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문제 정의
- 본 연구는 수치영상 및 연속지적도 융합을 통한 자연재해 유발지역에 대한 지형공간정보를 구축하고 홍수범람시뮬레이션을 통해 대상 지역의 빈도별 홍수량을 산정하여 돌발홍수 예상지역을 표시하여 침수지역 분석을 실시한다. 또한, 침수예상 지역에 대한 정량적 피해 조사는 지적정보(지적도, 토지대장 및 임야대장)를 활용하여 빈도별 침수면적 및 침수피해율을 산출함으로써 재해관리 업무효율성 향상 및 재해대응 능력 강화에 활용할 수 있는 기반을 제시하고자 한다.
- 본 연구에서는 과거 자연재해관련 속성정보와 발생요인 분석 및 발생위험도 예측정보를 시계열 및 면적을 포함한 정량적 분석과 항공사진 및 연속지적도를 기반으로 재해정보지도 구축을 위해 우선, 대상지역에 존재하는 하천 유역정보(과거 피해사례, 기본홍수량, 계획홍수량, 홍수재해사진, 위험구역 현황정보, 기상 개황, 하천시설물 정보) 등을 기반으로 홍수시나리오를 작성하기 위한 데이터베이스를 구축하였다. 그리고 미육군공병단 수문국에서 강우 유출 모의를 하는데 있어 여러 기능을 제공하는 HEC-HMS(hydrologic engineering center-the hydrologic modeling system)모형 프로그램을 이용하여 대상 지역인 전라북도 장수군 계북면 일원의 빈도별 홍수량 및 경계홍수량을 결정하고 각각의 홍수위를 수위- 유량곡선식을 이용하여 산정하였다.
- 본 연구는 재해대응 및 복구를 위한 의사결정을 지원하기 위한 것으로 정량적 피해조사를 위해 항공사진과 연속지적도 융합으로 재해정보지도를 구축하였으며, 홍수범람 분석을 통해 침수지역 및 정량적 평가를 실시하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
- 또한, 인공신경망을 이용한 수해예측기법이 유역 평가 및 재해위험지도의 작성을 위한 예측모형으로 활용될 수 있음을 제시하였고(정경진 등, 2005), 침수피해가 크게 발생하였던 마산시 월영동지역에 대해 홍수추정모형인 SWMM(Strom Water Management Model)을 이용하여 침수위치와 침수심을 예측하여 빈도강우와 해수위 상승에 따른 침수예상지역을 예측하였다(유환희 등, 2006). 지리정보시스템(GIS)을 이용하여 과거 지진해일시 침수된 흔적과 3m, 5m의 지진해일 내습시 예상되는 피해 지역을 분석하였으며(이형석, 2006), HEC-RAS와 지리정보시스템을 연계하고 수문 지리정보자료를 생성하여 예상침수지역을 추출한 후 홍수방재사업의 경제성 분석에 활용하였다(최현과 안창환, 2007). 3D Max와 GIS를 이용하여 제작된 3차원 지형도에 가상 침수위를 적용하여 침수면적을 계산하여 해일 발생시 침수 가능지역을 분석하였다(이재원, 2007).
- 지리정보시스템(GIS)을 이용하여 과거 지진해일시 침수된 흔적과 3m, 5m의 지진해일 내습시 예상되는 피해 지역을 분석하였으며(이형석, 2006), HEC-RAS와 지리정보시스템을 연계하고 수문 지리정보자료를 생성하여 예상침수지역을 추출한 후 홍수방재사업의 경제성 분석에 활용하였다(최현과 안창환, 2007). 3D Max와 GIS를 이용하여 제작된 3차원 지형도에 가상 침수위를 적용하여 침수면적을 계산하여 해일 발생시 침수 가능지역을 분석하였다(이재원, 2007).
- 이들 수치영상과 편집 지적도의 융합은 AutoCAD-Map을 통해 수치 영상 기반에 편집지적도를 중첩하고 지적속성 정보인 지번·지목을 각 필지에 표기하여 수치 영상기반의 재해 기본도를 생성하였다.
- 본 연구는 수치영상 및 연속지적도 융합을 통한 자연재해 유발지역에 대한 지형공간정보를 구축하고 홍수범람시뮬레이션을 통해 대상 지역의 빈도별 홍수량을 산정하여 돌발홍수 예상지역을 표시하여 침수지역 분석을 실시한다. 또한, 침수예상 지역에 대한 정량적 피해 조사는 지적정보(지적도, 토지대장 및 임야대장)를 활용하여 빈도별 침수면적 및 침수피해율을 산출함으로써 재해관리 업무효율성 향상 및 재해대응 능력 강화에 활용할 수 있는 기반을 제시하고자 한다.
