저수지 붕괴 홍수파 3차원 수치해석 알고리즘 개발

이종혁 서울대학교 대학원 2020 국내석사

As of 2018, 81.2% of the 17,240 reservoirs in Korea are aging facilities which are 50 years after construction. Reservoir failure often occurs since climate change and meteorological disasters recently have increased. For that reason, the flood hazard maps were developed for some enormous dams to rank maintenance priority, but they reflect few geological characteristics and fluid dynamic attributes. When the flood is numerically analyzed, dynamic changes of fluids by geological characteristics have enormous impacts on estimating wave travels. Therefore, new reservoir failure model was conducted in this study to precisely predict downstream flood damage due to the failure of agricultural reservoirs. The prediction accuracy of the model was assessed by comparing the actual wave travel domain with the result. Limits of the previous model and novel flood wave analysis prediction method were presented by comparing the new model with the previous model. First, Structure from Motion (SfM) method, getting the 3D structure from 2D continuous images, and Unmanned Aerial Vehicle (UAV) method effective to gain close-up images were combined to develop topological data. The topological reproducibility rate of point cloud model according to photographing condition was examined. The optimum photography was gained when the resolution was 2.5 cm/pixel, the frontal overlap was 80%, side overlap was 72%, and the photography angle was 55°. Second, the inflow hydrograph of each stream section was estimated and set as boundary conditions of each point, to compare reservoir water level about to failure with the baseflow of the stream. Third, reservoir failure cause, failure duration, and breach shape were examined to analyze breach discharge hydrograph. Flood wave travels of each model according to reservoir water level about to failure were compared. The 1D model estimated the overrated flood wave travel domain calculated because the flood wave was interpreted only 1D propagation. Therefore, the 1D model could not calculate the flood wave travel domain in receptors. The 2D model used the digital surface model as topological data, combined 2D pixels and the highest elevation of each points, so streamline calibration was required. Several calculations were required to precisely make model, due to weir coefficient was empirical value. The 2D model result was 57% similar to the actual flood wave travel domain, which represents the dynamic analysis limit of the 2D model. 3D model required a few calibration tasks for some area and no repetitive calculation to set coefficients. The 3D model result was 95% similar to the actual flood wave travel domain, which represents the great accuracy of the model. Piping breach scenario result of the dam was less similar to the actual flood wave travel domain, so it could be assumed that the dam was breached immediately. In addition, it is considered that the analysis of the dam break flood wave for a large reservoir will show a greater difference from the existing model. Limits of the previous numerical models were determined to base on this study, and a new methodology was presented to make precise flood risk maps to rank reservoir maintenance priority. 2018년 기준으로 국내 17,240개의 저수지 중 81.2%가 축조 후 50년이 지난 노후화 시설물이며, 최근 기후변화로 인해 기상재해가 증가하면서 저수지의 붕괴 사고가 빈번히 발생하고 있다. 현재 저수지의 붕괴로 인한 피해를 사전에 예측하고, 비상대처계획 수립을 위해 일부 큰 규모의 저수지에 한해 홍수위험지도가 구축되어 관리되고 있으나 실제 지형특성과 유체의 난류 특성을 충분히 반영하지 못하고 있다. 특히, 홍수파 해석 시 지형조건에 따른 유체의 동역학적 변화는 홍수파 도달 범위 산정에 지대한 영향을 미치기에, 이를 고려한 홍수위험지도 구축이 절실히 요구된다. 따라서 본 연구에서는 저수지의 붕괴로 인해 발생하는 하류부의 홍수파 도달 범위를 정밀하게 예측하도록 UAV-SfM 기법과 3차원 수치해석을 연계한 홍수파 해석 방법을 개발하고, 이를 이용한 결과와 실제 홍수파 도달 범위를 대조하여 예측 정확성을 평가하였다. 이를 위해 첫째, 2차원 연속 이미지에서 3차원 구조를 추정하는 SfM 기법과 지형의 근접 이미지 획득에 효과적인 UAV 항공촬영 방법을 연계한 지형자료 구축방법을 제시하였다. UAV 촬영 조건에 따른 점군 모델의 지형 재현율이 분석되었으며, 촬영면적과 수치모델의 수렴성을 고려하였을 때, 2.5 cm/pixel 공간해상도 및 종중복도 80%, 횡중복도 72% 조건에서 55° 촬영 각 조건일 때 최적 촬영 조건인 것으로 분석되었으며, 이를 통해 구축된 지형자료는 각 홍수파 해석 모델의 지형자료로 입력되었다. 둘째, 붕괴 직전의 저수지 수위와 하천의 기저수위를 고려하기 위해 하도 구간별 유입량을 산정하고 이를 지점별 경계조건으로 설정하였다. 셋째, 저수지 붕괴 원인, 붕괴 지속시간 및 형상 등의 붕괴 특성을 검토하여, 붕괴에 따른 방류량을 검토하였고, 저수지 붕괴 직전 수위에 따른 모델별 홍수파 해석 결과를 비교하였다. 그 결과, 1차원 모델은 홍수파 도달 범위가 과도하게 산정되었으며, 이는 유체의 수위 상승이 횡단면도별 단방향으로만 해석되는 한계점 때문인 것으로 분석되었다. 이에 따라 1차원 모델은 시간에 따른 재내지의 홍수파 도달 흔적 확인이 불가능하다고 판단되었다. 2차원 모델의 경우 2차원 픽셀에 최상단 고도값이 입력된 수치표면모델을 지형자료로 사용하고 있어, 유체 흐름에 영향을 미치는 수로의 보정작업이 반드시 필요하였으며, 위어 계수의 경우는 경험적인 입력값이 요구되어 정확한 모의를 위해서는 수차례 반복해석이 요구되었다. 최종 산정된 홍수파 해석 결과는 실제 대비 57%의 유사도를 보였으며, 이는 2차원 난류 근사 모델의 동역학적 해석 한계로 분석되었다. 3차원 모델의 경우 지형의 보정작업이 최소화되고, 2차원 모델과 달리 계수 결정을 위한 반복해석도 불필요 하였으며, 실제 홍수파 도달 범위 대비 95%의 유사도를 보여 모델의 해석 정확성이 높게 평가되었다. 추가로 제체의 파이핑 붕괴 시나리오 수행 결과는 즉시 붕괴 시와 비교하여 홍수파 해석 정확성이 낮게 나타났으며, 이를 통해 연구대상 저수지의 제체는 즉시 붕괴를 일으켰을 것으로 추정되었다. 또한 추후 더 큰 규모의 저수지에 대한 붕괴 홍수파 해석 시 기존 모델과 더 큰 차이를 보일 것으로 사료된다. 본 연구결과를 토대로 기존 수치모델의 한계점을 구명하였고, 새로운 해석 방법을 제시하여 저수지 관리 우선순위를 위한 정확한 홍수위험지도 구축 방안 마련에 기여할 수 있을 것으로 사료된다.

