한 국 방 재 학 회 논 문 집 제8권 5호 2008년 10월
pp. 137 ~ 145
하천방재
지하방수로 설계를 위한 적정 위치선정 및 규모 결정에 관한 연구
A Study on the Determination of Optimal Location and Size
for Underground Sluiceway Design 이종태*·임택선**·허성철***·박상식****
Lee, Jong-Tae · Lim, Taek-Sun · Hur, Sung-Chul · Park, Sang-Sik
···
Abstract
In this study, to reduce the flood damage caused by flood discharge exceeding project flood, the primary technology was applied to determining the optimal location and size for underground sluiceway. The Jungrang Stream was selected for this study because the stream was overflowed and the embankment section of the stream was destroyed owing to localized torrential rainfall in 1998 and 2001. Considering 200-year frequency storm, the inlets of the underground discharge channel were located at Seoul City lim- its, the confluence of Danghyun Stream, Wolgye 1-gyo, and the confluence of Mukdong Stream. The outlets were located at the estuary of Jungrang Stream and rightbank of Banpo Bridge in Han River. The transverse discharge according to the variation of overflow depth at the inlet of underground discharge channel was estimated and the effect of inundation reduction was analyzed.
To examine the appropriate scale of the underground discharge channel, the 8 operation methods for the management of outlet dis- charge were compared considering four rules (only storage, the constant discharge rate, the constant discharge volume, and the mixture of the constant discharge rate and discharge volume). As a result, the effect of inundation reduction was most signifi- cantly improved when the inlet was located at the confluence of Danghyun Stream. The appropriate size of underground sluice- way for 200-year frequency storm was studied, and as a result, the appropriate diameters of the underground discharge channel were 12 m in case of only storage(Rule D), 9m in 50% of discharge(Rule E), 8 m in constant discharge volume(Rule F), and 7 m in mixture method(Rule G). This investigation process can be applied to design the underground discharge channel when the inun- dation damage is significant in coastal area due to embankment overflow. The underground discharge channel in Jungrang Stream can also be used as an underground road to link Seoul City to Uijeongbu City during dry season.
Key words :
Underground sluiceway, Urban stream, Urban flood, Jungrang stream
요 지
이연구는계획규모를초과하는홍수량으로인하여예상되는하천범람피해를경감하기위한지하방수로계획에서의적정위 치선정 및규모를결정하기위한 기초분석기술에대한 것으로서
, 1998
년과2001
년에집중호우로 일부제방의범람및붕괴에 의해막대한손실이발생한중랑천을대상으로하였다.
지하방수로의유입부위치는200
년빈도홍수에취약한서울시경계,
당현천합류부
,
월계1
교,
묵동천합류부의4
곳을후보지로선정하였고,
유출부는국공유지로서사용이가능한중랑천하구부와한 강의반포대교우안부을선정하였다.
유입부의월류고별횡월류량을산정하고홍수저감효과를분석하였다.
검토결과,
유입부의 위치는당현천합류부가적정한것으로판단되었는바,
이곳에지하방수로유입부를설치하였을때홍수저감효과가가장큰것으 로나타났다.
지하방수로의적정규모검토를위해방류구운영규칙을단순저류,
일정률,
일정량,
일정률+
일정량의혼합방류의4
가지방식을기본으로하는
,
총8
가지경우를적용하여비교·분석하였다. 200
년규모의홍수에대응하는지하방수로의적정규모 를검토한결과방수로의크기는 단순저류(Rule D)
일때가장큰규모인직경12 m
로분석되었고,
일정률 방류(Rule E)
에서는50%
방류에서직경9 m,
일정량방류(Rule F)
에서는직경8 m,
일정량+
일정률 방류(Rule G)
의경우는직경7 m
로각각 산 정하였다.
이연구에서제시한검토과정은하천제방의범람으로연안의침수피해가막대할 것으로예상되는경우에EAP
차원에서의방수로건설계획에유용할것으로판단된다
.
또한,
중랑천방수로를건기시에는서울시와의정부지역을연결하는지하 도로로활용하는방안을함께고려함으로써방수로의활용성을크게증대시킬수있을것으로판단된다.
