저수지(필댐) 재해예방예측을 위한 붕괴 징후 인지 및 주민 비상대응을 위해 사용되는 센서는 종류도 다양하며, 각 종류별 제품은 국내외에서 많은 제품이 생산되고 있다. 국내 저수지의 대다수를 차지하는 농업용 저수지의 특징으로는 잦은 수위변화와 60년 이상의 노후화 및 대다수 차수를 위한 코아존이 없는 일체형 등 특징을 갖는다. 이러한 한국형 저수지(필댐)의 주요 붕괴 요인은 외적으로 기후변동성의 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(Table 1).

따라서, 저수지 붕괴 예보 기준을 위한 주요 센서는 현실적인 붕괴 원인을 사전에 계측을 통해 붕괴징후 물리량 파악에 활용될 수 있어야 한다(Fig. 4).

적용센서로는 저수지(필댐)의 침투수 수위변화 및 지중 안정성 파악을 위한 지하수위계, 제정(Dam Crest) 월류 사전 감지를 위한 수위계, 침투수의 수량변화를 통한 안정성 예측을 위한 누수량계, 저수지 상류 및 하류 사면의 지표면 변위를 측정하는 지표변위계, 저수지(필댐) 유역(Catchment Area)의 강우량 파악을 위한 강우량계 및 지진에 관한 지진가속도계를 선정하였다.

또한, 저수지 현장 상황을 실시간 시각적으로 파악하기 위한 CCTV 등 비주얼 센서의 추가도 고려될 수 있다(Table 2).

강수량에 의한 예보 기준은 기상청의 호우특보 기준으로 사용되는 것을 기반으로 다양한 풍수해 재해 유형에 사용하고 있다. 하천 홍수, 내수침수, 산사태 및 급경사지 등의 분야에서 예보 기준으로 적용되고 있으며, 정량적이며 간단하게 사용할 수 있는 장점과 더불어 광역으로 넓은 지역에 발령하는 관계로 정확성이 떨어지는 단점도 있다.

국민안전처는 강수량을 기준으로 급경사지 붕괴 주민대피 예⋅경보 권고기준을 작성하여 전국 지방자치단체에 제공하였다(National Emergency Management Agency, 2015). 강우조건 및 지질조건에 따라 변화하는 급경사지 및 산사태의 붕괴특성을 분석하여 주민대피 관리기준을 설정하였으며, 강수량에 따른 산사태 선행연구에서 붕괴 발생시점을 기준으로 강우강도와 누적강우량이 붕괴발생에 미치는 영향이 크다는 것을 고려하였다(홍문현 외 2016). 붕괴사례에서 수집된 강수 자료를 활용하여 권역별, 지질별로 구분하여 붕괴시점으로부터 15분 최대강우량, 시간 최대강우량, 일 누적강우량, 2일 누적강우량에 대해서 주의보(확률 10%), 경보(확률 30%) 및 대피기준(확률 50%)을 기준으로 설정하였다. 발생사례분석에서 도출된 서울⋅경기권 피해지역의 주민대피 예⋅경보 권고기준(안)을 제시하였다(Table 3).

서울시는 산사태 피해사례를 유발 및 비유발 강수량으로 분석하여 산사태 유발 기준을 도출하였으며, 산사태 비유발 강수량에 대한 유발 강수량의 확률에 따라 4단계로 구분하여 기준을 설정하였다(Fig. 5).

본 연구에서 제시한 강수량에 의한 저수지 예보 기준은 풍수해 대응 표준매뉴얼을 기반으로 저수지 시설에 적용하였다(재난안전법, 2016). 기상청은 전국에 강수량계를 설치 운영하고 있으나 수가 적고 광범위하게 분산되어 저수지 위치에서 발생하는 정확한 강수량 측정은 한계가 있다. 따라서, 기상청 강수량 자료와 저수지 현장의 강수량의 측정값은 크게 차이가 날 수 있으며 이를 방지하고자 저수지 현장에 강수량계를 설치하여 극한강우 및 이상강우를 측정함으로서 정확한 저수지 붕괴 예보 관리기준으로 사용할 수 있다.

강수량계에 의한 예보 관리기준 설정은 기상청의 태풍 주의보, 경보 및 호우주의보, 호우경보 강수량(호우주의보 6시간 70mm, 12시간 110mm, 호우경보 6시간 110mm, 12시간 180mm)을 기준으로 설정하였다. 관심단계는 태풍⋅호우 빈발시기로 하였고, 주의 및 경계단계는 태풍호우 주의보 및 경보 발령과 저수지에 붕괴징후가 나타나는 경우로 설정하였다. 심각단계는 저수지의 가능최대강수량(PMP)의 발생되고 저수지 붕괴 징후가 발생하였거나 징후가 확실한 때를 기준으로 설정하는 등 저수지 제체에서 발견될 수 있는 저수지 붕괴 징후를 인지할 경우에 대한 정성적인 판단 기준도 반영하여 종합적인 의사결정을 내릴 수 있도록 저수지 예보 관리기준을 정립하였다(Table 4).

