1. 서 론
2018년 하천설계기준(https://www.codil.or.kr/)이 개정되면서 감조구간에서 홍수위 산정은 다음과 같이 부정류(unsteady flow) 모형을 사용하는 것이 의무화되었다.
“KDS 51 20 : 2018 하도 계획편”
2.4.6 감조하천 구간에 대한 계획홍수위 결정
(1) 감조하천 구간에 대한 홍수위 산정을 위하여 부정류 계산모형을 활용한다.
(2) 첨두홍수량 유출시의 조위조건에 따라 홍수위가 달라지며, 이때의 조위조건은 다양하게 주어질 수 있으므로, 이를 감안하여 평균적인 홍수위를 산정한다.
(3) 조석주기에 대하여 평균된 홍수위를 산정하는 방법 또는 Monte-Carlo 모의기법 등이 사용될 수 있다.
‘하천 설계기준 개정(안) 신ㆍ구조문 대비표’(KWRA, 2018)에서 지적하듯이 감조구간에서 부정류 모의로 변경된 이유는 정상부등류(steady state non-uniform flow) 모의를 통한 설계홍수위 산정 방법은 홍수위를 과대 평가하는 경향이 있기 때문이다.
우리나라에서 조차가 가장 큰 곳이 경기만이다. 특히 경기만 한강하구는 인천항을 기준으로 평균 대조차가 8.0 m, 평균 소조차 3.5 m인 대조차해역이다(Yoon and Woo, 2012). 한강하류 감조구간은 그만큼 조차가 크기 때문에 홍수위 산정 시에도 이러한 특징이 반영되어야 한다. 그럼에도 불구하고 2020년에 고시된 한강하천기본계획(MOLIT, 2020)에서는 “한강(팔당댐~하구)은 서해 조석의 영향을 받는 감조하천이기는 하나 계획홍수 유하 시 한강에 미치는 조위의 영향은 미미하므로” 부정류 모의결과 대신 부등류 모의결과를 계획홍수위로 채택하였다. 앞서 언급하듯이 가장 조차가 심한 한강에서 조석의 영향이 미미하다는 결과는 이해하기 어려우므로 검증적인 연구가 필요해 보인다.
과거 연구사례들을 보더라도 한강하구는 조석의 영향이 지배적이다는 결과부터 대규모 홍수량 유하 시 조석의 영향이 크지 않다는 연구까지 그 결론이 일정하지는 않았다. 대표적으로 Kim et al. (2003)은 1차원 홍수추적을 통해 서해 조석을 감안하여 한강 및 임진강의 홍수위 특성을 분석한 바 있다. 그 결과 2020년 한강하천기본계획과 유사하게 큰 홍수량에서는 서해조위가 한강의 홍수위 상승에 큰 영향을 미치지 못한다고 주장하였다. 하지만 이 경우 월곶리에서 설계조위의 최대치가 EL. 5.5 m 인데, 이 값은 발생할 수 없는 최고 수위이다. 한강하천기본계획에 따르면 Table 1에 정리되어 있듯이 육지표고로 환산한 약최고만조위는 EL. 4.6395 m로 EL. 5.5 m에 비해 약 0.9 m 낮다. 이미 기점에 높은 수위가 할당되어 있어서 하류부 홍수위 변동이 미미하게 계산될 수 있다. Park and Baek (2017)은 HEC-RAS를 활용하여 임진강 구간을 부정류로 모의하였다. 그들은 임진강 하류부는 서해 조석의 영향을 받아 부정류 모의시 홍수위가 저감된다는 결론을 낸 바 있다. 경계조건으로 하류단 경계로 한강하천기본계획에서 제시한 설계조위(Table 1)를 그대로 사용하였고, 상류단 하천유량은 부등류 모의처럼 하나의 홍수량값을 부여하였다. 한강하구의 감조구간 흐름특성을 2차원으로 모의한 연구들도 다수 있다. Yu et al. (2005)은 2차원 천수방정식을 유한차분하여 2차원 수치모형을 개발하고, 이를 잠실수중보로부터 전류지점까지 적용하여 조석에 의한 수위변화를 실측치와 비교한 바 있다. Seo et al. (2008)은 자체 개발한 2차원 모형인 RAMS (River Analysis Modelling System)를 활용하여 부정류 및 염분 확산을 모의한 바 있다. 그들은 모델링 영역을 신곡보부터 한강의 법정 기점인 유도까지 잡아 조석으로 인한 염분의 상류 영향 범위를 검토하였다. Baek and Yim (2011)은 한강대교에서 유도까지 Seo et al. (2008)보다 모의구간을 상류로 확장하여 신곡수중보 유무에 따른 수위변동을 대조기 동안 분석한 바 있다.
