1. 서 론
2. 사이펀 활용 사전방류기술
2.1 지자체 저수지 현장조사
2.2 이동식 사이펀 시제품 개발
3. 노후저수지 대상 재해위험성 평가
3.1 유금저수지
3.2 수문학적 안정성 평가
3.3 중소규모 노후저수지 운영 알고리즘 개발
4. 결 론
1. 서 론
급격한 환경변화에 따라 이상강우 및 폭우가 발생되고 있으며(Park et al., 2016) 특히 지자체에서 관리하는 50년 이상 설치 년수가 경과한 노후 저수지 증가로 저수지 시설물은 위험 수준에 도달하고 있다(Kim and Park, 2016). 국내 중소규모 저수지 붕괴사례로는 1961년 효기리 저수지, 1980년 보청천 유역의 소류지들의 연쇄적 붕괴사례와 2000년 이후 약 20건 이상의 크고 작은 저수지의 붕괴사고가 발생하였으며, 2020년에는 7~8월 사이에 내린 집중호우로 인해 경기, 충청, 전남, 전북 지방을 중심으로 저수지 제당 유실 및 붕괴 사고가 발생하였다. 특히, 2022년 포항 및 경주에서는 태풍 힌남노로 홍수배재능력초과에 따른 제체월류 및 사면붕괴로 인해 저수지 붕괴위험 및 하류지역 긴급대피 등 심각한 피해상황이 발생하였다. 특히, 경주시 농어촌공사에서 관리중인 비교적 큰 저수지인 왕신 및 권이저수지가 일부 붕괴되면서 하류부에 큰 피해가 발생했고 장저수지, 분점저수지, 갈평저수지 등 지자체 노후 저수지들도 제체 일부 구간이 붕괴되고 방수로 및 복통부 등의 유실 피해가 발생했다. 지자체에서 관리하는 저수지들은 대부분의 농업용 저수지로 토사로 만든 필댐으로 대부분의 저수지는 홍수 조절능력이 없으며(Yoon, 2010), 주된 기능이 농업용수 공급이므로 주기적인 준설작업도 없고 만수위 이상의 물이 유입되면 단순 월류형으로 홍수재해에 취약한 것이 현실이다(Park and Oh, 2016). 본 연구에서는 지자체 관리 저수지를 대상으로 제체 월류가 발생하면 제체 유실‧붕괴 등의 심각한 피해를 발생시킬 잠재적 위험을 저감하기 위한 과학기술적 수단으로 사이펀을 활용한 사전방류기술을 개발하고 지자체 저수지에 목표방류량에 따른 홍수량 검토를 통해 재해위험성을 평가하고자 하였다. Fig. 1은 본 연구의 절차이다.
우리나라에서는 모니터링 및 주기적인 안전진단점검(진단)에 의존한 저수지(댐) 안정성 평가를 실시하고 있으나, 기후변화, 시설노후화에 따라 발생 가능한 다양한 파괴원인과 상호 연관성을 종합적으로 고려하는데 한계가 있다. 현재 행정안전부에서는 저수지·댐 안전관리 및 재해예방에 관한 법률에 의거하여 지자체 저수지 중 재해 위험저수지에 대하여 피해 최소화를 및 안전대응체계 강화를 위한 비상대처계획을 수립하도록 하고 있다. 예방 사업을 통해 재해위험저수지에 센서 설치 및 자동 제어를 통한 조기경보시스템을 구축되고 있으나 수문 자동 제어, 가동보 자동제어 등 중소규모 저수지에 설치되지 않은 방류기술을 개념적으로 적용하고 있고, 설계기준 초과 등 단순 정보를 징후로 파악하는 문제점이 있으며 전체 시군구의 1% 수준으로 구축되어 있는 실정이다(Choi and Ryu, 2017).