핵심용어 :지하방수로
,
도시하천,
도시홍수,
중랑천*
정회원·경기대학교토목환경공학부교수(E-mail : [email protected]) **(
주)
동명기술공단수자원부사원***
경기대학교토목환경공학부박사후연구원****
경기대학교토목환경공학부박사과정1. 서 론
최근의 이상강우와 도시화로 인한 하천유역의 저류능력의 감소에 따라 홍수피해 규모가 대형화 되고 , 발생빈도도 증가 되고 있다 . 이에 대한 대책으로 외국에서는 홍수유출량 저감 방안으로서 저류지 , 지하방수로 , 지하하천 등에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다 . 방수로는 도시지역 내에서 홍수로부 터 피해를 최소화하기 위하여 홍수량을 분담하여 하류로 소 통시킴으로서 홍수위를 저감할 수 있을 뿐만 아니라 평상시 에는 도시 교통난 해소에도 기여 할 수 있다 . 예로서 말레이 시아의 SMART (Stormwater Management and Road Tunnel)
터널의 경우 평상시에는 교통을 분담할 수 있는 도로로 이용 하고 호우시에는 터널을 이용하여 홍수량을 분담하고 있다 .
국내의 경우에는 방수로 , 저류지 , 지하방수로 , 지하하천 등 에 관한 구체적인 설계의 지침 및 기술적 자료가 부족하나 ,
최근에는 굴포천 , 목감천 , 도림천 등의 유역에서는 방수로를 활용하려는 시도가 적극적으로 이루어지고 있으며 , 김창완 , 이 두한 등은 지하방수로에서 수리현상 및 설계에 대한 실험을 수행하고 있다 (2006).
중랑천은 1998 년 8 월 집중호우로 인한 홍수위 상승으로 서
울지역의 제방 유실 및 범람 , 역류 등이 발생하였으며 , 이로 인하여 도봉동 시민아파트 지역을 시작으로 침수가 발생하였으 며 , 하류방향의 노원마을 , 방학천 하류 및 공릉지역에서 계획홍 수위를 초과함으로써 제방범람에 의한 침수피해가 발생하였
다 . 또한 . 2001 년에는 강우가 집중되어 중랑천 연안에 위치한
공릉동 , 석관동 , 이문동 , 휘경동 , 중곡동 등의 지역에서 하천수 위상승으로 인하여 신속한 우수배제가 이루어 지지 못하여 대 단위의 홍수피해가 발생하였으며 중랑천 지류인 성북천과 정 릉천의 일부구간은 제방월류에 의한 홍수피해가 가중되었다 .
이 연구에서는 과거 대규모 침수피해가 발생한 서울시의 대표적인 도시하천인 중랑천유역을 대상으로 지하방수로 설 치 위치에 따른 홍수위 저감 효과 분석 및 적정규모를 검토 하기 위한 실용적인 수문 , 수리학적 접근방법을 제시함으로써 도시유역의 홍수관리에 예방에 기여코자 한다 .
2. 방수로 계획과 홍수위 저감효과 분석 2.1 방수로 계획을 위한 수문·수리분석
방수로 계획을 위한 수문·수리분석 절차는 크게 방수로 계획 규모 및 목표 저감수위를 설정하고 이에 따른 방수로 월류부의 위치선정과 방수로 유출구의 위치에 따른 선형 결 정 , 방류구 운영규칙 및 적정 방수로의 규모를 채택하게 된 다 . 또한 , 채택된 방수로 규모에 따른 경제성 분석을 실시함 으로써 방수로의 계획이 이루어진다 .
먼저 , 방수로의 계획 규모 및 목표 저감수위를 설정하기 위하여서는 각 빈도별 강우분석 및 홍수량 산정이 선행되어 야 하며 , 산정된 홍수량을 통하여 홍수위 분석을 실시하고 이에 따른 하도 및 제방의 안정성 평가를 수행하게 된다 . 하 도내에 위험지구가 평가되면 방수로 설치계획 시나리오를 구 성하고 각 시나리오별 월류량에 따른 저감효과를 산정하게
된다 . 산정된 저감효과에 따라 방수로 월류부의 최적 설치위
치가 결정되면 방류구의 위치를 선정하고 이에 따른 방수로 경사 등의 선형 작업을 수행하게 된다 . 방수로 선형 작업이 완료되면 월류량과 방수로 운영규칙을 통하여 방류량에 따른 저류량을 산정하게 되고 산정된 저류량에 맞는 적정 규모를 채택한 후 최적 방수로 설치규모를 산정하게 된다 . 방수로의 설치에 따른 홍수피해저감액과 방수로 설치비용에 대한 경제 성 분석을 실시하게 되면 방수로 계획 절차가 완료된다 .
