Issue
확률·통계학적 기반의 댐 위험도 해석 절차 소개
1. 머리말
댐은 하천을 횡단하여 저수, 토사유출방지, 취수, 수위상승 또는 붕괴방지를 위하여 만들어진 구조물 로서 댐의 형식별로 분류하면 주로 필댐 콘크리트댐 으로 분류될 수 있다. 이밖에도 사용목적기준으로 관개용, 상수도용, 수력발전용, 홍수조절용 등으로 분류될 있다. 여기서 하나 이상의 목적을 갖는 댐을 다목적댐이라 하며, 사회경제적으로 현대사회에 다 양한 장점을 제공하고 있는 대표적인 사회간접이라 할 수 있다.
그러나 최근 이상기후 및 기후변화에 따른 수문 기상학적 변동성 증가와 30년 이상의 노후화된 댐 의 증가 등, 전반적으로 댐에 위험을 가중시키는 요 소들이 증가추세에 있다. 특히, 댐과 같은 대형 수공 구조물은 앞서 언급하였듯이 우리 사회에 다양한 편 익을 제공하고 있지만 댐 붕괴로 인해 발생되는 하 류부 피해는 기존 홍수와는 다른 차원의 피해양상을 나타내며, 실제로 지난 20세기 동안 가장 심각한 재 해 중의 하나로 여러 나라에서 인식되어 왔다. 즉, 대규모 댐은 저류, 방류하는 수공구조물의 예기치 못한 붕괴로 인해 댐 하류부에 막대한 인적·사회적 피해 발생이 야기될 수 있으며, 인명피해의 경우 범 람구역의 확장으로 인해 2차 피해가 급격히 증가할 가능성이 크다.
국내에서는 시특법에 의해서 일정 규모 이상의 댐
03
김 진 영 ●●●
전북대학교 토목공학과 박사과정 jinyoungkim@jbnu.ac.kr
권 현 한 ●●●
전북대학교 토목공학과 교수 hkwon@jbnu.ac.kr
정 영 훈 ●●●
경희대학교 토목공학과 교수 jyounghoon@khu.ac.kr
나 봉 길 ●●●
한국수자원공사 수자원사업처 수자원계획 팀장
nbk08@kwater.or.kr
임 정 열 ●●●
K-water 연구원 기반시설연구소 기반1팀 책임연구원
passion@kwater.or.kr
을 대상으로 정밀안전진단을 시행하고 있다. 일반적 으로 5년 주기로 시행되는 정밀안전진단은 현장조 사, 상세외관조사, 내구성조사, 수문학적 안정성 평 가 등 다양한 방법의 접근으로 댐 안전성 평가가 이 루어지고 있다. 그러나 기존 안정성평가에서 시행되 고 있는 정밀안전진단의 경우 특정 수문학적 빈도와 가정조건을 기준으로 댐의 안전을 판단하고 있으며 댐 파괴의 결과를 단순히 재해로 규정하는 등 전반 적으로 보수적인 해석 절차를 따르고 있다.
최근 전 세계적으로 급증하는 기후변화의 영향으 로 이상홍수 발생, 댐 여유고 부족 등 댐 붕괴를 위 협하는 다양한 위험인자가 도출되고 있다. 즉, 이러 한 현상은 과거 댐 건설당시 산정한 가능최대강우량 (Probability Maximum Precipitation, PMP), 가 능최대홍수량(Probability Maximum Flood, PMF) 등의 빈도년수(return period) 보다 작은 빈도년수 에서 발생할 가능성이 커지고 있다, 또한 예기치 못 한 원인으로 인해 댐 붕괴의 가능성이 커지고 있는 실정이다.
