이상기후에 따른 극한 호우 증가에 대응하기 위한 가능최대강수량(PMP) 및 가능최대홍수량(PMF) 산정 방법론과 유역 분할의 중요성 doc_id PCY_201703060450163521_1

IPCC 5차보고서(Intergovernmental Panel on Climate Change 2014)에 따르면 1950년 이래로 다수의 극한 기상 및 기후 변화가 관측되었다. 이러한 변화들 중 일부는 인간의 활동과 관련된 것으로 많은 지역에서의 극한 호우 현상의 증가가 꼽힌다. 이러한 극한 호우 현상 증가와 일부 저수지의 유출 증가 경향은 지역적 규모에서 홍수의 위험이 더 커졌음을 의미한다. 강우는 우리 일상생활과 매우 밀접하게 관련된 기상 요소 중 하나로 기온이나 기압 등의 기상 요소와는 다르게 시간과 공간의 편차가 상당히 크며, 산악 해양 등의 지형적인 영향을 많이 받는다. 우리나라 호우 특성의 경우, 방위 및 진행방향에 따른 해석이 매우 복잡하여 강우를 정형화하기에 어려운 특징을 보인다. 또한 지속시간이 긴 호우의 경우에는 호우의 범위가 한반도 전체가 되는 특성 때문에 강우의 시 공간성과 관련된 관측자료는 부족하며, 이러한 특성을 고려한 연구 또한 미진한 실정이다. 소규모 수공 구조물과는 달리, 댐과 같은 대규모 수공 구조물은 예측하기 어려운 거대한 집중호우로 파괴될 경우에 막대한 경제적 손실 및 대규모 인명 피해 등과 같은 극심한 사회 경제적 피해를 유발시킬 수 있기 때문에 사실상 초과 위험이 없는 극한 홍수량을 기본으로 구조물을 설계하고 있다. 이때 설계 시 적용되는 극한 홍수량이 가능최대홍수량(Probable Maximum Flood: PMF)이다. PMF는 강우의 깊이-면적 -지속기간(Depth-Area-Duration: DAD)을 이용하여 산정된 가능최대강수량(Probable Maximum Precipitation:PMP)의 강우-유출관계에 의하여 추정되며, PMP는 댐과 같은 대규모 수공 구조물의 합리적인 설계를 위하여 필수적인 요소로 주어진 지속 기간 동안에 특정 호우 면적에서 물리적으로 발생할 수 있는 최대강수량의 깊이로 정의된다. 국외의 경우에는 Paulhus and Gilman(1953)이 처음으로 대기의 물리적 상태를 고려한 가능최대강수량에 대한 연구를 진행하였으며, Schreiner and Ridel(1978)은 수분 최대화와 호우 전이를 거쳐 호우를 최대화 시킨 후 호우 면적 10mi2 부터 2000mi2 , 호우 지속시간은 6시간부터 72시간까지의 PMP를 산정하였다. Hansen, Shreiner and Miller(1982)는 Schreiner and Ridel(1978)의 강우자료를 이용하여 시 공간적 분포를 고려한 PMP산정 절차를 제시하였다. PMF를 산정하기 위한 PMP를 추정하는 데 두 가지 접근법이 있다. 하나는 호우에 기초한 방법과 또 다른 하나는 구체적인 유역에 기초한 방법이다. 호우에 기초한 접근법은 호우지역과 설계 유역이 기상학적 동질성을 가진다는 가정하에 넓은 지역 안에서의 다양한 기간과 면적에 기초하는 방법이다. 또 다른 접근법은 설계 유역 안에서의 설계 강우량을 PMP로 전환하는 데 기초한 방법이다. 국내의 PMP 및 PMF 산정 관련 연구는 건설부(1988)와 건설교통부(2000; 2004a)에서 수행된 바 있으며, 건설부(1988)에서는 1972년부터 1987년까지 16년간의 강우자료를 바탕으로 유역 중심의 DAD 분석방법을 적용하여 PMP를 산정하였다. 그 후 이례적인 집중호우의 발생 빈도가 증가하여 건설교통부(2000)에서는 추가적인 집중호우를 고려하였으며, 호우 중심의 DAD 분석방법을 활용하여 PMP를 산정하였다. 산정된 PMP는 대표 지속기간별 강우의 깊이-면적의 포락 및 균일화를 실시하여 7개의 지속기간 및 7개의 면적에 대한 전국 PMP도 49매를 작성한 바 있다. 