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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 임진강의 유량감소로 발생하는 하류 피해대응과 홍수기 북한의 무단방류와 같은 긴급상황 발생시 신속한 대응을 위해 군남홍수조절지의 새로운 운영규칙을 제시하여 가뭄 및 급작스러운 홍수에 대응하는 방안을 수립하고 이에 대한 효과를 분석하고자 한다.
- 본 연구는 풍수해재난대책 기간에 군남홍수조절지의 운영 기준을 검토하여 급작스러운 홍수발생 시 임진강 하류의 홍수 피해를 최소화하고 가뭄에 의한 피해를 최소화하는 효율적인 운영대안을 제시하는데 목적이 있다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
- 본 연구에서는 새로운 운영대안에 대하여 홍수사상 발생 시 군남홍수조절지의 운영효과를 평가하기 위해 Fig. 4와 같이 3가지 경우에 대해 분석하였다.Case 1은 기존운영방법, Case 2는 가뭄피해 대비 운영방법, Case 3은 긴급상황 발생 시 대응시간 확보 운영방법이다.
- 선정한 새로운 운영대안의 목적은 군남홍수조절지의 한정된 저류공간을 최대한 활용하고 적절한 방류를 통해 임진강 하류부의 홍수 피해 및 가뭄 피해를 최소화시키는 것이다. 운영대안별 평가방법은 본 연구에서 구축한 HEC-ResSim 모형 을 이용하여 모의 운영 후 운영의 적합성과 운영실적을 평가할 수 있는 항목인 첨두수위(EL.
- 다만, 2014년 홍수사상은 1992년 이후 22년 만의 발생한 마른장마에 의하여 재난대책기간에도 작은 유입량이 지속되었기 때문에 운영 효과를 판단하기 어려워 제외하였다. 홍수사상은 Table 3과 같이 선정하였으며 대안별 운영효과 분석과 북측 황강댐으로부터 무단방류 발생 시 홍수조절 효과를 평가하고자 하였다. 북한의 무단방류에 의한 홍수사상은 정부의 발표, 기사, 보고서 등을 활용해 홍수사상을 선정하였다.
가설 설정
- 0 m, 운영방법은 ｢Basic and Detailed Design Report of Gunnam Flood Control Dam Construction Project (Ministry of Land, Infrastructure, and Transport, 2007)｣에서 수립된 기존운영방법을 따른다. 그리고 Case 2의 운영방법은 Case 1과 동일하며 초기수위는 가뭄 피해 대비에 따른 용량확보를 위해 EL.31.0 m 까지 저수를 유지한 상태를 가정하여 모의하였다. 그리고 Case 3은 조절방류를 통한 댐 관리자의 대응 및 인명대피 시간 확보를 위한 운영 방안으로서 초기 저수지 수위조건은 EL.
제안 방법
- 1) 본 연구에서 구축한 HEC-ResSim 모형의 신뢰도 및 적합 성검정을 위해 기존운영과 실제운영을 비교하였다. 비교 결과 유량조절률은 약 3% 정도 차이가 발생하였으며, 저수지 방류율과 저류율 차이는 약 0.
- 설계 시 수립된 군남홍수조절지의 계획방류량은 총 2단계로 설계되었다. 1단계는 문산지점을 기준으로 100년 빈도 홍수량인 10,400 m3/s가 군남홍수조절지로 유입 시 9,100 m3/s로 조절 방류를 실시한다. 2단계는 군남지점을 기준으로 100년 빈도 홍수량인 11,300 m3/s이 군남홍수조절지로 유입 시 11,000 m3/s로 조절방류를 실시한다.
- 0 m 까지 저수를 유지한 상태를 가정하여 모의하였다. 그리고 Case 3은 조절방류를 통한 댐 관리자의 대응 및 인명대피 시간 확보를 위한 운영 방안으로서 초기 저수지 수위조건은 EL.23.0 m이며, 운영방법은 EL.34.0 m까지 250 m3/s로 조절방류를 하며 EL.34.0 m 이상부터는 기존운영방법을 적용하여 모의하였다. 그리고 모든Case는 적합성 검증을 위해 홍수사상 1을 적용한 결과값을 ｢Basic and Detailed Design Report of Gunnam Flood Control Dam Construction Project (Ministry of Land, Infrastructure, and Transport, 2007)｣에서 기수립된 기존운영방법의 결과값과 비교하였다.
