1. 서  론

최근 기후변화에 따른 하천재해가 빈발함에 따라 치수의 중요성이 다시 부각되고 있으며, 하천의 환경보전 및 하천복원에 대한 사회적 요구도 급증하고 있다. 이러한 시대적 상황을 고려한 하천의 관리를 위해서 하천은 하나의 시스템이므로 여러 가지 외적 작용(impact)은 종속이 아닌 종합적인 반응(response)이라는 기본인식에서 접근해야 한다. 따라서 하천의 관리를 위해서는 치수ㆍ이수ㆍ환경 기능을 파악하고, 그에 따른 하천관리계획을 수립하기 위해 하도특성을 조사하도록 설계기준 및 지침 등에 반영하고 있으나 그 내용이 체계적이지 않거나 미흡하다. 하천지형은 흐름, 유사 및 식생의 상호간섭에 의하여 형성되므로 하도에 형성되는 사주나 만곡 등에서는 흐름의 불균일에 의하여 하상에 요철(凹凸)이나 토사의 분급과 침식․퇴적이 이루어지기 때문에 치수적 측면에서 정확한 분석이 필요하다. 또한 이러한 하상의 요철과 그것에 대응하는 하상재료의 입도구성 및 퇴적구조는 수서곤충, 어류 및 수변식생 등의 공간분포 특성을 규정하는 중요한 요소이며, 하천생태계의 관점에서 하상지형을 분류하는 중요한 인자 중의 하나이다. 따라서 하상경사와 하상재료가 지배적인 인자로 작용하는 하도의 물리적 구조와 그에 상호 반응하는 수리특성에 의하여 다양한 생태기반이 형성되므로 하도의 특성을 분석하는 것은 아주 중요하다.

지금까지 하도특성을 파악하기 위한 초기 선행연구는 하천의 윤회과정을 기반으로 하는 분류체계(Knighton, 1998), 하천의 평면형상에 따른 분류체계(Leopold et al., 1957, 1964), 하도형상에 따른 수리학적 유사의 제어(Ferguson, 1987), 유량과 하상경사의 곱인 유수력(stream power)에 따라 하천지형이 변화한다는 이론(Lane, 1957) 등의 지형학적 하천분류체계가 주류를 이루었다. 그러나 하천의 치수ㆍ이수 및 환경 기능을 종합적으로 고려한 하천 계획ㆍ설계 및 관리를 위해서는 물리적 하도특성으로 하상경사, 하상재료, 굴입비, 사행도 및 하폭/수심비 등을 기준으로 하는 공학적 하천분류체계의 필요성이 대두되어 이에 대한 연구결과가 제시되었다(Rosgen, 1994; Montgomery et al., 1993). 또한 하천구간(Segment)은 자연하천에서 동일한 경사를 가지는 하도 구간으로 하상재료, 마찰력, 저수로 폭, 수심 등이 대체로 동일한 값을 나타내고, 하도특성을 지배하는 주요 인자로 각 하천의 평균연최대유량, 하상재료의 대표입경, 하상경사 등을 설정하고 있다(Mackin, 1948; Yamamoto, 1994). 현재 국내의 연구는 기존에 개발된 지형학적 또는 공학적 분류체계 및 하도진화모형의 적용이나, 생물 서식처를 기준으로 국내하천의 조사결과를 기반으로 수정한 하천분류체계를 제시하고 있으며(Rim et al., 2008; Lee et al., 2004; Choi, 2013), 자연하천 구간에서 하상재료와 하도의 물리적 특성에 대한 상관관계를 규명하기 위한 연구도 진행된 바 있다(Kim, 2010).

하천공학 분야에서는 유수력과 홍수의 발생빈도 등을 고려하여 하도와 홍수터 형성, 하상변동을 발생시키는 유량으로서 지배유량(dominant discharge)의 개념을 도입하고 있으며, 산정방법에는 자연하천에서 강턱유량(bankfull discharge)으로부터 산정하는 방법(Leopold, 1994), 특정 재현기간별 유량(specified recurrence interval discharge)으로부터 추정하는 방법(Williams, 1978) 및 유효유량(effective discharge)으로부터 결정하는 방법(Andrew, 1980) 등의 세 가지 방법이 있다. 국내에서는 섬강과 홍천강 유역을 대상으로 3가지 지배유량 산정방법의 적용 연구(Lee, 2002), 청미천 구하도 복원설계를 위한 하도형성유량 산정 연구(Ji et al., 2009) 및 중소하천의 지배유량 연구(Rim et al., 2011) 등이 있다.

