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도시 침수·중소규모 하천 홍수 ‘1km 격자 단위’ 예측

◧강우레이더 기반 홍수 침수위험도 산정기술 개발

오성덕 기자 | 기사입력 2023/09/26 [15:33]
오성덕 기자 이메일 아이콘 기사입력  2023/09/26 [15:33]
도시 침수·중소규모 하천 홍수 ‘1km 격자 단위’ 예측
◧강우레이더 기반 홍수 침수위험도 산정기술 개발
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전국의 도시 침수 위험과 중·소규모 하천의 홍수 위험을 1km 격자 단위로 예측할 수 있는 경제적이면서도 정확도 높은 기술이 개발돼 눈길을 끌고 있다. 

 

이 기술은 현재 한강과 같이 큰 규모의 하천에서만 제공되고 있는 홍수정보 제공 범위를 중·소규모의 하천 유역과 도시 지역까지 확대 시켜 현재 시행되고 있는 홍수예보의 한계를 극복할 수 있는 기반을 마련했다는 평가를 받고 있다. 

 

발생 홍수 피해 데이터 기반 침수·홍수 위험도 지수 상세 분석

도시화 정도 ‘경사’ ‘물 빠짐 능력’ 등 고려 실시간 위험 예측

 

최근 급격한 기후변화로 인해 집중 호우 발생 강도가 증가하는 경향이 보고되고 있는 가운데 도시 침수와 하천 범람과 같은 홍수로 인한 피해가 지속적으로 발생하고 있다. 

 

현재 정부에서는 폭우로 인한 피해 대응을 위해 호우특보와 홍수특보를 국민들에게 제공하고 있다.

 

하지만, 폭우로 인한 잠김(침수)이나 넘침(홍수)과 같은 피해는 지형의 높낮이나 모양 등에 따라 크게 달라지기 때문에 예보를 위해서는 보다 정밀한 관측이 필요하다는 의견이 대두되고 있다. 

 

이에 한국건설기술연구원에서는 환경부 한강홍수통제소의 ‘강우레이더 기반 홍수 및 침수위험도 산정’ 연구용역을 통해 도시 침수와 중소하천의 홍수 위험을 지하철역 간 거리 정도로 상세히 분석할 수 있는 방법을 개발했다.

 

이 기술은 관측 수심이나 수위가 아닌 이미 발생한 홍수 피해 데이터를 기반으로 도시의 침수 위험(침수 위험도 지수)과 지방하천의 홍수 위험(홍수 위험도 지수)을 예측할 수 있다.

 

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연구내용

이 연구는 크게 ‘강우레이더 격자 기반 유량 산정 기술’과 ‘유역 침수 및 홍수위험도 지수’ 분야로 나눠 진행됐다. 

 

‘강우레이더 격자 기반 유량 산정 기술’ 분야에서는 격자 기반 미계측 하천의 홍수에 대한 위험도와 도시 등 하천 이외 지역의 침수에 대한 위험도를 산정할 수 있는 방법을 검토했다. 

 

침수 위험도 지수는 단시간의 강한 강우에 의한 침수 위험도의 증가를 파악하기 위한 지표로, 전국 하천 유역을 1km로 나눠 각 격자에 내린 강우가 지표면과 지하를 통해 하천으로 유입되는 시간을 탱크 모델과 운동 방정식을 이용, 수치화한 지수다. 

 

이를 통해 하천 상류 지역에 내린 강우로 인해 하루 동안 대상 지점의 홍수 위험도가 얼마나 높아지는지 파악할 수 있다. 

 

이 지수는 과거 몇 년에 걸친 홍수재해 사례를 대상으로 재해 발생 유무에 대한 대응관계를 구할 수 있고, 예측자료를 사용해 수 시간 앞을 예측할 수 있다.

 

특히, 수위와 유량을 관측하지 않는 하천을 포함한 전국의 모든 하천에 적용할 수 있어 미계측 유역에 대한 홍수정보를 제공, 홍수정보 제공 범위를 확대할 수 있다. 

 

‘유역 침수 및 홍수위험도 지수’ 분야에서는 ‘유역 침수위험도 지수’와 ‘유역 홍수위험도 지수’에 대한 연구가 이뤄졌다. 

 

‘유역 침수위험도 지수’는 강우에 의한 홍수재해 위험성을 나타내는 지표로, 홍수경보와 주의보를 시작으로 하는 홍수와 관련된 예측 기술의 개선을 목표로 한다. 

 

즉, 이 지수는 대상 지역과 시각에 존재하는 우수 중 하천에 있는 물의 양을 나타내는 지표로, 탱크모델에서 계산된 유출량에 지형 경사에 따른 보정 계수를 곱한 값으로 정의된다.

 

침수 위험도 지수가 주로 대상으로 하는 현상은 하수도 혹은 소규모 배수로의 배수 능력을 초과하는 다량의 강우로 인해 빗물의 배수가 이를 따라잡지 못해 발생하는 형태의 내수범람이다. 

 

유역 침수위험도 지수의 입·출력과 고려 범위는 내수침수에 기여하는 요인으로는 지형경사(기울기)가 중요하다. 

 

침수우량지수에서는 지형경사의 음의 영향력을 반영하기 위해 경사를 변수로 한 보정계수를 통해 유출량을 보정, 이를 최종적인 내수침수 위험도를 나타내는 지표를 산정한다. 

 

지형 경사에 관한 전자의 영향력은 탱크모델의 변수로 반영한다. 침수우량지수의 입력데이터에는 강우 데이터로 해석우량을 사용하고, 지리데이터로 지질, 토지이용, 고도, 경사를 이용한다. 