Table 1.
Maximum value of design tidal water level at the 2002 Han River basic plan report
본 연구에서는 한강하류 감조구간에서 부정류 모의를 수행하여 홍수위를 재계산하였다. 그리고 주요지점에서 이를 한강하천기본계획에서 제시된 계획홍수위와 비교하였다. 계획홍수위는 하천 치수정책의 근간이 되는 자료로, 제방을 비롯하여 제 하천시설물 설계의 기준이 되므로 그 계산에 있어서 정확성이 무엇보다 요구된다. 계획홍수위가 낮게 계산된다면 제방 월류의 위험성을 가질 수 있지만, 높게 계산되는 경우 불필요한 하천사업을 동반하여 예산낭비를 가져올 뿐만 아니라, 하천시설물이 필요이상으로 과대해져 유역민의 수용성이 떨어지는 경우도 많다. 지금까지 홍수위 계산은 거의 모든 하천에서 부등류 모의를 수행하였다. 하지만 감조구간에서 만큼은 개정된 하천설계기준을 준수하면서 불확실성을 최대한 줄이는 방향으로 홍수위 설계가 수행되어야 할 필요성이 있다.
2. 모의조건 및 조도계수 합리화를 통한 홍수위 재계산
2.1 모의구간 및 입력자료
본 연구에서 모의 수단은 국내 하천기본계획수립시 홍수위 산정에 활용되는 HEC-RAS모형의 부정류 모듈을 사용하였다. 모의 구간은 한강 본류 상류단 경계로 팔당댐을, 임진강 상류단 경계로 한탄강 합류 이후 지점인 초평도를 설정하였으며, 하류단 경계는 한강의 법정 기점인 유도로 설정하였다. 본 연구의 모의구간을 그림으로 도시하면 Fig. 1과 같다.
부정류 모의를 수행하기 위해 하류단 유도에 조위를 할당해야 하는데, 이곳이 남북공동관리수역이라 정확한 조위자료가 부재한 실정이다. 하지만 인근에 조위 관측소로 월곶리(현재는 관측소 없음)와 강화대교가 있으며, 이중 유도와 가장 근접하고 한강 좌안에 위치한 월곶리 자료를 활용하였다. 강화대교는 염하수로 내에 있어 조위특성이 유도와 다를 수 있다. 특히 2002년 한강하천기본계획보고서(MOCT, 2002)에는 이 두 곳을 포함하여 인천항의 조위까지 분석하여 설계조위를 제안하였다(Table 1). 이를 참고하여 월곶리의 설계조위를 도시하면 Fig. 2와 같다.
상류경계조건으로 한강 본류의 유량은 팔당댐에 할당하였다. 여기서의 유량수문곡선은 2020년 한강하천기본계획보고서(MOLIT, 2020)를 참고하였고 이를 Fig. 3에 도시하였다. 기수립된 한강기본계획에서(부등류 모의로 홍수위 결정) 한강의 200년 빈도 계획홍수량은 중간에 여러 중소하천이 유입함에도 불구하고 팔당댐에서부터 임진강합류 지점까지 37,000 m3/s 로 일정하다(MOCT, 2002; MOLIT, 2020). 따라서 측방유입 없이 Fig. 3와 같이 첨두유량이 37,000 m3/s인 수문곡선을 팔당댐에 할당하는 것은 큰 무리가 없다. 또 하나의 상류경계조건인 임진강 초평도(No. 50) 지점의 유량수문곡선은 2011년 임진강하천기본계획보고서(MOLTMA, 2011)를 참고하여 구성하였다. 임진강 계획홍수량의 경우, 한강과 달리 하류로 가면서 유입지천의 홍수량이 더해지는 구조이다. 본 연구에서는 주요 지류(사미천, 문산천 등)의 유량수문곡선을 추정하기 어려워, 한탄강 합류 이후 지점인 비룡대교에서의 유량수문곡선을 첨두유량이 임진강 기점 홍수량인 17,210 m3/s (2024년 수립 중인 임진강하천기본계획의 기점 홍수량)을 갖도록 일정 비율로 확대한 수문곡선을 할당하였다. 이를 Fig. 3에 도시하였다. 전체 모형의 상하류에 할당한 경계조건을 정리하면 Table 2와 같다.
Table 2.