지배적인 하상재료 입경이 호박돌 이상인 하천의 하상재료 분석은 체분석에 의한 전통적인 방법으로는 불가능하고 하상 안정에는 잔모래가 거의 관계되지 않으므로 제외시켜도 문제가 없기 때문에 화상처리기법에 의한 조사방법 연구도 진행되고 있으며(Janaka et al., 2012; Peregrina-Barreto et al., 2013), 하상재료에 의한 흐름저항을 산정하기 위하여 수심-대표입경 비(h/d₅₀)와 평균유속-마찰력 비(V/u_*)의 관계를 규명하는 연구도 수행되어 왔다(Julien, 2002; Manning- Stricker).

본 연구에서는 교량을 제외하고 하천횡단구조물이 없는 산지와 접한 구간으로서 대체로 자연하천의 특성을 유지하고 있는 남강댐 상류 약 39.5 km의 국가하천 구간을 대상으로 하였다. 연구는 하천유형분류, 하도특성 조사․ 분석, 하상재료 조사․분석과 수리특성 조사․분석으로 나누어 진행되었다. 하도특성 조사․분석은 지배유량 유하시 하폭 및 저수로폭, 하상경사, 여울의 출현빈도 및 하상재료 등을 중심으로 이루어졌다. 하상재료 분석은 화상처리기법을 도입하였고, 흐름저항을 분석하기 위하여 수심/입경-유속/마찰속도의 관계를 분석하였으며, 수리특성 조사․분석은 유속, 세굴심, 마찰력에 대하여 수행하였다.

연구결과는 충적하천의 저수로 스케일은 하상재료를 매개로하는 유수력과 자기조정 작용의 반응이며, 하상재료는 홍수시에 하상에 작용하는 수심/입경-유속/마찰속도와 밀접한 관계가 있음을 확인하였다. 특히 자갈, 호박돌, 전석, 기반암 등 다양한 하상재료로 형성된 급류하천의 치수ㆍ이수 및 환경적 측면에서 하도계획과 하천관리를 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.

2. 연구범위 및 방법

2.1 연구범위

하도특성조사는 하천특성을 분석․파악하는 방법으로서 학술적으로 유용할 뿐만 아니라, 기술적으로도 아주 유용하며, 하천에 시행되고 있는 여러 가지의 조사․계획․관리(하도계획, 하천환경관리계획, 하천유지유량의 검토, 하도 안정성 검토, 하천구조물의 안정성 검토)에 응용될 수 있다.

따라서 본 연구에서는 인위적 교란이 비교적 적고, 특히 하천횡단구조물이 없는 자연하천의 특성을 유지하고 있는 남강댐 상류구간을 선정하여 수문, 지형 및 하상재료 특성 등을 조사하고 그 결과를 기초로 하도특성을 분석하였다.

첫째, 연구의 공간적 범위는 남강댐 상류의 지류인 위천 합류 후부터 양천 합류 전까지이며, 연구대상 시점을 기준으로 유역면적은 1,278.30 km², 유로연장은 86.8 km, 유역 평균폭 14.73 km, 형상계수는 0.17이다. 유역형상은 하천형태학적으로 수지상 형태로 유수가 하천에 일시에 집중되는 일은 없으나 홍수위의 지속시간은 짧다. 유역의 평균고도는 El. 521.39 m이고, 평균경사는 34.59%이다. 연구 대상지는 남강댐 상류구간으로 양천 합류부~함양 위천 합류부 사이의 약 39.5 km구간으로서 산지 구간과 농경지 구간이 혼합되어 있으며 직선, 만곡 및 준만곡 하도가 주변 지형에 의하여 조합되어 있다(Fig. 1).

둘째, 내용적 범위는 수문특성(지배유량 등), 지형특성(하상경사, 하폭, 저수로 폭 등), 하상재료(대표입경, 입경분포) 및 수리특성(수심변화, 마찰력, 수심/입경-유속/마찰속도 관계) 등을 조사하여 산정하고 그 결과를 기초로 남강의 하도특성을 분석하였다.

