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Original Article

Ecology and Resilient Infrastructure. 31 December 2021. 179-193
https://doi.org/10.17820/eri.2021.8.4.179

Determination of Stream Reach for River Environment Assessment System Using Satellite Image

위성영상을 활용한 하천환경 평가 세구간 설정
Woochul Kang1*
,
Hun Choe2
,
Eun-kyung Jang3
,
Dongwoo Ko4
,
Joongu Kang5
,
Hongkoo Yeo6
강 우철1*
,
최 훈2
,
장 은경3
,
고 동우4
,
강 준구5
,
여 홍구6
1Research Specialist, Department of Hydro Science and Engineering Research, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology, Goyang 10223, Korea
2Master, Department of Social Studies Education, Chonnam National University, Guangju 61186, Korea
3Research specialist, Department of Hydro Science and Engineering Research, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology, Goyang 10223, Korea
4Research Professor, Department of Civil Engineering, Kyungsung University, Busan 48434, Korea
5Research Fellow, Department of Hydro Science and Engineering Research, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology, Goyang 10223, Korea
6Senior Research Fellow, Department of Hydro Science and Engineering Research, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology, Goyang 10223, Korea
1한국건설기술연구원 전임연구원
2전남대학교 사회교육학과 석사
3한국건설기술연구원 전임연구원
4경성대학교 연구교수
5한국건설기술연구원 연구위원
6한국건설기술연구원 선임연구위원
*Corresponding Author

ABSTRACT

This study examines the use of satellite images for river classification and determination of stream reach, which is the first priority in the river environment assessment system. In the river environment assessment system used in South Korea, it is proposed to set a stream reach by using 10 or 25 times the width of the river based on the result of river classification. First, river classification for the main stream section of Cheongmi stream was performed using various river-related data. The maximum likelihood method was applied for land cover classification. In this study, Sentinel-2 satellite imagery, which is an open data technology with a resolution of 10 m, was used. A total of four satellite images from 2018 was used to consider various flow conditions: February 2 (daily discharge = 2.39 m3/s), May 23 (daily discharge = 15.51 m3/s), June 2 (daily discharge = 3.88 m3/s), and July 7 (daily discharge = 33.61 m3/s). The river widths were estimated from the result of land cover classification to determine stream reach. The results of the assessment reach classification were evaluated using indicators of stream physical environments, including pool diversity, channel sinuosity, and river crossing shape and structure. It is concluded that appropriate flow conditions need to be considered when using satellite images to set up assessment segments for the river environment assessment system.

Keywords
Land cover classification
River environment assessment system
Satellite image
Stream reach for assessment system
Stream classification

본 연구에서는 하천환경 평가체계에서 가장 우선적으로 이루어지는 하천 유형화 및 세구간 설정 작업을 위해 위성영상의 활용방안을 검토하였다. 국내 하천 환경 평가체계의 경우 하천 유형화 결과에 따라 저수로 폭의 10배 또는 20배를 기준으로 평가 세구간을 설정하기를 제안한다. 연구수행을 위해 청미천 본류를 대상으로 하천 관련 기본자료들을 이용하여 하천 유형화작업을 수행하였으며, 이후 위성영상에 최적분류법을 적용하여 토지피복분류를 수행하였다. 위성영상의 경우 10 m 해상도의 개방형 자료인 Sentiel-2를 이용하였으며, 다양한 유량 조건을 고려하기위해 총 4개의 위성영상자료를 이용하였다: 2018년 2월 2일 (일유량 = 2.39 m3/s), 5월 23일 (일유량 = 15.51 m3/s), 6월 2일 (일유량 = 3.88 m3/s), 7월 7일 (일유량 = 33.61 m3/s). 토지피복분류 결과로부터 저수로 폭을 획득하였으며, 결과를 통해 하천환경평가를 위한 세구간을 설정하였다. 세구간 설정 결과는 하천 환경 물리적 지표 중 소의 다양성, 사행도, 하천횡단 형상, 하천횡단구조물에 대한 평가를 통해 검토되었다. 본 연구를 통해 하천환경 평가시스템을 위한 세구간 설정에 위성영상을 활용하는 경우 유량 조건에 대한 충분한 고려가 필요할 것으로 판단된다.

