1. 서 론
2. 홍수피해지역 수문량 분석
2.1 홍수피해 현황 및 원인
2.2 확률강우량 ‧ 홍수량 분석
2.3 가능최대강수량 ‧ 가능최대홍수량 분석
2.4 홍수량 적정성 검토
3. 하도 ‧ 유역치수대책
3.1 하도치수대책
3.2 유역치수대책
3.3 댐 ‧ 저수지 연계운영방안
4. 결 론
1. 서 론
최근 기후변화는 전 세계적으로 재해의 발생 빈도와 강도를 증가시키며, 이에 따른 사회적 ‧ 경제적 피해도 심각해지고 있다(IPCC, 2021). 한반도는 몬순 기후대에 위치해 있어 6~9월 집중호우의 빈도가 높으며, 과거 국내 주요 호우 및 태풍피해 중 절반 이상이 최근 20년 사이에 발생한 것으로 보고되고 있다(Related Ministries, 2023). 여기에 도시의 급격한 확장과 불투수면적 증가로 인한 유출량 증가는 기존의 하도 중심 홍수방어 체계를 압도하고 있다.
경상북도 포항시 오천읍을 대상으로 한 본 연구는, 2022년 제11호 태풍 힌남노로 인해 발생한 냉천 유역의 중대한 홍수피해 사례를 바탕으로, 실질적이고 지속 가능한 치수대책 수립을 목적으로 한다. 당시 포항관측소 기준 9시간 누적강우량은 359.8 mm로, 이는 500년 빈도 확률강우량을 상회하는 수준이었으며(Gyeongsangbuk-do Province, 2024), 냉천 제방 및 구조물은 이를 감당하지 못해 하천범람과 구조물 파괴가 발생하였다.
또한 포항시는 산업단지 확장 및 도심지 개발로 인해 하천 인근의 불투수면적이 급증하였으며, 이로 인해 유출량이 증가하고 홍수위험이 가중되고 있는 실정이다. Gyeongsangbuk-do Province(2019, 2024), Pohang City(2017, 2022)의 하천기본계획과 개선복구계획 등에서도 이러한 문제를 지적하며, 기존 하도 대응 방식만으로는 한계가 있다는 점에서 유역 기반의 통합적 치수대책 수립이 시급함을 강조하고 있다.
이에 본 연구는 실측 강우자료를 바탕으로 홍수량을 산정하고, 하도 치수대책과 함께 유역 단위의 구조적 대안인 ① 천변저류지(washland), ② 지하방수로(bypass), ③ 홍수조절지(댐)를 비교 ‧ 검토하였다. 특히 신규 댐 설치와 기존 오어저수지와의 연계 운영을 중심으로, 실현 가능성과 효과성을 고려한 통합 치수전략을 정량적으로 수립하였다.
본 연구는 기존 선행연구와 다음과 같은 점에서 차별된다. Yi(2004), Lee(2005, 2008)는 다목적댐 또는 개별 저수지의 단독 운영에 초점을 맞춘 반면, 본 연구는 기후변화에 따른 실측 극한강우를 적용하고, 구조적 대안 비교 및 하도-유역 간 연계운영 전략을 통합적으로 구축하였다. 또한 Baek et al.(2024)의 PMP 포락곡선 개선 연구와 Hwang et al.(2009)의 HEC-HMS 매개변수 영향 분석은 본 연구의 홍수량 산정 신뢰성 확보에 기여하였으며, Lee(2010)의 PMF 산정 사례는 신규 댐의 월류 안전성 검토에 활용되었다.
결과적으로 본 연구는 HEC-HMS 모형, Clark 유역추적법, PMP 및 PMF 기법을 적용하여 실측 강우 기반의 신뢰도 높은 유출해석을 수행하고, 유역 단위의 통합적 재해예방 전략을 제시하는 데 의의가 있다.
2. 홍수피해지역 수문량 분석
2.1 홍수피해 현황 및 원인
연구 대상지인 냉천 유역은 Fig. 1에 도시된 바와 같이 경상북도 포항시 오천읍에 위치한 지방하천으로, 포항 도심을 관통하여 동해로 유입된다. 이 지역은 도시개발과 산업단지 조성이 활발히 이루어진 곳으로, 불투수면적의 급증으로 인한 유출량 증가와 하천 수위 상승이 두드러지며 홍수에 대한 취약성이 높은 것으로 평가된다. 특히 하천 인근에는 아파트, 도로, 공업단지 등이 밀집해 있어, 홍수 발생 시 사회 ‧ 경제적 피해가 크게 나타날 수 있는 지역이다(ME, 2018; Gyeongsangbuk-do Province, 2019, 2024).
