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본 연구의 대상지는 상습적으로 침수되는 지역과 자연재해위험지구를 포함하고 있는 수원시로 선정하였다<그림 1>. 수원시는 2005년부터 2009년 5년 간 집중 호우에 따른 주택지, 농경지와 도로 교량에서 상습적인 피해가 발생함으로써 해당 지역에 적절한 대응 전략 수립이 필요한 실정이다(강상준·정주철, 2012). 특히 권선구 평동 지역은 지속적으로 침수 피해가 발생하고 있는 것으로 나타나 수원시 자연재해위험개선지구로 지정되어 있다. 이러한 침수 피해는 수원시 내 일부 지역이 저지대라는 지형학적 요인과 국지적 폭우에 의한 주변 하천의 수위 상승 등 기상이변 및 물리적인 요인이 근본적으로 작용하는 것으로 나타났다(수원시, 2014). 향후 기후변화에 따라 집중 호우가 심화될 것으로 예상되므로 수원시가 미래 침수 발생가능성 지도를 구축해야 하는 대상지로서 타당하다고 판단하였다.

Fig. 1. 
Study site (Suwon)

기후변화에 따른 강수량 변화를 분석하기 위하여 RCP 시나리오를 사용하였다. 본 연구에서는 4개의 RCP 시나리오 중 저감 노력 없이 현재 추세대로 온실가스를 배출하는 경우를 가정한 RCP 8.5를 이용하였다. 이를 통해 가장 비관적으로 예측된 기후변화 현상으로부터 발생할 수 있는 영향을 분석하고자 하였다.

RCP 시나리오에 따른 미래 강수량은 지역기후 모델링을 통해 도출되는데 HadGEM3-RA로부터 도출된 남한 상세 기후자료(1㎞×1㎞)를 사용하여 일강우량을 추출하였다. 단기간의 강우량을 나타내는 강우강도(mm/hr)는 미래를 예측하기에 불확실성이 매우 커 배제하였다.

침수 발생가능성 지도를 구축할 목표연도는 2030년으로 설정하였다. 일반적으로 토지이용계획은 계획수립시점부터 20년을 기준으로 이루어지며 5년마다 그 타당성을 전면적으로 재검토한다(국토교통부, 2013). 수원시의 경우 2010년을 기준 연도로 하여 20년 후인 2030년의 도시기본계획을 수립하기 때문에 2030년의 침수 발생가능성을 예측하고자 하였다.

확률론적 모형(Stochastic model)을 이용한 예측 모형은 불확실성을 고려할 수 있는 진보된 도구이다(Tebaldi and Knutti, 2007). 이는 최적의 값을 찾아내는 결정론적 모형(Deterministic model)과 달리 작은 확률이라도 발생할 가능성이 있는 사건에 대해 정보를 제공함으로써 더 나은 의사결정을 지원할 수 있다(Leutbecher and Palmer, 2008). 확률론적 모형에서는 미래의 기온 및 강수량을 확률분포로 나타냄으로써 가장 발생 확률이 높은 기후 사상을 제시하고 발생 확률이 낮은 극한 사상에 대해서도 해석할 기회를 준다.

본 연구에서는 확률론적 모형 중 기후변화의 불확실성을 처리하는데 많이 사용되고 있는 몬테카를로 시뮬레이션을 이용하여 강우사상의 확률분포를 도출하였다<그림 3>. 이를 통해 강우 패턴의 변화를 파악할 수 있을 뿐만 아니라 강우 확률분포를 적용하여 침수 평가 모형을 구동할 경우 어떤 지역이 얼마나 위험한지를 정량적으로 파악할 수 있다. 확률분포를 반영한 평가는 평균적인 강우 사상에 의한 침수 발생가능성을 나타낸다. 더욱이 극심한 강우 사상, 즉 기후변화에 의해 발생하는 집중 호우에 의한 침수 발생가능성까지도 확률적으로 도출할 수 있다.

Fig. 3. 
Rainfall distribution calculation of future by using Monte Carlo simulation

몬테카를로 시뮬레이션은 미래(2030년)의 강우 확률분포를 도출하는데 사용되었다. 몬테카를로 시뮬레이션을 위한 프로그래밍은 Excel의 VBA(Visual Basic for Application)를 이용하였으며 강우량을 추출하는 알고리즘은 2만 번의 무작위(Random) 반복 시행을 하도록 설정하였다. 도출된 미래의 강우 확률분포로부터 95% 신뢰구간에서의 최댓값과 표준편차를 추출하였다.

