3장. 하천계획

(1)

우효섭, 오규창, 류권규, 최성욱 (2018) 인간과 자연을 위한 하천공학, 청문각

3장. 하천계획

2019.

1

(2)

하천계획 위계 및 연계성

(3)

하천기본계획 수립 흐름도

3

(4)

치수분야 변천사

(1) 일제강점기(1911-1945) : 을축년 대홍수(1925), 소규모 산림식재

(2) 건국초기(1946-1960) : 태풍 사라(1959), 직할, 지방, 준용 하천 개수사업 시작, 전후복구와 빈민구제에 중점

(3) 경제개발기(1961-1980) : 하천제방축조 사업 추진(WFP;세계식량기구 등), 하천정 비기본계획 수립, 다목적 댐 및 종합개발사업 타당성 조사 실시(ADB;아시아개발은 행 등)

(4) 경제성숙기(1981-1997) : 수계별 일괄개수방식으로 전환, 수계치수사업 추진,

수자원장기종합계획(1991)에 따라 하천개수도 개발 및 관리에 대한 기본방향 제시, 하천정비기본계획에 하천환경관리계획 의무화

(5) 선진국 진입기(1998-2012) : 선개념의 하도 위주에서 면개념의 치수대책 수립으로

(5)

기후변화와 홍수(1)

기후변화: ‘일정한 지역에서 장기간에 걸쳐서 진행되고 있는 기후의 변화’

5

(6)

기후변화와 홍수(2)

기후변화의 연구 목적은? 아래의 의문들에 대해 해답을 찾는 것.

(1) 왜 최근 들어 기후변동이 심해졌을까?

(2) 어떤 경향으로 변화하고 있는 걸까?

(3) 이 변화가 인류의 생활에 어떤 영향을 미칠까?

(4) 그 영향에 대해 어떻게 대처해야 할까?

기후변화는?

(1) 강우특성 변화로 초과홍수가 빈발

(2) 강수량은 증가하나 강수일수가 감소

(3) 단기 집중호우 증가로 강우형태가 변화

(7)

기후변화와 홍수(3)

태풍명 발생기간 우심피해 지역

기상상황 (일최다 강우량)

피해내용

인명(명) 재산(억원)

셀마 ‘87.7.16

~7.16

남부, 영동지방

517.6mm

(부여) 345 7,611

루사 ‘02.8.30

~9.1 전국 870.5mm

(강릉) 246 66,210

매미 ‘03.9.12

~9.13 전국 410.0mm

(남해) 131 53,150

에위니아 ‘06.7.9

~7.29 전국 264.5mm

(남해) 62 21,123

우리나라에 영향을 미친 주요 태풍(1987~2015)

7

(8)

홍수방어계획

,

(9)

하천정비 및 개수

구분

계 수립구간 미수립구간

개소수 연장 (km) 개소수 연장 (km) 수립율 (%) 개소수 연장 (km)

합계 3,835 29,783.7 3,239 25,013.5 84.0 1,510 4,770.3

국가 62 2,995.1 62 2,968.9 99.1 3 26.3

지방 3,773 26,788.6 3,117 22,044.6 82.3 1,507 4,744.0

구분 요정비¹⁾ (km)

제방정비 완료구간²⁾ 제방보강 필요구간³⁾ 제방신설 필요구간⁴⁾ 연장 (km) 비율 (%) 연장 (km) 비율 (%) 연장 (km) 비율 (%)

합계 32,748.6 16,931.3 51.7 8,177.4 25.0 7,639.9 23.3

국가 3,189.8 2,574.6 80.7 492.9 15.5 122.3 3.8

지방 29,558.8 14,356.7 48.6 7,684.5 26.0 7,517.6 25.4

1) 제방 좌 · 우안에 제방을 설치하였거나 설치가 필요한 연장 (완전+불완전+미정비) 2) 하천기본계획상의 여유고와 단면을 만족하는 제방의 연장 (완전정비)

3) 완성제방에 미달하여 단면의 보강이 필요한 연장 (불완전 정비) 4) 향후 제방을 설치할 필요가 있는 연장 (미정비)

하천기본계획 및 하천개수 현황

9

(10)

굴포천 방수로와 경인아라뱃길

(11)

홍수조절용 저류지 계획

- 하류하천의 홍수저감을 위하여 하천의 제외지 또는 제내지에 홍수를 저류 및 지체시켰다가 하류로 방류하는 시설.

