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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 2006년 홍수시 충주댐 운영의 적절성을 검토하기 위하여 충주댐을 기준으로 영월2 수위관측소에서 충주댐까지의 상류구간과 충주댐에서 팔당댐까지의 하류구간으로 나누어 수리학적 모형을 구축하였다. 수리학적 모형은 4대강 사업 이전 가용한 최신의 하도측량자료를 이용하였으며, 최근 홍수자료인 2006년, 2007년, 2008년 홍수사상의 실측자료와 시행착오법으로 추정된 조도계수를 사용한 계산결과를 비교함으로써 모형을 보정하였고, 1995년부터 2005년까지의 홍수사상을 대상으로 검증을 실시하였다.
- 이후 댐 유입량 산정 방법을 검토하고, 검증된 수리학적 모형으로 2006년 홍수시 충주댐 방류량을 조절할 경우 충주댐 상류 및 하류 주요 지점의 수위변화를 분석하였다. 마지막으로 하천설계기준의 기점 홍수위 결정 방법을 검토함으로써 댐으로 인한 배수영향을 받는 댐 상류 하천의 기점 홍수위 결정을 위한 새로운 방법을 제안하고자 한다.
가설 설정
- Figure 11(b)와 같이 본류 계획홍수위가 지류로 전파되는 양상은 횡방향으로 동일한 수위를 가정할 수 있는 것에 반하여, 댐 배수구간의 계획홍수위는 종방향으로 경사를 나타내고 있기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 기존의 200년 빈도 댐 수몰지 설계와 50~80년 빈도의 댐 상류 하천설계 시 하천의 기점수위 지정에는 Figure 11(a) 방법의 사용이 타당할 것으로 제안한다. 한강하천정비기본계획(충청북도, 1991)에는 본 연구대상 구간인 충주댐 상류 남한강의 계획홍수위 결정과정이 수록되어 있으며, 80년 빈도 홍수량을 계획홍수량으로 결정하였고 기점수위는 동일 빈도인 149.
- 다만 본 연구에서는 당시 충주댐의 방류량 결정이 댐 상하류 주요지점의 수위영향을 고려할 때 적절하였는지를 평가하기 위하여 7월 16일 오후 4시부터 실제 방류량의 –40%에서 +60%까지 변화하는 것으로 가정하였고, 이에 상응하는 충주호 저수위의 변화를 산정하였다.
제안 방법
- (1) 충주댐을 기준으로 상류 및 하류구간에 수리학적 모형을 구축하였다. 2006년 홍수시의 상황을 재현하기 위하여 2006년, 2007년, 2008년의 홍수사상을 이용하여 모형을 보정하였고, 2006년 이전 홍수사상에 적용하여 모형을 검증하였다.
- (3) 충주댐의 수위-저수용량 관계곡선으로부터 방류량의 변화에 따른 저수위 변화를 산정하였으며, 이를 상류구간 및 하류구간의 경계조건으로 활용하여 댐 상류 및 하류 수위영향을 분석하였다. 검토결과 단양지점과 여주지점에서 방류량 감소에 따른 수위변화보다 방류량 증가에 따른 수위변화가 더 큰 것으로 나타났다.
- (1) 충주댐을 기준으로 상류 및 하류구간에 수리학적 모형을 구축하였다. 2006년 홍수시의 상황을 재현하기 위하여 2006년, 2007년, 2008년의 홍수사상을 이용하여 모형을 보정하였고, 2006년 이전 홍수사상에 적용하여 모형을 검증하였다. 모형보정 결과 댐 상 · 하류 10개 대상 지점의 최대수위차는 0.
- 검증된 모형을 이용하여 충주댐의 유무, 방류량의 변화에 따른 상· 하류 주요 지점의 영향을 분석하였고, 댐 배수구간 상류 하천의 기점수위 결정방법에 대하여 검토하였으며, 주요 결론은 다음과 같다.
