Original Article

Ecology and Resilient Infrastructure. December 2020. 353-365
https://doi.org/10.17820/eri.2020.7.4.353

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 연구 방법

  •   2.1 연구대상지역

  •   2.2 수치모형 입력조건

  • 3. 하상변동 모의결과 및 분석

  •   3.1 시나리오에 따른 하상변동 결과분석

  •   3.2 시나리오의 구간별 하상변동 결과 비교

  • 4. 결 론

1. 서 론

우리나라는 효율적인 국가 물 관리와 하천의 치수능력 제고를 목적으로 4대강 살리기 사업을 통해 총 16개의 다기능 보 신설과 대규모 준설이 이루어졌다. 하도 내 대규모 수공구조물의 신설과 준설은 급격한 하천의 인위적 변화로 하상변동에 상당한 영향을 미친다. 이 같은 하천 지형의 인위적인 변화로 인하여 본래의 하천이 지니고 있던 흐름 특성을 크게 변화시키게 된다. 또한 유사 이송량의 변화를 수반하여 수생태와 수질에 심각한 영향을 미칠 수 있다. 이러한 측면에서 하상변동 분석을 통한 예측은 하천계획 및 관리측면에서 매우 중요하다. 낙동강에 설치된 8개 보 (상주보, 낙단보, 구미보, 칠곡보, 강정고령보, 달성보, 합천창녕보, 창녕함안보)의 운영에 따라 수질 악화, 녹조 발생, 그리고 수생태계 훼손 등 환경문제가 지속적으로 제기되고 있으며, 이와 같은 환경변화는 지난 2017년 6월부터 지속적인 모니터링을 통하여 밝혀진 바 있다 (MOE 2020). 이에 환경부 및 국토교통부 등 관계기관은 댐・보 연계운영협의회 등을 통해 댐-보-저수지 연계운영 방안을 검토하였으며, 2016년 8월부터 낙동강 일부 댐 및 보에 대해 부분 방류를 실시하였다. 칠곡보를 제외한 7개 보에 대하여 개방을 실시하였지만 대규모 취수장, 양수장 등으로 인하여 2020년 현재 4개 보 (강정고령보, 달성보, 합천창녕보, 창녕함안보)는 부분개방으로 운영 중이다.

국내에서 하천의 장기하상변동모의를 이용하여 장기적인 지형의 변화를 예측한 연구가 활발히 수행되었다. Ji et al. (2008)은 낙동강 수계를 대상으로 총유사량 공식을 비교하였으며, Ji et al. (2015)은 낙동강 보 구조물 설치 후의 장기하상변동을 분석하고 유입유사량이 최대라고 가정할 경우의 유입유사량 산정 공식인 Engelund and Hansen (1967) 공식을 채택하였다. Jeong et al. (2010)은 HEC-6 모형을 이용하여 낙동강 하류 80 km 구간에 대하여 1년, 10년, 그리고 100년 기간에 대한 장기하상변동 모의를 실시하였다. Jeong et al. (2010)은 유사이송공식에 따른 하상변동 민감도 분석을 실시하였으며 유사이송공식의 종류에 따라 하상변동량이 크게 변동됨을 확인하였으며 낙동강 하류에 적용될 수 있는 유사이송공식을 제시하였다. Ahn and Lyu (2013)은 2차원 수치해석 모형인 CCHE2D를 이용하여 창녕함안보 구간에 의한 흐름 및 하상변동 연구를 수행하였다. 2003년 태풍 매미 사상을 적용하여 분석한 결과, 4대강 살리기 사업 전에는 하상변동이 0.1 m 내외로 발생하는 것으로 나타났으며, 준설과 다기능 보가 설치된 이후에는 가동보의 직상・하류에서 세굴현상이 나타났으며, 고정보의 상하류의 좌우안은 퇴적이 발생할 것을 예측하였다. Ahn et al. (2015)은 HEC-RAS 모형을 이용하여 낙동강 수계의 강정고령보와 달성보 구간 및 금호강에 대하여 다기능 보 운영에 따른 하상변동을 모의하였다. 모의결과, 다기능보의 관리수위 운영에 따른 본류 및 지류의 하상거동에 대하여, 보 직상류에서는 퇴적이 지배적이었으며, 관리수위 운영에 따라 유사이송과 하상변동은 상대적으로 작아지는 것을 확인하였다. Jeong and Jung (2015)은 HEC-RAS 모형을 이용하여 다기능 보가 건설된 금강을 대상으로 다기능 보 설치 및 수문운영 시나리오에 따른 장기하상변동을 모의를 실시하였다. 다기능 보를 설치하고 수문을 운영하였을 때 하상변동으로 인하여 홍수위가 상승하는 결과를 확인하였다.

