2.1 자연성기반기술의 홍수완충공간과 홍수관리시설의 유형

하천시설은 하천의 기능을 보전하고 효용을 증진하며 홍수피해를 줄이기 위하여 설치하는 시설을 의미한다. 하천시설에는 제방ㆍ호안(護岸)ㆍ수제(水制) 등 물길의 안정을 위한 시설, 댐ㆍ하구둑ㆍ홍수조절지ㆍ저류지ㆍ지하하천ㆍ방수로ㆍ배수펌프장ㆍ수문(水門) 등 하천수위의 조절을 위한 시설, 운하ㆍ안벽(岸壁)ㆍ물양장(物揚場)ㆍ선착장ㆍ갑문 등 선박의 운항과 관련된 시설 및 그밖에 대통령령으로 정하는 시설 등이 있다. 제방은 물이 넘쳐흐르는 것을 막거나 물을 저장하기 위해 쌓은 구조물로 강이 흐르고 주면에 토사가 퇴적되면 자연스럽게 높아진 고도로 인해 자연 제방이 생성되거나 치수나 이수목적에 의해 인위적으로 쌓아 활용한다. 수문의 경우 홍수 방어, 용수, 배수, 수위 조절 등을 목적으로 수로나 방조제 등에 설치하여 수로를 개폐하는 구조물로 홍수시에는 즉각적인 홍수위 조절을 위해 설치되는 경우가 있다. 따라서 자연성기반 홍수관리시설의 경우 이러한 제방후퇴, 제방이설, 제방 완전개방/일부개방/일시개방, 저류지 포함 여부, 수문과 같은 기타 하천시설물의 활용 등으로 설계 유형이 구분될 수 있다(Fig. 1). 본 연구에서는 홍수완충공간 조성에 따른 효과를 분석하기 위한것이며 따라서 자연성기반 홍수관리시설의 유형 중 제방을 후퇴하고 이설하여 홍수완충공간을 확보하는 방안(Fig. 1(a))을 고려하였다.

Fig. 1. Types of Natural-based Flood Management Facilities: (a) Levee Setback, (b) Open Levee, Overflow Levee, (c) Bypass, Side Channel, (d) Gate Operation (MOE, 2022)

2.2 홍수완충공간 조성 대상지 및 대상구간의 개요

본 연구에서는 국가하천인 금강의 충북 영동군 심천면 장동리에 위치한 장동지구를 대상구간으로 활용하였다. 해당 구간은 대청댐 수환경 개선을 위한 홍수터 연구^{(KICT, 2021)}를 통해 자연성기기술의 홍수완충공간 조정 대상지로 선정된 바 있으며, 현재는 홍수터 확장을 위한 제방의 후퇴/이설이 계획되어 사업이 진행되고 있다. 또한 ^{Ji et al.(2022)}은 대상구간에 대해 홍수관리시설의 유형 분석을 통해 대상 구간에 대한 유형별 특징을 검토한 바 있다. 해당 구간의 홍수터 확장 면적은 약 243,000 m2이며, 금강의 대청댐 상류와 용담댐 하류 사이에 위치한 조절하천 구간으로 홍수완충공간으로 조성하고자 하는 제내지는 주로 농경지 및 특용 작물지로 활용되어 오염원 저감을 위해 매수토지 비율이 높은 지역이다. 또한 장동지구는 금강 우안 제방도로의 표고 보다 약 7 m 낮은 저지대이고 금강 외수위 상승으로 인해 집중 호우시 내수침수 피해가 발생하는 지역이다. 대규모 국유지를 활용한 홍수터 확장을 시행할 경우 장동리 일원의 근본적인 치수개선 목표와 수환경 개선 효과를 모두 기대할 수 있는 구간이다. 또한 현재 지형 특성을 살펴보면 본류 하도 하상고와 약 5~6 m 표고차가 있으며, 제방 후퇴 및 이설시 저류 효과 및 수생태 수변구역 조성 효과가 클 것으로 예상된다.

