Ⅰ. 서 론
기후변화 등의 영향으로 국지성 호우 등 이상기후의 발생이 증가하고 있으며, 2017년 기준 호우에 의한 재산피해액이 전체의 약 54.2%를 차지하는 등 매년 홍수에 의한 큰 피해가 발생하고 있다 (MOIS, 2018). 농경지 침수의 경우 최근 10년간 약 570억 원의 피해가 발생하였으며 (MOIS, 2018), 도시지역에 비해 침수피해대책이 미흡하여 매년 큰 피해를 입고 있다 (Jun et al., 2018; Jun et al., 2013). 농경지의 침수피해대책 수립을 위해서는 수리·수문 모델링에 의한 정확한 침수피해 예측이 선행되어야 한다 (Jun et al., 2018; Lee and Cha, 2015).
침수 모의에는 수리·수문 모델링, 수치해법 등 여러 가지 방법이 사용되고 있다. 하지만 기존의 수리·수문 모형은 대부분 도시유역 혹은 비교적 규모가 큰 하천의 홍수 및 침수 모의에 용이하도록 개발되어, 소하천을 중심으로 침수 피해가 빈번하게 발생하는 논 지구에 적용하기에는 무리가 있다. 또한, 모형의 입력자료 구축과 계산에 시간과 비용이 과도하게 소모되는 단점이 있으며, 농업용 수리구조물을 모델링에 반영하지 못하는 한계가 있다. 수치해법 또한 몇몇 연구자들이 논에서의 수문 기작을 해석하기 위해 적용한 바 있으나 (Kang et al., 2004a; Kang et al., 2004b; Kang, 2014) 구획단위 혹은 광역단위의 넓은 지역을 해석하기에는 시간이 과도하게 소모되는 단점이 있다. 따라서 농촌지역의 홍수방어 대책 수립을 위해서는 배수지연 등 논에서의 수문 기작을 고려한 침수 모의 기법의 개발이 필요한 실정이다.
농경지 침수 모의에는 다양한 모형들이 적용된 바 있다. Lee (2019)는 한국농어촌공사에서 개발한 GATE2018을 이용하여 예보강우의 시간분포에 따른 침수 확률은 산정하였으며, Minakawa and Masumoto (2013)은 Tank 모형을 변환하여 기후변화에 의한 강수량 변화에 따른 저지대 농경지의 침수 피해 변화를 계산한 바 있다. Hwang et al. (2012)는 한국농어촌공사에서 개발한 배수갑문능력검토프로그램을 이용하여 고정 및 임의시간 확률강우량에 따른 농경지 배수 영향을 분석한 바 있다. 많은 연구자들은 Hydrologic Engineering Center’s River Analysis System (HEC-RAS)를 적용하여 농경지 침수 모의를 수행하였다. Jun el al. (2018)은 최근 개발된 HEC-RAS 5.0 버전의 2차원 모의 기능을 이용하여 1차/2차원을 연계한 농경지 침수 모의를 실시하였으며, 1차원 단독 침수 모의 결과에 비해 농경지 침수 모의에 적용성이 높은 것으로 판단하였다. Ryu et al. (2017)은 미래기상자료를 적용하여 HEC-RAS를 이용한 청미천 인근의 농경지 침수 모의를 수행하였으며, 미래 기간으로 갈수록 침수피해가 증가하는 것으로 분석하였다. Shin et al. (2016)은 농경지 침수 모의에 적용하기 위해 미측정 지방소하천의 단면 추정 기법을 개발하고 HEC-RAS를 이용해 적용성을 평가한 바 있다.
