1. 서 론
2. 연구 방법
2.1 금강 대청댐 상류 대상구간 개요
2.2 하천구역 변화 및 홍수터 복원 가능 지역 도출을 위한 고지도 분석
2.3 홍수완충공간의 저류효과 분석을 위한 1차원 부정류 수치모의
3. 결 과
3.1 하천구역의 변화
3.2 홍수터 복원 구역 선정 및 홍수완충공간의 유효 저류용량 평가
3.3 홍수완충공간 조성에 따른 홍수저감 능력 분석
4. 결 론
1. 서 론
기후위기 시대의 하천관리 및 하천복원은 극한홍수의 피해저감과 더불어 생물의 종 다양성을 확보하고 자연과 인간의 공존을 위한 하천환경의 건강성을 제고하는 방향으로 변화하고 있다. 국내외 여러 국가에서 최근 기후변화에 기인한 극한홍수 발생으로 인해 수변지역의 극심한 홍수피해를 경험하였으며, 하천의 홍수범람 공간을 제내지로 적극 확대하려는 노력이 시도되고 있다. 특히, 네덜란드의 ‘Room for the River’ 사업이 가장 대표적인 사례라고 할 수 있다 (Jeroen et al. 2012). 이러한 사업은 수변구역의 제내지 일부를 홍수시 범람 구간으로 허용하면서 평수시에는 생태서식처 제공 및 친수공간으로 활용하는 다목적 하천복원 사업이다. 우리나라의 경우 하천 수변구역은 제방이 건설되기 이전에 홍수시 유수가 범람하는 평탄한 지형인 경우가 많았다. 홍수터는 육상환경과 수환경의 전이대로 하천의 수로와 횡적으로 연결되며, 홍수시에 홍수터와 하도 간의 유수, 유사 및 퇴적물질의 순환이 이루어지는 공간이다 (Junk et al. 1989). 따라서 홍수터 본연의 기능에는 홍수완충공간의 역할뿐만 아니라 하천과 배후지의 생태연결성을 개선하는 잠재적 효과도 포함되어 있다.
산업화된 사회의 대다수 하천에서 하도 준설, 하도 직강화, 제방축조 등의 인위적이고 급격한 지형 변화가 발생하였고, 제내지 홍수터 대부분은 농경지 또는 주거지 등으로 전환되었으며, 일부 남아있는 구하도 또한 하천으로부터 격리되어 하천과의 연결성이 단절되었다 (Dynesius and Nilsson 1994). 따라서 하천의 기능과 가치를 제고하고 생물 다양성을 회복하기 위해서는 기존의 홍수터를 복원하여 연결성을 회복하고 생물 서식처 공간을 확대하는 것이 도움이 될 수 있다 (Jin et al. 2017). 우리나라에서는 유역으로부터 유입되는 오염원의 저감과 수환경 개선 목적을 위해 하천변의 일정 구간을 수변구역으로 지정하여 관리하고 있다. 특히 상수원 보호구역의 수변구역이 농지인 경우 하천으로 유입되는 직접적인 오염물질의 배출원이 될 수 있으므로 수변구역을 국가가 매수하여 자연습지 및 식생구간으로 변경하는 토지이용의 변화가 필요하다. 이러한 수변구역의 적극적인 토지이용 변화와 제내지로의 하천구역 확대를 통한 홍수완충공간을 조성하는 것은 생물 서식처의 다양성, 오염원 저감, 홍수피해 저감, 토지이용 변화에 따른 탄소흡수원 조성 등의 다양한 목적과 효과를 누릴 수 있는 기후변화 시대의 다기능 하천 복원 사업으로 평가할 수 있다 (KICT 2021).
