1. 서 론

자연하천의 형태는 자연적 또는 인위적 영향에 의해 시공간적으로 끊임없이 변화한다. 특히, 대부분의 하천은 본류와 지류로 구성되어 합류부 구간이 존재하며 이 구간에서는 매우 복잡한 흐름특성이 발생한다. Best (1987)는 합류부 구간에서 일반적인 흐름구조를 제시하였으며 지류가 합류되는 구간에서 흐름 정체구역(Stagnation zone), 합류부 내측의 흐름박리구역(flow separation zone), 본류와 지류 합류지점에서 발생하는 최대 흐름구역(maximum velocity zone)과 두 흐름 사이에서 발생하는 전단층 구역(shear layer zone) 그리고 합류부 하류의 회복구역(flow recovery zone)으로 구분될 수 있다고 하였다. 합류부 구간에서 흐름특성 변화는 지류 합류각, 지류 유입유량, 하폭 등 여러 가지 요인에 의해 영향을 받는다. 4대강 살리기 사업으로 본류의 대규모 준설이 이루어져 본류와 지류하상의 급격한 단차가 발생하였고 지류구간에 침식 그리고 합류부 본류 구간에 퇴적이 나타나는 등 합류부 구간에서 퇴적 및 하상저하가 두드러지게 발생하고 있다. 이와 같이 합류부 구간에서 흐름변화 및 하상변동은 하도의 안정성에 영향을 미칠 수 있으며 하안침식으로 인한 제방붕괴 등의 문제를 야기할 수 있다. 또한 합류부 구간의 과도한 퇴적은 하폭을 감소시켜 홍수 시 통수능의 변화를 야기하여 합류부 구간에서 범람 피해를 발생시킬 수 있다. 따라서 효율적인 하도관리를 위해서 하도 안정성에 민감한 반응을 보이는 합류부 구간에 대한 흐름 및 하상변동 특성에 대한 정량적인 분석이 사전에 검토되어야 한다.

국내외에서 합류부 구간의 흐름특성 및 하상변동에 대한 연구는 1980대부터 꾸준히 수행되고 있으며 주로 현장조사, 수리실험, 수치모형을 이용한 연구가 수행되었다. Best (1988)은 현장조사와 실내수리실험을 통하여 합류부 구간의 흐름 및 지형변화에 대하여 연구를 수행하였으며 본류와 지류의 다양한 유량비, 지류 합류각에 의한 영향을 검토하였다. 그 결과 유량비와 합류각의 변화에 따라 합류부 구간에서 사주의 형성과 발달, 세굴심 및 위치에 영향을 미치는 것으로 나타났다. Leite Ribeiro et al. (2012)는 스위스 Upper Rhone강과 Borgne강의 합류부 구간을 대상으로 실내수리실험을 수행하였다. 본류 Upper Rhone강은 수심이 매우 깊으며 지류 Borgne강은 수심이 낮고 경사가 매우 급하여 합류부 구간에서는 하상고 불일치가 발생하고 흐름은 2층 구조로 형성된다. 실험결과 지류에서 공급되는 자갈입자가 합류부 구간에 퇴적되어 합류부 내측에 고정사주를 형성하였고 이로 인해 통수단면적이 감소되고 바닥근처의 유속을 가속화시켜 본류의 유사이송을 증대시키는 역할을 하였다. Riley et al. (2012)는 만곡하천에서 지류가 연결되는 합류부 구간에 대하여 현장계측을 통한 연구를 수행하였다. 합류부 구간에서 ADCP (acoustic Doppler current profiler)를 활용하여 3차원 유속 및 지형자료를 취득하였고 본류와 지류의 운동량 플럭스 비(Momentum flux ratio)에 따른 이차류(Secondary current) 특성과 세굴 및 사주형성 패턴을 제시하였다. Jang et al. (2006)은 2차원 수치모형인 SMS (Surface-Water Modeling System)을 활용하여 금강과 미호천 합류부 구간에서 본류와 지류 유량비에 따른 하상변동 특성을 검토하였다. 유량비가 감소함에 따라 본류에서 합류부 전 구간은 침식이 지배적이며 합류 후 구간에서는 퇴적이 증가하는 것으로 나타났다. Ji and Jang (2014)은 2차원 흐름 및 하상변동 수치모형인 CCHE2D (Center for Computational Hydroscience and Engineering 2-Dimension)를 활용하여 남한강과 금당천 합류부 구간에서 지류 유입유량 변화에 따른 흐름특성 및 하상변동을 수치모의하여 분석을 수행하였다. 합류부 구간에서 지류 유입유량이 증가할수록 지류의 하도 침식이 가속화되고 이는 유사이송량을 증대시켜 합류부 구간에 퇴적이 발생하는 것으로 나타났다. 또한 합류구 구간 퇴적으로 인해 본류 좌안의 하상저하 현상을 야기하였다. Choi et al. (2015)는 CCHE2D를 활용하여 합류부 구간에서 지류의 합류각, 지류와 본류의 유량비에 따른 두부침식 양상과 박리구간의 특성을 분석하였다. 합류각, 유량비에 따라 두부침식 깊이비 및 천급점 이동거리비는 증가하였으며 박리구간의 길이비 및 폭비도 증가하는 것을 확인하였다. 이와 같이 합류부 구간의 연구들은 대상구역의 특성 및 연구방법에 따라 조금씩 상이한 결과가 제시되었고, 특히 하상변화 특성에 대한 명확한 경향을 도출하기에는 한계가 있는 것으로 나타났다. 그러나 지금까지 연구결과에서 지류와 본류의 유량비와 지류의 합류각은 합류부 구간의 흐름 및 하상변동 특성에 영향을 주는 지배적인 인자인 것으로 확인되었다. 이에 본 논문에서는 4대강 살리기 사업 후 합류부지점에 퇴적이 지배적으로 발생하고 있는 대표적인 구간인 남한강과 섬강 합류부 구간을 대상으로 지류와 본류의 유량비에 따른 흐름 및 하상변동특성을 2차원 수치모형을 활용하여 검토해보고자 한다.