본 연구에서 분석한 대표 호우사상은 2022년 제11호 태풍 ｢힌남노(Hinnamnor)｣로, 중심기압 약 950 hPa, 최대풍속 72 m/s(1분 평균 기준), 직경 약 1,300 km에 달하는 초대형 태풍이었다. 이 태풍은 역대 한반도를 강타한 태풍 중 루사(2002), 매미(2003)와 유사한 위력을 가진 것으로 분류된다. 당시 포항기상관측소에서는 9시간 누적강우량이 359.8 mm에 달했으며, 이는 해당 지역의 500년 빈도 확률강우량을 상회하는 기록적 수준이었다(Gyeongsangbuk-do Province, 2024).
이로 인해 냉천하구에 위치한 냉천교에서 500년 빈도를 초과하는 홍수량이 발생하였으며, 이는 기존 하도분담능력인 700 m3/s(80년 빈도)를 크게 초과하였다. 결과적으로 하천범람, 제방 유실, 호안 붕괴 등 다수의 하천시설물 피해가 발생하였다. 냉천 유역에는 80년 빈도 기준에 대응하는 제방이 설치되어 있었지만, 계획을 초과하는 강우로 인해 계획홍수위보다 낮은 위치에 있는 교량(냉천교, 인덕교 등) 및 제방에서 월류 및 범람이 발생하였다. 특히 냉천의 제체는 주로 사질토로 구성되어 있어 고유속 조건에서 사면 유실과 구조물 붕괴로 이어지기 쉬운 특성을 가진다.
더불어, 냉천의 지류인 신광천 상류에 위치한 오어저수지 직하류에서는 하안 및 하상 유실로 인해 다량의 토사가 중 ‧ 하류로 유송되었고, 이로 인해 퇴적물이 하천 단면을 축소시켜 냉천 본류의 수위 상승을 유발하였다. 이는 단순히 유출량의 증가뿐 아니라 하천의 물리적 변화가 홍수피해를 심화시킬 수 있음을 보여주는 사례이며, 유역 전반에 대한 통합적이고 사전적인 관리가 필수적임을 시사한다.
2.2 확률강우량 ‧ 홍수량 분석
연구지역의 수문분석은 ｢홍수량 산정 표준지침(ME, 2019)｣에서 제시한 지역빈도해석 방법을 기반으로 수행되었으며, 이를 통해 산정된 확률강우량을 적용하여 확률홍수량을 산정하였다. 강우관측소는 관측 연수가 30년 이상인 포항기상관측소를 채택하였고, 힌남노 당시의 실측 강우량과 1961~2022년 강우 기록에 기반한 확률강우량을 Table 1과 같이 비교 ‧ 검토한 결과, 2022년 호우는 500년 빈도를 상회하는 극한 강우사상으로 분석되었다.
홍수유출 해석에는 미 육군공병단(USACE)의 수문연구센터(HEC)에서 개발한 강우-유출 모형인 HEC-HMS(Hydrologic Modeling System)를 활용하였다. 본 모형은 다양한 강우-유출 과정을 모의할 수 있도록 구성된 집중형 모형이며, 국내외 수문 분석 및 유역 단위 홍수모형 구축에 널리 활용되고 있다.
HEC-HMS 모형 내에서는 Clark 유역 홍수추적방법이 적용되었다. Clark 유역 홍수추적방법은 유역의 시간-면적관계를 사용하여 자연하천유역에 내리는 순간단위유효우량을 계산하고, 유역출구에서의 직접유출 수문곡선인 순간단위유량도를 유도하는 방법이다. Clark 유역 홍수추적법은 식 (1)과 같은 선형저수지 방정식을 통하여 유출량을 산정하게 된다.
여기서, 는 시간 i에서의 직접유출, K는 저류상수, 는 시간 i-1에서 i사이의 평균유입량이며, 는 시간구간이다. 본 연구에서는 Table 2와 같이 Clark 유역 홍수추적법의 주 매개변수인 도달시간(travel time)과 저류상수(storage coefficient) 산정을 위해 국내 하천유역 특성을 반영한 서경대 공식을 적용하였다.
Table 1.
Comparison between Typhoon Hinnamnor rainfall and probability rainfall at Pohang station
Table 2.
