강원도 춘천시 근교의 강원대학교 산림환경과학대학 학술림 내의 산지계류를 대상으로 계단상 하상구조의 기하학적 특성과 이에 대한 계류 지형인자들과의 관계를 분석하였다. 조사구간에 형성된 스텝의 간격, 높이 및 낙차의 평균값은 각각 4.69 m, 0.47 m 및 0.71 m, 스텝의 구성입경은 평균 0.68 m, 스텝의 형성개수는 100 m당 평균 21 개인 것으로 나타났다. 스텝의 간격은 하폭대비 약 0.5로 선행연구들에 비해 작은 것으로 나타났으며, 스텝의 기울기는 평균 0.13이었다. 스텝의 각 기하학적 특성과 하폭과의 사이에는 모두 상관관계가 존재하지 않았으나, 스텝의 간격과 높이는 하상경사와 각각 부 정의 상관관계를 나타내었다. 또한 스텝의 기울기는 하상경사와 정의 상관을 보였고, 하상경사와의 비가 1.2로 나타나 유수에 대한 최대저항조건을 만족하며 비교적 안정상태를 유지하고 있는 것으로 나타났다. 특히 하상경사는 계단상 하상구조의 기하학적 형상(스텝의 낙차와 높이의 비)에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 한편 스텝의 간격과 낙차는 거석의 입경과 모두 정의 상관관계를 보였다. 이러한 결과들로부터 계단상 하상구조의 동태는 산지계류의 물리 생태적 환경에 큰 영향을 미칠 것으로 판단되며, 산지가 대부분인 우리나라의 계류관리에 있어서 특히 중요하게 인식되어야 할 것이다.
강원도 춘천시 근교의 강원대학교 산림환경과학대학 학술림 내의 산지계류를 대상으로 계단상 하상구조의 기하학적 특성과 이에 대한 계류 지형인자들과의 관계를 분석하였다. 조사구간에 형성된 스텝의 간격, 높이 및 낙차의 평균값은 각각 4.69 m, 0.47 m 및 0.71 m, 스텝의 구성입경은 평균 0.68 m, 스텝의 형성개수는 100 m당 평균 21 개인 것으로 나타났다. 스텝의 간격은 하폭대비 약 0.5로 선행연구들에 비해 작은 것으로 나타났으며, 스텝의 기울기는 평균 0.13이었다. 스텝의 각 기하학적 특성과 하폭과의 사이에는 모두 상관관계가 존재하지 않았으나, 스텝의 간격과 높이는 하상경사와 각각 부 정의 상관관계를 나타내었다. 또한 스텝의 기울기는 하상경사와 정의 상관을 보였고, 하상경사와의 비가 1.2로 나타나 유수에 대한 최대저항조건을 만족하며 비교적 안정상태를 유지하고 있는 것으로 나타났다. 특히 하상경사는 계단상 하상구조의 기하학적 형상(스텝의 낙차와 높이의 비)에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 한편 스텝의 간격과 낙차는 거석의 입경과 모두 정의 상관관계를 보였다. 이러한 결과들로부터 계단상 하상구조의 동태는 산지계류의 물리 생태적 환경에 큰 영향을 미칠 것으로 판단되며, 산지가 대부분인 우리나라의 계류관리에 있어서 특히 중요하게 인식되어야 할 것이다.
The geometric characteristics of step-pool structures and how they are influenced by channel characteristics were investigated in a steep mountain stream in the Experimental Forests of Kangwon National University in Chuncheon, Gangwon-do. Average values of steps for the study reaches were as follows...
The geometric characteristics of step-pool structures and how they are influenced by channel characteristics were investigated in a steep mountain stream in the Experimental Forests of Kangwon National University in Chuncheon, Gangwon-do. Average values of steps for the study reaches were as follows: step spacing, 4.69 m; step height, 0.47 m; step drop, 0.71 m; step-forming particle sizes, 0.68 m; number, 21steps/ 100 m; the ratio of step spacing to channel width, 0.5; and step steepness, 0.13. Relationships between spacing and height of steps and channel gradient showed a negative- and positive correlation, respectively, whereas all geometric variables of steps manifested poor correlation with channel width. Therefore, step steepness, expressed as the ratio of step height to step spacing, increased as channel gradient increased. The ratio of step steepness to channel gradient representing the criterion of maximum flow resistance was 1.2, indicating the channel bed's stable condition. In particular, the relationship between the ratio of step drop to step height and channel gradient showed a significant negative correlation, suggesting the influence of step-pool geometry in trapping sediment and providing an aquatic habitat. Positive correlations also exist between spacing and drop of steps and step particles. Our findings suggest that the dynamics of step-pool structures may strongly control physical and ecological environments in steep mountain streams, so understanding them is essential for stream management.