 

출력 단위는 기준 격자인 약 1km 사방 격자지만, 가능한 작은 규모의 지형의 요철이나 토지이용 상황을 반영하기 위해 연산은 4분의 1지역 격자(약 250m 사방 격자)로 하고, 1km 격자 내의 250m 격자 최대값을 최종 출력 값으로 한다. 

 

‘유역 홍수위험도 지수’는 전국의 하천유로를 비롯해 유역, 지리, 토지이용 정보를 토대로 강수가 하천으로 유출되는 과정과 하천에 흘러들어간 물이 하류로 유하하는 과정을 고려해  1km 격자의 해상도로 지방하천 내 임의의 하천과 지점의 수량을 구한다. 

 

이는 댐 등의 인공적인 홍수 흐름의 제어를 고려하지 않은 하천의 유량에 상당하는 값으로, 유량에 상당하는 값의 제곱근을 지수 값으로 한다.

 

지수 값의 산출에 입력되는 우량에는 레이더우량을 사용하고, 레이더우량을 대신해 강수 초단기예보를 입력우량 데이터로 사용, 6시간 이후까지의 지수 예측치도 계산한다. 

 

유역 홍수위험도 지수의 입출력과 고려 범위로 출력대상은 전국 지방하천이며, 전국을 아우르는 1km 격자와 하천유로가 교차되는 하류지점별로 값을 출력한다. 

 

또한, 재분석이 가능한 과거 지수 값과 과거 발생한 대규모 홍수 피해 사례 시의 지수 값과의 비교도 가능하다. 

 

특히, 과거 재분석 기간에 걸친 홍수재해 사례를 대상으로 재해발생 유무에 대한 대응관계를 구하고, 강수 초단기예보를 사용해 수 시간 앞을 예측할 수 있다.

 

한편, 이 같은 연구를 통해 개발된 기술은 수위나 강우량의 관측이 어려운 도심이나 작은 하천에서도 도시화 정도, 경사, 물 빠짐 능력 등을 고려해 침수와 홍수로 인한 위험 정도를 실시간으로 예측할 수 있다. 

 

특히, 과거 피해 사례와 해당 지역의 물 빠짐 특성을 고려해 얼마큼의 비가 왔을 때 위험한 상황이 발생하는지를 빠르고 직관적으로 전달할 수 있다.

 

 

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전국을 1km 격자 단위로 구분

위험 기준치 넘으면 곧바로 예보

 

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▲ 황석환 연구위원 

한국건설기술연구원 황석환 연구위원은 “최근 도시와 지방하천에서 발생하고 있는 홍수는 제방에서 물이 넘치는 등 대피가 필요한 대규모 홍수재해지만, 발생지역이나 위험시간대를 세밀하게 지목해 발표하지 못하고 있는 실정”이라고 밝혔다.

 

이어 “특히, 호우특보의 경우 전국적으로 지형적 특성이 상이함에도 불구하고 동일한 누적 우량 기준만을 사용하고 있어 이를 활용한 세밀하고 정확한 홍수 예측은 어렵다”며, “또한, 홍수특보의 경우에도 수위와 유량 관측을 실시하는 5대강 본류의 주요 지점에 대해서만 홍수예측을 수행하고 있어 도시의 침수나 지방하천의 홍수 예보는 제공하지 못하고 있다”고 지적했다. 

 

실제로 한강과 같은 큰 하천에서 제공하고 있는 홍수예보 방식은 하천의 수위를 실시간으로 정밀하게 관측하며 수위가 위험 기준을 넘어설 것으로 예상되는 시점에 홍수예보가 발령된다. 

 

하지만, 도시 지역이나 수천 개 이상의 중·소규모의 지방하천에 이 같은 방법을 적용하기는 한계가 있는 것으로 알려져 있다. 

 

황 박사는 “이 같은 한계 극복을 위해 환경부 한강홍수통제소의 의뢰를 받아 경제적이면서도 정확도 높은 침수와 홍수 위험을 예측할 수 있는 새로운 기술을 개발했다”고 밝혔다. 

 

이 기술은 관측 수심이나 수위 외에도 이미 발생한 홍수 피해 데이터를 기반으로 도시의 침수 위험과 지방하천의 홍수 위험을 예측하는 방법이다. 

 

이어 “이 예측방법은 전국을 1km 격자 단위로 구분하고, 실시간으로 홍수로 인한 위험 수준을 산정한 후 폭우 시 모형을 통해 실시간으로 산정된 위험도를 이미 설정된 위험 값과 비교해 기준치를 넘는 경우 위험 예보를 시행할 수 있다”고 설명했다. 

 

관측소 설치 없이 하천 곳곳 위험 예측 ‘큰 장점’

 

이 기술의 가장 큰 장점은 여러 지역에서 수심이나 수위 관측을 위한 관측소 설치 없이 피해가 발생하는 시점과 위험 정도를 상세히 예측할 수 있다는 점이다. 

 

황 박사는 “또한, 상시적인 수위 관측이 반드시 필요한 것은 아니기 때문에 최소 수년 이상이 소요되는 수위 관측소 설치 방식 대비 단시간에 도시와 지방하천의 상세한 홍수 예보를 시행할 수 있다”고 말했다. 

 

이어 “특히, 도시나 중소하천과 같이 다발적인 홍수 피해가 잦은 지역이나 실시간으로 수심이나 수위 관측이 수반되지 않는 상황에서도 피해가 발생하는 시점과 위험 정도를 정밀하게 예측할 수 있다”고 강조했다.

 

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