1. 서 론
총 저수용량이 30만 m3 이하인 저수지를 중소규모 저수지라고 정의하는데, 중소규모 저수지는 전체 댐⋅저수지의 93%를 차지한다(Ministry of the Interior and Safety, 2021). 농업생산기반정비사업의 댐 설계 기준이 1968년 12월에 처음 제정된 점을 고려할 때, 설계 기준이 정립되기 이전에 축조된 저수지는 노후 저수지로 분류된다. 1945년도 이전에 준공된 저수지는 전체 저수지의 51.9%이며(Korea Infrastructure Safety and Technology Corporation, 2013), 지자체 저수지 중 1970년 이전 준공된 저수지가 88%를 차지하고 있다(Korean Statistical Information Sevice, 2022). 대부분 제대로 된 감리나 설계도 없이 축조된 경우가 많고, 기상 조건을 반영하여 설계된 저수지는 1970년 이후에 축조되어 이전에 준공된 저수지는 설계 표준화가 미흡했다는 한계가 있다(Hong, 1995). 설계 빈도를 초과하는 강우와 저수용량 부족으로 인해 붕괴 위험이 높아지고, 붕괴 발생 시 인명 및 재산 피해로 이어질 가능성이 크기 때문에 노후 저수지에 대한 재해 대비 보강이 요구된다.
2023년 이후 국내 소규모 저수지에서 노후화와 집중호우로 인한 붕괴 사고가 발생하였으며, 제방 유실, 침수 피해, 주민 대피 및 인명 피해로 이어졌다. 저수지의 안정성을 확보하고 홍수로 인한 피해를 최소화하기 위한 구조적인 대안으로 방류 시설의 설치와 기존 설비의 증축 등이 거론되고 있다(Kim et al., 2022). 지자체 관리 농업용 저수지에서 비상수문이나 사이펀 등과 같은 방류 시설을 설치하였고 한국농어촌공사는 관리 저수지 3,421개소 중 약 580여 개소에 비상 방류 시설을 설치하였으며, 사이펀과 같은 시설도 증가 추세에 있다. 흙으로 축조된 필댐의 경우 구조적 제약으로 인해 여수로 외에 비상수문 설치가 어렵기 때문에, 이동과 설치가 용이한 사이펀이 활용성이 높다.
국내⋅외에서 소규모 저수지의 홍수 위험을 평가하기 위해 수치 모형을 활용한 홍수파 및 하류부 분석 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 사이펀을 이용한 방류 연구 또한 지속적으로 진행되었다. Kim (2022)은 소규모 저수지가 동시 붕괴될 경우 하류부 홍수 피해가 가중됨을 수치 모형을 통해 분석하였으며, 저수지 붕괴를 예방하기 위한 사전 예방이 필요함을 강조하였다. Akgun et al. (2023)은 2차원 수치 모형을 활용하여 댐 붕괴 위험성을 분석하고, 하류부 침수를 방지하기 위해 사전 방류 및 실시간 모니터링 시스템 구축의 필요성을 제시하였다. 그러나 붕괴 이후의 피해 분석에 초점을 맞추었으며, 붕괴를 대비하기 위한 체계는 제시되지 않았다.
Leon and Alnahit (2016)은 사이펀을 활용한 사전 방류 대안을 제시하고, 실험 및 수치 모형을 통해 사이펀이 홍수 피해 저감에 효과적임을 검토하였다. Verma et al. (2020)은 허리케인 대응을 위한 스마트 사이펀 시스템을 개발하고, 사이펀을 활용한 방류가 저비용⋅친환경적인 대안임을 입증하였다. Carruthers and McAree (2024)는 사이펀을 활용한 수위 조절이 가능함을 보이며, 유지보수 비용 절감 효과를 평가하였다. 국내의 경우 Moon et al. (2023)은 경주시 저수지를 대상으로 이동식 사이펀을 활용한 사전 및 긴급 방류 시스템의 효과를 평가하였으며, 30년 빈도 홍수에서 최적 방류 시점을 12시간 전으로 도출하였다. Kim et al. (2024)은 시스템 다이내믹스를 활용하여 집중호우 시 사전 방류가 홍수 피해 저감에 기여할 수 있음을 확인하였다.
