1. 서 론
2. 연구내용
2.1 연구대상지역 현황
2.2 연구범위 및 내용
3. 연구방법
3.1 2014년 8월 집중호우 현황
3.2 HEC-GeoRAS 모형의 개요
3.2.1 지형형상분석
3.3 홍수범람해석
3.3.1 하천이설에 따른 침수영향분석
3.3.2 2014년 8월 호우에 의한 침수영향분석
3.3.3 빈도별 홍수범람구역 변화분석
3.4 홍수범람특성 비교분석
4. 결 론
1. 서 론
우리나라는 2000년대 이후부터 이상기후로 인한 돌발성 집중호우가 지속적으로 증가하고 있는 실정이며, 이로 인한 침수피해 또한 증가하고 있다. 최근 산업단지개발 및 택지개발사업과 같은 대규모 개발사업이 빈번히 시행되고 있으며, 이러한 개발사업이 시행되면서 주변의 지형을 변화시켜 개발사업 지역이 아닌 인근 지역에 대규모 침수피해를 유발시키고 있는 사례가 자주 발생되고 있다. 개발사업을 시행하기 위해서는 개발사업지역 뿐만 아니라 인접지역에 대한 재해영향여부가 고려되어야 하는데, 단순히 홍수량의 변화만을 고려하여 재해영향여부를 판단하고 있는 실정이다. 개발사업으로 인한 지형변화는 주변지역의 재해발생여부에 큰 영향을 미치게 되며, 특히 하천 하구부 이설이나 농경지 유역의 하천에 대한 대규모 개발사업은 유역의 수리․수문학적 변화가 크기 때문에 개발사업계획시나 재해영향평가시 이에 대한 면밀한 검토가 필요하다.
계획홍수량 이상의 홍수가 발생할 경우, 침수지역 예측을 통한 홍수범람지역 분석을 위해서는 하천의 횡단면보다 넓은 구역의 횡단자료가 필요하게 된다. HEC-GeoRAS (Hydrologic Engineering Center - Geographical River Analysis Model)를 이용하는 경우, 수치지형도와 하도횡단측량자료를 병합하여 ‘횡단접합자료’를 구축할 수 있으며, 이는 홍수범람면적과 침수심 등에 대한 변화분석에 효과적으로 적용할 수 있다(Hong and Shin, 2009). Park et al. (2011)은 HEC-GeoRAS 모형을 이용하여 구축된 Geometry자료로서 침수심 등에 대한 모의를 수행한 바 있으며, Kim et al. (2012)은 섬강유역의 국토지리정보원의 DEM (Digital Element Model)과 하천지형보완을 수행한 DEM자료에 따른 홍수범람 성과에 대한 비교분석을 통해, RS/GIS를 이용한 수리분석시 지형자료의 활용성을 검토하였다. 그리고 Lee et al. (2012)은 DEM인 ASTER와 SRTM을 이용하여 하천지형을 구축하고 HEC- RAS 및 HEC-GeoRAS 모형을 이용한 빈도별 홍수심 및 홍수면적의 변화를 비교분석하였으며, Moon et al. (2014)은 소하천인 검정천 유역에 대해 HEC-GeoRAS, RAS Mapper, RiverCAD 모형 등을 적용하여 빈도별 범람해석을 비교한 결과, HEC-GeoRAS 모형이 실측된 침수심과 침수범람면적의 모의에 가장 적절한 것으로 평가하였다.
