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문제 정의
- 본 연구에서는 LH공사에서 수행되고 있는 사전재해영향성 검토의 주요 홍수조절 방안인 영구저류지 계획에 관하여 기술적 분석 방법의 문제점을 도출하고, 합리적인 홍수량 산정방법을 위한 수리·수문분석 방법 및 절차를 제시하고자 한다. 또한, 도시유역과 전원유역에 적합한 홍수량 산정모형을 제시하여 최종적으로 사전재해영향성 검토에서 홍수조절방안에 대한 합리적인 평가방안을 고찰하고자 한다.
- 본 연구에서는 LH공사에서 수행되고 있는 사전재해영향성 검토의 주요 홍수조절 방안인 영구저류지 계획에 관하여 기술적 분석 방법의 문제점을 도출하고, 합리적인 홍수량 산정방법을 위한 수리·수문분석 방법 및 절차를 제시하고자 한다.
- 본 연구에서는 사전재해영향성 검토시 영구저류지의 홍수량 산정기법에 대하여 전원유역과 도시유역에 대하여 합리적인 홍수량산정방법을 고찰하고 홍수유출모형의 적합성을 검토하였다. 기존 재해영향성평가의 문제점은 영구저류지의 설계 시 홍수량 산정 기법의 문제이다.
- 본 연구에서는 사전재해영향성 검토에 일반적으로 사용되고 있고, 활용 가능한 홍수유출 모형들에 대한 적합성을 검토하였다. 홍수유출 모형의 적합성은 각각 전원유역과 도시유역에 대하여 검토되었는데, 각각의 대상 유역이 미 계측 유역이므로 본 연구에서는 실제 호우사상에 대한 유량측정을 직접 수행하여 평가하였다.
- 대덕연구개발특구 1단계 개발대상지구의 사전재해영향성검토에서 계획 중인 영구저류지는 총 4개소로 죽동지구 (JD1), 방현지구(BH2)에 각 1개소, 신성지구(BH1, SS1)에 2개소가 계획되어 있다. 본 연구에서는 신성지구에 계획 중인 영구저류지 SS1 지점 하류와 만나는 본류하천인 탄동천의 신성2교 지점에 대한 유량측정 성과를 기초로 유출모형을 보정하였고, 유출모형별 적용성을 평가하였다.
- 기존 재해영향성평가의 문제점은 영구저류지의 설계 시 홍수량 산정 기법의 문제이다. 본 연구에서는 합성단위도를 통한 홍수량 산정 시, 발생되는 도달시간 채택에 관한 문제점을 고찰하였다. 홍수유출 모형의 적합성 검토는 전원 유역과 도시유역에 대하여 각각 수행하였다.
가설 설정
- 반면, 재해영향평가서에서 주로 적용되는 Rizha, Kraven 공식은 상대적으로 도달시간이 짧다. 도달시간이 길어지면 첨두 홍수량이 과소하게 평가될 수 있으므로 설계 안정적 측면에서는 Rizha, Kraven 공식을 적용하는 것이 타당할 것이다. 그러나 유역의 물리적 특성을 객관적으로 판단하지 않고 유역 홍수량을 과대하게 평가한다면, 영구저류지 계획 시 과대 설계가 될 수밖에 없으므로 불필요한 비용을 유발할 수 있다.
제안 방법
- 2009년 7월 7일 강우에 대하여 SWMM 모형에 의해 모의된 주천강 유역의 유출량 중 실제 유량측정을 수행하였던 JC_R3_3소유역에 대하여 모형을 보정하였다. 그림 7은 보정된 모형에 의한 계산된 유량과 측정된 유량을 나타낸 그림이다.
- 강우-유출모형의 적용은 상대적으로 유량이 큰 경우에 대하여 수행하였고, 신성2교의 경우 7월 9일 실측결과를 이용하여 적용하였다. Clark 유역추적법은 유역의 도달시간 산정 공식 중 Kirpich, Rizha, Kraven(I) 등 총 6개 공식에 대하여 유출 수문곡선을 작성하였다.
