본 연구에서는 돌발홍수 예경보시스템의 수문학적 구성요소인 한계유출량을 Manning의 제방월류 유량, 지형기후 학적 순간판위도 기법을 활용하여 한강유역을 대상으로 산정하였다. 한강유역의 3" DEM자료를 이용하여 미세소유 역 구분($1.02\~56.41km^2$), 하도 및 하도경사를 GIS로부터 추출함으로써 한계유출량 산정을 위한 유역 매개변수를 구축하였다. 또한 유역 및 하도간의 지역적 회귀분석을 위해 실측 소하천 하도단면자료를 수집하여 통계학적으로 최적의 회귀식을 추정하고, 이를 통해 한계유출량 계산의 하도 입력자료를 생성하였다. 이러한 유역 및 하도 매개변수를 통해 한강 headwater 유역에서 산정된 한계유출량은 $2mm/h\~14mm/6hr$의 범위를 보이며, 지속시간 1시간인 경우 $97\%$가 8m보다 작은 값이고 6시간인 경우 $98\%$가 14mm보다 작은 값으로 산정되었다. 계산된 한계유출량과 유역 및 하도 매개변수사이의 민감도는 유역면적과 같은 유역의 지형인자보다는 하도경사, 하폭, 마찰경사와 같은 하도 지형인자에 비교적 큰 변동성을 보이는 것으로 나타났다. 이러한 한강유역 한계유출량을 국외의 타 연구사례와 비교 한 결과 그 계산결과가 적절한 것으로 판단된다.
본 연구에서는 돌발홍수 예경보시스템의 수문학적 구성요소인 한계유출량을 Manning의 제방월류 유량, 지형기후 학적 순간판위도 기법을 활용하여 한강유역을 대상으로 산정하였다. 한강유역의 3" DEM자료를 이용하여 미세소유 역 구분($1.02\~56.41km^2$), 하도 및 하도경사를 GIS로부터 추출함으로써 한계유출량 산정을 위한 유역 매개변수를 구축하였다. 또한 유역 및 하도간의 지역적 회귀분석을 위해 실측 소하천 하도단면자료를 수집하여 통계학적으로 최적의 회귀식을 추정하고, 이를 통해 한계유출량 계산의 하도 입력자료를 생성하였다. 이러한 유역 및 하도 매개변수를 통해 한강 headwater 유역에서 산정된 한계유출량은 $2mm/h\~14mm/6hr$의 범위를 보이며, 지속시간 1시간인 경우 $97\%$가 8m보다 작은 값이고 6시간인 경우 $98\%$가 14mm보다 작은 값으로 산정되었다. 계산된 한계유출량과 유역 및 하도 매개변수사이의 민감도는 유역면적과 같은 유역의 지형인자보다는 하도경사, 하폭, 마찰경사와 같은 하도 지형인자에 비교적 큰 변동성을 보이는 것으로 나타났다. 이러한 한강유역 한계유출량을 국외의 타 연구사례와 비교 한 결과 그 계산결과가 적절한 것으로 판단된다.
In this study, threshold runoff which is a hydrologic component of flash flood guidance(FFG) is estimated by using Manning's bankfull flow and Geomorphoclimatic Instantaneous Unit Hydrograph(GcIUH) methods on Han River watershed. Geographic Information System(GIS) and 3' Digital Elevation Model data...
In this study, threshold runoff which is a hydrologic component of flash flood guidance(FFG) is estimated by using Manning's bankfull flow and Geomorphoclimatic Instantaneous Unit Hydrograph(GcIUH) methods on Han River watershed. Geographic Information System(GIS) and 3' Digital Elevation Model database have been used to prepare the basin parameters of a very fine drainage area($1.02\~56.41km^2$), stream length and stream slope for threshold runoff computation. Also, cross-sectional data of basin and stream channel are collected for a statistical analysis of regional regression relationships and then those are used to estimate the stream parameters. The estimated threshold runoff values are ranged from 2 mm/h to 14 mm/6hr on Han River headwater basin with the 1-hour duration values are$97\%$ up to 8mm and the 6-hour values are $98\%$ up to 14mm. The sensitivity analysis shows that threshold runoff is more variative to the stream channel cross-sectional factors such as a stream slope, top width and friction slope than the drainage area. In comparisons between the computed threshold runoffs on this study area and the three other regions in the United States, the computed results on Han River watershed are reasonable.
