1. 서 론
2. 연구 방법
2.1 연구 대상 하천
2.2 수문자료 수집 및 분석
2.2.1 수위계 설치 및 운영
2.2.2 유량 측정
2.3 현장 조사
2.3.1 사진 모니터링
2.3.2 단면 측량
2.3.3 수문 및 기상 자료
3. 결과 및 고찰
3.1 수위-유량 변동 특성
3.2 단면-수위-강우량 그래프에 의한 비교 분석
4. 결 론
1. 서 론
과학자들이 과학적 판단을 하기 위해 어떤 사실 또는 사물의 현상에 대해 모니터링하는 방법은 여러 가지가 있을 수 있다. 특히 시기별로 나누어 보면 어떤 문제에 대한 해결책을 빠르게 판단하기 위해 각종 자료와 유사 사건을 분석해 단기에 해결해야 하는 경우도 있을 수 있다. 반면 자연 현상이나 그 프로세스가 느린 물리화학적 현상들은 시간적 여유가 된다면 단기에 해결책을 제시하기 보다 장기적인 모니터링 방법을 적용할 필요도 있다. 물론 짧은 시간에 빠른 판단이 요구되는 현대 사회에서 한 가지 현상에 대해 장기적인 조사를 수행한다는 것은 어려운 일일 것이다. 하지만 본 연구에서 말하고자 하는 자연현상에 대한 모니터링은 이 프로세스를 천천히 따라가지 않으면 알 수 없는 것들이 너무나 많으며 유사 사례나 단편적인 자료로 채울 수 없는 것들 있다. 이것이 장기 모니터링의 단점이자 장점이다.
본 연구에서는 내성천을 장기적으로 모니터링하여 댐이라는 인공 구조물이 하천의 흐름을 인위적으로 조절함으로 인해 발생하는 하천의 지형 및 식생 변화에 대한 자료를 수집하는데 목적이 있다. 특히 댐 건설로 인한 문제점은 하류 충적하천이 상류에서 유사를 더 이상 공급받지 않게 되고, 댐에 의해 홍수를 조절함에 따라 하천 흐름은 과거 한계소류력 이상에서 하상을 쓸고 내려가는 힘이 줄게 된다고 연구된 바 있다 (Woo et al. 2010). 본 연구에서 관심을 가지고 있는 내성천의 영주댐은 2016년 7월 조절을 위한 담수에 들어가 이전과 다른 수문변화가 예상된다. 댐에 의한 수문학적 특성 변화가 식생 및 하천 경관의 변화에 중요한 원인으로 알려져 있기에 (Williams and Wolman 1984, Johnson 1994) 장기적인 모니터링을 실시하게 되었다. 하지만 당초 예상과는 달리 댐 완공 및 담수가 지연되어 현 시점에서는 댐 건설 전 시기에 대한 모니터링 결과 분석만 가능하다.
따라서 본 연구는 댐에 의한 조절 즉, 영향이 발생하기 이전인 2013년에서 2016년 7월까지 수문, 지형, 식생 모니터링 자료를 분석하는 목적이 있다.
2. 연구 방법
2.1 연구 대상 하천
본 연구의 대상은 내성천으로 낙동강의 제1지류하천이다. 그 유역은 소백산맥 남부의 경북 북부 내륙 지역에 위치하고 있다 (Fig. 1). 내성천 본류는 경북 봉화군 물야면 오전리에서 발원하여 낙화암천, 토일천, 영주서천, 옥계천, 석관천, 한천, 금천을 차례로 합류한 후 경북 예천군 용궁면 향석리에서 낙동강에 합류한다. 유역면적은 1,814.7 km2이며, 법정 유로연장은 108 km이다. 내성천의 본류를 가로막아 건설한 영주댐은 영주시 평은면 용혈리 만곡부에 위치하고 있으며, 유역면적은 496.6 km2이다 (MLTM 2013). 또한 연구 구간인 영주댐 하류는 전구간이 모래하천의 특성을 나타내며, 하상재료의 대표입경 (D50)은 0.92 - 1.63 mm 정도이다 (Lee et al. 2015).
내성천 수문모니터링을 위한 본 연구의 대상 구간은 영주댐으로부터 낙동강 합류점에 이르는 56.8 km 구간이다 (Fig. 1). 또한 그 중에서 수위관측, 유량조사, 사진모니터링, 단면 측량을 통해 식생 모니터링을 실시한 용혈 지점을 선정하여 집중적으로 분석하였다. 용혈 지점은 영주서천의 합류 전에 위치한 곳으로서 영주댐의 영향을 직접적으로 받는 만곡 지점이다.
