[논문]기후변화에 따른 제방의 안전성 영향 분석을 위한 제방홍수취약성지수의 적용

이후상; 이재준

doi:10.3741/jkwra.2018.51.4.293

기후변화에 따른 제방의 안전성 영향 분석을 위한 제방홍수취약성지수의 적용
Application of Flood Vulnerability Index for analyzing safety change of levee according to climate change 원문보기

Journal of Korea Water Resources Association = 한국수자원학회논문집, v.51 no.4, 2018년, pp.293 - 299

이후상 (금오공과대학교 토목공학과) , 이재준 (금오공과대학교 토목공학과)

초록
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본 연구에서는 하천 제방에 대한 홍수취약성을 평가하는 새로운 기법을 기후변화에 따라 달라지는 하천의 수위변화를 고려하여 제방의 취약성 변화 정도를 파악해보고자 한다. 이를 위해 미래 기후변화 시나리오를 기반으로 대상유역의 홍수량을 산정하여 홍수위를 구하고 제방의 2차원 지하수침투 모형인 SEEP/W를 이용하여 침투거동을 분석함으로써 침투안정성을 평가하였다. 대상지역은 한강 본류 서울 구간으로 선정하여 대표 제방을 선정한 후, 대표 제방의 현재 계획홍수위와 기후변화를 고려한 홍수위를 고려하여 제방의 안전율을 분석하였다. 제방의 취약성 분석에 필요한 인자를 도출하고 이를 활용하여 기후변화 시나리오에 따른 제방의 수위변화를 고려한 제방의 취약성 분석을 실시하였으며 분석결과를 본 연구자가 기 개발한 제방홍수취약성지수(Levee Flood Vulnerability Index, LFVI) 값을 이용하여 제방의 취약성에 미치는 영향을 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a new technique for evaluating the flood vulnerability of river banks is proposed. For this purpose, flood quantities of the basin were estimated based on the future climate change scenarios and the infiltration stability was evaluated by analyzing the infiltration behavior using SEEP/W which is a 2D groundwater infiltration model of the levee. The size of the river levee was investigated. The size of river levee was investigated by selecting the target area. The safety factor of the levee was analyzed considering the current flood level of the levee and the flood level considering the climate change. The factor needed to analyze the levee vulnerability was derived. We analyzed the vulnerability of the levee considering the change of the levee level according to the climate change scenarios. Levee Flood Vulnerability Index (LFVI) were used to evaluate the vulnerability of the levee.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이와 같이 제방의 취약성분석 기술에 적용하고자 필요한 인자를 도출하여 다음 Eq. (1)과같은 하천 제방홍수취약성지수 산정식을 개발하였다.
본 연구에서는 대상유역인 한강 본류 서울시구간의 실제 제방의 데이터를 통해 제방의 침투안정성을 분석하고 제방의 취약성에 영향을 주는 인자를 도출하여 개발된 제방홍수취약성지수(Levee Flood Vulnerability Index, LFVI)를 적용하여 기후변화에 따른 홍수위 변화 시 제방의 취약성을 분석하고자 한다.
본 연구에서는 실제 규모의 제방 데이터를 통해 제방의 침투 안정성을 분석하고 제방의 취약성에 영향을 주는 인자를 도출하여 개발된 제방홍수취약성지수(Levee Flood Vulnerability Index, LFVI)를 적용하여 기후변화에 따른 홍수위 변화시 제방의 취약성에 미치는 영향을 분석하고자 한다.
본 연구에서는 한강 본류 서울시 구간의 대표 제방에 대해안전율 분석을 실시하였다.