2.2 연구방법

하천의 지형은 여러 가지 스케일의 지형단위가 조직화․구조화되어 있는데, 그 스케일은 지형학적으로 대규모(상위), 중규모(중위), 소규모(하위)의 3개의 지형단위로서 계층화되어 있다. 작은 계층의 시스템에서는 큰 계층의 시스템을 고정적인 경계로 하여 그 내부의 여러 특징과 변화를 규정하는 주요 인자에 의해 기술하는 방법이 있다(Yamamoto, 2004). 이 방법에서 대규모 스케일은 유역규모의 지형 스케일이며, 하도의 수계망이나 하도종단형상 등이다. 중규모 스케일은 세그먼트(소구간 : segment scale)로부터 하폭의 10배 정도 규모(세구간 : reach scale)의 지형이며, 사행 형상과 하폭 등이다. 소규모 스케일은 수심의 10배 정도 이하의 지형 스케일이며, 소규모 하상파 등의 미지형이다.

본 연구에서는 하도의 특성을 유수력(stream power)에 의해 통계적으로 동일한 경사와 하상재료 분포를 가지는 하천의 지형구간이 발생한다는 하천분류체계의 세그먼트(segment) 분류법(Yamamoto, 2004) 기준 중에서 하상경사를 구분하여 하도특성과 수리특성을 분석하였다(Table 1).

따라서 대상구간에 하천지형측량과 하상재료 분포 등의 현장조사를 수행하였으며, 대상구간 내에 위치하고 있는 산청수위관측소의 수위자료 및 수위-유량관계곡선 자료 등을 수집․분석하여 하도 지배유량을 산정하였다. 이상의 조사․분석 자료를 기초로 하천수리해석 1차원 모형인 HEC-RAS를 이용하여 수리계산을 수행하고, 그 결과로서 주요 단면별 수심, 유수단면적, 유속 및 마찰력 등을 산정하였다.

현장조사 결과와 수리계산 결과를 토대로 하여 평균 및 최심 하상경사, 하폭과 저수로폭, 세굴심, 여울-소 출현빈도, 지배유량 유하시 단면별 평균수심, 평균유속, 평균마찰력 등의 종단변화, 하상경사와 평균유속 및 마찰력의 종단변화, 유수단면적과 유속 및 마찰력의 종단변화, 하상재료 대표입경과 마찰력의 관계 등을 분석하였으며, Fig. 2는 본 연구의 진행 절차를 나타낸 것이다.

3. 결과 및 고찰

3.1 하도지형특성 분석

일반적으로 하천특성의 종단방향 변화는 서서히 변하는 것으로 알려져 있다. 하상재료, 하상고는 종단방향으로 서서히 지수 함수적으로 변화한다는 것이다. 그러므로 하천 지형학적인 관점(하천종단형성론적 관점)이나, 하천관리를 위한 기술적 관점에서도 하천을 세그먼트로 구분하는 것이 합리적이라고 생각된다(Yamamoto, 2004). 세그먼트는 수리분급(hydraulic sorting)에 따라 하도의 분절화(分節化)를 의미하는 데, 환경의 질(質)이 통계적으로 거의 동일한 구간이며, 분절되는 구간마다 인간이 하천에 작용하는 방법이나 수단을 바꾸어 왔다는 측면에서 기술적으로 중요한 도구적 개념이다(Yamamoto, 1988). 충적하천에서는 하상경사, 하상재료 등의 하도특성이 종단방향으로 순차적으로 서서히 변화한다는 것이 일반적이지만, 남강은 대상구간의 하류 12.49 km 구간이 상류 27 km 구간보다 하상경사가 급하고, 하상재료 입경이 큰 특성으로 나타났다. 이 때문에 남강은 대부분의 일반 하천보다 다양한 하도특성과 수리특성을 보였으며, 생태계 다양성의 기반이 되는 하천환경 특성이 다양하게 나타났다. 또한 남강의 상류유역은 내륙지역이지만 우리나라의 대표적인 다우지역으로서 홍수량이 많고 하상경사가 급하기 때문에 큰 유수력이 작용하여 구간별 다양한 하도특성을 가지고 있었다. Fig. 3은 연구대상구간의 하류 기준점인 단성교로부터 상류방향으로의 거리별 지배 하상재료 및 하도의 경관특성을 나타낸 것이다.

