시가지 내수침수 방지대책 적용을 위한 지역구분방법 비교분석

국내 제도에서 침수방지대책 계획수립을 위한 지역구분 사례로는 「자연재해대책법」의 ‘풍수해저감종합계획’에 의한 위험지구(내수재해, 하천재해, 해안재해 등) 식별방법을 들 수 있다(소방방재청, 2010). 그러나 이는 과거 내수침수 피해지역이나 장래 피해예상지역을 근거로 위험지역을 식별하는 것으로 그치고 있어, 시가지 유역을 대상으로 유출과정과 침수위험 측면에서 체계적이고 상세하게 구분하지는 않고 있다.

「국토의 계획 및 이용에 관한 법률」에서는 ‘기후변화 재해취약성분석’ 제도를 새로이 도입하였는데, 지역의 기후변화에 대한 재해 취약성을 기후노출(기온, 강수량 등)과 도시민감도(시민, 기반시설, 건축물 등)의 측면에서 I~IV등급으로 평가한다(국토교통부·국토연구원, 2013). 이 제도는 단위지역(인구주택총조사의 ‘집계구’)의 재해에 대한 전반적인 취약성을 판단하는데 유용할 수 있겠으나, 단위지역 구획방식이 유출 및 침수과정의 공간적 측면을 나타내는데 적합하지 않을 뿐만 아니라 종합적으로 지수화된 취약등급 그 자체로는 구체적인 대책을 유도해내는데 한계가 있다.

재해취약성분석과 유사하게 단위지역의 위험도 또는 취약성을 진단·평가하는 체계는 국내외에 광범위하게 존재하는데, 국내에서 제도적으로 많이 사용된 것으로는 홍수피해잠재능(PFD: Potential Flood Damage)과 지역안전도 진단제도를 들 수 있다. 홍수피해잠재능(PFD)은 수자원장기종합계획, 유역종합치수계획 등에서 사용되고 있는 것으로서, 수문요소뿐만 아니라 사회․경제적인 요소를 포괄하여 특정 치수단위구역의 홍수에 대한 잠재적인 피해 취약도를 지수로 나타내는 체계이다(국토해양부, 2011). 소방방재청(현 국민안전처)의 지역안전도 진단제도 또한 유사하게 시·군·구를 단위지역으로 하여 재난위험성, 재난피해규모, 재난피해저감능력을 평가하여 중장기 재난저감대책 및 시설투자사업 수립에 활용하기 위한 체계이다. 이러한 평가체계들은 재해의 원인과 결과가 종합적으로 지수화된 체계 속에 함께 포함되어 있고, 공간단위가 거시적이기 때문에 그 자체로는 내수침수 방지를 위한 구체적인 대책을 유도하는데 한계가 있다.

미국과 영국에서는 하천 또는 해안의 홍수위를 참조하여 지역을 구분한다. 미국의 경우, 국가홍수보험제도(Nation Flood Insurance Program) 시행을 위한 범람원(floodplain) 관리제도에서는 100년 빈도 홍수를 기준으로 기준홍수위(Base Flood Elevation)를 정하여 이에 해당하는 범람원 지역을 식별하여 각종 개발과 건축을 제어한다(Federal Emergency Management Agency, 2007). 영국의 국토·도시계획제도에서는 하천 또는 해안의 강우빈도별 침수위험을 고려하여 전국의 모든 지역을 4가지 등급의 홍수구역(Flood Zone)으로 구분하고 있으며, 이는 홍수위험평가제도(Flood Risk Assessment)와 입지 및 토지이용규제에 대한 순차검증제도(Sequential Test)와 연계되어 있다(U.K. Department for Communities and Local Government, 2012).

일본에서는 ‘종합치수대책’을 비롯한 침수방지대책 계획수립을 위하여 치수기능에 따라 유역을 보수지역(保水地域; water retention zone), 유수지역(遊水地域; water retarding zone), 저지지역(低地地域; low land zone)으로 구분하는데(동경도(東京都)의 「東京都豪雨対策基本方針（改定)」), 이러한 지역구분 사례는 내수침수방지의 취지에서 보면 가장 유사한 지역구분 사례라고 할 수 있다. 우리나라의 유역종합치수계획, 우수유출저감대책 등에서도 채택하여 사용하고 있다.