키워드
토지피복분류
하천환경 평가시스템
위성영상
하천환경평가 세구간
하천 유형화

MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 연구 방법

  •   2.1 대상지역 및 자료수집

  •   2.2 하천 분류 및 하천환경평가를 위한 세구간 설정

  •   2.3 하천환경 평가 지표 및 방법

  • 3. 결 과

  •   3.1 하천 유형화 결과

  •   3.2 토지피복분류 결과 및 세구간 분류

  • 4. 고 찰

  • 5. 결 론

1. 서 론

전 세계적으로 하천에 대한 인식이 변화함에 따라 하천 관리의 개념이 단순한 이･치수 기능과 생태 환경적 가치까지 동시에 고려하는 생태계의 물리적 서식 공간으로 재인식되었다. 이에 따라 하천관리 측면에서 하천구역에 대한 정의 역시 수역뿐만 아니라 하상구조, 유로형태, 범람원, 제방, 식생, 수변통로 및 육상동물로 등으로 구성된 육상 역을 포함한 다양한 생물들의 서식처로 확대되었다 (Lotspeich and Platts 1982, Simpson and Norris 2000, Kamp et al. 2007, Woo 2017). 또한, 하천마다 서로 다른 특성을 가지기 때문에 다양한 유형의 하천환경이 존재하며, 이러한 유형의 다양성은 생태계의 구성 및 먹이 수준 등에 직접적인 영향을 미친다 (Rabeni and Minshall 1977, Charlton 2008). 국내의 경우에도 하천관리에 대한 패러다임이 자연 친화적인 방식으로 변화함에 따라, 국내 하천의 특성들을 고려한 표준화된 하천환경 평가체계가 개발되었다 (Chun et al. 2014, Chun et al. 2015). 다양한 선행연구를 통해 제안된 하천환경 평가체계는 목적, 적용범위, 하천 유형화 및 평가 단위 설정, 평가지표 및 평가방법, 하천환경 자연도 산정, 지구지정 기준으로 구성된다. 이 중에서도 하천 유형화 및 세구간 설정은 최우선적으로 이루어져야 하는 작업이며, 작업 결과는 평가 지표와 기준의 객관성을 검증을 위한 기본적인 근거로 매우 중요하다 할 수 있다.

하천 유형화에 대한 연구는 정량적, 정성적 분석을 통해 하천의 유형을 구별하기 위한 과정이며, 침식･윤회 관점으로 하천을 구분 및 분석하는 연구가 선행되었다 (Davis 1899, Kang et al. 2019, Kang et al. 2021). 특히, 지형학적인 관점에서 하천 평면 형태의 변화 원인을 분석하는 연구가 주로 이루어졌으며, 유량과 하도 경사의 곱인 하천 유수력은 하천의 연속성과 하도의 평면 형태에 지배적인 영향을 미치는 것을 규명하였다 (Lane 1957, Leopold and Wolman 1957, Ferguson 1987). 또한, 이를 토대로 하천의 공학적인 설계 및 관리를 목적으로 하는 다양한 하천분류체계가 개발되었다 (Yamamoto 1988, Montgomery and Buffington 1993, Rosgen 1996). 대표적인 하천분류체계 Rosgen (1996) 분류법의 경우 미국, 캐나다 등의 419개의 하천에 대한 분석결과를 토대로 개발되었다. 해당 분류체계는 하곡의 자연지리환경을 고려하여 11개의 유형으로 구분하며, 사행도, 하상재료, 하폭수심비, 굴입비등 41개군으로 하천을 분류한다. Mongomery와 Buffington (1993)이 개발한 미북서태평양 하천분류체계의 경우 Schumm의 하천분류를 (붕적하천, 충적하천, 암반하천) 기준으로 8개 군으로 분류한다. 이찬주 등 (2004)은 국내 하천에 직접 적용하기 위해 지형인자들을 이용하는 하천분류체계를 개발하였다. 해당 분류체계는 곡저폭지수, 사행도, 하상재료를 고려하여 전체 24개의 유형으로 구분하고, 하천 유형별 하곡지형, 하상지형, 유수의 지형형성작용 및 교란 요소를 제안하였다. 최근에는 기존의 하천분류체계를 기반으로 하천환경의 보전과 관리를 위해 자연 친화적인 하천환경 평가체계가 구축되었으며, 하천형성과정을 반영하고 환경 변화를 예측하기 위해 지속적인 연구가 수행되고 있다 (Frissell et al. 1986, Kondolf and Piegay 2003, Parsons et al. 2003, Kamp et al. 2007, Weiß et al. 2007). 하천환경 평가체계에서는 하천환경 평가 결과의 정교함을 위해 하천 유형화 결과를 토대로 하천 세구간 (Stream reach) 단위 설정을 제안한다. 하천환경 평가를 위한 세구간 설정 방법의 경우 국가마다 환경의 차이가 있기 때문에 공통된 기준은 없지만, 세구간의 경사와 물리적인 하천 형태의 일관성은 유지되어야 한다. 또한, 세구간 설정은 계층 공간적 위계를 반영할 수 있도록 하천 규모도 함께 고려한 다중 척도의 하천환경 유형화 및 평가 단위 설정이 요구 된다 (Kondolf and Piegay 2003).

