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문제 정의
- 본 연구에서는 강우-유출모의를 기반으로 하며, 홍수예측 시에는 강우정보만을 이용하여 홍수예보가 가능한 flow nomograph를 개발하고자 한다. 본 연구에서 개발한 flow nomograph는 강우강도, 강우지속시간 등의 강우변수와 유량 및 수위간의 상관관계를 도표화한 것으로 이를 이용하여 홍수예보를 실시할 경우, 레이더, 위성 등을 통해 수집되는 예측강우 정보를 이용하여 홍수예보가 가능하여 예보선행시간을 확보할 수 있을 것으로 사료된다.
- 본 연구에서는 대표적 도시 하천인 청계천 유역을 대상으로 실측 및 예측 강우만으로 홍수발생 유무를 예측할 수 있는 flow nomograph를 개발하였다. Flow nomograph 작성 시 필요한 홍수량을 산정하기 위해 수문모형을 구축하였으며, 청계천 유역의 모전교, 삼일교, 오간수교, 무학교, 고산자교 등 수위관측지점 5개소를 예보 지점으로 선정하고, flow nomograph의 예보 기준이 되는 기준 홍수위를 설정하였다.
- 본 연구에서는 홍수예보의 선행시간 확보를 위해 Fig. 1과 같은 강우정보 기반의 flow nomograph를 개발하고자한다. 강우정보 기반의 홍수예보시스템인 flow nomograph 는 Eq.
- 산정된 수위-유량 관계곡선식은 호우기간의 상승과 하강 시 측정된 값들의 평균을 이용하여 산정된 값이다. 이에 본 연구에서는 이들 자료를 바탕으로 flow nomograph 개발 및 평가를 수행하였다. Flow nomograph 개발에 사용된 수문관측 자료 중 강우자료는 1분 단위 기상청 AWS (Automatic Weather System) 강우강도, 1분 단위 초음파 수위형태이다.
제안 방법
- 본 연구에서 Figs. 5～8과 같이 개발된 flow nomograph에 대해 앞서 산정한 지속시간별 강우강도자료와 최고수위자료를 적용하여 개발된 flow nomograph가 실제 발생한 호우로 인한 홍수발생을 구현할 수 있는 지를 평가 하였다.
- 본 연구에서는 대표적 도시 하천인 청계천 유역을 대상으로 실측 및 예측 강우만으로 홍수발생 유무를 예측할 수 있는 flow nomograph를 개발하였다. Flow nomograph 작성 시 필요한 홍수량을 산정하기 위해 수문모형을 구축하였으며, 청계천 유역의 모전교, 삼일교, 오간수교, 무학교, 고산자교 등 수위관측지점 5개소를 예보 지점으로 선정하고, flow nomograph의 예보 기준이 되는 기준 홍수위를 설정하였다. 기준 홍수위로는 산책로, 성인 무릎높이, 성인 허리높이, 경계홍수위, 위험홍수위, 계획홍수위를 설정하고, 홍수예보 지점별 기준 홍수위를 산정하였다.
- 본 연구에서는 지점별 flow nomograph 개발을 위해 가상 시나리오에 따른 강우첨두시의 강우강도와 강우지속시간, 지점별 기준 홍수위별 홍수량 결과를 이용하였다. Flow nomograph는 앞서 설정된 6개의 기준 홍수위에 대하여 회귀분석을 통해 작성하였으며, 각 기준별 수심의 차는 크지 않으나 홍수량 산정의 결과, 무릎 높이, 경계홍수위는 허리높이, 위험홍수위 등 다른 기준과 일부 겹치거나 유사하게 나타나 최종적으로 설정한 6개의 기준 홍수위에서 무릎 높이, 경계홍수위 기준을 제외한 산책로, 허리 높이, 위험홍수위, 계획홍수위를 최적 기준 홍수위로 결정하여 Fig. 4와 같이 지점별 flow nomograph를 개발하였다. 다만 지속시간 10, 50, 60분의 경우, 강우 시나리오의 한계로 인해 지속시간별 기준 홍수위에 해당하는 홍수량 값의 갯수가 적어 회귀식을 연장함에 따른 불확실성을 포함하고 있다.
