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문제 정의
- 낙동강의 경우도 4대강 살리기 사업 후의 하상변동에 대한 실측자료를 활용하여 수치모형을 보정할 경우 4대강 살리기 사업으로 인한 장기적인 하상변동을 예측하는데 수치모의 방법을 적극 활용할 수 있을 것이다. 따라서본 연구의 목적은 첫째, 수집된 과거 하상변동 모니터링 자료를 활용하여 낙동강 전구간의 장기 하상변동 양상을 분석하는 것이며, 둘째, 모니터링 자료에서 하상변동의 양상이 큰 구간을 대상으로 장기적인 예측을 위한 1차원 수치모형을 구축하고 10년 후의 하상변동 양상과 평형하상고를 예측하는 것이다.
가설 설정
- 보정된 모형을 이용하여 4대강 살리기 사업 10년 후의 장하상변동을 모의하였으며, 2012년의 1년 수문변화가 10년 동안 반복적으로 발생한다고 가정하였다. 모형보정결과를 고려하여 상류에서 유입되는 유사량은 4대강 살리기 사업전의 조건을 그대로 적용하고 유사이송공식은 Ackers and White[6] 공식을 적용하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 낙동강 전구간을 대상으로 장기 하상변동 양상을 모니터링 자료를 이용하여 분석하였으며 4대강 살리기 사업 후 가장 하상변동이 큰 것으로 나타난 창녕·함안보-합천·창녕보 구간(Fig. 1)에 대해 1차원 장기 하상변동 수치모의를 수행하였다.
- 3), 유사량 자료는 진동지점 관측자료를 활용하였다. 낙동강 진동지점에서의 실제 단면 발생 유사량과 유사량 공식과의 관계를 비교 분석하기 위해 Fig. 4와 같이 나타내었으며 분석결과를 정략적 으로 비교하였다. 분석결과, Ackers and White[6] 공식이 관측 유사량 값과 가장 유사한 경향을 보여 하상변동 분석을 위한 각 계산 단면에서의 유사량 계산 공식으로 사용하였다.
- 낙동강 본류 전구간의 수집된 측량자료를 활용하여 장기 하상변동 분석을 수행하였다. 대상구간은 낙동강하구둑에서부터 상류 약 350 km까지이며, 1991년과 2005년, 2009년, 2012년 1월, 2012년 12월의 측량자료를 활용하였다.
- 낙동강 본류 구간 중 가장 큰 최심하상고 변화가 발생한 것으로 나타난 창녕·함안보-합천·창녕보 구간에 대해 추가적인 관측자료 분석을 수행하였다.
- 본 논문에서는 모니터링 자료를 활용하여 수행한 장기 하상변동 분석을 통해 4대강 살리기 사업 후 가장 하상변동이 큰 것으로 나타난 창녕·함안보-합천·창녕보 구간(Fig. 1)에 대해 수치모의를 수행하였으며, 이를 위해 1차원 하상변동 프로그램으로 HEC-RAS 모형을 선정하였다.
- 0에서 통합된 모형이다. 연속 수문자료는 여러 가지 유량과 지속기간을 지닌 일련의 준정상류 흐름으로 나누어 적용하며 각 횡단면별로 에너지 경사, 유속, 수심 등을 계산한다. 이에 따라 각각의 흐름에 대한 수면곡선을 결정해 단면별로 유사이송 잠재능을 계산한다.
- 연속 수문자료는 여러 가지 유량과 지속기간을 지닌 일련의 준정상류 흐름으로 나누어 적용하며 각 횡단면별로 에너지 경사, 유속, 수심 등을 계산한다. 이에 따라 각각의 흐름에 대한 수면곡선을 결정해 단면별로 유사이송 잠재능을 계산한다. 이 운송능과 흐름사상의 지속시간을 이용하여 각 구간별로 유사의 부피를 계산하고 각 횡단면별로 세굴과 퇴적량을 계산하여, 이에 따라 횡단면의 형태를 조절한다.
- 이에 따라 각각의 흐름에 대한 수면곡선을 결정해 단면별로 유사이송 잠재능을 계산한다. 이 운송능과 흐름사상의 지속시간을 이용하여 각 구간별로 유사의 부피를 계산하고 각 횡단면별로 세굴과 퇴적량을 계산하여, 이에 따라 횡단면의 형태를 조절한다. 그 다음에는 주어진 일련의 수문 사상의 다음 흐름사상에 대하여, 앞의 계산에서 수정된 하천단면을 가지고 위의 과정을 반복한다.
