2.1 홍수범람지도 작성 과정

일반적인 하천 홍수범람지도 작성은 ① 강우 분석을 통한 설계강우 산정, ② 설계강우에 대한 홍수량 산정, ③ 홍수량을 경계조건으로 설정하여 하천 홍수위 계산, ④ 하천 제방 및 제내지 지형을 고려한 하천범람 모의 및 결과를 바탕으로 침수예상도를 출력하는 순서로 진행된다(Fig. 1). 이때, 제방의 월류 또는 붕괴 시나리오에 따라서 유하형 범람, 저류형 범람, 확산형 범람으로 분류하고, 각각 서로 다른 모의 방법을 적용한다^{(ME, 2020)}. 하천과 제내지를 대상으로 2차원 부정류 조건으로 모의하는 것이 이상적이나, 계산시간을 단축하고 설계안전 측면에서 침수심과 침수면적이 크게 산정하려는 목적으로 부등류 조건에서 유하형 또는 확산형 범람을 가정하고 모의하는 것이 일반적이다^{(ME, 2020)}.

Fig. 1. Process Diagram for Generating a River Flooding Map

본 연구에서는 홍수예측을 위한 학습자료로 활용하기 위하여 다수의 홍수범람지도를 작성하는 것이 목적이므로 ①번 과정은 특정 재현기간에 대한 설계강우 대신에 다양한 강우시나리오를 적용하는 것으로 대체되었다(Fig. 1). 실무에서는 주로 HEC-1(또는 HEC-HMS)을 이용하여 홍수량을 산정하고(②번 과정), HEC-RAS를 이용하여 하천의 홍수위를 계산한다(③번 과정). 또한, RAS Mapper를 이용하여 하천범람을 모의하고 침수예상도를 공간정보 자료 형식(**.asc 또는 **.geotiff)으로 추출한다(④번 과정). 따라서 HEC-1, HEC-RAS, RAS Mapper의 분석 엔진을 활용하여 홍수범람지도 작성 과정을 자동화하여 수백에서 수십만건의 강우시나리오에 대한 침수예상도를 데이터베이스화하는 것이 핵심이다.

2.2 엑셀러레이터 기능 및 특징

엑셀러레이터는 사용자 편의를 위하여 독립형 실행프로그램으로 개발되었다. 주요 모듈 개발에는 Fortran(강우 분석), Python(각종 API 호출), C(홍수량 산정) 등 다양한 컴퓨터 언어의 장점을 고려하여 종합적으로 사용되었으며, GUI는 Matlab으로 개발되었다. 배포에 용이하도록 Matlab Application Compiler를 이용하여 실행파일로 컴파일하였다. 그 결과, 사용자는 Mathworks에서 무료로 배포하는 Matlab Compiler Runtime만 설치하면 Windows OS에서 자유롭게 엑셀러레이터를 사용할 수 있다.

엑셀러레이터는 대부분 연산에서 HEC 소프트웨어의 분석 엔진을 사용한다. HEC-1의 경우 컴파일된 응용프로그램이 함께 제공되므로 별도의 설치가 필요하지 않지만, HEC-RAS는 동적 링크 라이브러리(DLL)를 호출하여 사용하는 형식으로 HEC-RAS 프로그램이 미리 설치되어 있어야 한다. 또한, 분석 결과 대부분이 Excel 파일로 출력되기 때문에 MS Office 설치가 필요하다.

엑셀러레이터의 드롭다운 메뉴는 강우 분석, 홍수량 산정, 홍수위 산정, 하천범람 모의의 홍수범람지도 작성 순서에 맞게 구성하였다(Fig. 2). File 메뉴는 프로젝트 단위로 관련 입력･출력 자료를 관리하고, 다수의 사용자가 작업한 결과를 쉽게 취합할 수 있는 편의 기능을 포함하고 있다. Storm & Flood 메뉴에서는 ^Huff(1967)의 무차원 누가강우곡선 형식의 강우시나리오를 바탕으로 강우주상도를 작성하고, 시나리오별 홍수량을 산정할 수 있다. 홍수량 산정에 다수의 강우지속기간을 포함시키기 위하여 무차원 누가강우곡선의 회귀식이 필요하다. 이때, 각 정점 사이를 서로 다른 3차 다항식으로 회귀하는 cubic spline 방법을 도입하여 기존의 5∼7차 다항식을 적용할 때 발생하는 누가강우가 역전되는 문제나 강우지속기간이 왜곡되는 문제를 해결하였다. 또한, 설계홍수량 산정요령^{(MLTMA, 2012)}, 홍수량 산정 표준지침^{(ME, 2019)} 기준에 따른 명확한 홍수량 산정 절차와 직관적인 GUI를 바탕으로 사용자가 편리하게 홍수량을 산정할 수 있는 것이 특징이다(Fig. 3).

