08.hwp

Size: px

Start display at page:

Download "08.hwp"

정희 석
5 years ago
Views:

1 Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers Vol. 52, No. 6, pp. 63~73, November, 2010 DOI: /KSAE Modeling Downstream Flood Damage Prediction Followed by Dam-Break of Small Agricultural Reservoir 박종윤 * 조형경 * 정인균 * 정관수 ** 이주헌 *** 강부식 **** 윤창진 ***** 김성준 ******, Park, Jong-Yoon Joh, Hyung-Kyung Jung, In-Kyun Jung, Kwan-Soo Lee, Joo-Heon Kang, Bu-Sik Yoon, Chang-Jin Kim, Seong-Joon ABSTRACT This study is to develop a downstream flood damage prediction model for efficient confrontation in case of extreme and flash flood by future probable small agricultural dam break situation. For a Changri reservoir (0.419 million m 3 ) located in Yongin city of Gyeonggi province, a dam break scenario was prepared. With the probable maximum flood (PMF) condition calculated from the probable maximum precipitation (PMP), the flood condition by dam break was generated by using the HEC-HMS (Hydrologic Engineering Center - Hydrologic Modeling System) model. The flood propagation to the 1.12 km section of Hwagok downstream was simulated using HEC-RAS (Hydrologic Engineering Center - River Analysis System) model. The flood damaged areas were generated by overtopping from the levees and the boundaries were extracted for flood damage prediction, and the degree of flood damage was evaluated using IDEM (Inundation Damage Estimation Method) by modifying MD-FDA (Multi-Dimensional Flood Damage Analysis) and regression analysis simple method. The result of flood analysis by dam-break was predicted to occurred flood depth of 0.4m in interior floodplain by overtopping under PMF scenario, and maximum flood depth was predicted up to 1.1 m. Moreover, for the downstream of the Changri reservoir, the total amount of the maximum flood damage by dam-break was calculated nearly 1.2 billion won by IDEM. Keywords: Agricultural reservoir; dam break; flood damage, prediction model; Inundation Damage Estimation Method; HEC-HMS; HEC-RAS I. 서론 * 최근전세계적으로지구온난화등과같은기후변화에따른강우의양이나패턴의변화로인해이상홍수피해가속출하고있는실정이며, 우리나라의경우에도최근루사, 매미등에의한대규모홍수피해가빈번히발생하고있는상황이다 ( 이동률등, 2004). 이러한기상이변에따른국지성집중호우와태풍은대규모댐의설계빈도를초월하는폭우를동반함으로써 * 건국대학교대학원사회환경시스템공학과 ** 충남대학교토목공학과교수 *** 중부대학교토목공학과부교수 **** 단국대학교토목환경공학과부교수 ***** 한국농어촌공사농어촌연구원 ****** 건국대학교사회환경시스템공학과교수 Corresponding author Tel.: Fax: kimsj@konkuk.ac.kr 2010 년 9 월 6 일투고 2010 년 11 월 8 일심사완료 2010 년 11 월 8 일게재확정 댐제체의수문학적안정성을위협함과동시에구조물의노후화로인한구조적결함이발생할경우댐붕괴와같은예기치않은비상상황을초래할수있다. 국내에는농업용수공급목적으로축조된저수지가 2008년통계연보기준으로전국 17,649개가있으며, 이중약 81 % 에해당하는 14,208개의저수지가시 군 구관리저수지로서 14,154 (99.6 %) 개소의저수지가 30만톤이하의중소규모저수지이다. 또한, 저수지의축조년도를보면시 군 구관리저수지의 58 % 인 8,352개의저수지가 1948년이전에축조된저수지로, 축조된지 60년이상된시설물은공용내구연한이경과한시설로서노후손상부위를복구해야함은물론이상기후에따른강우사상의변화로설계빈도를달리하여재해대비보강이필요한시설이다. 따라서시 군 구관리저수지의안전관리방안의마련을통한재해대비보강및기능강화가시급한실정이다. 또한구조물노후화로집중호우발생시상대적으로취약한중소규모저수지의경우, 댐붕괴에따른별도의피해예측기법및피해규모를정량화하는방안이체계적으로구축되지 63

