베이즈 이론을 활용한 지방하천설계빈도 결정 및 수문학적 위험도 평가

Abstract

Based on disaster-related laws in Korea, government maintains the territorial integrity and protect the lives and properties of its people and infrastructure of state from natural disasters such as typhoons and floods. Over the past decades, damage from natural disasters due to heavy rain, heavy snow, and typhoons accounts for 96.60% of the total disaster damage. It can be assumed that the damage from storm and flood is increasing as years go by. In Korea, annual average and variability of precipitation have been on a gradual increase since records, and the risk of disasters has been increasing due to significant regional variations and recent abnormal climate. Since damage from storm and flood mainly occurs around rivers, it is absolutely vital to determine the optimum design frequency for river-related projects. Through this process, feasibility and substantial river improvement can be achieved. Previous studies have pointed out that climate change is a major cause of natural disaster, but there are few studies to investigate changes in the design frequency of rivers in the future. Considering this issue, this study examined how the design frequency will change due to climate change. The original methodology for design frequency determination was analyzed to identified criticism and issues to be improved. The study area covers 413 local rivers in Chungcheongnam-do, where data are available. Seven evaluation factors such as the basin area, shape parameter, channel slope, stream order, backwater effect reach, frequency of extreme floods, and urbanized flood inundation area were collected, and weights estimated by Bayes’ theory were applied to 413 local rivers. In order to examine the changes of design frequency due to climate change, among the evaluation factors, the frequency of extreme floods and urbanized flood inundation area, which are factors that can be changed in the future, were estimated using the available data. Representative concentration path(RCP) 4.5 and 8.5 of HadGEM2-AO and HadGEM2-ES were applied as climate change scenarios. As a result of calculating the design frequency for 7 evaluation factors for 413 local rivers in Chungcheongnam-do, 255 rivers increased and 158 rivers decreased in design frequency estimated in this study. It was confirmed that the Bayes’ theory-based weight produces a high frequency, and this result indicates that the design frequency of local rivers in Chungcheongnam-do is currently underestimated. The estimation of future design frequency was analyzed to be similar to those of the current one, but it was confirmed that the standard deviation differed significantly depending on the GCM model. HadGEM2-AO, whose standard deviation is wider than the current design frequency estimate, was analyzed to make rivers vulnerable to disasters more vulnerable than HadDEM2-ES. As a result of hydrological risk assessment applying future climate change, it was analyzed that the RCP 4.5 increased the risk by 3.08%(HadGEM2-AO) and 