1. 서 론
2. 대강구간의 개요 및 식생 흐름저항계수 산정 방법
2.1 대상구간의 개요
2.2 식생의 물리적 특성 조사 및 흐름저항계수 산정
2.3 수치모의 입력조건
3. 홍수터의 식생분포에 따른 수리특성 변화 분석
4. 결 론
1. 서 론
최근 기후변화에 따른 이상기후 현상으로 인해 국지성 호우 및 돌발 홍수의 발생이 더욱 빈번해지고 있으며, 강의 흐름을 제어하는 방식의 기존 하천정비로는 기후변화 시대에 그 피해가 더욱 크게 나타날 수 있다. 홍수가 발생할 경우 물이 넘쳐 일시적으로 저장되는 홍수터 구역을 제내지의 수변구역으로 확장하여 예측하기 힘든 극한홍수 발생시 침수되는 구역을 허용하는 방식의 하천관리 방안들이 적극 검토되고 있는 실정이다. 전세계적으로 홍수 예방과 하천관리가 비교적 잘 수립되어 있는 국가에서도 기후변화로 인한 파괴적인 홍수로 인해 막대한 피해가 발생하고 있다. 이제는 더 이상 하천 주변이 인간에게 안전한 공간이 아님을 인지하고, 기후변화 시대에 하천관리 구역과 공간을 물길에 제한하지 않고 큰 홍수가 발생할 경우 물이 범람하거나 침수되는 지역까지를 포함하는 새로운 접근 방법을 검토해야 할 시기이다.
기후변화로 인한 홍수위험의 증가 문제 외에도 하천의 홍수터는 하천변 개발과 제방 축조 등으로 인해 홍수저류, 생태연결, 수질오염원 소산 기능의 상실 등의 다양한 문제들이 나타나고 있다. 이러한 문제들을 해결하고 홍수터의 다양한 수환경 개선 효과를 누리고자 시도된 대표적인 사례가 네덜란드의 ‘Room for the River’ 프로젝트이다. 이 프로젝트는 2006년부터 2015년까지 기후변화로 인해 증가하는 홍수위 상승과 해수면 상승을 대비한 전통적인 홍수관리 방법을 개선하고자 하는 목적과 확장되는 홍수터 공간의 생태적, 친수적, 심미적 기능을 개선하고자 하는 목적을 모두 달성하기 위해 10년 동안 수행된 사업이었다 (van Alphen 2020). 수리적 안정성과 생태 건강성, 친수와 심미적 기능 사이의 균형을 추구함으로써 홍수 안전과 공간 기능의 질적 개선을 추구하였다. 또한 미국과 유럽 등에서 이와 비슷한 하천복원 및 홍수터 복원 사례들을 수행한 바 있다. 최근에는 기후변화 대책에 초점을 맞추어 하천, 해안, 저수지 등의 수환경 개선과 기후변화영향을 저감하는 방법으로 자연기반해법 (Nature-based Solutions)을 하천복원과 홍수터 복원 사업에 적극 도입하고 있다. 최상위 개념으로서의 자연기반해법은 생태기술, 생태계기반 재해위험저감, 그린인프라, 저영향개발, Blue-Green Infra (BGI) 등을 포함하며, 특히 유럽에서는 종다양성 전략 (EC 2011) 목표에 ‘2020년까지 (블루)그린인프라를 확립하고 훼손된 생태계를 최소 15%까지 복원하여 유럽의 생태계 및 생태계 서비스를 유지하고 증대한다’고 명시하고 있다. 유럽 (EC 2013)과 일본 (MOE 2016)은 그린인프라 개념에 홍수와 지진해일 같은 자연재해위험 저감을 위해 전통적인 제방, 댐과 같은 그레이인프라 정책과 더불어 해안역 복원, 홍수터 연결, 습지복원, 농업지역 저수지 조성, 도시지역의 투수성 증대 등을 통해 자연의 함수능력을 복원 증대하는 것까지 고려하고 있다 (Woo and Han 2020).
