[논문]PROMETHEE와 Entropy 기법을 이용한 돌발홍수 위험도 평가

이정호; 전환돈; 박무종; 정재학

doi:10.9798/kosham.2011.11.3.151

PROMETHEE와 Entropy 기법을 이용한 돌발홍수 위험도 평가
Flash Flood Risk Assessment using PROMETHEE and Entropy Method 원문보기

한국방재학회논문집 = Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation, v.11 no.3, 2011년, pp.151 - 156

이정호 (한밭대학교 토목공학과) , 전환돈 (서울과학기술대학교 건설공학부) , 박무종 (한서대학교 토목공학과) , 정재학 (국립방재연구소 연구기획팀)

초록
AI-Helper

과거 홍수 방재에 관한 노력의 대부분은 대하천을 중심으로 이루어져 왔다. 그러나 경제의 발전과 더불어 레져 활동 영역이 산지유역으로 확대되면서 돌발홍수로 인한 인명사고의 발생이 빈번해졌고 이로인한 추가적인 방재 활동이 요구되고 있다. 그러므로 돌발홍수로 인한 인명 및 재산의 피해를 감소시키기 위하여 본 연구에서는 다양한 지표들을 고려하여 산지유역에서의 돌발홍수 발생 위험도를 평가하기 위한 새로운 기법을 개발하였다. 고려된 다양한 지표들의 돌발홍수 발생에 대한 기여도를 평가하기 위하여 본 연구에서는 다기준의사결정 기법의 하나인 프로메티(Preference Ranking Organization METHod for Enrichment Evaluations, PROMETHEE)를 이용하였으며, 평가 지표들로는 지역특성, 강우특성 및 지형특성 등이 선정되었다. 또한 이상의 평가지표들에 대한 상대적 가중치 산정을 위하여 엔트로피(Entropy) 기법이 이용되었다. 엔트로피 기법과 프로메티를 이용한 돌발홍수 위험도 평가기법은 그 적용성을 검증하기 위하여 봉화군 유역에 적용되었으며, 적용 결과 봉화군 유역 내 17개 소유역에 대하여 그 상대적 위험도가 평가되었다. 또한 17개 소유역은 그 결과에 따라 각각 5개, 7개, 5개의 고 중 저위험군으로 분류되었다. 또한 적용결과의 추가적인 검증을 위하여 과거 돌발홍수 피해 사례를 조사한 결과 고위험군으로 평가된 지역들 중 한 곳에서 2008년 돌발홍수가 발생했었음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Previously most of flood prevention efforts have been made for relatively large watersheds near to channel flow. However, as economical development and the expansion of leisure areas to mountainous region, human casualty by flash flood occurs frequently, requiring additional prevention activity. Therefore, to reduce the damage of human lives and property by flash flood, we develop an assessment method for flash flood occurrence for mountainous areas considering various factors involving it. PROMETHEE(Preference Ranking Organization METHod for Enrichment Evaluations) which is one of the MCDM(Multi-Criteria Decision Making) was adopted to assess the contribution of each factor to the risk of the flash flood in the mountainous area. The main evaluation criteria are classified into three categories, namely, the regional and rainfall characteristics, and geographical features. Also, the Entropy method is used to determine the weight of each evaluation criteria without survey. The suggested method based on PROMETHEE with Entropy method is applied to BongHwa region to verify its applicability. After applied, the method successfully assesses the relative risk of flash flood occurrence of each sub region in the BongHwa region. Out of the seventeen sub-regions, five, seven and five of them are evaluated as high-risk, medium-risk, and low-risk, respectively. To verify the results, we searched the historical data of flash flood and the flash flood had occurred in one of high-risk sub-regions at 2008.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

효과적인 산지유역 돌발홍수 예경보 지점의 선정을 위해서는 유역에 대한 명확한 위험도 평가가 이루어져야 하며, 이를 위해서는 돌발홍수 발생과 관련된 평가 지표의 선정 및 분석 체계의 수립이 필요하다. 따라서 돌발홍수의 발생에 영향을 미치거나 또는 그 피해 발생과 관련하여 고려될 수 있는 인자들의 선정이 우선적으로 이루어져야 하며, 본 연구에서는 이와 관련하여 그 평가 지표로서 지역특성인자, 강우특성인자 및 지형특성인자들을 고려하였다. 각 지표들을 통하여 돌발홍수 위험도 평가에 고려된 인자들은 다음과 같다.
본 연구에서는 돌발홍수 예경보 지점 선정에 있어서의 적정성 평가 및 필요 지점에 대한 기준 마련을 위하여 돌발홍수 위험지역에 대한 평가지표의 선정과 유역별 상대적 위험도 평가기법을 제시하였다. 즉, 다양한 지표들을 고려하여 각 지표의 돌발홍수 발생에 대한 기여도를 지역별로 평가함으로써 각 지역별 돌발홍수 발생 위험도를 평가하였다.
본 연구에서는 지역특성, 강우특성, 지형특성 등을 고려하여 산지돌발홍수에 대한 위험도 평가 기법을 수립하였다. 수립된 위험도 평가 기법은 다기준 의사결정(Multi-Criteria Decision Making, MCDM) 기법중 하나인 프로메티를 이용 하여 각 평가인자들을 고려한 지역별 상대적 위험도를 평가 하게 된다.

