A Case Study of Calculating Flood Inundation Area by HEC-GeoRAS

한국재난관리표준악회 논문집 2009년 12월

재12권 저14호， pp. 43-48 ú치 맏극깨납란흩|표즌획외

원원~ K，αean Society of Societal Security

HEC-GeoRAS

김창수* 이영대** 이환우***

A Case Study of Calculating Flood Inundation Area by HEC-GeoRAS

Chang-Soo Kim*

,

,

접수일자 2009년 8월 14일/심사완료일 2009년 9월 30일

요 약 지난 몇 년 동안 우리나라는 생명과 재산에 엄청난 피해를 준 홍수를 겪었다 태풍에 의해 발생한 홍수는 가장 일 반적인 자연 재해의 한 형태이다 지구온난화로 인한 지구의 기온상승으로 인해 태풍의 발생 가능성도 증가하게 되었다. 홍 수시 강우 도달시간이 감소됨과 함께 강의 수위상숭이 일어나며 최대 유출량도 증가되어 왔다 게다가， 국토 부족을 해결하 기 위한 여러가지 국토정비사업과 함께 침수피해는 계속 증가되어 오고 있다. 1960년대에는 농경지， 1970년대에는 산업시 설 및 공공시설에 각각 많은 피해가 있었으며， 1980년대에는 많은 용수해 피해가 있었다‘ 그리고 1990년대에는 그 피해의 규모가 상당히 증가하였다. 따라서 자연재해에 대한 예방조치를 통해 태풍과 홍수로부터의 희생자와 재산 손실을 줄일 필요 가 있다. 본 연구에서는 침수지역의 갚이와 양을 계산하여 홍수피해를 예측하고 예방하기 위해서 시률레이션 시스댐이 도입 되었다， 본 연구에서는 침수를 모의 할 수 있는 HEC-GeoRAS와 ArcView를 이용하여 침수면적 및 침수심을 산정하는데 그 목적이 있다. 이번 연구가 재해 관리 분야의 전문가들과 기관들에 유용한 정보를 제공할 것으로 기대한다.

액심용어 HEC-GeoRAS, 침수면적， Arc-View, 홍수

ABSTRACT During the past few years, Korea has experienced extraordinary floods, which have caused many damagesof

\ives and properties. Flooding caused by typhoon is the most common disastrous phenomenon of nature among all catastro- phes. As the average temperature of the earth has been increasing by global warming, the possibi\ity of typhoon is also increased by abnormal climate changes. Along with the river improvement as a paπ of flood control, the time of concentra- tion has been decreased, so the pick discharge has been increased. Moreover, with the land development activities, the area of storage has been diminishing, and the damages 삼om inundation have been continuously increasing. There were a lot of damages to farmland in 1960’s

,

,

1980’s. In 1990’s, however, the amount of damages was increased substantially. So, there is need to decrease the number of the victims and loss of properties by applying preventive measures against natural calamities. This study has employed a simulation system to calculate the depth and amounts of inundation areas to forecast and prevent from flood damage by using rainfall-runoff model. In this study, a case study method is adopted to show inundation by using rainfall-runoff model, HEC-GeoRAS and Arcview. lt is hoped that, this study would be conducive to professionals and organizations working in the field of disaster managemen^t.

KEYWORDS HEC-GeoRAS, Flood, Inundation. Arc-View, GIS

*동아건설산업(주)， 공학석사 (E-ma il: [email protected])

•• 부경대학교 건설공학부 교수， 농공학박사

••• 정회원， 부경대학교 건설공학부 교수， 공학박사

43

44 김창수· 이영대·이환우

1.

‘-

치수대책의 일환으로 하천정비가 이루어짐에 따라 하 천의 도달시간은 짧아져 첨두홍수량이 증가되고 토지의 개발로 저류면적이 축소되어 침수피해는 계속 증가되고 있다. 1960년대는 농경지 피해가 많고 1970년대는 산업시 설 및 공공시설피해가 많았으며 1980년대는 풍수해 피해 가 많고 1990-2000년대는 피해액은 증가하나 재해예방대 책으로 인명피해는 계속 감소하고 있는 추세이다.

