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문제 정의
- 초기손실량 산정에는 Initial and Constant Loss, NRCS Curve Number (CN) Method, Green and Ampt Method, Deficit and Constant Loss 등의 방법을 제공하고 있으며, 직접유출량 산정에는 Clark 단위도법 (Clark unit hydrograph transform), ModClark 단위도법 (ModClark transform), Snyder 단위도법 (Snyder unit hydrograph transform), SCS 단위도법 (SCS unit hydrograph transform), Kinematic wave 방법 등이 있다. 국토해양부 (2012)는 설계홍수량 산정에 대한 객관적으로 표준적인 기준 제시를 목적으로 『설계홍수량 산정요령』을 제안하였으며본 연구에서는 이에 근거하여 설계홍수량을 산정하였다. 초기손실량 산정에는 NRCS CN 방법을 적용하였으며, 직접유출량 산정에는 Clark 단위도법을 이용하였다.
- 따라서 본 연구에서는 둑 높이기 저수지를 대상으로 현재 및 미래 강우에 대한 설계강우량 및 저수지 유입량을 산정하고, 이를 바탕으로 저수지 모의 운영을 통해 기후변화에 따른 둑 높이기 전후 저수지 홍수저감효과 변화를 분석하고자 한다.
- 저수지 운영 모의 시 초기수위의 설정이 매우 중요하다. 본 연구에서는 둑 높이기 이전 초기수위로 제한수위 혹은 상시만수위를 적용하였고, 둑 높이기 이후의 초기수위로도 기존의 제한수위 혹은 상시만수위를 적용하여 둑 높이기 사업에 의해 추가 확보된 홍수조절용량의 효과를 분석할 수 있도록 하였다. 저수지 모의 운영의 결과를 통해 둑 높이기 전후 시기별, 빈도별 저수지 홍수 유입 및 방류량 곡선을 산정하였고 저수지 홍수조절효과의 변화를 분석하였다.
- 본 연구에서는 둑 높이기 저수지 중 13개의 저수지에 대하여 과거 및 미래 강우량을 통해 산정한 200년 빈도 홍수량이 유입되었을 때 둑 높이기 전후의 저수지 모의 운영을 실시하였고, 이를 바탕으로 홍수조절률을 통해 둑 높이기 사업에 따른 저수지의 홍수조절효과를 분석하였다.
제안 방법
- 각 저수지의 둑 높이기 전후 홍수조절효과의 변화를 정량적으로 분석하기 위해 여러 가지 지표 중 홍수조절률을 활용하였다. 홍수조절률은 첨두유입량과 최대방류량의 차이를 첨두유입량으로 나눈 비율로 저수지로 유입된 홍수량이 방류될 때 얼마나 완화되었는지를 나타낸다.
- 1과 같다. 과거 및 미래 강우량 자료를 수집하여 빈도분석을 통해 설계강우량을 산정하였고, 산정된 설계강우량을 유역에 적용해 설계홍수량을 분석하였다. 그리고 설계홍수량을 저수지 모의운영에 적용하여 기후변화 및 둑 높이기 사업에 따른 저수지의 홍수조절효과를 분석하였다.
- 저수지별 200년 빈도 홍수유입량을 적용하여 저수지 모의 운영을 실시하였다. 구축된 자료를 바탕으로 시기별로 둑 높이기 전후 각 저수지의 제원 및 목표수위를 적용하여 모의를 실시하였고, 저수지별 유입 및 유출곡선을 산정하여 첨두유입량, 최대 방류량, 총유입량, 총저류량 등을 추출하였다. Table 5는 각 저수지별 첨두유입량과 둑 높이기 전/후 첨두방류량을 나타내고 있고, Fig.
- 과거 및 미래 강우량 자료를 수집하여 빈도분석을 통해 설계강우량을 산정하였고, 산정된 설계강우량을 유역에 적용해 설계홍수량을 분석하였다. 그리고 설계홍수량을 저수지 모의운영에 적용하여 기후변화 및 둑 높이기 사업에 따른 저수지의 홍수조절효과를 분석하였다.
