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문제 정의
- 본 연구는 경상북도 관내에 준설예정인 사방댐을 대상으로 준설로 인해 발생되는 사방댐 퇴사선 내에서의 지형변화를 평가하기 위해서 지상 LiDAR 장비를 이용한 지형측량을 실시하였다. 사방댐 준설전·후의 지형변화 특히, 우기후에 사방댐 내로 유입되는 퇴적물로 인한 경사도와 체적변화를 정량적으로 분석하고, 대조군과의 비교를 통해서 사방댐 준설이 단기간 계류의 지형변화에 미치는 영향을 평가하였다.
가설 설정
- 하지만, 본 자료를 그대로 이용하여 준설지와 비준설지의 토사유출량을 비교할 경우 비준설지의 토사유출량을 과소평가할 우려가 있다. 따라서, 본 연구에서는 추가적으로 비준설지에서 토사가 유출되지 않고 모두 사방댐에 저사되었을 경우를 가정한 분석을 실시하였다. 이 경우 사방댐에서 상류 20 m지점까지 토사가 100% 퇴적된 것으로 가정하여(300 m3, 20 × 10 × 1.
- 이 경우 사방댐에서 상류 20 m지점까지 토사가 100% 퇴적된 것으로 가정하여(300 m3, 20 × 10 × 1.5) 분석하였다.
제안 방법
- 5 m로 설정하였다. DEM 형성결과를 분석구역과 비(非)분석구역으로 구분하고, 퇴사선내의 구역을 선별하여 분석에 활용하였다. 지상 LiDAR를 이용한 본 연구의 데이터 획득 과정은 Figure 2와 같다.
- 지상 LiDAR 촬영으로 획득된 점군들은 HUACE社의 X91 Network RTK-GPS로 획득한 좌표를 이용하여 절대 좌표로 변환하고 정합하였다. 그리고 정확한 지형변화 분석을 위하여 지면점만을 추출하는 필터링 작업을 거쳐야 하는데, 본 연구에서는 Terrasolid 社의 TerraScan S/W의 경사기반 지면점 분류기법을 통하여 자동으로 지면점을 분류하였다. 분류된 지면점을 DEM으로 제작하기 위해서 사방댐 계획퇴사선을 고려하여 격자크기를 0.
- 사방댐 준설전·후의 지형변화 특히, 우기후에 사방댐 내로 유입되는 퇴적물로 인한 경사도와 체적변화를 정량적으로 분석하고, 대조군과의 비교를 통해서 사방댐 준설이 단기간 계류의 지형변화에 미치는 영향을 평가하였다. 또한 조사대상 두 지역간의 강우량에 따른 전체 토사유출량을 비교하였다.
- 또한, 연구대상지의 양적인 지형변화를 모니터링하기 위해서 준설전·후 및 우기후의 DEM 차이를 이용하여 체적변화를 분석하였다.
- 그리고 정확한 지형변화 분석을 위하여 지면점만을 추출하는 필터링 작업을 거쳐야 하는데, 본 연구에서는 Terrasolid 社의 TerraScan S/W의 경사기반 지면점 분류기법을 통하여 자동으로 지면점을 분류하였다. 분류된 지면점을 DEM으로 제작하기 위해서 사방댐 계획퇴사선을 고려하여 격자크기를 0.5 m로 설정하였다. DEM 형성결과를 분석구역과 비(非)분석구역으로 구분하고, 퇴사선내의 구역을 선별하여 분석에 활용하였다.
- 사방댐 준설전·후의 지형변화 특히, 우기후에 사방댐 내로 유입되는 퇴적물로 인한 경사도와 체적변화를 정량적으로 분석하고, 대조군과의 비교를 통해서 사방댐 준설이 단기간 계류의 지형변화에 미치는 영향을 평가하였다.
- 선행연구를 참고하여 산지에서 토양 침식발생확률이 높은 경사도 범위를 고려하여 본 연구에서는 20°~40°가 차지하는 비율을 분석하고, 준설유무에 따른 사방댐의 상대적인 계류안정 효과를 분석·비교 하였다(Kim et al., 2008; Kim and Chae, 2009; Lee, 2011).
