Research Article

Journal of Korea Water Resources Association. 31 December 2020. 1097-1107
https://doi.org/10.3741/JKWRA.2020.53.12.1097

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 연구 방법

  •   2.1 연구대상 구간

  •   2.2 하도 측량 및 3차원 지형 구축

  •   2.3 하도 분석 방법

  • 3. 연구결과

  •   3.1 단면의 형상 비교를 통한 합류부에서의 하상 및 횡단 변화 비교

  •   3.2 횡단적 하도변화량

  •   3.3 단면의 대칭성과 1차 모멘트와의 관계 분석

  •   3.4 폭-깊이 비율과 2차 모멘트와의 관계 분석

  • 4. 결 론

1. 서 론

하천은 유역으로부터 유수와 유사를 공급받아 하류로 운반하는 통로의 역할을 수행함과 동시에 장·단기적으로 끊임없이 변화한다. 이러한 하천 변화는 이수와 치수, 자연환경 등의 변화를 야기한다. 하천을 변화시키는 요인은 크게 자연적 요인과 인위적 요인으로 구분할 수 있다. 강우가 발생함에 유역과 하천의 상호 순환 과정에서 발생되는 변화를 자연적인 요인이라고 할 수 있다.

즉 자연적 요인은 강우가 발생함에 따라 유역의 토사를 침식 시켜 유출수와 함께 하도로 이송되고 하도 내의 유사와 함께 이송되는 과정으로 말할 수 있다. 반면 인위적 요인으로는 인간이 하천의 홍수소통능력 증대를 위하여 통수단면 확보를 위한 준설 및 개수와 수리 시설물 설치 등으로 이수 및 치수 목적으로 시행되는 공사로 인하여 발생되는 변화로 말할 수 있다. 하천에서는 인위적으로 변화가 발생되면 시간의 흐름에 따라 자연적 흐름 특성으로 회귀하려는 복원력에 의해 하도 지형변화가 복합적으로 발생하는 특성이 나타난다(Ko et al., 2019). 따라서 이수와 치수, 환경 변화 등의 하천기능에 대해 영향을 미치는 하도변화 파악은 하천관리에 있어 필수적이며 지속적인 하도 지형의 변화를 분석하기 위해서는 추가적인 요인의 영향 파악도 필요할 것으로 판단된다.

하천에서 하도변화 특성을 대표할 수 있는 분석 방법 및 기법 등을 선정하기 위하여 기존연구를 살펴보면 국외에서는 Dixon et al. (2018), Falcon (1979), Falcon and Kennedy (1983), Odgaard (1981), Zimmermann and Kennedy (1978), Odggard and Kennedy (1982)는 하천 만곡부 구간에서의 흐름과 하상의 관계는 지형학적 요소와 관계가 있음을 제언하였다. Formann et al. (2007)은 다차원 수치모형 구축에는 지형 정보의 품질 및 경계조건의 중요성을 강조하였다. Mondal et al. (2016)은 하천에서 지형 조건에 따른 최적의 횡단면을 구축하고 평가하는 방안을 제안한 바 있다. 국내에서는 Ko et al. (2013, 2019) 과 Kwak et al. (2013), Kwak (2019), Lyu et al. (2015, 2017)은 하상변동과 하천 운영 및 효율적인 관리를 위해서는 하천 전반에 대하여 정밀한 3차원 지형자료의 구축이 필요하다 하였다. 하천 관리를 위한 평가 방법으로 Lee et al. (2003)은 횡단면의 유형, 재료, 폭, 구조물 등으로 항목에 대하여 각 점수 배점을 주어 등급을 나누는 방법을 이용하여 하천 관리 목적에 적용할 수 있다 하였다. 하천 시설물 설치 및 하도 정비 후의 지형 변화를 지속적인 현장 측정을 통해 비교 및 분석한 연구로는 Kwak (2019)은 낙동강 지류 금호강과 남강 합류점 구간에 대하여 다년간의 모니터링을 수행하여 흐름 및 수체 내 물질 분포 특성을 파악하고 유속, 지형, 부유입자 등을 이용하여 하천변화에 대해 분석을 수행하였고, Ko et al. (2019)는 낙동강 강정고령보에서 달성보 구간에 대하여 하천측량을 통하여 실측된 자료를 이용하여 유로의 형태학적 특성에 대해 평가 및 분석을 하였으며 다년간의 모니터링이 필요함을 제안하였다.

