1. 서 론

홍수범람지도(Flood Inundation Map)란, 제방, 댐 등 구조적인 홍수대책을 초과하는 홍수에 대비하기 위한 비구조물적 대응방안으로 하천제방의 설계빈도를 초과하는 홍수 시 하천 주변 지역의 침수범위, 침수심 등을 나타낸 지도이다. 홍수범람지도는 홍수에 대비하여 도시계획이나 댐 수위 조절 운영, 제방 등의 설계에 주요 지표로 사용되며 거주지역에 대한 홍수 발생 여부를 예보하거나 홍수 발생 시 신속하고 안전한 대피를 위한 홍수 예·경보시스템 구축에도 중요한 역할을 한다(^{MLTM, 2008}). 홍수범람지도는 하천법 21조에 의거 국토교통부가 국가하천 위주로 설계빈도에 따른 범람지도 작성이 완료 혹은 개선 중에 있다. 또한 중소하천의 경우에도 지자체 및 행정안전부에서 홍수범람지도 구축 연구 및 사업을 진행 중이다(^{Park, 2013}). 이러한 중요성에 비추어, 정확한 홍수지도 작성 및 홍수지도 응용에 대한 국내외 연구들도 다수 진행되어왔다(^{Lee and Jeong, 2008}; ^{Lee et al., 2010}; ^{Kim et al., 2011}; ^{Kim et al., 2013}; ^{Lee et al., 2013a}; ^{Yamaguchi et al., 2007}).

기본적으로 홍수범람지도는 수치모의를 통해 작성되어왔고, 대상지역의 중요도, 홍수터의 지형조건, 가용한 수리량 계측자료, 홍수범람지도 활용처 등에 따라 작성방법이 선택되어 왔다(^{MLTM, 2008}). 최근, LiDAR 등을 활용한 정밀지형도와, 정확하고 공간적 홍수파 진행 모의 등 개선된 홍수지도 작성을 위해 FLUMEN 모형(^{Kang et al., 2007}; ^{Cho et al., 2010}; ^{Lee and Choi, 2010}; ^{Ha et al., 2010}), LISFLOOD (^{Horritt and Bates, 2001}; ^{Choi et al., 2013}) 등 2차원 수치모형의 활용빈도가 높아지고 있다. 그러나, 하천실무에 주로 사용되고 있는 1차원 홍수위 수치모형인 HEC-RAS 모형이 홍수지도 산정에 여전히 활발히 활용되고 있다(^{Kim et al., 2013}; ^{Jung et al., 2013}). 특히, 지방하천 및 소하천의 경우, 고정밀 LiDAR 자료가 부재하거나, 2차원 모의를 위한 가용한 자료가 부족하거나 고비용을 초래하고 활용범위가 단순히 빈도별 공간적 홍수범람지도인 경우가 많아 하천기본계획 수립 시 적용되는 1차원 모형인 HEC-RAS 적용이 현실적인 접근법이다(^{Jung et al., 2013}).

수치모형들은 보통 자체적으로 지리정보체계(GIS)와 연계하여 홍수범람지도를 가시화시키거나 HEC-GeoRAS와 같이 부가적인 가시화 모듈을 활용하여 범람지도를 작성하도록 한다. 그러나, 실무에서는 HEC-GeoRAS의 활용성이 낮은데 고비용 상용소프트웨어인 ArcGIS 기반으로 홍수지도 생성과정이 여러 단계를 거쳐 번거롭고 사용자 변경할 수 있는 자유도가 낮고 하천정비기본계획에서 제공하는 단면과 HEC-RAS 결과를 활용하는 데 어려운 단점이 있다. 따라서, 실무에서는 HEC-RAS 홍수위 자료를 DEM 또는 하천정비계획 시 수립되는 CAD 지형 파일을 근거로 수작업을 통해 홍수위를 전개시켜 홍수지도를 직접 제도하는 등 상당한 시간과 비용이 소요되는 비효율적인 방법이 통용되고 있다(^{Lee et al., 2011}). 국가하천과 같이 중요도가 높은 지역의 경우, 정확도가 높은 홍수범람지도 작성을 위해 2차원 수치모형, 고정밀도 LiDAR 기반 수치표고모델(Digital Elevation Model; 이하 DEM), 전문화된 범람지도 가시화툴이 활용될 수 있다. 그러나, 이러한 방법을 규모가 작거나 국가하천에 비해 하천 개수가 훨씬 많은 지방하천 및 소하천에 적용하는 데는 현실적인 제약이 따른다.

본 연구에서는 지방하천 또는 소하천의 홍수범람지도를 효율적으로 작성하기 위해 HEC-RAS 기반 1차원 홍수위 모형 결과 활용을 효율화하고, 주어진 DEM을 기반으로 홍수지도 외삽 등의 복잡한 과정들을 자동화시키며, OpenGIS 기반 ^QGIS(2019)와 연계할 수 있어 비용 절감이 가능한 홍수범람지도 생성 자동화 소프트웨어(Open Flood Mapper; OFM)를 개발 및 검증고자 한다. 특히 OFM은 기구축되어 있는 하천정비기본계획 시 수립된 하천 단면 등 지형자료(CAD 형식)과 HEC-RAS 결과를 홍수맵 수립 시 편리하게 활용 가능하도록 설계되었다. 또한 OFM은 QGIS상에서 플러그인(plug-in) 형태로 사용할 수 있고 파이썬(Python) 코딩을 통하여 개발되어 사용자 참여 개선이 용이하도록 하였다. OFM은 다양한 빈도에 대한 홍수범람모의 결과를 복수의 홍수범람지도로 도출할 수 있도록 설계하여 시나리오 별 범람지도의 순차적 작성 효율성을 극대화하고자 하였다.

