1. 서론

홍수는 기상조건과 지형조건이 복합적으로 관계되어 언제든 발생할 가능성이 있다. 특히 여름철 태풍과 엘리뇨, 라니냐 등의 이상기후로 인해 예측하기가 힘든 게릴라성 호우로 인해 홍수가 발생하여 인명 및 피해를 입히고 있다. 우리나라의 경우 평균적으로 1년 간 3개의 태풍이 영향을 미치며, 이로 인하여 홍수 피해는 매년 약 100명의 인명피해와 6,000억 원 이상의 재산피해를 발생시킨다(Bae et al., 2005). 이러한 홍수에 의한 피해를 대비하기 위해 하천제방, 댐 및 저류지 계획 등을 통해 홍수에 대비하고 있다. 하지만 구조물의 설계를 초과하는 홍수가 발생할 경우, 그대로 피해가 발생하게 되어 복구공사가 반복되고 있다(Kang et al., 2007).

임진강 유역은 급경사와 좁은 하도의 상류부와, 경사가 낮은 평야지대인 하류부로 되어있어 하류지역에서 홍수 피해의 가능성이 높은 특징이 있다. 유역의 2/3정도가 북한에 위치하고 있으며, 국내 지역 또한 대부분 군사보호 지역으로 홍수 예보 및 경보를 위한 수문정보를 확보하는데 제약이 있다(Park and Hur, 2009).

특히 임진강 상류에 위치한 북한의 황강댐은 최대 저수량이 약 3.5억 톤의 대형댐으로 평소에는 위치적 특성으로 인해 북한이 물을 가둬 놓을 경우 가뭄으로 이어질 수 있으며, 반대로 많은 양의 물을 통보 없이 방류할 경우 홍수로 인하여 인명 및 금전적 피해로 이어지게 된다.

경기도 연천군 군남면에 2007년 착공되어 2010년 7월 1일부터 가동되기 시작한 군남홍수조절지는 7,060만 톤의 홍수조절 용량을 가지고 있지만, 황강댐의 최대 저수량에 비해 20% 수준에 불과하다. 만약 경기 북부지역에 지속되는 집중호우로 인해 황강댐에서 많은 양의 물을 방류한다면, 홍수 피해를 가중시킬 수 있다(Baek and Choi, 2009). 2009년 9월에는 북한의 황강댐 방류로 인해 임진강 유역의 야영객을 포함한 6명이 숨지는 사건이 발생했다. 당시 북한의 방류는 사전 통보 없이 이루어졌기 때문에 대처할 시간이 부족하여 인명피해가 발생하였다. 또한, 어민들이 설치한 그물 및 통발과 같은 도구도 강한 물살에 떠내려가 약 3천만원의 금전적 피해가 발생하였다. 방류 한 달 뒤인 10월 14일 남북 실무 회담 시, 북한 측은 ‘임진강 사고로 남측에서 뜻하지 않은 피해가 발생한 것에 대해 유감을 표한다.’라는 발언과 함께 향후 방류 시에는 남측에 통보하겠다는 의사를 표명했다. 하지만 최근까지도 황강댐 방류와 관련하여 합의된 사전 통보는 지켜지지 않고 있다(Choi, 2008). 따라서 황강댐 방류로 발생될 수 있는 돌발 홍수 대응을 위해서는 피해지역을 미리 산출하여 지속적으로 관리할 수 있는 모니터링 방안이 필요하다. 특히 홍수 대비를 위해서는 황강댐 방류에 따른 국내의 피해 지역을 미리 산출하여 모니터링이 필요하다. 홍수 범람 피해 지역 산출 등에 관한 연구는 국내서도 많은 연구가 이루어지고 있다.

