표제지

제출문

요약문

SUMMARY

목차

제1장 서론 17

제1절 연구목표 17

1. 연구의 필요성 17

2. 연차별 연구목표 19

제2절 주요 연구내용 20

1. 총괄 연구내용 20

2. 연차별 세부 내용 20

제2장 국내·외 기술개발 현황 25

제1절 국내 기술동향 26

제2절 국외 기술동향 26

제3절 기술동향 분석 결론 27

제3장 연구개발 수행내용 및 결과 29

제1절 근대 이후 극한홍수 기록 조사 29

1. 삼국시대 이후 약 2,000년간의 홍수기록 목록 완성 29

2. 1770년 이후 일최대강우량 및 집중호우의 장기변동성 검토 30

제2절 과거 청계천 극한홍수 분석 및 평가 32

1. 과거 청계천 유역경계 및 하천 추출 32

2. 과거 청계천 토지이용자료 구축 34

3. HEC-HMS를 이용한 과거 청계천 유역 극한홍수량 산정 36

4. HEC-RAS 및 WMS 모형을 이용한 과거 청계천 유역 홍수범람구역 모의 52

5. 요약 및 결론 71

제3절 현재의 확률강우량 및 가능최대강수량의 평가 74

1. 호우기록 작성 원칙 및 측우기기록과의 비교 74

2. 조선왕조실록에 나타난 홍수기록 검토 79

3. 비정기적인 역사기록을 포함한 자료의 빈도해석 85

4. 홍수사상의 복원 및 확률강우량의 변화 평가 93

5. PMP와 확률강우량의 변화 평가 96

6. 과거 주요호우사상의 시간분포 114

제4절 장기관측기록의 기후변화 및 도시화의 영향평가 122

1. 연최대 호우사상을 이용한 측우기 및 현대호우의 비교 122

2. 엘리뇨와 라니냐의 발생년도 연최대호우사상의 관계 145

제4장 연구개발목표 달성도 및 관련분야에의 기여도 151

제1절 연구목표의 달성도 151

1. 연구개발 수행 진도율 151

2. 연구개발 목표의 달성도 152

제2절 관련분야 기대효과 153

1. 기술적 측면 153

2. 산업적 측면 153

제5장 연구개발결과의 활용계획 155

제1절 연구성과 155

1. 학술지 게재(3건) 155

2. 학술회의 발표(6건) 155

3. 교육·홍보(1건) 155

4. 학술지 기사(1건) 156

5. 언론홍보(14건) 156

제2절 활용계획 156

제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 159

제1절 조선왕조실록에 나타난 기후관련 기후고찰 159

1. 연구논저 159

2. 기후관련 조선시대 문헌사료 160

제2절 측우기 관련 연구성과 및 자료검색방법 160

1. 연구논문 160

2. 관련문헌 검색시스템 160

제7장 참고문헌 161

〈표 1.1-1〉 연차별 연구 목표 19

〈표 1.2-1〉 연차별 주요 연구 내용 22

〈표 1.2-1〉 연차별 주요 연구 내용(계속) 23

〈표 3.2-1〉 서울지점 확률강우량의 비교(청계천복원 타당성 조사 및 기본계획, 시정개발연구원, 2003) 36

〈표 3.2-2〉 측우기 대상호우사상 37

〈표 3.2-3〉 소유역 구분 43

〈표 3.2-4〉 각 경사별 유속 45

〈표 3.2-5〉 홍수도달시간 산정결과 45

〈표 3.2-6〉 홍수량산정 매개변수 46

〈표 3.2-7〉 홍수량 산정 결과 종합 52

〈표 3.2-8〉 지표면 흐름에 대한 조도계수(FLO-2D User's Manual) 58

〈표 3.2-9〉 토지피복유형별 조도계수(한국수자원학회, 2008) 58

〈표 3.2-10〉 홍수사상별 홍수범람구역 산정결과 66

〈표 3.2-11〉 침수면적별 가옥피해 규모 산정결과 68

〈표 3.2-12〉 조선왕조실록의 홍수피해 기록 68

〈표 3.2-13〉 수표교 수위복원 자료 70

