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문제 정의
- 본 연구는 경기도 파주시에 위치한 문산천 유역의 유사량을 실측하여 신뢰성 있는 자료를 구축하고 기존에 사용되고 있는 유사량 추정공식과 비교·분석하여 적합한 유사량 추정방법을 제시하고자 한다.
- 본 연구는 대상유역 유사량을 실측하여 특성을 분석하고 기존의 유사량 추정 공식과 비교·분석하여 신뢰성 있는 유사량 추정방법을 제안하고자 하였다.
가설 설정
- 하상변동 수치모형은 계산시 연속적인 유출수문곡선을 몇 개의 막대그래프 형태로 나누어 적용한다. 이때 각각의 수문사상을 정상류(steady flow) 상태로 가정하며, 지속기간의 단위는 일 (day)이다. 이 지속기간은 이동상 모형의 실행시 계산시간과 계산결과의 안정성에 매우 큰 영향을 끼친다.
- 이를 종합적으로 평가해 볼 때 문산천의 경우 상하류 특정 구간에서 20년 후의 하상상태로 안정화 될 것으로 판단되며, 감조영향을 받는 하류부 구간에서는 퇴적활동이 지속적으로 발생할 것으로 예측되나 하상의 변동량은 1m 이내로 유의한 수준에 있다. 하지만 이는 향후 발생하는 유량이 과거와 같은 성향을 나타내고, 장기적으로 하상변동에 영향을 주는 여러 하도 인자들의 변화는 없을 것으로 가정한 것이다. 따라서, 하도 내의 굴착 및 매립 등과 같은 인위적인 요인과 기후변화로 인한 대규모 홍수와 같은 자연적인 요인으로 인해 하상변동량은 모의 결과 보다 크게 나타날 가능성이 있다.
제안 방법
- (1) 2008년∼2010년 동안 문산천의 하상토 및 갈수기, 평수기, 홍수기 때의 부유사를 측정하였으며, 실내시험을 통해 총유사량을 산정하였다.
- (2) 기존에 사용되고 있는 7가지의 유사량 추정 경험공식을 이용하여 계산된 총유사량을 실측 및 실험에 의한 총유사량과 비교하였다. Ackers & White공식이 실측치와 매우 유사한 값을 나타내어 문산천과 비슷한 유역에서 유사량을 직접 실측하지 못할 경우 Ackers & White공식의 사용이 추천된다.
- (4) 수치모형을 이용하여 문산천의 1년, 10년, 20년 경과시 최심 하상고가 변동되는 양상을 분석하였다. 분석결과 1년경과 후의 하상변화량은 큰 변화 없이 평형상태를 나타냈으며, 10년경과 후의 하상변동 범위는-0.
- 1년, 10년 및 20년 기간의 장기하상변동을 모의하기 위해서는 20년 동안의 유량자료가 필요하므로 본 연구에서는 향후 발생하는 유량이 과거와 같은 성향을 나타내는 것으로 가정하여 2000년부터 2009년까지 과거 10년간의 적성지점의 일유입량을 유역면적비와 연평균강우비를 고려하여 문산천 유역에 해당하는 유량으로 환산한 후 하상변동 예측기간 만큼 유량을 반복하여 적용하였다. 환산된 결과는 Fig.
- 유량-유사량 측정자료가 없을 시에는 여러 경험식으로 유사량을 추정할 수 있다. 경험식에 의한 유사량은 유황, 유량규모별 수면폭, 수심, 수면 경사와 같은 수리특성, 하상구성물질의 특성(D35, D50, D60, D90, 비중, 입도)을 기초자료로 추정 하였다. 또한 『하천유사량 산정방법의 선정기준 개발(1989, 한국건설기술연구원)』에서 제시하고 있는 Yang, Englund & Hansen, Ackers & White 공식 등 7개의 경험공식을 이용하여 유사 량을 산정하였다.
- 이 지속기간은 이동상 모형의 실행시 계산시간과 계산결과의 안정성에 매우 큰 영향을 끼친다. 따라서 본 연구에서는 저유량시는 최대 16일, 고유량시는 최소 1일 간격의 지속기간으로 분할하여 1년동안 약 51개의 막대수문곡선 형태로 Fig. 6과 같이 유량조건을 재구성하였다.
