1. 서 론
설계홍수량 산정은 치수구조물의 규모를 결정하 는 가장 기초가 되는 분석 과정이지만 우리나라의 경우 아직까지 기준상의 미흡한 부분이 많아 산정 된 설계홍수량의 신뢰도가 낮은 실정이다.
특히 국내에서 설계홍수량 산정에 주로 적용하 고 있는 합성단위도 방법은 여러 가지 문제점을 가 지고 있다. 사용 중인 합성단위도의 여러 매개변수 (지체시간, 집중시간, 저류상수, 단위도의 첨두유 량 크기 및 발생시간 등)를 결정하는 경험공식들이 매개변수와 국내 수문 및 지형자료 간의 상관분석 에 의해 유도된 것이 아니다. 이들은 대부분 미국 의 여러 유역 자료를 사용해서 개발된 것임에도 국 내에서 그대로 사용하고 있어서 단위도 작성의 신
뢰도를 인정하기 힘든 상태이다.
따라서, 국내 하천유역과 수위관측소지점별로 기왕의 주요 호우에 대한 강우 및 유출자료를 분석 해서 단위도를 유도하고, 이들 단위도의 매개변수 와 유역 특성인자간의 상관관계 분석에 의해 지역 화된 경험공식이 필요하다.
단위도의 매개변수 결정을 위한 경험공식 개발 에 가장 문제가 되는 것은 우리나라 전국을 고루 망라하는 수위관측소 지점 주요 호우 및 유출자료 의 양과 질이라 할 수 있다. 지금까지는 이들 자료 의 부족 때문에 단위도의 매개변수 산정공식을 지 역화하여 개발하지 못한 것이다. 따라서 본 고에서 는 설계홍수량 산정의 표준화를 위해 관련된 문제 점을 살펴보고 현재 추진 중인 개선방안을 소개하 고자 한다.
2. 본 론
2.1 설계홍수량 결정 방법
설계홍수량(design flood)이란 홍수의 특성과 홍수의 발생빈도, 홍수발생으로 인한 잠재적인 피 해규모, 그리고 경제적 요인 및 기타 요인들을 고 려하여 수공구조물의 공학적 설계기준으로 최종 선택되는 첨두홍수량 혹은 홍수수문곡선(flood
설계홍수량 홍수량 산정 표준화 방안
안 재 현
▶▶▶서경대학교 토목건축공학과 부교수 [email protected]
정 호 영
▶▶▶서경대학교 대학원 도시환경시스템공학과 석사과정
hydrograph)으로 정의된다(Ponce, 1996).
확률홍수량으로부터 설계 재현기간에 대한 홍수 량을 최적치 개념의 설계홍수량으로 결정하는 방 법은 홍수량자료 시계열의 빈도해석 방법과 설계 강우-유출 관계분석 방법으로 대별된다. 홍수량자 료 시계열의 빈도해석 방법은 홍수량자료 계열을 직접 빈도해석하여 확률홍수량 및 설계홍수량을 산정하는 방법으로 이론적으로 가장 직접적이고 최상의 방법이라 할 수 있다. 하지만 근본적으로 실측자료가 부족하며 실측 홍수량자료가 아닌 관 측홍수위를 수위-유량관계곡선에 의해 환산하는 과정에서 수위-유량관계곡선의 신뢰도가 낮아서 홍수량자료 계열 자체부터 신뢰도가 낮고, 댐 건설 이전에 대한 홍수량 자료를 댐 건설이후로 환산하 는 것이 곤란한 문제 등을 지니고 있다. 설계강우- 유출 관계분석 방법은 확률강우량을 산정한 후 유 출 모형을 모의함으로써 확률홍수량 및 설계홍수 량을 산정하는 방법으로 상대적으로 풍부한 강우 자료를 활용할 수 있는 장점을 지닌 반면 설계강 우-유출 관계가 선형성을 가진다는 가정을 전제로 하는 방법이다(국토해양부, 2012).