낙동강에 설치된 8개의 다기능 보는 고정보와 가동보로 구분되어 있으며, 보 수문의 개방은 하상변동에 많은 영향을 줄 것으로 판단된다. 하지만 국내에서는 보 개방에 따른 하상변동 변화에 대한 연구는 일부 보고된 바 있지만 수문 운영에 따른 영향을 검토한 사례는 매우 적다. 따라서 본 연구의 목적은 HEC-RAS 모형을 이용하여 모형을 구축하고 과거 실측된 지형자료를 이용하여 보 수문의 유무에 따라 2가지 시나리오로 낙동강 하상변동 변화를 분석하는 것이다.

2. 연구 방법

2.1 연구대상지역

본 연구의 대상하천인 낙동강은 유역면적이 23,384.21 km2이며 유로연장은 510.36 km로 국내 최장 하천이다. 낙동강은 동쪽 태백산맥과 서북쪽의 속리산, 덕유산, 지리산으로 이어지는 소백산맥으로 둘러싸인 유역의 중심부를 관류하고 있으며 유로는 산악으로 인하여 최단거리로 유하 하지 않고 유향을 4차례나 급변하면서 남해로 유입된다 낙동강의 연평균 강수량은 1,255 mm이며 연평균 강수량의 70%에 해당하는 강우량이 홍수기인 6월에서 9월 사이에 집중된다. 4대강 살리기 사업으로 건설된 8개의 보 (상주보, 낙단보, 구미보, 칠곡보, 강정고령보, 달성보, 합천창녕보, 창녕함안보)가 운영되고 있다 (Fig. 1).

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Fig. 1

Study reach of Nakdong River for 1-dimensional numerical modeling.

2.2 수치모형 입력조건

2.2.1 HEC-RAS 프로그램

HEC-RAS 프로그램은 미공병단의 수공학센터 (Hydrologic Engineering Center)에서 개발한 프로그램이며 1차원 하상변동모의를 수행할 수 있는 프로그램이다. 준정류 모형을 이용하여 흐름을 계산하며 Exner 방정식을 이용하여 하상변동량을 계산한다. HEC-RAS 프로그램은 입도분포를 고려한 유사이송량을 계산할 수 있으며, 분급현상 모의를 통하여 하상토 구성비율을 계산할 수 있다 (USACE 2016).

본 연구에 사용된 HEC-RAS에서 적용가능한 유사이송 공식은 총 7가지로 분류할 수 있다 (Table 1). 우선 소류력을 기본 개념으로 한 Engelund and Hansen (1967) 공식, Ackers and White (1973) 공식, Yang (1979) 공식은 기존 연구 동향을 보면 다른 공식들에 비하여 비교적 정확한 모의결과를 나타낸다 (Woo and Yu 1991). 입자 크기에 따라 구분 되는 유사이송 공식은 Meyer-Peter and Müller (1948) 공식, Laursen (1958) 공식, Wilcock (2001) 공식이 있다. Meyer-Peter and Müller (1948) 공식과 Wilcock (2001) 공식은 입자크기가 보통 5 mm 이상일 경우 적합한 공식이며 Laursen (1958) 공식은 비교적 가는 모래 또는 굵은 실트로 구성된 실험실 수로와 수심이 얕은 하천의 경우에 적합한 공식이며 전단응력을 기본개념으로 한 Toffaleti (1969) 공식은 대하천에 적합한 공식이다 (Yang 2003).

