안전한 하천관리를 위한 첨단 하이브리드 가동보 개발

김필식 ( Philshik Kim ),권형중 ( Hyungjoong Kwon ),박현준 ( Hyunjun Park ),박찬기 ( Chan-gi Park ),이한필 ( Hanpil Rhee ) 한국농공학회 2016 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2016 No.-

하천은 크게 이수와 치수 및 환경 등의 주요 기능을 가지고 있다. 이수는 하천과 물이 주는 가치를 말하며, 치수는 기능이라기보다는 엄밀한 의미에서 하천관리를 통한 자연재해 방지를 의미한다. 이러한 이·치수 기능의 확보와 수변환경 조성을 위해 친환경적 수리구조물인 가동보의 설치가 증가 하고 있다. 가동보는 하천에 주로 설치되는 수리구조물 중의 하나로 국내에서는 2000년대부터 고정보를 대신하여 설치가 시작 되었으며, 최근 친환경적 하천정비 및 다양한 목적 등으로 국내 하천에 약 1,200여개의 가동보가 설치 및 운영되고 있다. 국내에 적용되고 있는 가동보 중개량형 가동보의 제작 및 시공기술은 해외의 원천기술을 도입한 것으로 자재 수급 및 유지보수가 용이하지 못할 뿐만 아니라, 국내 여건에 맞지 않아 많은 문제점을 가지고 있다. 이에, 본 연구에서는 수자원 확보 및 수변 공간 조성 등을 위해 1) 기존 스틸소재의 개량형 가동보를 하이브리드(GFRP+스틸)소재로 개발하고, 2) 상류에 유하되는 이물질을 수위 저하 없이 하류로 배출하기 위해 각 경간의 개별 작동시스템을 개발하며, 3) 효율적인 하천 관리를 위하여 가동보 상단으로 월류 되는 하천 유량을 계측하기 위한 실시간 유량측정 시스템 개발 등으로 첨단 하이브리드 가동보를 개발하였다. 개발결과 기존 개량형 가동보의 단점인 부식해결로 인해 내구성을 확보하였으며, 경간별 개별작동시스템 적용으로 하천 수위 조절이 가능하였다. 또한 실시간 유량 계측 시스템 적용으로 실시간 하천유량 계측이 가능해 개발된 기술을 국내 가동보에 적용한다면 원활한 하천 수위 관리 및 실시간 유량 측정이 가능하여 안전한 하천관리가 가능할 것으로 판단된다.

안전한 하천관리를 위한 가동보 방류제어 및 경보 시스템 개발

김필식 ( Philshik Kim ),권형중 ( Hyungjoong Kwon ),이재혁 ( Jaehyouk Lee ),박현준 ( Hyunjun Park ) 한국농공학회 2017 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2017 No.-

하천 시설물은 홍수시 혹은 비상시 운영할 수 있는 경보시스템이나 관리지침 등의 마련이 필수적임에도 불구하고, 현재까지 가동보 시설물에 대한 비상시 운영 메뉴얼 및 경보시스템이 구축되지 못한 실정이다. 4대강 살리기 사업이나 하천정비사업과 같은 대표적인 하천관련 사업에서 단순한 하천 이 · 치수 목적뿐만 아니라 소수력 발전, 친수공간 조성 등의 다목적 활용을 위하여 가동보 설치 사업이 다수 수행되었으며, 현재 국내 하천에 약 1,200여개의 가동보가 설치 · 운영되고 있다. 이와 같이 다목적 활용을 위하여 가동보의 수요가 급증하는데 반해, 각 설치 현장 상황에 적합한 가동보 운영지침이나 비상경보시스템이 구축되지 못한 실정이며, 적절한 지침 없이 관행적인 가동보 방류로 인한 물놀이 안전사고나 인명피해가 속출하고 있는 실정이다. 2012년 11월에는 하천 제수변 공사를 위해 전주천에 설치한 가동보를 임시적으로 방류하였는데, 하류측의 안전을 확인하지 않고 관행적으로 가동보를 방류하였고, 경보시스템의 부재로 인하여 가동보 하류측 징검다리를 건너는 유치원생들이 급류에 휩쓸리는 사고가 발생하였고, 최근 2014년 5월에는 수원시에 위치한 원천저수지 여수로 둑에 설치된 가로 34m 높이 1.6m 크기의 가동보가 공기압축기의 오작동으로 인하여 보 높이가 낮아지면서 약 30분 원천저수지 하류의 원천리천에 갑자기 무리 불어나 산책로가 침수되고 인근에 산책하던 주민들이 휩쓸려 떠내려가는 사고가 발생하였다. 해외에서도 가동보 운영 미숙으로 인하여 인명사고가 발생하는데, 2008년 11월 호주에서는 하류측 상황 점검이나 경고 방송 없이 가동보를 도복시켜 4살 여아가 급류에 사망하는 사고가 발생하였다. 국외의 경우에는, 상류측 홍수 수위나 하류측 역류 수위를 조절하기 위하여 가동보의 높이를 제어하는 시스템을 구비하고 있지만 이러한 시스템 역시 단순한 수위조절 기능으로서 가동보의 방류량을 제어하지 못하는 실정이다. 가동보를 운영하기 위한 조작시스템은 국내의 경우, 조작실의 조작판넬을 이용하여 가동보의 기립/도복 조작이나 원격 조작 기능과 같은 단순기능만을 구비하고 있어 가동보 방류시 하류측의 범람 피해를 야기하고 있다. 본 연구에서는 가동보 방류에 의한 하류측 범람 피해를 최소화하기 위하여 ① 가동보 도복에 의한 방류량 산정 알고리즘을 개발하고, ② 방류량에 따른 하류측 수위상승 범위 예측 기법을 개발하고, ③ 가동보 도복 속도를 제어하는 방류량 제어시스템을 개발하고, ④ 가동보 방류에 의한 비상경보시스템을 개발하였다.