농경지 침수 모의에 관한 선행연구는 대부분 기존의 수리·수문 모형을 이용하여 침수 모의를 수행하거나 침수피해 정보를 수집 및 가공하는 방향으로 이루어지고 있다. 하지만, 정확한 농경지의 침수 피해 예측 및 방어 대책 수립을 위해서는 앞서 언급한 바와 같이 농경지의 수문 기작을 반영한 침수 모의 기법의 개발이 필요하다. 또한, 도시지역에 비해 단순한 수문기작을 가지며 면적이 넓은 농촌지역의 침수 해석을 위해서는 비교적 단순한 알고리즘을 가지며 적용이 간편한 침수 모의 기법을 개발해 모델링에 소모되는 시간과 비용을 절약할 필요가 있다.
본 연구에서는 외수위 상승과 낮은 배수능에 의한 논 지구의 배수지연 효과를 고려하여 물수지 방정식 기반의 범용 침수 모의 기법을 개발하고, 침수취약지구를 대상으로 침수 해석을 수행하여 적용성을 평가하고자 한다.
Ⅱ. 범용 침수 모의 기법 개발
Fig. 1은 본 연구에서 개발한 배수지연을 고려한 농경지 침수 해석 기법을 간략하게 나타내고 있다. 먼저, 논 지구는 하나의 단일포장으로 가정하였고, 단일포장의 배수량은 위어공식을 이용해 산정하였다. 하천의 수위는 HEC-RAS를 이용해 계산하였으며, 논의 수위는 연속방정식에 기초한 물수지방정식을 이용해 산정하였다. 시간별 논의 수위와 하천의 수위를 비교하여 논의 수위가 하천의 수위에 비해 높을 경우 앞서 계산한 배수량이 하천으로 배제되며, 하천의 수위가 논의 수위에 비해 높을 경우 배수지연이 발생해 배수가 이루어지지 않도록 알고리즘을 구성하였다.
1. 논 지구의 배수지연에 의한 침수 기작
논에서의 침수는 대부분 배수지연에 의해 발생하고 있다. 강우시 논 지구의 유출수는 배수지거, 배수지선, 배수간선 등으로 구성된 배수로망을 통하여 하천으로 배제되며, 지구의 특성에 따라 배수지거나 배수지선이 하천에 바로 연결된 경우도 있다 (Kang, 2014). 배수로망에서 배수지연이 발생하는 경우 과잉수를 배제하지 못해 농경지 침수가 발생하며, 배수지연의 주요 원인은 외수위 (하천수위) 상승, 배수로 통수단면 부족, 수로의 토사 퇴적 및 수초 발생 등이 있다 (Park, 2003). 따라서 배수지연의 원인은 크게 외수위 상승과 배수로 통수능 부족으로 나눌 수 있으며, 배수지연에 의한 농경지 침수 해석을 위해서는 두 가지 기작을 함께 적용해야 한다.
Fig. 2은 논 지구 배수체계를 간략화한 모식도를 나타내고 있다. 강우시 각 논에서의 유출수는 배수지거 혹은 배수지선으로 흘러나와 직접 하천으로 배제되거나, 보다 큰 배수지선 혹은 배수간선으로 모여서 하천으로 배제된다. 각 배수로에서는 설계 배수능 이상의 유출이 발생하거나, 토사 및 수초 등에 의해 배수로의 통수능이 줄어들 경우 배수가 지연되어 침수가 발생할 수 있다. 배수로는 일반적으로 수문을 통해 하천과 연결되어 있다. 수문은 대부분 하천으로부터 역류현상을 방지하기 위해 전자식으로 개폐가 가능한 형태나 하천 방향으로만 열려 외수위가 내수위보다 높을 경우 자동으로 닫히는 형태로 이루어져 있다. 따라서 강우에 의해 외수위가 내수위 이상으로 상승한 경우 수문이 닫혀 농경지의 유출수가 배제되지 못하여 침수가 발생할 수 있다.
2. 논 지구 배수량 산정 기법
가. 구획지구 단일포장화 위어공식
논 지구의 용·배수로는 매우 복잡하여 이를 일일이 적용하여 농경지의 침수 모의를 수행하기에는 시간적·경제적 비용이 과도하게 소모된다. Kim et. al. (2000)은 논 구획지구를 하나의 광역 논으로 단일포장화하고, 단일 물꼬를 통해 유출하는 것으로 가정하여 배수량을 산정하는 방법을 개발하였다. 본 연구에서는 단일포장화 위어공식을 이용하여 배수량을 산정하였으며, 식은 아래와 같다.