Bae et al.(2005)은 홍수 피해 지역 산출을 위하여 FLUMEN 모형을 이용하여 홍수범람모의 실험을 진행한 바 있으며, Lee et al.(1998)의 연구에서는 GIS와의 연계 해석을 통한 하천의 홍수범람 해석의 수치모형을 개발한 바 있다. 또한, 임진강 유역의 홍수해 연구로는 Park and Hur(2009)의 연구에서 물리적기반의 분포형 모형을 사용하여 임진강유역의 홍수유출 모의실험이 진행되었다. Kim et al.(2011)은 북한의 황강댐 건설 이후 임진강 유역의 유출량 분석을 진행하여, 북한이 댐 건설 이후 무분별한 무단방류를 실시함을 밝혔다. 이전 연구들은 임진강유역의 홍수 유출량에 대한 연구가 주로 이루어졌지만 황강댐 유출량 단계에 따른 피해 지역 산출 연구는 아직 미비한 상태이다. 따라서 이 연구에서는 홍수 피해를 사전에 대비하기 위해 군남 홍수 조절지의 홍수조절 용량을 넘었을 경우를 가정하여 황강댐의 최대 저장용량을 기준으로 하여 5단계의 유출량에 따른 홍수해 피해면적 및 피해지역을 LHARZ_py 프로그램을 활용하여 산정하였다.

군남홍수조절지는 총 저수량 7.16억톤, 길이 658 m, 높이 26 m, 유역면적 4,191 km², 홍수 조절능력 7.06억톤이다(Choi, 2008). 군남홍수조절지가 위치한 임진강유역은 함경남도 덕원군의 마식령 산맥이 발원지이다. 강원도와 황해도를 지나 경기도로 유입되어 한탄강과 합류되어 서해안으로 흘러간다. 임진강유역의 면적은 8,118 km²으로 한강 유역면적의 1/3 정도로 금강보다 약간 작다. 하천의 길이는 약 255 km로 한강 길이의 절반 정도이며, 금강보다는 짧으면서 섬진강보다 길다. 이 유역의 대부분은 군사분계선 이북지역에 위치하며, 군사분계선 이남지역의 면적은 3,009 km² 이다(Woo, 1996).

1996년 7월 26일에서 28일까지 내린 강원, 경기지방의 집중호우로 임진강 유역에 엄청난 홍수가 발생하였다. 이 홍수로 54명의 사상자가 발생하였으며, 10,963세대에 해당하는 35,631명의 이재민이 발생하였다. 당시 재산피해는 5,313억원으로 집계되었다. 최고 일 강수량 400 mm 이상이었으며 이는 전년도 95년 중부지방 대홍수의 일 최대 강수량 362 mm를 훨씬 웃도는 기록이었다. 이 3일 동안 700 mm 이상의 폭우를 기록하였다 (Woo, 1996).

이 연구에서는 황강댐 유출에 따른 홍수 피해예상범위를 정량화하기 위해 LAHARZ_py 프로그램을 사용하였다. 홍수와 같은 토석류의 거동을 모사하기 위한 방법에는 경험적 분석과 수치 해석적 분석으로 나뉜다. 이중 경험적 분석을 적용한 프로그램으로는 LAHARZ_py, UBC DFLOW, Flow-R등이 있으며, 이러한 프로그램들은 과거 토석류 발생자료 분석을 통해 주요 인자를 선정하여 토석류의 범위나 거리를 예측하는데 사용되었다 (Choi e al., 215; Kang et al., 2017). 특히, Anacona et al.(2018) 의 연구는 1985년 칠레에서 발생한 빙하호의 홍수 현장 자료와 LAHARZ 프로그램의 시뮬레이션 결과를 비교하였다. 시뮬레이션 결과 중 68%의 영역이 현장자료와 일치하였으며, 홍수에 의한 면적은 약 93% 일치하는 높은 상관성을 보였다. 이 연구에 사용한 LAHARZ_py 프로그램은 총 9개 국가의 27개 화산의 흐름을 분석하여 개발되었으며 경험식을 기반으로 디지털 수치 모델 (Digital Elevation Model: DEM)에 표현한다.

2. 연구자료 및 방법

이 연구에서는 북학의 황해북도와 서울, 경기, 인천 지역의 TanDEM-X 자료를 사용하였으며, 공간해상도는 11 m이다. 사용된 DEM의 격자구조는 10690 × 16499이며, 연구 결과 공간해상도는 입력된 DEM과 같은 격자구조와 공간해상도를 가진다. LAHARZ_py는 본래 화산 이류의 거동을 모델링하기 위해 개발된 프로그램이지만 다량의 물이 혼합된 토석류 거동의 모델링에도 적용 가능하다(Kang et al., 2017). LAHARZ_py 프로그램은 DEM을 사용하기 때문에 빠르고 즉각적인 결과 도출이 가능하다. 홍수 범람 면적은 시작점의 높이(H)와 수평거리(L)을 통해 입력된 유출된 수량(V)로부터 산출된다. (Fig. 1). Fig. 1은 경험식 (1)과 (2)에 의해 형성된 홍수 범람시의 단면적 A 와 홍수 범람 면적 B를 높이와 거리의 비 (H/L Ratio)와 함께 나타낸 것이다(Iverson et al., 1998).

