1. 서 론

최근 기후변화로 인한 극한 강우, 태풍, 집중호우 등이 빈번해지면서 전 세계적으로 홍수 피해의 규모와 빈도는 점점 심화되고 있다. 한국을 포함한 여러 국가들은 전통적으로 제방, 방조제, 댐, 보 등 물리적 인프라 중심의 치수 대책을 통해 하천의 홍수 피해를 대응해왔으나, 이러한 인공 구조물들은 건설 및 유지관리 비용이 막대하고, 구조물 붕괴 시 치명적인 2차 피해를 유발할 가능성이 내포되어 있다. 나아가 이러한 구조물 중심의 홍수 대응 방식은 하천 생태계와 생물다양성을 저해하고, 지역 공동체의 수변 접근성을 제한하는 등의 부작용도 초래하고 있다.

이에 따라 국제사회는 물리적 인프라 중심의 일방적 대응 방식에서 벗어나, 보다 지속가능하고 회복탄력적인 치수 대안으로서 자연기반해법(Nature-based Solutions, NbS)의 적용을 확대하고 있다. NbS는 하천, 범람원, 습지 등 자연 생태계를 복원하거나 보전함으로써, 유량 완화, 수질 개선, 생태계 복원, 탄소 저감 등 다양한 기능을 동시에 수행하는 통합적 접근 방식이다. 유럽연합(EU)은 NbS를 유역물관리지침(WFD)의 핵심 전략으로 반영하고 있으며 국제자연보전연맹(IUCN), 미국 환경보호청(USEPA) 등도 NbS의 개념 정립과 적용 지침 수립을 통해 글로벌 차원의 확대를 도모하고 있다(Bauduceau et al., 2015; IUCN, 2020; Bridges, 2021; Woo, 2023; EEA, 2019; WWF, 2016)

NbS는 생태적·사회적 측면에서 다양한 이점을 제공한다. 생물서식지 복원, 수질정화, 지하수 함양 등의 생태계 서비스 향상뿐 아니라, 도시 열섬 완화, 레크리에이션 공간 제공, 주민 참여 유도 등 사회적 수용성 측면에서도 높은 평가를 받고 있다(Myung and Oh, 2021; Han, 2016; WEF, 2016, 2022). 이러한 점에서 NbS는 전통적인 인공 구조물 중심의 치수 전략을 보완하거나 대체할 수 있는 실현 가능성 높은 대안으로 주목받고 있다.

특히 천변저류지(floodplain storage) 및 하도 확폭(channel widening)은 하천 내 유량을 효과적으로 완화하는 동시에, 생태적 복원을 병행할 수 있는 대표적인 NbS 기법으로 꼽힌다. 천변저류지는 하천 인근의 저지대를 일시적인 유수 공간으로 활용함으로써 본류의 수위를 저감하고, 하안 습지의 생태 기능을 회복시킬 수 있는 효과적인 수단이다. 하도 확폭은 기존 하천 단면을 확장하여 유량 소통 능력을 향상시키는 방식으로, 하상 정비나 제방 후퇴 등을 통해 이루어진다. 국외에서는 독일 엘베강(Elbe River)에서 제방을 후퇴시키고 범람원을 복원함으로써 첨두 홍수위를 50 cm 이상 저감시킨 사례가 보고되었으며(Jung, 2010), 일본 아라카와강에서는 하도 확폭과 친수 공간 조성을 병행하여 홍수방어와 주민 활용성 향상을 동시에 달성한 사례가 있다(Kim and Choe, 2011).

