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(3-7) 미계측 유역 홍수량 산정을 위한 매개변수 지역화 및 한국형 유역특성인자 DB 개발현황 소개

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Academic year: 2021

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1. 서 론

하천의 유량 측정은 대부분 홍수 예보지역, 댐 상 류지역, 대 하천 및 유역 내 주요 계측지점을 위주로 수행되고 있으며, 이에 따라서 중소하천과 소유역의 미 계측 유역에 대한 유량 산정에 어려움이 있다. 유 역유출모형은 유역의 지형학적 매개변수를 기반으로 강우-유출 현상을 해석하며, 특정 지점에 대해서 계

측된 수문자료와 최적화된 매개변수를 이용하여 유역 내 홍수량을 모의할 수 있다. 하지만 대부분의 유역들 은 유역출구지점에서의 장기간의 연속적인 유량자료 의 확보가 어려운 미 계측 유역이다. 이와 같은 미 계 측 유역의 홍수량 산정은 통상 인근관측소 자료를 면 적비로 전이시켜 사용하거나, 인근 계측유역에 대한 유출모형의 매개변수를 추정하여 미 계측 유역으로 매개변수를 전이시키는 매개변수 지역화 방법이 주로 사용되고 있다. 이처럼 매개변수 지역화를 통한 계측 유역 및 미 계측 유역의 홍수량 산정을 위해서는 유역 의 수문자료를 분석하고, 정밀한 유역 특성인자의 현 황조사 및 산정방안에 관한 연구가 필수적이다.

Fig. 1은 유역특성인자 도출 및 매개변수 지역화 과 정을 나타낸 그림으로 지형, 수문, 기상 DB로부터 다 양한 유역특성인자를 추출하고 통계분석을 이용하여 수문학적으로 유사성이 있는 유역으로 그룹화 한 뒤 홍수량 산정에 필요한 매개변수를 지역화 하는 과정이 다. 매개변수 지역화의 정확도 및 신뢰도 향상을 위해 서는 국내의 수문자료 및 유역 특성인자 현황을 조사 하는 과정이 중요하며, 참고 사례로 국외의 유역 특성 인자를 비교 검토하여 국내의 특성을 반영한 대표적인 유역특성인자들을 선정하고 구축할 필요가 있다.

본 연구는 국토해양부 건설기술혁신사업인‘첨단기 술 기반 하천 운영 및 관리 선진화 연구단(ARCROM)’

(3-7) 미계측 유역 홍수량 산정을 위한 매개변수 지역화 및 한국형

유역특성인자 DB 개발현황 소개

안 소 라▶▶▶

건국대학교 사회환경시스템공학과 박사과정 ahnsora@konkuk.ac.kr

김 상 호▶▶▶

건국대학교 사회환경시스템공학과 박사수료 sanghok@konkuk.ac.kr

김 성 준▶▶▶

건국대학교 사회환경시스템공학과 정교수 kimsj@konkuk.ac.kr

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의‘한국형 수문량 분석 선진화 기술 개발’연구의 일 환으로, 본 세세부 연구과제의 최종목표는 한국형 유 역특성인자 및 홍수량 산정 통합시스템을 구축하는데 있다. 본고에서는 2차년도(2013년)의 연구내용 중 일 부를 소개하고자 하며, 건국대학교의 연구진은 계측 유역 및 미 계측 유역의 홍수량을 산정하는데 있어 활 용 가능한 전국단위 고해상도 유역특성인자 DB를 구 축 중에 있으며, 이를 바탕으로 유역특성인자 정보제 공 시스템을 설계 및 개발 중에 있다.

2. 국내 및 영국의 유역특성인자 자료관리 현황 비교

(1) 국가수자원관리종합정보시스템(WAMIS;

Water Management Information System) WAMIS는 국내의 산재되어 있는 유역에 대한 수

문자료, 인문자료 및 유역자료를 수집·관리하는 자 료 포털로서 유역의 수문, 유역, 하천, 댐, 지하수, 이 수, 수도, 환경생태, 자연재해, 지형공간의 자료를 바 탕으로 유역특성, 인문사회, 유역자원 및 국토개발의 유역 수자원관리 자료를 제공하고 있다. 또한 각각의 유역에 대하여 유역특성인자로서 28여개의 특성인자 의 분석기준을 제시하고 있다. 이처럼 WAMIS에는 홍수량 산정을 위한 방대한 양의 DB 정보들을 제공 하고 있지만, 원시자료(raw data)위주의 기초자료들 을 나열하는 방식으로 제공하고 있어 유역의 수문학 적 특성을 파악하기에는 어려운 부분이 있다.

