1. 서 론
2. 팔당호 지형 및 수리 특성 분석 기법
2.1 팔당호 지형특성
2.2 팔당호 상세 수리특성 분석 기법
3. 현장 수리계측
3.1. 수리계측 위치 및 방법
3.2. 수리계측 시기와 조건
4. 결과 분석
4.1 유황별 유속 패턴
4.2 유황별 이차류 흐름 패턴
5. 만곡부 이차류 영향
6. 결 론
1. 서 론
팔당호는 1973년 팔당댐 준공 이후, 북한강과 남한강, 그리고 경안천의 지류가 합류하여 형성된 인공 호수로 상수원 보호구역 및 수질오염총량제도의 도입으로 지속적인 관리가 이뤄지고 있다. 주요 유입 하천으로 북한강, 남한강 그리고 경안천이 존재하며, 호소 내 수체 비율은 각각 약 43.4 %, 55 %, 1.6 % 정도로 알려져 있다(Kim, 2023). 팔당호는 팔당댐 건설로 담수 되기 전 남한강과 북한강이 합류하여 형성되는 하천의 사행과 같은 기존 하천 형상의 대부분을 담수 후에도 유지하고 있어, 강우 사상 발생 시 팔당댐 수문 개방과 함께 수중에 잠행한 상태에서 하천과 같은 역할을 수행하는 것으로 나타났다(Choi et al., 2024). 즉, 유황에 따라 평수기 대부분 호수형으로 기능하다가, 특정 유황 조건에서 경안천 합류부에 위치하는 만곡부를 중심으로 하천의 기능을 보인다. 또한 팔당호와 연관된 수공구조물인 팔당댐, 청평댐 그리고 이포보가 호소 유입량과 방류량 등 연중 유황 조건을 조절하고 있어 팔당호 내부의 호소형 또는 하천형 흐름 양상에 영향을 끼친다. 팔당댐과 북한강의 청평댐은 주기적으로 인위적인 발전방류로 유량이 통제되고, 남한강의 이포보는 자연 월류형으로 연중 강우량에 따라 유입량 편차를 보인다. 팔당호 인근 수공구조물 간의 연중 유입량의 차이는 팔당호 내 수리 및 수질의 변동에도 영향을 주며(Kong, 2019), 경우에 따라 수체의 체류시간이 매우 짧은 하천형 호소(Kong et al., 2018)로도 알려져 있다.
담수 후에도 과거 사행하천 형상을 유지하는 대표적인 특성으로 소내섬 인근에서 수심은 수중 절벽에 유사한 형태인 수중 심층부가 나타났다(Choi et al., 2024). 이러한 수중 심층부는 북한강과 남한강의 합류 이후 소내섬 인근 만곡부의 외측을 따라 깊어지고 이는 팔당댐까지 이어진다. 또한, 경안천 유입부가 담수되면서 수심 약 5 m 미만의 정체수역을 형성하며 유입되는 유사가 퇴적되고 있어 정기적으로 준설되고 있고 소내섬 인근에서 만곡하천과 접하여 사행하천에 의한 침식이 발생하여 퇴적 종단부(소내섬)에 수중 절벽이 형성된 것으로 판단된다.
주요 만곡부의 사행흐름 특성은 일반 직선하도의 경우와 큰 차이가 존재하는데, 만곡으로 인한 흐름 방향의 전환으로 횡방향 유속성분인 이차류(Secondary flow)가 발현되고 경안천의 유입 흐름이 정체수역을 거쳐 5 m 미만에서 유입되어 수체와 충돌하여 혼합되는 양상을 보인다. 그리고 담수로 인한 인위적인 수위상승으로 이 부근에서의 사행의 흐름 특성은 호소에 잠긴 형태도 발현된다. 이러한 양상은 그동안의 팔당호 대상 선행연구들이 대부분 부영양화, 녹조 발생, 성층현상 등과 같은 수질적 관점에서 연구가 진행되어와(Lee and Lee, 2022; Kim et al., 2009; Choi et al., 2019), 이는 팔당호 내 설치된 일부 고정식 지점 측정망의 수리, 수질 자료만을 활용하기 때문에 기존 계측방식으로는 넓은 유역을 가진 팔당호의 복잡한 흐름 특성을 이해하기에는 한계가 존재하므로 팔당호 유역 내의 상세 실측 데이터의 중요성 시사하고 있다(Kong, 2019).
