[논문]농업용 저수지 증고에 따른 홍수조절효과 분석

이관재; 박기욱; 정영훈; 정인균; 정광욱; 전지홍; 이지민; 임경재

doi:10.5389/ksae.2013.55.4.083

농업용 저수지 증고에 따른 홍수조절효과 분석
Analysis of Flood Control Effects of Heightening of Agricultural Reservoir Dam 원문보기

한국농공학회논문집 = Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, v.55 no.4, 2013년, pp.83 - 93

이관재 (강원대학교 지역건설공학과) , 박기욱 (인하대학교 수자원시스템연구소) , 정영훈 (한국농어촌공사 농어촌연구원) , 정인균 (한국수계연구소) , 정광욱 (한국수계연구소) , 전지홍 (안동대학교 환경공학과) , 이지민 (강원대학교 지역건설공학과) , 임경재 (강원대학교 지역건설공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Annual average precipitation of Korea is 1,277 mm and around 2/3 of annual precipitation and 74 % of available water resources occurred during monsoon period. In recent years, many agricultural reservoirs have been heightened to increase flood control capacity, reduce flooding damage at downstream areas, and provide sustainable environmental flow during drought period. Thus in this study, the flood control effects of heightening of reservoir banks were simulated with HEC-ResSim and HEC-RAS models. These modes were applied to Bonghak reservoir and it was found that flood control effects were 3~4.5 % with 7 -m heightening. Also, with proper operation (1 m lower of full water level) of reservoir right before the monsoon period, flooding at downstream could be prevented even with design storm of 80 -year recurrence interval. As shown in this study, heightening of agricultural reservoir provides positive effects in flood control and flood damage reduction.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

농업용 저수지 둑 높이기 사업은 4대강 종합정비 기본계획의일환으로 추가 확보 가능한 저수량을 홍수기에는 홍수조절용량으로 활용하여 침수피해를 방지하고, 비 홍수기에는 하류하천의 유황을 개선하는 것에 그 목적이 있다.
현재 우리나라의 총 17,735 개소 (MLTM, 2011)의 댐 및 저수지 중 농업용수 댐이 17,649 개로 전체 댐의 99 %를 차지하고 있으며, 농업용수 댐 중에서 추가용수 확보가 가능하고 환경영향 및 수몰면적이 작은 곳 96 개소에 둑 높이기 사업을 실시하였다. 농업용 저수지 둑 높이기 사업은 홍수기에는 침수피해를 방지하며, 비 홍수기에는 하천의 유황을 개선하는 것에 그 목적이 있다.
따라서 본 연구의 목적은 저수지 모의운영프로그램인 HECResSim과 하천 해석 모형인 HEC-RAS를 이용하여 둑 높이기 사업의 홍수조절효과와 하류 지역 침수피해 방지효과를 분석하는데 있다.
본 연구에서는 매개변수 구축을 위해 1:5,000 수치지도로 구축한 DEM으로부터 유역을 구분하고 하천도를 추출하였으며, 이를 이용하여 둑 높이기 사업에 따른 홍수조절 및 침수피해 효과 분석 연구를 수행하였다. 매개변수 및 필요자료 구축절차는 Fig.
HEC-ResSim의 입력자료는 HEC-DSS를 이용하여 구축 하였으며, HEC-DSS는 1분부터 1년까지 다양한 시 간격의 Data 구축이 가능하다. 본 연구의 목표는 저수지 둑 높이기 사업의 홍수 조절효과와 하류의 홍수저감 및 침수피해 방지효과를 분석하는 것이기 때문에, 매개변수 산정에서 구한 임계지속시간의 재현기간별 증고 전 ․ 후의 유입량 자료를 구축했다.
이에 본 연구에서는 경상북도 성주군 벽진면 봉학리에 위치한 봉학저수지 및 하류지역을 대상으로 저수지 둑 높이기 사업에 따른 홍수조절효과 분석과 하류지역의 침수피해 저감 효과를 분석하였다. 이를 위해 HEC-ResSim모형을 이용하여 홍수조절효과를 분석하였으며, HEC-RAS모형을 이용하여 하류지역의 침수피해지역을 예측하여 침수피해 저감 효과를 분석하였다.