사전에 방류를 통해 재해위험을 저감하기 위한 방법으로 사이펀을 활용한 국내 여수로 설치 현황을 살펴보면 대부분 댐 및 저수지의 제당고를 높이지 않고 방류능력 확장방안으로 시공하였다. 대개 지형적 여건으로 인해 여수토 확장이 어려울 때 시공하여 활용하고 있으며 별도의 구동장치가 필요 없어 유지관리에 유리하고, 낙차가 클수록 방류능력이 크기 때문에 제고가 높은 댐 및 저수지에 활용하고 있다(Boatwright, 2014). 국외에서 사이펀 활용 기술현황을 살펴보면 James and Young (2001)은 EXTRAN라는 프로그램을 개발하여 복잡한 시스템의 사이펀 보를 수리학적으로 시뮬레이션 하고 있으며, 광범위한 유량 및 작동조건에서도 검증되었으며 사전에 방류할 수 있도록 활용하고 있다고 제시하였다. Babaeyan-Koopaei et al. (2002)와 French and Widden (2001)은 사이펀 설치 실험을 통해 사이펀의 공기 펌핑 효율이 일반적인 수력 발전소의 효율보다 낮지만 사이펀 설치의 낮은 비용 때문에 더 경제적으로 활용이 가능할 것이라는 연구결과를 제시하였다. 미국의 파크 레이크 댐(Park Lake Dam)은 제체 균열로 인해 8인치 규격의 사이펀을 이용하여 비상방류를 실시하였으며, 드라이 포크 댐(Dry Fork Dam)은 공사 중 방류구의 폐쇄로 인하여 취수시설과 비상여수로 사용을 위해 굴곡이 가능한 HDPE 파이프를 이용하여 18인치 구경의 사이펀 3련을 임시로 설치하였다. 또한 미국의 사이펀테크사는 이동식의 포터블 사이펀 시스템을 개발하고 이를 이용하여 호수, 저수지 등의 사전방류 및 긴급방류에 활용하고 있으며, 취수구의 부유식의 사이펀 시스템을 이용하여 폭풍우로부터 재해방지를 위한 방안을 제공하고 있다. 본 연구에서는 대부분 저수지 붕괴 후 복구의 관점에서 연구 및 기술개발이 이루어진 점을 확인하고 문제점을 개선하고 차별화하기 위해 붕괴 회피기술을 제시함으로써 사전대응체계의 안정된 저수지 운영관리를 목표로 하고 있다.
2. 사이펀 활용 사전방류기술
2.1 지자체 저수지 현장조사
지자체 저수지 중 사이펀을 활용하여 관리하고 있는 중소규모 저수지에 대한 현장여건 및 현황조사를 통해 적용가능한 사전방류기술을 개발하고자 하였다. 본 연구에서 개발하고자 하는 이동식 사이펀을 실제 활용하기 위해서는 진입여건, 여수로 및 하천연계 현황, 관리실태 등의 조건이 필요하며, 이를 통해 지자체 관리 저수지의 규모별, 현장 특성별 긴급방류 기술 적용 분류체계를 설계하고자 하였다. 2022년 기준 지자체 관리저수지는 13,685개소로 파악되며, 비상시 긴급방류가 가능한 저수지는 거의 전무한 실정이다. 2020년 이후 경기도 안성시(전도식 비상수문), 충남 논산시(사이펀) 등의 지자체에서 선도적으로 비상방류 시설이 설치되었다. Fig. 2는 지자체 관리 저수지 중 비상방류 시설이 설치되어 있는 주요 저수지 중 안성시, 충주시, 논산시의 현장조사 결과이다.
2.2 이동식 사이펀 시제품 개발
본 연구에서는 사전 및 긴급방류 기능을 동시에 수행할 수 있도록 이동식 사이펀을 개발하고자 하였다. 직경 200 mm를 기준으로 최소 수위차 6 m, 시간당 420 톤, 1일 10,000 톤의 방류능력을 가진 사이펀으로 설계하였으며 이동식 사이펀은 조작의 용이성 이외에도 경제성, 내구성 및 보관·운반, 조립·해체의 용이성이 보장되어야 한다(Houich et al., 2009). 개발된 이동형 사이펀은 소규모 저수지에 대하여 즉시 대응이 가능하고, 방류량 조절이 가능한 방류 시스템, 경량화로 인한 현장 이동성 및 설치 용이성 확보, 실시간 대응이 가능한 원격 모니터링 및 제어 시스템, 응급상황 이외 보관성을 고려한 모듈화된 시스템, 부품 공용화 및 표준화를 통한 유지관리 지속성 확보, 재난관리자원 등록을 통한 재원 동원 및 응원 가능 등의 특징을 가지고 있다(Table 1, Fig. 3). 개발을 위해 수리모형실험을 대체할 수 있는 소구경(D50 mm) 실내 파일럿 테스트를 수행하였으며 신속한 재난대응을 위해 운송 차량으로 현장 진입이 어려운 상황에 별도 장비 없이 최소인원(2인)으로 설치 가능한 비상방류기술 개발 및 표준설계(제작도면, 내역서, 시방서, 매뉴얼) 및 공인인증기관(한국기계전기전자시험연구원 등)의 성능평가시험 및 인증서를 확보하여 연구결과에 대한 정량적인 평가를 수행하였다.
