[논문]농경지 침수 위험도 예보를 위한 전국단위 자료구축기술 개발

최순군; 박주현; 신용순; 전상민; 강문성

문제 정의

본 고에서는 농경지 침수 위험도 예보를 위한 전국단위 하천 및 농경지의 속성정보 생성기술 및 자료구축 현황을 소개하고자 한다.
본 고에서는 농경지 침수 위험도 예보를 위한 전국단위 하천 및 농경지의 속성정보 생성기술 및 자료구축 현황을 소개하였다. 도시 및 대하천 유역에 비해 농촌 유역의 침수 위험도 예보를 위한 연구는 부족한 실정으로, 본 연구에서 개발한 자료생성 기술을 통해 전국단위 농경지 침수 해석 및 예보의 기틀을 마련할 수 있을 것으로 기대된다.
농촌진흥청에서는 기후변화에 따른 농경지 침수 피해 증가에 대응하여 농경지 침수정보시스템을 개발하고 있다. 시스템의 최종 목적은 기상청의 강우예보에 따른 농경지 침수 위험도를 농민, 지자체 및 농어촌공사 담당자 등의 관계자에게 예보하여 농경지 침수 피해에 대한 선제적 대응을 가능하게 하는 것이다. 농경지 침수위험도 예보를 위해서는 농경지와 하천의 수위를 실시간으로 모의하여야 하며, 이를 위해서는 모델링을 위한 하천과 농경지의 속성 자료를 먼저 구축해야 한다.

