[논문]유로 단면의 기하학적 특성을 이용한 하상변화량 분석

고주석; 이경수; 곽성현; 류시완

doi:10.3741/jkwra.2020.53.12.1097

유로 단면의 기하학적 특성을 이용한 하상변화량 분석
Analysis of bed change based on the geometric characteristics of channel cross-sections 원문보기

Journal of Korea Water Resources Association = 한국수자원학회논문집, v.53 no.12, 2020년, pp.1097 - 1107

고주석 (창원대학교 공과대학 토목공학과) , 이경수 (창원대학교 공과대학 토목공학과) , 곽성현 (환경부 물관리위원회지원단) , 류시완 (창원대학교 공과대학 토목공학과)

초록
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본 연구에서는 하도단면의 기하학적 특성과 그에 관한 특성값들의 종방향 변화를 통해 하천지형의 시·공간적 변화양상을 파악하기 위한 방법론을 제안하고자 한다. 이를 위해 낙동강 구미보 ~ 칠곡보 구간에 대한 음향측심기를 이용한 상세 수심측량을 통해 하상에 대한 3차원 공간정보를 취득하였다. 취득된 자료를 이용하여 기준단면에 대한 기하학적 정보를 추출하였다. 추출된 하천단면의 기하특성치들을 비교함으로써 특정 하도구간에서의 지형 특징을 파악할 수 있었다. 과거 측량성과와의 비교를 통해 단면변화량과 체적하상변동량을 정량적으로 파악할 수 있었다. 향후 본 연구에서 제안한 방법의 다양한 하천구간에서 대한 적용을 통해 하천지형변화에 대한 정량적 평가방법을 제시할 것으로 기대하는 바이다.

Abstract ▼ AI-Helper

A methodology has been proposed to understand the spatiotemporal changes of the river topography through the longitudinal change of the geometric characteristics of the cross-sections and the properties related thereto. Three-dimensional spatial information of the riverbed was obtained through the detailed bathymetry survey using an acoustic echo sounder for the reach from Gumi Weir to Chilgok Weir in the Nakdong river. Geometric informations for the reference sections were extracted using the acquired bathymetry survey data. By comparing the geometric properties for the reference sections, it was possible to catch the topographic characteristics and its changes over a reach of the channel. Through comparison with past survey data, it was also possible to quantitatively grasp the amount of change in cross-sectional area and volumetric change of riverbed. It is expected that a quantitative evaluation of river topography changes will be possible by applying the method proposed in this study.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Index map of study area
그림 Fig. 2. Bathymetry survey with acoustic echo sounder
그림 Fig. 3. Bathymetry Survey Data
그림 Fig. 4. Schematic for geometric properties of channel cross-section (Ko et al., 2019)
그림 Fig. 5. Conceptual diagram of sedimentation & erosion in a channel
표 Table 1. Comparison of topographic characteristics from this study with past survey data (MOLIT, 2013)
그림 Fig. 6. Geometric properties for each section in the year of 2012 & 2019
그림 Fig. 7. Morphological planform of the confluence zone in the year of 2013 and 2019
그림 Fig. 8. Cross-sectional area change and accumulated riverbed change volume in each reference section during from 2012 to 2019
그림 Fig. 9. Relationship between the symmetry of the cross-sectional shape and the 1st moment of area
그림 Fig. 10. Relationship between the symmetry of w/D ratio and 2nd moment of area

AI 본문요약
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문제 정의

등이 굉장히 중요하다. 본 연구에서는 하도 계측을 하천설계기준(MOLIT, 2009)와 공공측량작업규정(MOLIT, 2019) 등에 언급된 하도 수심측량 기준을 검토하여 계측 방법 및 장비 활용 등을 계획하여 현장 조사를 수행하였다. 수심 계측에 사용된 음향측심기 장비는 Ko et al.
본 연구에서는 하도 단면의 물리적 요소를 바탕으로 단면의 특성에 대해 비교 및 분석하고 평가하고자 낙동강 중·상류에 위치한 구미보 ~ 칠곡보 구간에 대해 수심 및 하천측량을 하여 그 결과를 바탕으로 하도 내 단면의 특성 및 관계를 분석하였다.
결과적으로 1) 단면적 변화에 따른 횡단 변화, 2) 횡단면에서의 하도 변화량, 3) 단면의 대칭성 및 하폭과 수심 비와 단면에서의 물리적 특성을 비교 분석하였다. 이를 통해 정량적, 정성적으로 하도 지형 변화 양상의 확인 및 효율적인 하천 관리 방안을 제안하기 위한 연구를 수행하였다.
실정이다. 이에 본 연구에서는 하도 단면의 기하학적 요소를 바탕으로 단면의 특성에 대해 비교 및 분석하고 평가하고자 한다. 연구 결과 도출을 위해 2012년에 측정된 준공 측량성과(MOLIT, 2013 ; 이하 준공성과)와 금회 측정성과(2019) 를 통해 구축된 정밀한 지형자료를 이용하여 단면의 특성을 비교하고 분석하였다.