2 않은관계로중소규모저수지에대한피해예측모델개발이시급히요구된다. 지금까지의피해예측모델에관한국내외연구및기술동향을살펴보면, 미국의경우댐붕괴와관련하여해석모형및분석기법, 홍수위험지도구축기술과관련한연구및실용화부문에서가장선진화되어있으며, 홍수위험도평가와관련하여현재모든댐을대상으로 Downstream Hazard Classification (DHC) 을설정하고있으며가이드라인이제시되어있다. 2000년유럽연합 (EU) 과중국은협조관계를통하여 ANFAS (Data Fusion For Flood Analysis And Decision Support) 계획을수립하고, 최근의가장발달된자료처리및관리기술을결합하여홍수예방및보호를위한의사결정시스템을개발하였다. 이시스템은홍수재해발생시주민의대피, 제방의보완등, 이에대한가장적절한조치를취할수있도록의사결정시스템을제공하고있다. 3개시험유역 ( 슬로바키아의 Vah 강상류, 중국양쯔강의 Dongtin 호수를따라접한 JingJiang 유역에서시스템을수립하고, 프랑스의 Loire 계곡중부에서검증 보완 ) 을통하여적용 검증되었으며, 유럽공동체와중국등의연구협조체계에서이들은상호간에인공위성기술이나인터넷기술, GIS (Geographic Information System) 기술및지식기반시스템, 지반공학등다양한영역의기술들을교환할수있도록하였다. 독일에서는 1999년부터개발을시작하여현재까지시험적용되고있는 FLOMASY (FLOod MAnagement SYstem) 을개발하였다. 이시스템은강력한위험경보및관리시스템에대한필요에의하여홍수방지센터를중심으로홍수예측과재해의관리를위해운영되고있다. FLOMASY는분포형정보체계를기반으로설계된컴퓨터로서각터미널들이중앙데이터베이스에온라인으로연결된유기적연결체계로구성되었다. 현재 GIS와의결합이진행중이며, 이를통한범람지도제작이이루어지고있다. 일본의경우유역에관한정보를신속하고확실하게방재관련기관및국민들에게제공하는것을목적으로 1985년에중앙정부와지방단체의협력을통해하천정보센터 (Foundation of River & Basin Integrated Communications, FRICS) 를설립하고, 각종수문관측정보의수집및제공은물론재해에관한최첨단기술을활용하여과거-현재-미래의정보를종합적으로제공하고있다. 반면, 국내에서는최근기상이변과수리구조물의노후에따른댐붕괴, 홍수피해등에관한우려가높아지면서홍수예보, 재해대비체계에관한연구가활발히진행되고있다. 특히, 2003년과 2004년농업기반공사 ( 현한국농어촌공사 ) 에서는농업용저수지에대한 EAP (Emergency Action Plan) 수립요령을작성하고홍수지도의작성방안뿐만아니라재해위험도를고려한기존저수지의보강방안을제시하였다. 소방방재청에서는 2004년비상대처게획수립지침작성방안연구를통 해이에포함될기본요소등을제시한바있다. 또한최근에는컴퓨터모형을활용한댐붕괴모의및하류부홍수범람모의등의연구가활발히진행되고있다. 이홍래등 (1998) 은댐붕괴에따른홍수류의해석시불확실도를규명하기위해 DAMBRK (A Dam-Break Flood Forecasting Model) 모형을 Monte- Carlo 기법을이용하여수정, 보완함으로써댐및하천제방에대한붕괴위험도를산정할수있는 DAMBRK-U 모형을개발하였으며, 김원등 (2001) 은댐붕괴시발생하는천이류해석을위해수치기법인음해적 ENO (Essentially Non-Oscillatory) 기법을이용하여균일및비균일하도에서발생하는댐붕괴류해석을실시한바있다. 이종석 (2002) 은댐의안전성평가를위한위험도해석기법의적용을위해 DMABRK모형을이용하여미국 Arizona주중서부에위치한 Alamo 댐의안정성평가를실시하고각댐의붕괴위험성과하류부의피해를예측하였다. 최규현과한건연 (2005a, 2005b) 은댐붕괴로인한범람홍수파전달특성해석, 침수범위및침수위의추정, 예상피해규모등을보다정교하게예측할수있는 2차원홍수범람해석수치모형을개발하고그적용성을평가하였다. 홍승진등 (2009) 은소양강댐을대상으로 HEC-HMS (Hydrologic Engineering Center - Hydrologic Modeling System) 와 HEC-RAS (Hydrlogic Engineering Center - River Analysis System) 모형을이용하여두모형간의댐붕괴홍수량을비교분석하여, 동일붕괴조건하에서 HEC-HMS 모형으로부터의첨두유출량이 HEC-RAS 모형보다크게산정된다고밝힌바있다. 한편, 홍수피해산정과관련하여최현상등 (2005) 과이준우등 (2006) 이다차원법을이용한홍수피해산정을통해행정구역별평균피해액이아닌침수발생지역에대한홍수피해액을산정하였다. 하지만국내의경우홍수피해액산정을위한주거, 농업, 산업시설의통계자료와정밀한토지이용도, 홍수지도등의자료구축이미비할뿐만아니라피해예측을위한절차및분석방법등에관한연구가더욱필요한실정이다. 이에본연구에서는이상홍수와급속한도시화로인하여설계및축조당시의수문, 기상환경이변화함에따라해마다증가하는저수지관련홍수피해에효율적으로대처하기위하여국내 30만 m 3 미만의농업용소규모저수지를대상으로댐붕괴에의한저수지하류의피해규모및피해양상을정량화할수있는피해예측모델링기법을제시하고자한다. 이를위해 HEC-HMS, HEC-RAS 모형을이용한댐붕괴모의, 댐하류부홍수해석을실시하였으며, 홍수피해액산정을위한침수피해추정곡선법 (Inundation Damage Estimation Method, IDEM) 의적용을통해기존의홍수피해액산정방법을단순화시켰으며, 소규모저수지하류하천위험기준을수립할수있는홍수피해예측기법의적용성을검토하였다. 64 한국농공학회논문집제 52 권제 6 호, 2010

박종윤조형경정인균정관수이주헌강부식윤창진김성준 Fig. 1 Study area: Location of the Wanjang-Cheon Watershed (a), HEC-HMS stream network and subbasins (b), and the Changri reservoir (c) II. 재료및방법 1.

