[논문]SED-2D를 이용한 한강 하구부의 하상변동 해석

서일원; 전인옥; 김성은

SED-2D를 이용한 한강 하구부의 하상변동 해석
Analysis of Bed Elevation Change in the Han River Estuary using SED-2D 원문보기

서일원 (서울대학교 건설환경공학부) , 전인옥 (서울대학교 건설환경공학부) , 김성은 (서울대학교 건설환경공학부)

하구는 담수와 해수가 만나 넓은 갯벌과 기수역을 형성하여 각종 생물의 서식지이자 어류의 산란지로 이용되는 생태학적으로 중요한 지역이다. 특히 한강 하구는 국내 4 대강 가운데 유일하게 하구둑이 설치되어 있지 않아 조수의 출입이 자유롭고 민간인 접근이 통제되어 있어 자연적인 하천지형과 기수역 생태계가 비교적 잘 보전된 구역이다. 본 연구의 모의영역은 한강 하류부로 상류 경계단은 행주대교, 하류 경계단은 전류단 수위표가 위치한 경기도 연천군 전곡읍 전곡 사랑교 부근으로 설정하였다. 지형자료는 한국건설기술연구원에서 2009년 8월 홍수사상 전 후에 대해 측량한 자료를 사용하였다. 한강 하구역에 대한 지형 격자를 구성하기 위하여 RAMS 전후 처리기인 RAMS-GUI를 사용하였으며, 구성된 지형 격자의 절점 수는 2,354개, 요소 수는 2,145개로 삼각요소와 사각요소가 혼용되어 있다. 구성된 격자망을 이용하여 2차원 하상변동 해석 모형인 SED-2D 모의를 통해 홍수사상에 의한 한강 하구부의 하상변동을 살펴보았다. SED-2D 모형은 미국 육군 공변단의 WES와 미 연방 도로국이 연계하여 개발되어 현재 국내외 2차원 하천해석에서 가장 널리 사용되고 있는 모형 중 하나이다. 하상변동 해석모형인 SED-2D를 통해 모의된 하상 변동량을 실제 측량된 홍수 전 후의 지형자료와 비교함으로써 모형의 성능을 분석하였다. 분석결과 SED-2D 모형의 경우 침식에 의한 하상변동이 모의되지 않았지만, 전반적인 하상변동 경향을 살펴볼 수 있음을 알 수 있었다.

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문제 정의

본 연구에서는 SED-2D 모형을 이용하여 홍수 발생시 한강 하류부의 하상변동을 모의하였으며, 모의결과를 실제 측량자료와 비교해봄으로써 결과를 분석하였다. 분석결과 SED-2D 모형의 경우 침식에 의한 하상변동이 모의되지 않았지만, 전반적인 하상변동 경향을 살펴볼 수 있었다.
본 연구에서는 국 · 내외에서 대표적으로 사용되는 2차원 하상변동 모형인 SED-2D를 이용하여 홍수 사상에 의한 한강 하구역의 하상변동을 모의하고 이를 실제 측량된 지형자료를 바탕으로 모의결과를 분석하였다.

제안 방법

RMA-2 흐름모의 결과를 바탕으로 홍수사상에 의한 한강 하류부의 하상변동을 살펴보았으며, 하상변동 모의결과와 실제 측량된 하상 변동량을 그림 4에 비교하였다. 2차원 하상변동 모형으로 모의된 하상 변동량과 실제 측정결과가 다소 차이가 있음을 볼 수 있다.
하상변동 모의에 앞서 RMA-2를 이용한 2차원 흐름모의를 진행하였다. 유량에 대한 모의조건으로 2009년 7월 중순에 발생한 홍수사상을 선택하였는데, 이는 급격한 유량변화로 인한 하상의 변화를 살펴보기 위함이다.
하상 지형자료는 한국건설기술연구원에서 2009년 8월 홍수사상 전·후로 측량한 한강 하구역 지형자료를 사용하였다. 한강 하구역에 대한 지형 격자를 구성하기 위하여 RAMS 프로그램의 전후 처리기인 RAMS-GUI를 사용하였다. RAMS는 과학기술부의 21세기 프론티어연구개발사업의 일환으로 순수 국내기술로 개발된 수평 2차원 하천해석 모형이다.