여기서 
는 광역 논의 유출량 (m3/sec), 
는 유출부의 조건에 따라 달라지는 상수, 
는 물꼬 폭 (m), 
는 담수심 (m), 
는 물꼬 높이 (m)를 나타낸다. 광역 논의 물꼬 폭은 
로 추정하며 
, 
는 매개변수, 
는 광역 논의 면적 (km2)을 나타낸다. 본 연구에서는 Kang (2014)가 논의 물꼬 폭을 결정하기 위하여 실측치와 모의치를 비교하여 실측치에 가까운 모의결과를 나타내는 것으로 제시한 
=63.9, 
=0.7을 사용하였다.
나. 구획지구의 배수지연
논 지구에 배수능 이상의 강우가 발생할 경우, 배수로가 모든 강우량을 배제하지 못해 초과량이 배수로 및 논에 저류되어 수위가 상승하게 된다. 따라서 그래프의 배수지연이 발생하는 시점에서부터는 배수능의 크기만큼의 물이 시간별로 배수가 되고, 나머지는 논 지구에 계속해서 쌓여 농경지 수위가 상승하게 된다. 농경지의 수위가 계속 상승하여 배수구 높이 이상으로 높아지면 월류가 발생하게 된다. 배수구 높이 이상으로 상승한 물은 배수지선 혹은 배수간선으로 모두 넘어가게 된다.
논 구획지구를 단일포장화 광역 논으로 가정하여 배수지연 효과를 적용하면 Fig. 3의 그래프와 같이 나타낼 수 있다. 점선은 농경지의 배수능이 커 배수지연이 발생하지 않을 경우의 시간별 배수량 추이를 나타내고 있고, 실선은 배수지연이 발생하는 경우의 시간별 배수량 추이를 나타내고 있다. 하나의 단일포장화 광역 논에서 강우가 발생할 경우 배수능의 크기보다 작은 크기의 유입량은 그대로 방류가 되며, 유입량이 배수능의 크기 이상으로 증가할 경우 배수능 이상의 초과량은 논에 저류되어 Fig. 3의 (b)와 같이 단일포장화 논의 수위가 상승하게 되고, 배수량은 배수능의 크기와 동일하게 유지된다. 단일포장화 논의 수위가 논둑 높이 이상으로 상승하게 되면 월류가 발생하고, 이때 논둑 높이 이상의 물은 모두 배수가 된다. 강우강도가 약해져 논의 수위가 논둑 높이 이하로 낮아지면 월류는 멈추게 되고, 논의 수위가 초기상태와 같아질 때까지 저류된 물이 배수능과 동일한 크기로 꾸준히 배제가 된다. 이때, Fig. 3의 (a)에서 배수지연에 의해 단일포장화 논에 저류된 초과량 (A)은 논의 수위가 논둑 이하로 내려간 이후에 배제되는 양 (B)와 같다.
이를 식으로 나타내면 아래 식 (2) - 식 (4)와 같다.
는 광역 논의 유출량 (m3/sec), 
는 유출부의 조건에 따라 달라지는 상수, 
는 물꼬 폭 (m), 
는 담수심 (m), 
는 물꼬 높이 (m)를 나타내며, 
는 광역 논의 배수능 (mm/hr), 
은 논둑 높이 (m), 
는 월류량 (m3/sec)을 나타낸다. 식 (2)의 경우 논의 배수량이 배수능보다 작은 경우 적용되며, 앞서 식 (1)에서 제시한 위어공식을 이용한 배수량과 같다. 식 (3)의 경우 위어공식으로 산정한 배수량이 배수능을 초과하고 논의 수위가 논둑 높이보다 낮은 경우 적용되며, 이때 논의 배수량은 배수능과 동일하게 유지된다. 배수능의 단위는 mm/hr로 배수능에 논의 면적을 곱하고 시간단위를 변환해주면 m3/sec 단위의 배수량을 계산할 수 있다. 식 (4)의 경우 위어공식으로 산정한 배수량이 배수능을 초과하고 논의 수위가 논둑 높이를 초과하여 상승할 경우 적용되며, 이때 논의 배수량은 배수능과 월류량의 합과 같다.