홍수위험지도를 활용한 치수단위구역 기반의 치수안전도 평가 방법 개선 및 적용

어규 인하대학교 대학원 2025 국내박사

최근 기후변화로 재해의 양상이 다양화 및 대형화되고 있으며, 이로 인해 자 연재난 발생이 급격하게 증가하고 있다. 한국의 경우 2020년, 기상관측 이래 최 장기간 장마로 호우 피해가 한해 전체 자연재난 피해의 약 83%를 차지하였으며, 최근 감소 추세였던 인명피해 증가와 재산피해도 급격하게 커지고 있다. 이에 정 부에서는 수자원장기종합계획을 수립하여 홍수피해에 대응하고자 하였다. 특히, 위험성과 잠재성 인자에 의한 홍수피해잠재능(Potential Flood Damage, PFD) 평가를 통해 위험지역을 분석하고, 이에 따른 안전한 대책을 수립하도록 하고 있다. 하지만, 하천 중심의 1차원적(선형)인 PFD의 문제점이 제기되면서 다양한 연구들이 진행되어 왔는데 대부분 PFD 인자를 수정·보완하거나 추가하는 형태 로 수행되어 왔다. 따라서 본 연구에서는 선형적인 치수안전도 평가 방식에서 벗어나, 유역 중심의 2차원(면적)적 평가를 위해 홍수위험지도를 활용하였다. 즉, 환경부의 홍수위험지도를 활용한 위험성 평가와 인구, 자산, 도시화율, 사회 기반시설 등의 인자를 활용한 잠재성 평가를 수행하였다. 특히, 기존의 텍스트 기반 데이터와 달리 최근 GIS 기반 데이터를 적용함으로써 분석의 효율성을 향 상시켰다. 또한, 기존의 광역 공간단위(대권역, 중권역, 소권역)평가에서 최소단 위인 치수단위구역을 설정하여 PFD 지수가 높은 구역을 우선 관리하는 선택적 홍수관리 개념을 도입하고자 하였으며 이를 개선법으로 명명하였다. 이후, 개선 법을 보완하기 위하여 환경부, 행안부, 특정하천기본계획 등의 홍수위험지도를 활용하여 위험지역에 대해 보다 정밀하게 평가할 수 있도록 하였다. 또한 배수 위 구간을 고려하여 치수단위구역의 중복 평가 방지와 하천의 중요도를 반영함 으로써 실제 위험구역을 정확하게 판별할 수 있도록 하였다. 국가와 지방하천의 PFD와 빈도에 따른 위험등급을 구분하기 위해 개선법에서 사용한 Box plot 방 법과 사회적 인명피해 허용범위 기준을 동시에 적용하여 보다 합리적인 결과를 도출하였으며, 본 연구의 방법을 단위구역법으로 명명하였다. 본 연구에서 제안한 개선법과 단위구역법 그리고 기존 수자원장기종합계획에 서 산정된 PFD의 결과를 비교·분석하고, 어떤 평가 방법이 한국의 상황을 더 잘 반영하는지를 검토하기 위해 피해액 조사를 바탕으로 적정성 분석을 수행하 였으며, 정량적으로 제시하기 위해서 Spearman 순위상관계수를 산정하였다. Spearman 순위상관계수를 분석한 결과, 실제 피해액이 컸던 지역일수록 단위구역 법으로 평가한 위험도도 높게 나타났다는 것을 알 수 있었다. 또한 피해액과 기 존 연구의 Spearman 지수는 0.315, 개선법은 0.300, 단위구역법은 0.844로 분석되 었다. 추가적으로 결정계수(R²)를 산정한 결과, 피해액과 기존 연구는 0.098, 피 해액과 개선법은 0.0981로 매우 낮은 계수값을 보였다. 그러나 피해액과 단위구 역법의 결정계수는 0.7115로 상대적으로 매우 높게 나왔다. 따라서 기존 연구와 개선법 보다는 단위구역법이 치수안전도 평가를 위해 보다 더 적절한 방법인 것 임을 알 수 있었다. 본 연구에서 제시한 단위구역법에 의한 치수안전도 평가는 수자원장기종합계 획 등 기존 정책과의 연계성을 유지하면서도, 선택적 홍수관리 및 공간단위 세 분화 등으로 실무적 적용성을 고려하였다. 그러므로 향후 국가 및 지방자치단체 의 물관리 정책 및 계획, 예산 배분 등 다양한 정책 분야에서 활용도가 높을 것 으로 기대된다. Recently, disaster patterns have become more diverse and larger in scale due to climate change, leading to a rapid increase in natural disasters. In 2020, the rainy season was the longest on record since meteorological observations began, and heavy rain damage accounted for approximately 83% of all natural disaster losses that year. Although human casualties had been decreasing in recent years, both the number of casualties and property damage have been rapidly increasing. In response, the government established the National Comprehensive Long-Term Water Resources Plan to address flood damage. In particular, the evaluation of Potential Flood Damage (PFD) based on hazard and vulnerability factors is used to analyze high-risk areas and to develop corresponding safety measures. However, the concerns have been raised about the river-centered nature of PFD which is the one-dimensional or linear concept. Therefore, various studies have been carried out, most of which involve modifying, supplementing, or adding PFD factors. This study moved away from the linear flood safety evaluation method and we utilized a flood risk map for the assessment of two-dimensional or areal concept which is a