2.2 설계홍수량 산정 관련 국내 연구성과
국내 실무에 적용하기 위한 설계홍수량 산정방 법을 개발하려는 노력은 몇 차례 시도된바 있으며, 이들 노력은 강우-유출관계 모형에 의한 방법과 홍수빈도해석에 의한 방법으로 구분할 수 있다(국 토해양부, 2010).
강우-유출관계 모형에 의한 설계홍수량 산정방법 개발을 위한 최초의 국내 연구는「홍수량 추정을 위 한 합성단위유량도 유도의 연구조사(건설부, 1974)」
로 한강, 낙동강, 금강유역에 적용할 수 있는 Snyder형의 합성단위도를 작성할 수 있는 경험공식 을 제안하였다(윤용남, 1986). 그러나, 당시의 열악 한 수문자료 때문에 실무에 적용할 수 있을 만큼의 정확도 확보가 어려워 실무에 적용되지는 못했다.
건설부(1993)는 1991년-1993년에 걸쳐「설계 홍수량 산정방법 개발」이라는 연구과제를 통해 지 점별 연 최대치 홍수량자료의 빈도분석 방법과 단 위도법을 사용하는 강우-유출 모형에 의한 방법을 연구했다. 그러나 이 역시 가용 수문자료가 충분치 못하고 신뢰도가 떨어져서 실무 적용 방법의 개 발·보급을 이루지는 못했다.
건설교통부(2004)는 하천정비기본계획 수립의 일관성을 유지하기 위해 계획수립 절차에 관한 지 침인「하천정비기본계획 수립 및 하천대장작성 지 침」을 발간하였다. 이 지침에서는 강우-유출 모형 에 의한 설계홍수량 산정을 위해 Snyder, SCS, Nakayasu 합성단위도법과 Clark 유역추적법등 에 의해 설계홍수량을 산정 비교·검토한 후 지역 홍수빈도 분석방법에 의한 100년빈도 홍수량의 경 험공식과도 비교할 것을 추천하였다. 그러나, 100 년빈도 홍수량에 대한 경험공식은 홍수량이 유역 면적만의 단순 함수로 되어있고 홍수빈도 분석에 사용된 홍수량 자료의 신뢰도를 확인하기 어려운 점이 있어서 실무적용이 어려운 실정이다.
또한 하천정비기본계획 수립 대상 유량인 설계 홍수량 산정 절차의 객관화 혹은 일관성 유지를 위 해 건설교통부(2007)가「홍수량 산정기법 가이드 라인」을 발간한 바 있다. 이 가이드라인에서는 대 체로 호주의 ARR(Australian Rainfall-Runoff) 가이드라인에서 제시하고 있는 강우-유출 모형에 의한 방법과 홍수빈도 분석에 의한 방법을 망라해 서 정리하였다. 그러나, 강우-유출 모형에 의한 방 법의 경우 합성단위도를 작성하기 위한 매개변수 결정 공식 등이 국내 유역의 특성이나 유출특성에 맞지 않아 국내 실무에 직접 적용하기 어렵고, 홍 수빈도분석 방법의 경우도 국내 미계측유역에 대 한 홍수빈도분석 결과의 지역화가 되어 있지 않아 빈도분석 절차는 표준화 되어 있지만 미계측 지점 에 대한 설계홍수량 산정은 어려운 실정이다.
국토해양부(2012)에서는 현재 국내 실무에서 적 용되는 방법들을 정리해서 일관성 있는 홍수량 산
정에 적용하고자「설계홍수량 산정 요령」을 제시 한 바 있다. 이것은 연구가 진행 중인「한국형 수 문량 분석 선진화 기술 개발」이 2015년 완료될 때 가지 한시적으로 수문실무에 적용 중이며, 다음의 내용으로 구성되었다.