제안 방법

신샛별 등(2016)은 그림 3의 (a)와 같이 원평천의 하천 단면 자료를 이용하여 1차식으로 하천 폭과 횡단면적 사이의 회귀식을 개발하였다. 하지만 해당 식은 하천 폭이 80m 이상, 180m 이하인 자료를 이용해 개발되어, 하천 폭이 약 22.
7m 이하인 경우 단면적이 음수 값을 가지는 등의 한계가 있는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 그림 3의 (b)와 같이 복하천, 청미천, 두월천 등 다양한 크기의 하천 폭을 가지는 하천의 단면 자료를 추가하여 거듭제곱 형태로 하천 폭과 횡단면적 사이의 회귀식을 개발하였으며, 하천 폭의 크기에 따라 두개의 회귀식을 상호보완적으로 사용하였다.
하천기본계획의 하천단면 측량 간격과 동일한 200m 간격으로 하천중심선을 분할하고, 각 분할점마다 하천중심선과 직교하는 직선을 생성하여 하천경계와 교차하는 점들을 추출하였다. DEM을 이용하여 교차점의 고도를 추출하고, 신샛별 등(2016)이 개발한 미측정 단면 추정 회귀식과 본 연구에서 개발한 회귀식을 이용하여 사다리꼴 모양의 하천 단면을 생성하였다. 마지막으로 추정 단면의 정보를 이용해 HEC-RAS의 입력자료를 생성하여 전국단위 하천 수위 해석을 위한 하천자료를 구축하였다.
따라서 농경지의 배수지연을 모의하기 위해서는 하천 수위를 동시에 모의하여 농경지 수위와 시간별로 비교할 필요가 있으며, 본 시스템에서 하천 수위는 미육군공병단에서 개발한 HEC-RAS(Hydrologic Engineering Center – River Analysis System)를 이용해 모의하고 있다. HEC-RAS를 이용해 하천 수위를 모의하기 위해서는 하천의 위치정보 및 단면형상이 필요하며, 본 연구에서는 하천중심선, 하천경계, 수치지형도 등을 이용하여 하천자료를 생성하였다.
하천자료 구축 과정은 그림 1 및 그림 2와 같다. 국토교통부의 공간정보포털(http://www.nsdi. go.kr)에서 제공하는 수치지형도, 하천중심선, 하천경계 등의 자료를 수집하여 수치지형도는 DEM (Digital Elevation Model)로 변환하였다. 하천은 하천중심선의 하천명을 기준으로 분류하였으며, 하천명이 기재되지 않은 지방하천 미만의 소하천은 삭제하였다.
농경지자료 구축 과정은 그림 5 및 그림 6와 같다. 국토교통부의 공간정보포털에서 제공하는 수치지형도, 하천중심선, 하천경계 등의 자료를 수집하여 수치지형도는 DEM으로 변환하였다. 또한, 농경지의 배후유역에서 발생하는 유출량을 산정하기 위해 물환경정보시스템에서 제공하는 KRF 자료를 수집하였다.
농경지의 단일 필지 가정을 위한 거리는 1km로 설정하여 하천을 등간격으로 분할하였으며, KRF 집수구역과 분할선이 만나는 점을 추출하였다. 그리고 분할선, 집수구역 및 하천경계로 이루어진 농경지 집수구역을 생성하였다. 한국국토정보공사의 LX 기본도를 활용하여 집수구역별 농경지 면적 및 배후유역 면적을 산정하였고, DEM을 이용하여 농경지 표고와 배후유역 유출량 산정에 필요한 유역경사 등을 추출하였다.
하천자료 생성과 마찬가지로 하천중심선은 하천 명을 기준으로 분류하여 지방하천 미만의 소하천은 삭제하였다. 농경지의 단일 필지 가정을 위한 거리는 1km로 설정하여 하천을 등간격으로 분할하였으며, KRF 집수구역과 분할선이 만나는 점을 추출하였다. 그리고 분할선, 집수구역 및 하천경계로 이루어진 농경지 집수구역을 생성하였다.
DEM을 이용하여 교차점의 고도를 추출하고, 신샛별 등(2016)이 개발한 미측정 단면 추정 회귀식과 본 연구에서 개발한 회귀식을 이용하여 사다리꼴 모양의 하천 단면을 생성하였다. 마지막으로 추정 단면의 정보를 이용해 HEC-RAS의 입력자료를 생성하여 전국단위 하천 수위 해석을 위한 하천자료를 구축하였다.
하천은 하천중심선의 하천명을 기준으로 분류하였으며, 하천명이 기재되지 않은 지방하천 미만의 소하천은 삭제하였다. 하천기본계획의 하천단면 측량 간격과 동일한 200m 간격으로 하천중심선을 분할하고, 각 분할점마다 하천중심선과 직교하는 직선을 생성하여 하천경계와 교차하는 점들을 추출하였다. DEM을 이용하여 교차점의 고도를 추출하고, 신샛별 등(2016)이 개발한 미측정 단면 추정 회귀식과 본 연구에서 개발한 회귀식을 이용하여 사다리꼴 모양의 하천 단면을 생성하였다.
그리고 분할선, 집수구역 및 하천경계로 이루어진 농경지 집수구역을 생성하였다. 한국국토정보공사의 LX 기본도를 활용하여 집수구역별 농경지 면적 및 배후유역 면적을 산정하였고, DEM을 이용하여 농경지 표고와 배후유역 유출량 산정에 필요한 유역경사 등을 추출하였다.

대상 데이터

국토교통부의 공간정보포털에서 제공하는 수치지형도, 하천중심선, 하천경계 등의 자료를 수집하여 수치지형도는 DEM으로 변환하였다. 또한, 농경지의 배후유역에서 발생하는 유출량을 산정하기 위해 물환경정보시스템에서 제공하는 KRF 자료를 수집하였다. KRF는 GIS 기반의 효율적인 유역 및 수질관리를 위하여 하천 흐름특성, 연결 관계, 위상 관계 등의 정보를 포함하는 하천 네트워크 공간자료로, 홈페이지에서는 하천 구간별 집수구역자료를 면형자료(polygon data) 로 제공하고 있다.
, 2010; 김철겸 등, 2000). 본 연구에서는 하천중심선, 수치지형도, 한국국토정보공사의 LX 기본도, 환경부 물환경정보시스템(http://http://water.nier.go.kr)의 KRF(Korean Reach File) 등을 이용하여 농경지 수위 모의에 필요한 농경지 면적, 농경지 표고, 집수구역 특성 등의 자료를 생성하였다.

