Research Article

Journal of Korea Water Resources Association. March 2021. 167-179
https://doi.org/10.3741/JKWRA.2021.54.3.167

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. ADCP 초음파산란도를 활용한 합류부 수체(부유사) 혼합 분석

  • 3. 대상지역 및 수리조건

  •   3.1 대상지역

  •   3.2 측정 시기별 수리조건

  • 4. 결과분석

  •   4.1 합류부 지형변화 특성

  •   4.2 2차원 수심 평균 유속분포

  •   4.3 초음파산란도를 이용한 합류부 혼합패턴 분석

  •   4.4 초음파산란도를 활용한 3차원 수체혼합 분석결과

  • 5. 토 의

  • 6. 결 론

1. 서 론

하천의 합류부는 서로 다른 지형학적 특성과 수리학적 특정을 가지는 두 개의 하천이 하나로 합쳐지는 구간으로 급격한 흐름의 변화 및 퇴적물의 유입과 수리학적 지형변화가 발생하는 구간이다. 이러한 합류부에서는 흐름 구조와 유체의 물리-화학적인 특성이 지속적으로 변화할 수 있고(Stevaux et al., 2009), 침식과 퇴적으로 인한 하상변동과 같은 하도 변화가 발생할 수 있다(Mosley, 1976; Kentworthy and Rhoads, 1995; McLelland et al., 1996). 또한, 하천의 합류부는 두 지류가 만나 형성되는 지역으로 하천생태계에서 매우 중요한 역할을 하는 구간이다(Turra et al., 1999). 실제로 국내 낙동강 유역의 중권역 기준 수질 측정망 중 지류 합류부 구간은 상당부분 차지하고 있어 합류부에서 발생할 수 있는 혼합특성의 변화를 분석하는 것은 매우 중요하다. 합류부의 혼합특성을 분석하기 위해 흐름 및 지형학적 특성을 바탕으로 이에 대한 많은 연구들이 수행되어 왔다(Mosley, 1975, 1976, 1982; Ashmore and Parker, 1983; Best, 1986, 1987, 1988; Boyer et al., 2006; Best and Rhoads, 2008). 일반적으로 합류부의 중요 구간은 CHZ (Confluence hydrodynamic zone)이라 하며(Kentworthy and Rhoads, 1995), Best (1987)는 합류부의 흐름특성을 구분하기 위해 중요 구간을 흐름정체구역(Flow stagnation), 흐름편향구역(Flow deflection), 흐름분리구역(Flow separation), 최대유속발생구역(Maximum velocity), 흐름회복구역(Flow recovery)과 3차원 혼합구역(Three-dimensional shear layers)의 6개로 나누어 합류부 구간을 제시한 바 있다(Fig. 1). 그리고 합류부 중요 구간(CHZ)에서 발생하는 유사 이송은 흐름구조를 통해 발생하며, 유사 이송으로 인해 합류부의 대표적인 지형 특성인 세굴(Scour)과 같은 지형적인 변화가 발생할 수 있어 이에 대한 연구가 필요하다.

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Fig. 1.

Typical flow regimes and their characteristics in river confluence (Best, 1987)

기존의 많은 합류부 연구들은 합류부의 수리특성 분석을 위해 합류부의 흐름특성과 이로 인해 발생하는 하상변동에 대해 초점을 맞추어 연구가 수행되어 왔다. 하지만, 합류부 구간의 수체혼합 매커니즘을 이해하기 위해서는 수리특성과 지형학적 특성뿐만 아니라 지류의 다양한 유입조건에 따른 본류와의 수체혼합의 공간적인 패턴을 분석하는 연구가 필요한 실정이다. 그러나 대부분의 합류부 연구들은 실제하천에서 실측에 기반한 혼합특성 분석의 어려움으로 인해 실내실험(Best, 1988; Best and Roy, 1991; Biron et al., 1993, 2002) 또는 수치모형(e.g., Bradbrook et al., 2000; 2001)에 의존하여 연구가 수행되어 왔다. 최근 하천 계측 기술의 발달로 일부 연구들은 실제 합류부에서 측정을 통해 합류부의 흐름특성에 대한 연구들이 수행된 바 있다(Parsons et al., 2004, 2005, 2007; Szupiany et al., 2009). 하지만 기존의 연구들은 다음과 같은 한계점을 갖고 있다. 첫 째로 합류부를 분석하는데 있어 대부분의 연구들은 평면적인 수리특성 분석을 통해 합류부의 수리학적 현상들을 규명하여 왔고, 두 번째로 합류부의 하상변동을 규명하는데 흐름구조에 초점을 맞추어 연구가 수행되어 왔다. 세 번째로 합류부에서 두 수체가 혼합되는 3차원 혼합구역(Three-dimensional shear layers)에 대한 연구가 대부분 평면적으로 분석이 수행되어 실제 3차원적인 혼합의 공간적인 분포를 제시하지 못했다.