The geometric characteristics of step-pool structures and how they are influenced by channel characteristics were investigated in a steep mountain stream in the Experimental Forests of Kangwon National University in Chuncheon, Gangwon-do. Average values of steps for the study reaches were as follows: step spacing, 4.69 m; step height, 0.47 m; step drop, 0.71 m; step-forming particle sizes, 0.68 m; number, 21steps/ 100 m; the ratio of step spacing to channel width, 0.5; and step steepness, 0.13. Relationships between spacing and height of steps and channel gradient showed a negative- and positive correlation, respectively, whereas all geometric variables of steps manifested poor correlation with channel width. Therefore, step steepness, expressed as the ratio of step height to step spacing, increased as channel gradient increased. The ratio of step steepness to channel gradient representing the criterion of maximum flow resistance was 1.2, indicating the channel bed's stable condition. In particular, the relationship between the ratio of step drop to step height and channel gradient showed a significant negative correlation, suggesting the influence of step-pool geometry in trapping sediment and providing an aquatic habitat. Positive correlations also exist between spacing and drop of steps and step particles. Our findings suggest that the dynamics of step-pool structures may strongly control physical and ecological environments in steep mountain streams, so understanding them is essential for stream management.
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문제 정의
이러한 측면에서 산지계류의 전형적인 하상형태인 계단상 하상 구조의 특징과 기능에 관한 인식은 산지 계류의 관리와 복원에 있어 기초적인 사항이며(Lenzi, 2002; Chin et al; 2009), 특히 국내에서 산지 전역을 대상으로 실시되고 있는 친환경적인 계류사방공사를 시행함에 있어서도 가장 먼저 선행되어야 할 사항으로 사료된다. 따라서 이 연구는 계단상 하상구조의 기하학적 특성과 이에 미치는 계류의 지형인자(하폭, 하상경사 및 하상재료)의 영향에 대하여 분석하고, 향후 산지계류의 사방공사 및 관리 . 복원에 활용할 수 있는 기초자료를 제공하고자 실시하였다.
따라서 이 연구는 계단상 하상구조의 기하학적 특성과 이에 미치는 계류의 지형인자(하폭, 하상경사 및 하상재료)의 영향에 대하여 분석하고, 향후 산지계류의 사방공사 및 관리 . 복원에 활용할 수 있는 기초자료를 제공하고자 실시하였다.
이 연구는 강원도 춘천시 강원대학교 산림환경과학대학 학술림을 대상으로 현지조사 결과에 기초하여 산지계류의 전형적인 지형구조인 계단상 하상구조의 기하학적 특성과 계류 지형인자들과의 관계를 분석하였다. 그 결과, 조사구간은 하상경사가 급하고 사면에서 유입된 거석들이 하도 내에 산재하여 국소세굴에 의해 형성된 계단상 하상 구조에 미치는 하폭의 영향은 제한적이었으며, 하상 경사와 거석들이 계단상 하상구조의 형성 및 기하학적 형상에 직접적인 영향을 미치는 것으로 나타났다.
제안 방법
계단당 하상구조의 스텝에 있어서 석력과 기하학적 형상과의 관계를 파악하기 위해 각 구간별로 3개 지점씩 총 42개 지점을 랜덤으로 선정하여 입경을 측정하였다. 입경의 측정은 스텝의 형상과 안정성에 영향을 미치는 거석 (Zimmermann and Church, 2001)을 대상으로 실시하였으며, 각 스텝에서 최대입경의 거석 5개를 선정하여 각각 장 .
계단상 하상구조의 형상을 파악하기 위해 조사구간의 상류에서 하류로 스텝과 소를 중심으로 자동레벨과 표척을 이용한 종단측량을 실시하였다. 일반적으로 계단상 하상구조의 기하학적 형상은 Figure 3과 같이 나타낼 수 있으며, 이 연구에서는 Chin and Wohl(2005)의 정의에 기초하여 상류의 스텝과 하류에 형성된 다음 스텝과의 수평거리를 간격(尾)으로 하고, 이 두 스텝 간의 고저차를 높이 (%)로 하였으며, 특히 스텝과 직하부에 형성된 소와의 고저 차는 낙차(硃)로 하여 분석하였다.
중 . 단죽을 즉정 하고 이를 산술평균 한 값을 거 석 한 개의 평균입경으로 하여 분석하였다.
스텝을 구성하는 거석이 계단상 하상구조의 기하학적 특성에 미치는 영향을 파악하기 위해 이들 인자간의 회귀분석을 실시하였다(Figure 9). 그 결과, 스텝의 간격은 거석의 입경과 정의 상관관계를 보여(Figure 9A) 거석이 스텝의 간격을 컨트롤한다는 선행연구(Chin, 1999; Chartrand and Whiting, 2000; Nickolotsky and Pavlowsky, 2007) 의 결과와 일치하였다.