Table 1.

Applicable sediment transport formulas in the HEC-RAS model

Formulas Published Years Estimation of Sediment Classification
Ackers and White 1973 Total load Tractive force (energy concept)
Engelund and Hansen 1967 Total load Tractive force (energy concept)
Yang 1979 Total load Tractive force (energy concept)
Laursen 1958 Total load Flume or shallow channel
Meyer-Peter and Muller 1948 Bed load Median particle size ≥ 5 mm
Toffaleti 1969 Total load Large river
Wilcock 2001 Bed load Median particle size ≥ 5 mm

2.2.2 입력조건

HEC-RAS 모형의 입력자료로는 지형, 유량, 수위, 하상토, 유사량자료 등이 있다. 본 연구에서는 2017년도에 낙동강을 대상으로 하천측량을 실시했던 지형자료 (BAI 2018)를 활용하였으며, 보 수문 개방시나리오 모형에는 반변천 합류 후에서 강정고령보와 강정고령보에서 하구둑으로 2개의 구간을 나누어 지형 자료를 구축하였다. 또, 보 수문 개방 시나리오에 맞춰 수문을 제거한 상태로 모의를 진행하였다 (Fig. 2). 보 수문 미 개방 시나리오에는 구담교 - 상주보, 상주보 - 낙단보, 낙단보 - 구미보, 구미보 - 칠곡보, 칠곡보 - 강정고령보, 강정고령보 - 달성보, 달성보 - 합천창녕보, 합천창녕보 - 창녕함안보, 그리고 창녕함안보 - 하구둑으로 구간을 나누어 모형을 구축하였다 (MOLIT 2013).

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Fig. 2

Gumi weir with the water gate removed.

준정류 모형을 이용하여 흐름을 모의하기 위해서는 상류에서의 경계조건으로 유입 유량이 필요하며 하류경계조건으로는 수위가 필요하다. 유량조건으로는 낙동강 본류와 지류인 내성천, 감천, 금호강, 황강, 남강, 밀양강, 양산천에서 유입되는 유량이 필요하다. 각 지류가 합류하는 하류단에 위치한 수위관측소에서 유량데이터를 취득하였다. 내성천 합류 후에는 상풍교 (구 사벌) 관측소, 감천 합류 후에는 구미대교 (구 구미) 관측소, 금호강 합류후에는 고령교 (구 고령) 관측소, 황강 합류 후에는 적포교 (구 적포) 관측소, 남강 합류 후에는 계내리 (구 진동) 관측소, 밀양강 합류 후에는 삼랑진교 (구 삼랑진) 관측소, 그리고 양산천 합류 후에는 구포대교 (구 구포) 수위관측소의 유량을 활용하였다 (Fig. 3). 계내리 (구 진동) 수위관측소에서 측정된 유량은 하류에 위치한 삼랑진교 (구 삼랑진) 수위관측소에서 측정된 유량보다 많은 유량 역전 현상이 나타나기도 하였으며 결측된 날짜도 있었다. 비유량법을 이용하여 유입 유량과 결측일에 대한 유량을 보정하였다.

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Fig. 3

Inflow discharges.

하류단 수위조건은 수문 개방 시나리오에서는 강정고령보와 하구둑 수위자료를 활용하였다 (Fig. 4). 강정고령보에서의 평균수위는 13.48 m였으며, 하구둑에서의 평균수위는 0.78 m였다. 상하류 경계조건은 국가수자원관리종합정보시스템(WAMIS)에서 제공하는 자료를 활용하였다. 수문 미 개방 시나리오에는 각 구간별 하류경계조건을 등류수심조건을 선정하였으며 입력된 등류 수심 경계조건은 BAI (2018)의 모형의 하류부 경계조건으로 입력된 등류수심 (normal depth) 경사와 동일하게 입력하였다.

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Fig. 4

Changes of stages during 2017 - 2019.