국내에서도 NbS 개념의 적용이 점차 확산되고 있다. 예를 들어, 황구지천 하천환경 정비사업으로 완경사호안, 여울, 생태습지 등을 도입하여 생물 서식공간을 제공하였으며 고정보 개량, 어도 설치로 하천의 종적 연속성을 확보하였다. 오산천은 자연형 하도 및 호안 조성으로 자연적 하천 현상을 회복하였다. 이러한 국내 사례들은 NbS의 다기능성과 현장 적용 가능성을 잘 보여주는 사례로 평가된다(MOLIT, 2014). Yoo et al. (2010)은 천변저류지 조성에 따른 경제적 가치 평가를 819억 원으로 산정한 바 있다. Coelho (2025)는 간소화된 GIS 기반 수문모델을 활용하여 강우 강도에 따른 NbS의 홍수 저감 효과 변화를 정량적으로 평가하였다. Penny et al. (2023)은 주기적으로 홍수와 가뭄이 발생하는 농업 유역에서 다양한 토지 이용을 고려한 NbS 적용 효과를 GIS를 통한 다중 기준 의사결정 분석을 통해 평가하였으며, 단일 전략보단 여러 조치를 결합한 다중 전략이 더 효과적임을 입증한 바 있다. 또한, Cho et al. (2014)은 국내 여주 천변저류지를 대상으로 수행한 연구에서, 1차원 및 2차원 수리모형을 비교 분석하여 2차원 모형이 유입 유량의 공간적 분포 및 저류지 내부의 흐름 특성을 보다 정밀하게 재현함으로써 첨두홍수위 저감 효과를 정량적으로 도출할 수 있음을 평가하였다.

본 연구는 이와 같은 국내외 자연기반해법의 적용 흐름 속에서, 대한민국 남부의 국가하천인 섬진강 유역을 대상으로 대표적인 NbS 기법인 천변저류지 및 하도 확폭의 적용 효과를 정량적으로 분석하고자 한다. 섬진강은 전라북도, 전라남도, 경상남도 일부를 경유하여 남해로 흘러드는 우리나라 5대강 중 하나로, 유역 면적에 비해 하안 저지대가 넓고, 제방 구조가 상대적으로 단순하여 구조적 치수대책 적용이 용이한 구간이 존재한다. 특히 2020년 8월 발생한 기록적 집중호우로 인해 남원시, 곡성군, 구례군 일대에서 대규모 홍수 피해가 발생한 바 있어, 해당 유역은 NbS의 실효성을 검증하기 위한 적합한 시험 대상지로 판단된다.

따라서 본 연구는 HEC-RAS 1차원 부정류 수리모형을 기반으로 섬진강 본류 약 135 km 구간에 대해 홍수사상을 재현하고, 천변저류지 및 하도 확폭 경우를 설정하여 각각의 적용 효과를 주요 관찰지점별로 분석함으로써, 구조적 NbS 기법의 수문학적 효과를 정량적으로 제시하고자 한다.

2. 연구 내용 및 방법

2.1 대상구간 및 모형구축

본 연구는 2020년 여름 발생한 섬진강 유역의 집중호우 및 홍수사상을 재현하고, 이에 대한 NbS 기반 구조적 대책의 효과를 분석하기 위해 수치 수리모형을 구축하였다. 대상 유역은 대한민국 5대강 중 하나인 섬진강 본류 약 135 km 구간으로, 섬진강댐(지점 No. 135.200)부터 하구(지점 No. 0)까지를 포함한다. 이 구간은 전라북도 남원시, 전라남도 곡성군·구례군 및 경상남도 하동군 일대를 포함하며, 2020년 8월 집중호우 당시 제방 붕괴 및 대규모 침수 피해가 발생한 지역이다. 섬진강 본류에 위치한 수위 관측소 위치와 2020년 8월 실제 홍수피해가 발생한 지역의 위치는 Fig. 1에 도시하였다.

Fig. 1.

Locations of 2020 flood damage area and observation stations within the study area

모형 구축에는 미국 수자원조사국(U.S. Army Corps of Engineers)에서 개발한 HEC-RAS (Hydrologic Engineering Center - River Analysis System)를 사용하였으며, 부정류(Unsteady Flow) 해석 기능을 기반으로 모의가 수행되었다. HEC-RAS는 국내외에서 하천기본계획, 홍수 위험도 평가, 제방 설계 등에 널리 활용되고 있는 1차원 수리모형으로, 비정상 유량 조건에서의 수위 변화, 범람, 저류지 연계 모의 등에 대해 안정적인 계산 성능을 제공한다(USACE, 2022).