최근 초음파산란도도플러유속계(Acoustic Doppler Current Profiler, ADCP)의 초음파산란도(Backscatter)을 활용하여 직접 채집한 부유사 농도와의 관계를 통해 부유사 농도를 간접적으로 추정하는 방식으로 부유사 농도를 산정하는 연구가 시도되고 있다(Thorne and Hardcastle, 1997; Hoitink and Hoekstra, 2005; Wall et al., 2006; Guerrero et al., 2017). 이러한 연구들은 일반적으로 부유사 농도가 높을 경우 발사된 초음파가 유사에 부딪쳐 돌아오는 초음파산란도가 높아진다는 원리를 이용한다. Dinehart (2003)는 ADCP의 초음파산란도를 유사이송의 지표로 활용하여 합류부 구간에서의 수체혼합 패턴에 대한 분석을 수행을 통해서 초음파산란도가 수체혼합의 공간적인 패턴을 분석하는 대체 지표로 활용될 수 있음을 보여준 바 있다. 따라서, 본 연구에서는 남강과 낙동강의 합류부를 대상으로 시기별 ADCP 측정을 통해서 흐름 및 지형특성과 함께 ADCP의 초음파산란도를 활용하여 수체혼합의 공간적인 패턴을 분석하고자 하였다. 본 연구의 대상지역인 남강과 낙동강의 합류부는 두 수체의 수리 및 수질 특성이 확연히 구분이 가능하며, LISST를 통해 측정된 부유사 입도분포 결과 남강의 경우 실트질의 입도가 작은 유사분포를 나타내는 반면, 낙동강은 모래의 입도를 나타내고 있어 두 수체의 용존 물질 및 부유사가 서로 다른 특성을 보이고 있어 ADCP의 Backscatter를 부유사의 인자로 활용하여 합류부의 혼합특성 분석이 가능할 것으로 판단되었다. 이에 본 연구에서는 ADCP를 활용하여 유속, 수심과 같은 수리량 분석과 함께 두 수체의 특성을 반영하고 있는 온도와 ADCP 초음파산란도를 부유사의 인자로 활용하여 합류부 구간에서의 혼합양상을 분석하였다.

2. ADCP 초음파산란도를 활용한 합류부 수체(부유사) 혼합 분석

초음파를 이용한 부유사 농도 측정원리는 ADCP로부터 발사된 초음파가 유체에 존재하는 부유물질에 의해 반사되어 돌아오는 비율을 이용하여 간접적으로 부유사의 농도를 추정하는 방법이다. 즉, 하천에서 부유사의 농도가 높아짐에 따라 ADCP로부터 발사된 초음파가 반사되어 돌아오는 반사량이 커지게 되고 이를 활용하여 하천의 부유사 농도를 간접적으로 추정할 수 있다. 하지만 ADCP의 초음파산란도를 이용하여 부유사 농도를 간접적으로 추정하기 위해서는 초음파산란도의 보정이 필요하다. 초음파산란도의 신호 보정에는 빔퍼짐에 대한 보정, 물에 의한 흡수 보정, 부유물질에 의한 감쇄보정이 필요하다. ADCP의 초음파산란도를 보정하는 방법은 Eq. (1)과 같이 Urick의 소나방정식을 기초로 한다(Thevenot and Kraus, 1993; Reichel and Nachtnebel, 1994; Gartner, 2004; Wall et al., 2006; Topping et al., 2007).

(1)
RL=SL-2TL+TS

여기서 RL (Reverberation level)은 측정된 초음파 신호, SL (Source level)은 실제로 발사된 초음파 신호를 의미하며 2TL (Two-way transmission loss)은 양방향으로 발생한 초음파의 확산과 감쇄, TS (Target strength)는 부유입자에 의해 반사되는 신호강도를 의미하며, TS는 데시벨 단위의 부유사농도(10log10SSC)를 의미한다. 양방향 초음파의 손실과 확산과 감쇠에 대한 식은 Eq. (2)와 같다(Landers, 2011).

(2)
2TL=20log10ψr+2rαw+αs

Eq. (2)의 오른쪽 첫 번째 항은 빔퍼짐에 대한 보정, 두 번째 항은 각각 물에 의한 흡수, 유사에 의한 흡수보정을 의미하며, ψ는 초음파의 거리에 따른 보정계수, r은 변환기로부터 측정된 ADCP가 측정한 위치까지의 거리, αwαs는 각각 물에 의합 흡수 보정계수와 유사에 의한 감쇄 보정계수를 의미한다. Eqs. (1) and (2)를 활용하여 정리하면 Eq. (3)과 같다.

(3)
TS=RL-SL+2TL

이때, 발사된 초음파 신호를 의미하는 SL는 일반적으로 고려되지 않으며(Thevenot and Kraus, 1993; Gartner, 2004), 우항의 나머지 식이 부유사 농도와의 함수라고 가정하면 상대적인 신호강도(relative backscatter, RB)는 Eq. (4)와 같이 계산할 수 있다.

(4)
RB=RL+20log10ψr+2rαw+αs

여기서 우항의 RL (Reverberation backscatter)는 측정된 초음파산란도 신호를 의미하며, 결과적으로 RB는 측정된 초음파산란도와 빔 퍼짐에 대한 보정, 물에 의한 흡수 보정, 유사에 의한 감쇄 보정까지 수행하여 최종적으로 보정된 초음파산란도를 의미한다. 이때, 유사에 의한 감쇄보정을 수행하지 않고 물에 의한 흡수 보정을 수행했을 때, 초음파산란도를 WCB (Water corrected backscatter)라하며, 하천에서 부유사 농도에 관한 기존의 연구들은유사에 의한 감쇄량이 상대적으로 작을 경우 유사에 의함 감쇄 보정을 제외하고 연구가 수행되어 왔다(Wall et al., 2006).