3 박종윤조형경정인균정관수이주헌강부식윤창진김성준 Fig. 1 Study area: Location of the Wanjang-Cheon Watershed (a), HEC-HMS stream network and subbasins (b), and the Changri reservoir (c) II. 재료및방법 1. 대상지역및자료구축 본연구에서는경기도용인시처인구, 완장천유역내창리저수지를대상지역으로선정하였다 (Fig. 1). 완장천은진위천의제1지류이고창리저수지를포함하는제3지류인화곡천이흘러들어가는하천으로써유로연장 8.86 km, 유역면적은 km 2 이다. 위치상동경 ~ , 북위 ~ 사이에위치하고, 행정구역상으로는용인시남사면완장리, 창리, 아곡리, 방아리등에해당되어 1개시 1개면 4개리에걸쳐유역이형성되어있다. 1971년준공된창리저수지는하류부에농업용수를공급하고있으며, 저수지상류부구간은취락부, 농경부, 산지가혼재하는전원하천구간으로이루어져있으며, 저수지제원은다음 Table 1과같다. 홍수량산정을위해용인, 진위강우관측소에대한확률강우량을 진위천수계하천기본계획 (2006) 보고서의결과를이용하였으며, 저수지측량을통해댐붕괴모의를위한댐마루 Table 1 Dimension of the Changri reservoir Characteristic Value Type core zone Dam Height (m) 10.0 Length (m) Upper slope 1 : 2 Reservoir Bottom slope 1 : 2.5 Watershed area (km 2 ) 3.47 Storage area (km 2 ) 0.84 Total Storage (1000 m 3 ) 41.9 높이, 바닥높이등의초기입력자료를구축하였다. 하류부홍수해석을위해댐직하류의화곡천 (1.12 km) 구간에대하여 50 m 간격의하천단면자료를구축하였으며, 홍수범람도작성과홍수피해액산정을위한 GIS자료는환경부의 1:25,000 중분류토지이용도와 1:5,000 수치지형도, 행정구역도등의지형자료를이용하였다. 2. 댐붕괴모의댐붕괴발생원인은크게자연적원인과인위적원인으로구분할수있는데, 본연구에서는설계및시공상의오류, 유지관리오류, 지진발생과같은원인을배제하고창리저수지에대하여월류 (Overtopping) 와파이핑 (Piping) 에의해붕괴되는극한홍수조건에대한댐붕괴시나리오를작성하였다. 홍수량산정및댐붕괴모의는미공병단에서개발한강우 -유출모형인 HEC-HMS (Hydrologic Enginnering Center- Hydrologic Modeling System) 모형을이용하여창리저수지유입지점과출구점, 화곡천과완장천합류점에대한빈도별홍수량및가능최대홍수량 (Probable Maximum Flood, PMF) 을산정하였다. 댐붕괴모의는 HEC-HMS 모형의 Dam Break 모듈을이용하여, 창리저수지유입, 출구점에서의댐붕괴홍수량을산정하였다. 먼저, 확률강우량및가능최대강수량 (Probable Maximum Precipitation, PMP) 산정은년최대치자료를수집하고기본적인통계치를산정하여분포형에대한매개변수 ( 모수 ) 추정을실시한후, 매개변수적합성검토를실시하여최종적인확률분포형을결정하였다. 이때, 매개변수의추정은강우관측년수가짧아자료수가충분하지못한관계로자료수나이상치에왜곡특성이크게나타나지않는확률가중모멘트법을이용하였다. 또 Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, 52(6),