현재 발생하고 있는 댐 붕괴사례를 보면 다양한 원인들이 존재한다. 이 중 월류, 파이핑, 누수 등 이 가장 대표적인 원인들로 나타나고 있으며 특히, 최근 댐의 피해는 수문기상학적 변동성 증가로 인 한 여수로 방류능력 부족이 대부분을 차지하고 있 다. 댐 위험도 분석에 대한 필요성은 1970년대 미국 에서 대두되었다. 미국의 경우에도 우리나라와 마 찬가지로 주기적인 모니터링 및 보수보강에 초점을 맞춘 댐 안정성 평가가 이루어지고 있었으나, 1976 년 Teton 댐 붕괴이후 위험도 해석에 근거한 댐 안 정성 평가를 도입하여 현재까지 실무적인 관점에서 댐 안정성 평가에 활용하고 있다. 현재 세계대댐회 (ICOLD), 호주대댐회(ANCOLD), USBR, 미육군공 병단, 영국, 대만 등에서는 위험도 해석에 근거한 안 정성 평가를 적극적으로 권장하고 있다. 그러나 우 리나라에서는 작은 범위에 연구만이 진행되고 있는 현실이며, 현업 적용을 위한 실질적인 연구는 진행 되지 않고 있다.
이러한 점에서 본고에서는 위험도 해석기반의 확 률·통계학적인 접근을 통해 댐 붕괴 위험도를 평가 할 수 있는 절차를 소개하고자 한다. 즉, 댐 붕괴를 야기하는 복합적인 위험요소들의 위험도 해석기반 확률·통계학적 접근을 통해 댐 붕괴를 정량적으로 산정하고, 댐 유지보수 계획 수립 시 가장 최적의 방 안을 도출 할 수 있는 기법을 제안하고자 한다.
2. 위험도 해석기법 절차
위험도 기반의 댐 안정성 평가는 시스템의 위험도 분석과 명확한 인식, 댐 안전도 관리에 나타나는 불 확실성 위험요소의 처리, 그리고 위험도 결과를 토 대로 대안들을 평가하는 일련의 과정을 통해 이루 어진다. 즉, 위험요소 규명(risk identification), 위 험도 추정(risk estimation), 위험도 분석평가(risk assessment), 위험도 관리(risk management)의 과정을 통해 시스템 전반의 확률과 파괴로 인한 인 명 및 재산상의 손실을 추정하는 방법론이다. 따라 서 위험도는 확률과 파괴결과로서 정의될 수 있으 며, 또한 재난을 유발시키는 요소들에 대한 잠재성 을 검증하고 위험도를 감소시키는 수단을 찾기 위한 일환으로 사용되고 있다. 그림 1은 일반적인 댐 위 험도 평가의 5단계 절차를 나타낸다.
위험도 분석평가는 위험도 추정과 분석결과를 가 지고 위험도평가를 수행하는 전 과정을 말한다. 이 때 댐에 있어서 위험도평가는 위험도 분석결과를 바 탕으로 위험도의 허용정도를 기준삼아, 수리·수문 학적, 지반공학적 측면을 고려하여 위험도의 정도를 판단하는 과정으로서 댐의 구조적 위험도 뿐만 아니 라 사회적인 위험도에 대한 기준의 설정이 선결될 필요가 있다.
따라서 본 절에서는 위험도 평가 수행 중 가장 중 요한 위험요소들의 분류와 규명, 위험요소들 간의 인과관계, 위험요소들의 발생확률 산정 등을 통해서 각각의 위험요소들의 발생경로와 발생확률 등을 체
계적이고 합리적인 방법으로 평가하는 것을 소개하 고자 한다.
2.1 공학적 평가 단계(Engineering Assessment, EA)
공학적 평가는 개별 댐이 현재 댐 안전 기준을 만 족하는지 확인하기 위한 정성적인 절차로서, 댐 의 다양한 불완전한 요소에 대한 발굴에 초점이 맞 추어져 있다. 공학적 평가는 잠재적 파괴모드 분석 (Potential Failure Mode Analysis, PFMA)의 전 절 차로서 위험도 평가를 진행하기에 앞서서 현장방문, 댐운영 실무자와의 면담, 댐 공사지 등을 활용하여 파괴모드를 결정하기 위한 기본 자료를 취득하기 위 함이며, 추후 위험도 분석 및 의사결정을 위한 유용 한 정보로 활용될 수 있다. 공학적 판단은 대상 댐의 발생 가능한 파괴형태, 수문학 및 지반공학적 요소, 구조적 요소, 기계적 시설 등을 적절히 고려하여, 그 에 해당하는 댐의 위험등급을 대략적으로 설정함으 로써 본격적인 위험도 분석에 있어 가이드라인을 제 공하는데 주요 목적이 있다. 그림 2는 공학적 평가
결과 예시를 보여주며, 다양한 위험 요인에 대한 검 토가 이루어진다. 각 검토 항목 별 평가 등급은 총 4 개로 이루어지며 자세한 내용은 다음과 같다.