In this study, threshold runoff which is a hydrologic component of flash flood guidance(FFG) is estimated by using Manning's bankfull flow and Geomorphoclimatic Instantaneous Unit Hydrograph(GcIUH) methods on Han River watershed. Geographic Information System(GIS) and 3' Digital Elevation Model database have been used to prepare the basin parameters of a very fine drainage area($1.02\~56.41km^2$), stream length and stream slope for threshold runoff computation. Also, cross-sectional data of basin and stream channel are collected for a statistical analysis of regional regression relationships and then those are used to estimate the stream parameters. The estimated threshold runoff values are ranged from 2 mm/h to 14 mm/6hr on Han River headwater basin with the 1-hour duration values are$97\%$ up to 8mm and the 6-hour values are $98\%$ up to 14mm. The sensitivity analysis shows that threshold runoff is more variative to the stream channel cross-sectional factors such as a stream slope, top width and friction slope than the drainage area. In comparisons between the computed threshold runoffs on this study area and the three other regions in the United States, the computed results on Han River watershed are reasonable.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 유역 및 하도매개변수의 지역적(regional) 회귀분석을 통해 Manning의 제방 월류 유량산정방법과 지형 기후학적 순간단위도(Geomorphoclimatic Instantaneous Unit Hydrograph, GcIUH) 기법을 활용하여 대유역 규모(large watershed scale)의 한강 유역 전역에 대한 한계 유출량을 산정하고 이들의 수문학적 거동 특성을 분석하고자 한다.
본 연구에서는 GIS/GUI 시스템을 활용하여 유역기반 한계 유출량 계산을 위한 미세 소유역(50km2 이하) 분할, 상세하천도 및 하천경사를 추출하였다. 이러한 GIS 기초자료 생성을 위해 그림 1과 같이 한강유역3 DEM(Digital Elevation Mode) 자료를 사용하였고, Fig.
Table 3은 1시간 지속 시간의 한계 유출량 분포와 통계치를 Carpenter et al.(1999)의 미국 캘리포니아, 아이오와 및 오클라호 마 지역 계산 결과와 본 연구의 한강 유역 계산 결과를 정리하여 제시한 것이다. Table 3에서 한계 유출량 계산 방법은 본 연구와 동일한 Manning의 제방 월류 유량(Qbf)과 GcIUH 기법으로 계산한 결과이다.
가설 설정
이를 바탕으로 GIUH는 지형학과 수문학의 이론적인 연결에 관심을 기울여 유역의 지형학적 특징에 가장 적합한 평균 유역 반응, 즉 수문응답 함수 (hydrological response function)를 발견하려는 관점에서 GIS와 지형도에서 구할 수 있는 하상지형인자를 이용하여 IUH를 유도한 것이다. GIUH를 이용할 때 유역은 Horton과 Strahler의 차수 법칙을 따른다고 가정한다.
제안 방법
한계 유출량은 토양 수분이 완전히 포화된 상태에서 하천 유량이 제방을 월류할 때까지 필요한 유효 우량인 직접 유출량이다. 특정 유역의 토양 수분을 채우고 한계 유출량을 초과할 수 있도록 산정된 강우 지속 시간별 돌발 홍수능은 기상학적 요소인 예측 강우량과의 상대적인 대소를 비교하여 돌발홍수경보, 돌발홍수주의보 및 돌발홍수 해제 등의 돌발홍수 예경보를 실시한다. 이와 같은 돌발 홍수 예경보의 정확도는 향후 특정 시간 이내에 예상되는 강우량을 정확히 예보하는 기상 부분과 수문학적 돌발홍수 능을 얼마나 정확히 산정할 수 있느냐에 달려 있으므로, 대상지역의 수문학적 한계 유출량을 정확히 산정하는 것은 매우 중요한 일이다.
