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문제 정의
- 본 연구는 관측자료가 부재한 미계측/비접근 지역에 대한 홍수량을 추정하기 위한 연구로 강우-유출에 대한 수문자료뿐만 아니라 지형자료의 부재에서도 광역의 위성강우 및 지형자료를 활용하여 유출분석이 가능함을 제시하였다. 향후 더 많은 강우사상을 적용 및 검증을 통해 미계측/비접근 지역에 대한 수문분석에 활용할 계획이다.
- 본 연구는 위성으로부터 유도된 위성강우자료와 글로벌 지형자료를 활용하여 대표적인 비접근 지역인 북한지역에 대하여 북한 조선중앙 통신이 보도한 2013년도 홍수사상을 대상으로 청천강 상류에 위치한 동신군 지역의 홍수량을 추정하는 것을 목적으로 하였다.
- 본 연구는 위성으로부터 유도된 위성강우자료와 글로벌 지형자료를 활용하여 대표적인 비접근 지역인 북한지역의 청천강 상류에 위치한 동신군 지역을 대상으로 유출분석을 수행하는 것을 목적으로 하였고, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- 북한의 청천강 상류 지역인 동진군 지역(유역면적 약 1,114㎢)에 대한 유출분석을 수행하기 위하여 우선 국내의 관측자료로부터 검증 가능한 금강의 갑천유역을 대상으로 유출분석을 수행하였다. 이 유역의 상류지역은 산림지역 및 농경지 지역이고 중하류로 내려오면서 대규모의 도시지역이 형성되어 있는 지역이다.
- 유출 분석에서 검증이 가능한 국내의 갑천유역에 대하여 모형에 대한 매개변수를 보정하였다.
대상 데이터
- 강우자료는 낙동강 홍수통제소의 상주, 화서, 이안, 외서, 구미강우관측소 자료와 병성수위관측소 자료를 이용하였다. 강우 이벤트 기간은 2012년 9월13일부터 9월 20일까지를 모의하였다.
- 모형 검증을 위해 낙동강 유역의 병성천 유역을 대상으로 분석을 수행하였다. 강우자료는 낙동강 홍수통제소의 상주, 화서, 이안, 외서, 구미강우관측소 자료와 병성수위관측소 자료를 이용하였다. 강우 이벤트 기간은 2012년 9월13일부터 9월 20일까지를 모의하였다.
- 모형 검증을 위해 낙동강 유역의 병성천 유역을 대상으로 분석을 수행하였다. 강우자료는 낙동강 홍수통제소의 상주, 화서, 이안, 외서, 구미강우관측소 자료와 병성수위관측소 자료를 이용하였다.
- 모형의 검증은 낙동강의 병성천 유역을 대상으로 수행하였다. 홍수량 유출 분석을 위해 위성강우자료를 지상계측 강우자료로 수정하였으며, 수정 후 홍수유출량은 관측 첨두유출량에 대한 상대오차가 CMORPH의 경우 24%에서 11%로 감소하였고, GSMaP_NRT의 경우에도 48%에서 4%로 상대오차가 감소하여 지상계측 강우자료를 이용한 수정 위성강우자료의 정확도가 있음을 확인하였다.
- 위성으로부터 유도된 강수자료와 광역 지형 자료를 이용한 미계측/비접근 지역의 적용을 위해 북한의 2013년도 홍수사상에 대하여 분석을 수행하였다. 2013년도 7월의 홍수에 대하여 북한 조선중앙통신은“(북한의) 기상수문국 통보에 의하면 올해 장마 시작 이후 20일 동안 평균 강우량의 2배 가까운 비가 내렸다며, 특히 19일 오후 9시부터 21일 오후 3시 사이 자강도 동신군에 413㎜, 송원군에 383㎜, 희천시에 322㎜, 평안북도 태천군에 380㎜, 향산군에 312㎜, 동창군에 304㎜의 폭우가 쏟아졌다”고 보도하였다.