Table 1.
Key issues and improvements of portable siphons
3. 노후저수지 대상 재해위험성 평가
연구를 수행하기 위한 테스트베드를 선정을 위해 본 연구에서는 주요 연구결과의 직접적인 활용이 가능하고 지자체의 협력 및 공무원의 의지가 매우 중요하다는 점을 확인하고 실제 연구결과가 활용될 수 있는 지역으로 경주시를 선택하였다. Fig. 4는 경주시의 위험저수지 현황이다. 2022년 8월 태풍 힌남노로 인해 일부 저수지가 붕괴우려 위험이 있거나 붕괴되는 사례가 발생하였으며 피해 현장조사 및 담당 공무원과의 협의를 통해 경주시의 유금저수지로 테스트베드를 선정하였다(Fig. 5). 유금저수지는 2022년 힌남노로 인해 월류위험이 있어 하류부 주민들의 민원 발생 및 실제 토사 유입으로 한차례 준설을 시행했으며 하류 제방에서 누수가 확인되어 정밀안전진단이 시행되었고 그 결과 안전등급 D등급을 받았다. 이에 따라 본 연구에서는 유금저수지에 대한 사전방류기술 적용에 따른 수문해석을 통해 하류부 영향을 최소화하고자 하는 운영(안)을 제시하고자 하였다.
3.1 유금저수지
유금저수지는 1945년 준공되어 공용기간이 78년 정도 경과한 시설물로 경상북도 경주시 강동면 유금리에 위치한 필 댐으로 경주시에서 관리하고 있으며 농업기반시설(저수지)로 지정되어 있다. 관리대장에 따르면 총 저수량은 66,000 m2, 유효 저수량은 60,000 m2의 중소규모 저수지로 직선월류형의 여수로를 보유하고 있다. 제체 및 여수로, 취수시설, 기계설비 모두 공용기간이 경과하였으며, 특히 댐 마루 여유고 부족으로 인해 수문학적 안전성을 확보하지 못하고 있어 제체월류의 위험이 있다. 특히 하류부에 아파트가 위치함에 따라 하류부에 미칠 피해가 크게 나타날 것으로 예상됨에 따라 사전방류기술의 적용이 필요하다고 판단되었다. 하지만 농업용저수지로 사용되고 있는만큼 이수기를 대비하여 실제 이동형사이펀을 통한 현장테스트는 경주시 및 관련기관과의 충분한 논의를 통해 수행할 예정이다. 경주시본 연구에서는 이동식 사이펀의 목표 방류량에 따른 사전방류시간을 설정하여 저수지의 특성에 따른 저수지의 유입량, 방류량, 저류량을 산정할 수 있는 중소규모 노후저수지 운영 알고리즘을 개발하여 운영에 활용하고자 하였다.
3.2 수문학적 안정성 평가
유금저수지는 경주시에서 관리하는 저수지이지만 경주시와 포항시 사이에 위치한 저수지로 강우분석에 필요한 시우량 자료를 보유하고 가장 인접한 종관기상관측소는 포항관측소이다. 총 62개년(1961~2022년)의 자료를 통해 강우 및 홍수유출분석을 수행하였다. 확률강우량을 산정한 결과 30년 빈도 1시간 지속강우량 70.8 mm로 2017년에 고시된 경주시의 지속시간 1시간 방재성능목표 강우량은 70 mm을 상회하는 값으로 산정되었다. 기존 2011년에 산정된 확률강우량도 개선 및 보완 연구에서는 80년 빈도 1시간 지속시간 71 mm로 본 연구의 30년 빈도 1시간 지속시간 강우량인 70 mm와 비교하면 최근 이상강우의 발생의 빈도와 강도가 잦아지면서 확률강우량의 빈도가 더 짧아지는 것을 확인할 수 있었다(Table 2)(MLTM, 2011).
Table 2.
