극한강우 대비 댐 운영전략에 따른 하류 홍수안전성 평가
Assessment of Downstream Flood Safety Based on Dam Operation Strategies for Extreme Rainfall Events
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Abstract
기후변화로 인해 전 세계적으로 극한 강우의 빈도와 규모가 증가함에 따라 댐과 같은 주요 수리구조물의 홍수 조절 기능 및 운영 방식이 하류 지역의 홍수 안전에 미치는 영향에 대한 심층적인 분석이 요구된다. 본 연구에서는 2020년 8월 동복댐 하류 지역에서 발생한 집중호우 사례를 바탕으로 강우량과 댐 수위 등 수문학적 여건 변화에 따른 동복댐 운영이 하류 홍수위와 홍수량에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다. 또한, 다양한 초기 저수위 운용 및 수문 개방 시나리오와 수문 확장과 같은 가상의 구조 개선 시나리오를 적용하여 하류 지역의 홍수 피해 영향을 평가하였다. 분석 결과 실시간 수문 조작이나 수문 확장 등의 구조적 조치보다 강우 시작 전에 저수위를 낮추는 선제적 운영이 하류 홍수위를 감소시키는 데 가장 효과적인 것으로 나타났다. 특히 100년 및 200년 빈도의 대규모 홍수 시나리오에서는 수문 확장이 오히려 하류 홍수량을 증가시키는 역효과를 초래할 수 있음이 밝혀졌다. 본 연구 결과를 바탕으로, 보다 정확한 기상 예측에 기반한 선제적 댐 저수위 운영, 댐의 구조적 개선, 그리고 하류 하천 인프라 정비의 필요성을 제시하였다. 본 연구의 결과는 기후변동성에 대응하여 댐 하류 지역의 안전을 확보하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
Trans Abstract
With the global increase in the frequency and magnitude of extreme rainfall events owing to climate change, there is a growing need to analyze how major hydraulic structures, such as dams, influence downstream flood safety through their flood-control function and operational strategies. This study quantitatively analyzed the impact of the Dongbok Dam operation on downstream flood levels and discharges—based on the heavy rainfall event of August 2020. To evaluate their effects on downstream flood risk, various dam operation scenarios were considered, including different initial reservoir water levels, spillway-gate operation strategies, and hypothetical structural modifications such as spillway expansion. The analysis revealed that the proactive lowering of the reservoir level before a rainfall event was more effective in reducing downstream flood levels than were real-time gate operation or structural spillway expansion of the dam. Notably, in large-scale flood scenarios corresponding to 100-year and 200-year return periods, spillway expansion could paradoxically increase downstream flood discharge. Based on these findings, this study highlights the need to improve weather-forecasting accuracy, implement proactive reservoir-level management, make structural improvements to dams, and reinforce the downstream river infrastructure. In regions with climatic variability, these results are expected to contribute to improved flood-risk management and enhanced safety, downstream of dams.
1. 서 론
기후변화로 인한 극한 기후현상으로 인한 자연재해가 급증하고 있다. 최근 20년 동안 기후변화에 의한 자연재해는 전 세계적으로 1.7배 증가하였으며, 우리나라도 매년 강우로 인한 인명 및 재산 피해가 급증하고 있다(UNDRR, 2020). 기후변화로 인한 국내 홍수 위험도의 증가는 Kim et al. (2013) 등 다양한 연구에서 제시되고 있다.
여름 우기(6~9월) 동안 연평균 강우량의 70% 이상이 집중되는 우리나라의 특성상 이수와 치수 목적으로 댐을 설치해 왔다. 그러나 기후변화로 인한 극한 강우의 빈도와 강도 증가는 기존 댐 운영 방식에 심각한 도전 과제를 제시한다. 특히 유역 면적에 비해 저수 용량이 작은 소규모 댐들은 급작스러운 홍수에 대응하기 위한 충분한 홍수 조절 능력이 부족하며, 홍수기에도 만수위를 유지하는 경우가 많아 홍수 취약성이 높다(Jeong, 2020). 2017년 7월 집중호우 시 괴산댐 수위가 불과 1시간 만에 계획홍수위 근접까지 상승한 상황은 기존 운영 방식의 한계를 극명하게 보여준다(Heo et al., 2022). 이는 괴산댐이 발전 전용으로 건설되어 홍수 조절 능력이 제한적이며, 급작스러운 홍수에 대한 대응 시간이 극히 짧았기 때문이다.
