1. 서 론

하천의 합류부는 본류와 지류가 만나 하천의 다른 지역보다 복잡한 혼합거동을 보이는 지역이다. 기존 합류부 연구들은 합류부 직후 구간(Confluence hydrodynamic zone, CHZ)의 흐름특성 및 지형학적 특성과 관련하여 연구가 시작되었다(Mosley, 1975, 1976, 1982; Ashmore and Parker, 1983; Best, 1986, 1987, 1988; Boyer et al., 2006; Best and Rhoads, 2008). CHZ에서 혼합과정 중엔 흐름이 편향되거나 분리, 가속되는 구간이 존재하며(Best, 1987; Riley et al., 2015), 본류와 지류가 완전히 혼합되지 않은 채 하류까지 이동하는 현상이 발생하기도 한다(Lane et al., 2008; Rhoads and Johnson, 2018). 혼합되지 않은 상태가 지속될 경우 하천의 좌, 우안의 수질 불균형이 일어나 수질오염감시 시스템의 신속한 대처를 불가능하게 하는 등 하천관리에 어려움이 생길 수 있다. 특히 이를 취수원으로써 사용하게 되는 정수장의 경우 지류의 합류와 인접한 취수장에서 혼합된 수체가 아닌 특정 하천의 수체만을 취수하게 될 가능성이 있다. 혼합되지 않은 수체의 취수는 자칫 부정적으로 느껴질 수 있으나 경우에 따라 상대적으로 수질이 우수한 수체취수의 가능성을 내포하고 있다.

최근 기후변화와 환경오염으로 인해 하천이 부영양화 되어 녹조가 발생해 많은 문제를 일으킨다. 이를 취수원으로 사용하는 정수장에서는 녹조로부터 이취미, 정수장의 여과지폐색, 독소(microcystin) 등과 같은 문제가 발생하고 있으며 수돗물의 품질에 큰 영향을 미쳐 많은 민원을 발생시키고 있다(Kim et al., 2009). 특히 녹조 문제는 타 수계에 비해 낙동강에서 더 심각한 것으로 알려져 있어 낙동강수계의 정수장은 위와 같은 문제로 골머리를 앓고 있다.

본 연구지역인 남강과 낙동강 합류부의 경우도 합류 하류 4.5 km 지점 우안에 칠서 정수장이 위치한다. 칠서 정수장은 마산권 전역과 일부 창원시 지역에 수돗물을 공급하는 정수장으로 하루에 44만 톤의 물을 취수하고 급수 인구는 83만 명에 이른다. 남강유역은 생활 오수 및 폐수로 인해 수질 오염이 심각한 상황이지만(Park, 1998) 남강댐의 방류수의 경우 녹조에 의한 영향이 적을 것으로 예상할 수 있다. 남강댐의 방류량이 클 때 남강과 낙동강의 합류 후 혼합되지 않은 채 하류로 이동할 경우 우안에 위치한 칠서 정수장은 남강의 수체만을 취수하게 되어 비교적 녹조에 의한 영향을 덜 받을 가능성이 있다. 하지만 현재 남강의 합류가 칠서 정수장에 끼치는 영향에 대한 연구가 미흡한 실정이다. 따라서 칠서 정수장에서 남강의 영향을 확인하기 위해서는 합류 직후 구간에 대해 상세한 수리, 수질 모니터링을 통해 혼합거동의 분석이 필요하다.

