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J. Korean Soc. Hazard Mitig. > Volume 17(3); 2017 > Article
친수구역 안전성 평가를 위한 2차원 침수 해석

Abstract

Waterfront areae is being expanded and operated in upstream of some weirs constructed after the Four Major Rivers Project. Therefore, the accurate hydraulic analysis and flood prediction in the floodplain and a systematic evacuation plan to protect the human life and property in the waterfront area. In this study, two-dimensional (2D) flood analysis using high accuracy topographic data was conducted in the upstream of Nakdong river. For the verification of the 2D model, the measured water levels for Typhoon ’Sanba’ in 2012 were applied. The 2D flood analysis model was modified with reference to the formula proposed by Anastasiou and Chan (1997) so that the water level condition can be applied as the upstream boundary condition. The model was divided into three cases based on the upstream boundary condition and the accuracy was analyzed by comparing the calculated water level with the measured water level for each case. In addition, flood area and depth were investigated in the waterfront area (campground and Gyeongcheon island) according to the flood discharge by frequency in the study area. It is expected that the flood analysis method and results that can accurately predict the flood depth and area using the 2D numerical model presented in this study can contribute to establishment of systematic disaster prevention measures for the waterfront area.

요지

4대강 사업으로 건설된 일부 보의 상류부에는 친수공간이 확대, 운영되고 있다. 따라서 보 상류부 친수공간에서의 인명과 재산을 보호하기 위해 홍수터 지역에 대한 정확한 수리분석 및 홍수예측과 이를 기반으로 하는 체계적인 대피계획이 필요하게 되었다. 본 연구에서는 낙동강 상주보 상류 구간을 대상으로 고정확도 지형자료를 이용한 2차원 홍수해석을 수행하였다. 모형의 검증을 위해 2012년 태풍 ‘산바’ 사상에 대한 실측 홍수위를 사용하였으며, 상류단 경계조건으로 수위조건의 적용이 가능하도록 Anastasiou and Chan(1997)이 제안한 수위조건식을 참고하여 2차원 홍수해석 모형을 수정하였다. 상류단 경계조건에 따라 모형을 3가지의 경우로 구분하고, 각 경우별 계산수위와 관측수위와의 비교를 통해 정확성 분석을 수행하였다. 또한, 대상구간에서의 빈도별 홍수량에 따른 친수구역(캠핑장과 경천섬)에서의 침수정도와 침수심을 조사하였다. 본 연구에서 보여준 2차원 수치모형을 이용한 정확한 침수심과 침수범위를 산정할 수 있는 홍수해석 방법 및 결과는 친수구역에 대한 체계적인 방재대책 수립에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

