[논문]낙동강 보 개방에 따른 하상변동 분석

김성준; 김창성

doi:10.17820/eri.2020.7.4.353

낙동강 보 개방에 따른 하상변동 분석
Analysis of Bed Changes of the Nakdong River with Opening the Weir Gate 원문보기

Ecology and resilient infrastructure, v.7 no.4, 2020년, pp.353 - 365

김성준 (한국수자원조사기술원 연구개발실) , 김창성 (한국수자원조사기술원 연구개발실)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 낙동강을 대상으로 HEC-RAS를 이용하여 보 개방에 따른 하상변동 특성을 분석하였다. 연구 대상 지역은 낙동강 구담교 하류부터 하구둑까지 292.37 km 구간이다. 하상변동 모의를 위하여 1차원 수치해석모델인 HEC-RAS 프로그램을 사용하였으며 2017년도부터 2019년도까지 2가지의 시나리오로 모의를 수행하였다. 시나리오 1은 수문 전면 개방의 조건으로 구축하였으며 시나리오 2는 수문이 설치된 조건으로 모의를 수행하였다. 모의결과, 시나리오 1의 조건에서 합천창녕보 - 창녕함안보 대부분의 구간 (약 40 km)에서 퇴적이 발생한 것을 확인하였다. 또한 낙동강 본류 내의 유사를 포함한 흐름이 보 구조물로 인해 단절되지 않고 연속적으로 하상을 변동시키는 것으로 예측되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the characteristics of bed elevation changes of the Nakdong River when weir gates are opened were analyzed using the Hydrologic Engineering Center-River Analysis System (HEC-RAS). The study area was 292.37 km downstream of the Gudam Bridge to the Nakdong estuary of the Nakdong River. The HEC-RAS program, which is a 1D numerical analysis model, was used to simulate bed elevation changes. Simulations were conducted under two scenarios from 2017 to 2019. Scenarios 1 and 2 were devised under the conditions of a fully opened gate and during gate installation, respectively. Results confirmed that, under the conditions of Scenario 1, deposition occurred in most sections from the Hapcheon-Changnyeong weir to the Changnyeong-Haman weir (a distance of approximately 40 km). In addition, it was predicted that the flow that included sediments in the main stream of the Nakdong River was not interrupted by the weir structure and regularly produced changes in the river bed.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. Study reach of Nakdong River for 1-dimensional numerical modeling.
그림 Fig. 2. Gumi weir with the water gate removed.
표 Table 1. Applicable sediment transport formulas in the HEC-RAS model
그림 Fig. 3. Inflow discharges.
그림 Fig. 4. Changes of stages during 2017 - 2019.
그림 Fig. 5. Bed material size distribution.
표 Table 2. Roughness coefficient from the Nakdong River
표 Table 3. Discrepancy ratio of sediment transport formulas
그림 Fig. 6. Comparison of bed elevation change by scenario (with gate and w/o gate).
표 Table 4. Upstream and downstream bed elevation changes by scenario
그림 Fig. 7. Comparison of bed elevation change (initial, w/o gate and with gate).
그림 Fig. 7. Comparison of bed elevation change (initial, w/o gate and with gate) (Continued).
그림 Fig. 7. Comparison of bed elevation change (initial, w/o gate and with gate) (Continued).
그림 Fig. 7. Comparison of bed elevation change (initial, w/o gate and with gate) (Continued).
그림 Fig. 7. Comparison of bed elevation change (initial, w/o gate and with gate) (Continued).

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 국내에서는보 개방에 따른 하상변동 변화에 대한 연구는 일부 보고된 바 있지만 수문 운영에 따른 영향을 검토한 사례는매우 적다. 따라서 본 연구의 목적은 HEC-RAS 모형을이용하여 모형을 구축하고 과거 실측된 지형자료를 이용하여 보 수문의 유무에 따라 2가지 시나리오로 낙동강 하상변동 변화를 분석하는 것이다.