본 연구대상지역인 효암천 하구부는 부산과 울산의 경계에 위치하고 있으며, 고리원전 부지조성을 위해 하구부에 대한 유로이설과 주변지역 약 2.5 km2에 대해 약 10 m 높이로 대규모 성토가 이루어졌다. 이설된 구간은 하천개수와 직강화를 통해 홍수소통능력이 증가된 것처럼 보이지만, 기존 하천의 하구부가 가지고 있었던 저류기능이 없어졌다. 특히, 하상의 최심하상고 등이 높게 조성되어 구조적으로 홍수소통능력이 불리할 뿐만 아니라, 하천의 유효하폭 및 통수능의 감소로 인해 오히려 홍수시 상류지역에 대한 침수발생 가능성이 증대된 것으로 나타났다. 그리고 하천이설과 개수공사가 이루어진 구간을 제외한 효암천 상류구간은 하천개수공사가 전혀 이루어지지 않은 상태이며, 유역의 약 60%가 농경지, 주거지 및 상업지 등 지형변화가 작은 평지로 구성되어 있다. 2014년 8월 집중호우로 인해 효암천 중․상류부 농경지와 도심지역에 대규모 침수가 발생하였으며, 침수피해 발생원인이 하천이설과 주변지역개발에 있는지, 또는 단순히 설계강우 이상의 집중호우에 있는지를 구명하는 것이 추후 효암천 유역의 적절한 관리를 위해 반드시 필요한 상태이다. 연구대상지역은 하구부의 하천이설과 대규모 성토를 통해 개발된 지역에 위치한 하천은 하천개수공사가 시행되었고, 대규모 침수피해는 개발행위와 전혀 상관이 없는 상류지역의 농경지나 시가지에서 발생하였다. 따라서 기존의 하천수계에 대한 홍수분석만으로는 홍수범람과 그에 따른 침수면적과 침수심 등을 재현할 수 없다. 본 연구에서는 하천횡단 측량자료와 수치지형도를 이용하여 횡단접합자료의 구축이 용이하고, 빈도별 범람해석과 그에 따른 침수면적과 침수심의 변화를 해석할 수 있는 HEC-GeoRAS 모형을 이용하여 효암천 유역의 침수피해원인을 분석하였으며, 앞으로의 방지대책을 검토하였다.
2. 연구내용
2.1 연구대상지역 현황
본 연구대상지역은 울산광역시 울주군 서생면 명산리에 위치한 효암천 유역이며(Fig. 1), 대부분 농경지와 산지로 구성되어있다. 효암천은 지방 2급 하천으로서 유역면적이 25.71 km2, 하천연장 7.96 km이고, Table 1에 나타낸 바와 같이 지천인 위양천과 화천천으로 구성되어 있다. 하천정비기본계획은 기 수립되었으나 효암천 본류 하류부의 개발을 위해 실시한 하천이설을 제외하고는 하천개수공사가 이루어지지 않은 상태이다.
하천이설은 Fig. 2와 같이 이루어 졌으며, 새로이 개설된 하도의 횡단면은 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 주변지역이 약 10 m 높이로 성토되었다. 새로 개설된 하도의 문제점은 하천의 총 하폭은 45 m로서 기존 하폭보다 증가되었으나, 유효하폭은 25 m로 오히려 감소되어 홍수시 상류구간에 대한 수위상승 등 침수피해가 증가될 수 있을 것으로 보인다.
2.2 연구범위 및 내용
본 연구의 공간적 범위는 Table 1에 나타낸 바와 같이 효암천 전 유역을 대상으로 하였으며, 사례는 하천이설 및 개발에 따라 대상지역에 대규모 침수피해를 발생시켰던 2014년 8월에 발생한 국지성 집중호우로 정하였다. 지속시간 1시간 및 2시간 강우량은 각 121.0 mm 및 142.4 mm 로서 기존 효암천정비기본계획상 100년빈도 확률강우량을 상회한다. 그리고 효암천 상류는 하천개수공사가 이루어지지 않은 상태이므로 각 설계빈도별 확률강우량도 병행해서 분석하였다. HEC- GeoRAS 모형을 이용하여 각 빈도별 홍수량 및 2014년 8월 집중호우에 대해 하천이설과 대규모 개발 전․후의 지형변화로 인한 침수구역과 침수심의 변화를 분석하였다. 이를 위해 효암천 본류 및 지천인 화양천과 화산천에 대한 하천측량을 실시하였고, 2014년 8월 집중호우시 발생하였던 침수현황에 대해 조사․분석하였다. 조사된 침수지역 현황은 약 60 ha이며, Fig. 4와 같다.