설계빈도를 초과하는 이상홍수에 대한 피해를 최소화하고 회복탄력성을 제고하는 전략으로 하천구역을 수변구역으로 확대하는 방안을 적용하거나 일부 제방고를 낮춰 극한홍수 발생시 허용침수 관리 구역으로 흐름을 유도하여 일부 홍수를 일시적으로 저류하는 방식을 도입하는 경우 자연기반해법에 기초한 수변구역 관리가 우선적으로 고려될 수 있다. 특히 상수보호구간 수변생태벨트사업 등과 연계하여 수변구역에서 경작활동을 최소화하고, 이러한 공간을 홍수터로 확장 및 침수유도 공간으로 조성함으로써, 자연성 기반의 공간 활용이 가능하고, 수환경 개선효과, 침수피해 최소화, 홍수저류공간 확대, 식생구간 및 수변림 조성을 통한 탄소흡수원 확보 등의 다양한 기능을 부여할 수 있다. 이러한 자연기반해법의 그린인프라를 활용한 하천 및 수변 공간 조성 방안을 수립하기 위해서는 확장된 홍수터에 자연적으로 또는 인공적으로 조성되는 다양한 식생대 또는 수변림의 물리적 특성과 분포를 고려한 수리해석 기술의 고도화가 반드시 필요하다.
하천변 식생 또는 수변 식생을 이러한 홍수터 복원 및 수변공간 조성에 자연기반해법의 일환으로 적극 활용할 경우 생태서식처의 제공, 강턱이나 하안 경사의 안정, 영양염류 또는 오염물 차단에 의한 수질 개선 등의 효과가 있는 반면, 식생으로 인한 흐름저항의 증가와 추가항력 발생으로 인해 홍수강도의 증가와 같은 부정적인 영향도 존재한다 (Augustijn et Al. 2008, Stone et al. 2013, Wang and Zhang 2019). 물론 기존의 홍수터를 확장함으로써 통수단면적이 증가한다는 점은 홍수위 상승으로 인한 재해 위험을 감소시키고 침수피해를 최소화한다는 긍정적인 효과는 있으나 조성 공간 내에 식생패치 및 수변림의 조성에 따른 흐름 특성의 변화를 분석하고 전체 시스템에 미치는 영향을 파악하는 것이 반드시 필요하다.
본 연구에서는 금강의 대청댐과 용담댐 사이의 본류 구간에 위치하고 있는 동대제 일부구간을 대상으로 만곡부 내측의 수변구역을 홍수터 확장구간으로 조성할 경우 식생의 분포 특성에 따른 홍수터와 하도의 흐름 특성 변화를 수치모델링을 통해 검토하였다. 특히 기존 모델링에서는 고려하지 못했던 홍수터 및 수변 구역의 식재된 식생의 물리적 특성을 고려하여 흐름저항 및 조도계수를 산정하였고, 이를 수치모의에 반영하였다. 본 연구에서 활용한 식생 흐름저항 공식은 단순히 실린더 형태의 식생 줄기만을 흐름 차단 요소로 고려하여 검증된 모델이기 때문에 버드나무와 같은 나무의 가지와 잎의 물리적 특성까지 고려할 수 있도록 현장 조사 및 실측 자료 기반의 흐름차단면적과 식생분포 밀도와 관련된 변수 산정을 별도로 수행하여 흐름저항계수를 산정하였다. 또한 식생의 물리적 특성을 정량화 하기 위한 방법으로 현장 매뉴얼 조사와 함께 지상라이다 측량을 통한 3차원 포인트 클라우드 데이터를 활용하였으며, 식생분포 구간을 제외한 대상구간의 조도계수 산정은 토지 피복 상태를 고려하여 수치모의에 적용하였다.
