1. 서 론
최근 우리나라는 기상이변으로 인한 이상강우가 자주 발생하여 홍수에 의한 피해규모가 급증하고 있다. 또한 택지개발, 도시개발사업의 활성화에 따른 지표면 불투수면적비의 증가로 이러한 피해는 더욱더 가중되고 있는 실정이다. 이러한 변화된 주변 환경에 대응하여 기상이변에 의한 대규모 침수피해를 막기 위해 최근 펌프장, 유수지, 펌프일체형수문 등의 수방시설물이 많이 도입되고 있다. 특히, 도시유역의 경우 부지확보가 힘들어 빗물펌프장, 유수지의 설치가 불가능한 지역에는 하천하류부에 펌프일체형수문을 계획하는 경우가 많으며 펌프일체형 수문만으로 홍수조절능력이 부족한 경우 하천이나 우수관로 중간에 빗물저류지(빗물저류조)나 유수지를 추가로 계획하기도 한다.
관련 연구동향을 살펴 보면 도시 홍수 대응을 위한 방재시설 중 빗물펌프장 운영 및 평가 연구로 Shim (1998)은 빗물펌프장의 운영의 효과분석에 대한 연구를 수행하였으며 Jun et al. (2007)은 도시지역의 내배수시스템의 실시간 운영 모델을 개발하였다. Song et al. (2014)는 펌프장의 조기가동에 의한 내수침수 저감효과를 분석하였으며 Sim et al. (2017)은 빗물펌프장 운영 시나리오에 따른 홍수재해 저감능력을 평가한 바 있다. 한편, 우수저류시설의 효과분석, 용량 산정 관련 연구로 Jo (2016)는 도시침수 저감을 위한 소규모 저류지의 분산 설치 효과 분석, AL-Hamati et al. (2010)은 소유역에서 저류조의 용량결정, Lee et al. (2016)은 오프라인 빗물저류조 유입에 따른 운영방안 연구를 수행한 바 있다. 이상과 같이 빗물펌프장, 우수저류시설 등을 연계한 복합 홍수조절시설의 연계 운영을 통한 설계기법의 개발연구는 미흡한 실정이다.
본 연구에서는 펌프일체형수문과 우수저류시설(빗물저류조, 유수지) 등 복합적인 홍수조절시설을 단일 하도, 유역에 도입하여야 할 경우에 대한 모델링 및 설계방법에 대하여 상세히 고찰하였다.
2. 홍수량 산정 및 침수원인분석
2.1 유역 현황
본 연구의 대상유역은 경남 함안군 가야리에 위치한 계티천 유역으로 산지지역을 제외하면 대부분 저지대 농경지가 위치하고 있으며 하류부에는 함안가야 농공단지가 위치하고 있다. 본 유역은 호우 시 상습적인 침수가 발생하고 있으며 침수발생원인은 계티천 하류인 신음천의 수위상승으로 내수의 자연배제가 원활하게 이루어지지 못하는데 근본적인 원인이 있다. 계티천 유역의 유역면적은 2.63 km2, 유역경사는 0.233, 유로연장은 2.67 km, 유로경사는 0.0043이다. 계티천 유역의 현황은 Fig. 1과 같다(Haman-gun, 2011, 2012).
2.2 확률강우량
대상지역의 지배 강우관측소는 기상청 산하 창원기상대이며 27개년(1985년~2009년)의 지속기간별 연최대 강우자료를 대상으로 Normal-2 외 13개 분포형을 적용하여 빈도해석을 실시하였다. 각 확률분포형의 매개변수 추정은 모멘트법, 최우도법, 확률가중모멘트법을 사용하였으며, 매개변수의 적합도를 검정하기 위하여 χ2, Kolmogorov-Smirnov, Cramer Von Mises, PPCC (Probability Plot Correlation Coefficient) 검정을 실시하여 적정 확률분포형에 따른 확률강우량을 산정하였다. 창원기상대의 확률강우량 산정 결과는 Table 1과 같다
Table 1
Probability Rainfall (Changwon)
2.3 홍수량 산정
대상유역은 미계측 유역이므로 홍수량 산정은 합성단위도법 중 Clark 유역추적법을 적용하였다. Clark 유역추적법은 순간단위도 원리를 이용한 유역추적방법으로 유역의 도달시간과 유역의 저류능력을 대표하는 유역저류상수 등 2개의 매개변수의 결정만으로 단위도를 합성할 수 있을 뿐 아니라 다른 방법과 달리 지역성을 가지지 않는 비교적 객관적인 방법이라 할 수 있다. Clark 유역추적법의 매개변수 중 도달시간은 연속형 Kraven 공식을 적용하였으며 검토 결과를 Table 2에 정리하였다. 한편, 저류상수 K는 Sabol 식을 적용 하였으며 적용 저류상수는 0.678이다. 유효우량은 NRCS 방법을 적용하였으며 AMC-III 조건 적용시 유출곡선지수는 89.9이다. 강우의 시간분포는 Huff 4 분위법을 적용하였으며 창원기상대의 중호우 시 지배적인 3구간의 호우를 적용하였다.
