Mountain streams, which are major components of an entire river network, play an important role as the source of water, sediment, coarse and fine organic matter, and nutrients for lowland rivers. Therefore, dynamics and downstream linkages of each compartment of the mountain stream can be essential ...
Mountain streams, which are major components of an entire river network, play an important role as the source of water, sediment, coarse and fine organic matter, and nutrients for lowland rivers. Therefore, dynamics and downstream linkages of each compartment of the mountain stream can be essential for watershed management in catchment scale. The dynamics and downstream linkages are understood as a development of step-pool sequences along a river course. Recently, stream restoration after flooding event often employ the development of step-pool sequences in the world. In this paper, we 1) examined the geomorphic characteristics and the role of step-pool sequences in steep mountain streams by reviewing the results of past studies, and 2) introduced the case studies of stream restoration using step-pool sequences, and finally 3) addressed design methods considering geometry and stability of artificial step-pool sequences for stream restoration. Step-pool sequences play an important role not only as roughness with energy dissipation but also as heterogeneity of stream feature for aquatic habitat. Step-pool sequences, even if they are constructed artificially along a stream, may be effective for small stream restoration considering eco-friendly torrent controls. So far the artificial step-pool sequences were employed for mountainous streams, but those would be applied to urban stream.
Mountain streams, which are major components of an entire river network, play an important role as the source of water, sediment, coarse and fine organic matter, and nutrients for lowland rivers. Therefore, dynamics and downstream linkages of each compartment of the mountain stream can be essential for watershed management in catchment scale. The dynamics and downstream linkages are understood as a development of step-pool sequences along a river course. Recently, stream restoration after flooding event often employ the development of step-pool sequences in the world. In this paper, we 1) examined the geomorphic characteristics and the role of step-pool sequences in steep mountain streams by reviewing the results of past studies, and 2) introduced the case studies of stream restoration using step-pool sequences, and finally 3) addressed design methods considering geometry and stability of artificial step-pool sequences for stream restoration. Step-pool sequences play an important role not only as roughness with energy dissipation but also as heterogeneity of stream feature for aquatic habitat. Step-pool sequences, even if they are constructed artificially along a stream, may be effective for small stream restoration considering eco-friendly torrent controls. So far the artificial step-pool sequences were employed for mountainous streams, but those would be applied to urban stream.
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문제 정의
따라서, 이 논문에서는 산지계류의 계단상 하상구조에 관한 선행연구 결과를 토대로 지형적 특징과 기능에 대하여 고찰하고, 중 · 소규모의 계류에 있어서 계단상 하상구조의 인공조성을 통한 자연친화적 복원방안에 대하여 구조적 · 안정적 설계방안을 중심으로 검토하였다.
이러한 배경을 바탕으로, 이 연구에서는 해외의 선행연구들을 통해 계단상 하상구조의 지형적 특징과 기능 및 이를 이용한 복원사례에 대해 고찰해 봄으로써 계단상 하상구조를 계류복원에 이용하기 위한 구체적인 방안을 검토 · 제시하고자 하였다.
계단상 하상구조를 조성할 경우에는 안정적인 기능유지를 위해 설계단계에서 유수에 대한 안정성을 확보해야 한다. 이에 이 연구에서는 토사수리학적 접근법에 기초하여 두 가지 측면, 즉 홍수에 대한 스텝 구성재료의 안정성과 유수에너지에 대한 기하학적 안정조건을 고려한 설계방법을 제시하였다. 다만 자연상태의 계류에서 홍수 시 부동(不動)의 거석을 보다 정확히 예측하기 위해서는 현지모니터링을 통해 계류의 수리특성이 반영된 한계 Shields수의 검증이 실시되어야 할 것이다.
성능/효과
강원대학교 학술림 내의 산지계류 1.4km를 대상으로 위의 식을 이용하여 추정한 스텝 간격과 현지에서 실측한 스텝 간격과의 관계를 분석한 결과, R2=0.68(p<0.0001)로 비교적 상관관계가 높은 것으로 나타났다(그림 10)
선행연구의 결과를 종합할 때, 계단상 하상구조는 하상의 조도로 작용하여 토사이동 및 유수 에너지의 저감에 의해 하상을 안정시키고, 수서 곤충 및 어류의 서식공간을 제공한다는 점에서 계류환경의 물리 · 생태적 안정에 크게 기여하는 것으로 판단된다.
