[논문]거대강우 시나리오를 이용한 거대홍수량 산정

한대건; 김덕환; 김정욱; 정재원; 이종소; 김형수

doi:10.17663/jwr.2019.21.s-1.90

거대강우 시나리오를 이용한 거대홍수량 산정
Estimation of Mega Flood Using Mega Rainfall Scenario 원문보기

한국습지학회지 = Journal of wetlands research, v.21 no.spc, 2019년, pp.90 - 97

한대건 (인하대학교 토목공학과) , 김덕환 (한국건설기술연구원 국토보전연구본부) , 김정욱 (인하대학교 토목공학과) , 정재원 (인하대학교 토목공학과) , 이종소 (국토연구원 도시연구본부) , 김형수 (인하대학교 토목공학과)

초록
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최근 연속적인 호우사상으로 인해 홍수가 발생하고 있으며, 이로 인한 재산 및 인명피해가 증가하고 있다. 따라서 본 연구에서는 연속적인 호우사상 발생 사례를 바탕으로 거대강우 시나리오와 거대홍수를 정의하였다. 경안천 유역의 100년 빈도 확률강우사상이 연속적으로 발생한다는 가정하에 거대강우 시나리오를 생성하였으며, 거대홍수량을 산정하기 위하여 SSARR(Streamflow Synthesis and Reservoir Regulation)모형을 이용하였다. 또한, 보다 합리적인 유출해석을 수행하기 위하여 SCE_UA기법을 통해 매개변수를 추정하고, SSR(Sum of Squared of Residual)과 첨두유량 모의에 유리한 WSSR(Weighted Sum of Squared of Residual)의 목적함수를 이용하여 모형의 보정 및 검증을 수행하였다. 이를 통해 적합성 검토를 수행하였다. 그 결과, 경안천 유역의 100년 빈도 강우사상의 연속발생으로 인한 거대홍수량은 4,802㎥/s로 산정되었고, 경안천하천정비기본계획(2011)에서 산정한 100년 빈도 단일 강우사상에 의한 홍수량은 3,810㎥/s으로 산정되었다. 따라서 거대홍수량이 단일 호우사상에 의한 홍수량 보다 약 992㎥/s 만큼 증가하는 것으로 확인되었으며, 이는 향후 거대홍수를 고려할 경우, 경안천 유역의 치수방어대책 수립시 참고자료로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In recent years, flood due to the consecutive storm events have been occurred and property damage and casualties are in increasing trend. This study calls the consecutively occurred storm events as a mega rainfall scenario and the discharge by the scenario is defined as a mega flood discharge. A mega rainfall scenario was created on the assumption that 100-year frequency rainfall events were consecutively occurred in the Gyeongancheon stream basin. The SSARR (Streamflow Synthesis and Reservoir Regulation) model was used to estimate the mega flood discharge using the scenario in the basin. In addition, in order to perform more reasonable runoff analysis, the parameters were estimated using the SCE_UA algorithm. Also, the calibration and verification were performed using the objective functions of the weighted sum of squared of residual(WSSR), which is advantageous for the peak discharge simulation and sum of squared of residual(SSR). As a result, the mega flood discharge due to the continuous occurrence of 100-year frequency rainfall events in the Gyeongan Stream Basin was estimated to be 4,802㎥/s, and the flood discharge due to the 100-year frequency single rainfall event estimated by "the Master Plan for the Gyeongancheon Stream Improvement" (2011) was 3,810㎥/s. Therefore, the mega flood discharge was found to increase about 992㎥/s more than the single flood event. The results of this study can be used as a basic data for Comprehensive Flood Control Plan of the Gyeongan Stream basin.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. Coefficient of Variation method(Kim, 2018)
그림 Fig. 2. Gyeongan Stream Basin
표 Table 1. Calibration of the Model Using Objective Functions
그림 Fig. 3. Generation of the Mega Flood Scenario Using IETD
표 Table 2. Validation of the Model Using Objective Functions
그림 Fig. 4. Mega Flood Estimation Using the Mega Rainfall Scenario