- Lee (1997)는 1996년 7월 경기 북부지역에서의 호우로 인한 연천댐의 붕괴와 이로 인한 하류 지역의 영향을 분석하였으며 한탄강의 지류인 차탄천과 임진강 본류에 대한 홍수파를 분석하였다. 그리고 문산천에서의 홍수피해 원인과 조석영향을 분석하였다. Park (2000)은 임진강 유역의 집중호우에 대응하기 위해 유출특성 분석과 홍수 저감방안에 대하여 검토하였다.
- 그리고 새로운 운영대안의 운영평가를 위해 일반홍수사상 홍수사상 2, 홍수사상 3과 무단방류와 같은 긴급상황에 대한 홍수사상 4, 홍수사상 5를 적용하여 기존운영방법과 비교· 분석하였다.
- 본 연구에서는 ｢Basic and Detailed Design Report of Gunnam Flood Control Dam Construction Project (Ministry of Land, Infrastructure, and Transport, 2007)｣을 참고하여 댐 제원, 수문 제원, 운영방법 등을 참고하여 구성하였으며, 본 연구에서 도출한 운영대안을 입력해주 었다. 그리고 홍수사상 입력은 HEC-DSS 프로그램을 이용하여 입력하였다.
- 또한 Table 10과 같이 Case 3에서 임진강 인명대피경보 기준인 횡산수위국 수위 1.0 m에 해당되는 250 m3/s 이상의 유량 유입 시 250 m3 /s로 조절방류를 수행한 시간을 분석하여 댐 운영 관리자의 대응 가능시간 및 하류 지역 대피 시간 확보 등의 대응 가능한 시간을 Case 1 (기존운영)과 비교 · 분석하였다.
- 본 연구에서 도출한 운영방안에 대해 저수지 운영효과를 분석하기 위해 군남홍수조절지 완공 이후로 관측된 홍수사상을 10분 단위로 조사하였다. 다만, 2014년 홍수사상은 1992년 이후 22년 만의 발생한 마른장마에 의하여 재난대책기간에도 작은 유입량이 지속되었기 때문에 운영 효과를 판단하기 어려워 제외하였다.
- HEC-ResSim 모형 구축에서 가장 중요한 요소인 운영방법, 제약조건, 홍수사상을 입력하는 단계로 Reservoir Network Module에서 구성한다. 본 연구에서는 ｢Basic and Detailed Design Report of Gunnam Flood Control Dam Construction Project (Ministry of Land, Infrastructure, and Transport, 2007)｣을 참고하여 댐 제원, 수문 제원, 운영방법 등을 참고하여 구성하였으며, 본 연구에서 도출한 운영대안을 입력해주 었다. 그리고 홍수사상 입력은 HEC-DSS 프로그램을 이용하여 입력하였다.
- 비교 · 분석을 위해 저수지 운영실적을 평가할 수 있는 항목인 유량조절률(%), 저수지방류율(%), 저수지저류율(%) 을 산정하였다.
- 선정된 홍수사상 기간의 운영실적을 평가할 수 있는 항목인 첨두수위, 첨두방류량, 유량조절률, 저수지방류율, 저류율을 산정하였으며 Table 9와 같이 Case 1 (기존운영)과 비교 · 분석하였다.
- 0 m에 위치해 있다. 설계 시 수립된 군남홍수조절지의 계획방류량은 총 2단계로 설계되었다. 1단계는 문산지점을 기준으로 100년 빈도 홍수량인 10,400 m3/s가 군남홍수조절지로 유입 시 9,100 m3/s로 조절 방류를 실시한다.
- 운영대안별 평가방법은 본 연구에서 구축한 HEC-ResSim 모형 을 이용하여 모의 운영 후 운영의 적합성과 운영실적을 평가할 수 있는 항목인 첨두수위(EL.m), 첨두방류량(m3/s), 유량 조절률(%), 저수지방류율(%), 저수지저류율(%)을 지표로 하여 각 모형 결과에 대해 비교· 검토하였다.