- 모형의 보정을 위하여 2006년, 2007년, 2008년의 홍수사상을 사용하여 최근의 가장 큰 홍수규모로부터 비교적 작은 홍수 규모까지 유량별 조도계수를 추정하고자 하였다. 본 연구에서는 계산치와 실측치 비교를 위한 주요 지점을 고려하여 조도계수 구간을 설정하였고, 시행착오법에 의하여 조도계수를 산정하였다.
- 본 연구에서는 2006년 홍수시 충주댐 운영에 따른 댐 상·하류 홍수위 상승영향을 정량적으로 분석하였다.
- 모형의 보정을 위하여 2006년, 2007년, 2008년의 홍수사상을 사용하여 최근의 가장 큰 홍수규모로부터 비교적 작은 홍수 규모까지 유량별 조도계수를 추정하고자 하였다. 본 연구에서는 계산치와 실측치 비교를 위한 주요 지점을 고려하여 조도계수 구간을 설정하였고, 시행착오법에 의하여 조도계수를 산정하였다. 시행착오법은 많은 시간과 노력이 필요하고 작업과정이 매우 복잡한 단점이 있지만 실제 발생한 홍수사상에 대해 검토하기 때문에 비교적 객관적인 방법이라고 할 수 있다.
- 본 연구에서는 수리학적 모형을 이용하여 충주댐 운영으로 인한 수리학적 영향을 분석하고, 충주댐의 저수위와 방류량을 임의로 변형시켰을 경우 상·하류 주요 지점에 대한 계산 결과를 검토하였다.
- 상류구간은 영월2 수위관측소에서부터 충주댐까지로 하천길이는 약 113km이며, 449개의 단면으로 구성되었다. 상류구간의 경계조건으로는 영월2 수위관측소의 실측수위와 수위유량관계곡선으로 유량수문곡선을 산정하였으며, 하류단 경계조건은 충주댐의 저수위수문곡선을 사용하였다. 지류로는 평창강을 고려하여 영월1 수위관측소의 유량수문곡선을 상류단 경계조건으로 이용하였고, 상류구간의 모형 보정 및 검증을 위한 지점으로는 영월과 영춘, 청풍을 선정하였다.
- 시간에 따른 실측 저수위 및 방류량의 변화와 수위-저수용량 관계식으로 저수용량의 변화를 산정할 수 있으며, 이를 이용하여 댐 유입량을 추정한다. 비록 이러한 방법이 저수지 내 수위가 일정함을 가정하고 있으나, 수면경사가 상당히 완만하여 쐐기저류량을 무시할 수 있는 경우 합리적인 방법으로 판단된다.
- 본 연구에서는 2006년 홍수시 충주댐 운영에 따른 댐 상·하류 홍수위 상승영향을 정량적으로 분석하였다. 이를 위하여 충주댐을 기준으로 상류 및 하류구간에 대한 수리학적 모형을 구축하였고, 1995년부터 2008년까지의 홍수사상을 대상으로 모형의 보정과 검증을 실시하였다. 검증된 모형을 이용하여 충주댐의 유무, 방류량의 변화에 따른 상· 하류 주요 지점의 영향을 분석하였고, 댐 배수구간 상류 하천의 기점수위 결정방법에 대하여 검토하였으며, 주요 결론은 다음과 같다.
- 수리학적 모형은 4대강 사업 이전 가용한 최신의 하도측량자료를 이용하였으며, 최근 홍수자료인 2006년, 2007년, 2008년 홍수사상의 실측자료와 시행착오법으로 추정된 조도계수를 사용한 계산결과를 비교함으로써 모형을 보정하였고, 1995년부터 2005년까지의 홍수사상을 대상으로 검증을 실시하였다. 이후 댐 유입량 산정 방법을 검토하고, 검증된 수리학적 모형으로 2006년 홍수시 충주댐 방류량을 조절할 경우 충주댐 상류 및 하류 주요 지점의 수위변화를 분석하였다. 마지막으로 하천설계기준의 기점 홍수위 결정 방법을 검토함으로써 댐으로 인한 배수영향을 받는 댐 상류 하천의 기점 홍수위 결정을 위한 새로운 방법을 제안하고자 한다.