제안 방법

시나리오 1은구담교 - 강정고령보와 강정고령보 - 하구둑까지 2개의구간으로 나누어서 모의를 진행하였며, 최상류에 위치한 상주보부터 최하류에 위치한 창녕함안보까지 모든수문 전면 개방을 나타낸다. 결과를 보 위치에 따라 분할 비교하였다. 시나리오 2는 보 위치에 따라 구간을 나누었으며 수문이 존재하는 상태를 뜻한다.
낙동강 살리기 사업 구간이었던 구담교부터 하구둑까지 총 292.37 km를 대상으로 보 수문이 없는 수문 전면 개방 시나리오 1과 보 수문이 존재하는 시나리오 2 에 대하여 하상변동 모의를 진행하였다. 시나리오 1은구담교 - 강정고령보와 강정고령보 - 하구둑까지 2개의구간으로 나누어서 모의를 진행하였며, 최상류에 위치한 상주보부터 최하류에 위치한 창녕함안보까지 모든수문 전면 개방을 나타낸다.
본 연구에서는 2017년도에 낙동강을 대상으로 하천측량을 실시했던 지형자료 (BAI 2018)를 활용하였으며, 보 수문 개방시나리오모형에는 반변천 합류 후에서 강정고령보와 강정고령보에서 하구둑으로 2개의 구간을 나누어 지형 자료를구축하였다. 또, 보 수문 개방 시나리오에 맞춰 수문을제거한 상태로 모의를 진행하였다 (Fig. 2). 보 수문 미개방 시나리오에는 구담교 - 상주보, 상주보 - 낙단보, 낙단보 - 구미보, 구미보 - 칠곡보, 칠곡보 - 강정고령보, 강정고령보 - 달성보, 달성보 - 합천창녕보, 합천창녕보 - 창녕함안보, 그리고 창녕함안보 - 하구둑으로 구간을나누어 모형을 구축하였다 (MOLIT 2013).
5에 제시된 구간에 따른 중앙입경 변화를 토대로 각 단면의 입도분포를 설정하였다. 또한 구축된 모형 내에서 보 구조물 하류부에 설치된 바닥보호공과 물받이 공으로 인해 일정구간 침식이 발생하지 않게 하기 위하여 하류부 일정 구간에 대해서는 침식가능 깊이를 0 m로 설정하였다.
유사량자료 등이 있다. 본 연구에서는 2017년도에 낙동강을 대상으로 하천측량을 실시했던 지형자료 (BAI 2018)를 활용하였으며, 보 수문 개방시나리오모형에는 반변천 합류 후에서 강정고령보와 강정고령보에서 하구둑으로 2개의 구간을 나누어 지형 자료를구축하였다. 또, 보 수문 개방 시나리오에 맞춰 수문을제거한 상태로 모의를 진행하였다 (Fig.
본 연구에서는 낙동강 구담교부터 하구둑까지 292.37 km 구간에 대하여 HEC-RAS 프로그램을 이용하여 하상변동 모형을 구축하고 2개의 시나리오에 대해 하상변동 분석을 수행하였다. 시나리오 1은 수문 전면 개방 (w/o gate) 의 조건이며 시나리오 2는 수문 설치 (with gate)의 조건이다.
시나리오 1은 수문 전면 개방 (w/o gate) 의 조건이며 시나리오 2는 수문 설치 (with gate)의 조건이다. 시나리오 1은 낙동강에 설치된 8개다기능 보 수문이 향후 전면 개방될 경우를 가정하여 기존 구간 분할된 모형 (시나리오 2)과의 비교를 통해 하상변동 경향을 살펴보았다. 하상변동 모의 기간은 2017 년 1월 1일부터 2019년 12월 31일까지이며 결론은 다음과 같다.

