1. 서 론
1.1 연구 배경
국내 댐 및 저수지는 17,227개소가 설치되어 있으며 이중 지자체에서 관리하는 소규모 저수지는 13,665개소가 있으나 대부분 1950년대에 건설됨에 따라 50년 이상 운영하고 있어서 재해위험성이 매우 높은 실정이다(Table 1).
Table 1
Domestic Dams and Reservoirs
현행 소규모 저수지는 각 지자체별로 관리해야 할 개소수가 많아서 인력 및 예산부족 등의 사유로 보수⋅보강을 시행하는데 많은 어려움이 있는 실정이며, 기후변화로 인해 국지성 집중호우 발생빈도는 커지고 있어서 재해위험성은 더욱 더 높아지고 있다. 이에 지자체별로 정비 대상 저수지를 재해위험저수지로 지정하고 행정안전부에서 국비지원을 받아서 보수⋅보강을 수행하고 있으나 사업 진행에 한계가 있어 효율적인 운영관리가 절실히 필요한 실정이다. 더구나 Fig. 1을 보면 기후변화에 따른 이상강우 발생빈도가 증가하고 설계빈도 이상의 국지성 집중호우 등이 빈번하게 발생함에 따라 저수지 붕괴피해는 해마다 증가하고 있는 실정이므로 소규모 저수지에 계측⋅관측을 통한 상시 모니터링 체계를 마련하여 하류부 지역주민들의 인명피해를 예방할 수 있도록 준비가 필요하다.
최근 대규모 저수지는 모니터링 시스템과 계측데이터(강우량계, 수위계, 사면변위계, 지하수위계, CCTV 등)를 통하여 붕괴 예⋅경보를 위하여 예보기준마련, 시스템 표준안 및 관리기준을 마련하고 있다(Korea Rural Community Corporation, 2017). 지방자치단체에서 관리하는 소규모 저수지의 경우 국립재난안전연구원에서 가뭄에 대응하기 위하여 시범사업으로 밀양시에 10개소를 설치하고, 2020년 이후에는 조기경보체계구축사업 시행으로 계측기를 설치하고 있는 실정이다.
이에 소규모 저수지의 계측⋅관측시스템을 운영하기 위해서는 계측관련 세부지침 등이 마련되어야 하므로 계측기의 종류 및 설치 위치 선정 방법 등 제안이 필요하다.
실제로 국내에서는 태풍 및 집중호우로 2013년 산대저수지, 2016년 사당골저수지 등 다수의 저수지들이 붕괴되어 많은 인명과 재산피해가 발생하였으며, 앞으로도 기상이변과 지구 온난화 등에 따른 강우량 증가, 국지적 집중호우, 지진과 같은 요인으로 대형 재난이 발생할 가능성이 있다. 이에 따라 노후저수지의 시설물 기능 유지를 위한 대책수립과 재해예방이 필요하다는 주장이 제기되고 있다.
한편, 행정안전부에 따르면 저수지 붕괴 시 하류 지역에서 예상되는 피해규모는 약 28만 명의 인명피해와 6,500여개소의 마을에서 피해가 발생할 수 있는 것으로 예측되었다(Former Fire and Disaster Prevention Agency, 2011).
1.2 국내 연구동향
과거 재해 예방 사업은 주로 구조적 측면에서 관리가 이루어졌으나, 최근 기상이변과 수리구조물의 노후에 따른 댐붕괴, 홍수피해 등에 관한 우려가 높아지면서 홍수예보 등 비구조적 대책에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.
Choe and Jang (2017)은 센서와 실시간 연계한 예⋅경보 기술과 데이터 분석기술을 고려한 모니터링 시스템을 구축하였다. 저수지 예⋅경보 기술은 위기 단계별 DB분석을 통하여 저수지 위험평가 기술 및 영상정보처리를 통한 위험예측⋅평가 기술을 개발하였으며, 저수지의 재난안전관리를 위한 표준 플랫폼으로 활용할 것을 제안하였다.
Korea Rural Community Corporation (2017)의 연구에서는 총 저수량이 20만~30만톤인 저수지를 대상으로 사물인터넷 기반의 실시간 모니터링시스템을 개발하여 기후변화 및 대규모 복합재해에 대응할 수 있도록 농업생산 인프라에 사용가능하도록 하였다.