한편, Manning의 홍수량 기법을 적용하여 한계 유출량을 계산하고자 할 때는 하도 단면 자료(channel cross-sectional data)를 필요로 한다. 본 연구에서는 국내 존재하는 한강유역의 하도단면 자료를 입수하여 필요한 매개 변수를 추출하고, 미계측 유역에 대한 하도 단면 자료는 추출된 하도매개변수와 이에 대응하는 유역 매개 변수 사이의 지역적 회귀관계(regional regression relationship) 분석으로부터 산정하였다.
국내의 경우 이러한 하도 단면 자료는 건교부(국가 및 지방1, 2급 하천) 및 행자부(소하천)에서 발간한 하천정비 기본계획 보고서 등에서 자료를 획득할 수 있으나, 한계 유출량 산정을 위한 대상지점의 일치성은 매우 희박한 실정이다. 따라서 이러한 문제점을 해소하고 자 국내 존재하는 363개의 한강유역 하도단면 자료를 입수하여 필요한 매개 변수를 추출하고, 미계측 유역에 대한 하도 단면 자료는 추출된 하도매개 변수와 이에 대응하는 유역 매개 변수 사이의 지역적 회귀관계 분석으로부터 산정하였다
Table 2에서와 같은 회귀식의 정확도를 검토하기 위해 회귀식으로부터 산정된 매개 변수와 실제 관측값의 분포도를 검토하였다. Fig.
제시된 한계 유출량 계산 이론과 앞선 계산 결과들을 바탕으로 한강 유역 전역에 대하여 한계 유출량을 계산하였다. Fig.
따라서, 본 연구에서는 상기 개념을 바탕으로 국내 한강 유역의 홍수 흔적 자료를 조사한 결과, 그 대상 지역이 주로 인적 및 재산피해가 비교적 큰 하천 하류 유역으로 나타났기 때문에 본 연구의 소유 역 기반 한계유출량의 비교 · 검토가 용이하지 못한 실정이었다. 또한, 국내 한계 유출량 계산 결과는 김운태 등(2002)이 평창 강 유역을 대상으로 계산한 값으로 국한되기 때문에 이들의 정확도를 평가하기 위하여 국외의 계산 결과와 상대적인 비교를 수행하였다.
본 연구에서는 돌발 홍수 예경보시스템의 수문학적 구성요소인 한계 유출량을 Manning의 제방 월류 유량, 단위도의 GcIUH 기법을 활용하여 한강유역을 대상으로 산정하였다. 한강유역의 3" DEM 자료를 이용하여 미세 소유역 구분, 하도 및 하도경사를 GIS로부터 추출하여 한계 유출량 산정을 위한 유역 매개 변수를 구축하였다.
본 연구에서는 돌발 홍수 예경보시스템의 수문학적 구성요소인 한계 유출량을 Manning의 제방 월류 유량, 단위도의 GcIUH 기법을 활용하여 한강유역을 대상으로 산정하였다. 한강유역의 3" DEM 자료를 이용하여 미세 소유역 구분, 하도 및 하도경사를 GIS로부터 추출하여 한계 유출량 산정을 위한 유역 매개 변수를 구축하였다. 또한 유역 및 하도 간의 지역적 회귀 관계식을 위해 실측 하천 하도단면 자료를 수집하여 통계학적으로 최적의 회귀식을 추정함으로써 한계 유출량 계산에 필요한 하도매개변수를 생성하고, 이를 통해 한강유역 headwater 유역에 대한 한계 유출량을 산정하였다.
