Issue
제주형 하천유출조사 및 분석 시스템 구축 02
1. 서론
절해고도인 제주도는 태풍의 길목에 위치하여 집 중호우, 게릴라성 폭우, 돌발홍수, 홍수재해, 하천 범람과 침수, 강풍, 해일 등의 자연현상으로 인해 해
안과 도심에 집중된 인구와 시설물들은 연중 위험에 노출되어 복합재해 발생 및 재난의 대형화가 예상되 고 있다. 제주도의 연평균 강우량은 2,067mm 달하 는 우리나라 최다우 지역으로 대부분의 대형 재해는 주로 하천을 통한 홍수재해이다. 하천은 직류형 급 경사와 짧은 유로 연장, 하상의 높은 투수성 등의 특 이한 수자원환경과 재해양상이 육지부와는 매우 상 이하고 독특한 특성이 있다.
하천은 내륙의 하천보다 경사가 급할 뿐만 아니 라, 대부분 15km 내외의 짧은 연장으로 강우에 의 한 홍수유출 지속시간이 1〜2일에 불과하고, 게릴 라성 폭우에 의한 돌발성 홍수유출이 빈번히 발생 하며, 유출 발생횟수도 연간 5〜10회 정도이다. 특 히, 급경사 자갈 및 암반하상으로 인한 고유속과 강 한 난류의 발생으로 인해 하천 유량 관측이 매우 힘 든 지역이다(그림 1).
1세부과제
양 성 기 ●●●
제주수자원연구단장 제주대학교 토목공학과 교수 skyang@jejunu.ac.kr
김 동 수 ●●●
단국대학교 토목환경공학과 조교수 dongsu-kim@dankook.ac.kr
그림 1. 제주도 건천의 홍수유출 발생 전(좌)·후(우)
제주도는 다공질 화산암의 높은 투수성으로 인해 전체 143개 하천 중 9개의 하천을 제외한 전 하천들 은 모두 건천의 형태를 이루고 있어 지표수의 발달 이 매우 빈약하다. 제주도민의 생활 및 산업활동에 필요한 용수는 전적으로 지하수에 의존하고 있는 실 정이다. 이러한 특성으로 그동안 제주도 수자원 관 련 연구는 지하수를 중심으로 진행되었으며 물수지 방정식에 의한 지하수 함양량을 산정하기 위해 일부 하천에 대한 홍수 시 유량관측(1지점 수위-유속 관 측 자료를 하천 전체 유량으로 환산)이 부정기적으 로 수행되어져 왔다. 국가하천이 없는 제주도는 유 량조사사업단의 조사범위를 벗어나 있어 국가의 책 임 하에 지속적인 유량관측 지역에서는 소외되어 왔 다. 그러나, 급변하는 기후변화로 인한 강우량 및 강 우강도의 증가와 강우패턴 변화로 집중호우가 지속 적으로 증가할 것으로 예측되고 있어, 다양한 홍수 재해를 예방하기 위한 하천유량자료와 기초수문자 료를 확보하기 위한 구체적인 계획수립과 지속적인
연구·조사가 시급하지만 연속적인 수문자료의 확 보는 거의 불가능한 실정이었다. 또한, 육지부와 상 이한 하천환경으로 홍수기 부자법의 운용이 불가능 하여 제주 하천에 적합한 유량조사기법 및 유량 자 료 확보/관리 방안이 요구되었다.
이러한 문제를 해결하기 위해 국토부 지원 하에 제주 수자원 연구단 (단장, 제주대학교 양성기교수) 이 2010년 12월에 발족하였으며, 그 중 1세부과제가 제주형 하천유출조사 및 분석 시스템 구축을 목표로 제주지역 최적 유량관측기법 개발, 기존 유량관측기 기의 정밀도 향상, 정밀하고 광범위한 유량관측 DB 구축, 제주도 하천유량관측 지침서 개발, 물순환 해 석을 위한 수문성분 조사 등의 연구를 진행해왔다.
5개년의 연구기간을 2단계로 구분하여 1단계(1차년 도〜3차년도)에서는 ‘호우시 유량관측자료 구축 및 제주형 최적 유량관측기법 제안’, 2단계(4차년도〜5 차년도)에서는 ‘실용기술확보 및 실용화’로 추진하고 있다(그림 2).