전국 PMP도를 작성한 이후에도 루사, 매미 등과 같은 태풍에 의한 집중호우로 건설교통부(2004a)에서는 전국 PMP도를 재작성하였다. 한국개발연구원(2007)에서는 댐 설계 당시와 건설교통부에서 수립한 보고서(2004b)의 PMP 및 PMF의 방법론상의 일관성, 시간상의 일관성, 공간상의 일관성을 분석하여 한국수자원학회(2005)에서 제시하고 있는 PMP 및 PMF의 적정성을 검토하고 개선방안을 제시하고자 연구하였다. PMP 및 PMF 산정에 있어서 DAD 분석 방법은 매우 중요하다. 김남원, 원유승(2004)은 이동성 호우의 경우, DAD 분석 결과에서 상당한 오차를 야기하는 문제점을 지닌다고 주장하였다. 따라서 오차를 포함한 DAD의 산정 결과는 PMP 및 PMF 산정에도 영향을 미치기 때문에 정확도 높은 DAD 분석을 통한 PMP 및 PMF 산정이 요구된다. Takara, Imamoto, Hayashu and Nakakita et al. (1999), Takara and Hashino(2000), Takara, Hashino, and Nakao(2001)의 연구에서는 레이더 자료와 지상데이터를 이용하여 DA 관계를 추정하기 위해 CAM(Constatnt Area Method)와 FRM(Fixed Rainfall Method)를 도입하였고 결과적으로 PMP의 추정을 위해서 FRM을 이용한 결과를 적용하였다. 또한 손 계산으로 몇 개의 면적에 대한 면적 평균우량을 찾은 후 그 점을 연결하기 위해 DAD식을 최적화하여 포락선을 작성했다. 강민주(2009)는 건설교통부(2004a)에서 제안한 PMP도를 이용하여 남강댐 유역의 PMP를 추출하였고 유역면적, 하천차수 그리고 하천 길이별로 유역을 분할하여 PMF를 추정한 후 기왕 자료인 남강댐 설계 당시의 PMF와 비교 검토하였다. 그 결과, 댐 설계 당시의 PMF보다 증가한 PMF가 추정되었고, 이는 최근 강우의 이상적인 증가 영향과 소유역 분할에 따른 결과라 판단하였다. 이상록(2010)은 기존의 PMP도를 이용하여 합천댐 유역의 PMP를 재산정한 뒤에 PMF를 산정하였다. PMF 산정 과정에서 합천댐 유역을 소유역으로 분할하지 않고 하나의 유역으로 설정하여 하나의 매개변수만 산정한 후에 HEC-HMS를 이용하여 PMF를 산정하였다. 그 결과 산정된 PMF는 기존의 설계 당시 산정된 PMF에 비해 약 33% 증가한 것으로 나타났다. 이는 최근 이상기후 현상의 증가로 합천댐 건설 당시 추정된 PMP에 비해 이상록(2010)의 연구에 적용된 PMP가 21% 이상 증가한 것이 원인으로 판단된다. 채수권, 맹승진, 황주하, 김태우 외(2013)는 보령댐 유역을 대상으로 HEC-HMS를 이용하여 PMF를 추정하기 위해 대표 단위도의 최적 매개변수를 산정하였다. 기존의 PMF 연구에서는 이상록(2010)과 같이 유역이 상대적으로 큰 유역임에도 하나의 하도로 PMF를 모의하였다. 하지만 이상록(2010)의 연구와 같이 대상 유역을 분할하지 않고 단일 유역으로 고려한 연구는 각 소유역들의 지형학적 매개변수의 평균값을 사용하기 때문에 대상 유역의 지형 특성을 제대로 반영하지 못하는 문제점이 있다. 또한 강민주(2009)의 연구에서 대상 유역을 남강댐 유역으로 선정한 후 5개의 강우사상에 따라 유역 분할 기준에 따른 유출량을 모의하여 실측자료와 비교하였다. 그 결과 소유역 분할을 실시하지 않고 단일 유역의 첨두 유출량을 산정한 경우보다 소유역의 분할개수가 증가할수록 첨두유출량이 증가하는 경향을 나타내었다. 또한 유출량의 실측값과 모의값의 상관관계를 나타내는 지표인 상관계수(coefficient of correction)를 이용하여 분석한 결과, 단일 유역보다는 소유역을 분할했을 경우 상관계수가 1에 가깝게 나타났다. 하지만 만약 소유역을 기준 없이 분할한다면, 소유역 분할 기준 등이 불일치하여 동일 하천에 대한 홍수량이 달리 산정되는 경우가 발생한다.