자세히 살펴보면, 보수지역이란 유역의 상류부에 위치하면서 우수를 일시적으로 침투 또는 지체시킬 필요가 있는 지역, 유수지역은 중류부에 위치하여 우수가 유입될 때 일시적인 저류 기능을 가진 지역, 저지지역은 유역의 하류부에 위치하여 우수가 하천으로 배제되지 않거나 하천범람으로 인해 침수피해가 우려되는 지역으로 침수방지를 위한 적극적인 배수 또는 내수(耐水) 대책이 필요한 지역을 말한다. 이와 같은 지역구분 기준은 지역적 특성과 침수위험도에 따라 차등적인 전략을 마련하고, 각 전략의 효과를 극대화시킬 수 있는 입지선정을 위한 기초자료로써 활용 가능하다.

침수위험지역은 실제 침수피해가 발생했거나 예상되는 지역이다. 지형적으로는 급경사지 하류부에 위치하여 홍수도달시간이 짧으며 우수의 집중도가 높은 저지대에 주로 위치한다. 이로 인해 과거 침수피해 이력이 있거나 다양한 요인에 의해 침수피해 발생가능성이 높은 지역 등을 포함한다. 또한 시가화율이 매우 높아 침수피해 발생시 그 영향력이 크게 확대될 수 있는 불리한 입지여건을 갖고 있다. 이 지역은 대책의 차등적인 적용을 위해 필요시 침수심을 비롯하여 유속, 토사 등을 고려하여 세분할 수 있다.

빗물유출지역은 침수위험지역의 상류부에 위치하여 유출부담을 최소화하기 위해 유역 차원의 대책이 필요한 지역이다. 이 지역은 대책의 차등적인 적용을 위해 지형, 토지피복 및 시가화 정도, 배수시설(하수도) 유무 등을 고려하여 홍수지체지역(또는 시가화지역)과 유출억제지역(또는 비시가화지역)으로 세분할 수 있다.

홍수지체지역(또는 시가화지역)은 침수위험지역 상류부에 위치하여 유출저감대책이 필요한 지역이지만, 시가화지역에 기존의 배수시설(하수도) 정비가 이루어진 지역으로서, 공공시설이나 대규모 부지 등을 활용하여 우수유출저감시설을 확대하는 전략이 필요한 지역이다.

침수위험지역과 빗물유출지역의 구분은 유역 내 침수위험지역을 식별함으로써 구분할 수 있는데, 이에 대한 명확한 적용기준과 방법에 대한 논의는 많지 않다. 본 절에서는 지역구분을 위한 가용한 방법들을 정리하였다. 먼저 침수위험지역 구분방법은 과거 침수이력을 활용하는 방법(이하 ‘침수피해이력’), 강우-유출-침수해석모형을 이용하여 침수예상지역을 식별하는 방법(이하 ‘침수예상지역’), 인근하천의 기준홍수위를 이용하는 방법(이하 ‘인근하천 기준홍수위’), 지형특성인자를 활용하는 방법(이하 ‘지형특성인자’) 등이 있다.

(1) 침수피해이력

과거 침수이력은 호우에 의한 침수위험지역을 식별하는데 있어 가장 간단하고도 널리 사용되는 방법이다. 자료구득이 비교적 용이하며, 침수위험에 대한 명확하고 객관적인 판단기준이 될 수 있다. 최근 침수피해 사례를 살펴보면, 그 원인이 매우 복합적으로 나타나고 있다. 특히 최근 발생한 내수재해의 경우 불리한 지형 조건 외에도 도시개발에 따른 불투수 포장면적 증가, 배수시설의 용량 부족 등이 그 원인으로 지목되고 있다. 이로 인해 침수위험도를 구분하기 위한 수단으로 단순 침수모의나 지형특성분석만으로는 그 결과의 신뢰도를 확보하는데 무리가 있다. 따라서 이미 발생한 침수피해 실적은 침수위험지역을 선별하기 위한 가장 현실적인 정보가 된다.

그러나 과거 침수이력을 기준으로 지역을 구분할 경우, 과거 침수피해 당시의 강우특성에 따른 차이나 토지이용이나 수방시설과 같은 유역조건의 차이에서 오는 침수위험을 고려하지 못하는 한계가 있다. 또한 침수피해가 발생한 이후 침수방지대책이 이루어진 경우, 침수위험이 해소되었는지도 분석을 해야 한다. 침수피해가 불특정 지역에서 광범위하게 발생되는 상황에서 모든 침수피해지역에 대한 침수기록 확보가 쉽지 않으며, 침수흔적도의 작성은 침수 이후에 이루어지므로 정확한 침수범위와 침수심을 기록하는데 한계가 있다.

