2.1 수치모형의 구축

섬진강댐의 방류 영향 및 하천 대책의 영향을 정량적으로 분석하기 위해 HEC-RAS를 사용하여 수치 모형을 구축하고 부정류 모의를 수행하였다. HEC-RAS 모형은 국내에서 하천기본계획을 수립할 때 계획홍수위 산정 도구로 활용되는 기본 모형으로 통상적으로 부등류(non-uniform flow) 모의에 사용되지만, 부정류 모의에서도 정확한 결과를 도출하는 것으로 알려져 있다^{(US Army Engineering Center, 2022)}. 모의기간은 2020년 8월 1일 12:00 ~8월 14일 00:00로 설정하였다. 모형 내 지형자료는 섬진강하천기본계획^{(MOLIT, 2021)}의 개수 전 자료를 활용하였다. 공간적 범위는 섬진강 하구부터 섬진강댐 직하류까지(No. 0~No. 135.200) 약 135 km로 설정하였다. 주요 지류로 보성강, 요천, 오수천 등이 있는데, 보성강을 제외한 모든 지류 및 지천은 측방 유입(lateral inflow)하는 것으로 처리하였다. 섬진강 수계 모식도와 주요 수위 관측소 위치는 Fig. 3~4에 도시하였다.

Fig. 3. Schematic Diagram of Seomjin River Watershed

Fig. 4. Schematic Diagram of Location of Water Level Observatories, Storage and Flood Damage Area

Fig. 3의 지류 하천 중 섬진강과의 합류점 인근에 유량관측소가 있는 하천은 오수천, 경천, 옥과천, 요천, 황전천, 서시천 총 6개의 하천이다. 유량관측소가 있는 6개 하천은 실측된 유량값을 측방유입으로 입력하였다. 유량관측소가 없는 하천은 갈담천, 치천, 입천, 수지천, 곡성천 총 5개 하천이다. 이 중 유역면적이 상대적으로 작은 수지천, 곡성천은 유량값을 입력하지 않았다. 갈담천, 치천, 입천은 최인접 지류유역의 실측 유량을 기준으로 유역 면적비를 감안하여 유량값을 추출하였다^{(Baek and Lee, 2023)}. 예를 들어 입천의 경우에는 가장 가까우면서 실측유량이 존재하는 옥과천을 기준으로 입천과의 유역면적비율을 옥과천 유량에 곱하여 유량값을 산정하였다. 최대 지류인 보성강은 주암댐 직하류부터 지형을 구축하여 본류 섬진강에 합류하는 것으로 모형을 구축하였다.

구축된 모형을 기반으로 2020년 섬진강댐의 실적 방류량을 상류 유입유량으로 할당하여 홍수위를 모의하였다. 각 구간별 조도계수의 미세조정을 통해 실측 수위를 재현하였다. 주요 수위표 지점에서 모의한 수위와 관측 수위를 도시하면 Fig. 5와 같고, 관측 수위와 모의 수위 간 첨두치 차이를 Table 1에 정리하였다. 이 그림에서 보듯이 모의치와 관측치간 차이가 미세하고, 홍수 첨두치를 비교적 잘 재현하였다. 특히 첨두치의 경우 Table 1에서 보듯이 2020년 당시 피해가 집중된 섬진강 중하류 지역은 대체로 모의치를 관측치보다 작지 않게 결정하였다. 이후 홍수저감대책에 따른 홍수위 저감량을 보수적으로 보기 위함이다.

Fig. 5. Comparison of Measured and Calculated Flood Levels

2.2 탄력제한수위의 도입(비구조적 대책)

추가적인 홍수조절용량을 확보하기 위해 댐 운영수위를 댐 규정수위 이하로 끌어 내리는 경우 당면한 과제인 홍수조절에는 많은 도움이 되겠으나, 상시만수위로 복귀하는데 그만큼의 어려움을 감수해야 한다. 즉 서로 상반되는 이수와 치수를 함께 고려하여야 하는 것이 홍수기 저수지 운영의 어려움이라 할 수 있다. 이러한 어려움을 해결하는 하나의 방안으로 제한수위의 상한과 하한을 설정하고, 설정된 범위 내에서 홍수기 기간을 세분화하여 기간별로 적절히 제한수위를 탄력적으로 운영하는 것이 탄력(가변)제한수위의 개념이다.

