물수지 항목의 이론을 기반한 농업용 저수지 월류 위험도 평가
Assessment of Overflow Risk in Agricultural Reservoir Based on Water Balance Theory
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Abstract
예상치 못한 기후변화로 인해 설계빈도를 초과하는 강우가 발생하면서 농업용 저수지의 관리와 운영이 복잡해지면서 월류 위험이 증가하고 있다. ‘농업생산기반정비사업 계획설계기준(필댐편)’을 따르면 당초 농업용 저수지는 홍수조절 기능이 없어 유입홍수를 그대로 방류하는 기준으로 설계되었다. 이러한 근거를 바탕으로 본 연구에서는 유입량-유출량 이론과 저수용량 개념을 기반으로 농업용 저수지의 월류 위험도를 평가하였다. 유입량과 유출량이 최대로 흐를 때의 균형을 분석하고, 유역면적 대비 홍수관리면적(만수위-제정고까지의 면적)을 고려하여 우선순위 저수지를 선정하고 홍수추적을 통해 타당성을 검토하였다. 제안된 방법은 시설관리자가 쉽게 접근이 가능하며, 저수지의 위험도를 파악하여 홍수 발생 시 효율적인 관리 및 운영이 가능할 것으로 판단된다.
Trans Abstract
The unexpected climate changes are causing rainfalls to exceed the design frequency, which complicates the management and operation of agricultural reservoirs and increases the risk of overflow. According to the “Planning and Design Standards for Agricultural Prediction Infrastructure Maintenance Project (Fill Dam Section),” agricultural reservoirs were originally designed without flood control functions, with the standard being to directly discharge incoming flood. Based on this foundation, this study assesses the overflow risk of agricultural reservoirs using the concepts of inflow and outflow theories as well as storage capacity. The balance when inflow and outflow are at their maximum was analyzed for prioritized areas, focusing on the flood management area (the area between the full water level and crest elevation) relative to the basin area, to examine the feasibility of balance through flood routing. The proposed method is easily accessible to facility managers, enabling them to assess the risk of reservoirs for efficient management and operation during floods.
1. 서 론
이상기후로 설계빈도를 초과하는 강우가 발생하면서 저수지 피해사례가 증가하고 있다. 최근 발생하고 있는 저수지의 붕괴 사례를 살펴보면 설치된 지 50년 이상이 경과한 노후 저수지로 안전등급이 D등급 뿐만 아니라, B, C등급 시설에서도 발생하고 있으며, 집중호우에 의한 붕괴와 더불어 취수시설(복통부) 노후에 따른 사고도 빈번히 발생하고 있다(Korea Rural Community Corporation, 2003). 또한 농업용 저수지는 대부분 자연월류식 물넘이 구조로 되어 있어 홍수배제능력을 뛰어넘는 홍수량이 유입된다면 월류 피해 가능성이 높아질 수 밖에 없다. 이에 저수지 재해위험 상황시 시설관리자가 신속히 상황을 파악하고 주민대피, 긴급조치 등을 취해야 하지만 적은 인원으로 많은 저수지를 관리하고 있어 홍수대비 효율적인 관리 및 운영이 어려운 상황이며, 기후 변화로 인한 강수량의 불확실성과 변동성으로 인해 더욱 대처가 어려워지고 있다. 저수지 월류는 하류 지역의 심각한 피해를 초래할 수 있으며, 농업 생산성과 지역 경제에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 따라서 저수지의 월류 위험을 사전에 평가하고 예방하는 것이 매우 중요하다.
‘시설물의 안전 및 유지관리 실시 세부지침(이하 세부지침)’을 통해 수문학적 안전성 평가가 시행되고 있다(Park et al., 2019). 수문학적으로 연최대 유량 대 연최소 유량의 비인 하상계수는 외국하천보다 우리나라 하천이 수십배 이상 높아 매년 홍수피해에 노출되어 있다(Park et al., 2008). 이러한 상황에서 최근의 수문기상학적 변화를 반영하여 누적된 수문자료와 발전된 해석기법을 기반으로 저수지 홍수방어능력을 평가하고 있다.
