서 론
하천에서 식생은 흐름 및 유사이송에 크게 영향을 미치고, 이는 하도의 지형변화 및 거동과 밀접한 관련이 있다. 하도의 식생은 흐름에 대한 저항을 증가시키고 흐름 방향을 변화시킬 수 있다. 식생역내 유속은 감소하며 이로 인해 유사퇴적을 유발한다. 식생에 의한 흐름 저항 및 변화는 식생의 밀도, 침수비, 크기, 강성 등에 의하여 영향을 받는다 (Nepf and Vivoni, 2000; Lopez and Garcia, 2001; Bennett et al., 2002). 하천의 거동은 이동상 하상의 불안정으로 야기되어 자유사주 (free bars)가 발달하며 이는 흐름방향으로 이동한다. 그러나 사주의 식생은 사주의 이동을 고착화하여 하도를 안정화 시킨다 (Fig. 1).
하도내 식생활착 및 성장은 통수단면적을 감속시켜 홍수위 증가를 야기하여 치수적으로 부정적인 역할을 하지만 생태적 측면에서 다양한 흐름을 형성하여 하천 생물종의 다양성을 증가시킨다. 최근 자연 친화적 하천을 조성하기 위한 노력이 이루어지고 있어 적절한 하천관리를 위하여 흐름-유사-식생의 사이의 명확한 메커니즘을 이해하고 이를 고려할 수 있는 수치모형 개발이 필요하다.
식생에 의한 흐름특성 변화 및 하상변동을 예측하기 위해 간단한 1차원 수치모형부터 복잡한 3차원 수치모형이 개발되어왔다 (Van de Wiel and Darby, 2004; Wu et al., 2005; Kang and Choi, 2007). 하지만 실규모에서 장기간 식생에 의한 흐름 및 하상변동을 계산하기 위해 2차원 수치모형이 가장 적절해 보인다 (Wu et al., 2005). 국내에서는 Kim et al. (2010)이 운동량 방정식에 식생 항력항을 추가하여 수심 적분된 2차원 수치모형을 개발하고 단단면 및 복단면 실험수로에서 식생에 의한 수위 및 유속을 비교하여 모형을 검증하였다. 또한 검증된 모형을 이용하여 한강 홍수터 식생이 흐름특성 변화에 미치는 영향을 검토하였다. Tsujimoto (1999)는 수심 적분된 2차원 수치모형의 운동방정식과 난류이송방정식에 식생항을 추가하여 식생 사주 주변에서의 하상거동을 조사하였고 홍수주기가 증가함에 따라 식생사주의 길이와 폭이 증가한다고 하였다. Wu et al. (2005)은 수몰식생 및 비수몰식생의 영향을 고려할 수 있는 2차원 수치모형을 개발하여 주기적으로 배치된 식생역 주변의 하상변동 및 하안침식을 수치모의 하였다. Crosato and Saleh (2010)은 2차원 수치모형을 이용하여 홍수터 식생밀도에 따른 장기 하도 지형변화를 수치모의하였다. 홍수터에 식생이 없는 경우에는 망상하도로 변화하고 식생의 밀도가 증가하면 망상의 수가 줄어들고 결국 단일수로형태로 변화한다.
기존의 수치모형 개발과 적용은 식생생장 영향은 고려하지 않고 정해진 영역에서 고정된 식생밀도에 의해 유발된 식생저항에 의한 흐름 및 하상변동을 수치모의 하였다. 하지만 식생영향을 고려한 흐름 및 장기적 하상변동을 보다 정량적으로 예측하기 위해서는 식생의 이입, 활착 및 천이과정 등을 고려해야 한다. 이를 위해서는 식생의 생장조건 및 식생의 이입과 천이와 같은 식물학적 과정을 흐름 및 하상변동 모형에 연계하여 이를 예측할 수 있는 모형을 구축해야 한다.