- 0 m를 초과 시 기존운영방법을 따르는 운영대안이다. ｢Disaster Status Management information (Ministry of Land, Infrastructure, and Transport, 2014)｣ 을 참조하여 운영대안을 도출한 결과 횡산수위국 수위가 1m를 초과하여 인명대피 경보가 발생하여도 250 m3/s 이하로 조절방류를 한다면 댐 운영자의 대처 시간 및 임진 강 하류 지역의 인명대피 시간을 확보할 수 있을 것으로 판단되어 이를 조절방류기준으로 삼아 모형에 적용하여 기존운영과 비교분석하였다.
대상 데이터
- 그러나 홍수조절시설물 건설과 같은 구조적 대책에도 불구하고 북한과의 접경지역과 미계측 유역이 있는 임진강 상류지역은 수문관측이 어려워 무단방류와 같은 긴급 상황 시 대응에 취약하다. 2009년 9월 6일 북측 황강댐에서 남한 정부에 사전 통보 없이 최대 약 4,000 m3/s에 해당하는 물을 무단으로 방류하여 임진강 하류에서 야영하던 야영객 6명이 사망하였고 18명이 경상을 입었으며, 약 1억 원의 재산 피해가 발생하였다. 최근에도 2016년 5월 북측의 무단방류로 약 1억 원의 재산피해가 발생하였다.
- 본 연구의 대상인 군남홍수조절지는 Fig. 1과 같이 임진강 본류 중·하류부인 한탄강 합류점으로부터 약 12 km 상류에 위치하고 있으며 경기도 연천군 군남면 선곡리, 우안부는 경기도 연천군 왕징면 강내리에 속한다.
데이터처리
- 그 다음으로 기존운영방법(Case 1)으로 구축된 HEC-ResSim 모형의 결과값을 본 연구에서 선정한 홍수사상 2~홍수사상 5에 대한 군남홍수조절지의 실제운영 결과값과 비교·분석하였다.
- 0 m 이상부터는 기존운영방법을 적용하여 모의하였다. 그리고 모든Case는 적합성 검증을 위해 홍수사상 1을 적용한 결과값을 ｢Basic and Detailed Design Report of Gunnam Flood Control Dam Construction Project (Ministry of Land, Infrastructure, and Transport, 2007)｣에서 기수립된 기존운영방법의 결과값과 비교하였다. 그리고 새로운 운영대안의 운영평가를 위해 일반홍수사상 홍수사상 2, 홍수사상 3과 무단방류와 같은 긴급상황에 대한 홍수사상 4, 홍수사상 5를 적용하여 기존운영방법과 비교· 분석하였다.
- 본 연구에서 구축한 HEC-ResSim 모형의 적합성 검증을 위해 홍수사상 1을 적용하였으며, 군남홍수조절지 건설을 위해 수립된 ｢Basic and Detailed Design Report of Gunnam Flood Control Dam Construction Project (Ministry of Land, Infrastructure, and Transport, 2007)｣와 비교하였다. 비교결과 Table 5와 같이 Case 1 (기존운영)의 경우 첨두수위 오차는 0.
이론/모형
- 먼저 본 연구에서 비교 · 분석 시 기준이 되는 Case 1은 기존 운영방법으로서 초기수위는 EL.23.0 m, 운영방법은 ｢Basic and Detailed Design Report of Gunnam Flood Control Dam Construction Project (Ministry of Land, Infrastructure, and Transport, 2007)｣에서 수립된 기존운영방법을 따른다.
- 모의운영 기간 설정 및 결과확인은 Simulation Module에서 수행한다. Simulation Module은 모의 운영 기간 설정 및 저수지 제원, 운영규칙 등의 수정 및 평가를 할 수 있으며, 모의 운영 중 발생한 오류 및 문제점들을 확인 및 수정할 수 있다.