- 또한 『하천유사량 산정방법의 선정기준 개발(1989, 한국건설기술연구원)』에서 제시하고 있는 Yang, Englund & Hansen, Ackers & White 공식 등 7개의 경험공식을 이용하여 유사 량을 산정하였다.
- 또한 문산천을 대상으로 수리·수문 및 유사 이동에 대한 수치모형을 실험하여 장기하상변동 특성을 분석하였으며 그 결론은 다음과 같다.
- 본 연구는 경기도 파주시에 위치한 문산천 유역의 유사량을 실측하여 신뢰성 있는 자료를 구축하고 기존에 사용되고 있는 유사량 추정공식과 비교·분석하여 적합한 유사량 추정방법을 제시하고자 한다. 또한 측정된 유사량 자료를 하상변동 모형에 적용하여 문산천의 장기하상변동을 예측하였다. 연구에 사용된 수치모형으로는 1차원 준정상류 모형인 HEC-6와 하천유관 방법을 도입한 준 2차원 모형인 GSTATS이며, 하상변동의 실제 측량치와 비교하여 모형의 검증을 수행한 후 최종적으로 HEC-6 모형을 이용하여 문산천의 장기하상 변동을 예측하였다.
- 본 연구에서는 실측자료에 의한 결과값은 경험 공식에 의한 추정값 보다는 합리적이라 판단되어 실측자료에 의해 산정한 유사량을 문산천 유역의유사량으로 채택하였으며, 문산천 유역의 연간 총 유사량은 5,478ton/year에 이르며, 비유사량은 29.23ton/㎢/year이다. 산정된 유량-전유사량 관계곡선식을 하상변동 모형의 입력변수로 채택하여 모의하였다.
- 본 연구에서는 실측한 부유사자료와 함께 하상토 자료를 이용하여 소류사량을 산정하고 최종적으로 미채취된 구간 단면의 총 유사량을 추정하는 수정 아인슈타인 절차(Modified Einstein Procedure, MEP)를 이용하여 전유사량을 산정하였다. 수정아인슈타인 절차는 미국의 지질조사국(USGS)에서 제안한 방법으로서, 부유사량의 실측과 수정 아인 슈타인 방법을 통해 하천에서 총유사량을 추정하는 방법이다.
- 23ton/㎢/year이다. 산정된 유량-전유사량 관계곡선식을 하상변동 모형의 입력변수로 채택하여 모의하였다.
- 본 연구의 과업구간에 유량 및 수위 관측소가 없는 실정이므로 문산천이 합류하는 임진강에 위치하고 있으며, 가장 근접하여 있는 적성수위관측소를 채택하였다. 수위-유량 관계식을 통해 산정된 2000년부터 2009년까지 10년 동안 적성지점의 일유입량을 사용하였다.
- 연구대상 구간의 장기하상변동특성을 검토하기 위해 검정을 통해 구축된 HEC-6 모형을 사용하였으며, 1년, 10년, 20년 경과시 최심 하상고가 변동되는 양상을 분석하였다. 실제 하상의 변화를 정량적으로 파악하기 위해 2009년도 하천에 설치되어 있는 구조물 12개소를 기존의 단면에 추가 하였다.
- 또한 측정된 유사량 자료를 하상변동 모형에 적용하여 문산천의 장기하상변동을 예측하였다. 연구에 사용된 수치모형으로는 1차원 준정상류 모형인 HEC-6와 하천유관 방법을 도입한 준 2차원 모형인 GSTATS이며, 하상변동의 실제 측량치와 비교하여 모형의 검증을 수행한 후 최종적으로 HEC-6 모형을 이용하여 문산천의 장기하상 변동을 예측하였다.
- 본 연구의 대상하천에서 부유사 측정지점은 문산천 내 옥석교지점이며, 측정시기는 우기인 2008년 7월, 2009년 7월, 그리고 평수기인 2010년 3∼5월이다. 유사량과 더불어 수리량(유속, 수심)을 동시에 측정하였고, 측정장비로 D-74(Depthintegrating suspended-sediment sampler)를 이용하였다.