- 연구대상지의 유역면적 및 조사범위의 면적이 서로 다르기 때문에 조사범위내의 단위면적당(m2)으로 나누어 비교하였다. Site 1의 m2당 체적변화량은 준설후 -0.
- 연구대상지의 종단 형상은 조사시기별로 정합된 1개의 Data를 이용하여 사방댐 대수면의 상장 중심에서 수계방향으로의 수직선을 종단선형으로 측선 하였다. 그 결과 준설을 시행한 사방댐 지역(Site 1, 2)에서는 준설시행후 종단곡선의 물매가 낮게 나타나 공간적으로 준설이 시행된 것을 알 수 있었다.
- 조사시기는 준설작업과 강우시기를 고려하여 준설을 시행한 사방댐에서는 준설작업 전·후 및 우기후 총 3회, 준설을 시행하지 않은 사방댐에서는 우기전·후 총 2회 측정하였다(Table 3).
- 지형측정에 사용된 장비는 오스트리아 RIEGL社의 LMSZ210ii 지상 LiDAR를 이용하고, 음영지역의 발생을 최소화시키기 위해서 본 연구에서는 지상 LiDAR 장비를 3회 이동 시켜서 측정하고, 3개의 Data를 정합하였다. 측정위치는 사방댐 반수면 위 좌측에서 1차 측정, 우측에서 2차 측정, 그리고 2차 측정 지점에서 Tiltmounts를 하여 대수면 아래쪽에 3차 측정하였다.
대상 데이터
- 연구대상지역인 군위와 성주에는 기상관측 시설이 없기 때문에 대상지 인근 3개 지역의 강우량 평균을 이용하여 연구대상지의 강우량으로 나타내었다(Figure 4). 기상청에서 관측한 강우량을 사용하였고, 수집기간은 조사기간과 동일한 2012년 05월 28일~2012년 11월 03일 이다. 두 지역에서는 7월 까지는 강우량이 유사하게 나타났으나, 8월과 9월에는 성주군에서 134.
- 사방댐 준설작업이 예정된 사방댐을 대상으로 군위군(A, Site 1)과 성주군(B, Site 2) 두 지역의 사방댐을 실험군으로 선정하고, 일반 사방댐과의 비교를 위해서 동일한 지역내 각각 준설 이력이 없는 인근 사방댐을 대상으로 군위군(A, Site 3), 성주군(B, Site 4) 두 지역의 사방댐을 대조군으로 선정하였다(Figure 1).
- 지상 LiDAR 촬영으로 획득된 점군들은 HUACE社의 X91 Network RTK-GPS로 획득한 좌표를 이용하여 절대 좌표로 변환하고 정합하였다. 그리고 정확한 지형변화 분석을 위하여 지면점만을 추출하는 필터링 작업을 거쳐야 하는데, 본 연구에서는 Terrasolid 社의 TerraScan S/W의 경사기반 지면점 분류기법을 통하여 자동으로 지면점을 분류하였다.
성능/효과
- 1. 토양침식 유발의 위험이 높은 경사도(20°~40°)가 차지하는 비율이 준설을 시행한 사방댐의 경우, 준설후(우기전) 15.0%, 우기후 15.6%로 더 증가하였고, 준설을 시행하지 않은 사방댐에서는 우기전 23.1%, 우기후 18.9%로 감소하였다.
- 2. 준설을 시행한 사방댐에서 우기후의 조사면적에 대한 m2당 퇴적량은 0.5 m3/m2, 준설을 시행하지 않은 사방댐 0.3 m3/m2로 준설을 시행한 사방댐에서 m2당 1.7배 더 많은 토사가 유입되었다. 이는 준설을 시행한 사방댐에서 토사의 유입이 많이 발생한다는 정량적인 결과로서, 준설이 작업의 범위내와 직상류에 물리적 교란을 일으켜 계류의 침식을 유발하는 것으로 판단된다.