OFM의 결과물인 홍수범람지도 정확도 검증을 위해 2007년도 태풍 나리 시 범람피해를 입은 제주도 한천 하류 침수흔적도과 비교하였고, 홍수 빈도별 다양한 홍수범람지도를 순차적으로 추적하여 극한 홍수사상에서 범람의 특성을 시범적으로 구현하고 분석하였다. 또한, 태풍 나리 시 첨두홍수위를 활용하여 HEC-GeoRAS 및 수작업을 통한 홍수범람지도와도 비교 검토하였다 논문은 지방하천인 제주도 한천의 지형적 현황, HEC-RAS 모의 적용과정 및 실측 홍수량자료 기반 검증, OFM 적용 및 정확도 검증, 제주 지역 내 홍수 범람 특성 분석까지의 과정을 상세히 제공하면서 OFM의 활용도를 구체적으로 평가하였다. 또한, OFM으로 추출된 상세 빈도 별 범람지도 분석을 통해 한천 하류 홍수범람 특성을 규명하였다.

2. 오픈소스 기반 홍수범람지도 작성 자동화 소프트웨어 (OFM) 개발

2.1 OFM 알고리즘

OFM은 국토교통부 홍수지도제작 보고서(^{MLTM, 2008})에서 제시된 과정을 참고하여 다음과 같은 단계로 홍수범람지도를 작성하도록 설계되었다(Fig. 1). 첫째, HEC- RAS 홍수위, 수치표고모형(DEM), 하천기본계획에서 제공하는 제방선 및 제방고, 하천단면선 등 지형자료를 활용한다. 둘째, 홍수위가 산정된 단면에 위치한 좌/우안 제방고와 홍수위를 비교하여 범람 유무를 결정한다. 이 과정은 하도에 위치한 모든 단면에 걸쳐 홍수위와 제방고를 비교 점검하고 1개 단면 이상에서 범람이 발생하는 지를 판단하여 좌안 또는 우안 범람 여부를 결정한다. 셋째, 좌안 혹은 우안에 범람이 발생하면 수치모형을 통해 도출된 하도 내 홍수위와 홍수범람지도를 구축할 지역의 DEM과의 차이를 비교하여 홍수범람지역을 산출한다. 그리고, 하천구역를 제외시키면 유역 내 제내지 범람 구역을 도출할 수 있다. 마지막으로 하천변을 제외한 범람지역 등 오류 범람 구역을 제거하여 최종적으로 홍수범람구역 및 침수심 정보를 표출한다. 만약, 다른 사상 모의결과도 입력자료에 제공되었을 경우 전 과정을 자동 반복한다.

Fig. 1.

Overall Process to Compute Flood Inundation Map from Digital Elevation Model and HEC-RAS Flood Stage Profile

2.2 OFM 인터페이스

Fig. 2는 OFM의 인터페이스를 나타내며 홍수위 수치모의 (HEC-RAS) 결과 및 AutoCAD 형식의 하천 단면자료, DEM을 기본 입력자료로 사용한다. 그리고, 하천기본계획 수립 공간정보 등에서 확보 가능한 단면선, 하천중심선, 유역 공간정보가 필요하다. 기타 제방고 등 하천정보는 HEC-RAS 결과자료에 포함되어 있어 활용가능하다.

Fig. 2.

Graphical User Interface of OFM Working on QGIS

OFM 인터페이스 구성을 단계 별로 살펴보면 다음과 같다. 우선 HEC-RAS의 대상유역의 빈도별 홍수위 모의 결과를 OFM으로 불러온다. 이때, HEC-RAS 결과 파일 포맷인 바이너리 파일을 직접 읽도록 설계되었다. 또한 OFM은 CAD 파일 형식으로 제공되는 하천기본계획 수립 시 확보하는 주요 공간자료인 하천단면을 직접 읽을 수 있는데 좌우 제방고를 파악하여 해당 홍수위와 비교하여 해당 단면에서 제방범람 여부를 결정할 때 활용한다. 홍수위와 비교하여 범람구역을 계산하기위한 하도를 포함하는 DEM을 Raster 파일 형태로 불러온다. 홍수범람지도의 정확도는 DEM의 공간해상도 및 정확도와 관련되므로 LiDAR 등의 상세 지형자료 혹은 중소하천의 경우 하천정비기본계획 수립 시 측정된 단면지형 자료 및 제내지 측점을 활용한 DEM 상세화가 선행된 자료를 활용하는 것이 타당하다(Kim et al., 2017). 하천중심선은 홍수범람지도를 하천주변 DEM과 홍수위를 비교하여 외삽할 경우 하천과 무관한 일부 지형도상 저지대까지 범람에 포함될 수 있으므로, 기입된 중심선과 연관되지 않은 범람구역을 오류로 판단하고 필터링을 하는 기능을 수행한다. 유역은 하천중심선과 유사하게 지형도에 외삽된 홍수구역을 해당 유역에 국한시켜 나머지 부분을 제외시키는 역할을 한다. 즉 DEM 상에 포함될 수 있는 인근 유역의 저지대에 나타나는 범람 구역을 제거하기 위함이다. 마지막으로 HEC-RAS가 다양한 홍수빈도에 따라 모의되었을 때, 빈도를 선택하여 표출하거나 모든 빈도선택을 통해 일괄적으로 복수의 홍수범람지도를 작성하게 한다.