(5)
WCB=RL+20log10ψr+2rαw

Dinehart (2003)은 초음파산란도를 합류부의 혼합양상을 분석하기 위한 지표로 빔 퍼짐에 대한 보정과 물에 의한 흡수보정을 수행한 초음파산란도를 합류부에 적용하여 합류부의 수체혼합에 대한 정성적인 패턴을 분석한 바 있다. 하천의 정밀한 부유사의 공간적인 농도분포를 분석하기 위해서는 유사의 의한 감쇄보정도 함께 수행되어야 하지만, 본 연구에서는 합류부를 대상으로 분석을 수행하였기 때문에 합류부 구간에서는 혼합으로 인한 국부적인 유사특성의 반영이 어려운 한계가 있어 본 연구에서는 합류부의 혼합양상의 공간적인 혼합특성을 분석하기 위해서 Dinehart and Burau (2005)와 같이 ADCP로부터 측정된 초음파산란도를 활용하여 빔 퍼짐에 대한 보정과 물에 의한 흡수 보정된 초음파산란도를 이용하여 하천의 공간적인 분포 분석을 수행하였다. 그리고 이를 활용하여 수심평균된 2차원 초음파산란도의 분포와 3차원 초음파산란도 분포를 통해서 합류부의 수체혼합 특성을 분석하였다. 초음파산란도의 빔 퍼짐에 대한 보정과 물에 의한 흡수 보정 방법은 다음과 같다.

빔 퍼짐에 대한 보정은 ADCP 변환기로부터 발산된 초음파가 확산되는 것을 보정하는 것을 의미한다. 일반적으로 초음파는 거리에 따라 균일하게 확산되어 나가는 것으로 가정하지만, 초기영역(Near field)에서는 초음파가 불규칙적(Irregular)이고 비구형(Nonspherical)로 발사되기 때문에 거리에 따른 보정계수(ψ)를 산정하여 보정이 필요하다(Downing and others, 1995). 이러한 초기영역은 일반적으로 Rayliegh distance라 하며, 초기영역에 대한 보정계수 ψEq. (6)와 같이 계산할 수 있다.

(6)
ψ=1+1.35z+2.5z3.21.35z+2.5z3.2

여기서, z는 다음과 같이 계산할 수 있다.

(7)
z=rλπat2

여기서 λ는 파장을 의미하고, at는 ADCP 초음파 센서의 유효 반지름을 의미한다. 파장을 구하기 위한 파속을 구하는 방법은 Eq. (8)과 같다.

(8)
c=1.402385×103+5.038813T-5.799136×10-2T2+3.287156×10-4T3-1.398845×10-6T4+2.787860×10-9T5

여기서, c는 파속(m/s)를 의미하고, T는 섭씨 물의 온도를 의미한다.

물에 의한 흡수 보정은 물의 특성으로 인해 초음파가 발사되어 멀어짐에 따라 점차적으로 초음파산란도가 감소하는 것을 보정하는 것을 의미하고 보정계수(αw)를 계산하여 보정할 수 있다. 물에 의한 흡수 보정에는 물의 염도, 이온 등의 유체 특성에 대한 고려가 필요하지만 본 연구에서는 하천을 대상으로 연구를 수행하였기 때문에, 추가적인 보정은 수행하지 않고 물의 점성만을 고려하여 물에 대한 흡수보정을 수행하였다. 물에 의합 흡수 보정계수 αw를 계산한 방법은 Eq. (9)과 같다.

(9)
αw=8.693.38×10-6×f221.9×106-1520T+273

여기서, f는 ADCP의 초음파주파수(kHz)를 의미한다.

본 연구에서는 ADCP의 보정된 초음파산란도를 활용하여 합류부의 유사특성을 통한 수체 혼합의 지표로 활용이 가능한지 적용성 검토을 위해 ADCP를 이용함과 동시에 동일 측정 지점의 실측 부유사 농도를 측정하기 위해서 Sequoia사의 레이저부유사측정기 LISST-100X (Laser In-Situ Scattering and Transmissometry, LISST)을 사용하여 부유사 농도분포를 분석하였다. LISST-100X는 부유 상태의 입자에 의해서 광원이 산란되어 32개의 탐지 링에서 입자 크기 별 체적농도를 측정하고, 발사된 광원이 산란되지 않은 투과도를 통해 부유물질에 의한 광 감쇠를 계산한다. 현장 입도측정범위는 1.25 ~ 250 μm 까지 측정이 가능하며, 부유사의 농도, 입도 분포, 광 감쇠, 수심과 수온이 자동적으로 측정, 저장이 가능하다. LISST는 일반적으로 지점 측정 방식으로 측정을 수행하여야 하나 지점으로 측정을 수행할 경우, 측정시간이 지체되어 본 연구에서는 이동식 측정 방법을 통해 측정을 수행하였고 이를 활용하여 합류부 구간에서의 부유사의 농도 분포를 분석하였다. Haun et al. (2015)는 LISST-STX와 LISST-SL를 이용하여 동일한 단면에서 고정식 측정과 이동식 측정 방법의 부유사 농도와 입도분포를 비교한 결과, 이동식 측정방법은 고정식 측정 방법에 비해 부유사의 농도를 작게 산정하는 것으로 나타났지만 선형적인 관계를 띄고 있다고 제시한 바 있다. 따라서, 본 연구에서는 부유사의 농도의 정량적인 분석이 아니라 ADCP 초음파산란도를 두 하천의 수체혼합의 패턴을 분석하기 위한 지표로 활용하여 수체혼합의 정성적이 패턴을 분석하는 것이기 때문에 이동식 측정방법을 활용하여 ADCP와 동시에 측정을 수행하였고, LISST의 부유사 농도 분포를 검증자료로 활용하여 ADCP의 초음파산란도를 활용한 수체혼합의 적용성을 검토하였다. ADCP와 LISST를 이용한 합류부 수체혼합 분석을 위한 측정방법은 보트측면에 ADCP와 현장용 입도분석기(LISST-100X)를 연결하여 측선설치 없이 보트를 이용하여 흐름에 직각인 방향으로 이동하며 ADCP와 LISST를 동시에 측정을 수행하였다. 이때, LISST는 수표면에서 약 10 cm 깊이에 고정하여 설치하여 이동 측정을 수행하였다. 그리고 LISST 측정자료의 위치정보는 동일시간을 기준으로 측정된 ADCP의 GPS를 활용하여 동기화 하였다.

