1)
†To whom correspondence should be addressed.
Columbia Water Center, Columbia University, New York, US E-mail: [email protected]
기후변화 대응을 위한 경안천 유역의 홍수저감 대안 선정
한대건･최창현･김덕환･정재원
*･ 김정욱･김수전**†
인하대학교 토목공학과
*서울연구원 안전⋅환경연구실
**Columbia Water Center, Columbia University, New York, US
Determination of Flood Reduction Alternatives for responding to climate change in Gyeongan Watershed
Daegun Han･Changhyun Choi･Duckhwan Kim･Jaewon Jung
*･Jungwook Kim･Soo Jun Kim
**†Department of Civil Engineering, Inha university, Korea
*
Department of Safety and Environment Research, The Seoul Institute, Korea
**
Columbia Water Center, Columbia University, New York, US
(Received: 26 October 2015, Revised: 15 April 2016, Accepted: 15 April 2016)요 약
최근 기후변화로 인하여 태풍 및 집중호우로 인한 극한 강우사상의 발생빈도가 증가하고 있으며, 급격한 도시화로 인한 유역 내 불투수 면적이 늘어나고 있다. 이로 인해 재산피해가 증가하고 있어 기후변화를 고려한 미래 하천범람 등 홍수피해를 경감시키기 위한 홍수저감 대안 선정이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 기후변화를 고려하여 목표기간별로(기준년도 : 1971∼2010년, 목표기간Ⅰ : 2011∼2040년, 목표기간Ⅱ : 2041∼2070년, 목표기간Ⅲ : 2071∼2100년) HEC-HMS모형 을 이용하여 기후변화에 따른 홍수량을 산정하였다. 또한, 배수펌프와 저류지를 각각 5개씩 홍수저감 대안으로 설정하여 HEC-RAS모형을 통해 대안별 홍수위를 산정하였다. 지형자료 및 홍수위를 이용하여 홍수범람도를 도시하였으며, 다차원 홍수피해액산정법(Multi dimension – Flood Damage Analysis ,MD-FDA)을 이용하여 홍수피해 저감을 위한 대안별 경제성분석을 실시하였다. 홍수저감효과를 분석한 결과 배수펌프를 설치했을 경우 홍수위는 최소0.06m, 최대0.44m 감소하였 고, 저류지는 최소0.01m, 최대1.86m 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 침수면적은 최소 0.3%, 최대 32.64% 감소하였고, 침수심 역시 낮아지는 것으로 확인되었다. 또한, 경제성분석을 실시하여 대안별 편익⋅비용비를 비교한 결과 목표기간Ⅰ에서 는 저류지E, 목표기간Ⅱ, 목표기간Ⅲ에서는 배수펌프D가 홍수저감을 위한 타당한 대안으로 판단되었다. 본 연구의 결과를 통해 기후변화 적응을 위한 치수사업 시 주요사례로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
핵심용어 : 기후변화 시나리오, 다차원 홍수피해산정법, 경제성 분석, 홍수저감 대안선정
Abstract
Recently, the frequency of extreme rainfall event has increased due to climate change and impermeable area also has increased due to rapid urbanization. Therefore, we ought to prepare countermeasures for flood reduction to reduce the damage.
To consider climate change, the frequency based rainfall was calculated according to the aimed period(reference : 1971∼
2010, Target period Ⅰ : 2011∼2040, Target period Ⅱ : 2041∼2070, Target period Ⅲ : 2071∼2100) and the flood discharge was also calculated by climate change using HEC-HMS model. Also, the flood elevation was calculated by each alternative through HEC-RAS model, setting 5 sizes of drainage pumps and reservoirs respectively. The flood map was constructed using topographical data and flood elevation, and the economic analysis was conducted for reduction of flood damage using Multi dimension – Flood Damage Analysis, MD-FDA. As a result of the analysis on the flood control effect, a head of drainage pump was reduced by 0.06m up to 0.44m while it was reduced by 0.01m up to 1.86m in the case of a detention pond. The flooded area shrunk by up to 32.64% from 0.3% and inundation depth also dropped. As a result of a comparison of the Benefit/Cost index estimated by the economic analysis, detention pond E in period Ⅰ and pump D in period Ⅱ and Ⅲ were deemed appropriate as an alternative for climate change. The results are expected to be used as good practices when implementing the flood control works considering climate change.
Key words : Climate change scenarios, Multi-Dimensional Flood Damage Analysis, Economic analysis, Selection of Flood reduction alternative
1. 서 론
최근 지구온난화로 인한 기후변화가 심화됨에 따라 이상 기후의 영향으로 인한 자연재해는 날로 증가하고 있다. 집 중호우 및 국지성 호우로 인한 홍수피해를 경감시키기 위 한 대안선정이 시급하다. 홍수저감 대안은 홍수방어 및 조 절대책의 특성에 따라 구조물적 대책과 비구조물적 대책으 로 구분할 수 있다. 구조물적 대책은 홍수터 내의 홍수의 움직임을 제한함으로써 홍수피해를 줄이는 노력들의 집합 적인 용어이다. 저수지와 지체구조물(retarding structures) 들은 첨두유량을 저류하고, 하도개선은 홍수의 통과능력을 증가시키며, 제방은 개발된 지역으로 홍수가 범람할 수 없 도록 한다. 그리고 비구조물적 대책은 기상 및 홍수의 예경 보 및 정보전파에 의해 사전에 대피시킴으로써 인명과 재 산피해를 방지하며 적극적인 수방활동으로 추가적인 피해 를 경감시킬 뿐 아니라 인명의 구조 및 응급구호와 홍수피 해조사에 의한 응급복구계획의 수립 및 집행 등의 대책을 포함하게 된다. 이들 구조물적 및 비구조물적 대책은 홍수 의 종합적이고 경제적인 관리를 위해 상호보완적인 관계를 가지고 적절히 연계되어야 최대의 홍수저감효과를 기대할 수 있다(국토교통부, 2004). 유엔 산하기구인 재해감소를 위한 국제전략기구(UNISDR)는 전 세계가 기후변화에 체 계적으로 대응하지 않으면 21세기에 자연재해로 인한 경제 적 손실이 최소 25조 달러에 달할 것이라 경고하였으며, 토 지와 주택 이용에 있어 극적인 변화가 없다면 매년 1억 1 천 600만명이 홍수로 인한 피해를 볼 것이라 전망하였다.