- 즉, 도시 유역 하나와 전원 유역 하나에 대하여 여러 가지 홍수유출 모형의 적용 결과를 분석하였다. 그리고 기존 사전재해영향성 검토에서 일반적으로 사용되고 있는 도달시간을 이용한 합성단위도법의 문제점을 제시하고, 유역의 특성을 보다 잘 반영할 수 있는 모형을 제안하는 내용으로 홍수유출 모형의 적합성을 검토하였다.
- 김해 진영 택지개발사업지구의 하류를 유역의 출구로 설정한 주천강 유역의 강우-유출 모형을 구성하기 위해 소유역과 하도를 분할하였다. 김해 진영 택지개발사업지구가 포함된 유역은 한국토지공사(2007b)에서 분할한 소유역과 동일하게 분할하였고, 다른 유역들은 유역과 하도의 특성을 반영하여 구분하였다.
- 홍수유출 모형의 적합성 검토는 전원 유역과 도시유역에 대하여 각각 수행하였다. 다양한 모형을 각각의 대상유역에 적용하였고, 구축된 모형을 실제 홍수 시 측정자료와 비교하여 모형의 적합성을 검토하였다. 그 결과, 전원유역과 도시유역에 적합한 모형은 각각 운동파 모형과 SWMM인 것으로 검토되었다.
- 하지만 다수의 유량측정과 많은 홍수유출 모형의 적용을 통한 분석은 많은 시간과 예산이 소요된다. 따라서 본 연구에서는 예산과 연구기간 등을 감안하여 홍수유출 모형의 적합성 검토에 대한 범위를 한정하였다. 즉, 도시 유역 하나와 전원 유역 하나에 대하여 여러 가지 홍수유출 모형의 적용 결과를 분석하였다.
- Clark 유역추적법은 유역의 도달시간 산정 공식 중 Kirpich, Rizha, Kraven(I) 등 총 6개 공식에 대하여 유출 수문곡선을 작성하였다. 또한, NRCS 합성단위도법, 운동파 방법을 적용하여 모형을 적용성을 평가하였다. 각각의 방법에 사용된 유효강우량 산정 방법은 동일하게 유출곡선지수(Curve Number; CN)를 사용하는 NRCS 방법이 적용되었고, 하도추적도 동일하게 kinematic wave 방법이 사용되었다.
- 자동기상관측소는 1분 단위로 강우를 기록한다. 본 연구에서 유량을 측정한 김해 진영1지구 택지개발사업의 소유역은 유역면적이 작고, 구획된 관로에 의해 강우유출이 빠르게 진행됨을 감안하여 10분 단위의 강우량을 사용하였다.
- 본 연구에서는 1:25,000도 수치지형도를 이용하여 홍수량 산정지점에 대한 유역 특성을 분석하였다. 신성 2교 지점의 유역면적은 1.
- 본 연구에서는 이들 입력 자료를 구축하기 위하여 연구대상 유역의 수치지형도(1:25,000), 토지이용도, 정밀토양도 등을 수집하여 GIS 분석 프로그램인 Arcview 3.3을 이용하여 분석하였다.
- 따라서 본 연구에서는 예산과 연구기간 등을 감안하여 홍수유출 모형의 적합성 검토에 대한 범위를 한정하였다. 즉, 도시 유역 하나와 전원 유역 하나에 대하여 여러 가지 홍수유출 모형의 적용 결과를 분석하였다. 그리고 기존 사전재해영향성 검토에서 일반적으로 사용되고 있는 도달시간을 이용한 합성단위도법의 문제점을 제시하고, 유역의 특성을 보다 잘 반영할 수 있는 모형을 제안하는 내용으로 홍수유출 모형의 적합성을 검토하였다.