하천 단면 자료는 환경부에서 수립한 섬진강 하천기본계획(MOLIT, 2021)의 종단 및 횡단면 데이터를 기반으로 구성하였다. 유입 유량은 섬진강댐의 2020년 8월 실측 방류량 자료를 상류 경계조건으로 입력하였고, 하류 경계조건은 광양 조위관측소의 실측 조위자료를 활용하였다(Fig. 2). 또한, 주요 지류인 보성강, 요천, 오수천 등은 측방 유입(lateral inflow)으로 처리하여 본류 수위에 미치는 영향을 반영하였다. 모의 기간은 2020년 8월 6일부터 8월 12일까지 7일간으로 설정하였으며, 이 기간은 섬진강 유역 내에서 기록적인 강수 및 최대 홍수위가 관측된 시점인 2020년 8월 8일이 포함된다.

Fig. 2.

Boundary conditions used in the model

2.2 모형의 검·보정

HEC-RAS 모형의 신뢰성과 모의 정확도를 확보하기 위해, 본 연구에서는 2020년 8월 섬진강 유역에서 발생한 실제 홍수사상을 대상으로 검·보정(calibration and validation) 절차를 수행하였다. 검·보정은 본류에 위치한 수위 관측소에서 관측된 실측 수위자료와, 모형에서 계산된 모의 수위값을 비교 및 분석하는 방식으로 진행하였다. 모형의 신뢰성 평가 지표로 PBIAS, NSE 그리고 R²를 활용하였으며 해당 지표의 식과 평가 기준은 Table 1과 같다(Moriasi et al., 2007).

모형 보정에 사용된 수위 관측소는 일중리(Iljungri), 평남리(Pyeongnamri), 유적교(Yujeokgyo), 신덕리(Sindeokri), 구 금곡교((old)Geumgokgyo), 고달교(Godalgyo), 예성교(Yeseonggyo), 구례교(Guryegyo), 남도대교(Namdodaegyo), 고사리(Gosari)로 총 10개소이며(Fig. 1), 모두 섬진강 본류 내에 위치하고 있는 국가수위관측소이다. 이들 지점은 유역 전반에 고르게 분포하고 있으며, 각 구간별 유량 및 수위 특성을 대표할 수 있어 검·보정에 적절한 기준점으로 활용되었다.

상류 경계조건은 섬진강댐의 실측 방류량 자료를 적용하였고, 하류 경계조건은 광양 조위관측소의 조위 자료를 기반으로 하였다. 또한, 모형에서 수위 계산의 정밀도를 높이기 위해 하천 단면의 조도계수(Manning’s n)는 구간별 지형특성에 따라 0.030-0.045의 범위로 설정하였으며, 이는 국내 하천 설계기준 및 선행 연구결과를 참고하였다(MOLIT, 2021; Lee and Baek, 2024).

수치 모의 결과, 대부분의 관측소에서 실측 수4위와 모의 수위 간의 차이는 0.5 m 이내로 확인되었다. PBIAS 및 NSE의 경우 모든 지점에서 각각 만족과 좋음 이상으로 평가되었으며 R²도 모든 지점에서 0.95 이상으로 첨두 홍수위(peak flood stage)의 도달 시점과 크기 모두 전반적으로 양호하게 재현되었다. 수위의 첨두값 비교 및 평가 지표 결과는 Table 2에 정리하였으며, 각 관측소에서의 시간별 수위 비교 결과는 Fig. 3에 시계열 그래프로 도시하였다.

Fig. 3.

Comparison of observed and simulated water levels at the observation station

2.3 홍수피해 지역 선정

본 연구에서는 자연기반해법의 구조적 적용 효과를 정량적으로 평가하기 위해, 섬진강 본류 유역 내에서 침수위험이 높고 실제 피해가 발생한 구간을 주요 관심지점으로 선정하였다. 이를 위해 다음의 세 가지 공간자료를 종합적으로 분석하였다.