4 Table 2 Evaluation Result of Time of Concentration for Each Subbasin in the Wangjang-Cheon Watershed Subbasin Area Length Inlet Time Travel Time (min) Time of Concentration (km 2 ) (km) (min) Kirpich Kerby Kraven Rziha Adopted (min) Basin Basin Basin Basin Basin Basin Basin Basin 한본연구에서는용인, 진위강우관측소에대한확률강우량을 Huff 방법으로시간분포시켰으며, 수원관측소의무차원누가확률곡선을이용하여다항회귀분석을실시한결과 13 hr 이상에서는 2분위가지배적인것으로나타나중호우기준으로최빈구간인 2분위를적용하였다. PMP의추정은수문기상학적방법을이용하여, 실제호우전이방법과가능최대강수량도이용법 (PMP도이용법 ) 을각각적용하여큰값을가지는 PMP도이용법을사용함으로서완장천유역의유역면적 19.4 km 2 에대한 PMP를추정하였다. 빈도별홍수량및가능최대홍수량 (Probable Maximum Flood, PMF) 은 HEC-HMS 모형을이용하여, 완장천유역의창리저수지유입지점과출구점, 화곡천과완장천합류점에대해산정하였다. 본연구에서유효우량산정을위해 SCS 유출곡선지수법 (USDA-SCS, 1970) 을이용하였으며, 미계측유역임을고려하여직접유출량산정을위한합성단위도작성은 Clark 단위도법 (1945) 을적용하여직접유출량을산정하였다. HEC-HMS 모형의합성단위유량도방법에는 Clark, SCS, Snyder 단위도법이등이있으나본연구에서채택한 Clark 단위도법이단위도의특성에대한제어가가장우수한것으로알려져있어국내에서가장널리사용되고있다. 홍수량산정을위한 HEC-HMS 모형의주요매개변수로는집중시간, 지체시간및유역저류상수등이있다. 이들매개변수결정에따라홍수량계산의신뢰도가결정되는데, 본연구에서의소유역별집중시간은자연하천유역에대해국내에서널리사용되고있는 Kraven, Kirpich, Kerby, Rizha 공식을적용하여비교검토한후 Table 2와같이각소유역별홍수도달시간 ( 집중시간 ) 을산정하였다. 또한 Clark 유역홍수추적방법에서의유역저류상수는 Clark, Linsley, Sabol, Russel 공식을각각적용하여비교검토한후유역별상황에맞게적용하였다. HEC-HMS 모형의댐붕괴모의를위한모듈은저수지추적모듈의부모듈 (sub module) 로구성되어있으며수문학적홍수추적개념에이론적근간을두고있으므로수리학적인방법 Table 3 Parameters for dam-break simulation Parameter MacDonald and Langridge- Monopolis Froehlich Von Thun and Gillette Length of bottom section (m) Duration of breach time (hrs) Breach side slope (h:v) Adopted Overtoping : Piping : Overtoping : 1.4 Piping : 에의한댐붕괴모의와달리많은가정과제약조건을갖고있다. HEC-HMS 에서지원하는댐붕괴모의방법으로는월류붕괴 (Overtop Breach) 와파이핑붕괴 (Piping Breach) 가있으며, Overtop Breach의경우댐의방류량이일정수위가넘어갔을때붕괴가일어나는현상을모의한것이고, Piping Breach 는댐의사면에균열이발생하여그균열로인한댐붕괴현상을모의한것이다. 한편, 댐붕괴모의를위한매개변수 (Dam Breach Parameter) 의결정은붕괴지속시간, 폭, 사면경사등과같은댐의구조적매개변수를결정하는것으로서대부분과거의관측자료를통한경험공식에의존하고있다. 이에본연구에서는기존에제시된여러가지의댐붕괴매개변수산정공식중에서산정결과가지나치게크거나작지않은 MacDonald and Langridge-Monopolis (1984), Froehlich (1995), Von Thun and Gillette (1990) 공식을적용하였다. 최종산정된매개변수는 MacDonald and Langridge-Monopolis공식에의해창리저수지에대한댐붕괴시간은공식별로약 30~40분, 붕괴단면의하부폭은 20 m 내외로계산되었다 (Table 3). 3. 홍수해석 댐붕괴홍수파모형의선택은댐과하류부의특성, 댐붕괴해석의정도등이용목적에따라그분석방법이다를수있 66 한국농공학회논문집제 52 권제 6 호, 2010