최근, 유입하천 간의 성층에 의한 밀도류, 및 역류 현상에 대한 일부 수리 동력학적 수치모델을 활용한 연구도 진행되었지만(Ryu et al., 2020) 소내섬 인근에서의 수중절벽과 만곡부의 복잡한 흐름을 재현하기에는 제한적이거나 부족하였다. 팔당호 지형 중 독특한 이 구역의 흐름 특성이 유황에 따라 침식과 퇴적이 국지적으로 복잡하게 발생하고 있다. 특히 소내섬 상단, 만곡부 종착지에 취수구가 존재하기 때문에 취수 관리를 위해 수질적 측면뿐만 아니라 이 구역의 흐름 구조에 대한 이해도 필수적이다. 본 연구는 현장 계측자료을 활용하여 소내섬 인근 구역에서의 사행흐름을 중심으로 상세한 흐름특성을 재현시켜 입체적인 흐름의 양상을 표출하여 만곡의 지형특성과 담수와 경안천 유입으로 인한 수중절벽 인근에서의 흐름장을 분석하고자 한다. 현장 계측은 홍수기와 갈수기 각 1회씩 진행되었으며, 음향도플러유속계(Acoustic Doppler Current Profiler, ADCP)를 모터보트에 장착하여, 만곡부에서의 주요 단면의 유속 분포와 이차류 패턴 분석을 진행하였고 지형도 측정하였다.
2. 팔당호 지형 및 수리 특성 분석 기법
2.1 팔당호 지형특성
Fig. 1(a)는 팔당호의 만곡부의 주요 횡단면 경로이다. 남한강과 북한강이 합류하는 족자도 상단의 두물머리(River Confluence)와 족자도 하단(Meandering 1)부터 경안천 합류가 이뤄지는 소내섬 상단의 만곡부 정점(Meandering 3)을 지나, 팔당댐 (Meandering 6)까지 세 가지의 수체의 합류와 만곡으로 인해 다소 복잡한 흐름특성을 내포한다. DGPS (Differential Global Positioning System)를 결합한 ADCP 횡단운용으로 UTM좌표계 기반의 만곡부의 주요 횡단면의 하폭 측정 결과, 최대 약 1,470 m의 대하천 규모의 넓은 수체 면적을 갖고 있다. 또한 ESRI사의 ArcGIS Pro를 활용하여 만곡부 유역의 수표면 형상을 분석한 결과, 두물머리부터 팔당댐 인근까지 약 180°의 중심각의 장반경 1,900 m, 단반경 1,100 m의 타원곡선과 유사한 형상을 지니고 있다. 또한 횡단 측선의 위치좌표를 활용하여 하천의 흐름에서 굽이진 정도를 의미하는 만곡도를 분석해보면, 팔당호의 만곡도는 약 2.08 수준으로 자연사행 하천의 만곡도 기준으로 알려져 있는 1.5(Woo et al., 2015)보다 큰 U자형의 단일 만곡부가 존재한다. 이러한 급격한 단일 만곡부에서 하천의 흐름은 곡선 하도를 따라 흐름에 원심력이 작용하게 되고, 주 흐름방향과는 수직인 횡 방향의 힘이 발생하게 된다. 이로 인해 하상의 침식 및 퇴적구간이 형성되고 나아가 난류의 발달로 오염물의 횡 혼합에도 지대한 영향을 미치게 된다.
Fig. 1(b)는 ArcGIS Pro를 통해 나타낸 팔당호 3차원 하상 DEM으로, 족자도 하단(Meandering 1)부터 팔당댐(Meadering 6)까지 만곡 외측인 주 흐름의 좌안 부근으로 수심이 증가하는 수중 심층부가 존재하는 것을 알 수 있다. 팔당호의 평균 수심은 약 5.2 m 수준으로 알려져 있으나 특히, 만곡부 정점(Meandering 3) 이후 팔당댐 인근 수체(Meandring4~6)의 좌안 부근에서 약 25 m까지의 깊은 수심부가 존재하여 광활한 하폭 비를 갖는 호소임을 확인하였다. 경안천 유입이 이뤄지는 소내섬 인근(Meandering 2~3)에도 다소 독특한 지형적 특성이 존재한다. Fig. 1(c)는 소내섬 좌측단의 종방향 하상 모니터링 결과로, 경안천 합류 이전 약 5 m 이내의 얕은 수심구간이 소내섬을 지나 수심이 급격하게 증가하는 약 15 m의 수중 절벽부의 존재가 보고된바 있다(Choi et al., 2024). 앞서 언급한 바와 같이, 만곡부의 흐름 구조는 원심력으로 인한 횡방향 유속성분의 발달로 이어지기 때문에 하상 단면의 변화를 일으킨다(Riley and Rhoads, 2012). 따라서, 소내섬 인근은 남한강과 북한강 수체인 만곡부 본류 흐름과 더불어 경안천의 합류가 이뤄지기 때문에 복잡한 수리적 특성의 발현될 가능성이 높을 것으로 판단된다. 호소 내 세 가지 유입하천의 유황별 흐름 특성이 또한 상이하므로 수리적 기반의 해석이 필요하다.