- 본 연구에서는 과거 자연재해관련 속성정보와 발생요인 분석 및 발생위험도 예측정보를 시계열 및 면적을 포함한 정량적 분석과 항공사진 및 연속지적도를 기반으로 재해정보지도 구축을 위해 우선, 대상지역에 존재하는 하천 유역정보(과거 피해사례, 기본홍수량, 계획홍수량, 홍수재해사진, 위험구역 현황정보, 기상 개황, 하천시설물 정보) 등을 기반으로 홍수시나리오를 작성하기 위한 데이터베이스를 구축하였다. 그리고 미육군공병단 수문국에서 강우 유출 모의를 하는데 있어 여러 기능을 제공하는 HEC-HMS(hydrologic engineering center-the hydrologic modeling system)모형 프로그램을 이용하여 대상 지역인 전라북도 장수군 계북면 일원의 빈도별 홍수량 및 경계홍수량을 결정하고 각각의 홍수위를 수위- 유량곡선식을 이용하여 산정하였다. 또한, 대상지역의 제방 월류 및 파제로 인한 제내지로의 침수 및 2차 확산을 알아보기 위해 축척 1:5,000 수치지형도와 하천 평면도 및 종․횡단 측량자료를 이용하여 범람과 제방 월류로 인한 2차원 범람해석 및 범람시뮬레이션을 실시하였다.
- 그리고 미육군공병단 수문국에서 강우 유출 모의를 하는데 있어 여러 기능을 제공하는 HEC-HMS(hydrologic engineering center-the hydrologic modeling system)모형 프로그램을 이용하여 대상 지역인 전라북도 장수군 계북면 일원의 빈도별 홍수량 및 경계홍수량을 결정하고 각각의 홍수위를 수위- 유량곡선식을 이용하여 산정하였다. 또한, 대상지역의 제방 월류 및 파제로 인한 제내지로의 침수 및 2차 확산을 알아보기 위해 축척 1:5,000 수치지형도와 하천 평면도 및 종․횡단 측량자료를 이용하여 범람과 제방 월류로 인한 2차원 범람해석 및 범람시뮬레이션을 실시하였다. 대상 지역의 재해정보 구축을 위한 수치 영상 자료는 2008년도에 촬영된 GSD(ground sample distance) 50cm급 영상으로 Vexel 사의 UltraCamD 카메라에 의해 촬영되었다.
- 대상 지역의 재해정보 구축을 위한 수치 영상 자료는 2008년도에 촬영된 GSD(ground sample distance) 50cm급 영상으로 Vexel 사의 UltraCamD 카메라에 의해 촬영되었다. 획득한 디지털 영상은 정사영상 제작과 편집 과정을 거쳐 대상지역에 대한 재해정보 기본도(base map)를 작성하였다. 또한, 연구대상지역의 연속지적도에 대해서는 도해지적에 대한 필지 및 행정구역 접합과 속성정보인 대장정보를 이용하여 대상하천 주변에 대한 연속 및 편집지적도를 구축하였다.
- 획득한 디지털 영상은 정사영상 제작과 편집 과정을 거쳐 대상지역에 대한 재해정보 기본도(base map)를 작성하였다. 또한, 연구대상지역의 연속지적도에 대해서는 도해지적에 대한 필지 및 행정구역 접합과 속성정보인 대장정보를 이용하여 대상하천 주변에 대한 연속 및 편집지적도를 구축하였다. 이들 수치영상과 편집 지적도의 융합은 AutoCAD-Map을 통해 수치 영상 기반에 편집지적도를 중첩하고 지적속성 정보인 지번·지목을 각 필지에 표기하여 수치 영상기반의 재해 기본도를 생성하였다.
- 기본도를 기반으로 자연재해 발생 시 신속하고 효율적인 대응을 가능하게 하는 빈도별 홍수위에 대한 침수피해 예상 지역정보를 표기하여 재해정보지도를 구축하였으며 구축된 재해정보지도를 바탕으로 자연재해 발생 시 재해 복구를 위한 정량적 피해조사 가능성을 검토하였다. 그림 1은 본 연구수행의 흐름도를 나타낸 것이다.
- 조사측량은 하천정비기본계획 측량 성과를 이용하여, 하천에 대한 종 · 횡단 측량과 제내지 지형측량을 실시하고 제내지 지형측량의 경우 축척 1:1,000 및 축척 1:5,000 수치지형도를 기본으로 보완 측량을 실시하였다.