따라서 본 연구에서는 단편적으로 식생저항에 의한 흐름특성 및 하상거동 변화에서 벗어나 상대적으로 장시간 적용가능하고 식생 저항에 의한 영향 뿐만 아니라 식물학적 과정인 식생의 이입, 천이 및 퇴행을 고려할 수 있는 모형을 추가하여 식생에 의한 하도 지형변화 반응을 조사하였다. 먼저 사주의 재현에 관한 수리실험 결과 (Akahori et al, 2011)에 대한 수치모형의 적용성을 파악하였다. 식생이입 및 활착이 교호사주와 복렬사주의 지형변화 특성에 끼치는 영향을 분석하고 다양한 수리학적 조건에 대한 하도변화를 파악하여 그 결과를 제시하였다.
수치모형
흐름모형
본 연구에서 2차원 흐름을 계산하기 위해 수심 적분된 2차원 연속방정식과 운동량 방정식을 이용하였다. 지배방정식들을 직교 좌표계에서 일반 좌표계로 변환하면 다음과 같다 (Jang and Shimizu, 2005; Asahi et al, 2011).
(1)
(2)
(3)
여기서 
및 
는 일반 좌표계에서 공간좌표성분, 
는 수위, 
는 수심, 
는 하상고이다. 
는 하상의 마찰계수이며, 
는 중력가속도이고, 
은 Manning의 조도계수이다. CD는 항력계수이고 λ는 식생밀도이다. 
는 Jacobian이며, 
및 
는 
와 
방향의 유속성분으로, 
와 
이다. 식 (2)와 (3)에서 계수 
~
는 다음과 같다.
,
, (4a)
,
, (4b)
운동량방정식에서 확산항 
와 
는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
(5)
전단력을 선형분포로 가정하면, 수심평균 와(난류)점성계수, 
는 다음과 같다.
(6)
여기서 
는 von Karman 상수 (= 0.4), 
는 전단속도 (
)이다.
하상변동 모형
일반좌표계에서 2차원 유사의 연속 방정식은 다음과 같다.
(7)
여기서 
는 하상고, 
는 하상재료의 공극률, 
및 
는 
및 
방향으로 단위 폭당 소류사량이다. 총 소류사량은 Meyer-Peter and Muller (1972)의 공식으로 계산하였다.
(8)
여기서 
는 소류사량, 
는 수중에서 하상재료의 상대밀도, d는 하상재료 입경, 
는 무차원 한계소류력, 
는 무차원 소류력이다.
및 
방향으로 유사량은 Watanabe et al. (2001)이 제안한 방법을 사용하였고, 다음과 같이 계산된다.
(9)
(10)
여기서 
및 
는 
와 
방향의 바닥근처 유속, 
는 바닥부근에서 유속, 
는 
와 
의 교차각, 
, 
는 Coulomb의 정적 마찰계수 (= 1.0), 
는 Coulomb의 동적 마찰계수 (= 0.45)이다 (Jang and shimizu, 2005).
하상부근에서 유선 방향으로의 유속은 다음과 같이 가정한다.
(11)
여기서 
는 수심 평균유속이다.
는 Engelund (1974)의 가정에 의해 다음과 같이 쓸 수 있다.
(12a)
(12b)
여기서 
는 속도계수 
이다.
유선이 휘어지면, 원심력의 변화에 의해 이차흐름이 발생하며, 유선의 수직방향으로 하상부근의 유속은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
(13)
여기서 
는 유선의 곡률 반경, 
는 이차류 강도 계수이고 Engelund (1974)가 제안한 7.0을 사용하였다.
이류항을 계산하기 위해 CIP (Cubic Interpolated Pseudoparticle)기법을 적용하였고, 확산항은 중앙차분법을 이용하였다. 측벽의 경계조건으로는 활동 (slip)조건으로 가정하였고 측벽에서 횡방향 유속은 0으로 하였다.