제안 방법

25 m 씩 초기수위를 낮추어 EL. 147.3까지 홍수량 및 침수저감효과를 분석하였다.
이러한 설계강우의 시간분포를 위해 실무에서 주로 적용하는 방법은 Huff방법이며, Huff방법은 강우에 대한 시간분포양상을 1분위부터 4분위까지 4가지로 나누고, 강우기록을 통계학적 분석을 통하여 무차원 누가곡선으로 분포시키는 방법이다. 국토해양부에서 제공하는 k-PRISM의 구미관측소의 확률강우량을 이용하여 Huff방법의 무차원 누가곡선을 산정하였으며 이중 최빈분위인 2분위에 대한 누가백분위를 얻었다 (Table 2). 또한, 이 중 첨두 강우강도가 가운데에서 발생하는 50 % 누가곡선에서 식 (2)와 같은 형식의 6 차회귀식을 얻었다.
본 연구에서는 매개변수 구축을 위해 1:5,000 수치지도로 구축한 DEM으로부터 유역을 구분하고 하천도를 추출하였으며, 이를 이용하여 둑 높이기 사업에 따른 홍수조절 및 침수피해 효과 분석 연구를 수행하였다. 매개변수 및 필요자료 구축절차는 Fig. 2와 같으며, 대상 지역의 토지피복도와 수문학적 토양 그룹 (Fig. 3) 자료를 이용하여 AMC-II 조건하에서의 Curve Number를 추출하였다.
본 연구에서는 장기 강우자료를 이용하여 확률강우량을 산정하여 국토해양부의 확률강우량 DB와 비교하였으며. 확률강우량 산정을 위해 봉학저수지의 지배관측소인 구미관측소를 선정하여 기상청으로부터 1973년～2012년까지 40년간의 시우량 자료를 제공받아 사용하였다.
봉학저수지 둑 높이기 사업은 기존 저수지 제당 후면에 둑을높였으며, 여수토 방수로는 월류식 측수로형으로 사업을 실시하였다. 사업 전과후의 제원은 높이는 28.
수위계산을 위한 경계조건으로 각 유량산정지점에 대해 분석된 홍수량을 적용하고, 하류측 경계수위는 배수위 영향을 고려할 수 있도록 이천의 본류하천인 백천 합류점의 홍수위를 기점수위로 적용하였다. 연구대상지역의 HEC-RAS 모의를 위한 하천자료의 구축을 위해 이천 하천정비기본계획 (Gyeong sang buk do, 1993)의 횡단면도를 이용하였다.
앞서 구축된 자료를 이용하여 임계지속시간의 50년, 80년, 100년, 200년 빈도를 Simulation을 하였으며, 방류량을 10분 간격으로 산정하였다.
침수예상구역분석을 위해서 먼저 HEC-RAS (River Analysis System) 데이터를 구축 및 분석한 다음 하천기본계획을 참고하여 대상지역 하천을 따라 측선자료를 구축하여 HEC-RAS 분석 결과를 적용하고 수위 DEM을 제작하여 DEM 및 수위 DEM자료를 이용한 침수예상구역을 추출하였다. HEC-RAS모형은 미육군 공병단 수문기술센터에서 개발한 1 차원 수리해석 통합시스템으로 그래픽 사용자 인터페이스 (GUI)를 갖추고 있으며, HEC-2의 후속모델로 개발되었고 HEC-2가 정상류 상태의 점변류 수면 곡선만을 계산하는 것과 달리 (Choi, 2009) 정상류 수면형의 모의, 비정상류 수면형의 모의, 이동하는 침전물 운반에 따른 하상변동 모의를 할 수 있다.
연구대상지역의 HEC-RAS 모의를 위한 하천자료의 구축을 위해 이천 하천정비기본계획 (Gyeong sang buk do, 1993)의 횡단면도를 이용하였다. 하천 전구간의 횡 단면도를 이미지로 변환하고 횡단면도의 축척에 맞게 측선거리와 표고를 독 취하여 HEC-RAS의 단면자료로 구축하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 홍수조절효과 및 침수피해 방지효과 분석을 위해 저수지 증고사업이 이루어진 96개의 저수지 중 낙동강 지류에 속하는 봉학저수지를 연구대상지역으로 선정하였다.
이와 같이 산정된 확률강우량을 국토해양부의 확률강우량도 활용시스템 (http://www.k-idf.re.kr/)에서 제공하는 확률강우량을 비교한 결과 국토해양부DB와는 전혀 차이가 없었기 때문에, 공인된 자료인 국토해양부의 자료를 이용하였다 (Table 1).
본 연구에서는 장기 강우자료를 이용하여 확률강우량을 산정하여 국토해양부의 확률강우량 DB와 비교하였으며. 확률강우량 산정을 위해 봉학저수지의 지배관측소인 구미관측소를 선정하여 기상청으로부터 1973년～2012년까지 40년간의 시우량 자료를 제공받아 사용하였다.