본 연구에서는 지류합류부 구간의 흐름 및 하상변동특성을 분석하기 위해 CCHE2D를 이용하였으며 먼저 4대강 살리기 사업 후 수행된 지형 모니터링 자료를 활용하여 하상변동 결과에 영향을 줄 수 있는 매개변수들에 대한 검토를 수행하였다. 이를 토대로 합류부구간의 수치모의를 수행하여 지류와 본류의 유량비에 따른 흐름특성변화와 합류부 구간의 하상변동 양상을 분석하였다. 마지막으로 하상변동 수치모의 결과를 활용하여 합류부 구간에서 유량비에 따른 퇴적면적 및 퇴적량 특성을 검토하였다.

2. 수치모형 적용성 검토

2.1 대상구간

남한강은 강원도 태백시 창죽동 대덕산(E.L. 1,370 m) 남쪽 금대봉 검룡소에서 발원하여 남서류하다 많은 지류들을 지나면서 충청북도를 경유하여 경기도 양평군 양수리에서 북한강과 합류하여 한강으로 흘러들어간다(Encyclopedia of Korean Culture). 길이는 375 km이며, 유역면적은 1만 2,577 km²이다(Encyclopedia of Korean Culture).

남한강 제1지류인 섬강은 유역면적 1,479 km², 유로연장 100.7 km의 대규모 하천으로 강원도 횡성군 청일면에서 발원하여 흘러오다 강원도 원주시 문막읍에 위치한 남한강 우안측으로 합류한다(MOCT, 2002). 특히, 지류 섬강은 남한강 만곡부에 합류하는 특성을 보인다. 남한강 합류부 구간은 4대강 살리기 사업으로 준설이 이루어져 하상이 저하되었으나 이후 합류부 내측에 유사가 퇴적되어 고정사주(point bar)가 발달하였다(Fig. 1). 남한강 본류에 대하여 하폭은 합류 전에는 430 m, 합류 후에는 242 m이며, 지류 섬강의 평균 하폭은 135.8 m이다. 또한, 하상경사는 남한강 본류에서 0.00024이고, 섬강에서 0.00166으로 지류 섬강의 하상경사가 본류보다 급하다.

Fig. 1.

Study reach of river confluence in the Namhan River and Seom River (Daum map)

2.2 수치모형

2.2.1 수치모형의 개요

CCHE2D모형은 NCCHE (National Center for Computational Hydroscience and Engineering of University of Mississipi)에 의해 개발된 수심 적분된 2차원 수치모형으로 개수로 흐름과 하상변동 해석이 가능하다. 흐름해석 모형은 천수방정식을 지배방정식으로 비정상 흐름을 계산할 수 있고 각종 수리구조물을 고려할 수 있으며 홍수 시 수위가 상승하였다가 하강하면서 발생하는 하안 및 사주 등에서의 마름과 젖음 영역을 다루기 위해 잠김/드러남 기법을 사용한다. 또한 국지적인 사류 및 천이구간의 해석이 가능하다. 하상변동 해석은 2차원 이송-확산방정식 및 유사이송 방정식을 적용하여 비평형 유사이송을 계산하고 입도분포 입력이 가능하다. 유사이송 형태는 소류사, 부유사 그리고 총유사 이송형태에 대하여 모의가 가능하며 SEDTRA Module (Garbrecht et al., 1995), Ackers and White (1973), Engelund and Hansen (1967), Wu et al. (2000)과 같은 4가지 공식이 사용된다. 그러나 총유사 이송형태의 경우 Wu et al. (2000) 공식만 사용이 가능하다.

