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홍수위험 매트릭스(Flood Risk Matrix)

전국 분포형 강우-유출시스템(GRM Core 활용)

• 홍수위험 매트릭스를 활용하기 위해서는 실시간으로 운영되는 강우유출시스템의 구축이 필요하다.
• 전국을 4개 권역으로 나누어 분포형 강우유출모형인 GRM(Grid based Rainfall-Runoff Model)을 이용한 강우유출시스템을 구축하였다.
  • 한강권역(EPSG 5189), 낙동강권역(EPSG 5189), 금강권역(EPSG 5189), 영산강/섬진강권역(EPSG 5179)으로 구분
    * 제주도 및 도서 지역 제외 (아래 낙동강 권역 유출해석 체계 구축 및 지점정보 그림 참고)
  • 격자크기 : 500m x 500 m
  • 홍수위험 매트릭스 적용지점(QCTP) : 전국 275개 지점
    * 한강권역 : 97개 지점
    * 낙동강권역 : 82개 지점
    * 금강권역 : 47개 지점
    * 영산강/섬진강권역 : 49개 지점
• 제주도 및 도서 지역 등 강우유출체계를 구축하기 어려운 지역에 대해서는 호우위험 매트릭스만을 이용하여 전망정보를 제공하고 있다.(아래 낙동강 권역 유출해석 체계 구축 및 지점정보 그림 참고)
  

홍수위험 매트릭스 읽기

• X 축: Impact Levels (영향수준) - 지점별로 결정
  • Impact Levels(Level 1 ~ Level 4)은 재난으로 인한 피해의 사회,경제적 영향 정도를 의미하며 각각의 수준은 Very Low, Low, Medium, High 이다.
• Y 축: Probability (Likelihood : 발생 가능성) - LENS 12개 멤버로 앙상블 강우-유출모형 구동한 결과 값 이용
• 위기경보단계(관심, 주의, 경계, 심각) 결정 방법(예)
  • 발생 확률을 계산할 기상청 강우자료 멤버수 10개로 가정 - 지점별 Hydrograph 10개 생성
  • 지점 A의 Level 1 ~ Level 4의 기준이 684 CMS, 1320 CMS, 3289 CMS, 5680 CMS 일 경우
  • 3월1일 오전 4시 발령자료 : 3월1일 ~ 3월3일까지의 Hydrograph를 볼 때 3월2일 구간내의 Hydrograph의 최고 유출량이, 3개 사상은 684 ~ 1320 CMS (즉, Level1 구간)사이에 있고, 7개 사상이 5680 CMS를 초과(즉, Level4 구간)하는 것으로 예측 - 각각의 발생 확률은 30%, 70% 임.
  • 위 홍수위험 매트릭스의 Cell No.2(관심)와 No.16(심각)를 선택
  • 따라서 이 사상에 대한 3월2일 위기경보단계는 "심각" 단계로 결정됨

홍수위험 영향수준 설정 절차

• 홍수위험 매트릭스의 X축 설정 기준 : 홍수위험 매트릭스의 적용 지점(QCTP : Quantity of flow at CriTical Point)에서 홍수량에 의한 피해 심각성 정도를 구분하는 기준 유량(㎥/s)인 영향수준(impact levels)의 설정 방법에 대한 가이드라인 - 향후 LINK 연결예정
• 본 연구에서는 우리나라에서 홍수에 의한 피해발생의 원인(triger)별 피해액 정보를 명확히 비교, 평가할 수 있는 자료가 부족한 점을 감안하여, 권역별 피해특성을 분석한 후 세부 지점별로 보완하는 방법을 채택하였다.
• QCTP 지점별 홍수위험 매트릭스의 영향수준 설정 절차는 아래와 같고 단계별 주용 내용을 정리한다.
  