최근 기후변화로 인해 국지적 집중호우 및 이상 홍수 발생 등으로 인한 홍수 발생의 불확실성이 더욱 증가하고 있어 기존의 하천시설 설계 방식에 한계가 있는 것으로 평가되고 있다. 이에 2000년대 후반 들어 세계자연보전연맹과 세계은행을 중심으로 기후변화 대책에 초점을 맞추어 하천, 해안, 저수지 등의 수환경 개선과 기후변화에 대응, 종다양성 보호, 지속가능한 삶을 지향하는 해법으로 자연기반해법 (Nature-based Solutions, NbS)이 제시되고 있다 (Ji et al. 2022). NbS에 기반을 둔 하도나 홍수터 관리 방법으로는 구하도 홍수터나 하도를 복원하여 하천으로 편입하거나, 제방이 있는 경우 이를 후퇴시키거나 이설하여 원래의 홍수터를 복원 또는 하천에 편입하는 방법 등이 있다 (Ji et al. 2022). 또한 제방의 일부 구간의 표고를 낮춰 목표 홍수위 이상의 유량이 발생할 경우 제내지 수변구역의 저류지로 유량을 월류시켜 홍수위 상승을 일시적으로 지연시킴으로써 홍수피해를 저감할 수 있는 홍수완충공간과 홍수관리시설을 활용하는 것도 대안이 될 수 있다.
이러한 홍수완충공간의 조성을 위한 하천 홍수터 복원은 일반적인 하천복원 개념에 기반하여 인위적 간섭이 최소화된 자연 상태의 하천인 참조하천을 선정하거나 그러한 참조하천의 물리적, 지형학적, 수리적 특성이 구현될 수 있도록 하도 설계 및 하천복원 목표를 설정할 수 있다 (MoE 2011). 그러나 국내에서는 인위적 교란이 없는 자연하천을 찾기가 어려운 것이 현실이며 이에 대한 대안으로 하천이 인위적 교란을 받기 전 옛 모습의 하천을 복원 대상 참조하천으로 설정하는 방법이 있다 (Lee et al. 2015). 복원하고자 하는 하천의 옛 모습은 주로 인위적인 교란이나 하천정비가 있기 이전의 항공사진이나 과거 지도를 통해 정보를 수집할 수 있다. 하천 복원을 위해 고지도를 이용하여 직강화된 하천을 과거의 모습으로 복원한 사례들을 덴마크의 갤스강 (River Gels A), 스텐스백 하천 (Stensbaek stream) 등에서 찾아볼 수 있다 (Brookes 1987, Iversen et al. 1993). 기후변화로 인한 극한 홍수의 피해를 저감하면서 동시에 NbS를 기초로 한 자연친화적 수변구역의 홍수완충공간 조성을 위해서는 이러한 고지도 분석을 통해 기존의 홍수터 공간을 우선 파악하고 홍수완충공간으로의 조성이 가능한 입지 선정이 우선되어야 할 것이다.
본 연구에서는 금강의 대청댐 상류 상수원보호구역의 일부 구간을 대상으로 고지도 분석을 통해 홍수완충공간 조성이 가능한 구간을 정량적으로 분석하고, 이러한 홍수터의 물리적 확장에 따른 홍수저감 효과를 HEC-RAS (Hydraulic Engineering Center’s River Analysis System) 1차원 부정류 수치모의를 통해 정량적으로 분석하고자 한다. 제내지 수변구역의 홍수완충공간 조성에 따른 홍수위 저감 효과를 정량적으로 평가하는 것은 기후변화로 인해 증가하는 설계홍수량을 기존의 제방을 보축하여 대응하는 방식과 옛 홍수터의 일부구간을 복원하여 홍수피해를 저감하면서 생태 서식처의 다양성 확보, 오염원 저감을 통한 수환경 개선, 토지이용 변경을 통한 탄소흡수원 조성 효과를 동시에 확보하는 방식을 선택하는데 가장 중요하면서도 선행되어야 할 검토 항목이라고 할 수 있다. 따라서 본 연구는 고지도를 활용한 홍수터 복원가능 공간의 입지 선정 방법을 제안하고 이 공간을 자연기반해법의 홍수완충공간으로 활용할 경우 홍수위 저감 효과를 분석하는 방안을 금강의 사례 연구를 통해 제시하고자 한다.
2. 연구 방법
2.1 금강 대청댐 상류 대상구간 개요
금강유역은 한반도 중서부에 위치하며 우리나라 제3의 유역으로서, 유역면적은 9,912.39 km2이고, 유로연장은 397.79 km이다. 금강은 소백산맥 고봉중의 하나인 전라북도 장수군 장수읍 수분리 신무산 (896 El.m)에서 발원하여 북쪽으로 흐르다가 장수, 무주, 영동 부근의 산지부를 거쳐 대청댐을 지나며, 이후 공주, 부여 등을 지나 금강하굿둑을 거쳐 서해로 유입된다 (MoE 2022). 본 논문의 연구 대상지는 충청북도 영동군 심천면에서 옥천군 이원면에 일원에 위치한 금강 본류 약 8.4 km 구간이다 (Fig. 1). 대청댐과 용담댐 사이에 위치하는 구간으로 대상지 상류 쪽에서 영동천, 초강이 우안측으로 유입, 합류된다. 제내지는 주로 농경지로 활용되고 있고 대부분 저지대이므로 금강 외수위 상승으로 인해 집중호우시 내수침수 피해가 발생되는 지역이다.