WAMIS에서 제공하는 유역특성인자들을 살펴보 면 수자원주제도(수자원단위지도, 수문관측위치도, 면적평균 강우량도, 유출곡선지수도, 수문지질도)와 유역주제도(토지이용도, 토양도, 임상도, 경사 분석 도, 향분석도, 표고분석도, 하천차수도, 하천망도 등) 와 같은 공간정보를 제공하고 있으며, 유역특성인자 부분은 물리적인 형상 관련 특성인자가 주를 이루고 Fig. 1. 유역특성인자 도출 및 매개변수 지역화 과정

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있다. 또한 유역의 수문자료는 강수량, 유량(수위-유 랑관계곡선), 온도, 증발량 등이 대표적이다.

(2) 영국 FEH(Flood Estimation Handbook)

영국의 유역특성인자들은 오랜 수문관측 및 관련 연구의 결과로서, 영국에서 일반화 되어있는 홍수량 산정 지침인 FEH(Flood Estimation Handbook, 1999)는 5개의 Sub-Program으로 구성되어 특성치 의 정의 및 산정방법에 대하여 소개하고 있다.

Volume 1은 확률홍수량 산정에 관한 개관 및 권고사 항, Volume 2는 강우빈도 분석, Volume 3은 홍수 빈도 분석을 위한 통계적 절차, Volume 4는 강우- 유출관계 모형에 의한 방법(ReFH), Volume 5는 유 역특성 매개변수의 산정을 위한 프로그램 등으로 구 성되어있다. FEH에는 영국의 모든 유역에 대하여 유 역의 형태적인 특성, 기후 및 토양 특성, 도시화 및 토지이용 특성, 유역의 호수 및 저수로 인한 홍수저 감 특성 등으로 구성되어 있으며, 산정한 유역 특성 인자를 FEH CD에서 제공하고 있다. 영국의 유역 특 성인자의 중요한 점은 유역의 물리적인 특성인자뿐만 아니라 유역의 정성적인 수문학적 특성인자가 FEH 의 적용에 있어서 중요한 역할을 하고 있다. 예를 들 어 토양구분에 따른 기저 흐름유출비 ,표면유출비 , 토양습윤도 등은 유역의 수문적인 특성을 반영하여, 공여 유역(donor catchment) 선정, 유역의 유사구

분(hydrological similarity measure), 강우-유출 관계 모형의 지역화 연구 등에서 중요한 역할을 하고 있다.

(3) 국내 및 영국의 유역특성인자 비교

국내 WAMIS와 영국 FEH의 표준화된 유역특성인 자 자료관리 시스템의 비교검토 결과를 Table 1에 정 리하였다. 국내의 경우 유역의 물리적인 특성 및 형태 적인 특성은 많은 부분 제공되고 있으나, 유역의 수문 적인 특성(유역의 호수 및 저수지의 홍수 저감 영향, 기후 및 토양 특성을 반영하는 특성인자 등)은 미흡하 다. 이러한 부족한 부분을 보완하고, 국내 유역의 종 합적인 특성인자 산정을 위하여 영국의 수문적인 특 성인자의 국내 유역적용 가능성을 평가하고, 세부적 인 산정 방법에 관한 연구가 필요하다. 또한 유역특성 인자들의 수문적인 의미와 이론적인 산정 과정을 검 토하고, 유역 홍수량과의 관계 분석을 통하여 국내 유 역의 특성을 반영하고 있는지 검증이 필요하다.

