[논문]이동상 수리모형실험을 통한 만곡부 모래사주의 거동특성 분석

이삼희; 황승용; 박재민

이동상 수리모형실험을 통한 만곡부 모래사주의 거동특성 분석
Understanding on Characteristics of the Sand Bars' Movement in the Meandering Reaches by a Movable-Bed Experiment 원문보기

이삼희 (한국건설기술연구원 수자원연구부) , 황승용 (한국건설기술연구원 수자원연구부) , 박재민 (한국건설기술연구원 수자원연구부)

최근 우리나라에서 하천 및 유역 환경의 급격한 변화로 인하여 하천 형태가 많이 변하고 있는 추세이다. 특히 사행하는 모래 하천에서 만곡부 사주의 형태 변화가 커지고 있다. 이 연구에서는 이와 같은 모래 하천의 만곡부에서 사주의 변화 특성을 평가하고 그 원인을 파악하기 위하여 이동상 수리모형 실험을 실시하였다. 실험에서 하천 및 유역의 여러 상황 변화를 감안하여 유량, 유사 공급량, 공급 시간, 하천 변형 등 다양한 조건을 상정하였다. 연구 대상하천은 낙동강 본류이며, 중점 수리모형 실험대상 구간은 우리나라의 전통민속마을인 안동 하회마을을 태극형으로 감싸면서 사행하는 만곡부이다. 이동상 실험규모는 수평축적 1/110, 수직축적 1/50로 왜곡도가 2.2로써 비교적 대규모이다. 모형 하상재료는 입경 0.29 mm의 석탄분(anthracite)을 채택하였으며, 현장에서 하상재료조사와 상사해석을 통해 결정하였다. 실험 결과, 유량과 유사 공급량 변화에 따른 사주 변화가 밀접한 관계가 있는 것으로 나타났다. 특히 유사 공급이 이루어지지 않을 때 국지적 퇴적양상을 보였다. 이는 사주 내 식생활착으로 이어지는 계기가 될 수 있음을 확인할 수 있었다. 그리고 설계홍수량 규모에서 구하도와 과거 사주가 재현되었는데, 이는 지역주민을 통해 입증되었다. 또한 천연기념물인 만송정 주변의 모래둔덕의 형성과정이 입증되었다.

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문제 정의

이 연구는 건설교통부에서 국가하천 관리 방향을 설정하기 위한 일환으로 수행하게 되었으며, 수리모형실험은 한국건설기술연구원의 하천실험실에서 수행하였다. 실험에 참여한 하천실험실의윤 병모 선임기술원을 비롯한 여러 기술자들에게 감사드린다.
이 연구에서는 낙동강 하회지구의 만곡부에서 사주 특성을 평가하기 위하여 이동상 수리모형실험을 실시하였다. 만곡부에서의 사주 거동특성을 파악하기 위한, 가장 합리적인 방법인 것으로 판단한 결과이다.