Clark method parameters applied to each subbasin
한편, 본 연구에서 분석한 냉천 유역은 하천 구간별 계획빈도에 따라 80년~200년 빈도의 홍수량은 하도에서 분담하고, 초과하는 500년 빈도의 홍수량은 유역(댐)에서 분담하는 것으로 계획되었다. 냉천하구(NC00) 기준으로 산정된 확률홍수량은 200년 빈도에서 999 m3/s, 500년 빈도에서 1,189 m3/s로 산정되었다. Table 3은 냉천 유역에서의 댐 건설 전 산정지점별 빈도별 확률홍수량이다.
Table 3.
Probable flood discharge before dam construction in Naengcheon Basin
2.3 가능최대강수량 ‧ 가능최대홍수량 분석
가능최대강수량(probable maximum precipitation, PMP)은 특정 지역에서 기상학적으로 가능한 최대의 강수량을 의미하며, 이는 이론상 물리적으로 발생 가능한 최악의 기상조건을 가정하여 산정된다. PMP는 댐, 저수지, 여수로 등 주요 수리구조물의 설계 시 안전 확보를 위한 기준자료로 사용되며, 이에 대응하는 유출량인 가능최대홍수량(probable maximum flood, PMF)은 구조물의 월류 및 붕괴를 방지하기 위한 핵심 설계기준으로 활용된다(Lee, 2010; Baek et al., 2024).
국내에서는 PMP 산정 시 ｢전국 PMP도 재작성(MOCT, 2004)｣의 PMP도를 기준으로 하여 면적별 강우량을 독치한 후, 임의 절편 조정을 통해 지속기간별 균일한 포락곡선을 도출하고 있다. 본 연구 대상인 신규 댐의 유역면적(6.91 km2)은 25 km2 이하에 해당하므로, 해당 면적의 PMP를 기준으로 Spline 보간법을 적용하여 지속시간별 강우량 포락곡선을 작성하였다. 작성된 PMP 포락곡선은 Table 4에 제시하였다.
Table 4.
Probable maximum precipitation by spline curve (unit: mm)
PMF는 댐의 마루고(crest elevation)를 결정하고, 여수로 및 수문 등 관련 수리구조물의 월류 안전성을 평가하기 위한 필수 설계홍수량이다. 본 연구에서는 확률홍수량 산정과 동일한 수문모형 절차를 적용하여, PMP를 입력자료로 활용한 HEC-HMS 모형 및 Clark 유역추적법을 기반으로 신규 댐 유역에 대한 PMF를 산정하였다. 이로써 Table 5와 같이 지속기간별 가능최대홍수량을 도출하였고, 해당 결과는 댐 여수로의 규모 설정 및 하류 지역의 설계홍수위 산정에 활용되었다.
Table 5.
Probable maximum flood by duration at new dam site
|
Discharge (m3/s) | PMF | Duration (hr) | ||||||
| 1 | 2 | 6 | 8 | 12 | 15 | 24 | ||
| PMF | 321 | 242 | 308 | 281 | 248 | 197 | 183 | 153 |
2.4 홍수량 적정성 검토
본 연구에서 산정한 홍수량의 적정성을 검토하기 위하여, 국내에서 최근 신설되었거나 치수능력 증대사업이 완료된 총 18개 댐을 대상으로 유역면적과 첨두홍수량 간의 상관관계를 분석하였다. 이를 바탕으로 Fig. 2와 같이 유역면적(km2) 대비 200년빈도와 PMF 첨두홍수량(m3/s)의 관계를 회귀곡선 형태로 도시하였으며, 본 연구에서 제안한 신규 댐(유역면적 6.91 km2)의 산정 홍수량을 동일 도표상에 추가하여 비교 ‧ 검토하였다.
그 결과, 전체 댐에 대해 유역면적이 증가할수록 첨두홍수량 또한 비례하여 증가하는 추세를 보였으며, 이는 일반적인 수문학적 특성과 일치하는 경향으로 나타났다. 특히 본 연구의 신규 댐은 기존 18개 댐의 회귀곡선 상에서 통계적으로도 밀접한 위치를 점하고 있어, 정량적으로 신뢰할 수 있는 수준임을 확인할 수 있었다. 정량적 적정성 평가를 위해 피어슨 상관계수 r를 다음의 식 (2)를 이용하여 산정하였다:
여기서, 는 각 댐의 유역면적(km2), 는 각 댐의 PMF 첨두홍수량(m3/s), 는 각 변수의 평균값, 은 총 댐의 개수이다.