3. OFM 검증 대상 지역 및 홍수위와 지형자료 구축

3.1 검증 대상 하천

개발된 OFM 성능 검증 및 활용방안 제시는 실무 적용을 위해 필수적이다. 본 연구에서는 지방하천인 제주도 한천을 대상으로 HEC-RAS 홍수위 모의 및 검보정, OFM 적용 홍수범람지도 생성 사례 제시, 침수흔적도와 비교하여 정확도 검증, 빈도 별 홍수범람 공간적 추이변화 분석과정을 제시하여 검증과 적용 사례를 제시하고자 한다. 한천유역은 한라산 고지에서 발원하여 제주시를 거쳐 해안으로 유입되는 지방하천으로 유로연장은 11.5 km, 유역면적은 37.39 km², 유역 형상계수는 0.28이다(Fig. 3). 평시에는 건천으로 강우 시에만 하천 유출이 발생하고, 제주시 도심지를 관통하여 범람 시 피해가 큰 지역이다. 2007년 태풍 나리 시 대규모 범람이 발생하였고, 이후 각종 대응 조치에도 불구하고 2017년 상대적으로 작은 규모인 태풍 차바 사상에서 다시 한천 하류인근이 일부 범람하는 등 홍수위험이 상존하는 지역이다. OFM의 검증대상 지역은 한천유역 중 Fig. 3(a)에서 나타난 바와 같이 홍수피해가 집중적으로 발생한 한천 하류 2 km 구간으로, 수치모형 구축 및 검증을 위한 홍수량 및 조도계수 실측정보가 존재한다. OFM에 필요한 지형자료로 2009년 한천 하천정비기본계획 수립 시 측량된 자료가 활용되었다. OFM 홍수범람지도 검증에는 나리 직후 조사된 침수흔적도가 사용되었다. HEC-RAS 수치 모의구간 상류경계는 제2동산교, 하류경계는 해양에 인접한 한천 말단이다(Fig. 3(b)). 대상구간 내에 위치한 제2동산교와 한천교에 2008년 이후 설치된 칼레스토를 활용한 30분 간격 유량 및 수위 실측자료는 HEC-RAS 수치모의 검보정에 활용되었다.

Fig. 3.

Geographical Description for the Test Region Within Hancheon Basin where HEC-RAS Model was Applied to Simulate Flood Stage Profile

HEC-RAS 정상류 모의를 위한 빈도별 홍수량 산정은 2009년 수립 한천 하천정비기본계획에서 고시한 한천유역의 빈도별 확률홍수량 자료를 활용하였다. Table 1은 한천 최하류에서 빈도별 확률홍수량을 빈도 20년에서 700년 사이에서 대표적인 재현기간에 대해 보여준다. 500년 이상 빈도 홍수량은 고시된 빈도 별 홍수량을 선형회귀를 통한 외삽으로 추정한 수치이다. 빈도별 홍수량을 활용하여 HEC-RAS 정상류 모의를 빈도 100년에서 1000년까지 빈도 50년 간격으로 순차적으로 수행하였고, OFM에서는 해당되는 홍수량에 해당되는 홍수위 모의 결과들을 각각 반복 처리하여 빈도별로 홍수범람지도를 도출하였다. 이때, 700년도 홍수량에 해당하는 모의결과는 태풍 나리 첨두홍수량에 상응하여 추후 OFM결과와 침수흔적도 비교하여 OFM 정확도 분석 활용하였다.

Table 1. Design Flood Discharge for Various Return Periods Calculated at the Downstream Boundary of Hancheon Simulated for Steady HEC-RAS Model

3.2 HEC-RAS 모의 단면 및 조도자료 구축

OFM으로 도출되는 홍수범람지도의 신뢰도는 HEC-RAS 홍수위 모의결과에 영향을 받는다. 제주하천은 암반 및 자갈 기반의 급경사 산지형 하천으로 높은 조도로 난류가 심하게 발생하고 혼합류 발생이 상존한다. 따라서, 신뢰성 있는 HEC-RAS 모형 구축을 위해 실측자료 기반 정확한 검보정을 통한 구축이 필요한 지역이다. HEC-RAS 모형 구축을 위해 한천 하천기본계획 수립 시 측량된 하천 단면 지형을 기본적으로 활용하되 실제 지형과 비교하여 이격이 있거나 주요 단면 지형은 재측량하여 보완하였으며, 복개 구간의 경우 교량 규모 및 배치를 정밀하게 조사하여 복개 영향을 정교하게 처리하였다. 조도계수도 일정한 종단 간격으로 현장계측을 실시하여 적용하였다. 수치모의를 위한 단면 측량 대상 지역은 Fig. 4에 나타난 바와 같이 제2동산교로부터 한천교 이하 복개구간(clogging section)을 거쳐 최하류단은 용두암 인근의 해안 접합부이다. 제주 한천 하천정비기본계획(^{Jeju Province, 2009})의 단면자료를 기본 지형자료로 사용하였고, 주요 지점인 제2동산교와 한천교, 복개구간 유입부와 유출부 단면은 현장과 비교결과 오류가 존재하여 직접 계측한 단면을 사용하였다. Fig. 4(우측)는 최하류 단면(No.0)의 지형을 나타내고 있는데, 암반으로 구성된 계곡의 형상을 보이며 해안과 접해있으며 해수가 일부 침습한 상태를 유지하고 있다. 최하단부 단면은 해안과 5~6 m 이상의 단차의 존재로 조석에 의한 배수 영향은 매우 경미하다고 판단된다.

Fig. 4.

The Geometric Shape of Cross-Section Located in the Downstream Boundary in Hancheon, Where No.0 Indicates the Transect Located at the Outlet of Hancheon Basin

한천 모의구간 중반부에 존재하는 복개구간 인근지역(Fig. 4 Clogging Section)은 복개 유입부에서 범람이 빈번하였으며(태풍 차바 범람), HEC-RAS 모의 구축 시 주요 변수로 복개 단면 지형 및 복개를 모형에 구현하는 작업이 필요하였다. 우선, 복개구간 내 단면의 처리는 콘크리트 박스 형태로 설계되어 유입부 형상이 반복된다고 가정하되 경사를 고려하여 표고를 조정하였고, 유출부의 경우 별도 재측량을 통해 별도로 입력하였다. 하천정비기본계획에서 제공된 단면 자료에서 복개구간 사이에서 계측된 단면 자료가 없었으므로, 복개구간 전 후, 단면에 대해 HEC-RAS의 기능인 Interpolation Tool을 이용하여 임의로 단면을 구축하였다. 단면의 간격은 현장답사를 통해 다른 구간에서의 간격과 동일하게 20 m로 설정하였다. 이 때, 복개 종료 지점의 단면은 한천교 단면이 일정하게 유지된다는 현장조사 결과를 바탕으로 한천교 단면을 동일하게 사용하였다. Fig. 5(a)은 기존 하천기본계획에서 유입부 단면과 표고 변화에 대한 고려없이 복개구간 내에 일률적으로 적용되었는데, 본 연구에서 수정된 부분을 보여주고 있고, Fig. 5(b)는 재측량된 복개 직하류 단면을 보여주고 있다.

