1. 서 론
2. 연구 방법 및 대상유역
2.1 연구 방법
2.2 대상 유역
3. 모형구축 및 검정
3.1 유출모형
3.2 하도모형
4. 결과 및 분석
4.1 시나리오 적용
4.2 외수침수 수방재 성능 평가
5. 결 론
1. 서 론
우리나라는 ‘2023년 이상기후 보고서’(KMA, 2024)에 따르면 장마철 집중호우로 인해 전국 660.2 mm 로 평년 356.7 mm 대비 증가하였으며, 전국적인 기상관측망이 갖춰진 1973년 이래 3위를 기록하였고, 장마철 강수 일은 22.1일로, 평년 17.3일 대비 28% 증가하였다. 이렇듯 최근 기후위기 문제가 대두되면서 집중호우, 국지성 호우, 그리고 태풍 등의 기상 현상이 과거보다 빈번하게 발생하고 있으며, 유역의 개황 또한, 도시화로 인해 도로, 건물 등 불투수 표면이 늘어나 빗물이 지표면에 침투하지 못하고 하천으로 직접 유입되는 양이 증가하였다. 이러한 현상은 하천 유역에서 발생하는 유출량의 증가와 홍수의 빈도를 증가시키는 주요 원인으로 작용한다. 이러한 기상 이변과 도시화로 인한 홍수는 우리나라에 많은 재산피해와 인명피해를 일으키고 있으며, 이에 따라 홍수 방재를 위해 하천 유역에서 발생할 수 있는 홍수를 예측하고, 이에 대한 대비책을 마련하기 위한 종합적인 계획인 하천기본계획의 정밀한 수립과 하천설계의 중요성이 더욱 부각되고 있다.
최근 우리나라는 내수 방재에대한 목적으로 자연재해대책법 제 16조 4에 따라 방재성능목표를 달성하기 위해 방재성능목표강우량을 설정하여 실시하고 있다. ‘지역별 방재성능목표 설정 기준’(MOIS, 2022)에 따르면 방재성능목표강우량이란 확률강우량 산정에 있어 기후변화 시나리오를 활용하여 전국 238개 지역의 할증률(미래 강우증가율)을 기본 0%, 관심 5%, 주의 8%, 경계 12%, 심각 15%로 나누어 적용하여 적용하는 방법이다. 하지만 외수에대한 방재를 목적으로는 과거와 같은 방법으로, 확률강우량을 산정한 뒤 수문분석을 통해 지점별 홍수량을 예측하는 방식으로 이루어진다. 수문분석은 특정 유역에서 발생하는 유출량을 분석하는 과정이며, 이를 바탕으로 각 지점에서의 홍수량을 산정하고, 수위분석을 통해 각 하천의 특정 지점에서 예상되는 홍수 수위를 계산하게 된다. 이때, 수위분석에서 중요한 기준이 되는 요소가 바로 기점수위이다. 기점수위는 하천 수위 분석에서 기준이 되는 지점의 수위를 의미하며, 보통 약최고고조위(일정 기간 동안의 최고 해수면 고조 수위)를 기준으로 산정된다. 연안도시 지역에서는 바다와 맞닿은 하천의 특성상 조위가 하천 수위에 직접적인 영향을 미친다. 조위는 태풍과 같은 극한 기상 현상에 따라 급격히 상승할 수 있으며, 이는 하천 수위에도 직접적으로 영향을 미친다. 실제로 과거에 우리나라를 강타했던 루사(2022), 매미(2003), 힌남노(2022)와 같은 태풍은 평소보다 훨씬 높은 고극조위를 초래해, 연안 도시 지역에서 심각한 홍수 피해를 야기한 사례가 있다.