제안 방법

장비의 활용은 Fig. 2(a)와 같이 음향측심기를 보트 측면에 장착 하여 보트로 인한 조파의 영향을 최소화하고 운행을 저속으로 하여 하도 내종방향으로 약 50 ~ 100 m 간격으로 유지하여 측정하였다(Ko et al., 2019). 수심이 얕은 구간에 대해서는 R2V2 무선조종 보트를 이용하여 측정을 수행하였으며(Fig.
Fig. 3(a)와 같이 측정된 자료를 바탕으로 고해상도의 3차원 지형 자료를 구축하였다(Fig. 3(b)).
1) 낙동강 중·상류에 위치한 구미보 ~ 칠곡보 구간을 대상으로 음향측심기를 이용하여 수심 및 하천구역에 대한 3차원 정밀 지형공간정보를 취득하였다. 대하천사업 종료 후 약 7년이 지난 대상구간에 대한 3차원 지형공간 정보이다.
하도 지형 변화 양상을 파악하고 정밀하게 측정된 횡단면 결과와 고해상도 3차원 지형정보의 비교를 통해 하도 지형의 미시적 구조가 일부 상이하게 측정된 부분에 대하여 고찰하였다. 결과적으로 1) 단면적 변화에 따른 횡단 변화, 2) 횡단면에서의 하도 변화량, 3) 단면의 대칭성 및 하폭과 수심 비와 단면에서의 물리적 특성을 비교 분석하였다. 이를 통해 정량적, 정성적으로 하도 지형 변화 양상의 확인 및 효율적인 하천 관리 방안을 제안하기 위한 연구를 수행하였다.
3) 대상구간에 대한 측량결과를 바탕으로 하류단(칠곡보) 관리수위(EL. 25.5 m)를 적용하고 하천기본계획상과 일치하는 하도 횡단면을 설정하여, 설정된 단면을 기준으로 하폭, 면적, 도심, 단면1, 2차 모멘트 등의 물리적 요소산정 방법 이용하여 기하학적 특성값을 산정하였다. 각각 산정된 특성값에 대해 준공성과 대비 변화를 정량적으로 비교 및 분석하였다.
5 m)를 적용하고 하천기본계획상과 일치하는 하도 횡단면을 설정하여, 설정된 단면을 기준으로 하폭, 면적, 도심, 단면1, 2차 모멘트 등의 물리적 요소산정 방법 이용하여 기하학적 특성값을 산정하였다. 각각 산정된 특성값에 대해 준공성과 대비 변화를 정량적으로 비교 및 분석하였다.
469) 에 대한 단면의 기하학적 특성을 분석하여 Table 1에 제시하였다. 과거 준공성과(MOLIT, 2013)와 금회 측정성과를 이용하여 산정된 횡단의 결과를 각각 분석하였다. 항목은 총 7개로 총면적(좌안 측과 우안측 면적 합), 좌안측 면적(Area of Left Side), 우안측 면적(Area of Right Side), 주수로 하폭(Width), 도심(Centroid), 단면 1차 모멘트(First Moment of Area), 단면 2차 모멘트 (Second Moment of Area) 이다.
3(b)). 구축된 지형 자료를 이용하여 하천기본계획 측선 54개의 단면과 일치하는 횡단을 추출하였다. 횡단의 비교 및 분석에 대해서는 다음 장에 자세하게 기술하였다.
5 m 로 일괄적으로 적용하였으며 각각의 횡단면에 주수로 하폭의 중심선(CL), 미소 면적(dA), 미소면적 도심(e), 중심을 기준으로 한 미소면적 도심까지의 거리(d)를 산정하였다. 물리적 요소를 바탕으로 주 수로 하폭 중심을 기준으로 하여 좌측의 총면적, 우측의 총면적을 산정하여 시계방향(좌안)을 양(+)으로 하는 단면 1차 모멘트, 단면 2차 모멘트, 도심을 산정하여 분석을 수행하였다 (Ko et al., 2019).