자연재해의 원인은 강우가 대부분이며 2002년 태풍 루 사의 경우 246명 인명피해와 514억 재산 피해를 가져왔고 2003년 태풍 매미는 132명의 인명 피해와 4조 7， 810억원 에 달하는 재산피해를 발생시켰으며 2007년 태풍 나리의 경우 집중호우로 제주 시내는 온통 물바다로 변했고， 홍 수파로 인하여 13명의 인명피해와 I천 300억원의 재산 손 실을 발생시켰다. 따라서 침수피해예방과 피해저감 대책 을 삶의 질 향상을 위해 펼수적이며 이에 대한 연구가 절 실한실정이다.

침수피해에 대비하기 위해서는 홍수시 예상되는 침수 면적에 대한 정확한 분석이 요구되므로 강우-유출모형과 침수분석을 연계하여 비교적 객관적 인 침수구역 및 침수 심을 산정하여 침수피해를 효율적으로 수행할 수 있는 시 스탬이 요구되고 있다

따라서 본 연구에서는 침수를 모의 할 수 있는 따C­

GeoRAS와 ArcView를 이용하여 침수면적 및 침수심을 산 정하는데 그 목적이 있다.

2.

2.1 수문학과 GIS

지리정보시스댐 (GIS: Geograp비callnfonnation System)은 지 형학적 정보를 참조하는 여러 형태의 자료를 획득， 저장， 수 정， 조작， 분석， 도시할 수 있는 컴퓨터 시스템이다. 이 기술은 공간적 특성을 표시하고， 공간자료를 분석， 관리하는 유용 한 도구로서 최근 급속히 개발되어 왔으며， 수공학을 비롯 한 많은 분야에서 적용되고 있다(호댁수자원공사，2003).

GIS의 시작은 1950년대 미국 워싱턴 대학의 연구를 시 초로 볼 수 있으며， 본격적인 GIS의 시작은 60년대 캐나 다 CGIS(Canadian GIS)를 꼽을 수 있다. 이 러한 GIS는 70 년대 들어서 컴퓨터와 그래픽 처리기술 발달로 전문회사 가 출현했으며， 80년대에 DB 기술의 향상 및 프로그램 모 율화 등으로 급격한 성장을 하였다 90년대에 걸쳐 컴퓨 터의 대중화 및 보급으로 인해 GIS의 효용성이 향상되고

한국재난관21표준학희 논운즙/ 제2권 제4호

있으며 Web GIS와 같은 통망을 이용한 범세계적인 GIS 자료의 공동 사용을 위한 노력과 함께 GIS자료의 호환성 을 극대화하기 위한 표준화 작업도 활발히 진행되고 있다 최근 몇 년간 대규모 자연재해가 동시다발적으로 발생하 면서 수문학 분야와의 연계에 의한 GIS의 활용이 두드러 진 발전을 보이고 있다(육승우， 2005).

GIS를 이용한 침수면적에 대한 연구로 김상용(2001)등 은 낙동강 수계의 사행에 관한 연구를 GIS와 수문학을 연 계시켜 상습침수지역의 특성분석을 GIS와 연계시킴으로 써 효율적인 관리방안을 제시하였고， 황태하(2004)등은 HEC-GeoRAS와 HEC-RAS를 이용하여 홍수범람에 대해 연구한 바 있고， 김 기석 (2006)등은 HEC-GeoRAS를 이용 하여 홍수범람지역에 대해 연구한 바 있다. 또한， 김종찬 (2004)은 GIS를 이용한 도시침수예측 모형개발을 통해 도 시침수양상의 전파특성， 침수위 등을 계산하고 도시침수 해석의 차원별 비교검토를 실시하였고， 김훈(2004)은 지 역빈도 강우자료와 HEC-RAS를 이용한 농지침수지역에 관한 연구를 실시하여 모형의 적용성을 검정하였다.

