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문제 정의
- 이 연구는 salt-dilution 방법을 사용하여 8개소의 서로 다른 산지하천의 유량과 평균유속을 현장조사하고, 수리적 특성을 이용하여 유량과 평균유속의 관계를 분석하기 위해 수행되었다. 또한, 선행연구와의 비교를 통해 이 연구의 타당성과 현장적용 가능성을 분석하였다.
- 이 연구는 우리나라 산지소하천에서 유량과 유속 간의 관계를 살펴보기 위하여 수행되었다. 이를 위하여 산지하천 8개소를 선정하여 총 87개의 유량 및 평균 유속 자료를 측정하였으며, 하천의 수리적 특성을 분석하였다.
제안 방법
- 거칠기 높이로는 하천 바닥의 마찰 특성을 나타내는 50분위와 84분위 하상재료 크기(D50, D84)와 하상변위의 표준편차(σpro), 하상변위의 90% 백분위차(IPR90)를 이용하였다.
- 이는 우리나라와 같은 소규모 산지하천에서는 하천 형상이 하상재료보다 흐름에 더 많은 영향을 주는 것을 의미한다. 결과적으로 거칠기 높이로 IPR90를 사용하는 것이 가장 적절하며, 다음과 같은 유량과 평균유속의 관계식을 도출하였다.
- , 2012). 따라서, 이 연구는 거칠기 높이와 하도경사를 이용하여 무차원 관계식을 도출하였다.
- 산지소하천에서는 유량이 증가함에 따라 평균 유속이 지수적으로 증가하였으며, 그 형태는 하천의 흐름 특서에 따라 다르게 나타났다. 따라서, 하천의 수리적 특성을 일반화하여 유량과 유속 간의 관계를 분석하였다. 이를 위하여 거칠기 높이에 대해 유량과 평균 유속의 무차원 관계식을 유도하였다.
- 이 연구는 salt-dilution 방법을 사용하여 8개소의 서로 다른 산지하천의 유량과 평균유속을 현장조사하고, 수리적 특성을 이용하여 유량과 평균유속의 관계를 분석하기 위해 수행되었다. 또한, 선행연구와의 비교를 통해 이 연구의 타당성과 현장적용 가능성을 분석하였다.
- Table 4의 거칠기 높이 변수를 이용하여 유속과 유량을 무차원화하여 비교하였으며, 그 결과는 Table 5와 같다. 무차원 관계식은 잔차의 비중을 균등하게 하도록 비선형 회귀분석이 아닌 데이터를 선형화시킨 후 선형 함수를 이용하여 추정하였다. Table 5와 같이 무차원 유량과 유속은 뚜렷한 지수함수적 관계를 보였으며, 무차원 유량이 증가함에 따라서 무차원 유속이 급격히 증가하였다.
-
2. 평균 유속-유량의 무차원 관계식 산정
산지하천의 거칠기 높이를 이용하여 평균 유속과 유량 간의 무차원 관계식을 추정하였다. 거칠기 높이로는 하천 바닥의 마찰 특성을 나타내는 50분위와 84분위 하상재료 크기(D50, D84)와 하상변위의 표준편차(σpro), 하상변위의 90% 백분위차(IPR90)를 이용하였다.
- 이를 위하여 거칠기 높이에 대해 유량과 평균 유속의 무차원 관계식을 유도하였다. 산지하천의 유량-유속 무차원 관계식을 이용하여 산지소하천의 유량과 평균 유속과의 관계를 잘 설명하였다. 한편, 거칠기 높이 변수는 하천의 종단면 특징을 나타내는 σpro와 IPR90를 사용하는 것이 더 효과적이었다.
- 산지하천의 종단 기울기를 조사하기 위하여 하천을 따라 종단측량을 실시하였다. 태화산 학술림 산지하천은 0.
- 유량은 하천의 상류에 서 일정량의 소금물을 투입한 후에 정해진 거리에 위치한 하류지점에 도달하는 소금농도를 측정하여 식 1로부터 구한다. 소금의 농도는 전기전도도(EC)를 이용하여 측정하였으며, 전기전도도 측정은 Hydrolab Series의 MS5를 사용하였다.
- Salt-dilution 방법은 흐르는 물속에 녹아있는 소금농도를 이용하여 물의 통과유량이나 이동속도를 산정하는 방법이다(Merz and Doppmann, 2006). 유량은 하천의 상류에 서 일정량의 소금물을 투입한 후에 정해진 거리에 위치한 하류지점에 도달하는 소금농도를 측정하여 식 1로부터 구한다. 소금의 농도는 전기전도도(EC)를 이용하여 측정하였으며, 전기전도도 측정은 Hydrolab Series의 MS5를 사용하였다.
