1. 서 론

우리나라에는 현재 17,313개소의 농업용 저수지가 건설되 어 있으며, 이중 한국농어촌공사가 3,403개소(19.7%)로 전체 농업용수의 90.3%를, 지방자치단체가 13,910개소(80.3%)로 9.7%의 농업용수를 관리하고 있으며 흙댐이 99% 이상이고 축조 후 50년 이상 경과된 저수지가 전체의 약 73.4%를 차지 하고 있는 것으로 조사되었다 (^{RRI, 2017}). 이와 같이 저수지 의 공용연수가 증가함에 따라 저수지의 노후화가 진행되는 상황에서 최근 기상변동성, 기후 변화에 따른 수문량 증가 등 으로 인한 저수지 안전성 저하 문제가 노출되고 있다.

또한, 저수지 설계 당시에 비해 증가된 수문량으로 인한 치 수능력부족과 노후화에 따른 기능 상실은 저수지 월류 및 구 조물의 파손 등을 유발하며, 이러한 파괴는 저수지 붕괴로 인 한 대규모 인명피해 및 재산피해로 직결된다. 최근 우리나라 를 포함한 세계 여러 나라에서 저수지 붕괴가 다수 보고되고 있는 사례들은 이에 대한 위험성을 여실하게 보여주고 있다.

저수지 붕괴는 발생 시 큰 인명피해와 재산피해를 유발시 킴에 따라 사전에 위험저수지를 지정하여 예방사업을 하거나 주민대피체계를 구축하여 주민이 저수지 붕괴 예보 발령 시 쉽게 인지하고 빠른 시간에 안전한 장소로 대피하는 것이 매 우 중요하다. 현재 저수지 및 댐 관리기관에서는 계측기를 활 용한 재해대응 시스템을 설치사업을 추진하고 있으며 계측결 과를 활용하여 이상거동 및 붕괴징후를 사전에 인지함으로서 현장 비상대응 활동을 수행하고 있으나 예보시스템 구축 미 비, 예보 기준의 부재, 계측오차 및 현장적용에 어려움이 있어 관리기관의 비상대응계획 운영은 재해대응에 취약한 상황에 있어, 성과를 얻기 위해서는 장기적이고 지속적인 계측사업 에 대한 투자 및 계측시스템의 고도화가 요구된다.

현재 저수지 관련 계측 모니터링 유사사례로는 USN (Ubiquitous Sensor Network) 저수지 붕괴예보 시스템 (한국 농어촌공사의 정보화 시범사업), 재해예방계측 시스템 (한국 농어촌공사), USN 급경사지 붕괴예보 시스템 (행정안전부/ 지방자치단체), 수변구조물 통합안전관리 시스템 (수자원공 사), 소류지 모니터링(지방자치단체) 등이 운영되고 있다 (^{Lee et al., 2017; Lee and Choi, 2018}). 이러한 유사 시스템은 다양한 요소를 고려하여 구성되었고 활용되고 있으나 관제를 위한 관리기준의 적용은 부족한 현실에 있다.

저수지는 이수와 치수를 위하여 수위계를 사용하여 총저수 량을 계측하고 이를 활용하고 있다. 수위계는 월류형태의 저 수지 붕괴를 직접적으로 계측할 수 있는 센서로서 압력식 및 초음파식이 광범위하게 사용되고 있다.

본 연구는 수위계를 활용하여 월류의 전조를 탐지하여 붕괴 시 피해를 최소화하기 위한 붕괴예보 시스템의 수위 관리기준 의 검증을 위하여 계측자료의 분석을 통해 그 상관관계를 분석 하여 이를 토대로 관리기준의 적정성을 검토하고자 한다.

2. 수위관리기준

저수지(댐)의 재해예측을 위한 붕괴 징후 감지를 위해 사용 되는 센서는 종류도 다양하며, 각 종류별 제품은 국내외에서 많은 제품이 생산되고 있다. 국내의 농업용 저수지는 잦은 수 위변화와 노후화에 따른 주요 붕괴 요인은 외적으로 기후변 동성의 증대에 따른 집중호우와 내적으로 시설 노후화를 들 수 있으며, 이에 따른 붕괴 형태는 집중호우에 의한 제체 월류, 내부침식(누수 및 파이핑)에 따른 저수지 붕괴이다.