- “ P” or “AP” : Pass 또는 Apparently pass를 나 타내며 현재의 댐 안전기준을 만족하기 위해 위 험도 경감 방안이 필요 없거나 필요하지 않을 것 으로 예상되는 경우
- “ NP” or “ANP”: No Pass 또는 Apparently No Pass를 의미하며 현재의 댐 안전 기준을 만족하 기 위해 위험도 경감 방안이 필요하거나 필요할 것으로 예상되는 경우
- “ AP” or “ANP” ,“(ANP)” : 현재의 댐 안전 기준 을 만족하기 위해 위험도 경감방안이 필요할지 아닐지를 일정 수준 이상의 신뢰도를 가지고 결 정하기 위해서 추가의 조사가 필요한 경우 - “ NP” or “(ANP)” : Pass 또는 Apparently pass
를 나타내며 현재의 댐 안전기준을 만족시키지 못하는 결함에 의해 물리적으로 발생 가능한 파 괴에 대한 잠재성이 없다고 간주할 수 있는 경우 그림 1. 댐 위험도 해석의 5개 과정(미국 USBR, 2005)
이러한 등급 시스템은 댐 안전도 평가를 위한 스 크리닝 단계에서 댐의 전반적인 상태와 댐 안전도 에 대한 기본 지식을 확보하는데 매우 유용한 방법 이다. 또한 공학적 평가 등급 시스템은 각 항목에 대 한 추가 조사의 대한 필요성을 판단하는데 활용될 수 있으며, 댐의 구조적/비구조적 대책 적용 후에 변경사항을 추적하고 위험도의 전반적인 변화 양상 을 하는데 파악하는데 장점을 제공한다. 하지만 공 학적 평가 등급은 잠재적 파괴모드 또는 댐 안정성 과 관련된 문제점에 대한 체크리스트 정도로서 사용 되어야 하며 평가 리스트에 포함되지 않은 파괴모드 나 요인들을 간과하지 않도록 주의해야 한다. 홍수 와 지진 같은 특정 사건에 대한 모든 평가 항목의 결
과를 취합한 후 공학적 등급을 산정할 수 있으며, 댐 의 전반적인 안전 등급을 정의하기 위해 “P”, “AP”,
“ANP”, “NP” 등급 순서로 해당되는 항목의 개수를 정리하여 공학적 등급으로 제시하는 것이 일반적인 절차라 할 수 있다.
2.2 PFMA (Potential Failure Mode Analysis)
잠재파괴모드는 첫째, 사전에 수행된 댐의 공학적 평가를 토대로 현재 댐의 상태를 평가하고 발생가 능한 모든 잠재파괴모드들을 발굴한다. 둘째, 도출 된 잠재파괴모드들로부터 발생가능성이 큰 주요 잠 재파괴모드들을 2차적으로 도출하는 과정이 요구된 그림 2. 보조여수로 설치 전/후 공학적 판단 적용 예
다. 이들로부터 선정된 주요 잠재파괴모드들에 대해 서 파괴 초기사상(initiate event)을 기준으로 2차, 3차적인 연관사상을 도출하고 이에 대한 파괴 경로 에 대해서 구체적인 설명서를 작성한다. 즉, PFMA 는 파괴 모드들을 구성하는 주요 요소와 이들 요소 들 사이에 기능적 상호 의존도를 정성적으로 기술하 는 과정이며, 실제 위험도 모형을 구축하는데 있어 서 유용한 정보를 제공할 수 있다. 아래 그림3은 홍 수로 인한 월류 파괴모드를 서술한 예를 나타낸다.