(2) 침수예상지역

강우-유출-침수해석에 의한 침수위험지역 구분은 시뮬레이션을 통해 현행 배수체계 또는 향후 계획된 시설 등을 고려하여 침수피해 예상지역을 식별하는 것이다. 다만, 어떤 목표강우량을 적용하느냐에 따라 침수범람해석 결과가 달라질 수 있고, 강우의 시공간적 패턴을 어떤 식으로 적용하느냐에 따라서도 그 결과가 크게 달라질 수 있다. 더욱 문제는 기술적으로 2차원 침수범람 해석결과의 신뢰도가 그리 높지 않다는데 있다. 따라서 침수피해 이력을 조사하여 모형의 검증이 보다 정교하게 이뤄질 필요가 있다. 소방방재청(현 국민안전처)「지구단위 홍수방어기준」에서는 사업지구의 취약성 분석을 위해 기왕최대 홍수조건 등을 고려하여 계획규모 이상의 초과홍수조건 시나리오를 작성하고, 1·2차원 모형 등에 의한 홍수범람해석을 수행하여 침수구역을 산정하도록 하고 있다.

(3) 인근하천 기준홍수위

침수위험지역은 저지대로 인하여 인근하천의 수위가 상승할 경우 하수역류 가능성과 함께 자연적인 내수배제가 어려운 경우가 많고, 하천월류나 제방붕괴에 의한 침수위험도 잠재하고 있다. 따라서 침수위험지역을 식별하기 위한 방법으로 인근하천의 계획홍수위 등 기준홍수위를 시가지로 연장하여 설정할 수 있다. 즉, 인근하천의 수위표고와 주변 시가지지역의 표고를 비교하여 산정한다. 홍수위 자료수집이 용이하지 않은 경우에는 하상고 또는 하천에서 일정 범위의 버퍼지역을 이용하여 선정하기도 한다(표 3 참조).

Table 3.

Identifying Lowlands with Reference to Nearby Rivers and Streams

(4) 지형특성인자

유역의 지형적 특성은 시가지 지역의 침수피해를 유발하는 주요 원인으로 알려져 있다. 일례로, 유역 하류부가 저지대 완경사이면서 인근하천으로의 우수배제가 원활하지 않은 경우, 지형적으로 우수의 집중도가 높은 경우에 해당한다. 한편으로, 지형특성인자는 객관적인 정보만을 이용하여 보다 현실적인 수단이 된다. 이와 같이 침수위험지역을 구분하기 위한 대표적 지형특성인자는 습윤지수(TWI: Topographic Wetness Index)를 들 수 있다(서울특별시, 2011). 습윤지수는 상류로부터 내려오는 우수의 흐름 특성과 하류로 통수시켜줄 수 있는 유하능력을 비교하여 토양이 포화되는 정도(또는 침수되는 정도)에 따라 저지지역을 구분하는 것이다. 이 방법은 단순한 과정을 통해 저지대의 구분이 가능하며, 기타 방법들에 비해 상대적으로 객관적인 지표를 근거로 할 수 있다는 장점이 있다. 참고로 서울특별시(2011)「2011 서울시 재난위험도 평가 및 활용방안」에서는 서울 전역을 대상으로 습윤지수를 산정하고, 습윤지수 ‘10’을 초과하는 지역을 내수침수 취약지역으로 설정한 바 있다.

지형특성인자를 이용한 침수위험지역의 또 다른 구분기준은 유역면적 및 경사와 침수피해액의 관계를 이용하는 것이다. 이는 소방방재청(2009)「내배수 침수재해 저감기술 개발」에 제시된 방법으로, 서울시의 강제배수구역과 삽교천유역을 대상으로 유도되었다. 이들 연구에 의하면, 유역면적과 제곱근 경사의 곱이 유출량과 밀접한 관련이 있으며, 이들 지형인자 특성과 침수피해액 관계를 파레토(Pareto) 법칙을 이용하여 설명 가능함을 제시하였다. 최종적으로는 유역면적의 경우, 3.5km², AS^1/2의 경우 0.5km²를 구분기준으로 제시하였고, 이와 같은 기준을 적용하여 저지지역의 경계부를 식별한 후 해당지역보다 낮은 표고를 가지는 지역을 침수위험지역으로 구분하였다.

빗물유출지역은 다시 홍수지체지역(시가화지역)과 유출억제지역(비시가화지역)으로 세분된다. 먼저, 홍수지체지역은 일반적으로 유역의 중･상류부의 시가화지역으로서, 유출억제지역과 침수위험지역의 사이에 위치한다. 홍수지체지역은 지표가 포화되어 상류로부터 유입된 우수가 지표면유출 흐름의 지배를 받는 지역으로, 유출억제지역에서 내려오는 빗물을 일시 저류하여 하류부 및 침수위험지역으로의 빗물유출을 경감시키기 위한 전략이 필요하다.