식생생장모형
하천의 식생은 매우 다양하며 모든 물리적 성장과정을 모형화하기는 매우 어렵다. 본 연구에서는 실내 수리실험 규모에서 수치실험을 수행하였으므로 수리실험에서 주로 사용되는 알팔파 (alfalfa)를 대상으로 식생생장모형을 추가하였다. Tal and Paola (2007, 2010)과 Jang and Shimizu (2007)는 알팔파를 이용하여 수리실험을 하였고 알팔파가 발아하는 시간, 성장과정 등을 조사하였다 (Fig. 2). 실내실험에서 씨앗은 바람에 의해 날아오는 것으로 가정하였다 (Tal and Paola, 2010). 알팔파 씨앗을 사주위에 뿌리면 약 1일 이후에 발아하기 시작하고 이후 약 5일동안 선형적으로 성장하였다. 6일이 지나면 알팔파의 성장은 거의 멈추었다. Tal and Paola (2010)는 고유량이 약 1시간 이상 알팔파 주변에 지속되면 고유속에 의하여 하상세굴이 발생하고 식생이 흐름에 의해 제거된다고 하였다. 이를 바탕으로 식생모형을 구성하였다 (Fig. 2). 이 모형에서는 사주가 물위로 1일 노출되면 식생이 발아하고 5일동안 선형적으로 성장한다고 하였다. 본 모형에서는 식생의 침수시간이 2시간 지속되면 식생이 제거된다고 가정하였다. 식생생장 함수를 식생 밀도항에 고려하여 계산을 수행하였다.
(14)
여기서 D는 식생의 지름, lx와 ly는 식생간격, gr(t)는 시간에 따른 식생성장 함수이다. 여러 문헌들을 참고하여 최대 식생밀도 λ는 5.0으로 가정하였다(Nepf and Vivoni, 2000; Bennett et al., 2002; Jang and shimizu, 2007).
모형의 검증
본 연구에서 사용하는 2차원 수치모형의 적용성을 검토하기 위해 Akahori et al. (2011)의 교호사주 발달에 관한 실험 Case 4의 실험자료를 사용하였다. 실내 수리실험은 폭 0.9 m 길이 35 m 직선수로에서 수행되었고 하상경사는 1/200으로 설정되었다. 유량 0.0064 m3/s가 공급되었고 등류수심은 0.02 m였다. 하상의 평균입경은 0.76 mm인 균일사로 구성되었다. 실험은 교호사주가 충분히 발달할 수 있게 약 42시간 동안 지속되었다.
수치모형 검증을 위해 계산조건은 수리실험 조건과 동일한 조건을 사용하였다. 그러나, 계산 효율을 위해 수로의 길이는 20 m로 하였고 흐름방향으로 주기경계조건을 사용하였다. 계산을 수행하기 위해 사용된 격자는 흐름방향으로 400개와 횡방향으로 45개를 사용하였다.
Fig. 3은 직선수로에서 교호사주의 성장에 관한 실험과 수치계산 결과를 보여주고 있다. 실험결과 사진을 보면 교호사주가 발달하여 하류로 이동하는 모습을 볼 수 있다. 수리실험 결과와 수치모형 결과를 보면 발달된 교호사주는 서로 잘 일치함을 보였다. 이는 수치모형이 사주의 발달 및 성장을 잘 재현함을 의미한다. 실험결과 교호사주의 파장은 6.2 m로 나타났고 계산결과 6.7 m로 예측되어 수치모형에 의한 값이 수리실험 결과와 거의 일치함을 보였다. 그러므로 본 연구에서 사용하고 있는 2차원 수치모형은 직선 수로에서 사주의 성장을 정량적으로 잘 모의하는 것으로 판단된다.
모형의 적용
하도의 평면변화는 무차원 소류력과 하폭 대 수심비에 의해 결정된다 (Kuroki and Kishi, 1984; Parker, 1976). Kuroki and Kishi (1984)가 제안한 하도형태 구분에 따르면 하폭 대 수심비가 크면 복렬사주가 형성되고 이것이 작아지면 교호사주가 형성된다 (Fig. 4). 본 연구에서는 Fig. 4의 조건을 감안하여 교호사주가 발달하는 수리학적 조건 (Run-1)과 복렬사주가 발달할 수 있는 조건 (Run-2)에 대하여 수치모의를 실시하였다.
