하천평가기법을 이용한 대규모 하천 치수안정도 평가 및 낙동강수계 하천정비사업 효과 분석
Evaluation of Flood Control Stability for Large River using Index Assessment Method and Analysis on the Effect of River Management in Nakdong River Networks
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Abstract
최근 기후변화로 인하여 한반도에 발생하는 강우의 형상과 특성이 과거의 사상과는 다르게 변화하는 추세이며, 하천정비에 따른 통수능 변화 등으로 인하여 치수안정성에 대한 불확실성은 크게 증가한 상태이다. 하지만 치수대책 및 하천관리방안의 수립에 있어서 하천 단면의 시·공간적 변화를 고려한 대응방안수립은 부족한 실정이며, 이에 호우발생에 대한 하천의 통수능 관련 항목들을 정량화·지수화하고 이를 통한 치수안전도의 평가 및 합리적인 하천관리방안을 수립할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 서로 다른 통수능 관련 특성인자들을 하나의 맥락에서 정량적으로 비교할 수 있도록 지수평가기법을 통하여 하천환경정비사업의 홍수효과 분석 및 이를 바탕으로 하천의 치수안정성에 대한 성능지표를 제시하고자 하였다. 대상하천인 낙동강 및 1차 지류 하천에 대해 적용한 결과, 낙동강 본류의 경우 하천환경정비에 의해 등급상향이 발생한 구간은 85.1%이며, 이 중 2등급 이상 상향된 구간은 7.5%로 평가되었다. 지류하천의 경우 등급상향구간은 24.2%, 등급하향구간은 1.5%로 평가되었다. 본 연구에서 제안된 하천치수안정성 평가기법은 향후 하천정비 등 치수안정성을 고려한 하천관리방안 수립에 기초적인 정보를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.
Trans Abstract
Recently, the characteristics of rainfall occurring in Korea have been changed significantly because of global climate change, and in particular, the uncertainty of stability for flood mitigation has been increased, owing to river management projects such as channel alteration. However, the effective measuring systems in flood mitigation and river management considering the temporal/spatial changes of channel morphology have not been established to keep the national disaster security; thus, the countermeasures considering the rainfall occurrence and the conveyance of river are very demanded to be established with analyzing hydromorphic and hydrodynamic factors. Herein, we represents the indices system denoting vulnerability and stability of rivers, attributed to massive channel alteration projects in Nakdong river network, Korea, which shows that 85.1% of reach has been up-ranked, and in partiuclar, 7.5% of reach has 2-step up-ranked in Nakdong river and upgraded segment is 24.2% and downgraded segment is 1.5% in its first tributaries. The proposed evaluation system for river flood stability is expected to provide the informative data to stakeholders making decisions in the river management.
1. 서론
최근 돌발홍수, 집중호우, 연안지역 침수피해 등의 기상이변 발생빈도가 급격하게 증가하고 있으며, 이는 기후변화로 인한 기온과 강우패턴의 변화에 기인한다는 점은 이미 대중에게 널리 인식되고 있는 시점이다. 기온, 강우패턴 등의 기상수문학적 인자의 변화는 새로운 재해유형 및 그에 따른 위험지역의 변화를 초래하고 있어 이에 대한 새로운 하천관리 대응방안이 요구되지만 기 개발 및 적용되어온 하천시스템의 평가기법은 주로 중소 도심하천의 자연도 평가 및 하천환경복원 가능성 진단을 위함이며(Song et al., 2008; Shin et al., 2008; Kim et al., 2008), 실제 홍수 시 대하천 단위의 대규모치수안정성평가 및 하천정비사업 효과분석 등을 목적으로 한 평가기법의 개선 및 실적용 사례는 미비한 실정이다.
하천시스템 평가와 관련한 국내·외 연구를 살펴보면 국내의 경우 Song et al.(2008)은 국내·외 하천평가에 대한 문헌 및 연구 자료의 조사, 분석을 바탕으로 하천상태를 평가할 수 있는 평가인자를 개발하고 이를 통한 도시하천 평가기법을 개발하여 도시하천의 복원과 관리에 필요한 기초자료로써의 활용방안을 제시한 바 있으며, Shin et al.(2008)은 효과적인 도심 복개하천의 관리를 위해 부산시 도심 복개하천 20개소에 대해 도시하천평가기법을 적용하고 등급화를 통하여 도심하천의 복원가능성을 제시한 바 있다. 한편 Kim et al.(2011)은 일반적 월류, 세굴, 침하 및 지진 등으로 꼽히는 제방붕괴위험원인들을 검토하여 제방붕괴를 유발할 수 있는 하천의 위험인자들을 제시, 이를 토대로 하천 내 주요 지점에 대한 위험도를 산정할 수 있는 기법을 개발하였고, Kim et al.(2008)은 하천의 정비사업 이후 시간적 경과에 따른 안정화 및 적응정도에 초점을 맞추어 하천의 교란정도를 파악하기 위한 하천교란평가기법을 개발하였으며, 하천정비로 인한 물리적 하천교란을 지수평가기법을 통해 평가하고 이를 적용하여 비교분석을 수행하였다.