한강유역의 3" DEM 자료를 이용하여 미세 소유역 구분, 하도 및 하도경사를 GIS로부터 추출하여 한계 유출량 산정을 위한 유역 매개 변수를 구축하였다. 또한 유역 및 하도 간의 지역적 회귀 관계식을 위해 실측 하천 하도단면 자료를 수집하여 통계학적으로 최적의 회귀식을 추정함으로써 한계 유출량 계산에 필요한 하도매개변수를 생성하고, 이를 통해 한강유역 headwater 유역에 대한 한계 유출량을 산정하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 돌발 홍수 시스템의 수문학적 핵심 요소인 한계 유출량을 산정하기 위해 Fig. 1과 같은 한강유역을 선택하였다. 한강유역은 북위 36°30'~38°55', 동경 126°24'~129°35'에 걸쳐 한반도 중앙부에 위치하고 있으며, 유역 면적 34,473km2(임진강유역 8,118km2 포함 및 북한지역 8,455km2 포함), 유로 연장 481.
이하) 분할, 상세하천도 및 하천경사를 추출하였다. 이러한 GIS 기초자료 생성을 위해 그림 1과 같이 한강유역3 DEM(Digital Elevation Mode) 자료를 사용하였고, Fig. 2는 한계 유출량 산정을 위해 추출된 미세 소유역 및 하천도를 나타낸 것이다. 미세 소유역의 경우 그 면적이 1.
데이터처리
회귀분석은 수집된 하도단면 자료 중 54개 지점의 자연 하도단면 자료를 이용하여 통계학적 소프트웨어인 MINITAB(Minitab Inc., 1989)으로부터 수행되었다. 유역매개 변수인 면적(A), 하도 연장(L), 유역경사(S)와 수집된 자연 하도단면 자료 사이에서 수행된 회귀분석 결과의 최적 관계식은 Table 2와 같다.
유역매개 변수인 면적(A), 하도 연장(L), 유역경사(S)와 수집된 자연 하도단면 자료 사이에서 수행된 회귀분석 결과의 최적 관계식은 Table 2와 같다. 회귀분석 시 신뢰수준은 95%를 적용하였고, 결정계수(coefficient of detennination) R2를 확인함으로써 최적 관계식을 도출하였다. 결정 계수의 1차 함수(R)는 하폭(Bb), 수리수심(Db), 마찰경사(Sc)에 대해 각각 65, 56, 73%로 계산되었다.
이론/모형
한계 유출량 계산에서 단위도의 첨두 유량 qpR의 계산은 Rodriguez-Iturbe and Valdes(1979)에 의해 제안된 지형학적 순간단위도(Geomophological Instantaneous Unit Hydrograph, GIUH) 기법으로 결정하였다 (김기욱 등, 2003； 신현석 등, 2004). 순간단위도 (IUH)란 어떤 유역에 단위유효 우량이 순간적으로 내릴 때 유역 출구를 통과하는 유량의 시간적 변화를 나타내는 수문 곡선을 의미한다.
성능/효과
이러한 가정은 실제로 있을 수는 없지만 수문곡선 해석에 사용되는 가상의 개념이다 (윤용남, 1998).이를 바탕으로 GIUH는 지형학과 수문학의 이론적인 연결에 관심을 기울여 유역의 지형학적 특징에 가장 적합한 평균 유역 반응, 즉 수문응답 함수 (hydrological response function)를 발견하려는 관점에서 GIS와 지형도에서 구할 수 있는 하상지형인자를 이용하여 IUH를 유도한 것이다. GIUH를 이용할 때 유역은 Horton과 Strahler의 차수 법칙을 따른다고 가정한다.
Table 3에서 한계 유출량 계산 방법은 본 연구와 동일한 Manning의 제방 월류 유량(Qbf)과 GcIUH 기법으로 계산한 결과이다. 이들 결과에 따르면, 한강유역 한계 유출량의 범위, 평균 및 표준편차가 각각 2~28, 5.62, 2.13mm로 나타나 미국의 3지역 계산 결과와 비교적 유사한 경향으로 산정되었다.