섬진강댐에 탄력제한수위를 적용하기 위해 우선 기존 홍수기 제한수위를 상한으로 정하고, 이수목적을 위한 댐운영수위를 하한으로 설정한다. 탄력제한수위의 상한과 하한이 설정되었다면 설정된 범위 내에서 구분된 홍수기간별 특성을 고려하여 적절한 탄력제한수위를 각각 결정할 수 있다. 장마기/혹서기/세력이 약한 장마전선의 영향기 등으로 시기적 구분이 가능한 홍수기의 기상특성을 반영하여 홍수기를 한달 간격씩 각각 초반기/중반기/종반기로 구분한다. 일반적으로 홍수기 초반의 저수지 상황은 비홍수기의 용수공급으로 인해 저수지의 수위가 많이 저하되어 오히려 강우를 기다리는 입장이며, 반대로 홍수기 종반의 상황은 상시만수위를 확보할 수 있는 기회가 점차로 줄게 된다. 홍수기 초반과 중반의 경우에는 상대적으로 상시만수위 확보보다는 치수에 대한 비중이 높다고 할 수 있다. 홍수기 중반의 경우에는 용수공급 확보수위와 상시만수위의 중간적인 성격의 수위로 결정하여 홍수기 초반과 종반을 단계적으로 연결하도록 한다. 종합하자면 구분된 홍수기간별 저수지 운영에 있어 홍수기 초반과 중반의 경우에는 치수에 비중을 두고, 홍수기 종반에는 용수확보에 대한 비중을 상대적으로 높인다.

최종적으로 Fig. 6과 같이 홍수기 초반에는 용수공급확보수위(섬진강댐은 EL. 188.68 m)를 제한수위로 설정하여 최소한의 이수목적을 충족시키고, 홍수기 중반에는 홍수기 초반과 종반을 단계적으로 연결하도록 제한수위(섬진강댐은 EL. 190.05 m)를 결정하고, 홍수기 종반에는 상시만수위(섬진강댐은 EL. 196.5 m)를 확보하는 것으로 제한수위를 탄력적으로 운영함을 본 연구에서는 제안하였다.

Fig. 6. Flexible Operation of Flood Season Restricted Water Level (FSRWL) at Seomjin River Dam

2.3 천변저류지의 도입 (구조적 대책)

섬진강 본류에 조성 가능한 천변저류지 후보지를 조사하여 Fig. 4와 같이 3곳(순창군 두승리; Storage A, 곡성읍 대평리; Storage B, 구례군 간전면; Storage C)에 저류지 조성을 계획하였다. 저류지 후보지는 다음과 같은 기준을 충족하는 지역을 선택하였다. ① 하도소통능력이 부족한 국가하천 주변 저지대의 농경지역 ② 저류 면적이 0.2 km2 이상인 지역 ③ 2020년 8월 실제 홍수피해가 발생한 지역홍수위의 저감은 저류지의 제원(저류지의 면적, 유입구 횡월류 위어(weir)의 크기, 저류지 바닥고 등)과 더불어 홍수사상(수문곡선)에 따라 많은 차이를 보이는 것으로 알려져 있다. 과거 연구들^{(Jun, 2006; Jun, 2007)}에서도 저류지가 홍수위 저감에 크게 효과적인지 논쟁이 있었으며, 최적지점 선정과 최적의 제원설계가 필수적임이 강조된 바 있다^{(Baek and Ahn, 2009; Ahn et al., 2011; Kim et al., 2012; Kim et al., 2015; Kim et al., 2016)}. 본 연구에서는 HEC-RAS 내 storage 기능을 활용하여 저류지 효과를 분석하였으며, 2020년 홍수사상을 기반으로 두 가지(유입구 횡월류 위어의 제원, 저류지 지반고)를 변수로 하여 최적의 저류지 규모를 설계하였다. 저류지 횡월류 유입구 길이는 300 m, 저류지 바닥고는 평균지반고 기준 5~8 m 절토를 통해 해당 저류지의 제원을 결정하였다. 참고로 Storage B 면적은 약 2 km2을 가정하였는데, 이는 남한강에 설치된 여주저류지의 규모를 참고한 것이다. 여주 저류지의 넓이는 2.2 km2, 유입위어 길이는 300 m, 바닥고는 평균 지반고 기준 6~8 m 절토한 바 있다^{(MOLIT, 2011)}.