3.13%(HadGEM2-ES) on average, and the RCP 8.5 increased the risk by 4.18%(HadGEM2-AO) and 2.80%(HadGEM2-ES) compared to the existing river design frequency. In the case of the HadGEM2-AO model, the risk increased by 4.57% in the P2 period of RCP 4.5, and 5.69% in the P3 period of RCP 8.5, and the risk of the HadGEM2-ES model increased by 4.58% in the P2 period of RCP 4.5, and 4.39% in the P1 period of RCP 8.5. These results demonstrate that the probability of future river design frequency would be smaller than the current increases, and that the stability of the river decreases and the hydrological risk increases. It proves that appropriate preparation is necessary through accurate estimation of the optimum design frequency of rivers. The results of this study can be used to estimate the design frequency in practice by excluding the designer's experience and by ensuring statistical objectivity in the process of establishing the river master plan. |우리나라는 자연재해대책법과 재난 및 안전관리기본법 등을 통해 태풍, 홍수 등 자연현상으로 인한 재난 및 재해로부터 국토를 보존하고 국민의 생명ㆍ신체 및 재산과 주요 기간시설을 보호하고 있다. 최근 10년 동안 풍수해(호우, 대설, 태풍) 피해액은 전체 재해평균 피해액의 96.60%에 해당되며, 자연재해 중 풍수해로 인한 피해가 해가 거듭할수록 증가하고 있다. 우리나라는 기상관측 이래 연평균 강수량과 변동성은 점진적으로 증가하는 추세이고, 지역 간 변동성이 크다. 따라서, 최근의 이상기후로 인하여 재해에 대한 위험도가 증가되고 있는 실정이다. 풍수해의 피해는 주로 하천주변을 중심으로 발생하기 때문에 하천정비와 같이 하천과 관련된 사업을 진행하기 위해서는 우선적으로 적정한 설계빈도를 결정하는 과정이 반드시 필요하며, 이러한 과정을 통해 타당성 및 내실 있는 하천정비가 이루어질 수 있다. 기존에 수행된 연구에 의하면, 자연재해 및 풍수해 발생 및 증가의 주요 원인은 기후변화이나, 이를 고려하여 하천의 설계빈도의 변화 양상 등을 연구한 결과가 충분히 많지 않다. 따라서, 본 연구에서는 기후변화에 따른 하천의 설계빈도가 어떻게 변화할지에 대해 종합적인 분석을 수행하였다. 설계빈도 결정에 대한 기존 방법론을 분석하여 문제점 및 개선 방향에 대해 제시하였으며, 충청남도에 위치한 지방하천 중 자료구축이 가능한 하천인 413개소를 대상으로 하였다. 유역면적, 형상계수, 하도경사, 수계차수, 배수영향 구간, 이상강우 발생빈도, 시가화 침수면적의 7개의 평가인자 및 베이즈 이론으로 산정된 가중치를 충청남도 413개의 지방하천을 대상으로 적용하였다. 미래 기후변화에 따른 설계빈도의 변화 양상 등을 살펴보기 위해 평가인자 중 미래에 변화 가능한 인자인 시가화 침수면적과 이상강우 발생빈도를 현재 가용한 자료를 이용하여 추정하였다. 기후변화 시나리오는 HadGEM2-AO와 HadGEM2-ES의 대표농도경로 4.5와 8.5를 적용하였으며, 일단위 강우를 포아송 클러스터를 통해 시간단위로 재생성하여 미래 기후변화 시나리오 적용에 따른 413개 지방하천의 위험도를 평가하였다. 7개의 평가인자를 고려하여 분석한 결과, 기수립 설계빈도보다 본 연구에서 추정된 설계빈도가 증가하는 하천은 255개이고 감소하는 하천은 158개로 나타났다. 베이즈 이론의 가중치 산정결과가 결과적으로 설계빈도를 고빈도로 추정하는 것을 확인하였으며, 이러한 결과는 현재 충청남도의 지방하천의 설계빈도가 저평가된 것을 보여준다. 충청남도 지방하천의 미래 시점의 설계빈도 추정결과, 현재기준의 설계빈도 추정 결과와 크게 다르지 않는 것으로 분석되었으나, GCM 모형에 따라 표준편차가 크게 차이나는 것으로 분석되었다. 표준편차가 현재기준 설계빈도 추정결과보다 넓게 분포하는 HadGEM2-AO는 미래 기후변화 시나리오에서 HadDEM2-ES에 비하여 재해에 취약한 하천은 더욱 취약해 지는 것으로 분석되었다. 미래 기후변화를 적용한 수문학적 위험도 평가 결과, 기수립 하천설계빈도 대비하여 RCP 4.5의 경우 수문학적 위험도가 평균적으로 3.08%(HadGEM2-AO), 3.13%(HadGEM2-ES) 증가하는 것으로 분석되었으며, RCP 8.5의 경우 4.18%(HadGEM2-AO), 2.80%(HadGEM2-ES) 증가하는 것으로 분석되었다. HadGEM2-AO 모형의 경우 RCP 4.5의 P2기간에서 4.57%, RCP 8.5의 P3기간에서 5.69% 증가하였으며, HadGEM2-ES 모형의 경우 RCP 4.5의 P2기간에서 4.58%, RCP 8.5의 P1기간에서 4.39% 증가하였다. 이러한 결과는 미래의 하천의 설계빈도가 현재보다 낮아질 확률이 높아진다는 것을 의미하며, 하천의 안전성은 낮아지고 위험도는 커지는 것을 의미한다. 즉, 미래 기후변화에 대비하기 위해서는 하천의 특성을 고려하여 하천의 설계빈도를 적절하게 추정할 필요가 있다. 본 연구의 결과는 하천기본계획을 수립하는 과정에서 설계자의 현장경험을 배제하고 통계적 객관성을 확보하여 설계빈도를 추정하는 과정에 활용이 가능하다. 평가항목 및 평가인자의 산정을 통해 타 시·도에 적용 가능하며, 설계빈도 조정에 따른 부지 활용방안, 적절한 사업투자 효과 등에 활용될 것으로 기대한다.