첫째, 환경부에서 구축한 홍수위험지도를 활용하였다(Fig. 4(a)). 홍수위험지도는 하천 제방의 설계빈도를 초과하는 규모의 극한 홍수가 발생할 경우를 가정하고, 제방 붕괴나 월류 등 구조적 방어시설의 기능 상실을 전제로 인근 저지대에서 발생할 수 있는 침수 범위와 침수 깊이를 산정한 결과를 시각화한 지도이다. 해당 지도는 실제 제방의 물리적 안정성과는 무관하게, 수리모형 기반의 가상 홍수 시나리오를 적용하여 가장 불리한 조건에서의 침수 피해 가능성을 분석한 것으로, 국가 차원의 수해 예방정책 수립, 재해지도 작성, 홍수 관련 보험 체계의 기초자료 등으로 활용된다. 본 연구에서는 이 지도를 통해 계획홍수 발생 시 수위가 제내지 지반고를 초과할 가능성이 높은 지역을 1차 침수취약지로 식별하였다.

둘째, 침수흔적도(Fig. 4(b))를 참고하였다. 침수흔적도는 ‘재해지도 작성 기준 등에 관한 지침’에 따라, 태풍, 호우, 해일 등 풍수해로 인해 실제로 침수 피해가 발생한 지역을 대상으로 침수 깊이와 범위 등을 조사하여 작성된 재해지도이다. 본 자료는 항공사진, 드론 영상, 현장 조사 등의 방법을 통해 수집된 실측 기반 정보로, 당시 홍수로 인한 범람 지역을 공간적으로 정량화한 것이다. 수치모형을 통해 예측된 결과와 비교·검증할 수 있는 실증 자료로서 활용 가치가 높다. 본 연구에서는 침수흔적도를 통해 2020년 8월 섬진강 유역에서 실제로 피해가 발생한 구간을 식별하였다.

Fig. 4.

Locations of main observation points: (a) Flood inundation map; (b) 2020 flood trace map

셋째, 환경부의 댐하류 수해 원인 조사 보고서를 활용하였다(ME, 2021). 이 보고서는 행정구역 단위별로 제방 붕괴, 농경지 침수, 주택 및 도로 피해 등 다양한 피해 유형과 그 발생 위치를 기록하고 있어, 침수흔적도와 함께 실제 피해 지역을 공간적으로 정밀하게 파악할 수 있다.

이러한 세 가지 공간자료를 상호 보완적으로 분석한 결과, 섬진강 본류 구간 중 남원시, 곡성군, 구례군 일대의 저지대가 침수위험 및 피해 발생 이력이 모두 높은 지역으로 확인되었으며, 이 중에서도 남원1(Namwon1), 남원2(Namwon2), 남원3(Namwon3), 곡성1(Gokseong1), 곡성2(Gokseong2), 구례1(Gurye1), 구례2(Gurye2) 지점을 주요 관심지점으로 선정하였다. 선정된 주요 관심지점들은 이후 천변저류지 및 하도 확폭을 적용한 수리모형 결과 분석 시, 첨두 홍수위 저감 효과를 정량적으로 비교·검토하기 위한 기준지점으로 활용했다.