HEC-RAS 프로그램의 경우 단면의 각 지점에 하상의 입도분포를 지정해주어야 한다. 모의를 위한 하상토 입도분포 자료는 2013년 측정된 자료를 활용하였으며, 유사량 자료는 상풍교 (구 사벌), 구미대교 (구 구미), 고령교 (구 고령), 적포교 (구 적포), 계내리 (구 진동), 삼랑진교 (구 삼랑진), 그리고 구포대교 (구 구포)지점의 관측자료를 활용하였다. 하상토의 중앙입경은 0.2 - 4.1 mm의 크기의 모래이며, 하류로 가면서 입자 크기가 작아진다. Fig. 5에 제시된 구간에 따른 중앙입경 변화를 토대로 각 단면의 입도분포를 설정하였다. 또한 구축된 모형 내에서 보 구조물 하류부에 설치된 바닥보호공과 물받이공으로 인해 일정구간 침식이 발생하지 않게 하기 위하여 하류부 일정 구간에 대해서는 침식가능 깊이를 0 m로 설정하였다.

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Fig. 5

Bed material size distribution.

조도계수의 범위는 0.020 - 0.028사이이며, MOLIT (2009, 2013)과 동일한 조도계수를 사용하였다. Table 2는 각 구간별 적용한 조도계수이다. 보 개방과 보 미 개방, 2가지 시나리오 모두 동일한 지점에서의 유량 자료, 입도분포, 그리고 구간에 해당하는 조도계수를 입력하였다.

낙동강을 대상으로 많은 선행연구가 진행되어왔으며, Ji et al. (2015)Engelund and Hansen (1967) 공식을 사용하여 극단적인 현상을 예측하는데 활용할 수 있음을 확인하였고 BAI (2018)에서는 낙동, 구미, 왜관, 진동 수위관측소에서 관측된 유사량 자료를 활용하여 유사량 공식 검정을 수행 한 결과, Engelund and Hansen (1697) 공식이 낙동강 해당 구간의 유사량을 적절히 산정한다고 제안한 바 있다. 따라서 본 연구에는 Engelund and Hansen (1697) 공식을 사용하여 하상변동 모의를 실시하였다 (Table 3). 내성천에 대한 유사량 데이터 부재로 2가지 시나리오 모두 반영하지 못하였다.

Table 2.

Roughness coefficient from the Nakdong River

Section number Roughness coefficient
Nakdong-gang River No.0 - No.202 0.023
No.203 - No.337 0.020
No.338 - No.362 0.023
No.363 - No.467 0.024
No.468 - No.672 0.026
No.673 - No.696 0.028
No.697 - No.705 0.033
No.706 - No.818 0.023
Table 3.

Discrepancy ratio of sediment transport formulas

Formulas Discrepancy ratio (%)
Nakdong Gumi Waegwan Jindong
Ackers and White 73 44 0 0
MPM 55 28 11 0
Engelund and Hansen 73 61 76 45
Yang 82 39 0 35

3. 하상변동 모의결과 및 분석

3.1 시나리오에 따른 하상변동 결과분석

낙동강 살리기 사업 구간이었던 구담교부터 하구둑까지 총 292.37 km를 대상으로 보 수문이 없는 수문 전면 개방 시나리오 1과 보 수문이 존재하는 시나리오 2에 대하여 하상변동 모의를 진행하였다. 시나리오 1은 구담교 - 강정고령보와 강정고령보 - 하구둑까지 2개의 구간으로 나누어서 모의를 진행하였며, 최상류에 위치한 상주보부터 최하류에 위치한 창녕함안보까지 모든 수문 전면 개방을 나타낸다. 결과를 보 위치에 따라 분할 비교하였다. 시나리오 2는 보 위치에 따라 구간을 나누었으며 수문이 존재하는 상태를 뜻한다.