2.2 팔당호 상세 수리특성 분석 기법
ADCP는 최근 하천의 유속과 수심을 측정하는데 널리 사용되는 장비로 국내 외 하천 환경에서 널리 사용되고 있다(Yang et al., 2011; Gotvald and Oberg, 2009). ADCP는 초음파 기반의 하천 단면의 3차원 유속 정보의 산정이 가능하기 때문에 기존 재래식 유량 측정 방법보다 정밀한 측정이 가능하다는 장점이 존재한다. Fig. 2(a)는 ADCP 상세유속 측정원리 모식도로 ADCP가 수중으로 일정 주파수의 초음파를 전송하고 이때 도플러 효과에 기반한 수중 부유 입자에서 반사되어 돌아오는 음파의 주파수 변화를 분석하여 수중 입자의 상대적 속도를 계산하게 된다. ADCP의 운용은 빔으로부터의 송신 방향에 따라 업루킹(Up-looking)방식과 다운루킹(Down -looking)방식으로 나뉜다. 통상적으로 현장 하천 측정 경우, 다운루킹 방식으로 보트에 ADCP를 탑재하여 이동식 측정이 이뤄진다. 다운루킹의 방식은 앞서 언급한 초음파 빔 경로가 하상 방향으로 일정 수심 간격으로 셀을 형성하고 각 셀에 대한 3차원 유속데이터와 수심 값이 산정된다. 수집된 유속정보와 수심 값의 셀들은 연직 방향 앙상블을 이루고, 이를 공간적으로 평균함으로써 최종적인 단면 유량 값과 하상 수심 지형정보가 산정된다. 본 연구 또한 소내섬 상단 만곡부의 상세한 유속정보를 파악하기 위해 SonTek사의 ADCP M9의 운용으로 다운루킹 횡단 측정을 진행하였다.
ADCP로부터 계측된 수리 데이터는 현장 계측 환경에 따라 유속 결과 값이 변동될 가능성이 존재한다. 대하천과 같이 하폭이 매우 넓은 경우 다량의 유속 셀 값이 수집되기 때문에 원시 유속데이터의 공간 평균과 같은 후 보정 과정이 필수적이다. 또한 하천 만곡부에서 발현되는 복잡한 수리특성을 이해하기 위해선 3차원 유속구조 및 횡방향(Span-wise) 순환 흐름 특성인 이차류(Secondary flow)의 산정이 필요하다. 이차류의 산정은 미국 지질조사국(USGS)에서 제공하는 VMT (Velocity Mapping Toolbox) 프로그램으로도 연구가 이뤄진 사례가 있으나(Parsons et al., 2013), 본 연구에서는 ADCP 후 분석 프로그램인 VMS (Velocity Mapping Software)(Kim et al., 2015)를 이용하여 원시 유속 데이터의 분석을 수행하였다. VMS 소프트웨어 내의 유속 프로파일 필터링 기능을 수행하여 유속 데이터의 불확도를 줄이고, 계측된 셀 별 유속 값의 공간 및 수심 평균을 진행하여 원시 데이터의 편차를 보정하였다. 또한, Fig. 2(b)와 같이 VMS에서는 공간평균이 이뤄진 3차원 흐름장 및 이차류의 도시화가 가능하여 소내섬 상단에서의 경안천이 유입으로 인한 합류특성 및 만곡부에서의 흐름분석에 적합한 것으로 판단된다.
이차류는 3차원 유속 성분으로부터 횡방향 유속성분의 산정이 이뤄져야 한다. 이차류 산정 방식에는 경우에 따라 여러 방법이 존재하지만, ADCP, ADV와 같은 초음파 기반 3차원 유속 측정이 가능한 경우 Rozovskii 방식이 통상적으로 사용된다(Riley and Rhoads, 2012; Rhoads and Johnson, 2018). Rozovskii에 의하면 이차류 즉 횡방향 유속성분은 연직 방향의 유속 셀의 집합인 수직 앙상블의 수직 평균 유속에 대해 수직 방향으로 발생한다고 정의하였다. 또한, 수직 앙상블에서 횡방향 유속의 합은 0이 되기 때문에 앙상블 집합체인 단면 단위 흐름패턴을 확인할 수 있다. 이와 같은 원리로 Fig. 2(c)는 Rozovskii 방식의 이차류 산정 모식도이다(Morell, 2015; Choi et al., 2023). VMS에서는 이차류 순환패턴의 위치의 확인 및 평균 구간 옵션 설정으로 공간평균된 횡방향 유속 값을 통해 정량적인 유속흐름 구조 파악이 가능하다.