해당 수식을 기반으로 기존 18개 댐만 고려한 경우의 결과는 𝑟 = 0.9579, 신규 댐을 포함한 경우의 결과는 𝑟 = 0.9574로 나타났으며, 상관계수의 변화 폭이 0.0005로 매우 미미하여, 신규 댐을 포함한 경우에도 회귀관계의 일관성이 유지됨을 확인할 수 있다. 또한 단위면적당 유출량(m3/s/km2)도 기존 댐들의 평균값 범위 내에 포함되었으며, 이를 통해 본 연구에서 산정한 홍수량은 실무적 ‧ 통계적으로 모두 적정한 수준으로 판단된다.
3. 하도 ‧ 유역치수대책
본 장에서는 냉천 유역의 하도 및 유역 전체를 대상으로 치수 안정성을 확보하기 위한 방안을 다각도로 검토하였다. 하도정비만으로는 500년 빈도 홍수량 조건을 만족하기 어려운 상황에서, 하도 및 유역의 물리적 ‧ 사회적 제약을 반영하여 유역 중심의 치수대책을 수립하고, 이를 수문학적 모형(HEC-HMS)을 통해 정량적으로 분석하였다. 이를 통해 초과 홍수량을 분담 가능한 최적 대안으로서 댐-저수지 연계운영방안을 도출하였다.
3.1 하도치수대책
냉천 유역 하도는 구간별로 최대 200년 빈도의 계획홍수량을 기준으로 하며, 이에 따라 적용 가능한 하도 내 치수대책으로는 하천 폭 확장, 제방 증고, 고수부지 절취 등이 검토되었다. 그러나 하천변 주거지 밀집, 강변도로 및 교량 접근부와의 구조적 간섭, 내수위 상승 등 복합적인 제약으로 인해 해당 대책의 현실적인 시행은 곤란한 것으로 분석되었다. 또한, 막대한 소요 비용과 주민 민원으로 인한 사회적 수용성 부족도 주요 제한요인으로 작용하였다.
이에 따라 본 연구에서는 하도분담이 가능한 최대 계획빈도를 200년으로 설정하고, 하천정비계획에 따라 축제 구간 1.567 km 및 보축 구간 5.984 km를 하도분담 구간으로 설정하였다. 이에 초과하는 500년 빈도 확률홍수량(Q = 1,189 m3/s, 냉천하구 기준)에 대해서는 유역치수대책을 통해 분담하는 방안을 제시하였다.
3.2 유역치수대책
냉천 유역은 500년 빈도 확률홍수량(Q = 1,189 m3/s, 냉천하구 기준)에 대해 하도만으로 방어하기 어려운 것으로 분석되었으며, 이에 따라 하도 치수기준(200년 빈도)을 초과하는 초과홍수량에 대한 유역저감 대책이 필요하다. 본 절에서는 유역 기반 치수대책으로 천변저류지, 지하방수로, 홍수조절지(댐) 등 세 가지 대안을 설정하고, 각 안별 실현 가능성, 저감효과, 경제성 등을 정량적 ‧ 정성적으로 비교하였다.
3.2.1 천변저류지
천변저류지 후보지는 하천변 저지대, 경작지 등을 중심으로 도상 검토하였으며, 후보지별 주요 제원은 아래 Table 6에 정리하였다.
Table 6.
Washland
총대부분의 저지대가 도시화되어 굴착 시공이 필요하고, 저류지 위치가 횡월류(off-line) 형식으로 홍수조절효과가 낮은 것으로 분석되었다.
3.2.2 지하방수로
지하방수로는 신광천 합류부에서 동해로 배수하는 약 10.8 km의 노선이 검토되었으며, 주요 제원은 Table 7과 같다.
Table 7.
Bypass
|
Length (km) |
Size (m) | Contents |  |
| 10.8 | 7.0 |
• Low economic feasibility • Long construction period • Expected complaints from local residents • Concerns over environmental impact at discharge points |
본 대안은 약 246 m3/s를 분담할 수 있으나, 상시 운영되는 펌프장 설치가 필수적이며, 유입지 ‧ 유출지 안전성 확보, 민원 발생, 장기 건설기간 등의 요인으로 경제성과 실현 가능성에서 부정적이다.
3.2.3 홍수조절지(댐)
신규 댐은 신광천 오어저수지 상류부에 위치하며, 유역면적 6.91 km2, 계획 저류용량 2.49백만 m3로 유입홍수량을 전량 저류할 수 있도록 설계되었다. HEC-HMS 모형을 적용하여 500년 빈도 확률강우량 조건 하에서 냉천 하구 홍수량을 산정한 결과, 신규 댐만으로는 1,058 m3/s까지 저감 가능하나, 목표치인 1,000 m3/s에는 도달하지 못해 기존 오어저수지와의 연계운영이 제안되었다. 이를 Table 8에 정리하였다.