2. 대강구간의 개요 및 식생 흐름저항계수 산정 방법
2.1 대상구간의 개요
본 연구의 대상구간은 충청남도 영동군 심천면 장동리에 위치한 금강 대청댐 저류지 상류구간의 동대제 구간으로 만곡부 내측 제내지 수변구역 (약 275,635 m2)은 주로 농경지 및 일부 인삼 밭으로 활용되고 있으며 대부분 저지대에 해당된다 (Fig. 1). 해당 구간은 금강 본류의 수위 상승으로 인해 집중호우 발생시 내수침수 피해가 예상되는 지역이며, 실제로 과거 2002년 태풍 루사, 2003년 태풍 매미, 2004년 태풍 민들레, 2012년 태풍 볼라벤, 2020년 집중호우시 일부 내수침수 피해가 발생하였다. 장시간 홍수가 지속될 경우 고수부지가 장기간 동안 침수되어 내수배제 불량에 따른 농경지 침수 피해가 일부 발생하는 구간이기도 하다. 대상구간은 이러한 침수피해를 경감하고 하천으로의 오염원 유입을 개선하고자 금강수계 수변구역 관리기본계획의 수변생태밸트 조성 시범지역으로 선정된 구간이다. 또한 해당 수변구역은 매수토지 및 국공유지 비율이 높아 보다 적극적인 생태연결성 회복을 위해 기존의 제방을 제내지 측으로 후퇴하여 해당 수변구역을 하천 홍수터로 확장하는 방안이 고려되고 있는 구간이다.
2.2 식생의 물리적 특성 조사 및 흐름저항계수 산정
하천에 나무, 관목, 덤불 형태로 존재하는 식생은 높은 흐름저항의 주요원인이 되어 유속을 감소시키고 수위를 상승하게 한다 (Bennett et al. 2008, Shucksmith et al. 2011). 이는 상대적으로 적은 양의 식생이라도 흐름저항을 상당히 증가시킨다 (Nepf 1999). 식생의 흐름저항은 식생의 물리적 특성, 식생패치의 형태, 흐름조건에 따라 다르며 (Acrement and Schneider 1989, Nikora et al. 2008) 식생종과 그 계절적 특성에 따라서도 흐름저항 값이 달라진다 (Järvelä 2002a, De Doncker et al. 2009). 식생의 흐름저항을 모의하는 이론적, 실험적 연구는 개별식생을 원통형 모양의 실린더로 가정하고 흐름저항을 평가한 연구 (Stone and Shen 2002, Jordanova and James 2003, Tanino and Nepf 2008)가 상당히 많다. 반면, 잎이 많은 나무의 복잡한 물리적 특성을 최대한 고려하여 흐름저항을 평가한 연구 (Järvelä 2002a and 2002b, Armanini et al. 2005, Whittaker et al. 2015)들도 보고되고 있다. Green (2005)과 Nikora et al. (2008)은 현장연구를 통해 수중 식물의 물리적 특성과 물에 잠긴 상대적 비율이 흐름저항에 미치는 영향을 분석하였다. 그럼에도 불구하고 Albayrak et al. (2014)과 Biggs et al. (2019)이 언급한 바와 같이 이론적 해석모형이나 실험실 실험결과를 실제 현장규모로 확대하여 해석하는 것은 여전히 큰 불확실성이 있다. 식생하천의 실규모 과정은 개별 식생패치 형태의 이질성과 식생자체가 흐름에 의해 그 형태가 바뀌는 재구성 효과 등으로 인해 소규모 과정을 단순히 통합하여 해석할 수 있는 문제는 아니다.
본 연구에서는 실제 현장규모로 식생 흐름저항 공식을 확대 해석하는 과정에서 기존 모형이 갖고 있는 제한 사항을 개선하고자 식생 흐름저항 및 조도계수 산정을 위해 대상구간의 수변구역에 조성되어 있는 식생 샘플 대상으로 3차원 지상 라이다 스캐닝을 수행한 후 포인트 클라우드 기반으로 물리적 특성치를 산정하였다 (Fig. 2). 식생 샘플링을 위한 대상영역은 3,303.5 m2이며 식재된 식생 수는 총 169 그루이고, 이중 10 그루의 식생을 샘플링하여 물리적 특성을 분석하였다. 식생의 형태는 현장조사에서 기록된 자료에 기반하며, 식생의 높이 및 최대 폭, 줄기 직경은 3차원 포인트 클라우드 자료를 활용하여 추정하였다. 식생 투명면적의 경우 3차원 포인트 클라우드 자료를 2차원으로 변환하여 면적을 산출하였다. Fig. 3은 식생 샘플 8번의 투영면적 산정 과정을 나타낸 것이며, 총 599,127개 포인트를 2차원으로 변환한 것이다. 샘플 8번 식생의 투영면적은 6.29 m2로 산정되었다. 식생 10 그루에 대한 물리적 특성 분석 결과, 식생 샘플의 평균 높이는 3.1 m, 식생의 최대 폭은 2.15 m, 줄기 직경은 11.67 cm, 투영면적은 4.064 m2로 나타났다 (Table 1).