Fig. 2. Main Page and Drop-down Menu of Flood Mapping Accelerator Based on HEC-softwares

Fig. 3. GUI for Flood Discharges Estimation

HWL & Mapping 메뉴는 시나리오별 홍수량 산정 결과를 HEC-RAS flow 파일(**.f\#\#)에 입력하여 HEC-RAS 부등류 모의를 위한 홍수량 조건을 일괄로 설정하는 기능, 사용자가 HEC-RAS를 직접 실행하지 않고 엑셀러레이터가 반복적으로 홍수위를 계산하는 기능을 포함하고 있다. 또한, 계산된 홍수위를 바탕으로 엑셀러레이터가 스스로 하천범람을 모의하고 침수예상도를 출력하도록 하는 RAS map 파일(**.rasmap)을 생성하는 기능도 포함되어 있다. 끝으로 Help 메뉴에서는 사용자 매뉴얼, 활용 예제, 프로그램 사용시 발생하는 오류 코드 관리 등 편의 기능을 제공한다.

개발된 엑셀러레이터는 수백에서 수십만건의 강우시나리오에 대한 하천 홍수범람을 모의하고 침수예상도를 작성하는 일련의 반복된 작업을 자동화함으로써 자료 구축에 소요되는 노력과 시간을 절감하였다. 특히, 홍수량 산정시 HEC-1 모형의 단점인 복잡한 입력파일 생성을 엑셀러레이터가 대신함으로써 반복적인 모의 등에서 불리한 HEC-HMS의 단점을 해결하여 실무적용성을 극대화하였다. 기존의 HEC-1, HEC-RAS 등 검증된 모형의 엔진을 사용함으로써 모의 결과의 신뢰성을 확보하였다.

3.1 테스트베드 및 활용 자료

엑셀러레이터의 적용성을 검증하기 위하여 국내 지방하천 수계(또는 권역) 26개소를 테스트베드로 선정하였다(Fig. 4). 테스트베드는 과거 하천범람 피해가 발생한 지역, 자연재해저감 종합계획의 하천재해 위험지구로 선정되는 등 하천범람 발생가능성이 높은 지역, 비교적 최근에 하천기본계획이 수립되어 측량자료 수집이 쉬운 지역, 환경부 홍수위험지도 정보시스템에서 하천범람지도가 제공되어 모의 결과의 타당성을 검토할 수 있는 지역을 중심으로 선정하였다. 26개소의 수계 또는 권역 단위 테스트베드 중에서 황구지천 상류권역은 본 연구에서 중점적으로 다룬 지역으로 다양한 규모의 지방하천 10개소가 위치하고 있다.

황구지천 상류권역에는 황구지천, 반정천, 원천리천, 수원천, 광교천, 여천, 영덕천, 가산천, 서호천, 영화천이 위치하며, 하천별 유역면적은 1.00 km²(가산천)부터 84.75 km²(황구지천)까지 다양하다. 하천별 연장은 1.27 km(광교천)∼13.04 km(황구지천) 범위이다. 위치는 행정구역상 경기도 수원시에 해당하며, 수원시 풍수해저감종합계획^{(Suwon City, 2014)}에서 선정한 하천재해 위험지구 6개소 중에서 4개소가 황구지천 상류권역에 밀집된 하천재해 발생가능성이 높은 지역이다. 또한, 진위천권역 하천기본계획^{(MOLIT, 2014)}에서는 황구지천 상류권역의 하천 대부분 구간이 제방고에 비하여 계획홍수위가 높은 것으로 검토되어 축제, 보축 등 하천정비계획이 다수 수립된 바 있다.