하지만 하천을 평가하기 위한 방법과 다년간의 모니터링을 수행하여 산정된 결과물을 병행하여 분석한 연구는 미비한 실정이다. 이에 본 연구에서는 하도 단면의 기하학적 요소를 바탕으로 단면의 특성에 대해 비교 및 분석하고 평가하고자 한다. 연구 결과 도출을 위해 2012년에 측정된 준공 측량성과(MOLIT, 2013; 이하 준공성과)와 금회 측정성과(2019)를 통해 구축된 정밀한 지형자료를 이용하여 단면의 특성을 비교하고 분석하였다. 하도 지형 변화 양상을 파악하고 정밀하게 측정된 횡단면 결과와 고해상도 3차원 지형정보의 비교를 통해 하도 지형의 미시적 구조가 일부 상이하게 측정된 부분에 대하여 고찰하였다. 결과적으로 1) 단면적 변화에 따른 횡단 변화, 2) 횡단면에서의 하도 변화량, 3) 단면의 대칭성 및 하폭과 수심 비와 단면에서의 물리적 특성을 비교 분석하였다. 이를 통해 정량적, 정성적으로 하도 지형 변화 양상의 확인 및 효율적인 하천 관리 방안을 제안하기 위한 연구를 수행하였다.

2. 연구 방법

본 장에서는 연구대상 구간 특성, 하도 지형 측량, 단면의 기하학 특성에 대한 내용을 기술하였다. 1) 연구대상 구간에 대해 측정과 지형 측량 기법에 대한 내용을 기술하였고 2) 하도 측량 및 3차원 지형 구축에 관련하여 작성하였으며 3) 하도 분석을 위한 기하학적 분석에 관해 기술하였다.

2.1 연구대상 구간

연구대상 구간(Fig. 1(a))을 포함하는 낙동강 유역은 한반도 남동부에 위치하고 우리나라 제2의 하천이다. 유역면적은 남한 면적 25.9% 인 23,384.21 km2 를 차지하고, 유로의 연장은 약 510 km이다(MOLIT, 2013). 대상구간(Fig. 1(a))은 경상북도 구미시에 위치한 구미보에서 칠곡보 사이로 약 27 km 구간으로 대표적 지류로는 감천과 한천을 포함한다. 본 연구에서 하천의 지형학적 특성 분석 및 평가를 위해 사용된 횡단면은 54 개의 횡단이며 구미보 하류 No. 470과 칠곡보 상류 No. 415번은 보 관리 구간으로 분석에서 제외하였다(Fig. 1(b)).

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Fig. 1

Index map of study area

2.2 하도 측량 및 3차원 지형 구축

본 연구 대상구간은 낙동강 본류 중·상류에 위치한 하도로 범위가 넓으며 하폭이 넓고 수심이 깊어 계측 방법 및 장비 선정 등이 굉장히 중요하다. 본 연구에서는 하도 계측을 하천설계기준(MOLIT, 2009)와 공공측량작업규정(MOLIT, 2019) 등에 언급된 하도 수심측량 기준을 검토하여 계측 방법 및 장비활용 등을 계획하여 현장 조사를 수행하였다. 수심 계측에 사용된 음향측심기 장비는 Ko et al. (2013), Kwak et al. (2017)에 사용된 장비로 검증된 Sontek 사의 ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler) M9을 이용하였다. 장비의 활용은 Fig. 2(a)와 같이 음향측심기를 보트 측면에 장착 하여 보트로 인한 조파의 영향을 최소화하고 운행을 저속으로 하여 하도 내 종방향으로 약 50 ~ 100 m 간격으로 유지하여 측정하였다(Ko et al., 2019). 수심이 얕은 구간에 대해서는 R2V2 무선조종보트를 이용하여 측정을 수행하였으며(Fig. 2(b)) 위치 결정은 RTK 측위를 이용하였다. 음향측심기는 수면기준 수심을 측정하므로 본 연구에서는 대상구간에 위치한 수위표의 수위 자료를 이용하여 하상 표고를 산출하였다.

하천기본계획 수립시 하천 측량은 수심측량, 육상(홍수터 및 제방), 대횡단 측량으로 실시된다. 본 연구에서는 측정된 과거 수심측량 자료와 비교를 위하여 낙동강 하천기본계획(MOLIT, 2013) 횡단면과 동일한 측선을 이용하여 분석하였다. 2013년 하천기본계획 수립 시 대상구간에는 계획홍수위 재산정을 위한 측량을 실시하지 않고 대하천사업(MOLIT, 2009) 하도 준설량을 확인하기 위한 측량성과만을 이용하였다(MOLIT, 2013). 즉, 주측선에 대한 횡단면 설계를 기존 기본계획(MOLIT, 2009)의 측점과 동일한 지점을 기준으로 하는 대횡단 측량은 실시하지 않고 준설량을 확인하기 위한 측량 성과만을 이용하였다고 볼 수 있다. 또한 MOLIT (2013)은 본 연구대상구간의 횡단면에 대해 모두 대횡단측량을 실시하지 않았으며, Ko et al. (2019)에서와 같이 몇몇 횡단면은 과거 측정하지 못한 자료를 이용하여 횡단 보간을 이용하여 산정하였기 때문에 금회 측정을 통해 산정된 횡단과 상이하게 변화가 큰 부분이 나타났다. 이러한 부분은 과거 측정되지 못한 부분에 의한 오차로 판단하고 분석하였다.