2.2.2 입력조건

수치모의를 위한 지형자료는 2012년 4대강 살리기 사업 이후 측량된 지형자료를 활용하였으며 CCHE2D MESH generator 프로그램에서 Structured 기법을 적용하여 각 요소망의 절점에서 선형 보간하여 초기지형을 구축하였다(Fig. 2). 수치모형의 검토를 위해 모의구간의 선정은 상하류 경계조건을 고려하였으며 남한강 본류의 유입유량은 남한강대교 관측소 자료을 이용하였고 하류경계조건은 남한강교 관측소로 하였다. 상류경계에서 하류경계인 남한강교까지는 약 8.96 km이며, 지류 섬강 유입경계에서 합류지점까지는 약 1.47 km이다. 지류 섬강의 유입유량은 문막교 관측소자료를 활용하였다.

Fig. 2.

Initial bed elevation of the Namhan River and the Seom River

수치모의를 위한 계산격자는 남한강 본류 101,500개, 섬강 지류 7,650개로 총 109,150개로 구성하였으며, 평균격자 크기는 흐름방향으로 7.7 m, 횡 방향으로 8.9 m이다. 난류모형 조건은 Smagorinsky (1963)를 사용하였고 잠김/드러남 조건의 기준은 0.05 m로 설정하였다. 모의구간의 조도계수는 하천기본계획(MOLIT, 2009)을 참고하여 본류와 지류에 0.03을 적용하였고 평균입경은 남한강과 섬강의 대표입경의 평균값인 10.75 mm를 사용하였으며 비중은 2.65를 사용하였다.

흐름 모의조건은 4대강 살리기 사업 후 해당구간의 수위관측소에서 실측수문자료 취득이 가능한 2012년 5월 1일부터 2013년 12월 31일까지로 설정한 결과이다(Fig. 3). 수문자료는 한강홍수통제소(Han River Flood Control Office)에서 제공하는 자료를 활용하였다. 수치모형의 검토를 위해 해당기간을 설정한 이유는 4대강 살리기 사업 후 남한강 본류와 섬강 지류에 큰 홍수사상이 여러 차례 발생하여 합류부 구간의 하상변화에 영향을 미쳤을 것으로 판단되었기 때문이다. 대표적으로 2012년 8월 31일에 남한강 본류유량(Q₁)이 3,869.12 m³/s, 섬강 지류유량(Q₂)이 888.3 m³/s가 발생하였으며 지류 유입유량과 본류유입유량의 비(Q_r)는 0.23에 해당하였다. 또한, 2013년 7월 15일에는 남한강 본류유량(Q₁)이 502.18 m³/s, 섬강 지류유량(Q₂)이 3,354.6 m³/s가 발생하였으며 지류유량과 본류유량의 비(Q_r)는 6.67에 해당하였다. 이와 같이 대상구간의 유량비(Q_r)는 다양한 범위에서 변화하는 것으로 나타났다.

Fig. 3.

Discharge hydrograph and water surface level hydrograph. Hydrological data was obtained from the Han River Flood Control Office (HRFCO)

유입 유사량 경계조건을 입력하기 위해 남한강 본류의 경계에서는 여주지점의 유량-유사량 관계식을 사용하였으며 섬강 지류의 경계에서는 문막지점의 유량-유사량 관계식을 사용하여 유입 유사량 조건을 부여하였다. 추가적으로 섬강 합류부 하류의 남한강 본류 좌안에 청미천이 합류된다. 이에 따라 청미천 합류부 지점에서 원부교 지점의 유량 및 유량-유사량 관계식을 활용하여 경계조건을 적용하였다.

유입 유사량 경계조건을 입력하기 위해 남한강 본류의 경계에서는 여주지점의 유량-유사량 관계식을 사용하였으며 섬강 지류의 경계에서는 문막지점의 유량-유사량 관계식을 사용하여 유입 유사량 조건을 부여하였다. 추가적으로 섬강 합류부 하류의 남한강 본류 좌안에 청미천이 합류된다. 이에 따라 청미천 합류부 지점에서 원부교 지점의 유량 및 유량-유사량 관계식을 활용하여 경계조건을 적용하였다.