특히, 기후변화로 인한 극한 홍수, 돌발 홍수의 빈도가 증 가함에 따라 수해에 의한 피해가 가장 큰 비중을 차지하고 있어 이에 대한 대비가 시급하다. 국내⋅외 에서 기후변화 적응을 위한 기후변화 적용사례에 대해서 살펴보고, 홍수저 감 대안선정에 관한 선행연구에 대해서 살펴보면 다음과 같다.
국내 기후변화 적응을 위한 적용사례는 김병식 등(2008) 은 기후변화가 극한강우와 I-D-F 분석에 미치는 영향을 평가하였고, 경민수(2010)는 기후변화가 표준강수지수 및 확률강수량에 미치는 영향을 평가하였으며, 김웅태 등 (2004), 오세정(2004), 맹승진 등(2011)은 기후변화에 따른 유출 분석을 하는 등 기후변화가 수리⋅수문학적으로 미치 는 영향에 관한 연구가 진행되었다. 또한, 성장현 등(2012) 은 기후변화시나리오인 RCP4.5, 8.5를 이용하여 GEV 분 포를 통한 21세기 말 극한강수를 전망하였고, 김덕환 (2014)은 대표농도경로 시나리오를 이용하여 한반도의 확 률강우량을 분석하였으며, 김연수 등(2012)은 기후변화에 따른 섬진강 유역의 홍수량 및 홍수위 변화양상을 제시하 였다. 홍수저감 대안선정 및 대책에 관한 연구로는 안재황 등(2011)이 이상홍수에 따른 남한강 유역의 홍수저감대책 을 분석하였고, 이정호 등(2009)은 극한홍수 저감을 위한 대안으로 농경지의 저류지화 방안에 대하여 연구하였으며,
정재원 등(2014)는 인공습지를 홍수저감을 위한 대안으로 선정하여 홍수저감효과를 분석하였다. 또한, 강나래(2012) 는 기후변화에 적응할 수 있는 대안을 설정하고 대안의 치 수경제성 분석을 통해 기후변화에 적응할 수 있는 방안을 제시하였으며, 이충성(2007)은 다기준의사결정기법을 통하 여 홍수를 저감할 수 있는 대안들을 평가하고 최적대안을 결정하였다. 한편, 국외의 기후변화 적용사례를 살펴보면 Kay(2006)은 RCM을 이용하여 기후변화가 영국의 첨두 홍수량에 미치는 영향을 평가하였고, Booij(2004)은 기후변 화가 하천 홍수량에 미치는 영향에 대하여 연구하였으며, Quintana(2009)는 RCP을 대상으로 통계학적 축소기법, Quantile-Mapping, Method Anomaly 방법을 통해 분포 형 모형에 적용하여 유출을 모의하였다.
홍수저감 대안선정에 관한 연구로는 Tkach와 Simonvic (1997)가 GIS와 절충법을 연계한 공간의사결정 방안을 통 하여 홍수터 관리를 위한 대안선정을 연구하였고, Akter와 Simonvic (2002)이 홍수저감을 위한 홍수방어대안 분석, 집단의사결정에 계층화분석기법, 다속성효용기법을 적용한 바 있으며, Madagoudaki와 Taskiris(2005)는 유역에서의 최저 홍수저감대책을 선정하기 위해 PROMEHTEE를 적 용하여 대안을 선정하였다. 또한, Srdjevic(2007)은 홍수저 감 평가기준과 대안을 구성하는데 있어 효율적인 계층구조 결정을 위한 fuzzy이론을 적용한 AHP를 통해 대안을 비교 하였다. 이와 같이 국⋅내외에서는 기후변화 적용 및 홍수 저감 대안 선정에 관한 연구는 다방면으로 이뤄지고 있다.
하지만 하천 중심의 홍수저감 대안으로는 기존 하도홍수위 에서 벗어나 미래의 기후변화로 인한 홍수피해를 경감시키 기에는 부족한 면이 있으며, 단일 대안을 통한 평가만이 이 뤄지고 있다. 또한, 기후변화 적응을 위한 홍수저감 대안선 정에 관한 연구는 미비한 실정이다.
따라서 본 연구에서는 기후변화 적응을 위한 적정 홍수저 감 대안 선정을 통하여 미래 기후변화로 인한 홍수피해를 대 비하고 사회적⋅경제적으로 효과적인 적정 대안을 선정하고 자 한다. 기후변화를 고려하기 위하여 기상청에서 제공하는 RCP시나리오를 이용하였으며, 국토교통부(2004)에서 제시 한 다차원 홍수피해산정방법(Multi-Dimensional Flood Damage Analysis, MD-FDA)을 이용하여 목표기간별-대 안별 홍수피해액을 산정하였다. 또한, 목표기간별-대안별 경 제성분석을 실시하여 홍수저감효과와 경제적 타당성을 모두 고려한 적정 대안을 선정하고자 한다.
2. 기후변화 시나리오 및 경제성 분석
2.1 기후변화 시나리오
기후변화에 관한 정부 간 협의체(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)는 1988년 설립된 이후 5∼6년 주기로 기후변화 평가보고서를 발간하면서 꾸준히 인간 활 동에 의한 기후변화와 그 영향에 대한 과학적인 증거들을 제
시하고 기후변화 문제를 해결하기 위한 조치를 마련하였다.
IPCC의 주요 작업 중의 하나는 온실가스 배출 또는 농도 시 나리오에 따른 잠재적인 미래 기후변화 시나리오를 개발하 고 기후변화 대응 전략을 평가하는 것이다.
