Issue
04
1. 머리말
『수해 경감을 위한 맞춤형 홍수재해 평가 및 예 측기술 개발』은 국토교통부와 국토교통과학기술진 흥원에서 지원하는 2014년 물관리연구사업의 일환 인 『국토관측센서 기반 광역 및 지역 수재해 감시·
평가·예측 기술 개발 연구단』에 3세부 과제로 속 해 있다. 2014년 7월부터 2019년 3월까지 총 4년 9 개월의 연구기간 동안 X-Net 등 SRA(Satellite, Radar, AWS)로부터 얻을 수 있는 다양한 공간해상 도의 강우자료와 상세 공간정보를 이용한 홍수해석 기법을 개발하고 이를 이용, 지역별 홍수위험도를 정의하고 지역 맞춤형 홍수대안 수립 및 설계 최적 화 기법 개발을 목표로 하는 연구이다.
2. 연구의 필요성
우리나라는 지형과 해안선이 복잡하고 북한의 기 상 자료 부재로 정보가 섬처럼 고립되어 있어서 원 격탐사 자료가 매우 중요하다. 홍수재해에 대비하 여, 위성활용 선도국인 미국 및 일본 등은 위성영상 을 활용하여 수자원 관리정보를 제공하거나, 도시 홍수 예ㆍ경보 시스템 개발 및 홍수 분석 시스템 개 발 등을 수행 중에 있다. 그러나 이러한 글로벌 공 간규모의 관측장비와 함께 동시에 요구되는 것이 바
국토교통부 물관리연구사업 수해 경감을 위한 맞춤형 홍수재해 평가 및 예측기술 개발
손 광 익 ●●●
영남대학교 건설시스템공학과 교수 [email protected]
김 경 탁 ●●●
세부 공동연구책임자
한국건설기술연구원 수자원연구실 [email protected]
한 건 연 ●●●
세부 공동연구책임자 경북대학교 건축토목공학부 [email protected]
정 관 수 ●●●
세부 공동연구책임자 충남대학교 토목공학과 [email protected]
서 용 원 ●●●
영남대학교 건설시스템공학과 교수 참여연구원
로 상세 공간 규모의 강우관측 장비이다. 최근 빈번 히 발생하는 국지성 호우의 예측 실패사례는 광역 적 차원의 위성을 이용한 기법으로는 해석하기 곤 란한 소규모 유역의 특성을 계측하고 분석할 수 있 는 기기와 기법의 필요성을 시사한다. 호우의 공간 적 변동은 최근 들어 더욱 두드러지게 나타나고 있 으나, 기존 강우 레이더를 비롯한 관측장비로는 이 에 대한 정밀한 분석이 어려운 실정이다. 국내의 시 간당 30mm 이상 폭우가 발생하는 날의 수는 1980 년 대비 2012년에 2배 더 많이 발생하였으며, 또 한, 국립기상연구소에서 RCP(Representative Concentration Pathways) 4.5시나리오 하에 수행 한 미래 한반도 기후변화 연구에 따르면, 21세기 말 한반도의 강수량은 17.3% 증가할 것으로 예상되고 있다. 이에 따라 국민생활에 직결되는 가뭄, 홍수 및 하천건천화 등 각종 수재해 실시간 정보분석/예측기 술로 선제적 재해 대응 기반 마련의 노력이 필요한 실정이다. 또한 지역의 수재해 및 자연재해 위험도 를 사전에 파악하여 풍수해저감 종합계획 수립, 재 난보험제도 도입 등 중장기 재난저감 대책 및 시설 투자 사업 수립에 활용할 필요가 있다.
국내의 경우, 광학위성인 다목적실용위성 2호/3 호(KOMPSAT-2/3)와 천리안 위성(COMS)을 활 용한 홍수재해 모니터링 관련 연구가 수행되고 있 으나, 광학 영상의 특성상 기상조건에 따라 위성영 상 수급이 어려우며, 야간에는 영상을 획득할 수 없 는 제약이 있다. 특히 홍수재해 상황 시 광범위하고 접근이 곤란한 지역에 대하여 신속한 모니터링체계 의 부재로 홍수현장에 대한 조기파악 및 긴급대응에 어려움이 있다. 이러한 광학위성의 한계를 극복하기 위하여, 레이더위성영상의 활용이 대두되고 있다.