2.3 대상구간 하도변화 특성

하도의 변화를 파악하기 위해서는 하도의 평면 경년변화 특성을 정량적으로 이해하는 것이 중요하다. 4대강 살리기 사업 전후로 지형자료가 부족하여 다음지도(Daum Map)에서 제공하는 2011년, 2012년, 2015년 항공사진을 활용하여 섬강 합류부 구간의 하도변화 특성을 파악하였다. Fig. 4는 2011년∼2015년 섬강 합류부 구간의 지형변동을 보여주고 있다. 2011년에는 4대강 살리기 사업으로 남한강 본류가 준설되어 합류부 지점에 퇴적현상을 보이지 않았다. 2012년에는 합류부 내측에 유사퇴적이 발생하여 고정사주가 발달하기 시작하는 양상을 보였다. 이는 2012년 7월∼10월 사이의 남한강 본류 및 섬강 지류의 유황변동에 의한 영향으로 판단된다. 2013년과 2014년에는 섬강 합류부 구간의 항공사진을 제공하지 않아 2015년에 촬영된 항공사진으로 비교하였다. 2012년 항공사진과 비교해보면 2013년부터 2015년 사이에 합류부 유사퇴적이 증가하여 사주의 면적이 증가하였다. 섬강 합류부 고정사주의 발달은 점점 남한강 본류의 내측방향으로 진행되고 있어 본류 주수로의 하폭이 감소하고 있음을 확인할 수 있다.

Fig. 4.

Aerial photographs (2011, 2012, 2015) of a field site (Daum map)

Fig. 5는 한국수자원조사기술원의 측량자료(2011년~2014년)를 활용하여 남한강 본류의 No. 153에서 횡단면 하상고 경년변화를 보여주고 있다. No. 153은 합류부 유사퇴적이 발생하여 고정사주가 발달한 지점에 해당한다(Fig. 1). 하상고 실측 경년변화를 보면 2012년에는 하상고 변화가 미미하게 나타났다. 이는 Fig. 4에서 2012년 유사퇴적이 합류부에서 발달하기 시작한 것과 다소 상이하다. 그 이유는 No. 153 측선이 고정사주가 발달한 지점과 차이가 있거나 2012년 모니터링 시점이 큰 홍수 발생 이전인 것으로 추측된다. 2013년에는 합류부에 유사퇴적이 급격히 증가한 것을 확인할 수 있다. 퇴적된 하상고는 약 3.5 m 증가하였으며 이후 2014년에는 하상고 변화가 거의 발생하지 않은 것으로 나타나 사주가 안정화된 것으로 판단된다. 합류부 구간의 퇴적발생으로 유발된 고정사주 발달은 복합적인 원인일 수 있지만 주요인은 Fig. 3에서 확인된 바와 같이 합류부 구간에서 유황변동에 의한 영향이 가장 큰 것으로 생각된다.

Fig. 5.

Channel cross-section profiles at No. 153. Bed elevation data was obtained from the Korea Institute of Hydrological Survey (KIHS)

2.4 입력변수 민감도 검토

CCHE2D 모형을 이용한 비평형 상태의 유사이송에 의한 하상변동 모의를 위해 이와 관련된 중요한 입력변수가 존재한다. 대표적으로 비평형 소류사 조정거리(L)과 비평형 부유사 조정거리(α)가 있으며 이 값들의 변화에 따라 하상변동 특성이 다르게 나타난다. L은 비평형 상태의 소류사가 평형 상태가 되기 위해 필요한 거리로 하상의 형태에 따라 변화한다. L은 하폭, 사주(bar), 사구(dune), 사련(ripple)의 길이에 비례하며, 사구가 지배적인 경우에는 사구의 7.3배, 교호사주가 발달하는 하천에서는 사주의 길이를 L값으로 사용할 수 있다. 그러나 이러한 하천의 하상형태에 대한 정보가 없는 경우에는 평균계산격자의 크기(△x)의 2배의 값이 사용될 수 있다(Rahuel et al., 1989). α는 비평형 부유사 조정거리로 Wu and Li (1992)에 따르면 세굴이 강하게 발생하는 조건에서 α=1.0, 퇴적이 심하게 발생하는 조건에서 α=0.25 세굴과 퇴적이 발생하는 조건에서 α=0.5를 사용할 수 있다고 제안하였다. 또한 유사농도가 크게 발생하고 침식과 퇴적이 주기적으로 발생하는 조건에서는 α=0.001과 같이 매우 작은 값을 사용해야 한다고 하였다.