- 둑 높이기 전후 저수지의 홍수조절효과를 분석하기 위해 시기별, 빈도별 설계홍수량을 저수지 유입량으로 사용하여 저수지 운영을 모의하였다. 저수지 운영 모의에는 HEC-5 모형을 이용하였다.
- 3에 나타내었다. 또한 저수지 모의 운영을 위해 둑 높이기 사업 기초보고서 ․ 실시설계보고서 등의 보고서 조사 및 현장조사를 통해 둑 높이기 전/후 저수지 제원과 특성 변화를 분석하였고, 이를 바탕으로 현황 자료를 구축하였으며 이를 Table 2에 나타내었다.
- 본 연구에 적용되는 8개 기상관측소에 대하여 과거 및 미래 강우량을 기반으로 200년 빈도 확률강우량을 산정하였다. 미래 기상자료가 3시간 단위로 제공되기 때문에 강우지속시간 3시간, 6시간, 9시간, 12시간, 15시간, 18시간, 그리고 24시간에 대하여 각각 확률강우량을 산정하였으며 그 결과는 Table 3과 같다.
- 일반적으로 Huff 분포형이 강우의 시간 분포형으로 많이 이용되고 있다. 본 연구에서는 건설교통부 (2000)가 발표한 각 기상관측소별 Huff 분포 강우백분위 자료를 이용해 설계강우량에 시간적 분포를 적용하였다.
- 본 연구에서는 매개변수 추정에 확률가중모멘트법을 사용하였고, 확률분포형은 Gumbel 분포형을 사용하였다. 설계빈도는 일반적인 저수지 설계 기준인 200년 빈도를 적용하여 시기별 (1995s, 2025s, 2055s, 2085s) 확률강우량을 각각 산정하였다.
- 각 저수지 유역의 유역특성인자를 추출하기 위해 DEM (수치표고모델), 토양도, 토지이용도, 하천도 등의 자료를 수집하였다. 수집된 자료를 바탕으로 GIS를 이용해 유역특성인자를 추출하였으며, 예시로 장성저수지 유역의 DEM (수치표고모델)과 토지이용도를 Fig. 3에 나타내었다. 또한 저수지 모의 운영을 위해 둑 높이기 사업 기초보고서 ․ 실시설계보고서 등의 보고서 조사 및 현장조사를 통해 둑 높이기 전/후 저수지 제원과 특성 변화를 분석하였고, 이를 바탕으로 현황 자료를 구축하였으며 이를 Table 2에 나타내었다.
- 본 연구에서는 둑 높이기 이전 초기수위로 제한수위 혹은 상시만수위를 적용하였고, 둑 높이기 이후의 초기수위로도 기존의 제한수위 혹은 상시만수위를 적용하여 둑 높이기 사업에 의해 추가 확보된 홍수조절용량의 효과를 분석할 수 있도록 하였다. 저수지 모의 운영의 결과를 통해 둑 높이기 전후 시기별, 빈도별 저수지 홍수 유입 및 방류량 곡선을 산정하였고 저수지 홍수조절효과의 변화를 분석하였다.
- 저수지 유입량 산정을 위해 현재 및 미래 설계강우량을 산정하였다. 각 저수지의 주요 기상관측소를 선정하고 과거 강우량 자료를 수집하였으며 미래 강우자료는 기상청 국가표준 기후변화 시나리오에서 제공하는 자료를 보정하여 사용하였다.
- 저수지별 200년 빈도 홍수유입량을 적용하여 저수지 모의 운영을 실시하였다. 구축된 자료를 바탕으로 시기별로 둑 높이기 전후 각 저수지의 제원 및 목표수위를 적용하여 모의를 실시하였고, 저수지별 유입 및 유출곡선을 산정하여 첨두유입량, 최대 방류량, 총유입량, 총저류량 등을 추출하였다.
- 백곡저수지의 경우 2055s에서 상대적으로 작은 설계홍수량을 기록했는데, 이는 대상관측소인 청주관측소의 2055s에서의 확률강우량이 작은 값을 가지기 때문인 것으로 사료된다. 지속시간별로 분석된 설계홍수량 중 시기별 가장 큰 값을 추출하여 시계열 자료를 구축한 후 저수지 모의운영의 유입량 자료로 사용하였다.