- 충주댐에 대한 수리학적 영향을 살펴보기 위해 댐이 없는 경우를 가정하고, 댐 상·하류 구간으로 구분하여 구축하였던 수리학적 모형을 한 구간으로 통합하여 수행하였다.
- 지류로는 평창강을 고려하여 영월1 수위관측소의 유량수문곡선을 상류단 경계조건으로 이용하였고, 상류구간의 모형 보정 및 검증을 위한 지점으로는 영월과 영춘, 청풍을 선정하였다. 하류구간은 충주댐에서 팔당댐까지로, 충주댐 방류량수문곡선을 상류단 경계조건으로 사용하고, 팔당댐 저수위수문곡선을 하류단 경계조건으로 설정하였다. 하천 길이는 약 114km로 상류구간과 비슷하지만 상류구간에 비하여 하상경사가 비교적 완만하여 상류구간보다 적은 279개의 단면으로 구성하였다.
대상 데이터
- 대상구간은 논쟁의 중심이 되는 충주댐을 기준으로 상·하류구간으로 구분하였다.
- 마지막으로 북한강은 청평댐에서의 방류량을 상류단 경계조건으로 하였고, 전구간이 팔당댐의 배수영향을 받기 때문에 단면수는 48개로만 구성하였다. 모형의 보정 및 검증을 위하여 충주조정지댐, 목계, 강천, 우만, 여주, 이포, 양평 등 모두 7 지점을 선정하였다. Figure 1과 Figure 2는 대상구간인 팔당댐 상류 한강 수계 모식도와 상·하류 경계 및 주요 지점을 나타내고 있다.
- 보정을 통하여 구축된 모형의 정확성을 검증하기 위하여 1995년 부터 2005년까지 7개년도 8개 홍수사상을 이용하였다. Figure 5의 (a)∼(h)까지는 서로 다른 홍수사상별 주요지점에 대한 계산 및 관측수위를 비교한 것으로, 최근 홍수사상으로 보정된 구간별, 유량별 조도계수를 적용한 결과 보정년도와 가까운 2004년과 2005년의 홍수사상 뿐만 아니라 더 오래된 홍수사상에서도 비교적 잘 일치하고 있는 것을 확인하였다.
- 대상구간은 논쟁의 중심이 되는 충주댐을 기준으로 상·하류구간으로 구분하였다. 상류구간은 영월2 수위관측소에서부터 충주댐까지로 하천길이는 약 113km이며, 449개의 단면으로 구성되었다. 상류구간의 경계조건으로는 영월2 수위관측소의 실측수위와 수위유량관계곡선으로 유량수문곡선을 산정하였으며, 하류단 경계조건은 충주댐의 저수위수문곡선을 사용하였다.
- 따라서 본 연구에서는 2006년 홍수시 충주댐 운영의 적절성을 검토하기 위하여 충주댐을 기준으로 영월2 수위관측소에서 충주댐까지의 상류구간과 충주댐에서 팔당댐까지의 하류구간으로 나누어 수리학적 모형을 구축하였다. 수리학적 모형은 4대강 사업 이전 가용한 최신의 하도측량자료를 이용하였으며, 최근 홍수자료인 2006년, 2007년, 2008년 홍수사상의 실측자료와 시행착오법으로 추정된 조도계수를 사용한 계산결과를 비교함으로써 모형을 보정하였고, 1995년부터 2005년까지의 홍수사상을 대상으로 검증을 실시하였다. 이후 댐 유입량 산정 방법을 검토하고, 검증된 수리학적 모형으로 2006년 홍수시 충주댐 방류량을 조절할 경우 충주댐 상류 및 하류 주요 지점의 수위변화를 분석하였다.