본 연구에는 하천의 하도 변화를 파악하기 위한 방법으로 각각 단면(No. 469 ~ No. 416)의 단면적 변화를 이용하여 분석하였다. 횡단면의 단면적 변화량은 대상구간 전반에 약 30 % 가량 변화하는 것으로 하상변화량을 파악할 수 있었다.
제방), 대횡단 측량으로 실시된다. 본 연구에서는 측정된 과거 수심측량 자료와 비교를 위하여 낙동강 하천기본계획 (MOLIT, 2013) 횡단면과 동일한 측선을 이용하여 분석하였다. 2013년 하천기본계획 수립 시 대상구간에는 계획홍수위 재산정을 위한 측량을 실시하지 않고 대하천사업(MOLIT, 2009) 하도 준설량을 확인하기 위한 측량성과만을 이용하였다(MOLIT, 2013).
본 연구에서는 하천의 기하학적 분석을 위한 방법으로 Fig. 4와 같이 대상구간의 횡단면에 대하여 각각의 물리적인 성분요소의 값을 산정하였다. 횡단면의 기준이 되는 수위의 표고는 대상구간의 관리수위 EL.
이에 본 연구에서는 하도 단면의 기하학적 요소를 바탕으로 단면의 특성에 대해 비교 및 분석하고 평가하고자 한다. 연구 결과 도출을 위해 2012년에 측정된 준공 측량성과(MOLIT, 2013 ; 이하 준공성과)와 금회 측정성과(2019) 를 통해 구축된 정밀한 지형자료를 이용하여 단면의 특성을 비교하고 분석하였다. 하도 지형 변화 양상을 파악하고 정밀하게 측정된 횡단면 결과와 고해상도 3차원 지형정보의 비교를 통해 하도 지형의 미시적 구조가 일부 상이하게 측정된 부분에 대하여 고찰하였다.
2(b)) 위치 결정은 RTK 측위를 이용하였다. 음향측심기는 수면기준 수심을 측정하므로 본 연구에서는 대상구간에 위치한 수위표의 수위 자료를 이용하여 하상 표고를 산출하였다.
(2019)에서와 같이 몇몇 횡단면은 과거 측정하지 못한 자료를 이용하여 횡단 보간을 이용하여 산정하였기 때문에 금회 측정을 통해 산정된 횡단과 상이하게 변화가 큰 부분이 나타났다. 이러한 부분은 과거 측정되지 못한 부분에 의한 오차로 판단하고 분석하였다.
연구 결과 도출을 위해 2012년에 측정된 준공 측량성과(MOLIT, 2013 ; 이하 준공성과)와 금회 측정성과(2019) 를 통해 구축된 정밀한 지형자료를 이용하여 단면의 특성을 비교하고 분석하였다. 하도 지형 변화 양상을 파악하고 정밀하게 측정된 횡단면 결과와 고해상도 3차원 지형정보의 비교를 통해 하도 지형의 미시적 구조가 일부 상이하게 측정된 부분에 대하여 고찰하였다. 결과적으로 1) 단면적 변화에 따른 횡단 변화, 2) 횡단면에서의 하도 변화량, 3) 단면의 대칭성 및 하폭과 수심 비와 단면에서의 물리적 특성을 비교 분석하였다.
하지만 하도가 어느 정도 변화한 지에 대해서는 파악하기가 실질적으로 어렵다. 하도변화 파악을 위해서는 실측기반의 자료가 필요하므로 본 연구에서는 측정된 성과를 활용하여 개수 이전 단면을 기준으로 하여 측정된 성과에 대한 퇴적량과 세굴량의 차이를 이용하여 하도 변화 특성을 분석하였다.
과거 준공성과(MOLIT, 2013)와 금회 측정성과를 이용하여 산정된 횡단의 결과를 각각 분석하였다. 항목은 총 7개로 총면적(좌안 측과 우안측 면적 합), 좌안측 면적(Area of Left Side), 우안측 면적(Area of Right Side), 주수로 하폭(Width), 도심(Centroid), 단면 1차 모멘트(First Moment of Area), 단면 2차 모멘트 (Second Moment of Area) 이다. Table 1의 각 기하학적 특성값을 이용하여 단면 분석을 수행하였다.