3. 대상지역 및 수리조건

3.1 대상지역

본 연구의 대상지역은 Fig. 2와 같이 4대강의 낙동강 유역으로 낙동강과 남강의 합류부로 낙동강은 합천창녕보 하류 30 km, 창녕함안보 상류 12 km에 위치해 있으며, 남강은 남강댐으로부터 하류 약 79 km에 위치해 있다. 대상구간의 본류는 평시에 합천창녕보의 의해 관리 수위를 유지하고, 지류인 남강은 남강댐에 관리 수위를 유지하며 강우 시 보와 댐의 방류를 통해 일정 유량과 수위를 유지하고 있다. 대상구간의 본류인 낙동강은 평시에 4대강 공사로 유속이 느려 정체 되어 있는 상태이고, 지류인 남강은 전반적으로 낙동강에 비해 수체의 색이 갈색을 띄고 있었으며, 우안의 준설공사로 인해 유사가 발생되어 탁수가 발생하고 있었다. 그리고 두 수체가 혼합되는 합류부 구간에서는 본류와 지류의 색이 확연히 구분되고 있었으며, 본류인 낙동강은 모래질의 입도분포를 지류인 남강은 실트질의 입도분포를 보이고 있어 두 수체의 유사특성이 다르고 두 하천의 유량비와 모멘텀비에 따라 수체 혼합이 다양한 형태로 이루어지고 있었다. 따라서 본 연구에서는 남강과 낙동강의 합류부를 대상지역으로 선정하고 측정시기를 달리하여 측정을 수행하였고, 측정시기의 수리량을 바탕으로 합류부 구간에서 수리 및 지형특성과 혼합특성을 분석하였다.

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Fig. 2.

Study area where the confluence of Nam and Nakdong river is location and its various spatial scales: (a) Nakdong River basin; (b) regional location; (c) the shape of the confluence in the higher spatial resolution

3.2 측정 시기별 수리조건

측정시기별 흐름 조건은 Table 1과 같다. Case I은 강우 직후 측정한 시기로 남강의 유입유량이 점차 증가하는 시기로 다음과 같이 합류부에서 남강의 탁수가 우안을 따라 혼합되고 있는 상태이고, Case II는 강우직후 일정시간이 지난 후 측정한 시기로 남강의 유입 유량이 최대로 증가하면서 남강의 탁수가 유입된 상태이다. 이와 달리 Case III의 측정시기는 여름철 낙동강의 녹조가 발생한 평수기 시기로 남강 탁수의 유입이 강우 직후보다 적은 시기이다. 여기서 모멘텀비는 Eq. (10)과 같이 계산할 수 있다.

(10)
Mr=Qnam×Unam/Qnakdong×Unakdong
Table 1.

Hydraulic and geometric conditions for each measurement campaign

Case Reach Nakdong upstream Namgang Nakdong downstream
I Discharge 643.3 158.8 802.1
Mean flow velocity 0.31 0.18 0.34
Area 2088.5 901.0 2391.3
Width 305.7 283.7 356.7
Mean depth 6.83 3.18 6.70
Discharge ratio 0.25
Flow momentum ratio 0.14
II Discharge 615.3 183.1 798.4
Mean flow velocity 0.29 0.20 0.32
Area 2105.7 921.6 2490.0
Width 317.5 291.7 366.0
Mean depth 6.63 3.16 6.80
Discharge ratio 0.30
Flow momentum ratio 0.20
III Discharge 191.5 34.8 226.3
Mean flow velocity 0.09 0.04 0.09
Area 2123.4 871.6 2423.3
Width 317.8 257.3 344.4
Mean depth 6.68 3.39 7.04
Discharge ratio 0.18
Flow momentum ratio 0.08
Junction angle 102

4. 결과분석

4.1 합류부 지형변화 특성

합류부의 하상은 합류부의 흐름특성을 규명하는데 중요한 요소 중 하나이다. ADCP 측정을 통해 합류부의 하상분포를 나타낸 결과는 Fig. 3과 같다. Fig. 3(a)는 Case I와 Case II의 측정시기인 4월 28 ~ 29일간 측정된 ADCP 수심자료를 활용하여 합류부의 수심 분포를 나타낸 결과이다. 이때, Case I과 Case II의 측정기간 중 수심 변화가 발생하고 있었는데 시간이 흐름에 따른 지류와 본류의 수심변화로 인한 ADCP의 수심측정 결과를 보정하기 위해서 본류와 지류의 합류전에 목자판을 설치하여 측정시간 중의 수심변화를 측정하였고, 이를 활용하여 Case I을 기준으로 수심을 맞추어 보정을 수행하였다.

Case I, II의 측정시기에 대한 수심 분포 결과, 측정 기간 중에 지류인 남강의 우안에서는 준설공사가 수행되고 있었고, 합류부의 전체적인 수심 분포는 낙동강의 경우 본류의 우안에서 비교적 수심이 깊게 측정되었고, 남강의 경우 좌안에서 가장 수심이 깊게 측정되었다. 그리고 남강과 낙동강이 최대 수심을 따라 합류하게 되는 지점 하류에서는 세굴이 발생하고 있었다. Fig. 3(a)의 수심 분포를 바탕으로 합류부의 Shear layer를 점선으로 표시하였고, Shear layer을 따라 발생하는 세굴의 변화를 분석하기 위해서 Case I, II을 기준으로 분석한 수심분포를 바탕으로 세굴범위를 도시하였다.