Fig. 1. Elements necessary to produce volcanic flood areas in LAHARZ_py. (A) Area of volcanic flows, (B) Area of volcanic flows, (H) Volcano height, (L) Horizontal distance (Iverson et al., 1998).

\(A=0.05 V^{\frac{2}{3}}\)       (1)

\(\mathrm{B}=200 \mathrm{~V}^{\frac{2}{3}}\)       (2)

V = 유출된 수량

A = 범람 된 홍수의 단면적

B = 홍수 범람지역의 면적

LAHARZ_py는 비교적 적은 수의 입력 매개변수를 활용하기 때문에 현장조사 자료가 부족하거나 자료 획득이 어려울 경우 대략적인 피해를 추정하는데 매우 효과적이다. 또한 빠르고 쉽게 범람지역을 추정할 수 있 때문에 피해예상지역 근처 사람들의 대피계획을 세우는데도 유용하다(Schilling, 1998).

LAHARZ_py의 구동순서는 Table 1과 같으며, 각 과정서 홍수의 흐름은 입력된 변수에 의해 결정이 되게 된다. Stage1에서 입력된 DEM을 사용하여 지정한 threshold에 따른 수계를 생성하고 계곡 깊이를 레스터화 한다. Stage2에서는 레스터화 된 수계 파일을 사용하여 산정상의 높이와 경사비율을 이용하여 흐름 방향을 산출하게 된다. 마지막으로 Stage3에서 각 유출량 부피, 유출이 시작되는 지점을 설정하여 홍수 시뮬레이션을 실행한다(Table1).

Table 1. LAHARZ_py stage and input parameter

이 연구에서는 군남홍수조절지를 기점으로 하여 홍수 피해 지역을 시뮬레이션 하였다(Fig. 2). 북한 황강댐의 저장된 물이 모두 방류되었을 때의 상황을 가정하여 황강댐의 최대 저수량인 3.5억톤을 최대 유량으로 설정하고 이를 포함하여 유출량의 단계를 총 5단계로 나누어 시뮬레이션을 진행하였다(Table 2).

Fig. 2. (a) Location of Gunnam dam on sentinel-2 image, (b) Field photo of Gunnam dam (Ggtour, 2013).

Table 2. Input volume and start point in process

3. 연구결과

Fig. 3는 총 5단계에 따른 홍수 피해 지역 산출 시뮬레이션 결과이며 Table 3은 유출량에 따른 침수 면적이다. Fig. 3와 같이 홍수 범람 시 강 유역에 위치한 마을에 범람 피해가 예상된다. 전체적으로 황강댐 유출에 따른 홍수 피해 지역을 살펴보면, 넓은 평지에 속하는 군남면의 경작지 주변으로 정해진 수계를 벗어나 피해가 발생되기 시작한다. 특히 임진강 수계를 따라 흐르는 경우 폭이 좁지만 파주시까지 길게 뻗어 나가는 것을 확인하였다.

Fig. 3. Result of Simultion: Blue is water volume 350 km³, dark blue is water volume 100 km³, light blue is water volume 50 km³, light green is water volume 10 km³, green is water volume 5 km³.