각각의 방수로 계획 절차에서는 특성에 맞는 수문·수리분 석을 실시하게 되며 다양한 시나리오에 따른 해석을 통하여 보다 적정한 해석결과를 얻을 수 있다 . 또한 , 목표 저감빈도 에 따른 설치 위치 , 규모 및 운영규칙 등이 변화함으로 최초 계획에 신중을 기해야 할 것이다 . 방수로 시스템의 설계절차 는 그림 1 과 같다 .
2.2 적용이론
횡월류에 의하여 초과 홍수량을 방류하는 조건에서 주하도 내의 홍수위 분석을 위하여 측방향유입량을 포함하는 부정류 의 해석과정이 필요하다 . 이를 위하여 이 연구에서는 HEC- RAS(UNET) 모형 (HEC, 2004) 을 사용하였다 ( 식 1, 식 2).
(1)
(2)
여기서 , Q; 유량 (m
3/s), A; 통수단면적 (m
2), V; 평균유속 (m/s), q
l;
측방유입량 (m
3/s), z; 수심 (m), g; 중력가속도 , S
f; 마찰경사 (m/
m), t; 시간 (sec), x; 종방향거리 (m) 이다 .
한편 , 지하방수로의 유입유량 산정을 위하여 British 식 , Dominguez 식 , FFC 실험식 ( 김창완 , 2005) 을 적용하여 횡월 류량을 비교 분석하였다 . 횡월류량 산정식을 통하여 산정된
결과를 토대로 Dominaguez 식은 유량계수 C 에 따라 주관적
인 결과를 제시하고 있으며 , FFC 실험식은 예언위어에 대한
식인 점을 감안하여 위어의 제원 및 수리학적 조건을 비교적 많이 고려하고 횡월류량이 비교적 크게 산정되는 British 식
∂A∂t
--- +
∂Q---
∂x–
ql= 0
∂Q∂t
--- +
∂QV---
∂x+
qA ∂z⎝⎛∂x--- +
Sf⎠⎞= 0
그림
1.
방수로시스템의설계절차으로부터 수위별 월류량 관계식을 작성하고 이로부터 방수로 유입유량을 산정하였다 .
각 횡월류량 산정식은 다음과 같다 .
1) 영국 횡월류 위어 (British Side Weir) 식 ( 김창완 , 2004) (3)
여기서 , Q
s; 횡월류량 (cms), η ; 위어의 형상계수 , g; 중력가속 도 , L; 위어 폭 (m), h; 월류고 (m), J; h/L 과 h/p 에 의해서
결정되는 계수 , K; h/p 에 의해서 결정되는 계수 , p; 본류 하
상에 대한 위어 마루부의 높이 , B; 횡월류위어 설치 지점에서
의 본류의 평균 하폭 , Fr; 위어 하류단에서의 Froude 수이다 .
2) Dominaguez 식
(4)
여기서 , Q
s; 횡월류량 (cms), C; 유량계수 , b; 위어 폭 (m), h;
월류고 (m) 이다 .
3) FFC 실험식 ( 김창완 , 2005)
(5)
여기서 , Q
s; 횡월류량 (cms), b; 위어 폭 (m), y; 본류수위 , h;
예연위어의 마루고 , y-h; 월류고 (m) 이다 .
또한 , 지하방수로의 방류유속을 검토하기 위해 상·하류의 경계조건을 고려하여 산정하였다 . 일반적으로 우수관거의 적
정유속인 0.8~3.0 m/s 와 유사하다 . 이때 방수로의 설계방류량
은 방류관의 저류능력과 조작기준에 의한 방류조건을 고려하 여 산정한다 .
2.3 대상유역
중랑천은 경기도 양주시 주내면 산북리 불국산에서 발원하 여 의정부시의 중심부를 통하여 남류하다가 하류부인 성동구 송정동에서 서류하여 사근동에 이르러서 유역의 최대지류인 청계천과 합류후 한강본류의 성수대교 우안으로 유입되는 한
강의 제 1 지류이다 . 이 하천에는 청계천 , 우이천 , 당현천 , 면
목천 등의 제 1 지류와 정릉천 , 화계천 , 민락천 등의 제 2 지 류가 있다 . 이 유역은 도시지역이 3/4 을 차지하는 우리나라의 대표적인 도시하천으로서 유역면적 약 296.0 km
2, 유로연장이
약 34.80 km 이다 . 서울특별시와 경기도가 전체유역의 약
60% 와 40% 를 각각 점하고 있으며 , 도시지역의 대부분은 인 구밀집지역이고 농경지는 주로 중·상류부의 제 1, 2 지류 연 안에 다소 분포하고 있다 ( 표 1).