3. 연구방법
3.1 2014년 8월 집중호우 현황
2014년 8월 25일 발생하였던 효암천 유역의 침수피해를 분석하기 위해 대상지역에 인접한 강우관측소의 강우량 자료를 수집하였으며, 관측소 현황은 Fig. 5와 같다. 2014년 8월 25일 발생하였던 집중호우에 대한 각 관측소별 1시간 최대우량은 명곡 58.0 mm, 간절곶 119.5 mm, 기장 114.5 mm 그리고 고리 121.0 mm였으며, 당일 관측소별 강우발생현황은 Fig. 6과 같다. 내륙에 위치한 명곡관측소의 강우사상은 해안가의 간절곶, 기장 및 고리관측소 등 3곳과 상이하게 나타났으며, 이는 강우사상이 해안가를 이동하면서 발생한 국지성 집중호우임을 의미한다. 대상지역에 인접한 하천과 우량관측소에 대한 강우자료를 빈도분석한 확률강우량은 Table 2와 같으며, 2014년 8월 25일의 1시간 강우량은 약 100년빈도를 상회하고 2시간 강우량은 100년빈도에 미치지 못하는 것으로 나타났다. 하지만 대상지역인 효암천 유역의 도달시간에 해당되는 1시간 및 2시간 강우량 모두 100년빈도를 상회하는 것으로 나타났다.
3.2 HEC-GeoRAS 모형의 개요
HEC-GeoRAS 모형은 GIS (Geographic Information System) 분석모델인 Arcview의 개발사 ESRI (Environmental Systems Research Institute)와 미공병단이 협력하여 개발한 모델이다. HEC-GeoRAS 모델은 HEC-RAS 모델의 횡단면도 및 특성자료를 입력 매개변수로 하여 Arcview 모델에서 구축된 지형자료에 홍수범람구역을 중첩하여 홍수범람구역의 가시화효과를 극대화 시킨다(Hong et al., 2009). Fig. 7과 같이 Arcview에서 가시화된 지형자료를 이용하여 Fig. 8과 같은 HEC-RAS 모형을 3차원적으로 가시화하면, Fig. 9와 같이 HEC-RAS의 횡단면의 특성자료를 Arcview 지형자료에 구축하여 홍수범람구역을 가시화 할 수 있다.
3.2.1 지형형상분석
본 연구대상지역의 하천은 대부분 미개수하천이며, 개수하천에 비해 하폭이 좁고 하도가 미정비되어 있어 집중호우 시 침수위험성이 높은 지역이다. 그러나 하천주변으로 농경지가 형성되어 있어 대규모 집중호우 시 농경지에 빗물이 저류되어 침수피해를 저감시킨다. 전술한 HEC-GeoRAS 모형을 적용시키기 위해 연구대상지역의 개발사업 전․후 지형형상은 1:5000의 2D 및 3D 수치지형도를 이용하여 Arcview 모델로 가시화하였다. 수치지형도의 축척에 따른 개발사업 전․ 후 지형형상은 Figs. 10 and 11과 같다. 그림에서 보는바와 같이 하천주변 저지대는 모두 농경지로 이용되고 있었으나, 개발사업을 시행하면서 모두 성토하여 기존 저지대는 모두 없어진 것을 알 수 있다. 개발로 인해 하천이설과 부지조성이 이루어진 총 면적은 2.5 km2이다.
3.3 홍수범람해석
3.3.1 하천이설에 따른 침수영향분석
유출해석에 필요한 경계조건인 조도계수 및 기점홍수위는 효암천 하천정비기본계획(Ulsan Metropolitan City, 2001)에서 사용하였던 개발 전․후의 조도계수 0.035와 기점홍수위 1.25 m를 적용하였으며, 조위에 따른 배수영향을 고려할 수 있도록 홍수위산정은 부등류 계산법으로 분석하였다. 하천공사로 인한 수위증가 및 침수가 가중된 면적은 Table 3과 Fig. 12와 같다. 유효단면의 축소와 저류지효과의 감소 등으로 인한 수위상승효과는 0.34~0.99 m로 나타났으며, 이는 하도특성 및 지형특성으로 인해 상류지역에 미치는 배수효과가 한정적인 것을 의미한다.