2.2 수문자료 수집 및 분석
2.2.1 수위계 설치 및 운영
내성천 연구 구간은 56.8 km에 달하는 긴 구간으로서 상하류 수위를 파악하고 침수빈도, 유황 분석 등을 수행하기 위해서는 적절한 수위계 운영이 필요하다. 이에 본류를 따라 설치되어 있는 기존 국토교통부 수위관측소 5개소 이외에 주요 모니터링 지점에 수위계를 설치하고 운영하였다 (KICT 2016). 본 연구에서 사용한 수위계는 독일 OTT 사의 압력식 수위계 (Orpheus Mini)와 기포식 수위계 (Nimbus) 등이다. 수위계의 정밀도는 1 mm 이며, 최대 10 m의 수위를 측정할 수 있다. 하천수위는 10분 간격으로, 지하수위는 30분 또는 1시간 간격으로 측정하였다. 중요한 측정 지점에는 2대의 수위계를 동시에 운영하였다.
2016년 12월 현재 본 연구를 위한 수위계는 총 5개소에 설치되어 있다. Fig. 2는 참조 수위계로 이용하는 국토교통부 소속 수위계를 포함한 모든 수위계 설치 지점을 나타내며, Table 1은 내성천 본류에 설치된 수위계 현황을 보여준다. 또한 Fig. 3은 본 연구를 위해 설치한 5개소 수위계 그래프를 도시하여 보았다. 5개소의 수위관측지점 중에서 가장 중요한 것은 댐 하류의 수위-유량 관계를 수립하기 위한 용혈지점 수위계이다. 용혈지점 수위 관측은 2014 - 2015년 동절기를 제외하면 중단 없이 기록되었다. 향후에도 댐 운영에 대한 영향을 판단하기 위한 중요한 관측 지점으로 지속적으로 관리할 것이다. 또한, 회룡, 수도리 지점의 경우 사주의 식생 피복 현상과 관련해서도 중요한데, 중단 없이 운영되어야 하지만, 수위계 고장 및 파손 등으로 장기간 결측이 발생하였다. 이에 본 연구에서는 주요 관심 지점을 용혈지점으로 선정하고 수문 현장에 따른 지형 및 식생변화 분석을 실시하였다.
2.2.2 유량 측정
영주댐 하류에 대한 유량측정은 2013년부터 2016년까지 지속적으로 실시하였다. 다양한 유량대에서 측정을 수행하였으며 용혈 지점의 수위 및 하상 저하 등을 고려하여 실시하였다. 유량 측정 결과는 매년 수위-유량관계를 결정하는데 중요한 인자가 되므로 정밀한 측정을 실시하였다. Table 2에서는 2016년 8월까지 총 28회의 누적 유량 측정 성과를 상세하게 나타내고 있다. 측정 유량 범위는 0.9 - 183.1 m3/s이다. 또한 불확실도는 2.7 - 3.5%의 범위에 있다. 댐 운영에 따른 수위 – 유량 관계를 결정하기 위해 2015년까지는 미림교 혹은 댐 직하류에서 유량측정을 실시하여 왔으나 2015년 말 미림교 - 서천 합류점 구간의 하천 제방 공사로 인해 미림 지점의 수위계를 철거하고 용혈 사주에서만 유량 측정을 수행하였다.
Table 2. Discharge measurements used in this study.
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1Year-month-day 2Hour-minute-second 3Acoustic Doppler current profiler | |
2.3 현장 조사
2.3.1 사진 모니터링
현장 사진에 의한 모니터링은 댐 담수 전후로 실제 하천의 변화를 가시적으로 보여줄 수 있으므로 중요한 자료가 된다. 이러한 필요성에 따라 본 연구에서는 내성천에서 현재 식생이 이입되지 않은 지점과 이입된 지점을 포함하여 보다 많은 지점을 대상으로 주기적으로 사진을 촬영하여 비교 분석하였다. 2016년까지 총 13개 지점에 대해 매년 5 - 6회의 촬영 자료를 확보하였다.
2.3.2 단면 측량
단면 측량은 식생의 활착 위치와 수위와의 관계를 보기 위해 총 10개 지점에서 수행하였으며 구간의 5개 단면에서 댐 하류의 영향을 보기 위해 집중적인 측량을 수행하였으나 2015년부터 이 구간에 시행된 하천 공사로 인해 해당 구간에 있는 3개 단면에서는 2016년에는 측량을 수행하지 않았다. 서천 합류점부터 회룡까지의 7개 단면에서는 매년 1 - 3회 측량을 수행하였다. 이렇게 얻은 자료는 지형 변화, 하상고 변동 등을 분석하는데 사용하였다. 본 연구의 관심 지점인 용혈 지점은 2013년 3회, 2014년 1회, 2015년 1회 및 2016년 2회의 성과를 확보하였다.