수질 인자 중 전기전도도(Electrical conductivity)를 수질 지표(Index)로 사용해 혼합경계를 확인하여 간접적으로 혼합 과정을확인할 수 있으나(Laraque et al., 2009; Pouchoulin et al., 2020) 합류부 등과 같이 횡방향으로 복잡한 거동을 보이는 경우에는 수질 인자만을 통해 혼합거동을 면밀하게 분석하기에는 한계가 있다. 따라서 전기전도도의 분포와 2차류(Secondary folw)의 분포를 연계하여 복합적으로 분석할 필요가 있다. 합류부에서 수체혼합을 면밀하게 분석하기 위해서는 합류부 인근에서의 조밀한 데이터 획득 및 분석이 필요하나 그간 대부분의 합류부 연구들은 실측에 기반한 분석의 어려움으로 인해 실내실험(Best, 1988; Best and Roy, 1991; Biron et al., 1993a, 1993b, 2002) 또는 수치모형(e.g., Bradbrook et al., 2000; 2001)에 의존하여 혼합특성을 일반화하는 연구가 수행되어 왔다. 최근 일부 연구들은 실제 합류부에서 측정을 통해 합류부의 흐름특성에 대한 연구들이 수행된 바 있으나 주로 종횡비(width/depth)가 10 미만의 작은 소하천규모에 집중되었다(Baranya et al., 2010; Martin-Vide et al., 2015; Rhoads and Johmson, 2018). 그러나 기존 연구들을 살펴보면 종횡비 100에 가까운 혼합의 공간적 규모가 큰 대하천의 경우 지금까지 도출된 혼합양상과 부합하지 않는 측면이 있었고(Parsons et al., 2007; Szupiany et al., 2009), 합류부의 다양한 특성에 따라 각기 상이한 혼합특성들을 나타냈었다. 특히 합류 전 만곡이 존재하는 합류부의 경우 만곡으로 인한 2차류의 발달이 합류 후까지 영향을 준다고 확인된 바가 있으나(Rhoads and Kenworthy, 1995; Rhoads and Sukhodolov, 2001), 국내 합류부 연구의 경우 만곡의 영향을 고려한 연구가 미흡한 상태이다. 이러한 맥락에서 국내 대하천의 경우 유황별 합류부 혼합특성을 실제 하천 모니터링을 통해 3차원적인 수리학적 거동을 통해 규명하는 연구가 부족한 실정이다. 즉, 모형실험, 소하천 등에서 일반화된 합류부 혼합특성이 실내 국내 대하천 합류부 하천환경에서도 재현 가능한지 점검된 사례가 드물었다.

따라서, 본 연구에서는 전기전도도를 수질 지표로 사용해 낙동강과 남강 합류 이후 혼합 여부를 판단하였으며 남강의 합류가 칠서 정수장에 미치는 영향을 확인하였다. 또한 2차류의 흐름 구조를 통해 혼합 과정을 면밀하게 확인하고자 하였으며 그와 동시에 대규모 하천 합류부에서 2차류의 구조를 기존 해외의 소규모 하천에서 발견된 2차류의 구조와 비교하였다.

2. 방법론

2.1 합류부 혼합 특성

혼합경계를 판단하기위해 합류 이후 수체의 혼합 거동의 수리학적 양상 중 혼합의 경계면(Shear Layer, Fig. 1)에서 나타나는 혼합직후 나타나는 2차류의 특이한 패턴이 주요 지표로 사용되고 있다(Riley and Rhoads, 2012; Rhoads and Johnson, 2018). 지금까지 연구를 통해 밝혀진 부분은 혼합직후 2차류는 양측 수류의 경계면을 기준으로 2중 나선구조(Dual helical motion)를 가지다가 혼합에 의해 경계면이 붕괴하고 혼합이 시작되며 하천지형의 만곡형상에 따란 단일나선구조(Single helical motion)이나 2차류 패턴의 소실로 나타난다. 그러나, 이러한 규칙은 주로 종횡비와 수체의 공간적 규모가 상대적으로 작은 실내실험이나 소하천 스케일에서 도출된 결과로, 대규모 하천에 대해서 전 단면에 걸친 나선형 흐름의 존재 여부와 혼합거리의 상관관계에 대해서는 아래와 같은 연구가 진행되었다. 소규모 하천의 경우 전 단면에 걸친 나선형 흐름이 대부분 존재하고, 이에 의한 혼합이 확실하지만(Lane et al., 1999, 2000, Rhoads and Kenworthy, 1999; Nikora and Roy, 2012), 대규모 하천의 경우 나선형 흐름에 의한 혼합이 지배적일 수 없고, 전 단면에 걸친 나선형 흐름의 존재 여부도 불투명하다고 제시한 바 있다(Parsons et al., 2007; Szupiany et al., 2009, 2012).