- 하천 길이는 약 114km로 상류구간과 비슷하지만 상류구간에 비하여 하상경사가 비교적 완만하여 상류구간보다 적은 279개의 단면으로 구성하였다. 지류로는 달천, 섬강, 청미천, 복하천, 북한강, 경안천 등 6개의 지류를 고려하였고 한강 본류의 배수영향을 받지 않는 수위관측소의 유량수문곡선을 상류경계조건으로 선정하였다. 마지막으로 북한강은 청평댐에서의 방류량을 상류단 경계조건으로 하였고, 전구간이 팔당댐의 배수영향을 받기 때문에 단면수는 48개로만 구성하였다.
- 상류구간의 경계조건으로는 영월2 수위관측소의 실측수위와 수위유량관계곡선으로 유량수문곡선을 산정하였으며, 하류단 경계조건은 충주댐의 저수위수문곡선을 사용하였다. 지류로는 평창강을 고려하여 영월1 수위관측소의 유량수문곡선을 상류단 경계조건으로 이용하였고, 상류구간의 모형 보정 및 검증을 위한 지점으로는 영월과 영춘, 청풍을 선정하였다. 하류구간은 충주댐에서 팔당댐까지로, 충주댐 방류량수문곡선을 상류단 경계조건으로 사용하고, 팔당댐 저수위수문곡선을 하류단 경계조건으로 설정하였다.
- 하류구간은 충주댐에서 팔당댐까지로, 충주댐 방류량수문곡선을 상류단 경계조건으로 사용하고, 팔당댐 저수위수문곡선을 하류단 경계조건으로 설정하였다. 하천 길이는 약 114km로 상류구간과 비슷하지만 상류구간에 비하여 하상경사가 비교적 완만하여 상류구간보다 적은 279개의 단면으로 구성하였다. 지류로는 달천, 섬강, 청미천, 복하천, 북한강, 경안천 등 6개의 지류를 고려하였고 한강 본류의 배수영향을 받지 않는 수위관측소의 유량수문곡선을 상류경계조건으로 선정하였다.
- 따라서 본 연구에서는 기존의 200년 빈도 댐 수몰지 설계와 50~80년 빈도의 댐 상류 하천설계 시 하천의 기점수위 지정에는 Figure 11(a) 방법의 사용이 타당할 것으로 제안한다. 한강하천정비기본계획(충청북도, 1991)에는 본 연구대상 구간인 충주댐 상류 남한강의 계획홍수위 결정과정이 수록되어 있으며, 80년 빈도 홍수량을 계획홍수량으로 결정하였고 기점수위는 동일 빈도인 149.65EL.m를 사용하였다. 한편 이 보고서에는 충주댐 배수위계산 결과 기점수위 지점의 200년 빈도 계획홍수위 150.
데이터처리
- 비록 이러한 방법이 저수지 내 수위가 일정함을 가정하고 있으나, 수면경사가 상당히 완만하여 쐐기저류량을 무시할 수 있는 경우 합리적인 방법으로 판단된다. 하나의 홍수사상에 대하여 댐 유입량 자료가 확보되면, 임의의 방류량을 가정하여 식 (1)을 역산함으로써 저수위를 추정할 수 있으며 본 연구에서는 Excel에 Polynomial.xla 파일을 추가하여 식 (1)의 3차 방정식을 해석하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 미국 기상청(NWS, National Weather Service)의 Fread(1978)에 의해서 개발된 DWOPER 모형을 이용하였다. DWOPER(Dynamic Wave Operational Model) 모형은 미국 홍수예보시스템(NWSRFS)에 사용되는 등 모형의 적용성 및 정확성이 여러 차례 검증된 모형으로 국내에서는 불확실도 기법을 도입한 홍수 범람해석 및 월류 위험도 해석, 제방월류 및 붕괴에 따른 홍수해석, 제내지에서의 범람해석(이홍래 등, 1998a, b) 그리고 하도의 종횡단 측량자료인 HEC-2 또는 HEC-RAS 모형의 단면자료를 입력자료로 사용할 수 있는 기능을 갖춘 DWOPER-2K 모형(김상호와 김원, 2002) 등으로 개발된 바 있다.