- 이와 더불어 적합한 유사량 추정 공식을 제시하기 위해 Toffaleti, Shen & Hung, Acker & White, Yang 공식 등과 같은 경험공식을 이용하여 유사량을 추정한 후 상호 비교․검토 하였다.
- 유사량자료는 본 연구에서 실측자료를 이용하여 유도한 유사량 공식을 사용하였으며, 또 하나의 민감한 입력변수인 하상토 자료를 구축하기 위해 1㎞ 간격으로 12개 지점에서 하상시료를 직접 채취하였다. 채취된 시료는 입도분석 시험을 통해 각각 12개 입경등급으로 구분하여 입경-누적통과 백분율을 산정하였다.
대상 데이터
- Fig. 1은 본 연구의 대상구간인 문산천 국가하천 구간의 현황도이다. 총 11.
- 본 연구에서는 수치모형을 이용하여 문산천의 장기하상변동을 예측하기위해 하상토, 유량, 유사 량을 2008년부터 2010년까지 직접 측정하였으며, 측정된 데이터를 실내 실험을 통해 각각의 주요 입력인자를 추출하여 사용하였다. 이 외에 지형 데이터와 수문 데이터를 기존의 관측자료를 이용하여 사용하였으며 모형 적용과정에 대한 연구 흐름도는 Fig.
- 본 연구의 과업구간에 유량 및 수위 관측소가 없는 실정이므로 문산천이 합류하는 임진강에 위치하고 있으며, 가장 근접하여 있는 적성수위관측소를 채택하였다. 수위-유량 관계식을 통해 산정된 2000년부터 2009년까지 10년 동안 적성지점의 일유입량을 사용하였다.
- 본 연구의 대상하천에서 부유사 측정지점은 문산천 내 옥석교지점이며, 측정시기는 우기인 2008년 7월, 2009년 7월, 그리고 평수기인 2010년 3∼5월이다.
- 연구대상 구간의 장기하상변동특성을 검토하기 위해 검정을 통해 구축된 HEC-6 모형을 사용하였으며, 1년, 10년, 20년 경과시 최심 하상고가 변동되는 양상을 분석하였다. 실제 하상의 변화를 정량적으로 파악하기 위해 2009년도 하천에 설치되어 있는 구조물 12개소를 기존의 단면에 추가 하였다. 특히, 하상유지 시설물인 3개소의 보는 자연적인 현상으로는 침식이 발생하기 어려운 구조물이기 때문에 활동층의 두께를 0으로 제한하였다.
- 유사량자료는 본 연구에서 실측자료를 이용하여 유도한 유사량 공식을 사용하였으며, 또 하나의 민감한 입력변수인 하상토 자료를 구축하기 위해 1㎞ 간격으로 12개 지점에서 하상시료를 직접 채취하였다. 채취된 시료는 입도분석 시험을 통해 각각 12개 입경등급으로 구분하여 입경-누적통과 백분율을 산정하였다.
- 하상변동의 모의를 위한 모형의 지형자료를 구성하기 위하여 모의 대상구간인 문산천 국가하천 11.6㎞ 구간을 2009년도에 200m 간격으로 측량된 총 58개 단면자료와 구조물이 위치한 1개 단면을 사용하였으며, 모형의 검증을 위해 1997년도의 횡단면 자료를 사용하였다.
데이터처리
- (3) 장기하상변동 예측을 위해 HEC-6와 GSTARS 모형의 검증을 수행하여 결과를 비교·분석하였다.
- 2와 같이 도출하였다. 유량-총유사량 관계는 독립 변수 유량에 대한 종속변수 총유사량을 추정하는 회귀 분석에 의해 수립되었고 회귀분석 방법으로는 최소자승법을 이용하였다.
- 하상변동 예측모형인 HEC-6와 GSTARS모형의 검증을 위해 1997년의 연구대상구간에 적용하여 10년 후 하상변동을 모의하고 그 결과를 2009년 측량성과와 비교 분석하였다. 각 모형의 수문 및 유사량 입력조건은 모두 같게 하였으며, 실측된 최심하상고와의 비교를 통해 모형의 검증 결과를 Fig.