저수지 비상대처계획은 홍수나 지진으로 저수지 붕괴 등 예기치 못한 대형재해에 신속하고 효과적으로 대처할 수 있도록 시설관리자 및 주민의 행동요령을 사전에 준비하는 능동적인 안전대책이다. 최근에는 저수지 위험성 평가를 통해 이상홍수로 저수지 제방붕괴시 하류지역의 침수구역내에서 예상되는 인명과 재산피해규모에 따라 그 규모를 등급으로 구분하여 차등관리하고 있다.
Lee et al. (2014)는 농업용 저수지의 수문학적 안전성을 평가하기 위하여 영향을 미치는 다양한 인자에 대하여 전문가들의 경험과 직관을 동원하여 합의를 통해 주요항목을 결정하고 중요도에 따른 지표를 개발하였다
본 연구에서는 물수지 항목의 이론을 기반으로한 농업용 저수지의 월류 위험도를 평가하는 것으로 지형⋅기상학적 특성과 관련된 변동이 없는 고정 인자를 가지고 저수지에 유입되는 수량과 유출되는 수량의 균형을 분석하고, 저수용량의 규모가 부족한 저수지를 검토하여 월류에 노출되어 있는 저수지를 선별하고자 한다. 선별방법을 제안하여 시설관리자가 쉽게 접근하여 저수지의 위험도를 파악하고 홍수 발생시 효율적인 관리에 있어 도움이 될 것으로 판단된다(Daynou and Fuamba, 2008).
2. 적용 방법
2.1 유입량 – 유출량 적용 근거
‘농업생산기반정비사업 계획설계기준(필댐편)’의 ‘홍수조절용량’에 의하면 지금까지 농업용 필댐은 홍수조절 기능이 없어 이상 홍수시 급격한 수위상승에 따른 제당월류의 위험이 높고, 유입홍수를 그대로 방류한다고 설명되어 있다. 현재 축조되어 있는 농업용 저수지 중 흙댐이 99% 이상이고 이수목적으로 운영되고 있어 홍수조절기능이 없는 저수지가 대부분이다(Shin and Lee, 2012; Woo and Choi, 2016). 유입홍수를 그대로 방류하기 때문에 유입량과 유출량을 1대 1로 접근할 수 있다. 여기서 치수목적으로 이루어지는 대부분의 수문분석에서는 수문곡선 전체를 해석하기 보다 유입량과 유출량이 최대로 흐를 때 수량을 비교한다면 원활히 소통시킬 수 있는 규모인지 확인이 가능하다. 본 연구에서는 유입량, 유출량 계산 공식을 결정하고 유입량과 유출량이 최대로 흐를 때의 차이를 통해 월류에 노출되어 있는 저수지를 선정 검토하고자 한다.
2.2 저수지 규모 검토 근거
‘농업생산기반정비사업계획 설계기준(필댐편)-제체의 비월류부 높이’에 의하면 농업용 저수지의 게이트가 없는 댐의 경우 대부분 월류수심은 2.5 m를 넘지 않기 때문에 설계홍수위에서 2 m의 여유고가 필요하다. 또한 ‘댐설계기준-필댐-여유고’에서는 어떠한 악조건에서도 홍수가 댐마루를 넘지 않도록 충분히 크게 잡아야 한다. 홍수조절용량이 없는 댐에서 상시만수위를 기준으로 여유고를 산정할 때는 댐의 비탈면 조도에 따라 매우 변화가 크기 때문에 설계 전에 미리 여유고와 관련되는 요소를 선택하여야 한다. 여기서 필댐의 여유고 표준은 2~3 m가 보통이고 6 m 이상 높은 수문식 여수로를 가진 필댐은 3 m 이상의 여유고를 둔다고 기록되어있다.
농어촌공사 저수지 3,425개중 홍수위에서 제정고까지 2 m보다 작은 저수지는 약 70%이며, 만수위에서 제정고까지 2 m가 안되는 저수지는 약 40%로 월류 위험에 노출되어 있는 저수지가 많이 존재하고 있다. 여유고가 작지만 면적이 넓어 저수지가 안전할 수 있기 때문에 만수위에서 제정고까지의 면적을 같이 고려한다면 월류에 취약한 저수지 선정 시 중요한 인자로 활용 될 수 있다.