AI 본문요약
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문제 정의

앞서 언급한 바와 같이 유출해석은 다양한 매개변수에 영향을 받기 때문에 단일호우사상을 통해 산정한 매개변수를 이용하여 연속적인 호우사상의 유출해석을 수행할 경우, 결과가 상이하게 도출될 수 있다. 따라서 본 연구에서는 연속적인 호우사상에 대한 매개변수를 추정하여 보다 합리적인 유출해석 결과를 도출하고자 하였다.
본 연구에서는 해당유역의 확률강우량을 연속 발생시켜 거대강우 시나리오를 생성하고자 한다. 따라서 해당유역의 확률강우량을 산정하기 위해서 30년이상의 시간 강우 자료가 있는 관측소를 선정하여 통계적 유의성을 확보하였다. 그 다음 관측소의 예비해석, 분포형 적용, 매개변수 추정, 적합도 검정, 최적 분포형 선정 등을 통해 해당유역의 빈도별 지속시간별 확률강우량을 산정하였다.
따라서 모형의 매개변수 자동보정을 위해서는 적절한 목적함수의 선정이 필요하다. 본 연구에서는 목적함수로 실측유량과 모의유량의 편차 제곱의 합인 SSR과 Song (2006)에 의해 제안된 WSSR을 적용하여 이에 대한 적합성 평가를 수행한 뒤 매개변수 자동보정을 위한 최적의 목적함수를 선정하였다.
연속적인 호우사상 발생으로 인한 거대강우 시나리오를 생성하기 위해서는 태풍, 극한강우, 집중호우, 확률강우량 등 연속적으로 발생시킬 호우사상에 대하여 선정해야한다. 본 연구에서는 해당유역의 확률강우량을 연속 발생시켜 거대강우 시나리오를 생성하고자 한다. 따라서 해당유역의 확률강우량을 산정하기 위해서 30년이상의 시간 강우 자료가 있는 관측소를 선정하여 통계적 유의성을 확보하였다.

가설 설정

SSARR 모형의 유출은 지표면 유출, 지표하 유출, 지하수 유출, 회귀지하수 유출로 구분되고, 각각 유출 성분은 여러 개의 가상적인 선형 저수지로 구성되어 있다고 가정하여 저수지 추적을 실시하여 유출량을 계산한다.