5 박종윤조형경정인균정관수이주헌강부식윤창진김성준 다. 즉본연구에서와같이소규모저수지에대한개략적인평가를위해단순화된방법을활용하기위해서는입력매개변수에제약을받게된다. HEC-RAS 모형은 1964년미육군공병단에의해개발된하천해석시스템인 HEC-2 모형에서사용자편리성, 기능성등의 GUI (Graphical User Interface) 로구축된 Window Version이다. HEC-RAS 모형은홍수시여수로를통한방류나댐붕괴모의시홍수추적은물론하천형상에대한결과물의 3차원도시도가능하며, 상류및사류모의가가능하고, 교량, 수문, 암거등에대한부등류및부정류해석도가능하다. 또한 HEC-RAS의후처리모듈인 HEC-GeoRAS 를이용하여현황측량자료없이도수치지도와같은지형자료를통해하류부하도단면추출등의지형자료구축이용이하여개략적이고효율적인평가가가능하다. HEC-RAS 모형의부정류기본방정식은 HEC에서개발한 UNET모형으로 1차원부정류해석이가능하며, 지배방정식은 Saint-Venant 미분방정식이며, 수치해석기법으로는가중 4점음해법을사용한다. 본연구에서댐붕괴에따른하류부홍수해석은창리저수지직하류하천인화곡천 1.12 km 구간에대하여 HEC-RAS 모형의저류지기능을적용하여댐붕괴시, 저지대침수해석을모의하였다. 여기서저지대는침수예상지역으로서모형에 Storage 로입력되며부정류해석에따른제방월류시제내지의침수예상지역내수위-내용적곡선으로부터월류된유량에대한침수위를산정하고, 모형의해석결과를 GIS 기법과연계하여침수예상지역의범람도작성이가능하다. 흐름에대한하도의저항의정도를표시하는조도계수는하천의여러가지수리계산을시행할경우가장중요하고기본적 인인자의하나이다. 일반적으로하천수위계산에는 Manning 의조도계수가가장많이사용되고있다. 그러나조도계수를정확하게결정하는것은현실적으로매우어려운문제이므로세심한주의가필요하다 ( 정종호와윤용남, 2005). 따라서본연구에서는관측자료확보의어려움으로인해도표에의한방법으로조도계수를산정하였다. 이때하천의상태는현지조사에의한현장사진자료를이용하며, 적용한하도구간별조도계수는하천설계기준 ( 한국수자원학회, 2000) 에서제시하고있는값을적용하였다. 4. 홍수피해모델개발피해예측모델개발은댐의부분적혹은전체적인파괴, 그리고월류등으로인하여하류부에서발생하는피해를산정하고, 잠재적인피해액을예측할수있는모델을개발함으로써인명과재산피해를추정하는기법을제시하는데목적이있다. 이러한피해예측모델의수립으로, 잠재적인위험구역을정량적으로등급화함으로써홍수에대한취약지구를확인하고사전에수리시설물의홍수대비능력을강화할수있는계기를제공할수있을것으로기대된다. 홍수피해액산정에대한연구는 1970년대부터치수경제성분석의필요성이대두되면서시작되었다. 홍수피해액을산정하는방법은간편법 ( 건설교통부, 1993), 개선법 ( 건설교통부, 2001), 다차원법 ( 건설교통부, 2004) 순으로발전되어왔다. 기존의방법들은인력이많이필요하고, 조사된피해규모가실제피해규모보다매우작게추정되며, 지역적으로평균값을사용하므로 Table 4 Comparison of the methods for flood damage evaluation Life damage Property damage Evaluation method Regression Analysis MD-FDA IDEM Life Victims Building Contents of building Agricultural land Crop No. of life loss by flood (person/ha) loss unit (won/person) flood area (ha) No. of victims by flood (person/ha) Evacuation period (day) Daily average income per capita (won/person day) Flood area (ha) Flood area-damage equation Do not reflect Flood area-damage equation No. of life loss by flood (person/ha) loss unit (won/person) flood area (ha) No. of victims by flood (person/ha) Evacuation period (day) Daily average income per capita (won/person day) Flood area (ha) Building area Damage rate Construction unit price No. of households Damage rate Household item unit price Flood area of agricultural land Loss unit price (buried or lost) Agricultural area of maximum flood in history Crop yield per unit area (10a) Crop yield Damage rate Crop unit price Damage rate Crop unit price No. of life loss by flood (person/ha) loss unit (won/person) flood area (ha) No. of victims by flood (person/ha) Evacuation period (day) Daily average income per capita (won/person day) Flood area (ha) Building property in flood area (won) Building flood damage by flood depth Property of building contents in flood area (won) Flood damage rate of building contents Damage by buried and lost in flood area (won) Damage rate of crop by flood depth Property of crop in flood area (won) Damage rate of crop by flood depth Public facilities damage Flood area-damage equation Amount of property damage Certain Rate Amount of property damage Certain Rate Benefit Flood area-damage equation Do not reflect Do not reflect Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, 52(6),

