[논문]GIS를 활용한 홍수유역의 유출량 산정

이형석; 김인호

문제 정의

하류지역 에 발생한 홍수 피 해와의 원인상관관계에 대하여 분석이 필요하게 되었다. 또한 기왕의 강우자료와 루사 당시의 강우실측치를 비교·고찰하여 강우로 인한 수방대책한계 가능여부를 분석하기 위해서 이들 강우자료를 이용하여 홍수 유출량을 계산하는 것이 필요하였다.
본 연구에서는 고속도로 공사구간의 유역에 대하여 기하학적인 특성을 조사하여 대상 유역의 평면적, 입체적 특성을 바탕으로 수문해석을 실시하고, 지리정보시스템 (GIS ; Geographic Information System)을 이용한 수치지도를 입력자료로 이용하였으며 토지 이 용현황을 개 발이 전(고속도로건설 및 산불발생 이전)과 '고속도로 건설중', '산불발생 후', '고속도로 건설중+산불 발생 이후'로 각각 나누어 WIS와 연계하여 유출량 해석을 실시하고자 한다.
태풍 루사 당시 관측된 강우기록을 바탕으로, 동해-주문진간 고속도로 건설공사와 지난 2000년 발생한 산불 영향이 유역의 홍수유출에 어떠한 상관관계가 있는지 알아보았다. 이를 위하여 GIS와 WMS 을 이용하여 유역특성인자를 추출한 후 수치 지도에 대상유역의 토양도와 토지이용도를 접합하여 SCS 유줄곡선지수를 산정하였다.