- 각각의 방법에 사용된 유효강우량 산정 방법은 동일하게 유출곡선지수(Curve Number; CN)를 사용하는 NRCS 방법이 적용되었고, 하도추적도 동일하게 kinematic wave 방법이 사용되었다. 즉, 유역유출 계산 방법만 다르고, 모든 조건이 동일하도록 설정하여 분석하였다.
- 각각의 방법에 사용된 유효강우량 산정 방법은 동일하게 유출곡선지수(Curve Number; CN)를 사용하는 NRCS 방법이 적용되었고, 하도추적도 동일하게 kinematic wave 방법이 사용되었다. 즉, 유역유출과 관련된 도달시간만 다르고, 모든 조건이 동일하도록 설정하여 분석하였다. 그림 5는 각각의 모형에 의해 도출된 유출 수문곡선을 나타낸다.
- 강우 시 유량 측정은 탄동천 유역의 신성 2교 지점과 김해진영 1지구 임시저류지의 유입부에서 각각 수행하였다. 탄동천 유역의 신성2교 지점과 김해진영 1지구 임시저류지의 유입부에서는 각각 2회에 걸쳐서 유량 측정을 수행하였다. 신성 2교 지점에서는 2009년 7월 7일과 7월 9일에 측정하였고, 김해진영 1지구 임시저류지의 유입부에서는 2009년 7월 1일과 7월 7일에 측정하였다(표 2).
- 홍수유출 모형의 적합성 검토는 많은 대상 유역에 대하여 여러 가지 홍수유출 모형을 적용하여 종합적으로 검토하는 것이 바람직하다. 하지만 본 연구에서는 홍수유출 모형의 적합성을 검토하기 위해 각각의 모형을 1개의 대상 유역에 대해서만 적용하여 결과를 도출하였다. 따라서 본 연구의 결과가 유역의 홍수유출 모의 해석에 있어서 모형 선정의 절대적인 기준을 제시하지는 못한다.
- 홍수유출 모형의 보정을 위한 유량 측정은 김해 진영 1지구 택지개발사업이 완료되면서 설치된 임시 저류지의 유입부에서 수행하였다.
- 본 연구에서는 합성단위도를 통한 홍수량 산정 시, 발생되는 도달시간 채택에 관한 문제점을 고찰하였다. 홍수유출 모형의 적합성 검토는 전원 유역과 도시유역에 대하여 각각 수행하였다. 다양한 모형을 각각의 대상유역에 적용하였고, 구축된 모형을 실제 홍수 시 측정자료와 비교하여 모형의 적합성을 검토하였다.
- 본 연구에서는 사전재해영향성 검토에 일반적으로 사용되고 있고, 활용 가능한 홍수유출 모형들에 대한 적합성을 검토하였다. 홍수유출 모형의 적합성은 각각 전원유역과 도시유역에 대하여 검토되었는데, 각각의 대상 유역이 미 계측 유역이므로 본 연구에서는 실제 호우사상에 대한 유량측정을 직접 수행하여 평가하였다.
대상 데이터
- 강우 시 유량 측정은 탄동천 유역의 신성 2교 지점과 김해진영 1지구 임시저류지의 유입부에서 각각 수행하였다. 탄동천 유역의 신성2교 지점과 김해진영 1지구 임시저류지의 유입부에서는 각각 2회에 걸쳐서 유량 측정을 수행하였다.
- 강우-유출모형의 보정은 상대적으로 유량이 큰 경우에 대하여 수행하였는데, 신성2교의 경우 7월 9일의 실측결과, 김해진영 1지구의 경우 큰 7월 7일의 측정자료를 활용하였다. 강우 시 유량 측정은 국지성 호우, 강우 예보의 부정확성 등의 이유로 인해 측정의 어려움이 있다.
- 본 대상유역 내에는 수문관측소 및 수위관측소가 없으며, 기상관측소는 사업지구 인근에 기상청 관할 대전기상대가 위치하고 있다. 그리고 국토해양부 관할 관측소인 옥천관측소가 위치하고 있으나, 사업지구와는 거리가 매우 먼 곳에 위치하고 있다.