2.1.1 기후변화의 정의
IPCC에 의하면 기후변화(Climate Change)는 기후상태의 변화가 기후 특성의 평균이나 변동성의 변화를 통계분석을 통해 확인되고 보통 수십년 이상 장기간 지속되는 기후상 태 변화를 의미한다. 또한, 기후변화에 관한 국제연합기본 협약(United Nations Framework Convention on Climate Change, UNFCC)에서는 전 지구 대기의 조성을 변화시키
는 인간의 활동이 직접적 또는 간접적으로 원인이 되어 일 어나고, 충분한 기간 동안 관측된 자연적인 기후변동성 (Climate Variability)에 추가하여 일어나는 기후의 변화로 정의 한다(기상청, 2007).
2.1.2 대표농도경로 4리오
IPCC 제5차 기후변화 평가보고서에서는 국제적인 온실가 스 시나리오인 대표농도경로(Representative Concentration Pathways, RCP)를 선정하였다. 대표농도경로의 “대표 (Representative)”라는 표현은 하나의 대표적인 복사강제력 에 대해 사회, 경제 시나리오는 여러가지가 될 수 있다는 의 미를 드러내고 있으며, “경로(Pathways)”라는 표현은 온실
(a) Sequential approach (b) Parallel approach
Fig. 1. Approaches to the development of global scenarios(Moss et al, 2008).
Table 1. RCP and SRES scenarios (KMA, 2011)
Scenarios RCP Scenarios SRES Scenarios
2.6 4.5 6.0 8.5 B1 A1B A2
(ppm) 420 540 670 940 550 720 830Current
concentration in Korea : about 400ppm(as of 2010)Fig. 2. Radiative forcing and emissions (Moss et al, 2010).
가스 배출 농도의 시간에 따른 변화를 강조하고 있다(Moss et al, 2008). 기존의 제 4차 기후변화 평가보고서에서 제시 된 SERS 시나리오와 비교하여 Fig. 1과 같이 기후변화 산출 방법을 나타내었다.
RCP 시나리오는 국제적인 온실가스 감축 노력 여부에 따라 지구가 회복력을 가질 수 있는 최대 한계값인 RCP 2.6, 온실가스저감 정책이 실현됨을 가정하는 RCP 4.5와 RCP 6.0, 저감 노력 없이 현재 추세로 온실가스가 배출되 는 경우를 RCP 8.5로 구성되어있다. 또한, 구성된 숫자는 복사강제력(W/㎡)으로 에너지의 평형을 변화시키는 영향 력의 정도를 의미하고, 태양복사량의 약 3.6％, 2.5％, 1.
9％, 1.1％에 해당된다. RCP 시나리오는 최근 온실가스농 도 변화경향을 반영하였고 최근 예측 모델에 맞게 해상도 도 기존의 시나리오 보다 더 상세해 졌다. IPCC에서 발간 한 제 4차 보고서에서 제시되었던 SRES 시나리오와 제 5 차 보고서에서 제시된 RCP 시나리오의 기준 ppm의 변화 는 Table 1에 나타냈으며, Fig. 2는 RCP 시나리오별 복사 강제력 및 이산화탄소 농도 변화량을 나타내었다.
2.2 홍수량 산정방법 및 다차원 홍수피해산정법 본 연구에서는 목표기간별로(Reference : 1971∼2010년, 목표기간Ⅰ : 2011∼2040년, 목표기간Ⅱ : 2041∼2070년, 목표기간Ⅲ : 2071∼2100년) HEC-HMS를 이용하여 경 안천 유역의 홍수량을, HEC-RAS를 통하여 홍수위를 산 정하였다. 지형자료 및 홍수위를 이용하여 홍수범람도를 도 시하였으며, 다차원 홍수피해액산정법(Multi dimension – Flood Damage Analysis ,MD-FDA)을 이용하여 홍수피해 저감을 위한 대안별 경제성분석을 실시하였다.
2.2.1 홍수량 산정방법
본 연구에서는 대상유역으로 경안천 유역을 선정하였으 며, 대상유역에 영향을 미치는 기상청 산하 기상관측소 중
Fig. 3. Meteorological station of Gyeongan watershed.
관측 기상자료에 대한 통계적 유의성 확보를 위해 30년 이 상의 자료를 보유하고 있는 서울, 수원, 양평, 이천 기상관 측소의 강우자료를 이용하여 빈도해석을 수행하였다(FIg.
3). 기후변화 시나리오자료의 경우 과소 추정되는 경향이 있어 편의보정(Quantile Mapping)실시 후, 이상치 제거를 위한 상자그림(Box-plot)방법을 사용한 자료를 사용하였 다. Fig. 4는 본 연구에서 사용된 년도 별 최대강우량 값을
Fig. 4. Annual maximum rainfall using RCP scenarios.
그래프로 나타내었고, Table 2는 관측소별 확률강우량을 산정하였다. 기후변화에 따른 관측소별 100년빈도 지속시 간 24시간 확률강우량을 산정한 결과 서울 기상관측소의 목표기간Ⅰ을 제외한 나머지 관측소의 확률강우량은 증가 하는 추세를 확인할 수 있었다. 또한, 기후변화로 인해 확 률강우량이 최소 4.7mm증가하였으며 최대 175.9mm증가 하는 것을 확인할 수 있었다.
대표적 강우-유출분석 모형인 HEC-HMS모형에 적용하 여 목표기간별 기후변화에 따른 홍수량을 도출하였고, HEC-RAS모형을 이용하여 홍수위를 산정하였다.
2.2.2 다차원 홍수피해산정법
침수심을 고려한 다차원 홍수피해산정방법(MD-FDA;
Multi-Dimensional Flood Damage Analysis)은 범람지역 내의 피해자산을 구하여 침수심에 맞는 피해율을 곱해서 직접피해를 산정하는 방법이다. 직접피해액 항목은 크게 인 명피해액, 건물 피해액, 건물내용물 피해액, 농경지 피해액, 농작물 피해액, 사업소 유형⋅재고자산 피해액, 공공시설 피해액의 7가지로 분류되며, 이중 인명피해액과 공공시설 피해액을 제외한 5가지 피해액은 일반자산의 평가액을 근 거로 산정한다(국토교통부, 2004).