- Table 4는 대상저수지의 200년 빈도 설계홍수량 산정 결과를 나타내고 있다. 확률강우량과 마찬가지로 강우지속시간 3시간, 6시간, 9시간, 12시간, 15시간, 18시간 그리고 24시간에 대하여 각각 홍수량을 산정하였다. 설계홍수량은 기존에 발표된 연구보고서 등에 수록된 결과와 비교해 대체로 크게 산정되었다.
대상 데이터
- 각 저수지 유역의 유역특성인자를 추출하기 위해 DEM (수치표고모델), 토양도, 토지이용도, 하천도 등의 자료를 수집하였다. 수집된 자료를 바탕으로 GIS를 이용해 유역특성인자를 추출하였으며, 예시로 장성저수지 유역의 DEM (수치표고모델)과 토지이용도를 Fig.
- 저수지 유입량 산정을 위해 현재 및 미래 설계강우량을 산정하였다. 각 저수지의 주요 기상관측소를 선정하고 과거 강우량 자료를 수집하였으며 미래 강우자료는 기상청 국가표준 기후변화 시나리오에서 제공하는 자료를 보정하여 사용하였다.
- 과거 기상자료는 1981년∼2010년 (1995s) 자료를 사용하였고, 미래 기상자료는 2011년∼2100년 자료를 수집하여 2011년∼2040년 (2025s), 2041년∼2070년 (2055s), 2071년∼2100년 (2085s)으로 구분하여 사용하였다.
- 본 연구의 대상 저수지로 둑 높이기 저수지들 중 가능최대홍수량 대상저수지 (유역면적 2500 ha 이상, 총 저수량 500만 톤 이상)이거나 홍수조절기능을 가지는 치수구조물 (수문 등)이 설치된 저수지 13곳을 선정하였다. 수계별로 한강 1곳 (반계), 금강 3곳 (탑정, 백곡, 장찬), 낙동강 2곳 (삼가, 지평), 영산강 7곳 (수양, 장성, 나주, 광주, 담양, 백용, 대동)을 선정하였다.
- 본 연구의 대상 저수지로 둑 높이기 저수지들 중 가능최대홍수량 대상저수지 (유역면적 2500 ha 이상, 총 저수량 500만 톤 이상)이거나 홍수조절기능을 가지는 치수구조물 (수문 등)이 설치된 저수지 13곳을 선정하였다. 수계별로 한강 1곳 (반계), 금강 3곳 (탑정, 백곡, 장찬), 낙동강 2곳 (삼가, 지평), 영산강 7곳 (수양, 장성, 나주, 광주, 담양, 백용, 대동)을 선정하였다. Table 1은 연구대상 저수지의 수계, 대상관측소, 유역면적 및 총 저수량 변화를 나타내고 있으며, Fig.
- 연구대상 저수지의 기상자료를 취득하기 위해 각 저수지와 가장 가까운 곳에 위치하고 있는 기상관측소를 선정하였고, 확률강우량의 산정을 위해 과거 및 미래 기상자료를 수집하였다. 과거 기상자료는 1981년∼2010년 (1995s) 자료를 사용하였고, 미래 기상자료는 2011년∼2100년 자료를 수집하여 2011년∼2040년 (2025s), 2041년∼2070년 (2055s), 2071년∼2100년 (2085s)으로 구분하여 사용하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 매개변수 추정에 확률가중모멘트법을 사용하였고, 확률분포형은 Gumbel 분포형을 사용하였다. 설계빈도는 일반적인 저수지 설계 기준인 200년 빈도를 적용하여 시기별 (1995s, 2025s, 2055s, 2085s) 확률강우량을 각각 산정하였다.
- HEC-5 모형의 구동을 위해서는 시간별 유입량, 저수지 수위별 방류량, 저수지 수위별 저류량, 저수지 목표수위 등의 값이 필요하며, Auto ROM (Automatic Reservoir Operation Method), Rigid ROM (Rigid Reservoir Operation Method), Technical ROM (Technical Reservoir Operation Method) 등의 저수지 운영 방식 중 하나를 결정하여 모의할 수 있다. 본 연구에서는 저수지 수위가 제한수위가 될 때 까지는 모든 저수지 유입량을 저류하며 제한수위 이상이 되는 순간부터 모든 유입량을 방류하는 Auto ROM 방식을 사용하였다.