이론/모형

HEC-ResSim에서 필요한 저수지의 제원과 기본 운영 룰은 봉 학지구 농업용저수지 둑 높이기 사업 기본계획서 (KRCC, 2010)에서 참고하였으며, 둑 높이기 사업 전과 후 2개의 Network를 구성하였다. Fig.
지속시간별 최대강우량 산정을 위해 확률강우량도 개선 및 보완연구 (MLTM, 2011)에서 제시한 고정시간-임의시간 환산 계수를 이용하였으며, 지점 확률강우량 산정을 위한 분석모형은 가장 널리 사용되고 있는 국립방재연구소의 FARD (Frequency Analysis of Rainfall Data) 2006 (NDMI, 2006)을 사용하였다. 매개변수추정 방법으로 확률가중모멘트법을, 확률분포모형은 Gumbel분포를 채택하였다.
홍수량 산정 시 임계지속기간의 개념이 도입되면서 소유역의 경우 10분 간격의 확률강우량이 필요하며, 대유역의 경우 24～72 시간을 굳이 1 시간 간격의 강우량을 모두 빈도 해석할 필요가 없으므로 (MLTM, 2012) 확률강우량의 회귀식인 강우강도식이 필요하다. 본 연구에서는 최근 연구결과인 확률강우량도 개선 및 보완 연구 (MLTM, 2011)에서 제시되었고 비교적 상관계수가 높게 나타나는 6차 전대수 다항식인 식 (1)을 사용하였다.
수위계산을 위한 경계조건으로 각 유량산정지점에 대해 분석된 홍수량을 적용하고, 하류측 경계수위는 배수위 영향을 고려할 수 있도록 이천의 본류하천인 백천 합류점의 홍수위를 기점수위로 적용하였다. 연구대상지역의 HEC-RAS 모의를 위한 하천자료의 구축을 위해 이천 하천정비기본계획 (Gyeong sang buk do, 1993)의 횡단면도를 이용하였다. 하천 전구간의 횡 단면도를 이미지로 변환하고 횡단면도의 축척에 맞게 측선거리와 표고를 독 취하여 HEC-RAS의 단면자료로 구축하였다.
이에 본 연구에서는 경상북도 성주군 벽진면 봉학리에 위치한 봉학저수지 및 하류지역을 대상으로 저수지 둑 높이기 사업에 따른 홍수조절효과 분석과 하류지역의 침수피해 저감 효과를 분석하였다. 이를 위해 HEC-ResSim모형을 이용하여 홍수조절효과를 분석하였으며, HEC-RAS모형을 이용하여 하류지역의 침수피해지역을 예측하여 침수피해 저감 효과를 분석하였다. 그 결과 홍수조절율은 3～4.
지속시간별 최대강우량 산정을 위해 확률강우량도 개선 및 보완연구 (MLTM, 2011)에서 제시한 고정시간-임의시간 환산 계수를 이용하였으며, 지점 확률강우량 산정을 위한 분석모형은 가장 널리 사용되고 있는 국립방재연구소의 FARD (Frequency Analysis of Rainfall Data) 2006 (NDMI, 2006)을 사용하였다. 매개변수추정 방법으로 확률가중모멘트법을, 확률분포모형은 Gumbel분포를 채택하였다.
홍수량 산정을 위하여 본 연구에서는 미국 토양보존국 (Soil Conservation Service, SCS)에서 고안한 SCS 단위도법을 이용하여 홍수량을 산정하였다. SCS 단위도법은 무차원 단위도 (dimensionless unit hydrograph)에 근거를 두고 있으며 단위도의 첨두유량 식 (3)과 첨두유량의 발생시간 식 (4)를 다음과 같이 결정한 후, 유량을 첨두유량의 비로 그리고 시간을 첨두시간과의 비로 나타내어 합성단위도를 작성하는 방법이다.