MD-FDA를 이용한 홍수피해액 산정 방법 및 절차는 Fig. 5와 같다. 행정구역 단위의 자산가치를 분석하기위해 직접피해액 항목인 주거지역, 농업지역, 산업지역의 지역적
특성에 따른 일반자산 항목별 자산가치를 산정한다. 다음으 로 침수심 및 침수면적을 고려하여 침수구역도를 작성한 후 공간분포 합성을 통하여 침수편입율을 산정한다. 마지막 으로 일반자산의 침수심별 피해율을 산정하여 일반자산의 자산가치에 침수편일율과 침수피해율을 곱하여 일반자산 피해액을 산정한다. 여기서, 공공시설물 피해액은 산정된 일반자산 피해액에 일정 비율을 곱하여 산정하고, 인명 피 해액은 기존의 개선법과 같은 방법으로 산정한다. 또한, 총 피해액은 앞에서 산정한 일반자산 피해액과 공공시설물 피 해액, 인명 피해액을 합산하여 직적피해액을 산정하고 간접 피해액을 더하여 산정한다.
3. 적용 및 모의 결과
3.1 대상 유역
경안천 유역은 북위 37°9′43″~ 37°29′24″, 동경 127°8′4″~ 127°26′56″에 걸쳐 경기도 용인시 문수 봉 남서쪽의 용해곡 상봉(EL.410m)에서 발원하여 용인시 중심부를 북쪽으로 관통하여 흐르다 양지천, 금어천, 오산 천, 목현천, 곤지암천, 노곡천, 번천 및 우산천 등이 국가하 천인 한강으로 합류하여 서하리에서 한강수계인 팔당호로 유입된다. 또한, 유로연장 49.3km, 유역면적 575.32km2인 국가하천이며, 하구에는 팔당댐이 위치하고 있어 하구에서 Station (100yrs, 24hr) Reference Target PeriodⅠ Target PeriodⅡ Target PeriodⅢ
Seoul 383.9 360.1 388.6 406.9
Suwon 268.6 321.2 357.8 386.3
Yangpyeong 299.7 336.3 475.6 455.6
Icheon 258.9 269.8 358.3 375.5
Table 2. Frequency based rainfall considering climate change in Gyeongan watershed(Unit : mm)
Fig. 5. Procedure of MD-FDA.
서하보 구간은 배수영향을 받아 팔당호 상수원보호구역으 로 지정되어 있다(Fig. 6).
경안천 유역은 지리적 특성으로 인해 최근 급속도로 도시 화가 진행되고 있는 하천으로 지역주민들의 하천 활용도가 증가되고 있으며, 광주시가지 구간을 중심으로 고수부지에 친수공간 및 생태습지 등이 집중적으로 개발되어 있는 실 정이다. 또한 수도권의 대표적인 상수원수를 공급하는 팔당 호의 한 지류로서 하천수의 수질오염 관리에 있어서도 중 요한 유역으로 경안천 전 구간이 수변구역으로 지정되었다.
경안천유역의 수변구역에 대한 토지이용변화를 살펴보면 산림지역과 농경지 면적은 감소하였으며, 시가화조건지역 의 경우 증가였다. 즉, 수변구역 전체적으로 보면 토지이용 변화는 농경지 지역에서 주거지역, 상업⋅업무지 및 공업 시설 등으로 변화되었다. 이는 하천 및 수변구역 관리에 있 어서 불투수면적 증가, 점오염원 및 비점오염원의 증가 등 으로 인해 하천 및 수변구역에 있어서 홍수 및 하천 수질오 염의 위험성이 증대된 것을 의미한다. 따라서 이에 따른 치 수, 이수, 환경, 수질적 측면의 중요성이 높아 하천환경의 전반적인 개선을 위한 계획을 수립하는 하천관리청과 유지⋅
관리를 수행하는 지자체의 원활한 협조로 노력이 필요한 하천이라 할 수 있다(국토교통부, 2011).
3.2 피해현황 및 대안 설정 3.2.1 홍수피해 현황
우리나라는 매년 여름철인 6∼9월중에 연강수량의 2/3에 해당하는 호우가 집중되고 있으며, 동고서저의 지형적 특성 을 갖고 있어 단기간의 호우에도 홍수가 발생하여 매년 많 은 재산과 인명피해가 일어나고 있다. 경안천 유역은 최근 산업발달과 함께 도시화, 공업화가 급속히 진행되어 생활수 준이 향상되고 토지이용의 극대화, 인구의 과밀과, 엘리뇨 등 이상기상 현상 등으로 인하여 과거의 동일규모 홍수에 도 그 피해 양상은 대형화, 다양화되어 가는 경향을 보이고 있으며, 특히 경안천은 도시형 하천의 침수 피해 형태를 나 타내면서 홍수피해시 재산 및 인명피해가 큰 것으로 조사 되었다. 경안천 본류는 광주시의 도심지 구간을 따라 유하 하기에 본류의 수위에 영향을 받는 도심지 구간의 내수침 수 피해를 가져왔으며, 제방을 따라 발달한 저지대 농경지 및 일부 무제부 구간의 침수피해를 발생시킨 것으로 조사 되었다.
최근 경안천 유역의 홍수피해현황을 조사하기 위하여 경 안천 유역의 행정구역인 경기도 용인시와 경기도 광주시의 통계연보를 통하여 7년간의 피해현황을 조사한 결과 광주
(a) Satellite photograph (b) Stream line
Fig. 6. Satellite photograph and stream line in Gyeongan watershed.
시, 용인시의 최근 7년간 평균 피해내용은 이재민 24명, 인 명피해 1명, 건물피해 353백만원, 농경지피해 822백만원, 공공시설피해 8,542백만원 등 연간 평균 9,235백만원의 피 해를 입은 것으로 조사되었다. 또한, 경안천유역은 대부분 공공시설물피해로 인한 피해액이 가장크며, 가장 큰 피해가 발생한 해는 2011년 집중호우로 인한 피해로 이는 연평균 피해액보다 4배가 넘는 44,701백만원으로 조사되었다.
