Special Issue
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1.1 머리말
최근 발생하는 도시홍수피해는 주로 중소규모의 도시하천에서 빈번히 발생하고 있으나, 대부분의 홍
수 예·경보는 대규모 국가하천을 중심으로 실시되 고 있으며 매년 반복적인 도시지역 침수와 하천범람 에도 불구하고 중소규모 도시하천에 대한 홍수 예·
경보나 내수침수에 대한 예보는 전무한 실정이다. 이 에 “내외수 연계 도시 침수저감 능력향상 기술 연구 (이하 내외수 연구단)”의 1세부에서는 “내외수 연계 홍수위험 및 침수예측 선진화 기술 개발”을 통해 실 시간 도시홍수예보를 목표로 연구를 진행하였다. 현 재 내외수 연구단은 5차년도 과제종료를 눈앞에 두 고 최종연구에 박차를 가하고 있으며 기 개발된 1세 부 최종성과물인 “내외수 연계 침수예측시스템”의 고도화 및 실용화를 위해 노력하고 있다. 1세부 연구 과제 “내외수 연계 홍수위험 및 침수예측 선진화 기 술 개발”에는 초단기 강우예측, 하수관망 단순화, 매 개변수 추정, 내수침수해석, 침수위험지도 제작, 다 차원법기반 침수피해액 산정 기술 등의 핵심기술을 획득하고, 현재 핵심기술들을 연계하여 시스템화를 진행하고 있다. 시스템화가 완료되면 10분 이내 도림 천 지역의 실시간 침수예측이 가능하다(그림 1).
2. 내외수 연계 침수예측시스템 기술 개발
내외수 연구단 1세부의 최종성과물인 “내외수 연 계 침수예측시스템”은 대상유역인 도림천 주변의 실 시간 강우, 레이더, 하천 및 관거 수위 등의 관측자
내외수 연계 홍수위험 및 침수예측 선진화 기술 개발
문 영 일
서울시립대학교 토목공학과 교수/
도시홍수연구소 소장 [email protected]
윤 선 권
APEC 기후센터 융합기술 팀장 [email protected]
전 경 수
성균관대학교 수자원전문대학원 교수 [email protected]
권 현 한
전북대학교 토목공학과 교수 [email protected]
료를 이용하여 침수분석을 진행하고 홍수예보를 실 시할 수 있다. 침수예측시스템의 입력자료는 자동데 이터 취득 시스템을 개발하여 서울시 열린데이터광 장, 지방자치단체에서 운영하는 시스템, 기상청 개 방포털 등에서 실시간으로 수집하고 있으며 내외수 연구단에서 공유하여 사용할 수 있도록 실시간으로 통합데이터베이스에 저장한다. 자동데이터 취득 시 스템을 통하여 수집한 자료는 SWMM 모형의 입력 자료로 사용하여 강우-유출분석을 실시한다. 실시 간 레이더 자료(레이더 반사도, 레이더 강우)를 바탕 으로 초단기 강우를 예측하여 도림천 유역의 면적강 우량을 10분 단위 예측강우로 활용한다. 예측강우와 실시간 실측강우를 바탕으로 실시간 내외수 분석을 실행하며 도림천 유역의 주요지점의 예측수위, 관거 수위를 예측할 수 있으며, 주요침수 지점의 유출량 을 강우법 또는 강우-유출법을 이용하여 홍수예보 를 실시한다. 여기서 강우법과 강우-유출법은 침수 피해 예측을 강우자료를 이용하는지 강우-유출모형 의 결과를 이용하는지에 따른 홍수예보 분류 방법이
다. “내외수 연계 침수예측시스템”의 구성은 그림 2 와 같다.