3.1 지형구축

하천 본류의 부정류 해석시 대한 적정한 검토구간의 결정이 필요하다. 치수효과의 검토를 위해서는 홍수터 포함한 충분한 상･ 하류구역이 포함되어야 한다. 또한 긴 하천구간을 해석 시 지류하천이 유입될 가능성이 높으며, 이 경우 지류하천의 수문 곡선이 추가적으로 필요하다. 이에 일반적으로 지류하천 직하류부터 다음 하류지역의 지류하천 전까지를 모의구간으로 결정한다. 이 때 지류하천은 지방하천 이상의 주요하천을 말한다. 위와 같은 사항을 종합적으로 고려하여 Fig. 2(a)와 같이 금강 장동지구 No.13.4(이원대교)에서 No.21.4(초강 직하류)까지 총 8 km를 모의구간으로 결정하였으며, 해당 구간에 대한 HEC-RAS 상의 지형자료를 구축하였다(Fig. 2(b)). 장동지구의 현재 하천 제방을 북측으로 이동(setback)하는 경우의 지형은 No.16.2∼17.6 구간에 대해 「금강 상류 하천기본계획(수립중, 환경부)^{(MOE, 2020)}」에서 구축한 “개수후 횡단면”을 적용하였다.

Fig. 2. Study Area: (a) Satellite Image and Location Map of Jangdong Section, (b) Terrain Cross Section of HEC-RAS

3.2 경계조건

모형 내 구축한 금강 상류단(No.21.4)은 초강 직하류 지점이며, 이에 「금강 상류 하천기본계획(수립 중, 환경부)^{(MOE, 2020)}」에서 산정한 이원수위표 지점(K43)의 홍수 수문곡선을 적용하였다. 이는 용담댐이 고려된 계획홍수량에 대한 홍수 수문곡선이다. 장동지구의 설계빈도는 금강 본류의 계획빈도와 동일하게 100년으로 결정하였다. 적용 홍수 수문곡선은 Fig. 3(a)와 같으며, 첨두 홍수량은 7,930.6 m³/s이다. 장동지구 하류에는 한국수자원공사에서 이원대교 지점에서 다년간 홍수기 실측을 통해 작성한 수위유량곡선이 있으며, 장동지구로부터 약 3 km 하류지점에 위치하고 있다(Fig. 3(b)).

Fig. 3. Modeling Boundary Conditions: (a) Flood Hydrograph, (b) Water Level -Flow Discharge Rating Curve

3.3 매개변수

1차원 수치모델을 활용한 부정류 해석 시 주요 매개변수는 하천의 조도계수(n)이다. 본 연구에서 금강 본류의 조도계수는 「금강 상류 하천기본계획(수립중, 환경부)^{(MOE, 2020)}」를 참고하여 채택하였으며, 금회 모의구간 전체에 대해 0.035로 확인되었다. 이 조도계수는 식생이 없는 하도 구간의 하상 조도계수로 적용하였으며, 제방 이설 후 식생이 조성되는 홍수완충공간 확장부지에 대한 식생하도 구간 조도계수는 ^{Baptist et al.(2007)}의 정수(emergent) 조건의 해석적 공식을 활용하여 추정하였다(Fig. 4). ^{Baptist et al.(2007)}의 공식을 적용하여 산정된 식생하도의 Chezy 흐름저항계수는 Manning 계수로 환산하였으며, 그 값은 0.19이다. Fig. 4의 계산방법과 절차는 식생하도의 흐름이 정수조건인 경우에만 적용 가능하다. 특히 본 연구에서는 ^{Baptist et al.(2007)}의 공식에서 식생에 의해 흐름이 차단되는 특성면적의 수심별 분포를 고려하기 위해 식생이 잠기는 높이를 반영한 잎과 줄기가 있는 수변식생의 유효 지름(Deff)을 산정한 후 흐름저항계수를 산정하였다.

Fig. 4. Flow Chart for Calculating Flow Resistance Coefficient for Vegetated Channels using Baptist et al. (2007) Model for Emergent Condition