영향수준 비율계수 설정

• 홍수위험 매트릭스 적용지점 설정

  • 홍수위험 매트릭스 적용 지점(QCTP)은 행정구역별로 홍수위험 전망정보를 제공하는 목적으로 하천의 주요 지점을 대상으로 홍수량과 홍수피해액을 비교 평가한 후 이를 기준으로 "홍수위험 영향수준(impact levels)"을 결정한 지점을 의미한다.
  • 시스템 운영에서 설정된 지점을 대상으로 LENS 앙상블 강우자료를 이용하여 구축된 유출해석시스템을 통해 앙상블 강우유출모형의 구동한다. 결과로 도출되는 홍수량을 제공된 홍수위험 매트릭스에 적용하여 발생 가능한 홍수위험 수준을 판단하는 지점이다.
  • QCTP 지점 설정은 다음 기준을 참고하여 결정한다.
    1. 기존 수위관측소가 존재하는 지점
    2. 자연재해저감종합계획보고서(기존 풍수해저감종합계획보고서) 등에 포함한 과거 홍수 피해가 발생한 지점
    3. 행정구역 방문을 통한 담당 공무원 의견 반영
    4. 인구 및 자산 밀집도가 높은 지역
  • QCTP 지점은 행정구역별로 최소 1개 이상으로 선정하고자 하였다.
    • 단, 행정구역의 면적이 작아 해당 행정구역내에 QCTP 지점 설정에 부합되는 지점이 없을 경우는 인접한 행정구역의 QCTP 지점을 활용하였다.
    • 또한 QCTP 지점 설정 기준에 부합되는 지점이지만, 유출 해석을 통해 신뢰성 있는 홍수량 산정이 어려운 지점인 경우는 제외하였다.

• 자료의 수집 및 전처리

  • 자료의 수집 : 2009년 - 2018년
    • QCTP 지점별 계획홍수량, Event별 지점별 홍수량, 강우량, 홍수피해액, 홍수피해 현상 자료, 20mm 이상 무피해 사상
    • 총 9,757 사상 자료 수집 - 한강권역(2,977), 낙동강권역(3,303), 금강권역(1,846), 영산/섬진강권역(1,631)
      
    • 홍수피해 사상(Event) 중 3시간 누적 강우량이 20mm 이하인 무피해 사상은 제외하였다.
    • 태풍에 의한 피해의 경우 바람에 의한 피해가 혼재되어 있어 제외하였다.
  • 전처리
    • 상하류 지점별 각각 다른 규모의 특성(features)을 가진 자료별(홍수량, 강우량, 피해액) 비교 평가를 위해 무차원화 하였다.
      

• 권역별 홍수위험 매트릭스 영향수준 비율계수 결정 방법

  • 권역별 홍수위험 매트릭스의 영향수준(Level1 ~ Level4)사이의 비율계수를 결정한다.
    • Level4를 기준값 "1"로 보았을 때 Level1, Level2, Level3는 각각 어느 정도 비율로 설정하는 것이 타당한 가를 결정한다.
  • 우리나라에서 홍수에 의한 피해 발생의 원인(trigger)별 피해액 정보를 명확히 비교, 평가할 수 있는 자료가 부족하다. 따라서 권역별로 수집하여 정리한 자료를 기반으로 권역별 Level1 ~ Level4의 비율계수를 결정한다.
  • 제방이 없을 경우와 제방이 있을 경우의 홍수량이 피해에 미치는 영향을 반영하는 방법의 차이점이 존재한다.
    • 영국과 같이 무제부 구간이 많은 지역에서는 홍수량 변화에 따른 피해 면적 및 피해액의 변화를 정량적으로 비교하여 반영할 수 있다(좌측).
    • 그러나 우리나라의 경우 대부분의 제내지가 하천 제방으로 보호되고 있는 특징을 갖고 있어 하천의 홍수량(수위) 변화를 피해액의 변화와 직접 연계하여 정량적으로 반영하기 어렵다(우측).
      