1. 서론

하천과 유역에서의 흐름 계산모형은 일반적으로 장래의 수위 및 유량의 추정치에 대한 계산 결과를 제공한다. 이러한 흐름 모형의 계산결과는 관측치만으로 예측 가능한 수준에 비해 홍수가능성에 대한 향상된 정보와 조기경보 제공 및 복잡한 상황 해석에 도움을 준다. 흐름 예측을 위한 모형의 주요 형태로 자료기반형, 개념적⋅물리적기반 강우-유출 모형과 수문학적⋅동수역학적 흐름 추적 모형 등으로 구분할 수 있다. 하천 수위 및 유량예측을 위한 자료동화기법 또한 널리 사용되고 있으며, 이러한 예측모형은 점점 더 확률론적 또는 앙상블(종합적) 접근법을 기반으로 하여 진화하고 있다.
홍수예측 모형은 홍수 예⋅경보 발령시 홍수심 및 홍수파 도달시간에 대한 정보를 제공하기도 하고, 홍수방어 대책 수립시 정책 입안자나 실무자가 더 나은 의사결정을 할 수 있도록 여러 가지 발생 가능한 상황에 대한 추가적인 정보를 생성하여 제공하기도 한다. 또한, 홍수예측 모형은 오경보 또는 경보누락의 가능성을 감소시켜 공공 및 민간 보호 단체에 대해 홍수에 대비할 더 많은 시간을 제공하기도 한다. 충분한 대비시간을 가진 사전 경보는 개인재산을 보호하는 홍수 방재활동과 하천통제 구조물 운영과의 연계를 통해 홍수 범위의 감소를 가능하게 한다.
지난 20년 동안 홍수예측을 위한 다양한 2차원 수치모형이 개발되어 여러 유형의 홍수를 예측하고 모델링하는데 이용되어 왔다. 특히, 충격파(shock wave)를 가진 천이류의 해석에 유리한 Riemann 근사해법의 적용으로 고관성(high-inertia) 홍수류의 해석에 유리한 Godunov형 유한체적기법의 비약적 발전이 있었으며, 이 기법을 적용한 2차원 모형들은 댐 및 제방붕괴와 같은 극한홍수(Valiani et al., 2002; Liao et al., 2007; Wang et al., 2011; Kim and Sanders, 2016), 도시홍수(Tsubaki and Fujita, 2010; Guinot, 2011; Kim et al., 2015), 해안 홍수(Delis et al., 2008; Gallien et al., 2011) 등에 성공적으로 적용되고 있다.
2011년 4월부터 국가하천 주변지역을 체계적, 계획적으로 조성 및 이용하여 그에 따라 발생하는 개발이익을 하천의 정비 및 관리 등에 활용함으로써 공공복리의 증진에 기여할 목적으로 「친수구역활용에 관한 특별법」(이하 친수법)이 시행되었다. 친수법에서는 국가하천의 주변지역 중 지속가능한 친수공간을 친수구역으로 지정하여 주거, 상업, 산업, 문화, 관광, 레저 등의 기능을 갖추도록 조성함으로써, 지역경제 활성화 및 지역별 특성화 발전을 도모하도록 하고 있다(http://www.molit.go.kr). 친수구역 조성은 8가지의 기본방향에 따라 이루어지도록 하고 있으며(http://www.law.go.kr), 그 중 첫 번째가 이상홍수로 인한 제방의 월류, 파괴 등에도 친수구역 내 인명, 재산 피해가 최소화되도록 하는 것이다. 이에 따라, 4대강 친수구역에 대한 홍수 해석 및 위험도 분석을 위한 연구가 시작되었으며, Ku et al.(2015)는 Nays2D 모형을 낙동강 강정고령보-달성보 구간에 적용하여 태풍 ‘산바’ 사상에 대한 홍수터구간에서의 수리학적 영향을 분석하고, 친수시설 홍수위험도 평가를 수행하였고, Park et al. (2015)은 다양한 유량조건에 따른 낙동강 낙단보의 운영 조건을 고려한 2차원 수리분석으로 낙단보 상류의 친수공간 활용을 검토하였다. Sung et al.(2015)는 영산강 유역에 대해 FLDWAV (Fread and Lewis, 1998)와 ArcGIS를 활용한 1차원 수리해석 및 친수지구 침수예측결과를 가시화한 ‘홍수알리미 앱’을 통해 영산강 친수지구 침수예측결과를 조화할 수 있음을 소개하였으며, Ministry of Land, Infrastructure and Transport (MOLIT, 2016)는 영산강과 섬진강수계를 대상으로 하천 내 친수지구를 안전하게 관리하기 위하여 침수도표 및 침수정보를 제공하여 홍수정보를 쉽게 제공받을 수 있도록 홍수정보 제공 체계를 개발하였다.
4대강 사업 후 우리나라 주요 하천 유역에는 16개의 보가 건설되었고, 보의 상류부에서는 생태형 친수공간 조성, 수변공원 조성, 야영지 조성, 자전거 도로 설치 등 수변구역을 확대하여 운영하고 있으나, 친수구역 조성의 첫 번째 기본방향을 지키기 위한 연구 및 노력은 시작단계로 상당히 미흡한 편이다. 또한, 최근에 기후변화에 따라 국지적인 돌발호우가 빈번히 발생됨에 따라 이러한 상황하에서 보 상류부의 인명과 재산을 보호하기 위해서 홍수터지역에 대한 홍수예측이 필요하게 되어, 보다 정교한 수리분석을 통해서 체계적인 대피계획의 수립이 중요한 이유가 되고 있다.
따라서, 본 연구에서는 낙동강 상주보 상류 구간에서 야영장 및 친수구역이 조성된 곳에 돌발적인 홍수유입에 따른 홍수터 구간에서의 2차원 수리해석을 실시하고, 그 결과를 분석함으로써 체계적인 방재계획 수립에 도움을 주고자 한다. 즉, 하천과 홍수터에서의 흐름 및 홍수예측을 위해서 세밀한 지형정보를 바탕으로 격자망을 구성하고, 이를 기초로 2차원 흐름 및 홍수해석을 수행하였다. 태풍 ‘산바’ 사상을 이용하여 2차원 모형을 검증하였으며, 모형의 검증과정에서 상류단 경계조건에 따른 정확성을 검토하였다. 그리고 나서 상주보 상류에 위치한 친수구역인 캠핑장(송악공원)과 경천섬에 대한 빈도별 홍수량에 따른 수위를 검토하여 홍수발생시 친수구역에 머물고 있는 야영객, 관광객, 및 방문객 등에게 안전한 대피계획에 대한 정보를 제공하고자 한다.