이용한 종단측량을 실시하였다. 일반적으로 계단상 하상구조의 기하학적 형상은 Figure 3과 같이 나타낼 수 있으며, 이 연구에서는 Chin and Wohl(2005)의 정의에 기초하여 상류의 스텝과 하류에 형성된 다음 스텝과의 수평거리를 간격(尾)으로 하고, 이 두 스텝 간의 고저차를 높이 (%)로 하였으며, 특히 스텝과 직하부에 형성된 소와의 고저 차는 낙차(硃)로 하여 분석하였다.
입경의 측정은 스텝의 형상과 안정성에 영향을 미치는 거석 (Zimmermann and Church, 2001)을 대상으로 실시하였으며, 각 스텝에서 최대입경의 거석 5개를 선정하여 각각 장 . 중 .
5 m이다(Table 1). 조사구간은 대체로 V자 곡의 형상을 하고 있으며, 하상은 주로 양안의 산지 사면에 노출된 암석의 풍화 및 하안침식에 의해 유입된 석력들로 구성되어 있다. 특히 거석의 집적과 직하부의 세굴로 종단 상으로 기복이 발생하며 형성된 계단상 하상구조가 연속적으로 잘 나타나고 있다(Figure 2).
하상 경사의 변화에 따른 계단상 하상구조의 종단 형상 변화를 파악하기 위해 스텝의 낙차와 높이의 비와 하상 경사와의 관계를 분석하였다. 그 결과, 부의 상관관계를 보여 하상경사가 급해질수록 스텝의 낙차와 높이의 비는 감소하는 것으로 나타났다(Figure 7).
현지조사는 2009년 4~6월에 걸쳐 실시하였으며 , 각 조사구간에서 계단상 하상구조의 형상 및 입경의 측정은 다음과 같은 방법으로 실시하였다.
대상 데이터
연구대상지는 행정구역상 강원도 춘천시 동산면 원창리의 강원대학교 산림환경과학대학 학술림 내에 위치하며, 연엽산에서 하류의 원창저수지로 유입되는 3 차수의 산지계류로 유역면적은 1.5 kn?이다(Figure 1). 연평균 기온은 이고, 연평균 강수량은 1, 267 mm로 대부분의 강우는 6~9월에 걸친 집중호우와 태풍에 의해 발생하며, 유역의 지질은 주로 선캄브리아기의 편마암류로 구성되어 있다.
조사구간은 해발고 320-450 m 사이에 분포하며 , 총 연장은 l, 400m(Ml~M13 reach 1, 300 m, R1 reach 100 m) 로 각 구간의 하상경사와 평균하폭은 각각 0.06~0.22(m/ m)와 5.6-12.5 m이다(Table 1). 조사구간은 대체로 V자 곡의 형상을 하고 있으며, 하상은 주로 양안의 산지 사면에 노출된 암석의 풍화 및 하안침식에 의해 유입된 석력들로 구성되어 있다.
데이터처리
3. 계단상 하상구조의 기하학적 특성과 하상경사와의 관계
계류의 지형인자 중 하상경사가 계단상 하상구조의 기하학적 특성에 미치는 영향에 대하여 이들 인자간의 회귀분석을 실시하였으며 , 그 결과는 Figure 5와 같다.
2. 계단상 하상구조의 기하학적 특성과 하폭과의 관계
계류의 지형인자 중 하폭이 계단상 하상구조의 기하학적 특성에 미치는 영향을 파악하기 위해 이들인 자 간의 회귀분석을 실시하였다(Fig니此 4). 그 결과, 스텝의 간격 (Figure 4A), 높이 (Figure 4B) 및 낙차(Figure 4C)와 하폭 간에는 모두 상관관계가 존재하지 않아 하폭은 이들 인자에 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
현지측량 결과로부터 얻어진 자료는 100 m구간의 평균값으로 정 리 하였고, 모든 통계처리는 SPSS(ver. 18.0 kor) 프로그램을 이용하여 실시하였다.
성능/효과
관계를 분석하였다. 그 결과, 부의 상관관계를 보여 하상경사가 급해질수록 스텝의 낙차와 높이의 비는 감소하는 것으로 나타났다(Figure 7). 이러한 관계를 도식화하면 Figure 8과 같다.