Table 1.
Physical properties of vegetation samples in the study site
대상구간의 식생 흐름저항 및 조도계수 산정은 정수조건에서 적용 가능한 Baptist (2005) 모델을 적용하였다.
여기서 Cr과 Cb는 각각 식생 부지 및 부지 내 바닥 흐름저항을 나타내는 Chézy 계수이며, CD는 항력계수, λ는 식생 밀도, N은 식생부지 내 식재 수, Av는 식생의 개별 흐름 투영면적, AB는 부지의 바닥 면적이다. Chézy 계수 C는 매닝계수 n으로 환산하여 수치모의에 적용하였다. Baptist (2005) 공식을 이용하여 대상 수변구역 (홍수터 확장 구역)의 흐름저항계수를 결정하기 위해 대상영역 식생의 대표 밀도 λ를 결정하였고, 이 때 식생의 개별 흐름 투영면적 Av는 Table 1에서 제시된 표본 투영면적의 평균값을 사용하였다. 부지의 바닥 면적 AB는 식생 물리적 특성 분석 대상영역의 면적인 3,303.5 m2을 적용하였고, 해당 구역 내 식재된 식생의 수 N은 169 그루가 적용되었다. 산정된 대상 수변구역 식생 밀도 λ는 0.208 m-1이다. CD는 일반적인 목본성 식생의 대표 값으로 Järvelä (2004)가 제시한 1.5를 적용하였다. 바닥 흐름저항계수 Cb는 대상구간의 금강 주하도의 흐름저항계수 (매닝계수 n으로 환산했을 경우 0.035)와 같다고 가정하였다. 해당 구간의 수변구역의 식재된 식생의 물리적 특성과 분포를 고려하여 산정된 최종 흐름저항계수는 매닝계수 n으로 환산 (최대홍수량 조건일 경우)할 경우 0.19인 것으로 나타났다.
2.3 수치모의 입력조건
본 연구에서 활용한 수치모형은 하천의 흐름 특성과 하상변동을 파악하기 위해 Mississippi 대학의 NCCHE (National Center for Computational Hydroscience and Engineering)에서 개발한 2차원 수치모형 CCHE2D (Center for Computational Hydroscience and Engineering 2-Dimensional)이다 (Jia and Wang 2001). CCHE2D 모형은 합류부 구간, 사주 구간, 기타 하천 구조물 지형에서도 지형 생성이 비교적 용이하다는 장점이 있다. 특히 본 연구에서 시도하고자 하는 대상구간의 제방을 제내지 측으로 후퇴하여 해당 수변구역을 하천 홍수터로 확장하기 위한 지형 작업과 그리드 작업이 해당 프로그램 내에서 가능하다.
본 연구에서는 금강 대상구간의 수치모의를 위한 지형구축을 위해 국토정보지리정보원에서 보유하고 있는 금강유역의 해상도 5 m 수치표고모델 (Digital Elevation Model, DEM) 자료를 이용하였다. 모의 대상구간은 고당제2세월교 하류부터 이원대교 상류까지 약 5.26 km이며, 이 구간의 하폭은 만곡부에서 약 300 m이다. 그리드는 해당 지형 조건과 DEM 해상도, 계산 시간 등을 고려하여 종횡방향 모두 20 m 간격의 그리드를 생성하였다. 특히 홍수터 확대가 예상되는 수변구역을 포함한 추가 모델링을 수행하기 위해 현재 지형 조건과 제방을 후퇴하여 수변구역이 홍수터로 포함되었을 경우의 이 두 가지 지형 조건을 고려하여 그리드 작업과 초기 지형을 구축하였다 (Fig. 4).
CCHE2D의 흐름 모델링을 위해서는 기본적으로 상류 경계조건의 유량과 하류 경계조건의 수위 외에도 조도계수, 총 모의 시간, 계산 간격, 마름 구간의 설정 등이 필요하다. 극한홍수가 발생했을 경우에 대해 제방 후퇴 전후 수리특성 변화를 분석하기 위해 2020년 발생한 홍수사상까지 반영된 개정된 계획홍수량 (7,948 m3/s)과 이 때의 하류 경계조건 수위 86.87 El.m를 적용하였다. 기타 설정값 및 입력 조건은 Table 2와 같다.