- 유역설정은 모형구축 시 기초가 되는 단계로 WaterShed Module에서 구성한다. 유역설정의 목적은 저수지 및 수공구조물의 배치를 모델링하고 유역에 대한 정보가 포함된 Data 를 준비하는 과정으로 유역에 대한 정보는 ｢Basic and Detailed Design Report of Gunnam Flood Control Dam Construction Project (Ministry of Land, Infrastructure, and Transport, 2007)｣를 참고하여 구성하였다.
- 따라서, 사용자가 사용 목적에 알맞은 저수지 모형을 선택하는 것 또한 연구에 있어 매우 중요한 요소이다. 최근 개발되어진 대표적인 모형으로는 HEC-ResSim, CWMS, RiverWare, MODSIM, WEAP 등이 있으며, 본 연구에서는 여러 가지 제약조건을 쉽게 구성할 수 있는 HEC-ResSim (USACE, 2013) 모형을 선정하였다. HEC-ResSim 모형은 미 공병단 수문연구센터에서 차세대 프로그램 개발사업 목적으로 1996년 저수지 모의운영 소프트웨어인 HEC-5의 후속으로 처음 개발되었다.
성능/효과
- 2) 군남홍수조절지의 풍수해재난대책 기간에 기존운영 수위를 EL.31.0 m까지 상향하여 운영하는 Case 2를 평가한 결과 100년 빈도에 해당하는 첨두유입량 발생 시 Case 1 (기존운영)과 유사하게 운영되는 결과를 나타내었다. 군남지점 기준 100년 빈도 이하의 유입량 발생 시 Case 1 (기 존운영)보다 저수지운영효율은 Case 2에서 낮은 것으로 확인되었지만, 그 차이가 유량조절률은 약 4.
- 3) 홍수발생 시 저수지 수위 EL.34.0 m 까지 유입량 일부를 저류하면서 250m3 /s로 조절방류하는 운영대안 Case 3의 운영결과 모든 홍수사상에 대해서 Case 1 (기존운영) 보다 저수지 저류율은 증가하였으며, 저수지 방류율은 감소하여 저수지 운영효율이 증가한 것으로 나타났다. 또한, EL.
- 7 m3/s 높게 나타났지만 그 차이는 크지 않은 것으로 분석되었다. Case 1~3을 종합 분석한 결과 본 연구에서 구축한 모형은 ｢Basic and Detailed Design Report of Gunnam Flood Control Dam Construction Project (Ministry of Land, Infrastructure, and Transport, 2007)｣에서 제시한 제약조건에 적합하게 모의되었으며, 계획홍수위 EL.40.0 m를 초과하지 않았다. 그 다음으로 기존운영방법(Case 1)으로 구축된 HEC-ResSim 모형의 결과값을 본 연구에서 선정한 홍수사상 2~홍수사상 5에 대한 군남홍수조절지의 실제운영 결과값과 비교·분석하였다.
- Case 3 적용 시 홍수사상 2, 홍수사상 3, 홍수사상 4의 경우 저수지저류율은 평균2.66% 증가한 것으로 나타났으며 기존 운영방법인 Case 1보다 저수지 운영효율은 높게 나타났다. 그러나 초기 조절방류로 인해 첨두수위는 증가하였지만 계획방류를 시작하는 수위 EL.
- Table 7과 같이 Case 2 종합분석 결과 Case 1 보다 저수지운영효율은 낮은 것으로 분석되었지만 저수지 방류율과 저류율의 차이가 최대 0.2%, 최소 0.1%로 크지 않아 기존운영방법과 유사하게 모의되는 것으로 판단되어 충분히 적용 가능한 것으로 분석되었다. 그러나 북측의 무단방류 사상인 홍수사상 4, 홍수사상 5에서 Case 2의 유량조절률은 0%인 것으로 분석되었지만 계획 홍수위 EL.
- 0 m까지 상향하여 운영하는 Case 2를 평가한 결과 100년 빈도에 해당하는 첨두유입량 발생 시 Case 1 (기존운영)과 유사하게 운영되는 결과를 나타내었다. 군남지점 기준 100년 빈도 이하의 유입량 발생 시 Case 1 (기 존운영)보다 저수지운영효율은 Case 2에서 낮은 것으로 확인되었지만, 그 차이가 유량조절률은 약 4.3%, 저수지 방류율과 저류율은 약 0.1%로 차이가 크지 않아 적용 가능하다고 판단되었다. 따라서, 유량감소로 인한 하류의염 해피해 방지 및 가뭄대비를 위한 용수 약 14.
