[논문]홍수저류지 설계를 위한 강우강도-지속시간-홍수량(IDQ) 곡선 해석

김진겸; 강부식; 윤병만

doi:10.3741/jkwra.2014.47.1.83

홍수저류지 설계를 위한 강우강도-지속시간-홍수량(IDQ) 곡선 해석
Analysis of Intensity-Duration-Quantity (IDQ) Curve for Designing Flood Retention Basin 원문보기

Journal of Korea Water Resources Association = 한국수자원학회논문집, v.47 no.1, 2014년, pp.83 - 93

김진겸 (단국대학교 공과대학 토목환경공학과) , 강부식 (단국대학교 공과대학 토목환경공학과) , 윤병만 (명지대학교 공과대학 토목공학과)

초록
AI-Helper

기후변화 및 도시화 등의 요인으로 인하여 증가하는 불확실성에 대처하기 위하여 건설되는 홍수저류지 형태의 치수시설물이 기존의 치수시설물과 연계되어 치수능력을 극대화 할 수 있는 설계기준과 절차의 제시를 위하여 본 연구가 수행되었다. 본류의 홍수위 증가량에 대비할 수 있는 저류지용량결정, 저류지용량이 주어져 있을 경우의 본류의 홍수위 저감효과산정 등에 적용할 수 있는 다양한 시나리오 하에서의 분석을 위한 절차를 제시하였다. 기존 설계홍수량 산정절차에 근거한 IDQ (Intensity-Duration-Quantity) 분석을 이용하여 임의지속시간에서의 설계홍수수문곡선 산정기법을 제시하였고 그 활용사례를 제시하였다. IDQ 분석을 통해 산정한 강우량을 기반으로 등가첨두 수문곡선을 산정할 수 있으며, 기존 수문곡선과 동일한 지속시간 하에서 하천의 수위가 높아질 수 있는 저빈도 수문곡선과, 기존 수문곡선과 동일한 첨두홍수량을 지니지만 강우지속기간의 증가로 인해 유출체적이 증가하는 수문곡선, 기존 수문곡선에 비해 하천의 수위 및 수문곡선의 부피 모두 증가하는 수문곡선 등 다양한 형태의 수문곡선에 대한 시나리오해석을 가능하게 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This research was carried out for suggesting design criteria and procedure for maximizing flood control capacity by building flood control facilities like flood retention basin built in connection with existing facilities in order to cope with increased uncertainty due to factors such as urbanization and climate change. We suggested the procedure for the analysis under the various scenarios applicable for the cases of determining retention basin capacity as provision for the flood water level increase in main river channel or estimating flood water level reduction effect when retention basin capacity is given. Procedure for estimating design flood hydrograph at any duration using Intensity-Duration-Quantity (IDQ) originated from the existing IDF, and its application example were provided. Based on rainfall estimated by the IDQ analysis, it is possible to calculate an equivalent peak hydrographs under various scenarios, e.g. lower frequency hydrograph under same rainfall duration with water level higher than existing hydrograph, hydrograph with same peak and higher volume due to increased rainfall duration, hydrograph with higher peak and volume than existing hydrograph, etc.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