〈표 3.2-14〉 각 홍수사상별 월류발생 여부 70

〈표 3.3-1〉 조선왕조실록의 호우 및 홍수기록의 작성원칙 75

〈표 3.3-2〉 주요 호우사상의 발생회수 81

〈표 3.3-3〉 각 방법별 확률강우량 91

〈표 3.3-4〉 조선왕조실록 호우사상의 복원을 고려한 확률강우량의 변화 94

〈표 3.3-5〉 SRES 시나리오별 기후변화 전망 96

〈표 3.3-6〉 연도별 최고기온 및 가강수량의 변화 예측 99

〈표 3.3-7〉 PMP도 작성에 이용된 한국의 주요호우 100

〈표 3.3-7〉 연도별 가능최대강수량 및 확률강우량의 변화 109

〈표 3.3-8〉 재현기간별 확률강우량 및 가능최대강수량의 비 111

〈표 3.3-9〉 시간분해 대상자료 특성 116

〈표 3.3-10〉 Random cascade 모형의 매개변수 산정결과 117

〈표 3.3-11〉 측우기 및 현대 호우사상의 통계특성 126

〈표 3.3-12〉 측우기 호우사상에 대한 매개변수 추정 132

〈표 3.3-13〉 현대 호우사상에 대한 매개변수 추정 132

〈표 3.3-14〉 연최대 호우사상의 통계특성(전기간 매개변수) 136

〈표 3.3-15〉 연최대 호우사상의 통계특성(기간별 매개변수) 136

〈표 3.3-16〉 전체 호우사상과 연최대호우사상의 비교 142

〈표 3.3-17〉 엘니뇨와 라니냐 발생년도 146

〈표 3.3-18〉 월별 ONI 147

〈표 3.3-19〉 엘니뇨와 라니냐시 대표 호우사상의 지속기간별 비교 149

〈그림 1.2-1〉 극치수문사상변화 특성 주요 연구 내용 21

〈그림 3.1-1〉 2,000년간의 홍수기록 29

〈그림 3.1-2〉 조선시대 홍수기록 발생건수 30

〈그림 3.1-3〉 중국 광둥지방 태풍 빈도기록(Liu et al., 2001) 30

〈그림 3.1-4〉 일최대강우량의 장기변동성 31

〈그림 3.1-5〉 집중호우의 장기변동성 31

〈그림 3.2-1〉 청계천 극한홍수 분석 절차 32

〈그림 3.2-2〉 조선시대 수표교(사진으로 본 백년 전의 한국, 1997) 33

〈그림 3.2-3〉 조선시대 장통교(좌) 및 청계천 본류(우) 모습(사진으로 본 백년 전의 한국, 1997) 33

〈그림 3.2-4〉 1901년경 한성부 지도(Transaction지, 1902) 33

〈그림 3.2-5〉 과거 청계천 유역경계 및 하천 추출(일제시대 지형도 이용) 34

〈그림 3.2-6〉 1890년경 서울(사진으로 본 백년 전의 한국, 1997) 35

〈그림 3.2-7〉 1900년대 초 서울도성(호주 사진가의 눈을 통해 본 한국 1904, 2004) 35

〈그림 3.2-8〉 과거 청계천 토지이용자료 구축(우측은 2002년의 토지이용현황) 35

〈그림 3.2-9〉 서울지역 Huff 분포의 무차원 누가곡선(청계천복원 타당성 조사 및 기본계획, 시정개발연구원, 2003) 37

〈그림 3.2-10〉 Random cascade 모형의 적용결과 예(Event 1) 38

〈그림 3.2-11〉 Random cascade 모형의 적용결과 예(Event 1) 38

〈그림 3.2-12〉 Random cascade 모형의 적용결과 예(Event 3) 38

〈그림 3.2-13〉 1828년(202 mm) 호우사상의 시간분포 특성 39

〈그림 3.2-14〉 1885년(392 mm) 호우사상의 시간분포 특성 39

〈그림 3.2-15〉 Random Cascade 모형에 의한 1885년(392 mm) 호우사상의 시간분포 40

〈그림 3.2-16〉 Random Cascade 모형에 의한 1828년(202 mm) 호우사상의 시간분포 40