Table 2.
Input data for CCHE2D simulation
| Variables | Input Conditions |
| Turbulent Model Condition | Mixing Length Model |
| Wall Slipness Coefficient | 0.5 m |
| Depth to Consider Dry | 0.04 m |
| Time Step | 60 Second |
| Simulation Time | 86,400 Second |
본 연구의 수치모의 대상지역의 홍수터 구간 중 현재 식재된 구간의 조도계수는 앞서 설명한 바와 같이 현장에서 조사된 식생 샘플의 물리적 특성을 고려하여 산정된 매닝 조도계수 0.19를 적용하였고, 그 밖의 농지는 0.05, 초지는 0.035 값이 매닝 조도계수 값으로 사용되었다. 이는 Chow (1959)가 제시한 자연하천과 홍수터의 구성재료에 따른 매닝 계수 지표를 참고한 값이다. 또한 본 연구에서는 홍수터 조성 후 구간 내 대부분의 농지와 초지에 식생이 활착 될 것으로 가정한 모의를 수행하였으며, 이때 홍수터 전 구간에 0.19의 식생 조도계수를 적용한 케이스를 추가로 분석하였다. 제방을 후퇴하여 수변구역을 홍수터 구간으로 포함시키는 경우의 두가지 수치모의 시나리오 조건에서의 조도계수 값 분포는 Fig. 5와 같다.
3. 홍수터의 식생분포에 따른 수리특성 변화 분석
홍수터 식생분포에 따른 수치모의는 현재 제방선을 그대로 유지한 상태의 조건과 제방을 후퇴하여 수변구역을 홍수터 구간으로 포함시켰을 경우로 크게 나누어 수행되었다. 또한 제방의 이설로 인해 홍수터가 수변구역으로 보다 확장되는 조건에 대한 모의의 경우 확장된 홍수터 구간의 식생분포 상태가 현재 수변구역에 식재되어 있는 식생조건을 그대로 적용했을 경우와 수변구역에 현재 일부구간에 식재되어 있는 식생분포 조건이 전체 홍수터로 확대되었을 경우, 두 가지로 더욱 세분화하여 모의되었다.
첫번째, 현재 제방선이 그대로 유지되는 지형 조건에서 계획홍수량이 발생할 경우를 모의한 결과, 전체 모의 구간의 평균 수심은 약 10.59 m였으며, 평균 유속은 2.4 m/s인 것으로 나타났다 (Fig. 6). 그러나 모의구간 상류 접근수로에서 상대적으로 하폭이 감소하는 구간에서는 국부적으로 4 m/s 이상의 유속이 발생하였고, 평균 수위는 101.24 El.m로 동대제 평균 제방고인 101.82 El.m와 비교하였을 경우 0.58 m의 여유고가 확보되는 것으로 나타났다.
다음으로는 제방의 이설로 인해 홍수터가 수변구역으로 보다 확장되는 조건에 대해 모의를 수행하였으며, 확장된 홍수터 구간의 식생분포 상태가 현재 수변구역에 식재되어 있는 식생조건을 그대로 적용하였다. 수치모의 결과는 평균 수심이 약 9.7 m, 평균 유속은 2.02 m/s로 모의되었으며, 현재 제방선을 그대로 유지한 모의 결과보다 홍수터가 확장된 경우 평균 수심과 유속의 감소가 확연히 나타났다. 전체적인 평균수심과 평균유속 값의 저하는 홍수터 확장구간의 얕은 수심과 느린 유속 값들이 평균 값에 반영되었기 때문이며, 통수단면적 증가로 인해 주하도의 유속 저하도 함께 나타나는 것을 알 수 있다 (Fig. 7 (a), Fig. 7 (b)).