- 초기손실량 산정에는 NRCS CN 방법을 적용하였으며, 직접유출량 산정에는 Clark 단위도법을 이용하였다. 유역의 도달시간은 연속형 Kraven 공식을 적용하여 계산하였으며, 저류상수는 Sabol 공식을 적용하였다. 기저유량 모의에는 지수감수모형을 적용하였고, 하도구간 흐름은 모의하지 않았다.
- 기상청 국가표준 기후변화 시나리오에서 제공하는 미래 기상 자료는 IPCC 4차 기후변화 평가보고서 (IPCC, 2007)에서 사용된 대표 온실가스 시나리오에 근거하여 생성된 자료로 미래강수모의자료 (2006∼2100년)과 과거강수모의자료 (1950∼2005년)를 함께 제공하고 있다. 이때 과거강수모의자료와 실제 관측치는 어느 정도의 편의를 보이며, Park et al. (2012)은 GEV (Generalized Extreme Value) 분포를 적용한 분위사상법 (Quantile Mapping) 기법을 이용하여 편의보정을 실시하였으며, 본 연구에서는 같은 방법으로 편의보정된 RCP 4.5 기반의 미래 기상자료를 이용하였다.
- 저수지 운영 모의에 사용될 저수지 유입량을 산정하기 위해 HEC-HMS 모형을 이용해 현재 및 미래 저수지 상류 유역의 설계홍수량을 산정하였다. HEC-HMS 모형은 미 육군공병단에서 개발한 강우-유출 모형으로 홍수량 산정에 널리 이용되고 있다.
- 둑 높이기 전후 저수지의 홍수조절효과를 분석하기 위해 시기별, 빈도별 설계홍수량을 저수지 유입량으로 사용하여 저수지 운영을 모의하였다. 저수지 운영 모의에는 HEC-5 모형을 이용하였다.
- 국토해양부 (2012)는 설계홍수량 산정에 대한 객관적으로 표준적인 기준 제시를 목적으로 『설계홍수량 산정요령』을 제안하였으며본 연구에서는 이에 근거하여 설계홍수량을 산정하였다. 초기손실량 산정에는 NRCS CN 방법을 적용하였으며, 직접유출량 산정에는 Clark 단위도법을 이용하였다. 유역의 도달시간은 연속형 Kraven 공식을 적용하여 계산하였으며, 저류상수는 Sabol 공식을 적용하였다.
- 확률강우량의 산정을 위해 국립방재연구원에서 제공하는 FARD 2006 (Frequency Analysis of Rainfall Data 2006)을 사용하였다. FARD2006은 모멘트법, 최우도법, 확률가중모멘트법에 따라 다양한 분포형의 추정이 가능하며 각각의 추정 방법에 따른 분포형의 다양한 적합도 검정 결과를 쉽게 확인할 수 있고 사용이 편리하여 강우빈도해석 시 많이 이용되고 있다 (Hwang et al.
성능/효과
- 1. 저수지별, 시기별로 강우지속시간 3시간, 6시간, 9시간, 12시간, 15시간, 18시간 그리고 24시간에 대하여 각각 200년 빈도 확률강우량과 설계홍수량을 산정한 결과, 미래 강우량 및 미래 설계홍수량은 일정한 증가 추세를 나타내지는 않았으나 대부분의 지역에서 현재 (1995s)에 비해 미래 확률강우량 및 설계홍수량의 최댓값이 크게 나타나는 것으로 분석되었다.
- 2. 저수지별 200년 빈도 홍수유입량을 바탕으로, 시기별 둑 높이기 전후 각 저수지의 제원을 적용하여 저수지 모의 운영을 실시한 결과, 수양저수지와 광주저수지를 제외한 모든 저수지에서 둑 높이기 사업 이후 첨두방류량의 크기가 작아지는 것으로 나타났다. 수양저수지와 광주저수지의 경우 둑 높이기 사업을 시행하면서 수문을 추가 건설하였기 때문에 방류능력이 사업 이전에 비해 증대되어 첨두방류량이 증가하는 것으로 나타났다.