그림 2. 제주 수자원연구단 1세부과제 연구추진 로드맵
2. 연구개발 주요내용
2.1 제주지역 수문조사 및 하천유출 관측
홍수기 유량은 홍수해석이나 방재 등에 매우 중 요한 자료이고 다양한 강우-유출모형의 검·보정 에 활발하게 활용되어 자료의 확보 및 관측 정확도 의 향상이 평시 유량 관측보다 더 중요하다. 하지만 홍수기의 하천 유속은 매우 빠르고 현장 계측 어려 워 제주 하천환경에서는 일반적인 접촉식 유속계를 활용하는데 한계가 있어왔다. 예를 들어 부자의 경 우 하천 곳곳에 형성된 소, 폭포 등으로 인해 사용이 불가하고, 대표적인 접촉식인 프로펠러유속계나 높 은 유량관측 정확도를 제공하는 초음파도플러유속 계(ADCP)도 홍수기 유량을 계측하는 데 매우 제한 적으로 활용되고 있다. 유량조사사업단에서 자동유 량관측으로 활용되고 있는 H-ADCP는 홍수 시 이 동하는 자갈 등에 타격을 받아 제주 하천에서는 적 용이 불가능한 실정이다.
결과적으로 홍수기 유량 관측의 정확도를 향상시 키고 현장 관측을 용이하게 하는 비접촉식의 유속
계측방식인 전자파표면유속계와 영상표면유속계가 육지부에 비해 대안으로 적극적으로 고려되고 있다.
또한 이러한 비접촉식 유속계측 방식의 검증용으로 태그라인을 활용한 ADCP 관측 방식도 도입되었다 (그림 3). 전자파표면유속계의 경우도, 고정식으로 단일지점의 유속을 측정하는 방식과 교량 등을 활용 하여 이동식으로 측정하는 방식이 각각 검토되었다.
영상유속측정 방식도 고정식 CCTV를 활용하는 방 식과 이동식인 Hand-held 비디오 캠코더를 활용하 는 방식으로 구분되어 고려되었다. 그림 4에서 제시 되었듯, 제주도 하천에서 지속적인 유량 관측을 위 해서는 고정식 전자파표면유속계와 CCTV가 적당하 고, 이러한 고정식 비접촉측정방식을 검보정하는 목 적으로 이동식 전자파표면유속계, 비디오 캠코더, ADCP가 활용되는 방식이 타당하다고 제안되었다.
결과적으로 제주하천의 유량측정을 위해서는 육지 부 하천의 유량 측정 표준 방식과 대다수 상이한 방 식이 활용되어야 함을 시사한다. 이러한 결론은 물 론 제주도 외에도 제주하천과 유사한 환경을 가진 국내 중소규모의 산지하천의 유량 산정에도 이러한 연구결과는 활용될 수 있다.
그림 3. 제주 하천 유량 관측 방식 검토 (제주시 한천 제2동산교)
현장 측정된 유량성과는 수위자료와 함께 수위- 유량 관계곡선식을 구축하면 추후 수위 관측만으 로 유량을 산정할 수 있어 국내 유량조사사업단 등 에서 보편적으로 활용되고 있다. 그러나 제주하천 과 같은 급경사 산지하천의 경우 홍수파가 확산파 (Diffusive wave)나 동역학파(Dynamic wave)를 형상할 가능성이 높고, 홍수기의 빠른 유속에 따른 강한 수류력으로 하상의 변화에 따른 조도의 변화도
발생하여 운동파에 기인한 단일 수위-유량 관계식 을 형상하지 못하고 고리형 (Loop) 수위-유량 관계 형성될 가능성이 높다. 2011년 8월 태풍 ‘무이파’ 현 장 관측자료를 기반으로 수위-유량 관계를 규명한 결과 홍수의 고조기와 퇴조기에 걸쳐 수위-유량 관 계가 단일 관계를 형성하지 못하고 고리형 수위-유 량관계를 형성함을 도출하였다(그림 5).
그림 4. 제주 하천 최적유량 관측 기법에 대한 제안
(2011년 제9호 태풍) (2012년 제7호 태풍)
수위-유량 관계의 고리현상은 단일 수위-유량관 계식을 적용할 경우 첨두유량 주변의 고조기와 퇴조 기의 유량이 동일 수위에서 상이하게 나타나므로 유 량관측 오차를 수반할 수 있으므로 제주도 하천 유 량 측정에 적합하지 않음을 확인 하였다. 따라서 제 주하천의 경우 수위와 유속을 동시에 관측할 수 있 는 유량 조사 방법이 적용되어야 할 것이다. 다만, 제주도 하천 중류의 제2동산교에 국한하여 도출된 결과로 하천경사, 하상조건, 유역조건 등이 상이한 제주도 하천의 경우에는 추가적인 연구를 통해 검증 할 필요가 있다.
