확률강우량 산정 및 강우강도식 유도

(1) 확률강우량 산정방법은 지역빈도해석 방법을 권장하고 최적 확률분포형은 GEV 분포형으로 한다.
(2) 도서·해안 등 지역빈도해석 수행 및 적용이 용이하지 않은 지역의 경우에는 지점빈도해석을 통해 확률강우량을 산정할 수 있으며, 지점빈도해석의 최적 확률분포형은 Gumbel 분포형으로 한다.
(3) 임의의 지속기간에 해당하는 확률강우량은 강우강도식을 작성하여 산정하며, 상관계수가 높은 General형이나 전대수 다항식형을 채택한다.

1. 확률강우량 산정

지점빈도해석 확률강우량 산정

• 확률분포함수의 매개변수 추정 방법으로는 모멘트법, 최우도법, 확률가중모멘트법을 적용한 후, 확률가중모멘트법을 채택하는 것을 원칙으로 하되 재현기간이 커지면서 모멘트법 및 최우도법보다 지나치게 크게 산정되는 경우에는 추가적인 검토가 필요한다.
• 최적 확률분포형으로 주로 Gumbel 분포를 채택하고 있으나, 일부 GEV 분포 등을 채택하는 경우도 있다. 지점빈도해석시 Gumbel 분포화 GEV 분포에 의해 산정되는 확률강우량은 추정된 매개변수에 따라 차이가 크게 발생할 수 있으므로 지역적 불연속이 발생하는 것을 방지하기 위하여 Gumbel 분포로 통일하여 채택하는 것을 원칙으로 하고, 과거 분석 결과보다 확률강우량이 작게 산정되더라도 확률분포형을 변경하여 이와 같은 역전현상을 막는 방법을 지양하여야 한다.
• 「확률강우량도 개선 및 보완 연구(국토해양부, 2011)」 에서도 기상청 산하 관측소의 적정 확률분포형을 모두 Gumbel 분포로 제시한 바 있다. 지점확률강우량 산정시 재현기간은 2년, 10년, 20년, 30년, 50년, 80년, 100년, 200년, 500년 등을 기본으로 하며 필요시 추가한다.
• 대표적인 확률강우량 산정 프로그램으로는 FARD(Frequency Analysis of Rainfall Data)가 있으며 지점빈도해석 절차는 아래와 같다.

지점빈도해석 절차

 

지역빈도해석 확률강우량 산정

• 일반적으로 실무에서 사업대상 범위(하천유역) 내에 지점빈도해석을 수행하기 위한 우량관측소는 수공구조물의 설계빈도보다 짧은 기간의 자료를 보유하거나, 자료가 없는 미계측 지점인 경우가 대부분이다. 이와 같은 이유로 인해 멀리 떨어져 있더라도 자료기간이 충분하고 품질을 신뢰할 수 있는 강우관측소(대표적으로 기상청 강우관측소) 자료를 사용하는 경우가 대부분이며, 이는 사업대상 유역의 강우특성과 동떨어진 자료를 이용하여 확률강우량을 산정하는 문제를 야기할 수 있다.
• 지역빈도해석(regional frequency analysis)은 하천유역에서 멀리 떨어진 지점의 강우관측소 자료로 산정한 지점빈도해석 확률강우량과 일부 차이가 발생할 수 있으나, 지점빈도해석과는 달리 하천유역 내 자료기간이 짧은 강우관측소에서도 확률강우량을 산정할 수 있기 때문에 하천유역의 강우특성을 대변할 수 있는 장점이 있다. 빈도해석에 의해 추정된 확률수문량은 관측자료 기간이 길어질수록 불확실성이 작아지고 신뢰도도 커지므로, 지역빈도해석은 이러한 지점에 대한 확률수문량의 정확도를 향상시키는 목적으로 활용되는 기법이다. 지역빈도해석은 동일한 모분포를 따르는 것으로 판단되는 모든 지점의 자료를 이용하여 빈도해석함으로써 대상 지점의 신뢰할 만한 확률수문량을 산정할 수 있다.
• 「한국형 수문량 분석 선진화 기술 개발(국토교통부, 2017)」의 연구에서는 국내 실정에 맞는 지역빈도해석 방법을 제시하였다. 전국에 설치되어 있는 강우관측소(기상청, 환경부, 한국수자원공사, 농어촌공사 관할)의 강우자료 중 5개 년도(L-moment 분석 최소 기준) 이상 관측기록이 있는 지점의 강우자료(시자료) 구축 및 검·보정을 실시하였다. 지역구분 및 최적분포형 선정, 확률수문량 추정 및 정확성 검정 등의 과정을 통해 일부관측소(L-moment 계산 불가지역, 백령도, 울릉도 등)를 제외한 채택 강우관측소를 선정(615개) 하고, 군집지역을 구분(26개) 하였으며, 최적확률분포형을 GEV 분포로 제시하였다.