성능/효과

그림 4는 전라북도에 위치한 두월천의 HECRAS 하천자료 생성 결과를 나타내고 있다. 단면 생성결과, 국토교통부에서 제공하는 하천중심선과 하천경계를 이용한 하천의 형상 및 제방위치의 추정 정확도는 높은 것으로 나타났다. 하지만 수치지형도 기반의 DEM에서 추출한 하천의 표고는 추정 정확도가 비교적 낮은 것으로 판단된다.

후속연구

본 고에서는 농경지 침수 위험도 예보를 위한 전국단위 하천 및 농경지의 속성정보 생성기술 및 자료구축 현황을 소개하였다. 도시 및 대하천 유역에 비해 농촌 유역의 침수 위험도 예보를 위한 연구는 부족한 실정으로, 본 연구에서 개발한 자료생성 기술을 통해 전국단위 농경지 침수 해석 및 예보의 기틀을 마련할 수 있을 것으로 기대된다. 하지만 본 고에서 소개한 하천 및 농경지의 자료구축기술은 여러 가지 가정에 의해 많은 불확실성을 내포하고 있으며, 이에 대한 다양한 후속연구가 필요할 것으로 사료된다.
따라서 농경지의 배수지연을 모의하기 위해서는 하천 수위를 동시에 모의하여 농경지 수위와 시간별로 비교할 필요가 있으며, 본 시스템에서 하천 수위는 미육군공병단에서 개발한 HEC-RAS(Hydrologic Engineering Center – River Analysis System)를 이용해 모의하고 있다.
본 시스템에서는 하천을 따라 1km 간격으로 집수구역을 생성하도록 가정하였으며, 현재 집수구역 분할 기준에 대한 추가적인 연구를 위해 다양한 배수개선사업 지구의 배수특성자료를 취득 및 분석하고 있다. 또한, 한국농어촌공사 와의 협업을 통해 하천자료와 마찬가지로 자료가 존재하는 지역에 대해서는 추정 자료를 순차적으로 실제 배수계통 및 집수구역 자료로 대체할 계획이다.
현재 전국단위 하천 단면 자료의 1차적인 생성은 완료하였으며, 급경사 만곡부와 하천이 끊어지는 구간 등 예외적인 부분에 대한 추정 정확도 향상을 위해 추가적인 연구를 수행중이다. 또한, 향후 하천 수위 모의의 신뢰도 향상을 위해 측량자료가 존재하는 하천구간에 대해서는 순차적으로 추정 자료를 실제 하천 단면 자료로 교체해나갈 계획이다.
특히, 농경지 유역의 경우 지형적 특성뿐 아니라 배수체계에 따라 집수구역이 결정된다. 본 시스템에서는 하천을 따라 1km 간격으로 집수구역을 생성하도록 가정하였으며, 현재 집수구역 분할 기준에 대한 추가적인 연구를 위해 다양한 배수개선사업 지구의 배수특성자료를 취득 및 분석하고 있다. 또한, 한국농어촌공사 와의 협업을 통해 하천자료와 마찬가지로 자료가 존재하는 지역에 대해서는 추정 자료를 순차적으로 실제 배수계통 및 집수구역 자료로 대체할 계획이다.
도시 및 대하천 유역에 비해 농촌 유역의 침수 위험도 예보를 위한 연구는 부족한 실정으로, 본 연구에서 개발한 자료생성 기술을 통해 전국단위 농경지 침수 해석 및 예보의 기틀을 마련할 수 있을 것으로 기대된다. 하지만 본 고에서 소개한 하천 및 농경지의 자료구축기술은 여러 가지 가정에 의해 많은 불확실성을 내포하고 있으며, 이에 대한 다양한 후속연구가 필요할 것으로 사료된다.
