우리나라는 지형학적, 수문학적 영향으로 하상계수가 큰 하천의 특성 때문에 년 중 일정한 하천수위를 유지하기 어렵고, 지류하천의 중⋅상류에서 이러한 현상은 더욱 악화되어, 갈수기에는 건천화가 빈번하게 발생하게 되며, 홍수기에는 빠른 유속으로 하류의 홍수위를 상승시키게 된다 (Kim et al., 2013). 국내에서는 이와 같은 현상을 막기 위해서 고정보를 설치하여 활용하여 왔으나, 유사퇴적으로 인하여 건천화와 홍수위 상승을 더욱 가중시키는 문제점이 드러나면서, 점차 고정보는 철거되고 여울형 낙차공 혹은 수위조절이 가능한 가동보가 설치되고 있는 추세이다. 그러나 낙차공은 유사배출과 유속저감에는 효과가 있으나, 갈수기 시 건천화 방지 효과는 미미하다. 갈수기에 물을 공급하기 위하여 하수처리장의 처리수를 상류까지 펌핑하여 내려 보내거나, 강물을 끌여 들여 흘려보내는 방법 등이 시도되고 있으나 이들은 모두 엄청난 비용이 소요되는 문제가 있다 (Kim and Han, 2008).

국내에서 가동보에 관한 연구는 2000년대에 가동보가 하천에 도입되면서 시작되었다. Kim et al. (2003)은 하단배출형과 월류형 가동보의 폭기효과와 저니질 배출효과를 검토하였다. Choi et al. (2008)은 모형실험을 통하여 가동보 설치조건에 따른 수위변화를 관찰하였다. Park (2012)은 가동보의 수문개방도에 따른 하천의 흐름특성을 파악하여 수문조작 기준에 의한 가동보의 연계운영 방안을 제시하였다. Kwon (2013)은 낙동강 유역의 8개 가동보를 대상으로 HEC-HMS 모형을 이용한 유역추적과 HEC-RAS 모형을 이용한 하도 홍수추적을 실시하여 홍수위 저감을 위한 수문 연계운영기법을 연구하였다. Kim (2015)은 HEC-RAS 모형을 이용한 수리학적 홍수추적으로 부터 다기능 보의 수문운영을 통한 홍수위저감 효과를 분석하였다. 이와 같이 4대강 사업 이전까지는 주로 보 설치에 따른 상⋅하류 흐름의 변화, 하상변동, 주변 구조물과의 영향에 관한 연구가 주를 이루었다면, 4대강 사업 이후부터는 상⋅하류구간 가동보의 연계운영 또는 수문조작에 의한 홍수위 저감과 관리수위 유지방안 연구로 확장되고 있다. 이러한 연구들은 가동보 수동수문의 조작에 의한 본류하천의 홍수조절효과를 수리학적흐름 추적모형을 이용한 것들이다. 그러나 수동수문의 조작은 하천의 유량에 따라 수문의 개폐시점과 개방도를 판단하여야 하는 하천관리 상의 불편함이 있다. 해외에서는 자동수문의 중요성이 일찌감치 인식되어, 1930년대부터 부력의 원리를 이용하여 자동적으로 하천의 수위를 조절하는 가동보에 관한 연구가 진행되었다. 상용화된 대표적인 사례는 프랑스에서 개발된 Amil gates로서 부력을 이용하여 보 상류 수위를 자동으로 조절이 가능하도록 되어 있고, 현재는 보 하류수위까지 조절할 수 있는 기술로 발전하였다 (Cassan et al., 2011). 국내에서 부력을 이용한 자동수문은 시소원리식 경사형 자동수문과 유선형 자동수문이 있다. 시소원리식 경사형 자동수문은 수문 내부에 Balance weight를 넣어 유량에 따라 수문을 개방하는 구조이다. 유선형 자동수문은 수문의 모양이 유선형으로서 보 상류의 수위가 관리수위에 도달하면 부력이 작동하여 수문이 개방된다. 그러나 이 수문들은 수로 내에 고착되어 있어 이물질에 의해 작동이 원활하지 못할 수 있는 단점이 있다 (Yeo et al., 2003).

본 연구의 목적은 수문조작 없이 수위자동조절이 가능한 부력⋅승강식 가동보에 의한 지류하천의 홍수조절과 저수효과를 수문학적 흐름추적 기법으로 평가하고, 성능구현을 위한 조건들을 검토하는데 있다. 연구대상 지역은 금강 지류인 치성천이며, 추적구간은 중⋅상류의 고정보가 설치되어 있는 연속구간으로 하였다. 연구방법은 홍수추적은 50년 빈도 홍수량으로 부터 홍수기의 유입수문곡선을 작성하고, 저류상수와 수위-저류량, 수위-유출량에 관한 관계를 구한 후, 하도추적과 저수지 추적방법에 따라 홍수유출 수문곡선을 작성하였으며, 저수량 산정은 10년 가뭄빈도의 기저유출량으로부터 갈수기의 유입수문곡선을 작성하고, 저수지 추적 방법에 따라 저수량 수문곡선을 작성하였다.