3.2.2 홍수저감 대안 설정
본 연구에서는 기후변화 적응 적정 홍수저감 대안을 선정 하기 위하여 경안천 유역의 적합한 홍수저감시설물인 배수 펌프와 저류지를 대안으로 설정하였다.
배수펌프는 상습침수지역이나 소유역의 출구로 우수를 집 수하여 내수침수가 발생하지 않도록 외수위에 따라 자연배 제 시키거나 빗물펌프를 이용하여 강제 배제시키는 홍수조 절 시설이다. 경안천은 급격한 도시화로 인하여 내수침수발 생으로 인명 피해 및 공공시설물의 피해가 증가하고 있다.
따라서, 내수배제 취약지구의 침수문제를 해결할 필요가 있 으며, 내수와 외수를 고려한 홍수조절이 가능하고 첨두홍수 위 저감에 효과적인 배수펌프를 대안으로 설정하였다.
저류지는 하천 또는 수로에 접하여 제방의 일부를 낮추거 나 고부보등을 설치하여 하도의 수위를 제한된 수위 이하 로 낮추기 위한 시설물로 경안천 유역에 빈번하게 발생하 는 홍수피해의 원인이 대부분 하천범람으로서 홍수취약지 점에 설치하여 홍수조절효과를 크고 신속하게 효과를 누릴 수 있을 뿐만 아니라 침수취약지역을 해소하는 동시에 치 수안전성을 제고할 수 있다. 또한, 자연하천유역의 경우 설 치대상 가능지가 비교적 많은 편이며, 설치된 저류지공간은 평소에 농경지, 운동장으로 활용할 수 있고, 국가에서 매입 하여 공원이나 생태습지 등 다목적으로 활용할 수 있다.
Table 3은 홍수저감 대안으로 설정한 배수펌프 대안별 규 모를 나타내고 있으며, Table 4는 홍수저감 대안으로 설정 한 저류지의 대안별 규모를 나타내고 있다.
홍수저감 대안의 입지를 결정하기 위하여 내수침수를 고 려하려 Fig. 7과 같이 경안천 하천정비기본계획 수립시 구 축된 하천단면의 우안과 좌안의 배수펌프를 설계하였다. 또 한, 저류지의 입지를 결정하기 위하여 해당 구간을 위성사 진을 통해 저류지 준설 시 부지가 확보되는지를 검토하였 으며, Fig. 8과 같이 하천단면의 우안을 저류지 준설 위치 로 선정하였다.
Alternatives Pump Capacity Discharge Construction costs
(million won)
Drainage pump A ɸ 500mm × 2 33.5 ㎥/min 1,248
Drainage pump B ɸ 600mm × 2 38.3 ㎥/min 1,427
Drainage pump C ɸ 700mm × 2 42.7 ㎥/min 1,554
Drainage pump D ɸ 800mm × 2 51.3 ㎥/min 1,911
Drainage pump E ɸ 900mm × 2 64.3 ㎥/min 2,294
Table 4. Reservoir scale of each alternative
Alternative Area (㎡) Water depth (m) Discharge (㎥) Construction costs
(million won)
Reservoir A 105,579 2.5 263,948 2,968
Reservoir B 105,579 3 316,737 3,562
Reservoir C 105,579 3.5 369,527 4,155
Reservoir D 105,579 4 422,316 4,749
Reservoir E 105,579 4.5 475,106 5,343
Fig. 7. Optimal location of drainage pumps. Fig. 8. Optimal location of reservoir.
Table 3. Drainage pump scale of each alternative
3.3 기후변화를 고려한 홍수량 및 홍수위 산정 경안천 유역의 기후변화에 따른 홍수량을 산정하기 위하 여 앞서 산정한 목표기간별 확률강우량을 이용하여 대표적 강우-유출분석 모형인 HEC-HMS모형에 적용하여 기후변 화에 따른 홍수량을 Table 5와 같이 산정하였다. 기후변화 에 따른 홍수량을 산정한 결과 미래의 홍수량이 점점 증가 하는 것으로 확인 되었고, 홍수량은 최소 19.51% 증가하였 으며 최대 59.11% 증가하는 것으로 확인 되었다.
본 논문에서는 기후변화에 따른 목표기간별-대안별 홍수 위 저감효과를 분석하기 위하여 RCP8.5 시나리오에 따른 목표기간별 홍수량을 사용하여 목표기간별-대안별 홍수위 를 분석하였다.
경안천 국가하천 구간인 용인시 모현면과 광주시 오포읍 의 경계면부터 팔당호 합류점 까지 약 22.5km에 해당하는 하도 구간을 HEC-RAS모형을 이용하여 분석하였다. 홍수 위 분석을 위해서 경안천 하천정비기본계획 수립시 구축된 하천단면자료를 이용하였으며, 기존에 구축된 단면간의 거
리, 단면의 수축 및 확장계수, 하천단면의 위치와 하상고, 횡단면 좌표, Manning의 조도계수, 보와 교랑 등의 구조물 에 홍수저감 대안으로 설정한 배수펌프와 저류지를 Fig. 9 와 같이 추가 구축하여 홍수위를 분석하였다.
Table 6은 기후변화에 따른 목표기간별- 대안별 홍수 저감효과를 분석한 결과이다. 기후변화에 따른 목표기간 별-대안별 홍수위 저감효과를 분석한 결과 배수펌프는 최 소 0.06m, 최대 0.44m의 저감효과를 확인할 수 있었으며, 저류지는 최소 0.01m, 최대 1.86m의 저감효과를 확인할 수 있었다. 목표기간별-대안별 침수면적을 산정하기 위하 여 홍수범람도를 작성하였다. 홍수범람도 작성을 위하여 하천단면에 해당하는 홍수위의 결과값을 목표기간별-대 안별로 입력하였으며, 보간법에 의한 값이 전체적으로 산 정될 수 있도록 TIN파일을 생성하였다. 침수유무를 판단 하기 위하여 지형의 고도를 고려하였으며, 경안천 유역의 DEM자료의 고도 값보다 큰 홍수위 값을 갖는 부분만 GIS상에 도시하여 침수면적을 산정하였다. 침수면적 저감
Classification Reference Target PeriodⅠ Target PeriodⅡ Target PeriodⅢ
Discharge 2204.1 2634.2 3400.4 3506.9
Discharge increment - 430.1 1196.3 1302.8
Discharge Ratio of Increment (%) - 19.51% 54.28% 59.11%
(a) Stream cross-section (b) Construct drainage pumps (c) Construct a reservoir
Fig. 9. Construct drainage pumps and reservoir.