그러나 대부분 방류에 의한 하류 지역에 미치는 영향을 정량적으로 분석하거나 하류부 홍수 피해를 고려한 사이펀의 최적 운영기준에 관한 연구는 미흡하며 운영기준을 제시하는 연구는 미비한 실정이다. 따라서, 본 연구는 HEC-RAS를 기반으로 다양한 방류 조건의 시나리오를 구성하고 사이펀 운영기준을 수립하였다. 하류부 영향을 최소화하면서 효과적으로 저수지를 관리할 수 있는 사이펀 운영 기준방안을 제시하였다.
2. 연구 방법
2.1 연구 흐름도
본 연구에서는 사이펀 방류 운영기준을 제시하기 위해 HEC-RAS를 활용하여 1D와 2D를 연계하여 사이펀 운영 시나리오에 따른 하류부 범람 해석을 수행하였다. 사이펀의 운영기준을 제시하기 위해 사이펀의 개수와 직경, 사전 방류 기간으로 시나리오를 구성하였다. HEC-RAS 1D는 저수지 붕괴로 인한 유출량 모의와 하류부 유입량에 따라 하천 내부의 흐름을 정밀하게 모의하고 시간적 변화를 분석하기 위해 적용되었으며, HEC-RAS 2D는 침수심과 범람면적을 평가하고, 유역 및 제내지의 공간적 영향을 분석하기 위해 구축되었다. 이를 통해 사이펀의 운영조건을 변화시키며 하류부 침수 영향을 분석하여 방류 기준을 정립하였으며, 이와 같은 연구 흐름은 Fig. 1에 제시하였다.
2.2 수치 해석 방법론
2.2.1 범람 및 침수 해석
HEC-RAS는 미 육군 공병단(USACE)의 수문 기술 연구소(Hydrologic Engineering Center, HEC)에서 개발되어 1970년대부터 사용되고 있는 수리해석 모형이다. 하천 및 수로의 정상 흐름과 비정상 흐름을 1차원 단면 분석을 통해 계산하며, 하천 하류부의 범람 해석 및 홍수와 침수 예측은 2차원 모형을 통해 수행할 수 있다. HEC-RAS의 기본 지배방정식은 연속방정식(Continuity Equation)과 운동량 방정식(Momentum Equation)으로 구성되어 있다. 이 방정식을 통해 유량과 단면적의 시간적, 공간적 변화와 흐름의 연속성을 설명하며, Eqs. (1), (2)와 같다.
여기서, x는 수로에 따른 거리(m), t는 시간(s), A 는 수로 단면적(m2), Q는 유량(m3/s), S는 저류량(m3/s), q1은 단위 거리 당 측방 유입량(m2/s), g는 중력 가속도(m/s2), h는 수위(m), Sf는 마찰경사, V은 유속(m/s)이다.
2.2.2 저수지 붕괴 해석
HEC-RAS를 활용한 댐 붕괴(Dam Break)는 구조물의 붕괴로 인해 발생하는 홍수파의 전파와 영향을 모의하는 과정이다. HEC-RAS는 EGL (Energy Grade Line)을 고려하여 붕괴 시 발생하는 홍수파를 결정한다. 본 연구에서는 월류 붕괴(Overtopping failure)만 붕괴조건으로 설정하였으며, Eq. (3)은 월류 붕괴 시 붕괴 단면을 통과하는 흐름을 계산하기 위해 사용되는 위어 흐름 방정식이다.
여기서, Q는 유량(m3/s), Cw은 위어 계수, L은 위어 길이(m), h은 위어 상단에서의 수두 차이(m)다.