3.4 모의 조건

본 연구에서는 제방 이설에 따른 홍수위 변화를 정량적으로 분석하기 위해 현재 제방선을 그대로 유지한 상태의 조건(Case A)과 제방을 후퇴하여 수변구역을 홍수터 구간으로 포함시켰을 경우(Case B, C, D)로 크게 나누어 수행하였다(Table 1). 그 중, Case B는 새롭게 홍수완충공간으로 조성된 공간에 금강 본류의 조도계수와 동일한 0.035를 적용하였고, Case C는 3.3장에서 언급한 방법을 통해 대상 구간의 현장에 존재하는 식생의 물리적 특성이 반영되어 산정된 조도계수인 0.19를 적용하여 모의하였다. Case D는 제방 이설로 확장된 홍수터 공간에 사수역 설계를 적용하였다. HEC-RAS 상에서 사수역 처리는 교각 전후로 흐름이 없거나 흐름이 있어도 와류가 발생함으로써 유량의 소통에 영향을 주지 않는 영역에 적용하는 설계이다^{(Brunner, 2016)}. 이에 본 연구에서는 높은 밀도의 식생이 완충공간에 넓게 퍼져 있음으로써 흐름이 거의 존재하지 않음을 가정하여 Case D의 홍수터 영역은 사수역으로 설계하고 모의하였다. 위와 같은 네 가지 모의 조건에 따라 홍수위 변화에 대해 모의를 진행한 후 각각의 효과를 분석하고자 하였다.

4.1 홍수위 변화 분석

본 연구는 HEC-RAS 모형을 이용해 앞서 설정한 모의 조건에 대하여 대상구간 내 100년 빈도의 홍수수문사상이 발생하였을 때, 일부 구간의 제방을 이설하는 자연기반해법을 적용함으로서 기대할 수 있는 홍수조절, 유속 저감 및 시간에 따른 홍수위 변화를 검토하고자 하였다. 해당 연구의 주요 검토내용인 홍수조절 효과는 Table 2와 Fig. 5(a), (b)에서 확인할 수 있으며, 홍수터 조성 전인 Case A(현 상태)의 최대 홍수위와 조성 후(Case B, C, D) 최대 홍수위의 차(Hc)로 정의하였다.

제방을 후퇴시키고 확장된 홍수터 구역에 검토 구간 내 본류의 조도계수(0.035)를 적용한 Case B는 No. 16.2에서 No. 17.6까지의 제방 후퇴 구간 중 No. 16.8에서 수위 저감이 시작되어 상류 방향으로 이어진다. 그 중 No. 18.0 단면(하류단으로부터 약 4.6 km 상류, 제방 이설 구간의 직상류 지점)에서 약 38 cm로 최대 홍수위 변화를 보였다. 이는 같은 단면의 다른 모의 조건의 결과들과 비교해도 가장 큰 수위 저감이였으며, 해당 모의 조건에서 확장된 홍수터에 사용된 조도계수의 값이 모의 조건들 중 가장 작아 발생하는 저항이 비교적 적기 때문인 것으로 추정된다. 해당 단면 이후 수위 저감은 점차 감소하지만 제방 이설 구간 종료 후 4 km 상류 방향에 위치한 No. 21.4 단면까지도 이어지며 약 14 cm의 조절효과를 확인할 수 있었다. No. 16.2에서 No. 16.6 단면까지 약 400 m 구간에서는 급격한 수위 상승이 발생하였다. 특히 No. 16.4 단면에서는 27 cm의 수위 상승이 발생하였으며, 이는 검토 구간 중 가장 높은 수위 상승 폭이었다. 해당 단면에서의 유속 저감이 가장 컸던 것을 원인으로 추정한다.

제방 이설 후 홍수터에 새롭게 산정된 조도계수인 0.19를 적용한 Case C는 앞서 언급한 Case B와 유사한 수면곡선 경향을 보인다. No. 18.0에서 약 30 cm의 구간 내 최대 홍수위 변화를 보이며, 해당 지점에서 상류 방향으로 수위 저감 현상이 점차 감소하지만 검토 구간의 마지막 상류 단면인 No. 21.4에서도 약 10 cm의 수위 저감을 확인할 수 있다. 해당 모의 조건에서는 No. 16.2부터 No. 17.2 단면까지 수위 상승 현상이 발생하며 Case B와 마찬가지로 제방 이설 구간의 종점에 가까운 No. 16.4에서 약 30 cm의 최대 수위 상승 폭을 보인다.