- 객관적인 침수예상도의 제작을 위해 대상지역인 전라북도 장수군 계북면 월현리 및 매계리를 지나가는 계북천의 수리ㆍ수문분석에 필요한 기상 및 수문자료, 인문사회자료, 토지이용 및 수리구조물 등의 문헌조사와 과거 홍수 피해 및 침수 흔적 조사자료 등의 검토와 분석을 실시하였다.
- 수치표고자료는 하천정비기본계획, 수치지형도 및 조사측량을 바탕으로 평면직교좌표계로 구축하였으며, 표고점은 3차원 공간좌표(x, y, z)로 나타내었다.
- 침수예상도 작성의 기술적인 범위를 나타내는 것으로 유역조건 시나리오, 빈도규모 시나리오 및 범람 시나리오로 구분할 수 있으며 유역조건 시나리오는 유출의 관점에서 유역의 토지이용현황, 토지조건과 같은 유역내 조건의 설정을 말하며, 빈도규모 시나리오는 대상 지역에 적용되는 홍수 사상의 빈도로서 설계 강우빈도를 포함한 강우 혹은 홍수량에 따라 20년, 30년, 50년, 80년 및 100년 등의 빈도로 작성하였다.
- 수문분석에 관한 사항은 빈도규모에 따른 확률홍수량의 산정에 관한 사항으로 하천의 홍수량 산정은 강우유출해석에 의해 확률강우량산정과 확률홍수량산정으로 이루어진다. 확률강우량 산정은 자료구축, 자료검토, 분포형 적용, 매개변수 추정, 매개변수 검정, 확률분포형 산정 및 확률강우량 계산의 절차를 따랐으며, 확률홍수량 산정은 지리정보체계를 이용한 자료추출과 객관적인 매개변수 산정방법을 사용하였다.
- 침수예상지도는 일반적으로 중요 지역의 경우 축척 1:1,000으로 일반 지역의 경우는 축척 1:5,000의 수치지형도를 기본도로 하여 작성하나 본 연구에서는 디지털항공사진을 기반으로 가상범람구역, 월류범람구역, 파제구간, 내수침수구역 등의 범람해석 결과를 상호 중첩하여 표시하였다. 표 1과 같이 침수심은 0.
- 빈도별 홍수량은 홍수파의 연속방정식에 기초를 둔 저류방정식을 사용하여 산정하는 근사해법 중 유역추적에는 Clark 유역추적 방법을 사용하여 빈도별 홍수량을 산정하였다. 침수구역해석은 제방 월류나 붕괴로 인하여 제내지가 침수되는 상황과 하천 구간을 동시에 모의하므로 x, y축에 대한 평면 2차원 동수역학 모형을 이용하여, 주하도부와 제내지 침수구역을 포함하여 동시에 해석하였다. 표 4는 Clark 유역추적방법에 의한 기본 홍수량을 나타내고 있다.
- 과거 재해이력 및 침수지역에 대한 피해 규모의 신속한 파악을 위해 항공사진과 연속지적도 조합에 의해 생성된 재해정보지도의 기본 지도를 활용하여 대상지역에 대한 홍수범람에 의한 피해 면적을 정량적으로 산출하였다.
- 우선 범람해석의 기초 자료인 홍수량 및 홍수위 산정은 확률강우량 및 홍수량 수문분석의 결과를 20년, 30년, 50년, 80년 및 100년의 각 재현기간별로 홍수규모별 범람 홍수위에 대한 정보를 재해정보지도에 표기하였다(그림 7). 표기 구간은 장수군 계북면의 월현리 및 매계리 주변의 계북천으로 범람 위치에 따라 A, B, C, D 및 E로 총 5개 지역으로 각지역에 대한 피해 위치 및 규모를 객관적이고 정량적으로 파악하였다. 피해범람 규모는 각 지번의 면적을 기준으로 필지별 면적과 침수면적을 산정하였으며 필지별 침수피해율도 함께 산정하였다.
- 표기 구간은 장수군 계북면의 월현리 및 매계리 주변의 계북천으로 범람 위치에 따라 A, B, C, D 및 E로 총 5개 지역으로 각지역에 대한 피해 위치 및 규모를 객관적이고 정량적으로 파악하였다. 피해범람 규모는 각 지번의 면적을 기준으로 필지별 면적과 침수면적을 산정하였으며 필지별 침수피해율도 함께 산정하였다.
