1. 서 론

기후변화로 인한 집중호우의 빈도와 강도가 증가함에 따라 도시 및 하천 유역에서의 홍수 피해가 지속적으로 확대되고 있다. 특히 도시화로 인한 불투수면적 증가와 배수체계의 구조적 한계는 단시간 내 대규모 유출을 유발하며, 이에 따라 홍수조절지와 같은 구조적 홍수 저감 대책의 중요성이 더욱 증가하고 있다. 홍수조절지는 홍수 발생 시 유입 유량의 일부를 일시적으로 저류함으로써 하류로 전달되는 하류 유량 을 감소시키고 유출 시간을 지연시키는 기능을 수행하며, 하천 및 도시 유역에서 홍수 위험을 완화하기 위한 핵심 수공 구조물로 활용되고 있다(USACE, 1994). 최근에는 기후변화와 도시화의 복합적인 영향으로 인해 유역 단위 홍수 관리에서 홍수저류시설의 역할이 더욱 중요하게 강조되고 있으며, 홍수조절지와 같은 저류 기반 시설이 홍수 대응 전략의 주요 수단으로 활용되고 있다(Di Baldassarre et al., 2013; Kundzewicz et al., 2017).

홍수조절지의 홍수 저감 효과를 평가하기 위해서는 수문 개방 및 월류 과정에서 발생하는 유량 변화를 정량적으로 파악하는 것이 중요하다. 일반적으로 홍수조절지에서의 월류 흐름은 횡월류 위어를 통한 유량 산정식에 의해 계산되며, 자유월류 조건을 가정한 다양한 경험식이 활용되어 왔다. 대표적으로 d’Aubuisson식과 같은 위어 공식이 널리 적용되어 왔으며, 이러한 식들은 정상 흐름 및 이상적인 수리 조건을 가정하여 월류 유량을 산정한다(Gwon et al., 2024). 그러나 실제 홍수조절지에서는 수문 개방에 따른 흐름 변화, 난류 및 와류 발생, 그리고 잠긴 흐름 조건 등이 복합적으로 나타나 전통적인 위어 공식만으로 실제 월류 유량을 정확하게 평가하기 어려운 경우가 발생한다.

횡월류 흐름의 수리적 특성을 분석하기 위한 연구는 오래전부터 수행되어 왔다. De Marchi (1934)는 횡월류 위어에서의 유량 분포를 이론적으로 해석하고 유량계수 산정 방법을 제안하였으며, 이후 Subramanya and Awasthy (1972)은 실험 연구를 통해 횡월류 위어에서의 유량계수 변화 특성을 분석하였다. Khassaf et al. (2016)은 복합 횡월류 위어를 대상으로 실험 및 CFD 분석을 수행하여 위어 형상과 흐름 조건이 유량계수에 미치는 영향을 검토하였으며, Flow-3D 기반 수치모의 결과가 실험 결과와 비교적 잘 일치함을 제시하였다. 최근에는 수리모형 실험 및 수치모형을 활용하여 월류 흐름의 비선형적 특성과 흐름 구조를 분석하는 연구가 수행되고 있으며, 복잡한 수리 조건에서의 월류 유량 산정 방법에 대한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다(Khassaf et al., 2016; Jang et al., 2023).

한편 실제 현장에서의 유량 산정 정확도를 향상시키기 위해 다양한 계측 기술이 활용되고 있다. ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler)는 단면 유속 분포를 직접 계측하여 유량을 산정할 수 있는 장점이 있어 하천 및 수리 실험에서 널리 활용되고 있다(Mueller and Wagner, 2009). 또한 레이더 수위계와 전자파 표면 유속계와 같은 비접촉식 계측 장비는 설치가 용이하고 연속적인 데이터 획득이 가능하여 최근 수리 관측에 활용되고 있다. 영상 기반 유속 산정 기법(LSPIV, STIV 등) 또한 하천 흐름 분석 및 유량 산정 연구에서 적용되고 있으며, 비접촉식 계측 기술로서 활용 가능성이 지속적으로 검토되고 있다(Fujita et al., 1998; Muste et al., 2008; Tauro et al., 2016).

그러나 대부분의 기존 연구는 실험실 규모의 수리 실험이나 단일 계측 장비를 활용한 유량 산정에 초점을 두고 있으며, 실제 홍수조절지와 유사한 규모의 시설에서 수문 개방에 따른 흐름 변화를 다중 계측 기법을 이용하여 종합적으로 분석한 연구는 상대적으로 부족한 실정이다. 특히 월류부와 상·하류 구간에서 동시에 유량을 계측하여 월류 유량을 비교·검증하고, 홍수조절지 운영에 따른 하류 유량 저감 효과를 실측 자료 기반으로 분석한 연구는 제한적으로 보고되고 있다.

따라서 본 연구에서는 안동 하천실험센터에 구축된 pilot 규모 홍수조절지 실험시설을 대상으로 수문 개방에 따른 월류 흐름을 재현하고, 다중 계측 장비를 활용하여 월류 유량 변화와 본류 유량 변화를 정량적으로 분석하였다. 월류부에는 RS5 ADCP를 설치하여 월류 유량을 직접 계측하였으며, 상·하류 구간에는 Side-Looking ADCP를 설치하여 유입 및 유출 유량을 동시에 계측하였다. 또한 레이더 수위계를 이용하여 월류부 수위 변화를 계측하고, 전자파 표면 유속계를 이용하여 표면 유속 분포 특성을 분석하였다. 이를 통해 (1) 수문 개방에 따른 월류 흐름의 수리 특성을 분석하고, (2) 상·하류 유량 비교를 통해 홍수조절지의 하류 유량 저감 효과를 정량적으로 평가하며, (3) 다중 계측 기법을 활용한 유량 관측 방법의 적용 가능성을 검토하고자 한다. 본 연구는 실측 기반의 홍수조절지 월류 흐름 분석을 통해 향후 홍수조절지의 설계 및 운영 평가에 활용 가능한 기초 자료를 제공하는 것을 목적으로 한다.

2. 연구 방법

2.1 실험 대상지

실험은 경상북도 안동시에 위치한 안동 하천실험센터(Andong River Experiment Center)에 구축된 홍수조절지를 대상으로 수행하였다. 안동 하천실험센터는 실제 하천 흐름 조건을 모사할 수 있도록 설계된 대규모 수리 실험 시설로, 다양한 홍수 대응 시설의 수리적 거동을 실험적으로 검증할 수 있는 환경을 제공한다.

Fig. 1은 실험에 사용된 홍수조절지 시설의 전경과 월류부 구조를 나타낸 것이다. 해당 홍수조절지는 본류 수로와 연결된 저류지 형태로 구성되어 있으며, 수문 개방 시 본류 유량의 일부가 월류부를 통해 저류지로 유입되는 구조를 가진다. 월류부는 콘크리트 구조의 횡월류 위어 형태로 설치되어 있으며, 수문 조작에 따라 본류 유량의 일부가 저류지로 유입되도록 설계되어 있다.

Fig. 1.