Choe and Ryu (2017)는 USN 방재분야의 ICT 및 IoT 기술을 활용하여 계측기별 관리기준(강우량계, 수위계, 누수량계, 지표변위계, 지하수위계 및 지진가속도계)을 제시하고, 50년 이상 사용한 노후저수지(필댐)의 선제적 방재를 위한 계측사업 확대를 제안하였다.
Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs (2019)는 저수지 붕괴위험을 미리 감지할 수 있는 스마트 센서와 센서에서 전송된 데이터를 수집해 인터넷 기반의 서버로 전달하는 IoT-첸트(IoT-Chent)를 활용한 저수지 예⋅경보시스템을 개발하였다.
Land Transport Technology Promotion Research Center (2020)는 노후저수지의 누수탐지 측정자료를 원격으로 수집하기 위한 TDR 방식의 토양수분센서를 적용한 저전력 저수지 측정장치를 개발하고 이를 적용한 통합 모니터링 시스템 및 안정성 예측 평가를 위한 3차원 분석 알고리즘을 개발하였다. TDR 토양수문센서가 내장된 외경 3.5 cm의 직선관을 수직으로 설치하여 계측하였고, 수집된 데이터는 CDMA를 사용하여 원격무선 게이트웨이와 IoT전용 플랫폼(LoRa)을 개발하였다.
1.3 연구목적
수많은 소규모 저수지의 보수⋅보강을 위해서는 많은 예산과 시간이 소요되므로 재해 안정성을 확보하기 위하여 저수지의 운영관리체계가 필요하다. 저수지의 체계적이고 효율적인 운영과 재해위험에 대응하기 위하여 사물인터넷을 이용한 계측시스템 구축 및 관리체계를 구축하여 제시하고자 한다.
지자체별로 다수의 소규모 저수지를 단시간에 정비할 수 없기 때문에 저수지를 모니터링하고 예⋅경보시스템을 제공할 수 있는 계측장비 설치 등 비구조적 대책을 마련하여야 한다.
본 연구에서는 Fig. 2와 같이 재해위험저수지 6개소를 선정하여 저수지 제방의 사면안정성 및 침투류해석을 실시하였다. 분석 결과를 바탕으로 계측기의 위치 선정 방법 및 계측기의 종류에 대하여 제안하고자 한다.
2. 저수지 붕괴 피해현황
2.1 저수지 피해현황
국내 저수지의 피해현황을 2015년부터 2019년까지 조사한 결과 피해사례 101건으로 조사되었다. 피해 저수지 중 지자체에서 관리하는 저수지는 72건(71.3%)이고, 농어촌공사에서 관리하는 저수지는 23건(22.8%), 기타 6건(5.9%)으로 조사되었다.
전국 101건 중 경북에서 45건(44.6%), 울산에서 20건(19.8%), 충북에서 15건(14.9%), 기타 지역에서 21건(20.8%) 발생한 것으로 조사되었다. 전국 17,063개소 중 경북 5,361개소(31.1%)로 타지역 대비 저수지 분포가 높은 것으로 조사되었다(Fig. 3).
저수지 피해유형은 Table 2와 같으며, 피해유형 중 붕괴피해가 48건(47.5%)으로 가장 많고, 상류 유역의 토석류 등으로 인한 유실⋅매몰 피해가 43건(42.6%) 발생하였다.
2.2 저수지 피해 사례
2014년 8월 21일 오전 9시 경북 영천에 위치하고 있는 괴연저수지 붕괴가 발생하였다. 괴연저수지의 제체 중 10 m 규모의 물넘이(여수토)가 무너지면서 저수지의 물과 토사가 쏟아져 내렸고 저수지 하류부 농경지와 주택이 침수되었다(Fig. 4). 사고 직후, 영천시는 3개 마을의 주민들에게 대피령을 내렸으며 저수지 인근의 괴연동, 채신동 주민들은 긴급 대피했다가 물이 빠진 후 귀가하였다. 영천지역은 8월 18일부터 21일까지 4일 동안 227.8 mm의 강우가 내렸다.
