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1. 서론
설계홍수량 산정은 치수구조물의 규모를 결정하 는 가장 기초가 되는 분석 과정이지만 우리나라의 경우 아직까지 설계홍수량의 신뢰도가 높지 않은 실 정이다.
특히 국내에서 설계홍수량 산정에 주로 적용하고 있는 합성단위도 방법은 여러 가지 문제점을 가지고 있다. 사용 중인 합성단위도의 여러 매개변수(지체 시간, 집중시간, 저류상수, 단위도의 첨두유량 크기 및 발생시간 등)를 결정하는 경험공식들이 매개변수 와 국내 수문 및 지형자료 간의 상관분석에 의해 유 도된 것이 아니다. 이들은 대부분 미국 등 외국의 여 러 유역 자료를 사용해서 개발된 것임에도 국내에서
그대로 사용하고 있어서 단위도 작성의 신뢰도를 인 정하기 힘든 상태이다.
따라서, 국내 하천유역과 수위관측소지점별로 기 왕의 주요 호우에 대한 강우 및 유출자료를 분석해 서 단위도를 유도하고, 이들 단위도의 매개변수와 유역 특성인자간의 상관관계 분석에 의해 지역화된 경험공식이 필요하다.
단위도의 매개변수 결정을 위한 경험공식 개발에 가장 문제가 되는 것은 우리나라 전국을 고루 망라 하는 수위관측소 지점 주요 호우 및 유출자료의 양 과 질이라 할 수 있다. 지금까지는 이들 자료의 부족 때문에 단위도의 매개변수 산정공식을 지역화하여 개발하지 못한 것이다. 하지만 본 연구에서는 우리 나라 전체를 대표할 수 있는 자료를 구축 및 검증하 였으며, 이를 토대로 새로운 매개변수 산정식을 유 도하였다. 따라서 본 고에서는 집중시간과 저류상수 를 중심으로 본 연구에서 수행한 내용에 대해 기술 하였다.
2. 본론
2.1 설계홍수량 결정 방법
설계홍수량(design flood)이란 홍수의 특성과 홍 수의 발생빈도, 홍수발생으로 인한 잠재적인 피해규
국내 유역에 적용 가능한 집중시간과 02
저류상수 산정식 개발
안 재 현
서경대학교 토목건축공학과 부교수 [email protected]
이 신 재
유량조사사업단 한강조사실 실장 [email protected]
모, 그리고 경제적 요인 및 기타 요인들을 고려하여 수공구조물의 공학적 설계기준으로 최종 선택되는 첨두홍수량 혹은 홍수수문곡선(flood hydrograph) 으로 정의된다(Ponce, 1996).
국내 실무에 적용하기 위한 설계홍수량 산정방법 을 개발하려는 노력은 몇 차례 시도된바 있으며, 이 들 노력은 강우-유출관계 모형에 의한 방법과 홍수 빈도해석에 의한 방법으로 구분할 수 있다(국토해양 부, 2010).
강우-유출관계 모형에 의한 설계홍수량 산정방 법 개발을 위한 최초의 국내 연구는 「홍수량 추정 을 위한 합성단위유량도 유도의 연구조사(건설부, 1974)」로 한강, 낙동강, 금강유역에 적용할 수 있는 Snyder형의 합성단위도를 작성할 수 있는 경험공식 을 제안하였다(윤용남, 1986). 그러나, 당시의 열악 한 수문자료 때문에 실무에 적용할 수 있을 만큼의 정확도 확보가 어려워 실무에 적용되지는 못했다.
건설부(1993)는 1991년-1993년에 걸쳐 「설계홍 수량 산정방법 개발」이라는 연구과제를 통해 지점별 연 최대치 홍수량자료의 빈도분석 방법과 단위도법 을 사용하는 강우-유출 모형에 의한 방법을 연구했 다. 그러나 이 역시 가용 수문자료가 충분치 못하고 신뢰도가 떨어져서 실무 적용 방법의 개발·보급을 이루지는 못했다.