하상변동과 밀접한 관련이 있는 대표적인 입력변수에 대한 민감도분석이 수행되었다. 분감도 분석을 위해 대상구간의 대표입경을 고려하여 유사이송 형태는 소류사와 총유사 형태만 검토하였으며 Ji and Jang (2014)를 참고하여 Wu et al. (2000) 공식을 적용하였다. L은 평균계산격자 크기의 2배 값부터 200범위 내에서 변화시켰고 α는 0.5와 CCHE2D모형에서 선택할 수 있는 Armanini and Silvio (1988)가 제안한 공식을 적용하여 매개변수의 민감도 분석하였다(Table 1).

Table 1. Review of sensitivity analysis for numerical parameters

Fig. 6은 매개변수 변화에 따른 남한강과 섬강 합류부에서 하상변동 특성을 보여준다. 유사이송 형태를 소류사로 하여 L값을 변화시키면서 입력하였을 때 합류부 구간의 퇴적은 L값이 증가할수록 유사퇴적이 증가하였고 특히 섬강 합류부 우안측을 따라 점점 퇴적면적의 길이가 증가하는 것으로 나타났다. 다음은 유사이송 형태를 총유사로 하여 세굴과 퇴적이 발생하는 조건인 α=0.5와 Armanini and Silvio (1988)가 제안한 공식을 적용하여 검토하였으며 추가적으로 총유사 이송형태에서 L값의 변화에 따른 하상변동 특성을 분석하였다. 대상구역에서는 부유사 조정거리(α)가 합류부 사주의 발달에 크게 영향을 미치지 않는 것으로 나타났으며 소류사의 L의 변화에 민감하게 변화하는 것을 확인하였다(Fig. 7).

Fig. 6.

Bed elevation change at the confluence of the Namhan River and the Seom River; (a) Run-2, (b) Run-4, (c) Run-5, (d) Run-7

Fig. 7.

Comparison of the bed elevation between calculated and observed data at No. 153

수치모형의 민감도를 정량적으로 분석하기 위해 통계기법인 Brier Skill Score (BSS)를 사용하여 검토하였다. 하상지형 변화를 계산하는 모형의 성능을 평가하기 위해 BSS값은 Eq. (1)로 계산할 수 있다. 여기서, BSS값이 1.0에 가까울수록 정확성이 높다는 것을 의미한다.

여기서, z_b(x_i,t)_mes는 실측 하상고, z_b(x_i,t)는 계산 하상고, z_b(x_i,0)은 초기 하상고를 나타낸다. 본 대상구간에서는 합류부 지점 No. 153을 제외하고 하상변동이 미미하여 정량적 평가가 어려웠다. 이에 No. 153지점을 대상로 BSS값을 계산하여 모형의 성능을 평가하였으며 그 결과 총유사 이송형태에 L=100, α=0.5를 사용한 Run-5가 BSS값이 가장 높은 것으로 나타나 본 연구의 대상구간인 남한강과 섬강 합류부의 퇴적특성을 분석하기에 최적의 조합으로 산정되었다.

3. 수치모의 결과 및 분석

하천 측량자료를 사용하는 경우 흐름방향으로 단면간격이 조밀하지 않아 합류부에서 정밀한 하상재현이 어려우며, 복잡하고 불규칙한 단면 측량 시 원하상의 영향으로 노이즈가 포함되어 있으며 이는 국부적인 흐름변화로 인한 하상변동에 영향을 미치므로 합류부 구간에서 사주변화 특성을 명확히 파악하기 어렵다. 이에 본류 남한강과 지류 섬강의 평균경사를 기반으로 수로를 단단면으로 평탄화 하였다(Fig. 8). 이렇게 구성된 하상을 기초로 계산격자를 구성하였다. 남한강 본류는 40,000개, 섬강 지류 5,750개로 총 45,750개로 구성하였으며, 평균격자 크기는 흐름방향으로 5.65 m, 횡 방향으로 5.85 m로 설정하였다(Fig. 8). 조도계수, 평균입경 그리고 하상변동 모형의 입력 자료는 앞서 수치모형 적용성 검토에서 선정된 값을 바탕으로 사용하였다.

Fig. 8.