2.1 초단기 강우예측 기술
1-2세부, APCC에서는 집중호우에 대한 내외수 연계 침수예측시스템의 입력자료로 활용하기 위해 시·공간적으로 고해상도 자료를 제공할 수 있는 기 상레이더와 위성영상 자료를 결합하여 초단기 강수 예측기법 개발 연구를 수행하였다. 레이더와 위성자 료 이용 다중센서 초단기 예측 프로그램은 그림 3과 같이 크게 자료 전처리 (Pre-Processing), 정량 강 수량 추정 (Quantitative Precipitation Estimation Processing), 정량 강수량 예측 (Quantitative Precipitation Forecast Processing)의 3단계로 이 루어져 있다. 자료 전처리 단계에서 RSL (Radar Software Library)을 적용하여 레이더 볼륨자료에 서 1km 공간해상도를 가지는 1.5km 반사도 CAPPI (Constant Altitude Plan Position Indicator) 자료 그림 1. 내외수 연구단 1세부 연구 구성
내외수 연계 홍수위험 및 침수예측 선진화 기술 개발 Special Issue
를 생성한다. 또한 천리안 위성 (Communication, Ocean and Meteorological Satellite, COMS) 자 료의 공간해상도는 4km이므로 레이더-위성 강우 자료를 결합하기 위해, 각각의 자료의 공간 해상도 를 1km로 맞추는 과정이 전처리 단계에 포함된다.
기상레이더의 반사도와 강우강도사이의 경험적인 관계식 (Z=aRb)을 이용하여 강우량을 추정하였으 며, 강우 유형에 따라 Z-R관계식을 조정할 수 있도 록 설계하였다. 또한 기상레이더로 추정된 강우량 은 지상강우관측에 비해 정확성이 낮고, 불확실성을 포함하고 있으므로, COMS에서 산출되는 강우자료 와 결합하여 강우추정의 정확도를 개선하였다. 레이 더와 COMS에서 추정된 강우자료를 결합한 강수장 자료는 초단기 강우예측 모형의 입력자료로 활용된 다. 추출된 반사도 1.5km CAPPI 자료를 이용하여 Rinehart and Garvey (1978)에 의해 제안된 TREC (Tracking Radar Echoes by Correlation) 기법을 기반으로 패턴 상관분석을 통하여 강우시스템의 최 적 이동벡터를 산출하고, 이를 이용하여 시·공간적
으로 외삽하여 강우시스템의 이동 예측 모델을 개발 하였다. 또한 강수시스템의 비선형적인 이동에 대한 예측 능력을 향상시키기 위해 Semi-Lagrangian 방법을 적용하였다 (Germann and Zawadzki, 2002). 초단기 강우예측 모형은 시범지역인 도림천 유역에 10분 간격으로 최대 120분까지 지점 및 면적 강우예측 자료를 실시간으로 생산하도록 구축하였 으며, 타 유역에도 쉽게 확장, 적용이 가능하도록 하 였다. 또한 COMS 자료 확보가 어려운 경우에도 레 이더 자료만을 이용하여 초단기 강우 예측 모형구동 이 이루어 질 수 있도록 설계하였다.
2.2 하수관망 단순화 기술
1-4세부, 서울시립대학교에서는 SWMM 강우- 유출모형에 대한 하수관망 단순화 기술을 개발하였 다. 선행적인 홍수예측을 위한, 레이더 예측강우의 빠른 분석이 요구되는 실시간 도시홍수예보에는 신 뢰성 높은 유출결과를 나타내는 모형의 모의시간 단 그림 2. 1세부 최종성과물 “내외수 연계 침수예측시스템” 구성
축이 중요한 핵심요소이다. 하지만 도시지역의 하수 관망은 그 규모가 방대하고 배치형태가 복잡하여 모 든 하수관망에 대해서 빠른 분석이 시행되어져야 하 는 실시간 도시홍수예보에는 적합하지 않다. 따라 서 하수관망 단순화를 통한 모의시간 단축이 필수적 이며 본 연구에서는 누가유역면적을 기준으로 모형 의 단순화를 실시하였다. 내외수 연구단 대표시범유 역인 도림천 유역에서 12ha 누가유역면적을 기준으 로 하수관망을 단순화하였으며 단순화된 강우-유출
모형은 그림 4와 같다. 하수관망 단순화는 ① 초기 조건 체크, ② 유역면적 연산, ③ 지선 및 간선 연산,
④ 매개변수 연산, ⑤관망생성(.inp)의 순으로 진행 된다. 초기조건에서 하수관망의 초기관, 분기관, 합 류관, 방류관을 설정한 후 각 노드의 유역면적을 상 류부터 누가시킨 후 사용자가 지정한 누가유역면적 을 기준으로 지선과 간선을 구분한다. 단순화 관망의 매개변수는 유역면적을 매개변수로 이용하였다. 도 림천 유역의 32,694개 전체 관망은 약 85% 감소한 그림 3. Multi-Sensor 기반 초단기 강우예측 시스템
그림 4 하수관망 단순화 기술
순화 이전 전체관망 강우-유출모형 단순화 강우-유출모형
내외수 연계 홍수위험 및 침수예측 선진화 기술 개발 Special Issue
4,739개 관망을 가진 유출모형으로 단순화되었으며 SWMM 모의시간 또한 약 90% 단축되었다(표 1).