기후변화에 따른 새로운 설계기준을 설정한다해도 기존의 설계기준에 따라 이미 건설된 치수구조물은 새로운 설계기준에 맞춰 치수능력을 증가시키기가 불가능하거나 가능하다해도 막대한 자원과 예산이 소요되기 마련이다. 따라서 기존에 건설된 치수구조물은 그 자체의 치수능력을 유지한 채, 새로이 건설되는 치수시설물이 기존의 치수시설물과 조화롭게 연계되어 치수능력을 극대화 할 수 있는 설계기준의 제시를 위하여 본 연구가 수행되었다. 또한 기존의 설계홍수량 산정이 설계홍수위를 결정하는 부분에 지나치게 집중되었다는 점을 지적하며, 제방과 저류지가 복합적으로 운영되는 조건에서 적용할 수 있는 방법론을 제시하고자 한다.
따라서 기존에 건설된 치수구조물은 그 자체의 치수능력을 유지한 채, 새로이 건설되는 치수시설물이 기존의 치수시설물과 조화롭게 연계되어 치수능력을 극대화 할 수 있는 설계기준의 제시를 위하여 본 연구가 수행되었다. 또한 기존의 설계홍수량 산정이 설계홍수위를 결정하는 부분에 지나치게 집중되었다는 점을 지적하며, 제방과 저류지가 복합적으로 운영되는 조건에서 적용할 수 있는 방법론을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 홍수량 산정절차를 통해 해당 유역의 설계빈도에 상당하는 첨두홍수량을 산정한 뒤 IDQ 해석을 통해 동일한 첨두홍수량을 갖는 임의지속시간에서의 홍수수문곡선을 유도하는 기법을 소개하고자 한다. 본 연구에서 제시하는 IDQ 해석은 동일한 첨두홍수량을 발생시키는 강우사상, 즉 등첨두홍수수문곡선을 이용하여 강변저류시설 혹은 홍수저류시설 등의 설계에 활용할 수 있는 방안을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 설계홍수량의 증감을 초래할 수 있는 여러 다양한 불확실성 요소가 존재한다는 것을 지적하며, 최근 기후변화 및 여러 불확실성요들로 인하여 증가된 홍수량을 설계에 반영하기 위하여 IDF 곡선을 응용한 강우강도-지속시간-홍수량(IDQ; Intensity-Duration-Quantity) 곡선(이하 ‘IDQ 곡선’)을 제시하고 이의 해석과 활용방안을 제시하고자 한다.
만일 하천의 본류에서 발생하는 설계홍수수문곡선의 홍수량을 분담하기 위한 홍수저류시설을 계획하는 경우 동일한 설계홍수위라도 다양한 설계강우가 발생시키는 다양한 홍수수문곡선에서 홍수저류지의 규모와 효과가 달라지게 되고, 임계강우사상만이 아닌 다양한 강우사상에 대한 홍수량해석이 필요하게 된다. 본 연구에서는 홍수량 산정절차를 통해 해당 유역의 설계빈도에 상당하는 첨두홍수량을 산정한 뒤 IDQ 해석을 통해 동일한 첨두홍수량을 갖는 임의지속시간에서의 홍수수문곡선을 유도하는 기법을 소개하고자 한다. 본 연구에서 제시하는 IDQ 해석은 동일한 첨두홍수량을 발생시키는 강우사상, 즉 등첨두홍수수문곡선을 이용하여 강변저류시설 혹은 홍수저류시설 등의 설계에 활용할 수 있는 방안을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 홍수량의 불확실성에 대비하기 위하여 홍수저류지의 설치를 통하여 치수능력을 증가시키고자 하는 경우, 새로이 건설되는 치수시설물이 기존의 치수시설물과 연계되어 치수능력을 극대화 할 수 있는 설계기준의 제시를 목적으로 수행되었다. 본류의 홍수위 증가량에 대비할 수 있는 저류지용량결정, 저류지용량이 주어져 있을 경우의 본류의 홍수위 저감효과산정 등에 적용할 수 있는 다양한 시나리오 하에서의 분석을 위한 기준을 제시하였다.
본 연구에서는 홍수량의 불확실성에 대비하기 위하여 홍수저류지의 설치를 통하여 치수능력을 증가시키고자 하는 경우, 새로이 건설되는 치수시설물이 기존의 치수시설물과 연계되어 치수능력을 극대화 할 수 있는 설계기준의 제시를 목적으로 수행되었다. 본류의 홍수위 증가량에 대비할 수 있는 저류지용량결정, 저류지용량이 주어져 있을 경우의 본류의 홍수위 저감효과산정 등에 적용할 수 있는 다양한 시나리오 하에서의 분석을 위한 기준을 제시하였다. 기존 설계홍수량 산정절차에 근거한 IDQ 해석을 추가하여 임의지속시간에서의 설계홍수수문곡선 산정기법을 제시하였고 그 활용사례를 제시하였다.

