[논문]새만금 종합개발계획에 따른 새만금 유역 치수 안전성 수치모의

정석일; 유형주; 류광현; 이승오

doi:10.14346/jkosos.2018.33.5.127

[국내논문] 새만금 종합개발계획에 따른 새만금 유역 치수 안전성 수치모의
Numerical Simulation for River Safety of Saemangeum Basin according to Master Plan 원문보기

한국안전학회지 = Journal of the Korean Society of Safety, v.33 no.5, 2018년, pp.127 - 133

정석일 (홍익대학교 토목공학과) , 유형주 (홍익대학교 토목공학과) , 류광현 (농림축산식품부) , 이승오 (홍익대학교 토목공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The Saemangeum master plan includes dredging and waterproofing materials, construction projects that can change the hydraulic characteristics of the Saemangeum and Mangyeong and Dongjin River basins. In this study, the river safety of 2030 when the Saemangeum master plan was completed for 100 year frequency, 500 year frequency and 100 year frequency applied RCP 8.5 scenario was examined using Delft3D. As a result of the analysis, it was confirmed that there was no overflowing point at the 100 year frequency, but the difference between the flood level and the river bank elevation was relatively small at the curved and river joint part. At the 100-year frequency with the 500-year frequency and the RCP 8.5 scenario, the possibility of overflowing at several locations was confirmed. The possibility of river bed loss due to fast velocity appears in the upstream part of Mankyung River and it is necessary to monitor the safety of hydraulic structures continuously. In addition, it is expected that the expansion of the area showing the characteristics of the lake due to dredging will affect the sediment mechanism and water quality, so detailed and diverse studies will be needed.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Study area and test branch for verification.
그림 Fig. 2. Comparison with field data at Buryang point and Delft3D results.
그림 Fig. 3. Research scope and analysis starting points.
그림 Fig. 4. Topography for tidal simulations around drainage gates.
그림 Fig. 5. Result for tidal simulation around drainage gates using harmonic constants- Water Elevation (EL.m).
표 Table 1. Roughness coefficient of Saemangeum basin
그림 Fig. 6. Concept for water level of drain gates.
그림 Fig. 7. Numerical results for flood water levels for 100 yr. frequency flood, RCP 8.5 and 500 yr. frequency flood.
그림 Fig. 8. Satellite images of flood risk spots.
그림 Fig. 9. Flood water level curve of Saemangeum basin (Solid line: Delft3D results considered dredging, Dotted line: River plan (2009) not considered for dredging.
표 Table 2. Levee length for flood vulnerable district
그림 Fig. 10. Flow velocity and shear stress on bed in Mangyeong Basin for 100 yr. frequency flood.
표 Table 3. Comparison of river bed erosions in 100yr. frequency flood (* River Plan (2009))

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

Delft3D를 본 연구에 적용하기 전, 정확성 및 적용성에 대해 검토하였다. 만경강 및 동진강은 새만금호로 연결되어 있으며, 또한 하류부 준설이 지속적으로 수행되고 있기 때문에, 단면이 급격하게 확대되는 지역이다.
5적용 및 500년 빈도 홍수량에 대한 연구를 수행하였다. 또한 제방고와 비교분석을 통해 상대적으로 월류 위험성이 높은 지점을 도출하여, 기후 및 수환경 변화에 따른 새만금유역의 치수 안전성을 확인하고자 하였다.
새만금 Master Plan(정부)에 따른 방수제 공사와 준설 등을 반영하여 새만금 유역의 변화한 수리특성을 예측하고자 하였다. 새만금 전체구역에 대해 100년 빈도, 500년 빈도, RCP8.