기점 수위의 영향이 하천에 미치는 영향을 파악하기 위해 기존연구를 살펴보면 Kim et al. (2003)은 한강 및 임진강에서 서해안의 조위가 평상시 및 홍수시의 흐름에 미치는 영향을 수리학적 모형을 이용하여 분석하여 하천 홍수량(CMS)에 따라 하천수위가 최대 3.5 m 까지 상승하는 것을 확인 하였으며, Lee et al. (2012)은 온천천이 조석 현상에 의해 어떤 흐름의 변화가 발생하는지를 Delft3D를 이용하여 분석한 결과, 하류 경계조건에 조석 영향을 고려하였을 경우 하천의 일정 범위까지 수위가 조석의 주기성을 나타내었고, 하천 상류 방향으로 수위 변동 범위가 확대됨을 확인하였다. Park et al. (2020)은 기후변화로 인해 해수면 상승을 고려한 연안도시 침수 위험성을 평가하여 해수면 상승을 고려한 방재성능목표 설정방안을 제시하였으며, Kim et al. (2024)은 은 강우와 조위의 상호작용을 고려할 수 있는 머신러닝 기반의 복합홍수위 산정 모형을 개발하여 대표적 감조하천 유역인 태화강 유역의 계획홍수위의 적절성을 평가한 결과, 개발한 모형을 통해 산정된 복합홍수위는 6.15 m로 기존에 수립된 태화강의 계획홍수위(5.79 m)보다 높게 나타남을 확인하였다. 이처럼 연안 지역의 하천은 조위와 해수면 상승의 영향을 크게 받기 때문에, 기존의 하천기본계획에서 사용되는 약최고고조위만을 기준으로 홍수 위험을 예측하는 것은 불충분할 수 있다. 따라서 연안도시 하천의 경우, 조위 변동을 더욱 정밀하게 반영한 수문분석과 수위분석이 필요하다. 단순히 약최고고조위뿐만 아니라, 극한 기상 현상에 의해 발생할 수 있는 고극조위까지 고려한 분석이 이루어져야 한다.
이에 본 연구에서는 기점수위의 기준을 약최고고조위에서 기왕 고극조위까지 구간을 나누어 홍수위를 검토하여 연안도시지역의 수방재 성능을 평가 하고자 한다. 연구결과 도출을 위해 연안도시의 특성을 가지고있는 창원을 대상지로 설정하여 창원천 유역에 대해 HEC-HMS를 이용한 수문분석 및 HEC-RAC를 이용한 수리분석을 기점수위 구간별로 실시하고 외수침수에 대한 수방재 성능을 평가하기 위한 연구를 수행하였다.
2. 연구 방법 및 대상유역
2.1 연구 방법
본 연구는 연안도시 유역의 외수침수 분석 및 수방재 성능 평가를 목표로 하고 있으며, 이를 위해 연구 대상지는 연안도시 유역의 특성을 반영할 수 있는 지역으로 선정하여 다음과 같은 절차를 수행하였다.
첫째, 수문분석을 위해 다양한 강우-유출 모델을 포함하여 단위유출곡선법, SCS 곡선법 등여러 방법을 사용할 수 있고, 소규모 유역부터 대규모 유역까지 다양한 규모의 유역에 적용할 수 있으며, 도시 및 농촌 지역, 자연 및 인공 유역 등 다양한 지리적 환경에서도 활용 가능한 HEC-HMS (Hydrologic Engineering Center-Hydrologic Modeling System) 모형을 선정하였다. HEC-HMS는 미 공병단 수학센터에서 개발된 모형으로, 강우-유출 과정을 수리 및 수문학적으로 모의하여 유역의 유출량을 산정한다. 이 모형은 다양한 유역에 적용 가능하며, 홍수 수문, 물 공급, 농촌 및 도시 유역의 유출 모의가 가능하다. HEC-HMS는 크게 유역 모델, 기상 모델, 제어 사양으로 구성된다. 유역 모델은 물리적 특성을 정의하고 물의 이동을 모형화하며, 소유역, 하도 구간, 저류지, 저수지 등으로 구성된다. 기상 모델은 시뮬레이션을 위한 기상 조건을 구성하고, 제어 사양은 시뮬레이션의 시간적 설정을 담당한다. HEC- HMS는 다양한 수문학적 과정을 모의할 수 있어 복잡한 유역의 분석에 유용하다. 또한, GIS와의 연계를 통해 지형 특성을 반영한 정밀한 유출 분석이 가능한 모형이다. 모형의 구축을 위해 대상유역을 소유역으로 분할하고, 지리정보 시스템(Geographic Information System, GIS)을 이용하여 대상지 유역의 지형적, 지리적 특성을 분석하여 유역의 경계 및 지형 기복, 유로망 등을 파악하여 유역의 물리적 특성을 도출하였다. 대상지의 강우 특성을 분석하기 위해 기상청에서 제공하는 강우 데이터를 수집하여 통계 분석을 실시하였다. 유역의 물리적 특성과 강우 특성을 바탕으로 HEC-HMS 모형을 구축하고, 기수립된 하천기본계획서의 강우-유출 자료를 통해 모형 검·보정을 수행하였다. 이를 통해 유역 내의 강우-유출 관계를 모의하고, 유출량을 산정하였다.