붕괴 조건에 따라 저수지의 방류 곡선이 달라지므로, 적절한 조건을 설정하는 것이 중요하다(Mo et al., 2023). 붕괴 조건을 설정하기 위해 댐 붕괴 단면의 중심 좌표, 붕괴 모드인 월류 및 파이핑, 단면의 기하학적 형태인 높이와 폭, 좌우 사면 경사, 붕괴 발생 시간, 그리고 수위와 시간에 따른 붕괴 유형 등이 필요하다. 저수위가 댐 마루 최저 고도를 초과하면 구조적 안정성이 저하되므로, 이를 붕괴 조건의 기준으로 설정하였다. 또한, 제체 높이를 반영하여 붕괴 단면의 평균 폭을 설정하였으며, 저수지 바닥고를 기준으로 붕괴 단면의 하부 고도를 결정하였다. 최대 방류량이 발생하는 시점을 기준으로 붕괴 진행 시간을 0.5시간으로 가정하였다.
2.3 사전 방류를 위한 이동식 사이펀
사전 방류를 위해 설계된 사이펀은 경량화된 소재와 이동식 구조를 적용하여 중⋅소규모 저수지의 방류를 효과적으로 지원하도록 설계되었다. 설치와 운영이 용이하고 기존 구조물을 변경하지 않아도 수위와 방류량 조절이 가능하며, 사전 방류를 통해 유입량의 분산이 가능하다. 적용할 수 있는 사이펀의 직경은 150 mm, 200 mm, 250 mm, 300 mm이며, 본 연구는 규모가 작은 저수지에 적합한 직경 150 mm와 직경 200 mm 사이펀을 이용하였다. 사이펀의 직경과 수위 차이에 따른 방류 성능은 Table 1과 같다. 지자체에서 관리하는 소규모 저수지는 개소 수가 많으며, 예산과 인력 운영 등의 현실적인 제약이 존재한다. 사이펀 설치 시 단독으로 운반 및 설치가 용이해야 하며, 경량화가 필수적이다. 소규모 저수지는 자체 규모가 작아 대형 방류 시설 도입이 어렵기 때문에, 이를 고려하여 150 mm~300 mm (50 mm 간격) 직경을 적용하였다. 이러한 기준은 실용성과 효율성을 반영하여 사이펀이 제작되는 과정에서 설정되었다.
2.4 연구 대상지 선정
본 연구의 대상지는 경상북도 경주시의 소규모 농업용 저수지로, 1945년에 준공된 후 약 80년이 경과한 노후 저수지다. 총 저수용량이 5만 m3 이상인 2종 소규모 농업용 저수지에 해당한다. 저수지 및 하류부의 주요 제원은 총 저수용량은 66,000 m3이며, 제체의 길이는 136.0 m, 높이는 8.39 m이다. 유역면적은 2.61 km2, 유로 연장 3.19 km, 관리 구간 1.34 km로 구성된다.
해당 저수지는 흙댐이기 때문에 월류 발생 시 제체 유실 및 붕괴 위험이 존재한다. Ministry of Land, Infrastructure and Transport (2023)에 의하면 노후화로 인해 댐 사면 및 마루에서의 침하와 침식으로 인해 제방고는 관리대장에 기록된 EL. 28.87 m보다 1.72 m 낮게 실측되었다. 유역은 농경지(52%), 주거지(30%), 산지(12%)로 이루어져 있으며, 중⋅상류부는 아파트 단지, 중⋅하류부는 경부선 철도, 하류부는 농경지가 위치한다. 짧고 경사가 급한 하천이 저수지 하류에 위치하며, 저수지 방류 시 도달 시간이 짧고 홍수량이 급격히 증가하는 특성을 보인다. 하천은 협소한 하폭으로 인해 저빈도 홍수에도 월류 위험이 있으며 저수지에서 대량의 방류가 발생할 경우 하류 지역에서 범람 및 침수가 발생할 가능성이 크다. 소규모 저수지의 특성상 수문이나 배수시설이 없어 홍수 조절 능력이 부족하여 이상 강우에 대한 대비가 부족한 실정이다. 이에 본 연구에서는 해당 저수지의 노후화와 제한적인 홍수 조절 능력이 국내 소규모 농업용 저수지의 공통적인 한계임을 고려하여 연구 대상으로 선정하였으며, 대상 저수지의 위치는 Fig. 2와 같다.