2. 적용 모형

2.1 지배방정식 및 수치기법

본 연구에서는 대상구간에 대한 하천에서의 흐름해석과 제방 월류로 인한 홍수터에서의 침수해석을 위해 Kim et al.(2014)이 개발한 2차원 Godunov형 유한체적모형을 적용하였다. 적용 모형은 2차원 천수방정식을 지배방정식으로 하며, Eq. (1)과 같이 지배방정식을 벡터형태로 나타낼 수 있다.
(1)
Ut+F(U)X+G(U)Y=S(U)+Q(U)
여기서, U 는 보존변수들로 이루어진 물리적 벡터, 그리고 F(U) 및 G(U) 는 각각 x와 y방향의 흐름율(Flux), S(U) 는 하상경사 및 마찰경사항 그리고 Q(U) 는 생성/소멸항이다.Q(U)항은 흐름 및 홍수해석에서 강우, 맨홀의 월류량, 보(Weir)의 지형을 고려하지 않은 유출량 등을 고려할 수 있다.
(2a)
U=[hhuhv]F(U)=[huhu2+1/2(gh2)huv]G(U)=[huhuvhu2+1/2(gh2)]
(2b)
S(U)=[0gh(S0xSfx)gh(S0ySfy)]Q(U)=[Q00]
u와 v는 각각 x와 y 방향의 속도, g는 중력가속도, h는 수심, S0 는 하상경사로 x 및 y 방향에 대해 각각 S0x = - δzb/δx 로 표현되며, SfxSfy는 각각 x 및 y 방향의 마찰경사이다.
2차원 홍수해석 모형의 계산격자 경계면(Interface)에서의 질량 및 운동량의 흐름율을 계산하기 위해서 본 연구에서는 HLLC (Harten, Lax and van Leer for contact wave) 근사 Riemann 해법을 적용하였다. HLLC Riemann 해의 구조는 파속 SLSR 그리고 S* 에 따라 보존변수 U가 네 개의 구간으로 나누어지며, 각 구간에서의 보존변수가 결정되면 HLLC 흐름율은 Eq. (3)을 이용하여 계산한다(Toro, 2001).
(3)
FHLLC={FLF·L=FL+SL(U·LUL)F·R=FR+SR(U·RUR)FR0SLSL0S*S*0SR0SR
여기서, 아래첨자 L 과 R은 각각 격자 경계면(Interface)에서의 좌측 (계산격자)과 우측 (인접격자)를 나타낸다. FL = F(UL)과FR = F(UR)은 각각 계산격자 및 인접격자에서의 흐름율, UL 과 UL 은 각각 계산격자 및 인접격자에서의 보존변수(UT = [h, hu, hv]T, F*L과 F*R은 각각 접촉파 (Contact wave)에 의해 분리되는 구간의 좌측과 우측에서의 흐름율, SL, SR 그리고 S* 는 각각 접촉파 구간의 좌측과 우측 그리고 접촉파 구간에서의 파속이며, SL, SR 그리고S* 을 계산하기 위한 자세한 조건과 방정식은 Kim et al.(2014)를 참고할 수 있다.
본 연구에서는 n+1 시간단계의 격자 중심에서의 보존변수 Ui를 계산하기 위해서 다음과 같은 2단계 시간분할기법을 적용하였다. 첫 번째 단계(n과 n*)에서는 흐름율 F(U) 와 G(U) 가 고려되고(Eq. 4a), 두 번째 단계(n* 과 n+1) 에서는 첫 번째 단계에서 계산된 보존변수 U*I 와 하상경사 및 마찰경사항 S(U) 그리고 생성/소멸항인Q(U) 가 고려되어 다음 시간단계(n+1)에서의 보존변수가 계산되어진다(Eq. 4b).
(4a)
Uin*=UinΔtAi(k=1Ni(F·nG·n)knLik)
(4b)
Uin+1=Uin*ΔtAi(S+Q)in*
여기서 Ai 및 Ni 는 각각 계산격자(i)의 면적 및 계산격자를 구성하고 있는 경계면의 수 그리고 Li, k는 격자 ik번째 경계면 길이를 나타낸다.

2.2 수위 경계조건 처리

천수방정식은 2개의 변수를 가진 쌍곡선형 편미분방정식으로 구성된 연립방정식으로, 이러한 천수방정식을 해석하기 위해서는 2개의 흐름변수를 가진 초기조건과 경계조건이 필요하다. 경계조건은 흐름 영역에 따라 결정되며 상류흐름(Subcritical flow)의 경우, 상류단과 하류단에 각각 한 개의 물리적인 경계조건이 필요하고, 사류흐름(Supercritical flow)의 경우 상류단에 2개의 물리적인 경계조건이 필요하다. 상류상태의 자연하천에서는 경계조건으로 상류단에서는 유량 유입조건, 하류단에서는 수위가 지정되는 경우가 일반적이다. 이처럼 경계조건으로 상류단 유량수문곡선과 하류단 수위수문곡선이 지정되었다면, 지정된 경계조건을 이용하여 상류단은 미지의 유속 및 수위 그리고 하류단은 미지의 유속에 대한 계산을 수행한다.
하지만, 대상구간은 4대강 사업이 수행된 유역으로 본 연구에서는 이 사업이 완료된 이후인 2014년 측량된 하천 지형단면을 적용하였지만 이에 대한 수위-유량관계곡선식이 제공되지 않는 구간이다. 사업 전인 2004년과 2009년에 대한 관계곡선식은 존재한다. 수위 관측소에서 측정된 수위를 2004년과 2009년의 관계곡선식으로 변환된 유량을 상류단 경계조건으로 적용하기에는 4대강 사업으로 많은 지형변화가 발생하였으므로 정확성에 문제가 있을 것으로 판단이 되었다. 따라서, 본 연구에서는 상류단 경계조건으로 수위를 적용할 수 있도록, Anastasiou and Chan(1997)에서 제안한 수위 경계조건식을 참고하여 Kim et al.(2014)가 개발한 2차원 모형을 수정하였다.
상류단 및 하류단 경계조건으로 수위가 지정될 경우, 상류흐름 조건에서는 모형의 초기조건과 경계조건으로 주어진 수위를 이용한 Eq. (5a)와 (6a)를 적용하여 계산 격자내에서의 계산이 이루어진다. 즉, 초기조건 값인 uLhL 과 경계조건 값으로 주어진 hB 를 이용하여 경계 지정격자의 유속인 uR 이 계산된다. 사류흐름 조건에서는 특성선 이론에 따라 상류단 경계조건에 완전한 유입조건, 즉 유량과 수위를 모두 입력해야 하므로, 상류단에서는 hRuR 은 각각 경계조건으로 주어진 수위hB 와 입력 유량으로부터 계산될 수 있으며(Eq. (5b)), 하류단에서는hR, uR, vR은 각각 초기조건 값으로 주어 hL, uL, vL 로부터 계산된다(Eq. (6b)).
(5a)
상류단상류hR=hB,uR=uL+g(hLhR,uR=0
(5b)
경계조건사류hR=hB,uR=uB,uR=0
(6a)
하류단상류hR=hB,uR=uL+g(hLhR,uR=uL
(6b)
경계조건사류hR=hL,uR=uL,uR=uL