제안 방법

그러나 돌발홍수 관련 기존의 연구들은 국지적 미계측 유역에서의 홍수 발생 현상에 대한 모의 및 이에 대한 위험도 지수에 관한 연구에 바탕을 두고 있다. 그러나 본 연구는 전국적인 산지하천에 대하여 대규모의 데이터 수집 및 처리를 통한 유역별 돌발홍수 위험도 평가 및 이를 정량화하는 방법론 및 절차를 수립하였다.
GCUH는 신현석 등(2004)에 의하여 국내 산악지역의 유출량과 돌발홍수 기준우량 산정에 있어서 그 적합성이 검증된 바 있다. 본 연구에서는 GCUH를 이용하여 한계유량에 해당하는 한계우량을 역산하여 계산하였다.
본 연구에서는 과거 돌발홍수 피해발생 사례가 보고된 봉화군 일부 유역에 대하여 돌발홍수 위험도 평가기법을 적용 하였다. 해당 유역은 안동댐유역에 속해있으며 유역면적은 1,132 km2이고 유로연장은 도산수위관측소 지점을 기준으로 105.
따라서 돌발홍수에 대한 유역의 위험도 분석 및 위험지역의 분류를 위해서는 대단위의 정보 처리가 가능한 지형적 요소들로 압축 선정되어야 한다. 본 연구에서는 돌발홍수 위험지역 평가를 위한 지형특성인자로서 DEM(Digital Elevation model)을 이용하여 자료추출이 용이한 유역경사 및 하천경사를 선정하였다.
본 연구에서는 또한 의사결정자의 편의성을 위하여 이상의 평가 결과를 바탕으로 돌발홍수 위험지구를 전체 유역에 대해 고, 중, 저로 세 개의 위험군으로 분류하였다. 이때 고위험군은 위험순위 상위 30%, 저위험군은 하위 40%를 기준으로 하였다.
이러한 대책의 일환으로 돌발홍수 경보발령 시스템이 전국 145개 지점에서 운영중이며, 향후 추가적인 시스템 설치가 계획되고 있다. 본 연구에서는 이러한 경보발령 적정 지점의 선정에 있어서 돌발홍수의 발생 및 피해 가능 요인을 고려하여 지역특성, 강우특성, 지형특성 등의 선정 기준 지표들을 제안하였으며, 엔트로피 및 프로메티 기법들을 이용하여 위험도의 정량적 산정 결과에 바탕을 둔 돌발홍수 위험도 평가 기법을 제안하였다. 본 연구에서 제안한 돌발홍수 위험도 평가 기법은 소규모 단일유역에서의 정밀한 수문학적 해석을 통한 위험도 분석이 아닌 전국단위에서의 대규모 데이터 처리와 이를 통한 의사결정 지원 차원에서의 평가를 염두에 둔 연구 결과에 해당한다.
셋째, 해당 유역에서의 확률강우량을 통한 한계우량의 강우빈도를 산정한다. 지점에서의 한계우량에 대한 재현기간이 분석되어지면 산출된 재현기간에 대한 적정성을 판단할 수 있다.
즉, 돌발홍수 발생 가능 우량의 재현기간이 짧을수록 상대적으로 위험도는 커질 수밖에 없으므로 이에 대한 평가가 정량적으로 이루어져야 한다. 이를 위해서는 우선 하천 지점에서의 돌발홍수 발생 가능한 한계우량을 분석한다. 일반적으로 하천의 수심이 0.
본 연구에서는 돌발홍수 예경보 지점 선정에 있어서의 적정성 평가 및 필요 지점에 대한 기준 마련을 위하여 돌발홍수 위험지역에 대한 평가지표의 선정과 유역별 상대적 위험도 평가기법을 제시하였다. 즉, 다양한 지표들을 고려하여 각 지표의 돌발홍수 발생에 대한 기여도를 지역별로 평가함으로써 각 지역별 돌발홍수 발생 위험도를 평가하였다. 지역별 돌발홍수 위험도의 상대적 평가는 다기준의사결정 기법의 하나인 프로페티(Preference Ranking Organization METHod for Enrichment Evaluations, PROMETHEE)를 이용하였다.
첫째, 하천 지점에서의 돌발홍수 발생 가능한 한계유량을 분석한다. 일반적으로 돌발홍수의 발생 수심은 인명의 피해가 발생 가능한 수심 0.
한계우량의 재현기간을 산정하기 위하여 안동댐 유역의 서면 강우관측소의 30개년(1975년~2004년) 시강우자료를 바탕으로 확률강우량을 분석하였으며, Manning 식을 이용한 한계 유량에 대하여 GCUH에 의한 한계우량 산정 값과 해당 한계우량에 대한 재현기간은 돌발홍수 경보발령 기준 시간인 20분의 강우지속기간을 기준으로 책정하여 다음의 표 2에 나타내었다. 한계유량 및 한계우량 산정 지점은 각 소유역의 하도 출구 지점을 기준으로 하였다.