Experimental site of the flood control basin at the Andong River Experiment Center: (a) aerial view of the experimental facility; (b) overflow weir structure of the flood control basin

월류부 상류에는 일정 유량을 공급할 수 있는 본류 수로가 형성되어 있으며, 하류 구간은 자연 방류가 가능하도록 구성되어 있다. 이와 같은 구조는 수문 개방에 따른 월류 흐름과 저류지 유입 과정을 실험적으로 재현하기에 적합한 조건을 제공한다. 수문 개방 이전에는 본류 수로를 따라 정상 흐름이 형성되며, 수문이 개방되면 본류 유량의 일부가 월류부를 통해 저류지로 유입되면서 월류 흐름이 발생한다. 이 과정에서 월류부 주변에서는 비정상 흐름(transient flow)이 형성되며, 유속 분포와 유량이 시간에 따라 변화하는 특성을 나타낸다. 월류 구조물의 주요 제원은 Fig. 1(b)에 나타내었다. 월류부 구조는 상단 폭 9.9 m, 하단 폭 9.0 m 및 높이 1.2 m의 사다리꼴 형상으로 구성되어 있다. 월류부에는 수문판을 회전시켜 저류지 바닥 방향으로 눕히는 전도식 수문(tilting gate)이 설치되어 있다. 수문 폐쇄 시에는 수문판이 직립하여 본류와 저류지 사이의 유량 교환을 차단하며, 개방 시에는 수문판을 하향 회전시켜 본류수가 저류지로 유입되도록 하였다. 이러한 구조적 특성은 수문 개방에 따른 월류 발생 및 저류지 유입 과정을 분석하는 데 기초 자료로 활용될 수 있다. 실험에서는 본류 수위가 안정된 이후 수문판을 완전히 눕혀 통수 단면을 개방하고, 본류수가 저류지로 유입되도록 하였다. 이와 같은 실험 대상 시설은 실제 홍수조절지 운영 시 발생할 수 있는 수리 현상을 모사할 수 있어, 월류 유량 산정과 흐름 특성 분석을 위한 실험 환경으로 활용될 수 있다.

2.2 실험 구성 및 계측 시스템

홍수조절지 월류 흐름의 수리 특성을 분석하기 위해 본류 수로에 일정 유량을 공급한 후 수문을 개방하여 월류 흐름을 발생시키는 방식의 실험을 수행하였다. 실험은 본류 수위를 충분히 안정화한 이후 수문을 개방하는 절차로 진행되었으며, 이 과정에서 월류부 및 상·하류 구간에서의 수위, 유속 및 유량 변화를 동시에 계측하였다. 본 연구에서는 서로 다른 유입 유량 조건에서 총 2개의 실험 Case를 수행하였으며, 각 실험 조건은 Table 1에 정리하였다. Case 1과 Case 2의 목표 상류 유량은 각각 3.0 m³/s 및 5.0 m³/s로 설정하였고, 두 경우 모두 수문 개방 조건에서 월류 흐름을 발생시켰다. Fig. 2는 홍수조절지 실험 구성과 계측 장비의 배치를 나타낸 것이다. 안동 하천실험센터의 사행수로는 총 연장 682 m, 주 실험수로 연장 625 m 및 종단경사 1/800로 조성되어 있으며, 흐름안정구간, 사행구간 및 침수빈도 실험구간으로 구성되어 있다. 사행구간은 사행도 1.0-1.7의 다양한 평면 형상을 포함하며, 본 연구의 홍수조절지는 사행구간 하류의 직선 본수로 구간과 연결되어 있다. 홍수조절지와 연결된 본수로의 상단 폭은 11 m이며, 저류지 유입부에 설치된 월류 구조물의 높이는 1.2 m이다. 월류 흐름의 수리 특성을 정량적으로 분석하기 위해 본류 상류, 본류 하류, 월류부 및 저류지 내부에 다중 계측 장비를 설치하였다. 상류 구간에는 본류 유입 유량을 측정하기 위해 Side-Looking Acoustic Doppler Current Profiler (SL3000 ADCP)와 Acoustic Doppler Current Profiler (M9 ADCP)를 설치하였다. 하류 구간에는 SL1500 ADCP와 RiverPro ADCP를 설치하여 하류 유출 유량을 계측하였다. 월류부에서는 RS5 ADCP를 이용하여 횡단면 유속 분포를 계측하고, 이를 바탕으로 월류 유량을 산정하였다. 또한 월류부 수위 변화는 Radar Water Level Sensor를 이용하여 연속적으로 계측하였으며, 저류지 내부 수위는 Pressure-Type Water Level Sensor를 저류지 내부 4개 지점에 고정 설치하여 측정하였다. 표면 흐름 특성을 분석하기 위해 전자파 표면 유속계(Microwave Water Surface Current Meter)를 월류부 인근에 삼각대로 고정 설치하였으며, camcorder와 드론 영상을 활용하여 월류 흐름의 발생 과정과 표면 흐름 거동을 추가적으로 관찰하였다.

Fig. 2.

Experimental configuration of the flood control basin and layout of measurement instruments

각 계측 장비의 설치 및 운용 방법은 장비의 계측 목적에 따라 구분하였다(Table 2). SL3000 ADCP와 SL1500 ADCP는 본류 상류 및 하류 측면에 고정 설치하여 유량을 연속적으로 계측하였으며, 계측 시간 간격은 10초로 설정하였다. M9 ADCP와 RiverPro ADCP는 보트 또는 부유체에 장착한 후 밧줄을 이용하여 본류를 횡단하는 방식으로 운용하였다. 횡단 계측은 좌안에서 우안, 또는 우안에서 좌안 방향으로 수행하였으며, 1회 횡단에는 약 30초가 소요되었다. RS5 ADCP는 수문 개방 이후 월류부에서 밧줄을 이용하여 횡단 계측을 수행하였으며, 1회 횡단 후 계측을 종료하고 다시 횡단하는 방식으로 반복 측정하였다. RS5 ADCP의 1회 횡단 소요시간은 현장 흐름 조건에 따라 약 30초에서 1분 정도로 나타났다. 레이더 수위계와 압력식 수위계는 서로 다른 위치의 수위를 계측하였다. 레이더 수위계는 수문 전면의 월류부에서 월류부 바닥을 기준으로 한 국부 수심 변화를 측정한 반면, 압력식 수위계는 월류부보다 바닥고가 낮은 저류지 내부에 설치되어 저류지 바닥을 기준으로 한 내부 수심 변화를 측정하였다. 따라서 두 계측값은 측정 위치와 기준 표고가 서로 달라 절대적인 수위 크기를 직접 비교하기보다는 수문 개방 이후의 수위 변화 양상과 시간적 응답을 비교하는 데 활용하였다. 전자파 표면 유속계는 월류부 인근에 삼각대로 고정 설치하여 표면 유속을 관측하였으며, 영상 자료는 camcorder와 드론을 이용하여 월류 발생 전후의 흐름 변화와 저류지 내부 유입 양상을 확인하는 데 활용하였다. 이와 같은 장비별 계측 방법과 시간 간격은 Table 2에 정리하였다.

주요 유량 계측장비의 측정 범위와 정확도는 제조사에서 제시한 성능 기준을 적용하였다. 본류 상류와 하류의 대표 유량 계측에 사용한 SL3000 및 SL1500 ADCP의 유속 측정 범위는 ±7 m/s이고, 분해능은 0.0001 m/s이며, 유속 정확도는 측정 유속의 ±1% 및 ±0.005 m/s이다. 월류부 유량 계측에 사용한 RS5 ADCP의 유속 측정 범위는 ±5 m/s이고, 분해능은 0.001 m/s이며, 유속 정확도는 1% ±0.002 m/s이다. 또한 RS5의 수심 측정 정확도는 1% ±0.005 m이다. 본 연구에서 제시한 정확도는 제조사가 제공한 유속 및 수심 센서의 성능을 의미하며, 단면 형상, 유속분포 및 유량 산정 과정의 영향을 모두 포함한 유량의 직접적인 정확도를 의미하지는 않는다.

이러한 다중 계측 시스템은 서로 다른 계측 기법을 통해 측정된 수위, 유속 및 유량 자료를 상호 비교·검토함으로써 월류 유량 산정 결과의 신뢰성을 확보하기 위해 구축되었다. 특히 상류 및 하류 유량 계측 자료는 수문 개방 이후 본류 유량의 감소 특성을 분석하는 데 활용하였으며, RS5 ADCP 자료는 월류부 단면에서 발생하는 국부 월류 유량을 직접 확인하는 데 사용하였다. 또한 레이더 수위계와 압력식 수위계 자료는 월류부 수위 상승 이후 저류지 내부 수위가 반응하는 시간적 관계를 분석하는 데 활용하였다.