3. 연구유역 및 모형 입력자료의 구성

3.1 연구유역

본 연구의 대상유역은 낙동강 상류의 달지수위표에서 상주보 구간으로 거리는 약 19 km이다. 대상구간 내에는 달지, 말응, 사벌 수위관측소가 존재하며, 최하류단에는 상주보가 위치해 있고, 말응과 사벌 수위표 사이에 영강이 지류로 유입하고 있다(Fig. 1(a)). Fig. 1(b)는 대상구간에서 친수구역인 캠핑장(송악공원)과 경천섬을 확대하여 보여주며, Fig. 1(c)는 홍수기 친수구역내 위락객이나 관광객들의 홍수에 대한 안전을 위한 위험 경고문을 보여준다.
Fig. 1
Study Area
KOSHAM_17_03_319_fig_1.jpg
4대강 사업으로 조성되었으나 방치되어 있는 낙동강 생태공원 이용의 활성화와 다양한 국민관광 수요의 대응 및 체류형 관광기반을 구축하기 위해서, 상주보 인근 상류지역은 2014년 국민여가캠핑장 조성 공모사업에 선정되었다. 주요 사업내용으로는 숙영시설로 오토캠핑장 60면, 일반캠핑장 20면, 캠핑카라반 6대, 편의시설로는 관리소, 취사장, 화장실, 다목적 운동장, 주차장 등이 건설되며, 2017년 3월까지 공사가 완료될 예정이다. 또한 경천섬에는 생태공원이 조성되어 있으며, 부지면적은 저수부 260×103 m2, 고수부 201×103 m2으로서 낙동강살리기 상주지구 생태하천 조성사업의 일환으로 기존의 하중도를 일부 성토하여 조성되어 있다(Sangju-si, 2014). 캠핑장 및 경천섬으로 이루어진 친수구역은 홍수기 상류부 돌발홍수 발생 등으로 위락객들이 위험에 처할 수도 있는 곳으로, 이에 대한 안전 대책수립이 필요한 지역으로 판단되어 본 연구의 대상유역으로 선정하였다.
대상구간의 최하류단에는 상주보가 위치하고 있으며, 상주보는 낙동강 상류부에 병성천 유입 직상류부에 위치하고 있는 다기능보로서 유역면적 7,047 km2, 보의 수문은 롤러게이트 타입과 전동식 가동보로 구성되어 있으며, 관리수위 EL 47.0 m로 운영되고 있다. 보의 관리수위는 대상구간의 빈도별 홍수량을 고려한 친수구역의 홍수위 검토시 하류단 경계조건으로 적용하였다.

3.2 입력자료의 구성

3.2.1 지형자료 구축

2014년에 500 m 간격으로 낙동강 전 구간에 대한 하천 측량이 수행되었으며, 본 연구에서는 대상구간에 대해 측량된 하천단면을 이용하여 2차원 모의를 위한 하천지형 자료를 구축하였다. 하지만, 500 m 간격으로 측량된 하천단면으로 2차원 모형의 적용을 위한 하천지형 구축 시 직선구간에서는 큰 어려움이 없으나, 만곡구간에서는 실제 지형을 왜곡할 수 있는 문제점이 발생할 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 기존 500 m로 측량된 단면을 구간에 따라 HEC-RAS 모형의 단면 보간 방법을 통해 20∼100 m 간격으로 더욱 세분화하여 앞서 언급한 문제점을 해결하고자 하였다. Fig. 2(a)에서 붉은색 선은 500 m 간격으로 측량된 단면을 보여주고, 푸른색 선은 측량된 단면을 기준으로 20∼100 m 간격 보간된 단면을 보여준다.
Fig. 2
Topographic Data
KOSHAM_17_03_319_fig_2.jpg
홍수터 지형의 고려를 위해서는 수치지형도, 캠핑장 조성을 위한 측량 자료 그리고 상주보 인근지역 상세 측량자료를 활용하였다. 제방을 월류하여 홍수터로 범람이 발생하는 흐름 모의를 위해 국토지리정보원(http://www.ngii.go.kr)에서 제공하는 1:5,000 축척의 수치지형도를 사용하였다. Fig. 2(b)는 수치지형도로부터 추출된 지형고를 포함하고 있는 등고선과 점 자료들을 보여준다. 조성중인 캠핑장(송악공원)의 표고는 수치지형도 및 상주시(2014)가 캠핑장 조성 사업시 측량한 자료(Fig. 2(c))를 이용하였으며, 경천섬 인근에서 상주보까지는 수자원공사에서 측량한 상세 지형자료를 이용하였다(Fig. 2(d)). Fig. 3Fig. 2에서 보여준 하천과 홍수터 그리고 경천섬에서의 지형자료를 ArcGIS를 통해 구축된 Triangulated Irregular Network (TIN)과 대상구간에서의 대표적인 일부 하천 단면을 보여준다.
Fig. 3
Triangulated Irregular Network (TIN) and Channel Bathymetry
KOSHAM_17_03_319_fig_3.jpg