2.2 하천구역 변화 및 홍수터 복원 가능 지역 도출을 위한 고지도 분석
본 연구에서는 충청북도 영동군 심천면 및 옥천군 이원면 일원의 금강 본류 구간의 하천구역 변화 분석을 위하여 1910년대부터 2020년대까지의 고지도와 지형도를 중첩하여 시간에 따른 면적 변화를 분석하였다. 본 논문에서는 국토지리정보원 국토정보플랫폼에서 제공하고 있는 지도 중 제방 축조로 인한 변화를 분석하기 위해 1919년에 인쇄된 1:50,000 지형도와 1971년, 1998년도에 제작된 1:25,000 지형도, 2020년에 제작된 1:5,000 연속수치지도를 활용하였다 (Fig. 2 (a), (c), (e), (g)). 특히, 1919년에 인쇄된 근세한국오만분지일 지형도는 국내 최초로 한반도 모든 지역을 대상으로 근대적인 지도제작방법으로 제작된 지도로써 치수목적의 제방 축조 이전에 제작되어 인위적인 제방공사 이전의 하천 모습을 볼 수 있다는 점에서 큰 의의가 있는 지도이다 (Bae 2007).
본 연구에서는 연도별 하천구역의 경계를 결정하고 면적을 계산하기 위해 제방이 건설된 이후의 경우에는 제방을 기준으로 제외지 지역을 하천구역으로 설정하였으며 제방이 축조되기 이전의 경우에는 금강 상류 하천기본계획 (MoE 2022)의 이원수위표 지점의 100년 빈도 홍수위 100.33 El.m를 기준으로 하천구역의 경계를 결정하였다. 연도별 하천구역으로 결정된 공간 내에서 홍수터 복원 가능 지역 및 구간에 대한 평가는 여유고를 고려하여 100년 빈도 홍수위 보다 낮은 등고선 100 El.m와 수변구역 도로의 경계 등을 고려하여 최종 선정하였다. 본 연구에서는 홍수터 복원 가능 구역을 홍수완충공간으로 조성할 경우 유효 저류량을 재산정하여 홍수저감 효과를 분석하는데 적용하였다 (3.2절 참고).
2.3 홍수완충공간의 저류효과 분석을 위한 1차원 부정류 수치모의
제방이 건설되기 이전 과거 하천구역으로 추정되는 제내지의 일부 구간을 홍수완충공간으로 조성하기 위해서는 계획하는 저류시설의 유효 저류용량을 결정하고 특정 홍수 사상이 발생할 경우 시간에 따른 홍수위 저감 효과를 정량적으로 평가할 필요가 있다. 본 논문의 고지도 분석을 통해 제시된 홍수터 복원 가능 구역은 하천구역 내에서 지형학적, 수리학적 검토를 통해 최종적으로 평가된다. 홍수터 복원 가능 구간 내에서도 홍수완충공간을 제방 이설 또는 후퇴 방법을 적용하는 것인지 또는 제방의 일부 구간의 제방고를 인위적으로 낮춰 강변저류지와 같은 offline 저류시설로 조성하는 지에 따라 홍수터 복원에 따른 홍수완충공간의 저류 효과는 다르게 나타난다. 본 연구에서는 고지도 분석을 통해 선정된 홍수터 복원 가능 구역을 offline 저류시설로 조성하는 경우로 한정하고, 1차원 부정류 수치모의를 적용하여 저류효과 분석을 수행하였다.