저수지 여수토 증고를 위한 최적방안 연구

김필식 ( Philshik Kim ),김선주 ( Sunjoo Kim ),김해도 ( Haedo Kim ),심재훈 ( Jaehoon Shim ),이재혁 ( Jaehyeok Lee ) 한국농공학회 2010 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2010 No.-

우리나라 농업용수의 주수원공인 저수지는 2004년 말 현재 총 17,732개소에 달하지만 1972년 이후 설치된 저수지는 11%인 2,051개소 정도로서 나머지 89%의 저수지는 노후화 되거나 기능이 저하되어 현재의 설계기준을 충족시키기 못하고 있다. 총 3,328개소의 저수지 중에서 홍수조절용 게이트가 설치된 저수지는 28개소에 불과하여 거의 모든 농업용 저수지는 자연유하식 물넘이를 통하여 홍수량을 배제할 수밖에 없으므로 최근 발생하고 있는 집중호우나 폭우를 감당하기에는 구조적으로 취약한 실정이다. 또한 우리나라 저수지 유역의 특성상 많은 토사가 퇴적되어 저류량이 감소하고 있으며 새로운 수원공의 설치는 어려운 실정으로 한발과 홍수에 대처하기 위한 유지보수 방안들이 연구 중이다. 본 연구에서는 농업용 저수지의 자연유하식 물넘이에 가동보를 설치하므로 자연재해를 최소화 할 수 있는 방안을 구조적·경제적 측면에서 연구하였다.

재이용이 가능한 저수지 증고 및 하천용 가물막이 개발

김필식 ( Philshik Kim ),권형중 ( Hyungjoong Kwon ),이재혁 ( Jaehyouk Lee ),최범준 ( Bumjun Choi ),박현준 ( Hyunjun Park ) 한국농공학회 2015 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2015 No.-

우리나라 연평균 수자원 총량은 1,297억톤이고 이용가능한 수자원량은 58%(753억톤)이며, 이 중 바다로 유실되는 32%(420톤)를 제외하고 연간 26%(333억톤)을 이용하고 있다. 용도별로 보면 생활용수 75억톤, 공업용수 21억톤, 농업용수 159억톤 및 유지용수 78억톤 등으로 사용되며 농업용수가 약 48%로 가장 많은 양이 차지하고 있다. 농업용수는 국내 수자원 소비량 중 가장 많은 양을 차지하고 있으나, 주기적인 가뭄에 따른 용수 부족이 매년 심각한 문제로 대두되고 있는 실정이며, 이에 대한 대책으로 저수지 준설, 둑 높이기, 다단계 양수장 건설 등을 통한 저수량 확보 사업이 진행되고 있으나 준설 및 둑 높이기시 막대한 사업비와 양수장 조성 공간 부족 등으로 농업용수 확보에 어려움이 발생하고 있다. 국내에서는 수자원 개발 및 친수공간 조성을 목적으로 매년 1,000여건의 하천공사가 실시되고 있으며, 하천공사로 인해 가물막이의 설치 및 해체가 계속적으로 발생하고 있다. 하천공사시 가물막이 설치를 위해 중장비의 출입 반드시 필요하나 중장비 출입이 어려운 지역에서는 공사기간 지연 및 경제성 등의 문제로 어려움을 겪고 있는 실정이다. 이에, 본 연구에서는 휴대용 차수막의 구조개선을 통해 ① 저수지 증고 및 하천 가물막이에 적합한 설계 및 설치 방법을 개발하고, ② 수압 및 부유물질에 안전하도록 강도를 개선하였으며, ③ 내구성, 경제성, 유지관리성이 개선된 재이용이 가능한 휴대용 차수막을 개발하였다. 휴대용 차수막 개발로 인해 저수지 증고 및 하천 가물막이 뿐만 아니라 방재 및 레크레이션 용도 등 다목적 활용이 높은 것으로 나타나 수자원 분야에 다수 적용될 것으로 기대된다.