3.2.2 2차원 지형격자 생성

2차원 모형에 적용할 격자는 SMS (Surface-Water Modeling System)를 이용하여 하천은 사각격자, 경천섬 및 캠핑장을 포함하는 홍수터에 대해서는 삼각격자를 구성하였다. 하천의 횡방향으로는 해상도가 8∼67 m 범위내에서 평균 26 m 간격으로 격자를 구성하였으며, 종방향으로는 24∼67 m 범위내에서 평균 42 m 간격으로 격자를 구성하였다. 경천섬 및 홍수터에 대해서는 평균 30 m 해상도로 삼각격자를 구성하였다. 하천을 구성한 사각격자는 5,460개, 경천섬 및 홍수터를 구성한 삼각격자는 6,931개로 대상유역에 대해 총 12,391개의 격자를 구성하여 2차원 흐름해석을 수행하였다. 본 연구에서 적용한 대상유역에 대한 격자의 정보는 Table 1에 정리하여 나타내었다.
Table 1
Mesh Information
Classification Mesh type Mesh resolution (m) Number of mesh
Tranverse Longitudinal
Channel Quadrilateral Range Average Range Average 5,460
8-67 26 24-67 42
Floodplain Triangle 30 6,931
Fig. 4는 대상유역 전체 구간에 대해 하천에서는 사각격자, 경천섬과 홍수터에서는 삼각격자로 구성한 2차원 모형의 적용을 위한 구성 격자를 보여준다. Fig. 4(a)는 전체 대상구 간에 대한 격자의 구성을 보여주며, Fig. 4(b)는 본 연구의 관심영역인 캠핑장(송악공원)과 경천섬에 대해 확대한 격자의 구성을 Fig. 4(c)는 동일 영역에 대해 격자의 절점에 물린 지형의 표고를 3차원으로 표현한 지형고를 보여준다. 각 격자의 절점에 지형의 표고를 표현하기 위해서, 연구유역의 TIN (Fig. 3)의 표고를 ArcGIS 활용하여 추출하고 그 값을 Fig. 4에서 보여준 격자의 절점에 삽입하였다.
Fig. 4
Generated Mesh for 2D Flow and Flood Analysis
KOSHAM_17_03_319_fig_4.jpg