- 본 논문에서는 창녕·함안보에서 합천·함안보까지의 지형자료와 과거 및 현재의 수리, 수문, 유사량 자료 등(2.2절)을 수집하여 1차원 하상변동 모형인 HEC-RAS를 이용하여 장기 하상변동 모의를 수행하였다.
- 4대강 살리기 사업 후 장기 하상변동 분석을 위해 유사이송 공식 및 유입유사량에 따른 하상변동 민감도 분석을 수행하였으며 최근 4대강 살리기 사업 1년 후의 관측 하상자료를 활용하여 모형 보정을 수행하였다. 우선 민감도 분석을 위한 조건으로는 유입유사량이 4대강 살리기 사업 전과 동일하다고 가정한 조건과 유입유사량이 증가하였다고 가정한 조건(Engelund and Hansen[7] 공식을 사용하여 계산된 유량-유사량 자료)을 각각 적용하였으며 단면에서 발생되는 유사이송 계산을 위한 공식은 Ackers and White[6] 및 Engelund and Hansen[7] 공식을 각각 적용하였다.
- 4대강 살리기 사업 측량자료(2012년 1월)와 1차원 하 상변동 모의결과(모의기간 1년)를 Fig. 10과 같이 비교 하였다. 2012년 1월 측량자료를 초기하상으로 하여 2012년 12월 실제 측정된 측량자료를 비교하여 모형 보정을 수행하였다.
- 10과 같이 비교 하였다. 2012년 1월 측량자료를 초기하상으로 하여 2012년 12월 실제 측정된 측량자료를 비교하여 모형 보정을 수행하였다. 유입유사량은 4대강 살리기 사업 전 실측 유사량 자료를 활용하고 각 단면에서의 유사이송공식은 Ackers and White[6] 공식을 적용하여 모의 한 결과가 실측 하상변동 값과 가장 유사한 것으로 나타났다.
- 본 연구에서는 4대강 살리기 사업 후 발생하고 있는 하상변동 문제에 대한 모니터링 자료 분석 및 장기 하상변동 모의를 수행하고 창녕함안보-합천창녕보 구간을 대상으로 1차원 하상변동 모형을 구축하여 유입유사량 조건 및 유사이송공식의 다양한 적용을 통한 장기 하상변동 분석 및 평형하상고 예측을 수행하였으며 결론은 다음과 같다.
대상 데이터
- 본 연구의 대상하천인 낙동강은 유역면적이 약 23,384 km2이며 유로연장은 510 km로 국내 최장 하천이다(Fig. 1). 낙동강 본류는 동쪽의 태백산맥과 서북쪽의 속리산, 덕유산, 지리산으로 이어지는 소백산맥으로 둘러싸인 낙동강유역의 중심부를 관류하고 있으며, 유로는 산악으로 인하여 최단거리로 유하하지 못하고 유향을 네 차례나 급변하면서 우회하여 남해안으로 유입된다.
- 유량 및 수위 조건은 2012년 1년 동안의 자료[5]를 활용하였고 상류단 유량조건은 적포교 자동유량 측정자료를, 하류단 수위조건은 창녕·함안보 수위자료를 활용하였다(Fig. 2).
- 본 연구에서는 창녕·함안보-합천·창녕보 구간 장기 하상변동 모의를 위해 1차원 하상변동 모형인 HEC-RAS(HEC-6)를 활용하였으며 지형자료는 4대강 살리기 사업 준공 단면 및 2012년 12월 지형 측량자료를 활용하였다.
- 모의를 위한 하상토 입도분포 자료는 2009년 측정된 자료를 활용하였으며(Fig. 3), 유사량 자료는 진동지점 관측자료를 활용하였다. 낙동강 진동지점에서의 실제 단면 발생 유사량과 유사량 공식과의 관계를 비교 분석하기 위해 Fig.