2.3 유입량
유입량은 상류유역에서 들어오는 수량에 영향을 가장 많이 받는다. 유역의 유출능력은 선행강수량의 크기에 따라 영향을 많이 받는다. 수리구조물을 설계 할 경우 비가 내리는 전 과정의 수문곡선보다는 최대로 많이 흐를 때의 유량을 참고한다. 강우량에 따른 첨두홍수량을 산정하는 방법이 많이 개발되고 있으며, 그 중 대표적인 것이 합리식이다(Eq. (1)). ‘농업생산기반정비사업 계획설계기준(필댐편)-설계홍수량 산정방법’에서는 홍수의 첨두 유출량을 계산하기 위한 간편한 방법으로 저류효과를 고려할 필요가 없으며, 강우가 시간과 공간에 대하여 균일하게 분포하고 홍수도달시간 1시간 미만인 조건을 고려하였을 때 본 연구에 반영이 적절하다고 판단하였다.
합리식은 아일랜드의 Mulvaney (1851)에 의해 제안된 개념으로 강우가 순간적으로 내리기 시작하여 무한히 지속된다면 첨두홍수량은 강우강도에 유역면적을 곱한 값과 같아진다는 것이 합리식의 기본가정이다(Lee and Yoo, 2019). 하지만 상류유역의 유역특성은 지리적 위치, 저수지별로 다르기 침투현상에 의한 강우량의 손실이 발생한다. 이를 반영하기 위해 유출계수를 곱하여 첨두홍수량을 산정할 수 있다(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2004; Lee et al., 2007).
여기서 Q는 유출량(m3/s), I는 강우강도(mm/hr), A는 유역면적(km2)이다.
본 연구에서 위 식을 적용하기 위해서 강우강도(I)는 6차 전대수다항식형으로 전대수지상의 7변수 다항식이므로 3변수 General형보다 결정계수가 높게 나타나며, 전기간 회귀 측면에서 다른 강우강도식보다 우수하고 사용하기 용이하다는 평가를 받고 있다. 하지만 전대수 다항식형 적용시 도달시간이 10분 이하에서는 강우강도가 0으로 나타나기 때문에 도달시간이 작은 저수지에 대해서는 다른 강우강도식을 반영하여야 한다. 현재 실무에서는 General형과 전대수다항식형 2가지를 주로 적용하고 있다(Jeong et al., 2017). 강우강도의 회귀상수는 지역별 강우량에 차이가 있으며, 방재성능목표도 다르기 때문에 연구대상지역 범위에서 강우강도가 가장 높은 관측소의 값을 적용하였다. 유출계수(C)는 합리식 적용 시 국토부에서 제시하고 있는 값으로 Table 1에 나타내었으며, 우리나라 농업용 저수지 상류유역의 토지이용상태에 따라 결정되는 값으로 한국의 국토는 약 70%가 산지이고 특히 저수지 상류유역의 지형이 비교적 험하며 강우의 유출이 빨라 토지의 보수력이 낮은 것을 감안하여 급경사 산지의 유출계수 0.7을 반영하였다(Yoo and Park, 2007).
Runoff Coefficient by Basin Condition
2.4 유출량
저수지 안전성 확보를 위하여 여수토 시설이 충분한 홍수배제능력과 유수를 안전하게 방류시킬 수 있는 시설을 갖추고 있어야 한다. 홍수배제능력과 가장 연관이 있는 인자는 수문과 여수토방수로이지만 농업용 저수지의 대부분은 자연유하식 물넘이를 통하여 홍수량을 배제할 수 밖에 없어 집중호우나 폭우를 감당하기에는 구조적으로 취약한 실정이다. 저수지 개보수사업이나 치수능력확대사업 수행시 비상수문, 보조여수로 설치 또는 기존 여수로 확장을 통해 홍수배제능력을 키우고 있다.
여수로 홍수배제능력을 검토하기 위해서는 계획홍수량 유입시 저수지 홍수추적에 의한 완전 월류 조건의 최대 홍수량을 산정한다. 산정된 홍수량을 안전하고 효율적으로 방류할 수 있도록 여수로를 설치한다. 농업용 저수지의 일반적인 개수로형의 월류식 여수로는 많은 양의 수량을 월류시킬수 있는 가장 경제적인 여수로로서 흔히 사용된다. 월류형 여수로에서는 여수로 물넘이(Spillway crest)에서 한계류가 발생하므로 여수로 물넘이를 기준으로 여수로 상류와 여수로 물넘이 사이에 에너지 방정식을 적용하여 광정위어와 같은 방법으로 아래 식을 사용하고 있다(Eq. (2)).