건설교통부(2004)는 하천정비기본계획 수립의 일 관성을 유지하기 위해 계획수립 절차에 관한 지침인
「하천정비기본계획 수립 및 하천대장작성 지침」을 발간하였다. 이 지침에서는 강우-유출 모형에 의한 설계홍수량 산정을 위해 Snyder, SCS, Nakayasu 합성단위도법과 Clark 유역추적법등에 의해 설계홍 수량을 산정 비교·검토한 후 지역홍수빈도 분석방 법에 의한 100년빈도 홍수량의 경험공식과도 비교 할 것을 추천하였다. 그러나, 100년빈도 홍수량에 대한 경험공식은 홍수량이 유역면적만의 단순 함수 로 되어있고 홍수빈도 분석에 사용된 홍수량 자료의 신뢰도를 확인하기 어려운 점이 있어서 실무적용이 어려운 실정이다.
또한 하천정비기본계획 수립 대상 유량인 설계홍 수량 산정 절차의 객관화 혹은 일관성 유지를 위해 건설교통부(2007)가 「홍수량 산정기법 가이드라인」
을 발간한 바 있다. 이 가이드라인에서는 대체로 호 주의 ARR(Australian Rainfall-Runoff) 가이드라 인에서 제시하고 있는 강우-유출 모형에 의한 방법 과 홍수빈도 분석에 의한 방법을 망라해서 정리하였 다. 그러나, 강우-유출 모형에 의한 방법의 경우 합 성단위도를 작성하기 위한 매개변수 결정 공식 등이 국내 유역의 특성이나 유출특성에 맞지 않아 국내 실무에 직접 적용하기 어렵고, 홍수빈도분석 방법의 경우도 국내 미계측유역에 대한 홍수빈도분석 결과 의 지역화가 되어 있지 않아 빈도분석 절차는 표준 화 되어 있지만 미계측 지점에 대한 설계홍수량 산 정은 어려운 실정이다.
국토해양부(2012)에서는 현재 국내 실무에서 적 용되는 방법들을 정리해서 일관성 있는 홍수량 산정 에 적용하고자 「설계홍수량 산정 요령」을 제시한 바 있다. 이것은 현재 한시적으로 수문실무에 적용 중 이며, 다음의 내용으로 구성되었다.
홍수량 산정은 강우-유출관계 및 단위도를 적 용하는 것을 기본으로 하였으며, 확률강우량 산정 은 Gumbel분포를 추천하였다. 유효우량 산정은 NRCS방법, 합성단위도는 Clark방법을 채택하였다.
합성단위도 매개변수 산정을 위해 도달시간은 연속 형 Kraven공식, 저류상수는 Sabol공식, 하도추적 은 Muskingum방법을 추천하였다.
이러한 국내 설계홍수량 산정방법의 개발을 위한 노력에도 불구하고 실무적용 가능한 표준화된 방법 의 개발이 어려웠던 것은 수문자료, 특히 홍수량 자 료의 양적 부족과 신뢰도 부족 때문이었던 것으로 평가된다.
2.2 설계홍수량 산정 표준화
2.2.1 강우-유출자료 검증 및 DB 구축
현재 국내에서 강우-유출모형을 이용한 설계홍수
량 산정에 주로 사용되고 있는 합성단위도는 다음과 같은 문제점이 제기되고 있다.
우선 제기되는 것은 여러 매개변수들을 결정하는 경험 공식들이 매개변수와 국내 수문 및 지형 자료 간의 상관 분석에 의해 유도된 것이 아니고 미국의 여러 유역 자료를 사용해서 개발된 것 임에도 국내 에서 그대로 사용하고 있어서 단위도 작성의 신뢰도 를 인정하기 힘든 상태라는 것이다. 따라서, 국내 대 하천유역별, 수위관측소지점별 기왕의 주요호우별 강우 및 유출자료를 분석하여 단위도를 유도하고 이 들 단위도의 매개변수와 유역 특성인자간의 상관관 계 분석에 의해 지역화 된 경험 공식을 개발해야 할 것으로 판단된다.
단위도의 매개변수 결정을 위한 경험공식 개발에 가장 문제가 되는 것은 전국을 골고루 망라하는 수 위관측소 지점의 수문자료라 할 수 있다. 따라서 설 계홍수량 산정 방법 표준화를 위한 개선방안을 다음 과 같이 추진하였다.