- Flow nomograph에 제시되는 기준 홍수위에 대한 홍수량을 산정하고자 지점별 기준 홍수위를 수위-유량관계곡선식에 적용하여 지점별 및 기준 홍수위별 홍수량을 산정하였다. 수위-유량관계곡선식을 통해 산정된 홍수량은 각 기준 홍수위에 대한 정확한 홍수량을 나타내는 것은 아니므로, 각 홍수위 기준에 적합한 실제 하천 홍수량을 유발하는 강우강도를 결정하기 위해 수위-유량관계곡선식을 통해 산정된 홍수량에 ± 5% 유량허용범위를 적용하여 지점별 기준 홍수위별 홍수량 범위를 결정하였다.
- 강우지속시간은 Table 2와 같이 청계천의 유역규모 및 돌발강우대비 청계천 방재시스템 구축방안(서울시시설관리공단, 2005)에서 제시한 도달시간이 60분전후인 점을 고려하여, 총강우량규모에 따라 10분 간격으로 10∼60분을 적용하였다.
- 또한, 가상 시나리오의 강우 조건에 해당하는 예보지점별 첨두홍수량을 산정하기 위해 본 연구에서는 청계천 하천모니터링 연구를 통해 청계천 유역에 구축된 SWMM 모형을 활용하였다(서울시 시설관리공단, 2008). 구축된 SWMM모형은 본류 양안에 존재하는 우수박스와 수문열림을 고려하기 위해 수문을 weir로 설정하였다. 이렇게 산정된 가상시나리오별 첨두홍수량값 중 결정된 기준 홍수위별 홍수량범위에 대응되는 값을 추출하여 가상 시나리오에 대한 기준홍수위별 홍수량값을 지점별로 결정하였다.
- 세 번째로 flow nomograph 개발 시 다양한 홍수사상을 반영하기 위해 지속시간별 강우량별 가상 강우시나리오를 설정하고, 가상시나리오별 강우강도와 강우지속시간을 산정한다. 네 번째로 flow nomograph에 제시되는 기준 홍수위에 대한 홍수량 값을 산정하기 위해 수위-유량관계곡선을 통해 기준 홍수위별 홍수량 범위를 결정하고, SWMM 모형에 가상 강우시나리오를 적용하여 예보 지점별 홍수량을 산정한다. 마지막으로 가상 강우시나리오에 따른 강우강도, 강우지속시간과 기준 홍수위별 홍수량을 이용하여 예보 지점별 flow nomograph를 개발하고, 과거 관측강우자료를 통해 적용성을 평가한다(심재범, 2011)
- 우선 첫 번째로 flow nomograph 개발 시 필요한 홍수량 산정은 유역수문모형(SWMM)을 이용하며, 이를 위해 지형자료, 수위-유량관계곡선, 수문자료 등 수문관련 기초자료를 구축한다. 두 번째로 flow nomograph 구성을 위한 홍수예보 발령기준설정을 위해 홍수 시 재해위험도에 따라 기준 홍수위를 설정하고, 예보 지점별 기준 홍수위를 산정한다. 세 번째로 flow nomograph 개발 시 다양한 홍수사상을 반영하기 위해 지속시간별 강우량별 가상 강우시나리오를 설정하고, 가상시나리오별 강우강도와 강우지속시간을 산정한다.