레이더위성영상은 기상상태와 주야에 영향을 받지 않는 장점이 있기 때문에 홍수재해 상황에서도 홍수 를 모니터링 할 수 있는 강점을 지닌다. 기상청에서 는 2012년부터 대형의 이중편파 S-밴드 레이더를 도입하기 시작하였으나 시·공간해상도의 제약과 비싼 가격 및 유지비용으로 효율성이 낮고, 지형의
차폐를 줄이기 위해 산 정상에 설치되어 경북 내륙 지역에 대한 강우예보에 제한적으로 활용하고 있다.
국내에서는 아직 X-Net 이중편파 레이더를 비롯한 새로운 레이더에 대한 활용이 전무하고 이를 활용한 수치모델의 초단기 고분해능 예측시스템 개발 또한 활발하지 못한 실정이다.
홍수위험도 평가에 관련된 기존 연구들은 주로 지 역별 잠재위험도를 파악하고자 노력하고 있지만, 평 가지표의 객관성, 대표성, 공간해상도, 정확도 등의 제한으로 인해 실질적인 홍수피해 특성 분석 및 위 험도 예측에 한계가 있으므로, 중장기 홍수방어대책 시설투자사업 우선순위 결정에 활용하기에는 어려 움이 있다. 아울러 국내외적으로 다양한 내외수 범 람해석모형이 개발되고 있으나, 모형의 검보정 평가 에 한계가 있고, 홍수피해의 정량적 평가도 자료의 활용 등의 제약으로 다소 미흡한 실정이다.
이에 『국토관측센서 기반 광역 및 지역 수재해 감 시·평가·예측 기술 개발 연구단』에서 구축하고자 하는 X-Net으로 얻을 수 있는 고해상도 강우자료 혹은 SRA(Satellite, Radar, AWS)를 통해 얻을 수 있는 다양한 공간 해상도 자료는 실시간 혹은 준실 시간 홍수위험도 예측을 가능하게 한다. 홍수기 실 시간 침수지역 분석 및 피해산정과 함께 실시간 홍 수위험도의 예측이 가능하다면, 이를 이용한 지역 유형별 맞춤형 홍수저감 방안 또한 도출될 가능성을 열게 된다. 이를 위해 소규모 유역을 대상으로 살펴 보자면 우선 재해경감을 목적으로 한 짧은 선행시간 유출특성에 대한 정밀 예측과 함께 실질적 재해저감 을 위한 설계 최적화 방안이 요구되며 다기준 의사 결정(MCDM) 기법에 따라 지역특성별 맞춤형 최적 설계방안을 도출할 필요성이 있다.
3. 연구개발 목표 및 연구진 구성
『수해 경감을 위한 맞춤형 홍수재해 평가 및 예측 기술 개발 연구』는 4개의 세부과제로 구성되어 있으
며(표 1), 제1세부과제에서는 SRA를 이용한 홍수평 가/예측기술을 개발한다. 제2세부과제에서는 X-Net 기반 실시간 지역 홍수위험도 예측 기술을 담당하고 있다. 제3세부과제에서는 UAV(Unmanned Areal Vehicle)를 이용한 준실시간 홍수 모니터링 및 피해 산정 기술의 개발을 목적으로 한다. 마지막으로 제4 세부에서는 지역 유형별 수재해 저감설계 최적화 기
법개발을 목표로 한다(그림 1).
그림 2는 각 세부연구과제(표 1)의 상관도 및 자 료입출력 관계를 나타내고 있다. 한국건설기술연구 원에서 수행하는 글로벌 홍수해석 시스템과 경북대 학교의 실시간 홍수위험도 예측기술, 그리고 충남 대학교에서 수행하는 UAV를 이용한 준실시간 홍수 모니터링 및 피해산정 기술은 최종적으로 영남대학
그림 1. 연구과제 구성 및 세부별 연구개발 목표
세부과제 형태 과제명 연구기관 연구책임자
3-1세부과제 공동 SRA를 이용한 광역 홍수평가 및 예측기술 한국건설기술연구원 김경탁 박사 3-2세부과제 공동 X-Net기반 실시간 지역 홍수위험도 예측 모형 경북대학교 한건연 교수
3-3세부과제
공동 UAV를 이용한 준실시간 홍수 모니터링 및 피해산정
기술 충북대학교 정관수 교수
위탁 X 밴드 위성레이더 영상을 이용한 홍수모니터링
기술 개발 서울시립대학교 정형섭 교수
3-4세부과제 협동
(주관) 지역 유형별 수재해 저감설계 최적화 기법 개발 영남대학교 손광익 교수 위탁 맞춤형 재난저감 설계를 위한 구조적/비구조적
방안의 연계기술 아주대학교 이재응 교수
표 1. 수해 경감을 위한 맞춤형 홍수재해 평가 및 예측기술 개발 연구의 단위과제 목록
교에서 수행하는 지역유형별 수재해 저감설계 최적 화 기법개발의 입력자료를 제공하여 최적화된 수해 저감 방안을 도출하는데 기여할 수 있도록 계획하였 다. 또한 아주대학교에서 수행하는 맞춤형 재난저감 설계를 위한 구조적/비구조적 방안의 연계기술 및 서울시립대학교에서 수행하는 X 밴드 위성레이더 영상을 이용한 홍수모니터링 기술 개발은 각각 맞춤 형 수재해 저감설계 최적화 기법개발(영남대)과 글 로벌 홍수해석 시스템(한국건설기술연구원)의 기본 적 개념 및 방법론을 제공할 예정이다.