Fig. 3은 홍수조절지 월류 실험의 진행 절차를 나타낸 것이다. 실험은 먼저 계측 장비를 설치하고 실험 환경을 구축한 후(Fig. 3(a)), 본류 수로에 일정 유량을 공급하여 흐름을 형성하였다(Fig. 3(b)). 이후 유입 유량을 유지하면서 본류 흐름을 안정화하였다(Fig. 3(c)). 본 연구에서는 수문 개방 전 상류와 하류에 각각 고정 설치한 SL3000 및 SL1500 ADCP의 연속 유량 자료를 이용하여 흐름의 안정화 여부를 판단하였다. 수문이 폐쇄된 조건에서 상·하류 유량의 시간적 증가 또는 감소 추세가 사라지고, 두 계측값이 일정한 범위에서 유사한 수준으로 유지되는 경우를 준정상 상태로 정의하였다. 이는 저류지 방향의 유량 분기가 없는 상태에서 본류 구간의 저장량 변화가 충분히 작아졌음을 의미한다. 수위가 안정된 상태에서 수문을 개방하여 홍수조절지로의 월류 흐름을 발생시켰다(Fig. 3(d)). 이러한 실험 절차를 통해 월류 발생 전 정상 흐름 조건과 수문 개방 이후 조절지로의 유입, 저류 및 하류 유량 저감 과정에서 나타나는 수리 특성을 분석하였다.

Fig. 3.

Experimental procedure of the overflow experiment in the flood control basin: (a) installation of measurement instruments and experimental setup, (b) inflow supply to the main channel, (c) stabilization of main-channel flow, and (d) gate opening and overflow occurrence

3. 실험 결과

3.1 월류부와 저류지 내부 수위 변화

홍수조절지에서 발생하는 월류 흐름의 수리 특성을 파악하기 위해 월류부와 저류지 내부의 수위 변화를 분석하였다. 수문 개방에 따른 월류 발생 과정에서 수위는 유량 변화와 밀접하게 연관되며, 월류 발생 시점과 흐름의 안정화 과정을 파악하는 중요한 수리 변수이다. 본 연구에서는 레이더 수위계와 압력식 수위계를 이용하여 수위를 연속적으로 계측하였으며, 이를 통해 수문 개방 이후 나타나는 수위 상승 및 안정화 과정을 분석하였다. 또한 월류부와 저류지 내부에서 측정된 수위 변화를 비교함으로써 월류 유입에 따른 저류지 수위 응답 특성을 함께 검토하였다.

3.1.1 레이더 수위계

홍수조절지 월류부의 수위 변화를 분석하기 위해 레이더 수위계를 이용하여 수문 개방 전·후의 수위를 연속적으로 계측하였다. Fig. 4는 수문 전면의 월류부에서 측정된 수위의 시간적 변화를 나타낸 것이다. 실험 초기에는 본류 유량이 공급되기 전이므로 수위 변화가 거의 나타나지 않았으며, 월류가 발생하지 않는 상태가 유지되었다. 이후 본류에 유량을 공급하고 수문을 개방함에 따라 월류부 수위가 급격히 상승하였으며, Case 1과 Case 2에서 각각 약 0.55 m와 0.63 m의 최대 수위가 관측되었다. 최대 수위 도달 이후에는 수위가 점차 감소하였으며, 이후 약 0.17-0.18 m 범위에서 비교적 일정한 수위를 유지하는 구간이 형성되었다. Fig. 4에서 관측된 두 차례의 수위 상승 구간은 각각 Case 1과 Case 2에 해당하며, 두 경우 모두 수문 개방 직후 수위가 급격히 상승한 후 점차 감소하는 유사한 변화 양상을 보였다.

Fig. 4.

Temporal variation of local water level measured by the radar water level gauge at the gate-front overflow section

본 실험시설에는 수문판을 저류지 방향으로 하향 회전시켜 눕히는 전도식 수문(tilting gate)이 설치되어 있다. 수문 개방 시 직립된 수문판이 하향 회전하면서 본류와 저류지 사이의 통수단면이 단시간에 형성된다. 개방 초기에는 본류와 저류지 사이의 수두차에 의해 본류수가 저류지 방향으로 빠르게 유입되며, 이 과정에서 수문 전면의 월류부에서는 흐름 방향의 급격한 전환, 국부 가속 및 수면 교란이 발생한다. 이에 따라 레이더 수위계가 설치된 월류부에서 국부적인 수면 융기와 과도 수위 상승이 나타난 것으로 해석된다.

이후 월류수가 저류지 내부로 유입되어 저류지 수위가 상승함에 따라 본류와 저류지 사이의 수두차가 점차 감소한다. 이와 함께 초기의 급격한 유입 흐름과 국부적인 수면 교란이 완화되고 월류 흐름이 재분배되면서, 월류부 수위가 점차 감소하여 비교적 안정적인 수준에 도달한 것으로 판단된다. 따라서 수문 개방 직후의 급격한 수위 상승과 이후의 완만한 감소는 전도식 수문의 개방에 따른 경계조건의 급격한 변화와 저류지 충수 과정에서의 수두차 감소가 연속적으로 반영된 과도 수리응답으로 볼 수 있다.

한편, Fig. 4에서는 본격적인 수위 상승이 발생하기 전에 일부 불안정한 계측값이 관측되었다. 이러한 값은 수위가 연속적으로 상승하여 최대 수위에 도달하는 주된 수리응답과 구분되는 단발성 산포로 나타났다. 레이더 수위계는 수면에서 반사되는 신호를 이용하여 수위를 산정하므로, 월류 발생 직전 또는 초기 단계에서 나타나는 수면 요동, 난류성 교란, 기포 및 국부적인 반사면 변화 등에 의해 순간적인 계측값의 산포가 발생할 수 있다. 따라서 본격적인 수위 상승 이전에 나타난 일부 불안정한 값은 저류지 내부의 실질적인 수위 상승이라기보다, 월류부에서 초기 흐름이 형성되는 과정의 수면 교란과 레이더 반사신호의 일시적인 변동이 함께 반영된 결과로 해석하였다.

이러한 해석은 Fig. 5의 압력식 수위계 계측 결과와의 비교를 통해 확인할 수 있다. Fig. 5(b)에서는 레이더 수위계가 설치된 월류부에서 수위 상승이 먼저 관측된 후, 월류수가 저류지 내부로 유입됨에 따라 압력식 수위계에서 저류지 수위 상승이 나타났다. 이는 레이더 수위계에서 관측된 초기 신호가 저류지 내부 전체의 수위 상승을 직접적으로 나타내는 것이 아니라, 수문 개방 직후 월류부에서 발생한 국부적인 흐름 형성과 수면 변화에 대한 선행 반응임을 보여준다.

Fig. 5.

Water depth variations measured by pressure-type water level gauges installed inside the detention basin: (a) locations of the pressure-type water level gauges; (b) temporal variations at four measurement points

따라서 본 연구에서는 수위 상승 이전에 단발성 또는 산포 형태로 나타난 값을 월류부의 수위 상승 시점으로 판단하지 않았으며, 수위가 연속적으로 증가하여 최대 수위에 도달하는 구간을 실제 월류부 수위 상승 구간으로 정의하였다. 이를 바탕으로 분석한 결과, 두 Case 모두 전도식 수문의 개방 직후 월류부 수위가 급격히 상승하고, 이후 저류지 내부 수위 상승과 본류-저류지 간 수두차 감소에 따라 수위가 점차 감소하며 안정화되는 수리적 응답을 보였다. 이러한 결과는 레이더 수위계를 이용한 연속 계측을 통해 수문 개방에 따른 월류 발생 시점과 과도 수위 변화 과정을 파악할 수 있음을 보여준다.