Fig. 6은 2017년 1월 1일부터 2019년 12월 31일까지 시나리오 1과 시나리오 2에 따른 하상변동 결과이다. 상류구간 (구담교 - 강정고령보)에서의 시나리오 1결과는 최대 +2.55 m 하상이 상승되었고 -3.35 m 하상이 하강하였음을 확인할 수 있었다. 시나리오 2의 상류구간 모의결과는 +2.54 m 퇴적, -4.37 m 침식으로 예측되었다. 하류 구간 (강정고령보 - 하구둑)에서의 시나리오 1 결과는 최대 +7.08 m 하상이 퇴적되었으며 -4.85 m 하상이 침식되었다. 시나리오 2의 결과로는 최대 +4.68 m 하상이 퇴적되었고 -3.88 m 하상이 침식되었다 (Table 4).

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Fig. 6

Comparison of bed elevation change by scenario (with gate and w/o gate).

Table 4.

Upstream and downstream bed elevation changes by scenario

Reach Scenario 1 (m) Scenario 2 (m) Remark
Upstream Deposition 2.55 2.54 Scenario 1: gate
full open
Erosion 3.35 4.37
Downstream Deposition 7.08 4.68
Erosion 4.85 3.88

구간별로 검토한 결과, 구담교 구간 (구담교 - 상주보)에서는 최대 +1.09 m 하상이 퇴적되었으며, -1.56 m 하상이 침식되었다. 이 구간은 내성천이 합류 이후에는 내성천으로부터 유입되는 유사량을 고려하지 못하였기 때문에 2017년 기존 단면보다 침식되는 결과를 나타낸 것으로 판단된다. 상주보 구간 (상주보 - 낙단보)에서는 하상이 최대 +2.55 m 퇴적, -1.19 m 침식되었으며 평균 +0.3 m 상승하였다. 또한 상주보 직하류에서 크게 침식하는 경향이 보였다. 이는 보 직상류와 직하류 단면간의 수위차로 인한 침식이 발생한 것으로 판단되며 하류구간에서는 퇴적이 발생하는 것으로 나타났다. 낙단보 구간 (낙단보 - 구미보)에서는 하상이 최대 +0.62 m 퇴적, -3.35 m 침식하였으며 구간 평균 0.13 m 낮아졌다. 이 구간도 마찬가지로 낙단보 직하류구간에서 침식이 발생하였으며 특히 위천 합류부 이후로는 퇴적되는 경향을 보였다. 구미보 구간 (구미보 - 칠곡보)에서는 보 직하류부터 10 km까지 침식되는 경향을 보였으며, 최대 -2.01 m까지 낮아졌다. 보 직하류 10 km부터 하류까지는 최대 +1.53 m 퇴적되었으며 평균 0.11 m 침식하는 것으로 나타났다. 칠곡보 구간에서는 칠곡보 직하류부터 강정고령보까지 전반적으로 하상이 높아지는 경향을 보이며, 최대 +2.07 m까지 퇴적하는 것으로 나타났다. 해당 구간 내에서 최대 침식고는 -0.63 m이며 평균 0.09 m 높아졌다.

강정고령보 구간에서는 하상이 최대 +4.30 m 상승, -2.39 m 하강하였으며 평균 -0.02 m 낮아지는 것으로 나타났다. 보 하류 약 4 km 구간 하상이 낮아졌지만 12 km지점인 금호강이 합류 후에는 하상이 높아지는 경향을 보였다. 달성보 구간에서는 하상이 최대 +0.93 m 상승, -0.99 m로 하강 되었으며 평균 +0.01 m 하상이 높아졌다. 전반적으로 다른 구간에 비해 상대적으로 하상변동이 작은 구간으로 분석되었다. 합천창녕보 구간에서는 전체적으로 최심하상고가 상승하는 경향이 나타났다. 최대 +7.08 m 퇴적, -1.78 m 침식되었으며 평균 +2.35 m 높아지는 것으로 모의되었다. 또한 하류 40 km 지점 황강 합류부 이후 상당량의 유사유입으로 인해 비교적 많은 퇴적현상이 발생하는 것으로 나타났다. 또 하류부에서 남강 합류후에도 퇴적이 발생하는 것으로 모의되었다. 창녕함안보부터 하구둑 구간은 최대 +4.18 m 퇴적, -4.85 m 침식되었으며, 구간 평균은 +0.073 m로 다른 모의 구간에 비해 하상 변동이 작을 것으로 모의되었다.