- 따라서, 하천의 수리적 특성을 일반화하여 유량과 유속 간의 관계를 분석하였다. 이를 위하여 거칠기 높이에 대해 유량과 평균 유속의 무차원 관계식을 유도하였다. 산지하천의 유량-유속 무차원 관계식을 이용하여 산지소하천의 유량과 평균 유속과의 관계를 잘 설명하였다.
- 이 연구는 우리나라 산지소하천에서 유량과 유속 간의 관계를 살펴보기 위하여 수행되었다. 이를 위하여 산지하천 8개소를 선정하여 총 87개의 유량 및 평균 유속 자료를 측정하였으며, 하천의 수리적 특성을 분석하였다.
- 유속계를 이용하여 일정구간의 평균유속을 산정하기는 현실적으로 어려우며, 최근에는 상대적으로 자료를 얻기 용이한 유량자료를 이용하여 하천구간의 평균유속을 추정한다(Ferguson, 2010; Zimmermann, 2010). 이를 위하여 하천의 수리적 특성으로부터 유량과 유속과의 관계를 분석하고(Schneider et al., 2015; Yochum et al., 2010), 일반화하여 유량과 평균유속 간의 무차원 관계식을 도출한다 (Nitsche et al., 2012; Rickenmann and Recking, 2011; Schneider et al., 2015; Yochum et al., 2012).
- 연구대상지로 선정된 산지소하천의 수리적 특성은 Table 2와 같다. 전체 8개소의 산지소하천은 유로 흐름특성에 따라 cascade 유형, riffle 유형, step-pool 유형으로 분류하였다. 남부학술림 산지소하천(BU-1)은 cascade 유형으로 분류되었으며, 서울대학교 내 우수배수로(SNU-2)는 riffle 수로유형이었고, 그 외 산지소하천은 모두 step-pool 특성을 보였다.
- 산지하천의 종단 기울기를 조사하기 위하여 하천을 따라 종단측량을 실시하였다. 태화산 학술림 산지하천은 0.3 m 간격으로 측량하였으며, 기타 산지소하천은 0.2 m 간격으로 하류에서 상류로 진행하면서 종단측량을 실시하였다.
대상 데이터
- 산지하천의 평균 유속을 산정하기 위하여 서울대학교 교내에 있는 우수배수로 2개소, 서울대학교 태화산학술림 내 산지소하천 5개소, 서울대학교 남부학술림 내 산지소하천 1개소 등 총 8개소의 산지소하천을 선정하였다(Table 1). 현장조사를 위하여 조사구간에 걸쳐 횡유입이 없고 유량이 일정하며, 분지 혹은 합류점이 없는 단일하천 구간을 선정하였다.
- 산지하천의 평균 유속을 산정하기 위하여 서울대학교 교내에 있는 우수배수로 2개소, 서울대학교 태화산학술림 내 산지소하천 5개소, 서울대학교 남부학술림 내 산지소하천 1개소 등 총 8개소의 산지소하천을 선정하였다(Table 1). 현장조사를 위하여 조사구간에 걸쳐 횡유입이 없고 유량이 일정하며, 분지 혹은 합류점이 없는 단일하천 구간을 선정하였다. 서울대학교 우수배수로(SNU)는 배후 유역의 강우유출량을 배제하는 자연배수로이며, 태화산학술림 산지소하천(TH)은 최하류 유역면적이 379 ha이고, 유역구간 의 표고는 190∼615 m이었으며, 백운산학술림(BU)의 조사 지점은 상류 유역면적이 293 ha, 유역의 최고 고도점의 높이는 1,126 m로 조사되었다.
데이터처리
- Salt-dilution 방법을 이용하여 하천의 구간 평균유속을 산정하였다. 조사구간의 평균유속은 구간의 길이를 소금이 이동하는 데 걸리는 도달시간의 조화평균(harmonic mean) 값을 이용하여 산정하였다. 조화평균은 평균치 산정방법 중에서 통계적으로 가장 안정적이며(Yochum, 2010), 측정치의 분포에 상관없는 평균값을 나타낸다(Waldon, 2004).
이론/모형
- Salt-dilution 방법을 이용하여 하천의 구간 평균유속을 산정하였다. 조사구간의 평균유속은 구간의 길이를 소금이 이동하는 데 걸리는 도달시간의 조화평균(harmonic mean) 값을 이용하여 산정하였다.