- Site 1 지역의 준설전에는 경사도 5°~10°의 분포면적이 984.75 m2로 가장 많은 면적을 차지하고 있었으나, 준설 후와 우기후에는 0°~5°의 분포면적이 각각 1,136.75 m2,1,030.50 m2로 가장 많이 나타났다(Table 4).
- Site 2에서는 준설시행 전·후에 경사도 5° 이하의 분포면적이 각각 1,009.75 m2, 1,028.75 m2로 가장 많은 분포면적을 보였으나, 우기후에는 638.25 m2로 급감하였고 5°~10°의 분포면적이 678.25 m2로 가장 많은 것으로 나타났다(Table 5).
- Site 2의 침식량은 1,670.8 m3, 퇴적량은 59.9 m3로서1,610.9 m3 준설한 것으로 나타났고, 우기후에는 침식량 263.2 m3, 퇴적량 1,618.7 m3로 준설후 우기를 지나면서 1,355.5 퇴적되었다(Table 8). 단위면적당(m2) 체적변화량은 m2당 준설후 -0.
- Site 3 지역의 우기전·후의 경사도 5°~10°가 각각 225.75 m2 , 213.75 m2로 가장 많은 면적을 차지하고 있었으나, 전체적으로는 우기전·후의 큰 변화 없이 고른 분포로 나타났다(Table 6).
- Site 4에서 우기전 가장 많은 면적을 차지하는 경사도는 5°~10°로 분포면적이 235.25 m2로 가장 많은 것으로 나타났으나, 우기후에는 5° 이하의 분포면적이 361.25 m2로 가장 많이 나타났다.
- 강우량이 두 지역의 토사유출에 미치는 영향은 m2/mm당 군위 0.00079 m3/m2/mm, 성주 0.00077 m3/m2/mm의 토사유출이 일어나 두 지역에서 약 150 mm의 총 강우량 차이는 있었으나, 강우량에 대한 토사유출량 변화에는 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. 향후 다양한 유역단위별 토사유출량 및 유역면적이 유사한 지역에서 준설지와 비준설지의 토사유출량에 대한 조사가 필요할 것이다.
- 연구대상지의 종단 형상은 조사시기별로 정합된 1개의 Data를 이용하여 사방댐 대수면의 상장 중심에서 수계방향으로의 수직선을 종단선형으로 측선 하였다. 그 결과 준설을 시행한 사방댐 지역(Site 1, 2)에서는 준설시행후 종단곡선의 물매가 낮게 나타나 공간적으로 준설이 시행된 것을 알 수 있었다. 사방댐 대수면에서 수계방향으로 일정 거리 후에는 준설전과 유사한 물매를 형성하고 있어 준설작업이 영향을 미친 범위를 알 수 있었다.
- 5%로 나타나 만사된 사방댐에서 퇴사선내의 퇴적물에 대한 안정성이 가장 높은 것으로 나타났다. 그러나 준설을 시행하지 않은 사방댐에서는 사방댐 신설후 만사되지 않은 상태 즉, 퇴사선이 불안정한 상태이기 때문에 23.1%로 침식 위험성의 범위가 차지하는 비율이 가장 높게 나타났다.
- 준설 전에는 만사된 사방댐에서 토양침식이 일어날 수 있는 구간의 비율이 낮았으나, 준설로 인해서 퇴사선의 교란이 일어났기 때문에 토양침식이 일어날 수 있는 구간의 비율이 증가한 것으로 판단된다. 그러나 준설을 시행하지 않은 사방댐에서는 우기전 23.1%, 우기후 18.9%로 비율의 수치는 준설지보다 높지만, 우기를 지나면서 감소하는 경향으로 나타났다. 또한, 준설을 시행한 사방댐에서 침식의 위험이 상대적으로 높은 경사도가 차지하는 비율이 준설전 8.
