법을 개발하였다. 동일한 강우량이라도 하천의 특성에 따라 영향예보의 발령기준이 유연하게 적용할 수 있음을 확인하였다. 향후 연구에서는 본 연구에서 개발한 하천 영향예보의 발령기준을 대상으로 하천 수위가 관측되는 지점을 대상으로 지속시간 3시간의 강우량을 대상으로 영향예보의 위험도가 변경되는 체계를 검토하고자 한다. 실제 관측자료와 비교 및 검증하여 분석방법의 신뢰도와 예보의 정확도를 평가하고자 한다.
