농촌 유역 통합 홍수 모의를 위한 수리·수문 연계 모형의 구축

곽지혜 ( Jihye Kwak ),김지혜 ( Jihye Kim ),전상민 ( Sang Min Jun ),이현지 ( Hyunji Lee ),김석현 ( Seokhyeon Kim ),김시내 ( Sinae Kim ),강문성 ( Moon Seong Kang ) 한국농공학회 2022 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2022 No.-

홍수 대책 수립의 마련을 위해 대부분의 연구에서는 단일 수리·수문 모형을 활용하여 홍수 모의를 수행하고 있다. 그러나 수리·수문 모형의 특성상 모의 대상이 유역 상·하류에 위치한 수리구조물들을 전부 포괄하여 다루지 못한다는 한계가 있다. 또한, 농촌 유역의 경우 하류에 위치한 농경지 양·배수장의 배수 능력 및 농경지 표고에 따라 홍수 발생 여부가 달라지는데, 농경지의 홍수 기작을 충분히 고려한 수리·수문 모형의 수는 매우 적다. 따라서 농촌 유역의 상·하류를 통합하여 홍수 모의를 진행하기 위해서는 여러 수리·수문 모형을 연계하는 것이 필수적이다. 이에 본 연구에서는 농촌 유역의 상·하류 통합 홍수 모의를 위한 수리·수문 연계 모형을 구축하였다. 상류 유입량 및 소유역별 측방유입량 계산을 위한 Clark 단위도 모형과 저수지 운영기법에 따른 저수지 방류량 모의를 위한 HEC-5 모형, 저수지 하류 하천 모의를 위한 HEC-RAS 모형, 농경지 수위 및 저류량 모의를 위한 농경지 배수 모의 모형을 Python 환경에서 연계하였다. 구축한 모형의 적용성을 확인하기 위하여 예당저수지 유역을 대상으로 홍수 모의를 진행하였다. 본 연구의 결과는 수리·수문 모형들을 연계하여 농촌 유역에 존재하는 수리구조물 및 농촌 유역 내 지구별 특성을 반영한 상·하류 연계 홍수 모의가 가능하게 함으로써 향후 농촌 유역의 통합 홍수 모의에 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

기후변화와 강우분포 및 CN의 수정에 따른 미래 홍수량 변화 분석

곽지혜 ( Jihye Kwak ),김지혜 ( Jihye Kim ),전상민 ( Sang Min Jun ),황순호 ( Soon Ho Hwang ),조재필 ( Jaepil Cho ),강문성 ( Moon Seong Kang ) 한국농공학회 2020 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2020 No.-

우리나라는 일관적인 설계홍수량의 산정방법을 위해 표준지침을 따르고 있다. 그러나 표준지침은 과거 강수를 토대로 설계홍수량을 산정하여 최근 기후변화로 인한 기상 패턴의 변화를 반영하지 못하고 있다. 한편, 홍수량 산정지침이 신규간행되었으며, Huff와 CN (Curve Number)이 수정 제안됨에 따라 준공된 저수지들의 설계홍수량과 새로운 표준지침에 의한 설계홍수량이 상이할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 기후변화 시나리오를 통해 미래 확률강수량을 산정하고, 수정 전, 후의 Huff와 수정 전, 후의 CN을 적용하여 홍수량을 산정함으로써 이들 요소가 미래 홍수량에 미치는 영향을 분석하고자 한다. 연구대상지는 예당저수지 상류 유역으로, 산림 54%, 농업지역 24%로 유역 대부분이 산림 및 농업지역으로 본 연구에 적합하다고 판단하였다. 최근 SSP 시나리오의 일별 기상데이터를 이용할 수 있게 됨에 따라 RCP 시나리오와 SSP 시나리오를 모두 활용하여 확률강수량을 산정하였다. 본 연구의 결과는 기후변화 및 강우분포, CN의 변화에 따른 유역 단위에서의 홍수량 변화를 분석함으로써 농업용 저수지의 방재 계획 수립 및 미래 극한 홍수 대비 정책수립에 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

증발산량 추정 방법에 따른 TANK 모형의 유출량 변화 분석

곽지혜 ( Jihye Kwak ),황순호 ( Soon Ho Hwang ),김계웅 ( Kyeung Kim ),강문성 ( Moon Seong Kang ) 한국농공학회 2019 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2019 No.-