2.4 가상방수로 유출·입구의 가상위치 및 홍수규모 가상 방수로 설치 후보지점을 선정하기 위하여 중랑천의 계획빈도 (100 년 ) 를 상회하는 200 년 , 300 년 , 500 년 빈도 홍수 로 인한 제방의 월류 위험구간을 검토하고 범람해석을 실시 한 연구결과를 활용하였다 ( 이종태 등 , 2007, 허성철 등 , 2007). 이에 의하면 계획빈도 (100 년 ) 를 초과하는 200 년 빈도 홍수시 당현천 합류점 제방 우안부에서 , 300 년 홍수시에는 서울시 경계와 월계 1 교 지점에서 추가로 제방을 월류하였으
며 , 500 년 홍수시에는 좌·우안 제방의 대부분 구간에서 월
류가 발생하는 것으로 분석되었다 ( 표 2).
한편 , 가상방수로의 유출부로는 국공유지로서 사용이 가능
한 지점으로서 중랑천하구 ( 서울숲 인근 , Line 1) 와 , 한강의 반포대교 우안 ( 고수부지내 , Line 2) 의 우안을 대상지점으로 선정하였다 ( 그림 2 (a), (b)).
방수로 유입부의 적정위치를 평가하기 위해서는 제방 범람 위험성이 가장 큰 당현천 합류부 , 월계 1 교 지점 , 서울시 경계 ,
묵동천 합류부의 4 개소를 가상방수로 유입부의 설치 후보지 점으로 선정하였다 ( 그림 2). 상류단인 서울시계에서의 경계조 건으로서는 200 년 빈도 홍수량을 , 하류단 경계조건으로는 한
강 200 년 빈도 홍수위를 설정하였다 . 한편 , 4 개 가상유입부의 월류부폭은 30~70 m, 월류부 마루높이는 계획홍수위 , 위험홍 수위 및 경계홍수위를 각각 적용하여 총 10 가지 case 를 구성 하였다 ( 표 3).
2.5 횡월류량 산정
방수로의 유입부는 횡월류의 형식으로 일정수위를 초과하
Qs η gLh1.5 J K LB
---
⎝ ⎠⎛ ⎞Fr
–
=
Qs
=
Cbh1.5Qs
= 1.38
b y h(–
)1.3표
1.
배수구역현황유역명 면적
(km
2)
유로연장(m)
유역경사 대표토양형 토지이용중랑천
296.0 34.80 1/1,150 A, B
임목지(43%),
주거및상업지(31%),
기타(26%)
<
자료>
대학과연계한하천관리방안연구(
서울특별시, 2007)
표
2.
중랑천홍수규모및제방범람지점 제방범람위치200
년빈도300
범람유무년빈도500
년빈도좌안 우안 좌안 우안 좌안 우안
서울시경계 ○ ○ ○ ○
방학천합류점 ○
당현천합류점 ○ ○ ○ ○ ○
월계
1
교지점 ○ ○ ○묵동천합류점 ○ ○ ○
(
주)
○표는월류발생면 월류하여 지하방수로를 통하여 한강으로 방류되는 시스템 을 설정하였다 .
방류 목표 홍수량은 최근 10 년간 중랑천에 가장 큰 피해를 발생시킨 ’98 년 8 월 홍수량이 200 년 빈도와 유사하게 발생된 점을 감안하여 계획빈도 (100 년 ) 를 상회하는 200 년 빈도 홍수시 의 각 유입부 지점에서의 수위와 월류량을 부정류해석에서의 내부경계조건으로 산정하고 , 각 CASE 별 하류부 주요지점의 수 위 저감효과를 산정하였다 . 이때 횡월류부의 폭은 30~70 m 까
지 20 m 간격으로 , 횡월류위어의 월류부 마루표고는 계획홍수
위 , 위험홍수위 및 경계홍수위로 각각 선정하였다 ( 표 3, 4).
표 5 는 횡월류 위어의 마루높이를 위험홍수위로 적용하고 월류부 폭에 따른 월류량 산정 결과를 비교한 것으로서 같은
조건에서 British 식이 가장 큰 횡월류량을 나타냈으며 ,
Dominguez 식이 중간값 , FFC 실험식이 가장 작은 값을 나
타내어 각 실험식의 개발배경 및 제약조건에 따라 상당한 차 이를 보여 주었다 .
2.6 홍수저감효과 분석
이상의 계산조건에 따라 UNET 로 주요지점별 홍수위 및 월류량을 산정하고 횡월류에 따른 수위저감효과를 분석하였다 .