유출억제지역은 수원지역에 해당하는 지역으로 급경사 지역으로 구성될 가능성이 높고, 지표가 포화되지 않은 특성을 가진다. 이러한 지역에서는 침투를 적극적으로 도모하여 하류지역으로의 유출을 최소화 시켜야한다.

빗물유출지역은 침수위험지역에 영향을 미치는 영향권으로 구분하며, 시가화 정도, 토양의 포화 여부, 경사도에 따른 우수의 흐름상태를 이용하여 홍수지체지역과 유출억제지역을 식별할 수 있다.

(1) 시가화 정도

빗물유출지역을 구분하기 위한 가장 간단한 방법은 시가화 정도를 이용하는 것이다. 개념적으로 유출억제지역은 시가화되지 않은 자연지역이고, 홍수지체지역은 시가화가 이뤄진 지역에 해당한다. 일반적으로 시가화 정도는 다양한 기준에 의해 판단할 수 있으며, 기본적으로 토지이용현황 또는 용도지역 분류에 의해 구분이 가능하고, 도로 또는 도로에 접한 옹벽, 불투수율 등에 의해서도 구분이 가능하다. 일반적으로 공공하수도시설은 자연지역 하단부에서 시작되기 때문에 이 또한 구분기준으로 이용 가능하다.

(2) 토양의 포화 여부

토양의 포화 여부를 구분하기 위한 대표적 인자는 습윤지수를 들 수 있다. 습윤지수는 대표적으로 정적습윤지수, 동력학적 습윤지수, 유사 동력학적 습윤지수 등이 있으며, 지역구분을 위해서는 일반적으로 정적습윤지수가 이용된다. Beven and Kirkby (1979)에 의해 제안된 정적습윤지수는 지형의 포화정도를 설명하며, 이는 자연의 지형 특성을 반영하는 인자로 분포형 수문모형의 입력자료로도 활용되고 있다.

이와 같은 습윤지수를 이용하여 빗물유출지역을 구분하기 위해서는 토양의 포화 여부를 판단해야 한다. O'Loughlin(1986), Bariling et al.(1994)에 의하면, 토양의 포화는 상부사면으로부터의 누적 배수유량이 국부경사도와 토양 투수량 계수의 곱보다 큰 지역에서 발생하게 된다. 이를 통해 토양의 포화 여부를 판단하고, 빗물유출지역을 구분하게 되는데, 보다 자세한 내용은 소방방재청(2009)에서 참고할 수 있다. 참고로, 이와 같은 방법은 지표하 흐름특성을 고려한 것으로 투수지역에서 빗물유출지역을 구분할 때 적절할 것으로 알려져 있다.

(3) 경사도에 따른 우수의 흐름상태

우수의 흐름 상태는 경사의 조건에 의해 결정된다. 즉, 경사에 의한 흐름의 특성 차이를 이용하여 빗물유출지역을 구분할 수 있다. 이와 같은 중력에 의한 유출흐름에서는 관성력과 중력의 비가 흐름 특성을 좌우한다. 이러한 흐름에 대한 판단 기준은 물의 관성력과 중력의 비인 프루드 수(Froude number)를 이용하며, 크게 상류, 한계류, 사류 등으로 나눌 수 있다(우효섭, 2002). 이때 한계경사를 이용하여 우수 흐름특성을 상류와 사류로 구분할 수 있으며, 보다 자세한 내용은 소방방재청(2009)에서 참고할 수 있다. 다만, 이와 같은 방법은 침투의 영향을 무시한 것으로 불투수지역에서 빗물유출지역을 구분할 때 적절한 것으로 알려져 있다.

앞서 제시된 지역구분방법은 실제 적용에 있어서는 대상지역의 특성과 자료의 구득가능성, 시간과 비용 등을 고려하여 전부 또는 일부가 적용될 것인데, 각 지역구분방법의 장․단점을 살펴보면 표 4와 5와 같다.

Table 4.

Advantages and Disadvantages of Methods to Identify Flood Prone Area

Table 5.

Advantages and Disadvantages of Methods to Identify Stormwater Runoff Area

(1) 침수피해이력

대상지역은 과거 반복적으로 침수가 발생하였던 상습침수지역에 해당한다. 이에 2001년, 2010년, 2011년 침수피해 이력을 이용하여 침수위험지역을 구분하면 그림 3과 같다.

(2) 침수예상지역

강우-유출-침수해석은 강우 조건에 따라 침수피해 예상지역이 달라질 수 있다. 이는 강우의 재현기간에 따른 강우량에 대한 차이로 나타날 수도 있고, 강우의 지속시간, 시간분포 등과 같은 시공간적 특성에 의한 차이일 수도 있다. 침수위험지역은 침수피해의 발생가능성이 높거나 침수취약도 역시 매우 불리한 지역을 나타낸다. 이에 재현기간에 따라 침수피해 예상지역을 그림 4와 같이 구분하였다.