세부과제별 구체적인 연구내용 및 목표는 다음과 같다.
3.1 3-1세부과제
3-1세부과제의 과제명은 SRA를 이용한 광역 홍 수평가 및 예측기술로서, 위성 강우자료 및 글로벌 지형자료를 활용한 유출해석 시스템 개발을 목표로 물 산업 해외진출시 계측자료가 부족한 지역의 수문 순환 분석을 위한 기술 개발을 그 연구 내용으로 한 다. 국내 기존기술은 부재한 상태로 위성강우를 활
용한 홍수해석 기술을 선진국 대비 90% 수준으로 끌어올리는 것을 목표로 한다. 총 5년차의 연구 개 발기간 중 1차 년도에는 글로벌 홍수해석을 위한 선 진 사례 연구를 수행할 예정이며, 2차 년도에는 위 성강우 정확도 평가 및 글로벌 공간정보 구현 기술 을 개발할 예정이다. 이어지는 3차 년도에는 격자 크기별 위성강우 생성 기술 및 글로벌 공간정보 변 환 기술을 개발하고 4차 년도에는 위성강우 및 글로 벌 공간정보 활용한 홍수해석 모형을 개발할 예정 이다. 마지막으로 5차 년도에는 개발된 모형의 적용 및 검토를 그 주요 내용으로 미계측/비접근 지역에 기 개발된 홍수해석 기술을 적용하여 개발된 모형을 검증할 예정이다(그림 3).
3.2 3-2세부과제
3-2세부과제의 과제명은 X-Net기반 실시간 지 역 홍수위험도 예측 모형으로 X-net를 이용한 실 시간 지역 홍수위험도 예측기술을 개발하고자 한다.
이를 위해 MPE 자료를 기반으로 한 실시간 홍수위 험도를 예측하는 모형을 구축하고, 자료지향형 모 그림 2. 연구 개발 모식도
형과 Lidar 수리모형을 결합한 Data Driven 모형 을 개발하고자 한다. 개발된 모형을 토대로 홍수위 험도를 예측하고 실시간으로 위험구역을 Zoning 하 여 제시하는 것을 연구개발의 최종 목표로 한다. 목 표하고자하는 성능목표로는 정확한 강우예측자료를 기반으로 한 실시간 홍수위험도 예측기술 부족 및 Land Mosaic 변화 등을 고려한 사회기반시설의 취 약성 분석을 대상으로 하고, 개발기술 수준으로는 레이더 등에 의한 강우예측 결과인 QPE/QPF 자료 를 기초로 하고, Lidar 자료를 이용한 수리해석결과 를 자료지향형 모형을 구축한 후 이를 실시간 홍수 위험도 예측에 활용하는 것을 목표로 한다. 이를 위 해 1차 년도에는 MPE를 활용한 국내외 실시간 홍수 위험도 예측기술 분석을 수행할 예정이고 이어 2차 년도에는 X-net 자료기반의 다차원 수리해석 모형 을 개발할 것이다. 또한 사회기반시설의 수재해 대 응 평가지표 가중치를 산정하고, 도시 토지이용 패 턴을 구축하여 재해위험지역 추출 알고리즘 개발
의 기초자료로 한다. 3차 년도에는 Lidar 자료와 연 계한 통합홍수모형을 구축하고 재해위험지역을 추 출하는 알고리즘을 개발하고자 한다. 또한 X-Net 과 상세 공간데이터 구축에 기반한 공간 위계별 평 가 알고리즘을 개발할 예정이다. 4차 년도에는 자료 지향형 기법과 수리기법을 결합한 실시간 홍수위험 지역 Zoning 기법을 개발하고, 강우특성 및 지형특 성별 지반의 수리-역학적 상호거동 분석기술을 개발 한다. 그리고 PCM 공간분석을 통한 수재해 취약성 평가 프로그램을 구축하고자 한다. 마지막 5차 년도 에는 기 개발된 기법을 이용하여 실시간으로 X-Net 자료를 이용한 시험유역 적용 및 운영을 그 목표로 한다. 또한 X-Net 강우정보 기반의 비탈면 재해위 험지역 자동추출 프로그램을 개발한다(그림 4).
