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J. Korean Soc. Hazard Mitig. > Volume 23(5); 2023 > Article
Flow-R 모형을 이용한 소규모 저수지 파괴에 따른 하류 침수 영향 분석

Abstract

The frequency of abnormal weather patterns owing to climate change and the aging of reservoirs are contributing to an increase in dam failures, particularly of small-scale agricultural reservoirs. Dam collapses can lead to significant human and material damage downstream, even in the case of small-scale reservoirs. Therefore, alongside systematic maintenance of aging reservoirs, establishing emergency response plans for dam failures is imperative. However, application of existing dam failure models requires a substantial amount of time and resources, making it challenging to implement for small-scale reservoirs. In this study, the Flow-R model, which can estimate downstream damage areas using only digital topographic maps, was employed to calculate the extent of downstream damage resulting from the collapse of small-scale reservoirs. Five scenarios were analyzed based on the extent of reservoir destruction (ranging from 10% to 100%). The results revealed that the inundation area varied depending on the topography downstream of the reservoir. This study proposes an affordable and straightforward method for estimating damage downstream of reservoirs, even when limited data are available regarding the reservoirs. Thus, this study can be utilized in the development of emergency response plans for small-scale agricultural reservoirs.

요지

기후변화로 인한 이상기후의 빈번한 발생과 저수지의 노후화가 맞물리면서 농업용 소규모 저수지를 중심으로 붕괴사고가 늘어나고 있다. 소규모 저수지라 할지라도 붕괴시 하류에 심각한 인적, 물적 피해를 발생시킬 것으로 예상되어, 노후 체계적인 관리와 더불어 저수지의 붕괴에 대비한 긴급대응계획의 수립이 반드시 필요하다. 그러나 기존의 댐 붕괴 모형의 적용에는 많은 시간과 비용이 많이 발생하여, 소규모 저수지에 적용하기는 쉽지 않은 실정이다. 이에 본 연구에서는 수치지형지도만을 사용하여 피해범위를 산정할 수 있는 Flow-R 모형을 사용하여, 소규모 저수지의 붕괴에 따른 하류피해범위를 산정하였다. 저수지 파괴 범위(10~100% 파괴)에 따라 5가지 시나리오에 대한 분석을 수행하였다. 분석결과 저수지 하류의 지형형태에 따라 침수범위가 다르게 산정되는 것이 확인되었다. 본 연구를 통하여 저수지와 관련된 제한된 자료만 있는 상황에서 저렴한 비용과 간단한 방법으로 저수지 하류의 피해범위를 산정할 수 있는 방법이 제시되었다. 본 연구가 소규모 농업용 저수지들의 긴급대비계획 수립에 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