제안 방법

본 연구에서는 홍수수문곡선을 합성하기위해 Clark 단위도(Clark, 1945)를 사용하였다. Clark 단위도는 관측자료가 없는 유역에 경험식을 통해 매개변수를 산정할 수 있는 합성단위도 기법이지만, 본 연구에서 적용하는 유역은 원주 수위관측소를 출구로 하는 유역이기 때문에 관측자료를 이용하여 매개변수를 산정하고 홍수량을 산정하였다.
본류의 홍수위 증가량에 대비할 수 있는 저류지용량결정, 저류지용량이 주어져 있을 경우의 본류의 홍수위 저감효과산정 등에 적용할 수 있는 다양한 시나리오 하에서의 분석을 위한 기준을 제시하였다. 기존 설계홍수량 산정절차에 근거한 IDQ 해석을 추가하여 임의지속시간에서의 설계홍수수문곡선 산정기법을 제시하였고 그 활용사례를 제시하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
면적우량환산계수는 MLIT (2011)의 연구에서 제시한 ARF 공식을 따르며, 원주천 유역은 한강유역에 속하기 때문에 한강유역의매개변수를 적용하였다. 단, 주요 지속시간에 해당하지 않는 지속시간에 한해서 평균값을 사용하였으며 강우지속시간이 48시간을 초과하는 경우에는 강우의 면적감소율이 미미하기 때문에(2% 미만) 일괄적으로 1로 처리하였다. 산정한 빈도별, 지속시간별 ARF결과는 Table 3과 같고, 최종적으로 결정된 면적확률 강우량은 Table 4와 같다.
또한, 결정된 매개변수를 토대로 선행함수상태가 충분한 AMC (III) 조건의 2010년 9월 11일 23시부터 12일 08시까지의 강우사상과 이에 따른 유출량에 대해 검증절차를 수행하였다. 검증 수문곡선의 R²는 0.
원주천은 지방하천으로서 1999년에 수립된 원주천 하천정비기본계획(MILT, 1999)에 의하면 하천설계빈도가 80년으로 설정되어 있어 80년 빈도를 기준으로 IDQ 해석을 수행하고자 한다. Table 9의 계산결과에 따르면 임계지속시간은 9시간, 재현기간 80년에 대한 설계홍수량은 684.
지점 확률강우량을 산정하기 위해서 1973년 1월부터 2010년 12월까지의 시우량자료를 수집하였으며, 지속시간은 1, 2, 3, 5, 6, 9, 12, 18, 24, 48, 72시간으로 나누어 연최대강우량을 산정하였고 산정된 지속시간별 연최대강우량을 토대로 지점 확률강우량을 산정하였다. 설계홍수량 산정요령(MLIT, 2012)에 따라 지점 확률강우량 산정시 확률분포함수는 Gumbel 분포를 채택하였으며, 매개변수 추정방법은 확률가중모멘트법을 채택하였다.

대상 데이터

강우분석의 기초가 되는 강우관측소는 유역내 존재하는 기상청 관할의 원주관측소를 대상으로 하였고, 제원은 Table 2와 같다.
매개변수 보정을 위한 강우-유출사상을 채택하였으며 채택한 사상은 2010년 9월 21일 15시부터 22일 01시까지 강우와 이에 따른 수위 관측자료이다. 관측된 수위는 수위-유량 관계곡선식을 이용해 유량으로 환산하였으며 수평직선분리법에 의해 직접유출량을 구분하였다.
본 연구에서 제시한 설계홍수량 산정기법을 적용하기 위한 유역은 강원도 원주시에 위치한 원주천 유역으로서 원주 수위관측소를 출구로 하는 유역을 대상으로 하였다.선정된 유역은 홍수추적 절차가 필요하지 않은 소규모 유역이며 관측강우량이 충분히(30년 이상) 존재하는 강우관측소가 인근에 있기 때문에 설계홍수량 산정 절차를 적용하기에 적절한 유역이라 판단되었다.
7과 같다. 수위관측소는 화천합류뷰 하류에 위치한 봉학교지점이다.

데이터처리

기본적인 유역특성분석은 ESRI의 ArcGIS 9.3 프로그램과 Extension 기능인 ArcHydro를 이용하여 산정하였고 원주천 유역의 특성인자는 Table 1에 나타나 있다.

