본 연구에서는 하천 제방에 대한 홍수취약성을 평가하는 새로운 기법을 기후변화에 따라 달라지는 하천의 수위변화를 고려하여 제방의 취약성 변화 정도를 파악해보고자 한다. 이를 위해 미래 기후변화 시나리오를 기반으로 대상유역의 홍수량을 산정하여 홍수위를 구하고 제방의 2차원 지하수침투 모형인 SEEP/W를 이용하여 침투거동을 분석함으로써 침투안정성을 평가하였다. 대상지역은 한강 본류 서울 구간으로 선정하여 대표 제방을 선정한 후, 대표 제방의 현재 계획홍수위와 기후변화를 고려한 홍수위를 고려하여 제방의 안전율을 분석하였다. 제방의 취약성 분석에 필요한 인자를 도출하고 이를 활용하여 기후변화 시나리오에 따른 제방의 수위변화를 고려한 제방의 취약성 분석을 실시하였으며 분석결과를 본 연구자가 기 개발한 제방홍수취약성지수(Levee Flood Vulnerability Index, LFVI) 값을 이용하여 제방의 취약성에 미치는 영향을 분석하였다.

도시화 및 산업화로 인한 도시지역의 불투수율의 증가와 국지성 호우로 인하여 도시지역의 홍수에 대한 방어능력이 취약하게 되었다. 도시지역 의 홍수피해 저감을 위하여 저류지와 침투시설을 포함한 각종 우수유출저감시설이 적용되고 있다. 그러나 국내 대도시의 경우 우수유출저감시설 설치를 위한 부지 확보가 어렵고 노후화된 관거 개선을 위한 예산확보도 어려운 실정이므로 도심지의 치수능력 향상과 예산을 절감시킬 수 있는 기 존 우수관거를 연계한 저류시스템(이것을 간선저류지라 부르기로 한다)의 설계가 필요하다고 판단된다. 본 연구에서는 세 가지 형상(세장형, 중앙 형, 집중형)의 가상유역을 대상유역으로 선정하여 기존 우수관거를 연계한 저류시스템인 간선저류지를 유역 내의 임의의 위치에 설치하였을 경우 간선저류지의 용량에 따른 우수유출저감효과를 분석하였다. 간선저류지는 6가지의 용량(1,000 m3, 3,000 m3, 5,000 m3, 10,000 m3, 20,000 m3, 30,000 m3)으로 설정하였고, 우수유출저감효과를 분석하기 위한 저류지의 설치위치는 전체 유역면적에 대한 저류지 상류부 면적의 비를 각 각 20%, 40%, 60%, 80%로 변화시키면서 설치위치를 다양하게 적용하여 대상유역의 우수유출저감효과를 분석하였다. 또한 도출된 결과를 이 용하여 간선저류지 설치위치에 따른 관계도 및 관계식을 제시하였다.

In this study, when seawall or harbor gate is installed for coastal disaster prevention, a two-dimensional water analysis in the bay is carried out to consider the flood amount of river inflow and effect of harbor gate. The Yeongsan river and the port Mokpo area are selcected for the study region. Then, by analyzing the hydraulic characteristics of flood flow of the Yeongsan river, we analysed the compatibility of the results in the two-dimensional hydrodynamic model. A twodimensional water analysis were conducted for the four cases considering whether a arbor gate is installed or not, and whether the inland water boundary condition is considered or not, also with open sea boundary condition. The results of the two-dimensional water analysis shows that water level change near the port Mokpo area is mainly caused by the discharge of the estuary barrage of the Yeongsan river because the harbor gate was installed. In addition, it is revealed that the volume of reservoir created by the harbor gate and the estuary barrage is too much small compared to the volume of the discharge from the Yeongsan river. Therefore, when the harbor gate is installed in the open sea, we concluded that a flexible management between the harbor gate and the estuary barrage of the Yeongsan river is required. A initial water level of the bay and outflow from the harbor gate are proposed for disaster prevention in the coastal area of port Mokpo.

현재 저류시설과 같은 유출저감시설은 국내에 적용된 사례가 거의 없고, 구체적인 설치 기준 및 설계 방법에 대한 기준이 미비하며, 저감량을 정량화하는 것이 곤란한 문제점을 지니고 있다. 이에 따라 유출저감시설의 정량화 지표가 개발될 때까지 국내에서 보편화되어 있는 유역출구 저류시설인 저류지를 기본 저감시설의 형식으로 채택하고 추가적으로 침투형 저감시설을 최대한 적용하고 있는 실정이다. 이러한, 저류지의 설계는 저류용량 및 방류시설에 이르기까지 까다로운 절차를 거쳐 제원을 결정하고 있어 계획단계에서는 불필요한 인력 및 시간이 소모되기도 한다. 따라서 본 연구에서는 기존 FFC11-SimPOND 모형의 저류지 규모결정 과정과 방류암거의 간편설계절차를 일원화하여 계획단계에서 저류지 용량과 방류암거의 설계제원을 손쉽게 산출할 수 있도록 SimPOND-CO 모형을 구축하였다.