41km2의 범위를 가지며 한강유역 전체를 2,984개로 구분하였다. 본 소유역 매개 변수인 면적, 하도 연장, 하도경사의 상대빈도 분포를 평가한 결과, 소유 역 면적의 경우 평균 및 표준편차가 각각 10.32, 7.03km2으로 나타났고, 하도 연장은 3.37, 2.38km, 하도경사는 0.102, 0.098로 계산되었다. 각 매개 변수들 분포가 유역의 지형학적, 기후학적 특성으로 인해 그 값이 증가할수록 지수 감소 형태의 비선형 특성을 가지는 것으로 나타났다.
098로 계산되었다. 각 매개 변수들 분포가 유역의 지형학적, 기후학적 특성으로 인해 그 값이 증가할수록 지수 감소 형태의 비선형 특성을 가지는 것으로 나타났다. 또한, 유역 매개변수를 이용하여 하도 매개 변수를 추정할 수 있는 지역적 회귀분석식의 결정 계수는 하폭, 수리수심 및 마찰경사에 대해 각각 65, 56, 73%로 계산되었다.
각 매개 변수들 분포가 유역의 지형학적, 기후학적 특성으로 인해 그 값이 증가할수록 지수 감소 형태의 비선형 특성을 가지는 것으로 나타났다. 또한, 유역 매개변수를 이용하여 하도 매개 변수를 추정할 수 있는 지역적 회귀분석식의 결정 계수는 하폭, 수리수심 및 마찰경사에 대해 각각 65, 56, 73%로 계산되었다. 구축된 입력자료로 산출된 한계 유출량은 소하천 유역을 대상으로 2mm/h~14mm/6hr의 범위를 보이며, 지속시간 1시간인 경우 97%가 8mm보다 작은 값이고 6시간인 경우 98%가 14mm보다 작은 값으로 산정되었다.
또한, 유역 매개변수를 이용하여 하도 매개 변수를 추정할 수 있는 지역적 회귀분석식의 결정 계수는 하폭, 수리수심 및 마찰경사에 대해 각각 65, 56, 73%로 계산되었다. 구축된 입력자료로 산출된 한계 유출량은 소하천 유역을 대상으로 2mm/h~14mm/6hr의 범위를 보이며, 지속시간 1시간인 경우 97%가 8mm보다 작은 값이고 6시간인 경우 98%가 14mm보다 작은 값으로 산정되었다. 계산된 한계 유출량과 유역 및 하도매개변수사이의 민감도를 분석한 결과, 10mm 이하의 한계 유출량 분포에서 유역 면적과 같은 유역의 지형인자보다는 하도경사, 하폭 및 마찰경사와 같은 하도지형인자에 비교적 큰 변동성을 보이는 것으로 나타났다.
구축된 입력자료로 산출된 한계 유출량은 소하천 유역을 대상으로 2mm/h~14mm/6hr의 범위를 보이며, 지속시간 1시간인 경우 97%가 8mm보다 작은 값이고 6시간인 경우 98%가 14mm보다 작은 값으로 산정되었다. 계산된 한계 유출량과 유역 및 하도매개변수사이의 민감도를 분석한 결과, 10mm 이하의 한계 유출량 분포에서 유역 면적과 같은 유역의 지형인자보다는 하도경사, 하폭 및 마찰경사와 같은 하도지형인자에 비교적 큰 변동성을 보이는 것으로 나타났다. 이러한 특성을 보이는 한강유역 한계 유출량을 국외의 타 연구 사례와 비교한 결과 그 방법론 및 계산 결과가 적절한 것으로 판단된다.