- 낙동강 본류 전구간의 수집된 측량자료를 활용하여 장기 하상변동 분석을 수행하였다. 대상구간은 낙동강하구둑에서부터 상류 약 350 km까지이며, 1991년과 2005년, 2009년, 2012년 1월, 2012년 12월의 측량자료를 활용하였다. 1991년부터 2012년 12월까지 수행된 측량자료를 분석한 결과, 1991년과 2005년 하상을 비교했을때 낙동강하구둑으로부터 상류 200 km 지점을 기준으로 하류는 침식되고 상류는 퇴적되는 양상을 보이고 있으며 2005년 이후부터 2009년까지는 거의 변화가 없는 것으로 나타났다(Fig.
- 본 연구의 하상변동 모델링 적용구간인 창녕·함안보-합천·창녕보 구간 거리는 총 43 km 이다[4].
- 합천·창녕보는 경상남도 창녕과 합천군의 위치하였으며 보연장 328 m(가동보 138 m, 고정보 190 m)이다.
- 경상남도 창녕군 길곡면에서 함안군 칠북면 사이에 위치한 창녕·함안보는 보연장 567.5 m(가동보 146 m, 고정보 421.5m)로 설치되었으며, 2011년 10월 29일 부로 공사가 완료되어 일반인에게 공개되었다.
데이터처리
- Huang et al.[3]은 유사량및 하상변동을 예측하기 위해 Rio Grande 하천의 실측 데이터를 활용하여 GSTARS(Generalized Stream Tube model for Alluvial River Simulation) 2.1 모형을 활용 하여 실측데이터와 모의결과를 비교, 분석하였다.
이론/모형
- 4와 같이 나타내었으며 분석결과를 정략적 으로 비교하였다. 분석결과, Ackers and White[6] 공식이 관측 유사량 값과 가장 유사한 경향을 보여 하상변동 분석을 위한 각 계산 단면에서의 유사량 계산 공식으로 사용하였다. Engelund and Hansen[7] 공식은 유사량을 가장 과대하게 산정하여 유입유사량이 최대라고 가정할 경우의 유입유사량 산정 공식으로 활용하였다.
- 4대강 살리기 사업 후 장기 하상변동 분석을 위해 유사이송 공식 및 유입유사량에 따른 하상변동 민감도 분석을 수행하였으며 최근 4대강 살리기 사업 1년 후의 관측 하상자료를 활용하여 모형 보정을 수행하였다. 우선 민감도 분석을 위한 조건으로는 유입유사량이 4대강 살리기 사업 전과 동일하다고 가정한 조건과 유입유사량이 증가하였다고 가정한 조건(Engelund and Hansen[7] 공식을 사용하여 계산된 유량-유사량 자료)을 각각 적용하였으며 단면에서 발생되는 유사이송 계산을 위한 공식은 Ackers and White[6] 및 Engelund and Hansen[7] 공식을 각각 적용하였다. 그 결과, 합천·창녕보 하류 23 km 지점(96,000 m)까지 대부분의 구간에서 퇴적이 발생하였으며, 유입유사량을 Engelund and Hansen[7]으로 계산하고 유사이송공식을 Engelund and Hansen[7]으로 모의했을 때 합천·창녕보 하류 3.
- 보정된 모형을 이용하여 4대강 살리기 사업 10년 후의 장하상변동을 모의하였으며, 2012년의 1년 수문변화가 10년 동안 반복적으로 발생한다고 가정하였다. 모형보정결과를 고려하여 상류에서 유입되는 유사량은 4대강 살리기 사업전의 조건을 그대로 적용하고 유사이송공식은 Ackers and White[6] 공식을 적용하였다. 하상변동 모의 결과는 Fig.
성능/효과
- 대상구간은 낙동강하구둑에서부터 상류 약 350 km까지이며, 1991년과 2005년, 2009년, 2012년 1월, 2012년 12월의 측량자료를 활용하였다. 1991년부터 2012년 12월까지 수행된 측량자료를 분석한 결과, 1991년과 2005년 하상을 비교했을때 낙동강하구둑으로부터 상류 200 km 지점을 기준으로 하류는 침식되고 상류는 퇴적되는 양상을 보이고 있으며 2005년 이후부터 2009년까지는 거의 변화가 없는 것으로 나타났다(Fig. 5). 1991년 이 후 낙동강 하류는 2012년 1월, 2012년 12월과 비교하여 최대 8.