국내 저수지(필댐)의 주요 파괴시나리오 중 하나인 제체 월류 파괴에 관해서, 저수지(필댐) 수위측정은 가장 직접적으로 저수지의 위험성을 판단하는 기준으로 사용할 수 있다.

저수지(필댐) 월류 위험성을 판단하기 위해서는 저수지(필댐) 유역면적, 여유고 등을 고려해야 하나, 본 예보관리 기준에서는 설치된 수위계에 국한하여, 설계시 만수위 및 홍수위까지 도달 여부와 제당의 월류 발생 여부를 기준으로 설정한다.

저수지(필댐) 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 정의된다. 저수지 수위에 의한 관리기준 설정은 정상적인 저수지 운영의 최고수위인 만수위 이상으로 수위가 상승하는 경우 관심단계 및 설계빈도에서 설정한 홍수가 유입되는 경우 발생하는 최고수위인 홍수위 이상으로 수위가 상승하는 경우를 심각단계로 고려하였다. 관심단계는 수위가 정상적인 저수지 운영이 가능한 최고수위인 만수위 이상으로 상승할 때를 저수지 수위가 정상 수준을 넘어서는 상황으로 진행하는 것으로 판단하여 설정하였으며, 주의단계는 저수지 만수위와 홍수위 수위차의 1/3(33%) 이상 수위가 상승할 때를 기준으로 설정하고, 경계단계는 저수지 만수위와 홍수위 수위차의 2/3(66%) 이상 수위가 상승할 때를 기준으로 설정하였다. 심각단계는 저수지 수위가 홍수위 이상으로 상승하는 경우를 저수지 수위가 한계수위 이상으로 상승하여 제당의 붕괴 위험성이 크게 증가하는 것으로 판단하였으며 수위가 홍수위 이상으로 지속적으로 상승하거나 저수지에서 월류가 발생 또는 월류 발생이 확실한 경우를 관리기준으로 설정하였다(Table 5).

저수지(필댐)의 다른 주요 파괴 시나리오로는 제체의 파이핑과 같은 내부침식에 따른 파괴이다. 이러한 내부침식의 경우 제체 누수와 밀접한 관계가 있다. 저수지(필댐)의 허용 누수량은 저수지의 형식 및 용도, 축조재료의 특성과 다짐방법, 기반암의 지질특성 등에 따라 다르기 때문에 일률적으로 기준을 적용하기에는 어려움이 있으나, 누수량의 경시변화 분석을 통한 지속적으로 누수량이 증가하는 경우 및 누수량의 탁도가 높게 나타나는 경우에는 저수지 내부에서 파이핑 및 열화가 시작된 것으로 추정할 수 있다.

또한, 저수위가 일정한 경우 누수량 변화가 1개월간 10% 이상 증가하는 경우는 누수량의 허용한계를 넘는 것으로 토지개량사업 계획설계기준(농림부, 1968)에서 제시하고 있다.

저수지는 축조시 공사 주변의 토석을 이용하여 건설되어 토질특성이 다양하며 다짐정도에 따라 투수계수도 다양한 특성이 있다. 또한, 저수지 규모에 따라 저수지 수위도 다양하여 만수위 등 고정 수위를 기준으로 한 정상 침투수량을 저수지 누수량의 관리기준으로 일률적으로 적용하는 것은 현장 적용상 한계가 있다(Korea Water Resources Corporation, 2016). 저수지의 저수위, 만수위 등 수위변화에 따른 정상 침투수량을 측정하여 기준값을 정하고, 저수지의 수위가 변화하여도 일정한 수위에서 발생하는 침투수량이 기준값을 초과하여 발생할 때를 관리기준으로 설정하였다.

이에 본 연구는 누수량계에 의한 관리기준을 관심단계는 저수지의 일정수위에서 정상 침투수량을 초과하는 누수량 발생시로 설정하여 정상 침투수량을 넘는 경우 관심을 갖고 저수지를 관리하도록 하였으며, 주의단계는 저수지의 누수량 허용한계인 1개월 간 10% 이상 증가하는 것을 기준으로 그 절반인 5% 이상 침투수량의 증가하는 경우로 판단하였다. 경계단계는 위험이 임박한 단계로서 저수지의 일정 수위에서 1개월 간 정상 침투수량의 10% 이상 누수량 증가 시로 결정하였으며, 심각단계는 주민대피 단계로서 저수지의 일정 수위에서 1개월 간 정상 침투수량의 15% 이상 누수량 증가시로 기준을 설정하였다(Table 6).

