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문제 정의
- 국외의 경우 Pingel 등(2004)이 본류인 Lower American River(LAR)과 지류인 Strong Ranch Slough(SRS)와 Chicken Ranch Slough(CRS) 하천유역 합류부를 펌프와 암거를 통해 제내지와 하도간의 유출이 이루어지고 있는 점을 감안하여 다양한 경계조건에 따른 case study를 통해 LAR본류로부터 제방을 통해 보호를 받는 SRS와 CRS유역의 홍수로 인한 침수피해 경감을 최소화하여 이익을 극대화 시키고자 하였다. 하지만 이러한 유출해석은 규모만 작을 뿐 우리나라 소하천유역에서 하류단 경계조건을 본류의 수위 수문곡선으로 한 부정류해석과 별반 다른 게 없다.
- 따라서 본 연구에서는 하천변 저지대의 저류와 유출지체를 반영하여 실제 유역에서 발생하는 홍수유출 특성을 가능한 근사하게 모의할 수 있는 침수해석 기법을 개발하고자 HEC-RAS의 저류지역(Storage Area) 기능을 근간으로 하여 하천변 저지대의 유출특성 분석이 가능하도록 유출모형을 구성하여 유역과 하도간에 발생하는 다양한 유출현상을 분석하고, 모형의 해석결과를 GIS 기법과 연계하여 예상침수지도를 작성하였다. 또한 본 연구에 의해 개발된 침수해석 모형에 의해 1999년과 2000년에 삽교천 유역에서 발생한 홍수사상을 재현하여 실제 발생한 침수면적 및 홍수위와 비교함으로써 적용성을 검토하였다.
- 본 연구에서는 하천 출구에 설치된 유량제어시설이나 조위, 하류수위에 의해 제어를 받게 되는 하도의 유출해석과 동시에 하천변 저지대의 저류와 유출지체를 반영하여 실제 유역에서 발생하는 홍수유출 특성을 가능한 근사하게 모의할 수 있는 침수해석 기법을 개발하고자 하였다. 제내지 침수해석 및 하도유출해석을 위해 HEC-RAS version 3.
- 본 연구에서는 HEC-RAS의 저류지역(Storage Area)기능을 활용하여 홍수시 하도로 직접 유입하는 홍수량과 하천변 저지대에 저류되었다가 지체되어 유입하는 홍수량을 구분하여 산정함으로써 내수침수의 근본적인 원인 분석에 기초한 침수해석모형을 개발하였다. 여기에 제방의 월류 및 파괴로 인한 외수범람 모의기능을 추가함으로써 하도의 홍수위에 따라 변화하는 하천변 저지대의 유출 및 침수특성 뿐만 아니라 외수 월류와 제방파괴에 의해 제내지로 역류하는 홍수량 그리고 이를 고려한 하천의 홍수위 등 치수계획 수립에 필수적이지만 이제까지 분석방법의 한계로 인해 접근하기 힘들었던 다양한 정보를 획득할 수 있었다.
제안 방법
- 따라서 본 연구에서는 하천변 저지대의 저류와 유출지체를 반영하여 실제 유역에서 발생하는 홍수유출 특성을 가능한 근사하게 모의할 수 있는 침수해석 기법을 개발하고자 HEC-RAS의 저류지역(Storage Area) 기능을 근간으로 하여 하천변 저지대의 유출특성 분석이 가능하도록 유출모형을 구성하여 유역과 하도간에 발생하는 다양한 유출현상을 분석하고, 모형의 해석결과를 GIS 기법과 연계하여 예상침수지도를 작성하였다. 또한 본 연구에 의해 개발된 침수해석 모형에 의해 1999년과 2000년에 삽교천 유역에서 발생한 홍수사상을 재현하여 실제 발생한 침수면적 및 홍수위와 비교함으로써 적용성을 검토하였다.
- 따라서 하도와 제방으로 분리된 하천변 저지대를 저류지로 구성하고 제내지의 다양한 침수원인 분석이 가능하도록 유출모형을 구성하여 유역과 하도간에 발생하는 다양한 유출 현상을 연계화한 모형을 구성하고 모형의 해석결과를 GIS 기법과 연계함으로써 하천변 저지대의 예상침수지도 작성이 가능하도록 하였다.