4. 2차원 흐름 및 홍수 해석

4.1 모형의 검증

본 연구에서는 4대강 사업 후에 측량된 낙동강 하천단면을 적용하였다. 따라서 적용모형에 대한 검증을 위해, 4대강 사업 완료 후 부터 최근까지 발생한 가장 큰 홍수사상 중 하나인 태풍 ‘산바’ 사상을 이용하였다. 태풍 ‘산바’는 2012년 9월 11일 북서태평양에서 발생하여 16일 오후에 제주도에 상륙한 후 17일 오전에 중심기압 965 hPa 규모로 한반도에 상륙한 5등급의 대규모 태풍이다. 비록 한반도에 상륙한 이후에는 전성기에 비해 그 규모가 다소 약화되었지만, 태풍 상륙 전후로 강풍과 집중호우를 동반하면서 큰 피해가 발생했다. 특히 영남지방을 관통하는 태풍의 경로 때문에 낙동강 유역에 많은 침수피해와 산사태 등의 피해를 발생시켰다(Kim, 2013).
태풍 ‘산바’ 사상을 이용한 모형의 검증을 위해 20012년 9월 16일 00:00∼9월 20일 24:00 (4일) 기간에 대해 국가수자원관리종합정보시스템(http://wamis.go.kr) 으로부터 달지, 말응 그리고 사벌 관측소에서의 수위자료를, 한국수자원공사(http://kwater.or.kr)로부터 상주보에서의 수위자료를 취득하였다. Fig. 5는 태풍 ‘산바’ 사상 동안 달지, 말응, 사벌 관측소 및 상주보에서 관측된 수위를 보여준다. 본 연구에서는 달지 관측소에서 측정된 수위는 상류단 경계조건, 말응과 사벌 관측소에서 측정된 수위는 모형 검증을 위한 비교수위로 그리고 상주보에서의 수위는 모형의 하류단 경계조건으로 적용하였다.
Fig. 5
Measured Water Level in Study Area
KOSHAM_17_03_319_fig_5.jpg
연구 대상구간의 상류단인 달지 관측소에서의 수위-유량 관계곡선은 현재 국가수자원관리종합정보시스템에서 2004년과 2009년에 대한 관계 곡선식만이 제공되고 있다. Table 2는 달지 수위표에서의 2004년(Ministry of Construction and Transportation, MOCT)과 2009년(Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, MLTM)의 수위-유량 관계곡선식을 보여준다. 하지만, 2004년과 2009년은 4대강 사업이 완료되지 않은 기간으로 이 시기의 수위-유량 관계곡선식만을 사용하는 것은 부적절하다고 판단되어, 본 연구에서는 2004년과 2009년의 관계곡선식을 적용하여 산정된 유량과 더불어 2012년 태풍 ‘산바’ 사상동안 측정된 수위도 함께 상류단 경계조건으로 적용하고, 계산된 결과를 비교하였다. 2장에서도 설명하였듯이, 본 연구에서는 2차원 흐름 및 범람해석 모형의 상류단 경계조건으로 수위가 적용 가능하도록 2차원 모형을 수정하여 적용하였다.
Table 2
Rating Curve Equations at Dalji Gage Station
Station Water level η(m) Rating curve equation Q: (m3/s)
Dalji (MOCT, 2004) η≤0.59 Q=12.142(η+1.00)2.400
0.59<η≤1.54 Q=262.522(η-0.60)1.176
1.54<η≤7.23 Q=26.646(η+1.00)2.300
7.23<η≤12.7 Q=963.894(η-3.80)1.100
Dalji (MLTM, 2009) -0.35≤η≤1.20 Q=33.789(η+0.350)2.760
1.20<η≤2.90 Q=38.876(η+0.350)2.440
-0.35≤η≤1.60 Q=47.152(η+0.350)2.151
1.60<η≤2.90 Q=38.876(η+0.350)2.440
2.90<η≤7.50 Q=28.190(η+0.900)2.395
7.50<η≤10.54 Q=25.130(η+0.950)2.442
수정된 2차원 모형을 이용한 상류단 경계조건에 대한 영향 평가를 위해 Table 3과 같이 세 가지 경우로 시나리오를 구성하였다. 첫 번째 경우(Case 1)은 상류단 경계조건이 태풍 ‘산바’ 당시 달지 관측소에서 실측된 수위, 두 번째 경우(Case 2)는 실측된 수위를 2004년 수위-유량 관계곡선식으로 산정된 유량 그리고 세 번째 경우(Case 3)는 실측된 수위를 2009년 수위-유량 관계곡선식으로 산정된 유량으로 적용하였다. 하류단 경계조건은 세 경우 모두 상주보에서 실측한 수위를 적용하였다. 수정된 2차원 모형의 적용성 검증을 위해 1차원 하천해석 모형인 HEC-RAS (U.S. Army Corps of Engineers, Davis, California)도 동일한 조건으로 모의를 수행하고, 2차원 모형과의 결과를 비교하였다. 각 경우별 계산수위와 관측수위와의 정량적인 정확성 평가를 위해 본 연구에서는 Eq. (7)에서 보여주는 L1 오차를 이용하였다.
Table 3
Boundary Condition for Each Case
Case Boundary condition
Upstream (Dalji station–Fig. 6) Downstream (Sangju weir–Fig. 5)
Case 1 Water level (η) Water level (η)
Case 2 Converted discharge (Q) from Rating Curve, 2004 Water level (η)
Case 3 Converted discharge (Q) from Rating Curve, 2009 Water level (η)
(7)
L1(η1,η2)=i=1N|(η1)i(η2)i|N
여기서, η1 과η2 는 각각 계산 및 관측 수위, N은 전체 자료의 수를 의미한다.
Fig. 6에는 Table 3의 각 경우별 상류단 경계조건을 그래프로 나타내었으며, 태풍 ‘산바’ 당시 달지 관측소에 실측된 수위(Case 1), 실측수위를 2004년(Case 2)과 2009년(Case 3) 관계곡선식으로 변환된 유량을 보여준다. Fig. 6Table 3에서 보여준 각 경우별 조건에 따라 상류단 경계조건을 적용하고, Fig. 5에서 보여준 상주보의 관측 수위를 하류단 경계조건으로 적용한 모의를 수행하였다.
Fig. 6
Upstream Boundary Condition at Dalji Gage Station
KOSHAM_17_03_319_fig_6.jpg
말응 및 사벌 관측소에서 2차원 모형과 HEC-RAS 모형에 대한 각 경우별 계산 수위와 실측 수위에 대한 비교는 Figs. 78에 각각 나타내었다. 2차원 홍수해석 모형의 비교결과는 Fig. 7에서 보여주듯이, 말응 관측소 지점에서 Case 3는 첨두유량을 과대 산정하였고, Case 1과 2는 합리적인 결과를 보여주었다. Case 1은 첨두유량을 다소 과소 산정한 반면, Case 2는 첨두유량은 비교적 정확한 계산을 하였지만, 다른 부분에서는 Case 1보다 부정확한 결과를 보여주었다. 사벌 관측소 지점에서는 세 경우 모두 첨두유량을 다소 과대 산정하였으나, Case 1 경우는 Case 2와 3에 비해 그 차이가 크지 않았다. HEC-RAS 모형의 비교결과, 말응 관측소 지점에서 Case 3는 과대 산정되었으나, Case 2와 3는 과소 산정되어 세 경우 모두 부정확한 결과를 보여주었다. 사벌 관측소 지점에서는 Case 1은 비교적 정확한 결과를 보여주었으나, Case 2와 3는 과소 산정되었다. 이처럼 본 연구의 대상구간에 적용한 1차원 모형과 2차원 모형의 계산결과가 다소 차이가 나는 원인으로는 두 모형간의 하천 지형의 차이로 판단된다. 즉, 1차원 모형의 하천 지형을 2차원 모형에 그대로 반영하는 것은 어려운 일이며, 이러한 하천 지형의 불일치는 두 모형간의 계산 수위 차이를 유발 할 수 있다.
Fig. 7
Comparison Between Measured and Computed Water Level (2D Model) at Two Gage Stations
KOSHAM_17_03_319_fig_7.jpg
Fig. 8
Comparison Between Measured and Computed Water Level (HEC-RAS) at Two Gage Stations
KOSHAM_17_03_319_fig_8.jpg
말응 및 사벌 관측소 지점에서 실측수위와 각 경우별 계산수위와의 오차(L1)를 산정하여 Table 4에 나타내었다. 4대강 사업 전의 지형을 기준으로 작성된 2004년과 2009년의 관계곡선식으로 변환된 유량을 상류단 경계조건으로 적용한 Case 2와 3은 2차원 모형에서는 두 지점의 평균오차가 각각 12.1 cm와 22.6 cm, HEC-RAS 모형에서는 각각 32.7 cm와 28.3 cm인 반면, 실측된 수위자료를 적용한 Case 1은 평균오차가 2차원 모형에서는 9.52 cm, HEC-RAS 모형에서는 15.3 cm로 두 모형 모두 가장 작은 오차를 보여주었다.
Table 4
L11Error for Each Case (unit: cm)
Model Case 1: L1 (cm) Case 2: L1 (cm) Case 3: L1 (cm)
Maleung Sabeol Maleung Sabeol Maleung Sabeol
2D Model 9.9 9.1 12.2 12.0 24.7 17.5
HEC-RAS 19.3 11.3 47.4 18.0 40.8 15.8