2020년 8월 4일 오전 경기도 이천시 율면 산양1리 산양저수지의 제방이 붕괴하였다. 저수지 붕괴로 담배 건조장은 범람한 하천에 휩쓸려 흔적도 없이 사라졌고 그 자리엔 물웅덩이가 생겼다. 이곳에는 8월 1일부터 이틀에 걸쳐 200 mm에 달하는 집중호우가 쏟아져 산양저수지 둑이 무너졌고 이로 인해 인근 10여 가구가 침수 피해를 입었다(Fig. 5).
2.3 저수지 붕괴 양상
저수지의 붕괴양상은 월류 및 파이핑에 의한 붕괴가 주로 발생하고 있다. 최근 국내의 경우에도 대부분 파이핑에 의한 붕괴 양상을 보이고 있으며 Fig. 6과 같이 여수토 인근 및 복통 상부에서 누수 피해가 발생하고 있는 실정이다.
저수지의 붕괴부 형상은 유입량과 제체의 재료에 따라 다르게 나타난다. 과거 저수지 붕괴 양상을 살펴보면, 처음 삼각형의 형태로 나타나다가 기초 암반으로 인하여 침식이 더 이상 진행되지 않을 경우 수직방향으로 침식작용이 발생하여 사다리꼴의 형상을 나타내게 된다.
붕괴부 형태는 Fig. 7과 같이 DamBreak 모형에 의한 홍수량 및 제체 재료에 따라 삼각형, 사각형, 사다리꼴 등 3가지 기본형태를 나타내고 있다.
3. 저수지 체제사면 안정성 검토
3.1 연구대상지구
본 연구는 Fig. 8과 같이 경남 밀양시의 재해위험저수지 6개소(내곡(NG), 내곡2 (NG2), 대사1 (DS), 기산(GS), 우곡2 (UG), 팔방중(PBJ))의 소규모저수지를 대상으로 계측기 위치 및 종류를 선정하기 위하여 제체사면의 안정성 검토 및 침투량에 따른 안정성 해석을 실시하였다. 각각의 저수지는 중앙점토 코어 존이 있는 경우와 없는 경우로 구분하여 수치모형 실험을 하였다. NG저수지의 유역면적은 0.146 km2, 유입량은 3.48 m3/s이고, NG2저수지의 유역면적은 0.947 km2, 유입량은 24.75 m3/s이고, DS저수지의 유역면적은 0.308 km2, 유입량은 9.01 m3/s이고, GS저수지의 유역면적은 0.173 km2, 유입량은 5.17 m3/s이고, UG저수지의 유역면적은 0.240 km2, 유입량은 5.29 m3/s이고, PBJ저수지의 유역면적은 0.371 km2, 유입량은 10.95 m3/s이다(Table 3).
Table 3
Case Study Characteristics
본 연구대상 저수지는 관개 농업 목적으로 축조되었으며, 대부분은 60년 이상 사용한 노후저수지이다.
3.2 제체의 사면안정해석
사면안정해석은 Slope/W 프로그램을 이용하여 한계평형해석 방법으로 분석하였다. 한계평형해석(Limit Equilibrium Theory) 방법의 목적은 활동면을 따라 파괴발생이 예상되는 토체의 안정성을 해석하는 것으로 검토를 단순화하기 위한 조건을 가정하고 이를 이용하여 간단한 정역학적 이론으로 해를 얻을 수 있다. 이를 위한 프로그램으로는 다양한 해석방법 및 조건을 고려할 수 있는 TALREN97 프로그램을 사용하였다. 비탈면의 안정검토시 해석방법은 Bishop의 간편법을 적용하여 비탈면 안정성을 검토하였다.
Fig. 9는 연구대상 저수지 제체의 계획단면과 실제 측량단면을 비교한 것이며, 금회 검토단면은 실측 단면을 적용하였다. Table 4와 Fig. 10은 중앙점토 코어 존이 있는 경우와 없는 경우의 포화상태의사면안정해석 결과이다.
Table 4
Slope Stability Analysis Results
3.3 침투 분석
저수지 누수로 인한 제체 붕괴를 사전에 예측하고 토양함수량계 설치 위치를 선정하기 위하여 제방 침투수 흐름을 분석하였다.