CASE A 에서 서울시경계에 월류부를 설치한 경우 (A-1) 에
는 전구간에 홍수위 저감효과가 나타났으나 , 주요 침수위험 지역인 당현천 합류부부터 묵동천 합류지점 구간에서는 (A- 2) 의 경우보다 저감효과가 작게 나타났다 . 즉 , 당현천 합류지
그림
2.
가상방수로유출입부설치지점 표3.
방류구위치및월류수위조건구분
CASE
적용조건유입부위치
A-1
시경계월류고
:
위험홍수위 월류부폭: 70 m
A-2
당현천A-3
월계1
교A-4
묵동천횡월류부설계조건
월류부폭
(m)
B-1 30 m
월류부위치
:
당현천 월류고:
위험홍수위B-2 50 m
B-3 70 m
월류부 마루높이
(EL.m)
C-1
계획홍수위월류부위치
:
당현천 월류부폭: 70 m C-2
위험홍수위C-3
경계홍수위표
5.
첨두월류량비교(
마루높이:
위험홍수위)
월류부폭
(m)
월류고
(m)
첨두월류량
(cms)
British
식Dominguez's
식FFC
실험식30 m 50 m 70 m 30 m 50 m 70 m 30 m 50 m 70 m
0.50 17.50 28.62 38.57 15.49 25.81 36.13 16.81 28.02 39.23
1.00 53.13 86.89 107.27 43.80 73.00 102.20 41.40 69.00 96.60
1.50 99.83 163.26 194.76 80.47 134.11 187.75 70.13 116.89 163.64
2.00 155.41 254.16 297.72 123.89 206.48 289.07 101.94 169.90 237.86
표
4.
가상방수로설치지점별월류부마루높이 지점가상월류부마루높이
(EL.m) 200
년빈도(
비월류시)
홍수위계획 위험
홍수위 경계
홍수위 홍수량
(cms)
홍수위(EL.m)
서울시경계
31.03 30.33 29.78 940 31.32
당현천합류점
21.01 19.57 18.80 1,223 21.56
월계
1
교19.39 18.30 17.64 1,436 20.10
묵동천지점
17.66 16.14 15.27 1,430 18.64
점에 횡월류부를 설치한 결과 당현천 합류지점 및 월계 1 교
지점에서 200 년 빈도 홍수위 보다 약 0.45 m 의 저감효과를
보여 , 100 년 빈도 홍수위에 근접하는 것으로 분석되었다 . 월
계 1 교 및 묵동천 지점에 설치한 경우 (A-3, A-4) 에서는 약
0.2~0.4 m 저감되었으나 당현천 합류지점에 설치하였을 때보
다는 저감효과가 작은 것으로 나타났다 .
월류부의 규모 ( 폭 ) 에 따른 홍수위 저감분석을 위한 CASE
B 의 경우에서 월류부 폭이 클수록 홍수위 저감 효과도 크게
나타났으며 , 월류폭이 70 m 일때 월류위험구간인 당현천 합류
부 및 월계 1 교 구간의 홍수위가 100 년 빈도 계획홍수위에 근접함을 알 수 있었다 .
또한 , 월류부의 마루높이에 따른 홍수위 저감효과를 분석을
위한 CASE C 의 검토결과 월류고 높이를 경계홍수위
(EL.18.80 m) 로 적용한 경우 (C-3) 가 위험홍수위 (EL. 19.57 m)
를 적용했을 경우 (C-2) 보다 당현천 합류지점에서 약 0.3 m
의 홍수위 저감 효과가 더 발생하였으며 계획홍수위 (EL.
21.01 m) 보다 낮은 수위를 나타내었다 .
모의 결과를 종합적으로 비교 검토하며 , 당현천 합류지점에
월류부폭 70 m, 월류부 바닥표고를 위험홍수위 (EL.19.57 m)
로 하는 횡월류부를 설치하는 것이 제방월류 위험지역의 홍 수위 저감 효과가 계획홍수위와 비슷한 결과를 보여 비교적 타당한 경우로 판단된다 ( 표 6, 그림 3).
3. 지하방수로 적정 저류용량 및 최적 규모 검토 3.1 지하방수로의 적정 저류용량 검토
가상 지하방수로의 적정 규모를 검토하기 위한 조건으로서 유입부는 홍수위저감효과가 가장 큰 당현천 합류지점으로 정 하였으며 , 지하방수로의 유입량은 British 식에 의하여 산정하 였다 . 횡월류 위어의 바닥표고는 위험홍수위 (EL.19.57 m) 를 적
표
6.