2.4 천변저류지

천변저류지는 하천 본류의 유량을 일시적으로 저류할 수 있는 구조적 자연기반해법(NbS)의 대표적인 형태로, 첨두홍수량(peak discharge)의 분산 및 수위 저감을 유도하는 수해저감 수단이다. 본 연구에서는 HEC-RAS 모형의 storage area 기능과 lateral weir 구조를 활용하여 천변저류지의 유입·저류 과정을 수치적으로 구현하였으며, 그 개념은 Fig. 5에 도시하였다. HEC-RAS에서의 천변저류지 구현은 다음과 같은 2단계 메커니즘에 기반한다. Step 1, 유입 단계에서는 본류와 연결된 측방 위치에 설치된 월류제(weir)를 통해, 하천 수위가 월류고를 초과할 경우 초과 유량이 천변저류지로 넘쳐 들어간다. 이때 월류고는 본류 계획홍수위보다 소폭 낮게 설정되어, 일정 수위를 초과하는 순간부터 초과 유량이 분산되도록 설계된다. Step 2, 저류 단계에서는 천변저류지 내부의 수위가 월류고 상단까지 도달하면, 이후의 저류지는 사실상 하도의 일부로 기능하게 된다. 이와 같이 천변저류지의 수리적 성능은 저류면적, 지반고, 월류제의 높이(월류고)와 같은 주요 설계 변수에 의해 결정된다.

Fig. 5.

Conceptual diagram of flood control using the storage function in the HEC-RAS model

면적과 지반고는 유효저류용량에 직접적인 영향을 미치는 변수로, 저류지가 넓고 지반고가 낮을수록 더 많은 물을 저장할 수 있어 수위 저감 효과가 커진다. 그러나 이 경우 토지 매입 비용과 유지관리 부담이 증가하는 한계도 있다. 월류고는 저류 시작 시점을 결정짓는 핵심 인자로, 너무 낮으면 본류 수위가 충분히 상승하기 전부터 저류지가 포화될 우려가 있으며, 반대로 너무 높을 경우 첨두 유량의 분산 효과가 미미해질 수 있다. 이러한 변수들의 조합에 따른 수위 변화 특성은 Fig. 6에 도시하였으며, 동일 유역 내에서도 천변저류지의 제원 차이에 따라 첨두 수위의 저감 정도가 상이하게 나타나는 것을 확인하였다.

Fig. 6.

Comparison of simulated flood levels according to design specifications of floodplain storage

본 연구에서는 천변저류지 후보지 선정 시 다음의 조건을 동시에 충족하는 구간을 대상으로 설정하였다(Fig. 7). 하도 소통능력이 부족한 국가하천 구간에 인접한 저지대; 실면적 기준으로 0.2 km² 이상의 확보 가능한 공간; 2020년 8월 실제 홍수피해 발생 지역; 향후 도시계획, 개발계획이 수립되지 않은 구간. 이러한 기준에 따라 최종 선정된 천변저류지 후보지는 다음의 세 지점이며, 각 위치는 Fig. 8에 도시하였다. Storage 1: 전라북도 남원시 풍산면 두승리. Storage 2: 전라남도 곡성군 곡성읍 대평리, Storage 3: 전라남도 구례군 간전면. 각 후보지의 저류면적, 제내지 지반고, 월류고 등 상세 설계 조건은 Table 3에 정리되어 있으며, 이는 모형 내 천변저류지 구성 시 입력 조건으로 반영되었다.

Fig. 7.

Selected site for floodplain storage

Fig. 8.

Locations of selected main observation points, floodplain storage sites, and channel widening sections

2.5 확폭

하도 확폭은 하천의 횡단면 구조를 조정하여 유량의 소통 능력을 증대시키는 대표적인 구조적 자연기반해법 기법 중 하나이다. 기존의 직강화된 하천 단면에서 벗어나, 하도 구간 내 유효 흐름 폭을 인위적으로 확장함으로써, 홍수 시 단면 통수능력(conveyance capacity)을 증가시키고, 첨두 수위 및 유속을 분산시켜 범람 가능성을 저감하는 효과가 있다. 확폭 기법은 전통적인 하천 준설이나 제방 고도 증설 방식과 달리, 하천 본래의 유로 특성을 최대한 유지하면서도, 홍수위 저감, 침식완화, 생태 복원 등을 동시에 도모할 수 있는 다기능적 접근 방식이다(Ji et al., 2022). 특히 제방을 외측으로 후퇴 시키는 방식은 하안단구, 범람원 등의 복원을 유도하여 홍수 여유공간을 확보하는 데 효과적이며, 수변 생태계의 복원 기반을 마련할 수 있다는 장점이 있다(EEA, 2019).