  • 제방이 있을 경우 수해 발생 형태의 3가지 유형 및 해석
    • 강우형(내수 침수) : [해석] 하천수위가 낮을 때 단기간의 집중 호우에 의한 피해로 피해발생 원인(Trigger)을 강우량으로 분류할 수 있다.
    • 유출형(외수 범람) : [해석] 제방 월류로 인한 피해로 피해발생 원인(Trigger)을 홍수량으로 분류할 수 있다.
    • 유출+강우형 침수 : [해석] 하천 수위가 높을 때 집중 호우가 겹쳐서 발생하는 피해로 피해발생 원인(Trigger)을 강우량 + 홍수량으로 분류할 수 있다.
  • 제방이 있을 경우 강우량 vs 유량의 피해유무 관계도에 의한 해석 (그림에서 X 는 무피해사상, o 는 피해사상)
    • 강우형 : [해석] 하천의 수위가 낮을 때 단기간의 집중 호우에 의한 피해로 피해발생 원인(Trigger)을 강우량으로 분류할 수 있다.
    • 유출형 : [해석] 강우량이 적을 때 하천의 외수 범람에 의한 피해로 피해발생 원인(Trigger)을 홍수량으로 분류할 수 있다.
    • 유출+강우형 : [해석] 하천의 유출량이 증가된 상태에서 집중 호우가 겹쳐서 발생하는 피해로 피해발생 원인(Trigger)을 강우량+홍수량으로 분류할 수 있다. (하천 수위 증가에 영향을 받아 내수배제불량에 의한 제내지 침수 발생)
      
  • 본 연구에서는 위 제방에 의한 방어 특성 및 피해 유형에 대한 해석 결과를 토대로 홍수위험 매트릭스 영향수준 결정에 반영할 피해 특성을 다음과 같이 분류한다.
    • 홍수위험 매트릭스의 영향수준 Level1 ~ Level3 : 유출+강우형 침수 피해 특성을 갖는다.
    • 홍수위험 매트릭스의 영향수준 Level4 : 유출형(외수범람) 피해 특성을 갖는다.

1. Level4의 비율계수 결정

   • Level4의 비율계수는 Level1~Level3의 비율계수의 기준값의 의미를 갖는 것으로 "1" 로 설정한다.
   • QCTP에서 Level4의 물리적 의미는 계획홍수량을 의미한다.
     * 실제 홍수 범람피해는 제방을 월류하거나 파쇄로 인해 발생한다.
     * 그러나, 본 연구에서의 Level4는 예경보를 목적으로 결정되는 위험수준의 의미를 갖는 것이므로 "심각"단계의 피해를 발생할 가능성이 높은 계획홍수량에 도달할 확률이 높으면 발령하는 것이 타당하여 이를 기준으로 채택한다.
   • 본 연구에서는 유량 자료를 Root 변환하여 유량 분석을 위한 기초자료로 사용한다.

2. Level1의 비율계수 결정

   • 지점별 계획홍수량(Root 변환) 기준 사상별 홍수량(Root 변환)의 비율을 산정한다.
     • 홍수량(CMS)에 대해 Root 변환한 값을 본 연구에서는 "유량지수"라고 부르기로 한다.
   • 지점별 빈도별 확률강우량 기준 사상별 강우량 비율을 산정한다.
     • 예 : 한강 xx 지점의 계획 빈도가 200년 빈도일 경우, 200년 빈도의 확률강우량을 기준으로 피해 발생 사상의 강우량 비율을 산정한다.
   • 유량지수 비율 vs 강우량 비율의 평균값을 산정하여 도시한다.
     • 이 그림에서 유량지수 비율이 작은 구간에 포함된 사상은 계획 홍수량 대비 하천 유출량이 적은 사상을 의미한다.
     • 이때 강우량 비율이 큰 값에서 시작하여 작아지다 증가하는 구간이 발생하며, 이 구간의 사상은 홍수량과 강우량이 동시에 증가하는 사상으로 볼 수 있다.
     • 이 구간 이전까지의 피해 원인(Trigger)은 하천의 홍수량이 작을 때이므로 강우량이 주된 피해 원인인 사상들로 볼 수 있고, 이 지점 이후의 피해 원인(Trigger)은 강우량과 홍수량이 같이 증가하는 구간으로 이들이 동시에 영향을 미친 피해 사상들로 볼 수 있다.
   • 따라서, 본 연구에서는 해당 구간(예: 한강권역의 경우 0.2-0.3 구간)에 포함되는 사상의 유량 비율 평균 값을 Level1의 비율로 설정한다.
     • 예 : 한강권역의 경우 level1 은 0.261 로 산정된다.
       