watershed-centered. Specifically, we performed hazard evaluation using flood risk map by the Ministry of Environment and vulnerability evaluation using factors such as population, assets, urbanization rate, and critical infrastructure. In particular, we enhanced analytical efficiency by applying GIS-based data instead of traditional text-based data. We also went beyond broad spatial units such as large, medium, and small regions by defining the smallest flood management unit zone. This enables selective flood management that prioritizes areas with high PFD indices and is called the Improved Method(IM). To further enhance the improved method, we employed flood risk maps from the Ministry of Environment, the Ministry of the Interior and Safety, and Specific River Master Plans, enabling more precise evaluation of hazard areas. We also incorporated drainage level zones to prevent overlapping assessments of flood management unit zones and to reflect the relative importance of rivers, thereby ensuring accurate identification of actual high-risk areas. To categorize the PFD of national and local rivers and assign risk levels according to frequency, we applied both the box plot method used in the IM and the social acceptable range for human casualties simultaneously to derive more rational results. We named this approach the Unit-Zone Method(UZM). In this study, we compared and analyzed the results of the IM, the UZM proposed here, and the PFD calculated in the existing National Comprehensive Long-Term Water Resources Plan. To assess which evaluation approach better reflects Korea’s conditions, we carried out a suitability analysis based on damage data from Statistical Year Book for Natural Disasters(SYND) and calculated the Spearman rank correlation coefficient for quantitative presentation of the findings. The analysis of the Spearman rank correlation coefficient showed that areas with larger actual damage amounts also exhibited higher risk levels when evaluated using the UZM. Furthermore, the Spearman coefficients between damage and the existing study, the UZM, and the IM were 0.315, 0.300, and 0.844 respectively. Also, when calculating the coefficient of determination (), the values for damage versus the existing study and versus the IM were very low at 0.098 and 0.0981 respectively. In contrast, the coefficient of determination for damage versus the UZM was relatively high at 0.7115. Therefore, it can be concluded that the UZM is more appropriate for flood safety evaluation than both the existing study and the IM. The flood safety assessment using the UZM proposed in this study maintains continuity with existing policies such as the National Comprehensive Long-Term Water Resources Plan, while enhancing practical applicability through selective flood management and finer spatial unit segmentation. Therefore, it is expected to be highly useful in various policy areas in the future, including national and local governments’ water management policies, planning, and budget allocation.