〈그림 3.2-17〉 Huff 및 Random Cascade 시간분포의 무차원 누가곡선 비교(1885년) 41

〈그림 3.2-18〉 Huff 및 Random Cascade 시간분포의 무차원 누가곡선 비교(1828년) 42

〈그림 3.2-19〉 홍수유출량 산정지점(준천사실, 1760) 43

〈그림 3.2-20〉 소유역 구분 43

〈그림 3.2-21〉 강우지속기간-첨두홍수량 관계곡선(Huff 2분위 분포 - 1885년) - 오간수문 지점 47

〈그림 3.2-22〉 재현기간별 유출-수문 곡선 (Huff 2분위 분포 - 1885년) 47

〈그림 3.2-23〉 소유역별 홍수량 (Huff 2분위 분포 - 1885년) 48

〈그림 3.2-24〉 소유역별 홍수량 (Huff 2분위 분포 - 1828년) 48

〈그림 3.2-25〉 Huff 분포 및 Random Cascade 분포에 의한 홍수량 산정결과 비교 49

〈그림 3.2-26〉 Random Cascade 호우사상의 각 Case 별 유출-수문곡선 50

〈그림 3.2-27〉 홍수위 산정을 위한 하천단면 추정 지점 53

〈그림 3.2-28〉 과거 청계천 하도구간 길이 및 너비 추정(청계천 박물관 사진자료) 53

〈그림 3.2-29〉 본류구간 단면자료(조선지형도 집성, 1921) 54

〈그림 3.2-30〉 청계천개수계획 평면병종단도(경성부, 1936) 54

〈그림 3.2-31〉 현재 및 과거 수표교 전경 및 수표교 횡단도(청계천 유물발굴조사보고서, 2006) 55

〈그림 3.2-32〉 청계천 본류구간의 현재 및 과거의 하천종단 비교 56

〈그림 3.2-33〉 청계천 본류구간의 각 주요지점별 현재와 과거의 하천횡단 비교 57

〈그림 3.2-34〉 청계천 본류구간의 각 주요지점별 HEC-RAS 입력자료(하천단면 및 조도계수) 60

〈그림 3.2-35〉 청계천 본류구간의 각 주요지점별 HEC-RAS 입력자료(유입량) 61

〈그림 3.2-36〉 각 홍수사상별 HEC-RAS 모의 결과(Huff 및 Random Cascade 시간분포 홍수량 입력) 62

〈그림 3.2-37〉 WMS 모형의 TIN 생성 63

〈그림 3.2-38〉 HEC-RAS에서 WMS로의 연계 운영 63

〈그림 3.2-39〉 WMS 모형을 이용한 각 홍수위별 홍수범람구역 산정 결과 64

〈그림 3.2-40〉 100년 전(1894) 서울의 옛모습 및 제작모형(서울학연구소, 1995) 67

〈그림 3.2-41〉 1894년 청계천 주변 모습(서울학연구소, 1995) 67

〈그림 3.2-42〉 조선시대 수표 기록 복원(1636~1779) 69

〈그림 3.3-1〉 측우기 및 조선왕조실록의 주요호우사상 76

〈그림 3.3-1〉 측우기 및 조선왕조실록의 주요호우사상(계속) 77

〈그림 3.3-1〉 측우기 및 조선왕조실록의 주요호우사상(계속) 78

〈그림 3.3-2〉 측우기와 현대 강우기록 89

〈그림 3.3-3〉 도해법을 이용한 확률밀도함수의 매개변수 추정 90

〈그림 3.3-4〉 조선왕조실록과 측우기 기록의 비교에 의한 대표호우사상 복원 93

〈그림 3.3-5〉 조선왕조실록 주요호우사상의 기간별 발생특성 93

〈그림 3.3-6〉 자료확충에 따른 확률강우량의 변화 95

〈그림 3.3-7〉 시나리오별 CO2 농도의 변화 97

〈그림 3.3-8〉 시나리오별 연평균기온의 변화 98

〈그림 3.3-9〉 연도별 최고기온 및 가강수량의 변화 예측 99

〈그림 3.3-10〉 PMP와 확률강우량의 비율의 전국분포 112

〈그림 3.3-11〉 PMP와 확률강우량의 비율의 히스토그램 113

〈그림 3.3-12〉 Random cascade 모형의 개념도 115

〈그림 3.3-13〉 Huff 방법의 무차원 누가곡선 118