국외의 경우 1991년 스위스 하천보호법 적용을 위한 SMC프로토콜(Swiss modular concept for stream assessment)가 제시되었으며(Bundi et al., 2000), 다양한 평가항목을 나타내는 개별적인 평가기법들로 구성되어 있다. 미국에서는 U.S. Geological survey, U.S. Forest Service/U.S. Bureau of Land Management, U.S. Environmental Protection Agency에 의해 1977년 설립된 Clean Water Act가 광범위한 정량적 평가 프로토콜의 개발을 주도한 바 있으며(Stoddard et al., 2005, 2006), 이외에도 비용·시간 대비 효율성 확보를 위한 개략평가 프로토콜이 개발되었다(the qualitative habitat evaluation index of the Ohio Environmental Protection Agengy, USEPA’s Rapid bioassessment protocol). 독일의 German working group of the federal states on water issues(LAWA)은 각각 중·소규모 하천 및 대규모 하천의 하천 서식지 평가를 위해 26개 평가항목, 6가지 카테고리로 이루어진 두 가지 형태의 표준평가기법을 제시하였다(LAWA, 2000, Lawa, 2002; Weiss et al., 2008).
문헌조사결과 상기 연구에서 채택·적용한 지수평가기법들은 상이한 성격을 가지는 특성인자들을 하나의 맥락으로 정량적으로 비교할 수 있다는 면에서 그 장점이 있지만(Lee et al., 2009) 현재까지의 하천평가기법은 주로 중소 도심하천 대상 혹은 자연하천의 일부 구간에 대해 하천의 자연도 복원 가능성 진단을 위해 하천의 등급평가 위주로 기법 및 프로토콜이 개발되어 대하천 단위 대규모 치수안정성 분석을 목적으로 한 하천평가기법 적용사례는 미비하며, 평가방법에 있어서도 문헌조사 및 현장조사 결과에 따른 하천형태 위주의 분류·평가(a form-based system)가 주를 이루고 있어(A. Simon et al., 2007) 하천에 작용하는 수문지형학적 외부 영향요인과 하천의 저항력을 고려하는 등의 하천 종·횡·평면적 관측과 분석을 통한 연구사례가 미비하다. 하천평가방법 및 항목 또한 기법별로 다양하여 기법 간 비교 및 병합을 통한 표준화의 필요성이 대두되고 있다(Langhans et al., 2013).
한편 하천의 치수안정성 분석을 위한 하천평가기법은 물리적 모형에 기반을 둔 결정론적 평가기법(Deterministic, Physically based modelling approach)과 지수평가기법(Parametric approach, in use of indices system)으로 구분할 수 있다(Balica, 2013). 결정론적 평가기법은 물리현상의 모형화를 통해 직접적인 결과를 제시함으로써 하천의 국부적 위험성 파악 등에 좀더 용이하나, 적용대상 지역이 대하천 수계인 경우 상당한 모형구축시간 소요, 모형의 신뢰도 검증 등 적용성 부분에서 다소 어려운 점이 있다. 이에 비해 지수평가기법은 상대적으로 구축시간 소요에 효율적이고 향후 기후변화 등과 같은 다양한 외부영향인자 고려, 또한 지구단위별 치수계획 수립 및 치수사업 우선순위 결정 등에 있어 좀 더 활용성을 가질 수 있으며(Park et al., 2010), 결정론적 평가기법의 적용범위 설정 등을 위해 사전 적용할 수 있는 장점이 있다.
따라서 본 연구는 기존 도심하천평가를 목적으로 개발·적용된 하천평가기법을 조사·분석하고 이를 대규모 하천평가에 적용하기 위해 평가항목 및 기법을 수정·보완하여 대하천 평가를 위한 시스템의 기초를 제시하였으며, 이를 낙동강 및 주요 지류하천을 대상으로 적용하여 실제 대하천 수계에의 적용성을 검토하고 하천정비 전·후에 대한 치수안정도 등급화를 통해 하천정비사업의 효과를 검증하였다.
2. 대상지역
2.1 낙동강 유역
본 연구의 대상유역인 낙동강 유역은 한반도 동남부에 위치하며 북쪽으로는 한강유역, 서쪽으로는 금강 및 섬진강 유역과 접하고 동쪽으로는 태백산맥이 동해안 유역과 분수령을 형성하고 있는 우리나라 제2의 유역으로 유역면적은 남한면적의 25.9%인 23,384.21 km2, 유로연장은 510.36 km이다(MLIT, 2009).
낙동강 유역은 현재 4대강 사업으로 인해 제방 및 호안의 경우 정비가 완료된 시점이며 이로 인해 이수·치수상의 기능성은 확보한 상태이지만 하천횡단면의 정비 등으로 인해 구조적 측면에서 상당한 변화를 발생시켰으며, 치수적 기능은 상당히 증가하여 제방붕괴피해의 발생빈도는 상당히 감소하였으나 여전히 태풍 내습 등 홍수발생시 낙동강 수계 내 크고 작은 피해가 발생하고 있는 실정이다.