Table 2
Parameters of Clark’s Watershed Tracking Method (Concentration Time)
홍수량 산정결과 30년 빈도 홍수시 계티천 유역의 첨두 홍수량은 49.1 m3/s인 것으로 검토되었다. 30년 빈도 지속기간별 홍수수문곡선을 Fig. 2에 도시하였다.
2.4 침수모델링 및 침수범람도 작성
30년 빈도 홍수시 계티천 하류 신음천의 계획홍수위 EL. 17.04 m인 경우, 가야배수장에서 강제배제 되는 토출량을 제외한 나머지 홍수량이 신음천 외수위 영향으로 전량 계티천 유역 내에 저류되는 조건으로 침수범람 분석을 수행하였다. 침수분석 결과, 평균 침수심은 0.7 m, 침수총량은 293,348 m3인 것으로 분석되었다. 또한, 2011년 7월 9일 집중호우 시 가야지구의 침수범람 분석을 수행하였다. 검토조건은 신음천 외수위 영향으로 가야배수장에서 강제배제 되는 토출량을 제외한 나머지 홍수량 전량이 계티천 유역 내에 저류되는 조건이다. 침수심 검토결과 2011년 호우 시 평균침수심은 0.49 m, 침수총량은 203,870 m3인 것으로 분석되었다(Fig. 3).
3. 복합 홍수저감시설의 설계방안
계티천 유역의 침수를 해소하기 위하여 자연배제 불가 유역인 계티천 유역의 경우 강제 배제시스템을 설치하여 홍수를 조절하는 것이 합리적이다. 그러나, 계티천 하류부는 가야농공단지가 위치하고 있어 강제배제시설 계획만으로는 시설능력이 부족하다. 따라서 강제 배제시스템인 펌프일체형수문과 하천 중류부에 우수저류지를 설치하여 계티천 유역의 침수를 해소하는 방안을 수립하였다.
3.1 홍수조절 단계별 홍수조절능력 분석
계티천 유역에 계획한 홍수조절시설인 펌프일체형수문과 우수저류지는 복합적 홍수조절시설로 하도의 중류부에 계획한 Off-line형 우수저류지는 횡월류위어를 통하여 일정량(일정수위) 이상의 홍수를 분기시켜 조절하고, 하류의 펌프일체형수문은 저수위(LWL.) 이상에서 펌프를 가동하는 방식이다. 이러한 복합적 홍수조절시설의 홍수조절능력을 엄밀하게 분석하기 위해서는 계티천 수위-횡월류위어 월류량-펌프일체형수문의 관계를 시계열 분석을 통하여 해석하여야 한다. 본 연구에서 적용한 계티천의 홍수조절용량은 32,000 m3, 우수저류지 용량 120,261 m3이며 수문일체형 펌프의 분당 토출량은 757 m3/min이다. 연구에서 횡월류위어의 마루고 높이, 연장, 펌프일체형수문의 가동수위(OWL.)는 제원을 변경하며 홍수조절효과를 분석하였다. 또한, 본 연구에서 계티천 계획 홍수위(HWL.)은 EL. 12.20 m이다. 연구에 적용한 우수저류조 및 하천의 설계 현황, 저류용량은 Fig. 4와 같다.
계티천에 계획한 복합 홍수저감시설을 계획하기 위해서 1단계 계티천 저류, 2단계 계티천 수위상승으로 횡월류위어를 통한 우수저류지 수위 상승, 3단계 계티천과 우수저류지 수위 동시상승의 3단계로 구분하여 모델링을 수행하였다.
1단계는 계티천의 수위가 상승하면서 저수위(LWL.)가 되는 시점부터 펌프가 가동되고 횡월류위어 마루고(EL. 11.5 m) 까지 계티천에만 홍수가 저류되며, 2단계는 계티천 수위가 횡월류위어 마루고보다 높아져 횡월류위어를 통하여 저류지내로 유수가 유입되어 저류지내 수위가 상승하는 단계이다. 3단계는 계티천 수위와 저류지 수위가 같아지면 홍수위가 동시 상승하는 단계이다. 단계별 홍수조절능력 검토 결과를 Fig. 5에 도시하였다.