만곡부가 존재하는 사행하천의 주요 수리학적 특징은 앞서 언급한 이차류의 존재이다. 이차류는 주 흐름방향(Stream- wise) 유속 성분과는 별개로 하도의 만곡부 부근에서 발생하는 횡방향의 순환류로 하천의 횡단면을 따라 형성된다. 하도 만곡구간은 원심력에 의해 주 유속 성분이 만곡부 외측인 바깥쪽으로 밀려나게 되어 외측과 내측의 유속차가 발생하게 된다. 이로 인해 연직방향의 압력 변화가 일어나고 외측에서 내측으로의 나선형의 순환류가 발생한다. 또한 사행흐름에서 발생하는 나선형 순환 흐름은 하도의 만곡도에 따라 일정 순환 흐름 패턴이 존재한다(Blanckaert and De Vriend, 2004). Fig. 2(d)와 같이 Blankaert와 De Vriend는 사행수로 만곡부에서 단면 전체를 순환하는 이차류인 주 셀(Main cell)과 만곡외측 수표면에서의 반대 방향으로 순환하는 부순환 셀(Outer -bank cell)이 존재를 보고한 바 있다. 이들은 180°의 단일 만곡 수로에서 실험을 진행하였으며, 두 개의 이차류 셀 사이에 주흐름의 최대 유속이 발생함을 밝혔다. 특히, 바깥 제방 셀이 주흐름의 최대 유속의 중심을 안쪽 제방으로 이동시키기 때문에 바깥 제방과 하상을 침식으로부터 보호하는 역할을 한다고 주장하였다. 이차류 순환흐름의 존재는 수체 내 부유물질의 횡혼합에 영향을 주며(Seo and Park, 2009) 회전 순환류로 인한 수표면과 하상과의 유속차로 인한 복잡한 수리학적 기작을 포함하고 있기 때문에, 만곡부 내, 외측 하상침식 및 퇴적에 영향을 줄 것으로 판단된다. 따라서 본 연구는 유황에 따라 흐름의 변화가 일어나는 소내섬 상단 팔당호 만곡부의 입체적인 수리 특성을 분석하고 유속구조 변화에 의한 주변 영향도 분석하고자 한다.
3. 현장 수리계측
3.1. 수리계측 위치 및 방법
Fig. 3(a)은 팔당호 수리계측 단면위치이다. 하천 합류부와 만곡부에서는 직선하도의 경우와는 다른 흐름특성이 발달한다. 특히, 유입 지천 간 합류 구간은 상류 유황변화가 팔당호 내 흐름에 미치는 영향을 파악하는 데 중요한 구간이며, 합류 이후 만곡부는 홍수기와 평수기 동안의 유속 분포 차이를 정성적으로 비교하는 데 적합한 것으러 판단된다. 이를 고려하기 위해선 상류 유입 지천과 지형적 특성을 고려한 계측 구간의 선정이 필요하다. 현장 수리계측은 북한강(North Han river), 남한강(South Han river) 그리고 경안천(Gyeongan 1, 2, 3)의 5개의 상류 유입하천 단면과 만곡부(River Confluence~Meandering 6)의 7개 단면을 구획하여 총 12개의 중요 흐름지역의 횡단면을 구획하였다. Fig. 3(b)와 같이 수리센서인 SonTek사의 ADCP M9과 DGPS를 결합한 보트를 운용하여, 횡단면의 수표면부터 하상까지의 유속, 수심, 유량 등의 수리 데이터 및 UTM 기반의 위치정보를 획득하였다.
이동식 횡단 측정 방법은 계측 단면의 주 흐름방향의 좌안에서 우안으로 각 1회씩 이동 측정하였으며, 이때 선외기 모터로 인한 후류로 인한 ADCP 센서에 발생할 수 있는 음파 간섭을 최소화하기 위해 약 1 m/s 이하의 저속으로 운행하였다. 수리계측을 통해 얻은 원시 데이터는 ADCP 계측 프로그램인 RiverSurveyor Live 소프트웨어를 통해 추출하였다. 얻어진 원시 유속데이터는 VMS의 필터링 및 공간 평균 기능을 수행하여 단면에서의 유속구조 및 보정된 유속 값을 추출하였다. 추출한 공간 평균 유속데이터는 DGPS의 위치정보와 동기화하여 ArcGIS Pro에서 제공하는 공간보간(Spatial interpolation)분석기능을 활용하여 팔당호 만곡부에서의 정성적인 흐름 구조를 분석하였다.
3.2. 수리계측 시기와 조건
현장 수리 계측은 2023년 9월(Case.1)과 2024년 3월(Case. 2) 유황별 1회씩 진행하였다. Fig. 4(a)는 2023년 8월부터 2024년 3월까지의 한강홍수통제소에서 제공하는 방류량을 10분 단위로 수집하여 분석한 팔당호 인근 연중 수공 구조물(청평댐, 이포보, 서하교, 팔당댐) 방류량도이다. 북한강의 경우 발전용 댐인 청평댐의 발전 방류(Hydropeaking)로 인해 연중 일정한 유량의 계단식의 특징적인 방류패턴이 존재한다. 또한 청평댐의 연중 방류량은 약 500 CMS 이하의 방류량을 유지하고 있어, 연중 북한강은 불규칙적인 방류패턴으로 팔당호 내로 유입되고 있다. 반면 이포보의 방류량은 연중 강우량에 의해 결정되며, 특히 여름철 홍수기의 경우 장마철 극한 호우 사상으로 인해 최대 2,500 CMS 정도의 높은 방류량을 나타내어 팔당호 내 남한강 수체의 유입비율이 매우 높다. 특히 여름철 홍수기 남한강과 북한강 유입량의 절대적인 편차가 매우 커지게 된다. 이러한 청평댐과 이포보의 연중 상이한 방류패턴은 팔당호의 유황조건 및 흐름 구조에 큰 영향을 미치게 되며, 홍수기와 평수기의 유입량의 차이로 인해 발전용 댐인 팔당댐의 방류 패턴에도 반영되는 것으로 판단된다.