이론/모형
- 따라서 본 연구는 HEC-6 모형을 사용하여 문산천의 장기하상변동을 예측하였다. 하지만 GSTARS의 경우 횡단면의 변화도 모의 할 수 있는 큰 장점이 있어 실측자료를 이용한 모형의 검증을 바탕으로 연구의 목적 및 하천의 특성에 맞는 모형의 선택이 중요할 것으로 판단된다.
- 이를 종합적으로 평가해 볼 때 HEC-6 모형이 문산천의 장기하상변동을 예측에 적정한 모형이며 신뢰할 수 있는 결과를 도출할 수 있다고 판단되어 이 연구의 장기하상변동 예측에 사용하였다.
성능/효과
- (5) 이를 종합적으로 평가해 볼 때 문산천의 상하류 특정 구간에서 향후 20년 후의 하상 상태로 안정화 될 것으로 판단되며, 감조 영향을 받는 하류부에서는 퇴적활동이 지속적으로 발생할 것으로 예측되나 하상의 변동량은 1m 이내로 유의한 수준에 있다. 그러나 하도 내의 굴착 및 매립 등과 같은 인위적인 요인과 기후변화로 인한 대규모 홍수와 같은 자연적인 요인으로 인해 하상변동량은 모의 결과 보다 크게 나타날 가능성이 있다.
- 10년경과 후의 하상변동 범위는 -0.41m∼0.85m로 연구대상구간 총 11.6㎞ 구간에서 유출구로부터 7,000m 까지는 국부적으로 퇴적이 발생되었고, 그 이상의 상류부에서는 대부분의 구간에서 침식이 발생하는 것으로 나타났다.
- Fig. 3에 나타낸 바와 같이 제시된 7가지의 공식을 이용하여 계산된 총유사량을 실측 및 실험에 의한 총유사량과 비교할 때 Ackers & White공식이 실측치와 매우 유사한 값을 나타내었고 Ranga Raju, Rijn의 공식은 오차가 크게 나타나 적용하기에 어려운 것으로 판단된다.
- HEC-6 모형의 검증 결과 하류부는 유출구로부터 1,000m 구간을 제외하면 실측 하상고와 대체로 일치하는 것으로 나타났다. 또한, 상류부는 국부적으로 퇴적 및 세굴이 발생되는 구간이 있지만 일부 구간을 제외하면 실제 하상고에 가까운 모의 결과를 나타내는 것으로 예측되었다.
- 또한, 상류부는 국부적으로 퇴적 및 세굴이 발생되는 구간이 있지만 일부 구간을 제외하면 실제 하상고에 가까운 모의 결과를 나타내는 것으로 예측되었다. 따라서, 모형 검증에 사용된 수문 및 유사량 입력자료들이 타당한 것으로 판단되며, HEC-6 모형이 문산천의 장기하상변동을 예측하기에 적합한 것으로 판단되었다.
- 분석 결과 1년 후의 하상변화량은 큰 변화 없이 평형상태를 나타냈다. 10년경과 후의 하상변동 범위는 -0.
- 분석결과 1년경과 후의 하상변화량은 큰 변화 없이 평형상태를 나타냈으며, 10년경과 후의 하상변동 범위는-0.41m∼0.85m, 20년경과 후 하상변동 범위는 -0.47m∼0.91m로 감조하천의 영향을 많이 받는 유출구로부터 2,000m까지는 평형상태를 나타내며, 하류부인 2,000m∼7,000m 구간에 퇴적활동이 지배적이다.
- (3) 장기하상변동 예측을 위해 HEC-6와 GSTARS 모형의 검증을 수행하여 결과를 비교·분석하였다. 분석결과 HEC-6 모형이 GSTARS 모형보다 실측값을 대한 오차가 적게 나타났으며, 검증결과 하류부는 유출구로부터 1,000m 구간을 제외하면 실측 하상고와 대체로 일치하는 것으로 나타났다. 또한, 상류부는 국부적으로 퇴적 및 세굴이 발생되는 구간이 있지만 일부 구간을 제외하면 실제 하상고에 가까운 모의 결과를 나타내는 것으로 예측되었다.