제방후퇴로 인해 수변구역까지 확장된 홍수터에 현재 식재된 식생의 물리적 특성과 밀도가 동일하게 전체 홍수터 구간에 적용된다고 가정하였을 경우의 모의 결과는 평균수심이 약 9.7 m, 평균유속이 2 m/s인 것으로 나타났다 (Fig. 7 (c), Fig. 7 (d)). 모의구간 전체의 평균수심과 평균유속 값은 홍수터 일부구간에 식생이 분포하는 조건과 크게 다르지 않았으나 홍수터 전체가 식생으로 분포하는 조건에서 홍수터의 유속저하가 확연히 나타났다.
홍수터 확장 구간의 수치모의 결과 (Fig. 8)를 구체적으로 살펴보면 홍수터 확장 구간의 식생분포가 현재 수변구역에 조성된 식생 상태와 동일하게 부분적으로 구성된 경우와 현재 수변구역의 국부적인 식생 밀도가 전체 공간에 대해 균일하게 분포하는 경우의 수치모의 결과가 국부적으로 차이가 있는 것을 확인할 수 있다. 홍수터 확장 구간에 국부적인 식생분포가 있는 경우는 식생이 조성된 위치와 그렇지 않은 지점의 유속 차이가 크게 나타났으며, 비유량 값에서도 차이가 나는 것을 확인할 수 있다. 홍수터가 확장된 구간 내에서의 유속은 일부구간 식생이 분포하는 조건에서는 0.819 m/s, 홍수터 확장 전체 구간에 식생이 분포하는 조건에서는 0.662 m/s로 0.157 m/s 차이가 발생하였으며, 비유량은 5.33 m2/s와 4.638 m2/s로 전체 식생이 분포하는 경우 0.629 m2/s 비유량이 감소하는 것을 알 수 있었다.
4. 결 론
본 연구에서는 금강 본류에 위치하고 있는 홍수터 일부 구간을 대상으로 식생의 물리적 특성을 고려한 흐름저항계수 산정을 위해 지상라이다 측량을 통해 획득한 식생의 3차원 포인트 클라우드를 분석하여 식생 흐름저항계수 산정을 위한 변수 값을 정량화 하였다. 이는 실제 현장규모로 기존의 식생 흐름저항 공식을 확대 해석하는 과정에서 기존 모형들이 갖고 있는 한계들을 개선하기 위한 방법 중 하나이며, 본 연구에서는 Baptist (2005) 공식을 이용하여 홍수터 식생분포에 따른 흐름저항계수를 산정하였다. 본 연구에서 산정된 식생 흐름저항계수는 계획홍수량이 발생하는 조건에서 매닝 조도계수 값 기준으로 0.19로 산정되었으며 이는 식생이 분포하지 않는 주하도의 흐름저항계수인 매닝 조도계수 0.035에 비해 5배 이상 되는 값이다.
대상구간에 대해 현재의 수변구역이 홍수터 확장구간으로 포함되어 식생분포 특성이 현재상태를 유지하는 부분적인 식생이 분포하는 경우와 홍수터 전체 구간에 식생이 동일한 조건으로 분포하는 경우에 대해 2차원 수치모의를 수행하였으며, 홍수터 식생의 흐름저항은 홍수터의 수리특성 뿐만 아니라 주하도의 유속 저하에도 영향을 미치는 것으로 나타났다. 또한 홍수터 구간에 식생이 일부 존재하는 경우와 전 구간에 걸쳐 분포하는 경우의 국부적인 유속 분포 차이도 크게 나타나는 것을 확인하였으며, 이는 비유량 값의 분포에도 영향을 미치는 것으로 나타났다.
본 연구의 대상구간에 대한 홍수터 식생 흐름저항계수와 흐름특성 변화 분석 결과에 따르면 식생의 물리적 특성과 밀도 및 분포 특성은 홍수터 및 주하도의 전체뿐만 아니라 국부적인 수리특성 변화에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 따라서 이러한 식생분포 특성에 따른 흐름저항 산정은 기존의 개발 공식을 활용할 경우 적용되는 변수 값의 산정을 위해 보다 개선된 방법들이 활용될 필요가 있다. 본 연구에서 제시하고 있는 식생 흐름저항계수 산정 모델 활용 방법은 Baptist (2005) 공식을 적용할 경우에 한정된 방법이며, 식생하도의 흐름특성 분석을 위해 선택되는 흐름저항계수 산정 모델에 따라 변수화 방법과 정량화 방법이 다르게 적용될 필요가 있다.