제안 방법

5 h 동안 유사의 공급유무에따른 미지형의 하상변동을 관찰하였다. 공급유사량은 예비실험에서 공급 없이 2.5 h 동안 세굴된 양을 측정하여 결정하였다. 그림 4와 그림 5에서보는 바와 같이 유사공급 유무에 따라 미지형의 변화가 다르게 나타나는 것이 확인되었다.
다시 모형 하상재료의 상류 공급 유무에 따라 나누었다. 기왕최대 홍수량에 대해서는 하회지구 하류 점사주 외측의 준설 안에 대해 추가로 검토하였으며, 계획홍수량에 대해서는 상류 공급 유사가 없는 경우로 한정하였다. 평균연최대 홍수량은 안동수위표 지점에서 최근 10년간 연 최대홍수량을 평균한 값에 안동수위표와 하회지구 사이에 유입되는 지천인 송야천 합류 전.
실험 조건은 평균연최대 홍수량, 기왕최대 홍수량, 그리고 계획 홍수량으로 공급 유량을 구분하고, 다시 모형 하상재료의 상류 공급 유무에 따라 나누었다. 기왕최대 홍수량에 대해서는 하회지구 하류 점사주 외측의 준설 안에 대해 추가로 검토하였으며, 계획홍수량에 대해서는 상류 공급 유사가 없는 경우로 한정하였다.
만곡부에서의 사주 거동특성을 파악하기 위한, 가장 합리적인 방법인 것으로 판단한 결과이다. 실험에서 하천 및 유역의 여러 상황 변화를 감안하여 유량, 유사 공급량, 공급시간, 하천 변형 등을 실험조건으로 상정하였다. 이를 통해 수치해석으로는 재현이 어려운 사주미지형 변화 내용과 천연기념물인 하회마를 만송정 주변 모래둔덕의 형성과정을 분석한다.
안동댐 하류부터 하회지구 하류의 구담교까지 약 35 ~ 40 km 구간에 걸쳐 하상변동과 관련한 일반적 하천 조사를 실시하고, 상류 병산서원 직하류부터 하류 광덕교 직하류까지 약 6 km 구간(그림 1)에 대해서는 수리 모형실험을 실시하였다.
실험에서 하천 및 유역의 여러 상황 변화를 감안하여 유량, 유사 공급량, 공급시간, 하천 변형 등을 실험조건으로 상정하였다. 이를 통해 수치해석으로는 재현이 어려운 사주미지형 변화 내용과 천연기념물인 하회마를 만송정 주변 모래둔덕의 형성과정을 분석한다.
평균연최대 유량 규모에서2.5 h 동안 유사의 공급유무에따른 미지형의 하상변동을 관찰하였다. 공급유사량은 예비실험에서 공급 없이 2.
평균연최대 홍수량은 안동수위표 지점에서 최근 10년간 연 최대홍수량을 평균한 값에 안동수위표와 하회지구 사이에 유입되는 지천인 송야천 합류 전.후 계획홍수량의 비율을 고려하여 1, 730 m3/s로 산정하였으며, 하회지구에 대한 지배유량 규모로 판단하였다. 기왕최대 홍수량은안동수위표 지점에서 기록된 최대 홍수량 3, 025 m3/s 에 지천 합류를 고려하여 3, 410 m%로 설정하였다.

대상 데이터

특히 사행하는 모래 하천의만곡부에서 사주의 형태 변화가 커 하천관리에 우려가 되기도 한다. 낙동강 상류에 위치한 안동하회지구(안동시 풍천면 하회리) 만곡부도 그 중 하나이다. 이동상 하도에서 만곡부 사주의 거동및 변화 특성을 파악하는 것은 하천관리는 물론 건전한 하천생태계 보전에도 중요할 것이다.

성능/효과

실험결과 하류의 준설이 상류점사주의 하상저하에 근 영향을 미치지 않는다는 사실을 확인할 수 있었다. 그리고 준설한 구간에서 원 하상 고로 회복되면서 하류 점사주 내 구하도(그림 12 참조)가 형성됨을 확인할 수 있었다.
기왕최대 홍수량 이상의 규모일 때 만송정 부근의 퇴적과 하류 점사주 내 구하도가 형성되는 것을 확인할 수 있었다. 특히 상류 점사주 내 국지적 퇴적은 유사의 공급 유무에 직접 관계가 있음을 알 수 있다.
변화에 기인한다는 사실을 알 수 있다. 또한 이 연구에서 이동상 하도에서 미지형 사주 변화는 물론 정확한 하상변동의 원인을 규명하고 예측할 때 이동상 수리모형실험이 매우 유효한 수단임을 확인할 수 있었다.
했을 때(그림 11 참조) 유사 공급을 하면서 1 h 정도 방류하였다. 실험결과 하류의 준설이 상류점사주의 하상저하에 근 영향을 미치지 않는다는 사실을 확인할 수 있었다. 그리고 준설한 구간에서 원 하상 고로 회복되면서 하류 점사주 내 구하도(그림 12 참조)가 형성됨을 확인할 수 있었다.
이동상 모래하천의 만곡부에서 유량과 유사 공급량에따라 사주양상이 달라진다는 사실을 확인하였다. 평균연최대 홍수량 규모에서 상류의 유사 공급이 중단되거나 줄어들 때 사주 내 국지적 퇴적 현상이 뚜렷하다는 것이 입증되 었다.
평균연최대 홍수량 규모에서 상류의 유사 공급이 중단되거나 줄어들 때 사주 내 국지적 퇴적 현상이 뚜렷하다는 것이 입증되 었다. 이는 실제하도에서의 무차원소류력의 종단변화에 따른 미지형 변화특성과 일치함을 알 수 있었다.
하류 점사주 일부를 준설하고 유사를 공급할 경우, 상류 점사주의 하상저하에 큰 영향을 미치지 않고도 준설 구간이 원래의 하상고로 회복되고 하류 점사주 내 구하도가형성되는 사실을 확인할 수 있었다.

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