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Fig. 2

Bathymetry survey with acoustic echo sounder

본 연구대상구간 Fig. 1(b)의 횡단면을 구축하기 위하여 Fig. 2의 장비 및 측정방법을 적용하여 Fig. 3과 같은 경로로 측정을 수행하였다. Fig. 3(a)는 보트의 이동 경로이며 지리적 좌표를 포함하고 있다. Fig. 3(a)와 같이 측정된 자료를 바탕으로 고해상도의 3차원 지형 자료를 구축하였다(Fig. 3(b)). 구축된 지형 자료를 이용하여 하천기본계획 측선 54개의 단면과 일치하는 횡단을 추출하였다. 횡단의 비교 및 분석에 대해서는 다음 장에 자세하게 기술하였다. Fig. 3(b)에서 3차원 지형에서와 같이 구미보가 위치하는 상류 구간에는 평균 하상고가 약 EL. 22 m 이며, 하류 칠곡보 상류 일원에는 약 EL. 11 m 인 것으로 나타났다. 이는 평균 하상고의 차이가 약 11 m 이상의 차이를 보였으며 평균 경사가 급격한 것으로 나타났다.

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Fig. 3

Bathymetry Survey Data

2.3 하도 분석 방법

2.3.1 기하학적 분석

본 연구에서는 하천의 기하학적 분석을 위한 방법으로 Fig. 4와 같이 대상구간의 횡단면에 대하여 각각의 물리적인 성분요소의 값을 산정하였다. 횡단면의 기준이 되는 수위의 표고는 대상구간의 관리수위 EL. 25.5 m 로 일괄적으로 적용하였으며 각각의 횡단면에 주수로 하폭의 중심선(CL), 미소면적(dA), 미소면적 도심(e), 중심을 기준으로 한 미소면적 도심까지의 거리(d)를 산정하였다. 물리적 요소를 바탕으로 주수로 하폭 중심을 기준으로 하여 좌측의 총면적, 우측의 총면적을 산정하여 시계방향(좌안)을 양(+)으로 하는 단면 1차 모멘트, 단면 2차 모멘트, 도심을 산정하여 분석을 수행하였다(Ko et al., 2019).

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Fig. 4

Schematic for geometric properties of channel cross-section (Ko et al., 2019)

2.3.2 하도 횡단면 분석

일정한 기간이 지남에 따라 하천에서 하도는 변화하게 되어 있다. 하지만 하도가 어느 정도 변화한 지에 대해서는 파악하기가 실질적으로 어렵다. 하도변화 파악을 위해서는 실측기반의 자료가 필요하므로 본 연구에서는 측정된 성과를 활용하여 개수 이전 단면을 기준으로 하여 측정된 성과에 대한 퇴적량과 세굴량의 차이를 이용하여 하도 변화 특성을 분석하였다.

변화하는 하도 분석을 위해서는 각 횡단면에서의 물리적 변화 분석이 필수적이다. 일정 기간이 지남에 따라 하나의 횡단면에서는 세굴과 퇴적이 함께 발생하며 특성 및 분포도 다양하다. 하도 변화량은 퇴적과 세굴이 같이 발생하고 변화하기에 하도를 효율적으로 유지하고 관리하기 위해서는 퇴적 및 세굴량, 절대변화량 등 특성을 파악하는 것이 필요하다. 이와 같은 하도변화 특성을 파악하기 위해서는 Fig. 5와 같이 개수 전(Before)과 개수 후(After)의 단면을 중첩하여 관리 수위(EL. 25.5)를 기준으로 퇴적 및 세굴량을 산정한다. 산정된 퇴적량(Aa)과 세굴량(Ab)을 절대치 개념으로 합산하여 절대변화량을 산정한다(MOLIT, 2012).

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Fig. 5

Conceptual diagram of sedimentation & erosion in a channel

2.3.3 단면의 대칭성 분석

단면의 대칭성을 산정하기 위해 ADAI (Areal Difference Asymmetry Index)방법을 적용하였다(Knighton, 1981). ADAI는 단면의 비대칭 지수를 산정하는 방법이고 하천 중심선의 양쪽에 있는 단면적을 이용한다.