방수로설계조건에따른주요지점별저감홍수위(m)
주요지점 홍수위
(EL.m) CASE A CASE B CASE C
100
년200
년A-1 A-2 A-3 A-4 B-1 B-2 B-3 C-1 C-2 C-3
서울시경계
31.03 31.32 0.15 - - - - - - - - -
노원교
27.96 28.26 0.08 - - - - - - - - -
당현천합류부
21.01 21.55 0.08 0.45 0.20 0.05 0.24 0.36 0.45 0.07 0.45 0.70
월계
1
교19.39 20.07 0.08 0.44 0.38 0.13 0.25 0.36 0.44 0.07 0.44 0.67
묵동천합류부
17.88 18.64 0.05 0.22 0.19 0.22 0.13 0.18 0.22 0.04 0.22 0.34
청계천합류부
15.73 16.85 0.01 0.02 0.02 0.02 0.01 0.02 0.02 0.01 0.02 0.03
중랑천하구
15.48 16.64 - - - - - - - - - -
(
주) - :
방수로횡월류량이없는경우임그림
3.
홍수위저감효과비교용하였으며 , 월류부 폭은 70 m 로 적용하였다 . 모의 결과 횡월
류부를 통한 지하방수로 유입유량은 최대 약 180 cms 로 분석
되었으며 , 200 년 빈도 홍수조건에서 , 강우지속시간 약 10 hr 의
누가유입량은 약 1,592,000 m
3로 산정되었다 ( 그림 4).
방수로의 규모를 검토하기 위해 먼저 , 유입부로 당현천 합
류부에서 유출부인 중랑천 하구의 서울 숲 (Line 1) 과 반포대
교 우안 (Line 2) 에 원형의 가상 지하방수로 방류구를 설치하
였고 , 방수로의 최소규모를 왕복 2 차선 도로의 규모를 토대
로 최소 직경이 7.0 m 이상으로 설정하였으며 방수로 규모별
최대 저류가능용적을 산정하였다 ( 그림 2).
방수로 유입부인 당현천합류부에서부터 서울숲까지의 방수
로 연장은 약 14.2 km, 반포대교 우안까지는 약 18.0 km 로서
서울숲보다는 반포대교우안으로 방류구를 설치하였을 때 더 많은 양이 저류될 수 있다 . 방수로의 형태에 따른 저류량은 정 사각형 (10 m × 10 m) 의 경우가 원형 ( 직경 10 m) 의 방수로보다 약 27% 를 초과한 홍수량을 저류하는 것으로 나타났다 ( 표 7).
3.2 지하방수로의 최적규모검토
3.2.1 방류조건별 방수로규모
지하방수로의 최적규모검토를 위해 방류조건을 8 가지의 조 작기준 (operation rule) 로 구성하였다 . Rule D 는 만관까지 방 류량이 없이 단순저류만하는 경우이며 , Rule E 는 일정률 방
류로서 E-1 은 유입량의 30%, E-2 는 50% 를 방류하는 경우
이다 . Rule F 는 일정량 방류로 10 cms~70 cms 의 범위에서
20 cms 간격으로 4 가지의 rule 를 구성하였다 . Rule G 는 일
정량 및 일정률 방류로서 50 cms 보다 작은 유량이 유입될
경우에는 전량 방류하고 , 50 cms 보다 큰 유입량에 대해서는
일정률 50% 를 추가 방류하는 방식이다 ( 표 8).
이상의 각 조건에 대한 지하방수로 규모에 대한 검토 결과 는 다음의 < 표 9> 와 < 그림 5> 와 같다 . 즉 , Rule E 의 경우 50% 방류에서 Line 1( 서울숲 ) 및 Line 2( 반포대교 우안 ) 에 서의 지하방수로 크기는 여러 Rule 중에서 가장 작은 직경
7 m, 직경 6 m, 또는 6 × 6 m, 5 × 5 m 로 각각 산정되었다 .
표
7.
방수로규모별가능저류량(
당현천)
방수로 설치위치
방수로규모 방출구위치에따른저류용적
(10
3m
3)
직경
(m)
폭×
높이(m×m) Line 1(
서울숲) Line 2(
반포대교우안)
원형 정사각형 원형 정사각형
당현천
7 7×7 546.2 695.8 692.4 883.6
8 8×8 713.4 908.8 904.3 1,154.1
9 9×9 902.9 1,150.2 1,144.5 1,460.7
10 10×10 1,114.7 1,420.0 1,413.0 1,803.3
11 - 1,348.8 - 1,709.7 -
12 - 1,605.2 - 2,034.7 -
표
8.