- 우기후 사방댐이 재차 만사되었지만, 준설전보다도 토양침식 위험이 있는 경사도의 비율이 약 10% 증가하였다. 따라서 경사도 분석결과, 준설을 시행하게 되면 침식의 위험구간이 증가하는 것으로 나타났다. 토양침식이 일어나기 쉬운 경사도가 증가하였다는 것은 사방댐 준설로 인해 급변한 지형이 형성되어 교란이 심하게 일어났고, 경사도가 급변한 지역에서 단시간에 퇴적이 일어나 계상구배가 안정화되지 못했기 때문으로 판단된다.
- 이는 준설을 시행한 사방댐에서 토사의 유입이 많이 발생한다는 정량적인 결과로서, 준설이 작업의 범위내와 직상류에 물리적 교란을 일으켜 계류의 침식을 유발하는 것으로 판단된다. 또한 조사대상지의 강우량 차이는 토사유출량에 미치는 영향이 없는 것으로 나타났다.
- 9%로 비율의 수치는 준설지보다 높지만, 우기를 지나면서 감소하는 경향으로 나타났다. 또한, 준설을 시행한 사방댐에서 침식의 위험이 상대적으로 높은 경사도가 차지하는 비율이 준설전 8.5%로 나타나 만사된 사방댐에서 퇴사선내의 퇴적물에 대한 안정성이 가장 높은 것으로 나타났다. 그러나 준설을 시행하지 않은 사방댐에서는 사방댐 신설후 만사되지 않은 상태 즉, 퇴사선이 불안정한 상태이기 때문에 23.
- 그 결과 준설을 시행한 사방댐 지역(Site 1, 2)에서는 준설시행후 종단곡선의 물매가 낮게 나타나 공간적으로 준설이 시행된 것을 알 수 있었다. 사방댐 대수면에서 수계방향으로 일정 거리 후에는 준설전과 유사한 물매를 형성하고 있어 준설작업이 영향을 미친 범위를 알 수 있었다. 우기를 지나면서는 다시 만사가 되어 준설전과 유사한 종단물매를 형성하였다.
- 1%로 나타나, 준 설후 토양침식이 일어날 가능성이 있는 범위가 증가하였다(Figure 5). 우기후 사방댐이 재차 만사되었지만, 준설전보다도 토양침식 위험이 있는 경사도의 비율이 약 10% 증가하였다. 따라서 경사도 분석결과, 준설을 시행하게 되면 침식의 위험구간이 증가하는 것으로 나타났다.
- 0 m3 준설하였다고 추정할 수 있다. 우기후에는 침식량 683.9 m3, 퇴적량 1,791.7 m3로 준설후 우기를 지나면서 1,107.8 퇴적된 것으로 나타났다(Table 8).
- 5 m3로 나타났다. 전체적으로 17.6 m3 침식이 일어난 것으로 나타났다(Table 9). 만사되지 않은 사방댐에서 우기후에 퇴적보다 침식이 더 많이 나타난 것은 만사되지 않은 사방댐에서 강우시 물빼기구멍을 통하여 유수와 함께 일부토사가 하류로 유실되었기 때문으로 판단된다.
- 7 m3로 나타났다. 전체적으로 197.8 m3 퇴적되었으며, 우기를 지나면서 토사의 유입이 있었다(Table 9).
- Figure 10(a)는 Site 3에서 우기후의 공간적 체적변화를 나타내고 있다. 전체적으로 침식과 퇴적이 비슷한 크기의 분포로 나타났고, 준설지역과 비교해보면 침식이나 퇴적활동 중 어느 하나가 집중적으로 나타나지 않고, 침식과 퇴적활동이 여러 구역에서 산발적으로 일어난 것으로 나타났다.
- 25 m2로 가장 많이 나타났다. 전체적으로는 급경사지의 분포가 줄었고 완경사지의 분포가 증가하였다(Table 7).
- 준설을 시행하지 않은 Site 3에서 20°~40°가 차지하는 비율은 우기전 22.5%, 우기후 24.6%로 나타나 준설지보다 침식 위험이 있는 범위의 수치가 높게 나타났다(Figure 6).