1. 서 론

기후변화로 인하여 최근 5년은 역대 가장 더운 기간으로 기록되었으며, 전지구 평균기온이 산업화 이전보다 약 1.1 ± 0.1 ℃ 높은 것으로 발표되었다(WMO, 2020). IFRC (2020)에 따르면 2019년은 전 세계적으로 308건의 기후와 관련된 자연재해로 인해 2만 4천여 명이 사망하였으며 그중 홍수 127건, 태풍 59건으로 물과 관련된 재해가 186건으로 60%를 차지하는 것으로 나타났다. 기온, 강수, 증발산 등의 수문순환 요소들이 변하고 있으며 이에 따라 수문학적 극한사상의 규모 및 빈도를 증가하고 있다(Kite, 1993; Boorman and Sefton, 1997; Panagoulia and Dimou, 1997; Gellens and Roulin, 1998; Mirza et al., 1998). 최근 설계빈도를 넘어서는 극한강우의 발생은 미정비 재해위험지구에서의 인명 및 재산피해의 주요 원인이 되고 있다. 이에, 기후변화 하에서 미래의 강우패턴이 어떻게 변화하고 수문변수의 분포형이 어떻게 변화할지를 이해하기 위한 연구가 진행되어져 왔다(Song et al., 2000; Fowler and Kilsby, 2003; Wang and Yang, 2005).
1998년 이후 104개소의 농업용 저수지 붕괴가 발생하고 있으며, 산대저수지(’13년), 사당골저수지(’16년) 제방붕괴로 하류부 주택이 침수되고, 주민들이 대피하는 등 피해가 발생한 바 있다. 특히 금년 발생한 괴산댐의 붕괴는 하류 20 km에 걸친 도로파괴, 주택 침수, 및 농작물 침수 등을 유발하였으며, 2명의 인명피해와 510억여 원의 재산피해를 발생시켰다. 2021년 감사원의 조사에서는 농업용 저수지 16개소 중 14개소가 홍수대응능력이 부족한 것으로 나타났으며, 용도 폐지된 저수지 9개소는 안전점검을 거치지 않아 인명피해 발생의 위험이 있는 것으로 나타났다.
기후변화로 인하여 증가된 호우의 강도로 인하여 농업용 저수지의 파괴 위험성이 더욱 커지고 있으며, 특히 정밀안전진단 및 비상대처계획 수립 대상이 아닌 저류용량 30만 m3 이하의 소규모 농업용 저수지는 더욱 위험에 노출되어 있는 실정이다. 이에 인명피해 우려가 높은 마을 상류부에 위치한 노후저수지 등에 대해서는 위기상황에 신속하게 대응하기 위하여 수해 발생 규모 및 범위 등을 사전에 분석하여 위험에 대처하는 것이 필요하다. Dam Break (DAMBRK), BREACH, Simplified Dam Break (SMPDBK), FLDWAV, Hydrologic Engineering Center’s Hydrologic Modeling System 등 댐 붕괴를 모의하기 위한 다양한 모형이 개발되었다(Shin et al., 2023). 그러나 기존의 댐 파괴 모형을 적용하는 데는 매개변수 산정과 파괴 모의에 많은 시간과 비용이 발생하여, 소규모 저수지에 적용하기는 곤란하다. 이에 본 연구에서는 비교적 간단하게 적용할 수 있는 Flow-R 모형을 사용하여 산악지역에 위치한 소규모 저수지 파괴에 따른 하류 영향을 분석하고자 한다. 저수지 제방 파괴 정도에 따른 5가지 시나리오를 제시하고, 각 시나리오별 하류의 침수피해 영향범위, 침수발생시간을 분석하였다.

2. Flow-R 모형의 구성 및 이론

2.1 Flow-R 모형의 활용

실제 대규모 토석류 흐름을 모의하기 위해서는 침식, 퇴적에 대한 상당량의 질량 변화를 고려해야 하기 때문에 정확한 흐름을 모의는 어렵다(Iverson and Denlinger, 2001). 대규모 댐의 경우에는 댐이 파괴 됨에 따라 발생하는 인명 및 경제적 피해가 상당하기 때문에 물리적모형을 활용한 댐 파괴에 대한 영향력 분석에 필요한 정보를 획득하는 것이 필요하다. 그러나 산지 곳곳에 분포하고 있는 소규모 농업용 저수지의 경우에는 그 규모와 개수로 인하여 댐 위치, 저류용량, 제방고 등 기본적인 정보만이 있는 상태이기 때문에 제방 파괴로 인한 영향력을 분석하는데 필요한 자료의 확보에 한계가 있다.
Flow-R은 Matlab을 기반으로 개발된 경험적 공간분포 모형으로 토석류가 발생할 수 있는 발생원을 식별하고, 식별된 토석류 발생원으로부터 마찰법칙과 흐름방향 알고리즘을 통해 토석류의 확산을 산정할 수 있다. 경험식을 통해 발생원 및 영향범위를 산정하기 때문에 실제 발생한 토석류의 흐름이라고 설명하기에는 한계가 있으나, 수치지형지도만을 사용하여 토석류의 발생원 및 영향범위를 산정할 수 있는 장점을 가지고 있다. 따라서 제한적인 자료를 보유하고 있는 소규모 저수지의 제방 파괴에 대한 하류의 영향을 분석하기 위해서 Flow-R을 활용할 수 있다.
Flow-R을 활용하여 토석류 범위를 산정하기 위해 필수적으로 입력되어야 하는 자료는 Raster로 구성된 유역 범위, DEM이다. 대상으로 하는 유역에 대하여 토석류의 흐름에 가장 큰 영향을 미치는 지형정보인 DEM을 활용하여 흐름방향 및 범위가 결정된다. DEM은 국토지리정보원을 통해 30 m by 30 m 해상도의 자료를 획득할 수 있으며, 필요에 따라 항공영상 등을 활용하여 보다 고해상도의 DEM자료를 획득하여 활용할 수 있다. 토석류 발생원의 경우 DEM을 보함하여, 토지이용, 경사, 곡률 등 다양한 지형정보를 활용하여 식별해 낼 수 있지만, 발생원 자체를 모의를 위해 필요한 입력자료로 활용할 수 있다. 본 연구에서도 DEM을 활용하여 발생원을 식별하기보다는 대상으로 하는 저수지의 제방의 위치를 발생원 입력자료로 활용하였다.