Run-1의 수리 및 수치실험 조건은 수치모형 검증에서 사용되었던 Akahori et al. (2011)와 동일하다. 그러나 상류 유입유량이 시간에 따라 변화하게 하였다 (Fig. 5). 초기 20시간 동안 0.0064 m3/s를 적용하여 교호사주를 형성하고 이후 주기적으로 유량을 변화시켰다. Run-1-1은 초기유량의 1/5에 해당하는 0.00128 m3/s를 저유량으로 하여 4일 동안 적용하고 그 다음 고유량을 2시간동안 부과하였다. Run-1-2는 저유량이 초기유량의 1/8인 0.0008 m3/s를 적용하였고 주기는 Run-1-1과 동일하게 하였다. Run-1-3은 고유량과 저유량이 Run-1-1과 동일하지만 저유량이 6일 동안 지속되도록 설정하였다. 총 수치모의 시간은 35일로 하였다.
망상하도를 형성시키기 위한 Run-2는 폭 10 m, 길이 120 m의 직선수로 하고 하상경사는 1/200으로 하였다. 하상의 평균입경은 0.76 mm이고 무차원 하상소류력 0.056과 하폭 대 수심비 810을 만족하는 유량 0.03075 m3/s를 초기에 적용하였다. 34시간 동안 초기유량을 적용하여 망상하도를 형성하고 이후 상류의 유입유량 변화가 식생면적 및 하도 지형변화에 미치는 영향을 파악하기 위해 유량을 감소시키며 수치실험을 수행하였다. Run-2-1은 초기유량과 동일한 유량을 유지시켰고, Run-2-2는 초기유량의 1/2인 0.015375 m3/s, Run-2-3은 초기유량의 1/3인 0.01025 m3/s, Run-2-4는 초기유량보다 5배 적은 0.00615 m3/s를 사용하여 수치실험 하였다 (Fig. 6). 총 계산시간은 80일 동안 지속되었다. 수치실험을 위해 사용된 격자는 흐름방향으로 600개 횡방향으로 100개를 사용하였다.
식생과 교호사주
식생에 의한 하도내 사주의 거동을 검토하기 전에 유량변화와 사주발달 관계를 살펴보았다. Fig. 7은 상류유량 변화에 따른 하상거동을 보여주고 있다. 여기서 상류유량은 Run-1-1을 사용하였다 (Fig. 5). 15시간이 지난 후 교호사주가 발달하고 흐름방향으로 이동하는 것을 볼 수 있다. 40시간 후에는 상류유량이 감소하여 사주의 이동이 감소되고 교호사주의 파장과 거의 동일한 파장을 가지는 만곡수로 형태로 변화하였다. 70시간에서 사주의 형상이 크게 변화하였다. 사주의 전면부 및 후면부에 유사 침식/퇴적이 발생하였고 사주의 절개현상도 나타났다. 110시간에서는 교호사주가 발달할 수 있는 유량이 공급되어 초기에 나타났던 교호사주가 다시 재현되었다. 교호사주의 파장과 파고는 초기에 값과 거의 유사한 것으로 나타났다. 120시간 후에는 다시 저수로가 만곡형태를 띄며 사주는 고착화되어 이동성이 크게 감소하였다. 수치실험 결과 상류유량이 줄어들어 사주의 이동이 감소하고 하도 지형이 변화하지만 교호사주가 발생할 수 있는 수리학적 조건이 만족되면 사주가 다시 성장/발달함을 보였다.
Fig. 8은 Run-1-1의 시간에 따른 하도 지형변화와 식생성장 변화를 보여준다. 90시간에는 주수로가 만곡수로 형태로 나타났으면 고착화된 사주 위에 식생이 발아하여 자라기 시작한 모습을 볼 수 있다. 식생의 성장률은 초기기작으로 약 0.2정도로 나타났다. 180시간 후에는 사주 위의 식생이 성장한 것을 볼 수 있고 식생이 지형변화에 영향을 주고 있음을 보인다. 사주 위의 식생은 사주를 안정화 시키고 사주 주변에 유사퇴적을 유발하였다. 이로 인해 사주가 흐름방향으로 길어지고 사주가 결합되어 하도 지형이 변화하였다. 615시간 후에는 사주 위에 활착하고 있는 대부분의 식생들이 완전히 성장한 것으로 보이다. 또한 주기적으로 변화하는 상류유량의 영향으로 사주가 흐름방향으로 이동하였다. 이후에는 앞에 나타난 현상들이 반복되었다. 교호사주 위에 활착한 식생은 사주를 안정화 시키고 이동성을 크게 감소시켰다. 사주에 활착한 식생은 쉽게 제거되지 않으며 고유량 흐름시 견딘 식생들로 인해 주변에 유사퇴적을 유발하고 식생면적을 확장시켰다. 앞서 식생이입을 고려하지 않은 경우 (Fig. 7)에서는 상류유량이 감소하여 사주의 이동이 줄어들었으나 다시 사주가 발달할 수 있는 수리학적 조건을 만족하면 사주가 다시 발달하고 성장하였다. 그러나 식생이 사주 위에 활착하면 더 이상 이전과 같은 교호사주를 발달시키지 못하고 교호사주의 파장을 가지는 만곡형태의 수로가 되었다.