해당 저수지의 붕괴 조건은 Table 2와 동일하며, 홍수량 유입으로 저수위가 EL. 27.15 m에 도달하면 저수지가 붕괴되는 것으로 가정하였다. 붕괴는 저수지의 최저 마루 표고가 위치한 지점에서 발생하며, 저수지 바닥고를 고려하여 붕괴 단면의 하부 고도를 EL. 21 m로 설정하였다.
Table 2
Breach Parameters for HEC-RAS Simulation
3. 사이펀 운영에 따른 유출량 모의
3.1 시나리오 구성
운영 전후의 효과를 비교하기 위해 사이펀을 설치하지 않은 조건을 포함하여 사이펀 운영조건으로 직경 150 mm 사이펀 1개, 직경 200 mm 사이펀 1개, 직경 150 mm와 200 mm 사이펀 각 1개로 네 가지 시나리오를 구성하였다. 각 시나리오에 대해서 사전 방류 일수는 홍수량 유입 3일 전, 4일 전, 5일 전으로 설정하여 각 조건에 따른 방류 시나리오를 모의하였다. 사이펀 운영조건과 사전 방류 일수에 따라 방류량, 저수지 수위 변화, 하류부 침수면적 및 최대 침수심을 분석하였으며, 모의에 사용된 시나리오의 세부 구성은 Table 3과 같다.
Table 3
Scenarios of Reservoir Discharge
3.2 사이펀 운영 시나리오에 따른 유출량 결과
3.2.1 저수지 방류량
Fig. 3은 80년 빈도와 100년 빈도 홍수량이 저수지에 유입될 경우, 시나리오 #1과 시나리오 #2에 대한 저수지 방류량 및 저수위 결과이다.
Fig. 3
Reservoir Discharge and Water Level for Scenarios #1 and #2 Under 80- and 100-Year Flood Frequency
80년 빈도 홍수량 유입 시, 사이펀을 설치하지 않은 시나리오 #1에서는 저수지 방류량이 103.36 m3/s까지 도달하며 붕괴가 발생하였다(Fig. 2(a)). 그러나 직경 150 mm 단일 사이펀을 설치하여 3~5일 전부터 사전 방류를 시행한 시나리오 #2에서는, 20 m3/s 내외의 방류량이 여수로를 통해 방류되었다(Figs. 2(b)~(c)). 반면, 100년 빈도 홍수량 유입 시에는 시나리오 #1뿐만 아니라 시나리오 #2에서도 3일 전과 4일 전 사전 방류를 진행했음에도 불구하고 붕괴가 발생하였다(Figs. 2(f)~(g)). 이때, 사전 방류 여부 및 방류 일수의 변화와 관계없이 붕괴로 인한 방류량은 90~100 m3/s의 일정한 값을 유지하였다. 이는 붕괴 발생 시 최대 방류량이 주로 저수지의 규모에 의해 결정되며, 사이펀 운영보다 구조적 특성이 더 큰 영향을 미친다는 것을 의미한다. 즉, 사전 방류는 저수지 수위 조절에 영향을 주지만, 수위가 붕괴 조건에 도달하여 붕괴가 발생할 경우 최대 방류량은 일정한 붕괴 유출량의 범위 내에서 유지되는 경향을 보인다. 100년 빈도 홍수량 유입 시에는 직경 150 mm 사이펀으로 최소 5일 전부터 사전 방류를 시행해야만 붕괴를 방지할 수 있다(Fig. 3(h)). 이는 유입 홍수량 규모에 따라 사전 방류 일수를 조정해야 함을 의미한다.