물리 기반 순간단위도 및 딥러닝 기반의 하이브리드 홍수 예측 기법

정민엽 서울시립대학교 일반대학원 2023 국내박사

Various rainfall-runoff models have been developed and used to predict floods in watersheds. Conceptual rainfall-runoff models have been widely used in practice due to their high reliability and applicability. However, these models simplify the rainfall-runoff process, making it difficult to incorporate the physical processes into runoff predictions. Additionally, the models have various parameter uncertainties, requiring calibration using a sufficient amount of observational data. On the other hand, physically-based rainfall-runoff models physically consider the flow within the watershed, providing relatively accurate results. However, their high computational cost and numerical instability limit their practical application. In this study, we developed a flood prediction model that integrates a physically-based dynamic wave model, an instantaneous unit hydrograph (IUH) model, and a deep learning model to achieve both accuracy and efficiency. We derived and interpolated the IUH based on the dynamic wave simulation and the power-law relationship between peak characteristics of IUH and rainfall excess intensity. In addition, we estimated rainfall losses using the Green-Ampt model and the NRCS-CN model. To estimate the parameters of each rainfall loss model, we incorporated real-time GLDAS-Noah land surface modeling data and rainfall time series data into the LSTM model, a deep learning model. Finally, we predicted the flood hydrograph of the watershed through convolutional integration. We applied our flood prediction model to both ideal and real watersheds. The LSTM model for rainfall loss estimation predicted the effective rainfall with high accuracy, achieving a Nash-Sutcliffe efficiency and correlation coefficient of over 0.9 and a normalized mean absolute error and normalized root mean square error below 0.15. In the flood prediction results, we obtained high accuracy with Nash-Sutcliffe efficiency between 0.55 and 0.9 and coefficients of determination between 0.67 and 0.95. Our physically-based IUH can be derived using only the topography and Manning's roughness coefficient of the watershed, without the need for parameter calibration using observed data. This makes it advantageous for application to ungauged watersheds or watersheds with limited observational data. Additionally, the derived IUHs account for nonlinear rainfall-runoff relationship, as it is used as a function of rainfall excess intensity for a single watershed. In addition, we efficiently interpolated the IUH for arbitrary rainfall excess intensity using a power-law-based technique. Furthermore, the derivation of the flood hydrograph through convolutional integration enables instantaneous and efficient flood prediction. By incorporating deep learning models and real-time watershed data for rainfall loss estimation, our flood prediction technique can reflect the moisture conditions of the watershed during flood events and consider various influencing factors related to rainfall loss. This approach reduces uncertainties in parameter estimation for rainfall losses and minimizes the need for subjective judgments. The flood prediction model in this study is expected to provide several advantages for flood damage prevention and the operation of water control structures. Except for the initial construction processes of optimizing LSTM and deriving IUHs, flood prediction can be completed rapidly within minutes, making it highly efficient. Moreover, by considering real-time moisture conditions in the watershed and physically reflecting the rainfall-runoff process, the model ensures the accuracy of flood prediction. 유역에서의 홍수를 예측하기 위한 다양한 강우-유출 모형들이 개발되어 사용되어왔다. 개념적 강우-유출 모형들은 신뢰성과 적용성이 높아 실무에서 널리 활용되어왔으나, 강우-유출 과정을 단순화하여 고려하므로 유출예측에 강수의 흐름을 물리적으로 고려하기 힘들다는 한계가 있다. 또한 모형의 매개변수에 여러 불확실성이 존재하므로 충분한 양의 관측 자료를 사용한 보정 작업이 필요하다. 물리적 강우-유출 모형들은 유역 내 흐름을 고려하므로 유출예측 결과가 비교적 물리적으로 정확하다는 장점이 있지만, 높은 계산 비용 및 수치적 불안정성으로 인하여 실무에의 적용이 힘들다는 한계가 있다. 본 연구에서는 물리기반의 동역학파 모형과 순간단위도 모형, 그리고 딥러닝 모형을 결합함으로써 정확도와 효율성을 모두 확보할 수 있는 홍수예측 기법을 개발하였다. 동역학파 시뮬레이션 및 순간단위도 첨두 특성과 유효강우강도 간의 멱함수관계를 이용하여 물리기반의 순간단위도를 유도 및 보간하였다. 또한, Green-Ampt 모형과 NRCS-CN 모형을 적용하여 강우 손실을 산정하였으며, 각 모형의 매개변수를 추정하기 위하여 실시간으로 제공되는 GLDAS-Noah 지표면 모델링 자료 및 강우 시계열 자료를 딥러닝 모형인 LSTM 모형을 통해 고려하였다. 최종적으로, 유효강우주상도와 순간단위도를 활용한 회선적분을 통해 순간적으로 유역의 홍수수문곡선을 예측하였다. 본 연구의 홍수예측기법을 가상유역 및 실제유역에 적용해보았다. 강우손실 산정을 위한 LSTM 모형은 NSE (Nash-Sutcliffe efficiency)와 CR (correlation coefficient) 0.9 이상, NMAE (Normalized Mean absolute error)와 NRMSE (Normalized root mean square error) 0.15 이하의 높은 정확도로 유효우량을 예측하였으며, 최종적인 홍수 예측 결과에서는 NSE 0.55이상 0.9이하, R^2 (Coefficient of determination) 0.67이상 0.95이하의 높은 정확도가 확인되었다. 본 연구의 물리기반 순간단위도는 관측수문자료를 이용한 매개변수 보정작업 없이도 유역의 지형과 조도계수 만을 사용하여 유도될 수 있으므로 미계측 유역이나 관측 자료가 부족한 유역에 대한 적용이 유리하다. 또한, 유도되는 순간단위도는 하나의 유역에서도 유효강우강도의 함수로 사용되므로 홍수 예측에 비선형적 강우-유출 관계를 고려할 수 있었으며, 멱함수 기반의 순간단위도 보간 방법을 통하여 임의의 유효 강우강도에 대한 순간단위도를 효율적으로 보간할 수 있었다. 그리고 최종적인 홍수수문곡선 유도는 순간단위도의 회선적분을 통하여 이루어지므로 순간적, 효율적인 홍수 예측이 가능하였다. 강우 손실의 산정에 딥러닝 모형 및 실시간 유역 데이터를 활용함으로써 홍수 사상 발생 시의 유역의 습윤 조건을 반영할 수 있었으며, 강우 손실과 관련된 여러 영향인자들을 고려할 수 있었다. 또한 이를 통하여 강우 손실 매개변수 산정의 불확실성 및 주관적 판단의 필요성을 줄일 수 있었다. 본 연구에서 개발된 홍수 예측 모형은 홍수 피해 방지 및 수공구조물의 운영 등에 여러 가지 이점을 제공할 것으로 기대된다. 모형의 초기 구축과정인 LSTM의 최적화 및 순간단위도 유도를 위한 동역학파 시뮬레이션을 제외한다면, 홍수 예측은 수 분 내에 빠르게 완료되므로 효율적이다. 또한, 유역의 실시간 습윤 조건을 반영하면서도 강우-유출 과정을 물리적으로 반영하므로 홍수 예측의 정확도를 확보할 수 있다.