(3) 기준홍수위

대상지역의 말단부 하수관거는 사당천의 복개하천과 연결되고, 이는 다시 반포천으로 유입된다. 이에 「서울시 물순환기본계획 연구」(서울특별시, 2004)에서 이용한 반포천의 계획홍수위 자료를 수집하여 대상지역의 침수위험지역을 구분하였다. 그 결과는 그림 5와 같다. 이때 홍수위에 1m를 더한 기준도 추가하였다. 그림 5에서 볼 수 있듯이 기준홍수위를 이용한 방법은 인근 하천의 홍수위를 이용하였기 때문에 침수위험지역의 범위가 주로 대상지역의 하류부에 집중되어 있음을 알 수 있다.

(4) 지형특성인자

습윤지수(TWI)는 상류로부터 내려오는 흐름특성과 하류로 통수시켜줄 수 있는 유하능력을 비교하여 토양의 포화 정도를 판단하는 지표이며, 지형 특성인자를 이용하여 저지대를 구분할 수 있는 대표적인 방법이다. 서울특별시(2011)「서울시 재난위험도 평가 및 활용방안」에서는 습윤지수 ‘10’을 기준으로 저지대 및 침수취약지역으로 구분하였다. 본 연구에서도 이와 동일하게 습윤지수 ‘10’을 초과하는 지역을 침수위험지역으로 구분하였으며, 그 결과는 그림 6과 같다.

빗물유출지역은 침수위험지역에 영향을 미치는 유역으로 구분해야 한다. 즉, 침수위험지역의 상류부 전체가 해당된다. 다만, 앞서 침수위험지역을 확정지을 수 없기 때문에 대상지를 빗물유출지역으로 가정한 후, 홍수지체지역과 유출억제지역으로 구분한다. 홍수지체지역과 유출억제지역의 식별을 위해서는 도시생태현황도를 이용한 토지이용 특성과 시가화 및 불투수 지역의 파악과 공공하수시설 현황 등을 검토해야 한다. 이에 2010년 도시생태현황도를 수집한 후, 토지이용 특성상 녹지 및 오픈스페이스 영역을 선별하였다. 다음 단계로, 시가화 및 불투수 지역을 제외하고, 공공하수관망의 시점을 확인하여 최종적으로 홍수지체지역과 유출억제지역을 그림 7과 같이 구분하였다. 그 결과, 대상지역(면적 293.4ha)에서 유출억제지역은 104.2ha, 홍수지체지역은 189.2ha(침수위험지역 포함)로 나타남을 알 수 있었다.

Fig 3.

Flood Prone Area using the Flood Damage Areas

Fig 4.

Flood Prone Area using Flood Simulation Results by Return Period

Fig 5.

Flood Prone Area with Reference to Design High Water Levels(HWLs)

Fig 6.

Flood Prone Area using the Topographic Wetness Index

Fig 7.

Stormwater Runoff Area using the Urbanization Level

각 지역구분방법에 의해 식별된 지역들은 공간적으로 공통된 영역을 갖기도 하고 상이한 영역을 갖기도 한다. 구분방법별로 그 특성이 상이하고 각각의 장․단점이 있기 때문에 어떤 방법이 옳다고 단정하기에는 무리가 있다. 다만, 면적의 유사성 정도나 형태 측면에서의 중첩 또는 공통영역 공유정도 등의 측면에서 어느 정도 판단의 실마리를 제공해 줄 수 있을 것이다.

먼저, 각 방법에 의해 식별된 지역들 간의 중첩특성을 파악하여 가장 적절한 방법을 선택할 수 있을 것이다. 예를 들어, 각 기준에 의해 구분된 지역을 다음과 같이 A₁, A₂, A₃라고 하자(그림 8 참조).

Fig 8.

Overlapping Relation of Areas by Classification Methods

이들 지역은 구분방법에 따라 서로 중첩되는 특성이 상이하게 나타난다. 예를 들어, A₁을 기준으로 하면 A₂/A₁, A₃/A₁을 비교해볼 수 있는데, 이는 A₁에 A₂와 A₃가 어느 정도 포함되었는지를 나타낸다. 이와 같이 A₂와 A₃를 기준으로 반복하면, 각 지역의 중첩 특성을 파악할 수 있다. 따라서 구분방법별로 중첩면적을 이용한 다음 계수를 통해 지역들 간의 중첩특성을 비교해볼 수 있다.