Fig. 3(b)는 Case III 측정시기인 6월 16일에 측정된 ADCP 수심 분포를 도시한 결과로 Fig. 3(a)와 전반적으로 유사한 수심 분포를 나타내고 있었다. 하지만, 남강의 경우 준설공사의 영향으로 인해 하폭이 넓어지게 되면서 좌안부근의 수심이 깊은 부분이 감소하고 있었으며(Fig. 3(b)), Case I, II의 수심분포를 기준으로 도형으로 표시된 세굴 영역이 점차 하류로 발달하는 경향을 나타내고 있었다. 이는 남강의 우안의 준설공사로 남강의 하폭이 커지게 되고 이로 인해 주흐름 방향의 유속이 하류쪽으로 이동하게 되면서 세굴의 범위가 점차 하류로 이동되기 때문이 것으로 판단된다.

본 연구결과의 측정시기별 수심 분포를 통한 지형변화 분석결과를 종합해보면 측정 시기 중 우안의 준설공사로 인해 지류인 남강의 하폭이 점차 넓어지게 되고 이로 인해 합류부에서 혼합이 발생하는 구역이 하류방향으로 넓어짐에 따라 세굴 영역이 점차 하류쪽으로 커지는 것으로 나타났다. 하지만, 측정시기 전, 후 세굴 영역의 각도는 약 횡방향 5도, Shear layer방향 1도로 유사한 결과를 나타내고 있었다. 따라서, 세굴이 이미 발생한 합류부 구간에서의 하도 변화는 세굴영역의 이동은 발생시킬 수 있지만, 세굴영역의 각도는 일정 각도가 되면 안정하게 유지되는 안식각을 형성하여 이전 연구들과 유사하게 일정한 각도를 유지한 것으로 판단된다(Best and Ashworth, 1997; Szupiany et al., 2009).

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Fig. 3.

Morphological representation of the confluence between Nam and Nakdong River where bathymetric maps are interpolated based on ADCP measurements collected in: (a) April 28 ~ 29; (b) June 16

4.2 2차원 수심 평균 유속분포

합류부의 흐름특성 분석을 위해 ADCP 측정 결과를 활용하여 수심 평균한 유속 분포를 도시한 결과는 Fig. 4와 같다. Case I, II의 평균 유속분포는 약 0.3 m/s 이고, Case III는 평수기 유속이 거의 존재하지 않는 시기로 ADCP로 측정된 유속이 0.1 m/s 이하로 측정되었으나 수심 평균한 유속벡터를 분석한 결과, 하류방향으로 흐름이 존재하고 있었다. 전반적인 유속분포는 지류인 남강의 유속이 본류 낙동강에 비해 빠른 것으로 나타났고, 남강의 유속벡터가 Shear layer로 접근하면서 급격하게 유속벡터의 방향이 낙동강의 흐름방향으로 변화하는 것으로 나타났다.

합류부를 전체적으로 측정한 시기인 Fig. 4(b)의 유속분포를 기준으로 Best (1987)가 제시한 6개의 흐름 구간으로 나누어 나타냈고, 이를 활용하여 계측시기별 합류부 유속분포의 패턴을 비교 분석하였다. Case I의 유속분포의 결과는 Fig. 4(a)와 같다. Case I의 유속분포를 Case II로부터 정의한 흐름구간과 비교한 결과, 동일하게 남강과 낙동강의 합류부 코너에서는 흐름정체구역(Stagnation zone)이 형성되어 유속분포가 느린 구간이 존재하고 있었고, 남강의 우안에서는 흐름분리구역(Flow separation)이 발생하여 유속이 느리게 나타나고 있었다. 흐름분리구역(Flow separation)의 일부구간은 준설공사가 진행 중인 구간으로 추후 준설공사가 완료되면 흐름 패턴의 변화가 발생할 수 있을 것으로 판단되었다. 남강의 유속분포는 흐름정체구역(Stagnation zone)과 흐름분리구역(Flow separation)을 사이로 중앙에서 유속이 빠른 것으로 나타났고, Shear layer에 접근하면서 낙동강과 합류되어 흐름편향구역(Flow deflection)이 발달되는 것으로 나타났다. 그리고 측정구간의 하류에서 다시 유속이 빨라지는 것으로 나타났다.

합류부의 하류까지 넓은 범위를 측정한 Case II의 흐름구간과 유속분포는 Fig. 4(b)와 같다. 전반적으로 Case I과 유사한 유속분포를 보이고 있었지만(Fig. 4(a)), 남강유역의 집중된 강우로 남강댐의 방류량이 늘어남에 따라 남강에서 유입되는 수체의 유속이 점차 빠르게 나타났다. 그리고 흐름편향구역(Deflection zone)을 지나서 최대유속이 발생하는 구역(Zone of maximum velocity)이 형성되고 하고 다시 흐름이 회복되는 흐름회복구역(Recovery zone)이 형성되는 것으로 나타났다.

Case III는 유속이 매우 느린 시기에 측정된 결과로 Fig. 4(c)와 같이 평균유속분포 약 0.1 m/s이하로 정체되어 있는 상태이다. 전체적으로 유속벡터가 하류방향을 나타내는 것으로 보아 하류방향으로의 흐름은 존재하는 것으로 나타나지만 일부 구간에서는 수심평균 유속벡터의 방향이 상류로 나타나는 구간이 존재하고 있었다. 흐름정체구역(Stagnation zone)과 흐름편향구역(Flow deflection)에서 유속벡터가 낙동강의 상류 방향으로 나타나는 구간이 존재하고 있었는데 이는 상대적으로 느린 두 수체가 만나게 되면서 혼합되는 과정에서 두 수체가 분리되어 나타난 결과로 판단된다. 흐름편향구역(Flow deflection)에서 유속벡터가 상류방향으로 나타나는 지역은 수심측정결과 세굴이 가장 깊게 발생한 구역으로 본류와 지류의 흐름이 너무 느려서 하상부근에서의 유속이 분리되어 상류방향을 나타내어 수심평균된 유속벡터가 상류방향으로 나타난 결과로 판단된다.