홍수기 농업용 저수지의 홍수조절 능력 평가

장익근 충북대학교 2015 국내박사

We investigated flood control capacity of 484 agricultural reservoirs with storage capacity of over 1 million m3 in South Korea. In general, agricultural reservoir secures flood control capacity by setting up limited water level during flood season from late June to mid-September. The flood control capacity of an agricultural reservoir during flood season can be divided into stable flood control capacity during non-flood season, stable flood control capacity associated with limited water level, and unstable flood control capacity associated with limited water level. In general, the flood control capacity significantly (P < 0.001) increased with reservoir capacity irrespective of type of spillway. The unstable flood control capacity accounted for about 20 % of reservoir capacity in the uncontrolled reservoirs. The study reservoirs showed flood control capacity of 0.60-65 billion (B) m3 and stable flood control capacity of 0.43-47 B m3, depending on the upper and lower limited water levels during the flood season. The stable flood control capacity of the controlled reservoirs (0.29-0.33 B m3) was about two times than that of uncontrolled reservoirs (0.14 B m3). Moreover, the reservoirs with over 100 mm ratio of flood control capacity to watershed area accounted for 38 % of total controlled reservoirs. The flood control volume of 28 agricultural reservoirs with 20-year water storage data were examined for the 10 frequency wet year. The flood control volume significantly (P < 0.001) increased with effective reservoir capacity in the 10 frequency wet year. The flood control volume during flood season in 10 frequency wet year were estimated as 0.13 to 0.28 B m3. The ratios of flood control volume to effective reservoir capacity during flood season in 10 frequency wet year were 15 % for early season, 7 % for mid season, and 11 % for late flood season, suggesting that flood control operation of the reservoir is most important during mid season. The results indicate that many agricultural reservoirs may contribute to flood attenuation in the small watersheds.

SWMM과 HEC-RAS 모형을 이용한 해안 도시 홍수예경보 시스템 구축

朴龍雲 부산대학교 대학원 2004 국내석사

본 연구에서는 해안 도시 하천의 범람으로 인한 홍수 재해 발생시 예상될 수 있는 피해에 대해 적절한 홍수예경보 및 피난대책을 수립하고자 대표적인 해안 도시 하천의 특성을 가지는 부산시 온천천 유역을 대상으로 수치지도에서 각종 지형자료를 추출하였고 수문 GIS 자료를 구축하였다. 모형 구축시 유역 분할은 강우시 월류수(Combined Sewer Overflow, CSO)의 모니터링 및 저감대책 수립을 위해 수영하수처리장 처리구역내 처리분구를 이용하여 5개의 소유역으로 분할하였다. 강우 분석은 강우의 공간적 특성을 대상 유역인 온천천에 티센망을 이용하여 고려하였으며 강우의 시간적 분포는 Huff의 2분위, 6차 회귀다항식을 이용하여 분석하였다. 홍수예경보 발령 기준을 설정하기 위하여 선정지점 세 곳을 선택하여 한계 수심을 선정하였다. 그리고, 하천 수리 분석을 위한 한계유출량 산정을 위해 HEC-RAS 모형을 이용 조위의 영향을 고려하여 홍수위 및 한계유출량을 산정하였고 도시 돌발 홍수 기준 우량 산정을 위해 PCSWMM 2002를 이용하여 수문 분석을 실시하였다. SWMM 모형의 강우 모듈(RAIN block)과 기상 모듈(TEMPERATURE block)에 입력될 강우 자료는 지속 시간별로 Huff 분포된 강우값을 이용하였으며, 증발자료는 1971~2000년까지의 월평년값을 사용하여 모형화를 수행하였다. 그 결과 온천천 유역의 홍수예경보 시스템과 이에 따른 홍수예경보 발령흐름도, 운영체계가 결정되었고 홍수예경보 발령 기준이 설정되었다. 본 연구를 통해 SWMM, HEC-RAS, ArcView GIS 모형을 연계하여 대상유역과 하도에 적용 통합적인 모의 기법을 제시하였으며 해안 도시 하천에서의 홍수 재해 발생시 이에 대한 대비책을 마련하게 되었다. 해안 도시의 홍수 관리는 도시 우수 시스템, 하천, 해안 특성이 복합된 문제이다. 현재 해안 도시 지역의 홍수예경보 시스템 구축 실적이 전무한 실정임을 볼 때 현실적으로 실용화 할 수 있는 시스템 개발을 해내는 것이 무엇보다도 시급하고 중요한 문제이다. 앞으로 더욱 심도있게 연구하여 주요 하천에 대한 홍수예경보 시스템 구축이 절실히 요구된다. In this study, coastal urban flood prediction and warning system using HEC-RAS and SWMM were investigated to evaluate the watershed of which On-Cheon river in Busan has the characteristics of coastal area caused by flooding of coastal urban areas. The basis of this study is the selection of various geological data from the numerical map that is the watershed of On-Cheon river and computation of hydrologic GIS data. For modeling, there are 5 sub-watersheds where are treatment sections in the area of Suyoung waste water treatment plant to monitor of combined sewer overflow (CSO) and estimate the plan of reducing it. Thiessen method was used for analyzing of rainfall on the On-Cheon river and 6th regression equation, which is Huff's Type Ⅱ was time-distribution of rainfall. To evaluate the deployment of flood prediction and warning system, critical depth was used on the 3 selected areas. To find the critical flow for hydraulic analysis of river, HEC-RAS was used and flood depth and critical flow was considered with the effect of tidal water level. Rainfall data that are used for rain block and temperature block of SWMM model were used of conservative time variables distributed rainfall by Huff equation and the average monthly evaporation data were selected on the duration between 1971 and 2000 for modeling. Consequently, not only were the criteria of coastal urban flood prediction and warning system decided on the watershed of On-Cheon river, but also the deployment flow charts of flood prediction and warning system and operation system was evaluated. This study indicates the criteria of flood prediction and warning system on the coastal areas and modeling methods with application of ArcView GIS, HEC-RAS and SWMM on the basin. The management of the coastal areas is considered with the urban rainfall system, river and coastal characteristics. Recently, there are few of the application of coastal urban flood prediction and warning system; it is very important to evaluate the system for using to coastal areas. For the future, flood prediction and warning system should be considered and developed to various basin cases to reduce natural flood disasters in coastal urban area.