3. 한국형 유역특성인자 및 시스템 개발 (1) 한국형 유역특성인자 DB 구축

위에서 살펴본 바와 같이 영국의 사례를 바탕으로

Table 1. 국내 WAMIS와 영국 FEH의 유역특성인자의 비교검토

유역특성 국내 WAMIS 영국 FEH Raw data

유역면적, 유역둘레 유역평균폭, 형상인자, 형상계수,

유역면적, 평균고도, 경사도, DEM 지형특성 원형비,세장률, 수계밀도, 섬세비, 기복비, 상대기복,

경사향, 경사향의 분산정도 유역도

기복수, 유역평균표고, 유역평균경사, 유역경사향

하천특성 최원유로연장, 유로연장, 하천총길이 유로연장, 평균유로연장 하천도

기상특성 연평균 강수량, 연평균 잠재증발산량 연평균 강수량, 연평균 잠재증발산량 기상자료 토양지질 포장용수량, 영구위조점, 유효토양수분 기저흐름유출비, 토양습윤비, 토양습윤도 토양도

토지이용 도시화비, 비도시화비, 산림면적비 도시화비, 비도시화비 토지이용도

총유출비, 기저흐름지수 토양도

수문특성 유출곡선지수(CN값)

저수지 홍수저감특성계수 토지이용도

저수지자료

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국내 유역에 적용 가능한 한국형 유역특성인자 DB구 축을 위해 지형공간정보 raw data를 수집하였다.

2012년 제작된 수자원단위지도 Ver 3.0의 표준유역 (850개)도 및 하천도를 수집하고, DEM, 토양도, 토 지이용도를 구축하였다. 추후 유역특성인자를 이용한 홍수량 산정 매개변수 지역화를 위해 전국 강우, 수위 관측소의 유량자료를 수집하여 유역출구지점의 수위 관측소를 확인하여 1차적인 유역구분을 하고, 최근 양 질의 시간자료 보유현황 및 유출율을 검토하여 전국 을 계측 및 미 계측 유역으로 구분하였다(Fig. 2). 이 후 표준유역별로 지형특성인 유역면적, 유역둘레 유 역평균폭, 형상인자, 형상계수, 원형비, 세장률, 수계 밀도, 섬세비, 기복비, 상대기복, 기복수, 유역평균표 고, 유역평균경사, 유역경사향, 하천총길이, 유로연장 등을 산정하고, 기상특성인 연평균강수량, 연평균 잠 재증발산량, 토양특성인 포장용수량, 영구위조점, 유 효토양수분, sand/clay/silt의 비율, CN값 등의 유역 특성 매개변수를 산정하였다. 또한 표준유역별 토지 이용특성을 표시하는 도시화 지표, 산림면적비 등을

산정하였다. Fig. 3에는 지형, 기상, 토양, 토지이용 및 수문학적 유역특성인자의 일부를 나타내었다.

영국에서는 호소나 저수지에 의한 홍수저감특성계 수(Index of Flood Attenuation due to Reservoirs and Lakes; FARL)를 산정하여 제시하고 있다. 국 내유역에도 농업용저수지나 다목적댐의 홍수조절능 력에 따른 홍수저감특성을 분석하기 위해 이론을 검 토하고 적용성을 확인해 보았다. 국내의 농업용 저수 지 17,611개 중 홍수조절 기능을 가지는 일정규모 이 상의 농업용저수지 3,372개를 고려하였으며, 5대강 수계의 다목적댐 15개를 고려하여 저수지 홍수저감 특성계수를 산정하였다. 산정공식은 다음과 같은 간 단한 수식에 의해 계산되며, 하나의 표준유역에 다중 저수지가 존재하거나, 저수지의 위치가 on-line인지 off-line인지에 따라 가중치가 적용되어 계산된다.

(1) 여기서,

Fig. 2. 전국 표준유역 단위의 계측 및 미 계측 유역구분

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이와 같은 방법으로 산정된 홍수저감특성계수는 0

∼1값의 범위를 가지며, 홍수저감특성계수가 1이면 홍수조절기능을 가진 저수지가 없는 유역으로 정의된 다. Fig. 4에는 전국 표준유역별 산정결과를 농업용 저수지만을 고려한 경우와 다목점 댐을 같이 고려한 경우를 비교하여 나타내었다. 전국 농업용저수지의 분포와 상당히 일치하는 것으로 나타났으며 다목적댐 을 고려한 경우가 댐 유역의 홍수저감능력이 향상되 었음을 확인하였다.