Fig. 1.

The characteristics of secondary currents observed at the confluence

ADCP 등 3차원 단면상세유속을 대하천 규모에서 측정이 가능해지면서 2차류 분포를 통해 2중 나선구조를 합류 직후 하류방향으로 연속된 단면에서 확인이 가능해졌다. 그러나, ADCP는 그간 주로 유량측정에 활용되어 왔고 공간적으로 평균된 2차류나 3차원 흐름을 도출하는 데는 추가적이고 복잡한 후처리 과정이 필요하여 확장된 활용에 장벽으로 작용해 왔다. 특히, 2차류를 정의하는 방식은 No Rotation Scheme, Zero Net Secondary Discahsrge Definition, Rozovskii Method 등 상이한 접근법이 있고 (Parsons et al., 2013), ADCP와 같은 상세 유속자료를 기반으로 공간평균적인 2차류 패턴을 유의미하게 도출하는 기법 관련 개발이 필요하다. 예를 들어 원시 ADCP자료를 주흐름방향에 직각으로 투사하여 도출되는 2차류는 공간적으로 평균되지 않고 국소적인 흐름의 복잡성에 매몰되어 일반적으로 평균적인 2차류 패턴을 찾기 힘들다(Lane et al., 1999; Rhoads and Kenworthy, 1999).

본 연구에서는 2차류의 흐름 구조를 통해 혼합 과정을 면밀하게 확인하고, 부가적으로 ADCP 자료를 활용한 2차류 정의 및 도출을 위한 방법론도 제시하였다. 본 연구에서는 결과적으로 2차류 산정방법으로 나선형 흐름을 나타내는 데 뛰어난 Rozovskii (1957)의 방법을 채택하여 별도의 후처리 알고리즘 및 툴을 개발하여 적용하였다. 이는 합류부 연구에서 2차류 정의에 주로 활용된 방식이다(Szupiany et al., 2007; Parsons et al., 2007; Rhoads and Johnson, 2018).

2.2 Rozovskii의 방법 기반 2차류 산정

ADCP 자료를 통해 2차류를 확인하기 위해서는 횡방향(Span-wise) 유속에 대한 추가적인 계산이 필요하다. Rozovskii (1957)에 의하면 2차류는 어떠한 수직 앙상블에서 수심 평균 유속 벡터에 수직하게 발생한다. 데카르트 좌표(X, Y)에서 임의의 깊이 Z에서 만곡부의 유속을 U=(Ux,Uy) 으로 나타낸다면 Zb≤Z≤Zs일 때 유속 U는 X축과 𝜑 만큼의 각도를 이룬다(Fig. 2). 그리고 수심 평균된 유속을 Um=(Umx,Umy) 으로 나타냈을 때 수심 평균 유속 Um은 X축과 𝜙 만큼의 각도를 이룬다고 했을 때 흐름 방향(Stream-wise) 유속Vp와 횡방향 유속 Vs를 삼각함수의 합차 공식을 이용해 각도 𝜙와 유속 U=(Ux,Uy)을 이용해 식을 나타내면 다음과 같다.

Fig. 2.

The Rozovskii decomposition (Morell, 2015)

수심 평균 유속과 X축과의 각도 𝜙는 다음과 같이 계산할 수 있으며 위 식은 어떠한 수직 앙상블에 대해 횡 방향 유량의 합이 0이라는 Rozovskii 방법의 핵심을 내포하고 있다.