3. 하천수위 해석 기법
농경지의 배수체계는 인근 하천과 연결되어 있어, 외수위가 내수위 이상으로 상승하면 농경지의 물이 하천으로 배제되지 못하여 배수지연이 발생한다. 따라서 농경지의 침수 모의를 위해서는 시간에 따라 달라지는 외수위를 부정류 모의를 통해 산정하고, 시간별로 내수위와 비교해 배수지연 발생여부를 판단해야 한다.
본 연구에서는 하천수위 모의에 하천 수위 해석에 가장 보편적으로 활용되는 HEC-RAS를 이용하였다. HEC-RAS의 입력자료로는 유량자료, 하천단면자료, 상하류단 조건 등이 필요하다. HEC-RAS의 1차원 부정류 해석을 위한 지배방정식은 연속방정식과 운동량 방정식이다. 연속방정식은 시스템 내에서의 질량보존 개념을 나타낸 식이며 아래 식 (5)과 같다.
여기서, 
는 하도길이, 
는 시간, 
는 유량, 
는 단면적, 
는 저류량, 
은 단위길이당 측방유입량을 의미한다.
운동량방정식은 운동량의 변화가 시스템에 작용하는 외력과 같다는 것에 기초하며, 단일수로에 대해서 식 (6)와 같이 나타낼 수 있다.
여기서, 
는 하도길이, 
는 시간, 
는 유량, 
는 단면적, 
는 저류량, 
는 중력가속도, 
는 마찰경사, 
는 유속이다. HEC-RAS의 자세한 이론적 배경은 USACE HEC (2016)에서 발간한 ‘Hydraulic Reference Manual’에 수록되어 있다.
4. 농경지 침수 해석 기법
농경지 침수 해석을 위해 앞서 산정한 외수위, 내수위 및 배수량을 이용해 여러 가지 시나리오에 따른 침수 해석 알고리즘을 구성하였다. 본 연구에서는 시나리오 구성에 외수위와 내수위의 고저, 하천 둑을 통한 월류 발생 여부, 배수문의 존재 유무, 배수장 혹은 배수 펌프의 존재 유무 등을 고려하였다.
먼저, 외수위와 내수위를 비교하여 내수위가 외수위에 비해 높을 경우에는 앞서 계산한 배수량이 그대로 하천으로 흘러나가게 되며, 내수위가 하천의 둑 높이 이상으로 높아질 경우에는 하천의 둑을 월류하는 물의 양을 계산할 수 있도록 알고리즘을 구성하였다. 외수위가 내수위에 비해 높을 경우에는 농경지에서 하천으로 배수가 되지 않아 배수지연에 의해 농경지의 수위가 상승하게 된다. 또한, 하천의 수위가 둑 높이 이상으로 높아질 경우 월류량이 발생하게 되며, 하천과 농경지 사이에 배수문이 존재하지 않는 경우에는 배수로를 통해 하천의 물이 역류하는 경우도 발생하게 된다. 마지막으로, 농경지에 배수 펌프가 존재하는 경우 이에 의한 배수량을 추가로 계산하여 농경지 수위를 계산할 수 있도록 알고리즘을 구성하였다.
농경지 침수 해석을 위한 물수지 방정식은 아래 식 (7) 및 식 (8)과 같은 연속방정식을 사용한다.