2.2 CCTV 활용 유량 관측
고정식 유량 측정방식 중에 하나인 CCTV 활용 유량관측 기법은 제주도내 기 설치된 하천방재용 CCTV를 활용할 수 있다는 장점이 있어 별도의 설치 비용이 발생하지 않아 유량 관측지점의 지점수를 획 기적으로 증가시킬 수 있다. 또한, 고정식 전자파표 면유속계(Kalesto)와 유사하게 무인 실시간 유량관 측이 가능해 직접 유량관측이나 수위 관측만으로 유 량 관측이 어려운 제주하천의 특성 및 다 지역 동시
관측이 가능하다. CCTV의 유량 관측 사례는 기존 연구들에 의해 검증된 바 있으며, 각 하천이 독립적 으로 바다로 유출되는 제주도 하천에 경제적으로 양 질의 기초유량자료를 확보가 필요할 때 제주하천 최 적 유량 관측기법이라고 판단되었다. CCTV는 일정 시간이 지나면 자동 삭제되는 문제가 있어 제주도내 유관기관과 공동연구협약을 맺어 유출 발생 시 전 지점에 대하여 CCTV 관측자료를 지난 5년간 확보 하여 추후 영상 분석을 통해 유량 산정이 가능하게 하여 제주 지역 강우-유출 특성 분석에 기여할 것으 로 기대된다. 그림 6은 확보된 CCTV 영상을 기반으 로 표면유속장을 산정한 결과이다.
CCTV 유량관측기술은 고가의 기존 Kalesto 관 측기기(개소당 약 3,000만원)보다 저렴한 비용으로 유량 관측(개소당 약 1,000만원)이 가능하며, 기존 1 지점 수위-유속 관측자료를 100% 유량으로 환산하 는 방법이 아닌 단면전체 유속벡터를 이용하여 유량 을 산정하기 때문에 합리적인 유량자료를 구축할 수 있다. 또한, 태풍 사상별 기존 Kalesto와 CCTV의 태풍 사상별 유출을을 비교하였다(그림 7). 그 결과 고가의 전자파표면유속계와 거의 유사한 정확도로 유량 산정이 가능함을 알 수 있었다.
그림 5. 제주도 하천의 다양한 홍수 사상에 대한 고리형 수위-유량 관계 집중호우(2011. 11.18) 집중호우(2012. 08.23)
그림 7. CCTV 유량관측기술을 이용한 사상별 유출율 도출 그림 6. CCTV를 이용한 유량관측
2.3 상시하천 유출량 해석기술
제주도 북부지역에 위치한 외도천을 비롯하여 서 부지역의 옹포천 등 일부 9개 하천의 경우 해안과 가까운 지점의 하상과 측벽에서 용천수가 하천수의 흐름이 유지되고 있다(그림 8). 이 흐름은 기저유출 성분이기 때문에 가뭄에도 수량변화가 크지 않으며 수질도 양호하여 1970년대부터 상수원으로 개발하 여 이용하고 있으나 2003년에 FLOW-MAT를 이 용하여 조사를 수행한 이후에 현재까지 장기적 조
사가 이루어지지 않고 있다. 이들 하천을 통한 기저 유출량은 전체 용천수의 용출량에서 자치하는 비율 이 높을 뿐만 아니라 개소별 용출량도 많기 때문에 제주도 지하수의 기저유출 특성을 연구하는데 좋 은 대상이며, 제주도 지하수 함양과 배출규모, 지하 수 순환시스템, 기상변화에 따른 기저유출량의 변 동 등을 밝히기 위한 기초자료 확보를 위해서 총 9 개 상시하천에 대하여 2주에 1회 기저유출량 관측 을 수행하였다.
그림 8. 제주도 9개 상시하천의 위치도
지속적인 기저유량을 통하여 하천별 각 지점별 월별 유출패턴 자료를 지속적으로 관리하여야 제 주지역 지하수 의존율을 감소할 수 있을 것으로 판 단되어 상시하천 용천수의 활용도를 높이기 위하여 장기간(2011년 〜현재) 관측자료를 이용하여 평수
위에 대한 수위-유량관계곡선을 구축하였으며, 홍 수시 상시하천의 유출은 토사를 동반하기 때문에 이수적인 측면에서 평수위에 대한 곡선식을 수립하 였다(그림 9).