성능/효과
- (2) 2006년 홍수시 충주댐의 효과를 분석하기 위하여 충주댐이 없는 경우를 가정하였고, 충주댐 유무에 따른 수위영향 분석 결과, 목계 지점 이후 대부분의 구간에서 수위저감 효과를 확인할 수 있었으며, 이포 지점의 경우 최대 약 5 m의 홍수위 저감효과가 있었다.
- (4) 기존 연구 및 실무에서 댐 운영시 주로 댐 하류구간 피해저감에 집중되어 있음을 확인하고 원인을 분석한 결과, 댐 배수구간 상류 하천의 기점수위 결정에 계획홍수량의 불연속성을 고려하지 않는 문제가 있음을 발견하였고, 이를 개선하기 위하여 기점수위 결정방법을 제안하였다. 제안된 방법은 댐 상류하천의 홍수피해 저감을 위한 설계 및 홍수피해 발생시 피해원인 분석에 활용될 수 있을 것이다.
- (3) 충주댐의 수위-저수용량 관계곡선으로부터 방류량의 변화에 따른 저수위 변화를 산정하였으며, 이를 상류구간 및 하류구간의 경계조건으로 활용하여 댐 상류 및 하류 수위영향을 분석하였다. 검토결과 단양지점과 여주지점에서 방류량 감소에 따른 수위변화보다 방류량 증가에 따른 수위변화가 더 큰 것으로 나타났다. 또한 댐 방류량을 20% 감소시켰을 때 여주의 수위감소량과 단양의 수위상승량의 차이가 크지 않았고, 방류량을 증가시킬 경우는 여주의 수위상승에 비하여 단양의 수위저감효과가 떨어져 효율적이지 않은 것으로 검토되어 2006년 홍수 시 충주댐 운영은 비교적 적절한 것으로 나타났다.
- 단양과 여주의 지점별 변화를 비교해 보면, 충주댐 방류량을 20%를 감소시켰을 때 여주의 수위감소량과 단양의 수위상승량은 그 차이가 크지 않으며, 방류량을 증가시킬 경우는 여주의 수위증가량보다 단양의 수위감소량이 64~89%로 적어서 효율적이지 않은 것으로 검토되었다. 한강수계치수기본계획(건설부, 1992) 기준 여주지점의 계획홍수위가 42.
- 검토결과 단양지점과 여주지점에서 방류량 감소에 따른 수위변화보다 방류량 증가에 따른 수위변화가 더 큰 것으로 나타났다. 또한 댐 방류량을 20% 감소시켰을 때 여주의 수위감소량과 단양의 수위상승량의 차이가 크지 않았고, 방류량을 증가시킬 경우는 여주의 수위상승에 비하여 단양의 수위저감효과가 떨어져 효율적이지 않은 것으로 검토되어 2006년 홍수 시 충주댐 운영은 비교적 적절한 것으로 나타났다.
- 모형보정 결과 댐 상 · 하류 10개 대상 지점의 최대수위차는 0.0 ~ 0.15 m로 계산되어 구축된 모형의 적용성을 확인하였다.
- 비교 결과, 댐 상류 충주댐 배수영향 지역인 단양과 청풍의 수위가 상당히 낮아지며, 댐 하류구간은 충주댐이 없을 경우 이포 지점 수위가 약 5 m 이상 상승하는 것을 알 수 있다. 즉 댐으로 인한 홍수조절 효과는 댐 하류부의 수위조절에 상당한 영향을 미치고 있으며, 반면 댐 상류부는 배수영향으로 인하여 홍수위 상승에 대한 피해를 감수하고 있음을 알 수 있으므로 댐 상하류 형평성을 고려할 때 댐의 배수영향 평가에 대한 면밀한 검토가 필요할 것으로 사료된다.