규모가 작은 합류부의 실제 하천 및 수리실험 결과, 합류부의 세굴의 발생 위치는 두 개의 하천이 합류되는 운동량에 따라 달라질 수 있다고 제시한 바 있고(Mosley, 1976; Best, 1987, 1988), Szupiany et al. (2009)는 실제 합류부에서 세굴의 발생 위치는 합류부의 주흐름 방향 유속의 분포에 따라 변화할 수 있다고 제시한 바 있다. 합류부의 유속분포는 합류부의 하상변동을 발생시키는 가장 중요한 요소로 작용될 수 있는데 본 연구결과의 측정시기별 유속분포의 패턴을 분석해보면 두 지류의 모멘텀비와 유량비, 유속의 크기는 다를 수 있지만 Case II를 기준으로 분리한 흐름구간과 대체적으로 유사한 패턴을 보이고 있었다. 따라서 합류부의 흐름특성은 시기에 따라 서로 다른 모멘텀비와 유량비를 가지더라도 흐름구간을 따라 일정한 패턴을 보이는 것으로 나타났고, 흐름편향구역(Deflection zone)내에서 세굴이 발생하고 있는 것으로 나타났다.

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Fig. 4.

Hydrodynamic velocity distribution in the vicinity of the confluence between Nam and Nakdong river, which were measured and depth-averaged by using ADCP moving boat measurements at: (a) April 28; (b) April 29; (c) June 16

4.3 초음파산란도를 이용한 합류부 혼합패턴 분석

ADCP로부터 측정된 초음파산란도를 보정한 결과의 정성적인 패턴이 실제 합류부에서 수체혼합의 패턴과 일치하는지 검토하기 위해 보정된 초음파산란도의 수표면 분포와 드론영상, LISST 수표면 농도측정 결과를 비교하였다. Figs. 5 ~ 7은 각각 측정 시기별 Case에 대해 수표면 WCB 분포와 드론영상, LISST 수표면 농도측정 결과를 도시한 결과이다.

Case I은 강우 직후 측정한 시기로 남강의 유입 유량이 점차 증가하는 시기로 WCB 분포를 도시한 결과 남강에서 발생한 탁수로 인해 남강과 합류후에 낙동강 본류 우안에서 초음파산란도가 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었다(Fig. 5(a)). 그리고 동일시기에 측정된 드론 영상도 초음파산란도와 동일하게 남강과 합류후 낙동강 우안에서 탁수로 인해 수체의 색이 확연이 구분되고 있어 WCB와 유사한 결과를 보이고 있는 것을 확인할 수 있다(Fig. 5(b)).

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Fig. 5.

Comparative analysis in terms of visual inspection between ADCP backscatter near the water surface and UAV-based aerial mixing pattern monitored in the downstream vicinity of the confluence at a concurrent day of April 28: (a)derived spatial mapping of acoustical backscatter corrected for beam spreading and water absorption based on interpolation ADCP moving boat measurements; (b) visual monitoring of two water bodies and their scale in the middle of the mixing captured by DJI Drone

Case II는 강우직후 일정시간이 지나 남강의 유입 유량이 최대로 증가하면서 남강의 탁수가 유입된 시기의 측정결과는 초음파산란도와 드론영상의 경향이 다르게 나타났다. 측정결과 수표면에서 측정된 초음파산란도는 합류부에서 전체적으로 높게 나타나고 있었고(Fig. 6(a)), 드론으로 측정된 영상의 경우 합류후 좌안에는 탁도가 낮은 낙동강 본류의 수체가 존재하고 있었다(Fig. 6(b)). 이와 같이 수표면의 초음파산란도와 드론영상이 차이가 발생하는 원인은 남강의 유사 입도가 상대적으로 낙동강의 본류에 존재하는 유사 입도보다 작은 실트질로 구성되어 있고, 남강에서 유입되는 유량이 증가하는 시기에 ADCP를 이용하여 측정을 수행하였기 때문에 시간경과에 따라 남강의 부유사가 합류부에서 수표면을 따라 유입되어 수표면 부근의 초음파산란도의 결과가 높게 나타난 결과로 판단된다. 또한, 초음파산란도는 부유사 농도에 대한 대체지표로 사용하였기 때문에, 드론영상에서 보이는 바와 같이 두 수체의 탁도 차이에 의한 시각적인 혼합양상과는 다르게 수표면에서는 남강의 유사가 유입되어 드론영상과는 차이가 발생한 것으로 판단된다.

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Fig. 6.