Table 8.
Flood discharge allocation
Table 9.
Alternative comparison for watershed flood control measures
유역치수대책 검토 결과, Table 9에 정리된 바와 같이 천변저류지와 지하방수로는 저류용량 부족, 경제성 저하 및 환경적 제약으로 인해 실현 가능성이 낮은 것으로 나타났다. 반면, 신규 댐과 오어저수지의 연계운영방안은 목표 첨두홍수량(1,000 m3/s) 달성이 가능하며, 운영 측면에서도 물리적 ‧ 기술적 안정성이 확보된 것으로 분석되었다.
3.3 댐 ‧ 저수지 연계운영방안
유입홍수량 전량을 저감하기 위해 신규 댐은 2.49백만m3의 조절용량을 계획하였고, 오어저수지는 비상수문(EL.102.69 m)을 EL.98.8 m까지 낮춰 1.79백만m3의 사전방류량을 확보하였다. 연계 조절 총용량은 4.28백만m3에 달하며, 이를 통해 냉천 하구 기준 홍수량을 1,000 m3/s까지 저감할 수 있다. 운영 단계별 계획은 다음과 Table 10과 같으며 Fig. 3과 같이 도시화 하였다.
이와 같은 운영계획은 냉천 유역의 하류부 홍수 저감에 실질적 효과를 제공하며, 유역 중심의 통합 치수전략으로서 타당성이 높은 것으로 평가된다. 본 연구는 정량적 유출모형 분석과 공간적 대안 비교를 통해, 냉천 유역의 500년 빈도 홍수량 조건에 대응할 수 있는 실현 가능하고 효과적인 치수대책으로 댐-저수지 연계운영방안을 제안하였으며, 이는 향후 유역단위 홍수관리계획 수립 시 정책적 참고자료로 활용될 수 있다.
Table 10.
Operational plan by rainfall scenario
4. 결 론
본 연구는 기후변화로 인한 극한강우 발생 증가와 그로 인한 도시홍수 위험에 대응하기 위해, 포항시 냉천 유역을 대상으로 통합 치수대책을 수립하고, 특히 태풍 ‘힌남노’ 사례를 중심으로 하천과 유역 간 연계 대응전략을 정량적으로 분석하였다.
첫째, 태풍 ‘힌남노’에 준하는 500년 빈도 및 PMF 조건의 극한강우를 설정하고, HEC-HMS 모형을 활용하여 냉천 유역의 유출해석을 수행하였다. 그 결과, 냉천 하구 기준 유출량은 1,189 m3/s로 산정되었으며, 이는 하도만으로 감당하기 어려운 규모로 유역 기반의 보완 치수대책이 필수적인 것으로 나타났다.
둘째, 하도는 하천기본계획상 최대 200년 빈도까지 대응하도록 계획하고, 이를 초과하는 홍수량은 유역 내 신규 댐과 기존 오어저수지의 연계운영을 통해 분담하는 전략을 수립하였다. 신규 댐(2.49백만m3)과 오어저수지의 사전방류(1.79백만m3)를 조합해 총 4.28백만m3의 조절용량을 확보함으로써, 하도분담 한계인 1,000 m3/s 이하로 유출량을 저감할 수 있음을 검증하였다.
셋째, 연계운영은 강우 전 ‧ 강우 시 ‧ 강우 후의 세 단계로 구분하여 수립되었으며, 사전방류와 댐의 유입 저류를 통해 단시간 집중강우에 효과적으로 대응할 수 있음을 확인하였다. 특히 홍수기 반복 강우에 대비한 선제적 저수위 조정은 실질적인 피해 저감의 핵심 전략으로 도출되었다.
마지막으로, 본 연구는 유역 단위의 하천-유역 연계형 치수전략을 실증적으로 제시한 사례로서, 향후 포항시뿐 아니라 유사한 중소 도시 유역의 기후위기 적응형 방재계획 수립에 실질적인 시사점을 제공한다. 특히 효과적인 연계운영을 위해서는 운영주체 간 협의체계 구축 또는 운영권의 일원화가 병행될 필요가 있으며, 추가적으로 상류부 진전저수지에 홍수조절 기능이 부여될 경우, 냉천 유역 전체의 회복탄력성이 더욱 강화될 것으로 기대된다.