(a) Initial bed elevation and (b) mesh generation for CCHE2D modeling

4대강 살리기 사업 후 섬강 합류부에서 유사퇴적이 발생하여 고정사주가 형성되었고 주원인으로 유량비(Q_r) 변화인 것으로 나타났다. 이에 대상구간에서 본류와 지류의 유량비 변화가 흐름 및 하상변동 특성에 미치는 영향을 분석해보고자 한다. 지류 섬강의 유량을 2012년∼2013년 최대유량에 상응하는 3,350 m³/s으로 고정하고 유량비가 0.33∼100.0의 범위에 해당하도록 남한강 유입유량을 33.5∼10,050 m³/s로 변화시키면서 다양한 검토를 수행한 결과이다(Table 2). 하류경계조건은 본류와 지류의 유량과 하상경사에 의하여 계산된 등류수심을 부여하였다. 계산시간은 5일로 하였다.

Table 2. Simulation conditions and results

3.1 흐름모의 분석 결과

남한강과 섬강 합류부 구간에서 유량비 변화에 따른 흐름 모의 분석결과 중 Q_r=50.0(Case 2), 2.5(Case 6), 0.83(Case 10), 0.33(Case 14)에 대한 유속 모의결과를 Fig. 9에 도시하였다.

Fig. 9.

Flow velocity distributions of (a) Case 2, (b) Case 6, (c) Case 10 and (d) Case 14

유량비 조건 Q_r=50.0인 경우 지류의 유량이 본류에 비해 상대적으로 크기 때문에 합류전 지류에서 3.85 m/s의 큰 유속이 발생하였고 남한강 본류 좌안부를 따라 평균 3.15 m/s의 유속이 발생하는 것으로 나타났다. 이후 하류부에서는 흐름이 회복되어 평균 2.1 m/s 유속이 형성되었다. 남한강 본류 합류전 구간에서는 매우 느린 유속을 보였으며 합류부 내측에 흐름박리구역이 형성되었다. 유량비 조건이 Q_r=2.5가 되면서 남한강 본류의 유량이 증가하면서 0.62 m/s 유속이 발생하였으며 상대적으로 섬강 지류의 합류전 평균 유속은 3.5 m/s로 조금 감소하였다. 본류와 지류흐름으로 전단층이 발생하였고 합류후 최대유속이 발생하는 지점이 본류 중앙부로 이동하여 최대 3.4 m/s 유속이 나타났다. 유량비가 작아지면서 지류 섬강에서 합류전 유속이 감소하였고 전단층의 경계도 점점 본류의 우안쪽으로 이동하는 경향을 보였다. 또한 유량비 감소로 합류부 내측에 발생하는 흐름 분리구역 및 합류직전 본류의 우안부에 형성되는 정체구역의 면적이 점점 감소하는 것을 확인하였다. Q_r=0.33이 되면 합류지점 하류의 본류구간의 전단면에 걸쳐 최대유속이 발생하는 것으로 나타났다.

Fig. 10은 남한강 본류의 합류전후(No. 152, 153, 154) 유속분포와 합류부 지점에서 200 m 상류의 섬강 지류에서 유속분포이다. 본류구간에서 합류전 No. 154지점에서의 유속분포는 좌안부인 만곡부 내측의 유속이 더 크게 나타났고 유량비가 감소할수록 좌우안의 편차가 점점 증가하는 것으로 나타났다. 합류후 No.153지점에서는 우안부에 흐름 분리구역이 형성되고 있음을 확인할 수 있으며 흐름분리구역은 유량비가 감소할수록 증가하다가 Q_r≤2.5이되면 감소하는 양상을 보였다. Q_r=50.0과 10.0인 경우에는 본류구간의 유속분포가 유사하게 나타났다. 반면 유량비가 감소하여 Q_r=2.5가 되면서 전단층 구역이 분명히 나타나기 시작했으며 유속변곡점이 85.0 m지점에서 발생하여 유량비가 감소하면서 우안측으로 이동하는 것을 확인할 수 있다. 이때 좌안측의 유속은 점점 증가하고 우안부의 유속은 감소하여 유속차가 감소하였다. Q_r=0.33에서는 좌안부에서 오히려 더 큰 유속이 발생하여 반대현상이 발생하는 것을 볼 수 있다. No. 152지점에서는 좌안에서 약 3.0 m/s로 유량비에 관계없이 유사한 유속을 보였지만 우안측에서는 유량비가 감소하면서 유속이 증가하는 경향을 보였다. Q_r=0.5가 되면서 하폭 전단면에 걸쳐 일정한 유속분포를 보였으며 유량비가 Q_r=0.33이 되면서 본류유량이 증가하여 전단면의 유속이 더욱 증가하였다.