대상 데이터

4 km이다. 본 연구에서는 해당 유역을 총 17개 소유역으로 구분하였다. 다음의 그림 3은 적용 유역의 유역 구분과 유역 내 위락지구 위치 및 2008년 돌발홍수 피해 발생 지역을 나타내고 있다.

이론/모형

둘째, 해당 유역의 하천 지점에서 한계유량이 산정되어지면 한계유량을 발생시키는 강우량 값의 산정이 가능하며, 이 강우량 값이 한계우량에 해당한다. 본 연구에서 한계우량의 산정은 미계측 유역에서의 홍수량 산정에 적합한 지형기후학적단위유량도(GCUH)를 이용하였다. Rodriguez-Iturbe(1982)는 지형학적 단위유량도에서 첨두속도 V를 유효강우강도와 강우 지속기간의 함수로 표시된다고 정의하고 V를 결과들에서 제거하였으며, 이를 지형기후학적 단위유량도라 한다.
박무종과 최성욱(2008)은 도시유역의 침수에 영향을 미치는 인자를 선정하여 이를 침수위험도 산정을 위한 평가기준으로 활용하였으며, 선정된 인자들을 바탕으로 프로메티를 적용하여 도시유역내 소유역간의 상대적 침수위험도를 산정한 바 있다. 본 연구에서는 앞서 언급된 돌발홍수 관련 인자들에 대하여 프로메티 적용의 첫 번째 단계에 해당하는 가중치 산정에 있어서 엔트로피 기법을 이용하였으며, 이를 바탕으로 그림 2의 적용 절차에 따라 각 유역별 순흐름량을 산정하게 된다. 유역별 순흐름량 값은 유역간의 상대적 위험 순위를 나타내므로 본 연구에서는 이 값을 위험도로 정의하였으며, 산정된 순흐름량 값이 클수록 해당 유역의 돌발홍수 위험은 커지는 것을 의미한다.
본 연구에서는 지역특성, 강우특성, 지형특성 등을 고려하여 산지돌발홍수에 대한 위험도 평가 기법을 수립하였다. 수립된 위험도 평가 기법은 다기준 의사결정(Multi-Criteria Decision Making, MCDM) 기법중 하나인 프로메티를 이용 하여 각 평가인자들을 고려한 지역별 상대적 위험도를 평가 하게 된다. 평가인자들 중 한계우량은 Manning 식 및 지형기후학적 단위유량도(Geomorphoclimatic Unit Hydrograph, GCUH)을 이용하여 산정되었다.
즉, 다양한 지표들을 고려하여 각 지표의 돌발홍수 발생에 대한 기여도를 지역별로 평가함으로써 각 지역별 돌발홍수 발생 위험도를 평가하였다. 지역별 돌발홍수 위험도의 상대적 평가는 다기준의사결정 기법의 하나인 프로페티(Preference Ranking Organization METHod for Enrichment Evaluations, PROMETHEE)를 이용하였다. 평가 지표들로는 지역특성, 강우특성 및 지형특성 등의 다양한 인자들을 선정하였으며, 위험도 평가를 위한 각 인자별 가중치는 엔트로피(Entropy) 기법을 이용하여 산정되었다.
지역별 돌발홍수 위험도의 상대적 평가는 다기준의사결정 기법의 하나인 프로페티(Preference Ranking Organization METHod for Enrichment Evaluations, PROMETHEE)를 이용하였다. 평가 지표들로는 지역특성, 강우특성 및 지형특성 등의 다양한 인자들을 선정하였으며, 위험도 평가를 위한 각 인자별 가중치는 엔트로피(Entropy) 기법을 이용하여 산정되었다. 다음의 그림 1은 이상에서 설명된 돌발홍수 위험도 평가 절차를 나타내고 있다.
수립된 위험도 평가 기법은 다기준 의사결정(Multi-Criteria Decision Making, MCDM) 기법중 하나인 프로메티를 이용 하여 각 평가인자들을 고려한 지역별 상대적 위험도를 평가 하게 된다. 평가인자들 중 한계우량은 Manning 식 및 지형기후학적 단위유량도(Geomorphoclimatic Unit Hydrograph, GCUH)을 이용하여 산정되었다. 프로메티를 포함한 다기준 의사결정 기법에 있어서 가장 중요한 요소는 평가 인자들에 대한 가중치 산정이 선행되어야 한다는 것이며, 본 연구에서는 평가인자별 가중치의 산정을 위하여 엔트로피 방법을 이용하였다.
평가인자들 중 한계우량은 Manning 식 및 지형기후학적 단위유량도(Geomorphoclimatic Unit Hydrograph, GCUH)을 이용하여 산정되었다. 프로메티를 포함한 다기준 의사결정 기법에 있어서 가장 중요한 요소는 평가 인자들에 대한 가중치 산정이 선행되어야 한다는 것이며, 본 연구에서는 평가인자별 가중치의 산정을 위하여 엔트로피 방법을 이용하였다.
5 m를 발생시키는 유량이 한계유량에 해당한다. 하천측량 성과가 있는 경우에는 홍수량별 수위를 HEC-RAS를 적용하여 수위-유량관계를 구성하고 홍수량 산정단면에서의 한계유량을 산정할 수 있으나, 돌발홍수의 발생이 주로 측량성과가 없는 상류하천의 미계측 유역에서 발생하므로 이에 대한 대안으로 DEM을 이용하여 추출한 대표단면을 이용하여 수심이 0.5 m가 되는 경우의 홍수량을 다음의 식 (1)과 같이 Manning의 공식을 이용하여 한계유량으로 결정하였다.