〈그림 3.3-14〉 실제 호우사상의 무차원 누가곡선 118

〈그림 3.3-15〉 호우사상별 무차원 누가곡선(좌: 모든 경우, 우: 선정된 경우) 119

〈그림 3.3-16〉 Random cascade 모형의 적용결과(45분 간격, Event 1) 120

〈그림 3.3-17〉 Random cascade 모형의 적용결과(45분 간격, Event 2) 120

〈그림 3.3-18〉 Random cascade 모형의 적용결과(45분 간격, Event 3) 121

〈그림 3.3-19〉 IETD에 기초한 독립호우사상의 구분 124

〈그림 3.3-20〉 측우기 호우사상의 예 124

〈그림 3.3-21〉 측우기 및 현대 호우사상의 이변량 히스토그램 127

〈그림 3.3-22〉 측우기와 현대 호우사상의 강우강도와 총강우량의 관계 128

〈그림 3.3-23〉 연도별로 추정된 매개변수 133

〈그림 3.3-24〉 연최대호우사상(전기간 매개변수) 135

〈그림 3.3-25〉 연최대호우사상(기간별 매개변수) 135

〈그림 3.3-26〉 우기 총강우량과 모형 매개변수의 비교 137

〈그림 3.3-27〉 연최대호우사상의 히스토그램(기간별 매개변수) 138

〈그림 3.3-28〉 연최대호우사상의 히스토그램 (전기간 매개변수) 139

〈그림 3.3-29〉 연최대호우사상의 이변량 히스토그램 140

〈그림 3.3-30〉 연최대 호우사상 141

〈그림 3.3-31〉 연최대호우사상의 변화 143

〈그림 3.3-32〉 1950년 - 2008년 월별 ONI 146

〈그림 3.3-33〉 엘니뇨와 라니냐시 지속기간별 호우사상 비교 148

〈그림 3.3-34〉 엘니뇨와 라니냐시 대표 호우사상 비교 149

I. 제목

세부과제명 : 이상홍수 대비 수공구조물 설계기준 개선

세세부과제명 : 극치수문사상 변화특성 분석 (1-1세세부)

위탁과제명 : 조선왕조실록 및 측우기기록에 나타난 주요호우사상의 평가 및 정량화 방안

II. 연구개발의 목적 및 필요성

ㆍ본 연구의 최종 목표는 우리의 역사 기록으로부터 과거에 발생한 극한홍수 자료를 조사하고 분석하여 극한홍수의 장기 변화 특성을 분석한 후, 역사기록의 홍수사상을 포함한 빈도해석을 통하여 장기간의 홍수사상을 포함한 안정적 설계기반을 제공함으로써, 이상홍수에 대비한 기준에 활용하고자 하는 것이다.

ㆍ과거에 발생한 홍수기록을 역사기록에서 확인하고, 재해석하는 것은 근대적 관측기록에 100년 내외의 극한홍수 자료 기간을 획기적으로 확장할 수 있으며, 장기간의 정성적, 정량적 극한홍수기록으로부터 극한홍수의 발생 경향을 파악할 수 있고, 설계에도 반영하여 극한홍수에 안전한 기준을 작성할 수 있다.

ㆍ측우기, 조선왕조실록과 같은 과거에 발생한 주요 호우기록을 역사기록에서 조사하여 분석하고, 이러한 역사기록의 호우사상을 포함한 빈도해석을 통하여 안정적인 설계기반을 제공함으로써 이상호우에 대비한 기준에 활용하고자 하는 것이다. 이와 관련된 구체적인 최종목표는 다음과 같다.

- 측우기자료와 조선왕조 실록기록의 비교를 통한 자료 복원

- 복원자료의 사상평가

- 복원자료를 포함한 현대기록의 재현기간 평가

- 현재 사용되고 있는 PMP의 적절성 평가

- 기후변화 및 도시화의 강우에 대한 영향 평가

ㆍ우리나라는 조선왕조실록에 조선시대 전 기간에 걸쳐서 전국적으로 발생한 홍수피해를 기록하고 있으며, 서울지점에서 1770년 이후 관측된 측우기의 관측강우량자료는 세계적으로 희귀한 자료임. 이를 조선왕조실록 자료와 비교 평가하여 복원할 경우 조선시대부터 현재까지의 강우사상에 대한 평가를 할 수 있으며 이는 최근 발생하고 있는 이상기후의 평가에 대한 척도가 될 수 있다.