제안 방법

실측된 수위 자료는 부량관측소 지점으로 2009년 7월 13일 ∼ 2009년 7월 23일까지의 기간에 대한 자료를 취득하였다. 7월 13일 이전에 12일 간의 안정화 기간을 두었으며, 조도계수는 동진강 하천기본계획¹¹⁾에 제시된 값을 사용하였고, 시간간격(time step)은 0.5분을 적용하였다.
최대 200년 빈도 홍수에 대한 수치해석을 Delft3D를 이용하여 수행하였으며, 2009년에 제시된 동진강, 만경강 유역종합치수계획의 홍수량을 기반으로 2030년의 유입 유량을 산정하였다. 그러나 만경대교와 동진대교 인근 부근까지만 수치해석 범위를 결정하여, 새만금호의 수리적인 특성 변화가 상류에 미치는 영향을 분석할 수 없었으며, 기후변화로 인한 극한 홍수까지 고려하지 않았기 때문에, 본 연구에서는 만경강과 동진강의 상류부까지 확대된 연구의 대상범위를 적용하여, RCP(Representative Concentration Pathways) 시나리오 8.5적용 및 500년 빈도 홍수량에 대한 연구를 수행하였다. 또한 제방고와 비교분석을 통해 상대적으로 월류 위험성이 높은 지점을 도출하여, 기후 및 수환경 변화에 따른 새만금유역의 치수 안전성을 확인하고자 하였다.
기존의 연구가 새만금 호내에 집중되어 있으며, 변화된 호내의 수리특성이 상류에 영향을 줄 가능성이 있기 때문에(Jeong et al.)⁷⁾, 본 연구에서는 호내뿐만아니라 상류지역까지 연구범위를 결정하였다. 만경강의 경우 봉동지점부터, 소양천과 전주천은 만경강 합류지점으로부터 약 6 km 지점부터, 동진강의 경우 소양천 합류지점부근부터 격자를 구성하였다.
이러한 홍수량이 상대적으로 적은 하천들은 지형자료가 제시되어 있지 않기 때문에, Delft3D의 Discharge 기능을 이용하여, source형태로 유량을 공급하였다. 대부분의 구간이 100년 빈도 설계홍수량으로 설계되었기 때문에, 100년 빈도 홍수량을 기본으로하였으며, 기후변화로 인한 강우사상 증가를 고려하여 500년 빈도 홍수량 및 RCP8.5 시나리오를 적용한 100년 빈도 홍수량을 추가로 모의 하였다. RCP8.
Delft3D는 공개원천(open source)으로 지원되어, 현재전세계적으로 많은 연구분야에서 사용되고 있으며, 이에 따라 모의 정확도에 대한 연구도 상대적으로 많이 수행되었다. 또한 본 연구의 대상지구가 새만금 유역 대부분을 포함하는 광범위한 대상 지역 이므로, MPI(Message passing Interface) 기능을 가진 Delft3D를 선택하여 효율적인 수치해석을 수행하였다. Delft3D는 2차원 비선형 천수방정식이 기본방정식이며, 이는 비압축성 유체 흐름에 대하여 Navier-Stokes 방정식으로부터 도출되는데, Boussinesq 가정을 전제로 한다(Deltares)⁶⁾.