2.2 ArcWiew와 수문모형

ArcView는 ESRl에서 개발한 GIS 소프트웨어로서 개인 용 컴퓨터 , Mac, UNIX, OpenVMS 등에서 사용가능한 강 력한 기능을 가지고 있다. 핵심적인 특정으로는 손쉽게 사용할 수 있는 그래픽 인터페이스， 거의 모든 포뱃의 데 이터와 억세스 가능， 지리 데이터 갱신의 확장성 제공， 온 라인 help 제공， 다중의 플랫폼지원 등이 있다. 즉， 싸"CView는 일반 사용자가 사용하는 PC상에서 지리정보를 디스플레 이， 검색， 분석을 손쉽게 강력하게 할 수 있는 GIS 툴인 동시에， 보다 쉽게 빠른 기간 내에 배울 수 있다는 장점을 가지고있다. 이는 새로운 GIS 사용}를 위한 것일 뿐만 아니 라， 기존의 GIS 사용자에게 많은 기능과 편의성을 제 공하며 , 또한 RDBMS(relational database management system) 사용자 등과 같은 관련 분야의 사용자에게 확장된 세계를 펼쳐준다.

Avenue는 customized ArcView project를 생성하기 위하여 이용되는 객체 지향 프로그랩이다. 이 언어는 view, theme 및 tabl라+ 같은 project document의 객체를 생성하고， 이 들 객체로부터 정보를 처리하고， 읽거나， 조작하여 project 내에서 추가적인 객체를 생성할 수 있도록 한다. 일반적 인 언어와 같이， avenue를 이용하여 순환문， 입력문 및 출 력문 등을 표현할 수 있다. 일단 avenue scnpσ} 작성되고 compile되었다면， 메뉴나 tool 버튼에 연결하여 반복적인 작업을 수행할 수 있다(한국수자원공사， 2003).

HEC-GeoRAS 모형에 의한 침수면적산정 사례연구 45

2.3 HEC-GeoRAS 모형의 개요

HEC-G∞RAS extl없sion(Version 3 .l)은 Hydrologic Engineering Center(HEC)와 Environmental Systems Research Institute

,

lnc.(ESRl)사가 협력하여 개발한 프로그램이다 그리고 마C-Geo없S 3.1은 이전의 AVRAS 2.2 extension을 계속 적으로 개발하여 얻어진 결과물이며， HEC-RAS에 사용되는 geometric data를 생성하기 위한 ArcView GIS의 extenslOn 이다 이 extension은 GIS경 험 이 부족한 사용자가 DTM (Digital Terrain Model)에서 지형속성을 포함하는 HEC- RAS irnpoπ file을 만들 수 있도록 도와준다.

HEC-GeoRAS는 HEC-RAS에 들어갈 geometric data file을 생성할 뿐만 아니라 RAS로부터 export된 결과를 보여 줄 수도 있다 import file은 data sets(ArcView shapefiles)과 DTM으로부터 추출된 자료로 만들어진다. HEC-GeoRAS는 불규칙삼각망(Triangulated Irregular Networks; TIN)으로 표현된 DTM을 요구한다 Geometric data는 RAS Themes의 조합으로만들어진다.

3. 모형의 적용

3.1 홍수량 산정

3.1.1 홍수량 산정 모형

홍수량 산정은 미공병단에서 개발된 HEC-HMS 3 .2를

표 1.유역 구분기호 소유역

SUB1-SUB7 S UB2-1-S UB2-7

표 2. 유출에 대한적용인자

하천 지점 」λ-T。「여「 하도 소유역

면 적 (km²

SN1 Sub1 2.46

SN2 Sub2 RSI 37.62

SN3 Sub3 RS2 10.69

서낙동강 SN4 Sub4 RS3 29.07

SN5 Sub5 RS4 11.20

SN6 Sub6 RS5 14.47

SN7 Sub7 RS6 16.87

1M0 Sub2-1 40.33

1M1 Sub2-2 RJI 22.56

1M2 Sub2-3 RJ2 25.10

조만강 1M3 Sub2-4 RJ3 19.66

1M4 Sub2-5 RJ4 5.54

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JM6 Sub2-7 RJ6 10.27

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그림 1. HEC-HMS 모형이용을 위한 구역 구분

이용하였으며 모형구축은 하천별로 서낙동강， 조만강， 소 유역 (SUBASIN)

,

3.1.2 유역수문 인자

서닥동강 유역의 소유역에서 유역면적， CN값， 도달시 간 등 수문인자를 요약 정리하면 표 2와 같다.