- 연구대상 8개 산지소하천의 유속-유량 관계는 Table 3과 같다. Table 3에서 평균 유속과 유량은 연구대상 소하천의 조사구간에서 salt-dilution 방법을 이용하여 산정하였다. 전체적으로 유량이 증가함에 따라서 평균 유속이 멱함수의 형태(r2 >0.
- 산지하천의 유량 측정은 추적자 방법(tracer-dilution)의 하나인 salt-dilution 방법을 사용하였다. 유량 측정을 위한 추적자로 로다민(rhodamine)과 플루오레세인 나트륨 (fluorescein sodium) 등의 형광물질이나 소금이 널리 이용된다.
- 이 연구에서 유량 측정에 사용된 소금의 최대농도는 200 mg L-1로, 미국 환경 보호청(US EPA)의 하천사용기준(<400 mg L-1)에 따라 적은 량을 사용하였다.
- 산지소하천의 유속은 하상재료의 마찰저항과 하도형상으로 인한 흐름저항에 의해 영향을 받는다. 하상을 구성하는 물질의 물리적 특성을 파악하기 위하여 Wolman pebble count 방법(Wolman, 1954)을 이용하였다. Pebble count 방법은 하상재료의 중간축(intermediate axis)크기를 무작위로 측정하여 하상재료의 크기 분포를 측정하는 방법이다.
- 한편, 하천의 수리적 흐름특성을 일반화하여 평균 유속과 유량과의 관계를 나타내기 위하여 무차원 접근법이 이용된다. 이는 각 하천에서 조사된 유속과 유량을 무차원화시켜 하천의 수리학적 크기에 따른 영향을 배제하고 일반화된 평균 유속-유량 관계식을 도출하는 방법이다(Comiti et al.
성능/효과
- 전체 8개소의 산지소하천은 유로 흐름특성에 따라 cascade 유형, riffle 유형, step-pool 유형으로 분류하였다. 남부학술림 산지소하천(BU-1)은 cascade 유형으로 분류되었으며, 서울대학교 내 우수배수로(SNU-2)는 riffle 수로유형이었고, 그 외 산지소하천은 모두 step-pool 특성을 보였다. 하도경사는 5∼26%의 범위를 보였으며, 현장조사 및 유량 조사는 16.
- 또한 평균 제곱근 오차(RMSE)는 모두 0.09 이하의 값을 가지며, 작은 σpro값 때문에 상대적으로 큰 q**값이 계산되어 RMSE가 크게 계산된 SNU-2를 제외하면 RMSE의 범위는 0.05 이하로 오차의 크기가 매우 작았다(Table 3).
- 산지소하천에서는 유량이 증가함에 따라 평균 유속이 지수적으로 증가하였으며, 그 형태는 하천의 흐름 특서에 따라 다르게 나타났다. 따라서, 하천의 수리적 특성을 일반화하여 유량과 유속 간의 관계를 분석하였다.
- 이러한 분석 결과를 종합하면, 거칠기 높이를 표현하기 위해 하상재료의 크기인 D50, D84을 사용하는 것보다 하도 형상을 나타내는 σpro, IPR90를 사용하는 경우의 추정 정확도가 높게 나타났다.
- 전체적으로 유량이 증가함에 따라서 평균 유속이 멱함수의 형태(r2 >0.97)로 증가하였다.
- 05 이하로 오차의 크기가 매우 작았다(Table 3). 하천구간별로 관계식에 따른 오차 차이는 존재하였으며, 거칠기 높이로 IPR90을 사용하는 경우 가장 설명력이 높았다(Figure 2). D50을 사용한 경우 r2 가 0.
- 한편, 거칠기 높이 변수는 하천의 종단면 특징을 나타내는 σpro와 IPR90를 사용하는 것이 더 효과적이었다.
후속연구
- 또한, 이 연구에 이용된 산지하천은 S<26%, 0.002<q<0.06(m3 s-1)의 범위에 국한되지만, 더욱 다양한 조건에서 얻은 자료를 활용한다면 일반적인 산지하천의 유속과 유량 관계를 파악할수 있을 것이다.
- 앞으로 우리나라 산지소하천에 적합한 거칠기 높이 변수를 도출하고, 하도 특성 및 하상 변위를 LiDAR 또는 드론을 이용하여 3D 형상으로 분석하게 되면, 흐름특성에 따른 수리적 변화를 정확하게 파악할 수 있을 것이다. 또한, 이 연구에 이용된 산지하천은 S<26%, 0.
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