Summary of fully unsteady and semi-unsteady model boundaries
| Model boundaries | Fully unsteady | Semi-unsteady |
|
Upper boundary of the Han River (Paldang Dam; No. 170.183) |
Flow rate hydrograph (MOLIT, 2020) | Design flood value (37,000 m3/s) |
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Upper boundary of the Imjin River (Chopyeongdo; No. 50) |
Flow rate hydrograph (MOLTMA, 2011) | Design flood value (17,210 m3/s) |
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Downstream boundary (Yu-do No. -25) | Design tidal curve at Wolgot-ri station | Design tidal curve at Wolgot-ri station |
| Design tidal curve + 3hr | ||
| Design tidal curve + 6hr | ||
| Design tidal curve + 9hr | ||
| Design tidal curve + 12hr | ||
| Design tidal curve + 15hr | ||
| Design tidal curve + 18hr | ||
| Design tidal curve + 21hr |
유도(No. -25)에서 공릉천 합류부(No. 0)까지의 구간은 앞서 기술하였듯이 남북공동수역이라 정확하면서 최신인 지형자료의 취득이 어려운 실정이다. 과거 해도자료와 위성지도 등을 활용하여 지형자료의 정확도 확보를 도모하였다. 1차원 부정류모형에서 매개변수는 Manning의 조도계수이다. 일반적으로 조도계수가 클수록 홍수위도 커지고, 작을수록 낮아지는 경향이 있다. 해당 구간 내에 수위관측소가 있어 임의의 홍수사상시 수위-유량 관계를 관측했다면 그것으로 보다 정확한 조도계수를 산정할 수 있다. 하지만 한강하구의 경우 그런 자료가 부재하여 정확한 조도계수 값 추정 또한 어려운 실정이다(Park and Baek, 2017). 본 연구에서는 두 가지 경우로 모의를 수행하였는데, 첫 번째는 2020년 한강하천기본계획보고서를 참고하여 조도계수를 구간별로 동일하게 설정하였다. 이 경우 신곡보 하류부터 유도지점(No. -25 ~ No. 21+858)까지 0.02로 할당된다. 두 번째로 2002년 한강하천기본계획을 비롯하여 과거계획들(Seoul Metropolitan Government, 1983, 1992; Gyeonggi Province, 1985; Ministry of Construction, 1988, 1989)에 따르면 전류수위표 하류구간은 0.018로 할당된 바, 전체구간은 한강하천기본계획과 동일하게 두고 유도부터 공릉천 합류점까지 구간(No. -25 ~ No. 0)만 0.018로 변경하여 할당하였다.
2.2 부정류 모의 결과
본 연구에서 구축된 부정류 모형을 활용하여 한강 하류부 홍수위 계산 결과를 정리하면 Tables 3 and 4와 같다. 공릉천 합류부 이하 하류구간(No. -25 ~ No. 0)의 조도계수를 0.02와 0.018의 두 가지로 각각 할당하여 모의하였다. 또한 앞서 기술한 하천설계기준에 따르면 “첨두홍수량 유출시의 조위조건에 따라 홍수위가 달라지며, 이때의 조위조건은 다양하게 주어질 수 있으므로, 이를 감안하여 평균적인 홍수위를 산정한다.”로 되어 있으므로 Fig. 2(b)처럼 설계조위를 3시간마다 위상 차이를 부여한 후 각각 모의하였다. 8가지 위상 차이를 갖는 조위에 따른 홍수위와 그것의 평균값을 Table 3에 정리하였다. 참고로 하류단 기점 수위만 조위로 부여하고, 상류단 유량은 수문곡선이 아닌 부등류 모의와 같은 한 값의 유량을 할당했을 경우의 모의결과도 병기하였다(이를 semi-부정류 모의라 명명).
Table 3.
Calculation results for flood level according to tide curves in Han River Estuary (Manning’s coefficient 0.018)
부정류 모의 결과 기점인 유도(No. -25)에서는 홍수위 최고값이 설계최고조위 EL. 4.627 m로 고정되었으며 이후 조위별 위상차에 따라 수위 차이가 조금씩 발생하였다. 본 연구에서는 No. -7 지점(2024년 수립 중인 임진강하천기본계획의 기점임)의 수위와 2020년 기수립된 한강하천기본계획의 기점이면서 공릉천 합류점인 No. 0의 수위에 주목하였다. 2020년 하천기본계획에 따르면 부등류 모의로 계산된 한강 No. 0의 계획홍수위는 EL. 7.0 m이고, 부정류 모의시 홍수위는 EL. 6.98 m로 둘 값간 차이가 크지 않았다. No. -7지점의 홍수위는 EL. 6.41 m이었다(2020년 한강하천기본계획보고서에는 이 지점의 홍수위는 기재되어 있지 않고, 임진강하천기본계획재수립 전략환경영향평가서(ME, 2024)를 참고하면 이 값은 부정류 모의 결과임).