- 본 모형의 가장 큰 특징은 하천변 저지대를 HEC-RAS의 Storage Area 부프로그램으로 모형화 하고 자연배수시설과 배수펌프장을 모의할 수 있는 기능을 사용하여 하도와 연결한데 있다. 따라서 저지대는 1차원의 내용적에 의해 각 저지대를 포함하는 배수유역에서 발생한 홍수가 유입하는 일종의 pond로 표현되며, 하천의 홍수위와 pond의 내수위 차에 의해 자연배제량을 산정할 수 있고, 여기에 배수펌프장을 통한 강제배제를 고려하면 pond로 유입한 홍수량과 하천으로 배제되는 홍수량의 차이를 계산할 수 있어 내수침수를 유발하는 저지대의 침수량과 침수위을 산정할 수 있다.
- 이러한 분석에 HEC-RAS의 향상된 기능을 활용하면 실제 홍수상황에 더욱 근접한 해석이 가능하게 된다. 즉, 저류지간 연결기능에 의해 홍수시 지표면과 수로를 통한 저류지간 유수의 이동 및 배수로를 통해 연결되어 연계 운영하는 배수펌프장 유역을 모의하여 실제 유역에서 발생하는 침수유량의 종방향 이동에 대해 모의하며, 대규모 홍수시 발생하는 외수범람에 의한 침수피해를 예측하기 위해 하도와 저류지 간에 측방구조물(lateral structure)을 설치하고 그 상단부에 weir를 설치하여 하도의 홍수위가 제방고 보다 높을 경우 발생하는 외수월류에 의한 침수를 해석할 수 있다. 특히 제방파괴(levee breach) 기능을 추가하면 제방붕괴에 의해 홍수가 하도에서 저류지로 역류하고, 하도의 홍수위가 저하하면 다시 하도로 유출되는 특성을 분석할 수 있다.
- 이 과정이 저류지를 구성하는 각 grid별로 이루어짐으로써 1차원의 침수정보를 2차원 혹은 3차원적으로 확장하여 해석할 수 있게 된다. 본 연구에서는 ArcView에 의해 작성된 DEM 파일을 ASCII코드로 변환한 후 저류지의 내수위와 비교하여 내수위 보다 표고가 낮은 grid를 침수지역으로 구분하고 그 결과를 다시 ArcView에 의해 시각정보로 변환하였는데 이러한 과정을 침수심별로 또는 침수시간별로 시행하면 다양한 형태의 침수지도 작성이 가능하다.
- 본 연구의 해석기법을 적용하기 위해 미육군 공병단 수문 공학연구소(Hydrologic Engineering Center)에서 개발한 유역홍수추적 모형인 HMS(Hydrologic Modeling System)와하도추적 모형인 RAS(River Analysis System)를 사용하여 삽교천 전 유역과 주요 하천의 국가하천 구간을 모형화 하고, DSS File로 연결하여 홍수량 산정과 하도홍수추적이 연계되어 이루어질 수 있도록 구축하였다.
- 이때 HMS는 RAS 해석구간의 상류경계조건인 국가하천구간 시점부로 유입하는 홍수량과 내부경계조건인 국가하천 구간으로 유입하는 측방유입량을 산정하는데 적용하였으며, RAS의 부정류해석 Routine인 UNET은 국가하천구간의 하도 홍수추적을 통해 홍수량과 홍수위를 계산하는데 적용하였다. 구성된 모형의 해석과정은 그림 4와 같다.
- 또한 하구에 서해안 조위에 따라 운영되는 배수갑문이 설치된 특성을 반영하기 위해 삽교호 배수갑문 지점에 inline structure 기능을 사용하여 하구둑을 형성하고 여기에 실제 배수갑문과 동일한 형태의 sluice gate를 설치하여 서해안 조위에 비해 삽교호의 내수위가 높을 경우 방류하도록 하류 경계조건을 설정함으로써 삽교호의 수리특성을 하도의 유출 특성 및 조위와 연계하여 분석할 수 있도록 하였다.