Table 4는 모든 시나리오에서의 저수지 방류량의 최대값 결과를 나타낸 것이다. 빈도별 홍수 유입조건에서 최대 유입량에 따른 수문곡선을 반영하여, 저수지에서 방류되는 최대 방류량과 붕괴 발생 시에는 저수지의 최대 붕괴 유출량을 제시한다. 앞서 Fig. 3과 같이 동일 홍수량이 유입될 때 사전 방류 일수가 증가할수록 유량이 점차적으로 감소하며, 사이펀 운영을 확대한 시나리오 #3과 #4에서는 시나리오 #2보다 최대 방류량이 감소하였다. 사전 방류로 인해 저수지 붕괴를 방지하고 방류량의 최대값을 감소시키는 효과를 가져온다는 점을 보여준다. 시나리오 #3과 #4에서는 모든 홍수량 유입에서 붕괴가 발생하지 않았으며, 저수지 방류량이 20~26 m3/s 수준으로 유지되었다. 5일 전 방류는 최대 방류량을 감소시키기 떄문에 안정성 확보에 있어 최적의 조건으로 평가되었으나, 예상되는 유입 홍수량의 규모에 따라 3일 또는 4일 전 방류, 혹은 단일 사이펀 운영만으로도 충분히 효과적인 방류량 제어가 가능함을 확인하였다. 사전 방류와 사이펀 운영의 조합은 저수지의 최대 방류량을 감소시키면서 붕괴 조건에 도달하지 않도록 저수위를 안정적으로 유지할 수 있음을 나타낸다.
Table 4
Peak Reservoir Discharge for Each Scenario
3.2.2 홍수량 유입 전후 저수위
Fig. 4는 각 시나리오에서의 최대 저수위를 사이펀 미설치 시의 최대 저수위로 나눈 비율을 나타낸다. 이를 통해 사이펀 운영 여부에 따라 저수위가 어느 정도 감소했는지 정량적으로 확인할 수 있다. 직경 150 mm 사이펀을 단일로 운영한 경우, 시나리오 #1과 비교해 최대 저수위가 약 0.8% 감소하였으며, 시나리오 #3과 #4에서는 2%에서 2.5%까지 감소하였다.
흙댐은 제체 특성상 수위 조절을 통해 붕괴를 방지할 수 있는데, 홍수량 유입 시 사전 방류를 통해 수위를 저감할 수 있었다. Table 5는 모든 시나리오에서 홍수량 유입 시의 최대 저수위를 나타내며, 음영으로 표현된 시나리오는 붕괴가 발생했음을 의미한다. 100년 빈도 홍수량 유입 시에도 시나리오 #3과 #4에서 최대 저수위가 약 EL.27.00 m로 유지되며 붕괴를 방지하였다. 사이펀 직경이 클수록 또는 두 개 이상의 사이펀을 운영할 경우, 저수위를 더 효과적으로 낮출 수 있어 붕괴를 예방할 수 있다. 또한, 저수율이 붕괴 여부에 중요한 영향을 미친다는 것을 확인하였다.
