Introduction
저수지는 농업용수, 발전용수, 공업용수 및 생활용수의 공급, 오염 물질의 저장, 휴식공간의 제공 및 홍수조절 등을 목적으로 하천의 유수를 막아 물을 저류 하는 수공구조물로서 국가의 중요한 사회기반 시설물이기 때문에 그 기능과 안전이 충분히 확보되어야 한다(Choi et al., 2011). 일반적으로 저수지·댐의 붕괴는 주로 집중호우로 인하여 대규모의 홍수가 저수지로 유입될 때 여수로의 홍수소통 능력이 충분하지 못할 경우, 수체가 댐을 월류하는 경우, 저수지·댐 제체 내에서 발생하는 침투, 파이핑, 지진 등에 의한 액상화 등의 자연재해나 인위적인 붕괴 등이 그 주요 원인이다. 대규모의 물을 저류하고 있는 수공구조물의 예기치 못한 붕괴피해는 대규모 인명피해와 경제적 피해를 초래하기 때문에 이미 많은 국가에서는 저수지·댐 하류부의 인명과 재산 및 각종 수공구조물을 보호하기 위하여 저수지·댐 붕괴로부터 발생하는 홍수파 해석 및 홍수범람 예상지도 등의 작성을 법적으로 의무화하고 있다. 특히 저수지·댐 하류부에 중요 국가 시설물이 위치하고 있는 경우에는 가능 최대 강수량 등 극한적인 강우 조건 하에서 저수지·댐의 가상적인 붕괴에 따른 하류부의 홍수파 해석을 실시하고, 예상되는 홍수위 변동양상을 파악함으로써 만약에 발생할 수도 있는 피해를 최소화할 수 있도록 구체적인 비상대처계획(emergency action plan, EAP)이 수립되어야 한다(「저수지·댐의 안전관리 및 재해예방에 관한 법률」 제3조, 「자연재해대책법」 제37조, 「농어촌정비법」 제20조, 「하천법」 제26조).
현재 우리나라에는 약 17,000 개소의 농업용 저수지가 건설되었으며 흙 댐이 99% 이상이고 축조 후 50년 이상 경과된 저수지가 전체의 약 88%를 차지하고 있는 것으로 조사되었다(Shin and Lee, 2012). 또한 한국농어촌공사에서 1995년부터 2013년까지 19년간 4,081지구의 농업용저수지에 대하여 정밀안전진단을 실시한 결과, 보수·보강이 필요한 C등급 이상 저수지가 3,862개(C등급: 2,816지구, D등급: 1,044지구, E등급: 2지구)로 조사 저수지의 94.6%에 달한다고 분석하였다(KSAE, 2013; Lee and Lee, 2016). 농업용 저수지는 공용연수가 증가함에 따라 안전을 크게 위협하는 누수, 사면활동 등의 심각한 결함이 발생될 위험이 있으며 이에 한국 농어촌공사에서는 30만톤 이상 농업용 저수지의 비상대처계획을 수립 중이다. 그러나 기존 수립된 1차원 해석기반의 EAP의 경우 침수구역 산정 시 홍수파의 범람확산 효과를 고려할 수 없으며 지형에 의해 고립된 홍수 범람지역이 발생하는 오류가 나타날 수 있다. 이는 침수구역 부정확에 따른 피해복구액 산정이 과다로 책정될 수 있고, 비상대처계획 수립에 막대한 영향을 미친다.
이에 본 연구에서는 최근 비상대처계획이 수립된 경천 저수지 유역을 대상으로 2차원 홍수 범람해석을 수행하고 기 수립된 비상대처계획상의 1차원 홍수 범람해석 결과와의 비교를 통해 각 모형의 적용성을 판단함으로써 보다 효과적인 비상대처계획의 수립을 위한 방안을 제시하고자 한다.