2.3 매개변수 추정기술
1-1위탁과제, 전북대학교에서는 도시홍수 예측 을 위한 SWMM 매개변수 최적화 모듈 개발을 목 표로 시범유역(도림천)을 대상으로 도시유역 강우- 유출모형의 매개변수 추정기술에 대한 연구를 수행 하였다. 시범유역 7개 분구를 SCE-UA 알고리즘 을 이용하여(최소 2,000회) 매개변수 최적화를 수 행할 경우, 강우사상(48시간 기준) 약 195일의 연산 소요시간이 필요하다. 병렬처리를 한다고 해도 1회 연산시간이 약 1시간 20분 소요되는 모형은 실무적 으로 적용이 어렵다. 따라서 본 연구에서는 SCE-
UA 알고리즘과 유사한 성능을 도출하지만, 탐색 알고리즘이 우수한 Dynamically Dimensioned Search(Tolson, B. A., and C. A. Shoemaker, 2007) 알고리즘과 관망단순화 기법을 적용하였 다. 그 결과 기존 개발기술에 비해 약 1/10인 약 200~300회 수준에서 첨두홍수량을 효과적으로 재 현할 수 있는 최적매개변수를 도출하였다(그림 5).
최종적으로 도림천 유역의 홍수기 실측유량자료를 토대로 강우-유출모형의 매개변수 최적화를 진행 하였으며 시간단위 강우시계열 생성 모의를 통하여, 통계적으로 유의한 도시홍수 정보 생산 및 하수관망 매개변수 최적화 기술 개발을 통한 도시유역 상습침 수지역에 대한 침수예측정보를 제공하고자 하였다 (그림 6).
표 1. 강우지속기간에 따른 SWMM 단순화 강우-유출모형의 모의시간
강우지속기간 SWMM 모의시간
단순화 이전 전체관망 강우-유출모형 단순화 강우-유출모형 저감률(%)
60분 00:11:00 00:01:12 89.1
180분 00:40:00 00:03:37 91.0
360분 01:20:21 00:07:24 90.8
그림 5. 시범유역 분구별 매개변수 최적화 결과
그림 6. 도시유역 상습침수지역에 대한 침수예측정보 생산 체계 구축 개념도
그림 7. 강우량과 강우지속기간에 따른 침수DB구축(강우량 300mm) c)지속시간 1140분
a)지속시간 480분
d)지속시간 1440분 b)지속시간 780분
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2.4 내수침수해석 기술
도림천 유역의 2D 지표수 유출 모의에 소요되는 시간은 유역면적 4250ha인 도림천 유역에서 계산 시간을 5초, 격자너비를 5m 해상도로 5시간의 시뮬 레이션 시간을 설정할 경우, 4시간이 소요되기 때문 에 실시간 또는 준 실시간 침수위험지역을 예측하 기에는 어려운 실정이다. 따라서 실강우 발생 이전 에 다양한 호우사상에 대하여 침수분석을 실시하여 침수DB를 구축하고 실강우의 발생특성을 고려하여 현재 침수면적을 추정해야한다. 강우에 따른 적정 한 침수DB를 선정하기 위해 강우 인자와 1차원 강 우-유출모형의 모의결과를 이용하였으며 첨두강우 량과 초기강우량을 이용하여 침수DB를 자동으로 선 택하는 방법을 제안하였다. 2차원 침수DB는 도림 천 전역의 침수결과를 타나내고 있으며 강우지속기
간은 8시간부터 24시간까지 1시간 간격으로 시나리 오를 구성하였다. 강우량은 10mm부터 100mm까지 10mm간격으로 시나리오를 구성하였고, 100mm 초 과 강우는 50mm 간격으로 600mm까지 구성하였 으며, 700mm와 800mm 강우를 추가 구성하였다.