대상 데이터

본 연구 대상구간은 낙동강 본류 중·상류에 위치한 하도로 범위가 넓으며 하폭이 넓고 수심이 깊어 계측 방법 및 장비 선정 등이 굉장히 중요하다. 본 연구에서는 하도 계측을 하천설계기준(MOLIT, 2009)와 공공측량작업규정(MOLIT, 2019) 등에 언급된 하도 수심측량 기준을 검토하여 계측 방법 및 장비 활용 등을 계획하여 현장 조사를 수행하였다.
1(a))은 경상북도 구미시에 위치한 구미보에서 칠곡보 사이로 약 27 km 구간으로 대표적 지류로는 감천과 한천을 포함한다. 본 연구에서 하천의 지형학적 특성 분석 및 평가를 위해 사용된 횡단면은 54 개의 횡단이며 구미보 하류 No. 470과 칠곡보 상류 No. 415번은 보 관리 구간으로 분석에서 제외하였다(Fig. 1(b)).

이론/모형

단면의 대칭성을 산정하기 위해 ADAI (Areal Difference Asymmetry Index)방법을 적용하여 산출된 결과는 Fig. 9에 도시하였다. A*의 값이 -0.
단면의 대칭성을 산정하기 위해 ADAI (Areal Difference Asymmetry Index)방법을 적용하였다(Knighton, 1981). ADAI 는 단면의 비대칭 지수를 산정하는 방법이고 하천 중심선의 양쪽에 있는 단면적을 이용한다.
본 연구에서는 하도 계측을 하천설계기준(MOLIT, 2009)와 공공측량작업규정(MOLIT, 2019) 등에 언급된 하도 수심측량 기준을 검토하여 계측 방법 및 장비 활용 등을 계획하여 현장 조사를 수행하였다. 수심 계측에 사용된 음향측심기 장비는 Ko et al. (2013), Kwak et al. (2017)에 사용된 장비로 검증된 Sontek 사의 ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler) M9을 이용하였다. 장비의 활용은 Fig.

성능/효과

2) 실측 측량성과를 바탕으로 2012년 대하천사업 준공성과와 비교작업을 수행하였으며, 준공성과 상의 일부 구간에 대한 지형의 왜곡 및 결측을 확인할 수 있었다. Ko et al.
8에서와 같이 횡단면의 하도 변화량을 산정하여 도시하였다. 3.1절과 같이 횡단적 하도 변화량도 감천 합류점 구간에서 크게 나타나는 것으로 도출되었다. 측선 No.
4) 시간이 지남에 따라 하천에서는 하도변화가 분명히 발생한다. 본 연구에는 하천의 하도 변화를 파악하기 위한 방법으로 각각 단면(No.
하도의 폭-깊이 비율을 늘리면 하천에서 유속이 전반적으로 느려지므로 이송능력이 줄어든다. Fig. 10에서 본 연구대상구간 에서는 폭-깊이 비율은 하류 방향으로 점차 증가하는 경향을 보이고 준공성과 이전에는 폭- 깊이 비율이 3.3절과 비슷하게 합류부와 하류 칠곡보 상류 구간 일원(No. 469 ~ No. 464)에서 변화율이 57 % ~ 84 % 로높게 나타나고 있는 것으로 도출되었다. 이는 구조물에 의해 흐름을 지배받는 직상·하류 구간과 합류점(No.
9 로 높은 상관도를 가지는 것으로 도출되었다. 따라서 하도의 사행 구간을 판별함에 폭-깊이 비율을 사용할 수 있음을 알 수 있었다. 또한 Rosgen (2001)의하천 안정성 평가에 단면 2차 모멘트를 활용 할 수 있을 것으로 판단된다.
(2019)에서 단면 2차 모멘트가 급격히 증가하거나 줄어드는 구간에서는 사행이 시작되고 끝남을 알 수 있다고 하였다. 본 연구에서는 준공성과와 금회 측정성과의 단면 2차 모멘트와 폭-깊이 비율이 각각 상관성(R²) 이 0.9, 0.9 로 높은 상관도를 가지는 것으로 도출되었다. 따라서 하도의 사행 구간을 판별함에 폭-깊이 비율을 사용할 수 있음을 알 수 있었다.
418)에서 과거에 대비하여 현재 단면의 정성적인 형상은 비슷하나, 단면적의 변화는 크게 나타났기 때문이다. 이에 본연구에서는 정성적으로만 단면을 비교한다면 하천 단면 변화평가에서 자칫 변화가 없는 것으로 판단할 수 있음을 알 수 있었다. 따라서 이러한 착오를 줄이기 위해서는 정성적 및 정량적 모두 검토하여야 할 것으로 판단된다.
(2019)에서는 하천에서의 유로와 기하학적 요소와 상관성 분석을 수행하였다. 하지만 특정 상관성을 찾지 못하였으나, 본 연구에서는 하도의 사행을 가늠할 수 있는 단면의 대칭성은 단면 1차 모멘트와 관계가 큰 것으로 나타났으며 하천의 안정성을 평가할 수 있는 폭-깊이 비율(w/d)은 단면 2차 모멘트와 상관관계가 높게 나타나는 결과를 도출하였다. 따라서 하천을 평가하기 위한 방법으로 단면의 기하학적 요소 적용이 가능할 수 있을 것으로 사료된다.
416)의 단면적 변화를 이용하여 분석하였다. 횡단면의 단면적 변화량은 대상구간 전반에 약 30 % 가량 변화하는 것으로 하상변화량을 파악할 수 있었다. 이는 상류에 위치한 수리시설물과 지류하천 감천 유입으로 인한 복합적 원인으로 하상변화량이 큰 것으로 판단된다.