Comparative analysis in terms of visual inspection between ADCP backscatter near the water surface and UAV-based aerial mixing pattern monitored in the downstream vicinity of the confluence at a concurrent day of April 29: Captions for (a) and (b) are identical denoted in Fig. 5

Case III의 측정시기는 여름철 낙동강의 녹조가 발생한 평수기 시기로 수표면 초음파산란도 분포가 낙동강의 본류가 남강보다 높은 것으로 나타났다(Fig. 7(a)). 낙동강의 본류의 초음파산란도는 합류전에 높게 나타났고 합류후에는 점차 초음파산란도가 작아지는 것으로 나타났다. 그리고 남강의 초음파산란도는 좌안이 가장 작게 나타나고 있었으며, 우안에서는 준설공사로 인해 유사가 발생하여 초음파산란도가 높게 나타나는 경향을 보이고 있었다. Fig. 7(b)의 드론영상은 낙동강 본류 좌안에서 녹조의 영향으로 초록색을 띄고 있었고, 점선을 기준으로 수체의 색이 다르게 보이고 있어 Case II와 같이 초음파산란도와 드론영상이 일치하는 않은 것으로 나타났다. 하지만, LISST로 측정된 수표면의 부유물질 농도를 분석한 결과 초음파산란도와 유사하게 남강의 좌안에서는 농도가 작게 나타났고, 준설공사구간에서는 농도가 높게 나타났다(Fig. 7(c)). 그리고 낙동강은 합류전의 부유물질의 농도는 녹조의 영향으로 인해 높게 나타나고 있었고, 합류부에서는 남강의 수체가 수표면을 따라 혼합되어 수표면에서는 농도가 낮게 나타나고 있었다.

초음파산란도, 드론영상, LISST의 측정결과를 비교한 결과, Case I는 WCB와 드론영상이 유사한 경향을 보이고 있었지만, Case II, III는 다른 혼합양상을 보이고 있었다. 다음과 같이 WCB와 드론영상이 차이를 보이는 이유는 드론영상으로는 수체간의 색 차이를 통해 분석하였기 때문에 수체의 물리적인 유사 특성을 반영할 수 없어 실제 합류부에서 두 수체의 부유물질에 의한 혼합현상을 분석하는데 한계가 있어 혼합양상을 제대로 포착하지 못한 결과로 판단된다. 반면에 WCB, LISST를 동시에 측정한 시기인 Case III의 결과에서는 드론 영상과 달리 결과 모두 유사하게 합류부에서 두 수체의 존재하는 부유물질이 혼합되는 경향을 재현할 수 있었다. 따라서, 본 연구에서는 ADCP 초음파산란도가 두 수체의 부유물질의 특성을 반영하고 있기 때문에 드론 영상과는 다소 상이한 결과를 보이고 있었지만 LISST의 결과와 유사한 경향을 보이고 있어 합류부의 수체혼합을 분석하는데 사용이 가능할 것으로 판단하였고, ADCP의 WCB결과를 활용하여 수표면의 혼합 패턴뿐만 아니라 3차원의 수체 혼합패턴을 분석하였다.

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Fig. 7.

Comparative analysis in terms of visual inspection between ADCP backscatter near the water surface, UAV-based aerial mixing pattern, and actual suspended sediment distribution monitored in the downstream vicinity of the confluence at a concurrent day of April 29: captions for (a) and (b) are identical denoted in Fig.5, and (c) suspended sediment distribution measured near water surface interpolated by LISST, which was spatially dragged mounted on a boat

4.4 초음파산란도를 활용한 3차원 수체혼합 분석결과

ADCP의 보정된 초음파산란도 WCB를 활용하여 합류부의 3차원 수체혼합 패턴을 분석한 결과는 Fig. 8과 같다. Case I은 남강에서 탁수가 유입되기 시작하는 시기로 Fig. 8(a)와 같이 남강의 탁수가 수표면을 따라 점차 유입되어 초음파산란도가 합류부를 지나 낙동강 본류의 우안에서 크게 나타남을 확인할 수 있다. 그리고 남강에서 유입되는 유량이 증가한 시기인 Case II는 Fig. 8(b)와 같이 최대 세굴이 발생한 Shear layer 까지는 이미 혼합이 완료된 상태이고, 남강의 탁수가 수표면을 통해 점차 본류인 낙동강으로 혼합이 진행되고 있었다. Case III는 낙동강의 녹조가 발생하는 평수기 시기로 낙동강의 녹조로 인해 초음파산란도가 높게 측정되어 초음파산란도가 남강보다 높게 나타나고 있었는데 이는 낙동강에 발생한 녹조 플럭으로 인해서 낙동강 본류의 초음파산란도가 크게 측정되어 나타난 결과로 판단된다. 측정시기별 초음파산란도를 활용하여 3차원의 수체혼합을 분석한 결과, 합류부의 혼합양상은 부유물질의 농도와 입도에 따라 혼합 양상의 차이가 발생할 수 있을 것으로 나타났지만 합류부의 중요구간중 하나인 Shear layer을 기준으로 혼합이 이루어지는 양상을 보이고 있었고, 3차원적으로 다양한 형태로 혼합이 이루어지는 것으로 확인할 수 있었다. 따라서, 합류부의 3차원적인 혼합양상을 분석하기 위해서는 기존의 유속, 지형과 같은 수리적인 특성과 함께 초음파산란도를 지표로 활용하여 합류부의 혼합양상을 분석할 수 있었다.

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Fig. 8.

Three-dimensional distribution of corrected acoustical backscatter as a surrogate of suspended sediment concentration for various flow regimes at the confluence of Nam and Nakdong river: (a) processed by ADCP measurements collected at April 28; (b)April 29, and (c) June 16