- 유출분석을 위한 강우량 자료는 NOAA의 CMORPH, JAXA의 GSMaP_NRT의 위성으로부터 유도된 강우자료를 이용하였다. 지상계측자료는 국토교통부 금강홍수통제소에서 관리하는 갑천유역의 회덕 유량관측소의 유출량 자료와 인동, 신대, 방동, 유성, 회덕의 강우관측소의 자료로 2012년 7월 4일부터 7월 8일까지의 자료를 이용하였다.
- 유출분석을 위한 강우량 자료는 NOAA의 CMORPH, JAXA의 GSMaP_NRT의 위성으로부터 유도된 강우자료를 이용하였다. 지상계측자료는 국토교통부 금강홍수통제소에서 관리하는 갑천유역의 회덕 유량관측소의 유출량 자료와 인동, 신대, 방동, 유성, 회덕의 강우관측소의 자료로 2012년 7월 4일부터 7월 8일까지의 자료를 이용하였다.
이론/모형
- IFAS는 ICHARM(the International Centre for Water Hazard)에서 개발한 시스템으로 개발도상국의 보다 효과적이고 효율적인 홍수예보를 위한 도구로서 전지구 위성 강우자료를 이용한 간단한 홍수-유출해석 시스템이다. IFAS의 유출 모의 엔진은 PWRI(Public Works Research Institute, Japan) 분포형 모형(ver2)로 각 격자의 유출은 비선형 탱크 모형에 의해 추정되며, 하도추적은 Kinematic wave방법을 이용한다(kim et al., 2014).
성능/효과
- 갑천유역의 보정된 위성강우와 관측우량을 이용한 모의 결과 CMORPH 보정강우 및 GSMaP_NRT 보정 강우의 결정계수(r2)는 각각 0.895 및 0.90이었고, Nash-Sutcliffe의 효율계수는 각각 0.899 및 0.785를 나타내었다.
- 그림 7과 같이 수정된 위성강우량 자료를 이용한 유출분석 결과 CMORPH 자료의 경우 수정전 및 수정 후의 첨두유출은 각각 764.6㎥/s, 545.5㎥/s로 관측 첨두유출량과의 상대오차는 24.1% 및 11.4%로 나타났다. GSMaP_NRT 위성자료의 경우 수정 전 및 수정 후의 첨두유출은 각각 319.
- 표 2에서 보는 바와 같이 GSMaP_NRT 강우는 지상계측 강우자료보다 과소하게 추정되었고, CMORPH는 과다하게 추정되었다. 두 강우자료를 적용한 결과 GSMaP_NRT 및 CMORPH의 첨두유출량은 각각 110.2㎥/s, 741.1㎥/s로 나타났다. 위성강우를 지상계측강우자료 총강우인 123.
- 4%로 나타났다. 두 위성 강우자료 모두 수정 후 상대오차가 11.4% 및 4.4%로 첨두유출량의 상대오차가 작아짐을 확인할 수 있다.
- 이 때의 위성강우의 총강우량은 앞서 언급한 바와 같이 360㎜로 북한 기상수문국이 발표한 413㎜보다 과소한 강우량이었다. 두 위성강우자료를 지점관측 총강우량과 같게 수정한 유출분석에서 CMORPH 및 GSMaP_NRT의 첨두유출량은 각각 5,717.5㎥/s 및 4,784.5㎥/s로 분석되었다. 따라서 2013년 7월 북한의 자강도 동신군 지역에서 발생한 홍수사상의 첨두유출량은 최소 2,333㎥/s 이상일 것으로 추측되며, 수정된 위성강우자료로부터 분석한 4,785㎥/s에서 5,718㎥/s 정도의 홍수량을 나타낸 것으로 추측된다(그림 11).
- 5㎥/s로 분석되었다. 따라서 2013년 7월 북한의 자강도 동신군 지역에서 발생한 홍수사상의 첨두유출량은 최소 2,333㎥/s 이상일 것으로 추측되며, 수정된 위성강우자료로부터 분석한 4,785㎥/s에서 5,718㎥/s 정도의 홍수량을 나타낸 것으로 추측된다(그림 11).