식에서, Q : 유량(m3/s), C : 유량계수, Le : 웨어마루의 유효길이(m), He : 접근속도수두를 포함한 총수두이다.
여기서, 유량계수 C (Eq. (3))는 Roberson et al. (1998)이 유체역학 책을 통해 제시한 그래프인 Fig. 1에서 여수로 높이에 대한 전수두의 비인 P/Hd로부터 CD를 구한 후 아래식을 활용하여 유량계수를 산정한다. 월류형 여수로의 CD 산정은 계산의 효율성을 위하여 3개 구간으로 구분하여 비선형 회귀식을 구성하였으며, Table 2와 같다(Oh et al., 2018).
Estimation of Discharge Coefficient (CD) (Roberson et al., 1998)
Estimation of Regression Equation for the Discharge Coefficient
2.5 저수용량
농업용 저수지는 대부분 농업용수를 공급하는 단일 목적으로 축조되어 있어 수자원의 시간적, 공간적인 편중을 극복하는 방법으로 홍수기의 풍부한 수량을 저류할 수 있어야 한다(Nam et al., 2012). 이수관리를 위한 용량은 만수위까지의 용량이며, 홍수관리를 위한 용량은 관리수위 이상으로 홍수위까지의 용량으로 말할 수있다. 본 연구의 목적인 저수지 월류의 위험성을 고려한 관리는 만수위에서 제정고까지의 높이를 통해 충분한 여유고가 확보되어있는지 확인이 필요하다. 또한 저수지 저수용량 결정방법에서 기상학적 특성 및 지형학적 특성 등 여러 요인에 의해 결정되지만 유입량은 저수용량 결정에 중요한 요인으로 정확성을 높이기 위해 유역면적 대비 홍수관리면적(만수위-제정고까지의 면적)을 월류에 위험한 저수지 선정을 위한 주요 인자로 결정하였다.
3. 적용 및 고찰
3.1 대상지구
농어촌공사 관리 저수지는 3,425개이며, 전국 도별 저수지 개수는 Fig. 2에 나타내었다. 도별로 보면 전라남도, 경상북도, 경상남도, 전라북도, 충청남도, 충청북도, 경기도, 강원도 순으로 분포되어 있으며, 각 지역별로 기후학적 특성으로는 경상도 지역은 강수량이 타 지역에 비해 10~20% 가량 작으며, 전라도 지역은 강수량이 많고, 지형학적 특성 또한 다르기 때문에 지역별로 구분하여 위험 저수지 평가가 필요하다. 또한 농업용 저수지의 대부분이 50년 이상 노후화된 저수지로 시공이후 사회적 변화에 당초 설계 및 제원 등이 차이가 발생할 수 있어 지형학적 변화도 고려가 필요하기 때문에 본 연구에서는 강수량이 많고 저수지 개수가 많이 분포되어있는 전라남도 저수지 1,051개 중 데이터의 신뢰도를 위해 치수능력확대사업, 개보수사업 등 업데이트 된 최신 자료 반영을 위해 정밀안전진단 보고서가 수립된 저수지 251개에 대해서 우선순위를 도출하였다. 이 중 수문이 있는 저수지는 70개로 홍수조절이 가능하기 때문에 우선순위에서 제외하고 181개 저수지에 대해서 검토하였다. 강우강도는 전라남도 강우관측소 50개 중 강도가 가장 높게 나타난 종관기상관측(ASOS)의 진도(첨철산) 관측소의 강우강도를 반영하였다. 강우강도값은 ‘국가수자원관리종합정보시스템’에서 제공하고 있다.