둘째, 수리분석을 위해 복잡한 하천 단면과 지형 데이터를 처리할 수 있으며, 조위 및 조석의 영향 분석 가능하고, 유역 내 홍수 범람 및 유출을 보다 정확하게 모의하여 특정 지역의 홍수 위험성을 평가하고, 이를 기반으로 효과적인 방재 대책을 수립할 수 있는 HEC-RAS (Hydrologic Engineering Center-River Analysis System) 모형을 선정하였다. HEC-RAS는 미 공병단 수학센터에서 개발한 모형으로, 정상류 및 비정상류 해석, 유사량 계산, 교량 세굴 분석 등을 수행할 수 있다. 이 모형은 수공 구조물이 수면곡선에 미치는 영향을 반영하여 홍수터 잠식과 제방 영향을 분석하는 데 널리 사용된다. 본 연구에서는 외수 조위가 하천 홍수위에 미치는 영향을 분석하기 위해 정상류 해석을 실시하였다. 정상류 수면곡선 계산은 에너지 방정식을 기반으로 한 표준 축차법을 사용한다. 이는 지배 단면에서 다음 단면까지의 수면 표고를 에너지 관계를 고려해 반복적으로 계산하여 수면 곡선을 연결하는 방식이다.모형 구축을 위해 하도 분석을 통해 유역 내 주요 하천의 단면도 및 조도계수를 입력하고, 하천의 흐름 특성을 모의하였다. 또한, 조위 특성 분석을 위해 조위 데이터를 수집하여 분석하였으며, 이를 통해 약최고고조위(A.H.H.W)와 고극조위(O.H.H.W) 자료를 바탕으로 기점수위를 산정하여 HEC-RAS모형을 구축하였다.
마지막으로, 수리분석 결과를 바탕으로 구축된 모형의 기점수위를 조위 분석에서 도출된 조위를 기반으로 단계별 표고를 설정하고, 각 기점수위에 대한 홍수위 시뮬레이션을 실시하여 각 Case별 100년빈도 홍수위 결과를 기수립 창원천 하천기본계획 보고서(MOLIT, 1995)의 빈도별 홍수위와 비교·분석하여 대상지의 외수침수 위험성을 파악하고, 수방재 성능을 평가하였다.
2.2 대상 유역
연구대상 유역(Fig. 1)은 경상남도 창원시에 위치하여 창원 도심지를 지나며, 하구가 마산만과 접한 연안 도시 특성을 지닌 창원천 유역이다. 창원천은 창원시 의창구 용동의 비음산에서 발원하여 마산만으로 유입되는 하천으로, 봉림천, 하남천, 내동천을 지류로 포함한다. 유로 연장은 약 7.63 km, 유역면적은 43.329 km2이다.
3. 모형구축 및 검정
본 장에서는 수문분석, 수리분석에 대한 내용을 기술하였다. 1) 유역분석과 강우분석을 통해 HEC-HMS를 이용한 수문분석에 관련하여 작성하였으며 2) 하도분석과 조위분석을 통해 기점수위를 구간별로 나누어 HEC-RAS를 이용한 빈도별 홍수위를 산정하는 수리분석에 대해 기술하였다.
3.1 유출모형
3.1.1 유역분석
유역 내에는 토지의 이용이 다르고, 같은 용도의 토지에도 토양의 특성이 각각 다르다. 따라서 유역마다 유하시간과 도달시간이 각각 다르고, 이는 유출량 분석에 큰 영향을 미친다. 본 연구대상 유역의 특성을 파악하기 위해 ‘홍수량 산정 표준지침’(ME, 2019)에 제시된 기준을 적용하여 NRCS방법을 통해 유출곡선지수(CN)를 산정하기 위해 24개의 소유역으로 구분(Fig. 2(a))하여 연구를 진행하였으며 경사도(Fig. 2(b)), 토지이용도(Fig. 2(c)), 토양도(Fig. 2(d))를 이용하여 산정하였다. 도달시간과 저류상수는 서경대 공식을 적용하여 산정하였다. 위와 같은 방법을 통해 소유역별 특성을 분석하여 Table 1에 도시하였다.
Table 1.
Summary of sub-basin characteristics
Table 2.
Probability rainfall
3.1.2 강우분석
강우-유출모형을 통한 홍수량 산정을 위해 대상지역의 강우자료 분석이 필요하다. 본 연구에서는 ‘홍수량 산정 표준지침’(ME, 2019)에서 제시한 전대수다항식을 통해 강우강도식을 유도하고 빈도별 확률강우량을 산정하여 Table 2에 도시하였다.