(2009)은 거석의 집적과 낙차로 인해 연속적으로 발생한 종단상 기복이 커질수록 매닝(Manning)의 조도계수가 증가하는 것으로 보고하고 있다. 일본 규슈지역의 산지계류를 대상으로 거석과 스텝을 구성하는 재료와의 관계를 분석한 결과, 부동상태에 있는 중심거석(immobile key-boulders)의 입경이 클수록 포착된 다른 구성물질들(cobbles and gravels)의 입경도 증가하는 것으로 나타났다(그림 4). 이는 스텝을 구성하는 중심거석의 입경이 클수록 하상조도로써의 기능이 더 크게 발휘되어 유동에너지의 저감에 영향을 미친 것으로 판단된다.
계단상 하상구조는 유목(large wood) 및 거석(boulder)의 집적과 기반암(bedrock)의 침식 등으로 형성되는데 거석에 의해 형성된 구조가 가장 일반적인 형태이다(그림 1; Chin and Wohl, 2005). 일본 규슈지역의 산지계류를 대상으로 거석스텝의 입경을 측정한 결과, 하상재료보다 약 4배(스텝의 중심거석을 제외한 평균입경)에서 8배 정도(스텝의 중심거석)의 거석으로 구성된 것으로 나타났다(그림 3). 이러한 거석에 의해 형성된 계단상 하상구조는 20～50년 빈도의 대홍수에 의해 형성되기 때문에(Grant et al.
후속연구
이에 이 연구에서는 토사수리학적 접근법에 기초하여 두 가지 측면, 즉 홍수에 대한 스텝 구성재료의 안정성과 유수에너지에 대한 기하학적 안정조건을 고려한 설계방법을 제시하였다. 다만 자연상태의 계류에서 홍수 시 부동(不動)의 거석을 보다 정확히 예측하기 위해서는 현지모니터링을 통해 계류의 수리특성이 반영된 한계 Shields수의 검증이 실시되어야 할 것이다. 또한 기하학적 안정조건을 만족하는 관계식 「 LS=DS/1.
또한 기하학적 안정조건을 만족하는 관계식 「 LS=DS/1.5S 」은 현지조사 자료의 한정성으로 인해 충분히 검증되지는 못했지만, 선행연구를 통해 자연상태와 수리실험에서도 확인이 된 바, 계단상 하상구조의 조성에 기본적인 설계지침으로 활용될 수 있다고 판단된다.
이 연구는 최근 국내에서 자연소재를 활용한 계류복원이 시도 · 확대되고 있는 상황에서 유용한 정보 및 기초자료를 제공할 수 있을 것으로 기대되며, 미비한 부분은 향후 사업지에 대한 사후모니터링을 통해 지속적으로 보완해 나갈 예정이다.
한편, 도시 근교의 계류복원에 이용한다면 경관성의 향상과 소의 형성을 통한 친수공간의 조성(그림 12) 및 수질개선 효과도 기대할 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
계단상 하상구조란?
산지계류에서는 거석의 집적으로 형성된 스텝(step)과 직하부가 세굴되면서 토사가 퇴적된 소(pool)가 종단상으로 교차하며 연속적으로 분포하는 하상구조가 나타나는데, 이를 계단상 하상구조(step-pool sequences)라고 한다(그림 1, 2). 계단상 하상구조는 일반적으로 0.
계단상 하상구조은 어떤 역할을 하는가?
계단상 하상구조는 거석으로 구성되기 때문에(그림 3) 토사이동 및 유수흐름에 대해 하상의 조도(bed roughness)로 작용하여 유동에너지를 분산시키는 역할을 한다(Abrahams et al., 1995; Curran and Wohl, 2003).
하상재료가 수서곤충의 서식에 영향을 미치는 이유는?
하상재료가 수서곤충의 서식에 미치는 영향에 대한 서문원과 전근우(1999)의 연구에서도 단위면적 당 거석이 차지하는 비율이 높을수록 서식하는 수서곤충의 종 다양도는 증가하지만(그림 5), 단위면적 당 자갈의 비율이 증가하면 수서곤충의 종 다양도는 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 현상은 동일한 수리 조건 내에서 거석의 이동빈도가 자갈의 이동빈도에 비해 낮고 유수에 대한 저항력이 높기 때문에 보다 안정적인 서식공간을 제공할 수 있게 된 것에 기인한 결과로 추측할 수 있다.
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