최근 GIS/RS기술이 발전함에 따라 하천관리 분야에서도 해당 기술의 개발과 활용이 활발하게 이루어지고 있다. 특히, 위성영상의 경우 주기성, 경제성, 광역성, 접근성에서 장점이 있어 홍수, 태풍, 가뭄 등의 수재해 관측과 다양한 수문 인자를 분석하는 연구에 자주 이용된다. 하지만, 변화된 하천 패러다임인 자연 친화적인 하천관리와 하천환경 평가시스템에서 위성영상이 직접적으로 활용된 사례는 찾아보기 어렵다. 본 연구에서는 하천 유형화 및 세구간 설정 작업을 위하여 다양한 유량 조건의 위성영상을 대상으로 토지피복분석을 수행하였으며, 설정된 하천 세구간을 대상으로 일부 물리적 하천환경 지표에 대한 평가를 수행하여 위성영상의 활용 가능성을 검토하였다.

2. 연구 방법

2.1 대상지역 및 자료수집

본 연구에서는 청미천의 응천 합류부부터 한강 합류부까지 약 27 km 구간을 대상지역으로 설정하였다. 청미천의 유역 면적은 595.1 km2, 유로 연장은 60.7 km, 연평균 강우량은 1,328 mm이며, 중･대규모 도시･완경사하천에 해당한다. 해당 구간은 비교적 낮은 산지로 이루어져 있고 남한강에 직접 유입되는 지천에는 비교적 넓은 퇴적 평야가 발달하여 있다. 하천 하상의 경우 대부분 모래이며 일부 자갈 하천으로 구성되어 있다. 국가하천으로 분류되어 관리 중인 청미천 본류에는 장호원교, 원부교, 삽합교 3개 지점에 유량관측소가 있다 (Fig. 1). 본 연구에서 2018년을 대상 시기로 설정하였으며, 2018년 원부교 지점의 일유량은 Fig. 2와 같다. 해당 지점의 2018년 기준 갈수량 (355day), 저수량 (275day), 평수량 (185day), 풍수량 (95day)은 각각 1.56 m3/s, 2.39 m3/s, 4.33 m3/s, 6.61 m3/s이다.

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Fig. 1

Study site.

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Fig. 2

Daily discharge at Wonbu bridge (2018).

위성영상의 경우 유럽연합 코페르니쿠스 지구 관측 프로그램의 일환으로 개발된 Sentinel-2를 이용하였다. 해당 위성은 폭넓은 다중 스펙트럼 이미지 처리가 가능하며, 완전 개방형 데이터로써 Copernicus open access hub를 통해 자료를 얻을 수 있다. 해당 위성의 경우 5일마다 지구 표면의 각 지점을 재방문하며, 본 연구에서는 방사, 기하, 정사 보정 및 공간 정합까지 포함이 된 상태인 Sentinel-2 L1C (Level–1C) 자료를 이용하였다. 기상 및 유량 조건을 고려하여 위성영상을 수집하였으며, 총 4개 위성영상의 날짜와 일유량은 다음과 같다: 1) 2월 2일 (일유량=2.39 m3/s, Case 1), 2) 5월 23일 (일유량=15.51 m3/s, Case 2), 3) 6월 2일 (일유량=3.88 m3/s, Case 3), 4) 7월 7일 (일유량=33.61 m3/s, Case 4). Case별 유량 조건을 분석하기 위해 2005년부터 2019년까지 원부교 일유량 자료와 Weibull plotting position formula를 이용하여 flow discharge curve를 제시하였으며, 재현기간 (Average recurrence interval, T)과 발생확률 (Probability of occurrence, P)을 계산하였다 (Fig. 3).

(Eq. 1)
T=(N+1)/m
(Eq. 2)
P=1/T

https://static.apub.kr/journalsite/sites/kseie/2021-008-04/N0190080402/images/kseie_08_04_02_F3.jpg
Fig. 3

Flow discharge curve at Wonbu bridge (2005∼2019).

여기서 N은 기록된 자료의 수, m은 1부터 크기 순으로 배열한 값이다.

토지피복분류의 경우 가장 일반적이며 정확한 분류 방법인 최적분류법 (Maximum likelihood Classification)을 이용하였다. 해당 방법의 경우 감독분류방법중 하나로 각 밴드별 화소가 기본적으로 정규분포의 형태를 따른다는 가정 하에 통계적인 확률 분포에 따라 피복 분류를 수행하는 방법이다. 즉, 각 픽셀의 확률분포를 정규분포로 가정하고 해당 항목의 파라미터를 훈련데이터의 평균 벡터와 공분산행렬에서 추정한다. 본 연구에서는 ENVI (v.5.5)와 Arc-map (v.10.8)을 이용하여 토지피복분류 및 세구간 설정 작업을 수행하였다.