Comparison of rainfall by duration
홍수유출분석를 위해 유역에 대한 기초자료를 수집한 결과, 해당 유역면적이 1.29㎢으로 매우 작으며 수위-유량 계측이 주기적으로 이루어진지 얼마 되지 않아 저수지의 수위-유량 관계 곡선식을 명확하게 확립할 수 없고, 매년 관측되는 최고수위에 의한 년 최대 홍수량 자료치 계열을 형성하고 이에 대한 확률분석에 의하여 빈도별 홍수량을 산정 할 수 없다는 단점이 있다. 이에 따라 본 연구에서는 미계측 지점에서 합성단위도를 사용하여 강우-유출모형에 의해 산정하는 방법으로 Clark의 유역추적법을 선택하였다. 해당 방법은 ｢홍수량 산정 표준지침｣(ME, 2019)에서도 여러가지 방법으로 산정한 홍수량의 비교·평가에서 오는 번잡함을 지양하고 일관성과 객관성이 대체로 입증되어 온 Clark 유역 추적법을 홍수량 산정 방법으로 채택하도록 제시하고 있는 만큼 충분히 적합한 기법으로 판단된다.
저수지 홍수추적을 위해 저수지 설계에 사용되는 200년 빈도 홍수량에 20% 가산한 홍수량을 적용하여 수문학적 안정성을 평가하였으며 그 결과 200년 빈도 34.13 m2/s로 산정되었으며 20% 가산한 설계홍수량은 40.96 m2/s로 산정되었다(Table 3, Fig. 6). 유금저수지의 댐 마루 높이는 상류사면이 약 4.0 m, 하류사면이 약 8.39 m로 15 m보다 이하이므로 소규모 댐에 해당된다. 댐마루 높이 검토 시 설계 홍수위를 기준으로 댐마루 높이를 검토해야 하지만 유금저수지는 홍수위 제원이 제시되어 있지 않아 설계홍수량이 배제 가능한 높이를 반영하여 상시만수위에 반영하여 검토홍수위로 적용하였다. 그 결과 현재 댐마루 구간의 최저높이는 7.15(EL.m)로 검토 홍수위 27.44(EL.m) 보다 0.29 m 낮아 제방을 통한 월류가 발생하는 것으로 해석되었으며 댐마루 높이 28.87 m (EL.m) 기준 여유고도 1.72 m 부족한 것으로 나타나 수문학 안전성을 확보하지 못하는 것으로 검토되었다. 현재 유금저수지는 정밀안전진단이 수행된 것으로 파악되며 본 연구에서 제시하는 사전방류기술을 통한 운영방안이 적용된다면 지자체의 저수지 안전관리 업무 효율화와 더불어 재난피해상황 저감을 통한 비용절감 및 저수지 인근 주민의 인명 및 재산 피해를 최소화할 수 있을 것으로 보인다.
Table 3.
Flood discharge by duration
3.3 중소규모 노후저수지 운영 알고리즘 개발
중소규모 노후저수지의 경우 주기적인 준설 및 계측이 어려운 실정이며, 대부분 하류부에는 소하천이 위치하고 있고 기본계획의 수립이 오래된 경우가 많다. 유금저수지 역시 노후된 저수지로 최근 정밀안전진단이 이루어졌으며 하류에는 소하천인 유금큰천 및 내동천이 위치하고 있다. 유금저수지와 같이 중소규모 노후저수지는 수위-유량 곡선이 존재하지 않으므로 저수지 운영이 어려운 실정이므로 본 연구에서는 유금저수지의 수위데이터와 정밀안전진단을 통한 저수지 특성자료를 통해 수위-용적 곡선을 임의로 도출하였다(Fig. 7). 도출된 수위-용적 곡선을 기반으로 중소규모 노후저수지 운영 알고리즘을 통해 사전방류시간, 여수로 방류량을 고려하고 빈도별 홍수량에 따른 저수지 월류시간을 예측함으로써 사전에 대피시간을 확보하고 붕괴위험을 저감할 수 있는 기술을 확보하였다. D200의 이동식 사이펀의 목표별 방류량은 Table 4와 같으며 방류시 수위차는 6 m를 기준으로 분석하였다.
Table 4.