3.1.2 압력식 수위계

저류지 내부 수위 변화를 분석하기 위해 압력식 수위계를 설치하여 수위를 연속적으로 계측하였다. Fig. 5(a)는 저류지 내부에 설치된 압력식 수위계의 위치를 나타낸 것이다. 저류지 내부 수위의 공간적 변화를 파악하기 위해 총 4개의 측정 지점(1-4)에 압력식 수위계를 설치하였다. 각 지점은 월류 유입 이후 저류지 내부에서 발생하는 수위 변화와 공간적 전파 특성을 관측할 수 있도록 저류지 내부에 분포하도록 배치하였다. Fig. 5(b)는 저류지 내부 4개 지점에서 측정된 수위 변화를 시간에 따라 비교한 결과를 나타낸 것이다. 실험 결과 모든 측정 지점에서 유사한 수위 변화 패턴이 나타났으며, 수문 개방 이후 저류지 내부 수위가 급격히 상승한 후 시간이 경과함에 따라 점진적으로 감소하는 경향을 보였다. 특히 수문 개방 직후 저류지 내부 수위는 빠르게 상승하여 Case 1에서는 약 1.64-1.73 m, Case 2에서는 약 1.72-1.81 m 수준까지 증가하는 것으로 나타났다. 또한 Fig. 5(b)에서 나타난 바와 같이 실험 과정에서 두 차례의 수위 상승 구간이 관측되었으며, 이는 Fig. 4에서 확인된 월류부 수위 변화와 동일하게 각각 Case 1과 Case 2에 해당하는 실험 구간을 반영한 것으로 판단된다. Fig. 5(b)의 수위 변화 특성을 보다 정량적으로 평가하기 위해 각 계측 지점별 수위 상승 시작시간, 최대 수위 도달시간, 최대 수위, 최대 수위 도달 소요시간, 계측 지점 간 내부 지체시간 및 저류효과 발생 시점을 산정하였으며, 그 결과를 Table 3에 정리하였다. 한편, Fig. 4의 레이더 수위계와 Fig. 5의 압력식 수위계에서 나타난 수위 범위의 차이는 계측 장비의 오류가 아니라 측정 위치와 기준 표고의 차이에 기인한다. 레이더 수위계는 수문 전면의 월류부에서 국부 수심을 측정하므로 약 0-0.6 m의 범위를 나타내는 반면, 압력식 수위계는 월류부보다 바닥고가 낮은 저류지 내부에서 저류지 바닥을 기준으로 수심을 측정하므로 약 0-1.8 m의 범위를 나타낸다. 따라서 두 계측 자료의 절대 수위값은 직접 비교하지 않았으며, 월류부 수위가 먼저 상승하고 이후 저류지 내부 수위가 반응하는 시간적 순서와 변화 양상을 중심으로 비교하였다.

본 연구에서는 수위 상승 시작시간을 월류 발생 이후 저류지 내부 수위가 급격히 증가하기 시작한 시점으로 정의하였으며, 최대 수위 도달시간은 각 계측 지점에서 최대 수위가 관측된 시점으로 정의하였다. 최대 수위 도달 소요시간은 수위 상승 시작 이후 최대 수위에 도달하기까지 소요된 시간으로 산정하였다. 또한 계측 지점 간 내부 지체시간은 각 Case에서 가장 먼저 반응한 계측 지점의 수위 상승 시작시간을 기준으로 각 지점의 수위 상승 시작시간 차이를 산정한 값이며, 저류효과 발생 시점은 최대 수위 도달 이후 수위 변화가 상승 구간에서 감수 구간으로 전환되는 시점으로 판단하였다.

Table 3에 나타난 바와 같이, Case 1에서 저류지 내부 수위는 10:56:14-10:56:36 사이에 상승하기 시작하였으며, 11:24:38-11:25:07 사이에 최대 수위에 도달하였다. Case 1의 평균 최대 수위는 1.681 m로 나타났으며, 수위 상승 시작 이후 최대 수위에 도달하기까지 소요된 시간은 평균 28.44 min으로 산정되었다. Case 2에서는 저류지 내부 수위가 15:05:24-15:05:29 사이에 상승하기 시작하였고, 15:17:51-15:18:06 사이에 최대 수위에 도달하였다. Case 2의 평균 최대 수위는 1.760 m로 Case 1보다 다소 높게 나타났으며, 최대 수위 도달 소요시간은 평균 12.57 min으로 Case 1보다 짧게 산정되었다. Case 2에서 최대 수위 도달 소요시간이 Case 1보다 짧게 나타난 것은 두 번째 월류 조건에서 저류지 내부 수위가 완전히 초기 상태로 회복되지 않은 상태에서 추가적인 월류 유입이 발생하였기 때문으로 판단된다. 즉, Case 2는 Case 1 이후 잔류 수위가 존재하는 조건에서 시작되었으므로, 동일한 수위 상승 과정이라 하더라도 최대 수위에 도달하는 데 필요한 시간이 상대적으로 짧게 나타난 것으로 해석된다. 이러한 결과는 저류지 내부 수위 응답이 월류 유입 조건뿐만 아니라 초기 저류 수위 조건의 영향을 함께 받음을 보여준다. 각 계측 지점 간 내부 지체시간은 Case 1에서 평균 0.15 min, Case 2에서 평균 0.04 min으로 매우 작게 나타났다. 이는 월류 유입 이후 저류지 내부 수위가 특정 지점에서 국부적으로 상승하기보다는 저류지 내부 전반으로 빠르게 전파되었음을 의미한다. 또한 각 계측 지점의 최대 수위 차이도 크지 않게 나타나, 월류 유입 이후 저류지 내부 수위가 공간적으로 비교적 균일하게 형성되는 특성을 확인할 수 있었다. 이는 Fig. 5(b)에서 네 개 계측 지점의 수위 변화 곡선이 거의 동일한 형태를 보이는 결과와도 일치한다.

한편, 최대 수위 도달 이후 저류지 내부 수위는 급격히 감소하지 않고 완만한 감수 곡선으로 전환되었다. 이는 월류를 통해 유입된 유량이 저류지 내부에 일시적으로 저장된 후 점진적으로 배제되는 저류효과가 발생하였음을 의미한다. 따라서 저류효과의 발생 시점은 최대 수위 도달 이후 수위가 감수 곡선으로 전환되는 시점으로 볼 수 있으며, 본 실험에서는 Case 1의 경우 11:24:38-11:25:07, Case 2의 경우 15:17:51-15:18:06 전후부터 저류효과가 본격적으로 나타난 것으로 판단된다.

종합하면, Fig. 5(b)는 월류 발생 이후 저류지 내부 수위가 급격히 상승한 후 완만하게 감소하는 전반적인 수위 변동 특성을 보여주며, Table 3은 이러한 수위 응답을 정량적으로 뒷받침한다. 특히 네 개 계측 지점 간 내부 지체시간과 최대 수위 차이가 작게 나타난 것은 월류수가 저류지 내부로 빠르게 전파되어 수위가 공간적으로 균일하게 형성되었음을 의미한다. 또한 최대 수위 이후 나타나는 완만한 감수 특성은 유입된 월류수가 저류지 내부에 일시적으로 저장된 후 배제되는 저류효과를 나타낸다. 따라서 다지점 압력식 수위계 계측 결과를 통해 저류지 내부 수위의 도달시간, 계측 지점 간 내부 지체시간 및 저류효과 발생 시점을 정량적으로 평가할 수 있음을 확인하였다.