3.3.1 농업생산기반시설 설계기준
농업생산기반시설 설계기준의 필댐설계 부분에서 침윤선 산정 방법에 따라 침투수 흐름을 분석한 후 본 연구에서 제안한 방법과 비교하였다.
유입점에서 유선은 사면에 직각으로 되고, C0점은 C점 즉 사면거리 △a만큼 아래쪽으로 내려오게 된다. 이 △a는 유출면 경사각에 따라 다르고 다음 식으로 구한다.
단, a는 사거리 AC, Δa는 사거리 C0C, α는 침출면의 경사각을 나타낸다.
α의 값으로부터 C = Δ a a + Δ a
3.3.2 모델링에 의한 침투수 분석
저수지 제방의 침투해석은 Seep/W 프로그램을 이용하였다. Seep/W는 지반(흙)이나 암반과 같은 다공성 재료 내에서 물의 거동과 간극수압 등을 모델링하는 목적으로 사용되는 유한요소 프로그램이다.
Seep/W 모의시 단면은 금회 측량된 횡단면도를 적용하였으며, 중앙점토 코어 존이 있는 경우와 없는 경우로 구분하여 분석하였다.
저수지 제체의 하류사면 길이를 L이라 하고 침투면의 길이는l로 표기하였다. 침투면의 길이l은 토양의 투수계수(k), 저수지의 수위(h), 댐의 물리적 매개변수(높이, 경사각, 경사면의 길이, 점토 코어의 높이가 존재하는 경우 등)와 같은 많은 매개변수의 함수이다(Fig. 12).
Fig. 13과 같이 중앙점토 코어 존이 있는 경우와 없는 경우로 구분하여 Seep/W 모의를 수행하였으며, 상시만수위, 위험관리수위, 최고수위로 구분하여 각 침윤선의 양상을 분석하였다.
침투면의 길이l의 영역은 제방 파이핑 현상이 발생하기 쉬우므로 이를 관측하기 위하여 해당 영역에 계측기기를 설치하는 것을 제안하였다. 본 연구에서는 이와 같이 효율적인 관측을 위하여 계측기 설치를 제시함으로써 설치비용을 절감시키고 조기경보시스템 및 예⋅경보시스템 운영 모니터링의 효율성을 증대시킬 수 있을 것으로 전망한다.
저수지 위험정도를 효율적으로 판단하기 위하여 Fig. 13과 같이 제방의 사면길이(L)와 침투면의 사면길이(l)의 비율을 제시하여 계측기 설치 위치를 선정하는데 도움을 주고자 하였다. 필댐의 경우 제방 중앙에 중심점토 코어가 있는 경우와 점토 코어가 없는 경우의 두 가지l/L비율을 비교 분석하였다(Table 6).
Table 6
Seepage Analysis Results
중앙점토 코어 존이 있는 경우 점토 코어는 침투면 길이l을 감소시키는 것을 확인할 수 있었으며, 이는l/L비율이 점토 코어의 영향을 크게 미치고 있으며 저수지 축조사업 시 비용이 더 요구되더라도 안정성 확보 등의 전반적인 측면에서는 그 가치가 훨씬 높다.
Table 6에서l/L의 비율을 점토 코어의 높이와 비교한 결과, 점토 코어의 높이가 침투면의 길이와 상호 연계성이 있는 것으로 나타났으며 점토 코어 높이와 침투면은 반비례 관계로 형성되는 것으로 나타났다. 따라서 계측기 위치를 선정하기 위해서는 침투수해석 모의결과를 이용하는 것이 신뢰성을 더욱 더 확보할 수 있는 것으로 나타났다. 그러나 지자체에서 계측기 설치계획 시 각 저수지마다 침투수해석을 직접 수행하기에는 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 침투수해석 결과 양상을 비교 분석하여l/L비율을 제시함에 따라 간편하게 계측기 위치를 선정하는데 도움을 줄 수 있을 것으로 사료된다.