4.2 빈도별 홍수량에 따른 수위 검토

태풍 ‘산바’ 사상을 이용하여 검증된 2차원 모형을 이용하여 빈도별 홍수량에 따른 상주보 상류에 위치한 캠핑장(송악공원)과 경천섬에서의 침수심과 침수양상을 분석하였다. 낙동강 대상구간에서의 빈도별 홍수량은 Ministry of Land, Infrastructure and Transport (MOLIT, 2012)의 자료를 이용하였고 조사된 구간별 홍수량은 Table 5에 정리하여 나타내었다. Table 5에서 보여주는 빈도별 홍수량을 상류단 경계조건과 지류유입량으로 적용하고, 하류단 경계조건은 상주보의 관리수위인 EL. 47.0 m를 적용하여 본 연구의 관심영역인 캠핑장과 경천섬에 대한 2차원 홍수해석을 수행하였다. 빈도별 홍수량에 대해 캠핑장과 경천섬에서의 수심 및 그 변화량을 알아보기 위해 Fig. 9에서 보여주는 것과 같이 캠핑장(A, B) 및 경천섬(C, D)에서의 수심을 산정하여 Fig. 10에 나타내었다.
Table 5
L1 Flood Discharge by Frequency of 30, 50, 80 and 100 yr. (MOLIT, 2012)
Station Flood discharge by frequency (m3/s)
30 yr. 50 yr. 80 yr. 100 yr.
After joining Naesung Stream 8,100 8,900 9,400 9,700
Young River 1,000 1,100 1,300 1,400
After joining Young River 9,100 1,0000 10,700 11,100
Fig. 9
Four Spots for Water Depth Estimation; Campground (A, B) and Gyeongcheon Island (C, D)
KOSHAM_17_03_319_fig_9.jpg
Fig. 10
Water Depth by Frequency at A, B, C and D Spots Shown in Fig. 9
KOSHAM_17_03_319_fig_10.jpg
Fig. 10은 30, 50, 80 그리고 100년 빈도별 홍수량에 대해 Fig. 9에서 보여주는 캠핑장(A, B)과 경천섬(C, D) 지점에서 산정된 홍수심을 보여준다. Fig. 9에서 볼 수 있듯이, A와 C 지점은 각각 캠핑장과 경천섬의 입구 부분으로 지형고가 상대적으로 낮은 지역이며, B와 D 지점은 각각 캠핑장과 경천섬의 중앙 부분으로 지형고가 높은 지역이다. 30년 빈도 홍수량부터 캠핑장과 경천섬은 침수가 발생하며, 빈도별 홍수량이 증가할수록 침수심도 증가함을 보여준다. 그리고 캠핑장과 경천섬의 입구 부분은 중앙 부분보다 1.5∼2배 가량 더 깊은 침수가 발생하였다.
Fig. 11은 빈도별 홍수량에 대해 2차원 모형에서 계산된 최대 홍수심을 도시한 결과를 보여준다. 30년과 50년 빈도 홍수량에 대해서는 캠핑장 및 경천섬의 일부는 침수가 발생하지 않은 반면, 80년과 100년 빈도의 홍수량에서는 캠핑장과 경천섬 대부분의 지역에서 침수가 발생하였다. 이처럼 2차원 모형을 적용하면 Fig. 11과 같이 침수발생 여부뿐만 아니라 돌발홍수나 침수 발생시 Fig. 10과 같이 위험이 예상되는 지역에 대한 침수심의 계산이 가능하여 홍수방어 대책수립에 1차원 해석모형보다 정확성과 효율성에서 상당한 장점을 지니고 있다.
상주보 상류부 위치한 송악공원과 경천섬 인근 지역에는 위락 및 캠핑시설이 위치하고 있고 하계 휴가철에는 많은 방문객이 있어 돌발홍수 및 태풍의 내습시 철저한 안전대책 확립이 중요하다. 본 연구에서 제시한 2차원 수치모형의 적용방법론 및 모의결과를 이용한다면 정확한 침수범위를 산정할 수 있게 되어 체계적인 대피계획을 수립에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
Fig. 11
Maximum Water Depth by Design Flood; (a) 30-yr. (b) 50-yr. (c) 80-yr and (d) 100-yr.
KOSHAM_17_03_319_fig_11.jpg