HEC-RAS 모형에서는 하도 확폭을 단면별 좌우 폭 조정을 통해 구현하였다. 각 단면에서 하안 여유고를 확보할 수 있는 지형 구간을 분석한 뒤, 기존 제방 중심선으로부터 외측으로 50 m 후퇴시키는 방식으로 Fig. 9와 같이 하천 단면을 재구성하였다.

Fig. 9.

Example of channel widening applied in the HEC-RAS model

확폭 적용 범위는 다음과 같은 선정 기준을 충족하는 구간으로 선정하였다(Fig. 10). 지형적으로 확폭이 가능한 제내지 여유 공간 존재; 단면 조사 결과, 제방 외측 저지대에 일정 폭 이상의 평탄 지형이 확보 가능한 구간; 실제 홍수 피해가 발생했던 구간; 침수흔적도 및 피해조사 보고서 기반, 2020년 홍수 시 피해 이력이 확인된 지점; 향후 도시계획 또는 택지개발 계획이 없는 지역. 이러한 기준에 따라 최종 선정된 확폭 후보지는 다음의 세 지점이며, 각 위치는 Fig. 8에 도시하였다. Widening 1: 전라남도 입면 제월리 2.8 km (No. 86.800-No. 89.600), Widening 2: 전라남도 곡성군 뇌죽리 2.4 km (No. 74.000- No.76.400), Widening 3: 전라남도 구례군 금내리 3.0 km (No. 43.000-No. 46.000).

Fig. 10.

Selected section for widening

3. 결과 및 고찰

3.1 천변저류지

본 연구는 2020년 8월 섬진강 유역에 발생한 실제 홍수사상을 대상으로, 천변저류지 조성에 따른 본류 첨두 홍수위 변화를 정량적으로 분석하였다. 모의는 HEC-RAS 1차원 부정류 모형을 기반으로 수행되었으며, 천변저류지는 총 세 곳을 선정하였다.

천변저류지 조성에 따른 첨두 홍수위 변화 분석은 각각의 Storage를 단독으로 적용하는 경우, 두 개 이상을 병합하여 적용하는 경우, 그리고 세 곳 모두를 적용하는 경우로 구성되었다. 첨두 홍수위 분석은 총 7개 주요 관심 지점을 대상으로 수행되었으며, 각 지점에서의 모의 결과는 Table 4에 정리하였다.

모의 결과, 천변저류지 조성 이전(Table 4(4_2))의 기준 조건에서 곡성1, 구례1, 구례2 지점은 모두 계획홍수위+여유고(Table 4(4_1))를 초과하는 첨두 홍수위를 기록하였다. 이는 해당 구간이 제방이 설계대로 존재하더라도 실질적인 범람 또는 침수 피해가 발생할 수 있음을 의미한다. 따라서 본 연구에서는 하천기본계획(MOLIT, 2021)에 명시된 계획홍수위+여유고(Table 4(4_1))를 천변 저류지 조성에 따른 홍수 능력 증대 효과 비교 기준으로 하였다.

분석 결과, 곡성1 지점은 Storage 1 또는 Storage 2 단독 적용 시에도 첨두 홍수위가 소폭 감소하였으나, 계획홍수위+여유고에는 미치지 못했다. 반면, Storage 1과 Storage2 복합 적용 시 첨두 수위가 약 0.9 m 저감되어 기준 수위 이하로 낮아졌다. 구례1 지점은 Storage 1만 적용 시 0.19 m, Storage 2만 적용 시 0.37 m의 수위 저감을 보였으며, Storage 2 적용만으로도 첨두 홍수위가 계획홍수위+여유고 이하로 안정화되었다. 세 개 저류지를 모두 적용한 경우 총 0.54 m의 저감이 나타났다. 구례2 지점 역시 Storage 1만 적용 시 0.20 m, Storage 2만 적용 시 0.39 m, 전체 적용 시 0.57 m의 수위 저감을 기록하였고, Storage 2 적용만으로도 기준 수위 이하로 떨어지는 결과를 보였다. 이와 같이, Storage 2는 단독 적용만으로도 구례1, 구례2 지점에서 기준 수위를 안정적으로 하향시킨 가장 효과적인 저류지로 평가된다.