이처럼 국내 및 영국의 유역특성인자를 비교검토 하고 국내 적용가능성을 평가하여 표준유역별 다양한 유역특성인자 D/B를 구축하였다. 향후 구축된 유역

특성인자는 앞서 구분한 전국 미 계측 유역의 홍수량 산정을 위한 매개변수 지역화에 활용될 예정이다. 다 음은 현재 진행 중인 유역특성인자의 산정 자동화를 위한 시스템의 개요와 향후계획을 소개한다.

(2) 시스템 개요 및 향후계획

본 연구에서는 앞서 구축한 한국형 유역특성인자 자료의 활용성을 높이고 사용자 요구의 편의성 증대를 위하여 GIS 기반의 GUI(Graphic User Interface) 시스템을 구축을 목표로 한다. 고해상도 지형정보 기 반의 전국 유역특성인자의 DB화 및 산정 자동화를 Fig. 3. 지형, 기상, 토양, 토지이용 및 수문학적 유역특성인자

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a. 전국 농업용저수지 현황 b. 농업용저수지만 고려 c. 농업용저수지+다목적댐 고려 Fig. 4. 홍수저감특성계수 산정결과

Fig. 5. 유역특성인자 지료관리 시스템의 주요기능

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위한 프로그램을 개발하고, 자료의 표준적이고 일관 적인 제공을 위해 유역 자료관리 시스템을 구축하고 자 한다. 시스템의 주요기능으로 raw data 및 각 유 역특성인자에 대한 시각적 기능을 강화하기 위해 MapWindow를 활용한 미리보기 기능을 통하여 전 체적인 자료의 파악이 가능하도록 하였고, 해상도별 또는 입력 자료별로 원하는 유역특성인자를 산정할 수 있도록 자동화하였다. Fig. 5는 유역특성인자 자 료관리 시스템의 주요기능을 보여주는 그림이다.

향후에는‘한국형 수문량 분석 선진화 기술 개발’

의 다른 세세부 연구결과로 한국형 설계강우, 설계홍 수량, 홍수빈도해석 및 개념적 강우-유출모형 등의 연구결과와 본 연구의 결과인 유역특성인자 DB간 자 료 연계 모듈 개발을 통해, 최종적으로 한국형 유역 특성인자 및 홍수량 산정 통합시스템을 구축하여 유 역 홍수량 산정방법의 간편화 및 하천운영을 위한 수 문정보를 통합적으로 제공할 예정이다.

4. 결 론

본고에서는 전국 유역특성인자 DB화 및 한국형 유 역자료관리 시스템 개발현황을 소개하였다. 특히 고

해상 지형자료를 이용한 전국적인 유역특성인자의 구 축 및 매개변수 지역화는 그동안의 자료 및 기술에 의한 지역화 한계를 극복하는 새로운 계기이므로 그 의미가 크다고 판단된다. 현재 실무에서 설계홍수량 을 산정하는데 활용되는 소프트웨어는 유역특성인자 추출 별도, 강우별도, 홍수량산정 별도 등으로 분리 되어 있어 일련의 과정이 통합되어 편리하고도 일관 되게 진행할 수 있는 소프트웨어가 개발되어 있지 못 한 것이 현실이다. 향후 유역자료관리 시스템과 한국 형 홍수량 산정 시스템의 통합을 통하여 선진화된 일 관성 있는 수문량의 산정과 더불어 선진화된 기술의 일관된 유지관리가 가능하게 될 것으로 생각된다. 또 한 전국단위 설계홍수량 산정결과의 제공을 통하여, 수자원 정책 및 제도, 법령 개선방안 및 유역종합지 수계획, 하천기본계획, 수자원장기종합계획 등 정부 의 각종 치수계획 개선에 직접적으로 활용될 것으로 평가된다.

감사의 글

본 연구는 국토교통부 물관리연구사업의 연구비지 원(11기술혁신C06)에 의해 수행되었습니다.

참고문헌

1. 국가 수자원관리 포털. www.wamis.go.kr.

2. Centre for Ecology & Hydrology (2007). Flood Estimation Handbook, Supplementary Report No. 1, The revitalised FSR/FEH rainfall-runoff method. Wallingford, UK.

3. Institute of Hydrology (1999). Flood Estimation Handbook. Institute of Hydrology, Wallingford, UK.

수치

Table 1. 국내 WAMIS와 영국 FEH의 유역특성인자의 비교검토
Fig. 5. 유역특성인자 지료관리 시스템의 주요기능

참조

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