- 기준 홍수위로는 산책로, 성인 무릎높이, 성인 허리높이, 경계홍수위, 위험홍수위, 계획홍수위를 설정하고, 홍수예보 지점별 기준 홍수위를 산정하였다. 또한, 다양한 강우사상을 반영하기 위해 가상 시나리오를 설정하고 그에 따른 강우지속시간과 강우강도를 산정하였으며, 지점별 기준 홍수위에 대해 지점별 기준 홍수위별 홍수량 범위를 결정하여 가상 시나리오에 따른 지점별 기준 홍수위별 홍수량을 산정하였다. 산정된 가상 시나리오에 따른 첨두시 강우강도와 지점별 기준 홍수위별 홍수량값을 이용하여 flow nomograph를 개발하고, 지점별 최적 flownomograph를 결정하였다.
- 또한 Table 3의 가상시나리오 범위는청계천설계규모보다적은가상강우부터기상청관할의 서울관측소 확률강우량의 500년 빈도 이상 가상강우까지 모든 조건을 포함하여 각 지속시간별 총강우량에 대해 2mm간격으로 2∼100 mm 범위 내에서 구성하였다(국토해양부, 2000). 또한, 이렇게 설정된 가상 시나리오별 강우는 Yen and Chow 방법의 삼각형 우량주상도를 이용하여 시간분포 하였으며, 시간분포된가상강우를이용하여지속시간별총강우량에 따라 강우첨두시의 강우강도를 산정하였다(Table 3).
- Flow nomograph를 통해 예보를 실시할 경우, 실제 관측 및 예측된 강우를 통해 산정된 지속시간별 강우강도를 flow nomograph에 적용하였을 때, 지속시간별로 표시된 위치가 예보 기준 위치를 하나라도 넘었을 경우 예보가 발령되어야 한다. 본 연구에서는 강우사상별로 산정된 강우강도와 강우지속시간을 flow nomograph에 적용하여 실제 침수가 발생했을 경우, 지속시간별로 표시된 위치가 하나라도 실제 침수범위 이내에 위치하고 모든 표시 위치가 침수범위를 초과하지 않을 시에는 Good, 침수가 발생하지 않았는데 표시된 위치가 하나라도 침수발생 기준을 상회하였을 경우와 침수가 발생했을 경우 모든 표시 위치가 실제 침수범위를 하회하였을 경우에는 No Good으로 예보 지점별 flow nomograph의 평가를 수행하였다. 또한 실제 침수가 발생한 경우 일부 표시된 위치가 실제 침수범위에 있더라도 나머지가 실제 침수범위를 초과한 경우는 산책로 침수여부를 기준으로 한 청계천 예보의 특성을 고려하여 Good으로 판단하였다.
- 본 연구에서는 지점별 flow nomograph 개발을 위해 가상 시나리오에 따른 강우첨두시의 강우강도와 강우지속시간, 지점별 기준 홍수위별 홍수량 결과를 이용하였다. Flow nomograph는 앞서 설정된 6개의 기준 홍수위에 대하여 회귀분석을 통해 작성하였으며, 각 기준별 수심의 차는 크지 않으나 홍수량 산정의 결과, 무릎 높이, 경계홍수위는 허리높이, 위험홍수위 등 다른 기준과 일부 겹치거나 유사하게 나타나 최종적으로 설정한 6개의 기준 홍수위에서 무릎 높이, 경계홍수위 기준을 제외한 산책로, 허리 높이, 위험홍수위, 계획홍수위를 최적 기준 홍수위로 결정하여 Fig.
- 다만 실제 강우조건에 따른 실측 강우강도와 강우지속시간은 그 범위와 조건의 수가 너무 적어 이를 대신할 다양한 강우시나리오의 설정이 요구된다. 본 연구에서는 청계천 유역특성을 고려하여 가상 강우시나리오를 설정하고, 가상 강우시나리오별 강우강도와 강우지속시간을 산정하였다. 강우지속시간은 Table 2와 같이 청계천의 유역규모 및 돌발강우대비 청계천 방재시스템 구축방안(서울시시설관리공단, 2005)에서 제시한 도달시간이 60분전후인 점을 고려하여, 총강우량규모에 따라 10분 간격으로 10∼60분을 적용하였다.