4. 계측기 위치선정
4.1 계측기 필요성
대규모의 댐이나 일부 저수지에 대해 현장 조사 나 일부 물리탐사를 통해 진단하고 있으나, 지방자치단체에서 관리하는 저수지의 경우 계측기 설치가 활성화 되지 못하고 있는 실정이다. 이로 인하여 구조물의 손상에 대한 사전 진단은 거의 불가능함에 따라 저수지의 붕괴로 이어진다. 또한, 구조물의 손상이 인지된 이후에 대책을 추진함으로써 충분한 보수⋅보강 시간이나 대책 마련이 어려운 현실이다.
계측은 저수지의 노후화에 따른 붕괴사고나 이로 인한 인명, 재산피해를 미연에 방지하는 등 국민의 생명과 재산을 보호하는데 중점을 두고 있다.
소규모 저수지에 설치되는 계측기기는 농업생산기반시설 설계기준에 의해 설치하는 것을 원칙으로 하되, 본 연구에서 제체 안정성(사면안정해석, 침투류해석)을 검토하여 계측기 종류 및 위치 선정방법에 대하여 제시하였다.
4.2 계측기 위치 선정 제안
계측기의 위치 선정은 횡단계획과 평면계획으로 수립하여야 한다. 횡단계획의 경우 침투류해석을 통한 습윤길이 비를 활용하여 하류사면 연장에 대한 습윤길이를 산정하여 설치 위치를 선정한다(Table 7). 선정된 위치와 평면계획 위치를 중첩시켜야 하므로 Fig. 14와 같이 복통상부, 여수토 인접부의 위험단면 면적과 중첩시켜 계측기 위치를 선정하는 것을 제안하였다.
Table 7
Instrument Location Suggestions
침투면의 길이l은 지표면변위계와 토양함수량계 설치 위치를 결정하는데 이용된다. 효율적인 설치위치를 선정함에 따라 설치 및 관리비용의 예산을 절감할 수 있을 것으로 본다. Fig. 14는 파이핑 현상(1단면) 및 여수토 인근 누수(2단면)에 의한 붕괴 단면을 나타내고 있다. 중앙부의 1단면의 경우 파이핑 현상에 의한 저수지 붕괴 위험단면을 나타내고 여수토 인근의 2단면의 경우에는 콘크리트 구조물과 흙사이에 누수로 인한 붕괴 위험단면을 나타내고 있다. 저수지 붕괴 위험단면의 저수지 붕괴형상은 삼각형, 직사각형, 사다리꼴의 3가지 유형이 있으나, 본 연구에서는 저수지 제방 중앙부에 3가지 유형을 대표할 수 있는 제형단면을 고려하였고, l/L비를 제시하였다.
저수지의 규모에 따라l/L비는 다를 수 있지만 본 연구결과, 중앙점토 코어 존이 있는 경우에는l/L비가 16~42%로 나타났으며, 중앙점토 코어 존이 없는 경우에는 37~48%로 나타났다. 따라서, 국내의 소규모 저수지의 경우l/L비는 50%를 적용하여 계측기의 위치를 선정하는 것이 적정할 것으로 판단된다.
4.3 계측기 종류 선정 제안
국내 소규모 저수지는 50년 이상 사용연수가 초과한 경우가 80% 이상 노후화되어 있기 때문에 저수지 붕괴피해가 증가하고 있는 실정이다. 최근 강우는 설계빈도 이상의 강우가 빈번하게 발생함에 따라 월류 붕괴 위험성이 계속 증가하고 있으므로 파이핑 및 월류에 의한 붕괴피해 예방에 체계적인 대책마련이 필요한 실정이다. 그리고 설계빈도 이상의 강우에 대응하기 위해서는 비구조적 대책을 수립하여 주민대피 등에 활용하여야 한다.
소규모 저수지에 계측기를 설치하여 저수지의 수위, 제체 사면의 안정성, 제체 누수 등을 관측하여 축척된 데이터를 분석하여 정비계획을 수립하고 예⋅경보체계를 마련하여 주민대피를 통한 국민들의 생명과 재산을 보호하는데 도움을 주고자 계측기 종류에 대하여 제안한다.
계측기기 종류는 저류지 홍수추적, 사면안정성 해석, 침투류 해석에 도움이 되는 것으로 선정해야 하므로 Table 8과 같이 제안하였다.