3.1.3 지점별 홍수량 산정
HEC-HMS (Hydrologic Engineering Center-Hydrologic Modeling System) 모형 구축을 위해 유역분석에서 산정된 유역 특성과 강우분석에서 도출된 확률강우량을 Huff 분포를 이용해 시간분포시켜 모형을 구성하였다. 또한, 기수립 창원천 하천기본계획 보고서(MOLIT, 1995)와 특정하천유역(창원천) 치수계획 수립 보고서(ME, 2021)의 강우-유출 자료를 바탕으로 모형의 검·보정을 수행하였다. 이를 통해 하천기본계획서 상의 전체 측선에 대하여 강우-유출 관계를 모의하여 홍수량을 비교하였으며, 그중 중요 홍수량 산정지점을 선정하여 Table 3에 도시하였다.
Table 3.
Estimated flood discharge at designated stream locations
3.2 하도모형
3.2.1 하도분석
정확한 홍수위 산정을 위해, 창원천의 하천 종점부터 발원지까지 100m 간격으로 구분하고, 중요 지점을 선정하여 총 95개의 지점(No. 0.00~No. 76.25)을 선택하여 각 지점에 대해 하천 횡단 단면자료를 적용하였다. 조도계수 설정을 위해 기수립 창원천 하천기본계획 보고서(MOLIT, 1995)와 창원천·남천 생태하천 복원사업 실시 설계 보고서(Changwon Government, 2007)에 조사된 하도의 조도계수를 적용하였다. 하구에서부터 6.65 km 구간(No. 0.00~No. 66.54)에는 조도계수 0.030을, 이후 구간(No. 66.54~No. 76.25)에는 0.035의 조도계수를 적용하였다.
3.2.2 조위분석
하천의 홍수위 계산을 위한 시점의 수위를 기점홍수위라고 하며, 특히 하구가 해안과 접한 연안 도시 유역에서는 조위 영향을 고려하여 기점홍수위를 결정해야 한다. 이를 위해 다양한 조건에서 기점수위를 산정하였다. 창원천 홍수량을 기준으로 등류계산에 의한 기점홍수위(EL. 3.66 m), 기수립 남천 하천기본계획 보고서(MOLIT, 1993)에서 산정된 계획홍수위(EL. 3.76 m), 마산 조위관측소(Table 4, Fig. 3)의 2024년 기준 약최고고조위(DL. 1.968 m)에 해일피해 예측 보고서(MLTM, 2010)에서 제시한 폭풍해일고(1.96 m) 및 해수면 상승고(0.119 m)를 반영한 기점홍수위(EL. 4.03 m), 그리고 2003년 태풍 “매미” 당시 최대 고극조위(DL. 4.07 m)를 적용한 기점홍수위(EL. 4.05 m)가 조사되어 Table 5에 도시하였다.
Table 4.
Tide table
Table 5.
Maximum observed tidal level at Masan tide gauge station
3.2.3 빈도별 홍수위 산정
HEC-RAS (Hydrologic Engineering Center-River Analysis System) 모형 구축을 위해 하도분석에서 산정된 하천횡단면 자료와 조도계수, 조위분석에서 도출된 기점홍수위를 적용하여 모형을 구성하였다. 기점수위별 홍수위 결과를 기수립 창원천 하천기본계획 보고서(MOLIT, 1995)와 비교·분석을 통해 외수침수 수방재 성능을 평가하기 위해 기수립 하천기본계획 보고서에서 적용한 기점홍수위(EL. 3.76 m)를 적용한 빈도별 홍수위를 산정하여 지점별 홍수위와 좌, 우측 기설 제방고를 Fig. 4 에 종단면으로 작도하였다. Fig. 4의 빨간색 화살표로 표시한 지점은 Fig. 1에 도시된 빨간색 지점과 같은 하천 합류부로, 유역의 중요 홍수량 산정부분과 일치한다.
4. 결과 및 분석
4.1 시나리오 적용
기수립 창원천 하천기본계획 보고서(MOLIT, 1995)의 빈도별 홍수위와 비교를 위해 기수립 기점홍수위(EL. 3.76 m)에서 마산 조위관측소의 관측 최대 고극조위(DL. 4.07 m)를 적용한 기점홍수위(EL. 4.05 m) 까지의 자료를 바탕으로 7개의 Case (H1~H7)로 구분하였고, 기수립 창원천 하천기본계획 보고서(MOLIT, 1995)의 빈도별 홍수위는 50년 빈도에서 200년 빈도까지 12개의 Case (F1~F12)로 구분(Table 6)하여 총 84개 시나리오의 수리분석을 실시 하였다.