증발산량은 일 유출량 모의에 필수적인 수문 요소이나, 계측이 어려워 기상자료를 바탕으로 Penman 식, Penman-monteith 식, Hargreaves 식, Blaney-Criddle 식 등 다양한 간접적인 방법으로 증발산량을 추정하고 있다. 하지만 증발산량은 산정방법, 작물 종류 등에 따라 값의 차이가 발생하므로 정확히 추정하는 것에는 어려움이 있다. 본 연구에서는 증발산량 산정 기법에 따라 증발산량을 구하고 TANK 모형에 적용하여, 증발산량의 변화가 유출량 모의 결과에 미치는 영향을 확인하고자 한다. 연구대상지는 이동저수지 상류 유역으로, 논 14.3%, 밭 5.0%, 산림 65.0% 등으로 구성되어 있다. 모형의 구동을 위한 강우, 온도, 일사 등의 기상자료는 기상청의 기상 정보 개방 포털로부터 취득하였다. 모형의 매개변수는 김현영과 박승우(1988)의 매개변수 회귀식을 활용하여 산정하였으며, 이에 필요한 유역특성 자료는 송정헌(2017)의 자료를 활용하였다. 본 연구의 결과는 수문 모형의 유출량 모의에 있어 증발산량의 영향 확인을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

농업 유역 통합 홍수 모의 시스템을 이용한 농업용 저수지 유역의 미래 홍수 위험 평가 방법론 구축

곽지혜 ( Jihye Kwak ),김지혜 ( Jihye Kim ),이현지 ( Hyunji Lee ),김석현 ( Seokhyeon Kim ),김시내 ( Sinae Kim ),강문성 ( Moon Seong Kang ) 한국농공학회 2023 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2023 No.0

농업용 저수지 유역은 기후변화 및 다양한 농업용 수리구조물이 존재하여 효과적인 홍수 위험 분석 방법이 요구된다. 본 연구에서는 기후변화 시나리오의 낮은 시간 해상도 문제를 해결하고, 농업 유역의 정량적인 홍수 위험 평가 방법론을 구축하기 위하여 홍수확률 개념을 도입하였다. 홍수 위험 평가 방법론은 다음과 같이 구성된다. 첫째로, 기후변화 데이터의 불확실성을 충분히 반영하기 위하여 강우 시간 분해 모델로 Multiplicative Random Cascade 모델을 활용하였다. 둘째로, 홍수 확률 기반 위험 평가를 위하여 한계 상태 방정식을 이용한 신뢰성 분석을 수행하였다. 농업 유역이 일반적으로 농업용 저수지와 저수지 하류에 위치한 농경지로 구성되어 있음을 감안하여 본 연구에서는 상류 농업용 저수지부터 유역 하단에 위치한 농경지까지를 통합적으로 모의하기 위한 수리 수문학적 연계 모델 (이하 농업 유역 통합 홍수 모의 시스템)을 개발하였다. 홍수 위험 평가를 위하여 Shared Socio-economic Pathways (SSP) 기후변화 시나리오를 활용하였으며, 구축한 홍수 위험 평가 방법론을 예당저수지 유역에 적용하였다. 적용 결과, 하천의 경우 미래 강우 지속기간이 24시간인 경우 빈도에 관계없이 거의 100%의 확률로 홍수가 발생하는 것으로 나타났다. 하천에 비해 낮지만, 농경지의 경우 평균 홍수 확률은 50%에 달하였다. 본 연구에서 개발한 홍수 위험 평가 방법론은 기후변화의 영향을 받는 농업 유역에 위치한 각 수리구조물별 미래 홍수 위험 평가가 가능하므로 향후 홍수 대책 수립에 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

배수조건을 고려한 농경지 배수 모의 모형 구축

곽지혜 ( Jihye Kwak ),김지혜 ( Jihye Kim ),강문성 ( Moon Seong Kang ) 한국농공학회 2022 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2022 No.-