(1)
A*=AR-AL/A

Eq. (1)A는 하천 주수로의 전체 면적, Ar은 하천 주수로 중심선의 우측 면적, Al는 하천 주수로 중심선의 좌측 면적이다. 따라서 A*의 값이 -0.10에서 0.10 사이인 단면은 대칭(riffles), 다른 단면은 비대칭(pool)으로 구분하는 방법을 본 연구대상 구간의 횡단면에 적용하였다(Frothingham and Brown, 2002).

3. 연구결과

본 장의 결과를 도출하기 위해 2장의 이론을 바탕으로 대상구간의 총 54개의 횡단면(No. 416 ~ No. 469) 에 대한 단면의 기하학적 특성을 분석하여 Table 1에 제시하였다. 과거 준공성과(MOLIT, 2013)와 금회 측정성과를 이용하여 산정된 횡단의 결과를 각각 분석하였다. 항목은 총 7개로 총면적(좌안측과 우안측 면적 합), 좌안측 면적(Area of Left Side), 우안측 면적(Area of Right Side), 주수로 하폭(Width), 도심(Centroid), 단면 1차 모멘트(First Moment of Area), 단면 2차 모멘트(Second Moment of Area) 이다. Table 1의 각 기하학적 특성값을 이용하여 단면 분석을 수행하였다.

Table 1.

Comparison of topographic characteristics from this study with past survey data (MOLIT, 2013)