2.3 수문학적 댐 위험도 평가
수문학적 위험도 평가기법은 3가지 방안에 주안 점을 두고 제시하였다. 이는 매개변수의 불확실성을 고려한 강우모의기법, 강우-유출 모형의 불확실성 을 고려한 강우-유출 앙상블 시나리오 도출, 마지막 으로 댐 수문 작동여부에 따른 댐 파괴확률산정 등 을 고려한 해석 방안을 제시하고자 한다. 마지막으
로 파괴확률과 댐 붕괴 모의를 가정한 피해액 산정 및 인명피해 정도를 감안하여 최종적인 위험도를 정 량적으로 평가할 수 있다. 앞서 언급했듯이 현재 수 공구조물 안전성 평가는 수리·수문학적으로 불확 실성을 효과적으로 고려하지 못하고 있으며, 단순히 여유고 개념의 결정론적 해석이 주로 행해지고 있 다. 수문학적 위험도 분석에서 고려되는 불확실성 변량은 일반적으로 수문학적 요소, 수리학적 요소, 유역요소, 기계적 요소 등으로 구분되며 이는 표 1 과 같이 나타낼 수 있다.
수문학적 댐 위험도를 평가하기 위해서는 앞서 도 출된 주요 수리·수문변수들에 대해서 불확실성을 고려한 수문분석이 기본적으로 요구된다. 앞서 언급 하였듯이, 수문학적 위험도 해석 모듈에서 불확실성 을 고려하기 위해서 기상변동성에 따른 강우의 불확 실성, 강우-유출 모형 매개변수의 불확실성, 댐 운 영의 불확실성을 반영할 필요가 있으며, 이를 모식 적으로 나타내면 그림 4와 같다.
수문학적 위험도 해석에서 필요한 입력자료 구축 그림 3. 홍수 파괴모드에 대한 서술서 예시
을 위해서는 일반적으로 MCS 기반의 해석방안이 적용되고 있으며, 이들 과정을 통해 불확실성을 고 려한 수문시나리오 도출이 가능하다. 이러한 수문 학적 위험도 평가를 위해서 다음과 같은 방안을 제 시하고자 한다. 첫째, 불확실성을 고려한 수문학적 모의가 가능하도록 강우시나리오를 생성할 수 있 는 기법의 정립이 필요하다. 즉, 대표 강우-유출 모 형인 HEC-1의 입력자료로 활용되는 강우시나리오 를 생산하기 위해서 극치강수 모의 재현에 유리한 Gumbel 분포 또는 GEV 분포, 불연속 확률분포 기 반의 다지점 강수모의기법의 활용이 가능하며 최종 적으로 Bayesian HEC-1 모형과 연계한 방안을 고 려할 수 있다. 그림 5는 불확실성을 고려한 강수시
나리오 및 Bayesian HEC-1모형과 연계한 홍수 시 나리오 도출 결과 예시를 나타낸다.
모의된 유입량 자료를 입력자료로 이용하여 다양 한 수위시나리오 생산을 위해 국내외에서 널리 이용 되고 있는 댐 운영모의 운영 기법인 미육군공병단 의 HEC-5 모델을 활용하였다. 최종적으로 강우모 의발생, 강우-유출 모의, 댐 모의 운영의 일련의 모 형이 유기적으로 연계될 수 있도록 MCS 통합 수문 모의기법을 개발하였으며 최종적으로 수문학적 댐 위험도 확률을 산정하였다. 이와 더불어 HEC-5 모 형을 수정하여 댐 수문 작동여부에 따른 수위변동성 을 모의할 수 있는 해석방안을 개발하였다. 이는 댐 수문 기계장치 결함과 같은 요인으로 인한 댐 및 저
주요구성 요소 불확실성 변량 종류
수문학적 요소 • 홍수빈도, 홍수량, 홍수의 최대치와 시간분포, 강우-유출 관계, 홍수 이전의 저수지에서 초기수위, 저수지의 침전 퇴적물 등.
수리학적 요소 • 여수로 용량, 홍수추적, 파랑, 취수구, 수문, 침식 및 세굴방지공, 수문과 밸브의 결함 등.
유역 요소 • 유역면적, 하도길이, 표고차 등.
풍파에 관련된 요소 • 풍속, 취송거리, 취송거리에 따른 평균 저수지 수심, 저수지의 정수시의 수위 등.