2.5 내수침수 취약성 평가 기반 의사결정 모형 수립 기술
1-3세부, 성균관대학교에서는 도림천 지역의 내 수침수 취약성 평가 기반 의사결정 모형 기술을 수립 하였다. 인명피해는 재해에 노출되는 정도보다는 신 체적, 사회적인 특성에 의해 피해를 더 많이 받는 것 으로 보고되고 있다. 이 같은 결과는 같은 침수피해 를 입더라도 이에 대처하는 능력에 따라 피해정도 가 상이할 수 있다는 결론을 제시한다. 즉, 보호해야
그림 8. 내수침수 취약성 평가 절차 그림 9. 내수침수 재난사고 대응을 위한 동적의사결정 모형
할 대상의 재난시 피난 역량은 연령, 활동능력에 따 라 다를 수 있다. 또한 반지하 거주지, 지하철, 지하 상가 등의 상대적으로 침수에 취약한 공간이 산재한 도시의 특성 역시 홍수 취약성 평가에 반영되어야 한 다. 더욱이 침수는 비교적 빠른 시간 내 복합적으로 상황이 발생하기 때문에 단시간 안에 의사결정자들 이 모든 부분을 고려하기 어렵다. 따라서 침수 예측 을 기반으로 비교적 심플한 의사결정 모형을 구성하 여 대응을 위한 정보를 거주민에게 제공할 필요가 있 다. 이를 위해 본 연구에서는 도시의 특성을 반영한 침수취약성(그림 8)을 평가하고 이를 기반으로 도시 침수 대응을 위한 의사결정 프레임워크를 수립하였 다. 의사결정 모형으로 동적계획법을 근간으로 하는 동적의사결정 모형을 수립하고 시간적, 공간적으로 단계를 나누어 각 단계마다 주어진 변수에 따라 의사
를 결정하도록 구성하였다. 각 단계의 대응이 서로 유기적으로 연결되어 대응에 따른 효과가 상호 영향 을 주기 때문에 재난 발생시 행정적 대응을 위한 최 적안을 선택하는 과학적 모형을 구성하는데 유리하 다. 즉, 특정상황이 발생하였을 때 고려하고자 하는 요소들을 변수로 하여 의사결정 방향을 제시할 수 있 도록 하며, 각 단계에서 선택된 사안이 다음단계 또 는 동일단계의 다른 의사결정에 영향을 주어 보다 합 리적인 의사결정을 유도할 수 있다(그림 9).
2.6 다차원법기반 침수피해액 산정 기술
내외수 연구단 2-1세부, 인제대학교에서는 TUFLOW를 이용해서 산출된 침수심과 대상유역의 토지이용도를 이용하여 토지이용도별 침수구역도를
그림 10. 다차원법을 이용한 침수피해액산정 순서도
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제작하고 다차원 홍수피해액 산정기법을 활용하여 인명, 건물, 산업, 농경지 등 자산분류에 따른 침수 면적을 0.5m 침수심별로 산정한 후 미리 구축된 침 수DB에 적용하여 그에 따른 피해액을 산정하였다.
3. 맺음말
본 글에서는 내외수 연구단 1세부과제에서 3단계 5차년도까지 개발된 “내외수 연계 내수침수예측시 스템”에 대한 구성과 핵심기술에 대해 기술하였다.
현재, 과제 종료시점에 이르러 내외수 연계 내수침 수예측시스템의 고도화와 실용화를 위해 내외수 연
구진 모두 힘을 모으고 있으며, 내외수 연구진 모두 에게 아낌없는 성원과 격려를 부탁드리고자 한다.
마지막으로 내외수 연구단의 연구는 도시홍수피해 저감으로 피해액 및 복구액을 절감하는 경제적 효과 그리고 반복적인 재해로부터 국민의 생명과 재산을 보호할 수 있는 ‘안전 한국’을 실현하는 사회적 효과 를 이루는 성공적인 연구가 될 것이다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부 물관리연구사업의 연구비지 원 (17AWMP-B066744-05)에 의해 수행되었습니다.
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참고문헌