2.2 대상하천 선정
본 연구에서는 대상하천 선정 시 대하천 하천평가기법 개발 및 평가시스템 구축의 목적에 부합하도록 하천의 규모, 중요도 및 지형자료의 획득 여부를 감안하여 하천기본계획이 수립되어 있는 낙동강 본류 및 1차 지류하천(국가하천)으로 한정하였으며, 그 결과 수계 내 총 94개 1차 지류하천 중 국가하천 이상인 상류부(안동댐 하류~금호강 합류부) 하천 4개소, 하류부(금호강 합류부~낙동강 하구언)하천 4개소, 낙동강 본류 포함 총 9개 하천을 선정하였다(Fig. 1, Table 1).
Location of Study Rivers in Nakdong-River Basin.
Characteristics of the rivers in study area
3. 대하천 하천평가시스템
3.1 하천평가기법
일반적으로 홍수재해로 인한 피해의 특징은 사회적 혹은 자연적 성격을 지니고 있으며, 피해의 물리·구조적 원인으로는 소류력, 저수호안 및 둔치의 토성, 하천 구역 내 시설 및 구조물의 재료불일치, 호안 혹은 제방의 경사, 홍수 시 수충 여부 등이 포함된다. 최근의 하천환경정비는 이러한 피해원인의 분석과 하천시스템의 평면·종·횡적 개선을 통해 하천의 이·치수적 안정성 및 환경적 기능성을 확보하기 위함이지만 하천환경정비로 인한 하천의 대규모 변경 및 획일적 횡단면은 하천의 구조가 안정성을 포함할 때까지 이·치수적 불안정성을 내포하게 된다. 따라서 하천환경정비로 인한 하천의 물리·구조적 안정성 및 홍수방어능력 개선 등 홍수재해와 관련한 하천특성을 반영하는 평가지수 시스템은 시·공간적 속성을 포함하여야 하며, 하천평가기법을 적용한 후 그 적용성 및 하천정비에 대한 방향을 제시할 필요가 있다(Kim et al., 2008).
본 연구에서는 홍수재해 지수평가기법의 적용을 위하여 국내외 여러 사례에 대해 기 개발 및 적용되어 평가된 바 있는 하천평가기법들을 조사·분석하여 활용목적, 지수구성요소, 유사개념 평가항목들을 분석한 후 부문별로 분류하고 피해분석의 목적에 부합하도록 평가항목들을 선정, 수정하였다. 그리고 낙동강 및 주요지류하천에 대한 통합 수문·수리모형 구축을 통하여 평가항목별 하천의 수리 특성치를 추출하고 이에 대해 설정한 항목별 평가기준을 이용하여 지수화한 후 각 하천에 대해 평가등급을 부여하는 순으로 연구를 수행하였으며, 마지막으로 대상하천인 낙동강 및 1차 지류하천의 하천정비사업 전·후 결과를 비교함으로써 대하천 하천평가기법의 적용성 및 정비 사업을 통한 치수효과를 검토하였다. 연구진행절차는 Fig. 2에 나타낸 바와 같다.
Flowchart for flood control stability assessment in Nakdong river network.
3.2 통합 수리모형 구축
본 연구에서는 주요 지류하천 분석 시 낙동강 본류에 의한 배수영향 정도를 평가하기 위해 낙동강 본류와 지류하천을 통합하여 낙동강 수계에 대해 통합적인 홍수위 산정을 위한 수리모형을 구축하였으며(Fig. 3), 이때 낙동강 본류 및 지류하천의 횡단자료는 현재까지 수립된 하천기본계획 등의 자료를 이용하였다. 낙동강 본류구간은 4대강 하천정비사업 준공후 단면 (2013년)을 적용하였으며, 지류하천의 단면자료는 기수립된 하천기본계획상의 횡단면을 이용하였다. 각 하천 빈도별 홍수량 자료의 경우 낙동강 본류구간은「낙동강수계 하천기본계획(변경)」(MLIT, 2013)의 설계홍수량 자료를 이용하였으며, 지류하천은 각 하천별 하천기본계획의 설계홍수량 자료를 이용하였다. 본 연구에서 대규모 하천 평가 시 설계홍수량의 적용은 설계홍수 발생 시 해당 하천의 치수안정성을 평가하고 하천정비사업의 효과검증을 위함이며, 향후 태풍 등 실제홍수의 발생과 기후변화 시나리오와 같은 외부요인을 고려하여 하천의 치수안정성 분석이 가능하다.
Integrated flood elevation analysis model(HEC-RAS) in Nakdong river basin.
하천정비사업에 따른 하천내 수리구조물(다기능 보)의 경우 모두 수문을 개방한 상태로 모의하였고, 이는 적용 홍수량이 계획홍수량임을 감안할 때 적절한 것으로 판단되며 향후 평가 시에 홍수 시 댐-보 연계 운영방안 등을 고려하여 수리모형을 모의하면 좀 더 명확한 결과를 도출할 수 있을 것으로 판단된다.
3.3 하천평가기법항목 선정
본 연구에서는 낙동강 및 주요 지류하천의 치수안정성 지수평가기법의 적용을 위하여 국내·외 여러 사례에 대해 개발 및 적용되어 평가된 바 있는 하천평가기법들을 조사 분석하여 부문별로 분류하고 연구의 목적에 부합하도록 지수평가항목을 선정하였다. 조사·분류한 하천평가인자 항목 중 홍수방어부분과 관련이 있는 항목, 횡단면 자료를 이용하여 검토가 가능한 항목을 우선적으로 고려하였고, 평가항목으로써 사용가능성이 확인되고 객관적인 평가기준 제시가 가능한 인자들을 항목으로 선정하였으며 각 평가항목과 관련한 선행연구들은 다음과 같다.