제내지의 일부 구간에 조성되는 홍수완충공간의 홍수조절 효과는 HEC-RAS 모형을 이용하여 부정류 모의 결과를 기반으로 평가할 수 있다. 즉, 홍수완충공간의 설계 조건에 따른 홍수위와 홍수량 저감에 대한 정량적인 결과를 도출할 수 있다. HEC-RAS의 계산 정확도는 정상류 해석뿐만 아니라 부정류 해석도 높은 것으로 평가되고 있으며, 특히 Kim et al. (2016)의 연구에 따르면 HEC-RAS의 부정류 수위계산 오차는 최대 3%인 것으로 나타났다. 따라서 홍수완충공간의 저류효과 분석을 위해서는 하천본류와 홍수완충공간을 고려한 부정류 해석이 반드시 필요하며, HEC-RAS는 이에 매우 적합한 모형이라고 할 수 있다.
HEC-RAS 부정류 모의를 위한 지형자료 구축 및 상류 및 하류 경계조건 설정, 금강 본류의 조도계수 결정 (0.035) 등은 금강 상류 하천기본계획 (MoE 2022) 자료를 활용하였다. 본 연구에서는 홍수완충공간 조성이 가능한 구역으로 선정된 홍수터 복원 구간을 모형에서 offline 저류지로 입력하여 홍수위 및 홍수량 저감의 치수효과를 검토하였다. 수치모의에 적용된 하도 구간은 금강 이원대교 (No. 13.4)에서 초강 직하류날근이다리 (No. 21.8)까지의 총 8.4 km 구간이다 (Fig. 1, Fig. 4 (b)). 상류 경계조건은 금강 상류 하천기본계획 (MoE 2022)의 이원수위표 지점 홍수 수문곡선을 적용하였으며 이는 용담댐이 고려된 100년 빈도 계획홍수량에 대한 수문곡선이다. 적용 수문곡선은 Fig. 3 (a)와 같으며, 첨두홍수량은 7,930.6 m3/s이다. 하류 경계조건으로는 한국수자원공사에서 이원대교 지점 (No. 13.4)에서 다년간 홍수기 실측을 통해 개발한 수위-유량 관계 곡선 (Fig. 3 (b))을 적용하였다.
3. 결 과
3.1 하천구역의 변화
본 연구에서는 대상하천 구간에 대해 1910년대부터 2020년대까지의 고지도와 지형도를 중첩하여 시간에 따른 하천구역의 면적 변화를 분석하였으며, 그 결과는 Fig. 2 (b), (d), (f), (g) 및 Table 1과 같다. 1919년에는 제방이 축조되기 전으로 상류에서부터 하류에 이르기까지 모래사주가 넓게 형성되어 있었으며, 추정되는 하천구역 면적이 3,809,745 m2이었다. 1971년에는 분석 구간의 중간 지점에 제방이 축조되면서 일부 구간의 범람원이 제내지로 편입되어 하천구역 면적이 1919년에 비해 469,720 m2 감소한 3,340,025 m2로 나타났다. 1998년에는 대상구간의 상류지역에 제방이 축조되면서 상류지역의 범람원이 제내지로 편입되어 하천구역 면적이 1971년에 비해 249,170 m2 감소하여 3,090,855 m2인 것으로 추정되었다. 2020년에는 분석 구간의 하류지역까지 제방이 모두 축조되면서 하류지역의 범람원이 제내지로 편입되어 하천구역 면적이 1998년에 비해 340,490 m2 감소하여 2,750,365 m2인 것으로 나타났다. 1919년 하천구역 면적 (3,809,745 m2)과 비교하면 범람원이었던 하천구역 면적이 27.8% 감소 (1,059,380 m2)한 것이다.
Table 1.