• 국내 강우-유출 자료를 이용해서 매개변수 산정 식 유도
• 우리나라 전체를 대표할 수 있는 고른 지역의 자 료 이용
• 자료의 상태를 심도깊게 분석해서 양질의 자료만 이용
• 유역특성인자(유역면적, 유로연장, 유로경사 등) 만의 상관관계식 유도로 이용의 편리성 제공
외국에서 개발된 합성단위도의 국내 적용을 위해 서는 국내 수문 및 유역특성에 맞는 매개변수의 결 정이 필수적이다. 따라서 합성단위도 매개변수 결정 을 위한 강우-유출자료의 수집 및 활용 가능성에 대 한 검증이 필요하다. 본 연구의 강우-유출자료 검증 및 DB구축 절차는 그림 1과 같다.
첫 번째는 강우-유출자료 현황조사 및 자료 수집 이다. 국내 다목적댐 및 대규모 저수지의 유입량, 기 존 또는 현재 운영 중인 시험유역 및 대표유역 자료, 국토교통부, 한국수자원공사, 기상청 등의 수문자료
그림 1. 강우-유출자료 검증 및 DB 구축 절차
현황 및 자료 수집이다.
두 번째 강우-유출분석을 위한 지점 선정 및 자료 검증이다. 자연하천의 유출 조건 및 가용할 수 있는 자료를 보유한 지점, 적정한 유역규모(중·소규모) 등을 고려하여 지점을 선정한다. 그림 2와 같이 선정 된 지점에 대해서는 자료의 활용 가능성을 검증한다.
세 번째 자료의 검증을 통한 최종 지점을 선정하 고 강우-유출분석에 활용할 수 있도록 DB를 구축 하게 된다.
강우-유출자료의 DB의 최종 결과물은 해당 관측 소의 유역평균강수량과 유출량자료이다. 하지만 유 역평균강수량, 유출량을 산정하기 위해서는 유역내 외의 지점별 강수량, 해당 관측소의 수위·수위-유 량관계곡선식이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 다 양한 강우-유출에 대한 분석 및 검토가 이루어 질 수 있도록 기본자료 및 검토 자료를 함께 DB로 구성
하였다. 그림 2. 강우-유출자료 DB 구축 대상 지점 위치도
표 1. 유역별 강우-유출자료 DB 구축 현황
유 역 유역면적(㎢) 규모별 지점 수
계 ~100 ~200 ~300 ~400 ~500 ~1,000
계 66 11 14 16 8 5 12
한 강 27 3 2 6 6 2 8
낙동강 12 1 4 3 - 2 2
금 강 20 5 5 7 - 1 2
영산·섬진강 7 2 3 - 2 - -
본 연구에서는 총 66개 지점에 대한 강우-유출 DB를 구축하였으며, 그 현황을 그림 2와 표 1에 나 타내었다. 표 1에서 알 수 있듯이 한강 27개, 낙동강 12개, 금강 20개, 영산섬진강 7개 지점이 선정되었 으며, 유역면적별로는 100㎢에서 1000㎢까지 고른 분포를 가질 수 있도록 진행하였다.
2.2.2 합성단위도 매개변수 추정 및 상관관계식 유도 우리나라의 유역특성을 대표하는 집중시간 및 저 류상수를 결정하기 위해서는 다양한 특성의 유역에 대한 종합적인 분석이 이루어져야 한다. 이를 위해 서는 유역의 지형특성이 폭넓게 고려되어야 한다.
그러나 이러한 특성을 평균적으로 고려할 수 있는 값을 유도나 추정하는 것은 쉬운 일이 아니다. 특히
이를 위해서는 양질의 강우-유출자료가 존재해야 한다.
본 연구에서는 이를 감안해서 세심한 강우-유출 자료의 검증을 실시하였으며, 이를 통해 신뢰성 높은 성과 도출을 위한 연구를 수행하고자 했다. 또한 우 리나라의 유역을 대표하는 유역의 집중시간 및 저류 상수를 추정하기 위해 다음과 같은 방법을 적용했다.