Fig. 5.

Geometric and In-Situ Description for Cross-Sections Applied for HEC-RAS Model in Conjuction with Covered River

Fig. 6(b) 상단에 나타나듯이 복개구간 내 복개 상판을 지지할 목적으로 다수의 교각이 설치된 것을 알 수 있다. HEC-RAS의 특성상 복개구간을 직접 기입하는 기능이 없으므로 복개 상판지지 교각에 의한 통수단면 축소 영향만 고려하고자 복개구간 내 교각을 높이는 형태로 복개를 표현하였다. Fig. 6(a)는 복개구간에서 종단방향으로 HEC-RAS에서 표현된 복개 상판 지지 교각을 나타내고 있고, 횡방향으로 Fig. 5에서와 같이 교각 개수를 고려하여 입력하였다. 이때, 상판이 위치한 표고 이상의 홍수위가 발생하였을 경우에는 만관으로 인한 압력관 형성을 배제하고 상판이 파괴되고 범람한다고 가정하였다. 실제로 태풍 나리 시 Fig. 3(b)와 같이 상판이 파괴되어 범람이 발생한 사례가 있고, 태풍 차바의 경우 복개구간 내 일부 상판이 제거된 부분에서 월류로 있는 범람이 발생한 바 있어, 모의 수행 시 상판 형상을 미포함하여도 오류가 작다고 판단하였다. 다만, Fig. 6(b)와 같이 태풍 나리 시 한라산 중산간으로부터 유입된 유송잡목이 복개구간 내 교각에서 포획되어 단면적을 축소시키고 통수능을 저하시키는 현상이 발생하여 수치모의 구축에 고려되어야 하나, Fig. 7(c)와 같이 최근 중산간 하천에 설치된 다수의 철제 스크린으로 인해 2017년 태풍 차바의 경우 유송잡목에 의한 하류단 피해는 미미하게 발생한 사례로 보아 유송잡목에 의한 영향은 무시할 수 있다고 가정하였다. 물론, 태풍 나리 시 유송잡목이 영향을 주었으므로 영향이 없다고 가정한 홍수위 모의 결과는 다소 과소모의될 수 있다.

Fig. 6.

Geometric Consideration in the Covered River Reach

Fig. 7.

Assessment of Roughness Coefficient in Hancheon Considering Diverse Size of Bed Materials

제주도 하천의 경우, 경사가 급한 산지형 하천이므로 조도계수 변화에 홍수위 변화의 민감도가 큰 경향이 있다. 예를 들어, 급경사 하천은 조도계수에 따라 사류가 발생된다고 모의되는 경우가 있는데, 한천 하류에서 경우에 따라 사류 발생 시 상류(subcritical flow) 상태보다 최대 7~8 m의 홍수위 차이가 발생한 사례가 보고된 바 있다. 따라서, 조도계수는 한천기본계획 수립 시 자갈하천에 대해 일반적으로 전 하천에 대해 일률적으로 적용하는 값(예: 0.045) 대신, 구간에 따라 암반하천(Fig. 7(a))과 자갈하천(Fig. 7(b)), 암반과 자갈의 혼합(Fig. 7(c)), 토사와 자갈(Fig. 7(d))로 다양하게 나타날 수 있어 엄밀한 조도계수의 적용이 중요하다. 현장답사 및 계측을 통해 모의대상 하천(2 km) 구간을 10 등분한 구간에서 조사된 하상재료 입경 분석을 통해 조도계수를 평균하여 산정한 값이 수치모의에 활용되었다(^{Lee et al., 2013b}; Fig. 6(d)).

3.3 HEC-RAS 모의 검증

수치모의의 정확도는 OFM에서 도출할 홍수범람지도의 정확도와 상관되므로 구축된 HEC-RAS를 실제 홍수사상에 대비하여 모의결과를 검증할 필요가 있다. 특히, 제주도 하천은 급경사 자갈하천으로 육지의 완경사 모래하상에 비해 모의 결과의 신뢰도가 낮은 편이므로 실측자료를 통한 수치모의의 검증은 제주 하천을 해석할 경우 필수적이라 하겠다. HEC-RAS 검증을 위해 실측 홍수량이 존재하는 2012년 태풍 사상인 덴빈, 볼라벤, 카눈 및 산바 홍수 유출 중 Fig. 8에서 나타난 바와 같이 모의구간 내 위치한 제2동산교와 한천에서 계측한 홍수유출량과 수위 자료를 활용하였다.

Fig. 8.

Validation of Simulated Steady HEC-RAS Modelling with Respect to In-Situ Stage and Discharge Observation at 2^nd Dongsan and Hancheon Bridge

구축된 HEC-RAS 정상류 모의의 경우, 각기 상이한 실측 홍수량에 따른 홍수위 모의 결과들과 실측 수위값을 비교하였다. 이때, 제주 하천은 급경사 구간의 존재로 일부 사류가 발생할 수 있어 HEC-RAS 모의 시 혼합류 조건을 적용하였다. 실측 홍수량은 대략 100년 빈도 설계홍수량에 해당하는 제2동산교 379.4 m³/s, 한천교 527.5 m³/s이었고, 수치모의 홍수위가 실측값에 근접하는 경향을 보이는 것으로 나타났다(Fig. 8). 다만, 고유량에서 최대 0.3 m 정도 과소 모의하였으나 홍수유량의 현장관측 불확도를 고려할 때 수용할 수 있는 정도로 판단된다.