- 비교결과, 충주댐 배수구간 종점에서 상류 약 10km 구간까지 계획홍수위가 과소 산정되어 있으며, 상류 2km 지점 부근에서는 계획홍수위가 약 80cm 정도 낮게 설정되어 있음을 알 수 있다. 댐 상류구간에서는 인위적인 댐 조절로 인하여 배수구간 내 200년 빈도의 계획홍수위와 50~80년 빈도의 상류하천 계획홍수량이 중첩될 수 있으므로 Figure 11(a) 방법으로 기점수위를 지정하는 것이 타당하며, 이로써 댐 상류구간의 홍수피해시 댐 운영으로 인한 논쟁의 여지를 최소화할 수 있을 것으로 판단된다.
- 62m의 수위 감소가 발생하는 것으로 나타났으며, 이는 방류량 감소에 따른 수위 증가량 대비 수위 변화가 약 63% 크게 나타났다. 충주댐 방류량의 변화에 따른 여주지점의 수위변화를 살펴보면, 방류량을 20% 감소시켰을 경우 0.28m의 수위 감소와 방류량을 증가시켰을 경우 0.49m의 수위 증가를 나타내었고, 40%를 변화시켰을 경우에는 수위 감소량은 동일하지만 수위 증가량은 0.91m로 계산되었다. 이는 방류량 20% 및 40% 변화에서 각각 방류량 감소에 따른 수위 감소량 대비 약 75%와 약 225%의 수위 변화를 나타낸 것으로, 단양과 여주 지점 모두 방류량 증가에 따른 수위 변동이 방류량 감소 경우보다 매우 큰 것을 알 수 있다.
- 충주댐의 방류량 변화량과 충주댐 상류구간의 수위변화는 반비례 관계를 나타내며, 충주댐 하류구간의 수위변화는 정비례 관계를 나타낸다. 특히 상류구간의 경우, 댐 저수위가 상시만수위인 141EL.m에 근접했을 때, 방류량 증가에 따른 홍수위 저감효과가 방류량 감소에 따른 홍수위 증가효과보다 더 큰 것으로 나타났다. 이는 충주댐의 저수위가 증가함에 따라 저수용량의 변화량이 증가하기 때문인 것으로 판단된다.
- 이는 충주댐의 저수위가 증가함에 따라 저수용량의 변화량이 증가하기 때문인 것으로 판단된다. 한편 방류량을 증가시킬 경우 댐 하류 주요 지점에 대한 수위변화를 살펴보면, 목계지점의 경우 댐 하류 조정지댐의 영향으로 인해 방류량을 10% 이상 증가할 경우 수위변화가 거의 없는 것으로 나타났으며, 여주와 이포지점에서는 비교적 일정하게 증가하는 것으로 나타났다. 그러나 방류량을 감소시킨 경우에는 여주와 이포에서 첨두 홍수위가 감소하는 것으로 나타났으나, Figure 9에 나타난 바와 같이 방류량을 줄이는 시점에서의 수위가 이미 최고 수위로 나타나 수위 저감효과가 거의 없는 것으로 확인되었다.
후속연구
- (4) 기존 연구 및 실무에서 댐 운영시 주로 댐 하류구간 피해저감에 집중되어 있음을 확인하고 원인을 분석한 결과, 댐 배수구간 상류 하천의 기점수위 결정에 계획홍수량의 불연속성을 고려하지 않는 문제가 있음을 발견하였고, 이를 개선하기 위하여 기점수위 결정방법을 제안하였다. 제안된 방법은 댐 상류하천의 홍수피해 저감을 위한 설계 및 홍수피해 발생시 피해원인 분석에 활용될 수 있을 것이다.
- 비교 결과, 댐 상류 충주댐 배수영향 지역인 단양과 청풍의 수위가 상당히 낮아지며, 댐 하류구간은 충주댐이 없을 경우 이포 지점 수위가 약 5 m 이상 상승하는 것을 알 수 있다. 즉 댐으로 인한 홍수조절 효과는 댐 하류부의 수위조절에 상당한 영향을 미치고 있으며, 반면 댐 상류부는 배수영향으로 인하여 홍수위 상승에 대한 피해를 감수하고 있음을 알 수 있으므로 댐 상하류 형평성을 고려할 때 댐의 배수영향 평가에 대한 면밀한 검토가 필요할 것으로 사료된다.
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