- 그림 2에서 빗금 친 부분이 김해 진영 택지개발사업 지구에 해당한다. 본 연구에서 설정한 주천강 유역의 면적은 74.9 km2이다.
- 본 연구에서 홍수유출 모형의 적합성 검토를 위해 선정한 사업지구는 대덕연구개발특구 1단계 개발사업지구와 김해진영 택지개발사업지구이다. 대덕연구개발특구 1단계 개발사업지구는 전원유역에 해당하고, 김해 진영 택지개발사업지구의 1단계가 완료된 지역은 도시유역에 해당한다.
- 본 연구에서는 주천강 유역의 강우-유출 모형을 구성하기 위해 동읍 자동기상관측소(Automatic Weather Station; AWS) 의 자료를 이용하였다. 자동기상관측소는 1분 단위로 강우를 기록한다.
- 사용된 동읍 자동기상관측소의 강우자료는 2009년 7월 7일 04:00부터 16:30까지의 강우량으로서, 총 184.5 mm이다.
- 탄동천 유역의 신성2교 지점과 김해진영 1지구 임시저류지의 유입부에서는 각각 2회에 걸쳐서 유량 측정을 수행하였다. 신성 2교 지점에서는 2009년 7월 7일과 7월 9일에 측정하였고, 김해진영 1지구 임시저류지의 유입부에서는 2009년 7월 1일과 7월 7일에 측정하였다(표 2).
- 4 km2이다. 탄동천 유역의 유량 측정지점은 유역 말단부에 위치한 신성 2교 지점이다.
이론/모형
- 강우-유출모형의 적용은 상대적으로 유량이 큰 경우에 대하여 수행하였고, 신성2교의 경우 7월 9일 실측결과를 이용하여 적용하였다. Clark 유역추적법은 유역의 도달시간 산정 공식 중 Kirpich, Rizha, Kraven(I) 등 총 6개 공식에 대하여 유출 수문곡선을 작성하였다. 또한, NRCS 합성단위도법, 운동파 방법을 적용하여 모형을 적용성을 평가하였다.
- 또한, NRCS 합성단위도법, 운동파 방법을 적용하여 모형을 적용성을 평가하였다. 각각의 방법에 사용된 유효강우량 산정 방법은 동일하게 유출곡선지수(Curve Number; CN)를 사용하는 NRCS 방법이 적용되었고, 하도추적도 동일하게 kinematic wave 방법이 사용되었다. 즉, 유역유출과 관련된 도달시간만 다르고, 모든 조건이 동일하도록 설정하여 분석하였다.
- 본 연구에서는 Clark 유역추적법과 NRCS 합성단위도법을 이용하여 홍수량을 산정하기 위해 Kerby 공식, Izzard 공식, kinematic wave 공식, FAA(Federal Aviation Agency)공식을 이용하여 홍수량을 산정하였다. 각각의 방법에 사용된 유효강우량 산정 방법은 동일하게 유출곡선지수(Curve Number; CN)를 사용하는 NRCS 방법이 적용되었고, 하도추적도 동일하게 kinematic wave 방법이 사용되었다.
- 본 연구에서는 도시유역의 홍수량 산정에 적합한 강우-유출 모형을 검토하기 위해 Clark 유역추적법과 NRCS 합성단위도법을 본 연구에서 유량측정을 수행한 주천강 유역에 적용하였다.
- 본 연구에서는 유역 유출 모형으로서, 미계측 유역의 유출량 산정 방법인 합성단위도법 중 Clark, NRCS 방법과 유역의 물리적 특성을 반영할 수 있고 객관적인 매개변수 입력이 가능한 운동파 방법을 적용하였다. Clark 유역추적법은 도달 시간 산정공식에 따른 유출 수문곡선을 작성하였다.