현장 보완 실측을 통해 개선된 단면 형상과 조도계수의 효과를 제시하기 위해 HEC-RAS 부정류 모의를 실측 자료를 활용하여 검보정하는 과정도 추가하였다. HEC-RAS 부정류 모의는 표준축차법에 기반한 정상류 모의에 비해 Saint-Venant 방정식에 기반한 홍수 수문곡선을 모의할 수 있어 보다 엄밀한 홍수사상 재현을 할 수 있다. 부정류 검보정을 위해서 2012년 제주도 태풍 사상인 카눈, 볼라벤, 덴빈 시 한천교에서 계측된 홍수량 시계열자료를 활용하였다(Fig. 9(a)). Figs. 9(b)~(d)는 각 대상 홍수사상에 대해 홍수량 수치모의와 실측값을 비교한 결과로 신뢰할만한 수준으로 나타났다.

Fig. 9.

Validation of Simulated Unsteady HEC-RAS Modelling with Respect to In-Situ Stage and Discharge Measured at 2^nd Dongsan Bridge

3.4 수치표고모델(DEM) 구축

위에서 논의된 바와 같이 정확한 홍수위 수치모의 결과를 확보하더라도 홍수범람지도 작성 시 범람구역의 불확도를 좌우하는 주요 요인이 DEM의 정확도 및 정밀도로, 동일한 홍수위를 적용한 경우에도 정확한 홍수범람구역 도출에 영향을 준다(^{Neelz et al., 2007}; ^{Jung et al., 2013}). 일반적으로 국가에서 제공하는 DEM의 경우 공간적인 해상도가 낮아 30 x 30 m인 경우가 많다. 하폭이 수백미터에 이르는 큰 국가하천이나 일부 지방하천의 경우 이와 같은 낮은 공간해상도의 DEM도 유의미한 결과를 제공할 수 있다. 그러나, 일반적으로 하폭이 50 m 내외인 지방하천 혹은 소하천의 경우, 범람의 범위가 대하천에 비해 매우 협소하여 30 m DEM을 그대로 사용할 경우 공간적인 정밀도가 미치는 불확도는 상대적으로 크다고 볼 수 있다(^{Kim et al., 2016}). 최근 LiDAR와 같은 초정밀 지형측량 기법이 국가하천 주변 지형측량에 적용되고 홍수범람지도 작성을 정확도를 높이려는 노력이 진행 중에 있으나, 중소하천의 경우 여전히 낮은 공간해상도의 DEM만 가용하여 홍수범람지역 산출의 정확도를 저하시키는 주요 원인으로 작용하고 있다. 본 연구의 대상지역인 한천 하류 유역의 경우도 30 m 공간해상도만 가용한 상황이다. ^{Kim et al.(2016)}은 기존 저해상도 DEM에 기반하되 하천기본계획 수립 시 확보된 하천 단면 지형자료 및 유역 내 각종 측량자료, 등고선 자료를 결합하여 DEM을 0.1 m 공간해상도 DEM으로 개선하는 방법을 제시한 바 있어 본 연구에 활용하였다(Fig. 10).

Fig. 10.

Modification of Digital Elevation Model (DEM) Suitable for Flood Mapping in Local Streams (^{Kim et al., 2016})

4. OFM 기반 재현빈도별 홍수범람지도 검증

4.1 OFM 결과 및 침수흔적도와 비교 검증

홍수범람 구역 산정은 적용된 수치모형의 재현 정도, 하천인근 DEM의 정확도, 도심지역인 경우 건물 등의 영향, 소규모 지류 및 배수관의 영향, 내수범람, 파라펫 등 하천 인근의 홍수방어구조물의 영향, 수충부 인근의 범람 취약지역 영향 등이 복합적으로 적용되므로 실제와 비교하여 정확하게 도출하는 것은 난이도가 높고 불가능하거나 고비용을 수반한다(^{Shim et al., 2003}; ^{Park, 2011}; ^{NEMA, 2007}). 또한, 실제 발생한 홍수범람 구역도 수문곡선에 변화에 따라 상응하여 변화되고, 상승기와 하강기, 그리고 첨두에서 각기 다른 양상을 보일 수 있다. 범람구역에 대한 기록은 홍수 발생 후 조사된 침수흔적도에 기반한 경우가 많으나 수작업에 의존하여 특히 제내지로 범람이 도심지에 발생한 경우 범람범위 산정에 오류를 수반할 가능성이 많다. 따라서, 언급된 복합적인 요인들을 모두 고려하여 홍수범람지도를 산정하는 것은 불가능하거나 현실적으로 타당하지도 않다. 이러한 복합적인 요인들을 모두 고려하는 대신 OFM은 하천정비기본계획수립 시 적용된 홍수위 산정 및 지형측량 결과를 활용하여 신속하고 효율적으로 범람구역을 도출하고자 하는데 목적을 두었다. 제주도 한천의 경우, OFM에서 도출된 홍수범람지도는 HEC-RAS 기반의 외수침수만을 고려하여 내수침수에 의한 요인은 포함되지 않았고, 복개구간 내 교각에서 유송잡목이나 암석 포획 등에 의해 발생할 수 있는 단면 일부 차단효과도 배제하는 등 잠재적인 오차요인을 포함하고 있다. 결론적으로 OFM 홍수범람지도 도출 결과의 검증은 실제 침수흔적과 비교하여 정량적인 유사성 재현 여부 분석을 통해 성능을 판단하고자 하였다.

