횡월류량 및 천변저류지

왜 배우는가: 천변저류지와 횡월류량은 하천 홍수 조절과 유량 분기를 함께 다루는 수자원 치수 계획의 핵심 수단이다. 홍수량 저감 방식과 설계 원리를 이해해야 계획 문제와 설계 문제에 답할 수 있다. 1교시 용어 문제와 2~4교시 논술 문제에서 반복해 출제됐다.

출제 이력: 제111회 1교시 4번, 제108회 2교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 천변저류지는 하천 옆 둘레를 제방으로 쌓아 홍수 때 하천 물을 월류시켜 홍수량을 저감하는 저류시설이다.

핵심 키워드

• 천변저류지
• 횡월류
• 월류위어(횡월류 위어)
• 홍수량 저감
• 저류용량
• 유량분기
• 홍수분담률
• 홍수조절방식

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 천변저류지는 강 옆에 만든 빈 땅이다. 평소에는 농지, 공원, 습지로 쓰다가 홍수가 나면 강물이 그 땅으로 넘쳐 들어가 하천의 물을 잠시 잡아 둔다. 강의 최대 유량이 줄어들기 때문에 하류 제방과 하도가 감당해야 할 부담이 작아진다.

정식 정의는 다음과 같다. 소하천 구조·시설 기준은 천변저류지를 홍수시 소하천 수위가 일정 수위 이상이 될 때 유수를 천변저류지로 월류시켜 홍수량을 저감할 목적으로 둘레를 제방으로 조성한 시설로 규정한다.

횡월류는 하천 본류의 물이 제방이나 월류위어의 마루를 넘어 옆의 저류지로 흘러 들어가는 현상이다. 물이 흐름 방향과 직각 방향으로 넘친다는 뜻에서 횡(橫)이라 한다. 월류 시작 수위가 정해져 있어 평상시에는 물이 넘지 않고, 기준 수위를 넘는 홍수 때만 작동한다.

저류용량은 저류지가 가둘 수 있는 물의 체적(㎥)이다. 저류지 면적과 수심의 관계로 정해지며, 저류지 바닥의 표고와 최고 수위를 기준으로 계산한다.

유량분기는 본류의 유량을 하도와 저류지로 나누는 것이다. 본류에 남는 유량과 저류지로 들어가는 유량의 비율이 곧 홍수 조절 효과를 결정한다.

3. 등장 배경과 필요성

홍수 방어는 전통적으로 댐과 제방에 의존해 왔다. 강변에 흙을 쌓아 범람을 막는 방식이 대표적이다. 그러나 기후변화로 이상 강우의 빈도가 높아졌고, 하천 생태계와 경관을 보전해야 한다는 요구도 커졌다. 제방만 높이면 하류의 홍수위가 올라가고 하천 공간이 좁아진다는 한계가 드러났다.

천변저류지는 이런 문제를 함께 푸는 수단으로 등장했다. 하천에 인접해 있어 적은 저류량으로도 짧은 시간 안에 홍수 조절 효과를 낼 수 있다. 평상시에는 생태습지나 공원으로 쓰므로 하천의 친수 기능과 생태 기능도 확보된다.

다만 천변저류지에는 댐과 같은 수문 시설이 없어 저류와 방류 시점을 임의로 조절하기 어렵다는 한계가 있다. 초기 강우로 저류지가 먼저 차 버리면 실제 홍수 때 효과가 줄 수 있다. 따라서 계획 단계에서 유역 전체의 저류 운영 계획과 함께 검토해야 한다.

또한 저류지 위치를 정할 때는 하천 형태, 수문학적 조건, 사회적 조건을 함께 고려한다. 주민 이주 문제가 자주 쟁점이 되므로 입지 선정 단계에서 사회경제적 지표 분석과 GIS 기반 적지 분석이 함께 쓰인다.

4. 구성요소·원리·절차

천변저류지(Floodplain Detention Basin)는 하천 본류의 홍수위가 일정 수위를 넘으면 월류 구간을 통해 물을 옆 저류 공간으로 흘려 보내는 시설이다. 구성은 월류제(웨어·낮은 제방), 저류부(저류지 내부), 유출 또는 복귀 수로, 그리고 저류지 둘레의 둑(제방)으로 나뉜다.