성능/효과

다음의 표 3은 돌발홍수 위험도 평가지표인 지역특성, 강우 특성, 지역특성에 포함된 위락지구 개수, 유역경사, 하도경사, 한계우량의 재현기간 등 4개 인자들에 대하여 엔트로피 기법을 이용한 가중치 산정 결과를 나타낸다. 가중치 산정 결과 위락지구 및 한계우량의 가중치가 전체 가중치의 약 70%에 해당하는 것으로 나타났다.
둘째, 해당 유역의 하천 지점에서 한계유량이 산정되어지면 한계유량을 발생시키는 강우량 값의 산정이 가능하며, 이 강우량 값이 한계우량에 해당한다. 본 연구에서 한계우량의 산정은 미계측 유역에서의 홍수량 산정에 적합한 지형기후학적단위유량도(GCUH)를 이용하였다.
다음의 표 4는 평가인자별 가중치를 고려하여 프로메티를 이용한 17개 소유역별 선호유출량(outgoing flow), 선호유입량(incoming flow) 및 순흐름량(net-flow) 산정 결과와 그 크기에 따른 위험 순위를 나타낸다. 산정된 결과를 살펴보면 돌발홍수에 대한 위험 순위는 7번, 13번, 1번 소유역 순으로 나타나고 있으며, 특히 2008년 돌발홍수 피해사례가 보고된 13번 소유역의 경우 프로메티에 의한 우선순위에서 두 번째 위험 순위를 나타내고 있으므로 본 연구에서 제안된 평가 기법의 적정성이 검증되었다고 판단된다.
셋째, 돌발홍수 위험지역 평가를 위하여 고려되어야할 지형적 특성은 산지유역에서 급격한 유출을 유발하는 요소들과 동일하다. 즉, 산지유역에서의 돌발홍수는 유역경사, 하도경사 등의 영향을 지배적으로 받으며 대부분 상류지역의 급격한 경사지역에서 큰 피해를 발생시킨다.
이때 고위험군은 위험순위 상위 30%, 저위험군은 하위 40%를 기준으로 하였다. 위험군을 분류한 결과 고위험군에 해당하는 유역 들은 대부분 상류에 위치한 유역에 해당하며, 상류유역들 중 고위험군과 중위험군으로 분류되는 가장 큰 이유는 상대적으로 높은 가중치를 갖는 위락지구 개수에 따른 것으로 판단된다. 다음의 표 5 및 그림 4는 이러한 결과를 나타낸다.
첫째, 돌발홍수 위험지역을 평가하기 위한 인자로서 돌발홍수로 인한 인명 및 재산의 피해가 발생 가능한 지역특성 요소가 우선적으로 검토되었다. 돌발홍수로 인한 인명피해는 과거에 비하여 여가생활이나 여행의 빈도가 커지고 계곡을 찾는 사람의 수가 증가함에 따라 함께 증가하는 것으로 판단된다.