제안 방법

대상유역으로는 한강 본류 서울시 구간을 대상으로 하였고, 한강 제방의 제원에 대한 전수조사를 바탕으로 하폭을 기준하여 총 20개로 분류하였다. 그 중에서 대표단면을 상류부,중류부, 하류부로 나누어 3개의 구간을 정하였다. Fig.
(2006)은 취약성 평가에서 가장 중요한 것은 적합한 지표들을 선정하는 것에 있다고 하였다. 또한 취약성을 노출 지표와 사회학 지표로 구분하였고 Pareto ranking process를 이용하여 사회학 취약성 지표를 통합한 취약성 평가기법을 제시하였다. Balica et al.
본 논문의 선행연구에서는 제방의 취약성분석 기술에 필요한 인자로 우리나라 제방 설계에 제시 된 계획홍수량에 따라 달라지는 여유고(0.6~2.0 m), 계획홍수량에 따라 달라지는 둑마루폭(3~7 m), 제체의 폭(B)과 제방고(H)의 비를 나타내는 제방단면의 비(H/B), 침윤 활동에 대한 안전율, 턱(소단)의 길이, 제체 끝 지점부터 침윤선단까지의 거리와 제체의 폭에 대한 비를 나타내는 침윤선 변화정도, 한계유속을 도출하여 산정식을 재구성하였다. 각각의 인자들은 필리핀에 적용된 식의 형태를 참조하여 안전성에 긍정적인 인자들을 분자에 안전성에 부정적인 인자를 분모에 놓아 지수화 하여 취약성을 쉽게 판단할 수 있도록 하였고 인자들의 가중치에 대하여 각각의 인자들에 대한 값의 범위가 다르기 때문에 제방홍수취약성지수 값을 바로 등급화 하는데 쉽게 표현하기 위하여 그 범위를 비슷한 값들로 만들어주고 거기에 인자들의 중요도에 따라 민감도 분석을 통하여 여유고(a)의 가중치는 1, 둑마루 폭(b)의 가중치를 0.
본 연구에서는 대상유역인 한강 본류 서울시구간 대표 제방의 하천경계조건은 현재 계획홍수위와 기후변화를 고려한 홍수위를 고려하여 수위를 설정하였고, SEEP/W를 이용하여 수위변화 Case 4가지(2016년, 2025년, 2055년, 제방 만수위시)에 따른 제방의 좌안, 우안의 전수두, 압력수두, 동수경사를 이용하여 분석한 안전율을 다음 Table 3에 나타내었다.
본 연구에서는 대상유역인 한강 본류 서울시구간의 대표 제방의 홍수량은 다음 기후변화 시나리오 RCP8.5를 기반으로 2016년, 2025년, 2055년의 홍수량을 산정하여 Hec-ras모형을 이용하여 제방의 홍수위시 수심을 구하였고 그것을 Table 2에 나타내었다.
8을 고려하여 침투 류해석에 의해 얻어진 이탈동수경사(i_exit)가 한계동수경사의 1/2 이하가 되도록 규정하고 있다. 안전율 분석을 위해 선정된 하천경계조건은 제방의 현재 계획홍수위와 기후변화에 따른 수위상승을 고려한 홍수위를 설정하여 안전율 결과 값의 변화양상을 분석하였다.
미국에서는 침투류에 대한 제방 안정성 검토는 미공병단의 제방설계 지침을 따르도록 하고 있다. 원칙적으로 정상상태를 가정한 정상 침윤면을 설계 수면 표고, 제방 최고수위 및 제방 최저수위 등을 기준으로 설정하여 제방의 안정성을 해석한다. 제방 비탈면의 슬라이딩 파괴에 대한 안정성 평가법에서는 수위에 따라 6개의 경우로 나누어 안전율을 제시하고 있다(USACE, 2009).
(2003)은 하천제방에서 침식과 파이핑 현상의 진행시간과 파괴로 이어지는 현상을 추정하고 이를 예방하기 위한 연구를 수행하였다. 이 연구에서는 파이핑 현상이 진행되는 시간이 짧다는 것이 분석되었고 지속적인 모니터링을 수행하여 예방 및 경고를 위한 분석도 포함되었다. 다음으로 기후변화에 대한 지표를 이용한 취약성평가 기법에 대한 국외연구로는 Watson et al.
전 세계적으로 널리 활용되고 있는 BCSD와 평균뿐만 아니라 극한기후사상에 대한 장기추세를 직접적으로 고려할 수 있는 Quantile Delta Mapping을 결합하여 BCSD/QDM이 개발되었다. 이를 CMIP5 기후변화 시나리오에 적용하여 국내 60개 관측소에 대한 상세화된 시나리오가 생산되었다.
제방의 취약성 분석 기술을 대상유역 제방의 인자(여유고, 둑마루폭, 제방단면의 비율, 안전율, 턱(소단), 침윤선 변화정도)들을 도출하여 제방홍수취약성지수(Levee Flood Vulnerability Index, LFVI) 값을 산정하여 제방의 취약성에 정도를 분석을 하였으며, 분석한 결과는 다음 Table 5와 같다.

대상 데이터

대상유역으로는 한강 본류 서울시 구간을 대상으로 하였고, 한강 제방의 제원에 대한 전수조사를 바탕으로 하폭을 기준하여 총 20개로 분류하였다. 그 중에서 대표단면을 상류부,중류부, 하류부로 나누어 3개의 구간을 정하였다.

이론/모형

본 연구에서는 RCP8.5 기반의 기후변화 시나리오를 바탕으로 홍수량 산출한 것을 사용하였다.
본 연구에서의 하천제방 침투해석은 설정된 설계외력 및 제방을 대상으로 SEEP/W모형을 이용하여 수행하였으며, 해석 결과로부터 제방홍수취약성지수(Levee Flood Vulnerability Index, LFVI) 산출에 필요한 인자를 산출하여 안정성을 평가하는데 사용하였다. 인자 중 안전율의 파이핑을 일으키는 한계동수경사는 자연상태의 사질토에 대해 검토하면 한계동수 경사(i_cr) = 1.