기계적 요소 • 여수로 Gate의 작동여부, 권양기 등 표 1. 댐 위험도 해석에서 다루어지는 불확실성 변량
그림 4. 수리/수문학적 위험도 해석을 위한 절차 개념도
수지 안정성 평가에 효과적으로 적용이 가능하며 보 다 다양한 관점에서 수문학적 위험도 해석이 가능한 해석방안이다. 그림 6은 여수로의 수문 작동에 따른
수위앙상블 곡선을 나타낸다. 왼쪽 그림은 수문이 모두 작동할 때를 나타내며, 오른쪽 그림은 수문 일 부가 오작동 할 때의 수위앙상블 곡선을 나타낸다.
2.4 지반공학적 댐 위험도 평가
지반공학적 파괴(geotechnical failure)의 매커니 즘을 정의하기 위해서는 지반 입력 정수를 설정해 야 한다. 댐의 지반공학적 시스템 파괴 모드(system failure mode)는 제체의 파이핑 현상으로 인한 내부 지반 침식, 제체 내부 지반 재료의 간극수압 증가로 인한 제체의 파괴, 지진으로 인한 제체의 파괴로 설 정해야 한다. 제체의 파괴는 최종적으로 댐 붕괴로 이어진다.
지반공학적 댐 위험도 절차는 내부침식 및 사면파
괴에 관련된 파괴 유발 성분 및 파괴 경로를 식별하 고, 파괴 요소간의 확률론적 상호관계 제시, 댐체에 대한 모의 시뮬레이션 결과 등을 통해 시스템 파괴 확률을 간접적으로 도출하여야 한다. 이러한 과정을 수행한 후 제시된 파괴 경로의 타당성을 확률론적으 로 입증하는 과정이 필요하다.
본 연구에서는 지반공학적 댐 위험도 분석 전 분 석대상댐의 IM(Initial Mechanism)을 스크리닝 한 후 지진하중 산정 및 개별 IM에 대한 SRP를 산정하 였다. IM은 지반공학적 파괴 시나리오를 생산하는 (a) 유입량 앙상블 시나리오 구축 (b) 초과확률에 따른 유입량의 불확실성 정량화 그림 5. 불확실성을 고려한 강수시나리오 및 Bayesian HEC-1 모형 기반의 홍수빈도곡선 유도 예시
그림 6. 주여수로 및 비상여수로의 모든 수문이 작동할 시 산정된 수위앙상블 곡선 예시
과정으로서 앞서 수행한 EA 및 PFMA와 비슷한 과 정이다. 즉, 분석 대상댐을 지반공학적인 측면에서 정밀하게 조사하는 단계로서 지반공학적 파괴 시나 리오를 결정하기 위함이다. IM은 총 28가지로 나뉘 며 각 IM 상태에 따른 파괴확률은 USACE ToolBox 에 근거하여 지반공학적 파괴확률을 도출할 수 있 다. 그림 8은 IM의 스크리닝 과정을 도시한 결과이 다. 최종적으로 IM 시나리오를 이용하여 홍수, 지 진, 정상운영 중 파괴의 다양한 상황을 고려하여 분 석대상댐의 지반공학적 파괴확률을 산정하였다. 이 러한 결과는 다음 절에 설명한 ETA의 입력자료로 이용된다.
2.5 댐 붕괴로 인한 인명피해 산정 및 피해액 산정
앞서 언급하였듯이 댐은 우리사회에 다양한 편익 을 제공하고 있으며, 최근 댐 하류부의 급격한 발전
및 도시화가 활발히 진행 중에 있다. 그러나 만약 댐 이 붕괴하여 막대한 양의 물이 급격히 하류로 방류 될 시 댐 하류부의 인명, 공공 및 산업시설 등에 막 대한 피해를 발생시킬 가능성이 상당히 높다. 즉, 이 러한 붕괴는 인간 생활, 농경지 훼손, 생태계 변화 등을 심각하게 훼손하고 사회적 기능을 마비시킬 수 있는 결과를 가져올 수 있다. 따라서 본 절에서는 댐 붕괴로 인해 발생하는 홍수파를 이용하여 홍수범람 도를 제시하고, 그에 따른 간략 피해액 및 인명피해 산정방법을 소개하고자 한다.