Area changes of river flood section based on old maps analysis
3.2 홍수터 복원 구역 선정 및 홍수완충공간의 유효 저류용량 평가
고지도 및 지형도 분석을 통해 제방이 건설되기 전에는 홍수 범람원인 하천구역이었으나 현재 제방으로 인해 제내지로 편입된 총 면적은 1,059,380 m2이며, 총 3 구역으로 구분되는 것으로 나타났다 (Fig. 4 (a)). 대상구간 상류에 위치하는 S1의 경우 저류가능공간 면적이 249,170 m2이며, 제방고 상단은 101 - 104 El.m, 제내지 측 제방 하단의 지반고는 97 - 100 El.m이다. S2의 경우 저류가능공간 면적이 469,720 m2로 산출되었으며, 제방고는 101.4 - 102.9 El.m, 제방 하단의 지반고는 94.0 - 95.5 El.m로 도출되었다. S3의 경우 저류가능공간 면적 340,490 m2, 제방고는 100.3 - 101.1 El.m, 제방 하단 지반고는 98.0 - 98.9 El.m이다 (Table 2). 이와 같이 단순하게 과거 하천구역으로 추정되는 평면적과 계획홍수위 기준의 제방고를 고려하면 홍수완충공간으로 조성 가능한 공간의 저류용량 (potential storage volume)은 Table 2와 같이 계산된다. 그러나 저류지의 홍수저감 효과는 단순하게 확장된 하천공간이 부담할 수 있는 공간적 부피를 저류용량으로 추정하여 평가하지는 않는다. 하천의 홍수는 시간에 따라 홍수량과 홍수위가 변화하는 부정류 수문곡선의 특성을 갖고 있으며, 따라서 홍수완충공간을 저류지로 활용할 경우 월류부의 높이와 월류부 길이에 따라서 홍수위 저감 효과와 유효 저류용량이 다르게 나타난다. 본 연구에서는 offline 저류지의 유효 저류용량을 월류부 마루고를 기준으로 한 저류지의 부피라고 정의하였다. 계획홍수량과 같은 큰 홍수가 발생할 경우 저류지의 수위는 월류부 마루고 이상으로 형성될 수 있고, 유효 저류용량을 초과하여 유입된 월류량은 홍수하강기 (첨두홍수량 발생 직후)에 하천으로 다시 유출되며 경우에 따라 본류의 수위를 상승시키는 요인이 된다. 따라서 홍수완충공간 조성에 따른 홍수 저감능력에 직접적인 영향을 미치는 인자인 유효 저류용량을 재산정하여 평가할 필요가 있다.
Table 2.
Estimation of possible flood mitigation area and potential flood storage volume
| Section | Levee specification |
Flood mitigation area (m2) |
Potentials storage volume (m3) | ||||
|
Crest elevation (El.m) |
Bottom elevation (El.m) |
Levee height (m) | |||||
|
Storage Section A (S1) | A-1 | 101.0 | 97.0 | 4.0 |
Ave. 4.17 m | 249,170 | 1,039,039 |
| A-2 | 103.5 | 99.0 | 4.5 | ||||
| A-3 | 104.0 | 100.0 | 4.0 | ||||
|
Storage Section B (S2) | B-1 | 102.9 | 95.0 | 7.9 |
Ave. 7.47 m |
469,720 (448,119)* |
3,508,808 (3,347,449)* |
| B-2 | 101.4 | 94.0 | 7.4 | ||||
| B-3 | 102.6 | 95.5 | 7.1 | ||||
|
Storage Section C (S3) | C-1 | 101.1 | 98.0 | 3.1 |
Ave. 2.37 m |
340,490 (330,627)* |
806,961 (783,586)* |
| C-2 | 100.6 | 98.0 | 2.6 | ||||
| C-3 | 100.3 | 98.9 | 1.4 | ||||
| Total |
1,059,380 (1,037,779)* |
5,354,808 (5,170,074)* | |||||
HEC-RAS를 이용한 저류지 모의시 저류지 용량과 관련된 제원으로 유효 저류용량을 직접 입력하지 않고, 제방 마루고를 기준으로 한 총 저류용량에 대한 표고-부피 관계를 입력자료로 요구한다. 따라서 본 논문에서 정의하고 있는 유효 저류용량의 평가는 단순히 저류지 바닥에서 월류부 마루고까지의 저류용량을 미리 산정하는 것에 한정하고 있다.
Offline 저류지 조성계획시 제내지 측 상류유역으로 부터 유입된 홍수량의 영향을 고려할 필요가 있다. 만약 저류지 배후지역으로부터 유입되는 홍수량이 큰 경우 유효 저류용량이 잠식되므로 본류의 저감효과가 현저히 떨어질 수 있기 때문이다. 본 연구 대상지의 S2의 경우 부지 내 소하천인 노루골천, 차곡천, 소차곡천 유역으로부터 유입되는 유출량이 발생할 가능성이 있으며, S3의 경우 소하천인 구렁이천과 그 유역으로부터 유입되는 유출량이 발생할 것으로 평가된다. 따라서 제내지의 소하천으로부터 S2, S3의 부지로 유입되는 유량을 저류지 내로 유입되지 않게 하기 위해 별도의 배수시설이나 소하천 유로 변경을 위한 필요 구간 면적을 산출하여 Table 2의 홍수완충공간 조성 가능 면적에서 제외하였다. 따라서 S2의 조정면적은 448,119 m2, S3의 조정면적은 330,627 m2인 것으로 나타났다 (Table 2).