- 준설을 시행한 사방댐과 시행하지 않은 사방댐 각각 두 곳의 평균값을 통한 정량적 결과는 침식의 위험이 상대적으로 높은 경사도가 차지하는 범위의 비율이 준설을 시행한 사방댐에서는 준설전 8.5%, 준설후 15.0%, 우기후 15.6%로 점점 증가하는 것으로 나타났다(Figure 7). 준설 전에는 만사된 사방댐에서 토양침식이 일어날 수 있는 구간의 비율이 낮았으나, 준설로 인해서 퇴사선의 교란이 일어났기 때문에 토양침식이 일어날 수 있는 구간의 비율이 증가한 것으로 판단된다.
- 준설을 시행한 사방댐과 준설을 시행하지 않은 사방댐 각각 두 곳의 평균값을 통한 정량적 결과는 준설을 시행한 사방댐에서 우기후 m2당 평균 퇴적량 0.5 m3/m2, 준설을 시행하지 않은 사방댐에서는 0.3 m3/m2로 준설을 시행한 사방댐에서 우기를 지나면서 1.7배 많은 토사가 유입되었다(Figure 12).
- 토양침식 위험이 상대적으로 높은 20°~40°가 차지하는 비율이 준설전 13.2%, 준설후 19.2%, 우기후 18.1%로 나타나 준설직후에는 토양침식이 일어날 가능성이 있는 범위가 증가하였고, 우기를 지나면서 조금 감소하였다(Figure 5).
- 토양침식의 가능성이 높은 경사도가 분포하는 비율이 준설전 3.9%, 준설후 10.8%, 우기후 13.1%로 나타나, 준 설후 토양침식이 일어날 가능성이 있는 범위가 증가하였다(Figure 5). 우기후 사방댐이 재차 만사되었지만, 준설전보다도 토양침식 위험이 있는 경사도의 비율이 약 10% 증가하였다.
후속연구
- 본 연구 결과는 준설을 시행한 사방댐의 지형변화에 대한 기초자료를 제공하고 준설작업에 있어서 계상의 물리적 안정성을 고려해야하는 근거를 제시할 수 있을 것이다. 그러나 연구대상지가 경북지역내의 사방댐 준설지 2곳이라는 자료개수와 유역면적이 서로 다르다는 한계가 있었다.
- 하천준설의 경우에는 Jang and Yoon(2009)에 의해 준설로 인한 교란하천의 적응 메커니즘을 파악하였으며, Jang(2010)은 준설초기에는 하상저하로 인해서 측방향 불안전을 일으켜 하폭을 변화시키고, 안전한 구간에서도 침식과 이동을 촉발시킨다고 밝히는 등 하천준설에 대한 연구는 많이 있으나 사방댐 준설지역의 지형변화에 관한 연구는 미흡하다. 사방댐 준설작업이 단기간의 지형변화에 미치는 영향을 파악하여 준설작업의 필요성 유무, 효과적인 작업형태 등을 파악하여 향후 준설작업의 계획 및 대상지 선정에 활용할 필요가 있다.
- 이러한 지상 LiDAR의 장점을 활용하여 사방댐 준설지역에서 준설전·후의 지형변화 비교에 적용한다면 변위분석의 정확도를 높이는데 적합할 것으로 판단된다.
- 00077 m3/m2/mm의 토사유출이 일어나 두 지역에서 약 150 mm의 총 강우량 차이는 있었으나, 강우량에 대한 토사유출량 변화에는 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. 향후 다양한 유역단위별 토사유출량 및 유역면적이 유사한 지역에서 준설지와 비준설지의 토사유출량에 대한 조사가 필요할 것이다.
- 향후, 매년 지속적으로 실시하고 있는 사방댐 관리 사업에서 지역, 지질, 유역면적, 댐규모 등 다양한 인자를 고려하여 더 많은 준설지에서의 지형변화와 물리적 교란에 대한 정확한 메커니즘에 관한 연구가 수행되어야 할 것이다. 또한 사방댐 준설작업의 형태와 규모, 작업시기 등 다양한 연구가 지속적으로 이루어질 필요가 있다.
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