3. Level2, Level3의 비율계수 결정

   • 지점별 계획홍수량의 유량지수 기준 사상별 홍수량의 유량지수 비율을 산정한다.
   • 권역 최대 홍수피해액(Log 변환) 기준 사상별 홍수피해액(Log 변환) 비율을 산정한다.
     * 홍수량 비율과 홍수피해액 비율의 산점도를 도시한다 (좌측).
   • 홍수량 비율에서 Level1의 비율에 해당하는 사상(예: 한강권역 홍수량 비율 0.261 이하 사상)을 제외한 사상을 이용하여 군집분석(K=2)을 수행한다.
   • 군집의 중앙값(Centroid)에 해당하는 홍수량 비율을 각각 Level2, Level 3의 비율 기준으로 설정한다 (우측).
     • 예 : 한강권역의 경우 비율계수는 Level2 = 0.421, Level 3 = 0.724 로 설정된다.
       

• 권역별 비율계수
  • 위 절차를 통해 산정된 권역별 영향수준 비율계수는 다음과 같다.
    

지점별 영향수준 보완

• 영향수준 보완 목적은 인구와 자산이 밀집된 지역에서는 홍수 범람이 발생할 경우 더 큰 피해가 발생하게 되므로 영향 수준의 기준을 하향 조정함으로써, 큰 피해가 발생하지 않게 미리 대비할 수 있도록 하고자 한다.

• 지점별 잠재 홍수피해액 산정

  • 지점별 피해영향 범위 자료로 환경부에서 구축된 국가하천 및 지방하천 홍수위험지도를 이용한다.
  • 잠재홍수피해액의 계산은 KICT에서 개발된 K-FRM(Korean Flood Risk assessment Model)을 이용한다.
    

• 보완기준 설정

  • 산정된 지점별 잠재홍수피해액을 이용하여 권역별 4분위수(Quantile)를 계산한다.
  • 본 연구에서 설정한 QCTP지점에 대한 권역별 분위값은 다음과 같다.
    
  • 4분위에 포함된 QCTP 지점의 경우 잠재 홍수피해가 큰 지역으로 볼 수 있다.
  • 본 연구에서는 이들 지역에 대해서 홍수위험 매트릭스의 영향 수준을 하향 조정하여 홍수에 대비하고자 한다.

영향수준 결정

• 각 지점별 계획홍수량의 유량지수를 기준으로 앞에서 결정된 권역별 영향수준 비율계수를 적용하여 지점별 Level1 ~ Level4의 유량지수를 산정한다.
• 산정된 지점별 유량지수(Level1 ~ Level4)를 각각 제곱하여 홍수량(CMS) 값으로 환산된 지점별 영향수준(Level1 ~ Level4)을 산정한다.
• 잠재홍수피해액이 제4분위수 범위에 포함된 QCTP 지점들을 선별한 후 이들 지점에 대해서는 영향수준(Level1 ~ Level4)에 0.9를 곱하여 영향수준을 보완한다.
• 최종 지점별 홍수위험 매트릭스의 X축의 Threshold값인 영향수준(Level1, Level2, Level3, Level4)을 결정하여 시스템에 적용한다.