Fig. 4(b)는 청평댐, 이포보 그리고 팔당댐의 연중 방류량에 대한 유황곡선을 나타낸 그림이다. 남한강은 앞서 기술한 바와 같이 이포보로부터 연속적으로 유입되나, 반면 다목적 댐인 청평댐과 팔당댐은 연중 무방류 기간이 각 24%, 10%의 비율을 차지한다. 해당 기간 중 현장 계측이 진행된 홍수기(Case. 1)의 경우 이포보의 방류량이 상위 8%로 남한강의 팔당호 내 유입이 지배적이다. 팔당댐 또한 상위 11% 수준의 방류량으로 홍수기 팔당호 만곡부 사행 흐름특성을 나타내기에 적절한 유황으로 판단된다. 평수기(Case.2)의 경우 무방류 기간을 고려하였을 때, 호내 유입량이 낮은 비율의 유입량을 유지한 시기임을 확인할 수 있다.
두 유황별 ADCP의 수리계측 결과 값은 Table 1에 제시되어 있다. 북한강(North han river) 유입단면의 홍수기, 평수기의 단면 간 계측 유량 차이는 약 21.41 CMS로 비슷한 수준으로 유입되었다. 그러나, 남한강(Sounth Han river) 유입단면의 경우 유량 차이는 595.86 CMS로 유입량의 차이가 극명하여 호내 저류량의 큰 비중을 차지하는 것을 알 수 있다. 이는 북한강과 남한강 단면의 상류 수공구조물인 청평댐과 이포보의 방류 패턴 차이 때문이다. 연중 무방류 기간을 제외한 일정 유입량을 유지하는 청평댐과는 달리, 이포보는 장마철과 같이 기후에 의한 강우량 변화로 유량의 증감이 이루어지기 때문에 홍수기 시 남한강의 호내 유입량이 많아지는 것으로 판단된다. 특히 홍수기의 경우 상대적으로 고유속의 남한강 수체로 인해 합류(River confluence)단면 이후 만곡부(Meandering 1~6) 하도 구간까지 최대 약 0.16 m/s 정도의 유속을 나타낸다. 넓은 하폭 비(Aspect ratio)의 호소임에도 불구하고 자연 하천과 유사한 유속이 유지되는 것은 이례적이라 할 수 있다. 그러나 평수기의 경우, 상류 유입 단면과 만곡부 사행흐름 구간 모두 0.05 m/s 이하의 저 유속 흐름을 나타낸다.
Table 1.
Hydraulic measurement results according to flow conditions
인공호소인 팔당호는 자연 호소와는 다른 수리학적 및 지형 특성을 갖고있다. 상류 수공 구조물의 방류 패턴에 직접적인 영향을 받기 때문에 계절 및 유황조건에 따라 호소 내 상세 구역별로 또한 그 특성이 달라진다 보고된 바 있다.(Choi et al., 2024). 팔당댐 인근은 한강으로의 방류가 이루어지는 호소 내 흐름의 종착지이며 동시에 인근에 취수시설이 위치하여, 댐의 수문개방 및 일일 취수량 변화에 따라 배수 및 흐름구조가 변동될 가능성이 높다. 또한, 유황조건에 따라 하천적 특성과 호소적 특성이 각각 발현되고 앞서 언급한 상류 수공 구조물의 방류 패턴 또한 이에 영향을 받아, Table 1에서 제시된 수리 계측 결과에서도 만곡부 Meandering 1~6 구간에서 홍수기와 평수기의 구간별 유량 값 차이가 일부 나타나는 것으로 확인되었다. 이에 본 연구는 북한강, 남한강 합류 이후 유황에 따라 흐름특성이 발달하는 만곡부에서 상세한 3차원 흐름 구조를 분석하고 호소 내에 어떠한 영향을 미치는지 파악하고자 한다.
4. 결과 분석
4.1 유황별 유속 패턴
ADCP의 원시 유속 데이터를 VMS를 활용하여 유속 필터링과 각 횡단면거리 및 수심에 따라 적절한 간격으로 공간평균을 진행하였다. 계측단면 간 결측된 공간의 값을 산정하기 위해 공간보간(Spatial interpolation) 기법을 활용하였다. 본 연구에서는 만곡부에서의 정성적인 유속분포를 확인하기 VMS로 공간평균된 단면 유속 데이터를 ArcGIS Pro에서 제공하는 확산 보간(Diffusive interpolation) 기법을 활용하여 유속장 맵핑을 진행하였다. 공간 보간을 통한 맵핑은 센서 기반 계측 데이터의 정성적 분포를 확인할 수 있어 최근 하천 수리 계측 연구 분야에 활용되고 있다(Lee et al., 2022).