Fig. 9는 35시간 이후의 Run-1-1, 2 그리고 3의 식생성장률 분포를 나타낸다. 모든 경우의 식생성장률 분포가 측벽을 따라 주기적으로 나타났다. Run-1-1은 식생이 6.5 m간격으로 분포되었다. 이는 식생활착으로 고착화된 사주의 파장이 6.5 m임을 의미한다. Run-1-2의 유량주기 변화는 Run-1-1과 동일하지만 저유량이 상대적으로 더 낮은 경우이다. 이로 인해 사주 위에 활착되어 있는 식생면적이 증가하였고 식생성장률도 더욱 크게 나타났다. 이것은 유량 감소로 인하여 물 위로 노출되는 사주의 면적 및 시간이 증가하기 때문이다. Run-1-2는 식생면적이 흐름방향으로 더욱 확장되었고 식생 사주가 9 m간격으로 나타나 유량감소와 식생이 사주의 파장을 더욱 길게 야기하였다. Run-1-3은 저유량 지속시간이 Run-1-1보다 50 % 증가하여 사주 위의 식생면적이 조금 증가하였으나 식생사주의 파장이 Run-1-1과 거의 유사하게 나타났다.
Fig. 10은 하도내의 식생면적을 나타낸다. Run-1-1은 하도내 식생면적이 18 %로 나타났다. Run-1-2는 약 2배 증가한 34 %로 나타났고 Run-1-3은 식생면적이 27 %로 나타났다. 이것은 상류의 고유량이 발생주기 감소보다 유량감소가 사주 위의 식생활착에 더 크게 영향을 미치는 것으로 나타났다. Fig. 11은 시간에 따른 수로폭으로 무차원화된 하폭변화를 보여준다. 교호사주가 발달하고 사주 위에 식생이 활착하여 초기에 하폭이 급격히 감소하였다. 식생이 사주 위에 고착화되어 초기에 형성되었던 하폭이 크게 변화하지 않았다. 결과적으로 식생면적과 마찬가지로 하폭의 변화도 상류유량 감소에 영향을 받았다. 이는 앞서 설명한 바와 같이 유량감소는 사주의 노출면적을 증가시켜 식생활착 가능성을 높이기 때문에 하폭도 유량감소와 함께 줄어들었다.
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Fig. 6. Flow discharge conditions for Run-2 | |
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(a) 15 hrs | |
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(b) 40 hrs | |
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(c) 70 hrs | |
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(d) 110 hrs | |
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(e) 120 hrs | |
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Fig. 7. Numerical results of bed changes with variable discharge | |
망상하도에서 식생의 영향
망상하도는 교호사주보다 하폭 대 수심의 비가 큰 경우 나타나며 침식 및 퇴적이 활발히 발생하여 매우 복잡한 형태를 보인다. 하폭 대 수심 비가 증가하면서 복렬사주가 발달하며 사주가 하류로 이동 및 성장한다. 사주들에 의해 흐름분기가 발생하여 하상 및 하안침식을 유발하고 망상하도가 발생한다. 본 절에서는 망상하도가 발생할 수 있는 수리학적 조건에서 식생의 영향이 하상거동에 미치는 영향과 식생성장률 분포를 수치모형을 이용하여 분석하였다.