Table 5. Discharge of periods under climate change scenarios (Unit∶
3/
)
효과를 분석한 결과 평균 침수면적으로는 4,604,052.53㎡, 평균 침수저감 면적으로는 429,895.13㎡ 감소하였다.
3.4 경제성 분석을 통한 최적 대안 선정
침수심과 침수면적을 고려한 다차원홍수피해액산정법을 이용하여 홍수 범람지역내의 피해자산을 구하여 침수심 및 침수면적에 맞는 피해율을 곱해서 직접피해를 산정하는 방 법으로 본 유역의 목표기간에 따른 대안별 홍수피해액을 산정하였다. 직적피해액 항목은 크게 주거자산피해액, 산업 자산피해액, 농업자산피해액, 일반자산피해액, 인적피해액, 공공시설물피해액으로 나누어 피해액을 산정하였다. 이중 인명피해액과 공공시설 피해액을 제외한 피해액은 일반자 산항목의 평가액을 근거로 산정하였으며, 일반자산항목의 평가액은 주거자산, 농업자산, 산업자산으로 분류하여 자산
분석 방법을 통하여 산정하였다. 또한 수해 후 같은 장소에 서 다시 생활을 시작하기 위해서 사람들은 가옥이나 가재 등을 재조달 하는 경우가 많기 때문에 실제로 사람들이 지 출하는 피해액에 가까운 재조달 가격 또는 복구비를 근거 로 직접적인 피해액을 산정하는 것을 기본으로 하였다.
침수된 행정구역별 자산가치와 중첩분석을 통해 산정한 침 수편입율, 침수심별 피해율을 이용하여 빈도별 피해액을 산 정하였다. 인명피해액은 홍수로 인한 사망⋅부상을 나타내 는 인명피해와 침수로 인해 대피한 이재민피해로 나눌 수 있 다. 인명피해의 경우 과거 홍수피해 실적자료로부터 침수면 적당 피해인명수를 도출한 후 별도로 측정된 인명가치를 곱 하여 산정하였으며, 이재민의 경우 해당지역 인구에 주거지 역 침수편입율을 적용하여 이재민수를 구한 후, 평균 대피일 수에 해당하는 국민소득을 적용하여 산정하였다. 공공시설물 Periods Alternatives Average
Water level (m)
Maximum Water level (m)
Minimum
Water level (m) Flood Area (㎡) Decrease of flood area (㎡)
Target PeriodⅠ
Drainage Pump
A 0.02 0.15 0.06 4,415,362 73,133
B 0.02 0.22 0.09 4,390,496 97,999
C 0.03 0.29 0.11 4,366,111 122,384
D 0.04 0.36 0.14 4,351,163 137,332
E 0.04 0.44 0.17 4,334,176 154,319
Reservoir
A 0.27 0.53 0.01 3,867,519 620,976
B 0.48 0.95 0.01 3,847,483 641,012
C 0.69 1.33 0.01 3,605,256 883,239
D 0.91 1.73 0.01 3,342,484 1,146,011
E 1.13 2.16 0.01 3,023,670 1,464,825
Target PeriodⅡ
Drainage Pump
A 0.01 0.13 0.06 5,250,279 16,557
B 0.02 0.19 0.09 5,241,119 25,717
C 0.03 0.26 0.12 5,231,116 35,720
D 0.03 0.32 0.15 5,216,645 50,191
E 0.04 0.39 0.18 5,206,202 60,634
Reservoir
A 0.25 0.48 0.01 5,058,546 20,8290
B 0.44 0.84 0.01 4,823,548 44,3288
C 0.62 1.19 0.01 4,587,207 67,9629
D 0.81 1.54 0.01 4,255,915 1,010,921
E 1.00 1.9 0.01 3,995,140 1,271,696
Target PeriodⅢ
Drainage Pump
A 0.01 0.13 0.06 5,330,327 16,185
B 0.02 0.19 0.09 5,318,714 27,798
C 0.03 0.25 0.12 5,308,183 38,329
D 0.03 0.32 0.15 5,303,387 43,125
E 0.04 0.38 0.18 5,289,597 56,915
Reservoir
A 0.25 0.47 0.01 5,109,328 237,184
B 0.45 0.83 0.01 4,909,691 436,821
C 0.62 1.16 0.01 4,690,792 655,720
D 0.80 1.51 0.01 4,349,923 996,589
E 0.99 1.86 0.01 4,102,197 1,244,315
Average 4,604,052.53 429,895.13
Table 6. Flood reduction effect of each alternative
피해액은 일반자산 피해액에 국토부에서 제시하고 있는 1.694를 곱하여 산정하였다. Table 7은 기후변화를 적응 하기 위해 홍수저감 대안으로 저류지 준설을 통한 목표기 간별-대안별 홍수피해액을 나타냈으며, Table 8는 배수펌 프 설계에 따른 목표기간별-대안별 홍수피해액을 나타내 고 있다.
기후변화 적응을 위한 적정 홍수저감 대안을 선정하기 위 하여 편익⋅비용비(benefit-cost ratio, B/C)를 사용하였다.
편익⋅비용비는 경제적 능률성의 척도로 가장 널리 이용되 고 있는 방법으로 대안의 편익과 이를 수행하는데 드닌 비 용을 종합 검토함으로써 그 대안이 갖는 경제성을 평가하 는 것으로 대안에 투입되는 비용의 효율성을 알 수 있다.