Section
No.
A (m2) AL (m2) AR (m2) B' (m) CL (x) d (x) Gy (m3) Iy (m4)
2012 2019 2012 2019 2012 2019 2012 2019 2012 2019 2012 2019 2012 2019 2012 2019
416 4,309 4,219 2,250 2,259 2,060 1,960 415 387 338 405 -8 -9 -32,604 -37,379 44,237,118 44,209,823
417 4,238 4,040 1,943 2,027 2,294 2,013 498 448 298 246 14 2 60,506 6,870 55,044,049 52,738,272
418 6,127 4,139 3,268 2,560 2,859 1,580 753 594 410 368 -8 -39 -50,378 -159,840 207,916,003 81,186,000
419 4,041 4,139 1,755 2,560 2,286 1,580 444 594 288 368 19 -39 76,645 -159,840 46,618,721 81,186,000
420 4,063 4,156 1,959 2,593 2,104 1,563 481 600 412 372 9 -40 38,587 -168,190 53,330,513 83,782,848
421 4,843 4,562 2,275 2,077 2,568 2,485 522 519 411 422 12 17 59,256 76,182 90,581,533 85,422,999
422 4,754 4,589 2,286 2,190 2,468 2,399 546 535 431 436 9 11 40,818 51,458 88,032,976 84,305,405
423 4,166 3,883 2,054 1,910 2,112 1,973 492 487 387 397 5 4 22,279 17,200 60,755,712 55,921,430
424 3,579 3,507 1,788 1,792 1,791 1,715 489 496 355 403 2 -2 6,162 -5,265 40,258,312 44,703,976
425 3,519 3,547 1,644 1,602 1,875 1,946 475 447 377 388 13 15 45,368 53,335 38,665,538 39,083,390
426 4,018 3,762 1,807 1,527 2,211 2,234 488 463 373 391 20 26 82,315 98,711 57,596,107 55,660,453
427 4,583 4,271 2,358 2,142 2,225 2,129 541 510 487 488 -5 -1 -23,231 -6,193 91,745,114 78,423,889
428 4,172 3,648 2,111 1,651 2,061 1,996 491 455 462 463 -3 12 -11,498 45,220 67,312,556 55,213,873
429 5,245 4,444 3,008 2,539 2,237 1,905 700 677 501 490 -34 -32 -178,097 -141,134 172,875,074 130,354,161
430 3,480 3,170 1,837 1,694 1,643 1,476 459 410 237 218 -9 -9 -32,885 -27,621 41,604,814 38,750,670
431 3,116 2,677 1,586 1,455 1,530 1,222 372 339 207 214 -2 -9 -7,489 -23,645 29,187,407 22,194,733
432 4,116 3,433 1,995 1,640 2,121 1,792 526 492 387 384 6 8 23,739 26,100 74,452,062 59,232,673
433 3,022 2,666 1,574 1,340 1,448 1,325 400 380 468 473 -7 0 -20,380 -527 29,531,674 25,697,125
434 2,791 2,520 1,445 1,294 1,346 1,226 421 402 424 406 -3 0 -9,537 -284 29,547,350 27,169,887
435 2,982 2,753 1,539 1,338 1,443 1,415 445 437 322 321 -1 8 -2,912 21,104 35,551,527 35,393,456
436 2,917 2,777 1,357 1,210 1,560 1,566 502 483 271 255 12 23 35,561 63,987 40,915,392 43,704,645
437 2,104 2,265 1,025 1,084 1,080 1,181 348 354 271 208 1 2 2,211 4,262 15,005,174 19,481,644
438 2,584 2,502 1,124 1,060 1,460 1,442 491 490 265 273 16 22 40,550 54,125 36,207,851 36,409,270
439 2,559 2,356 1,489 1,333 1,070 1,023 455 411 237 236 -24 -18 -62,091 -42,255 35,175,970 28,857,586
440 2,547 2,443 1,350 1,130 1,197 1,313 602 522 306 272 -23 9 -57,716 21,143 44,332,097 39,555,140
441 2,019 2,114 1,053 1,099 965 1,015 348 426 399 392 -4 -4 -7,480 -7,777 14,025,874 23,665,933
442 2,201 2,209 1,038 887 1,163 1,322 364 341 443 438 11 24 24,600 54,073 18,458,166 17,223,820
443 2,468 2,440 1,609 1,482 858 959 498 478 622 590 -35 -23 -85,492 -55,430 38,832,627 34,728,137
444 2,443 2,231 1,127 932 1,316 1,298 423 380 347 334 14 24 35,180 53,894 26,052,211 21,011,215
445 1,721 1,743 825 841 896 902 406 347 249 234 1 2 1,759 4,256 13,322,850 12,291,254
446 2,159 2,164 1,040 955 1,119 1,209 494 429 260 241 0 14 -54 29,615 22,708,004 22,455,558
447 2,034 2,193 849 964 1,185 1,229 439 429 255 306 23 16 47,391 35,911 19,669,900 22,387,312
448 2,285 2,300 1,043 1,112 1,242 1,189 473 434 272 282 10 6 23,808 12,947 29,072,203 23,269,853
449 2,621 2,439 1,385 1,230 1,235 1,208 483 456 379 349 -9 1 -22,588 1,280 37,622,434 33,016,569
450 2,438 1,866 1,140 911 1,298 955 473 452 492 492 9 3 21,630 5,749 32,999,855 23,920,860
451 1,905 1,968 1,106 1,087 798 881 421 410 521 505 -20 -11 -38,163 -21,041 25,661,943 25,060,054
452 1,498 1,603 717 754 781 849 654 650 484 481 -10 -10 -15,357 -15,920 69,820,429 66,864,230
453 1,141 1,402 524 784 617 618 774 699 525 416 -36 1 -41,376 1,277 70,164,050 88,358,717
454 3,187 3,026 1,587 1,494 1,600 1,532 626 616 449 448 3 3 9,495 10,344 86,995,260 78,741,161
455 2,707 2,425 1,297 1,252 1,410 1,172 560 554 570 563 8 -3 22,036 -6,116 64,314,167 54,807,728
456 2,293 1,963 1,226 1,131 1,067 832 491 495 654 655 -12 -22 -28,524 -43,678 41,892,088 38,108,292
457 2,027 1,587 1,237 904 789 683 500 485 524 513 -32 -27 -65,633 -42,394 34,791,869 30,315,777
458 1,088 1,130 553 549 535 581 393 370 523 498 -3 0 -2,806 531 9,743,960 10,573,059
459 1,338 751 808 452 530 299 519 338 553 393 -29 -14 -39,217 -10,447 23,422,991 5,445,831
460 1,301 894 660 376 642 519 341 266 385 385 -1 12 -1,425 10,916 11,763,757 5,100,083
461 1,820 779 970 337 850 442 536 307 314 266 -13 11 -24,169 8,935 38,046,575 4,569,460
462 1,328 844 755 370 573 474 453 297 246 263 -24 14 -31,260 12,221 22,329,237 5,100,386
463 1,148 804 762 456 386 348 455 255 256 266 -42 -8 -48,766 -6,088 20,020,034 3,304,272
464 819 835 382 439 437 396 232 239 255 253 4 -3 3,383 -2,735 2,716,895 3,089,539
465 1,491 861 945 449 546 412 444 216 265 231 -36 -1 -53,130 -460 19,079,380 2,476,633
466 2,117 658 1,245 251 872 407 800 297 457 381 -37 20 -78,577 13,073 94,969,612 4,894,279
467 2,213 719 1,119 435 1,094 284 651 304 649 562 -11 -15 -24,683 -10,437 62,466,748 4,642,199
468 1,633 306 998 152 634 155 823 123 604 384 -52 1 -85,049 391 92,352,637 332,704
469 1,082 792 534 394 549 398 328 315 345 342 7 4 7,569 2,903 9,081,101 6,438,471

※ A : Total area, AL : Area of left side, AR : Area of Right side, B’ : Width, CL : Center Line, d : Distance from center line to centroid, Gy : First moment of area, Iy : Second moment of area.