- 또한, 다양한 강우사상을 반영하기 위해 가상 시나리오를 설정하고 그에 따른 강우지속시간과 강우강도를 산정하였으며, 지점별 기준 홍수위에 대해 지점별 기준 홍수위별 홍수량 범위를 결정하여 가상 시나리오에 따른 지점별 기준 홍수위별 홍수량을 산정하였다. 산정된 가상 시나리오에 따른 첨두시 강우강도와 지점별 기준 홍수위별 홍수량값을 이용하여 flow nomograph를 개발하고, 지점별 최적 flownomograph를 결정하였다.
- 3의 수위관측지점 5개소를 주요 홍수예보 지점으로 선정하였다. 선정된 지점에 대해 flow nomograph의 예보 발령기준이 되는 기준 홍수위를 홍수시 하도 내 재해위험도에 따라 산책로(walk lane), 성인 무릎높이(knee level), 성인 허리높이(waist level), 경계홍수위(flood alert level), 위험홍수위(flood risk level), 계획홍수위(design flood level)로 설정하였다. 여기서 성인 무릎높이는 산책로를 기준으로 50 cm, 성인 허리높이는 1 m, 경계홍수위는 계획홍수량의 50%인 경계홍수량 시의 홍수위, 위험홍수위는 계획홍수량의 70%인 위험홍수량 시의 홍수위로 설정하였다.
- 두 번째로 flow nomograph 구성을 위한 홍수예보 발령기준설정을 위해 홍수 시 재해위험도에 따라 기준 홍수위를 설정하고, 예보 지점별 기준 홍수위를 산정한다. 세 번째로 flow nomograph 개발 시 다양한 홍수사상을 반영하기 위해 지속시간별 강우량별 가상 강우시나리오를 설정하고, 가상시나리오별 강우강도와 강우지속시간을 산정한다. 네 번째로 flow nomograph에 제시되는 기준 홍수위에 대한 홍수량 값을 산정하기 위해 수위-유량관계곡선을 통해 기준 홍수위별 홍수량 범위를 결정하고, SWMM 모형에 가상 강우시나리오를 적용하여 예보 지점별 홍수량을 산정한다.
- 수위-유량관계곡선식을 통해 산정된 홍수량은 각 기준 홍수위에 대한 정확한 홍수량을 나타내는 것은 아니므로, 각 홍수위 기준에 적합한 실제 하천 홍수량을 유발하는 강우강도를 결정하기 위해 수위-유량관계곡선식을 통해 산정된 홍수량에 ± 5% 유량허용범위를 적용하여 지점별 기준 홍수위별 홍수량 범위를 결정하였다.
- 선정된 지점에 대해 flow nomograph의 예보 발령기준이 되는 기준 홍수위를 홍수시 하도 내 재해위험도에 따라 산책로(walk lane), 성인 무릎높이(knee level), 성인 허리높이(waist level), 경계홍수위(flood alert level), 위험홍수위(flood risk level), 계획홍수위(design flood level)로 설정하였다. 여기서 성인 무릎높이는 산책로를 기준으로 50 cm, 성인 허리높이는 1 m, 경계홍수위는 계획홍수량의 50%인 경계홍수량 시의 홍수위, 위험홍수위는 계획홍수량의 70%인 위험홍수량 시의 홍수위로 설정하였다.
- 선정된 강우사상은 체계적인 수문자료 품질관리된 자료 중 청계천에 홍수를 유발시킨 사상이다. 우선 적용성 평가를 위해 강우사상별 관측 강우자료를 예보 지점별로 분할된 티센다각망에 적용하여 지점별 유역평균 강우량을 산정하고, 산정된 지점별 유역평균 강우량을 지속시간별로 이동누적하여 지점별 지속시간별 최대강우강도를 산정하였다.