본 연구의 부정류 모의 결과를 보면 공릉천 합류점 No. 0 지점은 기존 하천기본계획의 계획홍수위 비해 최대 1.54 m (조도계수 0.018, fully unsteady인 경우), 최소 0.47 m (조도계수 0.02, semi-unsteady인 경우) 홍수위가 저감되었다. 임진강 기점 No. -7 지점은 동일한 부정류 모의임에도 불구하고 조도계수를 0.02로 부여하면 1.02 m, 0.018인 경우 1.19 m 차이가 발생하였다. semi-부정류 모의 결과와 비교를 해도 0.27 m 차이를 보였다.
Table 4.
Summary of calculation results for flood level at section number –7 and 0 in the Han River Estuary
조도계수별로 부정류는 8가지 경우를 평균한 수위와 semi-부정류, 그리고 하천기본계획상 계획홍수위를 Fig. 4에 도시하였다. 주목할 점은 Fig. 4에서 보듯이 semi-부정류 모형과 부등류 모형의 결과를 비교하면 한강의 경우 신곡보 하류지점까지만 홍수위 저하가 나타나고 신곡보 상류부터는 두 모형의 결과가 거의 차이가 없었다. 반면 부정류(fully unsteady)모형의 경우는 유도에서 팔당댐까지 전 구간에서 홍수위 저하가 나타났다. 한강 서울시 구간까지 계획홍수위가 상당 수준 저하되는 결과는 그간의 치수대책의 근간을 흔드는 부담으로 다가올 수 있다. 그렇다면 대안으로 조석의 영향이 상대적으로 큰 감조구간인 신곡부 하류구간만 부정류로, 조석의 영향이 적은 신곡보 상류 구간은 부등류로 모의하는 방법을 고려해 볼 수 있을 것이다. 또는 본 연구처럼 하류단 경계만 조위를 부여하고 상류 유량은 한 값만 부여하는 semi-부정류 방법을 생각해 볼 수 있다. 임진강의 부정류 모의 결과는 Fig. 5에 도시하였다. 이 그림에서 보듯이 기점(No. -7)에서 통일대교(No. 37)까지 구간은 홍수위의 차이가 크지만, 그 이후 상류구간은 부정류 모의 조건(fully 또는 semi 부정류) 또는 조도계수가 달라져도 홍수위 차이가 크지 않았다.
한강 하구의 경우 신곡보 하류구간까지는 하천기본계획의 결론과 다르게 한강 홍수량이 37,000 m3/s 정도의 대규모의 홍수사상에도 조위의 영향을 받는 바, 하천설계기준을 준수하여 부정류 모의를 반드시 수행해야 할 것으로 사료된다.
3. 결 론
지금까지 홍수위 계산은 거의 모든 하천에서 부등류 모의를 수행하였다. 하지만 감조구간에서 만큼은 개정된 하천설계기준을 준수하면서 불확실성을 최대한 줄이는 방향으로 홍수위 설계가 이루어져야 할 것이다.
하천설계 및 관리에 근간이 되는 계획홍수위가 변경이 되면 그에 따라 수정되어야 할 것들이 많을 수 있다. 예를 들어 본 연구의 결과처럼 부정류 모의를 수행하면 신곡보 하류부터 한강의 기점 유도까지 구간은 계획홍수위가 기존의 것보다 저하되므로 2020년 한강하천기본계획에서 계획된 이 구간의 대규모 준설사업은 재검토되어야 할 것으로 사료된다. 한강하천기본계획(MOLIT, 2020)에 따르면 치수안전성을 도모한다는 이유로 문발, 구산, 운양, 일산지구 총 4개 지구 16.24 km에 대하여 약 9.5백만 m3 의 하상준설이 계획되어 있다. 또한 한강 하류부의 계획홍수위가 변경되면 그것을 기점으로 산정되는 지류의 계획홍수위도 변경되어야 한다. 대표적으로 임진강과 공릉천을 들 수 있다. 공릉천은 한강의 No. 0 지점의 계획홍수위를 기점으로 삼아 홍수위를 계산하는데, 본 연구에서 보듯이 기존 계획홍수위 EL. 7 m는 부정류 모의에 따라 EL. 5.46 ~ 6.53 m의 범위에서 변경 가능해 보인다. 임진강은 한강의 No. -7 지점을 기점으로 삼아 홍수위를 산정하는데, 한강과 차이 없이 유도를 기점으로 삼아 부정류 모의 결과를 계획홍수위로 활용해도 무리가 없어 보인다.
물론 유도지점의 설계조위, 남북공동관리수역 내 지형자료의 부정확성 등이 본 연구의 홍수위 산정에 오차요인으로 작용할 수 있으리라 판단된다. 따라서 향후 투명한 자료공개와 충분한 논의, 과학적 모델링 과정 등을 통해 보다 객관적이고 과학적인 계획홍수위가 한강하구에 설정될 수 있기를 기대해 본다.