새만금호는 간척사업의 결과로 만들어진 인공호수로서 서해안과 인접해 있기 때문에, 조수의 영향을 크게 받는다. 배수갑문 외측 조위에 대한 실측자료가 부족하여 Fig. 4와 같이 새만금 주변 12개의 조화상수(tidal harmonic constant)를 이용하여 Delft3D로 별도의 수치해석을 수행하였다.
만경강의 경우 봉동지점부터, 소양천과 전주천은 만경강 합류지점으로부터 약 6 km 지점부터, 동진강의 경우 소양천 합류지점부근부터 격자를 구성하였다. 분석 구간은 기존연구(Korea Rural Community Corporation)와의 차별성을 고려하여, 하천기본계획에 제시된 하천의 종점(Fig. 3의 M-start와 D-start)지점부터 각 하천의 상류까지로 결정하였다.
상류 유입 유량자료는 하천기본계획상의 자료를 기본으로 수문곡선이 제시되어 있지 않은 하천들에 대해서는 선형 면적 비유량법을 적용하여 수문곡선을 도출하였다. 선형적 면적 비유량법은 Ahn et al.
새만금 Master Plan(정부)에 따른 방수제 공사와 준설 등을 반영하여 새만금 유역의 변화한 수리특성을 예측하고자 하였다. 새만금 전체구역에 대해 100년 빈도, 500년 빈도, RCP8.5 시나리오에 대한 2030년 기준의 유량을 공급하였으며, 이때 발생하는 홍수위와 제방고를 비교함으로써 제방월류에 대한 취약지구를 파악하였다. 새만금지구의 제방고는 대부분 지역에서 100년 빈도로 설계되었으며, 만곡부 또는 합류부의 수리특성은 제대로 고려되지 않은 것으로 나타났다.
수치모의는 100년 빈도, 500년 빈도, RCP8.5 시나리오를 적용한 100년 빈도 홍수에 대하여 수행하였으며, 홍수위 및 유속 소류력 도출을 통해 치수안전성을 검토하였다. Fig.
6 kN/m²인 것으로 나타났다. 이러한 소류력으로 인한 하상 유실 가능성을 파악하기 위해 하천기본계획 상에 제시된 하상 재료의 한계소류력과 비교하였다(Table 3 참고).
Korea Rural Community Corporation⁵⁾에서는 새만금 Master Plan을 반영한 홍수위 검토를 수행하였다. 최대 200년 빈도 홍수에 대한 수치해석을 Delft3D를 이용하여 수행하였으며, 2009년에 제시된 동진강, 만경강 유역종합치수계획의 홍수량을 기반으로 2030년의 유입 유량을 산정하였다. 그러나 만경대교와 동진대교 인근 부근까지만 수치해석 범위를 결정하여, 새만금호의 수리적인 특성 변화가 상류에 미치는 영향을 분석할 수 없었으며, 기후변화로 인한 극한 홍수까지 고려하지 않았기 때문에, 본 연구에서는 만경강과 동진강의 상류부까지 확대된 연구의 대상범위를 적용하여, RCP(Representative Concentration Pathways) 시나리오 8.
본 연구의 범위가 광범위하기 때문에, 다양한 하천 특성이 나타나게 된다. 특히 동수역학 모의에 주요인 자인 조도계수는 하천별, 지역별로 다르게 나타나므로 하천기본계획의 자료를 기반으로 하였으며, 제시되어있지 않은 구간에 대해서는 하천설계기준의 조도계수 및 하상재료 특성을 이용하여, 조도계수를 산출한 후 적용하였다(Table 1 참조).