2.3.3 수문 및 기상 자료
본 연구에서 모니터링을 위해 설치한 수위계 이외 국토부 5개 지점의 수위계 자료도 수집하여 본 연구에서 관측한 수위와 유량 자료에 대한 검증도 실시하였다 (Table 1).
연구대상 기간인 2013년부터 2016년까지 연도별 강우량은 별도 관측기기를 설치하지 않은 관계로 Table 3과 같이 인근 기상청 소속 영주, 문경, 봉화 관측소 일자료를 활용하여 홍수사상이 발생하였을 때 상관관계를 분석하였다. 3개 기상관측소의 자료를 보면 2015년은 다른 해와 달리 연강수량 1,000 mm에 못 미치는 강수량을 기록하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 수위-유량 변동 특성
용혈 지점은 댐의 조절 영향을 가장 뚜렷하게 받는 지점으로 내성천 수문 모니터링 기간 중 가장 관심 받는 지점이다. 본 지점에서 수문모니터링 결과에 따른 사주의 식생 변화 관측은 댐 조절이 본격적으로 지속되는 2017년 이후 모니터링도 계속될 예정이다.
유량 측정 결과를 이용한 수위-유량 관계 수립은 댐 건설 전 유량자료 확보를 위한 개념으로 수행되었으며 2013년 - 2016년에 수위 - 유량 관계 곡선을 Fig. 4와 같이 용혈지점에 대해 개발하였다. 또한 지속적인 모니터링 지점 운영으로 수위-유량 관계를 수립함으로 하상 저하에 의한 수위 변화를 모니터링할 수 있었다.
용혈지점에서 개발된 수위-유량관계 곡선을 이용하여 Fig. 5와 같이 연도별 유량 곡선을 작성할 수 있었다. 2013년은 5월부터 발생한 홍수사상이 9월까지 주기적으로 지속되었고 첨두 홍수는 6월 19일에 151.53 m3/s를 기록하였다. 2014년의 경우 전반기인 7월 이전에 이렇다 할 홍수 사상이 없었으나 8월 21일에 138.76 m3/s의 첨두 홍수를 기록한 이후 2차례의 홍수 사상이 발생하였다. 2015년의 경우 앞서 강수량자료에서 살펴 보았듯이 기록적인 갈수 상태가 지속되었으며 6월 27일에 첨두 유량 10.16 m3/s를 기록하였다. 2016년은 모니터링 기간 4년 가운데 가장 큰 첨두 홍수량인 271.31 m3/s (7월 7일)을 기록하였으며 이후 7월 중순부터 영주댐에 의한 담수가 이루어졌다.
용혈지점의 연도별 유량 곡선의 검증을 위해 국토부 관할 조제와 향석 수위관측소의 수위자료를 이용하여 유량 검증을 실시하였다. Table 4와 같이 상류 용혈 지점에서 영주서천 합류 후 지점인 조제와 낙동강 합류 전 지점인 향석에서의 환산 유량을 검증한 결과 용혈지점의 유량이 타당한 것으로 판단된다.
3.2 단면-수위-강우량 그래프에 의한 비교 분석
관심지점인 용혈지점의 단면 변화와 연도별 수위 변화를 Fig. 6과와 같이 비교하여 도시해 보면 홍수위와 식생 활착/매립 또는 제거 관계의 연관성을 파악할 수 있으며 Fig. 7과 같이 각 연도별 모니터링한 사진에 명확하게 홍수 전후 식생 상황을 알 수 있다. 또한 Fig. 6에서 보듯이 용혈지점과 가까운 영주 기상관측소의 강수량 자료를 활용하여 홍수 사상에 대한 상관성도 살펴볼 수 있었다. 영주관측소의 연도별 연강수량은 앞서 Table 3에서 알 수 있듯이 2013년 1,181.4 mm, 2014년 1,156.4 mm, 2015년 768.7 mm 및 2016년 1,261.6 mm이었다. 이 결과에서 알 수 있듯이 2015년은 다른 3개년에 비해 월등히 강수량이 적다. 이러한 현상은 2015년 당시 식생 활착에 많은 기여를 한 것으로 판단된다. 연도별 주요 특징을 살펴보면 다음과 같다.