그러나, Storage 3만을 단독 적용한 경우 구례1, 구례2 지점에서 오히려 첨두 수위가 상승하는 경향이 관찰되었다. 이는 유효저류용량이 제한적인 Storage 3가 홍수파의 첨두 도달 이전에 포화되어 더 이상 유량을 수용하지 못하고, 이로 인해 하류 수위 상승이 발생하며 상류로 역류되거나 수위 파형 중첩이 유도된 것으로 판단된다. 그러나 Storage 3가 Storage 1 또는 2와 병행 적용될 경우에는 이러한 수위 상승 효과가 발생하지 않았고, 오히려 전체 수위가 안정화되는 결과를 보였다.

3.2 확폭

본 연구에서는 하도 확폭 기법을 적용하여 하천의 유효 흐름 단면을 확대하였을 때, 섬진강 본류 내 첨두 홍수위가 어떻게 변화하는지를 정량적으로 분석하였다. 이를 위해 HEC- RAS 부정류 모형을 활용하여 실제 홍수사상(2020년 8월)을 기반으로 모의하였다. 확폭은 Fig. 10에 도시된 바와 같이 총 세 구간(Widening 1-3)에 대해 단독으로 적용되었으며, 각각 본류 우안 또는 좌안 저지대에 대해 제방 후퇴 방식으로 50 m 확장된 단면이 반영되었다. 모의 결과는 앞서 서술한 천변저류지와 마찬가지로 하천기본계획(MOLIT, 2021)에 명시된 계획홍수위+여유고를 확폭 조성에 따른 홍수 능력 증대 효과 비교 기준으로 하였다.

모의 결과, 하도 확폭 적용 이전의 기준 조건(Table 5(5_2))에서 곡성1, 구례1, 구례2 지점은 모두 하천기본계획에 명시된 계획홍수위+여유고(Table 5(5_1))를 초과하는 첨두 홍수위를 기록하였다. 이는 해당 구간이 제방 설계 기준을 만족하고 있음에도 불구하고, 극한 홍수 시 실질적인 범람 또는 침수 피해가 발생할 수 있는 위험 지점임을 시사한다.

분석 결과, 하도 확폭은 일부 지점에서 수위 저감 효과를 보였으나, 다른 지점에서는 오히려 첨두 수위가 소폭 증가하는 현상도 관찰되었다(Fig. 11). Widening 1이 적용된 경우, 남원1 지점에서 첨두 홍수위가 0.09 m 감소했으나 남원2 지점에서는 0.04 m 증가했다. Widening 2가 적용된 경우, 남원3 지점에서 0.09 m 감소했으나 곡성1 지점에서 0.05 m 증가 증가했다. Widening 3이 적용된 경우, 구례1 지점에서 0.29 m 감소했으나, 구례2 지점에서 0.07 m 증가했다.

Fig. 11.

Extent of channel widening application and comparison of longitudinal water level changes

일반적으로 하도 확폭은 통수단면의 증가를 통해 수위를 저감하는 효과가 기대되지만, 본 연구에서는 몇몇 지점에서 첨두 홍수위가 오히려 증가하는 비정형적인 결과가 나타났다.

일반적으로 하도 확폭은 통수단면의 증가를 통해 수위가 저감되는 효과가 기대되지만, 본 연구에서는 일부 구간에서 오히려 첨두 홍수위가 증가하는 현상이 관찰되었다. 이는 확폭이 특정 구간에 국지적으로만 적용됨에 따라, 그 직하류 구간에서 상대적으로 좁은 통수단면이 형성되어 흐름의 연속성이 저해되고, 확폭 구간과 미확폭 구간 사이에서 유량의 정체로 수리적 병목 현상이 발생한 결과로 해석된다.