계산된 횡 방향 유속 Vs와 연직 방향 유속을 통해 2차류를 확인할 수 있다. 실제 하천에서 2차류의 분포는 정교한 계측이 불가능하여 단면횡단의 정의에 따라 미소하게 변화할 가능성이 있기에 계측 컨디션에 맞는 옵션을 설정 가능한 프로그램을 사용하여야 한다. Rozovskii 방법을 적용한 2차류의 분석은 VMT (Velocity Mapping Toolbox)와 같은 수리 데이터 분석 프로그램에 활용되고 있으며(Parsons et al., 2013) 본 연구에서는 ADCP 계측 데이터의 수리 데이터 분석 프로그램인 VMS (Velocity Mapping Software, Kim et al., 2015)를 사용해 분석하였다.

3. 대상 지역 및 수리 조건

3.1 대상 지역

본 연구의 대상 지역은 경상남도 함안군 대산면의 낙동강과 남강 합류부로 상세한 모니터링을 위해 3일에 나누어 계측을 진행하였다(Fig. 3). 2016-4-28(Day 1)에는 낙동강 본류의 상류를 계측하였고, 2016-4-29(Day 2)에는 남강 지류의 상류를 계측하였다. 2016-4-30(Day 3)에는 낙동강 남강 합류 후의 하류를 계측하였다. 아래의 빨간색 상자로 표시된 구역은 낙동강과 남강의 수리학적인 혼합이 복잡하게 일어나는 합류 직후로 해당 위치(Sec.4~Sec.6)에서는 특별하게 3일 모두 계측을 진행하였다.

Fig. 3.

Measurement locations at the confluence of Nakdong River and Nam River

본 연구에서는 2차류와 전기전도도의 분포를 확인하기 위해 이동식 계측 방법을 활용하여 수리 센서인 ADCP와 수질 센서인 YSI-EXO를 동시에 측정하였다. 계측 방법은 보트 측면에 ADCP와 YSI-EXO를 장착하여 측선의 설치 없이 보트를 이용하여 흐름에 직각인 방향으로 좌안에서 우안으로 이동하며 동시에 측정을 진행하였다. 이때 ADCP와 YSI-EXO는 수표면에서 10 cm 깊이에 고정하였고 하천의 횡단 시 실시간으로 GPS를 확인하며 계측을 진행해 정확도를 높였다. 또한, 상세 모니터링이 필요하다고 판단된 위치(Sec.4, 6, 7, 9)에서는 Day 3에 단면의 좌, 중, 우에 수질센서를 연직방향으로 내려 전기전도도를 측정하였다.

3.2 계측 시기 수리 조건

Day 1 계측의 경우 강우 직후에 진행되었으며 낙동강 본류와 남강 지류 모두 유량이 크고 유속이 빠른 상태이다. Day 2의 경우 낙동강 본류의 유량과 유속이 조금 감소 하였지만 남강의 유량과 유속은 증가하였다(Table 1). Day 3의 경우 본류와 지류의 계측이 진행되지 않아 유량 및 유속을 획득할 수 없었지만, 계측 기간 3일동안 남강댐의 방류량이 지속적으로 증가한 것(Fig. 4)을 통해 남강의 유량 및 유속은 증가했을 것으로 예상할 수 있다. 유량 비와 모멘텀 비는 낙동강 본류에 비해 남강의 유량과 운동량이 얼마나 되는가를 의미하며 아래와 같이 계산할 수 있으며, 남강댐의 방류량 증가로 인해 모멘텀 비가 증가하는 추세를 보인다.

Fig. 4.