Target reservoir discharge of potable siphon (D200)
수위-용적 곡선을 도출하고 상한수위, 하한수위, 상한수위 저수량, 하한수위 저수량, 사전 방류량, 여수로 방류량을 고정된 변수로 설정하고 빈도에 따른 유입량을 입력자료로 하여 유금저수지의 저수량 및 방류량을 산정하고 최적으로 운영할 수 있는 사전방류 시간을 도출하였다(Fig. 8). 그 결과 직경 200 mm 이동식사이펀 1열 기준, 30년 빈도 홍수량 유입 시 상한수위 기준 80% 수준(약 30,000 m2)을 유지하면서 주민대피 시간(약 1시간)을 확보할 수 있는 최적 사전방류시간은 12시간 이전으로 분석되었다(Fig. 9). 유금저수지는 작은 유역으로 도달시간 및 유하시간이 매우 짧기 때문에 주민대피가 필요한 경우 대피를 위한 충분한 시간이 주어지지 않으므로 의사결정자 입장에서 위기경보(관심-주의-경계-심각)에 따른 행동매뉴얼을 그대로 반영하기는 어려울 것으로 판단된다. 또한 지자체 저수지의 경우 관리자에 비해 개소 수가 매우 많기 때문에 위험저수지로 분류되는 저수지나 유금저수지처럼 민원 또는 정밀안전진단이 필요한 저수지에서는 이동식 사이펀을 통한 사전방류가 매우 효과적인 의사결정 수단으로 활용될 수 있으며, 추후 예경보 장치 및 기능을 통해 신속한 대피가 이루어질 수 있도록 하는 것도 필요할 것으로 보인다.
4. 결 론
본 연구에서는 직경 200 mm의 이동식 사이펀을 개발하고 유금저수지의 홍수량 검토를 통해 사전방류의 필요성을 제시하고 노후저수지의 운영 알고리즘 개발을 통해 최적 사전방류시간을 도출하였다. 사이펀의 경우 1열 기준으로 사전방류시간을 도출함에 따라 12시간 이상의 방류가 필요하지만, 농업용 저수지로 사용되는만큼 무리하게 방류하는 것 보다 기상 및 현지 상황에 따라 적절히 방류하는 것도 중요하다. 또한 본 연구의 목적은 중소규모의 노후저수지를 대상으로 하는만큼 최소인원으로 최적의 운영을 위해 이동식 사이펀의 주요 특징인 경량성, 용이성, 모듈화 등을 반영하고자 한다는 점이 중요하다. 또한 필요시에는 이동식 사이펀을 병렬화하여 적용할 수 있으며 반고정식으로 직경을 확대하여 적용하는 것도 가능하다.
중소규모 노후저수지를 대상으로 사이펀 활용 사전방류기술 및 저수지 운영 알고리즘에 따라 이상기후 대비 사전에 방류를 시행하고 관리자의 의사결정을 돕는다면, 저수지 붕괴 위험지역 내의 주민들의 안전을 확보하고 주민대피 지원체계 구축을 통해 주민들의 불안감 해소, 저수지 위험상황 시 위험회피 수단 제공으로 위험요소 감소가 충분히 가능하다. 또한 불가피하게 저수가 붕괴될 경우 피해 저수지의 긴급방류 실시로 신속한 복구 지원 등이 가능할 것으로 판단된다. 더불어 지자체 저수지를 관리하는 지자체 및 행정안전부에서 수행중인 일반사업과 연계하여 각종 재난 유지관리를 위한 과학적이고 객관적인 기술자료의 제공으로 안정성 및 경제성을 확보한 노후 저수지 위험지역 관리계획 수립 지원, 비상시 대피정보 등 저수지 인근 거주민에 필요정보 제공 등 저수지 붕괴 우심지역의 사전 파악 및 지자체 예방‧대비에 활용이 가능할 것으로 판단된다. 향후 예경보 시스템을 통해 저수지 붕괴 상황 발생 시 선제 대응 가능, 저수지 모니터링을 통한 운영방안 개선을 통해 저수지의 안정성 확보 가능, 중소규모 저수지 위험상황 시 신속 대처할 수 있는 방재능력 확보할 수 있으며 저수지 붕괴로 인한 재산 및 인명피해 최소화가 가능할 것으로 보인다. 또한 유금저수지 주변과 같이 지정된 대피장소가 멀고, 아파트 거주 인구가 밀집되어 있는 경우 추가적으로 대피행동 판단기준을 층수, 침수 정도에 따라 판단할 수 있도록 하는 비구조적 대책을 수립하여 야간이나 이미 재해가 많이 진행된 경우 무리하게 이동하지 않는 방안도 수립하는 것이 필요하다. 추후 연구를 통해 붕괴 위험에 따른 하류 피해지역에 대한 침수 피해 정도를 확인하여 주변 건물과 아파트를 중심으로 최적의 대피 동선을 제시하고자 한다.