이러한 결과는 확폭이 국지적으로만 적용됨에 따라 발생한 수리적 불연속성 때문으로 해석된다. 또한, 확폭부의 직하류에 교량, 보 등의 구조물이 위치하거나 지류 합류부가 인접해 있을 경우, 역류 또는 파형 중첩과 같은 복합적인 유동 간섭이 발생하여 국지적 수위 상승을 유발할 수 있다(Kim et al., 2006). 따라서 하도 확폭은 하천 전체 유역의 흐름 연속성과 구조물의 상호작용을 고려한 종합적 설계를 통해 적용되어야 하며, 필요 시 2차원 모형 기반의 유량 분포 및 압력장 해석을 병행하여 비정상 현상을 사전 분석할 필요가 있다.

4. 결 론

본 연구는 2020년 8월 집중호우로 인해 대규모 홍수피해가 발생한 섬진강 본류 구간을 대상으로, 구조적 자연기반해법 기법 중 하나인 천변저류지 및 하도 확폭 적용에 따른 홍수 조절 효과를 정량적으로 분석하였다. 분석은 HEC-RAS 1차원 부정류 수리모형을 기반으로 수행되었으며, 주요 관심지점 7개소를 기준으로 첨두 홍수위 변화량을 중심으로 효과를 평가하였다.

천변저류지는 하천 인근 저지대를 일시적인 유수 공간으로 활용함으로써 첨두 홍수위를 저감하는 구조적 해법으로, 모의 결과 최대 0.91 m의 수위 저감 효과가 확인되었다. 특히 곡성1, 구례1, 구례2와 같이 기준 계획홍수위+여유고를 초과하는 위험 지점에서 Storage 2의 단독 적용만으로도 기준 수위 이하로 첨두 홍수위를 하향시킬 수 있었다. 반면, Storage 3의 단독 적용은 오히려 국지적 수위 상승을 유발하는 결과를 나타냈는데, 이는 제한된 유효저류용량으로 인해 홍수파 첨두 도달 이전에 저류지가 포화되며 역류 또는 수위 파형 중첩 현상이 발생했기 때문으로 해석된다. 이러한 결과는 저류지의 위치, 지반고, 월류고 설정 등 설계 인자의 중요성을 시사한다.

하도 확폭은 하천 통수단면을 물리적으로 확장하여 유량의 소통 능력을 향상시키는 방법으로, 구례 1에서는 0.29 m의 첨두 홍수위 저감 효과가 확인되었다. 그러나 확폭이 국지적으로만 적용되었을 경우, 인근 지점에서는 수위가 오히려 상승하는 비정형적 결과가 나타났다. 이는 확폭 구간에서의 유속 증가와 이후 병목 구간에서의 유량 정체, 구조물과의 상호작용에 따른 역류 또는 파형 중첩 효과로 설명될 수 있다. 따라서 하도 확폭은 유역 전체의 흐름 연속성과 구조물 위치, 유로 특성을 종합적으로 고려한 설계가 필요하며, 필요시 2차원 수리모형을 통한 유동 해석이 병행되어야 한다.

천변저류지와 하도확폭은 홍수위 저감과 생태계 회복이라는 이중 목적을 달성할 수 있는 적절한 자연기반해법으로 평가된다. 특히 천변저류지는 일정한 기준을 충족할 경우 단독 적용만으로도 첨두 수위를 기준 수위 이하로 낮추는 효과를 보였으며, 복합 적용 시 효과가 더욱 확대되는 경향을 나타냈다. 반면, 하도 확폭은 선택적이고 전략적인 국지 적용이 요구되는 기법으로, 설계 및 운영에 있어 보다 정밀한 검토가 필요하다. 효과적인 적용을 위해서는 수문 및 지형적 특성에 대한 정밀 분석과 함께 지역 주민 수용성, 토지이용 여건, 생태적 가치 등을 통합적으로 고려한 맞춤형 설계가 요구된다.