Outflow volume from Nam River Dam during the measurement period

4. 연구결과

4.1 드론 모니터링 자료

해당 계측이 진행된 시기에는 남강의 준설공사로 인해 유사가 많이 발생해 갈색 빛을 보인다. 그로 인해 드론영상을 통해 남강과 낙동강의 합류 양상을 육안으로 대략적인 파악이 가능하였다. 드론을 통해 확인했을 때 Day 1(Fig. 5(a))에 우안으로 유사가 합류하는 것을 확인할 수 있으며, 하류로 이동함에 따라 우안으로 유사가 수렴하는 형태를 보인다. Day 2(Fig. 5(b))도 마찬가지로 유사가 우안으로 합류하지만 Day 1에 비해 남강의 유량과 유속의 증가로 인해 운동량이 커져 조금 더 좌안까지 유사가 확인된다. 하지만, 하류로 이동함에 따라 우안으로 유사가 수렴하는 형태는 유사하다. Day 3(Fig. 5(c))의 경우 남강댐의 방류량이 최대가 된 후로 남강의 운동량이 가장 강한 시기로 유사가 낙동강의 좌안까지 닿는형태로 확인된다. 이미 수표면에서 남강의 유사가 좌안까지 닿아있는 상태로 하류로 이동함에 따라 어떻게 변화하는지는 확인이 힘든 형태이다. 드론 영상의 경우 수표면에서 유사의 거동을 확인하는 것이기에 혼합 거동을 3차원적으로 분석하기에는 한계가 있다. 따라서 본 드론영상과 수질, 수리 자료를 연계해 혼합거동을 분석할 필요가 있다.

Fig. 5.

Drone image of the confluence of Nakdong River and Nam River during the measurement period

4.2 전기전도도, 수온의 분포

전기전도도의 분포는 3일에 걸쳐 합류 직후 1개 단면(Sec. 4)에 대해 횡단하여 계측을 진행하였으며, Day 3에는 하류로 이동하며 칠서 정수장 인근까지 3개의 단면(Sec. 7, 8, 9)에 대해 추가적으로 계측을 진행하였다. 또한 Day 3에는 세밀한 연직 방향으로 모니터링이 필요하다고 판단된 단면(Sec. 4, 6, 7, 9)의 좌, 중, 우위치에서 연직 방향으로 수질 센서를 내려 전기전도도를 계측하였다. 해당 계측 기간 낙동강과 남강의 수온 차는 1°C 미만으로 미미하였다. 또한 합류 전 낙동강의 전기전도도는 300 µS/cm 가량, 남강의 전기전도도는 100 µS/cm 가량으로 전기전도도의 차이가 뚜렷하게 나타나 수온보다는 전기전도도를 통한 수체 혼합의 분석이 더 합리적인 것으로 판단하였다. 실제 결과를 보면(Fig. 6(a)) 수온의 경우 Day 1과 2에 우안 위치에 남강의 합류가 확인되지만 Day 3의 경우 수온 차가 전혀 발견되지 않았다.

전기전도도의 경우 3일 모두 낙동강과 남강의 경계에서 확연하게 차이가 발생해 전단경계의 위치를 파악하기 용이하였다 (Fig.6(b)). Day 1의 경우 남강이 유입되는 위치인 우안에 위치한 전단 경계가 Day 2에는 하천의 중앙쪽으로 이동하였다. Day 3에 가서는 경계가 오히려 좌안에 가까운 위치로 경계가 이동하였다. 낙동강과 남강의 경계가 좌안으로 이동하는 것은 남강의 운동량이 3일에 걸쳐 증가하기 때문이고, 이는 드론 영상(Fig. 5)을 통해 확인한 경향과 일치하였다.

Fig. 6.

Temperature (a) and electrical conductivity (b) at the confluence cross-section during a 3-day measurement period