3.1.1 지배유량의 산정

본 연구 대상지의 남강구간은 세그먼트 분류에서 변화가 작은 하천이고, 상류 산간부에서의 생산된 토사는 입경범위가 넓고 많은 입경집단들을 가지고 있으며, 큰 세그먼트의 이음 부분에 작은 세그먼트로 형성된 구간이다. 또한 산지하천의 특성상 일부 고수부지를 제외하면 대부분 단단면의 형태를 나타내고 있기 때문에 재현기간 1.5년에 대한 빈도분석을 실시하여 해당하는 홍수량을 산정하는 방법과 HEC-RAS를 적용한 부등류 계산결과를 비교하여 재현기간 1.5년 홍수량을 지배유량으로 결정하여 적용하였다(Table 2). 재현기간 1.5년의 홍수량을 적용하여 자연하천구간으로 판단되는 단면에서의 강턱유량을 검토한 결과를 하류로부터의 거리와 지배유량별로 Fig. 4에 나타내었으며, 국내의 기존 연구성과(Lee, 2003; Ji, 2009; Rim, 2011)와 같은 결과를 확인하였다.

3.1.2 하상경사

하도의 지형학적 특성을 파악하기 위해서는 1차적으로 최심하상경사와 평균하상경사를 분석하는 것이 필요하기 때문에 하천지형측량 성과 및 지배유량 자료를 이용하여 최심하상경사 및 평균하상경사를 산정하여 도시하였다(Fig. 5).

약 200 m 전후의 간격으로 196개의 단면에 대하여 시행한 하천지형측량성과를 분석한 결과 전구간의 평균최심하상경사는 약 1/473이며, 구간에 따라 1/45~1/10500로 나타났으며, 평균하상경사는 1/479이며, 구간에 따른 평균하상경사 분포는 최심하상경사와 유사하게 나타났다.

하류 시점으로부터 12.49 km를 기준으로 하류의 평균하상경사는 1/389로서 Segment 1구간이며, 상류는 1/520로서 Segment 2구간으로 구분되었으며, 점선(---)은 Segment 1 구간과 Segment 2 구간의 경계를 나타낸 것이다. 대부분의 일반 하천에서 세그먼트가 상류로 부터 순차적으로 나타나지만, 본 연구의 대상구간에서는 하류구간에서 평균하상경사가 급한 Segment 1구간이 나타난 것은 산지협착 구간으로서 홍수시 단면축소에 의하여 상류에 배수위 영향이 발생함에 따라 하류 유속이 증가하기 때문이다.

Table 1에 나타낸 바와 같이 세그먼트 분류법에서는 하상경사 1/60 이상의 범위를 Segment M, 1/60~1/400의 범위를 Segment 1, 1/400~1/5000의 범위를 Segment 2로 구분하여 분류하는 데, 대상구간은 평균적으로 Segment 2의 하천구간에 해당되며, 전체 196개 구간 중 1개 구간은 Segment M, 83개 구간은 Segment 1, 나머지는 Segment 2의 구간으로 나타났다. 따라서 대상구간을 하상경사 기준으로 세그먼트 1구간과 세그먼트 2 구간으로 구분할 수 있었으며, 일반 하천과 달리 하류의 하상경사가 상류보다 급한 것으로 분석되었다. 특히 55개 구간에서 역경사가 나타났는데 이는 여울(riffle)과 하류의 소(pool) 구간에 해당된다.

3.1.3 하폭, 저수로 폭 및 수면폭

하도형상은 흐름에 의하여 규정되고, 하도 지배유량 정도의 수리량으로서 결정되는 것으로 알려져 있다(Yamamoto, 2004). 이것은 유량 변화에 의하여 하도형상이 변화하는 것을 의미하며, 국지적 집중호우에 의한 유량증가와 댐 등으로 홍수시 유량 조절로 유량이 감소함에 따라 하도형상도 크게 변화한다는 것이다. 하천 폭은 치수상 하도확폭을 대규모로 시행한 경우를 제외하면, 대부분 하천의 유지관리상 종래에 형성된 하천 폭을 기준으로 결정하고 있다. 따라서 연구 대상구간의 하폭은 홍수량 및 주변의 토지이용과 밀접한 관계가 있다. 유량과 하폭의 관계는 하도 지배유량의 0.5 제곱에 비례하며, 하폭은 유량과 마찰속도로서 규정되는 수리량이 변화하지 않는 경우 그 하천이 형성한 하폭으로 회복된다는 것을 의미한다(Yamamoto, 2004).