따라서, 저수지 붕괴 예보 기준을 위한 주요 센서는 현실적 인 붕괴 원인을 사전에 계측을 통해 붕괴징후 물리량 파악에 활용될 수 있어야 한다. 저수지(필댐)의 월류 사전감지를 위 한 적용센서로는 수위계를 선정하였다.

수위계의 관리기준은 Table 1과 같이 연구되었다(^{Choi. et al.; 2017}). 저수지(필댐) 설계 시 만수위 및 홍수위 도달여부 와 제당의 월류 발생 여부를 기준으로 설정되었다. 저수지(필 댐) 만수위는 용수공급 등 이수용량의 최고 수위로 정상적인 저수지 운영을 할 수 있는 저수용량의 상한선이며, 홍수위는 200년 설계빈도 등의 홍수가 유입되는 경우에 방수로에 의한 방류 결과 저수지에서 발생하는 최고수위로 정의한다.

Table 1

Forecasting management criteria of water level (^{Lee et al., 2017})

이에 정상적인 저수지 운영의 최고수위인 만수위 이상으로 수위가 상승하는 경우 관심단계 및 설계빈도에서 설정한 홍 수가 유입되는 경우 발생하는 최고 수위인 홍수위 이상으로 수위가 상승하는 경우를 심각단계로 고려한다. 관심단계는 수위가 정상적인 저수지 운영이 가능한 최고수위인 만수위 이상으로 상승할 때를 저수지 수위가 정상 수준을 넘어서는 상황으로 진행하는 것으로 판단하여 설정되었고, 주의단계는 저수지 만수위와 홍수위 수위차의 1/3(33%) 이상 수위가 상승 할 때를 기준으로 설정하고, 경계단계는 저수지 만수위와 홍 수위 수위차의 2/3(66%) 이상 수위가 상승할 때를 기준으로 설정되었다. 심각단계는 저수지 수위가 홍수위 이상으로 상 승하여 제당의 붕괴 위험성이 크게 증가하는 것으로 판단하 였으며, 수위가 홍수위 이상으로 지속적으로 상승하거나 저 수지에서 월류가 발생 또는 월류 발생이 확실한 경우를 관리 기준으로 설정하였다.

3. 해석계획 및 방볍

본 연구에서 계측자료 조사 및 분석을 위하여 한국농어촌 공사에서 운영 중인 “재해예방계측사업”에서 운영 중인 계측 기기 중 수위계의 계측 자료를 조사·분석의 대상으로 설정하 였는바, 실제 계측 자료를 기반으로 수립된 관리기준의 적정 성을 검토해야 하므로, 본 연구 내에서 적정성을 검토할 개별 위험 관리기준은 “수위계 예보 관리기준”으로 한다.

계측 자료를 취득할 수 있는 ‘재해예방계측사업’ 저수지 중 에서 저수지의 크기와 형태, 지역 분포를 고려하여 9개의 저 수지를 선정하고, ‘USN 저수지 예·경보 시스템’ 운영 저수지 중에서 ‘어은 저수지’를 조사하여 총 10개소의 저수지를 대상 으로 선정하였다(Table 2).