성능/효과

1) 대상유역인 한강 본류 서울시구간의 안전율 분석 결과 한강 좌안의 한강상류 홍수심 16~19 m에 대한 제방의 안전율 값은 1.25, 1.11, 1, 0.9로 모두 불안정한 것으로 판명되었으며, 한강중류 홍수심 12~15 m에 대한 제방의 안전율값은 2.5, 1.4, 1.25, 1.25로 12 m의 홍수심에서만 안정적이었다. 한강하류 홍수위 15~21 m에 대한 제방의 안전율 값은 1.
2) 대상유역의 제방 좌안의 제방홍수취약성지수(Levee Flood Vulnerability Index, LFVI) 값은 상류에서 홍수심 16~19m에서 2.5079~4.3802로 1~3등급으로 나왔고, 중류의 홍수심 12~15 m에서는 3.0812~6.1631로 1~7등급으로 나왔으며 하류에서의 홍수심 15~21 m에서는 2.3006~6.112로 1~7등급으로 상류에 비해 중류와 하류구간에서 제방취약성등급이 높은 것으로 나왔다.
3) 대상유역의 제방 우안의 한강상류 홍수심 16~23 m에 대한 제방의 안전율 값은 1.67, 1.25, 1, 0.83으로 모두 불안정한 것으로 판명되었으며, 한강중류 홍수심 12~15 m에 대한 제방의 안전율 값은 3.33, 2.5, 2.5, 2로 모두 안정적인 것으로 판명되었다. 한강하류 홍수심 15~21 m에 대한 제방의 안전율은 1.
4) 대상유역의 제방 우안의 제방홍수취약성지수(Levee Flood Vulnerability Index, LFVI) 값은 상류에서 홍수심 16~23m에서 2.4076~6.8794로 1~7등급으로 나왔고, 중류의 홍수심 12~15 m에서는 3.9537~6.9974로 2~7등급으로 나왔으며 하류에서의 홍수심 15~21 m에서는 2.2529~5.7368로 1~6등급으로 상류와 하류에 비해 중류구간에서 제방 취약성지수 등급이 높은 것으로 나왔다.
본 연구에서 분석한 결과 대표 제방의 제방홍수취약성지수(Levee Flood Vulnerability Index, LFVI) 값을 이용한 등급별로 좌안의 상류의 등급이 1~3등급으로 나왔고 중류에서는 1~7급, 그리고 하류에서는 1~7등급으로 분석되었고, 우안의 상류등급이 1~7등급, 중류의 등급이 2~7등급, 그리고 하류의 등급이 1~6등급으로 대상유역인 한강 본류 서울시구간의 대표 제방 중류 구간보다 상류와 하류의 제방취약성지수 등급이 높은 것으로 분석되었다. 기후변화에 따라 수위가 상승함으로써 제방의 취약성 등급 정도가 낮아지는 것으로 분석 되었다.
84로 모두 불안정하였다. 다음으로 한강 우안의 한강상류 홍수심 16~23 m에 대한 제방의 안전율 값은 1.67, 1.25, 1, 0.83으로 모두 불안정한 것으로 판명되었으며, 한강중류 홍수심 12~15 m에 대한 제방의 안전율 값은 3.33, 2.5, 2.5, 2로 모두 안정적인 것으로 판명되었고, 한강하류 홍수심 15~21 m에 대한 제방의 안전율은 1.48, 1.25, 1, 0.83으로 모두 불안정한 것으로 판명되었다.
본 연구에서 분석한 결과 대표 제방의 제방홍수취약성지수(Levee Flood Vulnerability Index, LFVI) 값을 이용한 등급별로 좌안의 상류의 등급이 1~3등급으로 나왔고 중류에서는 1~7급, 그리고 하류에서는 1~7등급으로 분석되었고, 우안의 상류등급이 1~7등급, 중류의 등급이 2~7등급, 그리고 하류의 등급이 1~6등급으로 대상유역인 한강 본류 서울시구간의 대표 제방 중류 구간보다 상류와 하류의 제방취약성지수 등급이 높은 것으로 분석되었다. 기후변화에 따라 수위가 상승함으로써 제방의 취약성 등급 정도가 낮아지는 것으로 분석 되었다.
침윤 활동에 대한 안정성이 확보되려면 한강 본류 서울시 구간의 좌안과 우안의 상류부와 하류부의 대표 제방 안전율이침투류 해석에 의하여 산출한 동수경사가 한계동수경사의 1/2 이하가 되도록 해야 한다. 본 연구에서는 대상유역인 한강본류 서울시 구간 내 안전율 분석 결과, 한강 좌안의 한강상류홍수심 16~19 m에 대한 제방의 안전율 값은 1.25, 1.11, 1, 0.91로 모두 불안정한 것으로 판명되었으며, 한강중류 홍수심12~15 m에 대한 제방의 안전율 값은 2.5, 1.4, 1.25, 1.25로 12m의 홍수심에서만 안정적이었다. 한강하류 홍수심 15~21 m에 대한 제방의 안전율 값은 1.
5, 2.5, 2로 모두 안정적인 것으로 판명되었고, 한강하류 홍수심 15~21 m에 대한 제방의 안전율은 1.48, 1.25, 1, 0.83으로 모두 불안정한 것으로 판명되었다.