6 낮은정확도등의문제점을안고있었다. 특히, 간편법은계산과정이간단하여기본적인통계자료만으로피해액산정이가능하나, 용도별자산가치및산산의공간적변화를반영하기어렵고 90년대에개발되어현시점에서적용에한계가있다. 또한다차원법은 GIS와연계한침수면적과침수구역내자산의공간적변화를고려할수있는장점을가지고있으나요구되는자료가많고소규모지역에적용하기에무리가있다. Table 4 는기존의홍수피해산정기법과침수피해추정곡선법을비교한것으로본연구에서는기존방법들의문제점을일부개선하여홍수의규모 ( 심각성 ) 와지역적특성을고려하여홍수피해산정방법으로개발된다차원법 (MD-FDA, Multi-Dimensional Flood Damage Analysis) 과기존회귀분석법 ( 간편법 ) 의장점을살린침수피해추정곡선법을적용하고자한다. 본침수피해추정곡선법의특징은계산과정이간단하여기본적인통계자료만으로피해액산정이가능하며, 통계적수치를이용하여자산가치와 GIS 를연계하는기존의방식에비해침수면적과자산의공간적인분포, 지역적특수성을고려하기때문에침수구역내자산의공간적변화를고려할수있다. 또한침수심-피해액관계곡선의적용을통하여저수지하류부의예상피해액산정에효율적인기법이라할수있다. 홍수피해액산정을위해, HEC-RAS 의댐붕괴에따른하류부홍수범람구역에해당하는각행정구역의자산 DB를구축하는데다차원법에서산정하는직접피해액항목은인명피해액, 건물피해액, 건물내용물피해액, 농경지피해액, 농작물피해액, 사업소유형 재고자산피해액, 공공시설피해액의 7가지로분류된다 ( 건설교통부, 2004). 여기서인명피해액과공공시설피해액을제외한 5가지항목은통계적인평가액을지표로활용하여산정하였다. 또한자산가치, 침수면적, 침수심등을공간적으로적용하기위하여창리저수지홍수피해지역의행정구역도, 환경부중분류토지이용도, 1:5,000 수치지형도를구축하였다. III. 결과및고찰 1. HEC-HMS 를이용한댐붕괴모의 댐붕괴해석을위해완장천유역의유역면적 19.4 km 2 에대한가능최대강수량 (PMP) 을산정한후강우량-지속시간별로그래프를선형화하여 Table 5와같이 PMP를산정하였다. 또한 PMP 적용에따른 HEC-HMS 모형을이용한완장천유역의 PMF를산정하였는데, 창리저수지 (Resv.), 화곡천과완장천합류점 (Junction) 및완장천출구점 (Outlet) 의 PMF는창리저수지의저수지추적결과월류현상이발생하기때문에댐붕괴 모의에의한결과를반영하였다. Table 6은 HEC-HMS 모형을이용한창리저수지의댐붕괴모의결과로서, 댐붕괴를위한초기입력자료로댐마루높이 55 EL.m, 댐바닥높이 48 EL.m에대하여현장조사를통해파악된평시관리수위 53.6 EL.m를초기수위로적용하였다. 파이핑위치의높이는여수로와본댐이연결되어있는관리수위와동일하게적용하였다. 또한댐붕괴시작수위는 54.8 EL.m로설정하였으며, time step은 10분간격으로모의하였다. 이는소규모저수지특성상댐붕괴모의시 small time step을적용해야하기때문에첨두유출량의변화를좀더면밀히관찰하기위해서이다. 창리저수지의빈도별홍수량및 PMF 적용에따른창리저수지의유 출입점의홍수량산정결과를살펴보면, 창리저수지의월류에의한댐붕괴모의결과 200년빈도미만의홍수량에서는월류가발생하지않는것으로나타났으며 200 년빈도홍수량및 PMF의경우에지속시간별로월류현상이나타나는것으로분석되었다. 따라서 200년빈도홍수량과 PMF 로인한댐붕괴모의를수행하였는데 200년빈도홍수의경우에는지속시간이 6 hr일때, 첨두홍수량이 m 3 /sec로댐붕괴가발생하는것으로분석되었으며, PMF의경우에는 3 hr~24 hr일때월류에의한댐붕괴가일어나는것으로나타났다. PMF의경우에도지속시간 6 hr에서첨두홍수량이 Table 5 The results of PMP and PMF evaluation for Wanjangcheon watershed Rainfall duration 1hr 2hr 4hr 6hr 8hr 12hr 18hr 24hr 48hr 72hr 19.4 km 2 (mm) PMP (mm) Junction PMF (cms) Resv Outlet Table 6 The results of HEC-HMS dam-break simulation for Changri reservoir Peak flow (cms) Rainfall duration 1hr 2hr 3hr 6hr 12hr 24hr Inlet yr Outlet Overtopping Inlet PMF Outlet Inlet yr Outlet Piping Inlet PMF Outlet 한국농공학회논문집제 52 권제 6 호, 2010

7 박종윤 조형경 정인균 정관수 이주헌 강부식 윤창진 김성준 (a) 3hr (b) 6hr (c) 12hr (d) 24hr Fig. 2 Hydrograph of flood wave by dam-break 3 m /sec의 최대규모의 홍수파가 하류로 방류되는 것으로 나타 났으며, 파이핑에 의한 댐 붕괴 모의는 200년 빈도 홍수량과 PMF에 대하여 수행하였으며 모의 결과, m3/sec m /sec의 첨두홍수량이 발생하는 것으로 분석되었다. Fig. 2는 창리저수지 출구점에서의 PMF시 월류에 의한 댐 붕괴에 따른 지속시간별 홍수파 수문곡선을 나타낸 것이다. 2. HEC-RAS를 이용한 하류부 홍수해석 댐 붕괴 시나리오에 따른 창리저수지 하류부 홍수범람모의를 위해 HEC-RAS 모형을 이용하여 부정류해석을 실시하였다. 분 석 대상구간에서 부정류 해석을 위한 경계조건을 나타낸 것으 로서, 상류단 경계조건으로 PMF overtoping 6 hr의 댐 붕괴 홍수파 수문곡선을 적용하였으며 하류단 경계조건으로 평균하 상경사를 고려한 등류수심 (Normal Depth)을 적용하였다. 내 Fig. 3 Extraction of storage area in lowland areas using GIS 부경계조건으로는 하도와 측방구조물 (Lateral Structure)이 연결된 각각의 저류지 표고별 내용적을 경계조건으로 설정하였 해 50 m 간격의 대표단면을 총 25개 지점에 대해 선정하였다. 다 (Fig. 3). 대표단면은 창리저수지 댐 직하류에서 화곡천 종점인 완정천 합 댐 붕괴에 따른 홍수해석결과 분석을 위해 화곡천 구간에 대 Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, 52(6), 류부까지의 총 1,115 m 구간이며 (Fig. 4), 각각의 대표단면에 69

Fig. 4 The representative stream cross section for flood routing 서의최대홍수량, 최고홍수위, 홍수파도달시간, 최고홍수위도달시간및홍수파배수시간을분석하였다 (Table 7). 그결과, 붕괴시점에서화곡천말단완장천합류전까지홍수파도달시간은약 8 분정도로평균유속은 2.