실시하였다(Fig니此 4). 그 결과, 스텝의 간격 (Figure 4A), 높이 (Figure 4B) 및 낙차(Figure 4C)와 하폭 간에는 모두 상관관계가 존재하지 않아 하폭은 이들 인자에 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
계류 지형인자들과의 관계를 분석하였다. 그 결과, 조사구간은 하상경사가 급하고 사면에서 유입된 거석들이 하도 내에 산재하여 국소세굴에 의해 형성된 계단상 하상 구조에 미치는 하폭의 영향은 제한적이었으며, 하상 경사와 거석들이 계단상 하상구조의 형성 및 기하학적 형상에 직접적인 영향을 미치는 것으로 나타났다. 또한 하상 경사의 변화에 반응한 계단상 하상구조는 유수에 대한 최대저항 조건을 만족하며, 비교적 안정상태를 유지하고 있는 것으로 나타났다.
그 결과, 조사구간은 하상경사가 급하고 사면에서 유입된 거석들이 하도 내에 산재하여 국소세굴에 의해 형성된 계단상 하상 구조에 미치는 하폭의 영향은 제한적이었으며, 하상 경사와 거석들이 계단상 하상구조의 형성 및 기하학적 형상에 직접적인 영향을 미치는 것으로 나타났다. 또한 하상 경사의 변화에 반응한 계단상 하상구조는 유수에 대한 최대저항 조건을 만족하며, 비교적 안정상태를 유지하고 있는 것으로 나타났다.
5일 때 가장 이상적인 상태라고 보고하고 있다. 이 연구에서는 스텝의 기울기와 하상경사의 비가 0.8~ 1.7평균 1.2)로 나타나(Fig니此 6) 유수에 대한 최대저항력의 조건을 만족하고 있으며, 이에 따라 하상은 비교적 안정상태를 유지하고 있는 것으로 추측된다. 현지 조사 결과, 조사구간 대부분의 지점에서 스텝을 형성하는 거석의 경우 표면에 이끼류가 생육하고 있고, 최근 발생한 토석류의 흔적을 찾아볼 수 없다는 점은 하상이 비교적 안정 상태를 유지하고 있다는 것을 뒷받침 하는 근거라 할 수 있다.
이 연구에서도 스텝의 간격과 하상경사 간의 관계는 직선 회귀식 보다는 파워함수 회귀식을 적용할 때보다 설명력이 높았으며, 상수 □와 지수 b는 각각 1.79와 0.41 로 나타났다(Figure 5A). 선행연구에서 상수 口와 지수 b는 각각 0.
이상의 연구결과로부터 경사가 급한 산지계류에서는 하상 경사나 하도 내의 거석이 하상지형을 조절하는 중요한 인자로 나타났으며, 이들의 영향을 크게 받는 계단상 하상 구조의 동태는 결국 토사이동과 어류 . 수서곤충의 서식 등 산지계류의 물리 .
2)로 나타나(Fig니此 6) 유수에 대한 최대저항력의 조건을 만족하고 있으며, 이에 따라 하상은 비교적 안정상태를 유지하고 있는 것으로 추측된다. 현지 조사 결과, 조사구간 대부분의 지점에서 스텝을 형성하는 거석의 경우 표면에 이끼류가 생육하고 있고, 최근 발생한 토석류의 흔적을 찾아볼 수 없다는 점은 하상이 비교적 안정 상태를 유지하고 있다는 것을 뒷받침 하는 근거라 할 수 있다. 다른 선행 연구에서도 안정된 계단상 하상 구조는 이러한 조건을 만족하는 것으로 보고되고 있으며(Lenzi, 2001; MacFarlane and Wohl, 2003), 특히 Lenzi(2001)의 연구에서는 스텝의 기울기와 하상경사의 비가 평상시 1.
후속연구
생태적 환경에 큰 영향을 미칠 것으로 사료된다. 따라서, 산지가 대부분인 우리나라에서는 계단상 하상구조가 특히 중요하게 인식되어야 하며, 그 기능과 지형적 특징은 최근 국내에서 자연석을 활용하여 실시되고 있는 계류보전사업에 있어서도 참고자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 이러한 측면에서 향후 다양한 유역조건과 수문특성에 따른 계단상 하상구조의 기능과 특징 등 산지계류의 지형동태에 관한 연구가 보다 활발하게 진행되어야 할 것이다.
따라서, 산지가 대부분인 우리나라에서는 계단상 하상구조가 특히 중요하게 인식되어야 하며, 그 기능과 지형적 특징은 최근 국내에서 자연석을 활용하여 실시되고 있는 계류보전사업에 있어서도 참고자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 이러한 측면에서 향후 다양한 유역조건과 수문특성에 따른 계단상 하상구조의 기능과 특징 등 산지계류의 지형동태에 관한 연구가 보다 활발하게 진행되어야 할 것이다.
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