- 주천강 유역의 유출 모의에는 전술한 SWMM 모형이 이용되었다. 분할된 소유역과 하도에 관한 입력자료와 강우자료를 이용하여 SWMM 모형의 모의 체계를 구축하였다.
- 유출에 영향을 미치는 토양의 조건에 따라 유효우량을 산정하는 방식 중에서 가장 보편적이고, 합리적인 것으로 알려져 있는 미국 자연자원보호국(U.S. National Resources Conservation Service)의 유출곡선지수인 CN(Curve Number)방법을 사용하였다.
- 주천강 유역의 강우-유출모형은 SWMM(Storm water management model)을 이용하였다. SWMM은 도시유역의 강우에 의한 홍수량과 수질을 모의하고, 연속모의(continuous simulation)를 위해 위해 미국 환경청(Environmental Protection Agency; EPA)의 지원 아래에서 개발된 모형이다.
- 주천강 유역의 유출 모의에는 전술한 SWMM 모형이 이용되었다. 분할된 소유역과 하도에 관한 입력자료와 강우자료를 이용하여 SWMM 모형의 모의 체계를 구축하였다.
성능/효과
- 그림 7은 보정된 모형에 의한 계산된 유량과 측정된 유량을 나타낸 그림이다. 4회 측정된 유량에 대한 계산값의 오차는 평균 9.10%로 나타났는데, 이중 상대적으로 오차가 크게 나타났던 세 번째 측정값을 제외하면 5.05%로 비교적 정도 높은 결과를 보였다.
- 그림 8은 강우-유출 모형별 홍수량 산정결과와 관측 유량 자료를 함께 도시한 그림이다. Clark 유역추적법을 이용한 홍수량 산정결과는 도달시간 산정공식별로 모두 표시하였고, NRCS 합성단위도법은 관측 결과와 오차가 가장 작게 나타난 FAA 공식의 결과만을 나타내었다. 그림 8을 통해, 도달시간별로 산정된 Clark 유역추적법과 NRCS 합성단위도법에 의한 모의 결과가 상대적으로 SWMM에 의해 계산된 결과보다 관측치와의 오차가 크고, 실제 유출 현상을 잘 반영하지 못하고 있음을 알 수 있다.
- 그 결과, 전원유역과 도시유역에 적합한 모형은 각각 운동파 모형과 SWMM인 것으로 검토되었다. 결과적으로 본 연구에서는 영구저류지의 계획에 필요한 홍수량 산정 시, 적절한 모형을 제시하였다. 본 연구에서 제시한 홍수조절방안의 홍수량 산정시 적절한 모형선정과 모형수행방법은 연구개요에서 언급한 현행 사전재해영향성 검토 시의 문제점을 극복하고, 합리적인 영구저류지 설치를 위한 홍수량규모와 적정용량을 제시할수 있을 것으로 사료된다.
- 결론적으로 Clark 유역추적법을 적용할 경우, 도달시간 산정시 설계자의 판단에 의하여 유출량이 과대 평가될 수 있으므로 객관적인 방법으로 매개변수를 추정할 수 있는 운동파 방법 또는 NRCS 합성단위도법을 적용하는 것이 합리적일 것으로 판단된다.
- 결론적으로 도시 유역에 Clark 유역추적법이나 NRCS 합성단위도법을 적용할 경우, 비록 도시 유역에서 적용가능한 도달시간 산정 공식을 사용하더라도 유출 현상을 잘 반영하지 못하였다. 또한, 도달시간 산정 시 설계자의 판단에 따라 유출량이 달라지게 된다.
- 다양한 모형을 각각의 대상유역에 적용하였고, 구축된 모형을 실제 홍수 시 측정자료와 비교하여 모형의 적합성을 검토하였다. 그 결과, 전원유역과 도시유역에 적합한 모형은 각각 운동파 모형과 SWMM인 것으로 검토되었다. 결과적으로 본 연구에서는 영구저류지의 계획에 필요한 홍수량 산정 시, 적절한 모형을 제시하였다.