3.1 비구조적 대책에 따른 홍수위 저감

섬진강댐의 홍수기제한수위를 Fig. 6에서 보는 바와 같이 탄력적으로 운영했을 경우 주요지점에서 홍수위의 변화를 모의, 분석하였다. 2020년 섬진강댐의 방류실적을 보면 8월 7일 13시부터 방류가 시작되었고, 이때 초기 수위는 EL. 193.49 m이었다. 만약 앞서 제안한 대로 제한수위를 가변적으로 운영하였다면 홍수기 중반에 해당되므로 제한수위는 EL. 190 m일 것이고, 이것이 방류 시작 초기수위가 될 것이다. 초기수위 변경으로 증가된 댐 홍수조절용량이 하류 홍수위 저감에 얼마나 영향을 주었는지 구축한 부정류 모형을 기반으로 홍수위를 모의하였다. 이때 섬진강댐의 방류 실적을 가정하기가 매우 까다롭기 때문에 ‘댐하류 수해원인 조사보고서’(이하 ‘조사보고서’) 내 섬진강댐 부록편^{(ME, 2021)}을 참고하였다. 이 보고서 부록 5.3 댐 시나리오 검토 편에서는 총 37개의 가상 시나리오를 검토하였으며, 본 연구에서는 이 중 No. 22를 준용하여 댐 방류실적으로 가정하였다(Fig. 7 참조). No.22 시나리오를 선택한 이유는 사전 방류량에 대한 전제조건 없이 초기수위를 EL. 190 m로 가정하였고, 상시만수위까지는 담수하고 그 이상일 때는 계획방류량을 준수하면서 방류한다 등의 조건을 따랐기 때문이다(오직 초기수위만을 변수로 가정했기 때문). 이와 더불어 홍수기 초반 제한수위의 하한치인 EL. 188 m를 초기수위로 가정한 경우도 추가로 모의하였다(이것은 ‘조사보고서’ 시나리오 No. 23에 해당됨). Fig. 7에서 보듯이 방류 시작 전 초기 수위가 낮은 시나리오 No. 23이 No. 22에 비해 지체되어 방류를 시작하게 된다.

Fig. 7. Flow Discharge Performance of Seomjin River Dam according to Scenarios

주요 관심지점에서 시나리오 No.23 (초기수위; EL. 188 m)과 시나리오 No.22 (초기수위; EL. 190 m)의 모의 결과를 2020년 실적방류시 모의수위와 함께 Fig. 8에 일부 도시하였고, 첨두홍수위 저감치를 Table 2에 정리하였다. 여기서 홍수위 변화를 주목한 관심 지점은 ‘조사보고서’에서 보고된 78곳의 수해피해 지역 중 섬진강 본류의 주요 10곳 지점이다. Table 2에서 정리하였듯이 섬진강 본류 피해가 발생한 주요지점에서 흔적수위가 계획홍수위를 모두 상회하였으나, 계획홍수위+제방여유고 대비 흔적수위 차이를 보면 흔적수위가 모두 낮았다. 이는 제방이 규정대로 잘 설치되어 있었다면 섬진강 본류에서 홍수피해는 없었을 것임을 의미한다. 비록 500년 빈도를 상회하는 강한 강우에도 대부분의 수해피해를 막을 수 있었다는 안타까운 사실을 다시금 상기시킨다.