- 3. 저수지 모의운영 결과를 토대로 홍수조절률을 산정한 결과, 평균값은 둑 높이기 이전 32.6 %, 이후 44.2 %로 11.6 % 증가하였고, 1995s에서 둑 높이기 이전 33.2 %, 이후 45.9 %로 12.7 % 증가, 2025s에서 둑 높이기 이전 31.9 %, 이후 44.3 %로 12.4 % 증가, 2055s에서 둑 높이기 이전 32.5 %, 이후 42.8 %로 10.3 % 증가, 2085s에서 둑 높이기 이전 32.7 %, 이후 44.2 %로 10.9 % 증가하였으며, 시기별로는 큰 차이를 보이지 않았다.
- 9 % 증가하였다. Table 6을 살펴보면 수문이 새롭게 설치된 수양저수지와 광주저수지를 제외하고는 모든 저수지에서 둑 높이기 사업 이후 홍수조절률이 증가함을 확인할 수 있으며, 장찬 저수지의 경우는 둑 높이기 사업 이후 200년 빈도 홍수량 유입 시 유출이 발생하지 않아 홍수조절률이 100 %로 나타났다. 둑 높이기기 사업으로 인한 홍수조절률의 증가는 시기별로는 큰 차이를 보이지 않았다.
- 대동저수지의 경우에도 마찬가지로 수문이 추가로 건설되었으나, 그 규모가 크지 않아 수양저수지와 광주저수지처럼 첨두방류량이 크게 증가하지는 않는 것으로 나타났다. 또한 장찬저수지의 경우 둑 높이기 사업으로 추가 확보된 홍수조절공간이 다른 지역에 비해 작은 크기의 홍수량을 모두 수용하는 것으로 분석되어, Fig. 6에서와 같이 둑 높이기 사업 이후에는 200년 빈도 홍수량 유입시 방류량이 없는 것으로 나타났다.
- 이는 『설계홍수량 산정요령』에서 제안하는 연속형 Kraven 공식으로 산정한 도달시간이 기존 보고서에서 적용된 다른 공식으로 산정한 도달시간에 비해 작은 값을 나타냈으며, 『설계홍수량 산정요령』에 제시된 CN 값이 기존의 보고서에서 사용한 CN 값보다 큰 값을 나타냈기 때문인 것으로 사료된다. 미래 강우량 및 미래 설계홍수량은 일정한 증가 추세를 나타내지는 않았으나, 대부분의 지역에서 현재 (1995s)에 비해 미래 확률강우량 및 설계 홍수량의 최댓값이 크게 나타나는 것으로 분석되었다. 백곡저수지의 경우 2055s에서 상대적으로 작은 설계홍수량을 기록했는데, 이는 대상관측소인 청주관측소의 2055s에서의 확률강우량이 작은 값을 가지기 때문인 것으로 사료된다.
- 본 연구의 결과 둑 높이기 사업으로 대상저수지의 홍수조절능력은 대부분 상승하는 것으로 분석되었다. 하지만 홍수조절률은 유입수문곡선과 유출수문곡선의 첨둣값만을 고려해 계산하기 때문에 홍수조절률 하나의 지표만으로는 저수지의 홍수조절능력을 정확히 설명할 수 없어 추가적으로 여러 지표를 활용해 저수지의 홍수조절효과를 분석할 필요성이 있는 것으로 사료된다.
- Table 5를 살펴보면 수양저수지와 광주저수지를 제외한 모든 저수지에서 둑 높이기 사업 이후 첨두방류량의 크기가 작아지는 것을 확인할 수 있다. 수양저수지와 광주저수지의 경우 둑 높이기 사업을 시행하면서 수문을 추가 건설하였기 때문에 방류능력이 사업 이전에 비해 증대되어 첨두방류량이 증가하는 것으로 나타났으며, Fig. 8에서 둑 높이기 사업 전/후 수양저수지의 방류곡선을 확인할 수 있다. 대동저수지의 경우에도 마찬가지로 수문이 추가로 건설되었으나, 그 규모가 크지 않아 수양저수지와 광주저수지처럼 첨두방류량이 크게 증가하지는 않는 것으로 나타났다.