Fig. 6은 Fig. 1에 나타낸 대상구간의 하도 중심선을 기준으로 하폭, 저수로 폭 및 평수위 수면폭의 종단변화를 나타낸 것으로서 하폭은 110~630 m의 범위로 분포하였다. 곡률반경이 큰 만곡부와 충적평야가 형성되어 있는 하류(0~8 km)와 상류(28~31.5 km) 구간에서는 하폭변화가 크고 하폭과 저수로 폭의 차이가 상대적으로 크게 나타났고, 반면에 산간 협착부와 굴입하도 구간이 대부분인 나머지 구간(8~28 km)에서는 하폭 변화가 비교적 작으며 하폭과 저수로 폭의 차이도 상대적으로 작게 나타났다. 하폭과 저수로 폭의 변화가 큰 곳은 만곡부의 고정사주구간이며, 지배유량 유하시의 저수로 폭의 범위는 95~386 m로서 그 변화에 양상은 하폭 변화의 경향과 유사하였으며, 평균 저수로 폭은 165 m로 나타났다. 평수위시 수면폭은 하도의 사행에 따라 하도 중심선을 기준으로 좌․우로 치우쳐 형성되어 있으며 평균 폭은 86 m로 나타났다.

3.1.4 여울-소 출현빈도

대상구간의 총연장은 39.5 km이며 평상시 평균 저수로 폭은 약 165 m이고, 여울-소의 출현 개소 수는 55개소로 분석되었다. 여울-소의 평균적인 출현간격은 약 720 m로서 평균 저수로 폭의 약 4.4배 간격으로 나타났다. 연구대상 구간에서 여울의 출현빈도가 저수로 폭의 4.4배로 산정된 결과는 미국 환경청의 서식처 평가기준에 제시된 급경사 하천의 최적 등급인 7배 이내를 만족시키는 것으로 나타났으며(Barbour et al., 1999), 이것은 연구대상구간에서 여울-소의 출현빈도가 아주 빈번하여 수서생태의 다양성을 확보할 수 있는 물리환경이 우수하다는 것을 의미한다.

3.2 하상재료 분석

하상재료 조사는 급류인 자갈하천, 완류인 모래 하천 등에서 하상형태나 하상재료에 구별 없이 표면으로 부터 30 cm 이상의 표층을 걷어내고 그 아래에 있는 하상재료를 채취하여 입도분석을 시행하고 있다. 이것은 하상표면이 장갑화(amoring)에 의하여 비교적 큰 입경의 하상재료가 피복되어 있는 경우가 많으므로 하상의 평균적인 입도분포를 얻기 위하여 표층을 걷어낼 필요가 있으며, 하상재료의 분포상태가 표준적인 지점을 선정하여 시료를 채취하고 있다. 이와 같은 전통적인 하상재료 분석방법으로 얻은 결과는 홍수시 실제 하상면에 작용하는 소류력과 하상재료의 상관관계를 반영한 것으로 보기에는 논리적으로 부족하다. 왜냐하면 100 mm이상의 체가름 시험을 할 수 없는 호박돌의 경우 현장에서 면격자 또는 선격자법으로 하상재료 조사를 하고, 100 mm이하의 시료는 현장에서 시험실로 시료를 옮겨서 시험을 하고 있다.

그러나 대상구간에서는 대표입경(d₅₀)이 100 mm 이상으로 체분석이 곤란할 뿐만 아니라 한 지점에서의 시료 채취량은 0.82×Db×1.5 (kg) (Db : 최대입자의 중간축 직경(mm))인 하천설계기준(2009)을 따르면 최대입자의 중간 직경이 100 mm인 경우 124 kg의 시료를 채취하여 분석해야 하는 등 현장 작업 및 분석 등에 많은 시간과 노력이 필요하며 한 번에 여러 곳의 조사를 할 수 없는 부담이 있다.