우리나라는 해마다 태풍에 의한 연안 침수피해가 발생하고 있으며, 기후변화에 따른 해수면 상승 및 태풍 강도 증가로 인해 연안 지역에 더 큰 영향을 줄 것으로 우려되고 있다. 또한, 근래의 기후변화 추이와 국지적 집중호우 증가 및 4대강 살리기 사업으로 인한 하도의 준설로 인한 하도환경 변화는 연안재해를 가중시킬 우려가 있으므로 연안으로 유입되는 홍수량을 고려하여 모의할 필요가 있다. 일반적으로 연안해역의 재해방지구조물은 외해의 파랑과 해일의 검토를 통하여 설계가 이루어지며, 재해예방을 위한 연안해역 침수 Simulation의 경우 폭풍해일만을 고려하여 내수의 유입은 고려하지 않는 것이 대부분이다. 따라서, 본 연구에서는 폭풍해일로 인한 극조위 발생과 내륙의 홍수량 유입에 대한 목포 연안의 2차원 수리분석을 진행하였다. 본 연구에서는 목포 연안의 수리분석을 수행하기 위하여 유체 흐름의 동수역학 해석을 위한 2차원 수치모형인 SMS(Surfacewater Modeling System) 모형을 이용하였다. 수리분석을 위한 외해의 경계조건으로 목포검조소의 8개 조화상수를 조정하여 해일고를 고려할 수 있게 설정하였으며, 내수의 경우 영산강의 설계홍수량에 영산호와 영암호 연락수로 방류량을 제외한 값을 경계조건으로 부여하였다. 목포 연안해역의 해수면 변화를 검토하기 위해 목포검조소, 영산강 하구둑 부근 해역을 검토지점으로 설정하였으며, 목포시와 고하도, 허사도 구간에 방조수문을 설치한다고 가정하여 세가지 모의조건에 따른 검토지점의 해수면 변화를 검토하였다. Case 1과 Case 2의 경우 방조수문 미설치시 외해 조건에 내수 유입의 유무에 따른 수치모의를 진행하였으며, Case 3의 경우는 방조수문 설치시 외해 조건과 내수 유입을 모두 고려하여 모의를 진행하였다. 수치모의 결과 방조수문 미설치시 외해의 영향이 해수면 변화에 지배적으로 작용하였으며, 방조수문 설치시 내수의 유입에 따라 해수면이 급격하게 변화하여 내수가 지배적인 것으로 분석되었다.

최근 이상기후에 따른 홍수 및 가뭄 등 물 문제를 근원적으로 해결하고, 하천공간을 합리적으로 정비하여 하천 환경, 수질 개선 등을 위한 4대강 살리기 사업이 시행되었다. 4대강 살리기 사업은 제방축조 위주의 치수대책으로 인하여 치수 위험도가 증가하여 이에 따른 홍수방어능력 증대사업의 일환으로, 홍수피해를 방지하고 홍수위를 저감시키기 위하여 하도준설을 실시하였다. 따라서, 본 연구에서는 4대강 살리기 사업으로 인한 하도변화 등 물리적 환경변화와 그에 따른 하천 홍수위 저감 효과를 분석하기 위하여 영산강 수계를 중심으로 HEC-RAS 모형을 이용한 1차원 수리분석을 진행하였다. 본 연구에서는 영산강 유역의 대규모 자연하천유역 중 영산강 본류의 10개 지점, 황룡강 2개 지점, 지석천 5개 지점, 고막원천 7개 지점, 함평천 5개 지점 등 총 29개 지점으로 유역을 선정하여 수문분석을 실시하였다. 홍수량 산정을 위한 유역추적 방법으로는 Clark 유역추적법을 적용하였으며, 하도 홍수추적 방법은 영산강 하류부 구간은 수문학적 홍수추적방법인 Muskingum 방법을 사용하였고, 나머지 전 하도구간에서는 Muskingum-Cunge(M-C)법을 적용하였다. 수문분석을 통해 산정된 각 소유역의 계획홍수량은 수리분석을 위한 상류단 경계조건으로 사용하였다. 이 때 영산강으로 유입되는 소유역내의 첨두유출량은 동시에 발생한다고 가정하였으며, 유입되는 유량의 경우 영산강 하도의 상류단과 하류단 사이의 여러 중간 지점에 대해 각각 다른 유량을 적용하였으며, 각 지점의 유량은 그 지점에 영향을 미치는 집수유역의 면적을 고려하여 비유량법으로 구해 적용하였다. 또한 영산강 수계의 각 지점에 대한 홍수위를 계산하기 위해 영산호의 계획홍수위를 하류단의 경계조건하여 수리분석을 진행하였다. 홍수위 분석결과 대부분 구간의 수위변화는 크게 나타나지 않았으나, 영산강 살리기 사업으로 인한 하상준설이 이루어진 구간에서 0.01m ∼ 0.63m의 홍수위 저감효과가 나타났으며, 죽산보 상류 5km 지점부터 광주천 합류점 구간의 수위 저감효과가 비교적 크게 나타난 것으로 분석되었다.