최근에는 극한 강우상황에서 댐 운영을 통해 댐 하류의 피해를 저감하기 위한 연구가 수행되고 있다. Ahn et al. (2011), Wei et al. (2023), Hou et al. (2024) 등의 연구에서는 댐의 운영 방식, 즉 방류량 조절이 하류 홍수 피해에 미치는 영향에 대해 분석하였다. 특히, 예비 방류를 통한 사전 댐 수위조절 및 댐 및 저수지간 연계운영의 효과를 분석하였다. Shin et al. (2023)은 강우량, 댐 수위 등 수문학적 여건에 따라 댐 운영 방식이 하류 홍수 피해에 미치는 영향을 분석한 바 있다.
댐은 홍수 조절의 중요한 인프라임에도 불구하고, 댐 운영 방식에 따라 오히려 하류 지역의 홍수 피해를 가중시킬 수 있다는 우려가 제기되고 있다. 대부분의 연구에서 댐의 효율적 운영을 제시하고 있으며, 특히, 수자원 부족이 극심한 영섬유역에서는 댐의 연계 및 효율적 운영이 강조되고 있다. 댐의 효율적 운영을 위해서는 여름철 적은 강우량이 발생할 것을 대비하여 홍수기에도 일부 저수율을 확보해야 한다. 이 경우 사전방류가 늦어지거나, 강우 중 방류도 고려해야 한다. 그러나 강우 중 댐의 방류는 하류 주민에게 상당한 심리적 스트레스를 야기할 수 있다.
2020년 8월, 전남지역을 포함한 전국 각지에서 거의 500년 빈도에 해당하는 강우가 발생하면서 광범위한 홍수피해가 보고되었다. 특히, 화순군을 관통하는 동복천 유역에서는 하천 제방의 월류와 인근 주거지의 침수로 인해 지역 주민들이 큰 피해를 입었다. 동복댐 하류 주민의 안전을 확보하기 위해 동복댐의 운영 방식과 구조적 한계에 대한 정량적 검토가 요구되고 있다.
본 연구는 동복댐의 강우량 및 댐 수위 등 수문학적 여건 변화에 따른 댐 운영이 하류 홍수위 및 홍수량에 미치는 영향을 심층적으로 분석하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 첫째, 동복댐 수문 운영이 하류 수위에 미치는 영향을 시공간적으로 분석하고, 둘째, 수문 구조 확장 시 홍수위의 변화 양상을 예측하며, 셋째, 이를 기반으로 홍수 시 댐 하류 지역의 안전 확보를 위한 운영방안을 도출하고자 한다.
2. 동복댐 시설 및 운영현황
2.1 동복댐 시설 및 관리 현황
동복천은 총 유역면적 380.28 km2, 유로연장 51.76 km에 달하며, 전라남도 담양, 화순, 보성, 순천을 흐르고 있다. 광주광역시의 주요 식수원 공급원 역할을 수행하기 위해 건설된 동복댐은 유역면적 189.00 km2, 저수용량 99.53백만 m3, 계획홍수량 770 m3/s (80년 빈도), 계획홍수위 EL. 171.0 m, 홍수조절용량 EL. 168.2 m~171 m, 상시만수위 EL. 168.2 m, 수문하단고 EL. 167.2 m, 제한수위 EL. 166.0 m, 저수위 EL. 144.0 m 의 제원을 가지고 있다. 댐의 주요 제원은 Table 1과 같다.
Overview of Dongbok Dam
‘광주광역시 상수도동복댐 관리 규정’에는 동복댐의 홍수기 제한수위는 166.0 m로 설정되어 있으며, 홍수조절용량이 EL. 168.2 m~EL. 171 m로 명시되어 있다. 이에 반해 댐의 전도식 수문 하단고는 168.2 m로 설치되어 있어, 홍수기 제한수위를 준수하기 어려운 실정이다. 동복댐의 구조적 약점은 홍수 발생 시 급격한 수위 상승에 취약하게 만들고, 하류 지역의 홍수 위험을 가중시키는 주요 원인으로 작용할 수 있다.