3.3.2 2014년 8월 호우에 의한 침수영향분석
HEC-GeoRAS 모형을 이용하여 2014년 8월 집중호우 시 대상지역에 대한 침수구역에 대한 분석 결과는 Fig. 13과 같으며, 이는 실제 침수피해가 발생하였던 지역에 대한 조사결과인 Fig. 4와 대동소이한 것으로 나타났다. 이는 본 모형이 효암천 유역의 홍수범람특성 모의에 적용성이 높은 것을 의미한다. 그리고 2014년 8월 집중호우에 의한 침수발생 시, 하천이설과 하천개수공사로 인해 침수구역과 규모가 가중된 것으로 나타났다.
3.3.3 빈도별 홍수범람구역 변화분석
1:5000 수치지형도를 이용하여 연구대상지역의 지형형상과 HEC-GeoRAS 횡단면도 및 매개변수를 적용하여 하류부 하천이설과 부지조성 등 개발사업 전․후에 대한 침수해석을 하였다. 계획빈도 20, 50, 80, 100년의 확률강우량과 2014년 8월의 집중호우에 대한 홍수범람해석을 실시하였으며, 빈도 20년 및 100년과 2014년 8월 집중호우에 대한 홍수범람결과를 비교하였다. 홍수범람구역에 대한 모의결과는 Figs. 14~16에 나타내었다.
Fig. 14는 빈도 20년의 확률강우량에 대한 개발사업 전․후의 홍수범람구역에 대한 모의결과이다. 그림에서 나타난 바와 같이, 개발사업 전에는 하류부 농경지 등 저지대의 유수지 효과로 상류 시가지 등이 침수는 발생하였으나 대부분 침수심이 약 1.0 m 이하이다. 반면에 개발사업 후에는 침수구역에는 큰 변화가 없으나, 침수심이 2.0 m 이상 되는 곳이 크게 증가하는 것으로 나타났다.
Fig. 15는 빈도 100년의 확률강우량에 대한 개발사업 전․ 후의 홍수범람구역에 대한 모의결과이다. 개발사업 전에는 하류부 저지대의 유수지 효과로 상류 시가지 등의 침수구역은 20년빈도시와 비교할 때 크게 증가하지는 않았으나, 침수심은 2.0 m를 넘는 구역이 증가되는 것으로 나타났다. 개발사업 후에는 침수구역의 증가와 더불어 침수심이 2.0 m 이상 되는 곳이 크게 증가되는 것으로 나타났다.
Fig. 16은 2014년 8월 홍수시의 개발사업 전․후에 발생하였던 홍수범람구역에 대한 모의결과이다. 2014년 8월의 홍수는 100년빈도를 상회하는 홍수이며, 개발사업 전에는 저지대의 유수지 효과가 있어도 상류지역에 침수심이 2.0 m를 넘는 구역이 많이 나타났다. 개발사업 후에는 상류 대부분의 침수구역이 침수심이 2.0 m 이상이며 3~4.0 m 이상되는 지역이 크게 증가하는 것으로 나타났다.
3.4 홍수범람특성 비교분석
대상지역의 개발전․후의 지형변화와 하천측량성과 및 주변지형의 수치지도를 이용하여 HEC-GeoRAS 모형으로 20년 및 100년빈도 홍수량과 2014년 8월 실측홍수량에 대한 침수심과 침수심별 면적변화 등을 정량적으로 비교분석하였으며, Table 4 및 Fig. 17에 나타내었다. Fig. 17에 나타낸 바와 같이 20년빈도와 100년빈도의 침수심별 침수면적을 비교해보면, 100년빈도의 침수심이 20년빈도의 침수심에 비해 전체적으로 그래프가 우측으로 이동한 것으로 나타났다. 이는 빈도가 증가함에 따라 침수심이 전체적으로 증가하고 있다는 것을 나타낸다. 누적면적에서도 빈도가 증가함에 따라 침수면적이 증가하는 것으로 나타났다. 개발 후에도 개발전과 마찬가지로 그래프가 전체적으로 우측으로 이동하는 것으로 나타났다.