GIS 基盤 洪水豫測地圖의 開發

김상호 韓京大學校 産業大學院 2006 국내석사

자연재해 중 홍수에 의한 재해는 우리나라의 경우 여름철 저기압, 장마전선, 태풍 등의 위험에 노출된 지역이 많이 있어 각종 산업시설을 보호하고 있는 하천제방 등의 홍수방지 시설물들은 그 설계와 관리에 만전을 기하고 있음에도 불구하고 홍수에 의한 범람 피해가 속출되고 있다. 또한 이러한 홍수범람으로 인하여 하천의 주변 지역에서는 많은 인명피해 및 재산피해 등 사회적 문제를 초래하고 있어 근본적인 대책이 필요한 실정이다. 한편, 최근 GIS의 발달과 수치지도 제작이 활발히 이루어지면서 GIS를 기반으로 하는 수리, 수문모형에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있는데, 수치표고모형(Digital Elevation Model, DEM)에 기반을 둔 공간자료 구조를 가진 수문모형이 개발되었으며, 유역의 수문학적 특성을 자동으로 계산하고 분석하는 GIS도구와 수치지도모형(Digital Terrain Model, DTM)으로부터 하천단면을 추출하고 수리해석을 실시하며, 그 결과를 그래픽, 그래프, 또는 텍스트 등으로 나타낼 수 있는 GIS도구가 널리 보급되어 있다. 이러한 GIS와의 연계과정을 통한 홍수지도의 제작은 홍수정보를 공간적으로 표현하여 재난이 예상되는 지역에 대해 홍수로 인한 범람정보를 제공하고, 취약지점에 대한 집중적인 투자를 가능하게 하며, 실제 재난이 발생하였을 경우 대피운영, 복구 등에 있어 요구되는 각종 정보를 제공할 수 있다. 더 나아가 그러한 정보들을 효과적으로 처리, 표현함으로서 홍수지도를 누구나 쉽게 사용하도록 하는 것은 홍수로 인한 피해 경감 대책에 큰 도움이 될 수 있다. The objective of the study is to develop a GIS-based flood map. Hydraulic model (HEC-RAS) is linked with hydrologic model (HEC-HMS) for flood map. Geospatial data processors, HEC-Geo HMS and HEC-GeoRAS, are used for operating HEC-HMS and HEC-RAS. HEC-HMS was calibrated and validated at the Hwa- Ong watershed. HEC-HMS was used for calculating runoff from the Hwa-Ong watershed which consisted of Nam-Yang, Ja-An, U-Eun river sub-watersheds, and HEC-RAS was applied and validated for river flow routing at the Hwa-Ong watershed. The simulated results from HEC-HMS and HEC-RAS were reason ably good as compared with the observed data. HEC-RAS and HEC-HMS were applied to simulate flooding from probability rain fall at the Hwa-Ong watershed, and the simulated result was used to develop a flood map. Flood map developed in this research will be used for mitigating and predicting the flood damages.