안전한 하천관리를 위한 가동보 방류제어 및 경보시스템 개발

김필식 ( Philshik Kim ),권형중 ( Hyungjoong Kwon ),이재혁 ( Jaehyouk Lee ),최범준 ( Bumjun Choi ) 한국농공학회 2014 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2014 No.-

최근 들어 수자원 부족에 대한 심각한 인식과 함께 수자원 확보에 대한 관심과 연구가 증가하고 있는 추세이다. 국내에서는 국가 물 부족 위기를 기술개발로 극복하기 위해 ‘수자원의 지속적 확보기술 개발사업’이 다양하게 추진 중에 있다. 기존 하천에서는 이수와 치수 등의 다양한 목적으로 콘크리트 구조물인 고정보가 설치되었으나 최근에는 토사퇴적 최소화 및 하천 통수단면적 확보를 위해 기립과 도복이 가능한 가동보가 주로 설치되고 있다. 국내에서는 1980년대부터 동복댐 여수로를 시작으로 가동보를 설치하고 있으며 고무보, 유압식 전도게이트 및 수문 등이 그 대표적인 형식이다. 가동보는 4대강 살리기 사업과 같은 하천관련 사업에서 단순한 이·치수 목적 뿐만 아니라 소수력 발전, 친수공간 조성 등의 다목적 활용을 위해 설치사업이 다수 수행되었으며 현재 국내 하천에 약 1,200여개의 가동보가 설치 및 운영되고 있다. 이와 같이 다목적 활용이 위하여 가동보의 수요가 급증하는 반면에, 설치 현장 상황에 적합한 가동보 운영지침이나 비상경보시스템이 구축되지 못하여 가동보 방류로 인한 안전사고 및 인명피해가 속출하고 있다.2012년 가동보 임시방류로 인해 유치원생들이 급류에 휩쓸리는 사고가 발생하였으며, 2008년에는 가동보 센서 오작동으로 약 6천여만원의 재산피해 및 주민들의 긴급 대피 상황이 발생 하였다. 호주에서는 2008년 경고 방송 없이 가동보를 도복하여 4살 여아가 급류에 사망하는 사고 등 국내·외 적으로 다수의 사고가 발생하였다. 이에 본 연구에서는 가동보 방류에 의한 하류측 범람 피해를 최소화하기 위해 가동보 도복속도를 제어하는 방류량 제어시스템을 개발하고, 가동보 방류에 의한 비상경보시스템을 개발하였다. 방류량 제어시스템 적용 결과 기존기술대비 약 5분 이상 도복속도를 제어할 수 있어 하류측 범람피해를 최소화 할 수 있었으며, 경보시스템 구축으로 비상시 15초 이내로 관리기관에게 통보 및 인근지역 경보발령으로 신속한 대처 및 인명 피해 감소효과가 있는 것으로 나타났다. 개발 기술을 기 설치된 가동보에 적용시 가동보 방류로 인한 안전사고 및 인명피해를 감소할 수 있을 것으로 판단되며, 지속적으로 설치될 가동보에 적용한다면 가동보 운영 지침 및 비상경보시스템 구축에 도움이 될 것이라 사료된다.

침수피해 방지를 위한 이동식 다목적 차수막 (Pocket Dam) 개발

김필식 ( Philshik Kim ),박현준 ( Hyunjun Park ),권형중 ( Hyungjoong Kwon ),이재혁 ( Jaehyouk Lee ),최범준 ( Bumjun Choi ) 한국농공학회 2013 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2013 No.-