III. 연구개발의 내용 및 범위

본 과제는 역사기록으로부터의 홍수재해 기록을 조사하여 DB를 구축하고, 홍수재해를 재해석하며 극한홍수의 장기 변화 특성을 분석한 후, 강우설계에 반영하는 기술을 개발하는 과제로서, 본 연구에서는 극한홍수의 국내외 연구사례를 조사하고 조선시대부터 1900년대 이후까지의 극한 홍수자료를 조사하며 이를 데이터베이스로 구축한다. 구축된 극한홍수자료를 이용하여 과거의 홍수를 정량적으로 평가할 수 있는 지표를 개발하여 역사기록 이후의 극한홍수에 대한 지표화를 시도한다. 또한, 역사기록과 측우기 기록에 의한 홍수사상의 평가 및 정량화를 통하여 100년 이내에 국한된 근대적 자료에 의한 빈도해석을 500년 이상의 장기간에 대한 자료로 확장함으로써 안정적 설계기반을 제공한다.

ㆍ극한 홍수 기록 DB 구축: 조사된 역사홍수기록을 데이터베이스화

ㆍ과거 극한 홍수의 재해석 기술: 역사기록의 홍수피해 내용을 근거로 하여, 과거에 발생한 홍수 피해의 정도를 정량화하고 홍수의 규모를 평가할 수 있는 역사홍수평가지표를 개발하며, 이를 수정·보완하여 적용성을 평가한다.

ㆍ역사기록의 홍수를 활용한 설계강우빈도 해석 기술: 1770년 이후 관측된 측우기의 관측 강우량자료와 조선왕조실록과의 일치성 검토결과를 토대로 1770년 이전 200여년의 (조선왕조실록에 나타난) 호우기록을 강우량 자료로 변환.

ㆍ주어진 지속기간에 대한 강우강도의 평가를 지양하고(즉, 현재의 빈도해석 방법), 독립 호우사상 자체의 평가방법 개발. 이를 이용한 연최대치 호우사상 또는 연초과치 호우사상 계열의 작성.

ㆍ연최대치 또는 연초과치 호우사상에 대한 빈도해석 방안 및 주요 호우사상에 대한 적용 평가.

ㆍ정기적인 관측기록 및 비정기적인 기록 포함하는 자료의 빈도해석 방안 및 적용평가.

ㆍ현재 사용되고 있는 확률강우량 및 PMP의 신뢰도 평가.

ㆍ장기관측기록(총 500년 정도)에 나타난 기후변화, 엘리뇨/라니냐. 및 도시화의 영향 평가 및 미래 전망.

IV. 연구개발결과

1차년도는 국내외 관련 연구 동향을 조사하였으며, 우리의 역사기록에 수록된 홍수기록을 조사하였다. 특히, 삼국사기, 고려사 및 조선왕조실록에 수록된 홍수기록을 주요 대상으로 하였으며, 개인의 기록에 의한 홍수기록도 발굴하였다. 2차년도 연구에서는 삼국사기, 고려사, 조선왕조실록의 홍수기록 외에 증보문헌비고에 기록된 홍수기록을 조사하고 1차년도에서 조사된 홍수기록을 수정, 보완하였다. 이를 토대로 정량화, 통계적 분석과정을 거쳐 역사속 홍수를 평가할 수 있는 지표 (FEI, Flood Evaluation Index)를 개발하였다. 또한, 청계천의 수표기록의 복원을 위해 와다유찌기록 (1917)과 기우제등록, 그리고 승정원일기를 조사 및 복원 하였으며 측우기 자료와 조선왕조실록의 기록을 일치성 검토 결과를 토대로 호우기록을 강우량 자료로 변환 하는 과정을 수행하였다. 또한 영호루, 소양정 등 극한홍수 발생을 추적할 수 있는 하천변 유적들에 대한 조사연구에 착수했다. 이렇게 조사된 홍수자료를 토대로 3차년도에 극한홍수 데이터베이스를 구축하였으며, 근대이후에 발생한 홍수기록과 함께 정량적 평가 지표를 활용하여 비교하였다. 이렇게 3차년도 연구에서는 역사기록으로부터의 홍수재해 기록을 조사하여 DB를 구축하고, 홍수재해를 재해석하며, 설계강우빈도 해석 기술을 개발하는 것을 목표로 학·연의 학제간 연구를 통하여 극한홍수 연구사례 및 조선시대 및 현대까지의 극한 홍수 자료를 조사하고 DB 시스템을 구축하였으며, 극한 홍수 조사 및 분석을 통한 극한홍수 발생 경향을 평가하였다.