최근 기후변화로 농촌 유역, 특히 농촌 유역의 하류부에 위치한 농경지의 침수 피해가 증가함에 따라 적절한 농경지 침수 방지 대책 마련이 필요하다. 농경지 침수 관리 대책 수립을 위해서는 모델링을 통한 정확한 홍수·침수 피해 예측이 선행되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 외수위 조건과 농경지 홍수 유입량, 농경지 내용적 및 배수시설 제원을 바탕으로 농경지 내 수위 및 저류량을 추정하는 농경지 배수 모의 모형을 구축하였다. 또한, 현실적인 배수조건 마련을 위하여 배수문 종류별 배제량 산정 알고리즘 및 펌프의 유입량 배제 알고리즘을 Python 환경에 구현하였다. 본 연구에서 구축한 농경지 배수 모의 모형은 인양비, 자동비, 암거 등의 배수문 종류에 따른 농경지 배수 모의가 가능하며 펌프 작동 여부 설정이 가능하다. 농경지 저류량 산정 시 유입량과 배제량, 저류량으로 구성된 물수지 방정식이 활용되었으며, 수문과 펌프가 함께 있는 농경지의 경우 펌프 작동을 최소화하기 위해 유입량을 수문 배제량으로 우선 할당하되 농경지 목표 수위에 도달하지 못한 경우 유입 잔여량이 펌프배제량으로 할당되도록 설정하였다. 본 연구에서는 개념적 접근을 통해 농경지 배수갑문 종류에 따라 배수조건을 다르게 설정하여 농경지 배수 모의 모형을 구축하였다. 본 연구에서 개발한 농경지 배수 모의 모형은 농촌 유역에 간편하게 적용하는 것이 가능할 것으로 사료되며 다양한 수리·수문 모형과 결합함으로써 농촌 유역의 홍수 및 침수 해석에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

SSP 기후변화 시나리오에 따른 농업용 저수지 홍수조절능력 분석

김지혜 ( Kim¸ Jihye ),곽지혜 ( Kwak¸ Jihye ),황순호 ( Hwang¸ Soonho ),전상민 ( Jun¸ Sang Min ),이성학 ( Lee¸ Sunghack ),이재남 ( Lee¸ Jae Nam ),강문성 ( Kang¸ Moon Seong ) 한국농공학회 2021 한국농공학회논문집 Vol.63 No.5

The objective of this study was to evaluate the flood control capacity of the agricultural reservoir based on state-of-the-art climate change scenario - SSP (Shared Socioeconomic Pathways). 18 agricultural reservoirs were selected as the study sites, and future rainfall data based on SSP scenario provided by CMIP6 (Coupled Model Intercomparison Project 6) was applied to analyze the impact of climate change. The frequency analysis module, the rainfallrunoff module, the reservoir operation module, and their linkage system were built and applied to simulate probable rainfall, maximum inflow, maximum outflow, and maximum water level of the reservoirs. And the maximum values were compared with the design values, such as design flood of reservoirs, design flood of direct downstream, and top of dam elevation, respectively. According to whether or not the maximum values exceed each design value, cases were divided into eight categories; I-O-H, I-O, I-H, I, O-H, O, H, X. Probable rainfall (200-yr frequency, 12-h duration) for observed data (1973∼2020) was a maximum of 445.2 mm and increased to 619.1∼1,359.7 mm in the future (2011∼2100). For the present, 61.1% of the reservoirs corresponded to I-O, which means the reservoirs have sufficient capacity to discharge large inflow; however, there is a risk of overflowing downstream due to excessive outflow. For the future, six reservoirs (Idong, Baekgok, Yedang, Tapjung, Naju, Jangsung) were changed from I-O to I-O-H, which means inflow increases beyond the discharge capacity due to climate change, and there is a risk of collapse due to dam overflow.

농업용 저수지의 이수안전도 및 치수안전도를 이용한 최적의 홍수기 제한수위 결정

김지혜 ( Jihye Kim ),곽지혜 ( Jihye Kwak ),전상민 ( Sang-min Jun ),강문성 ( Moon Seong Kang ) 한국농공학회 2023 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2023 No.0