2.2 동복댐 홍수시 강우 현황
2020년 8월 5일부터 9일까지 동복댐 유역을 포함한 광주 및 전남 지역에는 기록적인 집중호우가 발생했다. 백아면 지점에서 총 509.0 mm, 동복댐 관측소에서 463.0 mm의 강수량이 관측되는 등 지역별 강우량 편차가 컸다. 순천, 복내 관측소에서는 10년 빈도 이내의 강우가 발생했으나, 백아면과 이서면에서는 200년 빈도에 달하는 강우가 관측되었고, 동복댐 관측소에서는 24시간 지속기간 기준 30년~50년 빈도, 72시간 지속기간 기준 30년~50년 빈도에 해당하는 강우가 발생했다. 특히, 전체 지역에서 강우 지속기간 12시간 이상에서 고빈도 강우가 발생하여 댐 유입량이 매우 컸던 것으로 분석된다. 강우 사상 분석은 동복댐 및 하류 하천의 기존 설계기준을 초과하는 극한 상황이었음을 시사하며, 이는 댐과 하천 시스템이 감당하기 어려운 규모의 홍수였음을 의미한다. Table 2는 주요 지점별 강우량 및 재현기간을 보여준다.
Peak Rainfall and Return Period by Key Locations in August 2020
3. 동복댐 운영이 하류 수위에 미치는 영향 분석
3.1 분석 방법론
동복댐 수문 개폐에 따른 하류 홍수량 변화를 분석하기 위해 HEC-HMS 모형이 활용되었으며, 이어서 홍수위 분석을 위해 HEC-RAS 모형이 적용되었다(Fig. 1). 분석 대상 강우는 2020년 8월 7일~9일의 호우 사례이며, 댐 운영의 영향을 정량적으로 평가하기 위해 Table 3과 같이 6가지의 운영 시나리오를 구성하였다.
Location and Watershed Map of Dongbok Dam
Simulated Peak Discharge Results by Various Dam Operation Scenarios (m3/sec)
• Case 1: 관측 자료에 의한 실제 방류량
• Case 2: 초기 수위 EL. 168.2 m (수문 상단고), 수문 개방 없음
• Case 3: 초기 수위 EL. 167.2 m (수문 하단고), 수문 사전 전면 개방
• Case 4: 초기 수위 EL. 166.0 m (홍수기 제한수위), 수문 사전 전면 개방
• Case 5: 초기 수위 EL. 165.0 m, 수문 사전 전면 개방
• Case 6: 댐 방류량이 전혀 없는 경우
Case 1은 실제 동복댐의 기존 운영 사례로서 비교 기준이 되며, Case 2는 초기 수위만 낮추지 않고 그대로인 경우를 나타낸다. Case 3~5는 강우 이전에 댐 수위를 단계적으로 낮추는 선제 운영과 수문 확장의 효과를 보기 위한 시나리오이며, Case 6은 댐 저수용량을 초과하는 극한 상황(댐 미운영 상황)을 가정한 것이다. 각 시나리오에 대해 HEC-HMS로 산정된 댐 방류 hydrograph를 HEC-RAS의 상류 경계조건으로 적용하여 동복천 하류 주요 지점(동복댐 하류동복천 하구)의 홍수위를 계산하였다. Fig. 1은 동복댐으로부터 동복천 합류부까지의 하천 횡단면 및 주요 교량 지점을 나타낸다.
3.2 다양한 댐 운영 시나리오 분석 및 결과
HEC-HMS 모의 결과, Case 6 (강우 종료 시까지 방류량이 전혀 없는 경우)을 제외한 모든 시나리오에서 동복댐 방류량이 80년 빈도 기준 기본홍수량 및 계획홍수량보다 크게 나타났다. 이는 2020년 홍수 당일 강우 규모가 80년 빈도를 훨씬 상회하는 극한 사상이었기 때문으로 분석된다.