Materials and Methods
본 연구는 댐 붕괴에 대응하기 위한 EAP 수립 시 기본이 되는 홍수 범람해석을 수행하고 1차원 및 2차원 모형의 결과검토를 통해 보다 효과적인 비상대처계획의 수립을 위한 방안을 제시하고자 하였다. 이를 위해 한국 농어촌공사에서 2019년 EAP가 수립된 경천 저수지 유역을 대상으로 선정하였다. 기 수립된 경천 저수지 EAP는 PMP (probable maximum precipitation) 조건 하에서 PMF (probable maximum flood)를 산정하고 DAMBRK (dam-break flood forecasting)모형을 이용하여 댐 붕괴 시나리오에 의한 모의를 수행하였다. 이후 댐 붕괴 모의결과 중 주요 지점별 최고수위를 WMS (watershed modeling system) 모형과 연계함으로써 홍수위험지도를 도시하고 이를 기반으로 EAP를 수립하였다. 본 연구에서는 상기 EAP 수립 시 적용된 댐 붕괴 모의시나리오 및 지형자료를 이용하여 2차원 FLUMEN (FLUvial Modeling ENgine) 모형을 구축하고 홍수 범람해석을 수행하였으며 기존 1차원 홍수 범람해석결과와 비교·검토하였다. 연구에 적용된 모형들의 간략한 소개는 다음과 같다.
DAMBRK 모형(댐 붕괴 시나리오 생성)
DAMBRK 모형은 1980년 미국 기상청(National Weather Service)의 Fread에 의해 개발되었다. 본 모형은 댐으로부터의 유출 수문곡선의 유도와 하류에서의 홍수추적을 수리학적으로 해석하기 위하여 개발되었으며 저수지 붕괴로부터의 유출 수문곡선을 분석하고 하류단으로 유출되는 홍수를 수리학적으로 추적하기 위해 사용된다. 댐 및 저수지 붕괴에 따른 붕괴 유출 수문곡선의 산정 및 하류 부 홍수추적을 위해 지난 30여 년간 전 세계적인 표준코드로 적용되어 왔으며 미국의 Federal Emergency Management Agency (FEMA), Federal Energy Regulatory Commission (FERC), United States Bureau of Reclamation (USBR), European Union (EU), International Commission on Large Dams (ICOLD) 등에서 댐 및 저수지 붕괴모의를 위한 모형으로 추천되고 있다. 우리나라의 비상대처계획 수립 시에도 DAMBRK 모형으로 저수지 붕괴 유출량을 산정하고, 각 단면에서의 수위자료를 바탕으로 GIS (Geographic Information System)를 사용하여 비상대처계획도를 작성하고 있다(Kim et al., 2020).
WMS 모형(1차원 홍수 범람해석)
WMS 모형은 미 육군 공병단(US Army Corps of Engineers)과 Brigham Young 대학의 공학컴퓨터 그래픽 연구실(Engineering Computer Graphics Laboratory)에서 개발한 수문모델링 프로그램으로 수문모델링을 위한 포괄적인 그래픽 사용자 환경을 제공해주는 프로그램이다.
WMS 모형의 수리 모듈 내 댐 붕괴해석 모형 중 SMPDBK (simplified dam-break) 모형을 연계하여 GIS를 기반으로 지형자료를 자동화하여 추출하고 입력하며, SMPDBK 모형의 구동을 통해 산정된 결과를 TIN (triangulated irregular network)및 DEM (digital elevation model)모듈 내 Flood plain 기능을 통해 직관적으로 범람구역 및 침수심을 산정할 수 있다. 즉 별도의 GUI (graphical user interface)환경을 구축하여 자체적으로 GIS와 관련된 기능을 수행할 수 있도록 개발되었다. WMS 모형 자체가 완벽한 지리정보시스템(GIS) 이라고 할 수 없지만 자체에서 GIS 데이터 또는 여러 형태의 레이어(layer)를 새롭게 구축하거나 입력, 수정, 저장 등의 기능을 수행할 수 있도록 되어 있다(Lee, 2004).