- 이때 서해안 조위로는 인천지방해양수산청에서 '97년에 삽교호 방조제 지점에서 1년간 관측한 자료를 이용하여 조화 분석을 실시하고, 이렇게 결정된 조화상수를 이용하여 조위 모의발생 프로그램인 TidePre에 의해 모의 발생한 같은 기간의 조위를 실측치와 비교하여 적용성을 검토한 후 최대조위가 발생한 시기를 전후한 96시간의 조위를 채택하였다.
- 하도추적 모의구간내 저지대의 지형특성을 GIS 기법에 의해 분석하여 그림 6(a)와 같이 지형특성과 배수체계에 따라 구분한 후 이 결과에 의해 RAS에서 그림 6(b)와 같이 저류지(storage area)를 구성하여 하도와 연결함으로써 하천연안 저지대의 유출특성을 분석하고, 내수배제 지체 및 외수범람에 의한 침수를 모의하였다.
- 11%에 해당한다. 각각의 저류지는 배수체계에 따라 자연배제 유역은 암거(culvert)로, 강제배수유역은 암거와 펌프(pump)로 하도와 연결하여 저류지를 포함하는 배수유역에서 발생한 홍수가 내·외수위 조건에 따라 하도로 유입하도록 구성하였다. RAS에는 여러대의 펌프를 동시에 운영할 수 있고, 펌프별로 배수능력을 달리 적용할 수 있으며, 각각의 펌프를 내수위에 따라 동시 또는 시차를 두고 가동할 수 있으므로 본 모형에서는 배수펌프장별로 운영방식을 조사하여 가능한 실제 운영상황을 재현할 수 있도록 각종 운영조건을 입력하여 모의하였다.
- 각각의 저류지는 배수체계에 따라 자연배제 유역은 암거(culvert)로, 강제배수유역은 암거와 펌프(pump)로 하도와 연결하여 저류지를 포함하는 배수유역에서 발생한 홍수가 내·외수위 조건에 따라 하도로 유입하도록 구성하였다. RAS에는 여러대의 펌프를 동시에 운영할 수 있고, 펌프별로 배수능력을 달리 적용할 수 있으며, 각각의 펌프를 내수위에 따라 동시 또는 시차를 두고 가동할 수 있으므로 본 모형에서는 배수펌프장별로 운영방식을 조사하여 가능한 실제 운영상황을 재현할 수 있도록 각종 운영조건을 입력하여 모의하였다.
- 또한 홍수시 지표면과 수로를 통한 저류지간 유수의 이동 및 배수로를 통해 연결하여 연계 운영하는 배수펌프장 유역을 모의하여 실제 유역에서 발생하는 홍수의 종방향 이동을 반영할 수 있도록 하였는데 이를 위해 Weir에 의한 저류지 연결(storage area connections) 기능을 사용하였다. 즉, 소규모 홍수와 대홍수로 구분하여 소규모 홍수시에는 현재 배수로를 통해 연계 운영되는 배수펌프장유역을 대상으로 하여 각 저류지별 내수위가 배수로 바닥고 보다 0.3 m 이상 높게 형성될 경우 서로 연결되게 설정하였으며, 배수로를 통해 연결되지는 않지만 대규모 홍수시 지표면 유출을 통해 유수의 이동이 가능한 지형의 저류지간에는 지형특성에 따라 배수로 바닥에서 1.0~1.5 m의 수위가 형성될 때 연결될 수 있도록 Weir의 높이를 조정하여 설치하였다.
- 내수침수와 더불어 대규모 홍수시 발생하는 외수범람에 의한 침수피해를 예측하기 위해 하도와 저류지간에 측방구조물(laterral structure)을 설치하고 그 상단부에 Weir를 설치하여 하도의 홍수위가 제방고 보다 높을 경우 발생하는 외수월류를 모의할 수 있도록 하였다. 아울러 제방파괴(levee breach) 기능을 추가하여 홍수위가 제방고를 20 cm이상 초과하면 제방파괴가 발생하는 것으로 가정하여 홍수가 하도에서 저류지로 역유입하고, 수위가 저하하면 다시 하도로 유출되는 특성을 분석하였다.