- 2에 제시한바와 같이 1) 유역수문모형(SWMM)의 구축, 2) 예보 지점별 기준 홍수위 설정, 3) 가상 강우시나리오 설정, 4) 예보 지점별 홍수량 산정, 5) 예보 지점별 flow nomograph 작성 과정으로 구분할 수 있다. 우선 첫 번째로 flow nomograph 개발 시 필요한 홍수량 산정은 유역수문모형(SWMM)을 이용하며, 이를 위해 지형자료, 수위-유량관계곡선, 수문자료 등 수문관련 기초자료를 구축한다. 두 번째로 flow nomograph 구성을 위한 홍수예보 발령기준설정을 위해 홍수 시 재해위험도에 따라 기준 홍수위를 설정하고, 예보 지점별 기준 홍수위를 산정한다.
- 구축된 SWMM모형은 본류 양안에 존재하는 우수박스와 수문열림을 고려하기 위해 수문을 weir로 설정하였다. 이렇게 산정된 가상시나리오별 첨두홍수량값 중 결정된 기준 홍수위별 홍수량범위에 대응되는 값을 추출하여 가상 시나리오에 대한 기준홍수위별 홍수량값을 지점별로 결정하였다. Table 5는 대표적으로 5개 지점 중 삼일교의 가상 시나리오에 대한기준 홍수위별 첨두홍수량을 나타낸 것이다.
- Flow nomograph 개발에 사용된 수문관측 자료 중 강우자료는 1분 단위 기상청 AWS (Automatic Weather System) 강우강도, 1분 단위 초음파 수위형태이다. 추가적으로 청계천복원사업(청계천복원추진본부, 2005) 및 돌발강우대비 청계천 방재시스템 구축방안(서울시 시설관리공단, 2005)에서 제시한 하천단면계획을 예보 지점별 기준홍수위 산정을 위해 활용하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 개발한 지점별 flow nomograph 적용성 검토를 위해 2006년에서 2010년까지 수행된 ‘청계천 하천 모니터링 연구’를 통해 관측된 10개의 강우사상을 선정하였다.
- 본 연구에서 제시한 flow nomograph 개발은 청계천유역을 대상으로 수행되었다(Fig. 3). 그 이유는 청계천유역이 대부분이 도시화가 진행되어 홍수도달시간이 매우 짧고 복원공사 후 시민의 여가활동 및 관광명소로 활용되고 있어 호우발생 시, 그 피해가 대형화될 가능성이 높은 지역으로 빠른 선행시간의 확보 및 대책 마련의 중요성이 대두되는 지역이기 때문이다.
- 본 연구에서는 청계천 유역 내 재해 안정성을 확보하기위해 수행되는 ‘청계천 하천 모니터링 연구’를 통해 지속적으로 관측자료가 수집되고 있는 Fig. 3의 수위관측지점 5개소를 주요 홍수예보 지점으로 선정하였다.
- 본 연구에서 개발한 지점별 flow nomograph 적용성 검토를 위해 2006년에서 2010년까지 수행된 ‘청계천 하천 모니터링 연구’를 통해 관측된 10개의 강우사상을 선정하였다. 선정된 강우사상은 체계적인 수문자료 품질관리된 자료 중 청계천에 홍수를 유발시킨 사상이다. 우선 적용성 평가를 위해 강우사상별 관측 강우자료를 예보 지점별로 분할된 티센다각망에 적용하여 지점별 유역평균 강우량을 산정하고, 산정된 지점별 유역평균 강우량을 지속시간별로 이동누적하여 지점별 지속시간별 최대강우강도를 산정하였다.
이론/모형
- 특히, 본 연구에서는 도시유역의 특성을 감안하여 #를 다음 Eq.(2)와 같이 강우, 지형특성과 유출의 관계를 모의하는 SWMM의 지표면 유출모형을 통해 산정한다.
- 또한, 가상 시나리오의 강우 조건에 해당하는 예보지점별 첨두홍수량을 산정하기 위해 본 연구에서는 청계천 하천모니터링 연구를 통해 청계천 유역에 구축된 SWMM 모형을 활용하였다(서울시 시설관리공단, 2008). 구축된 SWMM모형은 본류 양안에 존재하는 우수박스와 수문열림을 고려하기 위해 수문을 weir로 설정하였다.