는 시간 t에서의 논 저류량 (m3/sec), 
는 시간 t에서의 배후유역 유입량 (m3/sec), 
는 시간 t에서의 강수량 (mm/hr), 
는 광역 논의 배수량 (m3/sec), 
는 펌프 배수량 (m3/sec), 
는 시간 t에서의 논의 수위 (el. m), 
는 시간 t에서의 하천의 수위 (el. m), 
는 논의 바닥 표고 (el. m), 
는 논의 면적 (km2)을 나타낸다. 식 (7)의 경우 논의 수위가 하천의 수위보다 높은 경우 적용되며 시간 t에서의 논 저류량은 시간 t-1에서의 저류량에 배후유역 유입량과 강수량을 더하고 배수량과 펌프 배수량을 뺀 값이 된다. 식 (8)의 경우 하천의 수위가 논의 수위보다 높아 배수지연이 발생할 경우 적용되며 하천의 수위가 높아 배수량이 0이 되고 펌프에 의한 배수만 이루어진다. 농경지의 수위는 식 (9)와 같이 농경지의 바닥 표고에 저류량 (m3/s)을 농경지 면적 (km2)으로 나눈 값을 더하여 산정할 수 있다.
Ⅲ. 범용 침수 모의 기법 적용
1. 대상지구 선정 및 자료 구축
본 연구의 대상지구로 두월천 인근 침수취약지구를 선택하였다. 대상지구는 배후유역이 없는 지역이며 배수로가 하천과 직접적으로 연결되어 있어 본 연구에서 개발한 배수지연 기작을 확인하기 용이할 것으로 사료된다. 또한, 집중호우시 하천수위 상승에 의한 농경지 배수지연으로 침수가 빈번하게 발생하는 것으로 알려져 있다. Fig. 4는 대상지구의 위치, 하천도 및 DEM을 나타내고 있으며, Fig. 5는 대상지구의 수문순환 모식도를 나타내고 있다. 대상지구의 면적은 0.13 km2이며 3개의 용/배수로가 지나고 있다. 대상지구는 용수로를 배수로 겸용으로 사용하고 있으며, 배수로는 두월천으로 연결되어 있다. 하천으로 연결된 배수로에는 수문이 설치되어 있으며, 대상지구의 수문은 하천 수위 상승에 따른 역류현상을 방지하고자 제내지 (논)에서 제외지 (하천) 방향으로만 열리도록 설치되어 있다. 본 연구에서는 대상지구 전체를 하나의 광역 논으로 가정하고 농경지 수위 모의를 수행하였다.
하천의 수위 해석을 위해서는 정확한 하천 단면 형상, 조도계수, 유량자료 및 상하류단 조건 등의 입력이 필요하다. 본 연구에서는 가장 최근에 작성된 ‘두월천 하천기본계획 보고서 (MOLIT, 2012)’를 수집하여 해당 사업 시 구축한 하천 단면 자료를 이용하였다. 하천단면은 총 189개를 입력하였으며, 조도계수는 0.025 – 0.035의 값을 사용하였다. HEC-RAS에 입력하기 위한 유량자료는 ‘설계홍수량 산정 요령 (Ministry of Land, Infrastructure and Transport., 2012)’에 의거하여 HEC-HMS의 Clark 단위도 방법을 이용해 산정하였다. 배수개선공사 수행시 농경지 배수체계는 20년 빈도 48시간 강우를 배제할 수 있도록 설계하고 있다. 따라서 본 연구에서는 두월천 유역의 20년 빈도 48시간 강우강도인 5.64 mm/hr를 배수능으로 적용하였다. 농경지 수위 산정을 위해 농경지 바닥 표고를 추출하였으며, 대상지구의 농경지 표고는 5.14 el.m이다.
2. 배수량 산정 결과
두월천 인근에 위치한 대상지구에 100년 빈도 및 200년 빈도 강우 발생 시 배수지연을 고려한 배수량을 모의하였다. Fig. 6 및 Fig. 7은 100년 및 200년 빈도 강우에 따른 시간별 배수량 모의 결과를 각각 나타내고 있다. 본 연구에서 개발한 배수량 산정 기법은 배수지연에 의한 논 수위 상승과 논둑높이 이상의 수위에 따른 월류 발생을 모의할 수 있는 것으로 나타났다.