- 대상지역 홍수규모별 범람 홍수위에 대한 피해 결과를 필지별ㆍ지목별 침수면적 및 침수피해율을 조사하였다. 조사 결과 강우빈도 증가에 따른 총침수면적 및 총침수피해율은 표 5와 같으며, 대상지역별 침수면적은 표 6과 같이 강우빈도 20년의 경우 A지역이 447.
대상 데이터
- 또한, 대상지역의 제방 월류 및 파제로 인한 제내지로의 침수 및 2차 확산을 알아보기 위해 축척 1:5,000 수치지형도와 하천 평면도 및 종․횡단 측량자료를 이용하여 범람과 제방 월류로 인한 2차원 범람해석 및 범람시뮬레이션을 실시하였다. 대상 지역의 재해정보 구축을 위한 수치 영상 자료는 2008년도에 촬영된 GSD(ground sample distance) 50cm급 영상으로 Vexel 사의 UltraCamD 카메라에 의해 촬영되었다. 획득한 디지털 영상은 정사영상 제작과 편집 과정을 거쳐 대상지역에 대한 재해정보 기본도(base map)를 작성하였다.
- 연구대상지로는 동경 127° 32′45“∼127° 39′40”, 북위 35° 49′13“∼35° 44′46”사이의 전라북도 장수군 계북면 월현리, 매계리 및 어전리 일원의 지방2급 하천인 계북천 유역으로 전형적인 산악지형이며, 과거 집중호에 따른 하천범람과 산사태가 발생한 지역이다.
- 51%)를 점유하고 있는 것으로 나타났다. 또한, 홍수류의 유속에 직접 영향을 주는 하상 경사의 경우 각 하천의 합류지점을 고려하여 선정하고 본 연구에서는 대상지내 A, B, C, D 및 E 지점을 선정하였다. 표 2는 계북천 유역의 지목별 토지이용현황을 나타내며, 표 3은 측점 A, B, C, D 및 E의 하상경사 및 현하폭 등을 나타낸다.
- 대상 지역인 계북천 유역의 범람시뮬레이션은 하천의 효율적인 관리와 및 홍수위험도를 표현하기 위해 하천정비기본계획에 의거 홍수 규모를 산정하였다. 과거 연구대상지에서의 홍수는 호우지속시간 및 산지지역 특성에 따라 돌발홍수 및 하천홍수의 유형을 보이고 있으며, 지역적으로 소하천 유역에 강한 호우강도 및 짧은 지속시간으로 인한 상류 유량의 급격한 증가 및 토사류의 증가에 기인하여 복합적으로 발생하는 경향이 있었다.
- 과거 연구대상지에서의 홍수는 호우지속시간 및 산지지역 특성에 따라 돌발홍수 및 하천홍수의 유형을 보이고 있으며, 지역적으로 소하천 유역에 강한 호우강도 및 짧은 지속시간으로 인한 상류 유량의 급격한 증가 및 토사류의 증가에 기인하여 복합적으로 발생하는 경향이 있었다. 범람 해석의 기초 자료인 홍수량 및 홍수위 산정은 대상지역내 하천정비기본계획상의 확률강우량 및 홍수량 수문분석의 결과를 범람 해석에 이용하였다. 기점홍수위의 경우 금강 제1지류인 계북천은 금강의 배수위 영향을 받고 있으므로 금강ㆍ장계천ㆍ장수천 하천정비기본계획에서 제시한 금강 합류점의 계획홍수위로 취하였다.
이론/모형
- 한편, 침수 지역 및 예상과 관련된 연구로서는 침수위험지역에 대한 정보를 제공하는 연안 침수지도의 프로토타입 제작방안을 제시하였으며(원대희 등, 2004), 영산강유역을 중심으로 상류유역 개발이 하류 유역의 홍수 피해에 어느정도 가중되는지를 분석하였다(정재욱 등, 2004). 또한, 인공신경망을 이용한 수해예측기법이 유역 평가 및 재해위험지도의 작성을 위한 예측모형으로 활용될 수 있음을 제시하였고(정경진 등, 2005), 침수피해가 크게 발생하였던 마산시 월영동지역에 대해 홍수추정모형인 SWMM(Strom Water Management Model)을 이용하여 침수위치와 침수심을 예측하여 빈도강우와 해수위 상승에 따른 침수예상지역을 예측하였다(유환희 등, 2006). 지리정보시스템(GIS)을 이용하여 과거 지진해일시 침수된 흔적과 3m, 5m의 지진해일 내습시 예상되는 피해 지역을 분석하였으며(이형석, 2006), HEC-RAS와 지리정보시스템을 연계하고 수문 지리정보자료를 생성하여 예상침수지역을 추출한 후 홍수방재사업의 경제성 분석에 활용하였다(최현과 안창환, 2007).