3. 대상지역 선정 및 수문분석

3.1 대상지역 선정

전라북도 완주군 하천 상류의 산악지역에 위치한 백여저수지, 탐저수지, 운지저수지, 오성저수지를 대상으로 붕괴 영향을 분석하였다(Fig. 1). 연구대상 4개 저수지는 모두 총 저수량이 30만 m3 이하인 농업용 저수지로 완주군이 관리주체이다. 4개 저수지 모두 법적 EAP 수립 대상이 아니나, 저수지 하류부 인근에 마을이 위치하여 재해발생 시 인명 및 재산 피해의 위험이 높은 지역이다(Fig. 2). 백여저수지는 전북 완주군 구이면에 위치하고 있으며, 소하천인 백여천으로 방류하여 호동천, 삼천을 지나 구이저수지로 유입되며 직하류에 원백여마을이 있다. 탑저수지는 전라북도 완주군 봉동읍에 위치하고 있으며, 지방하천인 석탑천으로 방류하여 만경강으로 합류되며, 저수지 직하류에는 민가와 농경지로 이루어져 있다. 운지저수지는 전라북도 완주군 용진읍에 위치하고 있으며, 소하천인 봉계천으로 방류하여 양지천을 지나 만경강으로 합류하며, 직하류에 봉계마을, 지동마을 등 비교적 큰 마을이 위치하고 있다. 오성저수지는 전라북도 완주군 소양면에 위치하여 지방하천인 오도천으로 방류하며 저수지 직하류에 오성한옥마을이 위치해 있다. Table 1은 모의 대상 4개 저수지의 제원을 나타낸다.
Fig. 1
Location of Research Area
kosham-2023-23-5-55gf1.jpg
Fig. 2
Location Map of the Research Reservoirs
kosham-2023-23-5-55gf2.jpg
Table 1
Research Reservoirs Facility Specifications
Reservoir Name Baekyeo Reservoir Top Reservoir Unji Reservoir Oseong Reservoir
Year of Installation 2008 1945 1945 1997
Dike Structure Fill Dam Fill Dam Fill Dam Fill Dam
Basin Area (km2) 0.409 0.674 1.281 5.008
Beneficiary Area (km2) 0.33 0.132 0.38 0.394
Total Water Storage (m3) 244,000 52,000 121,800 234,700
Effective Water Storage (m3) 240,000 52,000 121,800 234,700

3.2 수위별 저수지용량 산정

국내 대부분의 소규모 농업용 저수지 건설된지 오래되어 낙후되고, 관련 자료가 부실한 실정이다. 본 연구의 대상지역인 탑저수지와 운지저수는 1945년에 축조되었으며, 오성저수지도 축조된지 25년이 넘고 있다. 이에 건설 당시에 작성된 수위-저류량 자료를 확인할 수 없어, 붕괴 모의를 위하여 자체적으로 산정해야 한다. 실제 측량을 통해 정확한 수위-저류량 곡선을 산정할 수 있으나, 본 연구는 소규모 저수지에서 간략하게 산정하기 위하여 수치지형도를 사용하였다. 최근에는 지형정보를 활용한 분석 Tool이 점점 발전하고 있으며, ArcGIS, QGIS 등의 프로그램을 활용하여 원하는 지역의 다양한 지형분석이 가능하다. 본 연구에서는 10 m 해상도의 DEM을 이용하여 ArcGIS의 ‘Surface Volume’ 기능을 활용하여 저수지 용량을 산정하였다. Fig. 3은 4개 저수지에서의 수위-저류량 곡선을 나타낸다.
Fig. 3
Stage-Discharge Curve at 4 Reservoirs
kosham-2023-23-5-55gf3.jpg