5. 결론

친수법의 시행으로 국가하천의 주변지역 중 지속가능한 친수공간을 친수구역으로 지정하여 주거, 상업, 산업, 문화, 관광, 레저 등의 기능을 갖추도록 조성함으로써, 4대강 사업으로 건설된 일부 보의 상류부에는 수변공원, 야영지, 자전거 도로 등이 조성되는 등 친수공간이 확대, 운영되고 있다. 따라서, 보 상류부 친수공간에서의 인명과 재산을 보호하기 위해 홍수터 지역에 대한 정확한 수리분석 및 홍수예측과 이를 기반으로 하는 체계적인 대피계획이 필요하게 되었다. 본 연구에서는 낙동강 상주보 상류에 친수구역으로 조성된 캠핑장(송악공원)과 경천섬에 대한 2차원 수리해석을 수행하고 그 결과를 분석하였다. 본 연구의 주요 결과는 다음과 같다.
  • (1) 낙동강 달지수위표∼상주보 구간을 대상으로 하천 측량자료, 상주보 상류부에 친수공간 조성사업으로 측량된 홍수터 지형자료 및 상주보 상류 인근에 대한 상세 측량자료를 기초로 한 고해상도 2차원 격자망을 구성하여, 안동댐, 임하댐, 영주댐으로부터의 급격한 방류나 지류로부터의 돌발적인 홍수유입 등의 조건에서도 정확한 수리해석이 가능한 2차원 흐름 및 홍수해석 모형을 구축하였다. 또한, 2차원 모형의 해석결과 비교를 위해 1차원 하천해석모형인 HEC-RAS도 대상구간에 대해 구축하였다.

  • (2) 구축된 2차원 모형의 검증을 위해서 2012년 태풍 ‘산바’ 사상에 대한 실측 홍수위 조건을 적용하였다. 상류단 경계조건으로 수위조건의 적용이 가능하도록 2차원 유한체적 모형을 수정하였으며, 상류단 경계조건에 따라 3가지의 경우로 구분하고, 각 경우별 계산수위를 말응 및 사벌지점 실측 수위와의 비교를 통해 정확성 분석을 수행하였다.

  • (3) 상류단 경계조건에 따른 모형의 정확성에 대한 정량적 분석을 위해 L1 오차를 산정하였다. 2차원 모형의 경우, 2004년과 2009년의 관계곡선식으로 변환된 유량을 상류단 경계조건으로 적용한 Case 2와 3의 평균오차는 각각 12.1 cm와 22.6 cm인 반면, 실측된 수위자료를 적용한 Case 1은 평균오차가 9.52 cm로 가장 높은 정확도를 보여주었다. HEC-RAS의 경우, Case1, 2와 3의 평균오차는 각각 15.3 cm, 32.7 cm와 28.3 cm로 2차원 모형과 마찬가지로 Case 1이 가장 정확한 결과를 보여주었지만, 2차원 모형보다는 다소 높은 오차를 나타내었다.

  • (4) 검증된 모형을 바탕으로 하여 대상구간에서의 빈도별 홍수량에 따른 친수구역에서의 침수정도와 침수심을 조사하였다. 즉, 30년, 50년, 80년 그리고 100년 빈도 홍수량을 상류단 경계조건으로, 하류단 경계조건은 상주보의 관리수위를 적용하여, 대상지역(캠핑장과 경천섬)에서의 홍수발생여부와 홍수심을 조사 및 산정하여 홍수기 친수구역에서의 홍수위험에 대비할 수 있는 근거를 마련하였다.

친수구역의 확대 및 운영으로 보 상류부에는 캠핑시설을 포함한 많은 위락시설이 위치하고 있고 하계 휴가철에는 많은 위락객들이 방문하고 있어 돌발홍수 및 태풍의 내습시 철저한 안전대책 확립이 필요하다. 본 연구에서 보여준 2차원 수치모형을 이용한 정확한 침수심과 침수범위를 산정할 수 있는 홍수해석 방법 및 결과는 친수구역에 대한 체계적인 방재대책 수립에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

감사의 글

본 연구는 국토교통부 물관리연구사업의 연구비지원(16AWMP-B079625-03)에 의해 수행되었습니다.

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