[영국] 시안자오퉁-리버풀대 연구진, "영국서 홍수위험 증가"

 '영국 전역의 홍수 빈도 비정상성 조사'  연구논문 『수문학저널(Journal of Hydrology)』에 게재

기후변화로 인해 전 세계적으로 예측 불허의 극한 기상현상이 계속되자 시안자오퉁-리버풀대학교(Xi’an Jiaotong-Liverpool University) 연구진은 엔지니어들이 홍수예방을 위해 어떻게 설계하는지 다시 생각해 볼 것을 요구하고 있다.

최근 발간된 『수문학저널(Journal of Hydrology)』에 실린 논문에서 박사과정 학생 멍주 첸(Mengzhu Chen)과 XJTLU 디자인 스쿨(Design School)의 학장인 콘스탄티노스 파파디키스(Konstantinos Papadikis)는 영국 전역 158개 유역에서의 역사적 홍수 시리즈와 기상학적 데이터를 분석했다.

그들은 대부분의 지역의 홍수 시리즈가 역사적 패턴을 따르지 않는다는 것을 발견했다. 이 발견은 과거에 홍수가 얼마나 자주 발생했는지에 초점을 맞춘 분석 유형의 사용에 직접적으로 도전한다. 홍수 빈도 분석은 홍수 위험 통제, 유압 구조 설계, 수자원 관리의 초석이 되어 왔다.

멍주 첸(Mengzhu Chen)은 "기존의 홍수 빈도 분석 방법은 기후 변화, 인적 개입, 토지 이용 변화 등으로 인한 홍수의 변동성을 고려하지 못한다"라면서 "이 방법은 과거 데이터에 의존하여 홍수의 빈도를 예측하고 홍수가 변하지 않는 범위 내에서 발생한다고 가정하는 '정적 가정(stationary assumption)'을 사용하기 때문이다"라고 말했다.

멍주 첸(Mengzhu Chen)은 이어 "최근 몇 년 동안, 우리는 극단적인 날씨의 빈도가 증가하는 것을 보았고, 이것은 고정적인 가정을 의심스럽게 만들었다. 우리의 연구는 영국의 많은 지역에서 홍수 시리즈가 더 이상 역사적 패턴을 따르지 않는다는 것을 보여주며, 더 이상 예측할 수 없게 만들고 있다"라고 덧붙였다.

■ 재해 방지(Avoiding disaster)
멍주 첸(Mengzhu Chen)은 "만약 기술자나 수문학자들이 계속해서 전통적인 방법을 따른다면, 그것은 잠재적으로 치명적인 결과를 초래할 수 있는 홍수 피크의 과소평가로 이어질 수 있다"고 말한다.

멍주 첸(Mengzhu Chen)은 "정지된 가정에 기반하여 설계와 엔지니어링을 계속하는 것은 유압구조 및 홍수방지 조치가 실패할 위험을 증가시킬 수 있다. 기반 구조가 예상보다 더 많거나 심각한 홍수를 견디도록 설계되지 않았기 때문이다"라고 말했다.

멍주 첸(Mengzhu Chen)은 특히, "만약 우리가 '100년만의 홍수'에 견딜 수 있는 구조물을 설계한다면, 하지만 이러한 극단적인 사건들이 10년 동안 서너 번 일어나고 있다면, 그것은 재앙이 될 것"이라고 강조했다.

멍주 첸(Mengzhu Chen)은 또, "물 관련 계획은 항상 과거 데이터의 분석에 의존하여 미래의 상황을 예측해야 한다. 그러나 현재 우리가 보고 있는 현재의 정지되지 않은 상황은 과거 데이터만으로는 더 이상 극심한 강수량과 홍수의 미래 통계 행동을 이해하는 데 필요한 모든 정보를 제공할 수 없다는 것을 의미한다"라고 덧붙였다.

■ 다중 드라이버(Multiple drivers)
연구는 홍수 빈도의 비정상성에 기여할 수 있는 다양한 원인을 평가했다. 결과는 고정되지 않은 동작이 단일 요소보다 여러 요인의 조합에 의해 발생할 가능성이 더 높다는 것을 나타낸다.

"기후변화는 홍수 빈도의 비정상성에 역할을 하지만, 우리의 연구는 강우 체계의 변동성이 홍수 변화의 주요 동인으로 남아 있다는 것을 보여준다"라면서 "영국에서는 비정전성이 두 가지 대기순환 패턴인 북대서양 진동과 동대서양 패턴과도 밀접한 관련이 있다"라고 멍주 첸(Mengzhu Chen)은 강조했다.

■ 스터디가 이해를 더해(Study adds understanding)
증가하는 연구 조직에도 불구하고, 유압 엔지니어링 설계와 프로젝트는 여전히 전통적인 고정 가정에 기초하고 있다. 왜냐하면 비정적 가정 하에서 홍수 빈도를 분석하는 방법에 대한 합의가 이루어지지 않기 때문이다.