3.2 표면 유속 분포

월류부에서의 흐름 특성을 분석하기 위해 전자파 표면 유속계를 이용하여 표면 유속을 계측하였다. 측정된 자료는 수문 개방 전(pre), 수문 개방 직후(post), 그리고 흐름이 안정화된 구간(stable)으로 구분하여 분석하였다. 각 구간에 포함된 자료를 이용하여 표면 유속의 분포 특성을 비교하기 위해 정규화된 히스토그램과 확률밀도곡선을 작성하였다. 이때 Fig. 6의 세로축 Density는 각 유속 구간에 포함된 자료의 단순 빈도수가 아니라, 각 분석 구간의 분포 면적이 1이 되도록 정규화한 확률밀도를 의미한다. 따라서 pre, post 및 stable 구간의 자료 수가 서로 다르더라도 각 구간에서 나타나는 표면 유속의 상대적인 집중도와 분산 범위를 동일한 기준에서 비교할 수 있다. 수문 개방 이전(pre) 구간에서는 표면 유속이 주로 0.3-0.5 m/s 범위에 집중되어 비교적 좁은 범위의 분포를 나타냈다. 반면 수문 개방 직후(post) 구간에서는 표면 유속 분포가 0.3-0.7 m/s 범위로 확대되며 상대적으로 높은 유속 영역까지 분포하는 경향이 나타났다. 이는 수문 개방에 따라 월류 흐름이 발생하면서 본류와 저류지 사이의 횡방향 흐름 성분이 증가하고, 월류부 주변에서 공간적으로 불균일한 흐름장이 형성된 결과로 해석된다.

Fig. 6.

Normalized surface velocity distributions for different flow stages measured at the overflow section (pre: before gate opening; post: Immediately after gate opening; stable: stabilized flow condition). The vertical axis represents normalized probability density

특히 수문 개방 직후 표면 유속 분포가 넓게 나타난 것은 월류부로 접근하는 흐름의 운동량이 일 정하게 분배되지 않았음을 의미한다. 횡월류 구조물에서는 본류 방향의 관성력과 저류지 방향으로 유입되는 횡방향 흐름이 동시에 작용하므로, 월류부 접근 흐름의 방향 전환, 국부 가속, 난류 혼합 및 재순환 흐름이 발생할 수 있다. 따라서 수문 개방 직후 관측된 넓은 유속 분포와 공간적 불균일성은 횡월류량 손실에 영향을 미치는 주요 수리학적 요인으로 판단된다. 이후 흐름이 안정화된 구간(stable)에서는 표면 유속이 0.5-0.8 m/s 범위에서 분포하며 비교적 일정한 범위로 수렴하는 경향을 보였다. 이는 초기 과도 상태에서 발생한 불균일한 운동량 분포와 방향 전환 흐름이 시간이 경과함에 따라 완화되고, 월류부 주변 흐름이 일정한 방향성을 갖는 구조로 재편되었음을 보여준다. 다만 안정화 구간에서도 유속 분포가 단일 값으로 수렴하지 않고 일정 범위 내에서 분산되어 나타난 것은 월류부와 본류 사이의 상호작용, 저류지 내부 순환, 그리고 유입·유출 흐름의 공존에 따른 잔류적인 수리학적 손실이 존재함을 시사한다.

또한, Fig. 7은 캠코더로 촬영된 영상을 기반으로 영상유속계 프로그램(RiverQ_VL, HydroSem)을 활용하여 산정된 표면 유속 벡터장을 나타낸 것이다. 영상 기반 분석 결과, 수문 개방 직후에는 월류부를 따라 본류에서 저류지로 유입되는 흐름이 우세하게 나타나며, 유속의 방향과 크기가 공간적으로 불균일한 분포를 보인다. 이러한 벡터장의 불균일성은 월류부 전 구간에서 균등한 횡월류가 발생하기보다는 특정 구간에서 흐름이 집중되거나 편향될 수 있음을 의미한다. 이 경우 월류부의 유효 통수 단면이 부분적으로 제한되고, 흐름의 방향 전환 및 난류 혼합에 의한 에너지 손실이 증가하여 횡월류량 손실로 이어질 가능성이 있다.

Fig. 7.

Surface velocity vector fields at the overflow section estimated using image velocimetry (RiverQ_VL, HydroSem): (a) inflow from the main channel to the detention basin immediately after gate opening, (b) outflow from the detention basin to the main channel under stabilized flow conditions

반면, Fig. 7(b)의 안정화 구간에서는 저류지로 유입된 흐름이 다시 본류 방향으로 유출되는 흐름 구조가 형성되며, 전체 유속 벡터가 주 흐름 방향으로 정렬되는 경향을 보인다. 이는 수문 개방 초기의 급격한 유입 흐름 이후 저류지 내부의 수위 상승과 본류-저류지 간 수두차 변화에 따라 유입과 유출이 점차 균형을 이루는 과정으로 해석된다. 이와 같은 유입-유출 흐름의 공존은 월류부에서의 순 횡월류량을 감소시키는 요인으로 작용할 수 있으며, 특히 안정화 단계에서 관측되는 재유출 흐름은 저류지로 유입된 유량 중 일부가 다시 본류로 회귀함으로써 실질적인 저류 효과를 저하시킬 수 있다.

따라서 Fig. 6의 표면 유속 분포와 Fig. 7의 유속 벡터장 분석 결과를 종합하면, 수문 개방 직후에는 월류부 주변에서 국부 가속, 방향 전환, 난류 혼합 및 공간적 불균일성이 증가하여 횡월류량 손실이 발생할 수 있으며, 안정화 구간에서는 유입·유출 흐름의 균형 및 재순환 구조가 순 횡월류량 감소에 영향을 미칠 수 있음을 확인하였다. 이와 같은 표면 유속 분포 분석은 수문 개방에 따른 월류 발생 과정에서 표면 흐름 특성이 변화하며, 초기 과도 상태 이후 흐름이 점차 안정화되는 수리적 특성뿐만 아니라 횡월류량 손실의 수리학적 원인을 해석하는 데 활용될 수 있다.

3.3 월류 유량 변화

홍수조절지에서 발생하는 월류 유량 변화를 분석하기 위하여 수문 개방 실험을 수행하였다. Fig. 8은 홍수조절지 월류 실험 과정과 유량 계측 장면을 나타낸 것이다. 실험은 본류 수로에 일정 유량을 공급하여 흐름을 형성한 후 수문을 개방하여 홍수조절지로의 월류 흐름이 발생하도록 하는 방식으로 진행되었다. Fig. 8(a)는 본류 수로에 유량을 공급하여 흐름을 형성하는 과정을 나타내며, Fig. 8(b)는 수문 개방에 따라 저류지로 월류가 발생하는 장면을 보여준다. Figs. 8(c) and 8(d)는 각각 하류 및 상류 구간에서 수행된 유량 계측 장면을 나타낸 것으로, 유량 계측은 다중 ADCP 장비를 이용하여 수행하였다. 상류 구간에서는 M9 ADCP와 SL3000 ADCP를 이용하여 본류 유입 유량을 계측하였으며, 하류 구간에서는 RiverPro ADCP와 SL1500 ADCP를 이용하여 월류 이후 하류로 유출되는 유량을 측정하였다.

Fig. 8.