3.1 단면의 형상 비교를 통한 합류부에서의 하상 및 횡단 변화 비교

Table 1에서 단면적이 크게 변화된 구간은 구미보 하류(No. 469)에서 감천 합류점 하류의 우측 육역부가 끝나는 지점(No. 459)으로 나타났다. 또한, Fig. 6에서와 같이 구미보 하류에 위치한 감천 합류점 이후 단면(No. 468 ~ No. 465)에서는 주수로 하폭 차이가 크게 나타났으며 단면적의 차이도 크게 나타났다. 이후 단면에서는 큰 차이는 나타나지 않는 것으로 도출되었다.

Table 1의 단면적은 두 측정 성과에서 평균적으로 약 30 % 감소한 것으로 나타났다. 이는 본 대상구간 상류 구간에 위치하는 감천 합류점(Fig. 7(a)) 단면(No. 468 ~ No. 465) 구간에서 가장 큰 차이를 나타나는 것으로 도출되었다. Ko et al. (2019)는 횡단 면적의 경우 주수로 폭이 약 400 ~ 500 m 이상을 차지하여 국부적으로 단면 및 수심의 차이는 오차가 크게 나타난다고 하였으며 본 연구에서도 이러한 오차를 고려하여 분석하였다. Fig. 7(b)에서 횡단면 No. 468에서 실제적으로 감천 합류점을 포함하여 구성되어 있다. 하지만, 금회 측선에서는 현장 여건상 보트 및 무선조종보트를 이용할 수 없을 정도로 수심이 얕으며 하상이 대부분 표면상으로 드러나 있었다. 따라서 감천 합류점의 하상은 유입되는 유량에 의해 많은 지배를 받는 것으로 판단된다. 또한 과거 감천 합류점(Fig. 7(a))과 본 연구 성과(Fig. 7(b))를 정성적으로 비교하였을 때 과거대비 많은 변화가 나타나는 것으로 도출되었다. 과거에는 감천 유입부가 낙동강 본류 상류 방향으로 향해 있지만 금회에서는 횡단측선과 나란한 방향으로 이루어져 있는 것을 알 수 있다. Dijxon et al. (2018)은 합류점에서 합류각(Junction angle)은 시간이 지남에 따라 유수의 흐름과 유사의 공급에 따라 변화하는 것에 대한 설명한 바 있으며 본 연구에서도 합류각이 변화된 것을 알 수 있다. 이러한 합류각이 변화하는 특성은 지류하천과 접하는 합류부 구간에 중요한 자료로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.

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Fig. 6

Geometric properties for each section in the year of 2012 & 2019

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Fig. 7

Morphological planform of the confluence zone in the year of 2013 and 2019

3.2 횡단적 하도변화량

일정한 기간이 지남에 따라 하천의 하도 변화를 파악하기 위한 방법으로는 단면의 면적 변화 측면에서 확인 할 수 있다(Ko et al., 2019). Fig. 8에서와 같이 횡단면의 하도변화량을 산정하여 도시하였다. 3.1절과 같이 횡단적 하도 변화량도 감천 합류점 구간에서 크게 나타나는 것으로 도출되었다. 측선 No. 468 ~ No. 465 은 낙동강 주수로 우측에서 감천이 합류하며, 우측부에는 육역부가 크게 형성되어 있다. 앞 장에서 도출된 결과와 같이 하상고가 표면으로 드러나 있는 특성으로 인하여 과거 준공성과 및 금회 측정성과의 단면적 변화가 큰 것으로 사료된다. 측선 No. 418은 단면의 형상은 거의 일치하나 전반적으로 단면적 변화가 큰 것으로 나타났다. 여기서 하천에서 횡단면을 평가하고 분석할 때에 정성적인 측면에서 단순히 단면의 형상이 같다고 하여 자칫 단면 변화가 없다고 판단할 수도 있음을 알 수 있었다. 왜냐하면 본 연구결과의 단면(No. 418)에서 과거에 대비하여 현재 단면의 정성적인 형상은 비슷하나, 단면적의 변화는 크게 나타났기 때문이다. 이에 본 연구에서는 정성적으로만 단면을 비교한다면 하천 단면 변화 평가에서 자칫 변화가 없는 것으로 판단할 수 있음을 알 수 있었다. 따라서 이러한 착오를 줄이기 위해서는 정성적 및 정량적 모두 검토하여야 할 것으로 판단된다. 이와 같이 단면의 변화를 비교 분석한다면 과거 대비 현재의 단면변화량을 정량적으로 더 정확하게 도출할 수 있을 것으로 판단된다.