홍수기, 평수기 시 팔당호 만곡부의 유속 공간 보간 맵핑 결과는 Figs. 5(a) and 5(b)에 제시되어 있다. 홍수기(Fig. 5(a)) 팔당호 흐름장은 남한강에서 기원한 약 0.25 m/s의 강한 유속 흐름이 만곡부를 지나 팔당댐까지 대별되는 합류 수체의 흐름장이 존재한다. 이는 북한강에 비해 높은 유속은 장마철 극한 강우 사상으로 인해 저류되지 않고 자연 월류 방식으로 팔당호 내로 유입되는 이포보에 방류량에 영향을 준 것으로 판단된다. 반면, 평수기(Fig. 5(b))의 경우 만곡부 전역에 약 0.07 m/s 이하의 전반적인 유속 편차가 적은 저 유속의 흐름장이 존재한다. 북한강, 남한강의 유입량으로 비롯된 절대적인 유속 차로 인해 팔당호 만곡부에서의 흐름 특성이 결정되고, 이는 기존 선행연구와 유사한 결과로 홍수기는 하천 그리고 평수기는 저수지의 흐름 특성이 발현된 것으로 판단된다(Kong et al., 2018; Choi et al., 2024).
Fig. 5(c)는 두 유황조건의 최대 유속선을 도시한 결과이다. DGPS의 UTM 좌표와 ADCP 유속데이터의 동기화로 ArcGIS Pro 상에서 계측 횡단면에서의 정확한 최대 유속위치를 산정하였다. 평수기에는 계측 단면 최대수심 부근에 최대 유속선이 인접하지만, 홍수기의 경우 최대수심 부근으로부터 이격거리가 발생하여 주 흐름의 좌안 방향으로 최대 유속선이 위치한다. 특히 합류부(River Confluence)에서 족자도 하단(Meandering 1)까지 이격거리가 가장 증가하는 경향이 존재하는데, 이는 홍수기 남한강의 높은 유속이 북한강 합류 이후에도 큰 영향을 준 것으로 판단된다. 최대 유속선 간의 이격거리는 소내섬 우측(Meandering 2)에서 급감하였지만, 이후 소내섬 중앙에서 좌측(Meandering 2, 3)에서 다시 증가하여 만곡부 외측으로 최대 유속선이 위치하게 된다. 이러한 최대 유속선의 위치는 팔당댐(Meadering 5, 6)까지 이어진다.
이러한 유황 조건별 최대 유속선 간 이격거리의 증감은 유속 차가 커질수록 만곡부에서의 원심력으로 인해 횡 방향 유속성분이 증가로 발생된다. 평수기에는 저 유속으로 인해 최대 유속선이 단면의 최고 수심 부근에 위치하지만, 홍수기에는 남한강 유입량의 증가로 빠른 흐름이 발생하면서 만곡부에서 흐름의 운동량과 모멘텀이 증가하여 최대 유속선의 이격거리에도 영향을 주는 것으로 판단된다. 만곡부에서의 최대 유속선 및 이차류 관련 연구는 주로 소규모의 실험 수로(Seo et al., 2004; Baek et al., 2006; Son et al., 2010) 혹은 일부 계측 기반의 실규모 사행하천수로(Son, 2014)에서 진행되어 왔으나, 팔당호와 같은 호소의 경우에서도 사행하천의 특성이 발현되는 것은 드문 경우이다.
홍수기와 평수기 모두 소내섬 우측(Meandering 3) 좌안에서, 취수구 인근(Meandering 5) 우안에서 사수역과 같은 역류성 흐름이 존재한다. 특히 평수기에는 소내섬 좌측(Meadering 4)부터 팔당댐(Meandering 6)까지 우안에서 역류성 흐름이 존재하는데, 이러한 사수역의 위치는 최대 유속선의 위치와 서로 상관성이 있을 것으로 예상된다. 평수기시 호소 내 느린 유속이 지배적이고, 최대 유속선의 형상 또한 주 흐름의 좌안, 즉 만곡부 외측으로 위치하여 이로 인한 사수역이 발달하는 것으로 판단된다. 홍수기의 경우 최대 유속선은 평수기보다 만곡부 외측으로 이격 되지만, 남한강의 고 유속으로 인해 넓은 범위의 하천과 유사한 흐름장이 형성되어 사수역이 비교적 발생하지 않는 것으로 예측된다. 특히 홍수기 최대 유속선의 위치가 소내섬 좌측 단에 밀집해 있어 이로 인한 수충 현상이 나타날 가능성이 높다. 이러한 만곡부에서의 흐름 특성은 최대 유속선의 위치에 따라 하상 변동에도 영향을 줄 수 있다. 최대 유속선이 인접한 소내섬 좌측은 하상 수중 절벽부에서 수충 현상으로 인한 침식을 유발하고 소내섬 우측 단은 상대적으로 최대 유속선이 떨어져 있기 때문에 유속이 약한 사수역이 형성되어 퇴적지역이 형성될 가능성이 높을 것으로 판단된다. 이는 수체 내 부유사의 실제 샘플링 데이터와의 추가 연계 분석이 필요되며, 장기적인 모니터링을 통한 만곡부 내 부유사의 분포 및 침식률 측정과 같은 추가 분석이 필요하다.