2.2 하천 분류 및 하천환경평가를 위한 세구간 설정

국내･외 하천환경 평가체계에서는 하천환경 평가결과의 정교함을 위해 하천 세구간 (Stream reach)단위의 구분을 제안하며 다양한 하천환경 평가체계에서 제안된 세구간 설정 방법은 Table 1과 같다. 각 평가체계는 해당 국가의 하천환경 차이때문에 다른 기준들을 제시하지만, 하폭 또는 저수로 폭을 기준으로 세구간을 설정하는 방법이 가장 일반적이다. 미국 USDA의 시각적 생태환경평가법의 경우 하천 세구간을 결정하기 위해 만제유량 폭 (Bankfull channel width)을 이용하였다. 만제유량 폭은 만제유량 (Bankfull discharge)시 하천의 폭을 의미하며, 만제유량은 하천이 실제 홍수터 (Active floodplain)를 채우는 유량이다. 만제유량 폭의 판단 기준에는 제방 경사의 변화, 입자 크기의 변화, 식생의 변화, 뿌리 노출이 발생하는 지점 등이 있으며, 일반적으로 매 1.5년에서 2년을 주기로 발생한다. 확률도시분석 방법에 의해 제시된 원부교 만제유량은 약 2.5 - 4.2 m3/s에 해당하였으며 Case 3의 경우가 만제유량 조건에 해당하였다.

Table 1.

Classification methods of assessment reach for river environment assessment (Revised after MOLIT 2019)

Nation Criteria Classification of reach
Germany river width ≦ 1 m
1 m < river width ≦ 5 m
5 m < river width ≦ 10 m
10 m < river width 		50m (river width × 50)
100m (river width × 20)
200m (river width × 20)
500m (river width × 50)
U.S Biological sampling segment 100m (river width × 40)
Frequency of riffles
channel sinuosity 		river width × 5-25
Channel width river width × 12
Riffle/run-Flide/pool sequence Distance between Riffle/run or Glide/pool
One complete meander wave length mean wetted channel width × 20
wadeable stream: 150 m or 300 m
non-wadeable stream: 500 or 1,000 m
Australia Low water channel width
channel width at bankfull discharge 		low water channel × 50
(>150 m)
England within the whole 500 m site 500 m (10 point × 50)
Korea Segment M Frequency of riffle/pool (1:4~1:10)
river width × 10
Segment 1 Frequency of riffle (1:5~1:25)
river width × 25
Segment 2,3 when maximum sinuosity is 3~4
reach for sinuosity 4
Frequency of riffle (1:5~1:25), river width × 25

한국형 하천환경 평가 및 진단체계 (Chun, 2016)의 경우 하도경사 (S)를 기준으로 하천구간 (Segment)을 급경사 (S>1/60), 중경사 (1/60>S>1/400), 완경사 하천 (1/400>S>1/1500)으로 구분한다 (Table 2). 해당 분류법은 일본의 Yamamoto (1988)에 의해 제시된 방법으로 김기흥 등 (2015)은 남강, 내성천에 적용해본 결과, 국내 하도 특성 분류에 적합하다고 평가하였다. 또한, 해당 하천환경 평가체계에서는 하천 세구간 설정을 위해 스텝-풀 (step-pool) 또는 소-여울의 출현 빈도나 저수로 폭을 이용하기를 제안한다. 급경사 하천의 경우 스텝은 저수로 폭의 0.6 - 4배 간격으로 형성되는 특성을 이용하여 저수로 폭의 10배 기준으로 제안하였으며, 중경사 및 완경사의 경우 여울간의 거리가 저수로 폭의 약 5 - 7배의 간격으로 형성된다는 특성을 이용하여 저수로 폭의 25배로 설정하였다 (Montgomery and Buffington 1993, Montgomery and Buffington 1997, Kim 2010, Kim and Jung 2018). 소와 여울의 경우 하천의 생태학적인 측면에서 연구가 주로 진행되었지만, 물리적인 구조나 수리학적인 특성에 대한 연구는 미흡한 편이며, 스텝-풀의 경우 큰 유량에 의해 형성되기 때문에 대부분의 선행 연구는 실험실에서 수행 되었다 (Ashida et al. 1985, Fujita and Ikeda 1996, Kim et al. 2015, Choi et al. 2020). 이러한 이유로 하천에서 직접적인 소-여울 또는 스텝-풀의 객관적인 구분이 쉽지 않으며, 정확한 구분을 위해서는 현장 조사를 필요로 한다. 본 연구에서는 상대적으로 쉽게 이용될 수 있는 저수로 폭 (하폭)을 이용하여 하천환경 평가를 위한 하천 세구간 분류를 수행하였다. 국내 하천환경 평가체계가 제시하는 완경사 구간 (Segment 2)의 세구간 설정방법은 저수로 폭 25배 기준과 아래 식을 이용한다.