제안 방법

각 관측소별 IETD는 서울 9시간, 이천 12시간, 수원 13시간, 양평 12시간으로 산정되었다. 각 소유역에 강우량을 적용할 때 환산강우량을 적용해야 하므로, 가장 짧은 서울 관측소의 IETD값을 기준으로 9시간을 최소무강우기간으로 선택하여 분석을 수행하였다. 최종적으로 거대강우 시나리오를 생산하기 위하여 경안천 유역에 해당하는 설계빈도인 100년빈도 확률강우량을 두 번 연속적으로 발생시켜 거대강우 시나리오를 생성하였다(Fig.
각 소유역에 강우량을 적용할 때 환산강우량을 적용해야 하므로, 가장 짧은 서울 관측소의 IETD값을 기준으로 9시간을 최소무강우기간으로 선택하여 분석을 수행하였다. 최종적으로 거대강우 시나리오를 생산하기 위하여 경안천 유역에 해당하는 설계빈도인 100년빈도 확률강우량을 두 번 연속적으로 발생시켜 거대강우 시나리오를 생성하였다(Fig. 3).
경안천 유역의 경안수위관측소 자료를 사용하여 보정 및 검증을 수행하였다. 목적함수 SSR과 WSSR을 이용하여 2009년 7월 9일∼2009년 7월 12일의 강우사상을 이용하여 보정을 실시하였으며, R², NRMES, RE 기법을 통해 목적함수의 적절성을 평가하였다.
국내·외 선행연구들을 살펴보면 유출해석을 위한 매개변수 추정시 모든 연구에서 단일호우사상에 대한 매개변수를 추정하여 유출해석을 수행하였다.
따라서 해당유역의 확률강우량을 산정하기 위해서 30년이상의 시간 강우 자료가 있는 관측소를 선정하여 통계적 유의성을 확보하였다. 그 다음 관측소의 예비해석, 분포형 적용, 매개변수 추정, 적합도 검정, 최적 분포형 선정 등을 통해 해당유역의 빈도별 지속시간별 확률강우량을 산정하였다.
거대홍수의 경우 단일 호우사상이 아닌 연속적인 호우사상으로 인한 피해이기 때문에 보다 합리적인 매개변수 추정을 통해 유출해석을 수행하고 대비해야 피해를 최소화 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 연속 호우사상 발생에 따른 거대강우 시나리오를 생성하고, 보다 합리적인 유출해석을 통해 정확한 거대홍수량을 산정하였다.
따라서, 경안천유역의 기상관측소인 서울 기상관측소, 이천 기상관측소, 수원 기상관측소, 양평 기상관측소에 대한 최소무강우기간을 산정하였다.
목적함수 SSR과 WSSR을 이용하여 2009년 7월 9일∼2009년 7월 12일의 강우사상을 이용하여 보정을 실시하였으며, R2, NRMES, RE 기법을 통해 목적함수의 적절성을 평가하였다.
강우기록을 독립 호우사상으로 분리하기 위하여 최소무강우기간를 정의하는 방법은 자기상관 분석(Autocorrelation analysis), 변동계수 분석(Coefficient of Variation), 연평균 강우발생개수 분석(Average annual number of rainfall event analysis) 등이 있다. 본 연구에서는 변동계수 분석을 이용하여 최소무강우기간을 산정하였다. 변동계수 분석은 Fig.
본 연구에서는 아래 3가지 방법 식 (13)∼(15)를 사용하여 두 가지 목적함수인 SSR과 WSSR에 의해 산정된 모의유량을 실제유량과의 차이를 비교·분석하여 가장 적합한 목적함수를 선정하였다.
만약 경안천 유역에 거대강우가 발생한다면 막대한 재산피해 및 인명피해가 발생할 것으로 판단된다. 이에 본 연구에서는 경안천 유역을 대상으로 거대강우 시나리오를 생성하고, 거대홍수량을 산정하였다.
각 소유역에 강우량을 적용할 때 환산강우량을 적용해야 하므로, 가장 짧은 서울 관측소의 IETD값을 기준으로 9시간을 최소무강우기간으로 선택하여 분석을 수행하였다. 최종적으로 거대강우 시나리오를 생산하기 위하여 경안천 유역에 해당하는 설계빈도인 100년빈도 확률강우량을 두 번 연속적으로 발생시켜 거대강우 시나리오를 생성하였다(Fig. 3). 경안천 유역에 해당하는 설계빈도인 100년 빈도 확률강우량을 두 번 연속적으로 발생시켜 거대강우 시나리오를 생성하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 경안천 유역을 대상으로 분석을 수행하였다(Fig. 2). 경안천은 광주시가지 구간을 중심으로 고수부지, 친수공간 및 생태습지 등이 집중적으로 개발되어 지역주민들의 하천 활용도가 증가하고 있으므로 침수피해시 인명피해가 발생할 것으로 우려된다.