이론/모형

매개변수 보정을 위한 강우-유출사상을 채택하였으며 채택한 사상은 2010년 9월 21일 15시부터 22일 01시까지 강우와 이에 따른 수위 관측자료이다. 관측된 수위는 수위-유량 관계곡선식을 이용해 유량으로 환산하였으며 수평직선분리법에 의해 직접유출량을 구분하였다. 매개변수 보정결과 도달시간(t_c)은 1.
지점확률강우량을 면적확률강우량으로 환산하기 위해 면적우량환산계수(ARF)를 적용하였다. 면적우량환산계수는 MLIT (2011)의 연구에서 제시한 ARF 공식을 따르며, 원주천 유역은 한강유역에 속하기 때문에 한강유역의매개변수를 적용하였다. 단, 주요 지속시간에 해당하지 않는 지속시간에 한해서 평균값을 사용하였으며 강우지속시간이 48시간을 초과하는 경우에는 강우의 면적감소율이 미미하기 때문에(2% 미만) 일괄적으로 1로 처리하였다.
본 연구에서는 홍수수문곡선을 합성하기위해 Clark 단위도(Clark, 1945)를 사용하였다. Clark 단위도는 관측자료가 없는 유역에 경험식을 통해 매개변수를 산정할 수 있는 합성단위도 기법이지만, 본 연구에서 적용하는 유역은 원주 수위관측소를 출구로 하는 유역이기 때문에 관측자료를 이용하여 매개변수를 산정하고 홍수량을 산정하였다.
설계강우의 시간분포는 Huff 방법을 사용하며, 설계홍수량 산정요령(MLIT, 2012)에 따라 초과확률 50%의 3분위 강우시간분포를 사용하였다. 한국확률강우량도 보완 및 개선연구(MLIT, 2011)에서 산정한 원주관측소의 분위별 무차원 누가곡선 분포와 6차 회귀식은 다음 Tables 5 and 6과 같다.
지점 확률강우량을 산정하기 위해서 1973년 1월부터 2010년 12월까지의 시우량자료를 수집하였으며, 지속시간은 1, 2, 3, 5, 6, 9, 12, 18, 24, 48, 72시간으로 나누어 연최대강우량을 산정하였고 산정된 지속시간별 연최대강우량을 토대로 지점 확률강우량을 산정하였다. 설계홍수량 산정요령(MLIT, 2012)에 따라 지점 확률강우량 산정시 확률분포함수는 Gumbel 분포를 채택하였으며, 매개변수 추정방법은 확률가중모멘트법을 채택하였다. 확률강우량은 국립방재연구소의 FARD (Frequency Analysis of Rainfall Data) 2006을 사용하여 산정하였다.
유효우량은 NRCS 방법을 사용하며, 원주천 유역의 개략토지이용도 및 개략토양도를 중첩한 후 유역평균 유출곡선 지수를 산정하는 방법을 사용하였다. Figs.
지점확률강우량을 면적확률강우량으로 환산하기 위해 면적우량환산계수(ARF)를 적용하였다. 면적우량환산계수는 MLIT (2011)의 연구에서 제시한 ARF 공식을 따르며, 원주천 유역은 한강유역에 속하기 때문에 한강유역의매개변수를 적용하였다.
설계홍수량 산정요령(MLIT, 2012)에 따라 지점 확률강우량 산정시 확률분포함수는 Gumbel 분포를 채택하였으며, 매개변수 추정방법은 확률가중모멘트법을 채택하였다. 확률강우량은 국립방재연구소의 FARD (Frequency Analysis of Rainfall Data) 2006을 사용하여 산정하였다.

성능/효과

2) 재 산정된 설계홍수수문곡선은 IDQ 해석을 통해 산정한 강우량을 기반으로 새롭게 산정되는 수문곡선으로서, 기존 수문곡선과 동일한 지속시간 하에서 하천의 수위가 높아질 수 있는 저빈도 수문곡선과, 기존 수문곡선과 동일한 첨두홍수량을 지니지만, 강우발생빈도 및 강우총량의 차이로 인해 수문곡선의 부피가 증가하는 수문곡선, 기존 수문곡선에 비해 하천의 수위 및 수문곡선의 부피 모두 증가하는 수문곡선 등 다양한 형태의 수문곡선에 대한 시나리오 해석을 가능하게 한다.
4) 설계자의 판단에 따라 단순 저빈도 강우에 의한 홍수량 증가에 따라 해당 하천의 수위 증가가 예상될 경우 수위와 관련이 있는 준설량 산정, 제방 및 보의 설계 및 평가에 사용될 수 있으며, 첨두홍수량에는 변화가 없고 부피가 증가하는 형태의 수문곡선을 고려해야 할 경우 하천의 총유출체적과 관련이 있는 댐이나 저수지, 강변저류지 등 저류구조물 설계 및 평가 시에 용이하게 사용될 수 있을 것이다.
관측된 수위는 수위-유량 관계곡선식을 이용해 유량으로 환산하였으며 수평직선분리법에 의해 직접유출량을 구분하였다. 매개변수 보정결과 도달시간(t_c)은 1.1시간, 저류상수(K)는 2.5로 산정되었으며, 보정 전후 수문곡선의 R²는 0.88에서 0.97로, RMSE는 48.8 m³/s에서 25.6 m³/s로 개선되었다.
선정된 원주관측소의 관측개시년도는 1971년이지만 강우 빈도해석에 필요한 시우량자료를 보유하고 있는 기간은 39개년 이상(1973～현재)이며, 이는 우리나라 강우 빈도해석 시 최소 관측년수의 기준으로 제시되고 있는 30개년 이상이므로 기본적인 신뢰도를 갖추고 있음을 알 수 있다.
본 연구에서 제시한 설계홍수량 산정기법을 적용하기 위한 유역은 강원도 원주시에 위치한 원주천 유역으로서 원주 수위관측소를 출구로 하는 유역을 대상으로 하였다.선정된 유역은 홍수추적 절차가 필요하지 않은 소규모 유역이며 관측강우량이 충분히(30년 이상) 존재하는 강우관측소가 인근에 있기 때문에 설계홍수량 산정 절차를 적용하기에 적절한 유역이라 판단되었다. 원주천은 지방하천인 흥양천, 화천 등을 포함하고 있으며 국가하천 섬강으로 유입된다.