2013년은 관심지점인 용혈 사주에 식생이 이입되지 않은 시기이며 첨두 홍수량을 기록한 6월말을 전후로 4회 정도의 사주가 완전히 잠길 수 있는 홍수 사상이 발생하였다. 이로 인해 식생이 이입이 전혀 이루어지지 않았다. 첨두 홍수량이 발생한 6월 29일에 용혈 지점의 사주를 통과한 흐름의 평균 유속은 1.46 m/s로 계산된다.
2014년의 경우 8월 홍수 사상이 발생하기 전에 홍수사상이 없었는데 7월 11일 사진 모니터링 결과에서 보듯이 이례적으로 매우 밀집한 식생 활착을 보이고 있다. 8월 21일 첨두 홍수가 지나간 후 9월 16일 사진에서 보듯이 식생이 일부 매립된 것을 확인할 수 있다. 이후 2회의 홍수 사상에 의해 11월 7일 사진에서 확인할 수 있듯이 식생이 많이 매립된 것을 볼 수 있다. 이는 식생에 의한 조도 상승으로 인해 퇴적이 유도된 것으로 판단된다 (Hickin 1984). 결과적으로 2014년은 6월 이전의 홍수 결여가 초기 식생의 밀집한 생육에 큰 영향을 미친다는 것을 확인시켜 준다.
2015년은 특이하게 사주 위를 덮는 홍수사상이 발생하지 않은 해로 첨두 유량이 10.16 m3/s를 기록했다. 따라서 2014년 이후 사주 위 잔류하던 식생은 번성을 거듭하여 사진 모니터링 자료에서 알 수 있듯이 2015년 한해 동안 용혈 사주를 뒤덮은 것으로 판단된다. 또한 식생의 뿌리 부분이 지하수위에 닿아 수분 공급이 충분했던 것으로 판단된다.
2016년은 7월 홍수로 인해 용혈 단면의 심각한 변화를 가져 왔다. 첨두 유량 271.31 m3/s를 기록할 정도로 모니터링 기간 내 최대 유량을 기록하였다. 사주 위 번성하던 식생은 7월 14일 사진에서 사주 끝부분을 제외하고 완전히 매립되거나 제거된 것을 확인할 수 있었다. 이는 식생이 활착되어 있던 사주 부분이 홍수에 의해 유실되고 식생은 제거되거나 모래에 덮인 것으로 확인되었다.
주요 홍수사상에 대해 하상재료 (D)인 모래의 이동성을 판단하기 위해 첨두 홍수가 발생할 시기의 소류력 (
)을 계산해 보았다. 이에 무차원 소류력 (
)은 Eq. 1에 의해 계산하였다.
(Eq. 1)
여기서 
는 하상재료인 모래의 밀도, 
는 물의 밀도이고 g는 중력가속도이다.
주요 홍수사상에 대한 시기별 무차원 소류력의 계산 결과는 Fig. 8에 제시하였으며, 하상재료인 모래의 임계 전단응력이 0.06임을 감안하면 (Choi et al. 2005, Woo et al. 2014) 2015년 발생한 첨두 유량을 제외한 2013년, 2014년과 2016년 첨두 홍수량에서 10배 이상의 높은 소류력이 발생하였다. 특히 2013년의 계산 결과의 경우 임계 전단응력의 16배에 해당하는 소류력으로 모래를 이동시켜 식생 매립에 기여하였다고 판단된다.
4. 결 론
본 연구 분석 결과에 의해 사주 위의 식생은 2013년 5월부터 지속된 홍수사상에 의해 식생 이입이 이루어지지 않았고, 2014년 6, 7월 사주 위를 월류하는 홍수가 없을 때 식생 이입에 의한 활착이 이루어졌다. 8월 이후 홍수에 의해 식생 조도에 의한 퇴적 유도로 식생이 모래에 의해 매립이 되었으나 2014년 후반기까지 부분 매립에 그쳤다. 이후 식생은 2015년에 왕성하게 활착하게 되는데 2015년은 기상현상으로도 특이하게 연강우량이 769 mm로 용혈지점을 통과하는 연간 첨두 유량이 10.16 m3/s이었고 한해 동안 식생이 활착한 사주 위를 한번도 월류하지 않았다. 2015년 이래 활착한 식생은 2016년에도 이어졌으나 7월초 내성천 모니터링 기간 이래 최고의 유량인 271.31 m3/s를 기록하여 많은 지형 변화와 식생 제거 혹은 매립이 발생하였다. 이러한 식생 변화 과정은 내성천 모니터링 기간 이전에도 유사한 양상으로 발견되었다. 2013년부터 2016년까지 4년 동안 댐 담수 이전의 수문 모니터링 분석 결과를 제시하였으며 이는 장기적인 수문모니터링의 장점을 반영한 결과이다.