Day 3에 하류로 이동하며 추가적인 횡단 계측을 진행한 결과 낙동강과 남강이 완전히 합류하지 않은 채 하류까지 이어진 상태임을 확인할 수 있었다(Fig. 7). 합류 전 100 µS/cm 정도 수치의 전기전도도 값을 보인 남강은 하류의 Sec. 7과 Sec. 8로 이동함에 따라 낙동강 본류와의 혼합이 진행되어 250 µS/cm 정도 수치까지 수치가 상승했지만, 아직 낙동강 본류의 수치인 300 µS/cm 에는 미치치 못하였다. Sec. 7과 Sec. 8의 경우 우안으로 갈수록 전기전도도가 서서히 감소하는 형태를 보이는데, 이는 낙동강과 남강의 경계에서 천천히 혼합이 진행되고 있으며, 우안에 인접한 수체는 남강의 수체인 것으로 볼 수 있다. 특히 좌안 부분은 합류 직후부터 하류까지 300 µS/cm 정도의 수치 즉, 낙동강 수체만이 존재하는 구역이 좌안으로부터 10~40% 위치에 지속적으로 존재하는데, 합류 직후(Sec. 4, 6)보다 하류로 이동함에 따라(Sec. 7, 8) 그 영역이 조금씩 넓어지는 현상을 확인할 수 있다. 이는 남강의 수체가 존재하는 범위가 점차 좁아지는 것으로 해석할 수 있다. Sec. 9 위치는 만곡의 방향이 바뀌는 변곡점의 위치로 기존 만곡의 영향이 줄어들어 우안의 전기전도도가 급격하게 증가하고, 좌안과 우안의 전기전도도가 작은 차이를 보여 혼합이 완료된 것으로 판단할 수 있다. Sec. 8과 Sec. 9 사이에는 칠서 정수장이 위치하는데, Sec. 8 위치까지 우안의 전기전도도는 150 µS/cm 정도를 유지하는 것을 통해 보면 칠서 정수장에서는 남강의 수체를 취수하는 상태임을 확인할 수 있다.

Fig. 7.

Electrical conductivity at the downstream cross-section after confluence on day 3

정리하자면, 합류 직후에 낙동강과 남강의 경계가 확인되었고, 그 경계가 하류로 이동함에 따라 우안 방향으로 이동하였는데, 이는 혼합이 진행되는 것이 아닌 오히려 혼합이 방해되는 방향의 움직임이다. 남강의 전기전도도는 합류 전 150 µS/cm 정도로 낮았고 하류로 이동하며 전 단면의 평균적인 전기전도도가 점점 높아졌으나 좌안의 명확한 낙동강 수체의 전기전도도와 비교했을 때 혼합이 더딤은 명확하다.

이는 연직 전기전도도의 자료(Fig. 8)를 통해 확인했을 때 명확히 드러나는 특성이다. 수표면 인근에서 측정된 드론 영상 Fig. 5(c)로 봤을 때 남강 수체로 인해 횡방향 혼합이 상당부분 좌안으로 진행된 것처럼 보이나, 연직 전기전도도 Fig. 8(a)를 통해 확인했을 때 수심 4 m부터 7 m까지는 여전히 낙동강의 수체이며, 표층으로부터 4~5 m 가량이 남강의 수체임을 확인할 수 있다. 좀더 하류인 Fig. 8(b)에서 계측한 연직 전기전도도를 확인했을 때 중앙과 우안 지점의 남강의 수체 범위는 2 m 가량으로 줄어든 것을 확인할 수 있다. Fig. 8(c)에서는 극단적으로 좌, 중, 우안에서 낙동강, 혼합중, 남강 순으로의 수체가 뚜렷하게 구분된다. Fig. 8(d)에 이르러서 다시 혼합이 촉진되어 좌, 중, 우안의 전기전도도가 연직방향으로 유사해졌으며 이는 혼합이 완료되었음을 의미한다. 하류로 이동할수록 혼합은 진행되는 것이 일반적이나 본 계측 결과는 그와 상반되는 혼합이 역행하는 결과를 보였다. 하지만, 수질 인자를 통해서는 혼합이 역행하는 현상의 확인은 가능하나 설명은 불가능하기에 2차류의 분석을 통해 원인을 분석할 필요가 있다.

Fig. 8.

Vertical electrical conductivity (Right) profiles at the downstream cross-section after confluence on day 3

4.3 2차류의 분포

ADCP 계측 결과를 토대로 2차류를 도시한 결과 합류 전(Sec. 1, 2)에는 시계 방향 흐름이 존재하는 것을 확인할 수 있다 (Fig. 9(a)). 이는 일반적으로 하천의 만곡에서 나타나는 흐름의 형태인데 (Fig. 1), 현장 관측 시기 강우로 인해 시계 방향의 흐름 또한 평시에 비해 강해진 것으로 확인할 수 있다.