Table 5
Maximum Water Level in Reservoir for Each Scenario
4. 하류부 범람 해석
4.1 시나리오 별 하류부 침수면적
Table 4에서 산출된 저수지의 최대 방류량을 기반으로 방류 곡선을 적용하여 HEC-RAS 2D를 활용한 범람 해석을 수행하였다. Fig. 5는 100년 빈도 홍수량 유입 시, 각 시나리오에서 3일, 4일, 5일 전 사전 방류를 시행했을 때 하류부 범람 분포 결과를 나타낸다. Figs. 5(a)와 (b)의 경우 사이펀을 운영하였음에도 불구하고 저수지가 붕괴했으며, 나머지 시나리오에서는 붕괴 없이 하류부 범람만 발생하였다. 붕괴가 발생하지 않은 조건에서 사전 방류 일수가 증가할수록 침수면적이 감소하며, 침수 구역은 하류부 일부 농경지로 제한되었다. 이는 사전 방류 시점이 저수지 붕괴 여부와 하류부 침수 완화에 영향을 미친다는 점을 보여준다. 전체 시나리오에서의 침수면적은 Fig. 6과 Table 6에 제시하였다. 저수지가 붕괴한 경우 침수면적은 약 260,000 m2로 하류부 대부분이 침수되지만, 사이펀 운영을 통해 저수지가 붕괴되지 않고 범람만 발생한 경우, 침수면적은 최대 90,000 m2 이하로 침수 구역은 하류부 일부로 제한되었다. 시나리오 #4에서는 사전 방류 시점에 따라 침수면적이 약 50% 이상 감소하는 경향을 보였으며, 5일 전 방류를 시행한 경우 침수면적이 5,000 m2 이하로 유지되었다. 사전 방류의 조기 시행이 저수지 붕괴를 방지하고 하류부 범람 피해를 완화하는 데 효과적임을 보여준다.
Table 6
Maximum Inundation Area and Depth for Each Scenario
4.2 시나리오 별 하류부 침수심
Table 6은 시나리오별 범람으로 인해 발생한 하류부 최대 침수심을 나타낸다. 저수지가 붕괴된 경우, 최대 침수심은 2.00 m 이상으로, 주로 하류부 농경지의 저지대에서 발생하였으며, 하류부 전역에 걸쳐 광범위하게 범람되었다. 단순 범람으로 일부 하류부만 침수된 경우, 최대 침수심이 나타나는 구역 주변에 침수가 집중되었으며, 침수심은 0.5 m 미만으로 유지되었다.
5. 사전 방류 기준 제시
5.1 저수지 방류량에 따른 대응 가능 구역 설정
저수지 최대 방류량은 붕괴 여부와 하류부 침수면적에 직접적인 영향을 미치며, 저수지 운영 및 관리에서 중요한 요소이다. 방류량은 예상 침수면적을 결정짓는 주요 변수로, 하류부 영향을 평가하고 범람 규모를 판단하는 기준이 된다. 사이펀 사전 방류 일수가 증가하고, 직경 및 개수가 커질수록 저수지 붕괴 위험이 감소하며, 침수면적과 침수심도 줄어드는 경향을 확인하였다. 저수지 유입량에 따라 사이펀 운영의 효율성을 극대화하기 위해, 적절한 직경과 개수를 조절하고 사전 방류 일수를 고려한 방류 전략이 필요하다. 따라서 저수지 방류량과 하류부 침수면적의 관계를 분석하고, 방류량을 기준으로 침수 특성을 구분하였다. 최적화된 사이펀 운영기준을 도출하고, 저수지 방류량에 따른 침수면적 변화를 구역을 기준으로 분류하였다.
저수지 최대 방류량 대비 침수면적 분석 결과, Fig. 7과 같이 세 개의 범위로 구분할 수 있다. 대응 가능 구역(Siphon Operational Zone)은 저수지 최대 방류량을 효과적으로 제어해 붕괴를 방지하고 최소한의 침수면적을 유지하는 영역이다. 이 구역에서는 사이펀 운영을 통해 침수 피해를 최소화하면서 안정성을 확보할 수 있다. 도달 불가능 구간(Unattainable Zone)은 본 연구의 대상지인 저수지에서 나타날 수 없는 구간으로, 저수지 운영측면과 물리적으로 발생할 가능성이 없는 방류량을 의미한다. 도달 불가능 구간을 초과하면 붕괴 구역(Failure Zone)으로 넘어가 대규모 피해와 구조적 손상이 불가피해진다. 방류량이 90 m3/s를 초과하고 침수면적이 25만 m2 이상으로 확대되며 저수지 기능이 상실된다.