8 Fig. 4 The representative stream cross section for flood routing 서의최대홍수량, 최고홍수위, 홍수파도달시간, 최고홍수위도달시간및홍수파배수시간을분석하였다 (Table 7). 그결과, 붕괴시점에서화곡천말단완장천합류전까지홍수파도달시간은약 8 분정도로평균유속은 2.3 m/sec 로분석되었으며, 최초홍수파도달후약 10 분후, 최고수위에도달하는것으로분석되었다. Fig. 5 는부정류해석에따른하곡천구간의최고홍수위분석결과로서홍수피해지역을분석한결과, 댐직하류부에서월곡교 ( 측점번호 : 11.46) 까지좌안쪽으로제방월류에의한침수피해가발생하였는데이는표고분석결과우안의표고가상대적으로높으며, 좌안제내지의토지이용이대부분경사지가없는완만한평지이기때문인것으로분석되었다. 이지역의침수면적은약 2.1 ha 이며, 침수심은 1 m 이내인것으로나타났다. 또한화곡천 - 완장천합류점으로부터상류쪽측점번호 7 번까지약 350 m 구간에서제방월류에의한침수피해가발생하였다. 이구간의침수피해는상류에서부터내려온댐붕괴홍수파가완장천을만나면서배수지연또는 Backwater 발생과제 Table 7 The results of flood analysis for dam-break simulation by PMF overtopping H w a g o k C h e o n Stream Station Distance (m) Peak flow (m 3 /s) Maximum water stage (EL.m) flood-wave travel time (hr:min) Travel time at max. water stage (hr:min) Drain time (hr:min) Junction :08 00:19 02: :07 00:19 02: :07 00:18 02: :06 00:18 02: :06 00:17 02: :06 00:17 02: :05 00:16 02: :05 00:16 02: :05 00:16 02: :04 00:15 02: :04 00:15 02: :03 00:14 02:15 Bridge :03 00:14 02: :03 00:14 02: :02 00:13 02: :02 00:13 02: :02 00:13 01: :01 00:12 01: :01 00:12 01: :01 00:12 01: :00 00:11 01: :00 00:11 01: :00 00:11 01: :00 00:10 01:10 Spillway :00 00:10 01:10 70 한국농공학회논문집제 52 권제 6 호, 2010

9 박종윤조형경정인균정관수이주헌강부식윤창진김성준 Fig. 5 Max water stage for each station by dam-break 방월류에의한것으로해석될수있다. 이지역의침수면적은약 14.3 ha이며, 침수심은 0.5~1.0 m 사이인것으로나타났다. Table 8 The evaluation of damage classified with flood depth (Unit: 1,000won) Flood depth (m) Life Private Public Total amount , , ,319 3, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,264 1,018, , , ,105 1,020, 홍수피해액산정 침수피해추정곡선법 (IDEM) 을이용하여창리저수지하류부홍수범람도작성에따른댐하류부의총홍수피해액은인명피해액과일반자산피해액, 공공시설물피해액의합으로산정하였다 (Table 8). 먼저, 인명피해액은다차원법의손실원단위 ( 원 / 명 ) 는 1998년불변금액으로사망자 2억 5천만원, 부상자 2천만원을적용하는데이는본연구의시점과많은차이를보임에따라간편법에쓰이는단위피해액 ( 최근의 1인당국민소득 기대잔여수명 ) 으로수정하여산정하였다. 그결과최대침수심발생시약 12,941천원의인명피해액이발생하는것으로분석되었다. 일반자산피해액은침수구역내건물자산가치및건물내용물자산가치를함께고려한침수심별건물자산피해액과농작물피해액과농경지피해액의합으로계산된농업자산피해액을합하여산정한것으로, 최대침수심발생시약 411,107 천원의피해액이발생하였다. 마지막으로본연구에서모의된침수구역도내에는하천과소하천만이존재하기때문에하천에대한피해율 0.87, 소하천에대한피해율 0.58을적용하여서공공시설물피해액을산정하였다. 창리저수지댐붕괴에따른하류부홍수피해액은최대 1.1 m 침수심을보이며총 1,020,153천원의피해액이예상되었으며, 침수심이 0.5 m를넘으면농경지의침수면적이급격히커지기때문에피해액또한침수면적에비례해서커지는것으로나타났다. 또한침수심이 1.0 m 넘을경우에만농경지피해액을산정하기때문에 1.0 m의침수심이상에서도홍수피해액의증가가두드러지게나타났다. Fig. 6은창리저수지붕괴시예상되는침수심-피해액곡선으로홍수피해액의증가가커지는지점을파악하여피해를최소화시킬수있는연구및저수지제방의위험도분석에도활용될수있을것으로사료된다. IV. 결론 Fig. 6 Flood depth-damage curve 국내소규모저수지의안전관리대책이시급한가운데본연구에서는소규모저수지에대한보다효율적이고단순화된방법으로저수지의댐붕괴에따른홍수피해액산정을위한침수피해추정곡선법 (IDEM) 의적용에따른피해예측모델링을실시하였다. 그결과, 완장천유역내창리저수지 (41.9 m 3 ) 에대한수문분석및댐붕괴모의, 홍수범람모의에따른하류부의홍수피해는 PMF조건하에월류에의한댐붕괴로인하여 0.4 m의침수심에서제내지의침수피해가발생하였으며, 최대 1.1 m의침수가발생하는것으로분석되었다. 최대피해규모는약 1,300만원의인명피해, 41,000만원의일반자산피해, 60,000만원의공공시설물피해가발생하여총 10.2억원의피해액이발생할것으로분석되었다. 본연구에서적용한홍수피해액산정을위한침수피해추정곡선법은기존의홍수피해액산정방법의장점을살려농업용저수지하류부의피해액산정이가능하도록피해액산정절차가간단하기때문에관리기관의비전문가들또한적용및갱신, Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, 52(6),