합류 직후의 경우 낙동강 본류와 남강 지류가 만난 전단 경계에 2중 나선형 구조(Dual Helical Motion)을 형성하는 것을 확인할 수 있다. 2중 나선형 구조의 존재는 해당 구조를 경계로 본류와 지류가 혼합되지 않은 상태임을 의미한다(Riley and Rhoads, 2012). 이때 지류 남강 운동량 합류의 영향은 Figs. 9(a) and 9(b)에서 Sec. 3, Sec. 4와 같이 반시계방향의 2차류로 나타났다. Day 1에 남강의 유입부인 우안쪽에 형성된 2중 나선형 구조는 Day 2에 좌안에 가깝게 위치한다. Day 3의 경우 합류 직후 합류 전 확인 되었던 시계 방향과 정반대의 반시계 방향의 흐름이 발생했다. 이는 남강의 모멘텀 증가로 인해 전단 경계를 형성하지 못하고 전 단면에 걸쳐 남강의 합류가 영향을 주는 것으로 확인된다. 이 경우 2중 나선형 구조가 형성되지 않았으며 남강의 모멘텀으로 인해 단일 나선형 흐름이 존재하였다. 단면 평균 횡 방향 유속의 크기가 합류 직후(Sec. 3) 둘째 날(Fig. 9(b)) 2.1 cm/s에서 셋째 날(Fig. 9(c)) 2.5 cm/s까지 증가한 것을 통해 남강의 모멘텀 증가로 인해 2차류의 강도가 강해진 것을 확인할 수 있다. 우안에서 발생한 2중 나선형 구조가 좌안으로 이동해 소멸하는 3일간의 변화는 드론 영상과 수질의 횡단 자료를 통해 확인한 결과와 유사한 경향을 보인다. 드론 영상(Fig. 5)의 경우 우안에 존재하던 유사가 3일에 걸쳐 점차 좌안으로 이동하여 결국 닿는 형태를 보였고, 전기전도도(Fig. 6)의 경우 전기전도도가 크게 변화하는 위치가 3일에 걸쳐 우안에서 좌안으로 이동하였다. 따라서, 드론 영상과 수질 자료를 2차류와 함께 비교했을 때 2차류를 통해 흐름의 경계를 파악하거나 혼합 방향의 확인이 가능함을 확인하였다.

2차류의 분포(Fig. 9)에서 주의 깊게 보아야 하는 부분은 합류 전 존재하는 시계방향의 흐름의 회복이다. 3일간의 Sec. 3와 Sec. 4 2차류에서 확인할 수 있듯이 남강의 합류로 인한 흐름은 반시계 방향의 흐름이다. 이러한 반시계 방향의 2차류 흐름의 세기에 따라 전단 경계에서 2중 나선형 구조가 형성되거나 반시계 방향의 흐름만이 전 단면에 대해 존재하기도 하였다. 그러나 합류 후 남강의 합류로 인한 영향이 줄어드는 Sec. 5 이후의 단면의 경우 모두 낙동강 만곡의 형상을 고려한 고유한 시계 방향의 흐름을 회복한 것을 확인할 수 있다. 또한, Day 3의 계측 결과를 보면, 시계 방향의 흐름은 Sec. 7 단면에서 가장 강하게 발현된 후 칠서 정수장을 지난 하류(Sec. 9)까지도 강도는 작아지더라도 지속적으로 존재한다. 만곡으로 인한 시계 방향 흐름이 발생할 경우(Day. 1, Day. 2-Sec. 5, Day. 3-Sec. 6, Fig. 9) 시계 방향 흐름의 발달로 인해 그 다음 단면에서는 단면 평균 2차류의 유속이 증가하거나 일정하게 유지되는 현상을 관측하였다(Day. 1, Day. 2-Sec. 6, Day. 3-Sec. 7, Fig. 9). 이는 남강 지류의 합류로 인한 운동량은 합류 직후 Sec. 4에서 소산되고 다시 만곡으로 인한 반시계 2차류가 수체 혼합에 지배적임을 의미한다. 이러한 2차류 흐름의 시계방향은 남강의 합류로 인해 혼합을 촉진시키는 반시계 방향과 반대이므로 지류와 혼합 자체를 방해하는 방향의 흐름이기 때문에 횡단 전기전도도(Fig. 7)와 연직 전기전도도(Fig. 8)에서 확인된 혼합이 역행하는 현상의 원인으로 판단된다. Sec. 9 위치는 만곡의 방향이 바뀌는 변곡점의 위치로 혼합을 방해하는 시계 방향 흐름이 약화되고 국지적인 흐름이 발생해 혼합이 다시 급격하게 진행되었으며 이는 횡단 전기전도도(Fig. 7), 연직 전기전도도(Fig. 8)를 통해 확인한 혼합 완료 시점과 동일하다.