Study Area
3.2 유입량 – 유출량의 관계
전라남도 1종 저수지를 대상으로 유입량과 유출량의 관계를 파악하고 유입량과 유출량의 차이를 검토하였다(Fig. 3). 유입량과 유출량의 관계를 비교하기 위해 유역면적 별로 구분하였다. 중심선을 기준으로 아래에 위치하면 유입량이 유출량보다 높은 저수지 이며, 위쪽에 위치하면 유출량이 유입량보다 높은 저수지로 보다 안전한 저수지로 판단할 수 있다. 2,500 ha 이상 저수지 중 구만저수지는 두 개의 여수토가 위치하고 있지만 유입량에 비해 유출량이 현저히 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 유역면적이 1,000 ha 이상 되는 저수지에서는 유입량이 유출량보다 높게 나타나는 경향을 확인하였으며, 유역면적이 작아질수록 유입량 대비 유출 능력이 좋은 저수지들이 많이 확인되었다. 전대수다항식을 적용하였을 때 도달시간이 10분 이하는 0.166 (hr) 이하로 14개의 저수지에서는 강우강도가 0으로 계산되었으며, 연속형 Kraven공식과 서경대 공식에 반영을 했을 때에도 동일하거나 근접한 값을 확인할 수 있었다. 14개 저수지에 대해서는 General공식을 적용하여 검토하였다. 500 ha 이상 저수지 중 유입량이 0인 장산저수지는 주변이 평지구간으로 유역면적 27.1 ha와 유로연장 0.128 km에 대해서 도달시간이 산정되어 작게 나타난 것으로 확인되었으며, 유입량이 적게 계산된 서산저수지(강진), 영천저수지(보성), 칠동저수지(보성), 흑석저수지(곡성), 봉정저수지(곡성), 영동저수지(강진)는 경사가 다른 저수지에 비해 완만하지만 보다 정확한 결과를 위해서는 현장조사가 필요할 것으로 보인다.
Inflow – Outflow Relationship
3.3 월류 위험 저수지 후보지점 선정
유입량이 유출량보다 높게 나타나는 저수지는 181개 중 41개소이며, Table 3에 유입량–유출량이 큰 순으로 25개소에 대해 나열하였다. 저수용량과 관련이 있는 제정고에서 만수위까지의 높이와 유역면적대비 홍수관리면적도 같이 제시하여 월류에 위험한 저수지에 대해서 검토하였다. 25개 저수지 중만수위에서 제정고까지 2 m가 안되는 저수지는 명주, 남산, 화원2, 용흥, 기동, 서창, 동교, 풍암, 용궁, 봉덕 저수지로 10개소이다. 홍수조절용량이 없는 저수지에서는 만수위에서 제정고까지 2 m 이상의 여유고가 있어야 한다는 조건을 고려한다면 9개의 저수지 모두 월류에 위험한 저수지가 될 수 있다. 유역면적 대비 홍수관리면적(만수위-제정고까지의 내용적)은 정밀안전진단 보고서에 제정고까지의 면적이 계산되어 있지 않아 추 후 보완이 필요하며, 현재 계산되어 있는 저수지의 한해서 분석을 수행하였다. 유역면적 대비 홍수관리면적이 가장 작은 저수지는 동교 저수지 였으며, 남산, 천은, 구만, 대포 저수지 순으로 값이 낮게 나타났다. 구만 저수지와 대포저수지는 만수위에서 제정고까지의 높이는 3 m이상으로 여유가 있지만 유역면적 대비 홍수관리면적 값이 작게 나타나고 있어 유입량 대비해서 저수용량 규모가 작은 것을 확인할 수 있다.
Comparison of Inflows and Outflows
위 결과를 통해 가장 위험한 저수지는 남산 저수지로 유입량과 유출량의 차이, 만수위에서 제정고까지의 높이와 유역면적 대비 홍수관리면적이 전체적으로 부족하였으며, 3개 항목 중 2개 항목에서 위험한 결과를 보여준 저수지는 구만, 대포, 명주, 화원2, 용흥, 기동, 서창, 동교, 풍암, 용궁, 봉덕 저수지로 11개 저수지를 후보지점으로 추릴 수 있다.