분석 결과, 수문 조작보다는 댐 초기 수위가 낮을수록 동복댐에서의 첨두 방류량이 작아지는 경향을 보였다. Case 2 (수문 개방 없음)와 Case 3 (수문 사전 전면 개방)를 비교했을 때, Case 3에서 동복댐의 방류량이 더 적게 나타났다. 이는 댐의 수문 조작보다는 강우 시작 전 댐이 얼마나 비워져 있었는지가 홍수량 저감에 더 큰 영향을 미친다는 것을 의미한다. 그러나 하류로 갈수록 지천 합류에 따른 중첩 영향으로 댐 초기 수위의 영향은 줄어들고, 수문 개방에 따른 방류량 증가의 영향이 나타나 홍수량이 역전되는 지점도 확인되었다. HEC-RAS 모의를 통한 주요 지점별 최대 홍수위 분석 결과는 Table 4와 같다.
Maximum Water Levels Simulation Results by Scenario and Location (EL. m)
주요 지점(연월교 상류, 동복교 상류, 연둔교 상류, 용리교 상류)에서 Case 1 (실제 방류량)의 홍수위가 제방고에 근접하거나 높게 분석되어 실제 월류 현상을 적절히 재현한 것으로 판단된다. 댐 초기 수위 조건 및 수문 운영 조건에 따라 하류 주요 지점의 홍수위가 다르게 나타났으나, 그 차이는 1~2 cm 정도로 미미했다. 이러한 미미한 차이는 2020년 8월 강우가 200년 빈도를 초과하는 극한 강우 사상이었기 때문이며, 댐 상류의 유역 면적이 동복댐 전체 유역 면적의 절반에 불과하여 댐 하류의 홍수량이 수위에 더 큰 영향을 미쳤기 때문으로 분석된다. 이는 극한 강우 사상에서는 수문 조작의 영향보다 댐 초기 수위 관리가 홍수 조절에 더 큰 민감도를 가진다는 것을 의미한다.
4. 댐 구조 변경에 따른 하류 홍수위 변화 양상 분석
4.1 댐 구조 변경 시나리오 구성
댐의 홍수 조절 능력을 향상시키기 위한 구조적 개선 방안으로는 댐 높이 증고, 여수로 확장, 수문 증설 등이 고려될 수 있다. 본 연구에서는 특히 수문 확대가 방류 능력 증대에 미치는 영향을 분석하여, 하류 홍수위 변화 양상을 평가하고자 하였다. 동복댐 수문 규격 변경에 따른 홍수 영향 분석을 위해 4가지 시나리오가 구성되었으며, 각 시나리오에 따른 주요 지점별 홍수량을 산정하였다. Case 1은 기존 수문 조건, Case 2⋅3⋅4는 강우 시작 전부터 종료 시까지 수문을 완전 개방하는 가정 하에 수문 규모를 단계적으로 확대하는 경우로 설정하였다
• Case 1: 현재 수문 규격(17.5 m × 1.0 m × 4문), 시작 수위 EL. 168.2 m, 수문 전면 폐쇄
• Case 2: 현재 수문 규격(17.5 m × 1.0 m × 4문), 시작 수위 EL. 167.2 m, 수문 사전 전면 개방
• Case 3: 수문 확대(17.5 m × 2.2 m × 4문), 시작 수위 EL. 166.0 m (홍수기 제한수위), 수문 사전 전면 개방
• Case 4: 수문 추가 확대(17.5 m × 3.2 m × 4문), 시작 수위 EL. 165.0 m, 수문 사전 전면 개방
4.2 댐 구조 변경 시나리오별 홍수량 모의
80년, 100년, 200년 빈도의 강우 시나리오에 대해 동복댐과 하류 합류부 지점에서의 최대 유량을 비교한 것으로, 구조적 변경의 영향에 대한 정량적 분석을 Table 5에 정리하였다. 80년빈도 이상의 홍수 시나리오에서는 총 홍수량에 비해 수문이 매우 작기 때문에, 다소간 수문을 확대하더라도 첨두 홍수량이 크게 차이나지 않는 것으로 나타났다.