Experimental procedure for the flood control basin overflow test: (a) main channel inflow supply, (b) gate opening and inflow into the retention basin, (c) downstream discharge measurement using RiverPro and SL1500, and (d) upstream discharge measurement using M9 and SL3000

월류부에서의 흐름 특성을 분석하기 위하여 RS5 ADCP를 이용하여 수심(depth), 평균 유속(mean velocity), 그리고 총 유량(total discharge)을 계측하였다. Fig. 9는 홍수조절지 월류 실험 동안 RS5를 이용하여 측정된 수리 변수의 시간적 변화를 나타낸 것으로, Figs. 9(a) and 9(b)는 각각 Case 1과 Case 2의 결과를 나타낸다. Fig. 9(a)의 Case 1 결과를 보면 수문 개방 직후 수심은 약 0.35 m에서 시작하여 초기 월류 단계에서 약 0.55 m까지 증가하는 것으로 나타났다. 이후 월류가 진행됨에 따라 수심은 점차 감소하여 약 0.30 m 수준으로 변화하였다. 평균 유속은 수문 개방 직후 약 0.30 m/s 수준에서 시작하여 월류가 진행됨에 따라 점차 감소하는 경향을 보였으며, 이에 따라 총 유량 역시 약 0.25 m³/s에서 감소하여 일부 구간에서는 음의 값을 나타내는 것으로 관측되었다. Fig. 9(b)의 Case 2에서는 상대적으로 큰 유입 유량 조건에서 월류 흐름이 형성되었으며, 초기 월류 단계에서 수심은 약 0.60 m 수준까지 증가하는 것으로 나타났다. 이후 월류가 진행됨에 따라 수심은 약 0.35 m 수준까지 감소하였다. 평균 유속 역시 초기 월류 단계 이후 감소하는 경향을 보였으며, 총 유량은 약 0.20 m³/s 수준에서 시작하여 월류가 진행됨에 따라 감소하는 것으로 나타났다.

Fig. 9.

Overflow discharge variation during the flood control basin experiment (a) Temporal variation of depth, mean velocity, and discharge (Case 1), (b) Temporal variation of depth, mean velocity, and discharge (Case 2)

두 실험 결과를 종합적으로 보면 월류가 발생한 이후 평균 유속과 총 유량이 점차 감소하는 경향이 공통적으로 나타났다. 특히 월류가 진행되면서 유속 감소와 함께 유량 감소가 동시에 나타나는 경향은 홍수조절지가 본류 흐름의 일부를 저류지로 유도함으로써 하류로 전달되는 유량을 감소시키는 기능을 수행함을 보여준다.

또한 Table 4는 RS5 ADCP를 이용하여 월류부에서 측정된 주요 수리 특성을 월류 단계별로 정리한 것이다. 수문 개방 직후에는 상대적으로 높은 유속과 유량이 나타났으며, 월류가 진행됨에 따라 평균 유속과 유량이 점차 감소하는 경향이 확인되었다. 이러한 결과는 월류 초기 단계에서는 본류 흐름의 영향이 크게 나타나지만, 시간이 경과함에 따라 저류지로의 유입 흐름이 안정화되면서 월류 흐름의 수리 특성이 변화함을 보여준다. 이러한 음의 유량은 월류 과정에서 저류지와 본류 간 수위 차가 감소하거나 순간적으로 역전되면서 저류지에서 본류 방향으로 흐름이 발생했기 때문으로 해석된다.

3.4 상·하류 유량 비교

Table 4의 값은 월류 과정에서 나타나는 단계별 흐름 특성을 나타낸 값이며, Table 5의 값은 수문 개방 직후의 급격한 변동 영향을 최소화하기 위해 선정한 구간의 대표 유량이다. 홍수조절지 운영에 따른 본류 유량의 변화를 분석하기 위해 상류와 하류 구간에서 측정된 유량을 비교하였다. Fig. 10은 상류의 SL3000 ADCP와 하류의 SL1500 ADCP에서 측정된 본류 유량 및 월류부에서 RS5 ADCP로 측정한 유량의 시간적 변화를 나타낸다.

실험 초기에는 본류 유량이 공급되기 전이므로 상류와 하류 유량이 모두 0 m³/s에 가까운 값을 나타냈다. 이후 본류에 유량을 공급함에 따라 상류와 하류 유량이 증가하였으며, 수문 개방 이전에는 두 지점의 유량이 유사한 수준에서 유지되었다. 이는 수문이 폐쇄된 상태에서 저류지 방향으로의 유량 분기가 발생하지 않고, 본류 구간의 흐름이 비교적 안정된 상태에 도달하였음을 의미한다. 반면 수문 개방 이후에는 상류 유량과 하류 유량 사이에 뚜렷한 차이가 발생하였으며, 이는 본류 유량의 일부가 월류부를 통해 저류지로 유입되어 하류로 직접 전달되는 유량이 감소하였기 때문이다.

본 연구에서는 수문 개방 직후 발생하는 급격한 유량 변동의 영향을 최소화하기 위해 일정 시간이 경과한 후의 준정상 구간에서 대표 유량을 산정하였다. Fig. 10(a)의 Case 1에서는 상류와 하류의 대표 유량이 각각 3.113 m³/s와 1.877 m³/s로 나타났으며, 상·하류 유량 차이는 1.236 ± 0.042 m³/s로 산정되었다. Fig. 10(b)의 Case 2에서는 상류와 하류의 대표 유량이 각각 5.186 m³/s와 1.678 m³/s로 나타났으며, 상·하류 유량 차이는 3.508 ± 0.063 m³/s로 산정되었다. 이에 따른 하류 유량 저감률은 Case 1과 Case 2에서 각각 39.7 ± 1.0%와 67.6 ± 0.5%로 나타났다.

여기서, Qupstream와 Qdownstream는 각각 상류 및 하류 대표 유량이며, ∆Q와 R은 각각 하류 유량 저감량과 저감률을 의미한다.

Fig. 10.

Temporal variations in upstream, downstream, and Total Q after gate opening: (a) Case 1 with a target upstream discharge of 3.0 m³/s; (b) Case 2 with a target upstream discharge of 5.0 m³/s. The same discharge-axis range was applied to both panels for direct comparison

하류 유량 저감량과 저감률의 불확도는 2.2절에 제시한 SL3000 및 SL1500 ADCP의 제조사 제시 상대 유속 정확도를 이용한 1차 오차전파법으로 평가하였다. 준정상 대표 구간에서 통수단면의 변화가 상대적으로 작다고 가정하여, 제조사 정확도 중 상대 정확도 항(±1%)을 각 대표 유량의 상대 불확도 한계로 적용하였다. 해당 정확도 한계는 직사각형 분포로 가정하였으며, 각 대표 유량의 표준불확도는 uQ=0.01Q/3으로 산정하였다. 또한 상류와 하류 유량의 불확도는 서로 독립적인 것으로 가정하였다. 이에 따른 유량 저감량의 합성표준불확도 u∆Q와(Eq. (3)) 저감률의 합성표준불확도uR는(Eq. (4)) 각각 다음과 같이 산정하였다.

최종 불확도는 합성표준불확도에 포함계수 k=2를 적용한 확장불확도로 제시하였으며, 이는 약 95%의 포함수준에 해당한다. 다만 본 불확도는 제조사에서 제시한 상대 유속 정확도에 기초한 1차 근사 결과이며, 단면 형상, 수위 계측 및 유량 환산과정에서 발생할 수 있는 추가적인 불확도는 포함하지 않는다.

Table 5에는 Eqs. (1) and (2)를 이용하여 산정한 하류 유량 저감량과 저감률을 제시하였으며, Eqs. (3) and (4)를 통해 산정한 확장불확도를 함께 나타냈다. 이 값의 수리학적 의미를 설명하기 위해 상류와 하류 계측단면 사이의 본류 구간을 검사체적으로 설정하면, 다른 측방 유입과 유출이 없다는 조건에서 연속방정식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

여기서 Qoverflow는 본류에서 월류부를 통해 저류지로 유출되는 유량이고, dSreach/dt는 상류와 하류 계측단면 사이의 본류 구간에서 발생하는 저장량 변화율이다. 따라서 검사체적 내 저장량 변화가 무시할 정도로 작고 각 계측 자료가 동일한 시간 구간을 나타내는 경우에는 상·하류 유량 차이와 월류부 유량이 유사하게 나타날 수 있다. 반면 수문 개방 이후 본류 수위와 유속이 시간에 따라 변화하는 구간에서는 검사체적 내부의 저장량 변화가 발생하므로 두 값이 완전히 일치하지 않을 수 있다.