4.2 유황별 이차류 흐름 패턴
이차류 순환 패턴은 수체 혼합 및 하도 특성에 따라 다르고 순환구조의 크기 및 방향에 따라 구분된다. Fig. 6(a)는 Rozovskii 방식의 VMS 홍수기 이차류 단면흐름구조다. 남한강, 북한강 합류부(River confluence)는 반대방향의 맞물리는 이중 순환 구조(Dual helical motion)가 존재한다. 이차류의 이중 순환형 구조는 자연하천 합류부에서 서로 다른 수체 간 원심력과 압력구배 사이의 불균형으로 인해 발현되는 것으로 알려져 있다(Rhoads and Johnson, 2018; Yuan et al., 2021). 호소의 경우에도 유입지류의 합류지역에서 이중 순환형 구조의 존재가 보고된 바 있다(Yuan et al., 2021). 특히, Yuan et al. (2021)은 호내 고유량 조건에서 이중 순환형 셀이 발달한다고 보고하였는데, 이는 남한강 유입량이 증가했던 팔당호 합류부에서의 결과와 유사하다. 이중 순환 이차류는 족자도 하단(Meandering 1)까지 지속되었으며. 이후 소내섬 좌측(Meandering 2)부터 팔당댐(Meandering 7)까지 대규모의 단일 순환형(Main cell)의 이차류가 존재한다. 이는 하천형 호소의 특성이 발현되어, 홍수기에 강한 유속으로 인해 만곡부에서 단면 전체를 이루는 사행흐름이 발달하여, 넓은 종횡비에도 불구하고 대규모의 이차류 단일 순환구조가 유지되는 것으로 판단된다. 또한 소내섬 좌단(Meandering 2)과 팔당댐 취수구(Meandering 5) 인근은 외측 제방에서 부 순환셀(Outer bank cell)이 존재하고 이는 Fig. 5(a) 사수역 발생 위치와 매우 유사한 경향이 있다. 만곡부에서의 단일 순환형 이차류와 그리고 부 순환셀의 존재는 내, 외측 제방의 하상변동에 연관이 있다고 알려져 있다(Liu et al., 2024; Ruben et al., 2021).
그러나, 저수지 특성과 유사한 평수기에는 홍수기와 같이 대규모의 강한 단일 순환 구조가 아닌 소규모의 다중 이차류 순환구조가 단면에 걸쳐 국지적으로 발현된다. 특히 소내섬 상단(Meandering 3) 이후부터는 소규모의 단일 순환 이차류 구조가 단면 전체에 걸쳐 다수 존재하는데, 이는 자연 사행하천 이차류 흐름패턴과 차이가 있다. 평수기의 저 유속으로 인한 팔당댐 인근 사수역의 발달(Fig. 6(b))과 다중 순환 이차류 흐름 패턴은 부유물질 거동에도 연관성이 있을 것으로 판단되어 인근 취수구의 수질관리 측면에서 이와 관련된 추후 연구가 필요할 것으로 사료된다.
5. 만곡부 이차류 영향
Fig. 7(a)는 팔당호 만곡부의 유황별 이차류 패턴의 모식도이다. 평수기의 경우 호소 전체가 저 유속을 나타내고 매우 넓은 하폭을 따라 다수의 소규모의 단일 이차류 순환 흐름(Normal cell)이 발생한다. 그러나, 홍수기의 경우 사행하천에서의 전형적인 이차류 패턴과 유사하다. 대규모의 강한 단일 순환구조(Main cell)의 이차류가 발현하고 외측 제방에서의 부순환 셀(Outer bank cell)이 존재한다. 메인 셀은 원심력에 의해 하상으로의 침식을 유발하며 부순환 셀의 경우 외측 제방에서 메인 셀과 반대 방향의 흐름으로 메인 셀로부터의 영향을 감소시켜 하상 보호 효과가 있는 것으로 알려져 있다.
소내섬 좌단에는 Fig. 7(b)에서와 같이 경안천 유입구간에 수중 절벽부가 존재한다. 이러한 수중 절벽부는 Fig. 5(c)의 분석결과와 같이 홍수기 소내섬 좌측 만곡부 좌안로 최대 유속선의 이격거리 증가 및 대규모 메인셀의 발달로 인해 형성된 것으로 판단된다. 또한 수중 절벽부는 흐름방향 유속으로 인한 수충 효과와 더불어 횡 방향 순환구조의 이차류로 인한 침식의 영향을 받을 것으로 사료된다. 또한 소내섬 우단의 경우에도 메인셀이 발현이 되지만 이는 최대 유속선의 위치와 동일하게 내측 제방에 형성되고, 외측 제방에서는 부순환 셀이 형성된다. 동일 횡단면 간의 유속구조의 차이로 인해 소내섬 우단은 상대적으로 침식의 영향을 적게 받는 퇴적형 지형이 발달할 것으로 예상된다.