- Clark 유역추적법을 이용한 홍수량 산정결과는 도달시간 산정공식별로 모두 표시하였고, NRCS 합성단위도법은 관측 결과와 오차가 가장 작게 나타난 FAA 공식의 결과만을 나타내었다. 그림 8을 통해, 도달시간별로 산정된 Clark 유역추적법과 NRCS 합성단위도법에 의한 모의 결과가 상대적으로 SWMM에 의해 계산된 결과보다 관측치와의 오차가 크고, 실제 유출 현상을 잘 반영하지 못하고 있음을 알 수 있다.
- 또한, 도달시간 산정 시 설계자의 판단에 따라 유출량이 달라지게 된다. 따라서 도시 유역의 유출 현상을 보다 잘 반영할 수 있고, 기술자의 주관적 판단보다 객관적인 방법으로 매개변수를 추정할 수 있는 SWMM 방법이 보다 합리적일 것으로 판단된다.
- 0 m3/s 로 분석되었다. 또한, NRCS 합성단위도법의 경우에도 계산 치와 관측치의 오차범위가 0.5～2.5 m3/s로 나타났다. 즉, 운동파 방법과 NRCS 합성단위도법에 의해 모의된 결과가 유역추적법의 계산결과 보다 유출 계산의 신뢰도가 높은 것으로 평가되었다.
- 그러나 경험공식별로 유하시간의 차이가 매우 크고 이에 따른 홍수량의 차이도 매우 크지만, 아직까지 마땅한 채택 기준이 없는 실정이다. 또한, 기존 LH공사에서 수행한 재해영향평가서의 유역 도달시간 산정 결과를 보면, 현장조사 및 지형조사를 토대로 기술자의 주관적 판단에 의거하여 도달시간의 공식이 채택되었다.
- 본 연구에서 설정한 주천강 유역의 총 면적은 74.876 km2이고, 총 15개의 소유역과 17개의 하도로 분할되었다.
- 본 연구에서 수행한 도달시간 산정공식별 강우-유출 모의의결과, 적용된 도달시간 산정 공식에 따라 그 결과가 서로 크게 다른 것으로 분석되었다. 즉, 실제 사전재해영향성 검토에서는 기술자의 선택에 의해 홍수량이 크게 변화할 수 있게 된다.
- 5 m3/s로 나타났다. 즉, 운동파 방법과 NRCS 합성단위도법에 의해 모의된 결과가 유역추적법의 계산결과 보다 유출 계산의 신뢰도가 높은 것으로 평가되었다.
후속연구
- 하지만 본 연구에서는 홍수유출 모형의 적합성을 검토하기 위해 각각의 모형을 1개의 대상 유역에 대해서만 적용하여 결과를 도출하였다. 따라서 본 연구의 결과가 유역의 홍수유출 모의 해석에 있어서 모형 선정의 절대적인 기준을 제시하지는 못한다. 따라서 유역의 특성을 반영한 적정 모형의 선정을 검토하기 위해서는 장기적인 연구가 진행되어야 할 것으로 판단된다.
- 따라서 본 연구의 결과가 유역의 홍수유출 모의 해석에 있어서 모형 선정의 절대적인 기준을 제시하지는 못한다. 따라서 유역의 특성을 반영한 적정 모형의 선정을 검토하기 위해서는 장기적인 연구가 진행되어야 할 것으로 판단된다.
- 결과적으로 본 연구에서는 영구저류지의 계획에 필요한 홍수량 산정 시, 적절한 모형을 제시하였다. 본 연구에서 제시한 홍수조절방안의 홍수량 산정시 적절한 모형선정과 모형수행방법은 연구개요에서 언급한 현행 사전재해영향성 검토 시의 문제점을 극복하고, 합리적인 영구저류지 설치를 위한 홍수량규모와 적정용량을 제시할수 있을 것으로 사료된다.
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