홍수량 산정은 강우-유출관계 및 단위도를 적용 하는 것을 기본으로 하였으며, 확률강우량 산정은 Gumbel분포를 추천하였다. 유효우량 산정은 NRCS방법, 합성단위도는 Clark방법을 채택하였 다. 합성단위도 매개변수 산정을 위해 도달시간은 연속형 Kraven공식, 저류상수는 Sabol공식, 하도 추적은 Muskingum방법을 추천하였다.
이러한 국내 설계홍수량 산정방법의 개발을 위 한 노력에도 불구하고 실무적용 가능한 표준화된 방법의 개발이 어려웠던 것은 수문자료, 특히 홍수 량 자료의 양적 부족과 신뢰도 부족 때문이었던 것 으로 평가된다. 표 1에는 설계홍수량 산정방법을 연대별로 구분해서 정리하였다.
2.3 합성단위도법의 문제점 및 개선방안
현재 국내에서 강우-유출모형을 이용한 설계홍 수량 산정에 주로 사용되고 있는 합성단위도는 다 음과 같은 문제점이 제기되고 있다.
우선 제기되는 것은 여러 매개변수들을 결정하 는 경험 공식들이 매개변수와 국내 수문 및 지형 자료간의 상관 분석에 의해 유도된 것이 아니고 미 국의 여러 유역 자료를 사용해서 개발된 것 임에도 국내에서 그대로 사용하고 있어서 단위도 작성의 신뢰도를 인정하기 힘든 상태라는 것이다. 따라서, 국내 대하천유역별, 수위관측소지점별 기왕의 주 요호우별 강우 및 유출자료를 분석하여 단위도를 유도하고 이들 단위도의 매개변수와 유역 특성인 자간의 상관관계 분석에 의해 지역화 된 경험 공식 을 개발해야 할 것으로 판단된다.
단위도의 매개변수 결정을 위한 경험공식 개발 에 가장 문제가 되는 것은 전국을 골고루 망라하는
표 1. 연대별 강우-유출관계 모형에 의한 설계홍수량 산정방법 비교
주) 설계홍수량 산정 선진화 기획연구 보고서(국토해양부, 2010)
연대 설계강우 설계홍수 수문곡선(기본 홍수) 참고
우량자료 확률강우량산정 시간분포 유효우량 합성단위도 하도추적 적용수문모델 자료
- 일최대우량 - 지점 빈도분석 - 모노노베 - SCS-CN - 실제 유도한 - 단일유역으로 - 단위도법 - 건설부 (Gumbel-Chow 방법) 단위도 보고 하도추적 - 합리식 (1972)
1970년 - 매개변수-모멘트법 하지 않음 - 가지야마 - 건설부
- 면적감소계수 및 첨두홍수량 (1978)
임계지속기간 미사용
- 일최대우량 - 지점 빈도분석 - 모노노베 - SCS-CN - 나까야수(中安) - Muskingum - 합성단위도 - 건설부
1980년 - 매개변수-모멘트법 종합단위도 하도추적 (1983)
- 면적감소계수 및 - 尹·鮮于단위도
임계지속기간 미사용
- 일최대우량 - 지점 빈도분석 - 모노노베 - SCS-CN - 나까야수(中安) - Muskingum - 합성단위도 - 건설부
(각종 확률 분포) 종합단위도 하도추적 (1992)
1990년 - 매개변수-모멘트법 - 尹·鮮于 단위도 - 건설
- 면적감소계수 및 - Nash 유역추적 교통부
임계지속기간 미사용 (1998)
- 일최대우량 - 지점 빈도분석 - Huff4분위 - SCS-CN - Clark유역추적 - Muskingum - FARD - 건설 - 시간최대우량 - 매개변수 추정은 (AMC-Ⅲ) - Snyder합성단위도 -Cunge방법 - HEC-1 교통부 2000년 - 임의시간우량 확률 가중 모멘트법 - SCS합성단위도 - Muskingum - HEC-HMS (2007)
으로 환산 - 면적감소계수 적용 - 유역면적이 클 경우 하도추적 - 국토
- 임계지속기간 적용 소유역으로 분할 해양부
(2009)
수위관측소 지점의 수문자료라 할 수 있다. 지금까 지는 이들 자료의 부족 때문에 단위도의 매개변수 산정공식을 지역화하여 개발하지 못한 상황이다.