3.3 3-3세부과제
3-3세부과제의 과제명은 UAV를 이용한 준실시 그림 3. 3-1세부과제의 TRM
간 홍수 모니터링 및 피해산정 기술로서, 홍수기 침 수지역 분석 및 피해액 산정 소프트웨어와 SAR 영 상 기반 홍수 모니터링 기법을 개발하고자 한다. 기 존의 홍수모니터링 연구는 위성영상, 항공사진 그리 고 현지조사에 의한 것으로써, 홍수기 기상상황이나 지형여건으로 인해 실시간 홍수모니터링 성과물을 얻기 어려웠으며, 이러한 이유로 침수해석 모형의 검보정에 한계가 있었다. 또한 기존 SAR 영상 기반 홍수모니터링은 SAR 영상 반사도 기반의 변화 탐지 에 국한되어 있었던 것이 사실이다. 이에 따라 SAR 위성의 기하 상태에 따라 반사도가 달라지며 실질적 인 피해 지역에 모니터링 정보도 달라지는 한계가 있었다. 결과적으로 침수해석모형의 한계와 홍수 모 니터링의 한계로 인해 홍수 피해액 산정을 함에 있 어 과대산정되는 경향이 있었다. 따라서 3-3세부에 서는 기존 자료의 제약으로 인한 홍수기 침수지역 분석과 피해 산정의 한계를 UAV를 이용한 홍수 모 니터링으로 침수해석모형의 검보정을 통해 침수해
석 및 홍수 피해의 정확도를 향상시키고자 한다. 또 한 SAR 영상 활용성을 높여 국가 위성 산업의 고부 가 가치화를 이룩하고 광범위한 지역에 대한 홍수 피해 지역 산출을 빠르게 수행함으로써 효율적으로 국가적 재난·재해 상황에서 의사지원 결정을 위한 정보 제공 기술을 개발하고자 한다. 1차년도에는 홍 수기 침수지역 분석 및 피해액 산정 소프트웨어 개 발 방법을 정립하고, 2차년도에는 본격적으로 홍수 모니터링을 위한 UAV 시스템을 개발하고 홍수 모 니터링을 위한 SAR 영상 전처리 기술을 개발하고자 한다. 이어지는 3차년도에는 내외수 연계 침수해석 모형 프로토 타입을 개발하고, 4차년도에는 홍수기 침수지역 분석 및 피해액 산정 소프트웨어를 개발할 예정이다. 마지막으로 5차년도에는 테스트 베드에 의 적용을 통해 홍수재해지역의 홍수피해액을 산정 하고, 적용방법 및 절차에 대한 홍보와 교육을 수행 할 예정이다(그림 5).
그림 4. 3-2세부과제의 TRM
3.4 3-4세부과제
3-4세부과제의 과제명은 지역 유형별 수재해 저 감설계 최적화 기법 개발로서 과제명대로 수재해 저 감을 위한 최적 방안을 도출하는 것을 그 목표로 한 다. 구체적으로는 지역을 세분화하여 고 정밀 지역 단위 공간유형별 홍수위험도 및 수재해 특성 평가방 법을 개발하고 수재해 평가 및 감시기술을 개발, 차 별화된 설계최적화 기법과 매뉴얼을 개발하고자 한 다. 또한 최적홍수저감 설계를 위한 구조적/비구조 적 방안에 대한 MCDM기법 기준을 제시하고자 한 다. 이를 위하여 1차년도에는 지역별 수재해 특성을 평가할 수 있는 기준을 마련하고 2차년도에는 지역 유형별 홍수피해자료 조사 및 분석, 지역 특성별 홍 수피해 현황 및 특성 분석, 지역 특성별 맞춤형 재 난저감기술 개발을 위한 기본개념을 정립하고, 3차 년도에는 지역별 홍수피해위험 분석 방법을 수립하 고 또한 지역별 홍수피해위험 예측 및 평가를 수행
할 예정이다. 그리고 재난저감기법의 연계방안을 개 발한다. 4차년도에는 홍수위험도 평가 지표 및 기법 을 구축하고 이를 토대로 시범유역의 홍수위험도를 분석 및 평가할 예정이다. 또한 수재해 저감을 위한 맞춤형 설계 최적화 기법을 개발한다. 마지막 5차년 도에는 X-Net을 적용하여 홍수위험도를 평가할 수 있는 방안을 제시, 그 결과를 검증하고 또한 X-Net 강우자료를 활용한 시험유역 홍수위험도를 분석하 여 개발된 기법의 검증을 수행할 예정이다(그림 6).