KICT(2004)에서는 1987년 부터 2003년 까지 발생한 전체 758건의 제방붕괴사례를 조사하여 원인을 분석하였으며, 대부분의 제방붕괴는 월류, 침식, 제체 불안정, 구조물에 의한 파괴로 인해 발생하는 것으로 나타났다. 제방의 경우 제체의 부등침하나 제방재료의 변질 등으로 인해 제체는 불안정하게 되어 파이핑과 같은 제방 붕괴의 초기 증상이 나타나게 된다. Park(2011)은 제방의 안정성 정도에 대해 제체의 침하, 하천수 침투에 의한 누수 및 공동현상에 의한 파이핑을 주요 인자로 취급하였지만 그 메커니즘이 복잡하여 가시적 관찰을 통해 파이핑의 메커니즘과 과정을 확인할 수 있는 Hagerty(1991)의 방법을 제안하였다. 이에 따르면 가장 일반적인 제방붕괴의 형태는 파이핑 현상에 의해 제방에서 침식현상이 일어나면서 국부적인 제방의 붕괴가 발생하며 지반의 단단한층은 그대로 존재하면서 하부의 약한 층이 침식되어 캔틸레버 형태를 나타내다가 상층부의 무게에 붕괴되는 인장성 파괴와, 급경사의 제방에서 장기간의 침식에 의해 물결모양의 다층 급경사면이 형성되어 파괴에 이르는 과정으로 분류할 수 있다 (Hagerty, 1991). 따라서 본 연구에서는 하천평가를 위한 제방부문 평가항목으로써 통수능을 대변할 수 있는 여유고와 Hagerty(1991)가 제안한 제방침식정도를 판단할 수 있는 제방형태, 제방경사, 둑마루폭을 제방부문 평가항목으로 선정하였다.
한편 수로에서는 만곡도의 크기가 클수록 수충부에 작용하는 외력의 크기가 커지게 되며, 이로 인해 만곡부의 피해발생이 커지게 된다. 이러한 만곡부의 대표적인 피해발생으로는 만곡부 바깥쪽의 홍수위 상승, 제방 세굴과 수면교란영향으로 인한 피해, 수충과 유속 감소로 인한 에너지 손실 등 하천공학적 측면에서 크게 세 가지 문제가 일어나며 이의 해결을 위해서는 만곡부의 수리학적 거동에 대한 많은 연구 및 하천관리가 이루어져야한다(Woo, 2001).
Park(2011)은 하천의 하폭을 안정된 수위 유지와 흐름의 소통에 가장 중요한 요소로 인지하고 또한 통수능과 연관성이 높은 단면적을 결정하는데 크게 영향을 미친다고 보았다. 이에 대한 고찰을 위해 2차원 모형을 이용하여 하폭의 변화에 따른 수위, 유속의 변화량을 모의하였으며 이에 따르면 단면축소비에 따라 통수능의 감소에 의해 유속의 증가 및 수위의 상승이 크게 발생할 수 있다고 판단하였다.
침식이나 월류로 발생하는 제방붕괴는 홍수시 유수의 소류력이나 월류수의 소류력에 의해 제체 표면이나 비탈면이 침식되어 제체를 구성하는 토립자가 이송되는 것에 의해 발생하는 것으로, 강우의 침투에 의한 제체 표면의 강도 저하도깊이 관계하고 있는 것으로 추정된다(KICT, 2004).
대상 하천의 대부분 구간은 제방축조 및 저수로 정비를 실시하여 하천의 형상이 일정하게 유지되고 있으나 일부 골재채취, 기성제 보강, 강변로 개설 등으로 인한 부분적 하천의 형상변화가 발생하였고, 제방축조로 인하여 유로가 변경되면서 하도연장이 증감하였으며 일부 구간은 제방축조로 인한 직강화로 하도연장이 단축된 것으로 조사되었다(MLIT, 2013). 이러한 수로의 변경은 자연적으로 형성된 물길을 인위적으로 바꾸는 것으로 많은 위험성과 문제점을 가질 수 있고, 특히 홍수시 범람의 위험의 높이고 제방붕괴를 일으킬 수 있으므로 지양해야한다고 제시한 바 있다(Yoon, 2007).
Park(2011)은 하천의 구조물은 하도의 수리현상과 깊은 관계가 있으며, 특히 제방횡단구조물은 홍수시 제방의 취약점이 된다고 언급한 바 있다. 제방이 노후화될수록 제체의 안정성은 떨어지게 되며 제방에 접속된 하천의 구조물과 교량은 제방과의 접속력이 저하하게 되어 제방 및 수로에 직간접적으로 영향을 미치게 된다.