여기서 i와 j는 구분방법, A_i와A_j는 구분방법별 지역의 면적을 나타낸다. 위 관계식을 이용하여 각 구분방법별 지역들 간의 중첩면적 관계를 Matrix로 나타내면 그림 9와 같다.

Fig 9.

Overlapping Matrix of Areas by Classification Methods

다음으로, 공통영역을 비교기준으로 하여 지역들의 중첩 및 공간분포 특성을 파악해볼 수 있다. 이때 공통영역은 구분방법별 지역들의 교집합 영역과 합집합 영역이 될 수 있다. 먼저, 각 지역구분 기준에 의한 교집합 영역을 기준으로 할 경우에 대해 살펴보자(그림 10 참조).

각 구분방법별 지역 면적이 상이하고, 그 형상도 상이하게 나타날 수 있음을 고려하여, 구분기준별로 지역구분은 A₁, A₂, A₃로 이뤄졌다고 가정해보자(그림 10 참조). 공통영역인 교집합 부분은 A₀가 된다. 이때 각 지역구분 결과와 교집합 영역과의 관계를 판단하기 위한 가장 단순한 방법은 교집합 영역의 중심점(c₀)과 각 지역의 중심점까지의 거리(c_i)를 이용하는 것이다. 이 방법은 지역면적과 형상을 무시한 가장 단순한 방법이 된다. 다음은 교집합 영역을 기준으로 구분방법별 지역들의 면적비를 비교하는 것이다. 이와 같은 방법은 각 구분방법별 지역이 교집합 영역을 얼마나 포함하는지 살펴볼 수 있다. 다만, 구분방법별 지역의 형상이 상이한 특성을 고려하는데 한계가 있다. 이를 고려하기 위한 방법은 교집합 영역의 중심점에서 구분방법별 지역 경계까지의 거리(d_ij)를 이용하는 것이다. 이를 통해 지역의 형상 특성을 파악할 수 있다. 이상과 같은 기준을 정리하면 다음과 같다.

• ① 기준1(Case1): 교집합 영역의 중심점에서 구분방법별 지역의 중심점까지 거리
  $$ Min. \sqrt{{(x_{c_0}-x_{c_i})}^2+{(y_{c_0}-y_{c_i})}^2}$$
• ② 기준2(Case2): 교집합 영역과 구분방법별 지역의 면적 비율
  $$ Max. \frac{A_0}{A_i}$$
• ③ 기준3(Case3): 교집합 영역의 중심점에서 구분방법별 지역의 경계까지의 평균거리
  $$ Min. \sum _{j=1}^m\sqrt{{(x_{c_0}-x_{d_{ij}})}^2+{(y_{c_0}-y_{d_{ji}})}^2}$$

여기서 $$ x_{c_0}$$와 $$ y_{c_0}$$는 교집합 영역 중심점의 $$ x$$, $$ y$$ 좌표이고, $$ i$$는 구분기준, $$ x_{c_i}$$와 $$ y_{c_i}$$는 구분기준별 지역 중심점의 $$ x$$, $$ y$$ 좌표, A₀는 교집합 영역의 면적, $$ i$$는 구분방법 순서, A_i는 구분방법별 지역의 면적, $$ m$$은 지역의 형상을 등분한 횟수, $$ x_{d_{ij}}$$와 $$ y_{d_{ij}}$$는 구분방법별 지역 경계를 $$ m$$ 등분으로 분할한 후의 각 분할지점의 $$ x$$, $$ y$$ 좌표를 나타낸다.

Fig 10.

Common Territory by Area Classification Methods (Intersection)

앞서 적용결과를 살펴보면, 침수위험지역은 구분방법에 따라 상이한 특성을 나타낸다. 구분지역의 수를 기준으로 보면, 계획홍수위를 기준으로 한 경우 하나의 지역으로 구분되기도 하고, 지형특성인자를 이용한 경우 공간적으로 산발적인 형태로 나타나기도 한다. 지역의 위치를 기준으로 보면, 계획홍수위를 기준으로 한 경우 하류부에 집중되기도 하고, 침수피해이력을 이용한 경우 다년간 누적된 침수피해 지역이 유역 전역에 나타나기도 한다. 또한 지역의 분포특성이 침수예상지역의 경우 배수시설의 초과유출량에 의해 관망 주변으로 분포되기도 하고, 계획홍수위를 기준으로 한 경우 계획홍수위를 수평으로 연장하였기 때문에 지면높이에 의해 구분되기도 한다.

한편, 구분방법별로 지역의 면적도 크게 상이함을 알 수 있다. 각 구분방법에 의한 침수위험지역의 면적은 표 6과 같다.