제안 방법

동해고속도로 건설과 관련하여 태풍 루사로 인한 당시의 피해상황 사진을 근거로 고속도로 위치별 주변상황을 조사하였고, 대상구간을 10개 유역으로 분리하여 유역의 수계 및 지형적 특성을 조사하였다. 한편, 지난 2000년 발생한 동해시 지역 산불이 홍수에 미치는 영향을 조사하고자 산불자료와 강우량과의 상관 관계를 비교 검토하였다.
한편, 지난 2000년 발생한 동해시 지역 산불이 홍수에 미치는 영향을 조사하고자 산불자료와 강우량과의 상관 관계를 비교 검토하였다. [그림 1]은 지난 2000년 발생한 동해시 행정구역별 산사태 피해면적을 도시한 것이다.
강우 측정은 인근의 동해 레이더 기상대 및 동해시청에서 측정하였고, 산악지형에는 한국수자원공사(달방댐)와 (주)쌍용양회에서 태풍 루사 발생 당시 강우량을 자체 측정하였다.
산악지역과 맞닿아 있는 강원 동해안지역 대부분과 마찬가지로, 동해시는 배후의 청옥산 및 두타산 등의 고산지역에서는 산악기후를 보이고있고, 시 전면의 동해안에는 해양성 기후를 보이는 등 복잡 다양한 기후현상을 보이고 있다. 따라서 강우자료의 선정은 동해안의 기후 특성을 고려하여 동해 레이더 기상대와 (주)쌍용양회 두 곳의 강우자료를 이용하여 각각 홍수유출해석을 실시하였다.
대상 유역의 수치지도와 토양도 및 토지이용도를 기본으로 G1S 도구인 ArcView GIS 3.2a와 WMS(Watershed Modeling System) 6.0을 이용하여 유역특성인자를 추출한 후 수치 지도에 대상유역의 토양도와 토지이용도를 접합하여 SCS 유출곡선지수를 산정한 후, WMS 6.0 상에 공유되어 있는 HEC-1 모형과 합리식을 이용하여 홍수량을 산정하였으며 연구의 개략적인 흐름도는 [그림 2] 와 같다.
2a를 이용하여 대상 유역의 수치지도(DXF 포맷)를 불러온 후 shape 파일로 변환하여 등고 레이어를 추출하는 전처리 과정을 거치게 된다. 전처리 과정이 종료되면 생성할 수치고도 모델의 No Data Cell을 방지하기 위해 불규칙 삼각망 (TIN) 을 형성하고, 형성된 TIN 파일을 이용하여 대상유역의 수치고도 모델 자료를 구축하게 된다.
그렇기 때문에 지형도 자체가 매우 복잡하며 실제로 세부적으로 확대를 해야만 자세한 지형지물을 파악할 수 있다. 실제로 수치고도모델을 구축하는 경우에는 지형도내에서 등고선, 표고점, 수준점 등의 고도와 관련된 데이터만이 필요하므로 전체 지형도에서 고도와 관계된 레이어만을 추출하는 작업이 필요하게 되는데, 이를 위해 국립지리원에서 제공하는 요소별 인덱스(index)를 참고로 하여 CAD 상에서 지형도의 등고선, 표고점 수준점, 삼각점과 관련된 레이어만을 추출하는 작업을 시행하였고 그 추출 과정을 거쳐 shape 파일로 변환하였다. [그림 4]와 [그림 5]는 형성된 shape 파일로 구성된 TIN 파일을 나타내고 있으며, [그림 6]은 TIN 파일로부터 생성된 수치고도 모델을 나타내고 있다.
1:25, 000 축척의 지형도로부터 래스터형식의 데이터로 작성된 유역 전체의 DEM 파일을 이미 구성하여 이것을 WMS 의 DEM 모듈에서 작업하는 방법을 사용하였다. WMS의 DEM 모듈에서 하천 망과 유역 경계를 작성하기 위해서는 [그림 7] 과 같은 절차를 거쳐야 한다.
상기와 같은 방법으로 기 작성된 하천망으로부터 유역의 경계를 설정하기 위해서는 유역전체의 수치고도모델에 표시된 여러 하천에서 대상 하천에 해당하는 하천망을 설정하였다.
본 연구에서는 토양도 및 토지이용도와 관련된 공간 DB자료를 WMS에 입력하여 유출 곡선지수를 결정하게 되며 WMS 를이용한 개략적인 유출곡선지수 산정과정을 알아보면 [그림 13]과 같다.
본 연구에서는 각 지점의 토지이용 상태에 따라 원상태, 산불로 인해 토지이용 상태가 변한 상태, 고속도로 공사장 주변의 토지이용 상태가 변화한 상태(나대지)와 같이 크게 3가지 상황으로 피해지역을 나누어서 유줄곡선지수(CN)와 유줄계수(C) 를 산정하여 [그림 16]과 [그림 1기에 비교하였다.
또한 항골, 덕곡동, 안이골 지점은 산불의 영향이 유역 전체에 미친 지역으로 조사되었고 묵호고교, 평릉지점은 산불 면적이 작기는 하였으나 산불지역이 유역에 포함되어 있어 산불의 영향도 고려하였다. 이러한 토지이용 상태를 고려하여 각각의 경우와 중복된 영향의 정도를 비교하여 유출량의 증가에 대한 원인을 분석해보았으며, 계산된 유출곡선지수(CN)를 이용하여 유출계수(C)를 산정하고 합리식에 적용하였다.
따라서 대상유역인 3Oknf이하에 가장 적합한 합리 식과 금번 홍수량 산정시 흥수량 산정 성과가 가장 양호한 SCS방법으로써홍수량을 산정하여<표 4>에 나타내었다. 상기한 바와 같이 GIS를 이용하여 토지이용 상태의 변화에 따라 CN을 계산하고, 산정된 CN을 이용하여 유출계수(C)를 합리식에 적용하였다. 합리식 이용시 검토대상이 되는 도달시간은<표 5>와 같으며, 3.
알아보았다. 이를 위하여 GIS와 WMS 을 이용하여 유역특성인자를 추출한 후 수치 지도에 대상유역의 토양도와 토지이용도를 접합하여 SCS 유줄곡선지수를 산정하였다. 그리고 WMS 6.
이를 위하여 GIS와 WMS 을 이용하여 유역특성인자를 추출한 후 수치 지도에 대상유역의 토양도와 토지이용도를 접합하여 SCS 유줄곡선지수를 산정하였다. 그리고 WMS 6.0 상에 연결되어 있는 HEC-1 모형과 합리식 (Rational Method)으로 수문해석을 실시하여 고속도로 및 산불이 홍수유출에 미치는 영향을 면밀히 검토하였다.