Fig. 12는 Run-2-2의 시간변화에 따른 하도 지형변화 및 식생성장률 분포이다. 40시간후의 하도 지형변화를 보면 망상하도가 발생하였고 식생이입은 발생하지 않았다. 80시간에는 사주로 인해 흐름 분기가 발생하여 망상하도의 형태를 보이고 있으며 물 위로 노출된 사주 위에 식생이 이입되기 시작하였다. 이때 식생성장률은 약 0.15로 나타났다. 260시간 후에는 하도의 망상의 수가 줄어들었고 사주 위의 식생이 증가하였다. 이후 400시간, 1800시간을 보면 하도의 형태가 망상하도에서 단일수로 하도로 변화하였다. 식생이 활착된 영역부근에 유사퇴적이 크게 발생하였다. 망상하도에서 유량감소와 식생활착에 의해 가장 큰 변화는 하도 지형이 단일수로로 바뀌었다는 것이다. 이러한 경향은 Tal and Paola (2007)의 수리실험 결과와 일치한다. 그들은 짧은 시간의 고유량과 상대적으로 긴 시간 동안의 저유량 반복 그리고 식생의 활착 및 성장이 망상하도를 단일수로 형태로 변화시킨다고 하였다. 비록 Run-2-2는 수리학적으로 망상하도를 발생시킬 수 있는 유량을 초기에 부과하고 망상하도가 형성된 34시간 이후에 초기유량보다 2배 감소시켜 일정하게 적용하였지만 감소한 상류유량과 식생활착 및 성장이 하도를 안정화시켜 망상의 수를 감소시키고 그 결과 단일수로 형태로 변화하였다. 식생의 강성 및 뿌리효과와 같은 식생의 물리적 요소를 정확히 고려하지는 못했지만 수리실험에서 나타났던 지형변화 경향을 수치모형이 정성적으로 잘 예측함을 보였다.
Fig. 13은 상류유량 변화에 따른 식생성장률 분포이다. 상류유량의 변화는 사주 위의 식생분포에 크게 영향을 미쳤다. 초기유량을 상류에서 일정하게 적용한 경우 (Run-2-1)에는 사주 위에 식생이 적게 발생하였다. 그러나 상류유량이 감소하면서 하도내 식생의 면적이 점점 증가하는 양상을 보였다. 이는 교호사주의 경우와 마찬가지로 상류유량 감소로 인해 물위로 노출되는 사주의 면적이 증가하고 식생이 성장할 수 있는 시간이 증가하기 때문이다. 식생역은 배후에 저유속 영역을 형성하여 식생활착 및 성장을 증가시키고 식생사주의 결합을 유발하였다. 그 결과 식생사주가 흐름방향으로 길어졌다. 식생면적의 확장은 하도폭 감소를 초래하였고 상류유량이 감소할수록 하도폭은 점점 감소하는 경향을 보였다. 이러한 경향은 국내외 실제하천에서 조사된 결과와 일치한다. 주로 댐 건설로 인한 영향으로 유량이 조절되어 댐 건설 이전보다 상류에서 공급되는 유량이 줄어들어 물줄기의 힘이 줄어들고 사주의 이동성이 감소하여 식생사주 면적이 증가하고 하도폭은 감소한다. 수치실험에 사용된 모형은 하도내 식생분포 및 지형변화를 정성적으로 잘 재현하는 것으로 나타났다.
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(a) 40 hrs |
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(b) 80 hrs |
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(c) 260 hrs |
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(d) 400 hrs |
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(e) 1800 hrs |
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Fig. 12. Numerical results of bed changes and vegetation growth rate for Run-2-2 (top; bed change, bottom; vegetation growth rate) |
Fig. 14는 하도내 식생면적 분포율을 도시하였다. Run-2-1은 하도내 식생면적이 26 %로 나타났다. 앞서 언급한 바와 같이 상류유량이 감소하면 하도의 식생면적이 증가하였다. Run-2-2는 유량이 Run-2-1에 비해 2배 감소하여 식생면적이 23 % 증가한 49 %로 나타났다. Run-2-3은 Run-2-1에 비해 33 % 증가한 59 %의 면적이 식생으로 덮였고, Run-2-4는 Run-2-1에 비해 42 %증가하여 하도내 식생 사주가 68 % 차지하는 것으로 나타났다. 식생면적이 증가하는 경향은 교호사주의 경우보다 더욱 명확히 나타났다.