3.2 시나리오의 구간별 하상변동 결과 비교

Fig. 7은 시나리오 1과 2에 대하여 하상변동 결과를 분석한 것이다. Fig. 7 (a)의 구담교 구간은 구담교 - 상주보의 38.75 km 구간이며 계산에 활용한 단면의 개수는 81개이다. 시나리오 1의 경우 81개의 측선 중에서 52 (64.2%)개의 측선에서 최심하상고가 상승, 29 (35.8%) 개의 측선에서 최심하상고가 하강하는 것을 나타났다. 최심하상고의 퇴적 평균은 +0.21 m, 침식구간 평균은 -0.39 m이다. 최대 퇴적고는 11.54 km 지점에서 +0.92 m이며 최대 침식고는 14 km 지점에서 -1.56 m이다. 대상 측선 중 하상 상승이 발생한 측선이 많았다 (-1.56 m). 시나리오 2의 경우 81개의 측선 중에서 45 (55.6%)개의 측선에서 퇴적, 32 (39.5%)개의 측선에서 침식이 모의 되었다. 퇴적구간 평균은 +0.28 m, 침식구간 평균은 -0.48 m이다. 구간 내 최대값은 각각 +1.00과 -3.83 m이다. 대상 구간은 퇴적이 우세한 것으로 판단되며 11.54 km 지점에서 최대 퇴적고 (+1.00 m) 가 발생하였으며 하류 기점 14 km 지점과 38 km 지점에서 최심하상고가 크게 낮아졌다 (-3.83 m).

Fig. 7 (b)의 상주보 구간은 상주보 - 낙단보의 14.51 km 구간이며 계산에 활용한 단면의 개수는 33개이다. 시나리오 1의 경우 33개의 측선 중에서 28 (84.8%)개의 측선에서 최심하상고 상승, 5 (15.2%)개의 측선에서 최심하상고 하강하는 것을 확인하였다. 상승부 평균은 +0.49 m, 하강부 평균은 -0.49 m이다. 최대 2.25 m 퇴적, 1.19 m 침식이 발생하였다. 대상 측선 중 하상 상승이 즉 퇴적 경향을 보였으며 14 km지점에서 최심하상고가 크게 상승하는 특성을 보였다 (+2.25 m).

시나리오 2의 경우 33개의 측선 중에서 16 (48.5%)개의 측선에서 최심하상고 상승, 17 (51.5%)개의 측선에서 최심하상고 하강으로 모의되었다. 퇴적구간은 평균 +0.62 m, 침식구간은 평균 -0.29 m로 나타났다. 최대값은 +1.86 m, -0.71 m이다. 대상 구간은 전반적으로 침식이 우세하지만, 상주보 직 하류와 낙단보 직 상류 일부구간에서는 퇴적으로 예측되었다 (+1.86 m).

Fig. 7 (c)의 낙단보 구간은 낙단보 - 구미보의 16.67 km 구간이며 계산에 활용한 단면의 개수는 35개이다. 시나리오 1의 경우 35개의 측선 중에서 15 (42.9%)개의 측선에서 퇴적, 19 (54.3%)개의 측선에서 침식으로 예측되었다. 퇴적 구간은 평균 +0.24 m, 침식 구간은 평균 -0.48 m이며 최대 값은 각각 +0.65 m, -3.35 m이다. 대상 구간은 침식 특성이 우세한 구간으로 나타났으며 특히 낙단보 직하류지점에서 크게 낮아지는 경향을 보였다 (-3.35 m). 시나리오 2의 경우 33개의 측선 중에서 13 (37.1%)개의 측선에서 최심하상고가 상승, 21 (60.0%)개의 측선에서 최심하상고가 하강하는 것을 확인하였다. 구간 내의 퇴적부는 평균 +0.25 m 상승하였고 침식부는 -0.39 m로 나타났다. 최대값은 각각 +0.55 m, -2.20 m이다. 대상 구간은 침식현상이 우세하였으며 낙단보 직하류지점에서 최심하상고가 크게 낮아지며 (-2.20 m) 하류로 갈수록 점차 하상고가 높아지는 경향을 보였다.