범람된 지역은 주로 하류단에 위치한 하천복개 구간으로 상가 및 주택이 밀집하여 홍수피해의 정도가 심한 지역이다. 태풍 나리는 재현 빈도는 강수량 등을 고려할 때 약 700년 빈도로 추정되고 있으며, 범람으로 유량 계측장비가 파손되어 첨두홍수량이 실측되지 않아, 대신 설계홍수량을 외삽한 700년 빈도 홍수량인 804.2 m³/s를 당시 홍수량으로 HEC-RAS 정상류 수치모의에 활용하였다. 태풍 피해 직후 해당 지역에서 침수흔적도 조사가 수행되었다. Fig. 11는 한천 하류의 침수흔적도와 OFM 결과로 도출된 700년 빈도 홍수범람지도 및 침수심의 공간분포를 비교하여 나타내고 있다. 이때, Fig. 10과 같이 개선된 0.1 m 해상도 DEM을 사용하였다. Fig. 11(a)은 OFM으로 도출된 700년 빈도 홍수범람지도와 태풍 나리 후 현장 측정된 한천 침수흔적도를 비교한 결과이다. 침수흔적도는 홍수 후 현장요원들의 탐문조사를 통해 확보되어 다소의 오차를 수반하나 비교적 정확한 홍수범람구역으로 본 논문에서 OFM의 결과를 검증하는 데 여타의 2~3차원 상위 정밀 모형 결과와 비교하는 것보다 더 정확하다고 볼 수 있다. 비교 결과 도심지에 나타난 실제 범람지역과 OFM으로 도출된 범람구역이 매우 유사함을 알 수 있다. 나리 시 한천 하류의 첨두 유량은 정확하게 측정된 바 없으나 대략 700~800년 빈도 홍수량으로 추정되고 있다(^{NEMA, 2007}). 그러나, 하류단 우안 등에서 보이는 일부 지역에서 다소 나타난 오차는 위에서 언급된 요인 외에 OFM이 도시 건물 등을 반영한 DSM (Digital Surface Model)을 사용하지 않았고 태풍 나리 당시의 지형과 본 연구에서 사용한 DEM의 제작연대 별 불일치에 기인했다고 볼 수 있다. 또한, 조사된 침수흔적도 자체의 불확실도에 기인했을 수 있다. 그러나, 종합적으로 판단해볼 때 OFM의 결과는 신뢰도가 높다고 판단할 있어, 다양한 홍수 사상에 대해 범람의 규모의 효율적 전개, 복개철거 등 각종 구조적인 대책이 반영된 경우 범람면적의 변화 추이 등을 신속히 파악하는 데 활용될 수 있을 것이다. Fig. 11(b)는 다양한 홍수빈도 별 범람의 양상을 나타내고 있는데 한천 하류는 약 200년 빈도 이상에서 범람이 일부 시작되고 태풍 나리와 같이 약 700년 빈도의 극한홍수 발생 시 전반적인 범람이 발생됨을 알 수 있다.

Fig. 11.

Validation of Flood Inundation Map using OFM

4.2 OFM과 HEC-GeoRAS 비교 검토

태풍 나리 침수흔적도와 당시 홍수량과 유사한 700년 빈도 홍수량으로 도출된 OFM의 결과가 유사함에도 불구하고 다른 방식들과 비교해보는 것은 OFM 정확도 검증 측면에서 의미가 있다(Fig. 12). 우선, OFM과 유사하게 HEC-RAS 모의결과를 바탕으로 홍수범람지도를 추출하는 대표적인 툴인 HEC-GeoRAS로 도출된 홍수범람지도와 비교하였다. 그리고, 현업에서 통용되고 있는 하천정비기본계획에서 측량된 등고선도에 HEC-RAS 홍수위를 공간적으로 연결하여 생성된 범람지도와도 비교하였다.

Fig. 12.

Comparison of Derived Flood Inundation Map in Terms of OFM, HEC-GeoRAS, Manual Drawing with Respect to Flood Mark Map in Han Stream Collected after Typhoon Nari, 2007, Individually Indicating Maps for (a) OFM and Flood Mark; (b) HEC-GeoRAS, OFM and Flood Mark; (c) Manual Drawing, OFM and Flood Mark; (d) A Cross-Section where Parapet Elevation is Higher Than Nearby Riparian Floodplain

HEC-RAS와 연동되는 HEC-GeoRAS는 사용의 편이성에도 불구하고 다음 몇 가지 기술적 제약사항으로 실무 사용에 제한적인 측면이 있다고 알려져 있다. 그 이유로는 첫째, HEC-GeoRAS는 하천단면과 조도계수 등을 DEM과 토지이용도 등을 통해 사용자가 지정한 단면에 대해 추출한 결과를 기반으로 HEC-RAS 모의를 수행하도록 설계되었다. 즉, 현업에서 일반적으로 통용되는 방식인 하천정비기본계획에서 제공하는 HEC-RAS 단면에서 현장측량된 CAD 형식의 단면을 직접 활용할 수 없다. 결과적으로 현장 측정자료와의 직접적인 연계가 불가능하고 단면 추출에 사용되는 DEM의 정확도가 낮은 경우, HEC-RAS 모의 결과의 정확도도 저하될 수 밖에 없는 한계가 있다. 따라서 하천정비계획에서 제공하는 HEC-RAS 홍수위 결과도 활용할 수 없다. 둘째, DEM에서 단면을 추출할 때 정밀 DEM을 사용할 수 없는 한계가 있다. HEC-GeoRAS에서 허용하는 단면 당 측점 개수는 500개로 제한되어 있어 본 연구에서 사용한 0.1 m 공간해상도의 정밀 DEM이 가용하더라도 이 경우 단면 당 측점 수가 2000개 이상 나타나, 정밀 DEM을 HEC-GeoRAS에서 단면 추출 및 홍수범람지도 산정에 활용할 수 없는 경우가 발생하였다. 따라서 불가피하게 OFM과 HEC-GeoRAS 사이의 홍수범람지도 비교를 위해 기존 0.1 m DEM의 공간해상도를 10 m로 줄인 DEM을 사용하였다. HEC-GeoRAS 기반 홍수범람지도는 이렇게 제작된 10 m DEM으로부터 추출된 단면을 활용하여 HEC-RAS 모의를 OFM과 동일한 홍수량으로 실시하여 홍수위 결과를 기반으로 제작되었다. 비교를 위한 OFM은 기존 하천정비기본계획에서 제공하는 실측된 단면을 활용한 HEC-RAS 홍수위 결과를 활용하여 홍수범람지도를 제작하였다. Fig. 12(b)는 태풍 나리 첨두홍수량으로 산정된 700년 빈도 홍수량에 따른 OFM, 침수흔적도, HEC-GeoRAS를 비교한 결과이다. Fig. 12(c)에서는 추가적으로 현업에서 상당부분 채택하고 있는 등고선도가 포함된 CAD 자료에 HEC-RAS 홍수위를 수작업으로 비교하여 제작한 홍수범람지도도 포함시켰다.