본 연구는 향후 제방이 규정대로 설치되었다는 전제하에 2020년 홍수사상시 피해 발생이 우려되는 지점을 중심으로 홍수저감대책을 제안하였다. 본 연구에서 구축한 모형의 결과에 따르면 Table 2에서 보듯이 계산 홍수위가 대부분 지점에서 흔적수위를 상회하였고, #6, 8, 9 세 지점에서는 제방 월류까지 발생하였다. 물론 본 모형이 검·보정 과정에서 보수적인 접근을 위해 피해가 집중된 중하류 지역은 관측수위에 비해 계산수위를 과소산정하지 않았기 때문에 전체적으로 계산수위가 흔적수위보다 큰 경향이 있다. 그럼에도 불구하고 이 표에서 보듯이 #6 지점은 흔적수위와 계획홍수위+제방여유고의 차이가 0.21 m에 불과할 정도로 작아 홍수위 저감대책이 필요한 지점인 것은 분명해 보인다.

Fig. 8. Reduction of Flood Level by Non-structural Measures at Gokseong 1 (#6), Gurye 1 (#8) and Gurye 2 (#9)

비구조적대책의 결과를 살펴보면 다음과 같다. Fig. 8과 Table 2에서 보듯이 시나리오 No. 23(초기수위; EL. 188 m)의 결과가 No. 22(초기수위; EL. 190 m)에 비해 첨두치가 상대적으로 큰 폭으로 저감되었다. 시나리오 No. 23(초기수위; EL. 188 m)인 경우, 관심지역 10곳 모두 월류가 발생하지 않았다. 이는 섬진강 홍수기 제한수위를 탄력적으로 운영할 때 초반기(6.20~7.20) 뿐만 아니라 중반기(7.21~8.20)까지 제한수위를 EL. 188 m로 설정하면 비구조적 대책만으로도 충분한 홍수방어 대책이 될 수 있다고 평가할 수 있다. 하지만 중반기까지 제한수위를 EL. 188 m로 유지하기에는 홍수기 종료 이후 만수위 도달에 많은 어려움이 예상되므로 당초 설정대로 중반기(7.21~8.20) 제한수위는 EL. 190 m가 현실적이라 사료된다. 시나리오 No.22(초기수위; EL. 190 m)인 경우, 당초 2020년 방류실적(초기수위; EL. 193 m)과 동일하게 #6, 8, 9 지점에서 첨두 홍수위가 계획홍수위+제방여유고를 상회하였다(물론 Table 2에서 보듯이 2020년 방류실적과 비교하면 그 차이가 줄어들기는 함). 결론적으로 비구조적 대책으로 섬진강댐의 홍수기 중반 제한수위는 EL. 190 m로 유지함과 더불어 구조적 대책이 병행되어야 할 필요성이 있어 보인다. 참고로 섬진강의 제1지류 보성강 상류에 있는 주암댐의 운영 rule의 변경이 섬진강 본류에 미치는 영향을 분석한 결과 그 영향이 미미하였으므로, 본 연구에서는 주암댐의 비구조적 대책은 고려하지 않았다.