- 0 m에 해당되는 250 m3/s 이상의 유량 유입 시 250 m3 /s로 조절방류를 수행한 시간을 분석하여 댐 운영 관리자의 대응 가능시간 및 하류 지역 대피 시간 확보 등의 대응 가능한 시간을 Case 1 (기존운영)과 비교 · 분석하였다. 그 결과 댐 운영자의 대응 및 임진강 하류 인명대피 시간을 최대 2,060분(약 34시간), 최소 610분(약 10시간) 확보 가능했으며, 평균 1,138분(약 19시간) 확보 가 능한 것으로 분석되었다. 그리고 하도 유속 및 수위 분석을 위해서 임진강 하천기본계획을 참고하여 1차원 모형인 HECRAS를 이용하여 분석한 결과 250 m3/s로 조절방류 시 군남홍수조절지 하류 과거 인명피해 발생 지역 인근의 유속은 1 m/s 를 초과하지 않았으며 수위는 저수로 수위를 초과하지 않았다.
- 5 m 를 초과하지 않았고, 9,100 m3/s로 일정량 조절방류를 수행하지 않았다. 그 결과 저수지방류율은 약 100%, 저수지저류율은 약 0%에 근사한 값을 갖는 것으로 분석되었다. 유량조절률은 홍수사상 3을 제외하고는 실제운영보다 최대 8.
- 66% 증가한 것으로 나타났으며 기존 운영방법인 Case 1보다 저수지 운영효율은 높게 나타났다. 그러나 초기 조절방류로 인해 첨두수위는 증가하였지만 계획방류를 시작하는 수위 EL.36.5 m를 초과하지 않았으며 모든 사상은 계획홍수위 EL.40.0 m를 초과하지 않아 충분히 적용 가능한 것으로 판단된다. 또한 Table 10과 같이 Case 3에서 임진강 인명대피경보 기준인 횡산수위국 수위 1.
- 또한, 다양한 결과분석능력으로 높은 수준의 저수지 모의 및 분석이 가능해졌다. 그리고 GUI (Graphic User Interface)를 통해 간단한 조작으로 다양한 제약조건들을 의사결정에 반영할 수 있어 복잡하고 현실적인 저수지 모의가 가능해졌다. 따라서, 사용자가 사용 목적에 알맞은 저수지 모형을 선택하는 것 또한 연구에 있어 매우 중요한 요소이다.
- 저수지방류율(%)과 저수지저류율(%)은 유입된 총량에 대한 저수지의 홍수조절효과를 나타낸다. 그리고 운영효율은 방류율이 작을수록, 저류율이 클수록좋은 결과를 보이는 것으로 평가한다.
- 그 결과 댐 운영자의 대응 및 임진강 하류 인명대피 시간을 최대 2,060분(약 34시간), 최소 610분(약 10시간) 확보 가능했으며, 평균 1,138분(약 19시간) 확보 가 능한 것으로 분석되었다. 그리고 하도 유속 및 수위 분석을 위해서 임진강 하천기본계획을 참고하여 1차원 모형인 HECRAS를 이용하여 분석한 결과 250 m3/s로 조절방류 시 군남홍수조절지 하류 과거 인명피해 발생 지역 인근의 유속은 1 m/s 를 초과하지 않았으며 수위는 저수로 수위를 초과하지 않았다. 이는 급작스러운 홍수 발생 시에도 군남홍수조절지의 하류에서 안전하게 대피할 수 있는 시간을 추가로 확보할 수 있도록 하여 긴급재난관리 측면에서 긍정적인 효과를 기대할 수 있는 운영대안으로 판단된다.
- 5와 같이 모의운영의 방류패턴은 실제운영과 유사한 것으로 분석되었다. 따라서 본 연구에서 구축한 모형은 실제운영과 매우 유사하게 모의가 되는 것으로 나타나 본 연구를 위한 모형으로 적합한 것으로 판단되었다.