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(a) Run-2-1 |
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(b) Run-2-2 |
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(c) Run-2-3 |
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(d) Run-2-4 |
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Fig. 13. Numerical results of vegetation growth rate for Run-2 |
Fig. 15는 시간에 따른 하도폭 변화를 나타낸다. Run-2-1의 경우 식생이입 및 활착 때문에 8일후에 하도폭이 30 % 감소하였다. 시간에 따라 하도 지형변화와 식생 때문에 하도폭이 변화하였고 평균적으로 33 % 감소하였다. Run-2-2와 3은 8일후 약 40 % 감소하였고 시간에 따라 약간 감소하는 경향을 보였다. 식생 면적율과 달리 Run-2-2와 3의 평균 하도폭은 유사하게 나타났다. Run-2-4는 식생활착 및 상류유량 감소로 인하여 8일후 평균 하도폭이 급격히 줄어들어 64 % 감소하는 것으로 나타났다. 시간에 따라 감소하는 경향을 보였고 평균적으로 하도폭이 60 % 감소하였다. 수치모형은 유량감소와 식생에 의한 하상거동의 특성을 정성적으로 잘 예측하는 것으로 나타났다.
결 론
본 연구에서는 하도내 식생활착 및 성장이 하도 지형변화에 끼치는 영향을 살펴보기 위해 흐름/유사 모형에 식생생장모형을 추가하여 두가지 수리학적 조건에서 수치실험을 수행하였다. 하도내 식생이입 및 활착의 원인 중 하나인 상류의 유입유량 변화에 따른 하도지형과 식생의 변화를 수치모형을 이용하여 검토하였고 그 결과는 다음과 같다.
1) 수리학적으로 교호사주가 발생하는 조건에서 상류유입유량의 변화와 식생의 이입으로 인해 사주의 이동성이 크게 감소하였다. 식생사주 주변에 유사퇴적이 발생하고 하도 지형변화를 유발하였다. 식생이입 및 활착을 고려하지 않고 상류유량 변화만 고려하면 하도 지형이 변화하여도 사주가 발생할 수 있는 조건만 만족된다면 다시 사주가 성장하고 하류로 이동하였다. 그러나 식생이 사주 위에 활착하면 사주가 고착화되어 이후 고유량이 흘러도 사주의 이동 및 성장은 나타나지 않았다.
2) 교호사주 발생조건에서 식생면적 및 하폭의 변화는 저유량 지속시간보다 상류유량의 변화에 더 크게 영향을 받았다. 상류유량이 감소하면 식생면적은 증가하고 하도폭은 감소하였으나 저유량의 지속시간은 하도의 식생면적 및 하도폭 변화에 크게 영향을 주지 못하였다.
3) 망상하도가 발달하는 조건에서 상류유량의 변화와 식생이입은 하도 지형변화에 크게 영향을 미쳤다. 초기에 망상하도를 형성 후 상류유량 감소와 식생의 이입 및 활착에 의해 망상의 수가 줄어들었고 결국 하도 지형이 망상하도에서 단일수로로 변화하였다. 이 현상은 수리실험이나 실제하천에서 발생하는 결과와 일치하여 본 연구에서 사용한 모형이 정성적으로 유량변화와 식생에 의한 하도 지형의 변화를 잘 예측할 수 있음을 확인하였다.
4) 망상하도 형성 후 상류유량의 감소하면 식생면적 점점 증가하였다. 하도폭은 식생 도입 후 급격히 줄어들고 이후에는 하도폭은 크게 변화하지 않았다. 하도폭도 상류유량 변화에 영향을 받았고 유량이 줄어들면 하도폭도 점점 감소하였다.
5) 본 연구에서 사용한 식생생장모형이 결합된 2차원 수치모형은 하도내 식생 이입 및 활착에 의한 하상거동을 정성적으로 잘 예측함을 보였다. 그러나 본 모형에 사용된 식생모형은 실내실험에서 자주 사용되는 알팔파을 대상으로 구성되어 실제 하천에 적용하기에는 무리가 있다. 본 수치실험은 초기 연구단계로 향후 실제 하천에서 서식하는 식생을 고려할 수 있는 모형을 구축하여 그 적용성을 검토해야 한다.