홍수와 가뭄은 과거부터 지금까지 모든 시대에 걸쳐 끊임없이 발생하여 왔으나 최근 들어 발생하는 홍수 및 가뭄의 재해 규모는 과거와 비교할 수 없을 정도로 대형화되고 홍수발생빈도 또한 급격히 증가하고 있다(하림 등, 2013). 소방방재청에 의하면 시간당 30㎜이상의 폭우발생빈도가 최근 30년 평균 3.8회, 5년 평균 5.2회로 나타났으며, 일 80㎜이상의 집중호우 일수는 1.5배 증가한 것으로 조사되었다. 또한 우리나라는 최근 기후변화로 인해 6-7년 주기로 가뭄 강도가 점차 증가하고 하천수 과잉 취수 등으로 하천 건천화가 발생하고 있다(맹승진 등, 2013). 이에 대한 대책으로 정부에서는 수자원종합개발 10개년 계획, 수자원 장기종합계획 등을 수립하고 하천정비사업 시행과 다목적 댐을 세우는 등 치수방재를 위해 노력하고 있지만, 급변하는 기상상황에 신속히 대처하기엔 어려움이 있어 홍수 및 가뭄 피해를 최소화 할 수 있는 대비책이 절실한 시점이다. 이에, 본 연구에서는 홍수나 집중 호우시 빠른 대처가 가능하고 가뭄시 하천이나 용ㆍ배수로를 임시로 막아 농업용수를 확보할 수 있으며, 다방면에 적용성이 뛰어난 이동식 다목적 차수막을 개발 하였다. 이동식 다목적 차수막 개발을 위해 ⅰ) 이동성이 용이한 초경량 소재를 선정 하고, ⅱ) 구조해석 프로그램(MIDAS)을 적용한 최적 규격 선정, ⅲ) 현장 적용을 통해 안전성을 검증 하였다. 제품의 경량화뿐만 아니라 차수 효과의 극대화를 위하여 수압에 대한 내구성이 확보되고 불규칙한 바닥면에 우수한 접지력을 지니고 있는 Sol Tarpaulin(PVC 코팅 폴리에스테르)소재를 선정하였다. 또한, 3차원 구조해석 프로그램인 MIDAS를 이용하여 수압에 의한 차수막의 파손 및 밀림 현상이 발생하지 않는 구조로 설계하였다. 개발된 차수막을 서울시 관악구 내 도림천과 서울시 광진구 내 지하주차장에 적용한 결과, 수압에 의한 파손 및 밀림현상이 발생하지 않았고 지속적인 기립형상을 유지하며 차수되어 구조 및 소재의 안전성뿐만 아니라 다목적 활용이 높은 것으로 나타났다. 현재까지 홍수 및 가뭄 대비를 위한 시설물들은 국지적인 집중호우에 취약하고 가뭄에 대한 대책은 미비한 실정이다. 본 연구에서 개발된 이동식 다목적 차수막을 적절히 사용한다면 이ㆍ치수 및 방재 설비 등으로 활용 가치가 높을 것으로 기대된다.

이·치수 및 방재를 위한 이동식 다목적 차수막(POCKET DAM) 개발

김필식(Philshik Kim),이재혁(Jaehyouk Lee) 대한토목학회 2017 대한토목학회지 Vol.65 No.1

고무보의 내구성 증대를 위한 방탄/방검 고무시트 개발

김필식 ( Philshik Kim ),이재혁 ( Jaehyouk Lee ),최범준 ( Bumjun Choi ),박현준 ( Hyunjun Park ),권형중 ( Hyungjoong Kwon ) 한국농공학회 2011 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2011 No.-

A lot of small dams installed in stream are generally used to control water level and to manage water resources. The type of these dams is mostly fixed dam which has caused a gradual decline in the water quality and river environment, because the fixed dam would lead to sedimentation and flow retention. For this reason, demand for the movable dams which can regulate the stream flow continues to expand and many related studies are being carried out to reduce stream pollution and sedimentation. The rubber dam which is one of the types of movable dam is very easy to install and maintain. However, if the rubber sheet, which has long-term durability (over 30 years) without artificial detriments and natural disasters, would be damaged by any reason, it could cause the water pollution in all directions and also it should be too hard to fix the rubber sheet with high expense as well. In order to secure water resources and conserve river environment, an adequate provision against these damages will be necessary to protect the rubber sheet. In this study, we have fully comprehended the causes of maintenance based on a case study. An abrasion indicator layer was developed and folded between the rubber sheets for early warning signs of abrasion. A bullet- and sword- proof rubber sheet was developed to protect the rubber dam from artificial detriments and natural disasters. We have achieved an economic analysis of these developed techniques.