지표변위계에 의한 기준 설정은 일반적 파괴모델의 변곡점을 기준으로 관심, 주의, 경계, 심각으로 구분하고, 각 구간의 변위속도를 분석하여 지표변위에 대한 예보 기준을 설정하였다. 계측사례의 변위속도 및 최대변위량을 분석하여 기준을 산정한 결과, 관심단계 누적변위는 14mm, 변위속도는 1mm/일, 주의(주의보)단계 누적변위는 36mm, 변위속도는 6mm/일, 경계(경보)단계 누적변위는 90mm, 변위속도는 26mm/일, 심각(대피)단계 누적변위는 209mm, 변위속도는 63mm/일로 나타났다.

지표변위에 의한 예보 기준은 국내⋅외 기관에서 기준치로 이미 사용하고 있으며 Table 7은 일본 사면안정소위원회의 자료이며 Table 8은 중국 지질조사소의 자료이다. 국내 저수지(필댐)의 지표변위계에 의한 예보 기준은 저수지 제체를 토석으로 축조된 하나의 구조물인 성토사면으로 판단하여 Table 9와 같이 2015년 소방방재청에서 제시한 값을 따르도록 설정하였다. 제시한 변위기준은 사례자료 및 현장 데이터가 충분히 확보되지 않아 향후, 추가조사 및 수치해석 등을 통하여 신뢰도를 향상 시킬 필요가 있다.

절⋅성토사면 및 토류벽 구조물에서 지하수위는 구조물 안정성에 큰 영향을 미친다. 안정해석을 수행하는 경우 지하수위가 없는 건조한 사면과 비교하여 지표면 높이까지 지하수위가 위치하는 경우 수압이 높아져 안전율은 약 50%까지 감소할 수 있다. 따라서, 저수지와 같은 구조물의 지하수위

변화는 저수지의 붕괴 징후를 감지하는 관리기준으로 사용할 수 있다. 지하수위계에 의한 예보 관리기준은 흙막이 가시설에도 지하수위의 변동을 모니터링 하여 위험을 미연에 감지하는 방법으로 사용하고 있다(Table 10). 지하수위계 관리기준을 분석한 결과, 1일 수위변화량이 저수지 높이의 15% 이상일 때 매우 위험한 단계인 것으로 판단되어 심각단계의 관리기준으로 설정하였고 수위 변화량 기준을 점차 감소 시켜 단계별로 지하수위계에 대한 예보기준으로 설정하였다(Table 11).

지진가속도계에 의한 저수지 붕괴 예보 기준은 기상청의 관측 진도값에 따른 규모와 진도 관계의 피해현상을 기준으로 예보 관리기준을 설정하였다. Table 12는 지진가속도계에 의한 저수지 붕괴 예보 관리기준을 나타내며 기상청의 지진 규모와 진도의 상관관계에 의한 피해 현상설명에 따라 관심단계는 진도 III 미만, 주의단계는 진도 IV, 경계단계는 진도 V 및 심각단계는 진도 VI 이상으로 설정하였다.

저수지 재해예방을 위한 계측시스템을 현장에 구축하는 경우 하나의 계측기만 설치되는 경우는 없고 일반적으로 현장에 필요한 계측센서가 다양한 종류가 설치되든지 또는 한 종류의 센서가 여러 지점에 복수로 설치된다. 이런 경우 각각의 센서에서 얻어지는 측정값은 의미하는 결과가 다를 뿐만 아니라 상호 연계된 의미를 판단하는 것은 매우 어려운 일이다. 이런 경우 관리 담당자들은 각각의 센서 측정값이 의미하는 내용을 정확히 이해하고 통합적인 의사결정을 통하여 적정한 예보 기준으로 비상대응을 하여야 한다.

현장에 다중 계측기기가 설치되어 동시 다발적으로 다양한 측정값이 얻어지는 경우는 Table 13과 같이 센서 중 직접 붕괴 징후를 인지할 수 있는 수위계, 지표변위계의 측정값을 직접지표로 선정하고, 간접적으로 붕괴징후를 추론할 수 있는 강우량계, 지하수위계, 지진가속도계, 누수량계의 측정값을 간접지표로 하여 다중 계측센서의 예보기준 통합평가 방법을 제시하였다. 간접지표 발령 없이 직접지표에서 하나의 지표가 예보기준 값을 나타내면 계측오류 우려

가 있어 CCTV로 확인이 필요하며, 간접지표 및 직접지표에서 하나 이상 예보 발령시 직접지표의 가장 심각단계의 예보를 발령한다. 직접지표 발령 없이 간접지표 발령시 CCTV를 확인하거나 가장 심각 단계에서 한 등급 하향하여 예보기준 단계를 발령하도록 하였다.