후속연구
최근 기후변화 등 지구 환경 변화의 영향으로 짧은 시간에 매우 높은 강도를 가진 집중호우에 의한 돌발홍 수의 피해가 빈번히 발생하여 많은 인명과 재산피해를 초래하고 있다. 이러한 피해를 경감하기 위해서는 댐 및 제방건설 등의 구조적 대책과 홍수예경보시스템 구축과 같은 비구조적 대책을 병행하여 추진해야 될 것이다. 그러나, 국내 현업에서 사용되고 있는 강우-유출 모형에 의한 홍수 예경보 시스템은 강우의 실관측치를 모형의 입력자료로 요구하기 때문에 홍수도달 시간이 매우 짧은 소유역의 돌발 홍수를 예보하는 데는 실효성을 거두지 못하고 있는 실정이다.
그러나, 국내 현업에서 사용되고 있는 강우-유출 모형에 의한 홍수 예경보 시스템은 강우의 실관측치를 모형의 입력자료로 요구하기 때문에 홍수도달 시간이 매우 짧은 소유역의 돌발 홍수를 예보하는 데는 실효성을 거두지 못하고 있는 실정이다. 이와 같은 상황에서 특정 유역의 토양 수분 상태, 한계유출량(threshold runoff), 단기 기상예보 자료 등으로부터 돌발홍수능(Flash Flood Guidance, FFG)을 계산할 수 있는 실시간 돌발 홍수 예경보시스템을 개발하여 홍수예경보시스템에 적용한다면 악기상 감시예측 기술의 향상과 더불어 재해의 방지 차원에서 매우 유용한 대책이 될 것이다.
이러한 결과는 관측된 자연형 하도 단면 자료만을 이용함으로써 통계학적으로 샘플 수가 다소 부족하였고, 하도 단면 실측정 오차, D/B화 과정 중의 오차 등으로 인해 발생한 것으로 판단된다. 향후, 보다 정확한 하도단면의 측정과 광범위한 자료의 활용을 위해 고해상도 위성영상자료를 활용하는 것도 한 방법이 될 것이다(Carpenter et al., 1999).
계산된 한계 유출량 값은 소하천 headwater 유역을 대상으로 2mm/h~14mm/6hr의 낮은 범위를 보인다. 여기서 한계 유출량은 토양이 완전 포화상태에서 홍수 발생에 필요한 유효 강우량을 의미함으로 실제 토양 수분 상태를 고려한다면 홍수 발생의 예상 강수량은 본 연구에서 제시된 한계 유출량 값보다 훨씬 큰 값임을 주의해야 한다. 이러한 관계 때문에 대상 유역의 돌발 홍수능을 예측하기 위해서는 토양저류손실과 증발산량 및 심층토양 침투수와 같은 손실들을 사전에 결정해야만 한다.
한계 유출량 산정에 민감하게 반응하는 하도단면 자료를 고해상도 위성영상자료로부터 추출한다면 보다 광범위하고 정확한 하도매개변수를 추출할 수 있을 것이며, 또한 이렇게 추정된 한계 유출량과 실시간 토양 수분 평가 및 대기수치 모형의 강수자료를 활용하여 실시간 돌발 홍수 예경보시스템을 구축한다면 미래 발생할 수 있는 악기상재해를 사전에 예방하는 데 매우 큰 도움이 될 것이다.
이내의 지형이 좁고 경사가 급한 유역에서 느리게 유역을 통과하는 호우, 동일한 국지지역 내에서 빠르게 움직이는 집중호우(2시간 동안 100mm 이상) 나 태풍으로 인하여 짧은 시간(몇 분 또는 몇 시간) 내에 하천 수위의 급격한 상승을 유발하는 홍수로 정의하고 있다. 홍수의 발생 형태에 따라 원인을 분석하면 크게 제방 붕괴로 인한 홍수와 제방 월류로 인한 홍수로 구분할 수 있는데, 본 연구에서는 돌발 홍수의 주요 발생 원인이 제방 월류에 의한 것으로 제한한다.
참고문헌 (16)
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