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Fig. 8

Cross-sectional area change and accumulated riverbed change volume in each reference section during from 2012 to 2019

3.3 단면의 대칭성과 1차 모멘트와의 관계 분석

단면의 대칭성을 산정하기 위해 ADAI (Areal Difference Asymmetry Index)방법을 적용하여 산출된 결과는 Fig. 9에 도시하였다. A*의 값이 -0.1 ~ 0.1 사이 이면 대칭구간(riffle)이며 -0.1 과 0.1을 초과하면 비대칭구간(pool)으로 구분할 수 있다(Frothingham and Brown, 2002). 준공성과에서 대칭 단면이 72 %, 비대칭 단면 28 %를 차지하고 본 연구성과(2019년)에서는 대칭 단면이 56 %, 비대칭 단면이 44 % 로 과거 대비하여 대칭 단면은 17 % 증가하였고 비대칭 단면은 17 % 감소하였다. 대칭성이 변화하는 구간은 대상구간 상류 일원과 중류에 위치한 하중도 및 하류구간에 위치한 칠곡보 상류 구간에서 변화된 양상이 잘 나타난다. Frothingham and Brown (2002)에서는 사행구간에서 비대칭 단면구간이 증가함을 규명하였으며, 본 연구도 마찬가지로 단면의 비대칭 구간은 준공전 및 금회 연구성과 모두 만곡 시작 전과 후로 도출되었다. 이는 유수의 흐름에 따라 만곡 시작과 끝나는 지점에서 세굴 및 퇴적의 영향이 있는 것으로 사료된다. Ko et al. (2019)는 하천 각 단면에서의 단면 1차 모멘트가 점차 증가하거나 감소하는 구간에서는 사행이 시작됨을 알 수 있다고 하였으며 본 연구에서는 단면 대칭성과 단면 1차 모멘트를 비교 분석한 결과 상관성(R2) 값이 준공성과, 금회 측정성과 각각 0.8, 0.8 로 높은 결과를 도출하였다. 이는 단면의 대칭 및 비대칭과 단면 1차 모멘트를 이용하여 하도의 형태적 특성을 판별 할 수 있는 것으로 판단된다.

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Fig. 9

Relationship between the symmetry of the cross-sectional shape and the 1st moment of area

3.4 폭-깊이 비율과 2차 모멘트와의 관계 분석

폭-깊이 비율(w/d)은 하천 안정성을 평가하는 지표중 하나의 방법이다(Rosgen, 2001). 하도의 폭-깊이 비율을 늘리면 하천에서 유속이 전반적으로 느려지므로 이송능력이 줄어든다. Fig. 10에서 본 연구대상구간 에서는 폭-깊이 비율은 하류방향으로 점차 증가하는 경향을 보이고 준공성과 이전에는 폭-깊이 비율이 3.3절과 비슷하게 합류부와 하류 칠곡보 상류 구간 일원(No. 469 ~ No. 464)에서 변화율이 57 % ~ 84 % 로 높게 나타나고 있는 것으로 도출되었다. 이는 구조물에 의해 흐름을 지배받는 직상·하류 구간과 합류점(No. 467)에서는 단면의 특성이 달라짐을 알 수 있다. Ko et al. (2019)에서 단면 2차 모멘트가 급격히 증가하거나 줄어드는 구간에서는 사행이 시작되고 끝남을 알 수 있다고 하였다. 본 연구에서는 준공성과와 금회 측정성과의 단면 2차 모멘트와 폭-깊이 비율이 각각 상관성(R2) 이 0.9, 0.9 로 높은 상관도를 가지는 것으로 도출되었다. 따라서 하도의 사행 구간을 판별함에 폭-깊이 비율을 사용할 수 있음을 알 수 있었다. 또한 Rosgen (2001)의 하천 안정성 평가에 단면 2차 모멘트를 활용 할 수 있을 것으로 판단된다.

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Fig. 10

Relationship between the symmetry of w/D ratio and 2nd moment of area

4. 결 론

본 연구에서는 하도 단면의 물리적 요소를 바탕으로 단면의 특성에 대해 비교 및 분석하고 평가하고자 낙동강 중·상류에 위치한 구미보 ~ 칠곡보 구간에 대해 수심 및 하천측량을 하여 그 결과를 바탕으로 하도 내 단면의 특성 및 관계를 분석하였다.