본 연구 (II)에서는 앞선 연구 (I)에서 개발된 지표 및 지표하 유출해석 모듈의 적용성과 수치해석적인 안정성에 대한 분석하였다. 개발 모듈의 유출해석에서 기존 강우-유출해석 모형에 비해 특징적인 침투해석에 관한 모의를 위해 침투해석 방식이 서로 다른 FFC2Q모형과 VfloTM을 비교대상으로 선정하여 동일한 투수층 유역에 적용하여 모의 결과를 비교분석해 보았으며, 강우의 크기와 토양의 유효토심 및 강우발생시점부터 강우종료 후 경과시간에 대한 모의조건을 설정하여 개발모듈의 적용성과 해석결과의 안정성을 검토해 보았다. 이상의 테스트에서 본 연구의 개발 모듈은 침투과정을 물리적으로 나타내는 전형적인 형태를 잘 나타내었으며, 토양조건 별 포화시점도 상이하였고, 수두가 증가되는 기울기도 다르게 구현함으로써 토양별 특성치를 비교적 잘 보여주었다. 또한, 강우강도가 유출에 미치는 영향과 시간분포에 대한 모의결과도 잘 반영하였으며, 마지막으로 타 모형과의 비교결과에서도 강우-유출해석에 대한 정확도가 높게 평가될 만한 결과를 도출하였다.

유역내에서 발생하는 유출은 지표 유출과 지표하 유출이 있으며, 서로 상호작용 상태를 유지하게 된다. 일반적으로 지표와 지표하 둘 중 한 가지 알고리즘으로 해석이 힘든 유역에 대해 지표와 지표하 사이의 동적인 관계를 상세하게 모의해야 하는 경우 상호작용에 관한 요소를 고려하여야 한다. 동적인 상호작용 시스템의 구동에서는 시·공간적인 매개변수가 중요하며, 적절한 모의를 위해 시·공간적인 매개변수는 시스템 상에서 지표와 지표하 항에 대한 복합적인 메카니즘으로 구성되어야 한다. 본 연구에서는 이러한 지표 및 지표하 유출의 상호작용에 관한 알고리즘을 위해 2차원 확산파 방정식을 이용하여 지표 유출을 해석하고, Darcy의 법칙과 Dupuit-Forchheimer의 가정을 이용한 Boussinesq 방정식을 적용하여 포화상태의 지표하 유출의 알고리즘을 구성하였다. 커플링 방정식으로 공간에 대해서는 유한체적법을 사용하고, 시간에 대해서는 Crank-Nicolson 방법을 이용하였으며, 지표와 지표하 흐름의 상호작용에 대해서는 질량보존의 법칙에 기반하여 구성하였다. 이상의 과정을 통하여 지표 유출해석, 지표하 유출해석, 상호작용, 수치해석 부분의 4가지 주요 모듈을 만들었으며, 4가지 주요 모듈을 통합하여 복합유역의 지표 및 지표하 유출해석 모듈을 개발하였다.