- 하도 내 저류지 vs 하도 외 저류지

11

(12)

우수유출 저감시설 계획(1)

분류 우수유출저감시설

저류시설

지역외 저류 (off-site)시설

• 전용저류시설

- 지하저류시설, 건식저류지, 하수도간선저류 등

• 겸용저류시설

- 다목적 유수지, 연못저류, 습지 등

지역내 저류 (on-site)시설

• 유역저류시설

- 침수형 저류시설: 단지내 저류, 주차장저류, 공원저류, 운동장 저류

- 전용 저류시설: 쇄석공극 저류시설, 지하저류지

• 건축물 저류

- 지하저류조, 저류탱크, 지붕저류, 옥상녹화, 식생수로

• 기타

- 저류형화단

침투시설 - 침투통, 침투트렌치, 침투측구, 투수성포장, 투수성보도블록

(13)

우수유출 저감시설 계획(2)

13

(14)

홍수예경보시스템

기상학적 과정, 유역과 하도에 적절한 홍수유출모형을 적용하여 유출량을

계산하고 운영하는 것

(15)

홍수도달시간

15

(16)

홍수위험지도

재난발생 또는 예상 시 피해를 최소화할 수 있도록 빈도별로 홍수범람에 따

른 침수지역의 침수범위와 침수깊이 등을 예측하여 작성한 지도

(17)

홍수터 관리

홍수터 관리의 절차, 홍수터의 수리수문해석 방법 및 홍수보험 등을 종합적으 로 개선함으로써 홍수조절 효과

• 좁은 의미: 홍수량을 잘 조절하는 것이 아니라 하도나 하천부지가 충분한 홍수소통능력을 가지면서 홍수피해를 줄일 수 있도록 홍수위 험구역 지정, 홍수방어, 토지이용, 건축법규, 침수선의 결정 등

• 넓은 의미: 홍수피해를 막거나 감소시키기 위하여 예방차원에서 사 용될 수 있고, 홍수터 내 자연과 문화 자산을 보호하고 유지하는데 사용가능한 모든 분석과 대책

17

(18)

이수계획(1)

하천유역에 대해 수자원의 개발, 이용, 관리 및 보전을 위한 기본적인 계획과 정책방향을 제시하는 것

구분 한국 일본 미국 영국 중국 캐나다 세계평균

연평균 강수량

(mm/년) 1,281 1,668 715 1,220 645 537 807

1인당 강수량

(m³/년) 2,673 4,932 22,560 4,736 4,607 155,486 16,427

주) 1인당 강수량(m³/년) = 연평균강수량×국토면적/인구수

자료: 수자원장기종합계획(국토해양부, 2011a), 전국유역조사보고서(국토교통부, 2012) 기타 외국 자료: 일본의 수자원(2009.8) 및 THE WORLD BANK 홈페이지에서 인용

국가별 강수량 및 1인당 강수량

(19)

이수계획(2)

1) 수자원총량은 연평균강수량 × 국토면적이며, 북한지역에서의 23억m³/년이 포함된 수량임

2) 이용가능한 수자원량은 강수량을 이용하여 산정한 유출량이며, 손실량은 수자원총량에서 이용가능 한 수자원량을 뺀 값으로 증발산 등의 손실을 간접적으로 나타낸다고 할 수 있음

3) 홍수시 유출량은 6~9월의 유출이고, 나머지 기간이 평상시 유출량

4) 바다로 유실은 이용가능한 수자원량에서 총이용량을 뺀 값으로 간접적으로 산정 자료: 수자원장기종합계획(국토해양부, 2011a)

수자원 부존량

19

(20)

물수지 분석

한 유역의 장래 안정된 용수수급을 계획하기 위해 자연유량을 장래 용수 수요와 비교함으로써 소유역별 과부족을 예측

자연유량이란 하천유역이 전혀 개발되지 않고

인위적인 물 사용이 없는 상태하에서의 하천유량으로,

이는 실측유량에 농업, 생활, 공업용수의 순물소모량을 더한다.

(21)

하천관리유량

하천관리유량과 하천수 사용량의 관계 하천관리유량 = 하천유지유량 + 이수유량

21

(22)

물수지 분석 모형 : K-WEAPq

(23)

수리수문량

설계강우량: 설계홍수량 산정에 필요한 강우량

(1) 대상유역에 있는 우량관측소 선정과 강우자료 구축 (2) 고정시간 자료를 임의시간 자료로 변환

(3) 이를 이용하여 빈도별 강우지속시간별 확률강우량 산정

고정기간(시간) 1 2 3 4 6 9 12 18 24 48

임의기간(분) ⁶⁰ ¹²⁰ ¹⁸⁰ ²⁴⁰ ³⁶⁰ ⁵⁴⁰ ⁷²⁰ ^1,080 ^1,440 ^2,880 환산계수 ^1.136 ^1.051 ^1.031 ^1.020 ^1.012 ^1.007 ^1.005 ^1.004 ^1.003 ^1.002