후속연구

3) 본 연구에서 제시한 설계홍수수문곡선은 단순 저빈도 강우에 의한 홍수량 증가뿐만 아니라 첨두홍수량에는 변화가 없고 부피가 증가하는 형태, 첨두홍수량과 부피가 모두 증가하는 형태를 고려할 수 있기 때문에 설계 및 계획 단계에서 활용 목적에 따라 다양하게 활용될 수 있을 것이라 기대한다.
향후, 해당 지역에서의 적정한 초과확률을 갖는 최대지속시간 결정에 관한 연구를 수행한다면 임계지속시간외에 수문 설계에 활용할 수 있는 강우지속시간의 범위를 제시하여 정량적인 IDQ 분석 결과를 도출할 수 있을 것이라 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	설계기준의 측면에서 홍수량 증가에 대비할 수 있는 방법은 무엇이 있는가?	미래 기후변화에 따른 홍수량의 증가가 예상될 때 이에 대비할 수 있는 여러 대안이 있을 수 있다. 설계기준의 측면에서 보면 설계빈도를 상향시키는 방법, 설계수문량을 일정량 혹은 일정비율로 상향시키는 방법이 있고, 치수대안별로 보면 제방을 증고하여 첨두홍수위의 증가에 대비하는 방안, 저류지나 댐을 설치하여 홍수량을 저류시키는 방안 등이 대표적이지만, 모든 경우에 있어서 어느 정도의 규모가 적절한지에 대해서는 뚜렷한 기준이 마련되어 있지 못한 실정이다. 기후변화에 따른 새로운 설계기준을 설정한다해도 기존의 설계기준에 따라 이미 건설된 치수구조물은 새로운 설계기준에 맞춰 치수능력을 증가시키기가 불가능하거나 가능하다해도 막대한 자원과 예산이 소요되기 마련이다.
	치수계획 패러다임의 변화에 따라 필요한 것은 무엇인가?	최근에 기후변화에 따라 수문사상의 불확실성이 증가하고 극치홍수량의 빈도와 규모 역시 증가함에 따라 치수계획에 있어서도 증가된 홍수량에 대비할 수 있는 다양한 대안들이 모색되고 있다. 제방위주의 1차원적인 치수패러다임이 유역에서 홍수량을 제어하는 2차원적 치수패러다임으로 확장됨에 따라 설계기준도 이를 적절히 반영할 수있는 재검토가 요구되고 있다. 기후변화의 영향을 설계기준에 반영하기 위해서 구조물별 설계빈도 기준을 일부 상향 조정하는 방식을 적용하여 왔으나 이와 같은 방법만으 로는 한계가 있으므로 근본적인 개선이 필요하다는 지적이 있다(MLIT, 2012).
	치수계획의 패러다임은 시간이 지남에 따라 어떻게 변화했는가?	최근에 기후변화에 따라 수문사상의 불확실성이 증가하고 극치홍수량의 빈도와 규모 역시 증가함에 따라 치수계획에 있어서도 증가된 홍수량에 대비할 수 있는 다양한 대안들이 모색되고 있다. 제방위주의 1차원적인 치수패러다임이 유역에서 홍수량을 제어하는 2차원적 치수패러다임으로 확장됨에 따라 설계기준도 이를 적절히 반영할 수있는 재검토가 요구되고 있다. 기후변화의 영향을 설계기준에 반영하기 위해서 구조물별 설계빈도 기준을 일부 상향 조정하는 방식을 적용하여 왔으나 이와 같은 방법만으 로는 한계가 있으므로 근본적인 개선이 필요하다는 지적이 있다(MLIT, 2012).

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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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