부력⋅승강식 가동보는 승강식 수문 (Lift gate)과 부력식 수문 (Floating gate)으로 구성된다 (Fig. 1(a)). 승강식 수문은 평시에 저수기능을 가지며, 필요 시 하단개방으로 인한 유사배출용으로 사용하며, 홍수 시에는 완전 승강하여 홍수 유출량이 원활히 소통되도록 한다. 부력식 수문은 승강식 수문의 옆에 위치하여 수위조절을 담당한다. 부력식 수문 상단에 설치된 센서는 계획홍수위 발생 시 감지하여, 승강식 수문의 완전개방 신호를 제어장치에 전달하게 된다.

고정보는 홍수조절 효과 없이 홍수위를 상승시키는 것으로 나타났다. 홍수조절 효과가 나타나지 않은 이유는 흐름과 저류영역이 월류수심 구간에 국한되어, 유출량에 따른 저류량의 증가율이 작기 때문이다 (Fig. 13(a)). 홍수위 상승 이유는 월류형의 특성 상, 일정구간 (여수로 마루높이 이하)까지흐름이 지체되기 때문인 것으로 판단된다. 따라서 이러한 결과는 지류하천에 국한되지 않고, 모든 하천에 동일한 결과를 보여줄 것으로 예상된다. 반면, 부력⋅승강식 가동보는 하단 방류형 수문의 특성 상, 흐름구간이 유출과 저류영역이 되며, 저류가 진행되면서 유량이 증가하게 되고, 유량과 연동한 부력식 수문의 하단부의 자동적인 개방으로 유출량도 증가하게 된다 (Fig. 13(b)). 이러한 저류와 자동방류 특성은 홍수 시 저류와 분배가 적절히 이루어져 홍수조절 효과로 나타나는 것으로 판단된다. 다단배치 시에는 연속적인 구간 저류로 인하여 홍수조절 효과가 배가됨을 알 수 있다. 갈수기의 기준갈수량이 지수함수적으로 감소할 경우, 기저유출량을 하류부터 상류방향으로 다단 저수한 결과, 전 구간의 관리수심 유지가 가능하였다. 풍수기에 다단 저수하게 되면, 하천수와 지하수의 상호작용으로 지하수위가 상승하여, 갈수기의 기저유출량이 증가할 것이므로 (Thomas et al., 1998), 더욱 향상된 다단저수 효과를 기대할 수 있을 것이다. 본 연구 대상구간의 수위자동조절 성능을 구현하기 위한 부력식 강재수문의 수리학적 제원은 지지대와의 마찰하중을 무시할 경우, Fig. 2(b)와 같이, 관리수심을 0.3 m으로 설정 시, 길이는 최대 6.0 m/개소, 두께는 7.5 mm, 무게는 3.6 kg가 됨을 알 수 있다.

부력⋅승강식 가동보는 지류하천의 중⋅상류의 홍수기 하류부의 홍수위조절과 갈수기 유지유량 확보에 효과적이었다. 치성천의 중⋅상류구간을 대상으로 수문학적 홍수추적을 실시한 결과, 부력⋅승강식 가동보는 첨두 유출량의 저감과 지체시간이 고정보 대비 크게 나타났으며, 다단으로 배치할수록 효과는 배가되어, 하류구간의 홍수위 완화에 더욱 효과적인 것으로 평가되었다. 이러한 효과는 하단배출형 수문의 저류영역이 월류형보다 크고, 부력식 수문의 유량과 연동된 자동방류 특성에 따라 저류와 분배가 이루어지는데 기인하는 것으로 판단되었다. 극한가뭄 시 기저유출량을 순차적으로 하류에서 상류방향으로 다단 저수함으로서 하천의 관리수위 유지는 물론, 유역 수요량 이상의 용수확보가 가능함을 알 수 있었다. 갈수기에는 용수확보를 위해서 기저유출에 대한 관리가 매우 중요하다. 본 연구에서는 기준갈수량을 이용하여 극한가뭄 시 다단 저수량을 추정하였으나, 향후에는 부력⋅승강식 가동보에 의해 년 중 관리수위가 유지될 경우, 하천수와 지하수의 상호작용에 의한 장기유출 해석을 통하여, 다단저수 효과를 평가할 필요가 있다. 이러한 다단배치의 편익효과는 지구마다 다를 것이므로, 비용⋅편익분석을 통하여 배치여부 및 규모를 결정해야 할 것이다.