고정시간-임의시간 환산계수

23

(24)

지점빈도해석(FARD 2013 )

(25)

정상성 지역빈도해석

25

(26)

면적강우량

유역에 내린 총강우량을 유역면적으로 나눈 등가 우량깊이를 의미

면적이 증가할수록 면적강우량은 감소한다. 이와 같이 강우의 공간분포 및 이 동 등에 의하여 강우가 유역 전반에 걸쳐 동일한 형태로 발생하지 않으므로 유역의 면적강우량은 관측소의 지점강우량보다 작아지게 된다.

면적감소계수(Areal Reduction Factor, ARF)를 곱하여 면적확률강우량 산정

(27)

설계강우의 시간분포

 특정한 재현기간과 지속기간을 갖는 확률강우량은 총강우량

 유출수문곡선을 작성하기 위해서는 설계강우의 시간분포를 보여주는 설계우량주상도가 필요

 시간분포는 설계홍수량 수문곡선의 모양과 첨두홍수량의 크기에 많은 영향을 미치는 인자

(1) Mononobe 방법 (2) 교호블럭 방법 (3) Huff 4분위법 등

27

(28)

설계홍수량

홍수의 특성과 발생빈도, 홍수발생으로 인한 잠재적인 피해규모 그리고 경제 적 및 기타 요인들을 고려하여 수공구조물의 공학적 설계의 기준으로 최종 선택되는 첨두홍수량 혹은 홍수수문곡선으로 정의

 기본홍수량: 인위적인 유역 개발이나 유량조절시스템에 의해 조절 되지 않고 자연상태에서 흐르는 홍수량으로서 홍수조절이나 유역 개발의 기본이 되는 홍수량

 계획홍수량: 홍수조절이나 유역개발계획 등 각종 계획에 맞추어

이미 산정된 기본홍수량을 종합적으로 분석하여 개개 수공구조물

에 홍수량을 합리적으로 분담시켰을 때 계획기준점에서 예상되는

홍수량

(29)

하천설계빈도의 적용

적용 하천범위 설 계 빈 도 관 리 자 비 고(과거의 구분)

국가하천의

주요구간 200년빈도 이상 국토교통부장관 직할하천의 주요 구간

(주요도시 관류)

국가하천,

지방하천의 주요구간 100∼200년빈도 국토교통부장관 직할하천의 기타 구간 (주요 지류)

지방하천 50∼200년빈도 광역자치단체장 지방1급 및 2급하천 (준용하천), 도시하천

29

(30)

지역별 피해특성을 고려한 중요도 개념

(31)

국가차원의 새로운 치수지표

31

(32)

설계홍수량의 결정기준

(1) 위험도 기준 방법

대상 수공구조물의 최적 설계를 위해 확률홍수량별로 구조물의

건설비용과 잔여 잠재 홍수피해액을 합산한 총 예상비용을 산정하여 그 값을 최소화 할 수 있는 구조물의 최적규모에 해당하는

특정 재현기간의 홍수량을 설계홍수량으로 정하는 방법

(2) 극한사상 기준 방법

위험도 기준 방법에 의한 설계 재현기간을 기준으로 하지 않고 가능최대강수량(PMP)으로 인한 가능최대홍수량(PMF)을

설계홍수량으로 채택하는 방법

(33)

시대별 설계강우와 설계홍수량 산정방법

연대 1970년대 1980년대 1990년대 2000년대

설계 강우

우량 자료 ^{- 일최대우량} ^{- 일최대우량} ^{- 일최대우량}

- 일최대우량 -시간최대우량

-임의시간우량으로 환산

설계강우량 산정

-지점 빈도분석

(Gumbel-Chow 방법) - 매개변수-모멘트법 - 면적감소계수 및

임계지속기간 미사용

- 지점 빈도분석 - 매개변수-모멘트법 - 면적감소계수 및

- 지점 빈도분석 (각종 확 률 분포)