Comparison of Flood Discharge by Dam Structure Modification Scenarios
Case 1, 2 비교와 Case 3, 4 비교를 통해 강우 전 배수를 통해 저수지 초기 수위를 낮게 운영하면 동복댐에서의 첨두 배출량이 작아지는 효과를 확인할 수 있었다. 그러나 하류 지점인 동복천 하구 지점에서는 수문 확대의 효과와 초기 수위를 낮게 시작한 효과가 중복되어 나타나, Case 3에서 홍수량이 가장 크게 나타났다. 특히 2020년 8월과 같이 200년 빈도를 초과하는 극한 강우가 발생했을 경우에는 Case 2 (현재 수문 규격, 시작 수위 EL. 167.2 m, 수문 사전 전면 개방)가 가장 홍수량이 작게 나타났다. 반면, Case 3와 Case 4는 초기 수위가 낮음에도 불구하고 수문의 확대로 홍수량이 크게 나타났다. 이는 수문 확대가 예상치 못한 부작용을 초래할 수 있음을 보여준다. 즉, 수문 확대는 일반적으로 홍수량 감소에 기여할 것으로 보이지만, 실제 극한 강우 상황에서는 오히려 하류 홍수량을 증가시킬 수 있는 잠재적 위험을 내포하고 있다.
단순히 수문의 크기를 늘려 댐의 방류 능력을 증대시키는 것은 오히려 극한 홍수 발생 시 수문 확대는 댐으로부터 더 많은 양의 물이 더 빠르게 방류되도록 하여, 하류 하천의 통수 능력을 초과하거나 하류 지천의 홍수 피크와 동시 발생하여 홍수위를 더욱 높일 수 있다. 이러한 결과는 복잡한 하천 시스템에서 구조적 개선 방안을 적용할 때 전체 유역 규모의 분석이 필요함을 나타낸다.
강우 시작 전 배수를 통해 댐 초기 수위를 낮게 운영하는 것이 홍수량 감소를 통한 동복댐 하류에서의 홍수 피해 저감을 위한 가장 효과적인 전략으로 판단된다. 고비용의 대규모 구조물 변경보다는, 기상 예측의 정확성을 높이고 이를 바탕으로 한 유연하고 선제적인 댐 운영 정책이 더 효과적인 것으로 나타났다. 따라서, 댐의 홍수 조절 전략은 물리적 구조의 개선뿐만 아니라, 예측 시스템의 발전과 운영 정책의 유연성 확보를 통해 다각적으로 접근해야 한다.
5. 동복댐 하류 홍수 안전 확보 방안 도출
다양한 시나리오 모의 결과, 강우 시작 전 배수를 통해 댐 초기 수위를 낮게 운영하는 것이 홍수 조절에 가장 효과적임을 확인하였다. 따라서, 동복댐 하류 홍수 안전 확보를 위해서는 정확한 기상 예보를 기반으로 선제적으로 댐 수위를 낮추는 운영 방안의 도입을 최우선 과제로 삼아야 한다. 이는 고비용의 구조적 변경보다 더 큰 효과를 가져올 수 있는, 비용 효율적인 홍수 관리 전략이다.
두 번째로는 홍수기 제한수위 준수를 위한 방류능력 증대이다. 수문의 하단고(현재 EL. 167.2 m)를 홍수시 제한수위(EL. 166 m)까지 낮추거나, 현재 3 m3/s 내외에 불과한 하천유지용수 방류구의 방류 가능량을 증대시키는 방안을 검토하여, 홍수 전 효과적인 수위 조절을 위한 유연성을 확보해야 한다.
2020년 동복댐 하류 지역의 홍수 피해는 댐 운영 외에도 여러 복합적인 요인들의 상호작용으로 인해 발생하였으며, 주요 원인들은 다음과 같이 요약할 수 있다.
첫째로는 극한 강우 사상의 발생이다. 2020년 8월 강우는 200년 빈도를 초과하는 기록적인 수준으로, 기존의 댐 및 하천 설계 기준을 상회하는 압도적인 규모였다. 두 번째로는 동복댐의 구조적 제약이다. 수문의 하단고가 홍수기 제한수위보다 높아 호우 전 사전 수위 조절이 사실상 거의 불가능한 실정이다. 셋째로는 하천 인프라의 취약성이다. 교량 주변이나 문화재 보호 구역 등 다양한 이유로 동복천 제방 높이가 일정하지 않거나, 하천기본계획보다 낮은 지점이 이부 존재하였으며, 농수로와 연결된 역류 방지 수문이 유실되거나 고장 난 상태가 일부 있는 것으로 확인되었다.