5. 연구의 활용방안 및 기대효과
우선 기술적 측면에서 X-Net 기반의 실시간 다 차원 수리해석 모형의 개발로 국내 자체기술의 홍수 예측 기술을 확보하고, 실시간 홍수위험지역 사전 Zoning 기법 등을 서울 등의 대도시지역에서의 홍 수예측 시스템으로 활용이 가능하게 될 전망이다.
그림 5. 3-3세부과제의 TRM
홍수위험도 예측 모델의 이용은 개발 중인 분야로서 과거에는 빠른 모델구동시간의 필요와 도시환경 모 델의 복잡성으로 인해 지연되었으나 최근의 컴퓨터
처리속도가 빨라지고 모델 알고리즘이 실시간 수리 학적 모형을 통해서 홍수위험도 예측에 대한 실시간 관리가 가능하게 될 것으로 기대된다. 또한 기상특 그림 7. 연구개발의 기대효과
그림 6. 3-4세부과제의 TRM
성으로 인해 수재해가 발생할 확률이 높은 지역 또 는 상습적으로 침수경험이 있는 지역과 수재해의 대 응 평가 결과 위험성이 높은 지역을 교차 분석하여 사회기반시설 계획을 통한 방재성능 확보 우선순위 선정 방법에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
사회·경제적 측면의 기대효과로는 한국형 실시 간 홍수예측모형의 개발을 통해 홍수예보에 활용하 고 도시지역의 수재해 발생 예경보 시스템에 활용할 수 있을 것으로 기대되며, 자연재해 시스템 구축으 로 인해 대국민 서비스 및 수재해 분야에 대한 국가 기관간 연계성이 강화되고, 원격탐사 기반의 고도화 된 수문정보를 제공함으로써 수자원을 비롯한 농업, 기상, 방재 등의 분야에서 효과적으로 활용할 수 있 을 것으로 기대된다. 또한 UAV기반의 홍수모니터 링 성과물의 지식재산권 확보를 통해 해외 수자원개 발 및 KOICA 사업에 적극적으로 진출이 가능하게 되므로 수재해 분야의 기술수출 및 사업수주에 선도 적인 역할이 기대된다.
6. 맺음말
본 고에서는 국토교통부 및 국토교통과학기술진 흥원에서 지원을 받아 2014년 7월에 시작된『수해 경
감을 위한 맞춤형 홍수재해 평가 및 예측기술 개발』
연구를 소개하였다. 본 연구는 2014년 물관리연구 사업의 일환인 『국토관측센서 기반 광역 및 지역 수 재해 감시·평가·예측 기술 개발 연구단』에 3세부 과제로 속해 있으며 앞으로 총 4년 9개월의 연구기 간 동안 다양한 공간해상도의 강우자료와 상세 공간 정보를 이용한 홍수해석 기법을 개발하고 이를 이 용, 지역별 홍수위험도를 정의하고 지역 맞춤형 홍 수대안 수립 및 설계 최적화 기법 개발을 목표로 다 양한 연구 성과를 도출할 것으로 기대된다. 앞으로 의 연구기간동안 각 연구기관과 참여연구원들은 서 로 긴밀하게 공동으로 협업하여 연구단의 최종 목표 를 달성하도록 최선의 노력을 다할 것이다. 이를 위 하여 국내외 수자원 관련 전문가 및 유관기관 전문 가들의 아낌없는 조언과 지속적인 관심을 바라는 바 이다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부 물관리연구사업의 연구비 지원(14AWMP-B079364-01)에 의해 수행되었습 니다.