지역빈도해석 절차

 

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전국 군집지역(26개) 구분 결과

 

확률강우량 적용방안

• 확률강우량은 지역빈도해석 적용을 권장하고, 도서·해안(예 : 울릉도, 백령도 등) 등 지역빈도 해석 수행 및 적용이 용이하지 않은 지역의 경우에는 지점빈도해석을 통해 확률강우량을 산정할 수 있다.
• 제주도는 지형의 특수성을 고려하여 「제주형 하천기본계획 수립 및 하천시설 관리 매뉴얼(제주도, 2013)」에 의거 지점빈도해석을 통해 확률강우량을 산정한다.

 

2. 강우강도식 유도

• 강우강도식은 임의의 지속기간에 대한 확률강우량이 없는 경우에 내삽에 의한 보간을 하기 위해 산정하는 것이 주 목적이며, 부수적으로 이러한 과정을 통하여 지속기간별 확률강우량 추이의 이상 유무도 검토할 수 있다.
• 강우강도식의 형태로는 Talbot형, Sherman형, Japanese형, Semi-Log형 등과 같은 2회귀상수 형태와 3회귀상수인 General형이 적용되어 왔으며 「확률강우량도 개선 및 보완 연구(국토해양부, 2011)」에서는 전대수 다항식형(6차식) 등이 제시된 바 있다.
• 강우강도식은 상관계수가 높게 나타나는 형태를 채택하며, 회귀상수의 개수가 많은 General형이나 전대수 다항식형의 상관계수가 상대적으로 높으므로 이들 두 가지 중에서 채택하는 것이 바람직하다. 단, 전대수 다항식의 경우 단기(1시간 미만) 지속기간의 경우 외삽에 의한 강우강도의 진동이나 역전현상이 발생되므로 단기(1시간 미만) 지속기간의 전대수 다항식의 채택을 지양해야 한다.(1시간 미만에 General형 적용을 권장한다.)
• 전체 강우지속기간을 하나의 강우강도식으로 나타내기 곤란한 경우에는 단·장기간, 단·중·장기간으로 적절히 구분해서 강우강도식을 유도해야 하며, 이와 같은 기간 구분시에는 임계지속기간 부근에서 불연속에 의한 문제점이 발생할 수 있으므로 임계지속기간 근처의 구분은 지양해야 한다.

3. 확률강우량 및 강우강도식의 활용 및 자료관리

• 확률강우량 및 강우강도식 산정 시 부록(연구보고서)에 수록된 지역빈도 해석 확률강우량과 강우강도식을 활용할 수 있고, 추가 분석 필요 시 분석 프로그램을 활용할 수 있다.
• 기후변화에 따른 강우특성 변화, 수자원·하천 계획의 지속적인 수립 및 보완 등을 고려하여 국가차원에서 지역빈도해석 확률강우량의 정기적(5년 단위)인 보완이 필요하다.
• 지역빈도해석 연구수행 시 표준화된 확률강우량과 강우강도식의 분석을 위해 분석 프로그램 보환이 필요하며, 확률강우량, 강우강도식 등 주요자료는 DB화하여 사용자가 활용할 수 있도록 제공이 필요하다.

 

출처 : 홍수량산정 표준치침