Table 6.
Simulation conditions
4.2 외수침수 수방재 성능 평가
기수립된 기점홍수위 Case H1을 제외한 각 기점홍수위 Case (H2~H7)별 F6 홍수위 자료를 H1의 빈도별 Case (F1~ F12) 홍수위 결과와 비교하였다. 그 결과, 기점홍수위 상승에 따른 하천 홍수위 상승의 영향은 Fig. 5의 파란색 화살표로 표시한 하구에서 3.5 km 떨어진 ‘유목교’까지 미치는 것으로 나타났으며, H2~H7의 F6 Case별 홍수위와 H1 F6, 9, 10, 11, 12 Case의 차이를 Fig. 5에 도시하였다.
또한, 연안도시 지역에서 기점 홍수위를 상승시켰을 때 외수 침수에 대한 수방재 성능을 평가하기 위해, 마산 조위관측소의 관측 최대 고극조위(DL. 4.07 m)를 적용한 기점홍수위(EL. 4.05 m)를 기준으로 100년 빈도 홍수위를 산정한 H7F6 Case와 기수립 기점홍수위(EL. 3.76 m)를 적용한 빈도별 홍수위 H1F6~F12 Case를 비교하였다. 그 결과, 하구에서 1.6 km 범위까지 H7F6 Case (기점홍수위 EL. 4.05 m, 100년 빈도)가 H1F12 Case, 즉 기존 기점홍수위를 적용한 200년 빈도의 홍수위보다 높게 산정되었으며, H1F11 Case와 비교했을 때는 2.9 km, H1F10 Case와 비교했을 때는 3.2 km, H1F9 Case와 비교했을 때는 3.4 km 범위까지 H7F6 Case (기점홍수위 EL. 4.05 m, 100년 빈도)가 더 높게 나타났다. 이러한 결과인 기점 홍수위가 고극조위까지 상승할 경우의 100년 빈도 홍수위가 기존 하천기본계획서에서 제시된 빈도별 홍수위를 얼마나 초과하는지에 대한 하도 위험 지도를 Fig. 6에 도시하였다.
5. 결 론
본 연구에서는 연안도시 유역의 기점홍수위 상승에 따른 외수침수에 대한 수방재 성능을 분석 및 평가하고자 연안도시 유역의 특성을 나타내는 창원천 유역을 대상으로 기수립 하천기본계획서의 빈도별 홍수위와 마산 조위관측소의 관측 최대 고극조위(DL. 4.07 m)에 따른 기점홍수위(EL. 4.05 m)를 Case별로 나누어 적용한 100년빈도 홍수위와의 차이를 비교하였다. 그 결과 같은 빈도의 기존 기점홍수위와 비교하였을 경우 기점홍수위가 0.05 m만 상승하여도 기점수위의 영향이 미치는 3.5 km 범위 안의 수위가 평균 3 cm 상승하였다. 기점홍수위가 최대일 경우 같은 빈도의 기존 기점홍수위와 비교하면 수위 상승은 최대 29 cm, 3.5 km 범위에서 평균 18 cm에 달했다. 특히, 하구에서 1.6 km 범위까지는 기존 기점홍수위의 200년 빈도 홍수위보다 높았고, 2.9 km 범위까지는 150년 빈도 홍수위보다 높게 나타났다. 이는 실제 창원천 유역에서 빈번하게 홍수가 발생하는 ‘용원교차로’ 지역이 포함된 구역이다. 따라서, 연안도시에서 기점홍수위는 하천 홍수위에 중요한 영향을 미치는 요소로 판단된다.
하지만 본 연구는 단순 조위의 수위로 인한 홍수위 산정 결과의 비교를 위해 HEC-RAS 모형의 1차원 모의만 사용하였으며 또한, 외수침수에 관한 모의만 하였기 때문에 실제 유역의 홍수위를 정확히 산정했다고 보기는 어려움이 있다. 따라서, 추후에 실제의 조석흐름 상황을 적절하게 반영하고, HEC-RAS 모형의 2차원 부정류 해석을 통해 홍수위를 산정하고, 우수, 오수관거 및 배수펌프 등 내수침수에 대한 연구를 진행하여 방재성능목표강우량을 적용한 유역 수방재 성능을 평가한다면 더욱 유의미한 방재성능목표 성과를 달성할 수 있을 것으로 기대되는 바이다.