대상 데이터

홍수량을 산정하기 위한 대상지점은 당시 유출량의 증가와 토사유출로 인해 많은 피해를 입었던 지역을 방문하여 현장 조사를 하였고, 또한 [그림 3]과 같이 천곡동, 발한동 및 망상동의 주거지역 및 상업지역에 직접적인 영향을 미칠 수 있는 소하천을 포함하는 집수 경계를 중심으로 하여 총 9개 지점, 즉 망상초교, 마상천교, 묵호초교, 새말, 묵호종교, 시외버스터미널, 항곡동, 묘곡동 및 덕곡동을 선정하였다. [그림 3]에서 확인할 수 있듯이 망상동 지점으로 유입되는 2개의 하천을 선정하여 홍수량 대상 지점으로 선정하였고, 마찬가지로 발한동으로 유입되는 3개 하천, 천곡동으로 유입되는 4개 하천을 선정하여 홍수량 산정 지점으로 선정하였다.
[그림 3]에서 확인할 수 있듯이 망상동 지점으로 유입되는 2개의 하천을 선정하여 홍수량 대상 지점으로 선정하였고, 마찬가지로 발한동으로 유입되는 3개 하천, 천곡동으로 유입되는 4개 하천을 선정하여 홍수량 산정 지점으로 선정하였다.
동해시 피해지역의 지형자료(수치지도) 를 이용하여 피해지역의 9개 지점을 선정하였고, 현장조사에 의해 파악된 피해 당시 그 지역의 토지이용상태는과같이 조사되었다.

성능/효과

<표 3>에서 볼 수 있듯이 망상초교와 마상천 유역, 묵호초교, 골말, 묵호고교, 평릉, 항골, 안이골 지점은 고속도로 공사가 진행 중이었던 구간이었으며, 덕곡동 지역은 유역 면적이 작은 관계로 고속도로 건설공사에 따른 영향을 무시하여도 무방할 것으로 판단되었다. 또한 항골, 덕곡동, 안이골 지점은 산불의 영향이 유역 전체에 미친 지역으로 조사되었고 묵호고교, 평릉지점은 산불 면적이 작기는 하였으나 산불지역이 유역에 포함되어 있어 산불의 영향도 고려하였다.
본 연구에서는 HEC-1 모형의 세 가지합성단위도 방법 (Clark Method, Snyder Method, SCS Method)과 합리식으로 홍수량을 산정했지만, 단위도법을 이용하기 위한 유역면적의 상한선은 5000W 정도이며, 하한선은 약 4㎢정도로써 본 연구의 대상 유역에 HEC-1 모형의 세가지 합성단위도 방법을 모두 적용할 수 없었다. 따라서 대상유역인 3Oknf이하에 가장 적합한 합리 식과 금번 홍수량 산정시 흥수량 산정 성과가 가장 양호한 SCS방법으로써홍수량을 산정하여<표 4>에 나타내었다.
72㎢로 비교적 작은 유역면적을 나타내고 있다. 항골지점과 마찬가지로 산불과 고속도로 공사의 영향을 모두 받은 지역으로서 합리식으로 유출량을 산정했을 경우에 51.39%, 39.98%, 11.68%순으로 유출량의 증가에 영향을 미친 것으로 계산되어 역시 산불의 영향이 지배적이었음을 알 수 있었다.

후속연구

본 연구를 통하여 건설공사와 자연재해(홍수, 산불 등)와의 역학 관계를 규명하여, 향후 관내 공사 진행시 재해발생 저감 대책을 위한 기초자료로 활용할 수 있을 것이다.

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