대상 데이터

RMA-2의 입력 자료인 상 · 하류 경계단의 수위 및 유량 자료는 국가수자원관리종합정보시스텝(WAMIS)에서 제공하는 일자료를 이용하였다.
본 연구의 모의 대상영역은 한강 하구역으로 상류 경계단은 행주대교, 하류 경계단은 전류단 수위표가 위치한 경기도 연천군 전곡읍 전곡 사랑교 부근으로 설정하였다(그림 1). 하상 지형자료는 한국건설기술연구원에서 2009년 8월 홍수사상 전·후로 측량한 한강 하구역 지형자료를 사용하였다.
RMA-2의 입력 자료인 상 · 하류 경계단의 수위 및 유량 자료는 국가수자원관리종합정보시스텝(WAMIS)에서 제공하는 일자료를 이용하였다. 상류단은 2009년 7월 12일부터 21일까지 2주 동안의 행주대교 일 유량자료를 입력하였으며, 하류단은 동일기간 전류 수위표 지점의 수위자료를 사용하였다. 이상의 흐름모의를 위한 경계조건을 그림 2에 도시하였다.
하상 지형자료는 한국건설기술연구원에서 2009년 8월 홍수사상 전·후로 측량한 한강 하구역 지형자료를 사용하였다.
또한 홍수류의 유속이 비교적 약해지는 창조시에 모래의 비중이 줄어들고 낙조시에는 커지는 경향이 나타나는데 이는 홍수류의 유속이 저하되면서 이송력이 약해져 입경이 비교적 큰 모래가 침강하기 때문으로 추정된다. 한강 하류부의 하상변동 산정시 유사자료는 한강하천정비기본계획 보고서에서 한강수계치수기본계획 자료를 이용하여 산정한 유량-유사량 관계곡선을 사용하였으며, 대표입경값 또한 한강하천정비기본계획 보고서에서 측정한 한강 하류부의 하상재료 대표입경 종단분포 자료를 이용하여 단일 대표입경 값 0.065 mm로 정하였다.

이론/모형

하상제원의 평균농도를 의미하며 이는 유사의 형태나 침식 혹은 퇴적 발생 여부에 따라 결정된다. 모래 이송의 경우 하상으로부터 유사의 공급은 흐름의 잠재 이송능력과 물질의 활용도에 의해 제어되며, 점토 이송의 경우 점토하상의 퇴적률은 Krone(1962) 방정식으로 계산한다.
하상변동 모의를 위한 종분산계수 및 횡분산계수는 모의구간이 습지보호구역 및 군사제한구역인 특성상 현장실측이 제한적이기 때문에 널리 사용되는 Elder와 Fisher의 경험식(Fisher 등, 1979)을 이용하여 각각 7.5 m²/sec, 0.75 m²/sec로 산정하였다. 2002년 한강하천정비기본계획 보고서에 따르면 한강 하구부의 부유사 구성성분 분석 결과 홍수시 유사는 하천유출에 의해 상류로부터 이송된 것이기 때문에 실트와 점토의 비중이 줄어들고, 모래의 양이 많게 나타났다.

성능/효과

2차원 하상변동 모형으로 모의된 하상 변동량과 실제 측정결과가 다소 차이가 있음을 볼 수 있다. 두 결과의 가장 큰 차이는 SED-2D를 이용한 하상 변동량 모의에서는 침식에 의한 하상변동이 나타나지 않은 반면, 실제 측량결과 홍수로 인한 하상의 큰 침식이 이루어졌음을 알 수 있다. 또한 최저 하상고가 나타난 하류 지점의 경우 실제 측량결과에서는 침식이 진행된 반면 SED-2D 모의결과에서는 퇴적이 일어나 모의결과에 큰 차이를 보였다.
본 연구에서는 SED-2D 모형을 이용하여 홍수 발생시 한강 하류부의 하상변동을 모의하였으며, 모의결과를 실제 측량자료와 비교해봄으로써 결과를 분석하였다. 분석결과 SED-2D 모형의 경우 침식에 의한 하상변동이 모의되지 않았지만, 전반적인 하상변동 경향을 살펴볼 수 있었다.
또한 최저 하상고가 나타난 하류 지점의 경우 실제 측량결과에서는 침식이 진행된 반면 SED-2D 모의결과에서는 퇴적이 일어나 모의결과에 큰 차이를 보였다. 이렇듯 두 결과에 큰 차이가 나타난 것이 사실이기는 하나, 전반적인 퇴적 형상을 살펴보았을 때 하상이 낮은 구간에서 많은 퇴적이 일어나고, 하상이 상대적으로 높은 구간에는 퇴적이 적게 발생하는 경향은 SED-2D 모의결과에서도 동일하게 재현되는 것을 알 수 있었다. 이렇듯 수치해석을 통한 하상변동에 대한 해석은 실제 하상 변동량과 비교해보면 다소 차이를 보이긴 하나, 전체적인 하상변동 경향을 살펴볼 수 있다는 점에서 효과적이다.
이렇듯 두 결과에 큰 차이가 나타난 것이 사실이기는 하나, 전반적인 퇴적 형상을 살펴보았을 때 하상이 낮은 구간에서 많은 퇴적이 일어나고, 하상이 상대적으로 높은 구간에는 퇴적이 적게 발생하는 경향은 SED-2D 모의결과에서도 동일하게 재현되는 것을 알 수 있었다. 이렇듯 수치해석을 통한 하상변동에 대한 해석은 실제 하상 변동량과 비교해보면 다소 차이를 보이긴 하나, 전체적인 하상변동 경향을 살펴볼 수 있다는 점에서 효과적이다.

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