Fig. 6과 Fig. 7의 그래프를 살펴보면 강우강도가 강해짐에 따라 단일포장화 위어공식에 의해 계산된 배수량이 점차 증가하였고, 배수량이 배수능을 초과하는 순간부터는 배수능과 동일한 양의 물이 배수되는 것으로 나타났다. 이때, 배수능 이상의 초과량은 논에 저류되는 것으로 나타났고, 이에 따라 논의 수위가 지속적으로 상승하는 것으로 나타났다. 논의 수위가 지속적으로 상승해 논둑의 높이보다 높아지는 경우 월류가 발생해 논둑을 넘어가는 수량은 일시에 배수로로 배수가 되는 것으로 나타났다. 이후 강우강도가 약해짐에 따라 논의 수위가 다시 낮아져 논둑 이하로 내려가게 되면 다시 배수능에 따라 꾸준히 배수가 일어나는 것으로 모의되었으며, 논의 수위도 점차 낮아져 초기수위를 회복하는 것으로 나타났다.
Fig. 6에서 100년 빈도 강우시 강우시작 19시간 후 논의 수위가 논둑 높이 이상으로 올라가는 것으로 나타났으며, 총 월류량은 3.4 mm로 나타났다. Fig. 7의 200년 빈도 강우시에는 강우시작 16시간 후 의 수위가 논둑 높이 이상으로 올라가는 것으로 나타났으며, 총 월류량은 42.5 mm로 나타났다.
3. 하천수위 해석 결과
두월천 유역의 100년 및 200년 빈도 홍수량과 하천기본계획의 하천단면자료를 입력자료로 활용하여 HEC-RAS의 부정류 해석을 이용한 시간별 하천수위 모의를 수행하였다. 두월천 유역의 100년 빈도 및 200년 빈도 홍수량은 각각 507 m3/s 및 560 m3/s이다. 대상지역의 배수로는 수문을 통해 두월천으로 연결되어 있으며, 수문은 하천의 수위가 농경지의 수위보다 높을 경우 자동으로 닫히는 구조로 이루어져 있다. 따라서 하천수위 상승에 따른 배수지연 효과를 적용하기 위해서는 대상지역 농경지와 가장 가까운 하천 단면의 수위를 농경지 수위와 비교해야 한다. 두월천 하천기본계획 보고서의 평면도를 분석한 결과 하천단면 중 27번 단면이 본 연구의 대상지역과 가장 가까운 것으로 나타났으며, 따라서 27번 단면의 100년 및 200년 빈도 홍수량에 따른 시간별 수위변화 자료를 구축하였다.
Fig. 8의 (a)는 100년 및 200년 빈도 홍수량에 따른 27번 단면의 시간별 수위 변화를 나타내고 있으며, Fig. 8의 (b)는 27번 단면의 수위 모의 결과를 나타내고 있다. 하천수위 해석 결과, 200년 빈도 홍수량에 따른 두월천 27번 단면의 첨두 수위는 8.56 el.m로 대상지역의 농경지 표고 (5.14 el.m)와 비교해 하천수위가 크게 상승하는 것으로 나타났다. 따라서 하천수위 상승에 따른 배수지연효과가 나타날 것으로 판단되며, 본 연구의 하천수위 모의 결과에서 하천에서 제내지로의 제방 월류는 발생하지 않는 것으로 나타났다.