5. 토 의

Kentworthy and Rhoads (1995)는 합류부에서 두 수체의 부유사농도의 혼합패턴은 모멘텀비에 의해 다르게 나타날 수 있다고 제시한 바 있지만, 연직방향으로의 부유사의 혼합패턴에 대한 상세한 분석을 수행하지는 못하였다. 본 연구의 케이스별 3차원 수체혼합 분석결과, 두 수체의 부유사 농도에 의한 혼합은 Kentworthy and Rhoads (1995)가 제시한 바와 같이 모멘텀비에 의해 달라질 수 있을 것으로 판단되지만, 3차원적인 혼합의 형태를 결정하는데 모멘텀비 뿐만 아니라 하상의 형태와 유속과 같은 수리특성과 부유물질의 특성과 같은 두 수체의 물리화학적인 특성 차이 등이 복합적으로 작용하여 다양한 형태로 혼합이 발생할 수 있을 것으로 나타났다. 합류부 주요혼합은 기존 연구들과 유사하게 유속, 지형, 유사특성 모두 Shear layer을 기준으로 혼합되는 경향을 보이고 있었고, 유량비와 모멘텀비에 따라 혼합양상의 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 하지만, 본 연구에서 수행한 ADCP의 초음파산란도를 이용한 수체혼합의 분석은 초음파산란도가 두 수체에 존재하는 부유사의 특성을 반영한다는 가정하에 수표면의 초음파산란도의 분포와 3차원 초음파산란도의 분포를 통해서 혼합양상을 분석하였기 때문에 Case III와 같이 녹조가 발생한 시기의 경우에는 초음파산란도의 값이 녹조의 영향으로 크게 측정될 수 있기 때문에 초음파산란도가 부유사농도의 특성만을 반영하여 실제 혼합을 분석할 수 있는지에 대한 검토가 필요하다. 즉, 본 연구에서 수행한 초음파산란도의 보정방법을 통해서는 실제 부유사 농도분포를 재현한 것이 아니라 수체에 존재하는 부유물질을 지표로 활용되어 분석이 수행되었기 때문에 합류부에서 발생하는 부유사농도의 공간적인 분포를 예측한 결과와는 다르게 나타날 수 있다. 실제 부유사의 농도분포는 이론적으로 하상으로 이동할수록 높아지게 되는 것으로 알려져 있어 본 연구에서와 같이 수표면의 초음파산란도가 높다고 해서 실제로 부유사의 농도가 수표면에서 가장 크다고 단정지을수 없다. 하지만 본 연구에서는 두 수체간의 혼합을 보기 위한 지표로 초음파산란도를 기존 이론을 활용하여 보정을 수행하여 분석을 수행하여 두 수체의 혼합양상을 분석하는 지표로는 사용이 가능할 것이라고 판단하고 분석을 수행하였다. 따라서, 추후 연구에서는 초음파산란도와 실측 부유사농도와의 관계를 통해서 정밀한 초음파산란도의 보정을 통해서 부유사 농도의 공간적인 분포를 재현해보고 합류부 구간에서 발생할 수 있는 부유사농도의 공간적인 분포의 분석이 필요하다.

6. 결 론

본 연구에서는 ADCP를 활용하여 유속, 수심과 같은 수리특성을 바탕으로 합류부의 수리적인 특성을 분석하고, 부가적으로 ADCP로부터 제공되는 초음파산란도를 지표로 이용하여 합류부의 혼합특성을 분석하였다. 본 연구에서 얻은 성과를 요약하면 다음과 같다.

1) 합류부의 지형적인 특성은 기존의 연구들에서 제시된 바와 같이 Shear layer을 기준으로 세굴이 발생하고 있었으며, 지류의 준설공사로 인한 하폭의 변화로 인해 세굴의 위치는 하류방향으로 이동하는 것으로 나타났지만, 세굴의 각도는 유사하게 유지되고 있는 것으로 나타났다.

2) 합류부의 유속분포는 측정시기별로 유량비와 모멘텀비에 따라 혼합의 양상은 변화할 수 있지만 Best (1987)의 제시된 합류부의 주요구간으로 나누어 분석하였을 때, 유사한 양상을 보이는 것으로 나타났다.

3) ADCP의 보정된 초음파산란도 WCB를 이용하여 혼합양상을 분석할 결과 혼합이 발생하는 양상은 모두 Shear layer 따라 혼합이 발생하는 것으로 확인할 수 있었지만, 각각의 인자들에 따른 물리화학적인 관계에 따라 혼합의 양상이 다른 차이를 보이고 있었다.

4) ADCP의 WCB와 드론영상, LISST의 수표면 농도분포를 비교한 결과, 드론영상과는 시기별로 차이가 발생하고 있었지만, 두 수체의 유사특성을 반영하고 있어 수표면 부근에서의 분포는 LISST와 유사하게 나타나는 것을 확인할 수 있었고, Backscatter의 3차원 공간분포를 통해서 시기별 합류부의 혼합 패턴 분석이 가능할 것으로 판단되었다.

본 연구에서는 최근 유량측정을 목적으로 운영되고 있는 ADCP를 활용하여 합류부의 흐름 및 지형특성과 함께 초음파산란도를 통해 3차원적인 혼합양상을 분석하였지만 다음과 같은 한계점이 있어 추후연구를 통해 추가적인 분석이 필요하다. ADCP의 Backscatter를 활용한 결과, 두 수체의 특성을 반영하고 있어 합류부의 수체혼합의 3차원 공간적인 패턴분석의 가능함을 확인하였지만, 본 연구결과는 물에 의한 흡수 보정을 수행하여 분석한 결과로 추후 부유물질(유사)에 의한 흡수 보정 알고리즘에 대한 연구를 통해 실제 하천에서의 부유사 농도의 공간적인 분포 분석이 필요하다.

Acknowledgements

본 결과물은 환경부의 재원으로 한국환경산업기술원의 수요대응형 물공급서비스 연구사업의 지원을 받아 연구되었습니다(2020002650001). 본 논문에 저자로 참여하지 못하였지만 실험에 도움을 준 인제대학교, 창원대학교, 명지대학교, 단국대 토목환경공학과 하천정보연구실의 연구실 일원들에게 감사의 말을 전합니다.

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