Table 2

Target analysis reservoirs

저수지의 저수량에 따라 ①50만톤 미만, ②50만톤∼100만 톤 미만, ③100만톤 이상으로 3분위로 나누어 각 구간 별 3개의 저수지 선정을 기본으로 하였다. 또한, 저수지의 형태에 따라 ①협곡형, ②평지형, ③반평지형으로 나눌 수 있는데, 그 중에 서 붕괴 시 대규모 인명피해 나 재산피해 등의 피해량이 상대 적으로 큰 “협곡형” 위주로 선정하였다. 여기서 협곡형 저수 지란 저수지의 형태로 볼 때 제방을 제외한 면이 산지로 둘러 싸여있고, 강우 시 산지 등에서 넘어오는 지표수가 월류했을 때, 제방 밑으로 논밭 및 거주지가 밀집되어 있어 그 피해가 상 대적으로 커 보이는 저수지를 표현한다. 구체적으로 제당이 짧고, 제체높이가 기본적으로 10미터 이상을 대상으로 하였 다. 마지막으로, 저수지 크기 및 형태를 고려한 후, 분석의 대 표성을 고려하여 가능한 여러 지역의 저수지를 선정하여 분 석 대상을 고르게 분포시키도록 하였다.

장기간의 계측기간을 설정하여 추세를 조사·분석하여야 하 는바, 수집 자료 중에서 2016년 자료를 중심으로 수위와 지하 수위 데이터를 기준으로 분석을 실시하기로 한다. 다만, 재해 예방계측사업 저수지는 각 저수지별 자동화 구축 시기에 따 라 지하수위 수집 데이터 기간이 상이할 수 있다. 또한, USN 저수지 예경보 시스템의 ‘어은 저수지’의 경우에는 유효한 자 료가 지속적으로 존재하는 2015년도 자료를 조사·분석하기 로 한다.

분석 기간의 각 저수지의 수위와 강우량을 분석하고, 강우 에 따라 수위와 급격하게 오르는 구간을 집중적으로 분석한 다. 이때 실제 수위 데이터 값에 집중강우 가중치를 적용하여 분석 대상 데이터로 활용한다.

본 연구는 재해로 인한 저수지 붕괴 발생에 대비하기 위하 여 개별위험 관리기준의 적정성을 검토하고자 한다. 이에 목 적 적합한 분석자료 취득을 위해 실제 수위 데이터에 두 가지 가중치를 적용하여 분석을 실시하였다. 첫째로 해당 지역의 실제 강우량을 평년 강우량과 비교하여 강우량 가중치를 산 출하고 이를 실제 수위 값에 적용하였다. 다음으로 집중 강우 라는 기후변화를 전제하기 위하여 집중강우 가중치를 추가로 적용하였다. 집중강우 가중치는 지난 100년간 강우일수가 18% 감소하였고, 강우량이 17% 증가한 사실을 토대로 43% 의 수치로 산출하였다. 본 수치는 각 저수지의 극값대비 평년 강우량 수치와 비교하였을 때 최대치(29%) 보다 높은 수치로 가장 보수적인 방법을 적용하였다고 볼 수 있다.

즉, 계측 데이터의 정합성을 검토하기 위하여 수위계측 데 이터에 이중의 가중치를 적용하여 자료를 취득하고 이를 개 별위험 관리기준의 시간에 대한 3분위 기준으로 잡아 설정된 개별위험 관리기준 수치와 비교분석한다.

4. 해석결과

저동저수지의 경우, 2016. 1. 1 ∼ 2016. 11. 11의 기간에전 체적으로 수위는 만수위 수준(46.88EL.m)에서 수위를 유지 하다가, 농업용수를 집중적으로 사용하는 5∼6월 사이에 수 위가 1m 이상 떨어지게 된다. 또한 집중 강우에 의해 수위가 급격하게 상승하나, 저수지 방류 기능에 따라 만수위 수준 이 상으로 올라가지 않는 양상을 보인다(Fig. 1).

Fig. 1

Water level (middle graph) and railfall (upside bar graph) of Geodong reservoir

강우에 의하여 수위가 급격하게 상승하는 구간이 9월 3일 에 존재하여 당일 데이터를 기준으로 분석하였다. 지난 100년 간 강우일수는 18% 감소하였고, 강수량은 17% 증가 하였다.