- 매개변수-모멘트법 - 면적감소계수 및

- 지점 빈도분석

- 매개변수 추정은 확률 가중 모멘트법

- 면적감소계수 적용 - 임계지속기간 적용

강우시간 분포 ^{- 모노노베 분포식} ^{- 모노노베 분포식} ^{- 모노노베 분포식} - Huff 4분위법

설계 홍수

유효우량 산정 ^{- SCS-CN방법} ^{- SCS-CN방법} ^{- SCS-CN방법} ^{- SCS-CN방법}_{(AMC-Ⅲ 고려)}

합성단위도 - 실제 유도한 단위도 - 나까야스 종합단위도법 - 윤·선우 단위도법

- 나까야스 종합단위도법 - 윤·선우 단위도법 - Nash 유역추적법

- Clark유역추적법 - Snyder합성단위도 - SCS합성단위도 -유역면적이클 경우

소유역으로분할

하도추적 - 단일유역으로 보고 하도 추적하지 않음

- Muskingum 하도추적 방법 적용

- Muskingum-Cunge 방법

- Muskingum 하도추적 방법

적용 수문모형

- 단위도법 - 합리식

- 가지야마 첨두홍수량 공식

- 합성단위도법 적용 - 합성단위도법 적용

- FARD - HEC-1 - HEC-HMS

33

(34)

강우-유출 모형에 의한 홍수량 추정(1)

 홍수량 산정지점 선정

(1) 치수계획에 필요한 지점을 중심으로 선정, 합류 전‧후 모두 채택 (2) 지형 및 하도 특성을 고려

(3) 대유역은 국가와 지방 하천의 중요 지점

(4) 큰 도시 및 인구밀집지역은 산정지점을 좀 더 세분화 (5) 홍수조절지, 방수로, 강변저류지 등과 같은 지점도 산정

 유효우량 산정

유효우량은 총 강우량에서 손실량을 제외한 양으로 직접 유출량 산정

총 홍수량은 직접유출량에 기저유량을 합하여 산정

(35)

강우-유출 모형에 의한 홍수량 추정(2)

 도달시간과 저류상수

• 도달시간 = 유역의 최원점에서 하도의 시점까지 표면류 흐름의 유하 시간 + 하도시점에서 하도종점까지의 하도흐름의 유하시간

• 표면류 흐름과 하도 흐름의 유하시간은 산정 방법을 달리 적용 𝑇

_𝑐

= 0.214𝐿𝐻

^{− 0.144}

 저류상수는 시간의 차원

• 저류상수 = f(유로연장, 하천 유로의 평균경사, 유역면적, 유역형상) 미계측 유역의 저류상수는 이들 인자의 항으로 표시

35

(36)

수문분석 흐름도

(37)

HEC-HMS 모형의 이해

37

(38)

홍수 빈도분석에 의한 설계홍수량 추정

• 홍수량자료를 직접 빈도해석하여 확률 및 설계 홍수량을 산정하는 방법으로 이론적으로 최상의 방법

• 실측 홍수량자료가 부족하면 관측홍수위를 수위-유량관계곡선에 의해 홍수량을 산정  이 곡선의 신뢰도가 낮아서 홍수량자료의 신뢰도가 낮고, 댐 건설 전‧후 홍수량 자료가 갖는 불연속성으로 빈도해석에 어려운 문제

• 홍수지표법은 각 지점의 연최대 홍수자료(즉, 홍수지수 : index

flood)를 나눠서 자료들을 표준화시키는 방법으로 지역빈도 해석

을 수행

(39)

계획홍수위

 계획홍수위 : 계획홍수량을 안전하게 유하시킬 수 있는 수위

(1) 과거에 발생한 최고수위, 빈도별 계산홍수위, 기고시 계획 홍수위, 하도 특성을 종합적으로 고려

(2) 제방 등의 수공구조물 계획 시에 기준이 되는 수위로서 이를

결정하기 위해서는 지류배수, 내배수, 하천횡단구조물 및 만곡부

영향과 계획홍수량을 유하시킬 수 있는 하도의 종단형 및 횡단형을 고려 (3) 가능하면 하폭을 증가시켜 계획홍수위를 낮게 하되, 과거에 발생한 홍수의

최고수위보다 낮게 하는 것이 바람직

39

(40)

기점홍수위(1)

 기점홍수위: 하천의 홍수위 계산을 위한 계산시점의 홍수위를 말하 며, 하구의 계획홍수위 또는 배수영향이 있는 지류에서는 기본적으 로 본류의 계획홍수위를 사용

 조위의 영향을 받은 구간에서의 기점홍수위 결정

태풍에 의한 폭풍해일 또는 지진해일의 내습이

- 예상되지 않는 지역에서는 약최고고조위 또는 대조평균만조위를 사용

- 예상되는 경우에는 약최고고조위+최대조위편차(또는 고조 조위편차)

(41)

기점홍수위(2)

조위의 영향을 받지 않는 구간에서의 기점홍수위 결정

41