(Eq. 3-1)
xi=yi-y(i-1)(i>0)
(Eq. 3-2)
wi=b(i-1)+bi⁄2
(Eq. 3-3)
RLi=(∑(wi×xi)⁄yi

여기서 i는 측점, xi는 측점간 거리, yi는 측점 누가 거리, wi는 평균 저수로 폭, bi는 측점별 저수로 폭, RLi는 yi지점까지의 평균 저수로 폭이다. 최종적으로 세구간 거리산정을 위한 측점은 RLi×25<yi경우 i의 최소값을 이용한다.

Table 2.

Classification of river segment for river environment assessment (Yamamoto 1988)

Category Segment M Segment 1 Segment 2 Segment 3
2-1 2-2
Morphological type Mountainous Region Alluvial fan
Valley plain
Natural bank
Delta
Representative
grain size 		Variety > 2 cm 1~30 cm 0.03~1 cm < 0.3 mm
channel slope > 1/60 1/60~1/400 1/400~1/5000 1/5000~level
Sinuosity Variable A few
longitudinally 		Meanders are frequently, but
channel width/depth is greater
where there are S-shape
meanders 		Various
Mean depth in
channel 		Variable 0.5~3 m 2~8 m 3~8 m

2.3 하천환경 평가 지표 및 방법

국내 하천환경 평가체계의 평가지표는 지형지질, 수리수문, 생물서식환경, 인문사회적 특성을 종합적으로 고려하기 위해 물리, 생물, 수질, 친수 4개의 분야로 구성되며, 평가등급의 경우 4개 분야에 대해 각 5등급 수준으로 평가한다. 본 연구에서 주로 다루는 물리 평가 지표 항목은 수리 및 하도영역 6개 항목, 하안영역 2개 항목, 하천교란영역 2개 항목으로 구성되며, 평가지표별로 점수화(1-20) 이후 5단계로 구분하여 평가등급을 적용한다. 하도 및 수리 영역은 생태적 기반의 고유성과 다양성에 대한 물리적 구조를 평가한다. 또한, 하안영역은 횡단형상과 하안의 안정도에 대한 평가가 이루어지며, 하천교란영역은 하천의 교란정도에 대한 평가를 수행한다. 본 연구의 주 목적은 하천 유형화 및 세구간 설정을 위한 위성영상의 적용가능성 검토인 점을 고려하여, 하천 환경 물리적 지표 중 비교적 간단히 평가가 가능한 소의 다양성, 사행도, 하천횡단 형상, 하천횡단구조물 지표에 대한 결과만을 이용하여 세구간 설정 결과에 대한 검토가 이루어졌다. 따라서, 본 연구에서는 평가가 이루어진 지표들에 관해서만 소개를 하였으며 추가적인 지표들에 대한 정보는 하천환경 평가체계와 관련된 다양한 연구들을 통해 확인 가능하다 (Chun et al. 2014, Kim et al. 2015, Chun et al. 2015).

완경사 하천에서 소의 다양성은 서식지의 다양성에 관한 중요한 특징으로 하천 수면의 폭포, 여울, 보에 의한 교란 범위를 의미한다. 완경사 하천의 경우, 소를 하천 단면의 1/2기준으로 폭을 큼-작음, 1 m의 수심을 기준으로 깊음과 얕음으로 구분하여 4가지 조합을 이용하여 하천 서식처의 다양성을 평가한다. 사행의 경우 홍수의 결과로 형성되며, 큰 만곡도는 경우 어류 및 무척추 동물에게 서식지와 피난처를 제공하고 만곡에 의한 에너지 흡수는 침식과 홍수로부터 하천을 보호한다. 평가의 경우 하천 사행도의 경우 1-1.25, 1.25-1.5, 1.5-1.75, 1.75-2, 2이상 5등급으로 구분된다. 하안영역의 하천단면형상은 하천에서 생태통로의 횡적 연속성을 평가하는 지표이며, 자연횡단형상, 인위적 횡단형상의 구성비를 이용하여 평가를 수행한다. 하천 교란 영역의 하천횡단구조물 지표는 하도 지형의 물리적 생태적 장애물을 의미하며, 해당 지표는 종단적 연속성 관한 평가 결과를 제공한다. 지표 평가의 경우 수리적 연속성을 고려하기 위해 구조물의 수, 높이, 출현빈도를 이용한다.