Table 4와 Fig. 17에 나타낸 바와 같이 개발사업전에 대해 20년빈도와 100년빈도의 홍수범람특성을 비교해 보면, 100년빈도의 침수심과 침수면적이 20년빈도에 비해 증가하며 누적면적에서도 빈도가 증가함에 따라 침수면적이 증가하는 것으로 나타났다. 특히 20년빈도에서는 침수심 0.5~1.0 m사이의 침수면적의 감소가 가장 크게 나타났으나, 100년빈도에서는 침수심 1.0~1.5 m 침수면적의 감소가 가장 크게 나타났으며, 침수심의 깊이가 큰 침수면적이 증가하는 것으로 나타났다. 개발사업후에는 농경지 등 저지대의 감소와 유수지 효과의 상실로 인한 배수효과로 빈도 20년과 100년 모두 침수심 1.0 m 이하 지역의 침수면적이 크게 축소되었으나, 100년빈도에서 침수심 2.0~3.0 m와 4.5m 이상은 침수면적이 증가하는 것으로 나타났다. 또한 전체적인 침수면적은 개발 후 감소하였으나, 침수심 2.0 m 이상의 면적은 더 증가하는 것으로 나타났다. 이는 기존의 농경지 등 저지대가 개발로 인해 매립되어 침수심이 낮은 지역의 면적이 크게 축소된 점과 침수심이 클때의 침수면적증가는 침수가 발생하지 않았던 고지대가 추가로 침수현상이 발생되는 대상지역의 지형적 특성에 기인한다. 2014년 8월 집중호우시의 홍수범람도 100년빈도 홍수에 의한 침수심과 침수면적에 비해 규모가 증가하였으나 그 변화 특성은 유사하게 나타났다.
결론적으로, 효암천 하구부의 하천이설과 대규모 부지조성 및 하천개수공사는 유수지 역할을 하였던 기존의 농경지 등 저지대의 침수피해는 경감시켰으나, 상류지역의 시가지나 농경지 등에 대한 침수피해 가능성 및 규모를 증대시킨 것으로 나타났다.
4. 결 론
HEC-GeoRAS 모형을 이용하여 효암천 하구부의 하천이설과 대규모 성토에 따른 하천 상류부의 홍수발생원인과 침수심의 변화를 분석하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
1)HEC-GeoRAS 모형은 하천유역이 농경지 등 지형변화 및 표고차가 작은 지역에 대해서도 홍수시 침수심과 침수면적 변화 등을 비교적 정확하게 산정할 수 있는 것으로 나타났으며, 2014년 8월 홍수시 조사된 침수심과 침수면적을 분석․비교하였고 적용성이 높은 것으로 확인되었다.
2)침수심은 개발사업의 영향으로 2014년 8월 집중호우시 0.99 m가 상승하였고, 100년빈도 홍수시에는 0.39 m가 상승하는 것으로 나타났다. 침수면적은 100년빈도 홍수시 침수심 1.5 m에서는 감소하였으나, 1.5~4.5 m는 큰 변화가 없었고 4.5 m 이상에서는 오히려 증가하는 것으로 나타났다.
3)개발사업으로 인해 기존의 농경지와 저지대가 가지고 있었던 자연저유기능이 상실된 것이 2014년 8월 집중호우시 대규모 홍수피해의 주된 원인인 것으로 나타났으며, 하천이설 후 신설된 하천단면의 총 하폭은 증가하였으나 표고차와 법면의 경사 등에 의해 실질적인 유효하폭이 축소되어 통수단면적과 통수능이 감소된 것이 침수피해를 가중시킨 것으로 나타났다.
4)연구대상지역의 홍수에 대한 효율적 관리를 위해서는 100년빈도 설계 홍수량을 충분히 소통시킬 수 있도록 약 15 m정도 유효하폭의 확대와 상류지역 하천에 대한 하천개수공사가 필요한 것으로 판단된다.
5)하천이설과 주변지역에 대한 성토 등 부지조성에 따른 하천개수계획이나 하천정비공사 시에는 기존의 저류지 기능과 실질적인 유효하폭의 확보를 통한 통수단면적이 설계홍수량을 소통시킬 수 있도록 해야 한다.
6)연구대상지역과 같이 대규모의 하천이설을 통한 개발사업의 사례는 많지 않으므로, 본 연구성과를 참고하여 기존의 하천개수계획상의 홍수량 산정방법과 하천정비공사 방법 등에 대한 추가 검토가 필요하다.