2.3 물수지 분석을 위한 수문성분 조사
제주도 주변 해역에서 발생하는 해저용출수를 탐 지하기 위해 제주도 주변 해역에서 무인비행선을 이 용하여 해저용출수 예상 지점을 탐지하였다. 연안에 서 해저용출수를 탐지하기 위해 위성영상보다 더 높 은 해상도의 해수면 온도 분포를 얻을 수 있는 무인 비행선에 열화상카메라를 탑재하여 연구를 수행하
였다(그림 10). 다수의 현장조사 결과를 통해 열화상 카메라를이용한 해수면 온도분포는 위성영상을 이 용했을 때보다 더 높은 공간 해상도와 온도 해상도 를 갖는 영상을 획득하였다.
제주도 남쪽에 위치한 화순해수욕장을 대상으로 촬영한 열화상 영상을 분석 프로그램을 통하여 분 석을 실시하였으며, 그림 11(a)와 같이 왼쪽 상단에 서 조금씩 높은 값들이 분포하고 있지만, 전체적으 그림 9. 지표수자원 활용을 위한 9개소 상시하천 수위-유량곡선
로 비슷한 경향이 나타고 있으나 평균 해수면 온도 는 약 20.5℃로 분석되었다. 해수면 온도 그래프 그 림 11(c)와 같이 ‘-’값의 편가차 뚜렷이 나타는 조사 지역을 파악할 수 있었다.
3. 맺음말
제주지역 수자원 관리를 위해 수문 지질학적 특성 을 반영한 하천유출특성을 해석하고 정밀 하천유출 관측기법을 개발하며, 제주도에 적합한 하천유출특 (c ) 화순해수욕장 온도차 그래프
그림 11. 조사 경로 및 해저용출수 예상 분포 예상 지역
(a) 열화상카메라 분석 (b) 비행선 이동경로 및 용출수 예상 지점 그림 10. 제주지역 해저 용출수 발생지역 조사
성 해석 기술을 도출하여 제주도의 유출량 및 물 순 환 해석의 기초자료를 확보와 정확한 유량환산 기법 을 적용한 제주도 전체의 물 순환 해석기술의 선진 화를 목적으로 연구를 진행하고 있다. 제주도내 유 관기관에 제공하는 1세부과제의 주요 실용화성과는 다음과 같다.
첫째, 하천 유량관측 DB 구축은 홍수유출 현장관 측자료, CCTV 유량관측자료, 상시하천 유량자료 등 제주도의 하천유량 DB 및 수위-유량관계곡선 식 구축 등을 통하여 관측자료에 기반한 호우 사상 및 유역별 유출특성 해석 결과를 도출하여 제주지 역 하천관련 계획에 반영 할 수 있도록 지자체 대상 으로 본 연구에서 제시한 연구성과 활용방법 및 DB 성과 형식 협의하여 제공하기 위해 지속적인 실용화 추진을 하고 있다.
둘째, 제주형 하천 유량 관측지침서는 다년간 현 장조사 경험을 바탕으로 제주 환경에 적합한 첨단관 측기기별 최적 활용방안 제시하여 하천조사 및 하천 계획 과업 시 제주지역 현장 유량관측지침서로 활용 이 가능할 수 있도록 제주형 하천 유량 관측지침서 를 배포할 계획이다.
셋째, 전자파 방식 무인자동유량 측정 정밀도 향 상은 기존 관측기기의 정밀도를 향상하는 보정식을 개발힉 위하여 1차년도〜4차년도까지 유출발생 시 에 지속적으로 유량 관측을 수행하였으며, 확보된 현장 유량관측자료를 이용하여 Kalesto 설치 위치 별 보정식을 제공할 계획이다.
제주지역 특성에 적합한 하천 및 홍수 해석관련 기술력 향상과 대책수립 등 관련분야 인프라를 구 축하여 연중행사로 반복되는 홍수재해로부터 제주 도민의 수중한 인명과 재산을 안전하게 지킬 수 있 도록 선제적으로 대비·대응하기 위한 지속적인 연 구·조사를 위해 국내외 수자원 관련 전문가 및 제 주도내 유관기관 전문가들의 아낌없는 조언과 지속 적인 관심을 바라는 바이다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부 건설교통기술지역특성화사 업(10지역기술혁신BO2)의 연구비를 지원받아 수행 되었습니다.