4. 농경지 침수 해석 결과
앞서 산정한 외수위와 배수량을 이용해 대상 농경지의 100년 및 200년 빈도 강우에 따른 침수 해석을 수행하였으며, 0.1 m3/s 용량의 배수펌프가 강우시작 시점부터 가동될 경우의 침수 해석을 수행하였다. Fig. 9 및 Fig. 10은 100년 및 200년 빈도 강우에 따른 대상지역의 침수 모의 결과를 나타내고 있다. Fig. 9와 Fig. 10은 시간별 하천 수위 및 농경지 수위 변화와 시간별 농경지 수심을 확대해서 동시에 나타내고 있다. Fig. 11은 100년 및 200년 빈도 강우시 배수펌프 가동 여부에 따른 농경지 수심 변화를 나타내고 있으며, Table 1는 각 경우의 대상유역 침수심 및 침수시간을 나타내고 있다. 배수개선사업에서 침수는 24시간 내 허용담수심인 30 cm를 초과하지 않도록 배수체계를 설계하고 있다 (KRC, 2012). 따라서, 본 연구에서는 논의 수심이 30 cm를 초과하는 시간을 침수시간으로 계산하였다.
Table 1
Inundation characteristics of study paddy fields
Fig. 9
Comparison of water level changes between study paddy field and Doowol stream (100-year frequency design flood)
Fig. 10
Comparison of water level changes between study paddy field and Doowol stream (200-year frequency design flood)
Fig. 9 및 Fig. 10의 그래프에서 하천 수위는 농경지 수위에 비해 빠르게 상승하여 강우시작 약 16시간 이후부터 외수위가 내수위 보다 높아져 배수지연이 발생하는 것으로 나타났다. 강우 시작 후 16시간 이후의 강수량은 100년 빈도 및 200년 빈도 각각 52.5 mm 및 57.8 mm로, 16시간 이후의 강수량은 그대로 논에 저류되는 것으로 나타났다. 따라서 Fig. 9 및 Fig. 10의 그래프에서 강우 종료 후에도 외수위가 내수위보다 낮아지는 시점까지 배수가 되지 않아 농경지의 수위가 낮아지지 않고 유지되는 것으로 계산되었으며, 외수위가 내수위보다 낮아진 이후에는 다시 자연배수가 발생해 농경지의 수위가 내려가는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서 개발한 알고리즘은 외수위 상승에 따른 배수지연 효과를 잘 반영하는 것으로 사료된다.
Table 1와 같이 침수 해석 결과 100년 및 200년 빈도 강우에 따른 대상유역의 침수심은 각각 43.1 cm 및 45.2 cm, 침수시간은 각각 45시간 및 51시간으로 24시간 이내에 허용담수심인 30 cm 이하로 농경지 수심이 내려가지 않는 것으로 나타났다. 0.1 m3/s 용량의 펌프 가동 시 100년 및 200년 빈도 강우에 따른 침수심은 각각 37.3 cm 및 39.2 cm로, 펌프 미가동시와 비교해 각각 5.8 cm 및 6.0 cm 감소하였다. 침수시간은 각각 25시간 및 30시간으로 20시간 및 21시간 감소하였으나 펌프 미가동 시와 마찬가지로 24시간 이내에 허용담수심 이하로 농경지 수심이 내려가지 않는 것으로 나타났다. 농경지 수심을 24시간 이내에 허용담수심 이하로 낮추기 위한 적정 펌프 용량은 100년 및 200년 빈도 강우에 대해 각각 0.11 m3/s 및 0.14 m3/s로 계산되었다. Fig. 11은 펌프 가동 시와 미가동 시 100년 및 200년 빈도 강우에 따른 농경지 수위 변화를 나타내고 있다. 본 연구에서 개발한 침수 해석 알고리즘은 배수펌프 가동에 따른 농경지 침수심 및 침수시간 감소 효과 계산에 적용이 가능할 것으로 판단되며, 향후 다양한 펌프 용량, 펌프 가동 시점을 적용하여 침수 피해 대책 수립에 적용이 가능할 것으로 사료된다.
Ⅳ. 요약 및 결론
본 연구에서는 논 지구의 배수지연 효과를 고려하여 물수지 방정식 기반의 범용 침수 모의 기법을 개발하고, 두월천 인근의 침수취약지구를 대상으로 침수 해석을 수행하여 적용성을 평가하였다.