일반적으로 댐은 순간적 또는 점진적으로 파괴되 며 붕괴원인은 댐의 형식 및 구성 재료에 따라 그 붕 괴양상이 다양하게 나타난다. 이러한 댐 붕괴형상 및 붕괴파에 대한 명확한 정의는 이루어지지 않았지 만, 많은 연구자들은 이전에 발생한 붕괴사례를 조 사하여 다양한 경험적인 방법을 제시하였다. 국외에 서는 MacDonald와 Langridge-Monopolis(1984) 그림 8. IM 스크리닝 과정 예시
그림 7. 댐체의 지반공학적 파괴모드 예시
는 기록적인 댐 붕괴사례를 정리하여 붕괴특성을 검토하여, 일반적인 붕괴형상은 붕괴초기시 2:1의 경사를 갖는 삼각형의 측벽경사를 이루다가 붕괴 가 지속될 경우에는 2:1 사면을 갖는 사다리꼴 형 상의 붕괴 단면을 보여주는 것으로 분석하였다.
Houston(1985)는 제체가 양질의 재료로 충실히 시 공된 댐의 경우에 대해 연구하였으며, 이때의 붕괴 경사면은 1:1 사다리꼴 측벽병사를 형성하는 것으로 분석하였다.
2.5.1 인명피해 산정 방법
댐 붕괴형상에 따른 홍수파 해석 모형으로는 미국 기상청의 DAMBRK 모형이 널리 이용되고 있으며, 이를 고려하여 댐 붕괴홍수파로 인한 하류부의 인명 손실을 산정할 수 있다. 본 연구에서는 다음과 같은 3단계를 이용하여 인명손실을 추정하였다. 첫째, 홍 수수심, 수위상승률 및 유속과 같은 홍수특성치에 대해 분석하고, 둘째, 경보, 대피 및 피난처 효과를 포함하는 노출된 인명수를 추정한다. 마지막으로 홍
그림 9. 월류에 의한 붕괴형상 예시
그림 10. 인명손실 추정을 위한 재해지대(Jonkman, 2007)
그림 11. 수위상승지대(a), 보존지대(b)지점의 수심에 대한 사망률 함수
(a) (b)
수에 노출된 인원 중 사망자수에 대한 평가를 수행 하였다. 이때 인명손실의 추정은 EU에서 제시한 사 망률 함수에 의한 인명손실 추정기법을 이용하였다.
EU에서 제시하고 있는 인명손실 기법은 3개의 위 험지대로 구분하여 인명손실을 추정하고 있다. 즉, 붕괴부 지대(Breach Zone), 수위상승지대(Zone with rapidly rising water), 보존지대(Remaining Zone)으로 구분하였다(그림 10). 이는 댐 붕괴시 하 류부는 지대별로 상이한 결과를 도출할 수 있으므 로 각각의 지대별로 사망률 함수를 제공하여 인명손 실을 추정하고 있다. 그림 11의 (a)는 수위상승지대, (b)는 보존지대의 수심에 대한 사망률 함수를 도시 화한 결과이다.
2.5.2 피해액 산정방법
우리나라는 홍수피해를 정량적으로 평가하기 위 한 방법으로는 2004년도에 개발된 다차원 홍수피해 액 산정기법을 활용하고 있다. 다차원 홍수피해액 산정기법(MD-FDA : Multi DImensional Flood Damage Assessment)은 회귀식에 의한 기존 개선 법의 문제점을 보완하기 위해 국토교통부에서 개발 한 홍수 피해액 산정 방법이다.
본 연구에서는 다차원 홍수피해 산정방법의 직접 피해액 항목으로는 건물 피해액, 건물 내용 피해액, 농경지 피해액, 농작물 피해액, 사업소 유형·재고 자산 피해액, 공공시설 피해액으로 7가지로 분류하 였으며, 읍·면·동 단위로 행정구역을 분할하여 분
석하였다. 더불어 침수편입율을 산정하여 보다 신뢰 성 있는 분석을 수행하였다. 이때 침수편입율이란 행정구역 내에서 주거, 산업, 농업 등 지역 특성요소 의 총자산가치를 실제 침수된 부분에 대한 정량적인 자산가치로 환산하기 위해 침수심별로 중첩하여 전 체에 대한 비율로 나타낸 것이다. 즉, 기존 간편법 및 개선법에서는 행정구역의 최소 구분단위를 시·
군·구로 지정하였으며, 지역의 대표적 특성을 인구 라는 하나의 독립변수만으로 구분하고 있어 실제 피 해지역의 자산가치가 올바르게 반영되지 못하였다.