3.1.3 태풍 사상별 홍수량

김해 관측소 실측강우량을 이용하여 태풍 사상별로 올 가(Olga 1999. 7.23-8. 4), 사오마이 (SAOMAl 2000.9.15- 9.16)

,

CN값 도달 ClarkR Muskingum

(AMC-llI) 시 간 (hr) (hr) K (hr) X

92.8 0.82 0.80

87.0 2.06 2.02 0.80 0.2

91.7 5.78 5.67 1.64 0.2

86.1 2.21 2.16 0.93 0.2

82.3 1.51 1.48 0.45 0.2

86.2 1.76 1.72 0.61 0.2

85.9 2.65 2.60 1.38 0.2

86.3 3.20 3.14

87.3 2.25 2.20 l^‘03 0.2

86.4 1.94 1.90 0.74 0.2

85.5 1.93 1.89 0.79 0.2

88.9 2.98 2.92 0.61 0.2

86.8 2.11 2.07 0.34 0.2

86.4 1.36 1.34 0.40 0.2

‘bαna/ of The f{，αean Society of Societa/ Secwι VoI. 2, No. 4

46 김창수·이영대 ·이환우

표 3 하천멸홍수량산정

유역 홍수량(m²/sec)

구분 지점 면적 올가 사오마이 루사

Junction (km²) 1999 2000 2002

SNI 303.07 852.9 395.5 1105.9

SN2 249.32 730.5 365.6 982.1

SN3 82.30 252.5 136.1 341.1

서낙동강 SN4 71.61 235.6 131.4 316.5

SN5 42.54 134.0 72.2 182.4

SN6 31.34 98.7 54.8 135.5

SN7 16.87 56.8 32.6 75.5

JMO 129.40 399.1 223.2 556.8

JMI 89.07 288.3 169.9 408.9

JM2 66.51 218.8 135.5 312.2

조만강 JM3 41.41 144.9 90.6 198.3

JM4 21.75 83.0 51.8 108.4

JM5 16.21 63.9 42.7 84.8

JM6 10.27 45.0 28.8 55.6

정리하면표 3과같다.

3.2 침수범위해석 3.2.1 preRAS

preRAS 작업 은 Arc-View의 HEC-GeoRAS extention을 이용한 작업이다. preRAS 작업은 HEC-RAS이용해 홍수 위를 구할때 geomeπic data를 측량하여서 직접 하천단면 을 입력해야하는 번거로움을 줄이기 위해서 수치지도를 이용하여 좀 더 손쉽게 geometric data를 형성하기 위해서 수행하는 작업이다 먼저 TIN을 생성하기 위해 대상지역 의 수치지도를 구하여 벡터 theme을 구축한 다음 수치지 도 중에서 TIN 생성시 필요한 등고선 레이어 (7112， 7114) 와 표고점 (7217)만 추출하여 TIN을 생성한다 . TIN 생성 이 완료되 면 RAS theme을 생성 하는데 RAS theme은 HEC-없S에서 수리 분석을 위한 기하학적 자료를 DEM 으로부터 추출하기 위해서 생성된다. 생성해야 할 theme 은 Stream Centerline

,

,

unport파일을 생성하면 된다. 그림 2은 서낙동강유역의

TIN과 RAS theme을 나타낸 그림 이다. 그림 3는 HEC- RAS에서 없 S GIS import 파일을 불러옹 그림이다.

3.2.2 postRAS

post없S에서 따C-RAS의 모의 결과 생성된 Export GIS Data를 이용하여 침수범위를 산정할 수 있다. 본 논 흔/국재난관2/.표준학희 논운징 제2권 제4호

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그림 2. 서낙동강유역의 TIN과 RAS theme

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그림 3. HEC-RAS의 geometric data

문은 침수범위 뿐만 아니라 침수면적을 산정하기 위하여 postRAS에서 몇 가지 작업을 더 실행하였다. 먼저 침수범 위를 산정하기 위해서 3장에서 설명한 것과 통일한 방법

HEC-GeoRAS 모형에 의한 침수면적산정 사례연구 47

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(a) 태풍 Olga 당시 침수현황

(b) 태풍 Saomai 당시 침수현황

(c) 태풍 Rusa 당시 침수현황 그림 4 태풍사상별 서낙동강유역의 침수현황

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(a)

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그립 5. 침수심 멸 코드부여

으로 침수범위를 산정하여 준다. 그림 4는 태풍 Olga, Saomai, Rusa 때 서낙동강유역의 침수현황을 보여주는 그 림이다.