4. 저수지 제방 파괴로 인한 하류침수 영향 분석

4.1 저수지 제방 파괴 시나리오 구축

저수지 제방 파괴정도를 5가지 시나리오로 구분하여 단계별로 하류의 침수피해 영향범위를 분석하였다. Table 2는 5가지 시나리오에 대하여 총 저수지 제방높이 대비 잔여 제방높이를 나타내고 있다. 저수지별로 총 제방높이의 10%가 파괴된 ‘경미한 수준’부터 전체 제방이 완전히 파괴된 ‘완전 파괴수준’까지 시나리오별로 하류의 침수 영향을 분석하였다.
Table 2
Reservoir Levee Failure Scenario
Scenario Division Embankment Height (m)
Baekyeo Top Unji Oseong
Case 00 - No Damage 24.0 12.1 11.1 15.0
Case 01 Slight 10% Damage 21.6 11.0 10.0 13.5
Case 02 More slight 25% Damage 18.0 9.2 8.3 11.3
Case 03 Moderate 50% Damage 12.0 6.1 5.6 7.5
Case 04 Extensive 75% Damage 6.0 3.1 2.8 3.8
Case 05 Complete 100% Damage 0.0 0.0 0.0 0.0

4.2 하류침수 영향 분석

Flow-R 모형을 활용하여 저수지 파괴시 하류침수 분석 모델을 구축하여 저수지 제방 파괴 시나리오에 따른 하류침수 영향을 분석하였다. 저수지 제방 파괴로 인한 홍수파 발생원은 제방에서 홍수 발생이 시작하는 것으로 고려하였다. 이 후, 발생원으로부터 저류된 물이 확산되어가는 과정을 모의하여 영향 범위를 구획하여 침수 범위를 계산하였다. 이때 홍수파의 확산속도는 5~10 m/s로 가정하였다. Table 3은 시나리오별 침수최원점까지의 홍수파 도달시간을 나타낸다. 저수지별 침수피해 발생 시간으로 제방이 완전히 파괴될 경우 백여저수지는 약 1.90~3.80분, 탑저수지는 약 3.29~6.59분, 운지저수지는 약 5.29~10.57분, 오송저수지는 약 2.07~4.14분 사이에 침수가 발생하는 것으로 분석되었다. 산악형 저수지의 특성이 반영되어 제방이 파괴될 경우 깊게 형성된 계곡부를 따라 저류된 물이 매우 빠르게 확산될 것으로 분석되었다. 저수지 파괴가 발생할 경우 10분 이내에 홍수파가 도달해 저수지 하류에 거주하는 주민은 대피를 위한 시간을 확보하기 어려울 것으로 분석되었다.
Table 3
Flood Wave Arrival Time Due to Reservoir Destruction by Scenarios
Scenario Flood Wave Speed (m/s)
Baekyeo Top Unji Oseong
5 7 10 5 7 10 5 7 10 5 7 10
Case 01 0.81 0.58 0.40 0.93 0.67 0.47 4.17 2.98 2.08 0.63 0.45 0.32
Case 02 3.19 2.28 1.60 3.64 2.60 1.82 6.63 4.74 3.32 2.57 1.83 1.28
Case 03 3.75 2.68 1.88 5.03 3.59 2.52 7.20 5.14 3.60 4.10 2.93 2.05
Case 04 3.80 2.71 1.90 6.53 4.67 3.27 8.98 6.42 4.49 4.14 2.96 2.07
Case 05 3.80 2.71 1.90 6.59 4.70 3.29 10.57 7.55 5.29 4.14 2.96 2.07
Figs. 4~7은 제방 파괴 시나리오별 4개 저수지의 침수 영향 범위를 나타내고 있다. 제방의 10%가 파괴되는 시나리오인 Case 01에서는 침수영향 범위가 저수지 직하류의 산지 유역에 국한되나 Case 02부터는 민가를 포함한 하류 전역에 침수를 발생시키는 것을 볼 수 있다. 특히 운지저수지는 제방 파괴시 홍수파가 하류로 가장 광범위하게 전파되었으며 이는 운지저수지의 형상계수가 1.950으로 방사성의 유역 형상을 가지고 있는 것 때문인 것으로 분석된다. 탑저수지는 제방 파괴시 홍수파가 하류 석탑천과 함께 산지의 계곡 양쪽으로 전파되는 것으로 분석되었다. 오성저수지는 제방 파괴시 하류에 침수 범위가 가장 낮았으며 이는 하류의 오도천의 유역평균폭이 1.781 km로 하천폭이 넓어 홍수파의 대부분을 하도에서 분담하기 때문인 것으로 분석되었다. 지형정보만을 이용한 Flow-R 모형의 간단한 분석만으로 저수지 파괴에 따른 침수범위와 침수까지의 시간을 개략적으로 분석할 수 있었다.
Fig. 4
Baekyeo Reservoir Embankment Damage Area of Impact
kosham-2023-23-5-55gf4.jpg
Fig. 5
Top Reservoir Embankment Damage Area of Impact
kosham-2023-23-5-55gf5.jpg
Fig. 6
Unji Reservoir Embankment Damage Area of Impact
kosham-2023-23-5-55gf6.jpg
Fig. 7
Oseong Reservoir Embankment Damage Area of Impact
kosham-2023-23-5-55gf7.jpg