성능/효과

8 m는 960 m³/s, EL. 148.8 m는 887 m³/s으로 홍수량이 73 m³/s 감소하나, 초기수위를 더 이상 낮추어도 하구 홍수량 감소에 미치는 효과가 크기 않는 것으로 나타났고, 초기수위를 1 m 낮춘 결과 50년 빈도 홍수량인 890 m³/s 보다 작아지는 것으로 분석되었다.
이를 위해 HEC-ResSim모형을 이용하여 홍수조절효과를 분석하였으며, HEC-RAS모형을 이용하여 하류지역의 침수피해지역을 예측하여 침수피해 저감 효과를 분석하였다. 그 결과 홍수조절율은 3～4.5 % 가량 증가하였으며, 홍수저류량은 16～17 % 가량 증가하는 것으로 분석되었다. 또한, 하류지역에서의 침수피해 분석 결과 임계지속시간의 50년 빈도에 대해서는 침수가 되지 않는 것으로 분석되었으나, 80년 빈도일 때에는 성주읍～백천 합류점 구간에서 침수피해가 발생하는 것으로 분석되었다.
8 m로 유지할 경우 80년 빈도에 대해서도 하류지역에서 침수가 발생하지 않는 것으로 분석되었다. 따라서 여름철 장마철/홍수기 때에는 상시만수위를 1 m 가량 낮추어 운영함으로써 하류지역의 침수피해를 예방할 수 있는 것으로 분석되었다. 그러나 100년 빈도 및 200년 빈도 강우에 대해서는 하류지역하천이 50년 빈도로 설계되어 통수능력이 절대적으로 부족하기 때문에, 침수피해를 예방하기에는 한계가 있다.
단, 하천의 하류구간 계획홍수량은 금회 산정된 50년 빈도 홍수량 880 m³/s보다 90 m³/s 작은 790 m³/s이지만 여유고가 부족할 뿐 범람은 발생하지 않았다. 따라서, 상위빈도인 80년 빈도를 대상으로 침수예상구역을 추가 분석한 결과 하류지역에 기설제방고를 초과하는 수위가 발생하였으나 둑 높이기 사업 후 80년 빈도 홍수량의 경우에서도 저수지 하류 (I2지점)～중하류 (I7지점) 구간까지 80년 빈도 홍수량이 기본계획홍수량보다 작으므로 이 구간의 범람구역은 발생하지 않았다.
6에서 보이는 바와 같이 첨두 발생시간은 큰 차이가 없으나, Table 5와 같이 첨두 유량은 줄어든 것을 알 수 있다. 또한 최대 방류량은 3～5 % 정도 감소되었으며, 홍수조절율은 22～30 % 가량, 홍수저류량은 16～17 % 가량 증가하였음을 알 수 있다. 홍수조절율은 식 (6)과 같고 홍수저류량은 식 (7)과 같다.
5 % 가량 증가하였으며, 홍수저류량은 16～17 % 가량 증가하는 것으로 분석되었다. 또한, 하류지역에서의 침수피해 분석 결과 임계지속시간의 50년 빈도에 대해서는 침수가 되지 않는 것으로 분석되었으나, 80년 빈도일 때에는 성주읍～백천 합류점 구간에서 침수피해가 발생하는 것으로 분석되었다. 그러나 침수저감효과 분석을 위해서 초기수위를 1 m 낮춘 EL.
본 연구의 결과에서 보이는 바와 같이 농업용 저수지 둑 높이기 사업으로 인하여 홍수 조절율과 저류량이 증가하였으며, 하류 지역 침수피해 저감에도 큰 역할을 하는 것으로 분석되었다. 또한, 유역에서의 저수지 둑 높이기 사업에 따라 홍수조절 효과뿐만 아니라, 하류지역 환경용수량 확보를 통한 건기 하천 생태계 복원 등 다양한 긍정적인 효과를 기대할 수 있을 것이라 사료 된다.
이와 같은 과정에 의하여 연구대상지역 하천의 계획빈도인 50년 빈도의 둑 높이기 사업 후 홍수량에 대한 수위계산결과를 이용하여 침수예상구역을 분석한 결과 기설제방고를 초과하는 수위가 없으므로 침수예상구역은 없는 것으로 분석되었다. 연구대상지역의 하천은 기본계획당시 확률강우량이 현재보다 크게 적용되었으며, 극대홍수량법에 의한 계획홍수량을 산정한 이유로 저수지 하류 (I2지점)～중하류 (I8지점)구간의 계획홍수량이 금회 산정된 50년 빈도 홍수량에 비해 상당히 크며, 기설제방도 또한 높은 것으로 조사되었다. 단, 하천의 하류구간 계획홍수량은 금회 산정된 50년 빈도 홍수량 880 m³/s보다 90 m³/s 작은 790 m³/s이지만 여유고가 부족할 뿐 범람은 발생하지 않았다.
DEM과 수위DEM을 중첩하고 수위보다 낮은 지형을 취하면 침수예상구역을 결정할 수 있다. 이와 같은 과정에 의하여 연구대상지역 하천의 계획빈도인 50년 빈도의 둑 높이기 사업 후 홍수량에 대한 수위계산결과를 이용하여 침수예상구역을 분석한 결과 기설제방고를 초과하는 수위가 없으므로 침수예상구역은 없는 것으로 분석되었다. 연구대상지역의 하천은 기본계획당시 확률강우량이 현재보다 크게 적용되었으며, 극대홍수량법에 의한 계획홍수량을 산정한 이유로 저수지 하류 (I2지점)～중하류 (I8지점)구간의 계획홍수량이 금회 산정된 50년 빈도 홍수량에 비해 상당히 크며, 기설제방도 또한 높은 것으로 조사되었다.