현재의 강우 확률분포는 수원시에서 가장 많은 침수 피해가 발생했던 2006년의 일강우량 자료를 이용하여 도출하였다. 강우 확률분포를 공간화 하여 지도 위에 표현하기 위하여 수원시 주변의 Automatic Weather Station(자동기상관측장비, AWS)로부터 구득한 일강우량을 Inverse Distance Weighting (IDW) 공간보간법(역거리가중치법)을 이용하여 수원시에 내삽 하였다<식 1>.

u(x)=주어진 점 x에 대하여 보간된 값, 추정치
N=이미 알고 있는 값의 수
k=영향 범위 내에 해당하는 샘플 포인트
W=거리의 역에 대한 가중치

IDW는 AWS 지점이 비교적 균일하게 분포하고 있는 지역에서 일정 수준 이상의 정확도를 보이기 때문에 강우량을 내삽 하는데 많이 쓰이는 보간 기법 중 하나이다(황연상 외, 2010). 미래의 강우 확률분포는 RCP8.5 시나리오가 나타내는 2030년 일강우량을 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하여 도출하였다. RCP8.5의 강우량 자료의 해상도에 맞추어 미래 강우 확률분포를 1km×1km의 그리드로 공간화 하여 미래 강우량 지도를 도출하였다.

문헌연구를 바탕으로 침수 발생에 영향을 끼칠 것으로 판단되는 환경 변수들을 추출하였다<표 1>. 일강우량 뿐만 아니라 물이 고이는데 영향을 끼치는 지형 조건, 물이 빠지지 못하고 유출되는데 영향을 끼치는 토양 조건, 마지막으로 범람에 의해 주변 지역이 잠기는데 영향을 끼치는 하천 조건 등을 수원시 침수 발생가능성의 변수로 선정하였다. 이러한 변수는 ArcGIS 10.1을 이용하여 지도화 하였다.

지형 변수 중에서 고도와 경사는 물의 고임과 흐름에 밀접한 관련이 있는 변수로서 지형을 나타내는 가장 대표적인 변수이다. TPI는 주변 지역의 오목 볼록한 정도를 나타내는 지형위치지수로서 주변 지역보다 고도가 낮으면 음수, 높으면 양수의 값을 갖는다. TWI는 물이 흐르는 경향과 경사를 이용하여 그 값이 클수록 물이 많이 고이는 특성을 지닌다. 토양 관련 변수 중 토양 배수능은 지형 및 토성의 투수성, 지하수위 등을 고려하여 매우 양호/양호/약간 양호/약간 불량/불량/매우 불량 등 6개 등급으로 나뉘어 배수가 불량할수록 침수 발생에 영향을 끼친다. 유효토심은 깊을수록 수분 함유가 가능한 토양의 체적이 증가한다. 마지막으로 하천과의 거리는 침수심(침수 깊이)에 영향을 끼친다(Galasso and Senarath, 2014).

MaxEnt는 본래 종의 출현 지역으로부터 물리적 특성을 파악하여 그와 유사한 특성을 갖는 지역을 추출함으로써 생물 종 분포를 예측하는 로지스틱 회귀분석 기반의 공간 확률 모형이다(Young et al., 2011). 종의 출현정보만을 가지고 서식 적합지역을 확률적으로 나타낸다는 점에서 최근에는 재해 발생 지역을 이용하여 재해 발생 가능지역을 예측하는데 사용되기도 한다(Vorpahl et al., 2012; 김호걸 외, 2013; 김효민 외, 2013).

본 연구에서는 2006년에 침수가 발생한 수원시 내 53개의 지역을 대상으로 MaxEnt를 구동하였으며, 이 때 전체 침수 발생 지역의 25%에 해당하는 13개 지역을 무작위로 추출하여 결과를 검증하였다. 침수 발생 지역의 물리적 특성을 설명하는 변수는 앞서 구축한 침수 발생가능성 영향 변수를 사용하였다. 또한 변수 간 다중공선성 문제를 파악하기 위해 SPSS를 이용하여 변수들의 상관관계를 파악하였다.

파일럿 테스트를 통해 모델에 대한 변수의 기여도와 변수 별 반응 곡선을 해석하여 결과의 설명력을 떨어뜨리는 변수를 제거해가며 MaxEnt를 여러 번 구동 후 최종적으로 믿음직한 결과를 도출하였다. 또한 모델 자체 내에서 15번의 반복 시행을 통해 평균적인 침수 발생가능성 지도를 도출하였다. 모형의 설명력은 어떤 검사의 판단 결과를 보여주는 Receiver Operating Characteristic (ROC) 곡선의 아래 면적을 나타내는 Area Under the Curve (AUC) 값을 이용하여 판단하였다. AUC는 출현 정보와 비출현 정보가 모델에서 정확히 구분되어 나타났는가를 보여주는 확률로서, 그 값이 1에 가까울수록 테스트 결과의 정확성이 높다고 해석할 수 있다(Subtil and Rabilloud, 2015).

RCP8.5 시나리오 상의 2030년 강우 확률분포를 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 도출한 결과, 95%의 신뢰구간에서 최대 일강우량은 93.32mm로 나타났다<그림 4>. 10mm 이하의 강우가 올 확률(무강우일 포함)이 0.77로 가장 크고 70mm 까지 강우 확률은 점점 감소하는 양상을 보였다. 극한강우량에 가까워질수록 강우 확률이 감소하는 것은 일반적인 강우 패턴이다. 그러나 모의된 미래 강우 확률분포는 70mm 이상부터 신뢰구간 내 최대 강우량에 도달할 때까지 강우 확률이 다시 증가하는 양상을 보이고 있다. 이는 기후변화에 따른 강우 패턴의 변화라고 할 수 있다.