대상 데이터

유량조건으로는 낙동강 본류와 지류인 내성천, 감천, 금호강, 황강, 남강, 밀양강, 양산천에서 유입되는 유량이 필요하다. 각 지류가 합류하는 하류단에 위치한 수위관측소에서 유량 데이터를 취득하였다. 내성천 합류 후에는 상풍교 (구사 벌) 관측소, 감천 합류 후에는 구미대교 (구 구미) 관측소, 금호강 합류후에는 고령교 (구 고령) 관측소, 황강 합류 후에는 적포교 (구 적포) 관측소, 남강 합류 후에는 계내리 (구 진동) 관측소, 밀양강 합류 후에는 삼랑진교 (구 삼랑진) 관측소, 그리고 양산천 합류 후에는 구포대교 (구 구포) 수위관측소의 유량을 활용하였다 (Fig.
각 지류가 합류하는 하류단에 위치한 수위관측소에서 유량 데이터를 취득하였다. 내성천 합류 후에는 상풍교 (구사 벌) 관측소, 감천 합류 후에는 구미대교 (구 구미) 관측소, 금호강 합류후에는 고령교 (구 고령) 관측소, 황강 합류 후에는 적포교 (구 적포) 관측소, 남강 합류 후에는 계내리 (구 진동) 관측소, 밀양강 합류 후에는 삼랑진교 (구 삼랑진) 관측소, 그리고 양산천 합류 후에는 구포대교 (구 구포) 수위관측소의 유량을 활용하였다 (Fig. 3). 계내리 (구 진동) 수위관측소에서 측정된 유량은 하류에 위치한 삼랑진교 (구 삼랑진) 수위관측소에서 측정된 유량보다 많은 유량 역전 현상이 나타나기도 하였으며 결측된 날짜도 있었다.
35 m이다. 대상 구간은 침식 특성이 우세한 구간으로 나타났으며특히 낙단보 직하류지점에서 크게 낮아지는 경향을 보였다 (-3.35 m). 시나리오 2의 경우 33개의 측선 중에서 13 (37.
37 m로 나타났다. 대상 구간은 퇴적이 우세하나 하류기점 25.8 km에서 최심하상고가 크게 낮아지는 (-4.37 m) 것을 확인하였다.
입도분포를 지정해주어야 한다. 모의를 위한 하상토입도분포 자료는 2013년 측정된 자료를 활용하였으며, 유사량 자료는 상풍교 (구 사벌), 구미대교 (구 구미), 고령교 (구 고령), 적포교 (구 적포), 계내리 (구 진동), 삼랑진교 (구 삼랑진), 그리고 구포대교 (구 구포) 지점의관측자료를 활용하였다. 하상토의 중앙입경은 0.
본 연구의 대상하천인 낙동강은 유역면적이 23, 384.21 km²이며 유로연장은 510.36 km로 국내 최장 하천이다. 낙동강은 동쪽 태백산맥과 서북쪽의 속리산, 덕유산, 지리산으로 이어지는 소백산맥으로 둘러싸인 유역의 중심부를 관류하고 있으며 유로는 산악으로 인하여 최단 거리로 유하 하지 않고 유향을 4차례나 급변하면서 남해로 유입된다.
78 m였다. 상하류 경계조건은 국가수자원관리종합정보시스템(WAMIS)에서 제공하는 자료를 활용하였다. 수문 미 개방 시나리오에는 각 구간별 하류경계조건을 등류수심조건을 선정하였으며 입력된 등류 수심 경계조건은 BAI (2018)의 모형의 하류부 경계조건으로 입력된 등류수심 (normal depth) 경사와 동일하게 입력하였다.
37 km를 대상으로 보 수문이 없는 수문 전면 개방 시나리오 1과 보 수문이 존재하는 시나리오 2 에 대하여 하상변동 모의를 진행하였다. 시나리오 1은구담교 - 강정고령보와 강정고령보 - 하구둑까지 2개의구간으로 나누어서 모의를 진행하였며, 최상류에 위치한 상주보부터 최하류에 위치한 창녕함안보까지 모든수문 전면 개방을 나타낸다. 결과를 보 위치에 따라 분할 비교하였다.
하류단 수위조건은 수문 개방 시나리오에서는 강정고령보와 하구둑 수위자료를 활용하였다 (Fig. 4). 강정고령보에서의 평균수위는 13.

이론/모형

(2015)은 Engelund and Hansen (1967) 공식을 사용하여 극단적인 현상을 예측하는데 활용할 수 있음을 확인하였고 BAI (2018)에서는 낙동, 구미, 왜관, 진동 수위관측소에서 관측된 유사량 자료를 활용하여 유사량 공식 검정을 수행 한 결과, Engelund and Hansen (1697) 공식이 낙동강 해당 구간의 유사량을 적절히 산정한다고 제안한 바 있다. 따라서 본 연구에는 Engelund and Hansen (1697) 공식을 사용하여 하상변동 모의를 실시하였다 (Table 3). 내성천에 대한 유사량 데이터 부재로 2가지 시나리오 모두 반영하지 못하였다.
계내리 (구 진동) 수위관측소에서 측정된 유량은 하류에 위치한 삼랑진교 (구 삼랑진) 수위관측소에서 측정된 유량보다 많은 유량 역전 현상이 나타나기도 하였으며 결측된 날짜도 있었다. 비유량법을 이용하여 유입 유량과 결측일에 대한 유량을 보정하였다.
프로그램이다. 준정류 모형을 이용하여 흐름을 계산하며 Exner 방정식을 이용하여 하상변동량을 계산한다. HEC-RAS 프로그램은 입도분포를 고려한 유사이송량을 계산할 수 있으며, 분급현상 모의를 통하여 하상토 구성비율을 계산할 수 있다.