후속연구

그러나 100년 빈도 및 200년 빈도 강우에 대해서는 하류지역하천이 50년 빈도로 설계되어 통수능력이 절대적으로 부족하기 때문에, 침수피해를 예방하기에는 한계가 있다. 따라서 현재 대상 하천의 계획빈도인 50년 빈도를 상향 조정하는 등 구조적, 비 구조적 대책이 향후 하천기본계획 시행과정에서 검토되어야 할 사항이라 판단된다.
본 연구의 결과에서 보이는 바와 같이 농업용 저수지 둑 높이기 사업으로 인하여 홍수 조절율과 저류량이 증가하였으며, 하류 지역 침수피해 저감에도 큰 역할을 하는 것으로 분석되었다. 또한, 유역에서의 저수지 둑 높이기 사업에 따라 홍수조절 효과뿐만 아니라, 하류지역 환경용수량 확보를 통한 건기 하천 생태계 복원 등 다양한 긍정적인 효과를 기대할 수 있을 것이라 사료 된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	농업용 저수지 둑 높이기 사업은 어떤 곳에 실시되었는가?	이에 대한 대책으로 4 대강 종합정비 기본계획이 실시되었으며, 그 중 농업용 저수지 둑 높이기 사업도 포함되어 있다. 현재 우리나라의 총 17,735 개소 (MLTM, 2011)의 댐 및 저수지 중 농업용수 댐이 17,649 개로 전체 댐의 99 %를 차지하고 있으며, 농업용수 댐 중에서 추가용수 확보가 가능하고 환경영향 및 수몰면적이 작은 곳 96 개소에 둑 높이기 사업을 실시하였다. 농업용 저수지 둑 높이기 사업은 홍수기에는 침수피해를 방지하며, 비 홍수기에는 하천의 유황을 개선하는 것에 그 목적이 있다.
	우리나라의 연평균 강수량은 세계 평균보다 높음에도 불구하고 물관리가 어려운 이유는?	우리나라의 연평균 강수량은 1,277 mm (1978～2007)로 세계 평균 강수량인 807 mm에 비해 1.6배가 높고 이용 가능한 수자원량은 수자원총량의 58 %인 753 억m3으로 비교적 큰 값이나, 이 중 74 %가 홍수기에 편중되어 있어 (K-Water, 2012) 물 관리가 어렵다.
	RCP시나리오를 이용한 기후변화 전망 자료에 따르면 2050년까지 우리나라의 전망은 어떠한가?	또한, 기상청 국립기상연구소에서 새로운 국제 표준 온실가스 시나리오 (RCP 시나리오)를 이용하여 산출한 기후변화 전망 자료에 따르면 2050년까지 우리나라는 기온 3.2 ℃, 강수량 16 %등이 증가할 전망이며, 이로 인해 강수량 증가와 함께 집중호우의 가능성이 증대될 것으로 보인다. 또한 한국환경정책평가연구원 국가기후변화적응센터에서 미래기후변화에 따른 영향을 2 ℃ 상승 기준으로 전망해 본 결과 가뭄·홍수 증가와 집중호우 증가로 하천유역 및 도심지의 홍수발생 및 피해가 증가될 것으로 예상하고 있다 (KEI, 2012).

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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