후속연구

대하천 주요 구간에 대해서 본 연구에서 수행하고 제시한 방법을 통하여 하천 환경변화에 대한 평가 방법으로 적용한다면 하도변화 및 자연화 과정에 대한 유의미한 성과를 얻을 수 있을 것으로 기대되는 바이다.
, 2019). 따라서 이수와 치수, 환경 변화 등의 하천기능에 대해 영향을 미치는 하도변화 파악은 하천관리에 있어 필수적이며 지속적인 하도 지형의 변화를 분석하기 위해서는 추가적인 요인의 영향 파악도 필요할 것으로 판단된다.
길지 않은 시간임에도 합류점의 위치가 바뀌는 것은 지류 유입 조건에 따라 본류의 수리특성 및 하상변화 등에 영향이 큰 것으로 사료된다. 따라서 추후 본 연구성과와 같이 다년간에 걸쳐 하도변화를 모니터링 한다면 수리 시설물에 의한 하도 변화 분석 뿐만 아니라 합류부 구간에 대한 중요한 자료로 가용될 수 있을 것으로 기대된다.
하지만 특정 상관성을 찾지 못하였으나, 본 연구에서는 하도의 사행을 가늠할 수 있는 단면의 대칭성은 단면 1차 모멘트와 관계가 큰 것으로 나타났으며 하천의 안정성을 평가할 수 있는 폭-깊이 비율(w/d)은 단면 2차 모멘트와 상관관계가 높게 나타나는 결과를 도출하였다. 따라서 하천을 평가하기 위한 방법으로 단면의 기하학적 요소 적용이 가능할 수 있을 것으로 사료된다.
(2018)은 합류점에서 합류각(Junction angle) 은시간이 지남에 따라 유수의 흐름과 유사의 공급에 따라 변화하는 것에 대한 설명한 바 있으며 본 연구에서도 합류각이 변화된 것을 알 수 있다. 이러한 합류각이 변화하는 특성은 지류 하천과 접하는 합류부 구간에 중요한 자료로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
따라서 이러한 착오를 줄이기 위해서는 정성적 및 정량적 모두 검토하여야 할 것으로 판단된다. 이와 같이 단면의 변화를 비교 분석한다면 과거 대비 현재의 단면변화량을 정량적으로 더 정확하게 도출할 수 있을 것으로 판단된다.
준공성과 및 최근 연구를 기준으로 확인하면 본 연구대상 구간에 대한 정밀하게 측량된 지형자료는 없는 것으로 판단된다. 하천 변화 분석 및 설계 등에 본 연구측정성과를 이용한다면 실무 및 연구적으로 큰 가치가 있을 것으로 사료된다.

참고문헌 (23)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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