이론/모형

본 연구에서는 매개변수 추정을 위하여 전역 최적화 기법 중 하나인 SCE-UA(SCE-UA(Shuffled Complex Evolution-University of Arizona)기법을 적용하여 매개변수를 추정하였다.
Gamma 분포의 경우 변수들의 계산이 복잡하여 분포형을 결정하기 힘든 반면 Exponential 분포의 경우 그 변수들의 경정이 쉽기 때문에 널리 사용되고 있다. 본 연구에서도 각각의 강우사상들의 강우사상의 특성을 분석하기 위해 변동계수 분석 방법을 사용하였다(식 1).
앞서 정의한 거대강우 시나리오에 대한 홍수량을 산정하기 위하여 SSARR 모형을 이용하였다. SSARR 모형에서 유역추적모형과 하도추적 수문모형의 기본적인 추적 방법은 Nash 모형과 유사한 Cascade of Reservoir 방법으로서, 홍수파가 연속적인 일련의 저수지를 통과하면서 평행이동과 지체효과를 갖게 되는 방법이다.
(2017)은 SSARR 모형을 이용하여 미호천 유역에 대하여 홍수모의예측을 수행하였다. 이를 위해 유전자 알고리즘, 패턴탐색, SEC-UA등의 최적화 기법을 이용하였고, 목점함수로는 WSSR과 SSR을 적용하였다.
이 과정 통하여 각각의 집합체에서 독립적으로 얻은 탐색공간에 대한 정보를 공유함으로써 부모세대의 생존가능성을 높이게 된다. 진화과정의 경쟁성을 보장하기 위하여 양호한 부모세대가 불량한 부모세대 보다 자손세대의 생성에 기여할 확률을 높이기 위해서 삼각형 확률분포를 이용한다. 삼각형확률분포는 식 (6)∼(8)과 같이 단 세 가지의 값, 즉 최소값, 최빈값, 최대값만 가지고 있으면 그려낼 수 있는 분포이다.

성능/효과

즉, 단일호우사상이 아닌 연속적인 호우사상에 대한 유출해석시 SSARR모형의 매개변수는목적함수 WSSR을 적용하는 것이 보다 더 합리적임을 증명하였다. 경안천 유역의 100년빈도 확률강우량을 연속적으로 발생시켜 거대강우 시나리오를 생성하고, 거대홍수량을 산정한결과를 보면, 거대홍수량은 4,802㎥/sec로, 경안천하천정비기본계획(2011)에서 산정한 홍수량보다 약 992㎥/sec의 홍수량이 증가하는 것으로 도출되었으며, 이는 거대홍수량이 단일 호우사상에 의한 홍수량 보다 약 26% 증가한다는 것을 보여준다.
그 결과 Table 1과 같이 목적함수 WSSR을 이용하였을 때 NRMSE, RE가 SSR보다 0에 근접함으로 모의 효율이 우수한 것으로 확인되었으며, R2 역시 목적함수 SSR보다 WSSR이 1에 근접함으로 모의 효율이 우수한 것으로 확인되었다.
또한, Table 2와 같이 2002년 08월 01일∼2002년 08월31일, 2006년 07월 01일∼2006년 07월 31일, 2008년 07월 01일∼2008년 07월 31일의 강우사상을 이용하여 검증을 실시한 결과 역시 SSR보다 WSSR이 적절한 것으로 확인되었다.
연속적인 호우사상에 따른 거대강우 시나리오를 정확하게 유출해석 하기 위해서 SSARR모형에 전역최적화 기법 중 하나인 SCE-UA 기법을 적용하여 목적함수 SSR과 WSSR의 적절성을 평가한 결과, R2, NRMES, RE 모두 SSR보다 WSSR이 적절한 것으로 확인되었다.
, NRMES, RE 모두 SSR보다 WSSR이 적절한 것으로 확인되었다. 즉, 단일호우사상이 아닌 연속적인 호우사상에 대한 유출해석시 SSARR모형의 매개변수는목적함수 WSSR을 적용하는 것이 보다 더 합리적임을 증명하였다. 경안천 유역의 100년빈도 확률강우량을 연속적으로 발생시켜 거대강우 시나리오를 생성하고, 거대홍수량을 산정한결과를 보면, 거대홍수량은 4,802㎥/sec로, 경안천하천정비기본계획(2011)에서 산정한 홍수량보다 약 992㎥/sec의 홍수량이 증가하는 것으로 도출되었으며, 이는 거대홍수량이 단일 호우사상에 의한 홍수량 보다 약 26% 증가한다는 것을 보여준다.
그 결과 Table 1과 같이 목적함수 WSSR을 이용하였을 때 NRMSE, RE가 SSR보다 0에 근접함으로 모의 효율이 우수한 것으로 확인되었으며, R²역시 목적함수 SSR보다 WSSR이 1에 근접함으로 모의 효율이 우수한 것으로 확인되었다. 즉, 연속적인 호우사상에 대하여 유출모의를 수행할 경우 목점학수 WSSR을 이용하는 것이 적합한 것으로 판단된다. 또한, Table 2와 같이 2002년 08월 01일∼2002년 08월31일, 2006년 07월 01일∼2006년 07월 31일, 2008년 07월 01일∼2008년 07월 31일의 강우사상을 이용하여 검증을 실시한 결과 역시 SSR보다 WSSR이 적절한 것으로 확인되었다.
즉, 연속적인 호우사상으로 발생하는 거대홍수를 모의하기에는 WSSR의 목적함수를 이용하여 거대홍수량을 산정하는 것 이 적합한 것으로 판단된다.