본 연구에서는 상기 선행 연구를 바탕으로 치수안정성 및 하천정비효과 분석을 위한 평가부문을 크게 제방부문과 하천부문으로 구분하여 각 부문별로 평가항목을 구성하였으며, 제방부문은 여유고(좌/우), 제방형태(좌/우), 제방경사(좌.우), 둑마루폭(좌/우)항목을 포함하였고, 수로부문은 만곡도, 단면축소/확대, 수로변경이력, 소류력, 횡구조물, 상부구조물, 횡단면 형상 항목을 포함하였다. 대규모 하천평가 및 하천정비사업 효과검증을 위해 총 2개 특성, 4개 평가부문, 11개의 평가항목으로 구성하였으며 각 평가부문별 항목 및 개수는 Table 2 에 나타낸 바와 같다.
Categorized Parameters used in River Index Assessment System
3.4 평가단위 및 척도
3.4.1 평가단위
Yoon(2007)의 연구에 따르면 하천평가의 단위는 하천의 시·공간적 규모를 고려해야 하고, 또한 평가결과를 반영할 수 있는 정보력을 갖추고 적극적인 조치와 관리가 이루어 질수 있도록 하도를 기준으로 하였으며, 하도의 평면형에 포함되는 인자는 하폭, 사행파장, 하도의 곡률 등이 있는데 이중 가장기본이 되는 인자는 하폭이고 이는 다른 인자들을 결정하는 기본 변수가 된다. 상기 연구에서는 하천의 규모를 반영하기 위해 평가의 단위를 하천 평균 저수로 폭의 5배로 하였다. 하지만 본 연구에서는 연구목적인 대하천 규모의 치수안정성평가 및 하천정비사업 효과검증을 목적으로 활용할 수 있고 하천의 수체에 평면 및 종·횡적으로 작용하는 물리적 외부인자와 저항인자를 고려하기 위해 가용할 수 있는 자료의 최소단위로써 각 지점별 횡단면을 이용하였고, 평가 규모를 감안할 때 각 지점의 횡단면은 인접 상·하류까지 단면간 구간에 대한 대표성을 가지고 지점단면간의 수리수문학적 특징은 동일하다고 가정하였다. 따라서 대상하천인 낙동강 및 주요지류하천을 대상으로 전체 지점에 대해 하천의 특성별 평가를 수행하였으며 또한 이를 시스템화하여 지점별로 치수사업 전·후의 효과 비교가 용이하도록 하였다(Fig. 4). 다만 평가지점의 수가 낙동강 893개소, 주요지류하천(8개 하천) 총 1,002개소로 이를 본 논문에 수록하기에는 다소 무리가 있어 Yoon(2007)의 연구를 바탕으로 하천의 하폭을 기준하여 낙동강 67개 구간, 그 외 지류하천 3~16개 구간으로 표출구간을 설정하였고, 또한 낙동강에 설치된 보를 중심으로 구간을 설정하여 대하천 하천정비사업 전·후의 효과를 검증하였다.
Assessment Result and Comparison (point-based) Example in Nakdong-River.
3.4.2 평가척도의 계량화
일반적인 표준화 방법에는 순위매기기, Z-score, re-scaling등 여러 방법이 있으며, 이 중 순위매기기는 가장 단순한 방법이나 객관적으로 판단하기 힘든 방법이다. Z-score법은 가장 보편적으로 사용되는 표준화방법이며, 모든 자료의 평균을0, 표준편차를 1이 되도록 만드는 방법이다. Re-scaling법은Z-score와는 다르게 지표의 범위를 고려한 변환방법이며, 이 방법은 지표들을 모두 동일하게 0~1사이의 범위를 갖게 하지만 자료의 극값에 의해 지표에서 왜곡된 효과를 줄 수 있다(Yang, 2012).
관련 선행연구에서 평가항목에 대한 점수부여는 기본적으로 Likert 척도법을 이용하거나(Yoon, 2007) 정량적 인자들에 대해 전체 평균을 구한 후 평균을 중심으로 점수별 구간을 배정하였으며(Park, 2011), 본 연구에서는 평가인자 중 실자료, 혹은 모의를 통해 수치적으로 산출할 수 있는 정량적 항목에 대해서는 Z-score법을 이용한 표준화 및 퍼센타일 분석을 통해 항목별 상대등급을 도출하기 용이하게 하였고, 정성적 항목에 대해서는 Likert 5점 척도법을 이용하여 점수를 부여하였다. 한편, 점수의 위계는 치수 적으로 유리한 경우에 9점, 불리한 경우 1점을 부여하였고, 부득이하게(하천내 구조물 관련 평가항목) 5점 척도가 불가능한 경우에는 3점 척도를 사용하였다(Table 3).
Criteria of Index in the Proposed River Index Evaluation System
여기서, Z: 표준화 값, X: 평가항목별 인자값, μ: 인자값의 평균, σ: 인자값의 표준편차.
또한, 부여한 항목별 점수를 평균하여 부문지수로 하였고, 부문지수의 평균을 특성지수, 특성지수의 평균을 총괄지수로 정의하여 이를 산정하였다.
여기서, l, m, n은 각 단계별 평가항목의 수.