후속연구

본 연구에서 제안된 평가 기법은 돌발홍수에 대비한 다각도의 방재 대책 수립에 있어서 보다 효과적인 시설물의 계획 및 정책 수립에 도움이 될 것으로 판단되며, 향후 추가적인 평가 지표의 고려 및 돌발홍수 경보 발령 기준 수립 등의 지속적인 연구가 필요하다. 또한 향후 연구로 본 연구에서 선정된 평가지표들간의 상관관계를 분석 하여 독립적 특성을 갖는 평가지표에 대한 추출 및 이를 통한 위험도 평가에 관한 연구가 이루어져야 한다.
본 연구에서 제안한 돌발홍수 위험도 평가 기법은 소규모 단일유역에서의 정밀한 수문학적 해석을 통한 위험도 분석이 아닌 전국단위에서의 대규모 데이터 처리와 이를 통한 의사결정 지원 차원에서의 평가를 염두에 둔 연구 결과에 해당한다. 본 연구에서 제안된 평가 기법은 돌발홍수에 대비한 다각도의 방재 대책 수립에 있어서 보다 효과적인 시설물의 계획 및 정책 수립에 도움이 될 것으로 판단되며, 향후 추가적인 평가 지표의 고려 및 돌발홍수 경보 발령 기준 수립 등의 지속적인 연구가 필요하다. 또한 향후 연구로 본 연구에서 선정된 평가지표들간의 상관관계를 분석 하여 독립적 특성을 갖는 평가지표에 대한 추출 및 이를 통한 위험도 평가에 관한 연구가 이루어져야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	홍수 방재에 관한 노력은 과거 어느 지역을 중심으로 이루어졌는가?	과거 홍수 방재에 관한 노력의 대부분은 대하천을 중심으로 이루어져 왔다. 그러나 경제의 발전과 더불어 레져 활동 영역이 산지유역으로 확대되면서 돌발홍수로 인한 인명사고의 발생이 빈번해졌고 이로인한 추가적인 방재 활동이 요구되고 있다.
	돌발홍수에 의한 피해를 최소화할 수 있는 대책의 일환으로 운영중인 시스템은?	돌발홍수는 사망피해를 발생시킬 수 있는 위험성을 내포하고 있으므로, 돌발홍수가 발생할 가능성이 있는 지역에서는 돌발홍수에 의한 피해를 최소화할 수 있는 대책이 필요하다. 이러한 대책의 일환으로 돌발홍수 경보발령 시스템이 전국 145개 지점에서 운영중이며, 향후 추가적인 시스템 설치가 계획되고 있다. 본 연구에서는 이러한 경보발령 적정 지점의 선정에 있어서 돌발홍수의 발생 및 피해 가능 요인을 고려하여 지역특성, 강우특성, 지형특성 등의 선정 기준 지표들을 제안하였으며, 엔트로피 및 프로메티 기법들을 이용하여 위험도의 정량적 산정 결과에 바탕을 둔 돌발홍수 위험도 평가 기법을 제안하였다.
	경제의 발전과 함께 일어난 변화는?	과거 홍수 방재에 관한 노력의 대부분은 대하천을 중심으로 이루어져 왔다. 그러나 경제의 발전과 더불어 레져 활동 영역이 산지유역으로 확대되면서 돌발홍수로 인한 인명사고의 발생이 빈번해졌고 이로인한 추가적인 방재 활동이 요구되고 있다. 그러므로 돌발홍수로 인한 인명 및 재산의 피해를 감소시키기 위하여 본 연구에서는 다양한 지표들을 고려하여 산지유역에서의 돌발홍수 발생 위험도를 평가하기 위한 새로운 기법을 개발하였다.

참고문헌 (12)

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상세보기
Shannon, C.E. and Weaver, W. (1949) The mathematical theory of communication, ACM.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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