Table 7. Estimation of Flood damage considering drainage pumps (unit : million won)
Periods Classification Drainage Pumps
A B C D E
Target PeriodⅠ
Residential 96,507 96,040 95,037 94,299 93,572
Industrial 829,221 827,806 827,871 827,695 827,669
Agricultural 167 166 164 163 162
Pearson 2,571 2,586 2,582 2,534 3,606
Infrastructure 1,568,466 1,565,275 1,563,685 1,562,134 1,404,474
Summation 2,496,933 2,491,872 2,489,339 2,486,824 2,329,484
Target PeriodⅡ
Residential 116,564 116,042 115,272 114,393 113,669
Industrial 913,482 913,097 913,170 912,958 912,360
Agricultural 212 211 211 209 209
Pearson 3,411 3,588 3,551 3,484 3,513
Infrastructure 1,745,258 1,743,720 1,742,538 1,577,197 1,575,063
Summation 2,778,928 2,776,659 2,774,742 2,608,242 2,604,814
Target PeriodⅢ
Residential 118,272 117,330 116,570 115,845 114,855
Industrial 917,269 917,074 914,605 914,695 913,866
Agricultural 218 217 216 215 214
Pearson 3,587 3,574 3,559 3,508 3,691
Infrastructure 1,754,576 1,752,647 1,747,176 1,581,724 1,578,643
Summation 2,793,922 2,790,842 2,782,125 2,615,986 2,611,269
Table 8. Estimation of Flood damage considering reservoirs (unit : million won)
Periods Classification Reservoirs
A B C D E
Target PeriodⅠ
Residential 88,752 84,540 79,496 73,326 68,752
Industrial 797,230 777,511 751,944 727,744 697,230
Agricultural 138 136 122 102 83
Pearson 2,346 2,268 2,270 2,020 1,860
Infrastructure 1,501,088 1,460,545 1,408,666 1,357,185 1,297,713
Summation 2,389,553 2,325,000 2,242,497 2,160,377 2,065,637
Target PeriodⅡ
Residential 108,801 102,297 96,709 91,738 86,299
Industrial 890,833 857,048 834,566 817,985 799,613
Agricultural 198 184 156 156 142
Pearson 3,142 3,031 2,588 2,588 2,350
Infrastructure 1,693,715 1,625,443 1,577,844 1,541,335 1,500,976
Summation 2,696,689 2,588,004 2,511,863 2,453,802 2,389,380
Target PeriodⅢ
Residential 111,714 103,167 98,456 98,597 87,543
Industrial 896,249 871,722 842,866 843,597 806,529
Agricultural 203 189 163 176 148
Pearson 3,342 3,046 2,637 2,638 2,350
Infrastructure 1,707,833 1,651,781 1,594,875 1,596,376 1,514,810
Summation 2,719,340 2,629,904 2,538,997 2,541,384 2,411,380
편익⋅비용비를 이용하여 대안의 경제성을 평가할 때, 여 러 대안을 비교하는 경우는 지수를 비교하여 가장 큰 지수 를 가진 대안을 선택하여야 한다. 편익⋅비용비를 통한 경 제성 분석 결과는 Table 9와 같다.
4. 요약 및 결론
전 세계적으로 기후변화로 인해 자연재난의 대형화⋅다 양화⋅집중화 현상이 일어나고 있으며 이로 인한 사회⋅경 제적 피해가 속출하고 있다. 자연재난의 발생 빈도와 피해 규모는 지속적으로 증가하고 있고, 우리나라는 피해의 90%이상이 수해⋅풍해⋅설해에 의해 발생하고 있다. 특 히, 기후변화로 인한 극한 홍수, 돌발 홍수의 빈도가 증가 함에 따라 수해에 의한 피해가 가장 큰 비중을 차지하고 있 어 이에 대한 대비가 시급하다. 따라서 본 연구에서는 기후 변화로 인해 증가하는 홍수피해액을 정량적으로 분석하고 구조물적 홍수저감대안을 설정하여 대안 설정 전⋅후에 대
한 홍수저감효과 분석 및 홍수피해경감액을 산정하였으며, 경제성분석을 통해 기후변화 적응을 위한 적정 홍수저감 대안을 선정하였다.
먼저 기후변화로 인한 홍수피해의 증가를 확인하기 위하 여 대표농도경로 시나리오인 RCP8.5 시나리오를 이용하여 관측소별 목표기간별 확률강우량을 산정한 결과 목표기간 별로 증가하는 것을 확인할 수 있었으며, 최소 4.7mm, 최 대 175.9mm증가 하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 확률 강우량 증가로 인해 홍수량 증가량을 살펴본 결과 최소 9.51% 증가하였으며, 최대 59.11% 증가하였다.
기후변화 적응을 위한 홍수저감 대안으로 배수펌프, 저류 지 별로 각각5개의 대안을 설정한 뒤 목표기간별-대안별 홍수위와 침수면적을 분석한 결과 배수펌프는 최소 0.06m, 최대 0.44m의 저감효과를 확인할 수 있었으며, 저류지는 최소 0.01m, 최대 1.86m의 저감효과를 확인할 수 있었다.
또한 침수면적은 최소 0.3%, 최대 32.64% 감소하였다.