- 1%로 차이가 크지 않아 적용 가능하다고 판단되었다. 따라서, 유량감소로 인한 하류의염 해피해 방지 및 가뭄대비를 위한 용수 약 14.0백만 m3 의 확보가 가능하며, 가뭄 상황 발생 시 ｢Water Vision 2020 Report (Ministry of Land, Infrastructure, and Transport, 2011)｣에서 제시한 임진강 하천유지용수 18.7 m3 /s를 기 준으로 지속적으로 하천의 유지용수를 공급한다면 약 9 일간 추가 공급할 수 있어 가뭄 피해를 일부 경감할 수 있는 효과적 대안으로 판단되었다.
- 0 m 까지 유입량 일부를 저류하면서 250m3 /s로 조절방류하는 운영대안 Case 3의 운영결과 모든 홍수사상에 대해서 Case 1 (기존운영) 보다 저수지 저류율은 증가하였으며, 저수지 방류율은 감소하여 저수지 운영효율이 증가한 것으로 나타났다. 또한, EL.34.0 m 까지 250m3 /s로 조절방류를 실시하여 댐 운영자의 대응시간 및 하류지역 인명대피 시간 등 긴급상황 발생 시 대응시간 확보측면에서 기존운영방법보다 약 19시간을 추가 확보할 수 있는 것으로 확인되어 긴급상황 발생 시 적용할 수 있는 효과적인 운영대안으로 판단되었다.
- 컴퓨터기술의 발전으로 최근에 개발된 저수지 모형들은 다양해지는 각종 요구를 대부분 적용이 가능하도록 개발이 되고 있다. 또한, 다양한 결과분석능력으로 높은 수준의 저수지 모의 및 분석이 가능해졌다. 그리고 GUI (Graphic User Interface)를 통해 간단한 조작으로 다양한 제약조건들을 의사결정에 반영할 수 있어 복잡하고 현실적인 저수지 모의가 가능해졌다.
- 비교 결과 유량조절률은 약 3% 정도 차이가 발생하였으며, 저수지 방류율과 저류율 차이는 약 0.15% 정도로 실제운영과 비교 · 분석 시 매우 유사하게 모의되는 것을 확인할 수 있었다.
- 그 결과 저수지방류율은 약 100%, 저수지저류율은 약 0%에 근사한 값을 갖는 것으로 분석되었다. 유량조절률은 홍수사상 3을 제외하고는 실제운영보다 최대 8.9%, 첨두 유입량에 대한 홍수조절효과는 평균 약 4% 정도 높았다. 이것은 실제운영에서 수문조작 수행 시 여러 제약조건을 고려해서 운영된 것으로 판단되며, 본 연구에서 구축한 모형은 실제상황을 잘 반영하고 있다는 것을 알 수 있었다.
- 9%, 첨두 유입량에 대한 홍수조절효과는 평균 약 4% 정도 높았다. 이것은 실제운영에서 수문조작 수행 시 여러 제약조건을 고려해서 운영된 것으로 판단되며, 본 연구에서 구축한 모형은 실제상황을 잘 반영하고 있다는 것을 알 수 있었다. 또한, Fig.
후속연구
- 4) 본 연구에서 사용된 자료는 군남홍수조절지 건설 이후의 자료만을 대상으로 하여 2011~2016년 총 6개년 자료에 불과하다. 이는 모든 이수 및 치수에 관련한 상황을 대표할 수 없는 한계를 보이므로 다양한 홍수사상을 반영할 수 있도록 향후 추가적인 자료획득이 가능하다면 보다 신뢰성 높은 연구수행이 가능할 것으로 보인다.
- 4) 본 연구에서 사용된 자료는 군남홍수조절지 건설 이후의 자료만을 대상으로 하여 2011~2016년 총 6개년 자료에 불과하다. 이는 모든 이수 및 치수에 관련한 상황을 대표할 수 없는 한계를 보이므로 다양한 홍수사상을 반영할 수 있도록 향후 추가적인 자료획득이 가능하다면 보다 신뢰성 높은 연구수행이 가능할 것으로 보인다.
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