또한 침수지역에 대한 공간적 정의 없이 침수면적을 산정하였기 때문에 이를 극복하고자 보다 신뢰성 있 는 다차원 홍수피해액 산정방법을 개발하였다. 따 라서 앞서 소개한 인명피해 및 홍수피해 산정방법을 GIS 기반 모듈로 개발하여 분석한 결과는 그림 12와 같다. 본 연구에서는 Duramax-Xr 엔진을 기반으 로 홍수피해액 분석 프로그램을 개발하였다. 홍수피 해의 경우 유역도, 토지피복도, 홍수범람도가 이용 되며, 인명피해는 통계청에서 제공하고 있는 행정구 역면적당(명/km2) 인구밀도를 입력자료로 활용하 였다.
3. Event Tree Analysis(ETA) 모형
ETA의 목적은 초기사건(initiating event)으로 인 해 도출되는 모든 결과를 평가하는 것이 목적이다.
그림 12. GIS 기반 홍수피해액 프로그램 결과 그림 13. ETA를 통한 위험도 평가 예시
ETA 기법은 전체 시스템뿐만 아니라 하위 시스템, 조립부품, 소프트웨어, 절차, 작업자 오류 등 전반적 으로 적용 될 수 있다. 설계 단계에서 ETA를 적용한 다면 작업자가 댐 위험 안전에 관련된 이슈를 조기 에 진단 할 수 있다. ETA는 다양한 의사결정 경로 를 평가하기 위한 이진트리 구조의 일종이며, 1974 년 WASH-1400(Nuclear Power Plant Safety Study, circa) 원자력 발전소의 위험도 평가에서 기 존 FTA(fault tree analysis)를 개선하고자 ETA 가 적용되기 시작하였다. ETA는 FTA에 비해 모형 구축과 해석이 용이한 장점이 있다. 최종적으로 앞 서 언급된 수문학적 및 지반공학적 확률을 이용하여 ETA를 구축하는 과정이 필요하다. 그림 13은 댐 위 험도 평가를 위한 ETA 적용 예시를 나타낸다.
Level 1에서는 댐의 게이트 파괴별 댐 운영 능력 을 나타내는 것으로 댐 수문이 정상적 운영조건부터 모든 수문이 작동하지 않는 상황을 가정하여 각각의 확률을 ETA에 입력하는 단계이다.
Level 2에서는 Continuous event branch group 으로 Peak annual reservoir pool elevation에 상 승하는 연초과확률값을 부여하는 단계이다. 이는 앞 서 HEC-5를 이용하여 산정한 값을 이용하게 되며, 수위에 따른 확률값을 토대로 댐 월류에 따른 댐의 붕괴 여부를 판단하는 단계가 Level 3에서 이루어 진다. Level 3에서 가장 핵심적인 자료로서 월류 깊 이에 따른 댐의 파괴확률이 요구된다. 이러한 확률 Table을 반응확률(System Response Probability, SRP) 라고 하며, 일반적으로 미국의 USBR 또는 FEMA의 기준값을 적용하게 된다.
Level 3~4에서는 주요 파괴모드인 Rockfill Overtopping, Wave action near the dam, Instability of Downstream Slope Seepage Erosion을 고려하여 각 Branch의 파괴인자에 따른 SRP값을 입력하여 ETA 분석을 실시한다.
Level 5에서는 앞서 GIS 기반 홍수피해액 프로그 램에서 도출된 인명손실, 홍수피해액을 입력하여 도 출된 확률을 이용하여 파괴모드별 피해액을 산정한
다. 이러한 ETA 분석 결과는 댐 보수·보강의 우선 순위 계획 수립시 유용한 자료로 이용될 수 있을 것 으로 판단된다.