침수면적을 구하기 위해서 지형 TIN과 수위 TIN을 각각 grid로 바꿔주고 Analysis 메뉴 아래에 있는 Map Calculator 를 이용하여 지형 grid에서 수위 grid를 빼주고， Reclassify를 이용하여 침수심마다 코드를 부여한다. 그림 5는 침수심 별로 코드를 부여하는 화면이다.

침수심별로 코드를 부여하고 난 후 shape파일로 변환한 후 토지이용도와 행정구역도를 중첩시켜 면적을 구해준다.

그림 6는 침수지역을 토지이용도와 행정구역도별로 나타 낸 그림이다.

본 연구는 3 개의 태풍 이ga， Saomai, Rusa 태풍당시 실 제침수면적과 HEC-GeoRAS를 이용하여 구한 면적을 비 교해보았다 표 4와 그림 7은 실제 침수면적과 I-æC-GeoRAS 를 이용하여구한 면적을 비교한 표와 그림이다 실제침수 면적과 모의계산한 침수면적간에 차이가 크게 발생하는 이유는 침수면적의 약 95%가 농지로 나타났는데， 농지에 서 침수면적은 농작물이 잠겨야 침수면적으로 산정하나 모의발생된 침수면적은 토지지반고보다 수위고가 높은

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그림 6 토지이용도별， 행정구역별 침수범위

(b) 행정구역별

니Iouma/ of The Korean Society of Societa/ Secwκ Vol 2, No. 4

48 김창수·이영대·이환우

표 4 침수면적비교

구분 피해기간

1 999(Olga) 7.23-8.4 2000(Saomai) 9.12-9.16

8,000 7,000 6,000 효 5，∞o 흙 4，'뼈 싫 3，뼈

2.000 1,000

o

2002(Rusa) 8.30-9.1

。 Iga Saomai Rusa

태풍사상얼

그림 7. 침수면적비교

실제침수면적 (a) 1,059

258 3,312

l 설제짐수언적

• HEC-Ge oRAS 모의걸과

부분을 침수면적으로 계산하였기 때문이다.

4. 결 ^료르 ‘-

침수해석모형인 HEC-GeoRAS와 지리공간 정보를 처 리할 수 있는 ArcView를 이용하여 서낙동강유역에 대한 침수모의를 수행하고 기존의 조사자료와 비교한 결과 다 음과 같은 결론을 얻었다.

첫째， HEC-GeoRAS와 ArcView를 이용하여 서낙동강유 역을 대상으로 홍수량산정에서 침수심 계산까지 순차적 으로 수행할 수 있도록 체계화하였으며 이는 여타지역에도 사용할수있다.

둘째， 홍수량은 HEC-HMS로 산정하고 홍수위계산은 HEC-RAS로 계산 한 후， 지형 TIN을 이용한 Grid와 수위 TIN에 의한 Grid의 차이를 침수심으로 하였다.

셋째， 비교적 현장 조사자료가 정확하다고 판단되는 태풍 Rusa시 실제침수면적과 HEC-GeoRAS와 ArcView를 사용 하여 모의한 침수면적은 약 12 %정도 차이가 나타나 적 용성이 좋은 것으로 나타났다.

넷째， 1正C-GeoRAS와 ArcView를 이용하여 침수해석을

한국재난관2/.표준학희 논문증l 제2권 찌4호

피해 규모 (ha)

침수면적비 b/a

HEC-GeoRAS모 의 (b)

5,219 4.93

6,284 24.4

3,702 1.12

한 후 태풍 이ga， Saomai 서낙동강유역의 실제침수조사면 적과 비교한 결과 이 ga와 Saomai의 경우 차이가 크게 발 생한것으로나타났다.

다섯째， 현장실측 조사자료와 모의발생값 사이에 크게 차이가 나는 이유는 실측조사와 모의발생 사이의 침수면 적 계산법의 상이 때문으로 보인다.

또한 실측조사와 모의발생 사이의 침수면적 차이를 줄 이기 위해서는 지형측량중 표고측량의 정도를 높이고(등 고선 간격을 약 20 cm)침수면적조사시의 침수면적계산법 의 통일에 대한 연구가 펼요한 것으로 판단된다.

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