Fig. 12(a)에 나타난 바와 같이 하천 구역(제외지)를 고려하면 OFM의 결과는 태풍 나리 침수흔적도와 상당히 유사하다고 평가할 수 있다. 그러나, Fig. 12(b)와 Fig. 12(c)와 같이 OFM은 HEC-GeoRAS 및 수작업 결과와는 국지적으로 유사한 지역과 상당한 차이를 보이는 지역이 모두 나타났다. 특히 하류단의 A 구역과 상류단의 D 구역은 매우 다른데, A 구역에서는 실제로 홍수범람이 일어났으나 HEC-GeoRAS 결과로는 나타나지 않았고, D 구역은 반대로 홍수범람이 발생하지 않았음에도 불구하고 HEC-GeoRAS 결과로는 범람된 것으로 나타났다. 수작업 결과와 상이한 점은 A 구역의 경우는 수작업의 경우는 비록 침수흔적도와 OFM과는 규모면에서 작게 나타났지만 범람이 일어난 것으로 나타났고, D 구역의 경우에는 GeoRAS와 유사하게 범람이 일어난 것으로 오류가 나타났다. A 구역에서의 GeoRAS의 문제는 기존 DEM을 사용하여 HEC-RAS 단면을 추출할 수 밖에 없는 한계로 복개 구역 등 실측자료가 반영되지 못한 결과로 HEC-RAS 홍수위의 문제로 사료된다. D 구역의 경우는 GeoRAS와 수작업 모두 Fig. 12(d)와 같이 홍수위와 하천 주변 지형을 기계적으로 비교하여 홍수범람을 도시하였는데 제방이나 도심지 중소하천에 다수 설치되는 콘크리트 옹벽(파라펫)으로 인한 홍수방어 효과를 누락하는 측면이 있었다. 실제, Fig. 12(d)에 제시된 사례와 같이 해당구역은 좌안에 파라펫이 있고, 우안에 상대적으로 지대가 높은 구릉이 있다. 예를 들어, 단면 1-1에서 태풍 나리 홍수위는 제내지 지형보다는 높았으나 기설치된 파라펫 상단표고보다 낮아 홍수범람이 발생되지 않았다. OFM의 경우는 2장 및 3장에서 설명된 바와 같이 하천 단면 측선에서 좌우 제방고와 홍수위를 비교하여 주변 제내지에 홍수범람을 판단하는 알고리즘을 추가하여 GeoRAS와 수작업 결과와 달리 범람이 발생하지 않았던 실제 상황과 유사한 결과를 도출할 수 있었다. 반면, GeoRAS와 수작업 결과는 파라펫을 고려하지 않아 제내지 표고만 고려되어 범람이 발생한 것으로 나타났다. Fig. 12에서 구역 B와 C에서는 OFM의 결과가 침수흔적도, GeoRAS, 수작업 결과 모두 유사하게 나타났다. B 구역의 경우 하류단 저지대로 상습적으로 침수가 발생했던 지역으로(^{NEMA, 2007}), 특히 복개 구간으로 4장에서 설명된 바와 같이 복개상판, 유송잡목, 교각 등의 효과로 홍수위가 크게 형성되어 홍수위가 기설치된 파라펫 표고 이상이 정도로 나타나 OFM에서도 범람이 발생한 것으로 나타났다. 물론 저지대인 관계로 GeoRAS와 수작업 모두 범람이 발생한 것으로 나타났다. C 구역과 같이 상류단 영역에서 한천 우안 지역은 지대가 하천보다 높은 구릉 지역이 많아 태풍 나리의 경우에도 홍수가 나타나지 않았는데 OFM, GeoRAS, 수작업 결과도 범람이 일어나지 않은 것으로 나타났다.

Fig. 12와 같이 OFM을 침수흔적도, GeoRAS와 수작업 홍수범람도와 비교한 사례가 시사하는 바는 다음과 같다. 첫째, 다소의 오차를 포함하지만 침수흔적도를 참값으로 볼 때, OFM은 GeoRAS 및 수작업 결과와 비교해 볼 때 상대적으로 정확한 것으로 나타났다. 특히, GeoRAS와 수작업이 보통 제방고를 고려하지 않고 제내지 표고와 홍수위 표고를 기계적으로 비교하여 범람구역을 산정하여 제방, 파라펫 등으로 실제 홍수범람이 발생하지 않는 경우도 발생하는 것으로 나타나는 오류를 보였다. 둘째, GeoRAS는 고가 소프트웨어인 ArcGIS에서 운용된다는 비용 상 단점과 더불어 기능적으로도 하천정비기본계획의 단면이나 GeoRAS와 독립적으로 모의된 HEC-RAS 결과를 범람구역 산정에 사용할 수 없다는 한계가 명확하게 나타났다. 셋째, 수작업으로 상대적으로 많은 시간을 투여한 결과도 기대와는 달리 오차가 다수 나타났다. 이는 CAD 상의 등고선과 홍수위 표고를 대략 비교하여 홍수범람구역을 판단할 경우, 도심지가 포함되는 등 지형기복이 심한 경우나, 제방 등 홍수방어구조물의 역할 등을 제대로 반영되기 힘듦을 알 수 있었다. 넷째, OFM은 상대적으로 기존 하천정비기본계획 등 가용한 지형정보를 충분히 활용할 수 있다는 장점이 있고, 또한 GeoRAS와 달리 단면 측량에 기반한 HEC-RAS 결과도 활용할 수 있어 범람구역 산정 정확도를 높이고, QGIS에서 활용되어 운용 비용이 절감될 수 있다.