Fig. 9.

Secondary flow during a 3-day measurement period

2차류 분석 결과 본 지역에서 발생하는 만곡에 의한 흐름의 방향은 낙동강과 남강의 혼합을 역행시키는 방향으로 존재한다고 해석할 수 있다. 해당 계측 시기의 경우에는 낙동강과 남강의 수온차가 1 ℃ 미만으로 미미한 상태임에도 칠서 정수장 인근까지 혼합이 완료되지 않은 상태이다. 낙동강과 남강의 수온차가 더 크게 날 경우 밀도차로 인해 혼합이 더더욱 방해될 것으로 예상된다.

5. 결론 및 향후 연구

본 연구는 낙동강 남강 합류부에서의 수체 혼합 과정을 3일간의 수리, 수질 계측 자료를 통해 분석하였다. 본 연구에서 얻은 성과의 요약은 다음과 같다.

1) 합류 직후의 2중 나선형 구조, 합류 전의 단일 나선형 구조 등 해외의 중소규모의 하천에서 확인되었던 2차류의 패턴을 국내의 대규모 하천에서 그 존재를 확인하였다. 특히 2중 나선형 구조가 본류와 지류의 전단 경계에 존재했으며 드론 영상과 전기전도도의 분포를 통해 확인한 위치와 유사하였다.

2) 전기전도도의 분포를 통해 낙동강과 남강의 수체가 합류 이후 Sec. 9 까지 혼합되지 않음을 확인하였다. Sec. 8 까지 좌안의 전기전도도는 150 µS/cm를 유지하는 것을 통해 칠서 정수장의 취수원이 남강의 수체에 가까운 것을 확인하였다.

3) 수질 및 드론 영상만으로는 설명할 수 없는 혼합이 진행되지 않는 이유를 2차류의 흐름 분포 분석을 통해 밝혀냈다. 본 연구에서는 지류의 합류로 인한 흐름의 방향과 만곡으로 인한 흐름의 방향이 반대 방향으로 존재했으며, 이 흐름으로 인해 혼합이 역행하는 것을 확인하였다. 본 결과는 지형적인 요인이 혼합거동에 미치는 영향이 지대함을 의미하며, 다른 만곡 하천 합류부에서 적용 가능할 것으로 기대된다.

본 연구는 국내 대규모 하천에서 수체혼합 과정을 전기전도도의 분포와 2차류의 분포를 통해 수리학적으로 분석하였으며, 낙동강과 남강 합류부 하류에 위치한 칠서 정수장 취수원의 기원을 확인하였다. 특히, 나선형 구조를 통해 지류의 합류로 인한 혼합현상을 정석적으로 분석하였다. 본 연구 결과에 따르면 남강댐의 방류량이 충분하여 모멘텀 비가 1.65 이상이 될 경우 칠서 정수장에서는 비교적 녹조의 영향이 적은 남강댐의 방류수를 취수할 가능성이 있다. 하천의 합류부에서의 혼합은 오직 2차류에 기인하여 진행되지 않는다. 따라서, 향후 연구에서는 하천 간 전단 경계에서의 난류에너지, 단면별 흐름방향 유속 분포 등과 같은 분석을 추가로 진행해야 하며, 하천 합류부에서 혼합의 정도 혹은 강도를 평가할 방안에대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.