본 실험에서는 전도식 수문이 하향 회전하면서 본류와 저류지 사이의 통수단면이 단시간에 형성되었다. 수문 개방 초기에는 본류와 저류지 사이의 수두차에 의해 저류지 방향의 유입 흐름이 빠르게 형성되며, 월류부에서는 흐름 방향의 전환, 국부 가속, 횡방향 및 수직방향 유속 성분의 증가, 난류 혼합과 수면 요동이 발생한다. 이러한 흐름 변화는 상·하류 계측단면 사이의 수위와 저장량을 시간에 따라 변화시키며, 이에 따라 dSreach/dt가 일시적으로 0이 아닌 값을 가질 수 있다. 이후 저류지 내부 수위가 상승하면 본류와 저류지 사이의 수두차가 감소하여 유입 유량이 점차 약화되며, 일부 구간에서는 저류지에서 본류 방향으로 흐름이 전환될 수 있다.

계측 자료의 시간적 범위에도 차이가 있다. SL3000과 SL1500 ADCP는 고정된 위치에서 10초 간격으로 본류 유량을 연속 계측한 반면, RS5 ADCP는 월류부 단면을 횡단하면서 1회 계측에 약 30초-1분이 소요되었다. RS5 횡단 계측에서는 단면의 모든 지점이 동일한 순간에 측정되는 것이 아니라 횡단 진행에 따라 순차적으로 측정된다. 따라서 수문 개방 이후 수위와 유속이 빠르게 변화하는 구간에서는 고정식 ADCP로 측정한 상·하류 유량 차이와 RS5 횡단 유량 사이에 시간 평균 범위의 차이가 발생할 수 있다.

Case 1의 상·하류 유량 차이는 1.236 ± 0.042 m³/s인 반면 RS5 ADCP로 측정한 월류부 유량은 0.752 m³/s로 나타났으며, 두 값의 차이는 0.484 m³/s였다. Case 2에서는 상·하류 유량 차이가 3.508 ± 0.063 m³/s, RS5 ADCP 유량이 3.129 m³/s로 나타났으며, 두 값의 차이는 0.379 m³/s였다. 이러한 차이는 계측단면의 적절성이 부족하기 때문이라기보다, 수문 개방 이후 검사체적에서 발생하는 저장량 변화와 고정식 연속 계측 및 횡단 계측 사이의 시간 평균 범위 차이가 함께 반영된 결과로 해석할 수 있다.

따라서 본 연구에서는 상·하류 유량 차이를 수문 개방 이후 본류에서 하류로 직접 전달되지 않은 유량과 검사체적의 저장량 변화가 반영된 유량 저감 지표로 활용하였다. 반면 RS5 ADCP 계측값은 월류부 횡단면을 통과하는 유량의 크기와 흐름 방향을 직접 확인하기 위한 자료로 활용하였다. 두 계측 결과는 동일한 유량값을 일대일로 검증하기 위한 자료라기보다, 수문 개방에 따라 본류 유량이 저류지로 재분배되는 과정을 서로 다른 시공간적 범위에서 평가한 상호보완적 결과로 해석하였다.

두 Case 모두 수문 개방 이후 상류 유량보다 하류 유량이 작아지는 공통적인 경향이 나타났으며, 이는 본류 유량의 일부가 저류지로 분산되는 유량 재분배 과정이 두 유입 조건에서 일관되게 발생하였음을 보여준다. 특히 목표 상류 유량이 큰 Case 2에서는 Case 1보다 상·하류 유량 차이와 하류 유량 저감률이 크게 나타났다. 이는 본 실험 조건에서 유입 유량이 증가함에 따라 저류지로 분산될 수 있는 유량의 규모도 증가하여 하류 유량 저감효과가 강화된 결과로 해석할 수 있다.

한편 Case 2는 Case 1 실험 이후 저류지 내부에 잔류 수위가 존재하는 조건에서 수행되었으며, 이에 따라 저류지 내부의 최대 수위 도달시간이 Case 1보다 짧게 나타났다. 따라서 두 Case의 비교 결과는 홍수조절지의 수리적 응답이 유입 유량뿐만 아니라 초기 저류 수위 조건에도 영향을 받을 수 있음을 보여준다. 다만 유입 유량과 초기 저류 수위의 영향이 동시에 작용하였으므로 각각의 효과를 독립적으로 정량화하기보다는, 본 실험 조건에서 확인된 복합적인 경향으로 해석하였다.

종합하면, 수문 개방 이후 본류 유량의 일부가 저류지로 분산되면서 하류 유량이 감소하는 경향이 두 Case에서 공통적으로 확인되었다. 상·하류 유량 차이를 기준으로 산정한 하류 유량 저감률은 약 39.7-67.6%로 나타났으며, 이는 조절지 운영을 통해 본류 유량의 일부를 저류지로 유도함으로써 하류로 전달되는 유량을 감소시킬 수 있음을 보여준다. 다만 이러한 정량적 결과는 제한된 두 실험 조건에서 산정된 값이므로, 다양한 유입 유량과 초기 저류 수위 및 수문 운영 조건에 대한 추가 검증이 필요하다.

3.5 자연월류 조건과 조절지 운영 조건의 비교를 통한 홍수 저감 효과 분석

본 절에서는 선행 연구에서 제시된 자연월류 조건과 본 연구에서 수행한 수문 개방에 따른 조절지 운영 조건을 비교하여 유량 분산 특성과 하류 유량 저감 효과를 분석하였다. 자연월류 조건은 본류 수위가 월류부 높이를 초과하면서 본류 유량의 일부가 저류지로 유입되는 조건이며, 조절지 운영 조건은 본류 유량이 하류로 흐르는 상태에서 월류부에 설치된 전도식 수문을 개방하여 본류 유량의 일부를 저류지로 유도하는 조건으로 정의하였다. 자연월류 조건에서는 본류 수위에 따라 유량 분산이 수동적으로 발생하는 반면, 조절지 운영 조건에서는 수문 개방 시점을 조절함으로써 유량 분산을 능동적으로 유도할 수 있다.

선행 연구(Gwon et al., 2024)에서는 본류 수위 상승에 따라 월류가 발생하는 자연월류 조건에서의 유량 분산 특성이 분석되었다. 자연월류 조건에서는 본류 수위가 월류부 높이를 초과하면 본류 유량의 일부가 저류지로 유입되며, 유입된 유량은 저류지 내부에 일시적으로 저장되거나 본류와 저류지 사이의 수두차 변화에 따라 다시 본류 방향으로 유출될 수 있다. 따라서 자연월류량은 본류 수위뿐만 아니라 저류지 내부 수위, 본류-저류지 간 수두차 및 흐름 방향의 전환에 따라 시간적으로 변화하는 특성을 나타낸다.

반면, 본 연구의 조절지 운영 조건에서는 본류 유량이 하류로 흐르는 동안 전도식 수문을 개방하여 본류 유량의 일부를 저류지로 분산시키는 운영 방식을 적용하였다. 이 조건에서는 본류 수위가 월류부 높이를 초과해야 유량 분산이 발생하는 자연월류와 달리, 수문 개방 시점과 운영 조건에 따라 저류지 유입을 유도할 수 있다. 따라서 수문 개방을 통한 조절지 운영은 본류 유량의 일부가 하류로 전달되기 전에 저류지로 분산되도록 함으로써 하류 유량을 감소시키는 기능을 수행할 수 있다. 자연월류 조건과 조절지 운영 조건의 주요 흐름 특성은 Table 6에 정리하였다.