Table 8
Reservoir Instrument Types
특히, 저수지의 수위관측은 매우 중요한 요소 중 하나이다. 지자체 저수지는 농번기 농업용수 공급, 홍수기 침수피해 방지 등의 이수와 치수의 목적을 동시에 갖고 있다. 이를 위해서는 저수지 중심부에서의 수위 상시계측이 필요하나, 수위 계측기기의 한계로 구조적, 기능적 한계로 인해 취수탑이 없는 노후화된 저수지는 중심부 수위계측에 많은 어려움을 겪고 있다. 본 연구에서는 이를 해결하기 위해 부력식 수위계를 제안하였다. Fig. 15에서 보는 바와 같이 저수지 수표면에 물체를 띄어 수위의 변화를 계측하는 방식으로 태양광 기반의 자체 전력생산, LTE 기반의 광대역 무선통신, GNSS RTK 기술을 융합한 방식이다.
지속적인 기술의 발달로 GNSS RTK의 표고 정확도는 국토지리정보원의 수준점 성과를 참값으로 보고 평균오차를 통하여 산출한 표고 정확도는 1등 수준점에서의 2.15 cm, 2등 수준점에서 1.80 cm로 나타났다.
저수지 수표면의 출렁거림을 감안하여 수위 계측정보 오차를 ±5 cm로 가정한다면, 50 m 깊이 저수지의 계측정보 정확도는 ±0.1% FS이다. 이는 지하수위계 성능 검사기준 정확도는 ±0.5% FS에 부합되는 정확도이다.
5. 결 론
최근 기후변화에 따른 국내 강우특성의 변화로 우기시에는 국지성 집중호우가 발생하여 평균강우량이 증가하고, 비우기시에는 평균강우량이 크게 감소하여 홍수와 가뭄에 대한 재해취약성이 극대화되고 있으므로 저수지 관리의 필요성은 더욱 더 중요하게 대두되고 있다. 그러나 최근 국지성 집중호우 발생 등 이상강우로 인하여 설계빈도 이상의 강우가 발생함에 따라 비구조적 대책을 통하여 주민대피 등 예⋅경보체계 구축이 필요한 실정이므로 저수지에 계측기 설치시 위치 및 종류 선정 방법을 제안하였다.
본 연구에서는 저수지 계측⋅관측시 효율적인 운영이 가능하도록 계측기 설치 위치 및 종류 선정에 대한 방법을 제시하였고, 기후변화에 대응하기 위하여 이상강우 발생시 사전 주민을 대피할 수 있는 예⋅경보체계가 가능하도록 연구를 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
첫째, 제체사면의 안정성을 확보하기 위하여 중앙점토 코어 존이 있는 경우와 없는 경우에 대하여 수위별(상시만수위, 위험관리 수위, 최고수위) 사면 안정성 해석 결과, 중앙점토 코어 존이 없는 경우 안전율이 약 30% 정도 감소하고, 중앙점토 코어 존이 있는 경우 포화상태에서 안전율이 약 27% 감소하는 것으로 나타나 최고수위 및 제체가 포화상태인 경우에는 사면붕괴의 우려가 매우 높아지는 결과가 도출되었다.
둘째, 저수지 파이핑 붕괴 예측을 위하여 제체 하류사면 길이(L)에 대한 습윤길이(l)를 산정하여 습윤비율(l/L)은 50%를 적용하는 것이 적절한 것으로 검토되어 계측기기의 위치를 선정하는데 방법론을 제시하였다.
셋째, 상기 연구결과를 종합하여 소규모저수지 관리를 위한 최소한의 계측기 종류는 강우량계, 수위계, 경사계, 변위계, 토양함수량계로 나타났고, 계측기 위치는 여수토 인근 및 복통상부에 설치하되 습윤비율(l/L)를 고려한 계측⋅관측을 실시하여 효율적인 소규모 저수지의 운영관리에 도움이 될 수 있을 것으로 판단된다.
끝으로, 지자체에서 관리하는 13,665개소의 저수지를 효율적으로 관리하기 위해서는 종합계획수립이 필요하다고 판단된다. 이에 체계적인 저수지의 계측⋅관측 시스템이 운영될 경우, 인명피해를 예방뿐 만 아니라 가뭄과 홍수에 대응하는데 큰 역할을 할 수 있을 것으로 전망된다.
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