3. 결 과

3.1 하천 유형화 결과

본 연구에서는 하천 평가를 위한 세구간 선정 작업을 위해 대상 하천의 하천 분류 및 유형화 결과를 먼저 검토하였다. 대상 구간의 하상 경사는 1/800-1/2,000이며 곡저폭 지수의 경우 15-100정도로 나타났다. 하천 구간 분류에 이용되는 하상 재료의 입도 분포는 측정 시기와 장소에 따라 큰 차이가 발생하기 때문에, 기존에 조사된 자료인 이찬주 등 (2004), 청미천 하천정비기본계획 (2012), 2021년에 직접 조사한 자료를 비교하였다 (Table 3). 2004년 자료의 경우 자료의 수가 제한적이라 직접적인 비교가 힘들며, 2012년 자료와 2021년 자료를 비교한 결과 일부 자갈 하천 지역에서는 큰 차이를 보였지만, 모래 하천 지역에서는 큰 차이를 보이지 않았다. 통일분류법 (USCS) 적용 결과 청미천 본류의 경우 대부분 모래하천으로 분류되는 점을 고려하여, 본 연구에서는 가장 많은 자료가 이용 가능한 2012년 입도분포 분석 결과를 평가에 활용하였다 (Fig. 4). 하상 재료의 크기를 고려하면 Rogen 분류법의 적용 결과 청미천은 하상 재료에 따라 C4 (자갈) 또는 C5 (모래)하천으로 분류 된다. 또한, 국내 하천 환경 평가기준에 이용되는 Yamamoto 분류법 적용 결과 완경사 하천 (Segment 2)으로 분류 된다. 추가적으로 하상 재료가 조사된 구간을 대상으로 Buffingtong and Mongomery (2013)의 충적하천의 지배적인 프로세스 유형별 하도경사와 만제유량의 하폭수심비의 관계를 제시하였다 (Fig. 5). 청미천 본류는 적절한 사행도와 곡저폭 지수를 가진 단일수로 (Single thread channel), 사구-연흔 (dune-ripple, dr)하상 또는 망상하천 프로세스 (braiding, bd)의 하천 유형으로 분류되었다. 분류 결과 대부분 구간이 상대적으로 하폭-수심비가 넓고 유사의 이송의 경우 모래가 지배적인 일관적인 특성을 보여주었다.

Table 3.

Bed material size for Cheongmi stream

No. d50
(2004) 		d50
(2012) 		d50
(2021) 		No. d50
(2004) 		d50
(2012) 		d50
(2021)
(mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm)
NO.1 1.13 6.45 1.25 NO.16 2.35 1.24 0.67
NO.2 16.84 4.22 NO.19 17.29 6.07
NO.2+800 1.89 1.41 NO.20 4.92 4.1 0.99
NO.5 2.53 1.37 NO.21 1.48 0.8
NO.6 18.7 4.33 NO.22+800 0.88 0.22
NO.10 1.18 0.98 1.81 NO.24 5.49 1.56
NO.14+200 1.27 1.05 0.51

https://static.apub.kr/journalsite/sites/kseie/2021-008-04/N0190080402/images/kseie_08_04_02_F4.jpg
Fig. 4

Bed material size of specific location at cheongmi stream in 2012.

https://static.apub.kr/journalsite/sites/kseie/2021-008-04/N0190080402/images/kseie_08_04_02_F5.jpg
Fig. 5

Comparison of typical channel slopes and bankfull width-to-depth ratios. Values for Rosgen C stream types and Montgomery and Buffington (1997) stream type are pool-riffle (pr), braided (bd), and dune-ripple (dr) channels. (Revised after Buffingtong and Mongomery, 2013).

3.2 토지피복분류 결과 및 세구간 분류

본 연구에서는 저수로 폭 결정 및 하천의 물리적 지표에 대한 평가를 위해 토지피복분류를 위한 훈련 자료는 수역 (Water), 식생 (Vegetation), 토지 (Ground), 구조물 및 도로 (Urban)로 구분하였다. Case 1 위성영상의 경우 식생으로 피복된 지역이 없는 시기인 점을 고려하여 식생 대신 얼음 및 눈 (Ice and Snow)으로 분류하였다. 분류 결과의 정확도 검토를 위해 삼합교 지역에서 Case 3 (일유량=3.88 m3/s)과 비슷한 일유량 조건에 해당하는 드론으로 촬영된 고해상도 정사영상 (5월 11일, 일유량=4.33 m3/s)과 피복분류 결과를 비교하였으며 직관적으로 만족스러운 결과를 얻었음을 확인하였다 (Fig. 6). 각 Case 별 전체 일치도는 87 - 98%이며 kappa value는 0.78 - 0.96으로 나타났다 (Table 4). 또한, 유량 조건별 피복 분류 결과는 식생 및 토지 구성의 큰 차이를 보였으며, 저수로 폭을 판단할 수 있는 수역의 차이도 명확하였다 (Fig. 7). Case 4의 경우 일부 청미천 하류 지역은 구름에 의해 피복 분석이 불가능 하였다.

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Fig. 6

Comparison between ortho-image from drone images (May 11) and land cover classification result (June 2).

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Fig. 7

Comparison between land use classification results among (a) Case1, (b) Case 2, (c) Case 3, and (d) Case 4.

Table 4.