최근 기후변화로 인해 홍수 피해가 커짐에 따라 농촌 유역의 홍수 방재 대책 마련이 시급한 실정으로, 농업용 저 수지는 대부분의 농촌 유역에 설치되어 있어서 홍수 방재에 주축으로 활용이 가능하다. 다만, 농업용 저수지의 본래 기능은 이수 기능이므로 이를 충족하면서 치수 기능을 제대로 발휘하기 위한 최적의 운영 기법이 필요하다. 홍수기 제한수위는 이·치수 기능의 균형 지점으로서 저수지마다 설정되어 운영되고 있으나, 저수지별 특성을 고려하지 않고 일정 저수율 기준이 적용된 경우가 대부분으로 저수지의 최적 운영을 위해서는 합리적인 제한수위의 설정이 필요하다. 이에 본 연구에서는 농업용 저수지의 이·치수 기능을 균형 있게 고려하여 최적의 홍수기 제한수위를 설정하는 방법을 개발하였다. 저수지의 이·치수 특성을 정량적으로 분석하기 위해 이수안전도 및 치수안전도 지표를 개발하고, 시기별 제한수위 시나리오에 따라 안전도 값을 산정하였다. 좌표평면에 시나리오별 (이수안전도, 치수안전도)를 점으로 도시하여 형성된 군집에 대해 Pareto front를 도출하고 도식적 해법을 통해 최적의 제한수위를 결정하였다. 수계 및 특성이 다양하게 분포된 16개 농업용 저수지에 적용하여 저수지별 이·치수 특성에 따른 군집의 형태/분포/위치와 Pareto front의 형태를 비교·분석하였고, 이로부터 각 저수지의 시기별 최적의 제한수위 를 결정하였다. 본 연구에서 개발한 이수안전도와 치수안전도는 저수지의 이·치수 특성을 정량적으로 분석하고 도식적으로 해석하는 데에 활용할 수 있으며, 이를 통해 이·치수 기능을 균형 있게 고려하여 홍수기 제한수위를 설정함으로써 합리적인 저수지 운영이 가능할 것으로 기대된다.

SSP 시나리오 기반 저수지 상·하류 연계 모의를 통한 아호부인지구의 미래 침수위험면적 분석

박성재 ( Seongjae Park ),곽지혜 ( Jihye Kwak ),김지혜 ( Jihye Kim ),김석현 ( Seokhyeon Kim ),이현지 ( Hyunji Lee ),김시내 ( Sinae Kim ),강문성 ( Moon Seong Kang ) 한국농공학회 2023 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2023 No.0

기후변화에 따른 극한강우의 발생 빈도 및 강도 증가로 홍수로 인한 사회·경제적 피해가 증가하고 있다. 특히 농촌지역은 홍수 취약성이 매우 높아 효과적인 침수 피해 예방 및 복구 대책 마련이 요구되며, 증가하는 기후변화의 영향에 효과적으로 대응하기 위해서는 기후변화 시나리오에 따른 미래 농촌지역의 수문 변화를 예측하고 이에 따른 적응전략을 마련할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 수리·수문 및 상·하류 연계 침수 모의를 통해 농촌유역의 물순환 특성을 고려한 침수 예측을 수행하고, 기후변화에 따라 예상되는 재해 취약지역의 침수 피해 규모를 분석하고자 하였다. 대상지역으로 탑정저수지-하류 농경지구 중 하나인 아호부인지구를 선정하였으며, SSP (Shared Socio-economic Pathways) 5-8.5 기후변화 시나리오에 따른 미래 농경지 침수면적 변화를 분석하였다. 저수지 상·하류 연계 모의를 위해 K-HAS (KRC Hydraulics & Hydrology Analysis System)와 HEC-RAS (Hydrologic Engineering Center - River Analysis System)를 활용하였으며, 20년 및 100년 재현빈도에 대한 유입량 산정, 저수지 운영 모의, 하천 수위 모의, 농경지 침수분석을 수행하였다. 또한, 부인, 아호, 탑정 지구의 농경지 최고 내수위 모의 결과를 농경지 표고자료와 비교하여 침수위험지역을 GIS (Geographic Information System)상에 도시하였다. 기간을 관측 기간, 단기 미래, 중기 미래, 장기 미래로 구분하여 분석한 결과, SSP 5-8.5기후변화 시나리오에 따른 확률강우량은 관측자료 대비 평균적으로 약 40% 증가하였고, 이로 인해 저수지 유입량은 20년 빈도 기준 42.8%, 100년 빈도 기준 18.8% 증가하며, 하천 수위는 각각 0.8-1.1 m, 0.7-1.4 m 상승하는 것으로 예측되었다. 침수시간, 침수면적, 침수심 등을 고려하였을 때 100년 빈도의 장기 미래에서 부인 지구와 아호 지구의 침수위험성이 높다고 판단되었다. 본 연구의 침수 분석 결과는 추후 배수시설의 필요 배제량 산정 등에 활용할 수 있으며, 본 연구의 방법론을 전국단위로 확장한다면 배수개선사업이나 홍수위험지도 제작 등의 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Surface-FTABLE을 활용한 논 배수량 및 배출부하량 산정

김석현 ( Seokhyeon Kim ),김지혜 ( Jihye Kim ),이현지 ( Hyunji Lee ),곽지혜 ( Jihye Kwak ),김시내 ( Sinae Kim ),강문성 ( Moon Seong Kang ) 한국농공학회 2023 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2023 No.0