Fig. 10.

Lateral profiles of the velocity magnitude at (a) No. 152, (b) No. 153, (c) No.154 and (d) 200 m upstream from the Seom River confluence

3.2 하상변동 분석 결과

남한강과 섬강 합류부에서 유량비 변화에 따른 하상변동 결과를 Fig. 11에 도시하였다. 유량비 변화에 따라 흐름과 더불어 하상변화도 크게 영향을 받는 것으로 나타났다.

Fig. 11.

Changes in bed topography. (a) Case 2; (b) Case 4; (c) Case 6; (d) Case 9; (e) Case 12; (f) Case 14

유량비가 Q_r=50.0인 경우 유사퇴적이 합류부 내측에 발생하였으며 이때 퇴적된 하상고는 최대 2.4 m인 것으로 나타났다. 유량비가 큰 경우에는 지류의 유속이 크게 발생하여 본류의 좌안경계를 따라 강한 흐름이 집중되는 것으로 나타났다. 이로 인해 Fig. 11(a)의 결과에 제시된 바와 같이 합류부 구간에서 본류 좌안에 국부침식이 발생하였으며 최대 3.8 m 하상이 저하되었다. 이후 하류에서는 하상퇴적이 발생하여 천천히 하류로 이동하였다. 이와 같이 국부적으로 발생하는 침식은 본류구간의 하안침식을 유발할 가능성이 있다. Q_r=10.0의 조건에서는 유사한 경향을 보이는 것으로 나타났다. Q_r=2.5에서는 본류구간의 유량이 증가하면서 전단층 구간이 본류의 좌안에서 우안측으로 이동하였고 흐름분리구역도 감소하여 합류부 내측의 유사퇴적이 감소하는 것으로 나타났다. 이에 상응하여 합류부에 형성되는 사주의 면적이 감소하였고 합류부 침식의 위치도 약간 본류 중앙부로 이동하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 특성은 유량비가 감소하면서 더욱 뚜렷이 나타나 Q_r=0.33이 되면 합류부 유사퇴적은 발생하지 않는 것으로 나타났으며 합류부 구간에서 하폭 전단면에 걸쳐 흐름집중으로 침식이 발생하였다.

합류부 구간의 하상변동 모의결과에 대한 정량적 분석을 위해 No. 152와 153지점에 대하여 Fig. 12에 유량비에 따른 횡단면 하상변화를 비교하였다. No. 152지점에서 Q_r=50.0, 20.0, 2.5인 경우에는 본류 좌안측에 약 1.0 m의 침식이 발생하였고 Q_r≤1.0되면서 하폭 전단면에 걸쳐 침식이 발생하여 하상저하가 나타났다. 유량비가 감소하면서 하상저하의 깊이가 급격히 증가하였고 Q_r=0.33인 경우에는 저수로 중앙부에서 국부적인 침식이 발생하는 것으로 나타났다. No. 153지점에서는 유량비가 큰 경우(Q_r>2.5)에는 합류부 구간에서 본류 우안부에 유사퇴적이 발생하였고 유량비가 감소하면서 퇴적고 및 퇴적면적이 감소하는 것으로 나타났다. Q_r=0.5, 0.33인 경우에는 합류부 퇴적은 발생하지 않았으며 저수로 중앙부에 침식이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 좌안에 퇴적이 발생하였고 유량비가 감소하면서 퇴적고가 상승하는 것으로 나타났는데 이는 본류 만곡부 내측에 퇴적이 증가하면서 나타나는 현상이다.

Fig. 12.

Lateral profiles of the bed change at (a) No. 152 and (b) No. 153

수치모의 검토결과 유량비가 합류부 유사퇴적 및 사주형성과 같은 하상변동과 밀접한 관계가 있으며 하상변동 특성에 크게 영향을 미치는 것을 확인하였다. 남한강과 섬강 합류부에서는 유량비 Q_r>2.5에 해당하는 경우 유사퇴적이 지배적으로 발생하는 것으로 나타나 고정사주가 형성될 가능성이 높을 것으로 예상할 수 있다. 2012년 7월 6일에는 Q_r=6.0발생하여 고정사주가 발달하기 시작할 가능성이 있었지만 2012년 8월 31일 Q_r=0.23이 발생하여 퇴적된 하상이 사라졌을 것으로 판단된다. 이후 2013년 7월 13일∼7월 22일 사이에 Q_r=10.1, Q_r=6.67, Q_r=3.3이 발생하여 이 기간에 합류부 구간의 유사퇴적이 급격히 증가하여 고정사주가 형성된 것으로 여겨진다. 이 기간 이후에는 고정사주가 고착화된 것으로 판단된다. 합류부 구간의 사주형성으로 본류의 하폭을 감소시키고 지류의 유로를 변화시켜 홍수 시 본류 좌안에 흐름이 집중되어 침식을 유발할 가능성이 있으므로 하도 안정화에 대한 대책이 필요할 것으로 판단된다.