10 수정이가능할것으로예상되며, 향후여러형태의소규모저수지에대한적용성을검토하고신뢰성있는최신의자산DB와다양한댐붕괴시나리오에따른침수상황을고려한다면보다객관적이고신뢰성있는홍수피해액산정이가능할것으로기대된다. 또한, 앞서언급한우리나라지자체관리소규모저수지의현황을통해알수있듯이약 8,352개의저수지가축조된지 60 년이상된시설물로구조적, 지반공학적, 수문학적안전진단등의재해대비보강이필요한실정으로 100만 m 3 급의대규모저수지에치중되어왔던피해예측모델을소규모저수지에적용함으로서관리자들로하여금저수지의보강및보수를위한우선순위결정및기타의사결정과예상피해액산정에따른비상대처계획수립 (EAP) 에기초자료로활용될수있을것으로기대된다. 이연구는소방방재청자연재해저감기술개발사업 [NEMA- 09-NH-05] 연구비지원으로한국농어촌공사와공동으로수행되었으며이에감사드립니다. REFERENCES 1. Choi, H. S., J. H. Koo, and J. W. Lee, A Study of Web-GIS System Development for Supporting the Multi-dimensional Flood Damage Analysis (MD-FDA). Korean Society of Civil Engineers, 2005 KSCE Anuual Conference, pp (in Korean). 2. Choi, K. H., and K. Y. Han, 2005a. Development of 2-D Flood Inundation Model for Dam Failure Analysis: 1. Theory and Model Verification. Korean Society of Civil Engineers 25(2B): (in Korean). 3. Choi, K. H., and K. Y. Han, 2005b. Development of 2-D Flood Inundation Model for Dam Failure Analysis: 2. Applications. Korean Society of Civil Engineers 25 (2B): (in Korean). 4. Clark, C. O., Storage and Unit Hydrograph. Transactions of the American Society of Civil Engineers 110: Froehlich, D. C., 1995, Embankment Dam Breach Parameters Revisited. Proceedings of the 1995 ASCE Conference on Water Resources Engineering, San Antonio, Texas, pp Hong, S. J., S. J. Kim, H. S. Kim, and M. S. Kyung, Dam Break Analysis with HEC-HMS and HEC- RAS. Korean Society of Civil Engineers 29(4B): (in Korean). 7. Jung, J. H., and Y. N. Yoon, Water Resources Practical Design. Goomibook, Seoul. 8. Kim, W., K. Y. Han, and S. H. Kim, Numerical analysis of dam-break flow by the implicit ENO scheme. Korean Society of Civil Engineers (21)4: (in Korean). 9. Korea Water Resources Association, River design criteria. 10. Lee, D. Y., W. T. Kim, and C. S. Yoo, Climate Change Impacts on Meteorological Drought and Flood. Journal of Korea Water Resources Association 37(4): (in Korean). 11. Lee, H. R., K. Y. Han, and W. C. Cho, Uncertatiny analysis for dam-break floodwave simulation. Journal of Korea Water Resources Association 31(3): (in Korean). 12. Lee, J. S., Application of risk analysis for dam safety assessment. Journal of Korea Water Resources Association 35(6): (in Korean). 13. Lee, J. W., J. H. Koo, and H. S. Choi, The application of the Multi-Dimensional Flood Damage Analysis (MD-FDA) in Gyeongan-cheon Watershed. Korea Spatial Information System Society, 2006 KSISS proceeding, pp (in Korean). 14. McDonald, T. C., and J. Langridge-Monopolis, Breaching characteristics of dam failures. ASCE Journal of Hydraulic Engineering 110(5): Ministry of Construction and Transportation, River facility criteria. 16. Ministry of Construction and Transportation, A study on implementation of economic analysis for the flood control project. 17. Ministry of Construction and Transportation, A study on methodology of economic analysis for the flood control project. 18. Ministry of Construction and Transportation, The Jinwie river basic plan. 19. USDA Soil Conservation Service, National Engineering Handbook. Section 4 Hydrology (Chapters 4-10). 72 한국농공학회논문집제 52 권제 6 호, 2010

11 박종윤조형경정인균정관수이주헌강부식윤창진김성준 20. Von Thun, J. L., and D. R. Gillette, Guidance on Breach Parameters. unpublished internal document, U. S. Bureau of Reclamation, Denver, Colorado, March 13, 1990, 17 p. Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, 52(6),

02.hwp

02.hwp Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers Vol. 53, No. 2, pp. 9~17, March, 2011 DOI: 10.5389/KSAE.2011.53.2.009 Hydrologic Safety Evaluation of Small Scale Reservoir by Simplified Assesment