또한 홍수완충공간의 유효 저류용량을 계산하기 위해 본 연구에서는 S1, S2, S3 모두 offline 저류지로 운영하고 저류지 경계면의 내측 사면경사를 1:2로 설계한다고 가정하였으며, 월류부 마루고 (S1은 101.5 El.m, S2는 99.9 El.m, S3는 99.0 El.m)는 10년에서 30년 빈도 사이의 홍수가 발생했을 때 본류 흐름이 저류지로 월류할 수 있도록 가정하였다. 따라서 S1, S2, S3의 유효 저류용량은 내수배제를 위해 필요한 면적을 제외한 후 월류부 마루고 기준의 부피와 내측 사면 경사 및 바닥면적과 바닥고 평균 값 등을 고려하여 최종 계산하였다. 그 결과, S1의 유효 저류용량은 323,847 m3, S2는 1,570,316 m3, S3는 306,705 m3(총 2,200,868 m3)인 것으로 나타났다.
3.3 홍수완충공간 조성에 따른 홍수저감 능력 분석
앞서 추정한 홍수완충공간 조성에 따른 유효 저류용량을 추정한 후 이를 HEC-RAS 부정류 모의에 반영하였으며, 홍수저감 능력 분석을 위해 100년 빈도의 홍수수문사상이 발생할 경우 S1, S2, S3 부지의 홍수위 및 홍수량 저감을 정량적으로 평가하였다. HEC-RAS 모델링에서 월류부 횡월류 위어의 유량계수는 위어의 형상과 시간에 따른 하천의 흐름 변화를 고려하여 계산될 수 있도록 Hager의 유량계수 산정식을 선택하여 적용하였다. 또한 저류효과를 모델링하는데 민감한 변수 중 하나인 월류부의 길이는 S1의 경우 150 m, S2의 경우 190 m, S3의 경우 190 m로 가정하였다. HEC-RAS 모델링에서 각 offline 저류지의 월류부의 위치는 Fig. 4 (b)에 표기하였다.
홍수위 및 홍수량 저감은 위치하는 횡단면에 따라 차이가 나타날 수 있으나 본 논문에서는 초강 직하류 날근이다리 (No. 21.8)에서 200 m 하류에 위치하는 단면 (No. 21.6)과 이원대교 지점 (No. 13.4)에서 200 m 상류에 위치하는 단면 (No. 13.6)에서의 시간에 따른 수위 변화를 비교하였다. 대상구간의 상류 구간에 위치하는 No. 21.6 단면과 하류 구간에 위치하는 No. 13.6 단면의 홍수위 조절 효과는 각각 7 cm와 16 cm인 것으로 나타났다. Fig. 5 (a)는 No. 13.6 단면의 전체 수문곡선에 대한 수위 비교를 나타낸 그래프이며, 첨두홍수위 비교를 위해 Fig. 5 (b)에서 첨두홍수가 발생하는 전후 기간에 대해서만 크게 확대한 그래프를 제시하였다. 저류 효과는 3개의 저류지의 홍수완충 효과가 모두 나타나는 하류 단면에서 크게 나타나며, 부정류 흐름 특성 및 배수 효과 등으로 인해 S1 저류지 보다 상류에 위치하는 No. 21.6 단면에서도 홍수위 저감 효과가 나타나는 것으로 분석되었다. No. 13.6 단면에서의 홍수량 조절 효과는 첨두홍수량을 비교했을 경우 홍수완충공간이 조성되지 않은 현 상태의 7,903.68 m3/s에서 S1, S2, S3의 홍수완충공간이 조성되어 저류지 역할을 하는 경우 7,684.67 m3/s로 감소하는 것으로 나타났다. 첨두홍수량 저감은 219.01 m3/s인 것으로 나타났다. 상하류 대표 단면 사이 구간에서의 홍수위 저감 효과는 Fig. 6의 종방향 최대홍수위 그래프를 통해 확인할 수 있다. 단, 최대홍수위 곡선은 홍수사상이 발생하는 시간 내에서 각 단면의 홍수위가 최대인 값을 선택한 것이기 때문에 모든 조건에서 동일한 시간에 최대홍수위가 발생한 것은 아니다.