기후변화적응을 위한 적정 홍수저감 대안을 선정하기 위
Table 9. Economic analysis of each alternative
Periods Alternatives Benefit Cost B / C
Target PeriodⅠ
Drainage Pump
A 5,506 1,248 4.41
B 10,566 1,427 7.40
C 13,100 1,554 8.43
D 15,614 1,911 8.17
E 172,955 2,294 75.39
Reservoir
A 112,885 2,968 38.03
B 177,439 3,562 49.81
C 259,941 4,155 62.56
D 342,062 4,749 72.03
E 436,801 5,343 81.75
Target PeriodⅡ
Drainage Pump
A 10,664 1,248 8.54
B 12,933 1,427 9.06
C 14,849 1,554 9.56
D 181,350 1,911 94.90
E 184,778 2,294 80.55
Reservoir
A 92,903 2,968 31.30
B 201,588 3,562 56.59
C 277,728 4,155 66.84
D 335,790 4,749 70.71
E 400,212 5,343 74.90
Target PeriodⅢ
Drainage Pump
A 8,668 1,248 6.95
B 11,748 1,427 8.23
C 20,466 1,554 13.17
D 186,604 1,911 97.65
E 191,321 2,294 83.40
Reservoir
A 83,250 2,968 28.05
B 172,686 3,562 48.48
C 263,594 4,155 63.44
D 261,206 4,749 55.00
E 391,210 5,343 73.22
하여 목표기간별-대안별 홍수피해액산정을 통해 홍수피해 경감액을 분석하여 경제성분석을 실시하여 대안별 B/C지 수를 비교한 결과 목표기간Ⅰ에서는 저류지E, 목표기간Ⅱ, 목표기간Ⅲ에서는 배수펌프D가 기후변화에 적응할 수 있 는 대안으로 적정하다고 판단되었다.
본 연구의 결과를 통해 기후변화를 적응 할 수 있는 홍수 저감 대안별 홍수저감효과 뿐만 아니라, 경제성분석을 통한 대안별 경제적 타당성을 확인함으로써 이를 바탕으로 향후 기후변화를 대비한 치수사업 시 중요한 사례로서 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부 물관리사업의 연구비지원(14AWMP- B082564-01)에 의해 수행되었습니다.
References
Ahn, JH, Yi, JE, Choi, CW(2011), Flood Mitigation Analysis for Abnormal Flood at the South Han River Basin,
J. of the Korean Society of Hazard Mitigation,
11(5), pp. 265~272.[Korean Literature]
Akter, T., and S.p. Simonovic(2002), Scientific Method:
Optimizing Applied Research Decisions,
New York: John Wiley&sons, Inc
Boij, M. J.(2004). Impact of climate change on river flooding assessed with different model complexities,
J. of Hydrology,
Vol.303, Issues1-4, pp.176-198.Jung, JW, Kim, YS, Hong, SJ, Kwon, HS, Kim, JW, Kim, HS(2014), Effectiveness Analysis of Artificial Wetland for Flood Reduction,
J. of the Korean Society of Hazard Mitigation,
14(4), pp. 369~378. [Korean Literature]Kang, NR(2012), Flood Runoff and Flood Damage Reduction Analysis in an Urban Drainage System Under Climate Chang, Master’s Thesis, INHA University. [Korean Literature]
Key, A. L., Reynard, N.S., Jones, R.G. (2006) RCM rainfall for UK flood frequency estimation. I. Method and validation,
j. of Hydrology,
Vol.318, Issues14, pp.151-162.Kim, BS, Kim BK, Kyung, MS, Kim, HS(2008), Impact Assessment of Climate Change on Extreme Rainfall and I-D-F Analysis,
J. of Korea Water Resources Association
, 41(4), pp. 379~394. [Korean Literature]Kim, DH(2014), Rainfall Frequency Analysis Using RCP Scenarios in the Korean Peninsula, Master’s Thesis, INHA University.
Kim, UT, Lee, DR, Yoo, CS(2004), Effects of Climate Change on the Streamflow for the Daechung Dam Watershed,
J. of Korea Water Resources Association,
37(4), pp. 305~314.[Korean Literature]
Kyoung, MS(2010), Assessment of Climate Change Effect on Standardized Precipitation Index and Frequency Based Precipitation, Ph.D. Dissertation, INHA University.
[Korean Literature]
Kim, YS, Kim, SJ, Kwak, JW, Kim HS(2012), Estimation of Frequency Based Snowfall Depth Considering Climate Change,
Water Resources Association Conference,
Water Resources Association, pp.196. [Korean Literature]Lee, CS(2007), Decision Making Model for Most Preferable Alternative inBasin-wide Flood Damage Reduction Planning, Ph.D. Dissertation, INHA University. [Korean Literature]
Lee, JH, Jun, YJ, A, JH, K, TW(2009), A Method for Selecting a Structural Optimal Flood Mitigation Plan Using Analytic Hierarchy Process,
J. of the Korean Society of Hazard Mitigation,
9(3), pp. 117~126. [Korean Literature]Madahoudaki, R. and M. Tsakiris(2005), Flood Mitigation Planning using PROMEHTEE, European Water, 2005 E,
W. Publication,
Vol9, No.10, pp.51-58Maeng. SJ, Jeong, JH, Kim. HS, Mad, AM, Hwang, MH(2015), Runoff Analysis Using Precipitation by Climate Change Scenario And Observed Precipitation,
Korean Review of Crisis &Emergency Management,
11(2), pp. 241~259.[Korean Literature]
Ministry of Land, Infrastructure and Transport (2004), A Study on the economic Analysis in Flood Control Projects.
Moss, R. H., Edmonds, J. A., Hibbard, K. A., Manning, M. R., Rose, S. K., Van Vuuren, D. P., ... &Wilbanks, T. J. (2010).
The next generation of scenarios for climate change research and assessment,
Nature,
463(7282), 747-756.Oh, SJ(2004), Analysis of flood Runoff Variation in River Basin due to Climate Change, Master’s Thesis, KOREA University. [Korean Literature]
Quintana SeguA P., Ribes, A. Martin, E., Habets, F., boe, J.(2009) Comparison of three downscaling methods in simulating the impact of climate change on the hydrology of mediterranean basin,
j. of Hydrology,
In Press.Srdjevic, B. and Medeiros, Y.D.P(2008), Fuzzy AHP Assessment of Water Management Plans.
Water Resource Management,
Vol.22, No.7, pp.877-894Sung, JH, Kang, HS, Park SH, Cho, CH, Bae, DH, Kim, YO(2012), Projection of Extreme Precipitation at the end of 21st Century over South Korea based onRepresentative Concentration Pathways (RCP),
Korean Meteorological Society,
22(2), pp. 221-231. [Korean Literature]Tkach, R.J., and S. Simonovic(1997). A new approach to multi-criteria decision making in water resources,