Table 3. Simulated Result of flooded area using LAHARZ_py

Fig. 4은 황강댐의 유출량에 따른 피해 지역을 확대하여 나타낸 그림이다. 유출량이 약 5백만톤일 경우 피해 면적은 약 10.9 kmsup>2로 경기도 연천군의 군남면 미산면, 전곡읍의 임진강 주변에서 피해가 예상된다(Fig. 4(a)). 유출량이 2배로 늘어나 1천만톤일 경우, 피해 면적은 11.8 km²며 피해예상지역은 파주시 적성면까지 확대 된다(Fig. 4(b)). 5천만톤의 유출량에서는 피해 면적이 13.3 km²로 넓어지며 연천군 백학면, 장남면까지 피해가 예상되며(Fig. 4(c)), 유출량이 1억톤이 된다면 파주시의 임진각 관광지 바로 앞까지 도달하게 된다. 이 때의 피해 면적은 15.8 km²이다(Fig. 4(d)). 최대 유출량인 3.5억톤일 경우 임진각은 물론 주거지역과 초, 중, 고등학교가 있는 파주시 문산리까지 그 피해가 예상되며 피해 면적은 약 27.0 km²이다(Fig. 4(e)).

Fig. 4. Zoom image of expected damage area in Fig.3 on Google Earth; (a) When water volume is 5 km³, Gunnam, (b) When water volume is 10 km³, Jeokseong, (c) When water volume is 50 km³, Baekhak, (d) When water volume is 100 km³, Jindong, (e) When water volume is 350 km³, Munsan.

Fig. 4에서 공통적으로 홍수의 흐름 중 부드럽지 않게 튀어나온 지역이 존재한다. 이 지역은 LAHARZ_py 프로그램 자체의 문제로 고도 값이 기준 픽셀과 같은 지역의 값을 산출하는 과정에서 나타난 오류이다(Munoz et al., 2009). 이러한 오류는 좀 더 해상도가 높은 DEM을 사용할 경우 해결될 수 있다. 본 연구에서는 11 m 해상도의 DEM을 사용하였으므로 그보다 해상도가 높은 DEM을 사용하여 해결할 수 있을 것으로 사료된다.

4. 결론

이 연구에서는 LAHARZ_py 프로그램을 사용하여 황강댐 유출량에 따른 홍수 침수면적을 계산하여 피해 예상 지역을 산출하였다. 특히 이 연구에서는 해상도 11 m의 DEM자료를 이용하여 군남홍수조절지의 임진강 수계에 대한 시뮬레이션을 통해 홍수에 의한 침수면적과 피해예상지역을 산출하였다. 분석결과 홍수조절 능력 이상의 홍수 발생시 주거지역의 직접적인 피해가 발생할 것으로 분석되었다. 특히 임진강 상류에 위치한 북한 황강댐의 최대 저수량 정도의 홍수가 발생할 경우, 강 주변에 형성되어 있는 주거지역의 특성상 큰 피해를 입을 수 있음을 확인하였다.

하지만 연구결과 LAHARZ_py 프로그램 내에는 자체적으로 해결이 불가능한 오류를 포함하고 있다. 이러한 불규칙한 오류는 높은 해상도의 영상을 사용하면 해결을 할 있을 것으로 생각된다. 하지만 해상도에 따른 오류에 관한 연구는 아직 이루어지지 않았기 때문에 추가적인 연구가 필요하다. 또한, LAHARZ_py 프로그램이 채택하고 있는 단방향 알고리즘은 한 번의 시뮬레이션다 한 방향의 수계에 대해서만 가능하기 때문에 지류로 뻗어가는 흐름은 고려되지 않는다는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해서는 각각의 지류에 대하여 시뮬레이션을 다시 수행해야 하지만 그 수가 너무 많아 한계가 있다. 이 연구에서는 경기 북부지역에 많은 집중호우 시기에 군남홍수조절지의 홍수조절 능력을 뛰어넘는 홍수가 발생할 것이라는 하나의 변수만을 고려하였으나, 추후 추가적인 변수를 통한 연구가 필요하다.

이 연구 결과는 강우에 의한 홍수나 북한의 무단방류로 인해 확실한 피해가 예상되지만 임진강의 지리적인 요건에 의해 제한된 정보 안에서 피해범위를 산출했다는 것에 의미가 있다. 특히, 본 연구에서 사용한 LAHARZ_py 프로그램의 경우, 무료로 제공되는 오픈 소스인 만큼 사용법을 숙지한다면 다른 지역에도 적용 가능하다. 이러한 결과를 기반으로 지속적인 연구를 수행한다면 홍수 피해에 효과적으로 대비하는데 매우 유용할 것으로 생각된다.

사사

이 논문은 2018년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. NRF2017R1A2B4003258).