3.4.3 이상치 제거
자료 분석 시 데이터의 경향에서 많이 벗어나는 이상치 값이 발생하는데 이에 대한 관리가 필요하다. 이상치(Outlier)란, 데이터의 범위에서 많이 벗어난 아주 작은 값이나 아주 큰 값을 말하며, 이들에 의해 전체 평균에 영향을 미치므로 지표의 신뢰도에 영향을 미칠 수 있으므로 의사결정을 위한 데이터 분석 시 신중하게 처리되어야 한다. 일반적으로 주로 사용되는 이상치 처리방법은 해당되는 값을 로그치환(log transforming), 양측 값이 일정 수준을 벗어나는 값들을 일괄적으로 상한, 하한 값으로 조정(winsorizing), 일정수준을 넘어가는 값을 제거(trimming)하는 방법 등이 있다. winsorizing 방법은 모든 데이터를 사용할 수 있으므로 데이터 손실율이 0이며, R-square등의 설명력이 높게 나오지 않으며, 자료의 극값이 상한, 하한으로 대체되는 등의 위험이 있다. trimming 방법의 경우 일반적으로 데이터 손실율이 큰 편이지만 R-square 등의 설명력이 높게 산정되며, trimming건수가 많아질수록 설명력이 높아지는 반면 데이터 손실율이 크다는 단점을 가지고 있다. 본 연구에서는 이상치 제거를 위해 각 평가항목별 평균(m)과 표준편차(σ)를 이용하였으며, 평가항목별 데이터가 표준정규분포를 따른다고 가정하면 m ± 2σ의 범위에 데이터의 95%가 포함된다고 볼 수 있다. 따라서 m − 2σ ~ m + 2σ의 구간을 벗어나는 값을 이상치로 판단하여 이를 제거한 후 표준화 기법을 적용하였다.
3.4.4 평가결과의 처리
Yoon(2007)은 하천평가등급에 대해 도시하천의 자연도 및 복원가능성을 기준으로 전체 구간을 5개 등급으로 구분하여 도심하천에 대해 의미를 부여하였으며, Park(2011)은 하천 수리특성분석 및 제방, 하천구조물의 노후화 정도를 고려한 홍수시 피해가능성의 정도를 위험도로 명명하여 평가 및 관리방안을 제시하였다. 위험도는 바람직하지 않은 결과가 발생할 수 있는 불확실한 상황(uncertain situation)으로 정의할 수 있고(Bax et al., 1998) 결국 위험도의 가장 중요한 내재적 속성은 불확실성(Wildavsky, 1988; Son et al, 2014)이다. 본 연구에서 각 등급에 대한 의미부여는「제방붕괴에 따른 피해 및 경제적 손실예측모형 개발」(Park, 2011)에 수록된 등급별 의미부여 방식에 준하였으나 연구목적인 대규모 하천평가 및 하천정비사업 효과분석의 목적에 부합하도록 치수안정성으로 명하여 의미를 수정하고(Table 4), 대상하천에 대해 제방/수로부문 특성지수, 총괄지수로 구분하여 상대적으로 안정성 및 취약성을 보이는 지점 및 구간을 산정하였다.
Criteria of Rank in the Proposed River Index Evaluation System
4. 적용 및 결과
4.1 제방부문 특성지수 평가결과
낙동강의 제방부문 특성지수 분포는 Fig. 5에 나타낸 바와 같이 정비 전 평균 3.29(1.50~6.05)에서 정비 후 평균 5.96(2.63~8.15)로 평가되었다. Fig. 5에서 하류부 일부 무제부 구간을 제외하고는 낙동강의 거의 전 구간에 걸쳐 상당한 지수의 변화를 보인다. 이는 낙동강 하천 정비 사업 시 수로 준설로 인해 평가항목인 여유고가 상당히 증가하고, 제방의 보강 및 축조로 인해 제방이 보다 완경사화 되는 등 외부인자인 홍수류 흐름에 대해 하천 통수능 및 제방의 저항능력이 개선되었다고 볼 수 있다. 일례로, Fig. 6에서 보듯이 낙동강에 위치한 포남제(낙동강 No. 421)의 경우 정비 사업으로 인해 여유고는 좌우 각 0.65/0.77 m 증가하였고, 제방형태는 변함이 없으나 제방경사가 양안 각 1:2.0에서 정비 사업으로 인해 양안 1:5.0으로 지수증가의 요인을 가지게 되었다. 특성 부문 평가결과는 이러한 하천 통수능 및 제방능력의 변화들이 지수로 나타난 결과이다. 또한 Table 5는 하천 정비 사업으로 인한 낙동강 본류 보 설치지점을 기준으로 지수를 평가한 것으로 칠곡보~구미보 구간(정비 전: 3.66, 정비 후: 7.34, 차이△: 3.68)이 가장 크게 개선된 것으로 나타났으며, 그 다음 달성보~강정고령보(정비 전: 3.60, 정비 후: 7.18, 차이△: 3.58), 합천창녕보~달성보(정비 전: 2.95, 정비 후: 6.47, 차이△: 3.52)의 순으로 나타났다. 낙동강하구언~창녕함안보(정비 전: 2.70, 정비 후: 4.61, 차이△: 1.91)의 경우 낙동강 타 구간에 비해 지수가 소폭 상향된 것으로 평가되었다.
Result of Assessment in Levee Category in Nakdong- River(Applied in Two Cases; Pre- and Post-development).
Comparison of the Status(Pre- & Post-) in Levee Category, Example.