FLUMEN 모형(2차원 홍수범람해석)
미국의 FEMA는 주민들이 홍수에 대비할 수 있도록 건물의 고도를 조정하며 호우피해 예측지도를 일반 국민에게 공개하고 이에 근거하여 주민들이 국가 홍수보험제도(National Flood Insurance Program, NFIP)에 가입할 것을 의무화하고 있다(Lee et al., 2019). FLUMEN 모형은 NFIP에서 2차원 정류/부정류해석에 사용되고 있는 FEMA 인증 모델로 선행연구들을 통해 다양한 지역을 대상으로 적용 및 검증이 이루어진 바 있다. 또한 우리나라에서도 홍수지도 제작, 하천기본계획에 주로 사용되고 있는 모형이다. FLUMEN 모형은 스위스의 Beffa (1994)에 의해 개발된 모형으로 삼각망 격자를 사용하며 불규칙한 구조물에 대해 적용이 용이하여 수리학적으로 복잡한 해석에 적합한 모형이라 할 수 있다. 하도에 대해 이동경계 모의가 가능하며 wet/dry 모든 조건에서 모의를 수행할 수 있다(Lee et al., 2013).
Study area and preprocessing
대상유역
경천 저수지는 문경시 동로면 수평리 상류부에 위치한, 총 저수량 2,822만 m3의 저수지이다. 경천 저수지의 유역 내 주하천은 북동쪽 끝에 위치한 매봉(EL. 599 m)에서 발원하여 남쪽 방향으로 흐르는 하천부를 통과하여 본 천인 낙동강(국가하천)에 합류되는 금천(지방하천)이다. 본 연구의 연구대상유역은 Fig. 1과 같이 경천 저수지의 하류하천인 금천으로 경북 문경시, 예천군 일부가 포함되어 있는 낙동강 수계의 북쪽인 동경 128° 21′57″ - 128° 33′50″, 북위 36° 13′58″ - 36° 23′26″사이에 위치하는 낙동강 제2지류이며, 유역면적은 285.96 km2, 유로연장은 44.57 km인 지방하천이다.
경천 저수지 유역 및 하류하천 주변에는 기상청 관할 문경 및 영주관측소가 운영되고 있으며 경천 저수지 붕괴 시 하류측 홍수 범람 영향구간에 해당하는 행정구역은 하류하천 주변 총 1시, 1군, 5면, 3리인 것으로 나타났다. 또한 경천 저수지 붕괴 시 하류측 홍수 범람 영향구간에 해당하는 행정구역 내의 피해가 우려되는 학교, 병원, 아파트, 사회복지시설, 체육관, 관공서, 발전소, 그 외 기반시설 등을 기준으로 인구밀집지역 및 국가주요시설을 조사한 결과 Fig. 2와 같이 하류하천 주변 6개소로 조사되었다.