- 내수침수와 더불어 대규모 홍수시 발생하는 외수범람에 의한 침수피해를 예측하기 위해 하도와 저류지간에 측방구조물(laterral structure)을 설치하고 그 상단부에 Weir를 설치하여 하도의 홍수위가 제방고 보다 높을 경우 발생하는 외수월류를 모의할 수 있도록 하였다. 아울러 제방파괴(levee breach) 기능을 추가하여 홍수위가 제방고를 20 cm이상 초과하면 제방파괴가 발생하는 것으로 가정하여 홍수가 하도에서 저류지로 역유입하고, 수위가 저하하면 다시 하도로 유출되는 특성을 분석하였다.
- 3.2절의 방법으로 저지대를 모형화 하여 분석한 유출특성을 100년 빈도 홍수량에 적용하였다. 그림 7은 저류지의 유출특성분석의 한 예로 무한천의 삽교천 합류부 직상류 좌안에 위치한 계촌배수펌프장 유역의 유출특성 모의 결과이다.
- 본 모형의 해석결과를 수치지형도로부터 격자형 수치고도 자료(Digital Elevation Model)를 생성한 후 각 격자의 표고와 시간대별 침수위를 비교하여 침수위가 높을 경우 침수 지역으로 식별하고, 침수심별로 상이한 형태의 시각정보로 변환함으로써 시간대별, 침수심별 예상침수지도를 작성하였으며, 지형은 10 m×10 m의 DEM으로 구분하여 홍수범람도의 정확성을 최대한 확보할 수 있도록 하였다.
- 하천변 저지대의 침수해석에 대한 본 모형의 적용성을 평가하기 위해 삽교천 유역에 대해 하도조건이 현 상태와 가장 유사한 1999년과 2000년에 발생한 홍수사상을 재현하여 그 결과를 검토하였다. 검토대상 홍수사상은 1999년 8월 2일~4일과 2000월 8월 24일~27일간의 집중호우에 의해 발생한 것으로 이 기간 동안 삽교천 유역에는 최근 20년 동안의 재해연보 기록상으로 3위와 4위에 해당하는 피해가 발생하였으며, 이때 발생한 24시간최대 유역평균 강우량은 대략 5년에서 10년 빈도에 해당하는 규모로 평가되었다.
- 특히 기존의 침수해석 방법과 비교할 때 하도내에 형성되는 홍수위를 기준으로 침수지역을 식별하는 방식의 양적오류를 해결하고, 평탄지의 홍수범람 해석시 발생하는 해의 발산문제에서 자유로운 새로운 침수해석 기법을 제시하였다.
- 본 모형의 적용을 위한 상류경계조건인 국가하천 시점부로 유입하는 홍수량은 국가하천 시점부 상류의 유역을 지형과 수계구성 특성 및 면적, 유로연장 등을 고려하여 그림 5와 같이 삽교천 5개소, 무한천 10개소, 곡교천 7개소로 소유역을 구분한 후 Clark 단위도법과 Muskingum 방법에 의해 유역추적과 하도추적을 병행하여 산정하였다. 내부경계조건인 국가하천 구간으로 유입하는 주요 지류유역의 홍수량 또한 삽교천에 37개소, 곡교천에 15개소, 무한천에 16개소의 소유역을 구분하여 Clark 단위도법으로 산정하였다.
대상 데이터
- 이러한 지형 및 수계구성 특성으로 인해 삽교천 유역에는 1995년 대홍수 이후 지금까지 비교적 큰 규모의 홍수가 발생하지 않았고, 주요 하천이 범람한 사례가 없음에도 불구하고 매년 크고 작은 침수피해가 발생하고 있는데 그 주된 원인은 내수침수로 나타나고 있어 본 연구의 적용을 위한 대상유역으로 적절하다고 판단되어 대상유역으로 선정하였다.