(가) 대상유역 선정 및 강우-유출자료 수집 (나) 대상유역의 지상인자 및 형상인자계수 추정 (다) 강우-유출사상에 대한 분석을 통해 평균적인 특성을 갖는 호우사상과 다양한 범위의 유출량 선정 (라) 집중시간과 저류상수 유도
(마) 대상유역별 대표 집중시간 및 저류상수 도출 (바) 매개변수와 유역 지형인자와의 상관관계 분석
그림 3과 4에는 이러한 과정을 거쳐 지점의 대표 집중시간과 저류상수를 결정한 결과를 보여주고 있 다. 여기서는 한강 유역의 고소성 지점에 대한 결과 를 나타내었으며, 강우-유출사상의 선행강우 및 첨 두유출량을 선정하고 다양한 폭의 사상을 비교 및 평가하여 대표적인 집중시간 및 저류상수를 도출하 였다.
고소성 지점의 경우 그림 3과 같이 342㎥/s에서 1,492㎥/s까지의 첨두홍수량을 가진 강우-유출 사 상에 대해 최적화 기법을 이용해서 홍수수문곡선을 유도하고, 이때 산정된 집중시간과 저류상수를 사상 별로 평균해서 고소성 지점의 대표 집중시간과 저류 상수를 결정하였다. 그림 3의 사상별 최적화 결과를 보면 모의 유출량이 실측 유출량과 거의 동일한 값
그림 3. 고소성 지점의 첨두홍수량 크기별로 유도된 홍수수문곡선 비교
그림 4. 고소성 지점의 대표 집중시간 및 저류상수 결정
을 보여주고 있음을 알 수 있으며, 그림 4에서 보듯 이 5개 사상별로 집중시간과 저류상수가 거의 같은 값을 나타내는 결과를 만들어 낼 수 있었다. 대부분 의 지점별로 이와 유사한 결과의 값들을 유도할 수 있었으며, 이는 본 연구에서 생성한 자료의 우수성 을 입증하는 것이라 평가되고 있다.
이런 과정을 통해 선정된 국내 대상 유역에서 집 중시간과 저류상수를 모두 결정했으며, 이를 유역의 지형인자들과 상관분석을 실시하여 다음과 같은 공 식을 유도하였다. 집중시간은 유역면적, 유로연장, 고도차의 함수로 작성되었으며, 저류상수는 집중시 간이 추가된 형식으로 유도되었다.
3. 결론
합리적이고 경제성 있는 수공구조물의 계획 및 설 계를 위해서는 적절한 설계홍수량의 결정이 필수적 이며, 그 과정의 객관성 확보는 매우 중요한 사안이 다. 본 고에서는 국내 설계홍수량 결정에 있어 가장 중요한 부분 중 하나인 집중시간과 저류상수 산정식 의 유도과정에 대해 기술하였다. 특히 국내 66개 지 점에서 구축된 강우-유출 DB 현황 및 이를 바탕으 로 유도된 집중시간과 저류상수 산정식에 대해 언급 하였다.
앞으로 유도된 식에 대한 적절한 적용 및 검증에 대한 평가를 거쳐 실무에서 활용될 수 있도록 전파
하는 과정이 필요하다. 이를 통해 국내 유역의 특성 이 반영된 설계홍수량 산정 표준화 방안의 제시가 가능할 것으로 판단되며, 이는 수공구조물 설계에 이용할 설계홍수량의 신뢰성 제고와 이어질 것으로 기대된다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부 및 한국건설교통기술평가 원 건설기술혁신사업의 [설계홍수량 산정방법개발 (11-기술혁신-C06)] 과제의 지원으로 수행되었으 며, 이에 감사드립니다.
A: 유역면적(㎢), L: 유로연장(㎞), H: 고도차(m) Tc: 집중시간(hr), K: 저류상수(hr)
참고문헌
건설교통부 (2004). 하천정비기본계획수립 및 하천대장작성 지침 건설교통부 (2007). 홍수량 산정기법 가이드라인
건설부 (1993). 수자원관리기법개발연구조사 보고서
건설부 (1974). 홍수량 추정을 위한 합성단위유량도 유도의 연구조사 국토해양부 (2010). 설계홍수량 산정 선진화 기획 연구 보고서 국토해양부 (2012). 설계홍수량 산정 요령
윤용남 (1986). 공업 수문학, 청문각
Ponce (1996). Engineering Hydrology : Principles and Practices