유황에 따른 이차류 패턴과 흐름유속장의 차이는 팔당호가 유황에 따라 각기 다른 특성을 갖고 있음을 시사한다. 홍수기에는 자연 사행하천과 유사한 하천형 호소, 갈수기에는 전반적인 저유속의 소규모 이차류 순환구조의 저류지형 호소임을 의미한다. 특히, 홍수기 시 소내섬 좌단 만곡부로 최대 유속선이 치우치고, 침식을 유발하는 대규모 이차류 순환구조 패턴이 팔당댐까지 형성된다. 이 과정에서 Fig. 6(a)에서 제시된 팔당댐 하단 Meandering 6에서 메인 셀의 방향의 역전되는데, 이는 Meandering 4와 Meandering 5 부근에서 최고 유속선(Fig. 5(c))이 만곡부 외측 제방으로 접근하면서, 수충(수류 충격)에 의해 주 흐름 경로의 방향이 변형되고 변곡 지점이 새롭게 형성되어 새로운 만곡의 영향으로 메인 셀의 방향의 역전이 이뤄지는 것으로 판단된다. 이는 장래에 연중 지속적인 홍수기 수준의 유황이 유지될 경우, 팔당호의 하천형 호소 특성의 발달로 인해 만곡부가 취수장 방향으로 점진적으로 이동할 가능성을 시사한다. 그러나, 이러한 변화의 진행 여부를 명확히 평가하기 위해서는 세부적인 유속 및 부유사 거동 모니터링을 포함한 추가적인 연구가 필요하다.
6. 결 론
본 연구는 팔당호 소내섬 인근 만곡부의 유황 조건별 상세 흐름 계측을 통하여 상세 흐름장 및 단면 이차류 구조를 분석하였다. 상류 수공구조물의 호내 방류량 패턴을 고려하여 홍수기, 평수기 각 1회 계측을 진행하였고 원시 유속 데이터의 공간평균과 Rozovskii 방식의 횡방향 유속의 산정을 통해 만곡부의 흐름특성을 분석하였다.
분석 결과, 청평댐과 이포보의 상이한 방류 패턴으로 인해 팔당호의 흐름특성이 영향을 받아 호내 유황 조건에 따라 하천형 호소 혹은 저수지형 호소의 흐름 특성이 발현된다. 홍수기 시, 이포보의 남한강 수체의 방류량 증가로 인해 호소 내 강한 흐름장을 형성하여 소내섬 상단 만곡부에 대규모 단일 순환형 이차류 패턴이 발달하였다. 이러한 이차류 순환 패턴은 소내섬 인근 수중 절벽부 형성에 영향을 미친 것으로 판단된다. 또한 홍수기 시, 최대 유속선은 평수기의 경우보다 유속선간 이격거리가 발생하여, 소내섬 좌단으로 치우치고, 단면 전체에 걸쳐 대규모 단일 이차류 순환구조를 형성하였다. 이는 종 방향 유속에 의한 수중 절벽부로의 수충격과 대규모 단일 이차류 순환구조로 인한 하상 침식을 심화시키는 주요 원인으로 예상된다. 평수기 시, 북한강과 남한강의 유사한 수준의 유입량으로 인해 두물머리에서 합류 이후 저 유속의 흐름장을 형성하였다. 또한 소내섬 인근부터 팔당댐까지 소규모 다중 이차류 순환구조가 국지적으로 나타났으며, 팔당댐 인근 수역에서는 주 흐름의 우안 즉, 내측 제방에서 역류 흐름 및 사수역이 발생하였다.
이차류 순환구조 패턴과 최대 유속선의 형상 변화는 팔당호의 흐름 특성이 유황 조건에 따라 상이함을 보여주며, 이는 상류 지천의 수공구조물인 청평댐과 이포보의 서로 다른 방류패턴에 영향이 있는 것으로 판단된다. 또한 홍수기 시 발달하는 사행하천과 유사한 이차류 구조 및 소내섬 좌단에서의 침식 현상을 보아, 이상기후로 인한 극한 강우 사상의 증대로 장기적인 측면에서 취수구 인근 만곡부 수역의 하도 방향이 변화할 것으로 예상되나, 그러나 이는 장기적 모니터링 및 다양한 유황 조건에 따른 상세 흐름 특성 분석이 기반이 되어야 하며, 다양한 유황 조건과 계절적 변화에 따른 장기적인 흐름 특성 분석과 함께, 만곡부 내의 하상 변동 및 유사 이동 메커니즘을 종합적으로 규명하는 연구가 필요하다.
본 연구 결과는 팔당호와 유사한 인공 호소의 유황별 수리‧지형적 특성의 이해에 도움이 될 것으로 판단되며, 향후 호소 내 유황에 따른 수리학적 변동성을 고려한 취수장 설계 및 운영 방안 마련에 중요한 기초자료로 활용될 수 있다. 유황 변화에 따른 만곡부의 유속구조와 이차류 패턴 특성은 팔당호 내 수체 이동 및 정체수역을 고려한 호소 관리 및 유지 보수 계획 수립에 적용 될 수 있을 것으로 사료된다. 향후 수리모형 실험 및 수치해석 연구와 결합하여 보다 정량적인 흐름 예측 모델을 개발하는 데 기초자료로 활용될 것으로 기대하는 바이다.