Fig. 8은 대응 가능 구역에서 저수지 방류량에 따른 침수면적 데이터의 특성을 분석하고 특정 임계값을 도출하기 위해 접선 교차법(Tangent Intersection Method)을 적용한 결과를 나타낸다. 이를 통해 도출된 허용 범람 경계(Allowable Flood Point)는 저수지가 붕괴하지 않는 조건에서 방류량이 최대 17.5 m3/s 이하로 유지하고, 침수면적이 10,000 m2 미만으로 제한된 상태를 의미한다. 강우로 인해 저수지에 과도한 유량이 유입되어 침수 피해가 예상되는 상황에서 유지해야 할 기준을 제시하며, 안정적인 수위 관리와 침수 피해 최소화의 필요성을 강조한다. 이는 저수지 방류량과 침수면적의 관계를 기반으로 각 경계 구역의 특성을 정의하고, 효과적인 운영 및 관리 방안을 모색하는 데 중요한 기초 자료로 활용될 수 있음을 보여준다.
5.2 유입량에 따른 저수지 방류량 분석
Fig. 9는 시나리오 #2부터 #4까지 유입량에 따른 최대 방류량 곡선이다. 사이펀의 직경과 개수가 증가할수록 유입량에 따른 저수지 최대 방류량이 약 2.5 m3/s씩 감소하였다. Scenario #2에서는 유입량이 증가함에 따라 방류량이 최대 약 23 m3/s 이상으로 증가하였으며, 사전 방류 일수가 길어질수록 동일 유입량에서 방류량이 더 낮게 유지되는 효과가 나타났다. Scenario #3은 유입량이 약 24 m3/s 이하에서는 방류량이 허용 범람 경계에 가까운 값을 보였으나, 유입량이 증가할수록 방류량이 점진적으로 상승하였다. Scenario #4는 유입량 30 m3/s에 가까운 조건에서도 방류량이 상대적으로 낮게 유지되었으며, 사전 방류 일수가 길어질수록 방류량 감소 효과가 뚜렷하게 나타났다. 유입량이 동일할 때 사전 방류 일수가 늘어나고 사이펀 조건이 강화될수록 방류량이 효과적으로 조절되는 결과를 보였다.
5.3 사이펀 운영기준
위에서 제시한 저수지의 방류량과 하류부 침수면적의 상관관계의 분석과 침수 특성의 세분화를 통해 사이펀 운영조건에 따라 방류량의 조절 가능성을 확인하였다. 이러한 결과를 바탕으로 저수지 방류량과 침수면적을 관리하기 위한 사이펀 운영기준은 최종적으로 Table 7과 같이 제시할 수 있다. 저수지 붕괴를 방지하기 위해 최대 방류량을 24 m3/s 미만으로 유지해야 하며, 사전 방류와 사이펀 운영을 통해 방류량을 효과적으로 조절할 필요가 있다. 본 연구에서는 허용 범람 경계(17.5 m3/s) 내 유지와 저수지 붕괴 한계(24 m3/s) 초과 방지를 기준으로 시나리오별 사이펀 운영기준을 도출하였다. 제시된 운영기준은 방류량을 제어함으로써 저수지 붕괴를 방지하고 하류부 침수 피해를 최소화하는 데 중점을 두고 있다.
Table 7
Reservoir Inflow Rate and Siphon Operation Conditions
시나리오 #2에서는 유입량이 21 m3/s 이하일 경우는 최소 3일 전 방류를 통해 방류량을 17.5 m3/s 이하로 유지할 수 있다. 유입량이 21~29 m3/s일 경우는 최소 4일 전 방류로 방류량이 17.5~24 m3/s 범위로 유지되며, 29 m3/s를 초과할 경우는 최소 5일 전 방류가 필요하다. 시나리오 #3에서는 유입량이 24 m3/s 이하일 경우 최소 3일 전 방류로 방류량을 17.5 m3/s 이하로 유지할 수 있으며, 24~30 m3/s에서는 최소 4일 전 방류로 방류량이 17.5~24 m3/s로 조절된다. 시나리오 #4에서는 유입량이 26 m3/s 이하일 경우 3일 전 방류로 방류량을 17.5 m3/s 이하로 유지할 수 있고, 26~30 m3/s에서는 4일 전 방류를 통해 허용 범람 경계 내 방류량 조절이 가능하다. 30 m3/s를 초과할 경우 5일 전 방류로 안정적인 저수지 운영이 가능하다.