4차년도에서는 과거 역사자료를 이용하여 삼국시대부터 약 2,000년간의 홍수기록 목록을 구축하였고, 조선후기의 홍수기록을 추가 조사하여 데이터베이스에 추가하였으며 관측자료 및 홍수피해관련 자료를 활용하여 1770년 이후 집중호우 및 일 최대강우량의 장기변동성을 검토하였다. 또한, 청계천에서 관측된 1770년 이후의 측우기 관측 기록과 수표기록을 비교하여 홍수수문분석 수행하였다. 즉, HEC-HMS, HEC-RAS, WMS와 같은 유역홍수유출모형 및 하천수리모형 활용하여 청계천 유역에서 발생한 과거 극한홍수피해를 실측 강우량과 실측 수위자료를 활용하여 공간적으로 해석하고 발생 규모 및 빈도를 분석하였다. 본 연구의 주요 연구결과를 요약하면 다음과 같다.

○ 근대이후 극한홍수 기록 조사

- 삼국시대부터 약 2000년간의 홍수기록 목록 구축하였음(조선후기 홍수기록 추가 조사).

- 1770년 이후 집중호우 및 일최대강우량의 장기변동성을 검토하였음.

○ 청계천 극한홍수 분석 및 평가

- 청계천에서 관측된 1770년 이후의 측우기 관측기록과 수표기록을 이용하여 홍수수문분석 수행하였음

- 유역홍수유출모형 및 하천수리모형을 활용하여 청계천에서 발생한 과거 극한홍수량의 사례를 분석하였음.

○ 역사기록자료를 이용한 호우사상 복원 및 비정기적 역사기록을 포함한 빈도해석

- 역사기록자료로부터 호우사상 복원.

- 역사기록자료를 고려한 빈도해석 기법 개발.

- 현대자료만을 이용한 빈도해석 분석결과에 비해 1일 확률강우량의 크기가 저빈도인 5년 빈도에서는 최대 약 16.5% 증가하고, 고빈도인 100년 빈도에서는 최대 약 31.4% 증가.

○ 기후변화 시나리오에 따른 PMP의 변화 예측

- 기후변화 시나리오의 최고기온 변화와 가강수량의 관계를 이용하여 PMP 변화 예측.

- 2071~2100년 평균적으로 기온 4.2℃ 상승시 PMP 37.2% 상승, 최대 6.2℃ 상승시 PMP 59.7% 상승.

○ 연최대호우사상과 엘리뇨 및 라니냐의 관련성 검토

- 엘니뇨 시에 발생한 주요 호우사상은 평균적인 호우사상보다 상당히 크게 나타나고 라니냐 시에는 평균적인 호우사상보다 작은 강우량을 보였으며, 강한 엘니뇨와 라니냐 시에는 그 편차가 더욱 크게 나타남.

- 역사기록상의 과거 엘니뇨시의 호우사상보다 현대 엘니뇨시의 호우사상이 미미하지만 조금 큰 것으로 나타남.

V. 연구개발결과의 활용계획

과거의 홍수기록을 파악하고 규모를 평가함으로써 최근 발생하고 있는 극한홍수의 경향을 알 수 있으며, 역사기록 및 1900년대 이후의 극한홍수에 대한 이해와 자료 구축은 수자원 정책 및 기술 개발에 활용도가 높을 것으로 판단된다. 또한 홍수재해에 대한 기록을 재해석하는 것은 세계는 물론 동북아시아 지역의 홍수재해 특성을 파악하는데 귀중한 자료로 활용될 수 있다.

또한, 수공구조물 등 관련 설계상의 불확실성 해소 및 기후변화에 따른 미래 강수특성의 변화 예측 및 이를 통한 관련 구조물 설계상의 기준 제시를 통한 미래 주요 국가 기반시설물 관리상의 기준 정립에 활용될 수 있다.