경천 저수지 붕괴 시나리오
경천 저수지 유역에 대한 PMP 추정은 전국 PMP도 재 작성 보고서(MCT, 2000)를 이용하여 산정하였으며 월류에 의한 댐의 붕괴 모의를 수행하기 위해 상시만수위 조건에서 PMF가 유입되는 상황을 채택하였다. 저수지 붕괴 형성과정 추정에는 DAMBRK 모형을 적용하였으며 붕괴 부 형성시간은 경천 저수지가 필 댐인 점을 감안하여 6분부터 30분까지로 구성하고 붕괴 부 평균 폭(B)는 댐 높이(Hd)를 기준으로 1Hd, 2Hd, 3Hd로 가정하여 각각의 경우에 대한 붕괴모의를 실시하였으며, 붕괴 부 측면 경사는 기존의 여러 연구에서 적용한 바 있는 1 : 1로 가정하였다(Houston, 1985; Park, 2007; Lee et al., 2017) 또한 붕괴조건에 대한 붕괴형상, 붕괴시간, 붕괴 폭은 상기 기준에 따라 적용하고 게이트 작동이 모두 작동하는 경우, 3련의 게이트만 작용하는 경우, 6련 모두 작동하지 않은 경우를 PMF 조건에서 추가적으로 분석하였다. 앞선 과정을 통해 경천 저수지 상류유역에 최대 가능 강수량의 발생으로 가능 최대 홍수량이 저수지로 유입하여 저수지 홍수위가 최고수위에 도달했을 때 저수지가 붕괴되는 상황을 모의하였다. 이때 하천 홍수파 해석을 위한 저수지 하류하천 홍수 유입량은 하천정비 기본계획 및 하천등급에 설정된 계획빈도 년에 해당하는 홍수량을 반영하였다. 모의결과, 직 하류 붕괴 유출량은 최고 30,822 m3·s-1로 나타났고, 하류로 갈수록 홍수량이 감쇄하여 종점부에서 6,856 m3·s-1으로 나타났다. 경천 저수지 하류하천 지점별 붕괴유출 수문곡선은 Fig. 3과 같으며 저수지 붕괴로 인한 경천저수지 하류하천 지점별 홍수파 해석결과는 Table 1과 같다.
1차원 홍수 범람해석
저수지 붕괴해석 결과에 따른 1차원 범람해석은 DAMBRK 모형을 통한 저수지 붕괴해석 결과 중 최고 홍수위를 WMS 모형과 연계하여 하천 중심선과 횡단선에 일정 간격으로 내삽 후 최고 홍수위 TIN을 생성하고, 제내지와 제외지 DEM을 합성하여 생성된 하천지형 DEM과 함께 홍수 범람해석에 적용되었다. 1 : 5,000 축적의 수치지형도로부터 DEM은 10 m × 10 m의 해상도로 구축되었고 DEM을 이용하여 유역경계 및 하천망을 작성하였다. 이후 하천 중심선 및 주요 지점에 대한 하천 단면자료를 구축하는 과정을 거치며 DAMBRK 모형을 통한 저수지붕괴해석 결과 중 주요 지점별 최고 홍수위 값을 WMS 모형과 연계하여 도시함으로써 홍수 범람해석결과를 도출할 수 있다. 상기의 과정을 거쳐 한국 농어촌공사의 EAP 수립 시 활용된 1차원 홍수 범람해석 결과는 Fig. 4와 같다.
2차원 홍수 범람해석
FLUMEN 모형을 이용한 2차원 홍수 범람해석을 위해 필요한 기초자료는 상·하류 경계조건에 해당하는 수위 및 유량자료, 2차원 지형자료로 본 연구에서는 다음과 같이 구축되었다. 경계조건은 DAMBRK 모형에 의해 도출된 경천 저수지 붕괴 시나리오상의 홍수파에 의해 도출된 유량 및 수위자료를 적용하였다. 다만 2차원모형의 해석을 위해 생성되는 격자수의 한계 및 계산시간 등을 고려하여 Fig. 5의 (a)와 같이 경천 저수지 지점이 아닌 대하리천 합류부 지점을 상류단 경계조건으로 설정하고 대하리천 합류부 지점부터 내성천 합류부 지점까지의 2차원 홍수 범람해석을 수행하였다. 2차원 홍수 범람해석에 적용된 대하리천 합류부 지점의 상류단 경계조건은 Fig. 5의 (b), 내성천 합류부 지점의 하류단 경계조건은 Fig. 5의 (c)와 같다. FLUMEN의 기본적인 지형데이터의 구축을 위해 불규칙삼각망 형태의 격자를 구성한다. 불규칙삼각망 구성을 위해 필요한 자료는 위치 및 고도정보가 포함된 지점정보이다. 본 연구에서는 수치지형도의 지형자료를 이용하여 2차원 수리분석을 위한 불규칙 삼각망을 구성하였다. 1 : 5,000 수치지도로부터 등고선 및 표고점 관련 레이어를 추출하여 제내지의 지형자료를 구축하였고 제외지에 해당하는 하천 단면정보는 DEM으로부터 추출하여 구축하였다. 최종 작성된 삼각망은 연구대상지역에 해당하는 약 114 km2의 면적에 대해 총 56,894개의 불규칙삼각망 격자로 구성되었다.