Result of land cover classification

Case Overall Accuracy [%] Kappa
Coefficient 		Case Overall Accuracy Kappa
Coefficient
Case 1 98.22 0.96 Case 3 96.62 0.95
Case 2 87.04 0.78 Case 4 94.24 0.91

토지피복분류 결과를 통해 획득한 하폭을 이용하여 설정된 Case 별 세구간 설정 결과는 Fig. 8과 같다. 각 Case별로 설정된 세구간 수는 20, 12, 17, 7개로 구분되었다. Case 4 일부 지역은 토지피복분류가 불가능 하여 세구간 설정 결과의 비교를 위해 평균 길이를 계산하였으며, 각 Case별 세구간 평균 길이는 1.3, 2.3, 1.6, 3.2 km이다. 해당 결과를 통해 기상 및 유량 조건에 따라 세구간 분류 결과의 차이가 발생할 수 있음을 확인하였다. 또한, 완경사 중규모 하천의 세구간은 일반적으로 1.5 - 2.5 km 구간으로 설정되는 점을 고려하면 만제 유량 조건에서 비교적 정확한 세구간 설정 결과를 제시한 것으로 보여진다.

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Fig. 8

Determination of river reach (a) Case1, (b) Case 2, (c) Case 3, and (d) Case 4.

4. 고 찰

본 연구에서는 소의 다양성 평가를 위해 흐름, 토사이송, 파랑, 수질, 하상 변화와 생태환경 모의가 수행 가능한 수치모형인 Delft-3D를 이용하였다. 대상 구간의 지형 자료의 경우 국토지리정보원에서 제공하는 10 m DEM과 2012년 하천정비기본계획에서 제공하는 측량 자료를 활용하여 보간 작업을 통해 10 × 20 m 하도를 구축하였으며, 구축된 지형 자료는 하천의 형태에 따라 국지적인 차이가 존재한다. 한강홍수통제소에서 제공하는 자료 중 장호원교 수위관측소의 1시간 간격의 유량 데이터와 삼합교 수위관측소의 수위 데이터를 경계조건으로 활용하였다. 생태학적 서식처의 관점에서 소의 출현 및 다양성을 분석을 위해 모델링 결과를 활용하는 것은 쉽지 않지만, 세구간 내 유속, 수심의 다양성 및 변화를 통해 소의 출현가능성을 추정하였으며, 만곡 구간이나 물의 일시적으로 정체가 예상되어 소가 형성 가능한 구간을 고려하여 평가를 수행하였다 (Fig. 9). 하지만, 재포기 면적에 대한 정확한 판단이 어렵기 때문에 등급에 대한 평가만 수행하였다. 사행의 경우 각 세 구간에서 두 지점 사이의 하도 연장과 직선거리를 이용하여 산정하였다. 하안영역의 하천단면형상의 경우 토지피복분류 결과로부터 횡단형상 (산지, 자연 제방, 인위적 제방)을 구분하고, 구간 내 구성비를 산정하여 등급과 점수를 평가 하였다. 또한, 하천교란영역의 하천횡단구조물 지표는 횡단 구조물에 의한 스텝-풀 출현 빈도에 대한 판단이 어렵기 때문에 토지피복분류 결과와 하천기본계획의 구조물 정보를 이용하여 횡단구조물 (낙차공과 취수보)의 총 수로 평가를 대신하였다 (Tables 5 - 8). 풍수량 이상의 고유량 (Case 2 과 4)시기의 경우 세구간이 과대 산정되어 평가 결과가 너무 단순화 되는 경향을 보였으며, 저수량 (Case 1)결과의 경우 세구간이 너무 세분화 되어 사행도 분석을 위한 하천 연장을 확보하지 못하였다. 또한 큰 유량 조건의 Case 2와 4의 경우 다른 유량조건에서 설정된 세구간의 평균 길이와 하천환경 평가 등급의 차이가 크지 않은 점을 고려하면, 2차원 위성영상은 식생이나 얼음으로 분류된 지역에 하천이 형성되는 것을 고려하지 못하여 실제 하천과 비교하여 하폭이 다소 좁게 결정 된 것으로 보여진다. 해당 결과를 통해 하천 유형화 및 세구간 설정 결과의 중요성과 위성영상을 활용하는 경우 유량 조건에 대한 충분한 고려가 필요한 것을 재확인하였다.

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Fig. 9

Modeling results of 4 cases: (a) and (b) Case 1, (c) and (d) Case 2, (e) and (f) Case 3, (g) and (h) Case 4, (i) land cover classification and (j) satellite image for Case 4.

Table 5.

Brief physical river environment assessment for Case 1

Segment
No. 		Pool diversity Channel sinuosity River crossing shape River crossing structures
Class Score Class Score Class Score Number of structure
1 4 4 3 9
2 4 4 3 9
3 4 4 3 9
4 5 4 3 12
5 4 4 3 9
6 4 4 3 11
7 2 4 4 3 9
8 3 4 4 3 10
9 2 4 4 3 10
10 2 4 4 3 9
11 2 4 4 3 9
12 2 4 4 3 10
13 2 4 4 3 9
14 3 4 4 3 10
15 3 4 4 3 10
16 3 4 4 3 11
17 4 4 4 3 9
18 4 4 4 3 9 1
19 4 4 3 9 2
20 4 4 3 10 1
Table 6.