Result of Assessment in Levee Category in Nakdong-River. Applied in Two Cases (Pre- and Post-development)
주요지류하천에 대한 제방부문 지수평가결과, 반변천 정비전 평균 4.14 (2.35~5.08), 정비 후 평균 5.11 (2.85~6.76), 내성천 정비 전 평균 3.10 (2.66~3.30), 정비 후 평균 3.54 (2.66~4.28), 감천 정비 전 평균 3.15 (2.65~3.88), 정비 후 평균 3.50 (2.90~4.88), 금호강 평균 3.75 (3.20~4.54), 정비 후 평균 4.07 (3.20~5.26), 황강 정비 전 평균 3.59 (2.68~4.83), 정비 후 평균 3.96 (2.66~5.19), 남강 정비 전 평균 3.73 (1.70~5.48), 정비 후 평균 4.17 (2.05~5.48), 밀양강 정비 전 평균 3.94 (3.25~5.41), 정비 후 평균 4.52 (3.53~5.76), 양산천 정비 전 평균 3.13 (2.84~3.40), 정비 후 평균 3.83 (3.28~4.67)로 나타나 하천의 모든 구간에서 지수가 동일 혹은 상승하였으나, 황강 일부구간의 경우 하천기본계획상 평면계획 변경에 따른 일부 홍수위 상승구간이 있어 지수의 소폭하락이 발생하였다.
4.2 수로부문 특성지수 평가
수로부문 평가결과, 낙동강의 경우 정비 전 평균 7.50(6.42~8.33), 정비 후 평균 7.68 (6.64~8.41) 으로 나타나 하천정비에 의해 수로부문 특성지수가 다소 상향된 것으로 평가되었다(Fig. 7). 이는 평가항목인 하천의 만곡도, 주수로 변경여부 등 일부항목이 과거 자료의 부족으로 인하여 정비 전·후가 동일하게 평가되었고, 횡구조물, 상부구조물 항목의 변화가 제방부문에 비해 많지 않아 정비에 따른 지수변화의 폭이 크지 않은 것으로 판단된다.
Result of Assessment in Stream Category in Nakdong-River(Applied in Two Cases; Pre- and Post-development).
Table 6은 하천 정비 사업으로 인한 낙동강 본류 보 설치지점을 기준으로 살펴본 것으로 낙단보~상주보 구간(정비 전: 7.34, 정비 후: 7.74, 차이△: 0.40)이 가장 크게 개선된 것으로 나타났으며, 그 다음 강정고령보~칠곡보(정비 전: 7.64, 정비 후: 7.91, 차이△: 0.28), 칠곡보~구미보(정비 전 7.20, 정비 후 7.45, 차이△: 0.25)의 순으로 나타났다. 한편 상주보~상류단구간(정비 전: 7.15, 정비 후: 7.13, 차이 △:–0.02)은 지수가 다소 하락한 것으로 평가되었다. 상주보~상류단 구간의 경우 소류력과 횡단면형상 평가결과는 정비사업 전후로 차이를 나타내지 않았으나 보·교량등 하천내 구조물의 신규 설치로 인해 지수가 다소 하락한 것으로 파악되었다.
Result of Assessment in Stream Category in Nakdong-River(Applied in Two Cases; Pre- and Post-development)
주요지류하천에 대한 수로부문 지수평가결과, 반변천 정비 전 평균 6.40 (5.96~6.77), 정비 후 평균 6.19 (5.88~~6.48), 내성천 정비 전 평균 7.01 (6.57~7.83), 정비 후 평균 6.98 (6.49~7.76), 감천 정비 전 평균 6.35 (5.97~6.69), 정비 후 평균 6.40 (6.07~6.72), 금호강 정비 전 평균 6.62 (5.40~7.31), 정비 후 평균 6.59 (5.40~7.16), 황강 정비 전 평균 7.21 (6.71~7.75), 정비 후 평균 7.15 (6.74~7.68), 남강 정비 전 평균 7.65 (6.47~7.97), 정비 후 평균 7.65 (6.47~7.97), 밀양강정비 전 평균 7.18 (6.35~8.00), 정비 후 평균 7.15 (6.34~8.00), 양산천 정비 전 평균 7.18 (6.69~7.99), 정비 후 평균 7.12 (6.61~7.88)로 나타나 주로 지수가 동일 혹은 하락하였으며 이는 하천 정비 후 유속의 증가로 인한 소류력 평가항목 지수의 하락이 원인인 것으로 판단된다.
4.3 총괄지수 평가결과
각 하천에 대해 구간별 총괄지수 및 등급 평가결과를 Table 7 및 Fig. 8에 각각 나타내었다. 낙동강의 지수분포는 정비 전 평균 5.34 (3.76~6.92)에서 정비 후 평균 6.72 (3.98~7.98)로 나타나고 있어 전반적으로 개선된 하천구조를 나타내고 있으며, 하천정비완료 후 시간이 경과함에 따라 충분한 통수능 증대 및 횡단면의 자연형상 회복으로 인해 하천의 구조적 안정성이 증가한 것으로 판단된다.
Result of assessment for the rivers in colligated level
Result of Assessment in colligated level in Nakdong-River(Applied in Two Cases; Pre- and Post-development).