실제 저수량에 집중강우 가중치 43%를 적용한 데이터와 이에 대한 추세선(지수함수 적용)을 산출할 수 있다 (^{KMA, 2004}). 이 변화 구간에 추세선을 적용한 결과에 따르면 관심단 계인 만수위에서 심각단계인 홍수위까지 이르는 시간은 04;40에서 07:10으로 150분이 소요된다(Fig. 2). Table 3

Fig. 2

Dramatic water level change section in Geodong reservoir

Table 3

Rainfall rate related to extreme annual rainfall

수위계의 개별위험 관리기준이 3분위에 따라 경계가 설정 된 바, 소요시간을 3등분하면 각 단계별로 이르는데 50분이 소요되는 것으로 볼 수 있고, 05:30과 06:20의 집중강우 가중 치 적용값은 각 47.48m와 47.92m이다. 05:30의 값을 만수위 값과 비교하면 0.6m(47.48-46.88)가 차이가 나고, 이는 집중 강우시의 주의 단계가 0.6m/2m 인 30% 기준으로 내려가야 한 다는 것을 보여준다. 또한, 06:20의 값을 만수위 값과 비교하 면 0.96m(47.92-46.88)가 차이가 나고, 이는 집중강우시의 경 계 단계가 1.04m/2m인 52% 기준으로 내려가야 한다는 것을 보여준다(Table 4).

Table 4

Analysis results of Geodong reservoir

학문적으로 최초 설정된 관리기준과 분석값과의 상관관계 를 분석하기 위하여 각 저수지의 수위 값에 집중강우 가중치 를 적용하면 Table 5와 같이 각 저수지별로 실제 데이터 값을 기준으로 한 <주의> 단계의 시작시점과 <경계> 단계의 시작 시점 수치를 도출할 수 있다.

Table 5

Relative analysis of water level management criteria

저수지별로 강우량과 저수지의 크기, 방류량 등의 고유한 특성 및 환경이 모두 다른바, 그 수치도 모두 다를 수밖에 없 다. 따라서 특정 저수지에 수위계에 의한 개별위험 관리기준 을 적용하기 위해서는 해당 저수지의 강우량, 방류량, 저수량 등을 종합적으로 고려하는 것이 전제되어야 한다.

다만, 수위 관리기준은 기존의 ‘댐·저수지 붕괴 등에 따른 비상대처계획(EAP)’ 및 ‘저수지 비상대처계획 수립지침’ 등 의 단계별 상황에 실제 계측자료를 전제로 하여 구체적이고 실질적인 기준을 정립하여 저수지별로 적용할 단계의 기준을 제시하기 위한 것이다. 이런 관점에서 살펴본다면, 계측자료 에서 도출한 각 저수지의 주의 및 경계 시작지점의 평균값이 기 수립된 관리기준인 33%와 66%에서 7%의 표준편차를 벗 어나지 않는바(Table 4 and Fig. 3), 정립된 수위계에 의한 예 보 관리기준을 기본 관리기준으로 활용하는 것은 적정하다고 판단할 수 있다고 본다. 단, 계측 데이터를 종합적으로 살펴보 면 저수량의 크기로 3분위에 따라 분류했을 때, 저수량이 클 수록 <주의>단계 및 <경계>수위에 도달하는 시간이 오래 걸 리는 사실을 도출할 수 있는바, 이에 대한 전제도 고려되어야 할 것이다.

Fig. 3

Distribution of water level analysis results (downside line: Caution line, upside line: Alert line)

5. 결 론

본 연구의 목적은 수위 관리기준은 비상상황 시 단계별 상 황에 실제 계측자료를 전제로 하여 구체적이고 실질적인 기 준을 정립하여 저수지별로 만수위와 홍수위 사이에서 적용할 단계의 기준을 제시하기 위한 것이다. 따라서 계측자료에서 도출한 각 저수지의 주의 및 경계 시작지점의 평균값이 기 수 립된 관리기준에서 7%이내를 벗어나지 않는바 정립된 수위 계에 의한 예보 관리기준을 기본 관리기준으로 활용하는 것 은 적정하다고 본다.

제시된 수위기준은 붕괴예경보 시스템에 적용되어 저수지 (댐) 붕괴의 전조의 사전에 예보에 활용되어 인적/물적 피해 의 최소화에 기여할 수 있을 것이다.