- 비교 결과 HEC-6 모형이 GSTARS 모형보다 실측값에 대한 오차가 적게 나타났지만 두 모형 모두 전반적으로 실측값을 잘 나타내어 장기적인 하상변동 예측시 모두 적용이 가능한 것으로 나타났다. 하지만 정량적인 결과 외에 GSTARS 모형은 활동층의 두께를 각 단면별로 지정할 수 없기 때문에 보와 같은 구조물의 영향 및 하천의 특수한 상황을 반영하여 모의하기 어려운 점이 있다.
- 이를 종합적으로 평가해 볼 때 문산천의 경우 상하류 특정 구간에서 20년 후의 하상상태로 안정화 될 것으로 판단되며, 감조영향을 받는 하류부 구간에서는 퇴적활동이 지속적으로 발생할 것으로 예측되나 하상의 변동량은 1m 이내로 유의한 수준에 있다. 하지만 이는 향후 발생하는 유량이 과거와 같은 성향을 나타내고, 장기적으로 하상변동에 영향을 주는 여러 하도 인자들의 변화는 없을 것으로 가정한 것이다.
- 3과 같다. 최대 비유사량은 112.88ton/㎢/year (Rijn 방법), 최소 비유사량은 6.14ton/㎢/year (Ranga Raju 방법)으로 두 방법의 결과치가 21배에 이르러 편차가 심한 것으로 나타났다. 이는 경험공식 특성상 유역의 특성을 나타내기에는 입력 변수가 한정되어 있고, 입력 변수의 민감도가 높아서 나타난 결과로 판단된다.
- 하상변동 모의 검증결과를 정량적으로 비교하기 위해 2009년의 문산천 횡단 실측자료를 기준으로 각 모형별 RMSE(Root Mean Square Error)를 산정한 결과 HEC-6 모형은 0.45, GSTARS 모형은 0.53으로 나타났다. 각 모형별 최심하상고의 실측값과 계산값의 상관도를 Fig.
- 하상재료의 누적통과백분율을 계산하여 입도분포곡선을 작성한 결과 감조구간인 하류부분에서는 대부분이 점토질의 특성을 나타내었고, 중상류부의 충적하천 구간은 상류로 올라갈수록 세립질 모래 및 조립질의 자갈입자가 많이 분포하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 하상변동에 관한 선행 연구들은 주로 실측된 유사량 자료를 사용하지 않고 경험공식을 통해 유사량을 추정해서 장기하상변동의 모형의 입력자료로 사용하였으며, 단기간의 사상을 이용하여 모형을 검증하였다. 실제 측정된 신뢰도 있는 유사량 사용 및 장기적인 실측자료를 이용한 모형 검증이 필요할 것으로 판단되었다.
- 특히, 감조부의 영향을 받는 하류 부에서 유출구로부터 거리 2,000m∼7,000m 사이 구간에 퇴적이 지속적으로 증가되고 있어 추후하천관리계획 수립시 반영될 필요성이 있다.
- 그러나 하도 내의 굴착 및 매립 등과 같은 인위적인 요인과 기후변화로 인한 대규모 홍수와 같은 자연적인 요인으로 인해 하상변동량은 모의 결과 보다 크게 나타날 가능성이 있다. 특히, 감조부의 영향을 받는 하류 부에서 유출구로부터 거리 2,000m∼7,000m 사이 구간에 퇴적이 지속적으로 증가되고 있어 향후 하천관리계획 수립시 반영될 필요성이 있다.
- 따라서 본 연구는 HEC-6 모형을 사용하여 문산천의 장기하상변동을 예측하였다. 하지만 GSTARS의 경우 횡단면의 변화도 모의 할 수 있는 큰 장점이 있어 실측자료를 이용한 모형의 검증을 바탕으로 연구의 목적 및 하천의 특성에 맞는 모형의 선택이 중요할 것으로 판단된다.
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