대상 데이터

1 참조). 모의 범위는 정읍천 합류부 근처부터 동진대교까지로 결정하였다. 실측된 수위 자료는 부량관측소 지점으로 2009년 7월 13일 ∼ 2009년 7월 23일까지의 기간에 대한 자료를 취득하였다.
시간적 범위는 새만금 Master Plan이 완료되는 시점인 2030년을 기준으로 하였다. Fig.
실측된 수위 자료는 부량관측소 지점으로 2009년 7월 13일 ∼ 2009년 7월 23일까지의 기간에 대한 자료를 취득하였다.

이론/모형

RCP8.5 시나리오의 적용은 온실가스고배출 시나리오로, 0.63°C/10년의 기온상승을 가정한 상태이며, ‘새만금 개발에 따른 수재해 저감 적정기술개발’(국토부, 2017)13)에 제시된 불확실성이 고려된 앙상블 강우예측 모델을 이용하여 계산된 유량 값을 사용하였다.

성능/효과

그러나 이 지역은 단면이 급확대되는 구간으로서 대부분의 유량에 대해 퇴적이 발생하는 지점이기 때문에 하상의 유실로 인한 문제는 크게 발생하지 않을 것으로 판단된다. 만경강 상류지역은 유량에 비하여 하폭이 상대적으로 좁고, 경사가 급하기때문에 4.0 m/s 이상의 유속이 홍수시에 발생하여, 한계 전단력 이상의 소류력이 하상의 유실을 발생시킬 가능성이 있는 것으로 파악되었다. 전주천에서는 홍수시 한계전단력의 크기와 소류력의 크기가 유사하였으나, 소류력이 한계전단력을 초과하지는 않는 것으로 나타났다.
만경강과 동진강 모두 준설 전과 후의 수리특성이 변화한 것을 확인할 수 있는데, 준설 후의 조건에서는 수위가 거리에 따라 크게 변화하지 않는 반면, 준설 전에는 상류로 갈수록 수위가 증가하는 것을 확인할 수 있다(수위 변화량 14.1 mm/m → 3.5mm/m).
증가율이 가장 큰 지점은 만경강 하류지역으로 나타났는데, 횡유입으로 인한 유량증가가 상대적으로 크기 때문인 것으로 판단된다. 반면 100년 빈도 분석에서 하상 유실 가능성이 가장 크게 제기되었던 만경강 상류 지역은 500년 및 RCP8.5가 적용된 100년 빈도 홍수에서 각각 최대 6.6%와 3.2% 하상 전단응력이 증가하는 것으로 나타나, 설계유량 이상의 홍수량 발생 가능성이 점차적으로 커지는 상황임을 고려할 때, 대책이 필요한 시점이라고 판단된다.
5 시나리오에 대한 2030년 기준의 유량을 공급하였으며, 이때 발생하는 홍수위와 제방고를 비교함으로써 제방월류에 대한 취약지구를 파악하였다. 새만금지구의 제방고는 대부분 지역에서 100년 빈도로 설계되었으며, 만곡부 또는 합류부의 수리특성은 제대로 고려되지 않은 것으로 나타났다. 그러나 기후변화로 인한 집중호우의 증가로 인해 급격한 홍수위 증가가 빈번하게 발생하고 있는 상황에서 이러한 현상은 만곡부 및 합류부에 대한 수충부의 치수 안전성을 크게 위협할 수 있기 때문에 이에 대한 대책이 필요할 것으로 판단된다.
2는 Delft3D를 이용한 동진강 부량관측소 지점의 수위 결과와 실측된 자료를 비교한 것이다. 전체적인 오차는 5%이내로써, Delft3D가 새만금 유역의 수리 특성을 정확하게 재현하는 것으로 판단된다.