낙동강 구간별 평가결과, 하천 정비 후 등급이 상향된 구간은 57개 구간으로, 이중 1등급 상향은 52개 구간, 2등급상향은 5개 구간으로 평가되었다. 각 하천 구간별 총괄평가등급 변화에 대한 공간적 분포양상은 Fig. 9에 나타낸 바와 같다.
Spatial Distribution of the Result Variation in Colligated Level as Time Passed.
주요지류하천 총괄지수 및 등급 평가결과, 하천환경 정비로 인해 등급 상향된 구간은 반변천 2개 구간, 내성천 0개 구간, 감천 0개 구간, 금호강 1개 구간, 황강 3개 구간, 남강 6개 구간, 밀양강 3개 구간, 양산천 1개 구간으로 평가되었으며, 하천 정비 후 등급이 하향된 구간은 황강 1개 구간으로 이는 하천평면계획 변경으로 인한 홍수위 및 소류력의 증가로 인해 지수가 하락한 것으로 판단된다.
5. 결론
본 연구는 낙동강 수계 하천에 대해 홍수 발생 시 하천의 물리적 구조분석을 통하여 피해발생 가능성이 높은 지역을 선정하고, 향후 하천환경정비사업 등의 수행 시 우선순위 결정 및 유지관리의 방향성 제시를 위한 기초자료를 제공할 수 있도록 지수평가 시스템을 통한 하천평가기법을 개발하였다. 국내외 하천평가기법의 사례의 조사·분석을 통하여 제방부문과 수로부문으로 나누어 하천의 지형학적 특성을 분석하고 이를 지수화 하였으며, 특히 하천정비사업 수행 전·후를 비교하여 하천정비사업의 치수안정도 효과를 검증하였으며, 본 연구에서 도출된 결론은 다음과 같다.
1) 낙동강을 기본으로 각 하천별 하천기본계획을 모두 고려하여 검토대상 하천을 선정하였고 1개의 본류하천, 8개의 지류하천으로 하천의 D/B를 구축하고 이에 대한 통합 수문·수리모형을 구축한 후 수리학적 인자들을 추출하였다.
2) 국내외·하천평가기법들의 사례를 조사·분석하여 홍수피해와 관련한 평가항목을 도출하고 이를 2개 특성, 4개 평가부문, 11개 평가항목으로 구성하여 낙동강 및 주요지류하천에 대한 평가를 수행하였다.
2) 하천정비로 인한 구조적 변화여부 분석 및 평가를 위해 하천별 적정 평가단위를 설정하고, 평가척도로는 Z-score를 이용한 표준화 기법 및 Likert 5점 척도법을 이용하여 하천평가인자들을 지수화 하였다.
3) 제방부문 하쳔 평가 결과, 하천정비에 의해 낙동강 구간별로 0.20~4.31 (평균: 2.67)의 지수 상향을 보여 치수안정성이 증가하였고, 주요지류하천 또한 하천정비에 의해 구간별로 대부분 지수 증가의 양상을 나타내었다(황강 일부구간은 하천평면계획에 따른 홍수위 증가의 원인으로 지수 일부 하락).
4) 하천부문 하천평가결과, 하천정비에 의해 낙동강 구간별로 –0.36~0.64 (평균: 0.18)의 지수변동을 보였으며, 소류력, 유로변경여부, 하천 내 횡구조물/상부구조물, 횡단면형상 등의 인자에 지수하락의 원인이 내포된 것으로 파악되었다. 지류하천의 경우 하천정비에 의해 지수가 동일 혹은 하락한 것으로 평가되었으며 이 또한 정비 후 유속증가로 인한 소류력 평가항목 및 하천 내 구조물, 횡단면 형상 항목에서의 지수하락이 원인인 것으로 평가되었다.
5) 총괄부문 하천평가등급결과, 낙동강 구간별 평가결과 1등급 상향구간은 52개소 (77.6%), 2등급 상향구간은 5개소 (7.5%)로 평가되었다. 지류하천 총괄부문 하천평가등급결과, 지류하천 총 66 개 구간 중 등급상향구간은 16 개소 (24.2%), 등급하향구간은 1개소 (1.5%)로 평가되었고 나머지 49 개소 (74.3%)는 등급의 변화가 없는 것으로 평가되었다.
6) 연구결과 하천환경 정비 후 평가등급이 낮거나 하천특성의 변화가 나타난 구간에 대해서는 하천관리 단계에서 하천의 과도한 구조적 변경을 지양하여야 할 것으로 판단되며, 또한 이를 이용하여 하천의 형태 및 수리학적 특성변화 파악을 통한 향후 하천계획의 수립에 기여할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 본 연구에서 구축한 낙동강 본류 및 지류 통합 수문·수리모형을 바탕으로 향후 국가 및 지방하천을 연계한 통합유지관리시스템을 구축할 필요가 있으며 이를 이용하여 하천
유지 관리 시 의사결정의 합리성과 질적 수준 향상을 도모할 수 있을 것으로 판단된다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부 부산지방국토관리청의 지원으로 수행한 “국가하천 태풍 피해조사”의 일환으로 수행되었으며, 이에 감사드립니다.