배수능 이상의 강우 발생 시 배수지연 효과를 고려하여 논 지구의 배수량 산정 기법을 개발하였으며, 배수량은 단일포장화 위어공식을 이용해 산정하였다. 하천 수위는 HEC-RAS를 이용해 산정하였으며, 부정류 해석을 통해 논 지구와 인접한 하천 단면의 시간별 수위를 계산하였다. 하천수위 상승에 따른 배수지연 효과를 고려한 농경지 침수 해석 기법을 개발하였으며, 논 지구의 수위는 물수지 방정식을 이용해 산정하였다. 또한, 월류량, 펌프 배수량 등을 고려할 수 있도록 알고리즘을 구성하였다.
두월천 인근에 위치한 침수취약지구를 대상으로 본 연구에서 개발한 농경지 범용 침수 모의 기법의 적용성을 분석하였다. 100년 및 200년 빈도 강우에 따른 배수량, 하천 수위 및 농경지 침수 해석을 수행하였으며, 본 연구에서 개발한 배수량 산정 기법은 배수지연에 의한 논 수위 상승과 논둑높이 이상의 수위에 따른 월류 발생을 모의할 수 있는 것으로 나타났다. 하천 수위 모의 결과 두월천의 첨두 수위는 대상지역의 농경지 표고와 비교해 크게 상승하는 것으로 나타났다. 따라서, 하천수위 상승에 따른 배수지연효과가 나타날 것으로 판단되며, 본 연구의 하천수위 모의 결과에서 하천에서 제내지로의 제방 월류는 발생하지 않는 것으로 나타났다. 농경지 침수 해석 결과, 100년 및 200년 빈도 강우에 따른 대상유역의 침수심은 각각 43.1 cm 및 45.2 cm, 침수시간은 각각 45시간 및 51시간으로 나타났으며, 0.1 m3/s 용량의 배수 펌프 가동 시 침수심은 각각 5.8 cm 및 6.0 cm, 침수시간은 각각 20시간 및 21시간 감소하는 것으로 나타났다. 농경지 수심을 24시간 이내에 허용담수심 이하로 낮추기 위한 적정 펌프 용량은 100년 및 200년 빈도 강우에 대해 각각 0.11 m3/s 및 0.14 m3/s로 계산되었다. 따라서 본 연구에서 개발한 범용 침수 해석 알고리즘은 외수위 상승에 따른 배수지연 효과 및 배수 펌프 가동에 따른 침수 저감 효과를 잘 반영하는 것으로 판단된다.
본 연구에서는 논 지구의 배수량 산정을 위해 논 지구를 단일포장으로 가정하고 위어공식을 적용하였다. 단일포장화 논 지구의 배수량은 물꼬의 크기에 따라 크게 달라지며, 본 연구에서는 문헌조사를 통해 물꼬의 크기를 가정하였다. 이러한 여러 가지 가정들에 의해 본 연구에서 적용한 배수량 산정기법은 다양한 불확실성을 가질 것으로 판단되며, 다른 해석기법에 의한 모델링 결과 및 계측 자료와의 비교 및 분석을 통해 모델링의 정확성 확보를 위한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
농촌 유역의 농경지 침수 피해는 꾸준히 발생하고 있으나 침수 모델링의 검증을 위한 계측 자료는 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 도식적 및 개념적 접근을 통해 알고리즘의 적용성을 분석하였으며, 향후 농경지의 시간별 침수심 등의 자료가 확보된다면 범용 침수 해석 기법의 적용성 분석에 사용할 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구에서 개발한 범용 침수 해석 기법은 비교적 간단한 알고리즘으로 다양한 농촌 유역에 간편하게 적용이 가능할 것으로 사료되며, 다양한 유역모델, 수치해석기법 등 보다 정밀한 모형들과 결합하여 농경지 침수 피해 대책 수립에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