5. 결론 및 향후 과제

본 연구에서는 오픈소스인 QGIS 기반 HEC-RAS 홍수위 모의결과와 연동된 홍수범람지도 산정 자동화 소프트웨어인 Open Flood Mapper (OFM)을 개발하여 지방하천인 제주시 한천 하류에 적용하여 태풍 나리 시 침수흔적도와 비교하여 홍수범람지도 정확도를 검증하였다. 제주 한천에 적용된 HEC-RAS 모형은 실측 홍수량 및 홍수위 자료를 활용하여 검증하였으며, 제내지 DEM은 기존 저해상도 DEM을 각종 추가측량 자료를 활용하여 보완하여 적용하였다. 태풍 나리 침수흔적도와 비교결과 OFM은 효과적으로 홍수범람지도를 모의할 수 있음을 나타냈다. 또한 HEC-GeoRAS 및 현업에서 통용되는 수작업을 통한 범람구역과 비교한 결과 상대적으로 침수흔적도에 근접하는 결과를 얻을 수 있었다. 검증 및 적용 결과를 바탕으로 개발된 OFM의 의미를 정리하면 다음과 같다. 첫째, HEC-GeoRAS와 같이 GIS 기반 홍수범람지도 산정을 위해 ArcGIS 등 고가의 소프트웨어가 필요한 경우가 많아 일반 사용자의 활용도가 낮은데, OFM은 오픈소스인 QGIS에서 작동되도록 개발하여 홍수범람지도 산정의 범용성을 확대할 수 있다. 둘째, Binary 형식인 HEC-RAS 홍수위 결과(HDF 포맷)를 직접 해독이 가능하여 모의 결과를 GIS 파일로 매번 변경하는 작업없이 모의 결과를 홍수범람지도 산정에 직접 사용하는 등 사용자의 편의성을 확대하였다. 셋째, 복수의 빈도별 홍수량에 대한 모의 결과를 OFM을 통해 홍수범람지도들을 일괄적으로 도출할 수 있어 홍수 규모별 홍수범람 추적이 매우 용이하다는 장점이 있다. 넷째, 좌우 제방고를 고려하여 홍수위가 제내지 지형보다 높다하더라도 제방고보다 낮은 경우는 홍수로 간주하지 않은 알고리즘을 추가하고 오류로 재현되는 범람구역을 수정하는 등 하도 주변 홍수범람 정확도를 향상시켰다. 다섯째, OFM은 범람구역 내 침수심 자료도 Raster형식으로 제공하여 추후 홍수피해 산정과 위험도(Risk) 분석에 활용될 수 있도록 하였다.

제주 한천은 제주시 도심을 통과하는 지방하천으로 태풍 나리 및 차바 시 범람 사례도 있어 홍수범람 해석 결과는 중요한 실무적인 의미를 가진다. 개발된 OFM의 제주도 한천 유역으로의 시범적용을 통해 개발된 툴의 적용 방법, HEC-RAS 모델 구축 및 검증, DEM 개선, 태풍 나리 시 취득한 침수흔적도와 검증하여 정확도를 확인할 수 있었다. 부가적으로, OFM을 활용한 범람 해석 사례 제시를 위해, 각종 홍수빈도 별 홍수범람 분석을 통해 한천 유역 홍수 양상과 관련된 다음과 같은 몇 가지 결론을 도출할 수 있었다. 첫째, Fig. 11(b)와 같이 25년 빈도 간격으로 범람모의를 수행한 결과, 한천은 약 200년 빈도 홍수량 부근에서 복개구간 인근에서 범람이 시작됨을 알 수 있다. 이 결과는 첨두유량이 재현빈도 약 200년에 해당되었던 2017년 태풍 차바 시 복개구간에서 일부 범람이 실제 발생된 사례와 일치됨을 알 수 있었다. 둘째, 범람이 본격적으로 확대되는 설계빈도의 임계치는 약 450년 빈도로 볼 수 있고, 태풍 나리의 경우 700년 빈도에 해당되어 임계치를 훨씬 상회하였다. 만약, 태풍 나리와 유사한 규모의 홍수사상이 발생했을 경우, 홍수위를 최소한 450년 빈도 이하로 낮추도록 복개철거나 저류지 활용 등 구조적인 대책이 마련되어야 할 것이다. 이런 맥락에서 향후 OFM을 태풍 나리 이후 한천 중산간에 설치된 저류지 적용 시와 복개구간 철거 시 홍수범람지도에 미치는 영향을 살펴보는 데 활용할 수 있을 것이다. 향후, OFM으로부터 도출된 홍수범람지도와 침수심 정보를 기반으로 피해손실함수와 토지활용정보와 결합하여 홍수피해지도(Flood Risk Map)를 생성할 수 있는 소프트웨어로 확장하는 작업도 의미가 있다고 하겠다. 마지막으로 본 연구에서는 제주 한천을 대상으로 태풍 나리 시 OFM의 범람구역 산정 정확도 검증에서 침수흔적도가 가용하여 서론에서 언급된 국가하천에서 주로 사용되는 2차원 혹은 3차원 범람 모형 결과와 비교하지 않았다. 대신 1차원 모형 결과인 HEC-GeoRAS 및 하천정비계획에서 제공되는 CAD 지형자료에 수작업을 통해 도출된 홍수범람도와 비교하였다. 추후 2,3차원 홍수모형 결과와 비교해 볼 수 있지만, OFM은 현재 국내에서 중소하천을 대상으로 HEC-RAS 1차원 수치모의를 기반으로 측량 및 수립되는 하천정비기본계획의 자료를 사전 처리없이 곧바로 활용할 수 있게 하였으므로 2,3차원 결과가 더 좋게 나오더라도 비교의 의미는 작다고 하겠다.