Fig. 4. 
Probability distribution of daily precipitation in 2030 by 20,000 literation

현재의 강우특성과 지형․물리학적 영향 변수를 이용하여 MaxEnt 모형의 파일럿 테스트를 시행한 결과, 경사, TWI, 토양 배수능 그리고 유효토심은 침수 발생가능성에 끼치는 영향이 미미한 것으로 나타났다. 침수 발생가능성에 영향력이 큰 변수는 고도, 일강우량, TPI 순으로 나타났다. 변수 별 반응곡선을 살펴보면 고도가 낮을수록, 일강우량이 증가할수록, 하천과의 거리가 가까울수록, TPI가 작을수록 침수 발생가능성이 큰 것으로 분석되었다. <그림 5>.

Fig. 5. 
Response curve for significant variables

MaxEnt 모형의 AUC는 0.80이며 검증용 데이터를 이용한 모형의 AUC는 0.75로 나타나 본 모형의 결과인 침수 발생가능성 지도는 신뢰할 만한 것으로 판단된다. 수원시에서 가장 높은 침수 발생가능성은 0.83이며 이 지역은 상습적으로 침수되어 자연재해위험지구로 지정되어 있는 평동과 그와 인접한 평리동, 고색동으로 나타났다. 권선구는 다른 구보다 침수 발생가능성이 높은 지역을 포함하고 있는데, 이는 국지적 호우와 황구지천, 수원천 등 하천의 영향인 것으로 추정된다. 반면, 백운산과 광교산이 위치하고 있는 북수원 지역과 영통구를 포함하는 동수원 지역은 침수 발생가능성이 0.2 이하로 매우 낮아 상대적으로 침수에 안전한 것으로 분석되었다<그림 6(a)>.

Fig. 6. 
Flood possibility maps in Suwon ((a): current map, (b): 2030 map)

2030년의 일강우량을 대입하여 MaxEnt를 구동한 결과, 2030년에 평동 지역은 여전히 0.80 이상의 높은 침수 발생가능성을 갖는 지역을 포함하지만 그 면적은 현재의 42%로 줄어든다. 가장 높은 침수 발생가능성은 0.83이며 이 지역은 황구지천을 끼고 있는 권선구 탑동에 위치한다<그림 6(b)>.

Fig. 7. 
Changes in Flood Possibility(a) and uncertainties of Flood Possibility(b)

2030년과 현재의 수원시 침수 발생가능성 변화를 나타낸 결과, 서수원 지역은 침수 발생가능성이 감소하여 현재에 비해 상대적으로 안전한 지역이 되는 것으로 나타났다. 이는 RCP 8.5의 가정 하에서 집중호우에 따른 극한 강우량이 해당 지역에서 오히려 감소하는 것으로 예측되었기 때문이다.

반면 권선구 서둔동 일대는 2030년의 침수 발생가능성이 현재보다 최대 0.32만큼 증가하는 지역이 생겨 이 지역에 대한 적절한 대응 전략이 필요할 것으로 생각된다. 팔달구는 총 면적의 83.47%가 현재와 비교했을 때 침수 발생가능성이 높아지는 것으로 나타났으나 수원천 주변을 제외하면 침수 발생가능성 자체는 낮은 것으로 분석되었다<그림 7(a)>.

몬테카를로 시뮬레이션 결과로부터 표준편차를 추출하여 침수 발생가능성 지도의 불확실성을 분석한 결과, 권선구 호매실 공공주택지구와 영통구 광교신도시의 침수 발생가능성의 불확실성이 높게 나타났다. 호매실 지역은 침수 발생가능성이 현재에 비해 최대 0.30만큼 감소하지만 광교신도시는 최대 0.25만큼 증가하기 때문에 이 지역의 침수 대응 계획 필요 여부에 대해 논의가 필요하다. 광교신도시의 경우 불확실성이 크기 때문에, 즉 침수를 일으키는 극한 강우량의 발생 확률이 0.005로 매우 낮기 때문에 침수 대응 계획을 세워야 할 당위성은 부족하다고 볼 수 있다. 반면, 북수원의 광교산, 백운산 일대와 팔달구의 우만1동, 지동, 인계동 일대는 불확실성이 낮게 나타났다<그림 7(b)>.

결과적으로 침수에 대한 대응대책이 우선적으로 마련되어야 하는 지역은 침수 발생가능성이 높으며 동시에 낮은 불확실성을 갖는 지역이다. 향후 수원시는 한정된 예산으로 침수 대응 대책을 적용해야 하는 지역의 우선순위를 결정하는데 있어서 본 연구의 결과를 활용할 수 있다. 이에 따라 수원시의 침수 대책 우선 지역은 현재와 2030년 모두 가장 높은 침수 발생가능성을 포함하고 불확실성이 가장 낮은 지역을 포함하는 권선구 평동 및 탑동으로 선정할 수 있다.