Table 7은 자연월류 조건과 수문 개방에 따른 조절지 운영 조건에서 선정한 대표 구간의 상·하류 유량 및 월류 유량을 비교한 결과를 나타낸다. 조절지 운영 조건은 자연월류 조건과의 상대적인 비교를 위해 Case 1의 안정 대표 구간을 대상으로 정리하였다. 자연월류 조건의 안정 구간에서는 약 9.14- 14.69%의 유량 저감률이 나타났으며, 이는 본류 수위 상승으로 발생한 수동적 월류에 의해 본류 유량의 일부가 저류지로 분산된 결과로 해석된다. 본 연구의 조절지 운영 조건에서는 약 36.77-39.69%의 유량 저감률이 나타나 자연월류 조건보다 상대적으로 크게 산정되었다. 이는 본 실험 조건에서 전도식 수문을 개방하여 본류 유량의 일부를 저류지로 유도함으로써 하류로 전달되는 유량이 감소한 결과로 판단된다.

다만 자연월류 조건과 조절지 운영 조건은 유량 분산이 발생하는 메커니즘과 유입 조건이 서로 다르므로, 두 조건의 유량 저감률을 동일한 수리 조건의 결과로 직접 비교하는 데에는 한계가 있다. 특히 두 조건의 본류 유량, 저류지 초기 수위 및 유량 분산 발생 시점이 동일하지 않으므로, Table 7의 결과는 절대적인 성능 차이라기보다 각 실험의 대표 구간에서 확인된 상대적인 유량 저감 특성으로 해석할 필요가 있다.

수문 개방을 통한 조절지 운영의 홍수 저감 효과를 설계에 적용하기 위해서는 기존 횡월류량 산정식의 적용 한계도 함께 고려해야 한다. De Marchi 공식은 월류수심을 주요 변수로 사용하므로 산정이 비교적 간단하지만, 월류부에서 나타나는 유속의 크기와 방향 변화를 직접적으로 반영하기 어렵다. d’Aubuisson식은 접근 유속을 고려할 수 있으나, 단면평균 유속을 적용할 경우 횡월류부에서 발생하는 공간적인 유속 편차와 흐름 방향의 전환을 충분히 반영하지 못할 수 있다. 또한 저류지 내부 수위가 상승하여 본류-저류지 간 수두차가 감소하거나 역전되는 경우에는 기존 산정식이 실제 월류량을 과대 또는 과소 산정하거나, 저류지에서 본류 방향으로 발생하는 유량을 적절히 반영하지 못할 수 있다.

본 연구에서도 수문 개방 직후에는 본류에서 저류지 방향으로 유입되는 흐름이 우세하게 나타났으나, 저류지 내부 수위가 상승한 이후에는 일부 구간에서 본류 방향으로 재유출되는 흐름이 관측되었다. 이러한 결과는 조절지 운영 시 월류량이 월류수심만으로 결정되는 것이 아니라, 월류부 유속의 크기와 방향, 본류-저류지 간 수두차, 저류지 초기 수위 및 잔류 수위 조건의 영향을 함께 받는다는 것을 보여준다. 따라서 조절지 및 횡월류 저류지의 설계와 운영 효과를 평가할 때에는 월류수심과 접근 유속뿐만 아니라 유속 방향성과 수위 역전 가능성을 함께 고려할 필요가 있다.

자연월류 조건에서는 본류 수위 상승에 따라 수동적인 유량 분산이 발생하는 반면, 조절지 운영 조건에서는 수문 개방 시점을 조절하여 본류 유량의 일부를 저류지로 유도할 수 있다. 본 실험에서는 조절지 운영 조건의 하류 유량 저감률이 자연월류 조건보다 상대적으로 크게 나타났으나, 이는 서로 다른 유입 및 초기 수위 조건에서 수행된 결과이므로 일반적인 성능 차이로 단정하기는 어렵다. 향후에는 다양한 유입 유량, 저류지 초기 수위, 수문 개방 시점 및 개방 정도를 고려한 추가 실험을 수행하고, 유속 방향성과 본류-저류지 간 수두차를 반영할 수 있는 월류량 산정 및 보정 방법을 검토할 필요가 있다.

4. 결론 및 향후 연구

본 연구에서는 안동 하천실험센터의 pilot 규모 홍수조절지에서 다중 계측 장비를 활용하여 수문 개방에 따른 월류 흐름과 하류 유량 저감 효과를 분석하였다. 주요 결과는 다음과 같다.

(1)수문 개방 이후 월류부 수위는 급격히 상승한 뒤 감소하여 안정화되었으며, Case 1과 Case 2의 최대수위는 각각 약 0.55 m와 0.63 m였다. 초기 단발성 산포는 수면 교란과 반사 신호 변동의 영향으로 해석하고, 연속적인 상승 구간을 실제 수위 상승 구간으로 정의하였다.

(2)저류지 내부에 설치된 압력식 수위계를 이용하여 수위 변화를 분석한 결과, 수문 개방 이후 저류지 내부 수위가 빠르게 상승한 후 점진적으로 감소하는 경향을 보였다. Case 1에서는 저류지 내부 수위가 평균 최대 수위는 1.681 m, 최대 수위 도달 소요시간은 평균 28.44 min으로 산정되었으며, Case 2에서는 평균 최대 수위는 1.760 m, 최대 수위 도달 소요시간은 평균 12.57 min으로 나타났다. 또한 계측 지점 간 내부 지체시간은 Case 1에서 평균 0.15 min, Case 2에서 평균 0.04 min으로 매우 작게 산정되었다. 이는 월류 유입에 따른 수위 변화가 저류지 전반으로 빠르게 전파되었음을 의미한다. 최대 수위 도달 이후에는 수위가 완만하게 감소하여, 유입된 월류수가 일시적으로 저류된 후 점진적으로 배제되는 양상을 보였다.

(3)표면 유속과 영상 기반 유속 벡터 분석에서는 수문개방 직후 유속 분포가 확대되고 방향과 크기가 공간적으로 불균일하게 나타났으며, 안정화 이후 주흐름 방향으로 정렬되는 경향을 보였다. 이는 초기방향 전환, 국부 가속 및 재순환 가능성을 시사한다.

(4)RS5 ADCP 계측에서는 월류 진행에 따라 평균 유속과 유량이 감소하고 일부 구간에서 본류 방향의 재유출이 관측되었다. 따라서 월류량 평가에는 월류수심뿐 아니라 유속의 크기와 방향, 본류-저류지 간 수위차 및 잔류 수위를 함께 고려해야 한다.

(5)상류(SL3000)와 하류(SL1500)의 대표 유량을 비교한 결과, 수문 개방 이후 하류 유량 저감률은 약 39.7-67.6%로 나타났다. 이는 본류 유량의 일부가 저류지로 분산된 결과로, 수문 운영을 통한 능동적 유량 조절 가능성을 보여준다. Case 2에서는 저감률이 더 높고 최대 수위 도달 소요시간이 짧았으며, 이는 유입 유량과 초기 잔류 수위의 복합적인 영향으로 해석된다. 다만 두 Case의 pilot 규모 실험 결과이므로, 다양한 유량 및 운영 조건에 대한 추가 검증이 필요하다.

본 연구는 pilot 규모 홍수조절지에서 다중 계측을 통해 수문 개방에 따른 월류부와 저류지의 수리응답 및 하류 유량 저감 효과를 정량적으로 분석하고, 흐름의 불균일성과 방향 전환 ·재유출이 순 월류량에 영향을 줄 가능성을 제시하였다. 다만 제한된 실험 조건을 고려하여 향후 유입 유량, 초기 ·잔류 수위 및 수문 개방 조건을 달리한 반복 실험이 필요하다. 또한 유속 방향성, 본류–저류지 간 수두차 및 비정상 흐름을 반영한 월류량 산정 방법을 검토하고, 수치모형과 현장 모니터링을 연계하여 운영 효과와 설계 적용성을 검증할 필요가 있다.