후속연구

현재 하천기본계획은 1차원 모형으로 홍수위 검토 및 예측을 수행하기 때문에 국부적인 수위의 증가현상은 예측하기 쉽지 않은 실정이며, 이에 2차원 또는 3차원 수치해석을 통해 본 연구에서 제시한 월류 취약지구에 대한 검토가 필요하다고 판단된다. 고유속으로 인한 하상유실 가능성은 만경강 상류부와 소양천에서 일부 나타났으며, 단기성 집중호우의 증가와 기후변화로 인해 돌발홍수의 강도가 증가하고 있는 추세를 감안할 때 해당 지점에 대한 시설관리자의 관심 및 모니터링이 필요할 것으로 판단된다. 준설로 인한 수리특성의 변화는 명확하게 나타났다.
국내에서는 성층화를 근거로 호소와 하천을 구분하는 경우가 많기 때문에, 향후 연구에서는 σ-격자를 활용하여, 정확한 구분기준을 제시할 것이다.
새만금지구의 제방고는 대부분 지역에서 100년 빈도로 설계되었으며, 만곡부 또는 합류부의 수리특성은 제대로 고려되지 않은 것으로 나타났다. 그러나 기후변화로 인한 집중호우의 증가로 인해 급격한 홍수위 증가가 빈번하게 발생하고 있는 상황에서 이러한 현상은 만곡부 및 합류부에 대한 수충부의 치수 안전성을 크게 위협할 수 있기 때문에 이에 대한 대책이 필요할 것으로 판단된다. 현재 하천기본계획은 1차원 모형으로 홍수위 검토 및 예측을 수행하기 때문에 국부적인 수위의 증가현상은 예측하기 쉽지 않은 실정이며, 이에 2차원 또는 3차원 수치해석을 통해 본 연구에서 제시한 월류 취약지구에 대한 검토가 필요하다고 판단된다.
그리고 Suh and Lee⁴⁾는 입자추적방법을 이용하여 새만금의 수리특성의 변화를 확인하였다. 그러나 이러한 연구들은 새만금 Master Plan으로 변화된 수환경특성을 고려하지 못했으며, 이에 새만금의 변화된 물리적 환경에 기반한 연구가 수행될 필요성이 있다. Korea Rural Community Corporation⁵⁾에서는 새만금 Master Plan을 반영한 홍수위 검토를 수행하였다.
국내에서는 성층화를 근거로 호소와 하천을 구분하는 경우가 많기 때문에, 향후 연구에서는 σ-격자를 활용하여, 정확한 구분기준을 제시할 것이다. 또한 200년, PMF, RCP 6.5 시나리오 적용 등 다양한 조건에서 치수 안전성을 검토할 것이다.
0 km였다. 이러한 하천의 호소화는 두 하천에서 모두 나타나는 특징이며, 상하류 수위차이 감소는 유속의 저하로 연결될 수 있기 때문에, 유사의 퇴적 및 수질 관련 연구가 지속적으로 수행되어야 할 것으로 판단된다.
그러나 기후변화로 인한 집중호우의 증가로 인해 급격한 홍수위 증가가 빈번하게 발생하고 있는 상황에서 이러한 현상은 만곡부 및 합류부에 대한 수충부의 치수 안전성을 크게 위협할 수 있기 때문에 이에 대한 대책이 필요할 것으로 판단된다. 현재 하천기본계획은 1차원 모형으로 홍수위 검토 및 예측을 수행하기 때문에 국부적인 수위의 증가현상은 예측하기 쉽지 않은 실정이며, 이에 2차원 또는 3차원 수치해석을 통해 본 연구에서 제시한 월류 취약지구에 대한 검토가 필요하다고 판단된다. 고유속으로 인한 하상유실 가능성은 만경강 상류부와 소양천에서 일부 나타났으며, 단기성 집중호우의 증가와 기후변화로 인해 돌발홍수의 강도가 증가하고 있는 추세를 감안할 때 해당 지점에 대한 시설관리자의 관심 및 모니터링이 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	새만금 지구는 어떻게 이용 될 전망인가?	새만금은 전라북도 부안군 대항리에서 군산시 신시도 및 비응도에 위치하고 있는 세계 최장의 방조제이다. 새만금 Master Plan(Government)1)이 수립되면서 새만금 지구는 산업, 관광/레저, 상업, 주거, 농업, 생태환경, SOC(Social Overhead Capital) 등 다양한 용도로 이용될 전망이다. 이를 위해 치수안전성과 이수 안정성이 선행되어야하기 때문에, 방수제와 준설 공사가 시행되고 있다.
	새만금은?	새만금은 전라북도 부안군 대항리에서 군산시 신시도 및 비응도에 위치하고 있는 세계 최장의 방조제이다. 새만금 Master Plan(Government)1)이 수립되면서 새만금 지구는 산업, 관광/레저, 상업, 주거, 농업, 생태환경, SOC(Social Overhead Capital) 등 다양한 용도로 이용될 전망이다.
	새만금 Master Plan이 반영된 새만금의 수리특성 변화에 대한 연구는 어떤것이 있는가?	그러나 이러한 연구들은 새만금 Master Plan으로 변화된 수환경특성을 고려하지 못했으며, 이에 새만금의 변화된 물리적 환경에 기반한 연구가 수행될 필요성이 있다. Korea Rural Community Corporation5)에서는 새만금 Master Plan을 반영한 홍수위 검토를 수행하였다. 최대 200년 빈도 홍수에 대한 수치해석을 Delft3D를 이용하여 수행하였으며, 2009년에 제시된 동진강, 만경강 유역종합치수계획의 홍수량을 기반으로 2030년의 유입 유량을 산정하였다. 그러나 만경대교와 동진대교 인근 부근까지만 수치해석 범위를 결정하여, 새만금호의 수리적인 특성 변화가 상류에 미치는 영향을 분석할 수 없었으며, 기후변화로 인한 극한 홍수까지 고려하지 않았기 때문에, 본 연구에서는 만경강과 동진강의 상류부까지 확대된 연구의 대상범위를 적용하여, RCP(Representative Concentration Pathways) 시나리오 8.

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상세보기
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원문보기 상세보기
D. S. Lee, H. J. Kim and C. G. Song, "Influence of Input Parameters on Shock Wave Propagation in Quasi-3D Hydrodynamic Model", J. Korean Soc. Saf., Vol. 32, No. 2, pp. 112-116, 2017.
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저자의 다른 논문 :

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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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