후속연구

기존 설계빈도로 수립한 홍수방어대책으로는 연속적인 호우사상 발생시 설계빈도를 초과하는 홍수량이 발생함으로 홍수피해를 방어하기에는 한계가 있다. 따라서단일호우사상 뿐만 아니라 연속적인 호우사상 발생에 따른 유출해석을 통해 이를 대비한 홍수방어대책을 수립해야 홍수피해를 최소화 할 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구 결과는 최근 빈번하게 발생하는 연속적인 호우사상에 대한 피해를 최소화하기 위해 선행되어야 할 기초연구로서 향후 경안천 유역의 유역종합치수계획수립 시 참고자료로 활용될 수 있으며, 이를 통해 홍수피해를 경감하는데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	거대강우사상이란?	본 연구에서는 연속호우사상 발생에 의한 거대강우 시나리오를 과거 발생한 태풍, 극한강우, 집중호우, 확률강우량, 미래 확률강우량 등이 최소 무강우기간 간격을 사이에 두고 가능최대강수량(PMP)를 넘지 않고, 연속적으로 발생하는 강우 시나리오로 정의하였다. 즉, 거대강우사상이란 확률론적으로는 발생될 가능성이 매우 적으나, 물리적으로는 발생될 수도 있는 연속적인 호우사상을 의미한다. 또한, 이러한 거대강우 시나리오로 인해 발생하는 유출량을 거대홍수 또는 거대홍수량으로 정의하였다.
	생성한 거대강우 시나리오와 통계적 기법으로 추정한 가능최대강수량과 비교를 통해 거대강우 시나리오의 현실성을 확인해야 하는 이유는?	가능최대강수량이란 특정시간, 특정장소에서 물리적으로 발생할 수 있는 가능한 최대의 강수량이므로, 거대강우가 가능최대강수량 보다 작은 양의 값을 가지도록 생성하여야한다. 따라서 생성한 거대강우 시나리오와 통계적 기법으로 추정한 가능최대강수량과 비교를 통해 거대강우 시나리오의 현실성을 확인해야한다.
	연속적인 호우로 인해 발생하는 피해는 일반적인 피해와 비교하여 어떤 우려가 있는가?	즉,단기간에 거대 호우사상이 연속적으로 중첩되거나, 비교적 장기간의 지속시간을 갖는 호우사상에 의해 발생하는 거대 홍수피해가 증가하고 있다. 또한, 연속적인 태풍의 내습, 태풍과 집중호우의 연속 발생, 장마가 끝난 후 국지성 호우 발생 등의 연속적인 호우로 인해 발생하는 피해는 단일 호우사상으로 인한 일반적인 피해보다 더 큰 재산과 인명피해를 발생시킬 우려가 있다.

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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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