유입량이 21 m3/s로 예상되는 경우 사이펀 제원과 상관없이 최소 3일 전 방류를 진행하여 허용 범람 경계 내에서 저수지 방류가 가능하다. 반면, 저수지에서 유입량이 24 m3/s로 예측될 경우, 시나리오 #3에 따라 3일 전부터 방류를 해야 한다. 저수지에 유입량이 30 m3/s 이상으로 예측되는 경우, Scenario #4에 따라 사이펀 두 개를 동시 운영해야 대응 가능 구역 내에서 붕괴를 방지할 수 있다. 이처럼 유입량과 방류량의 관계를 기반으로 적절한 방류량과 방류 시점을 설정하여 적용함으로써, 침수 피해를 최소화하고 저수지의 안정성을 효과적으로 유지할 수 있다.
6. 결 론
본 연구는 소규모 농업용 저수지를 대상으로 사이펀을 활용한 다양한 사전 방류 시나리오를 분석하여, 저수지 붕괴 방지 및 하류부 침수 피해 완화를 위한 운영기준을 제시하였다. 이를 위해 HEC-RAS 1D-2D 연계를 통해 홍수 유입량에 따른 사이펀 운영 조건(방류 시점, 직경, 개수 등)이 저수지 수위와 방류량 그리고 하류부 범람에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다.
사전 방류 시점을 앞당기고 사이펀 직경과 개수를 적절히 조합할 경우, 유입 홍수량이 증가하더라도 저수지 최대 방류량을 효과적으로 제어하고 침수면적을 최소화할 수 있음을 확인하였다. 사이펀 운영기준을 분석한 결과, 저수지 방류량을 기준으로 대응 가능 구역에서는 침수 피해를 최소화하는 한계점인 허용 범람 경계(17.5 m3/s)와 대응 가능 구역의 임계점인 저수지 붕괴 한계(24 m3/s)로 세분화할 수 있으며, 저수지 붕괴 한계를 넘어서는 도달 불가능 구역과 붕괴가 발생하는 붕괴 구역으로 분류할 수 있다. 이를 기준으로 유입량에 따라 적절한 사전 방류 일수와 필요한 사이펀의 직경과 개수의 기준을 제시하였다.
본 연구는 소규모 농업용 저수지 운영을 위한 기초 자료를 제공하였으나, 연구 대상지가 한정적이라는 한계를 가진다. 타 저수지에 반영할 경우 저수지의 규모, 형태, 구조적 특성뿐만 아니라 하류부 및 유역특성, 저수지의 제원에 따라 사이펀 운영조건이 달라질 수 있어, 이러한 변수들의 검토와 함께 운영기준의 일반화가 필요하다. 또한, 허용 범람 경계에 따른 하류 범람면적의 설정이 실무적으로 적절한지에 추가적인 검토가 필요하며, 향후 연구에서는 저수지 하류 지역의 토지 이용 현황, 피해 민감도, 재해 예방 기준 등을 종합적으로 고려하여, 구체적인 범람 한계 기준을 검토할 필요가 있다. 지역별 특성과 저수지 구조적 조건을 반영하여 일반화할 수 있는 맞춤형 사이펀 운영 곡선을 개발한다면, 운영의 안정성을 강화하고 홍수 피해를 최소화하는 지속 가능한 사이펀 운영 방안을 정립할 수 있을 것이다.
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