- 삽교천 유역 중하류부에 위치한 삽교천, 곡교천, 무한천의 국가하천 구간을 모의대상으로 선정하고, RAS의 다지하천 해석기능을 활용하여 동시에 하도추적을 시행할 수 있도록 하였다. 하천망의 횡단면은 2002년과 2004년에 측량된 성과를 활용하여 삽교천과 곡교천은 500 m, 무한천은 100 m 간격을 기본으로 입력하고, 구조물이 위치한 지점과 단면이 급격히 변화하는 지점 등에는 횡단면 자료를 추가로 입력하였다.
- 본 모형에서 저류지로 구성된 저지대는 54개소이며, 총 면적은 133.7 km2로서 전체 삽교천 유역면적의 약 8.11%에 해당한다. 각각의 저류지는 배수체계에 따라 자연배제 유역은 암거(culvert)로, 강제배수유역은 암거와 펌프(pump)로 하도와 연결하여 저류지를 포함하는 배수유역에서 발생한 홍수가 내·외수위 조건에 따라 하도로 유입하도록 구성하였다.
- 모형의 검증을 위한 상류단 경계조건으로는 같은 기간동안 기상청 및 건교부 관측소에서 관측된 강우량을 대상으로 HEC-HMS 모형에 의해 산정한 국가하천 시점부의 홍수량 수문곡선을 사용하였으며, 특히 무한천 구간의 상류단 경계 조건으로는 이 기간 동안의 강우량과 예당지 운영기록에 의해 방류량을 추정하여 사용하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 하천 출구에 설치된 유량제어시설이나 조위, 하류수위에 의해 제어를 받게 되는 하도의 유출해석과 동시에 하천변 저지대의 저류와 유출지체를 반영하여 실제 유역에서 발생하는 홍수유출 특성을 가능한 근사하게 모의할 수 있는 침수해석 기법을 개발하고자 하였다. 제내지 침수해석 및 하도유출해석을 위해 HEC-RAS version 3.1.1의 부정류 해석 모형(UNET모형)을 적용하였으며, HEC-RAS 모형은 배수갑문이 설치된 하도 본류와 off-line으로 형성된 제내지간 수리학적 거동의 연계가 가능하고 제내지를 저류지로 구성하였을 경우 저류지간의 연계모의도 가능하다(USACE, 2002a, 2002b, 2002c).
- 내부경계조건인 국가하천 구간으로 유입하는 주요 지류유역의 홍수량 또한 삽교천에 37개소, 곡교천에 15개소, 무한천에 16개소의 소유역을 구분하여 Clark 단위도법으로 산정하였다. 본 연구에서는 HEC-HMS 모형을 이용하여 그림 5와 같이 유역의 홍수추적을 위한 모형을 구성 하였다.
- 또한 홍수시 지표면과 수로를 통한 저류지간 유수의 이동 및 배수로를 통해 연결하여 연계 운영하는 배수펌프장 유역을 모의하여 실제 유역에서 발생하는 홍수의 종방향 이동을 반영할 수 있도록 하였는데 이를 위해 Weir에 의한 저류지 연결(storage area connections) 기능을 사용하였다. 즉, 소규모 홍수와 대홍수로 구분하여 소규모 홍수시에는 현재 배수로를 통해 연계 운영되는 배수펌프장유역을 대상으로 하여 각 저류지별 내수위가 배수로 바닥고 보다 0.
- 본 모형의 적용을 위한 상류경계조건인 국가하천 시점부로 유입하는 홍수량은 국가하천 시점부 상류의 유역을 지형과 수계구성 특성 및 면적, 유로연장 등을 고려하여 그림 5와 같이 삽교천 5개소, 무한천 10개소, 곡교천 7개소로 소유역을 구분한 후 Clark 단위도법과 Muskingum 방법에 의해 유역추적과 하도추적을 병행하여 산정하였다. 내부경계조건인 국가하천 구간으로 유입하는 주요 지류유역의 홍수량 또한 삽교천에 37개소, 곡교천에 15개소, 무한천에 16개소의 소유역을 구분하여 Clark 단위도법으로 산정하였다. 본 연구에서는 HEC-HMS 모형을 이용하여 그림 5와 같이 유역의 홍수추적을 위한 모형을 구성 하였다.