지하방수로의조작기준(OR)
조건Rule Rule D E-1 Rule E E-2 F-1 F-2 Rule F F-3 F-4 Rule G
비고방류조건 방류량없음
30% 50% 10 cms 30 cms 50 cms 70 cms 50 cms + 50 %
표
9.
지하방수로의조작기준(OR)
에따른방수로최적규모 운영규칙 최대누가저류량(10
3m
3)
방수로직경(m)
방수로규모(m × m)
Line 1 (
서울숲) Line 2 (
반포대교우안) Line 1 (
서울숲) Line 2 (
반포대교우안)
Rule D 1,592.3 12 11 11 × 11 10 × 10
Rule E E-1 1,114.6 10 9 9 × 9 8 × 8
E-2 796.2 9 8 8 × 8 7 × 7
Rule F
F-1 1,440.5 12 11 11 × 11 9 × 9
F-2 1,163.6 11 10 10 × 10 9 × 9
F-3 923.0 10 9 9 × 9 8 × 8
F-4 702.2 8 8 8 × 8 7 × 7
Rule G 461.0 7 7(6) 7 × 7(6 × 6) 7 × 7(5 × 5)
(
주) ( ) :
실제방수로의최적규모임.
그림
4.
방수로유입량및누가유입량(
당현천합류부)
일정량 방류의 경우 (Rule F) 는 10 cms 에서 70 cms 로 갈수록
방수로의 폭이 점점 작아졌으며 , 70 cms 방류에서는 서울 숲
과 반포대교 우안에서 모두 8 m 폭이 적당한 것으로 나타났다 .
정사각형 방수로에서는 8 × 8 m, 7 × 7 m 의 크기로 분석되었
다 . 한편 , 일정률과 일정량을 동시에 고려한 방법 (Rule G) 에
서는 50 cms 보다 작은 유량이 유입될 경우 전량 방류하고
50 cms 보다 큰 유입량에 대해 일정률 50% 의 방류를 모의하
였으며 , Line 1 은 직경 7 m 또는 6 × 6 m, Line 2 는 직경
6 m 및 5 × 5 m 의 크기를 나타냈다 .
이상의 비교·검토 결과 유입량을 일정비율로 내보내는 방 법은 운영 방식면에서 어려움이 예상됨으로 일정량 70 cms 를
방류하는 직경 8 m( 정사각형 8 × 8 m) 의 지하방수로를 설치하
그림
5.
지하방수로운영에따른저류량비교는 것이 적정한 것으로 판단되었다 . 그러나 설계 홍수를
PMF 로 하는 경우에는 방수로규모가 상향조정될 것이며 , 지 금까지의 분석과정에 준해서 계획안을 구성해 나갈 수 있을 것이다 . 또한 평상시 지하도로로 사용할 경우에는 별도의 단 면 및 종단형상의 설계사항이 도입되어야할 것이다 .
3.2.2 방수로 방류 유속검토
지하방수로의 방류유속을 검토하기위해 각 조건에 따라 연 속방정식과 매닝의 평균유속공식 및 마찰손실공식을 사용하 여 방수로에서의 발생되는 최대유속을 산정하고 그 적정성을 검토하였다 .
방류유속계산시 손실수두는 각 방류조건의 case 에 따라
0.7 m 에서 5.7 m 까지 적용하였고 손실계수는 매닝공식으로부
터 산정한 값을 사용하였다 ( 표 10).
방류유속검토 결과 Rule E-1(Line 1) 에서는 방류소요유속
1.41 m/s, 자연유하유속 2.03 m/s 로서 수문의 조작만으로 운영이
가능하였다 . Rule F 의 경우에서도 Rule F-4 에서 각각 1.39 m/s,
1.91 m/s 의 결과를 나타내어 자연유하에 의한 방류량 조절이
가능하였다 . 그러나 Rule G 에서는 방류소요유속이 자연유하 유속보다 크게 산정되어 이 경우에서는 펌프에 의안 배수 시 스템이 요구된다 . 이상의 산정결과에서 알 수 있듯이 Rule G 를 제외한 다른 운영규칙에서는 수문조작에 의한 유량조절 에 의해 방류가 이루어 질 수 있을 것으로 판단되었다 .
4. 결 론
지하방수로에 의한 홍수량 저감 방안을 구체화하기 위한 실용적 수문 수리분석 과정을 제시함으로써 홍수방재계획수 립에 기어코져 하였다 . 이를 위하여 중랑천 유역을 중심으로 방수로 설치조건에 따른 홍수위 저감효과를 분석하였으며 , 횡
월류량과 방수로 방류조건에 따른 최적규모를 산정하는 실용 적 분석과정을 제시하였다 .