3.4 결과 검토
유입량과 유출량 차이와 만수위에서 제정고까지의 높이, 유역면적 대비 홍수관리면적을 통해 나온 후보지점 12개의 저수지에 대해 저수지 홍수추적을 실시하여 최고수위에서 제정고까지의 차이를 Table 4에 나타내었다. 최근 예상치 못한 기후변화로 설계빈도를 초과하는 강우가 발생하는 만큼 전남지역에서 지속시간별 강우량이 가장높은 강우자료인 고흥 관측소의 강우자료를 활용하였으며, 최신 업데이트 자료를 활용하기 위해 정밀안전진단 보고서의 제원을 반영하였다. 홍수추적 결과를 바탕으로 최고수위에서 제당고까지의 여유고는 –0.63 m~0.57 m로 12개소 저수지 모두 여유고가 부족하였다. 특히 명주, 남산, 화원2, 기동, 서창, 동교 저수지는 최고수위가 제정고를 초과하였으며, 3개 항목(유입량과 유출량 차이, 만수위에서 제정고까지 높이, 유역면적 대비 홍수관리면적)에서 모두 부족했던 남산저수지가 –0.63 m로 제정고를 훨씬 넘는 수위 결과를 확인할 수 있었다. 구만저수지는 유역면적 대비 홍수관리면적이 작지만 제정고에서 만수위까지 높이가 여유가 있어 최고수위에서 제정고까지의 여유고가 0.40 m로 나타난 것으로 파악되었으며, 용흥저수지는 제정고에서 만수위까지의 높이가 부족하였지만 저수용량이 어느정도 받아줄 수 있기 때문에 제정고에서 최고수위까지 여유가 있는 것으로 판단된다.
Comparison of Inflows and Outflows
위 방법을 활용하여 선정된 저수지들의 저수지 홍수추적 결과 타당성이 있는 것으로 판단되며, 최고수위에서 제정고까지의 높이를 종속변수로 유입량과 유출량의 차이, 만수위에서 제정고까지의 높이, 유역면적대비 홍수관리면적을 독립변수를 두고 상관분석에서도 0.8 이상의 높은 결과를 확인할 수 있었으며, 농업용 저수지의 월류 위험도 평가 시 충분히 고려해볼 수 있는 것으로 보인다.
4. 결 론
본 연구에서는 물수지 항목의 이론을 기반으로한 농업용 저수지의 월류 위험도를 평가하는 것으로 지형⋅기상학적 특성과 관련된 변동이 없는 고정 인자를 가지고 저수지에 유입되는 수량과 유출되는 수량의 균형과 만수위에서 제정고까지의 높이 및 면적을 분석하여 월류 위험도를 평가하였다. 유입량 공식은 합리식, 유출량 공식은 웨어마루 유량공식을 적용하였으며, 합리식에서 필요한 강우자료는 전남지역에서 강우강도가 가장 높은 진도(첨찰산) 관측소 자료를 반영하였다. 유입량이 유출량보다 큰 저수지 상위 25개 저수지를 나열하였으며, 만수위에서 제정고까지의 높이, 유역면적 대비 홍수관리면적(만수위-제정고까지의 면적)을 고려하여 월류에 노출된 저수지 후보지점을 선정하고, 후보지점에 대해서 저수지 홍수추적을 통해 여유고를 검토하였다. 최고수위에서 제정고까지의 여유고는 –0.63 m~0.57 m로 여유고가 많이 부족하였으며, 12개의 저수지 중 6개의 저수지에서 최고수위가 제정고를 초과하는 결과를 확인 할 수 있었다. 위 방법을 활용하여 선정된 저수지들의 홍수추적 결과 타당성이 있는 것으로 판단되며, 최고수위에서 제정고까지의 높이를 종속변수로 두고 유입량과 유출량의 차이, 만수위에서 제정고까지의 높이, 유역면적대비 홍수관리면적을 독립변수로 상관분석을 하였을 때 0.8 이상의 높은 상관성을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 예측, 수치모의가 아닌 고정된 인자를 활용하여 월류에 위험한 저수지를 선정이 가능하면서 시설관리자가 보다 쉽게 운영 및 관리가 이루어 질 것으로 판단되며, 추 후 전국 저수지를 대상으로 유입량과 유출량의 차이, 만수위에서 제정고까지의 높이, 유역면적대비 홍수관리면적 등의 기준을 마련해 놓는다면 한 개의 저수지에 대해서도 계산 결과만으로 위험도를 평가할 수 있을 것으로 판단된다.
감사의 글
본 결과물은 농림축산식품부의 재원으로 농림식품기술기획평가원의 농업기반 및 재해대응 기술개발 사업의 지원을 받아 연구되었음(RS-2022-IP322080 (322080-3)).