- 4대강 살리기 사업 후 하상고 변화를 분석하기 위해 2012년 1월과 2012년 12월의 측량자료를 비교(Fig. 6) 하였으며, 창녕·함안보-합천·창녕보 구간에서 전반적으로 가장 큰 최심하상고 변화가 나타났다.
- 또한 합천·창녕보 하류 1.54 km 지점(117,100 m)에서 1.98 m의 퇴적이 발생하였으며, 이는 4대강 살리기 사업으로 설치된 보로 인해 상류에서 유입된 유사가 하류구간인 창녕·함안보-합천·창녕보 구간에 퇴적된 것으로 판단된다.
- 창녕·함안보에서 합천·창녕보 구간에 대해 2012년 1월과 2012년 12월 하상고만을 구체적으로 비교(Fig. 8) 한 결과, 창녕·함안보 상류 1.63 km 지점(77,340 m)에서 2.19 m의 침식, 상류 20.11 km 지점(95,820 m)에서 3.88 m 침식이 발생했으며, 6.38 km 지점(82,089 m)에서 2.52 m 퇴적, 12.34 km 지점(88,120 m)에서 3.99 m 퇴적, 21.18 km 지점(96,890 m)에서 3.9 m의 퇴적이 발생하였다.
- 1991년과 2005년, 2009년, 2012년 1월, 2012년 12월의 최심하상고 측량자료를 비교(Fig. 4)하였으며 1991년과 비교하여 2012년 1월과 2012년 12월의 하상은 창녕·함안보 상류 15.96 km 지점(낙동강 하구둑으로부터 상류 91,670 m)에서 준설로 인해 8.97 m 하상고가 저하된 것으로 나타났다.
- 그 결과, 합천·창녕보 하류 23 km 지점(96,000 m)까지 대부분의 구간에서 퇴적이 발생하였으며, 유입유사량을 Engelund and Hansen[7]으로 계산하고 유사이송공식을 Engelund and Hansen[7]으로 모의했을 때 합천·창녕보 하류 3.41 km 지점(115,590 m)에서 4.33 m 정도의 최대 퇴적이 발생하는 것으로 나타났다(Fig. 9).
- 2012년 1월 측량자료를 초기하상으로 하여 2012년 12월 실제 측정된 측량자료를 비교하여 모형 보정을 수행하였다. 유입유사량은 4대강 살리기 사업 전 실측 유사량 자료를 활용하고 각 단면에서의 유사이송공식은 Ackers and White[6] 공식을 적용하여 모의 한 결과가 실측 하상변동 값과 가장 유사한 것으로 나타났다. 2012년 12월 측량결과와 모의 결과가 창녕·함안보 상류에서 다소 차이가 있는 것으로 나타났으나, 창녕·함안보 직상류 22.
- 하상변동 모의 결과는 Fig. 11과 같으며, 합천·창녕보 하류 구간과 창녕·함안보 상류 5 km(80,000 m)에서 7 km(82,000 m) 구간 사이에 최대 2.07 m 퇴적이 나타났으며 상류 35 km (110,000 m)에서 상류 40 km(115,000 m) 구간 사이에 최대 3.26 m의 유사 퇴적이 발생하는 것으로 모의되었다.
- 둘째, 합천·창녕보-창녕·함안보 구간에서 관측된 하상변동 자료를 활용하여 1차원 하상변동 모형에 대한 민감도 분석 및 모형 보정을 수행한 결과, 창녕·함안보와 합천·창녕보 대부분의 구간에서 퇴적이 발생하였으며, 장기 하상변동 모의시 유입유사량은 실측 유사량 자료를 활용하고 각 단면에서의 유사발생량은 Ackers and Whit[6] 공식을 적용하여 모의 하는 것이 가장 적절할 것으로 판단된다.
- 첫째, 낙동강 본류 전구간의 수집된 측량자료를 활용 하여 장기 하상변동 분석을 수행한 결과, 낙동강 전체 구간에서 수행된 4대강 살리기 사업의 하상준설로 인해 인위적인 변화가 발생하였으며 특히 창녕·함안보-합천·창녕보 구간에서 전반적으로 가장 큰 최심하상고 변화가 나타났다.