따라서 설계홍수량 산정 방법 표준화를 위한 개선 방안을 다음과 같이 추진하였다.
국내 강우-유출 자료를 이용해서 매개변수 산 정식 유도
우리나라 전체를 대표할 수 있는 고른 지역의 자료 이용
자료의 상태를 심도깊게 분석해서 양질의 자 료만 이용
유역특성인자(유역면적, 유로연장, 유로경사 등)만의 상관관계식 유도로 이용의 편리성 제공
2.4 설계홍수량 산정 표준화
2.4.1 강우-유출자료 검증 및 DB 구축
외국에서 개발된 합성단위도의 국내 적용을 위 해서는 국내 수문 및 유역특성에 맞는 매개변수의 결정이 필수적이다. 따라서 합성단위도 매개변수 결정을 위한 강우-유출자료의 수집 및 활용 가능 성에 대한 검증이 필요하다. 본 연구의 강우-유출 자료 검증 및 DB구축 절차는 그림 1과 같다.
첫 번째는 강우-유출자료 현황조사 및 자료 수
집이다. 국내 다목적댐 및 대규모 저수지의 유입 량, 기존 또는 현재 운영 중인 시험유역 및 대표유 역 자료, 국토교통부, 한국수자원공사, 기상청 등 의 수문자료 현황 및 자 료 수집이다.
두 번째 강우-유출분 석을 위한 지점 선정 및 자료 검증이다. 자연하천 의 유출 조건 및 가용할 수 있는 자료를 보유한 지점, 적정한 유역규모 (중·소규모) 등을 고려 하여 지점을 선정한다.
그림 2와 같이 선정된 지 점에 대해서는 자료의 활 용 가능성을 검증한다.
그림 1. 강우-유출자료 검증 및 DB 구축 절차
그림 2. 강우-유출자료 DB 구축 대상 지점 위치도
세 번째 자료의 검증을 통한 최종 지점을 선정하 고 강우-유출분석에 활용할 수 있도록 DB를 구축 하게 된다.
강우-유출자료의 DB의 최종 결과물은 해당 관 측소의 유역평균강수량과 유출량자료이다. 하지만 유역평균강수량, 유출량을 산정하기 위해서는 유 역내외의 지점별 강수량, 해당 관측소의 수위·수 위-유량관계곡선식이 필요하다. 따라서 본 연구에 서는 향후에 다양한 강우-유출에 대한 분석 및 검 토가 이루어 질 수 있도록 기본자료 및 검토자료를 함께 DB로 구성하였다.
2.4.2 합성단위도 매개변수 추정 및 상관관계식 유도
우리나라의 유역특성을 대표하는 집중시간 및 저류상수를 결정하기 위해서는 다양한 특성의 유 역에 대한 종합적인 분석이 이루어져야 한다. 이를 위해서는 유역의 지형특성이 폭넓게 고려되어야 한다. 그러나 이러한 특성을 평균적으로 고려할 수 있는 값을 유도나 추정하는 것은 쉬운 일이 아니 다. 특히 이를 위해서는 양질의 강우-유출자료가 존재해야 한다.
본 연구에서는 이를 감안해서 세심한 강우-유출 자료의 검증을 실시하였으며, 이를 통해 신뢰성 높 은 성과 도출을 위한 연구를 수행하고자 했다. 또 한 우리나라의 유역을 대표하는 유역의 집중시간 및 저류상수를 추정하기 위해 다음과 같은 방법을 적용했다.