3.2 횡월류위어 폭 변화에 따른 홍수위 변화 민감도
계티천은 우수저류지의 홍수조절 규모에 비하여 계티천 저류용량이 15.5%에 불과하고 하폭 또한 매우 협소하여 홍수시 계티천 유량을 원활하게 우수저류지로 월류시키지 못할 경우 계티천 홍수위의 급격한 상승으로 침수가 발생할 수 있다. 따라서 횡월류 위어 폭에 따른 계티천 및 우수저류지 수위 변화를 시계열로 분석하였다. 펌프일체형수문의 가동수위(OWL.)는 EL. 10.8 m이며 횡월류위어 마루고(EL. 11.5 m)를 고정시키고 횡월류위어 폭을 20 m 단위(40 m, 60 m, 80 m, 100 m, 120 m)로 증가시킬 경우 계티천 최고수위 변화를 분석하였다.
분석결과, 횡월류위어 폭을 40 m에서 60 m로 20 m 증가시킬 경우 계티천 최고수위(HWL.)은 횡월류위어 폭 40 m에서의 최고수위 EL. 12.250 m 대비 0.028 m 감소하며 0.23%의 수위 감소율을 보인다. 횡월류위어 폭을 60 m에서 80, 100, 120 m로 각각 증가시키면 증가 전 최고수위 대비 0.014 m, 0.008 m, 0.005 m의 수위가 감소하며 기존 최고수위 대비 감소율은 각각 0.11%, 0.07%, 0.04%이다. 이상과 같은 분석결과를 토대로 하천 내 설치한 횡월류위어는 일정 폭 이상으로 계획 할 경우 홍수조절 능력은 작아지는 것으로 검토되었다. 횡월류위어 폭에 따른 홍수조절능력 분석결과를 Table 3에 정리하였다.
Table 3
Flood Control Ability according to Width Change of the Side-weir
3.3 횡월류위어 마루고 설정에 따른 홍수위 변화
횡월류위어 폭을 120 m로 고정시키고 횡월류위어 마루고 변화에 따른 계티천 최고수위 변화를 분석하였다. 검토결과, 횡월류위어 마루고가 펌프일체형수문의 가동수위 EL. 10.8 m 보다 낮으면 펌프가동 이전에 횡월류위어를 통하여 저류지로 흐름이 발생하여 홍수조절효과가 매우 감소하게 되며, 반대로 펌프 가동수위보다 횡월류위어 마루고가 높으면 효율적인 홍수조절이 가능한 것으로 분석되었다. 즉, 펌프일체형수문 계획 시 횡월류위어 마루고는 가동수위(OWL.)를 보다 높게 설정하여야 효율적인 홍수조절이 가능하다. 특히, 홍수 초기 펌프가동 이전에 가동보 등을 통하여 우수저류지로 홍수를 조절하게 되면 큰 홍수가 발생할 경우 치수적으로 불리한 결과를 초래할 수 있다는 점을 확인하였다. 횡월류위어 마루고 변화에 따른 계티천 최고수위 변화는 Table 4와 같다.
Table 4
Flood Control Ability according to Heigh Change of the Side-weir Crest
4. 결 론
우리나라의 경우 빗물펌프장-우수저류지(우수저류조) 등을 연계한 복합적인 홍수조절시설 계획, 설계 및 홍수기 운영에 관한 지침이 명확하게 제시되지 않고 있다. 이에 본 연구에서는 빗물펌프장-우수저류지(우수저류조)의 연계를 고려한 단계별 시설 계획 방안을 제시하였으며 계획 및 모델링 방법은 총 3단계의 과정으로 1단계 하천저류(펌핑), 2단계 횡월류위어를 통한 우수저류지 홍수조절, 3단계 하천과 우수저류지 수위 동시상승의 3단계로 구분하였다.
더불어, 복합홍수조절 시설 계획 시 우수저류조에 설치하는 횡월류위어의 폭 변화에 따른 홍수조절능력과 횡월류위어 마루고 설정에 따른 홍수위 변화를 분석하였다. 분석결과, 횡월류위어의 폭은 일정 폭 이상으로 계획 할 경우 홍수조절능력은 작아지는 것으로 검토되었으며. 횡월류위어 마루고의 경우 펌프일체형 수문의 가동수위(OWL.) 보다 낮게 설정할 경우 홍수조절효과는 매우 감소하는 것으로 분석되었다. 즉, 홍수조절을 위한 우수저류지 설계 시 횡월류위어고를 낮게 계획하거나 가동보가 도입되어 있는 경우 가동보 운영 시 홍수 초기에 가동보를 도복시켜 우수저류지로 월류시킬 경우 홍수조절효과가 현저히 떨어질 수 있다는 점을 확인하였다. 본 연구결과는 향후 계획되는 복합 홍수조절시설의 설계 및 운영을 위한 기초 사례로 활용가능 할 것으로 판단된다.
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