농업용 저수지의 관개수량 절감을 위한 수위계측망 설계

김일정 ( Iljung Kim ),김필식 ( Philshik Kim ),권형중 ( Hyungjoong Kwon ),김선주 ( Sunjoo Kim ) 한국농공학회 2014 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2014 No.-

우리나라의 농업용수 이용량은 159억톤으로 연평균 가용 수자원 총량 333억톤 중 약 48%로 가장 많은 양을 차지하고 있다. 최근까지 농업용수 이용은 노후화된 농업수리시설과 관리 기술부족 등의 원인으로 이용효율이 낮은 것으로 조사됨에 따라 농업용수 이용효율을 개선하기 휘해서는 농업용수의 용수수급 특성 조사, 분석하고 이에 대한 개선방안을 제시 할 필요가 있다. 이를 위해서는 농업용수의 공급원인 농촌유역의 강우-유출특성, 저수지와 같은 주요 수원공에서의 유입, 저류특성, 평야부 관개지역에 대한 작물경종에 따른 시기별, 지역별 관개특성별로 구분할 필요가 있다, 또한 이들의 상호 연계되어 있는 시스템에 대한 전반적인 분석과 평가를 지속적으로 수행해야한다. 물 관리를 위한 계측자료의 부족함과 이론식의 비현실성 파악, 무효방류량의 계측필요성을 파악하고 수리시설에 대해 합리적인 방법으로 용수 수요량을 추정하고 공급량을 산정하며, 그 결과를 수자원 개발과 수리시설물의 운영 등에 이용해야 한다. 이에 본 연구에서는 농업용 저수지 관개지역의 최적 수위 계측지점 설계를 위해 충북 진천군 무수저수지 유역부, 저수부 및 평야부에 걸쳐 수위계측기를 추가 설치 및 운영하였다. 신규 수위계측기를 추가하여 운영한 결과 기존 모의에 의한 농업용수 추정값의 부정확성을 확인하였고, 실측을 통하여 저수지 유입량, 저수지 저수량, 무효방류량, 공급량, 조용수량, 순용수량, 손실수량 및 회귀수량 등의 정량화가 가능하였다. 손실수량 및 회귀수량 절감을 통해 용수절감효과를 분석한 결과 2011년도에는 23.4%, 2012년도에는 21.5%, 2013년도에는 23.3%의 용수절감율이 산정되었고 평균공급량 7백 44만톤 중 약 23%인 1백 69만톤의 용수절감효과를 도출하였다. 이상의 결과를 미루어 볼 때, 기존의 수위 관측 상황에서는 용수절감 효과의 분석이 불가능하였으나 수위계측기를 추가로 신설함으로써 용수절감량 산정이 가능한 것으로 나타났으며, 기존에 체계적이지 못한 농업용 저수지의 물 관리 체계를 개선하여 물공급의 효율성을 높일 것으로 판단된다.

농업용 관수로시스템의 시기별 패턴변화에 따른 용수사용량 및 수리 거동분석

김남도 ( Namdo Kim ),박민우 ( Minwoo Bark ),김필식 ( Philshik Kim ),김선주 ( Sunjoo Kim ) 한국농공학회 2015 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2015 No.-

현재 우리나라의 농업용수로는 총 117,000㎞이며 이 가운데 농업용 관수로는 약 200㎞로서 관수로화 비율이 매우 낮다. 기존의 농업용수로는 대부분이 개수로이고 노후화 되었기 때문에 수로손실이 크며, 이를 줄이고 용수공급을 효율적으로 하기 위해 관수로화 사업이 시행되고 있다. 예를 들면 고흥만 간척지, 새만금 간척지 등의 서남해안간척 지구에 대규모 관수로 사업지구가 운영 및 설계 중에 있다. 그러나 관수로시스템을 적용한 농업용수조직의 설계와 운영에 관한 기술과 경험이 부족하여 아직까지 제반운영 및 관리 기술에 필요한 규정 등이 없는 실정이다. 본 연구에서는 약 900ha의 서남해안간척지 해남지구 관수로시스템을 대상지구로 선정하여 관망 수리해석 모형인EPANET을 적용하였다. 연구 대상지구의 관수로시스템에 대한 관망도를 구축하고 단일해석을 통하여 관수로내의 수리거동을 모의함으로 유속, 수압 및 목표 공급량 대비 공급 가능량을 파악하여 농업용 관수로시스템 운영관리에 필요한 자료를 분석하였다. 공급시기별 패턴을 구축하고 확장기간모의(EPS, Extended Period Simulation)기법을 사용하여 각각 묘대기, 본답기 공급시기별 용수 사용량에 따른 수리거동변화를 분석하였다. 또한, 용수 공급시기별 대상지구의 용수수요량과 실제 공급량을 비교하여 과잉용수공급량을 파악하였다. 이를 통하여 용수이용에 대한 합리적 운영규정을 도출하므로서 현재 농업용 관수로시스템의 효율적 운영관리에 도움이 될 것으로 기대된다.