이러한 문제들은 단순히 댐 운영 방식의 개선만으로는 해결될 수 없는 시스템적인 취약성을 드러낸다. 홍수 위험은 댐의 운영, 규제, 그리고 하류 하천의 물리적 인프라가 복합적으로 얽혀 발생하며, 제방 강화 및 배수 인프라 정비 등 구조적 대책 수립이 동반되어야 하류의 치수안전성이 개선될 수 있을 것이다.
6. 결 론
본 연구는 2020년 8월 동복댐 하류 지역에서 발생한 홍수 피해의 원인을 분석하고, 댐 운영 및 구조 변경이 하류 수위에 미치는 영향을 평가하여 궁극적으로 하류 지역의 홍수 안전 확보 방안을 도출하는 데 목적을 두었다.
주요 연구 결과는 다음과 같다. 2020년 홍수는 200년 빈도를 초과하는 기록적인 강우 사상에 의해 촉발되었으며, 이는 동복댐의 설계 기준을 넘어선 극한 상황이었다. 이러한 극한 강우는 댐의 운영 제약 및 하류 하천 인프라의 취약성과 복합적으로 작용하여 대규모 피해를 야기했다.
다양한 시나리오에서의 모의결과 댐의 실시간 수문 조작이나 심지어 수문 확대와 같은 구조적 변경보다, 강우 발생 전 댐의 초기 수위를 낮게 유지하는 선제적 운영이 하류 홍수위 저감에 가장 효과적이었다. 특히, 100년 및 200년 빈도와 같은 대규모 홍수 시나리오에서는 수문 확대가 오히려 하류 홍수량을 증가시키는 역효과를 초래할 수 있음이 확인되었다. 이는 댐의 방류 능력을 무조건적으로 늘리는 것이 하류 하천의 통수 능력을 초과하여 홍수 위험을 가중시킬 수 있음을 시사한다.
현재 동복댐의 “광주광역시 상수도동복댐 관리 규정”은 제한수위와 홍수조절용량 간의 불일치를 보이며, 물리적인 수문 하단고와 하천유지용수 방류 능력의 한계로 인해 홍수기 제한수위 준수 및 효과적인 사전 수위 조절이 어려운 실정이다. 또한, 하류 동복천 제방의 불균일한 높이와 농수로 역류 방지 수문의 기능 불량 등 국지적인 인프라 취약점들이 홍수 피해를 심화시켰다. 따라서, 동복댐 하류 지역의 홍수 피해를 효과적으로 완화하기 위한 최우선 전략은 다음과 같다. 첫째, 기상 예측의 정확성을 높이고 이를 기반으로 강우 시작 전 댐 초기 수위를 선제적으로 낮추는 운영 프로토콜을 수립하고 실행해야 한다. 둘째, 댐 관리 규정의 불일치를 해소하고, 홍수 조절을 위한 하천유지용수 방류 능력을 확충하는 등 정책적, 물리적 제약을 개선해야 한다. 셋째, 제방 높이의 일관성을 확보하고, 배수 시설을 정비하는 등 하류 하천 인프라에 대한 목표 지향적인 구조적 개선이 이루어져야 한다.
본 연구의 결과는 동복댐뿐만 아니라 유사한 수문학적 특성을 가진 다른 댐 및 하천 유역의 홍수 관리 정책에도 중요한 시사점을 제공한다. 기후 변화로 인해 극한 강우 사상의 빈도와 강도가 증가하는 시대에, 홍수 관리의 패러다임은 반응적 대응에서 선제적 위험 관리로 전환되어야 한다. 이는 정확한 예측, 유연한 운영 규칙, 그리고 목표 지향적인 인프라 개선이 상호 보완적으로 작용하는 통합적인 접근 방식을 통해 달성될 수 있다. 궁극적으로, 이러한 적응형 관리 전략은 증가하는 기후 변동성에 대응하고, 강변 지역 사회의 안전을 확보하는 데 필수적이다.
감사의 글
이 논문은 2023학년도 동신대학교 연구년교수 연구비에 의하여 연구되었음.