Fig. 13은 합류부 구간의 퇴적면적 및 퇴적량을 유량비 변화에 따라 제시된 결과이다. 퇴적면적과 퇴적량은 동일한 경향을 보였으며 유량비 Q_r=2.5까지 급격히 증가하는 하는 경향를 보였고 이후 Q_r=20.0까지 완만히 증가하다가 퇴적면적 및 퇴적량 모두 변화하지 않는 것으로 나타났다. 이는 대상구간인 남한강과 섬강 합류부에서 일정량 이상의 유사퇴적이 발생하면 고정사주가 평형상태에 이르며 안정화 되는 것으로 판단된다. 향후 사주의 안정화 이후의 유황변화와 식생이입 등의 영향을 고려하여 합류부 구간에 대한 장기적인 검토가 추가적으로 수행되어야 한다.

Fig. 13.

Deposition volume and area versus the discharge ratio (Q_r)

4. 결 론

본 연구에서는 4대강 살리기 사업 후 퇴적이 지배적으로 발생한 남한강과 섬강 합류부 구간의 흐름 및 하상변동 특성을 2차원 수치모형인 CCHE2D 모형으로 분석하였고 그 결론을 정리하면 다음과 같다.

1) CCHE2D 모형의 비평형 상태의 유사이송에 의한 하상변동을 모의하기 위해 입력변수 비평형 소류사 및 부유사 조정거리에 대한 민감도 분석을 실시하였다. 대상지점의 특성상 부유사 조정거리에는 큰 변화를 보이지 않았지만 소류사 조정거리에 따라 하상변동 특성이 다르게 나타났다. 소류사 조정거리가 증가할수록 합류부 지점의 퇴적이 증가하는 것으로 나타났다. BSS(Brier Skill Score)를 활용하여 수치모의 결과에 대한 평가를 수행하였으며 소류사 조정거리 L=100, 부유사 조정거리 α=0.5를 사용하는 경우 가장 크게 산정되었다.

2) 합류부 구간에서 유량비 변화에 따른 흐름특성을 분석한 결과, 유량비가 큰 경우에는 지류 유속이 크게 발생하였고 합류부 내측에 흐름박리구역이 형성되었다. 유량비가 감소하면서 합류부에서 나타나는 전단층의 위치가 우안측으로 이동하였고 박리구역 및 흐름정체구역이 감소하는 경향을 보였다. 합류부 지점에서 하상변동은 유량비가 큰 경우 합류부 내측에 유사퇴적이 발생하였으며 합류부 본류의 좌안측에 국부침식이 발생하였다. 유량비가 감소하면서 합류부의 퇴적은 감소하는 경향을 보였으며 국부침식의 위치가 본류 중앙으로 이동하였다. 유량비 Q_r=0.33이 되면서 합류부 구간에 퇴적은 발생하지 않았으며 합류부를 지나 흐름집중현상으로 하폭 전단면에 걸쳐 침식이 발생하는 것으로 나타났다.

3) 수치모의를 바탕으로 2012년 이후 남한강과 섬강 합류부에서 고정사주 형성에 대한 검토결과 Q_r>2.5에 해당하는 경우 합류부에 퇴적이 발생하는 것으로 나타났다. 2012년 7월 한차례 Q_r>2.5발생하여 사주가 형성되기 시작할 가능성이 있었지만 8월 31일에 Q_r=0.23이 발생하여 합류부에 퇴적된 유사가 사라졌을 것으로 판단된다. 2013년 7월 13일∼22일 사이에 Q_r>2.5의 유량비가 발생하여 이때 퇴적이 집중적으로 유발되었고 이후 큰 홍수가 없었기 때문에 고정사주가 고착화된 것으로 파악되었다.

본 연구의 대상구간은 고정사주가 형성되어 하폭을 감소시키고 유로를 변화시켰다. 향후 장기적인 하도안정화를 위하여 발생 가능한 다양한 수리조건을 고려하여 추가적으로 흐름 및 하상변동 특성을 검토할 필요가 있다.