일반적으로 홍수 범람해석모형의 매개변수 보정 및 해석결과의 검증은 실제 홍수가 발생한 기간의 범람해석을 수행하고 실측 침수도와의 비교를 수행하거나, 관측수위 및 유량자료가 존재하는 하천구간을 대상으로 모의를 수행한 후 관측수위와 모형에 의해 도출된 수위결과의 검토를 통해 검증을 수행한다.
그러나 본 연구의 대상지역은 실측 침수도가 구축되어 있지 않을 뿐만 아니라 경천 댐으로부터 내성천 합류부 구간(금천)의 수위관측소가 1개소(산양관측소)만 존재하기에 상기의 두 가지 방법에 의한 검증을 수행할 수 없다는 한계가 있다.
이에 FLUMEN을 적용한 국내 선행연구 중 본 연구대상지역과 비교적 근접한 낙동강 유역의 백산제를 대상으로 수행된 연구(Lee et al., 2013)의 계산조건을 적용하여 해석을 수행하였다. 계산시간간격의 크기를 지정하는 courant friedrich levy (CFL)값은 0.7, 실제 흐름에서 마른 하도로 간주되는 수심의 한계 hdry값은 0.05 (m), 제외지 및 제내지의 조도계수는 각각 0.03 및 0.058로 적용되었다.
구축된 입력자료를 이용하여 경천 댐 붕괴로 인한 하류지역의 홍수 범람모의를 수행하였다. 2차원 홍수 범람해석은 warm-up 시간을 고려하여 PMF 조건하에서 총 16시간을 대상으로 모의를 수행하였다.
Fig. 6은 모의기간 동안의 침수면적 변화를 도시한 것으로 댐 붕괴 전 PMF 조건 하에서 약 12.6 km2의 침수면적(하천격자 포함) 이 발생하였으며 댐 붕괴(10.47 시간) 이후 댐 붕괴로 인한 홍수파가 전파되기 시작하여 모의 후 13시간째 최대 침수면적 약 21.9 km2이 발생하는 것으로 나타났다. 댐 붕괴 전 대비 댐 붕괴 후 약 침수면적이 9.3 km2 (42.5%) 증가하는 것으로 나타났다.
Results and Discussion
본 연구에서는 EAP 수립 시 활용성 검토를 위해 경천댐 유역을 대상으로 DAMBRK 모형을 이용한 가능 최대 홍수량 조건 하 경천 저수지 붕괴시나리오를 생성하고 유출해석을 수행하였으며 이후 1차원 및 2차원 홍수 범람해석을 수행하였다. 1차원 및 2차원 홍수 범람해석 후 대하리천 합류부 지점부터 내성천 합류부 지점구간을 대상으로 최대 침수면적을 비교한 결과는 Fig. 7과 같다. WMS 모형을 이용한 1차원 홍수 범람해석결과에서는 최대 침수면적 약 21.3 km2로 산정되었으며 FLUMEN 모형을 이용한 2차원 홍수 범람해석결과에서는 최대 침수면적 약 21.9 km2으로 산정되었다. 두 모형 간의 침수면적 차이는 약 0.6 km2로 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. 다만 주요 지점 중 1개소(용궁면 행정복지센터)가 침수분석 결과에서 WMS 모형에 의한 결과에서는 침수되지 않으나 FLUMEN 모형은 침수되는 것으로 나타나는 차이를 보였다. 이는 홍수파의 범람확산효과가 1차원 모형에서 고려되지 못하기에 발생되는 차이로 판단된다.