성능/효과
- 이러한 작업에 선행하여 하천변 저지대 중 침수예상지역을 구분하는 것 또한 전처리 과정의 일부이며, 이때는 실제 현장 조사를 통해 배수체계와 배수시설의 규모 및 운영에 대한 조사가 이루어져야 한다. 이때 저지대의 내용적은 ArcView를 이용하여 지형을 DEM으로 구분하여 각종 분석의 결과와 침수지도 작성의 정확성을 최대한 확보할 수 있도록 하였다.
- 이상의 분석은 HEC- RAS의 부정류 해석기능에 의해 실행됨으로써 홍수기간 동안 변화하는 저지대의 침수 및 홍수 유출 특성을 파악할 수 있다. 그림 2는 본 연구에서 개발된 모형의 해석과정을 나타내고 있다.
- 또한 외수위가 하강하여 내수위보다 낮아지면 다시 자연배수가 발생하며, 내수위가 어느 정도 이상이 되면 일정한 값을 보이는 강제배제량에 비해 자연배수량은 내수위 및 수위 차에 의해 변화하는 성향을 보이고 있는 등 본 모형의 모의 결과가 실제 하천변 저지대에서 발생하는 유출특성을 잘 재현하고 있음을 알 수 있다.
- 외수범람 및 제방파괴 모의기능을 사용하여 계촌배수펌프장 유역과 그 직하류에 위치한 신종배수펌프장 유역에 대해 외수범람이 발생할 경우의 외수위와 내수위 변화를 분석한 결과를 외수범람을 고려하지 않은 경우와 함께 그림 8(a)와 (b)에 도시하였다. 그림 8(a)의 계촌배수펌프장 유역은 외수 범람을 고려할 경우 이를 고려하지 않을 경우에 비해 낮아지며 외수위가 제방고를 초과하는 시점부터 내수위가 급격히 상승하여 외수위와 같게 되고 이어서 파제부를 통해 내·외수위가 교류하여 함께 거동하는 양상을 보이고 있다.
- 또한, 본 모형의 모의결과 산정된 침수면적과 재해연보에 기록된 삽교천 유역과 그 중심에 위치한 예산군의 침수면적을 표 2와 같이 비교한 결과, 2000년의 삽교천 유역 침수면적을 제외하면 대체로 실제 발생한 침수면적의 66.1~96.5%로 매우 근사하게 모의한 것을 알 수 있다.
- 실제로 저지대에 의한 유출특성의 변화를 하도 유입량으로 고려하지 않은 하도유입량 곡선에 비해 이를 고려할 경우하도의 유입량 증가가 완만하고 첨두유입량이 작은 반면, 유역에서 발생한 홍수가 하도로 유입하는데 소요되는 시간이 증가하는 것을 분석되었으며, 유출지체로 인해 저지대의 침수피해를 유발하는 유출량은 최대 직접유출량의 약 13.7%에 해당하는 유량이 저지대에 저류되어 침수피해를 유발하는 것으로 분석되었다.
- 하천변 저지대의 침수해석에 대한 본 모형의 적용성을 평가하기 위해 삽교천 유역에 대해 하도조건이 현 상태와 가장 유사한 1999년과 2000년에 발생한 홍수사상을 재현하여 그 결과를 검토하였다. 검토대상 홍수사상은 1999년 8월 2일~4일과 2000월 8월 24일~27일간의 집중호우에 의해 발생한 것으로 이 기간 동안 삽교천 유역에는 최근 20년 동안의 재해연보 기록상으로 3위와 4위에 해당하는 피해가 발생하였으며, 이때 발생한 24시간최대 유역평균 강우량은 대략 5년에서 10년 빈도에 해당하는 규모로 평가되었다.
후속연구
- 본 모형을 삽교천 유역에 적용한 결과 실제 발생한 홍수 사상의 특성을 잘 재현하여 상기한 정보들이 충분한 활용가치가 있는 것으로 평가되어, 각종 치수계획의 수립 및 침수 지역 결정의 정확도를 제고할 뿐만 아니라 외수와 내수에 대한 치수안전도를 구분하여 적용함으로써 홍수피해 예측 및 이와 관련된 정보를 더욱 상세히 제공할 수 있을 것으로 기대된다.
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