표 6에서 볼 수 있듯이 지형특성인자를 이용한 방법이 가장 넓은 지역으로 나타났으며, 전체적으로는 지형특성인자, 침수피해이력, 계획홍수위, 침수예상지역 순으로 나타났다. 구분방법별로 상대적인 면적의 차이가 크게 나타나고 있는데, 이는 기본적으로 구분방법 자체의 특성 때문이다. 지형특성인자를 이용한 지역은 습윤지수를 기준으로 하여 유역전역에서 우수 집중도가 높은 지역이 선정되어 넓게 분포되어 있고, 침수피해이력의 경우는 침수피해가 1회 이상 발생한 지역이 901천m², 2회 이상 발생지역이 457천m²로 2000년 이후 다년간 누적된 침수피해 면적에 해당함으로 그 면적이 크게 나타나고, 침수예상지역의 경우는 배수시설을 모형화하여 초과유출량에 대한 침수모의 결과에 해당함으로 그 면적이 상대적으로 작게 나타난다.

Table 6.

Comparison of Flood Prone Areas by Area Classification Methods

한편, 구분방법별로도 다양한 기준을 이용할 수 있다. 본 연구에서는 침수피해이력을 이용한 경우는 침수피해 2회 이상 발생지역, 침수예상지역의 경우는 100년 빈도 확률강우량에 대한 침수모의결과, 기준홍수위의 경우는 계획홍수위, 지형특성인자의 경우는 습윤지수가 ‘10’ 이상인 지역을 고려하였다. 이들 기준을 통해 구분된 침수위험지역의 특성을 비교하기 위해 구분방법별 중첩특성을 살펴보았다.

(1) 지역들 간의 중첩관계를 이용한 구분방법의 평가

각 구분방법에 의한 침수위험지역 결과를 살펴보면, 침수피해이력을 이용한 경우에는 다년간 누적된 모든 피해이력이 포함되어 상대적으로 큰 면적을 차지함을 알 수 있으며, 침수예상지역을 이용할 경우에는 하수관망에서 발생한 초과유출량에 의해 관거와 도로망 중심으로 침수피해가 나타남을 알 수 있다. 또한 하천 기준홍수위를 기준으로 침수위험지역을 구분할 경우에는 침수위험지역이 유역의 하류부에 대부분 위치함을 알 수 있고, 지형특성인자를 기준으로 한 침수위험지역은 완경사 저지대 지역과 우수의 집중도가 높은 소규모 지역을 합한 형태로 나타남을 알 수 있다. 이상과 같은 방법에 의해 구분된 침수위험지역들의 중첩특성을 정리하면 표 7과 그림 11과 같다.

Table 7.

Overlapping Matrix of Flood Prone Areas by Area Classification Methods (Unit: %)

Fig 11.

Overlapping Characteristics of Areas by Classification Methods

하나의 구분방법에 의한 침수위험지역이 그 외의 구분방법에 의한 지역들을 포함하는 면적 순서(표 7의 하단 평균)는 지형특성인자, 침수피해이력, 기준홍수위, 침수예상지역 순으로 나타난다. 지형특성인자를 이용한 방법은 그 외의 방법들에 의한 지역을 평균 82% 정도 포함하며, 공통영역을 가장 많이 포함하는 것으로 나타났다. 따라서 중첩도만을 기준으로 구분방법을 평가하면, 지형특성인자를 이용한 방법이 그 외의 방법들에 의한 결과를 가장 많이 재현하는 것으로 이해할 수 있다. 그 다음은 침수피해이력을 이용한 경우인데, 약 67%로 지형특성인자를 이용한 방법 다음으로 그 외의 구분방법 결과를 많이 포함하고 있음을 알 수 있다.

또한 하나의 구분방법에 의한 침수위험지역이 그 외의 구분방법에 의한 지역들에 포함되는 면적이 많은 순서(표 7의 우측 평균)는 침수예상지역, 기준홍수위, 지형특성인자, 침수피해이력 순으로 나타났다. 침수예상지역을 이용한 방법이 그 외의 방법들에 의한 지역에 가장 많이 포함되는 것으로 나타났다. 이는 침수예상지역을 이용한 지역구분 결과가 관망과 도로망을 따라 상대적으로 소규모로 나타나기 때문이다. 또한 지역구분이 침수모의 결과에 의해 raster 형태로 나타나기 때문에 상대적으로 작은 면적을 차지하는 것도 이유가 된다.

이상과 같이 중첩면적비에 대한 matrix 결과를 두 가지 측면에서 종합적으로 비교해보면, 지형특성인자를 이용한 방법이 그 외의 방법들의 지역을 가장 많이 포함하고, 침수피해이력을 이용한 방법도 적절한 것으로 나타났다. 다만, 침수피해이력을 이용할 경우에는 그 외의 방법들에 의한 지역에 비해 상대적으로 넓은 지역으로 나타나고 있기 때문에 실제 적용 시에는 침수피해이력, 주변 하천의 기준홍수위 등과의 비교검토가 요구된다.