The Hydrological Simulation Program-FORTRAN (HSPF)는 대표적인 유역모형 중 하나로 국내외에서 널리 적용되고 있다. 그러나 국외 밭이 주를 이루는 지역에서 개발되어 국내의 담수형태의 논을 제대로 반영하기 힘들다. 이 때문에 유역 모델링 시 논, 특히 관개지구에 대하여 적용하기 어려워 모의가 가능한 다른 모형을 통해 수행하고 각각의 결과를 분석하고 있다. 그러나 이러한 방식은 매개변수의 증가를 유발하여 불확실성을 증가시키고, 모형별로 추가 작업을 수행해야하기때문에 작업량을 증가시킨다. 최근 HSPF 12.4 버전에 추가된 Surface-FTABLE 기능을 통해 논의 지표유출량을 계산하는 방식이 제시되었으며, 이는 논둑과 물꼬높이에 따른 담수변화를 구현할 수 있을 뿐만아니라 Special Action 기능을 통해 물꼬높이를 시기별로 조절하여 배수량 변화를 평가할 수 있게 하였다. 하지만 아직 논에서의 배수량만을 평가 할 수 있으며 수질변화는 고려하지 못한다. 이에 본 연구에서는 surface-FTABLE을 이용해 배수량 뿐만아니라 수질변화와 물질수지를 분석하고자하였다. 물질수지 측정자료와 비료 투입자료를 통해 논에서의 수질 변화를 모의하였으며, 배수량과의 연계를 통해 배출부하량을 산정하였다. 본 연구의 결과는 추후 논에서의 배출부하량 뿐만아니라 논에서의 수질관리가 하천에 미치는 영향까지 평가할 수 있을것으로 기대한다.

인벤토리 기반 농촌지역 홍수피해액 추정기법 개발

김시내 ( Sinae Kim ),이종혁 ( Jonghyuk Lee ),김지혜 ( Jihye Kim ),김석현 ( Seokhyeon Kim ),곽지혜 ( Jihye Kwak ),이현지 ( Hyunji Lee ),최원 ( Won Choi ),강문성 ( Moon-seong Kang ) 한국농공학회 2023 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2023 No.0

기후변화의 영향으로 극한 강우 및 돌발호우 등 자연재난의 발생빈도와 강도가 증가하고 있다. 자연재난은 다양한 산업군에 영향을 미치나, 특히 농업지역은 재해로 인해 작물과 농경지가 직접적인 피해를 입으며 도시지역에 비해 낙후된 환경으로 재난대응능력이 낮아 홍수 취약성이 매우 높다고 할 수 있다. 최근에는 홍수피해 예방을 위한 구조적 및 비구조적 적응대책 수립 관련 연구가 증가하고 있으나, 비구조적 대책의 일환으로 범람구역 내 인적 및 물적 피해액 산정에 따른 적절한 예산 수립 및 투자는 충분히 이루어지지 않고 있다. 따라서 홍수피해 예방 및 복구를 위한 합리적인 예산분배를 위해서는 정확한 홍수피해액의 추정이 매우 중요하다. 홍수로 인한 손실평가를 위해 국내에서 주로 적용되어 온 다차원법은 피해지역의 자산가치 산정을 위해 광범위한 통계자료가 필요하며 개별 건물, 농지, 및 농업시설의 정확한 위치와 면적은 반영하지는 못하는 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 농촌지역의 신속하고 정확한 홍수피해액 산정을 위해 고해상도의 공간정보를 활용한 인벤토리 기반 홍수손실 평가기법을 마련하고, 개발된 기법을 경기도 양평군에 위치한 어은저수지 하류 농촌지역에 적용하여 다차원법에 따른 피해액 산정결과와의 비교를 수행하였다. 개발된 기법의 적용 결과, 인벤토리 기반법을 활용할 경우 행정구역 단위가 아닌 개별 건물 및 농경지에 대한 직접적인 피해액 추정이 가능하여 피해액의 과대 또는 과소추정의 우려가 적고, 행정구역 단위의 통계자료 획득 과정 없이 신속하게 피해 규모에 대한 정량화가 가능한 것으로 나타났다. 따라서 본 연구의 결과를 농촌지역의 홍수 손실 평가에 활용한다면 침수피해의 예방과 복구를 위한 합리적인 예산분배를 통해 재해 대응능력을 향상시킬 수 있고, 재해 취약지역을 파악하여 지역별 사전 대비책 마련에 기여할 수 있을 것이다.