4. 결 론
본 연구에서는 금강 대청댐 상류 초강 합류부 지점의 날근이다리에서 이원대교 사이 8.4 km 구간에 대하여 고지도 및 지형도 분석을 통해 기후변화로 인한 극한홍수 발생시 홍수완충공간으로 조성 가능한 홍수터 복원 구역을 선정하였으며, 저류지 조성에 따른 홍수 조절효과를 1차원 부정류 흐름 해석을 통해 평가하였다.
본 연구의 대상구간 내에서 1919년부터 2020년까지의 고지도 및 지형도 분석을 통해 제방이 축조되기 전 홍수가 범람했을 것으로 판단되는 구간의 경계를 설정하고 이를 하천구역으로 추정하였다. 제방이 축조되어 하천구역이 감소한 시점은 구간별로 다른 것으로 나타났다. 제방이 축조되기 이전인 1919년과 최근 2020년의 하천구역을 비교한 경우 범람원이었던 하천구역 면적이 27.8% 감소 (1,059,380 m2)하였다. 감소한 하천구역의 유효 저류용량은 홍수완충공간을 offline 저류지로 활용할 경우 월류부의 높이를 고려한 최소 가능 저류량으로 평가하였다. 또한 홍수완충공간 내에서 발생하는 소하천의 유출량을 처리할 수 있는 시설 또는 유로 변경 등을 고려하여 필요한 부지 면적을 제외하고 유효 저류용량을 분석하였다.
고지도 및 지형도 분석으로 최종 결정된 홍수터 복원을 위한 홍수완충공간 조성 3개 지역에 대해 10년에서 30년 빈도 사이의 홍수위를 각각의 저류지 월류고로 설정하고 HEC-RAS 부정류 모의를 통해 홍수위 및 홍수량 조절효과를 산정하였다. 홍수완충공간의 저류지 월류부 길이를 각각 150 m, 190 m, 190 m로 설계할 경우 하류 단면에서의 홍수위 및 홍수량 저감 효과는 16 cm와 219.01 m3/s인 것으로 나타났다. HEC-RAS를 이용하여 offline 저류지가 포함된 하도의 부정류 모의를 수행할 경우 흐름저항계수 (조도계수), 저류지의 월류부 높이, 길이, 위치 등에 따라 모의 결과가 상이하게 나타날 수 있다. 따라서 현실적인 실행 조건을 고려한 최종 의사결정 및 설계 단계에서는 다양한 변수 및 저류지 설계 항목을 모두 고려한 홍수 조절효과의 민감도 분석이 반드시 필요할 것으로 판단된다.
고지도 상에서 확인 가능한 제방의 축조는 시간 차이를 두고 제내지로 편입된 것을 알 수 있다. 따라서 홍수완충공간 S1, S2, S3의 각각의 저류효과를 독립적으로 평가하여 합산한 결과는 S1, S2, S3를 한꺼번에 고려하여 저류효과를 평가한 본 논문의 결과 보다 저류효과가 크게 산정될 수 있다. 그러나 홍수사상은 시간에 따라 유량이 증가하고 감소하는 부정류 특성을 내포하고 있기 때문에 각각의 홍수터 복원 사업이 단계별로 진행되더라도 저류지의 효과는 비선형적인 특성을 보일 수 있음을 인지할 필요가 있다. 또한 홍수완충공간의 조성이 offline 저류지 형식이 아닌 제방 후퇴/이설을 통한 홍수터 구간의 확장 형태로 계획될 경우 홍수완충공간의 홍수저감 효과는 통수단면적의 증가를 고려한 부정류 흐름 해석에 기반한 HEC-RAS 모의가 수행될 필요가 있다. 홍수위 저감효과는 offline 저류지 형식이 통수단면적 증가 형태의 홍수터 복원보다 더 크게 산정될 것으로 예상되나 수환경 개선 및 횡적 수생태 연결성 측면에서는 제방후퇴에 의한 홍수터 면적 증가가 더 효과적일 수 있다.