- 북한 수문기상국에서 발표한 자강도 동신군 지역의 2013년 7월 19일 오후 9시부터 21일 오후 3시 사이 총강우량은 413㎜로 발표하였으나 같은 시기의 위성강우 GSMaP_NRT는 누가강우량이 180.2mm, 최대강우강도 9.04㎜/hr를 나타내었으며, CMORPH의 누가강우량은 360mm, 최대강우강도는 15.0㎜/hr를 나타내었다.
- 북한지역에 대한 위성강우를 이용한 분석결과 CMORPH를 이용한 유출분석에서 첨두유출량이 약 2,334㎥/sec이 발생하는 것으로 분석되었고, 수정된 위성강우를 이용한 유출분석에서는 첨두유출량이 CMORPH가 4,885.8㎥/s, GSMaP_NRT가 5,717.5㎥/s의 유출이 발생하는 것으로 분석되었다.
- 위성강우 및 글로벌 지형정보를 활용한 북한지역 유출분석 결과 CMORPH 위성강우자료를 이용한 유출분석에서 첨두유출량은 약 2,333.7㎥/s로 분석되었다. 이 때의 위성강우의 총강우량은 앞서 언급한 바와 같이 360㎜로 북한 기상수문국이 발표한 413㎜보다 과소한 강우량이었다.
- 1㎥/s로 나타났다. 위성강우를 지상계측강우자료 총강우인 123.6mm로 두 위성강우자료를 그림 3과 같이 보정한 결과 첨두유출량은 각각 357.4㎥/s, 490.1㎥/s로 나타났고, 관측 첨두유출량 495.2㎥/s에 대한 상대오차는 각각 1.0% 및 27.8%로 나타났다. 위성강우의 수정 전 강우량 및 수정 후 강우량에 대한 유출분석 결과는 그림 4에 나타내었다.
- 두 위성강우의 총강우량 및 최대강우강도는 표 2에 나타내었다. 표 2에서 보는 바와 같이 GSMaP_NRT 강우는 지상계측 강우자료보다 과소하게 추정되었고, CMORPH는 과다하게 추정되었다. 두 강우자료를 적용한 결과 GSMaP_NRT 및 CMORPH의 첨두유출량은 각각 110.
- 표 3과 같이 병성천 수위관측소에서 관측된 첨두유출량은 616.06㎥/s였고, 매개변수 보정전 첨두유출량은 640.05㎥/s였고, 갑천유역에서 보정한 매개변수를 이용한 첨두유출량은 602.3㎥/s로 보정 전과 보정 후의 첨두유출량에 대한 상대오차는 각각 3.89%, 2.23%로 분석되었다(그림 5).
- 한편 유출분석의 상승시점의 최소유량을 기저유량으로 가정하고 분석한 유출률 분석에서 CMORPH는 0.835, GSMaP_NRT는 약 0.92정도로 분석되었다. GSMaP_NRT 위성강우자료의 경우 총강우는 CMORPH보다 작으나 시간당 강우량이 매우 커 유출률에 영향을 미친 것으로 판단된다.
- 모형의 검증은 낙동강의 병성천 유역을 대상으로 수행하였다. 홍수량 유출 분석을 위해 위성강우자료를 지상계측 강우자료로 수정하였으며, 수정 후 홍수유출량은 관측 첨두유출량에 대한 상대오차가 CMORPH의 경우 24%에서 11%로 감소하였고, GSMaP_NRT의 경우에도 48%에서 4%로 상대오차가 감소하여 지상계측 강우자료를 이용한 수정 위성강우자료의 정확도가 있음을 확인하였다.
후속연구
- 본 연구는 관측자료가 부재한 미계측/비접근 지역에 대한 홍수량을 추정하기 위한 연구로 강우-유출에 대한 수문자료뿐만 아니라 지형자료의 부재에서도 광역의 위성강우 및 지형자료를 활용하여 유출분석이 가능함을 제시하였다. 향후 더 많은 강우사상을 적용 및 검증을 통해 미계측/비접근 지역에 대한 수문분석에 활용할 계획이다.
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