개수 후 확장된 완충공간에 밀도 높은 식생의 분포로 흐름이 거의 존재하지 않는다고 가정하여 사수역 설계한 Case D는 앞서 언급한 Case B, C와 수위 변화 경향은 유사하나, 변화의 폭이 작다. 이는 다른 모의 조건에 비해 확장된 홍수터가 모의 결과에 미치는 영향이 비교적 적은 것이 원인인 것으로 추정된다. No. 16.6 단면을 기점으로 상류 방향으로 수위가 저감됨을 확인할 수 있다. No. 18.0 단면에서 약 20 cm의 최대 홍수위 저감을 보이며, 적지만 상류단 No. 21.4까지 이어져 약 6 cm의 수위 저감을 확인할 수 있다. 하류 구간에서는 현 상태(Case A)와 거의 동일한 수위값이 확인되었고, 수위 상승 구간은 No. 16.2에서 No. 16.4 단면의 200 m 구간으로 모의 조건 중 가장 짧은 편이며 최대 수위 상승폭은 약 10 cm로 관측되었다.

모의 결과, 상류 접근 하도 구간에서는 홍수위가 저감되는 것으로 나타났으나, 홍수터 확장 구간 내 일부 구간(No. 16.2~No. 17.2)에서 홍수위가 현 상태와 비교했을 때 오히려 상승하는 구간도 보이며 이후 하류 구간에서는 수위 변화가 5 mm 이하로 미미했다. 다차원법을 이용한 천변저류지의 홍수조절효과를 검토한 ^{Kwak et al. (2008)}과 본 연구에서 활용한 모형과 동일한 HEC-RAS를 활용해 천변저류지의 홍수위 저감을 효과를 분석한 ^{Park et al.(2007)}, ^{Rhee et al.(2014)}의 연구에서도 저류지의 하류 구간은 수위 감소 폭이 비교적 작은 것으로 확인되었다.

Fig. 5. Flood Level Calculation Results for Study Area: (a) Flood Level, (b) Flood Control Effect

4.2 유속 변화 분석

홍수위 변화 분석에 이어 제방 이설 후 발생한 유속 저감을 확인하였다(Table 3, Fig 6. (a), (b)). 제방 후퇴로 인해 통수단면적이 넓어진 구간인 No. 16.2~No. 17.6 단면 전후로 유속이 저하되며 모든 모의 조건에서 해당 구간의 하류 구간(No. 16.2, 16.4)에서 최대 유속 저감을 확인할 수 있었다. Case B, C에서는 1.4 m/s, Case D 조건에서는 0.36 m/s의 평균유속이 감소했으며 이는 유속 감소 폭이 가장 컸던 결과로, 제방 이설로 넓어진 통수단면적의 비율이 가장 큰 지점이었다는 점을 원인으로 예상할 수 있다. Case B와 C는 전반적으로 유사한 유속값을 보였던 가운데 Case D는 비교적 현 상태(Case A)와 큰 차이가 없는 경향을 보였는데, 추정 원인으로는 다른 모의 조건에 비해 확장된 홍수완충공간이 모의 결과에 미치는 영향이 비교적 적기 때문이다.

Fig. 6. Predicted Mean Velocity: (a) Mean Velocity for Study Area, (b) Reduction Effect of Mean Velocity

4.3 최대 홍수위 발생 시점 변화

본 절에서는 모의 조건별 최대 홍수위가 발생하는 시점까지의 도달시간을 분석하여 시간에 따른 홍수위 변화를 평가하였다. Fig. 7의 그래프는 모의 구간의 최 상류인 Fig. 7(a) No.16.2를 시작으로 Fig. 7(f) No.18.2까지 이어진다. 지점 별로 최고 수위가 발생하는 시점은 32분대이다. 제방 후퇴 구간이 약 1.4 km임에도 불구하고 최고 수위가 발생하는 시점은 전 구간에 걸쳐 유사하다는 것을 알 수 있다. 또한 Case C와 Case D의 최고 수위 발생 시점이 Case A에 비해 다소 지연되는 것을 확인하였으나 그 차이가 크지 않은 것으로 보아 제방 후퇴 여부는 최고 수위가 발생하는 시점 변화에 미치는 영향이 거의 없는 것으로 나타났다. 또한 제방 후퇴로 인해 확대되는 홍수완충공간에 대한 조도계수와 사수역 처리의 여부도 최고 수위가 발생하는 시점의 변화에는 민감하지 않다는 것을 알 수 있다.

Fig. 7. Time to Reach the Maximum Water Level for Each Simulated Condition at: (a) No.16.2, (b) No.16.6, (c) No.17, (d) No.17.4, (e) No.17.8, (f) No.18.2