- 설계홍수량은 기존에 발표된 연구보고서 등에 수록된 결과와 비교해 대체로 크게 산정되었다. 이는 『설계홍수량 산정요령』에서 제안하는 연속형 Kraven 공식으로 산정한 도달시간이 기존 보고서에서 적용된 다른 공식으로 산정한 도달시간에 비해 작은 값을 나타냈으며, 『설계홍수량 산정요령』에 제시된 CN 값이 기존의 보고서에서 사용한 CN 값보다 큰 값을 나타냈기 때문인 것으로 사료된다. 미래 강우량 및 미래 설계홍수량은 일정한 증가 추세를 나타내지는 않았으나, 대부분의 지역에서 현재 (1995s)에 비해 미래 확률강우량 및 설계 홍수량의 최댓값이 크게 나타나는 것으로 분석되었다.
- 4에 나타내었다. 이를 살펴보면 미래에 확률강우량이 일정한 증가 추세를 보이지는 않지만 모든 관측소에서 2085s에 가장 큰 값을 가지는 것으로 나타났다. 청주관측소 2055s의 경우 2041년에서 2070년 사이에 청주지역에 비교적 큰 강우가 발생하지 않아서 상대적으로 작은 확률강우량을 나타냈다.
- 2는 각 저수지의 위치를 나타내고 있다. 총 저수량은 반계저수지에서 62.3 %로 가장 높은 증가율을 보였고, 장성저수지에서 10.9 %로 가장 낮은 증가율을 보였다.
- 미래 기상자료가 3시간 단위로 제공되기 때문에 강우지속시간 3시간, 6시간, 9시간, 12시간, 15시간, 18시간, 그리고 24시간에 대하여 각각 확률강우량을 산정하였으며 그 결과는 Table 3과 같다. 확률강우량은 관측소 및 지속시간별로 다양한 경향을 나타냈으며 광주관측소를 제외한 모든 관측소에서 현재 (1995s)에 비해 미래 (2025s, 2055s, 2085s)에 더 큰 값을 가지는 것으로 분석되었다. 시기별 확률강우량의 증가 경향을 분석하기 위해 모든 관측소에 대한 확률강우량의 평균값을 시기별로 도시하여 Fig.
후속연구
- 둑 높이기로 추가 확보된 홍수조절공간을 효율적으로 활용하여 홍수방어능력을 증대시키기 위해서는 우선적으로 둑 높이기 전후 저수지 홍수저감효과에 대한 정량적인 평가가 이루어져야 한다. 또한 기후변화에 따른 강우량 증가에 대한 홍수피해 대책을 수립하기 위해서는 미래 강우에 대한 저수지 홍수조절능력의 분석이 필요하다.
- 또한 초기수위를 낮게 조절해 홍수조절용량을 과도하게 확보할 경우 농업용수 및 환경유지용수 공급의 측면에서 문제가 발생할 수 있다. 따라서 평시와 홍수기의 제한수위를 다르게 운영하는 등 용수공급, 홍수방어 등을 종합적으로 고려한 저수지 운영방안이 필수적으로 마련되어야 할 것이며, 본 연구의 결과는 이러한 운영방안 수립의 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
- 본 연구의 결과 둑 높이기 사업으로 대상저수지의 홍수조절능력은 대부분 상승하는 것으로 분석되었다. 하지만 홍수조절률은 유입수문곡선과 유출수문곡선의 첨둣값만을 고려해 계산하기 때문에 홍수조절률 하나의 지표만으로는 저수지의 홍수조절능력을 정확히 설명할 수 없어 추가적으로 여러 지표를 활용해 저수지의 홍수조절효과를 분석할 필요성이 있는 것으로 사료된다. 또한 초기수위를 낮게 조절해 홍수조절용량을 과도하게 확보할 경우 농업용수 및 환경유지용수 공급의 측면에서 문제가 발생할 수 있다.
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