(1) 방수로 유입부의 위치선정은 홍수위 저감에 중요한 사 항임을 알 수 있었으며 설치가능 후보지들에 대한 비 교 평가가 매우 중요하다 . 중랑천의 경우 침수취약지역 인 당현천 ~ 월계 1 교 구간에서의 수위 저감효과는 당현
천 합류점 , 월계 1 교 , 묵동천 , 서울시경계 순으로 나타났 다 . 중랑천의 홍수위 저감효과를 가장 극대화하고 이상 강우로부터 홍수범람을 최소화하기 위해서는 동일규모 의 방수로 설치시 당현천 합류지점에 설치하는 것이 가장 적합한 것으로 판단된다 .
(2) 위어 폭 (CASE B) 및 월류고 (CASE C) 가 증가할수록
수위가 저감되는 효과가 큼을 알 수 있었고 , 각각 최
대 0.45, 0.70 m 의 수위저감효과를 나타내었으며 , 횡월
류폭 보다는 횡월류고가 월류량에 더 민감한 것으로 나타났다 .
(3) 당현천 합류지점에 방수로를 설치 (CASE A-2, B-3, C-2) 한 경우에서는 중랑천의 가장 취약지구인 당현천 합류점 ~ 월계 1 교 지점 및 방학천 합류지점까지 200 년 홍수위는 100 년 빈도 홍수위에 근접하는 저감효과를 보였다 .
(4) 200 년 규모의 홍수에 대응하는 지하방수로의 적정규모
를 검토한 결과 단순저류 (Rule D) 일 때 가장 큰 규모
인 직경 12 m 로 분석되었고 , 일정률 방류 (Rule E) 에서
는 50% 방류에서 직경 9 m, 일정량 방류 (Rule F) 에서
는 70 cms 방류시에 직경 8 m, 일정량 + 일정률 방류
(Rule G) 의 경우는 직경 7 m 의 결과를 나타냈다 . 그러 나 적용홍수 규모를 PMF 의 경우로 상향할 경우에는 방수로 규격의 증대가 예상된다 .
(5) 중랑천유역의 지하방수로사업 시행시 예상되는 각종 편 익과 비용을 분석한 후 순현재가치 , 내부수익률 , 비용 편익비 등의 경제성평가지표를 활용하여 최적 지하방수 로 용량을 결정하는 것이 타당할 것이며 , 방수로를 평 상시 서울시와 의정부지역을 연결하는 지하도로로 활용 하는 방안을 적극적으로 함께 고려할 것을 제안한다 .
감사의 글
본 연구는 국토해양부가 출연하고 한국건설교통기술평가원 에서 위탁시행한 2003 년도 건설기술혁신사업 (03 산학연 C01- 01) 에 의한 도시홍수재해관리기술연구단의 연구성과입니다 .
표
10.
방수로방류유속검토운영규칙 방류조건
직경
(m)
①방류유속(m/s)
②자연유하유속(m/s)
Line 1
(
서울숲) (
반포대교Line 2우안) (
서울숲Line 1) (
반포대교Line 2우안) (
Line 1서울숲) (
반포대교Line 2우안)
Rule D
방류량없음12 11 - - - -
Rule E E-1 30% 10 9 0.69 0.85 2.14 2.03
E-2 50% 9 8 1.41 1.78 2.03 1.91
Rule F
F-1 10 cms 12 11 0.09 0.11 2.35 2.25
F-2 30 cms 11 10 0.32 0.38 2.25 2.14
F-3 50 cms 10 9 0.64 0.79 2.14 2.03
F-4 70 cms 8 8 1.39 1.39 1.91 1.91
Rule G 50 cms + 50% 7 7(6) 2.98 4.06 1.79 1.66
참고
:
①은운영규칙을위한소요유속,
②는자연유하의조건에서의유속참고문헌
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도시하천에서의 이상홍수대응을 위한지하방수로계획-
중랑천을중심으로-.
2007 대한토목학회 학술발표회 특별세션
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중랑천유역의 홍수특성과 홍수방어능력 향상에 관한연구
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석사학위논문,
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지하방수로설치에따른도시하천의홍수저감효과분석
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2007 한국수자원학회 학술발 표회 논문집, 한국수자원학회.
HEC (2004) HEC-RAS, River Analysis System User's Manual , US Army Corps of Engineers.
◎논문접수일
: 08
년08
월07
일◎심사의뢰일
: 08
년08
월13
일◎심사완료일