홍수 재해 저감을 위한 하천 UAV 영상정보 시스템 개선

김태균 경상국립대학교 대학원 2024 국내석사

기후변화으로 인한 돌발홍수 발생 횟수가 증가하여 홍수피해가 매년 증가하고있는 추세이다. 하천 홍수 재해를 저감시키기 위해 비구조적으로 조기경보시스템 설치를 적극적으로 진행하고 있다. 조기경보시스템은 잠재적 범람위험을 조기에 감시하고 위험단계에 따른 경보발령을 통해 인명 및 재산피해를 경감시킨다. 인근 지점보다 범람 위험이 적다거나, 범람에도 피해가 발생하지 않는 지점에 시스템을 설치하는 것은 그 효과가 미미할 수 있다. 홍수조기경보시스템 구축위치를 선정하는 것은 철저한 연구가 필요하며 신뢰성을 확보하는 것이 중요하다. 이제까지는 수위계가 일반적으로 설치되는 교량을 중심으로 인근 홍수취약단면을 탐색하였다. 그리고 홍수취약단면을 기준으로 경보발령기준을 설정한 후 발령기준에 해당하는 유량을 조기경보시스템이 설치되는 단면에 적용하여 수위경보발령을 적용하였다. 이처럼 교량 인근으로 연구범위가 한정되어 있었다. 한정된 연구범위에서 벗어나 유역전체를 대상으로 조기경보시스템 구축 위치를 결정하기 위해 본 연구에서는 홍수 재해 저감을 위해 UAV 영상정보 시스템을 개선하고자 하였다. 기존에 진행된 UAV를 활용한 최적고도비행 관련 연구는 많지만, 하천측량을 기준으로 50~120m 범위를 10m 단위로 비행시켜 비행고도에 따른 RMSE 값을 통해 적절한 비행고도 분석을 진행하였다. 그리고 UAV기반 하천측량에서 적절한 비행고도를 이용하여 Orthomosaic 및 DSM을 획득하였다. Orthomosaic를 이용하여 유역전체기반 홍수취약 후보지점들을 획득하였고, 그 후보지점들을 HEC-RAS 시뮬레이션하여 최소홍수량으로 범람하는 홍수취약단면을 획득하였다. 본 연구에서는 UAV 영상정보 시스템을 개선하고자 UAV기반 하천측량에서 최적고도매개변수를 분석하여 적절한 비행고도를 제시하였다. 그리고 홍수 재해 저감을 위해 UAV기반 Orthomosaic를 활용하여 유역전체 홍수취약 후보단면을 획득한 후 HEC-RAS 시뮬레이션을 진행하여 산정된 홍수취약단면을 조기경보시스템 구축 위치로 제안하였다.

홍수피해 저감사업의 예비타당성조사 평가체계 개선 : -지역균형발전 분석을 대상으로-

장웅철 경북대학교 대학원 2025 국내박사

This study begins with the recognition that the current Preliminary Feasibility Study (PFS) evaluation framework does not adequately incorporate the unique characteristics of water resource projects—particularly flood damage mitigation projects—and their fundamental purpose of disaster response. Currently, the regional balanced development assessment in Korea’s Preliminary Feasibility Study (PFS) primarily relies on the Underdevelopment Index (UDI), which is derived from indicators related to basic public services such as education, transportation, housing, and welfare. As a result, disaster-related factors—such as flood vulnerability and overall disaster response capacity—are not adequately considered in the evaluation framework. In particular, the regional balanced development criterion in the current PFS system provides preferential scoring exclusively to non-capital areas. As a result, certain regions within the capital—despite being highly vulnerable to disasters—may be disadvantaged in the evaluation simply because they are located in the capital region. This indicates a need to improve the consistency and fairness of the current system. To address this issue, this study developed a new Flood Vulnerability Index that allows the unique characteristics of flood damage mitigation projects to be quantitatively incorporated into the evaluation framework. The index consists of three evaluation criteria—flood damage sensitivity and exposure, potential socio-environmental vulnerability, and flood response capacity—along with 11 individual indicators. Weights for each indicator were determined through the Analytic Hierarchy Process (AHP), based on expert surveys. Indicators such as flood casualties per capita, per capita economic loss, the proportion of socially vulnerable populations, and infrastructure for disaster risk reduction (e.g., river improvement ratio and stormwater drainage coverage) were rated as relatively more important. This suggests that historical disaster records and the availability of direct response measures should be more strongly considered in preliminary feasibility evaluations. The study also conducted a comparative analysis between the existing regional underdevelopment index and the newly developed Flood Vulnerability Index (FVI). The coefficient of determination (R²) between the two indices was 0.396, indicating that the underdevelopment index alone has limited explanatory power for flood vulnerability. Cross-tabulation and boxplot analyses showed that municipalities with the same underdevelopment grade often exhibited markedly different levels of flood vulnerability, suggesting that socio-economic underdevelopment may not adequately explain disaster risk. Notably, approximately 28% of municipalities were found to have high flood vulnerability despite not being classified as underdeveloped. These findings highlight the need for a more multi-dimensional evaluation framework, rather than relying solely on the underdevelopment index in assessing disaster-related vulnerability. Based on these findings, this study proposes to integrate the Flood Vulnerability Index (FVI) as a sub-criterion under the regional balanced development category within the Preliminary Feasibility Study (PFS) framework. Furthermore, to address the limitations of municipality-based evaluations, it recommends adopting a watershed-based spatial assessment approach. This direction is particularly relevant for large-scale infrastructure projects—such as dams and detention basins—that provide benefits across broader hydrological regions. The methodology developed in this study is not limited to flood damage mitigation projects but is extensible to other areas of the water resources sector, including domestic, agricultural, industrial, and environmental water supply projects. By constructing sector-specific vulnerability indices and systematically incorporating them into the Preliminary Feasibility Study (PFS) framework, the evaluation system can more accurately reflect the equity and effectiveness of water resource projects. Finally, the proposed Flood Vulnerability Index (FVI) can serve as a quantitative decision-making tool not only within the national Preliminary Feasibility Study (PFS) system, but also in local government-level investment assessments. As many of these processes still rely heavily on expert judgment rather than objective data, the FVI provides a reliable and standardized basis for policy evaluation. This study provides a practical framework for enhancing public investment appraisal specifically in the context of flood damage mitigation, where disaster prevention and regional equity are essential considerations. Keywords: Flood Vulnerability Index (FVI), Underdevelopment Index (UDI), Preliminary Feasibility Study (PFS), Regional Balanced Development, Multi-Criteria Decision-Making (MCDM), Analytic Hierarchy Process (AHP)