XJTLU 토목공학과 박사과정인 멍주 첸(Mengzhu Chen)은 "그들의 연구가 점점 더 흔해지고 있는 비정적 환경에서의 홍수 행동을 이해하는 데 기여한다"라면서 "홍수에 대한 현재의 정지되지 않은 모델링은 아직 초기 단계에 있다"라고 말한다.

"비정적 홍수 빈도 분석을 위한 많은 새로운 개념과 기법이 등장하고 있지만, 기존의 대부분의 연구는 홍수 발생 메커니즘의 높은 복잡성으로 인해 근본적인 인과 요인을 조사하지 않고 명백한 추세를 감지하고 진단하는 데 제한된다"

"저희 연구는 홍수 위험과 수자원 관리에 중요한 이러한 홍수 발생 메커니즘에 대한 새로운 통찰력을 제공한다"라면서 "우리는 점점 더 예측 불가능하고 극단적인 홍수 사건의 영향을 완화하기 위해 엔지니어링에 대한 접근 방식을 채택해야 한다"라고 덧붙였다.

『수문학저널(Journal of Hydrology)』에 게재된 이번 연구논문  '영국 전역의 홍수 빈도의 비정상성에 관한 조사(An investigation on the non-stationarity of flood frequency across the UK)'는 온라인으로 접속할 수 있다.

[원문보기]

Study exposes increasing flood risk in the UK

As climate change continues to cause unpredictable and extreme weather events around the world, Xi’an Jiaotong-Liverpool University researchers are calling for engineers to rethink how they design for flood prevention.

In a recently published paper in the Journal of Hydrology, PhD student Mengzhu Chen and Dean of XJTLU’s Design School, Dr Konstantinos Papadikis, analysed historical flood series and meteorological data from 158 catchment areas across the UK.

They found that flood series in most areas do not follow historical patterns. This finding directly challenges the use of a type of analysis that focuses on how often floods occurred in an area in the past. Flood frequency analysis has been the cornerstone of flood risk control, hydraulic structure design, and water resource management.

“Conventional methods for flood frequency analysis fail to take into account the volatile nature of floods caused by climate change, human intervention, and land-use changes,” Chen says.

“This is because the method uses the ‘stationary assumption’ ? an assumption that relies on historical data to predict the frequency of floods and assumes that floods will occur within an unchanging range.

“In recent years, we have seen increased frequency of extreme weather, which has made the stationary assumption questionable. Our study demonstrates that in many parts of the UK, floods series are no longer following historical patterns, making it more unpredictable.”

Avoiding disaster
Chen says that if engineers or hydrologists continue to follow the traditional methods, it could lead to an underestimation of flood peaks with potentially catastrophic consequences.

“Continuing to base design and engineering on the stationary assumption could increase the risk of hydraulic structures and flood prevention measures failing as the infrastructure is not designed to withstand additional ? or more severe ? flooding than predicted,” she says.

“If we design structures to withstand ‘one-in-100-year’ floods but these extreme events are now happening three or four times in a decade, it would be disastrous.

“Water-related planning should always depend on the analysis of past data to inform projections of future conditions. But the present non-stationary conditions we see now means that the past data alone can no longer provide all the necessary information we need to understand the future statistical behaviour of extreme precipitation and floods.”

Multiple drivers
The study evaluated various causes that may contribute to the non-stationarity of flood frequency. The results indicate that non-stationary behaviour is more likely to be caused by a combination of multiple factors than a single element.

“While climate change plays a role in the non-stationarity of flood frequency, our research shows that the variability of rainfall regime remains the dominant driver for changes in flooding,” Chen says.

“In the UK, the non-stationarity is also closely related with two atmospheric circulation patterns - the North Atlantic Oscillation and the East Atlantic Pattern.”

Study adds understanding
Despite a growing body of research, hydraulic engineering design and projects are still based on the traditional stationary assumption as there is no consensus on methods of analysing flood frequency under a non-stationary assumption.

Chen, who is based in XJTLU’s Department of Civil Engineering, says their study contributes to the understanding of flood behaviours in these increasingly common non-stationary environments.

“The current non-stationary modelling for floods is still in the early stage,” she says.

“Although many new concepts and techniques for non-stationary flood frequency analysis are emerging, most of the existing studies are limited to the detection and diagnosis of apparent trends without investigating the underlying causal factors due to the high complexity of flood generating mechanisms.

“Our study provides new insights into these flood generating mechanisms, which is important for flood risk and water resources management.

“We need to adapt our approach to engineering to mitigate the impact of increasingly unpredictable and extreme flooding events.”

The research paper ‘An investigation on the non-stationarity of flood frequency across the UK’, published in the Journal of Hydrology, can be accessed online.

[출처=스마트워터매거진(https://smartwatermagazine.com/news/xian-jiaotong-liverpool-university/study-exposes-increasing-flood-risk-uk) / 2021년 6월 7일]