(가) 대상유역 선정 및 강우-유출자료 수집 (나) 대상유역의 지상인자 및 형상인자계수 추정 (다) 강우-유출사상에 대한 분석을 통해 평균적 인 특성을 갖는 호우사상과 다양한 범위의 유출량 선정
(라) 집중시간(Tc)과 저류상수 유도
(마) 대상유역별 대표 집중시간(Tc) 및 저류상수 (K) 도출
(바) 매개변수와 유역 지형인자와의 상관관계 분석
현재까지 15개 대상유역에 대한 분석을 실시하 고 Clark 합성단위도의 매개변수인 도달시간(Tc) 과 저류상수(K)를 유도하였다. 또한 해당 유역별 로 유역면적, 유로연장, 유로경사 등과 같은 지형 특성인자를 정리하였다. 이를 통해 유역별 지형특 성인자들과 합성단위도 매개변수의 상관관계 분석 을 실시하였다.
본 연구의 최종목적인 유역 지형특성인자와 단 위도 매개변수들의 상관관계식을 유도하고 결정계 수(R2)를 산정하였다. 그림 3에서와 같이 도달시간 (Tc)에 대한 산정된 결정계수는 0.91로 나타났으 며, 저류상수의 결정계수는 0.78으로 산정되었다.
이처럼 유역특성인자와 매개변수간의 상관관계식 을 유도한 결과 높은 결정계수(R2)가 산정되었으 며, 이는 국내 수문자료를 이용한 매개변수 상관관 계식의 제시가 충분히 가능함을 시사하는 것이라 할 수 있다.
현재 우리나라 전역에 분포된 약 50여개 유역에 대한 매개변수를 유도하고, 지형특성인자와의 상 관관계식을 제시하는 연구가 수행 중에 있다. 지금 까지 시범적으로 진행된 15개 유역에 대한 연구성 과를 기준으로 판단할 때, 추후 분석에 이용되는 유역의 개수가 추가될수록 더욱 신뢰도 높은 상관 식 유도가 가능할 것으로 판단된다. 최종적으로는 설계홍수량 산정 표준화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
3. 결 론
합리적이고 경제성 있는 수공구조물의 계획 및 설계를 위해서는 적절한 설계홍수량의 결정이 필 수적이며, 그 과정의 객관성 확보는 매우 중요한 사안이다. 본 고에서는 설계홍수량 결정 방법 및 설계홍수량 산정과 관련된 국내 연구성과를 살펴 보고, 합성단위도 적용에 따른 문제점도 검토하였 다. 이에 따른 문제점을 개선하기 위해 수행 중인
설계홍수량 산정 표준화 방안을 소개하였다.
현재까지 진행된 연구성과를 기본으로 판단할 때 원래 계획한 50여개 지점의 세밀한 강우-유출 자료의 검증 및 이를 통한 최적의 매개변수 검정이 이루어진다면, 국내 유역의 특성이 반영된 설계홍 수량 산정 표준화 방안의 제시가 가능할 것으로 기 대된다. 이를 통해 수공구조물 설계에 이용할 설계 홍수량의 신뢰성 제고가 가능할 것이다.
감사의 글
본 연구는 국토해양부 건설기술혁신사업의 연구 비지원(11기술혁신C06)에 의해 수행되었습니다.
지원에 감사드립니다.
(a) 도달시간 (b) 저류상수
그림 3. 유역 지형특성인자와 도달시간 및 저류상수의 관계식 유도
참고문헌
1. 건설교통부 (2004). 하천정비기본계획수립 및 하천대장작성 지침 2. 건설교통부 (2007). 홍수량 산정기법 가이드라인
3. 건설부 (1993). 수자원관리기법개발연구조사 보고서
4. 건설부 (1974). 홍수량 추정을 위한 합성단위유량도 유도의 연구조사 5. 국토해양부 (2010). 설계홍수량 산정 선진화 기획 연구 보고서 6. 국토해양부 (2012). 설계홍수량 산정 요령
7. 윤용남 (1986). 공업 수문학, 청문각
8. Ponce (1996). Engineering Hydrology : Principles and Practices