- 범람해석은 홍수범람 시나리오에 따라 수리ㆍ수문학적 모형을 이용하여 홍수발생 원인 별로 범람해석을 실시하였으며, 범람해석 방법의 선정은 대상지역 중요도, 지형조건, 이용 가능 자료 범위 및 침수예상도의 활용목적 등에 따라 해석 방법을 선정하였다. 범람해석은 제방의 월류 및 파괴 등이 원인인 외수범람해석과 본류에 대한 지류의 홍수배제불량 원인인 내수범람해석으로 구분한다.
- 기점홍수위의 경우 금강 제1지류인 계북천은 금강의 배수위 영향을 받고 있으므로 금강ㆍ장계천ㆍ장수천 하천정비기본계획에서 제시한 금강 합류점의 계획홍수위로 취하였다. 빈도별 홍수량은 홍수파의 연속방정식에 기초를 둔 저류방정식을 사용하여 산정하는 근사해법 중 유역추적에는 Clark 유역추적 방법을 사용하여 빈도별 홍수량을 산정하였다. 침수구역해석은 제방 월류나 붕괴로 인하여 제내지가 침수되는 상황과 하천 구간을 동시에 모의하므로 x, y축에 대한 평면 2차원 동수역학 모형을 이용하여, 주하도부와 제내지 침수구역을 포함하여 동시에 해석하였다.
성능/효과
- 대상 지역인 계북천 유역의 범람시뮬레이션은 하천의 효율적인 관리와 및 홍수위험도를 표현하기 위해 하천정비기본계획에 의거 홍수 규모를 산정하였다. 과거 연구대상지에서의 홍수는 호우지속시간 및 산지지역 특성에 따라 돌발홍수 및 하천홍수의 유형을 보이고 있으며, 지역적으로 소하천 유역에 강한 호우강도 및 짧은 지속시간으로 인한 상류 유량의 급격한 증가 및 토사류의 증가에 기인하여 복합적으로 발생하는 경향이 있었다. 범람 해석의 기초 자료인 홍수량 및 홍수위 산정은 대상지역내 하천정비기본계획상의 확률강우량 및 홍수량 수문분석의 결과를 범람 해석에 이용하였다.
- 대상지역 홍수규모별 범람 홍수위에 대한 피해 결과를 필지별ㆍ지목별 침수면적 및 침수피해율을 조사하였다. 조사 결과 강우빈도 증가에 따른 총침수면적 및 총침수피해율은 표 5와 같으며, 대상지역별 침수면적은 표 6과 같이 강우빈도 20년의 경우 A지역이 447.6㎡로 침수피해가 가장 적은 것으로 나타난 반면 B지역의 경우는 3,776.2㎡로 대상 지역 중 가장 큰 침수피해를 입는 것으로 나타났다. 그림 7은 강우빈도별 필지면적에 대한 총침수면적 및 총침수피해율을, 그림 8은 피해조사 대상지역별 침수면적을 나타낸다.
- 대상지역의 지목별 분포를 살펴보면 하천을 중심으로 좌우에 답, 전, 임야, 대지 및 일부 창고용지가 있는 것으로 나타났다. 답의 경우 강우빈도별 침수피해가 다른 지목에 비하여 크게 나타났는데 20년 강우빈도의 경우 총필지면적 23,581㎡ 중 42.
- 강우빈도별 피해지역 분석 결과, 대상지역에서는 강우빈도별 답의 침수피해가 가장 높은 것으로 나타났으며, 그림 10과 같이 필지수 및 면적으로는 B지역이 32필지 43,650㎡로 가장 많은 침수피해를 입는 것으로 나타났다.
- 첫째, 수치영상과 연속지적도의 속성정보를 연계함으로써 자연재해 발생 시 정량적 피해 조사를 할 수 있는 기반을 마련하여 재난관리의 효율성을 높일 수 있었다.
- 둘째, 재난 환경을 고려한 홍수 시뮬레이션을 통해 피해지역 재해예측이 가능함으로 기존의 단순 입력․저장을 통해 축적해 온 재해관련 정보 및 결과 위주의 재해정보에서 벗어나 재난 발생 시 예방 및 대비의 기반을 마련하였다.
후속연구
- 셋째, 대상지역의 빈도별 홍수 시뮬레이션 결과를 침수예상도 및 재해정보지도에 표기함으로써 재난 발생 시 피난정보로 활용할 수 있으며 피해조사 및 피해액 산정의 기초 자료로 활용할 수 있을 것이다.
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