따라서 본 연구에서는 하상표면을 디지털카메라로 촬영하여 그 화상을 해석하는 것으로서 하상재료의 입도분포를 추출하는 조사방법을 시도하였다. 조사방법의 특징은 하상표면을 촬영한 디지털 화상을 해석하여 통상적인 체적 백분율이 아닌 면적 백분율로서 입도분포를 구하는 방법으로 현장에서 작업시간을 단축할 수 있기 때문에 여러 곳의 조사가 가능하다.

하상표면의 하상으로부터 입도분포를 추출하기 때문에 약 1 mm 이하의 세립자는 파악이 곤란하지만 하천의 하상안정에는 큰 입경의 자갈이상이 매우 중요하므로 대표입경 등의 파악에는 화상에 의한 조사방법이 충분한 가능성이 있다고 판단된다(Janaka et al., 2012; Peregrina-Barreto et al., 2013).

3.2.1 하상재료 조사 및 화상처리

자갈 하천에서는 하상표면을 구성하는 재료의 입도분포를 파악하는 것이 아주 중요하기 때문에 총 연장 39.5 km를 25개구간으로 나누어 하상재료 입경이 같은 구간을 제외한 13개 지점에서 1 m×1 m 면격자에 대한 하상표면을 디지털 카메라로 촬영하여 화상해석을 수행하였으며, 화상을 정사한 후 화상처리기법으로 하상재료의 경계를 설정하여 확인한 후 경계가 불확실한 부분에 대해서는 사진을 중첩시켜 인위적으로 분할하였다.

촬영한 사진은 Fig. 7(a)와 같이 비스듬히 촬영되기 때문에 스케일의 왜곡을 화상처리 소프트웨어를 사용하여 Fig. 7(b)와 같이 정방형으로 정사하여 촬영시의 왜곡을 보정하였다. 왜곡 보정을 완료한 사진을 화상처리기법을 이용하여 처리하면 Fig. 7(b)의 우측의 이미지가 생성된다. 화상처리에 의하여 생성된 각 하상재료 입자 폐곡선의 길이를 산정하고 원상률(circularity)을 적용하면 원형하상재료의 직경을 구할 수 있다. 평균 3 km 간격으로 1개 단면 당 3개 지점에서 촬영된 하상재료 사진을 화상처리기법으로 분석하여 작성된 하상재료의 입도분포곡선과 대표입경(d₅₀) 및 최대입경을 제시하였다(Fig. 8).

이와 같은 방법에서는 사진의 해상도 때문에 1 mm정도 이하인 모래 등의 하상재료는 판정할 수 없지만, 남강과 같은 산지 자갈 하천의 하상 안정에는 잔모래가 거의 관계되지 않기 때문에 제외시켜도 문제가 없을 것으로 판단되며(Butler et al., 2001), 특히 수서동물의 서식환경 조사 및 평가시 하상재료의 다공성을 기반으로 하는 유효 서식처 및 매몰도 등을 고려할 경우에는 화상처리방법이 기존방법 보다는 활용도가 높을 것이다.

3.2.2 하상재료와 수리특성 변화

지배유량 유하시 하상재료에 의한 흐름저항을 산정하기 위하여 수심-대표입경 비(h/d₅₀)와 평균유속-마찰력 비(V/u_*)의 관계를 분석하여 Julien (2002) 공식과 Manning-Stricker 공식의 결과를 Fig. 9에 도시하였다.

연구 대상구간에서는 10<h/d₅₀<100으로 산정되었으며, 남강과 같이 산지하천으로서 수심에 비하여 하상재료입경이 큰 구간에서는 Manning-Stricker 공식의 결과와는 다소의 차이를 나타내는 반면에 Julien (2002) 공식의 결과와는 잘 일치하는 것을 확인하였다. 자갈, 호박돌 및 전석이 지배적인 하상재료인 연구 대상구간에서의 분석결과는 모래하천인 내성천의 경우 500<h/d₅₀<3,000 조건에서 Manning-Stricker 공식이 비교적 잘 일치한다는 연구성과(Ji, 2013)와 다른 결과를 나타내고 있다. 본 연구에서는 수심-대표입경 비(h/d₅₀)와 평균유속-마찰력 비(V/u_*)의 관계에 대한 조사범위가 작아서 경향성을 명확히 파악할 수 없었으므로 향후 입경분포 범위가 다양한 다수의 하천에 자료를 확보하여 그 관계를 규명할 필요가 있다.