- 26 m의 유사 퇴적이 발생하는 것으로 모의되었다. 본 연구에서는 유입유사량이 4대강 살리기 사업전과 동일하다는 가정 하에 모의가 수행되었기 때문에 4대강 살리기 사업 후의 상류로부터의 유입되는 유사량의 변화가 장기 하상변동의 가장 중요한 변수라고 할 수 있다. 하상은 향후 전반적으로 퇴적되는 양상을 나타낼 것으로 보이나 퇴적고의 극심한 상승 지점이나 퇴적구간이 추가로 발생되지는 않는 것으로 나타나 외부의 인위적인 변화가 없고 현재 조건이 유지된다는 가정 하에 10년 내에는 안정화 단계를 거쳐 평형 하상고에 도달할 것으로 판단된다.
- 본 연구에서는 유입유사량이 4대강 살리기 사업전과 동일하다는 가정 하에 모의가 수행되었기 때문에 4대강 살리기 사업 후의 상류로부터의 유입되는 유사량의 변화가 장기 하상변동의 가장 중요한 변수라고 할 수 있다. 하상은 향후 전반적으로 퇴적되는 양상을 나타낼 것으로 보이나 퇴적고의 극심한 상승 지점이나 퇴적구간이 추가로 발생되지는 않는 것으로 나타나 외부의 인위적인 변화가 없고 현재 조건이 유지된다는 가정 하에 10년 내에는 안정화 단계를 거쳐 평형 하상고에 도달할 것으로 판단된다.
- 마지막으로 보정된 모형을 활용하여 10년 장기 하상변동 모의를 수행한 결과, 유입유사량의 변화가 4대강 살리기 사업 전과 동일하다고 가정하였을 경우, 최대 하상퇴적고는 1년 동안 발생한 퇴적고와 매우 유사한 것으로 나타났다. 즉, 최대 하상 퇴적고는 단기간 내에 발생 되며 이후 10년 동안 증가하지는 않지만 퇴적 구간의 범위가 종단적으로 확대되는 것으로 나타났다.
- 마지막으로 보정된 모형을 활용하여 10년 장기 하상변동 모의를 수행한 결과, 유입유사량의 변화가 4대강 살리기 사업 전과 동일하다고 가정하였을 경우, 최대 하상퇴적고는 1년 동안 발생한 퇴적고와 매우 유사한 것으로 나타났다. 즉, 최대 하상 퇴적고는 단기간 내에 발생 되며 이후 10년 동안 증가하지는 않지만 퇴적 구간의 범위가 종단적으로 확대되는 것으로 나타났다. 따라서, 낙동강 합천·창녕보-창녕·함안보 구간은 낙동강 본류와 지 류로부터 유입되는 유사량이 구간내에 지속적으로 퇴적될 것으로 보이나 안정화 단계를 거쳐 10년 후에는 평형하상경사와 하상고에 도달할 것으로 된다.
후속연구
- 창녕·함안보 하류 10 km 지점 부근에서 2012년 1월 하상에 비해 2012년 12월에 5 m 이상의 침식이 발생하는 것으로 나타나이 지점 또한 지속적인 모니터링 및 대처방안이 필요할 것으로 판단된다.
- 따라서, 낙동강 합천·창녕보-창녕·함안보 구간은 낙동강 본류와 지 류로부터 유입되는 유사량이 구간내에 지속적으로 퇴적될 것으로 보이나 안정화 단계를 거쳐 10년 후에는 평형하상경사와 하상고에 도달할 것으로 된다. 이러한 평형하상경사와 하상고가 하천관리 측면에서 문제를 발생시키는지를 향후 검토할 필요가 있다.
- 본 연구에서 수행한 장기 하상변동 예측은 낙동강 본류 하상의 자연적인 안정화 여부를 직접적으로 검증하는 자료는 아니며 입력조건에 따라 다양한 양상을 보일 수 있다. 특히 하상퇴적으로 인한 보 상류 저류지의 기능 저하에 대한 판단은 보다 심도 있는 자료 분석과 모델링을 통해 수행되어야 할 것이다.
- 본 연구에서 수행한 장기 하상변동 예측은 낙동강 본류 하상의 자연적인 안정화 여부를 직접적으로 검증하는 자료는 아니며 입력조건에 따라 다양한 양상을 보일 수 있다. 특히 하상퇴적으로 인한 보 상류 저류지의 기능 저하에 대한 판단은 보다 심도 있는 자료 분석과 모델링을 통해 수행되어야 할 것이다.
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