성능/효과

0%) 개의 측선에서 최심하상고가 하강하는 것을 확인하였다. 구간 내의 퇴적부는 평균 +0.25 m 상승하였고 침식부는 -0.39 m로 나타났다. 최대값은 각각 +0.
구간별로 검토한 결과, 구담교 구간 (구담교 - 상주보)에서는 최대 +1.09 m 하상이 퇴적되었으며, -1.56 m 하상이 침식되었다. 이 구간은 내성천이 합류 이후에는 내성천으로부터 유입되는 유사량을 고려하지 못하였기 때문에 2017년 기존 단면보다 침식되는 결과를 나타낸 것으로 판단된다.
낙동강에 설치된 8개의 다기능 보는 고정보와 가동보로 구분되어 있으며, 보 수문의 개방은 하상변동에많은 영향을 줄 것으로 판단된다. 하지만 국내에서는보 개방에 따른 하상변동 변화에 대한 연구는 일부 보고된 바 있지만 수문 운영에 따른 영향을 검토한 사례는매우 적다.
Jeong and Jung (2015)은 HEC-RAS 모형을 이용하여 다기능 보가 건설된 금강을 대상으로 다기능 보 설치 및 수문운영 시나리오에 따른 장기하상변동을 모의를 실시하였다. 다기능 보를 설치하고 수문을 운영하였을 때 하상변동으로 인하여 홍수위가 상승하는 결과를 확인하였다.
51 m 이다. 대상 구간은 침식되는 경향을 보였으며 특히 하류 4.6 km에서 최심하상고가 크게 낮아지는 것으로 예측되었다 (1.51 m). Fig.
20 m이다. 대상 구간은 침식현상이 우세하였으며 낙단보 직하류지점에서 최심하상고가 크게 낮아지며 (-2.20 m) 하류로 갈수록 점차 하상고가 높아지는 경향을 보였다.
63 m이다. 대상 구간은 퇴적 특성이 우세하였으며 특히24.68 km 지점에서 크게 상승하는 것으로 모의되었다 (+2.07 m). 시나리오 2의 경우 50개의 측선 중에서 22 (44.
83 m 이다. 대상 구간은 퇴적이 우세한 것으로 판단되며 11.54 km 지점에서 최대 퇴적고 (+1.00 m) 가 발생하였으며 하류 기점 14 km 지점과 38 km 지점에서 최심하상고가크게 낮아졌다 (-3.83 m).
19 m 침식이 발생하였다. 대상 측선 중 하상 상승이 즉 퇴적 경향을 보였으며 14 km지점에서 최심하상고가 크게 상승하는 특성을 보였다 (+2.25 m). 시나리오 2의 경우 33개의 측선 중에서 16 (48.
둘째, 낙동강 전체구간에서 수문을 전면 개방한 조건에서의 하상변동모의 결과는 수문이 있는 경우에 비해 퇴적되는 경향이 우세한 것으로 예측되었다. 특히 합천창녕보 - 창녕함안보 구간에서는 다른 구간에 비해 많은 하상변동이 발생하였다.
35 m 높아지는 것으로 모의되었다. 또한 하류 40 km 지점 황강 합류부 이후 상당량의 유사유입으로 인해 비교적 많은 퇴적현상이 발생하는 것으로 나타났다. 또 하류부에서 남강 합류후에도 퇴적이 발생하는 것으로 모의되었다.
마지막으로, 총 650개의 단면 중에서 시나리오 1은 411 (63.2%)개의 측선에서 퇴적, 227 (34.9%)개의 침식이 발생하였고 시나리오 2는 301 (46.3%)개의 측선에서 퇴적, 3329 (50.6%)개의 침식이 발생하였다. 수문을 전면 개방하여 모의할 경우, 16.
(2015)은 HEC-RAS 모형을 이용하여 낙동강 수계의 강정고령보와 달성보구간 및 금호강에 대하여 다기능 보 운영에 따른 하상변동을 모의하였다. 모의결과, 다기능보의 관리수위 운영에 따른 본류 및 지류의 하상거동에 대하여, 보 직 상류에서는 퇴적이 지배적이었으며, 관리수위 운영에 따라 유사이송과 하상변동은 상대적으로 작아지는 것을 확인하였다. Jeong and Jung (2015)은 HEC-RAS 모형을 이용하여 다기능 보가 건설된 금강을 대상으로 다기능 보 설치 및 수문운영 시나리오에 따른 장기하상변동을 모의를 실시하였다.
01 m까지 낮아졌다. 보 직하류 10 km부터 하류까지는 최대 +1.53 m 퇴적되었으며 평균 0.11 m 침식하는 것으로 나타났다. 칠곡보 구간에서는 칠곡 보직 하류부터 강정고령보까지 전반적으로 하상이 높아지는 경향을 보이며, 최대 +2.
6은 2017년 1월 1일부터 2019년 12월 31일까지 시나리오 1과 시나리오 2에 따른 하상변동 결과이다. 상류 구간 (구담교 - 강정고령보)에서의 시나리오 1 결과는 최대 +2.55 m 하상이 상승되었고 -3.35 m 하상이 하강하였음을 확인할 수 있었다. 시나리오 2의 상류구간 모의결과는 +2.
85 m 하상이 침식되었다. 시나리오 2의 결과로는 최대 +4.68 m 하상이 퇴적되었고 -3.88 m 하상이 침식되었다 (Table 4).
첫째, 낙동강 본류 전구간의 수집된 측량자료, 유량 자료를 활용하여 하상변동 분석을 수행한 결과, 내성천 합류점 상류 구간 (240 km 이상) 에서는 대규모의 하상변동은 없었으며, 대부분 국부적인 현상에 머물고 있음을 확인하였다.
합천창녕보 구간에서는 전체적으로 최심하상고가 상승하는 경향이 나타났다. 최대 +7.08 m 퇴적, -1.78 m 침식되었으며 평균 +2.35 m 높아지는 것으로 모의되었다. 또한 하류 40 km 지점 황강 합류부 이후 상당량의 유사유입으로 인해 비교적 많은 퇴적현상이 발생하는 것으로 나타났다.
11 m 침식하는 것으로 나타났다. 칠곡보 구간에서는 칠곡 보직 하류부터 강정고령보까지 전반적으로 하상이 높아지는 경향을 보이며, 최대 +2.07 m까지 퇴적하는 것으로 나타났다. 해당 구간 내에서 최대 침식고는 -0.
7%)개의 측선에서 침식으로모의되었다. 퇴적 구간 평균 최심하상고는 +0.63 m로, 침식 구간의 경우 평균 -0.69 m 낮아졌다. 최대값은 +2.
3%)개의 측선에서 침식으로예측되었다. 퇴적 구간은 평균 +0.24 m, 침식 구간은 평균 -0.48 m이며 최대 값은 각각 +0.65 m, -3.35 m이다. 대상 구간은 침식 특성이 우세한 구간으로 나타났으며특히 낙단보 직하류지점에서 크게 낮아지는 경향을 보였다 (-3.
0%) 개의 측선에서 최심하상고 하강하는 것을 확인하였다. 퇴적 구간의 평균 최심하상고는 +0.31 m, 침식 구간의 경우 평균 -0.26 m로 나타났다. 구간 내 최대값은 각각 +2.
0%) 하강하는 것으로 모의 되었다. 퇴적과 침식되는 구간 평균은 각각 +0.83 m, -0.63 m이며 구간 내 최대 상승고는 +3.85 m, 하강고는 -3.88 m로나타났다. 특히 하류기준 41.
0%) 개의 측선에서 침식되는 것으로 모의되었다. 퇴적구간은 평균 +0.46 m, 침식 구간은 평균 -0.55 m이며 구간 내 최대값은 +1.24 m, -1.51 m 이다. 대상 구간은 침식되는 경향을 보였으며 특히 하류 4.
5%)개의 측선에서 최심하상고 하강으로 모의되었다. 퇴적구간은 평균 +0.62 m, 침식구간은 평균 -0.29 m로 나타났다. 최대값은 +1.