하상재료는 홍수의 영향을 받는 하도에 있어서 흐름의 상황을 반영하고 있으며, 하상안정이나 하천구조물의 설치 및 하도 계획과 하도의 유지 관리의 기본적인 정보이므로 앞으로 그 중요성이 높아짐에 따라 각 조사지점의 정밀도가 높은 하상재료 샘플링 데이터의 확보가 필요하다. 또한 하천환경 특히 수생동식물의 생육·서식 환경에 있어서 하상재료를 정확히 파악할 필요가 있으므로 각각의 목적에 따른 하상재료의 조사법을 검토해 나가는 것이 절실히 요구된다.

3.3 수리특성 분석

3.3.1 세굴심 및 저수로 폭-수심의 비

세굴심(洗掘深, scour depth)은 평균하상고와 최심하상고의 차로서 나타내며, Fig. 10은 평균하상경사와 세굴심의 종단변화를 도시한 것이다. 그 값이 3 m 이상인 지점은 만곡부로서 넓고 깊은 소가 형성된 곳이며, 1 m 이하인 지점은 주로 여울이 존재하는 곳이다. 최대 세굴심이 발생하는 지점은 대상구간 중 최하류 구간에 약 90°의 만곡부로서 적벽산 절벽과 마주치는 곳으로서 넓은 고정사주가 위치하고 있다. 지배유량 유하시 평균수심은 1.86~5.87 m 정도로서 평균수심의 차이가 크게 나는 주된 원인은 지배유량 값의 변화에 따라 발생하며, 그 다음으로는 만곡부 고정사주의 소 지점, 하폭이 좁은 지점의 순으로 발생하였다.

Fig. 11은 지배유량 유하시의 저수로 폭/수심 비의 종단방향 변화를 도시한 것이다. 저수로 폭/수심 비의 평균값은 32.41이며, 최대값은 89.56, 최소값은 12.89로 분석되었다. 하류 시점으로 부터 7~27 km 구간은 산지구간이거나 전형적인 굴입하도로서 지형적으로 하폭의 발달이 제한되기 때문에 저수로 폭/수심 비가 작게 나타났다. 특히 이 구간은 하상재료가 거석이거나 기반암이 노출된 구간이 대부분이며, 저수로 폭/수심 비가 작은 곳에서는 사주가 형성되지 않거나 또는 사주의 발달이 미미할 뿐 아니라 하안의 비탈경사가 급하여 입경이 작은 유사는 퇴적되지 않았다.

3.3.2 유속과 마찰력

저수로의 규모는 저수로 폭, 유수단면적, 수심 및 평균유속에 의해 지배되는데 유속과 마찰력은 하상재료의 입경, 하상경사 및 유량에 의하여 결정된다. 하천에서 유속의 매개변수는 조도계수, 경심 및 에너지 경사이며, 마찰력의 매개변수는 경심과 하상경사이다.

Fig. 12와 Fig. 13은 하도의 지형특성 요소인 하상경사와 유수단면적 변화에 따른 유속의 종단방향 변화를 분석하여 도시한 것이다. 지배유량 유하시 세그먼트 1과 세그먼트 2의 경계점 상․하류 구간에서 유속 3.0 m/s 이상의 큰 유속이 집중적으로 발생하였으며, 이는 하상경사 뿐만 아니라 8~17 km 구간에서 유수단면적의 급격한 축소에 따른 것으로 기인한다. 수리학적으로 유수단면이 축소되는 지점의 상류 구간에는 배수위 현상에 의하여 수위가 상승하면 하류 구간의 수위와 상대적으로 큰 수위차를 유발하여 유속이 크게 발생한다. Fig.13에 나타낸 바와 같이 8~12.49 km 구간에서는 단면축소로 인하여 유속이 증가함을 알 수 있으며, 이로 인하여 Fig.12에 나타낸 바와 같이 riffle-pool의 구조보다는 step-pool의 하상구조가 발달되어 있다.