확률강우량과 실측유량을 이용한 홍수빈도해석의 비교분석

류영용 인하대학교 대학원 2010 국내석사

설계홍수량은 연 최대 또는 연 초과 홍수량계열의 통계분석으로 추정되는 것이 최선이다. 우리나라의 경우 과거 20여년 전 부터 미계측유역에 적용되어야할 ‘확률강우량-단위도’가 거의 모든 계측유역에도 적용되어 하천정비기본계획과 유역종합치수계획, 댐 계획 등의 수문설계를 위해 이용되어지고 있다. 이는 ‘확률강우량-단위도’가 가질 수 있는 다양한 불확실성에도 불구하고 유량측정자료의 부족으로 부득이하게 사용되어지고 있으며, 실무자의 분석 방법에 따라 차이가 나는 것이 불가피하다. 대상유역에 대한 유출자료가 충분하다면, 강우와 유출측정 자료를 활용해 연최대홍수계열을 구축한 후 홍수빈도해석을 실시할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 설계홍수량 추정방법으로 크게 확률강우량을 이용한 홍수빈도해석과 실측유량을 이용한 홍수빈도해석을 실시하여 그 결과를 비교 분석하였다. 즉, 확률강우량과 단위도를 이용한 홍수빈도해석(단위도 매개변수 산정), 확률강우량과 단위도를 이용한 홍수빈도해석(단위도 매개변수 최적화), 연최고 수위시의 강우사상과 유출모의를 통한 홍수빈도해석, 그리고 마지막으로 실측유출량을 이용한 홍수빈도해석을 실시하였다. 결과를 살펴보면, 확률강우량을 통해 추정된 빈도별 홍수량이 실측유량을 이용해 추정한 빈도별 홍수량보다 크게 산정됨을 알 수 있었다. 그러나 실측유량을 이용한 홍수빈도해석이 보다 신뢰성 있는 수문설계량을 제공하므로 꾸준한 유량자료의 측정과 관리가 중요하다 하겠다.

남대천유역에서 천변저류지 활용이 홍수량에 미치는 영향 연구

김현우 관동대학교 일반대학원 2010 국내석사

최근 홍수에 대비한 치수대책은 유역종합치수계획에 의해 홍수량을 유역내에 분담시키고자 하는 노력을 수행하고 있다. 그 방법으로는 구조적 대책인 하천제방, 방수로, 저수지, 다목적댐 등의 대규모 수공구조물의 건설과 비구조적 대책인 댐 저수지의 운영체계 개선, 홍수경보 그리고 선진국에서 많이 하고 있는 홍수보험제도 및 홍수지도의 제작 등이 있으며 이 두가지 방법이 조화가 되는 합리적이고 효율적인 대책이 제시되어져야 할 것이다. 또한 면적 개념의 2차원적인 홍수량 분담을 통해 하천의 부담을 줄이고 하천 범람으로 인한 홍수피해의 잠재성 경감을 위해 홍수량을 유역 내에 분담할 수 있는 천변저유지의 도입도 적극적으로 검토되어져야 한다. 본 연구에서는 양양남대천 유역의 강우자료를 바탕으로 FARD2006모형과 HEC-HMS 모형으로 20년, 30년, 50년, 80년, 100년, 200년 6개빈도에 대하여 홍수량을 산정하였다. 과거 국지성 집중호우로 인한 홍수범람피해를 입은 지역을 대상으로 가상의 저류지를 설정하여 HEC-HMS의 Diversion 기능을 이용한 모의를 실시하였다. 본 연구에서는 양양 남대천 유역의 유출량 추정에 있어 정확성 향상을 위하여 지형적 여건, 유역반응계수, 강우의 시·공간적 분포형태, 유출모형의 선정 등 매개변수 추정 시 여러 단계의 판단과 분석을 실시하였지만 실측홍수량과 많은 차이를 보였다. 이는 개인적인 능력으로 인해 해석과 비교·분석 과정중 이론적 가정 및 해석과정에서 문제점을 가진 것으로 사료된다. 그러므로 향후 지속적인 연구를 통해 보완해야 할 것이다.