후속연구

9% 더 퇴적되는 양상을 보였다. 구담교, 낙단보, 강정고령보, 합천창녕보구간에서는 두 시나리오 모두 보 직하류에서 침식이 발생하는 공통점을 보이므로 향후 지속적인 모니터링을통해 하천의 변화와 그에 따른 홍수영향을 검토할 필요가 있다.
본 연구에서 수행한 하상변동 예측은 검증 가능한 측량성과와의 비교가 요구되나 자료 부재로 단순 예측이라는 연구 한계를 포함하고 있다. 하지만 기존 연구보고서 (BAI 2018)의 모형 하류 경계조건과 동일하게 구성되어 있어 어느 정도의 검증절차를 거쳤다고 판단할수 있다.
또한 수문 전면 개방조건에서 해당 구간 대부분 (약 40 km)에서 퇴적으로 예측되었으며 이는 상류 및 지류에서 유입된 유사가 하류인 합천창녕보 - 창녕함안보구간에서 퇴적된 것으로 추정된다. 하지만 본 연구의 경우 3년간 모의기간을 통해 도출된 하상변동 추이이므로 장기하상변동 모의를 통해 재검토할 필요가 있다.
하지만 기존 연구보고서 (BAI 2018)의 모형 하류 경계조건과 동일하게 구성되어 있어 어느 정도의 검증절차를 거쳤다고 판단할수 있다. 향후 지속적인 모니터링을 통하여 정확한 데이터를 수집할 수 있다면 보다 신뢰도 높은 결과를 도출해 낼 수 있을 것으로 기대된다.

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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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