- 예보 지점별 기준홍수위 산정을 위해 산책로 높이, 계획홍수위는 하천단면계획 및 2010년 단면측량 자료를 이용하였으며, 성인 무릎높이, 성인 허리높이, 경계홍수위, 위험홍수위는 2009년 개발된 수위-유량관계곡선식을 이용하였다. 본 연구에서 산정된 예보 지점별 기준 홍수위는 Table 1과 같다(서울시설안전관리공단, 2010).
성능/효과
- Figs. 5～8의 분석 결과와 같이 산책로 침수여부를 기준으로 한 청계천 예보의 특성을 고려하면 본 연구에서 개발된 flow nomograph는 Table 7을 통해 알 수 있듯이, Good의 비율이 88%, No Good의 비율이 12%로 예보 지점별로 적용성이 높은 것으로 판단되었다. 따라서 본 연구를 통해 개발된 flow nomograph는 향후 청계천의 홍수위험도 판단기준으로써 활용도가 높을 것으로 사료되며, 특히 안정적인 예보를 위해서는 5개 지점 중 한곳만 홍수위험이 있어도 청계천 전역에 홍수 위험이 있다고 판단하는 것이 보다 유용할 것이다.
- 개발된 지점별 flow nomograph에 대해 과거 수문관측자료를 이용하여 적용성을 평가한 결과, 적용한 10개의 강우사상에 대해 88% 이상이 적합한 것으로 나타나, 이후 레이더, 수치예보에 제공되는 강우예측자료를 활용하여 강우의 선행시간을 확보할 수 있다면 향후 청계천 유역과 같은 중소규모 도시하천 유역에 적합한 홍수예보 방안으로써 활용도가 높을 것으로 판단되었다.
- 따라서 본 이론을 따르면 예보기간동안의 첨두시 강우강도와 강우지속시간을 이용하여 환산된 결과가 Fig. 1의 flow nomograph의 등유량선을 상회하는 경우는 호우로 인한 강우량이 홍수 기준을 초과하여 실제 홍수의 위험이 있을 수 있다고 판단하여 홍수예보를 발령하고, Fig. 1의 등유량선을 하회하는 경우는 안전하다고 판단한다.
후속연구
- 5～8의 분석 결과와 같이 산책로 침수여부를 기준으로 한 청계천 예보의 특성을 고려하면 본 연구에서 개발된 flow nomograph는 Table 7을 통해 알 수 있듯이, Good의 비율이 88%, No Good의 비율이 12%로 예보 지점별로 적용성이 높은 것으로 판단되었다. 따라서 본 연구를 통해 개발된 flow nomograph는 향후 청계천의 홍수위험도 판단기준으로써 활용도가 높을 것으로 사료되며, 특히 안정적인 예보를 위해서는 5개 지점 중 한곳만 홍수위험이 있어도 청계천 전역에 홍수 위험이 있다고 판단하는 것이 보다 유용할 것이다.
- 본 연구에서는 강우-유출모의를 기반으로 하며, 홍수예측 시에는 강우정보만을 이용하여 홍수예보가 가능한 flow nomograph를 개발하고자 한다. 본 연구에서 개발한 flow nomograph는 강우강도, 강우지속시간 등의 강우변수와 유량 및 수위간의 상관관계를 도표화한 것으로 이를 이용하여 홍수예보를 실시할 경우, 레이더, 위성 등을 통해 수집되는 예측강우 정보를 이용하여 홍수예보가 가능하여 예보선행시간을 확보할 수 있을 것으로 사료된다.
- 일반적으로 예보 발령 후 대피시간을 고려하여 강우예보의 선행시간이 30∼60분까지 확보된다면 본 연구의 flow nomograph의 홍수예보 활용성은 보다 증대될 수 있을 것이다.
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