또한 Fig. 14와 Fig. 15는 하상경사와 유수단면적 변화에 따른 마찰력의 종단방향 변화를 분석하여 도시한 것이다. 지배유량 유하시 세그먼트 1과 세그먼트 2의 경계점 상․하류 구간에서는 75~150 N/m²의 큰 마찰력이 집중적으로 발생하였으며, 이는 유속의 분포와 같은 경향을 나타내었다. 반면에 비교적 하상경사가 완만하고 유수단면적이 큰 0~4 km 구간과 18~39.5 km 구간에서는 유속과 마찰력이 작기 때문에 사주가 형성되고 하안의 비탈경사가 완만하며, 호박돌 및 자갈로 된 하상에 부분적으로 모래가 퇴적되었다(Fig. 3). 또한 하폭과 하상경사가 마찰력에 미치는 영향을 파악하기 위하여 상관관계를 분석하였다(Fig. 16 및 17). 하폭-마찰력과 경사-마찰력의 상관관계가 명확하지는 않지만, 하폭-마찰력의 상관성이 경사-마찰력 보다 다소 큰 경향성을 보이는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 수리학적으로 경심 및 윤변의 기하학적 요소인 하폭의 영향이 하상경사보다는 크다는 사실을 의미한다.

4. 결  론

본 연구는 비교적 자연하천에 가까우면서 자갈, 호박돌, 전석, 기반암 등 다양한 하상재료로 형성된 산지하천의 하도특성을 분석하여 치수, 이수 및 환경적 측면에서 하도계획 및 하천관리를 위한 기초자료를 제시하였다는 데 그 의의가 있으며, 연구 내용을 간략히 요약하면 다음과 같다.

특정 재현기간 홍수량과 강턱유량을 비교한 결과에 의하면 주요 지천 합류 전․후 구간별로 재현기간 1.5년 홍수량이 강턱유량과 유사하게 나타났으므로 이 유량을 각 지점별 지배유량으로 결정하는 것이 타당할 것으로 판단되며, 재현기간 1.5년은 국내의 기존 연구성과와 거의 같은 결과를 나타내고 있다.

대상구간을 세그먼트 분류법으로 하상경사를 기준으로 분석한 결과 세그먼트 1과 세그먼트 2구간에 해당되며, 특이하게 상류보다 하류의 하상경사가 급한 것으로 나타났다. 이는 상류에서 하류로 갈수록 하상경사가 완만해지는 일반적인 경우와는 다른 하도특성이며, 산지 협곡부의 좁은 하폭에 기인하는 것을 확인하였다. 또한 하천의 종단지형 변화에 큰 영향을 미치는 하천횡단구조물이 없는 산지하천에서 여울-소의 출현빈도가 4.4로서 자연하천의 특성을 유지하고 있음을 확인하였으며, 유사한 하천의 하천복원사업 등을 위한 평가시 참조하천(reference stream)으로 활용할 수 있을 것이다.

지배유량 유하시 하상재료에 의한 흐름저항을 산정하기 위하여 수심-대표입경 비(h/d₅₀)와 평균유속-마찰력 비(V/u_*)의 관계를 분석한 결과, 입경이 비교적 균일한 모래하천인 내성천의 경우에는 Manning-Stricker 공식이 비교적 잘 일치하지만, 자갈-호박돌-전석이 지배적인 하상재료인 구간에서는 Julien (2002) 공식이 더 적합하다는 것을 확인하였다.

하상재료 조사 및 분석으로 화상처리기법을 도입하여 입도분포곡선을 작성하여 대표입경을 산정하였으며, 입경이 자갈 이상인 하천에서 수서동물 서식환경 조사 및 평가를 위해서는 오히려 기존방법에 비하여 적용성이 양호함을 확인하였다. 자갈이상의 하천에서 기존 하상재료 조사방법이 가지는 시료채취 및 분석의 한계점과 경제성 등을 감안하면 이 기법은 향후 후속적인 보완연구를 통하여 개선할 경우 유용한 방법이 될 것으로 보인다.

본 연구에서는 하나의 하천구간에 대하여 하도특성 및 수리특성을 조사․분석하였기 때문에 유사한 하도특성을 가지는 모든 하천에 대하여 설명하는 데는 한계가 있다. 향후 후속연구를 통하여 하천유형을 분류하고 유형별 하도특성을 규명하여 하천의 계획, 설계 및 유지관리를 위하여 적용할 수 있는 기준을 개발하고, 기준이나 지침에 반영할 필요가 있다.