Fig. 4. Location Map of Test-bed and Spatial Distribution of Flood Estimation Points

홍수량 산정을 위하여 하천기본계획에서 선정한 홍수량 산정지점 중에서 계획홍수량이 변경되는 지점 45개소를 금회 홍수량 산정지점으로 선정하였다. 산정지점별 유역면적, 유로연장, 유로경사, ^SCS(1956) CN 등 유역 특성인자와 ^Clark(1945) 단위도 적용에 필요한 도달시간, 저류상수 등 모형 매개변수는 하천기본계획에서 산정한 값을 그대로 활용하였다. 홍수위 산정을 위한 하천단면 구축과 구조물 제원 입력은 하천기본계획에서 실시한 측량성과 자료를 사용하였다. 하천범람 모의를 위한 수치표고모형(DEMs)은 하천기본계획의 측량성과와 국토지리정보원에서 제공하는 1:5,000도 수치지도의 고도 정보를 종합하여 자연 이웃 보간(natural neighbor interpolation) 방법으로 생성하였다.

3.2 강우시나리오

재현성에 중점을 두고자 기상청의 강우 관측자료와 기후변화 시나리오를 바탕으로 호우의 시･공간적 분포를 고려한 무차원 누가강우분포 형식의 강우시나리오를 작성하였다(Fig. 5). 관측자료의 경우 기상청 종관기상관측소(ASOS)의 1968년부터 2022년까지 관측된 자료 중에서 3시간 총강우량이 60 mm 이상(3시간 호우주의보 발령기준)이거나, 1시간 총강우량이 20 mm 이상(3시간 호우주의보 발령기준을 1시간으로 환산한 수치)인 호우 사상만을 추출하였다. 2022년 서울 강남지역에 침수가 발생한 당시 ASOS 서울관측소(108번)와 AWS 강남관측소(400번)에서 관측된 강우량 값이 크게 차이 나는 것과 같이 강우의 지역적 편차를 보완하고자 d4PDF(Database for Policy Decision making for Future climate change) 기후변화 시나리오를 함께 활용하였다. d4PDF는 미래 기후변화에 대한 정책결정에 활용하기 위하여 일본 문부과학성이 개발한 데이터베이스로 다양한 앙상블 시나리오를 모의하여 제공한다. 본 연구에서는 과거의 기후 재현성을 검토하여 보완된 과거 모의실험 시나리오를 사용하였다. d4PDF는 1시간 간격으로 20 km 공간해상도를 갖는 바이너리 형식의 파일로 제공하고 있다(https://diasjp.net). 강우시나리오는 강우지속기간 6시간을 기준으로 단기간(6시간 미만)과 중･장기간(6시간 이상)으로 구분하여 각각 449개와 5,789개의 시나리오를 생성하였다(Table 1).

Fig. 5. Dimensionless Cumulative Rainfall Depth Curves Based on Rainfall Scenario: (a) Short-term, (b) Long-term

테스트베드 하천의 유역면적이 1.00∼84.75 km² 규모이므로 대략적인 임계지속기간이 3∼12시간 범위로 예상되어 단기간과 중･장기간 시나리오 모두를 검토 대상으로 설정하였다. 이때, 최근 홍수피해를 발생시킨 강우가 수시간에 걸쳐 발생한 연속강우였다는 점에서 6시간 이상의 강우지속기간에 대한 검토가 필요한 점도 함께 고려하였다. 무차원 누가강우분포의 강우총량을 고려하기 위하여 전국적으로 30개년 이상의 시강우량을 보유한 기상청 종관기상관측소 68개소^{(MOIS, 2020)}의 50년빈도, 80년빈도, 100년빈도의 확률강우량을 검토하여 60분, 120분, 180분, 360분, 720분 강우지속기간에 대한 확률강우량의 최솟값(60.5∼136.0 mm)과 최댓값(138.5∼403.4 mm)을 적용하였다. 그 결과, 단기간 강우지속기간의 경우 450개 시나리오(OBS 34, CCS 415, 기준 1) × 2개 강우총량(최소, 최대) × 3개 강우지속기간(60분, 120분, 180분)으로 2,700개 강우주상도를 생성하였다. 중･장기간 강우지속기간의 경우 450개 시나리오(OBS 42, CCS 5,747, 기준 1) × 2개 강우총량 × 2개 강우지속기간(360분, 720분)으로 23,160개 강우주상도를 생성하여 총 25,860개의 강우주상도를 생성하였다.