국내·외 댐 위험도 기준 조사 및 분석을 통해 얻 어진 자료와 국내 댐 특성을 종합적으로 분석하여 댐 형식별 위험도 기준을 검토한 결과, 국외에서 주 로 이용되고 있는 위험도 기준은 USBR Tier-1, USBR Tier-2, BC Hydro, ANCOLD 등이 있으며, 이 중 USBR의 기준이 가장 보편적으로 이용되는 것 으로 조사되었다.
그림 14는 6개 댐에 대해 ETA 분석결과를 이용하 여, USBR 위험도 기준을 토대로 댐간의 상대적 위 험도를 평가하는 예시 자료를 나타낸다. 여기서 x축 은 인명피해명수를 나타내며, y축은 파괴확률을 나 타낸다. 굵은 회색점선은 안정성을 평가하는 기준선 으로서 기준선 위에 값이 위치할 경우에는 댐이 안 전함을 의미하며 반대로 기준선 아래의 위치하는 경 우는 댐의 위험도가 큰 상태로 인지할 수 있다.
현재 국내에서는 댐 위험도 평가기준의 명확한 정 의가 이루어지지 않고 있어 국외의 댐 위험도 평가 기준을 이용하고 있는 실정이다. 따라서 현시점에서
그림 14. fN Chart기반의 USBR 댐 위험도 평가 예시
국내 댐 특성에 맞는 댐 위험도 평가기준 수립에 대 한 연구가 활발히 진행되어야 할 것으로 사료된다.
이러한 이유로 본 연구를 통해 국내 댐 특성에 맞는 일련의 댐 위험도 평가 절차 제언하였다. 본 연구결 과를 이용하고 지속적인 연구를 통해 국내 댐 위험 도 기준을 위한 기틀이 되길 기대한다.
4. 맺음말
현재 우리나라에서는 주기적인 모니터링 및 결정 론적 해석에 근거하여 댐의 안정성을 평가하고 있으 며 안정성 평가 기준의 부합여부만을 단순히 판단하 는데 그치고 있다. 이와 더불어 댐 안정성 평가를 위 해 진행되는 모델링은 전반적으로 평균적인 개념에 근거한 해석이 이루어지고 있다. 즉, 댐 안정성에 영 향을 미치는 다양한 위험인자간의 상호 영향과 수문 해석 및 지공학적 분석 시에 나타나는 모형 및 입력 자료의 불확실성을 효과적으로 반영하지 못하는 단 점이 있다. 이와 더불어 최근 기상변동성과 기후변 화로 인한 수문변동성이 크게 증가하고 있는 현실에 서 단일 시나리오 관점에서 댐의 안정성을 평가하는 것은 매우 보수적인 접근 방법이라 할 수 있다.
이러한 점에서 본 원고에서는 국외에서 적극적으 로 적용되고 있는 위험도 기반의 댐 안정성 평가 절
차를 소개하는데 목적이 있다. 본 원고를 통해 여 러 번 강조되었지만, 최근 기후변동성 증가는 댐 의 안정성을 저해하는 주요 요소로 작용하고 있으 며, 이를 적극적으로 고려하기 위해서는 다양한 시 나리오 기반의 위험도 해석 절차가 필요할 것으로 판단된다. 특히 현재의 모니터링 기반의 결정론적 해석방안은 홍수시 권양기 등의 기계적인 결함, 여 수로의 게이트에 대한 결함, 댐 운영자간의 의사소 통에 대한 문제 등, 운영상의 문제점(operational problems) 등을 안정성 평가에 고려하지 못하는 단 점이 있다. 따라서 앞서 언급하였듯이 국내에서도 기존 안정성 평가와 병행해서 다양한 시나리오 기반 의 능동적인 위험도 해석 절차 수립이 필요하며, 특 히, 댐 안정성과 관련된 수자원, 지반, 구조적인 문 제점을 종합적으로 고려할 수 있는 통합적 위험도 해석방안 수립이 시급하다.
감사의 글
본 연구는 국토해양부 건설교통기술촉진연구사업 의 연구비지원[11기술혁신C02]에 의해 수행되었습 니다. 본 연구를 가능하도록 지원해주신 국토해양부 및 국토교통과학기술진흥원에 감사드립니다.