원리는 본류의 첨두유량을 낮추는 것이다. 월류가 시작되면 본류의 유량 일부가 저류부로 분기되어 하류 첨두 유량이 감소한다. 저류한 물은 본류 수위가 내려간 뒤 천천히 되돌아오므로 홍수 지속 시간이 늘어난다. 저류 효과는 저류용량과 월류 시작 수위에 따라 결정된다.

절차는 다음과 같다.

• 대상 하천의 설계홍수량과 홍수위를 정한다.
• 저류 목표량(홍수 분담량)을 산정한다.
• 월류 시작 수위와 월류제 길이를 정한다.
• 저류부 면적과 높이를 정해 저류용량을 확보한다.
• 둑의 여유고와 침식 방지 구조를 설계한다.
• 복귀 수로와 배수 시설을 설계하고 홍수 조절 효과를 검토한다.

홍수 분담량은 다음 식으로 정리한다. 본류 첨두유량 Q_p [㎥/s]에서 저류지 분담 유량 Q_s [㎥/s]를 뺀 값이 하류 제어 유량이다.

$Q_{down} = Q_p - Q_s$

저류부 용량 V [㎥]는 월류 이후 저류 지속 시간 t [s] 동안의 분담 유량을 적분해 구한다.

$V = \int_{t_0}^{t_1} Q_s(t)\,dt$

Q_s(t)는 시간별 분담 유량, t_0는 월류 시작 시각, t_1는 저류가 끝나는 시각이다. 계산이 끝나면 V가 저류지 면적과 높이로 확보되는지 확인한다.

5. 관련 법령·기준·표준

천변저류지는 「소하천정비법」 계열의 「소하천의 구조·시설에 관한 기준」에 저류시설의 한 종류로 규정되어 있다. 이 기준 제13조는 저류시설을 천변저류지, 저류습지, 우수저류시설, 지하저류시설로 나누고, 천변저류지를 소하천 수위가 일정 수위 이상이 되면 유수를 저류지로 월류시켜 홍수량을 낮추는 시설로 정의한다. 저류시설의 규모와 형식은 본류와 해당 시설의 홍수분담률, 홍수분담량 및 홍수조절방식에 따라 정한다. 유입시설은 유입유량을 안전하게 통과시키고 주변 시설물을 보호할 수 있는 구조여야 한다.

하천 정비 기준은 「하천법」과 하천설계기준을 따른다. 하천유지유량은 「하천법」상 건설교통부 장관이 정해 고시하며 홍수통제소장에게 위임된다. 저류지의 여유고와 비탈 기준은 비점오염저감시설 기준에서도 쓰이므로 다음 표로 정리한다.

위 표의 값은 설계 최소 기준이다. 천변저류지의 저류용량과 월류 수위는 하천별 홍수 분담 계획에 따라 정하며, 표에 없는 수치는 해당 하천 설계기준에 따른다.

6. 유형과 비교

횡월류량과 천변저류지는 하천 본류와 저류지를 잇는 방식과 저류지 운영 방식에 따라 여러 형식으로 나눈다. 가장 기본이 되는 구분은 횡월류식(측방 월류식) 과 유입·유출식(수문 또는 관로 연결식) 이다. 횡월류식은 본류 수위가 월류 높이를 넘을 때 제방 일부를 넘어 저류지로 물이 들어가는 방식이라 별도 조작이 없다. 반면 수문식은 수문을 조작해 저류와 방류를 제어하므로 운영이 필요하다.

위 표처럼 횡월류식은 조작 없이 월류위(월류 높이)로 분기량을 정하므로 설계 단순성이 장점이다. 수문식은 방류 시점과 양을 조절할 수 있으나 설비 고장과 운영 인력이 필요하다.

소하천 구조·시설 기준은 천변저류지를 '홍수시 소하천수위가 일정수위 이상이 될 경우 소하천의 유수를 천변저류지로 월류시켜 홍수량을 저감할 목적으로 둘레가 제방으로 조성된 시설'로 정의한다. 이 정의는 횡월류식의 원리를 그대로 보여준다.