3.3 적용 결과

엑셀러레이터를 활용한 홍수량 산정에 앞서서 구축된 홍수량 산정 모형의 타당성을 우선 검토하였다. 이를 위하여 설계강우를 입력하여 설계홍수량을 산정하고, 이를 하천기본계획의 결과와 비교하였다. 그 결과 동일한 임계지속기간과 첨두홍수량이 산정되어 사용된 유역 특성인자 및 모형 매개변수 등의 타당성을 검증하였다. 검증된 모형에 대하여 25,860개(180분 이하: 각 900개, 360분 이상: 각 11,580개)의 강우주상도에 대하여 홍수량을 반복적으로 계산하였다. 주요 산정지점의 첨두홍수량을 상자수염 그림으로 나타낸 결과, 강우시나리오에 따라서 최대 9배까지 홍수량이 차이 나는 것을 확인하였다(Fig. 6). 사용된 학습자료의 종류가 다양할수록 즉, 강우량 또는 홍수량의 최솟값과 최댓값 차이가 클수록 데이터모형의 학습효과가 높다는 점에서 제시된 강우시나리오의 유효성을 다시 한번 확인할 수 있다.

한편, WC0 지점의 경우 강우지속기간 360분에서 중간값과 상위 25 %의 첨두홍수량이 가장 큰 것으로 볼 때(Fig. 6a), 해당 지점의 임계지속기간이 360분 전･후라는 사실을 확인할 수 있다. 하천기본계획에서 산정된 설계홍수량 795 m³/s은 25,860개 첨두홍수량의 중간값 정도에 해당한다. 마찬가지로 HG6, SH4 지점의 임계지속기간이 180분 전･후, YD4 지점의 임계지속기간이 60∼120분에 해당하며 각 지점별 설계홍수량은 첨두홍수량 분포의 중간에 위치하는 것을 확인할 수 있다(Fig. 6). 전국적으로 지점별 확률강우량의 차이가 최대 2배 정도^{(MOIS, 2022)}인 점을 감안할 때, 다른 조건이 동일하더라도 강우의 시간분포에 따라서 첨두홍수량이 2배까지 차이가 날 수 있음을 의미한다. 이 결과는 최근 기후변화를 설계홍수량 산정에 반영하려는 노력의 하나로 확률강우량을 강제로 일정률 증가시키거나 설계빈도를 상향하는 방안 대신에 설계강우의 시간분포를 조정하는 방안을 제안한 연구^{(Jeong and Kim, 2022)}를 뒷받침하는 결과이다. 또한, 강우예측시 호우사상의 첨두부에서 발생하는 오차를 보정하는 연구, 설계강우의 시간분포 산정 개선 등에 시사하는 바가 크다.

엑셀러레이터는 홍수량 산정 결과를 반영한 부등류 조건의 HEC-RAS flow 파일을 생성하고, 자동으로 25,860가지 경우의 수에 대한 홍수위 분석을 수행하였다. 이어서 25,860가지 홍수위에 대한 하천범람 모의를 반복하고, 각각의 침수예상도를 geotiff 형식으로 출력하였다(Fig. 7). 출력된 침수예상도는 환경부 홍수위험지도 정보시스템에서 제공하는 하천범람지도와 비교하여 전반적인 범람위치 및 범람양상 등이 유사한 것으로 확인되었다.

강우시나리오에 따라서 최대 9배까지 첨두홍수량의 차이가 발생하였던 결과를 홍수위 계산의 경계조건으로 설정한 결과, 황구지천 하류 단면(No.0+870)에서의 홍수위 범위는 EL. 20.5∼22.9 m로, 수심 기준으로 최댓값이 최솟값의 약 1.7배인 것으로 검토되었다. 침수심은 홍수위와 지반고의 차이로 계산되므로 강우시나리오별 침수심의 최솟값과 최댓값의 배율도 이와 유사한 수준인 것으로 검토되었다.