Fig. 8은 경천 저수지 하류 지역을 대상으로 2019년 한국 농어촌공사에 의해 WMS 모형의 홍수 범람해석결과를 기반으로 수립한 비상대처계획도이다. 대상지역의 주요 지점 및 대피장소를 지정하고 개략적인 대피방향을 제시하고 있다. 기 수립된 비상대처계획도를 이용하여 연구대상지역의 주요 지점 중 일부구역을 대상으로 1차원 홍수 범람해석 결과를 바탕으로 수립된 기존의 계획을 2차원 홍수 범람해석결과를 이용하여 분석하였다. Fig. 9의 (a)는 해당 구역 주변을 대상으로 기존 비상대처계획을 확대하여 나타낸 것이고 (b)는 상기 지역에 대한 2차원 범람해석결과 중 홍수파 진행방향을 도시한 것이다. C구역 용궁면의 주요 대피지점은 용궁초등학교와 용궁면 무이1리 경로당으로 선정되어 있다. 기존 비상대처계획의 대피방향 중 붉은 점선 원내에 도시된 대피방향은 (b)와 같이 홍수파 진행양상을 고려했을 때 용궁면 무이1리 경로당(파란색 화살표) 방향으로 바꾸는 것이 대피시간 확보 등의 안전적인 측면에서 타당할 것으로 판단된다.
Conclusion
기후변화에 의한 태풍 및 집중호우의 발생빈도가 증가하고 있으며 댐 및 저수지가 노후화됨에 이들의 붕괴에 대한 위험 또한 증가하고 있다. 댐 붕괴의 위험에 대응하기 위해 보다 정확한 EAP의 수립이 필요하며 이에 보다 발전된 기술을 활용한 홍수 범람예측이 필요하다.
현행 농업용 저수지 EAP 수립에 사용되는 1차원 수치모형을 이용한 홍수 범람해석은 입력자료의 구축 및 모형 실행의 간편성과 함께 빠른 결과도출이 가능하고 GIS툴의 발달로 보다 시각화가 용이해짐에 따라 댐 붕괴 해석 시 많이 활용되고 있다. 그러나 1차원 수치모형을 통해 홍수 범람도를 작성할 경우 하나의 횡단면에 대한 동일한 계산된 결과를 도출하므로 횡단면도 내에 다양한 표고에 대한 홍수심의 차이를 표현하지 못하는 문제가 존재한다. 또한 홍수파의 범람확산효과를 고려하지 못함에 따라 일부지역을 홍수 범람지역에서 제외시키거나 지형에 의해 고립된 홍수 범람지역을 생성할 수도 있다. 반면 2차원 홍수 범람해석모형에 의한 계획의 수립은 홍수파의 범람확산 효과 및 지형에 대한 효과의 고려가 가능하며 홍수파의 흐름방향, 유속분포를 확인할 수 있기에 이를 고려한 대피계획 수립을 통해 보다 안전하고 효율적인 대피로를 제공할 수 있다. 주요 하천지점의 최대수심에 대한 단순 mapping을 수행하는 WMS 모형 대비 2차원 모형인 FLUMEN은 시간별 공간분포 된 침수심 자료를 통해 주요지점에 대한 침수분석 가능하기에 EAP 수립 시 댐 붕괴에 의한 홍수 발생 시 주요 지점별 대응시간 및 이동경로 파악에 보다 유리할 것으로 판단된다. 일반적으로 2차원 모형의 과도한 계산시간으로 인해 기존 EAP 수립 또는 홍수 범람지도 생성에 1차원 모형에 의한 모의를 주로 사용하고 있으나 컴퓨팅파워가 급속도록 성장하고 있기에 이러한 단점이 이전에 비해 점차 해소되고 있다. 이에 향후 수립되는 비상대처계획은 단순히 대피방향을 제시하는 것뿐만 아니라 주요대피경로, 대피시간 등의 보다 구체적인 계획을 제시하여 상황발생 시 효과적으로 대응할 수 있도록 하는 것이 중요하다.