지구온난화의 가속화가 진행되면서 태풍이 우리나라에 머무는 시간이 늘어남에 따라 더욱 더 큰 피해를 주고 있으며, 해수면온도 상승으로 인해 태풍 매미와 같은 대규모 슈퍼 태풍의 내습빈도가 증가되고 있다. 이처럼 최근에 발생한 태풍에 의해 많은 연안해역이 해일 발생 위험에 노출되고 있으며, 재해방지구조물의 허용 설계 이상의 해일 및 파랑 내습시 상당한 침수와 구조물의 피해가 빈번히 발생하고 있는 실정이다. 연안해역의 재해방지구조물은 외해의 파랑과 해일에 의한 피해를 저감하고자 시설하게 되는데 정작 내수에 대한 설계가 반영되고 있지 않아 외해에서 발생하는 최악의 조건과 내해에서 일어날 수 있는 최악의 상황이 중첩될 경우 연안해역에서 나타나는 피해는 극심해질 우려가 있다. 따라서 본 연구에서는 육지에서의 하천홍수가 연안해역에 미치는 영향을 고려하기 위하여 마산만 지역의 남천과 삼호천을 대상하천으로 선정하여 수문학적 분석을 실시하고 충분한 안전성 검토를 위하여 대상하천의 설계빈도 100년의 계획홍수량을 상류단 경계조건으로 채택하고 하천정비기본계획에서 제시하고 있는 100년 빈도 설계홍수량에 대한 기점수위와 기왕 최대 해일고를 야기시켰던 태풍매미시의 기점수위를 하류단 경계조건으로 채택하여 대상하천의 수리 해석을 실시하였다. 남천과 삼호천의 수리분석을 통한 홍수위 검토의 결과 하천 하류부 제방에서 월류가 발생하였고 하천설계기준에서 제시하고 있는 하천규모별 제방여유고 1.0m에 대해 부족한 구간이 다수 나타나는 등 하천 하류부의 유수배제상황이 열악하였다. 따라서 원활한 유수배제를 위해 남천과 삼호천의 유수배제계획을 다음 표와 같이 4가지 형태로 수립하고 각각의 대안에 대한 검토를 순차적으로 시행하였다. 유수배제계획의 검토 결과는 아래 표와 같고, 채택안인 4안은 하천을 거대한 유수지로 활용하여 제방의 여유고 이하까지 저류시키는 방안과 여유고를 상회하는 홍수위에 대한 pump 강제 배수방식을 채택한 것으로 1안의 방조수문과 해일고에 의한 배수현상을 저감하고 2안의 하천변 유수지 부지확보에 대한 문제해결과 3안의 과도한 pump용량의 유지관리의 어려움을 동시에 해결할 수 있는 적정안이라고 사료되었다.

강우 발생시 지표면으로부터 일어나는 침투현상은 토양내 함수비와 물리적 특성에 따라 습윤전선이 지표면으로부터 지표하로 이동하게 되고, 습윤전선을 기준으로 토양 내 포화 및 불포화 상태의 침투흐름으로 구분된다. 토양의 침투능 지배인자들은 지반의 초기조건과 침투에 따라 모두 연속적인 거동을 나타내지만 기존에 사용되고 있는 Horton 공식(1933)과 Green-Ampt 공식(1911)은 현장의 조건과는 다른 불연속적 침투흐름을 고려한 식으로 실제토양에 적용할 경우 다른 양상을 보이고, 침투흐름 특성을 합리적으로 해석하기에는 무리가 있다. 따라서 본 연구에서는 불포화 투수층의 침투흐름 방정식을 이용하여 토양 물성치에 따른 토양분류별 강우조건과 유효토심에 대한 침투도달시간을 산정하고 분석하였으며, 침투도달시간 산정법을 강우강도와 유효토심을 기준으로 검증하기위해 국립방재연구소의 2008년, 2009년에 시행된 투수성 보도블럭 침투실험 데이터를 이용하였다. 실험의 시행년도와 투수성 보도블럭의 형태에 따라 검증 케이스를 4가지로 분류하고, 강우조건 50mm/hr, 100mm/hr, 150mm/hr, 200mm/hr에 의해 불포화 투수층에서 나타난 실측치와 산정된 침투도달시간을 비교하였다. 검증 결과 아래 그림과 같이 2008년에 실시된 침투실험 데이터 A1, B1은 강우강도가 증가함에 따라 실측 침투도달시간에 비해 다소 짧게 산출되었고, 2009년의 침투실험 데이터 A2, B2는 50mm/hr 강우강도를 제외하고 모든 검증케이스는 실측 침투도달시간에 근접하게 나타났다. 이는 A1, B1의 실험조건이 선행토양 함수조건을 구분하지 않고 실험을 실시하였고, A2, B2는 선행토양 함수가 없는 조건으로 설정 후 실험을 실시한 이유로 볼 수 있을 것이다. 따라서 불포화 투수층의 침투해석은 본 연구에서 제시한 토양층의 함수조건과 강우강도에 대한 영향을 고려할 수 있으며 연속적인 침투거동을 나타낼 수 있는 방법이 적합할 것이다.