후속연구

5) 하천제방설계 시 우리나라에서는 계획홍수위 위주의 활동, 누수, 침하에 대한 안정성을 평가하는데 그치고 있으나, 월류나 침식, 구조물 접합부 등에 대한 안정성 평가 방법을 보다 좀 더 세부적으로 개발할 필요가 있다. 특히 제방 홍수위취약성지수를 산정하는데 필요한 인자들에 대한 다양한 검증을 통해 실무적으로 활용할 수 있도록 할 필요가 있으나, 미래 상황에 대처하기 위하여 기후변화의 영향을 고려한 제방의 설계기준강화에 필요한 정보를 현시점에서는 충분히 제공할 수 있을 것으로 사료된다.
5) 하천제방설계 시 우리나라에서는 계획홍수위 위주의 활동, 누수, 침하에 대한 안정성을 평가하는데 그치고 있으나, 월류나 침식, 구조물 접합부 등에 대한 안정성 평가 방법을 보다 좀 더 세부적으로 개발할 필요가 있다. 특히 제방 홍수위취약성지수를 산정하는데 필요한 인자들에 대한 다양한 검증을 통해 실무적으로 활용할 수 있도록 할 필요가 있으나, 미래 상황에 대처하기 위하여 기후변화의 영향을 고려한 제방의 설계기준강화에 필요한 정보를 현시점에서는 충분히 제공할 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	직접 침식이란?	일본에서는, 크게 3가지 부분에 대한 제방의 저항력 검토를 주요 안정성 평가 방법이라고 판단하였는데, 그 첫 번째는 침투에 대한 저항으로서 제방 사면의 슬라이딩 파괴와 제체의파이핑 파괴에 대한 안정성 확보이며, 두 번째는 침식에 대한 저항으로서 직접 침식(direct erosion)과 횡방향 침식(lateral erosion)에 대한 안정성 확보가 필요하다고 언급되어 있다. 여기서, 직접 침식이라 함은 하천방향의 경사면에 대한 침식과 제체 끝단 기슭부분의 침식을 의미하고, 횡방향 침식이라 함은 홍수터(flood plain)의 침식 및 세굴을 의미한다. 제방설계 가이드에서 안정성 평가 방법 중 마지막 항목은 지진에 대한저항력 평가인데, 지진 발생 시 제방 형상의 변형을 수반하는 하천 범람의 방지를 통한 2차적 피해에 대한 안정성 확보가 필요하다고 제시하고 있다(KWRC, 2013).
	SEEP/W모형으로 어떻게 안정성을 평가하는가?	본 연구에서의 하천제방 침투해석은 설정된 설계외력 및 제방을 대상으로 SEEP/W모형을 이용하여 수행하였으며, 해석 결과로부터 제방홍수취약성지수(Levee Flood Vulnerability Index, LFVI) 산출에 필요한 인자를 산출하여 안정성을 평가하는데 사용하였다. 인자 중 안전율의 파이핑을 일으키는 한계동수경사는 자연상태의 사질토에 대해 검토하면 한계동수 경사(icr) = 1.
	일본에서 판단한 3가지 부분에 대한 제방의 저항력 검토의 주요 안정성 평가 방법은?	일본에서는, 크게 3가지 부분에 대한 제방의 저항력 검토를 주요 안정성 평가 방법이라고 판단하였는데, 그 첫 번째는 침투에 대한 저항으로서 제방 사면의 슬라이딩 파괴와 제체의파이핑 파괴에 대한 안정성 확보이며, 두 번째는 침식에 대한 저항으로서 직접 침식(direct erosion)과 횡방향 침식(lateral erosion)에 대한 안정성 확보가 필요하다고 언급되어 있다. 여기서, 직접 침식이라 함은 하천방향의 경사면에 대한 침식과 제체 끝단 기슭부분의 침식을 의미하고, 횡방향 침식이라 함은 홍수터(flood plain)의 침식 및 세굴을 의미한다. 제방설계 가이드에서 안정성 평가 방법 중 마지막 항목은 지진에 대한저항력 평가인데, 지진 발생 시 제방 형상의 변형을 수반하는 하천 범람의 방지를 통한 2차적 피해에 대한 안정성 확보가 필요하다고 제시하고 있다(KWRC, 2013).

참고문헌 (17)

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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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