5. 결 론

댐 및 저수지의 붕괴는 하류에 막대한 피해를 가져올 수 있다. 사전에 붕괴를 막기 위한 다양한 대비가 이루어져야 하지만, 설계빈도를 초과하는 등의 이유로 발생할 수 있는 비상사태에 대한 사전 준비도 반드시 필요하다. 댐 붕괴를 모의할 수 있는 다양한 모형들이 개발되어 있지만, 매개변수 산정, 모형 구축의 복잡성 등 분석에 필요한 준비가 어려운 것이 사실이다. 이러한 복잡한 댐 붕괴 모형들은 소규모 저수지에 적용하기 어려우며, 이에 전국의 많은 소규모 저수지들의 비상계획 수립시에 댐 붕괴 모의가 이루어지지 않고 있는 실정이다.
본 연구에서는 수치지형지도만을 사용하여 홍수파의 범위와 발생시간을 모의할 수 있는 Flow-R 모형을 이용하여 산악지역에 위치한 노후저수지를 대상으로 저수지 제방 파괴 시나리오별 하류 영향범위를 분석하였다. 저수지 하류 하천 및 인근지형에 따라 홍수파의 확산 시간과 범위가 상이하게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 하류 오도천의 폭이 넓은 오성저수지의 경우 홍수파의 대부분을 하도에서 분담하여 침수범위가 좁게 나타난 반면, 하류에 방사형 유역을 가지고 있는 운지저수지의 경우는 침수범위가 넓게 나타났다.
본 연구는 수치지형지도만을 사용한 간략방법의 적용을 통해 얻은 결과로 저수지 파괴가 일시적으로 발생하는 것으로 가정하였으며, 홍수파 확산속도도 일정하게 가정하여 침수범위와 발생시간의 정확성에 대한 한계가 있다. 다만, 기존의 댐 붕괴 모형을 적용하기 곤란한 소규모 저수지에서 저수지 파괴 규모에 따라 침수범위를 간략하게 모의할 수 있는 장점이 있다. 본 연구결과를 활용하여 소규모 저수지의 파괴에 대한 긴급대피계획 등에 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

감사의 글

이 논문은 2021년도 대한민국 정부(과학기술정보통신부, 행정안전부)의 재원으로 한국연구재단 국민생활안전 긴급대응연구사업의 지원을 받아 수행된 연구임(2021M3E9A1103525).

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