(2) 공통영역을 이용한 구분방법의 평가

앞서 정리한 바와 같이 기준영역(교집합, 합집합)에 따라 각 구분방법별 침수위험지역을 비교하였다. 이때 평가기준은 기준1의 경우 기준영역의 중심점과 각 구분방법별 침수위험지역의 중심점까지의 거리, 기준2의 경우 기준영역과 각 구분방법별 침수위험지역의 면적비(교집합을 기준으로 할 경우: 교집합 면적/침수위험지역 면적, 합집합을 기준으로 할 경우: 침수위험지역 면적/합집합 면적), 기준3의 경우 기준영역의 중심점에서 각 구분방법별 침수위험지역의 경계까지의 거리를 이용하였다. 그림 12는 지역구분방법을 이용하여 산정한 침수위험지역의 교집합과 합집합 영역을 나타낸 것이다. 이때 각 구분방법에 의한 침수위험지역의 중심점 특성이 비교될 수 있도록 하였다.

그림 12에서 볼 수 있듯이 기준 영역별 중심점의 특성을 비교해보면, 교집합 영역은 합집합 영역에 비해 상대적으로 하류부에 위치하게 된다. 이는 유역 상류부의 침수피해이력이 있고, 상류 일부지역에서 우수의 집중도가 높게 나타나기 때문이다.

Fig 12.

Criterion of Flood Prone Areas by Classification Method

구분방법별 침수위험지역의 특성을 평가하기 위한 기준 영역을 지역들의 교집합, 합집합 영역으로 설정하고, 그 특성을 이용한 평가 결과는 표 8과 같다.

총 4가지 구분방법(침수피해이력, 침수예상지역, 기준홍수위, 지형특성인자)에 의한 침수위험지역들의 교집합을 기준으로 비교해 보면, 기준1에서는 침수예상지역, 지역특성인자, 기준홍수위, 침수피해이력 순으로 나타났다. 이는 교집합 영역과 중심점 거리가 가까운 순서를 나타낸다. 기준2에서는 침수예상지역, 기준홍수위, 침수피해이력, 지형특성인자 순으로 나타났으며, 이는 교집합 영역을 많이 포함한 순서를 나타낸다. 기준3에서는 침수예상지역, 기준홍수위, 침수피해이력, 지형특성인자 순으로 나타났으며, 이는 구분방법별 지역의 형상까지의 거리가 교집합 영역에 가까운 순서를 나타낸다. 전체적으로 보면, 침수예상지역을 이용한 침수위험지역이 교집합 영역에 가장 근사하게 가까우며, 약 43% 정도가 교집합 영역에 포함되는 것으로 나타났다. 이는 앞서 살펴본 면적중첩비 결과와도 유사하다. 지형특성인자를 이용한 침수위험지역의 중심점은 교집합 영역에 근사하지만, 유역전역에 걸쳐 분포하여 기준3에서는 가장 큰 값을 보이며 교집합 영역을 포함하는 비율도 가장 작게 나타남을 알 수 있다.

합집합 영역을 기준으로 살펴보면, 먼저 합집합 영역의 중심점 위치는 침수피해이력과 지형특성인자에 의해 교집합 영역에 비해 상류로 이동하게 된다. 이로 인해 상대적으로 하류부에 위치한 계획홍수위 구분방법이 가장 먼 거리를 나타내게 된다. 기준1에서는 지형특성인자를 이용한 방법이 가장 작은 값을 나타내는데, 이는 합집합 영역을 결정하는데 가장 큰 기여를 하였기 때문이다. 합집합을 기준으로 한 기준2는 합집합 면적과 구분방법별 면적의 비율 순서를 나타내며, 지형특성인자, 침수피해이력, 기준홍수위, 침수예상지역로 나타난다.

이상과 같이 공통영역을 기준으로 비교한 결과, 전반적으로 지형특성인자를 이용한 방법이 다른 기준들에 의해 결정된 침수위험지역에 대한 설명력이 가장 높으며, 침수피해이력을 이용한 방법도 어느 정도 적절한 것으로 나타났다. 따라서 침수위험지역은 지형특성인자를 중심으로 지역범위를 식별하되, 침수피해이력을 비롯한 다른 방법들을 보완적으로 이용하여 결과비교를 통해 최종 선정하는 것이 무난할 것으로 판단된다.

Table 8.

Evaluation of Flood Prone Areas by Classification Method