Brief physical river environment assessment for Case 2

Reach
No. 		Pool diversity Channel sinuosity River crossing shape River crossing structures
Class Score Class Score Class Score Class
1 4 4 3 9
2 4 4 3 11
3 3 4 4 3 10
4 3 4 4 3 10
5 3 4 4 3 10
6 2 4 4 3 10
7 3 4 4 3 9
8 3 4 4 3 9
9 3 4 4 3 10
10 4 4 4 3 9 1
11 4 4 3 9 2
12 4 4 3 10 1
Table 7.

Brief physical river environment assessment for Case 3

Reach
No. 		Pool diversity Channel sinuosity River crossing shape River crossing structures
Class Score Class Score Class Score Class
1 4 4 3 9
2 4 4 3 9
3 4 4 3 9
4 2 4 4 3 11
5 2 4 5 3 10
6 3 4 5 3 11
7 2 4 4 3 10
8 2 4 4 3 10
9 2 4 5 3 9
10 3 4 4 3 9
11 2 4 4 3 10
12 3 4 4 3 11
13 3 4 4 3 10
14 4 4 4 3 9
15 4 4 4 3 9 1
16 4 4 3 9 2
17 4 4 3 10 1
Table 8.

Brief physical river environment assessment for Case 4

Reach
No. 		Pool diversity Channel sinuosity River crossing shape River crossing structures
Class Score Class Score Class Score Class
1 4 5 3 10
2 3 4 5 3 10
3 3 4 5 3 10
4 3 4 4 3 9
5 4 4 4 3 9 1
6 4 4 4 3 9 2
7 4 4 3 10 1

5. 결 론

하천환경 평가는 수집된 정량적인 데이터를 바탕으로 세구간 평가 이후 하천 수계를 평가하는 상향식 평가체계이기 때문에 하천 위계를 적용하기 위한 방법론의 도입과 적용이 요구된다. 즉, 기본단위를 결정하는 하천 유형화 및 세구간 분류 작업은 하천환경 평가체계에서 매우 중요하다 할 수 있다.

본 연구에서는 청미천 본류를 대상으로 하천 유형화 작업을 우선 수행하였으며, 대상 하천의 경우 물리적 특성이 큰 차이가 없는 모래로 구성된 전형적인 완경사 충적하천으로 분류되었다. 또한, 하천 분류 결과와 다양한 유량 조건의 토지피복분류결과를 이용하여 저수지 폭을 결정하였으며, 이후 하천환경 평가를 위한 하천 세구간 설정 작업을 수행하였다. 유량 조건 별로 설정된 평가 세구간은 차이가 있었지만, 만제유량에 조건에서 설정된 세구간 분류 결과가 가장 적절한 세구간 설정 결과를 제시하였다. 추가적으로 하천 환경 물리적 지표 중 소의 다양성, 사행도, 하천횡단 형상, 하천횡단구조물에 대한 평가를 통해 세구간 설정 결과를 검토하였다. 검토 결과 저유량 시기의 경우 평가 세구간이 세분화되어 사행도 지표 평가를 위한 세구간의 충분한 하천 연장을 확보하지 못하였으며, 풍수량 이상의 시기에서는 하폭이 크게 증가하여 평가 결과가 너무 단순화 되는 결과를 보였다.

하천환경 평가 및 세구간 설정을 위한 위성영상의 적용가능성을 판단하기 위해서는 비교적 하폭이 좁은 급･중경사 하천에 대한 추가적인 연구가 요구되며, 환경생태 유량, 평균유량 등의 추가적인 조건의 위성영상에 대한 분석도 필요하다 판단된다. 또한, 현장조사 기반의 정확한 하천환경 평가를 통해 위성영상의 적용가능성에 대한 추가적인 검토가 되어야 할 것 이다. 본 연구에서는 하천환경 평가시스템의 하천 유형화 및 세구간 설정 작업을 위한 위성영상의 적용 가능성을 검토하였으며, 효과적인 활용을 위해서는 유량 조건을 고려한 적절한 시기의 자료를 이용해야 하는 것을 확인하였다. 자연친화적인 하천 관리를 위해 위성 및 드론 등 다양한 영상자료를 활용하는 연구가 활발하게 진행되기 시작한 시점에서, 향후 본 연구 결과의 활용성이 높을 것으로 기대된다. 다만, 본 연구의 경우 과학적인 근거를 토대로 수행되었기 때문에 실무작업에서는 조정되는 것이 바람직할 것으로 판단된다.

Acknowledgements

본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원 지원으로 수행되었음 (과제번호 21AWMP-B121100-06).

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