1) 낙동강 중·상류에 위치한 구미보 ~ 칠곡보 구간을 대상으로 음향측심기를 이용하여 수심 및 하천구역에 대한 3차원 정밀 지형공간정보를 취득하였다. 대하천사업 종료 후 약 7년이 지난 대상구간에 대한 3차원 지형공간 정보이다. 준공성과 및 최근 연구를 기준으로 확인하면 본 연구대상 구간에 대한 정밀하게 측량된 지형자료는 없는 것으로 판단된다. 하천 변화 분석 및 설계 등에 본 연구측정성과를 이용한다면 실무 및 연구적으로 큰 가치가 있을 것으로 사료된다.

2) 실측 측량성과를 바탕으로 2012년 대하천사업 준공성과와 비교작업을 수행하였으며, 준공성과 상의 일부 구간에 대한 지형의 왜곡 및 결측을 확인할 수 있었다. Ko et al. (2019)은 대하천사업 이후 지형변화 및 인위적인 추가적 준설로 실제적으로 지형이 변화 하였다고 하였으며, 본 연구에서도 준공성과 대비하여 금회 측정성과가 잘 일치하는 경향을 보이지만 다소 크게 변화한 단면에 대해서는 자연적 및 인위적인 변화가 있음을 알 수 있다.

3) 대상구간에 대한 측량결과를 바탕으로 하류단(칠곡보) 관리수위(EL. 25.5 m)를 적용하고 하천기본계획상과 일치하는 하도 횡단면을 설정하여, 설정된 단면을 기준으로 하폭, 면적, 도심, 단면1, 2차 모멘트 등의 물리적 요소산정방법 이용하여 기하학적 특성값을 산정하였다. 각각 산정된 특성값에 대해 준공성과 대비 변화를 정량적으로 비교 및 분석하였다.

4) 시간이 지남에 따라 하천에서는 하도변화가 분명히 발생한다. 본 연구에는 하천의 하도 변화를 파악하기 위한 방법으로 각각 단면(No. 469 ~ No. 416)의 단면적 변화를 이용하여 분석하였다. 횡단면의 단면적 변화량은 대상구간 전반에 약 30 % 가량 변화하는 것으로 하상변화량을 파악할 수 있었다. 이는 상류에 위치한 수리시설물과 지류하천 감천 유입으로 인한 복합적 원인으로 하상변화량이 큰 것으로 판단된다. 감천 합류부(No. 469 ~ No. 466) 구간에서는 과거와 현재의 합류방향이 변화하는 것을 파악 할 수 있었다. 과거 합류방향은 본류 상류방향으로 위치하였고 근래에는 본류 직각방향으로 유입되는 것을 파악할 수 있었다. 길지 않은 시간임에도 합류점의 위치가 바뀌는 것은 지류유입 조건에 따라 본류의 수리특성 및 하상변화 등에 영향이 큰 것으로 사료된다. 따라서 추후 본 연구성과와 같이 다년간에 걸쳐 하도변화를 모니터링 한다면 수리시설물에 의한 하도 변화 분석 뿐만아니라 합류부 구간에 대한 중요한 자료로 가용될 수 있을 것으로 기대된다.

5) 기하학적 요소와 단면과의 관계를 비교 분석하여 다음과 같은 결과를 도출하였다. Ko et al. (2019)에서는 하천에서의 유로와 기하학적 요소와 상관성 분석을 수행하였다. 하지만 특정 상관성을 찾지 못하였으나, 본 연구에서는 하도의 사행을 가늠할 수 있는 단면의 대칭성은 단면 1차 모멘트와 관계가 큰 것으로 나타났으며 하천의 안정성을 평가할 수 있는 폭-깊이 비율(w/d)은 단면 2차 모멘트와 상관관계가 높게 나타나는 결과를 도출하였다. 따라서 하천을 평가하기 위한 방법으로 단면의 기하학적 요소 적용이 가능할 수 있을 것으로 사료된다.

대하천 주요 구간에 대해서 본 연구에서 수행하고 제시한 방법을 통하여 하천 환경변화에 대한 평가 방법으로 적용한다면 하도변화 및 자연화 과정에 대한 유의미한 성과를 얻을 수 있을 것으로 기대되는 바이다.

Acknowledgements

이 논문은 2019 ~ 2020년도 창원대학교 자율연구과제 연구비 지원으로 수행된 연구결과임.

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