3.2 구조적 대책에 따른 홍수위 저감

저류지 설치에 따른 주요 피해지역의 홍수위 저감을 Table 3에 정리하고 Fig. 9에 대표적으로 #6 지점의 홍수위 변화를 도시하였다. 저류지 3곳에 대해 각각 하나씩 설치, 두 군데 설치, 세 군데 모두 설치했을 경우 홍수위 변동을 모의하였다. 섬진강댐 방류실적은 2020년(초기수위 EL. 193 m)을 따랐다. 모의결과, 저류지를 한군데만 설치하는 경우 관심피해지역 3곳(#6, 8, 9) 중 어느 한 곳도 월류피해를 막지 못하였다(계획홍수위+제방여유고 < 첨두 홍수위). Storage B를 설치하는 경우 저류지 하류에 위치한 관심지역 #8, 9의 월류는 막을 수 있었다. Storage C는 가장 하류에 설치되어 있고, 규모도 크지 않아 홍수위 저감효과가 크지 않았다. Storage A와 Storage B를 동시에 설치하는 경우 관심피해지역 3곳(#6, 8, 9)의 월류를 모두 막을 수 있는 것으로 계산되었다. Storage B와 Storage C를 동시에 설치하는 경우 관심피해지역 #8, 9의 홍수예방효과는 있으나, 상류에 위치한 #6의 홍수피해예방은 불가하였다. 당연하게도 저류지 세 곳을 모두 설치하는 경우 홍수위 저감 효과가 가장 크게 나타났다. 결론적으로 가장 효과적인(관심피해지역 3곳 #6, 8, 9의 월류 방지를 의미) 저류지 설치방안은 Storage A와 Storage B 두 군데를 동시에 설치하는 것이다.

Fig. 9. Reduction of Flood Level by Structural Measures at Gokseong 1 (#6)

3.3 구조적/비구조적 대책의 조합에 따른 홍수위 저감

끝으로 구조적 대책과 비구조적 대책을 동시에 사용했을 경우 홍수위 저감 상황을 비교하여 대책간 최적의 조합이 무엇이진 분석하였다. 앞선 논의에서 섬진강댐의 비구조적 대책(홍수기 중반 제한수위를 EL. 190 m로 설정할 경우)만으로 주요 관심지점 중 세 지역(#6, 8, 9)의 홍수피해를 예방하지 못하였다. 이에 구조적 대책을 따로 검토하였고 그 결과 저류지를 최소 2군데(Storage A와 Storage B를 동시에 설치) 이상 설치가 필요한 것으로 분석된 바 있다. 본 절에서는 비구조적대책으로 홍수기 중반기 제한수위를 EL. 190 m로 설정한 방류실적에 따라 구조적 대책으로 저류지가 어디에 몇 개 필요한지 분석하였다. 그 결과를 Table 4에 정리하였다.

Storage A만 설치하는 경우, 관심피해지역 3곳(#6, 8, 9) 중 한 곳(#9)의 월류피해를 예방할(계획홍수위+제방여유고 > 첨두 홍수위) 수 있었다. Storage B를 설치하는 경우 관심피해지역 #6, 8, 9 모두의 월류 피해를 막을 수 있는 것으로 분석되었다. Storage C는 가장 하류에 설치되어 있고 규모도 작아 구조적 대책이 있더라도 홍수위 저감효과가 크지 않았다. Storage A와 Storage B를 동시에 설치하는 경우 당초 2020년 방류실적 (초기수위 EL. 193 m)의 경우와 동일하게 관심피해지역 3곳의 월류를 모두 막을 수 있었다. Storage B와 Storage C를 동시에 설치하는 경우 관심피해지역 #8, 9의 홍수예방효과는 있으나, 상류에 위치한 #6의 홍수예방은 불가하였다.

결론적으로 섬진강댐의 비구조적 대책이 있는 경우(중반기 제한수위를 EL. 190 m로 설정), 가장 효율적인(관심피해지역 3곳 #6, 8, 9의 월류 방지를 의미) 저류지 설치방안은 Storage B를 하나만 설치하는 것이다. 이는 비구조적대책이 없는 경우(2020년 방류실적) 2군데의 저류지 설치가 필요했던 결과에 비해 더 효율적인 방안이라 평가할 수 있다. 왜냐하면 천변 저류지 설치 비용으로 공사비를 제외하더라도 토지보상비와 영농손실보상비가 소요되는데, 표준공시지가 등을 참고하여 이들의 대략적 금액을 산출해 보면 개당 300억원을 초과하는 많은 예산이 소요되기 때문이다. 따라서 비구조적대책으로 홍수기 중반 섬진강댐 제한수위를 EL. 190 m로 운영하고, 구조적대책으로 Storage B를 설치하는 것이 2020년 홍수사상시 섬진강 본류 홍수피해예방의 최적 방안이라 사료된다.