그림 7은 경상북도 김천시에 위치한 금송지구의 배수계통 및 집수구역을 나타내고 있으며, 대부분의 농경지 배수체계는 금송지구와 같이 복잡한 형태를 가지고 있다. 하지만 본 연구에서는 전국단위 농경지 침수 위험도 해석을 위한 기초자료를 구축하고자 여러 가지 가정을 통해 자료를 생성하였으며, 농경지 배수체계의 특성을 보다 정확하게 반영하기 위한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다. 특히, 농경지 유역의 경우 지형적 특성뿐 아니라 배수체계에 따라 집수구역이 결정된다.
하지만 수치지형도 기반의 DEM에서 추출한 하천의 표고는 추정 정확도가 비교적 낮은 것으로 판단된다. 하천 수위 모의의 정확도 향상을 위해서는 정확한 하천 단면 정보의 입력이 필수적이며, 수치지도, DEM 등 지형자료의 정밀도가 향상될 경우 하천 단면 추정의 정확도 또한 향상될 것으로 기대된다. 현재 전국단위 하천 단면 자료의 1차적인 생성은 완료하였으며, 급경사 만곡부와 하천이 끊어지는 구간 등 예외적인 부분에 대한 추정 정확도 향상을 위해 추가적인 연구를 수행중이다.
하천 수위 모의의 정확도 향상을 위해서는 정확한 하천 단면 정보의 입력이 필수적이며, 수치지도, DEM 등 지형자료의 정밀도가 향상될 경우 하천 단면 추정의 정확도 또한 향상될 것으로 기대된다. 현재 전국단위 하천 단면 자료의 1차적인 생성은 완료하였으며, 급경사 만곡부와 하천이 끊어지는 구간 등 예외적인 부분에 대한 추정 정확도 향상을 위해 추가적인 연구를 수행중이다. 또한, 향후 하천 수위 모의의 신뢰도 향상을 위해 측량자료가 존재하는 하천구간에 대해서는 순차적으로 추정 자료를 실제 하천 단면 자료로 교체해나갈 계획이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	침수정보시스템의 최종 목적은 무엇인가?	농촌진흥청에서는 기후변화에 따른 농경지 침수 피해 증가에 대응하여 농경지 침수정보시스템을 개발하고 있다. 시스템의 최종 목적은 기상청의 강우예보에 따른 농경지 침수 위험도를 농민, 지자체 및 농어촌공사 담당자 등의 관계자에게 예보하여 농경지 침수 피해에 대한 선제적 대응을 가능하게 하는 것이다. 농경지 침수위험도 예보를 위해서는 농경지와 하천의 수위를 실시간으로 모의하여야 하며, 이를 위해서는 모델링을 위한 하천과 농경지의 속성 자료를 먼저 구축해야 한다.
	배수지연은 어떤 상황에서 발생하는가?	농경지 침수는 대부분 배수지연에 의해 일어나며, 배수지연은 하천 수위가 농경지 수위보다 상승하여 자연배수가 이루어지지 않는 경우, 배수로의 통수 단면이 부족한 경우, 수로에 토사가 퇴적되거나 수초가 자란 경우 등에 발생한다(박승 우, 2003). 따라서 농경지의 배수지연을 모의하기 위해서는 하천 수위를 동시에 모의하여 농경지 수위와 시간별로 비교할 필요가 있으며, 본 시스템에서 하천 수위는 미육군공병단에서 개발한 HEC-RAS(Hydrologic Engineering Center – River Analysis System)를 이용해 모의하고 있다.
	강우시 농경지 유출수가 하천으로 배제되는 경로는 어떻게 되는가?	강우시 농경지 유출수는 배수지거, 배수지선, 배수간선 등으로 구성된 배수로망을 통하여 하천으로 배제된다(강민구, 2014). 농경지의 배수량 및 수위를 정확하게 모의하기 위해서는 논 지구의 배수체계를 정밀하게 입력하여 배수로별 흐름을 모의해야 한다.

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