Fig. 7 (d)의 구미보 구간은 구미보 - 칠곡보까지의 26.080 km 구간이며 계산에 활용한 단면의 개수는 53개이다. 시나리오 1의 경우 53개의 측선 중에서 24 (45.3%)개의 측선에서 퇴적, 28 (52.8%)개의 측선에서 침식으로 나타났다. 퇴적부 평균은 +0.44 m, 침식부 평균은 -0.59 m이며 최대 퇴적 및 침식고는 각각 +0.16 m, -1.87 m이다. 대상 구간은 침식이 우세하였으며 최대 침식은 하류 기점 18 km 지점에서 발생하였다 (-1.87 m). 시나리오 2의 경우 53개의 측선 중에서 32 (60.4%)개의 측선에서 퇴적, 20 (37.7%)개의 측선에서 침식으로 모의되었다. 퇴적 구간 평균 최심하상고는 +0.63 m로, 침식 구간의 경우 평균 -0.69 m 낮아졌다. 최대값은 +2.54 m, -4.37 m로 나타났다. 대상 구간은 퇴적이 우세하나 하류기점 25.8 km에서 최심하상고가 크게 낮아지는 (-4.37 m) 것을 확인하였다.

Fig. 7 (e)의 칠곡보 구간은 칠곡보 - 강정고령보까지의 24.68 km 구간이며 계산에 활용한 단면의 개수는 50개이다. 시나리오 1의 경우 50개의 측선 중에서 31 (62.0%)개의 측선에서 최심하상고 상승, 19 (38.0%)개의 측선에서 최심하상고 하강하는 것을 확인하였다. 퇴적 구간의 평균 최심하상고는 +0.31 m, 침식 구간의 경우 평균 -0.26 m로 나타났다. 구간 내 최대값은 각각 +2.07 m, -0.63 m이다. 대상 구간은 퇴적 특성이 우세하였으며 특히24.68 km 지점에서 크게 상승하는 것으로 모의되었다 (+2.07 m). 시나리오 2의 경우 50개의 측선 중에서 22 (44.0%)개의 측선에서 퇴적, 28 (56.0%)개의 측선에서 침식되는 것으로 모의되었다. 퇴적구간은 평균 +0.46 m, 침식 구간은 평균 -0.55 m이며 구간 내 최대값은 +1.24 m, -1.51 m 이다. 대상 구간은 침식되는 경향을 보였으며 특히 하류 4.6 km에서 최심하상고가 크게 낮아지는 것으로 예측되었다 (1.51 m).

Fig. 7 (f)의 강정고령보 구간은 강정고령보 - 달성보까지의 19.36 km 구간이며 계산에 활용한 단면의 개수는 46개이다. 시나리오 1의 경우 46개의 측선 중에서 29 (63.0%)개의 측선에서 퇴적, 15 (32.6%)개의 측선에서 침식으로 나타났으며 퇴적부의 경우 평균 +0.49 m, 침식부의 경우 -0.74 m이다. 구간 내 최대 변동고는 +4.30 m (10.14 km), -1.88 m이며 대상 구간 대부분 퇴적되는 경향을 보이고 있다. 시나리오 2의 경우 46개의 측선 중에서 16 (34.8%)개의 측선에서 퇴적, 29 (63.0%)개의 측선에서 침식되었으며 퇴적부는 평균 +0.95 m 상승, 침식구간의 경우 -0.75 m 낮아졌다. 구간 내 최대 상승부는 10.01 km지점에서 +4.68 m이며 최대 하강부의 최심하상고의 변화는 18.32 km 지점에서 -2.09 m로 나타났다. 대상 구간은 침식 경향이 우세한 것으로 나타났다.

Fig. 7 (g)의 달성보 구간은 달성보 - 합천창녕보까지의 28.22 km 구간이며 계산에 활용한 단면의 개수는 65개이다. 시나리오 1의 경우 65개의 측선 중에서 27 (41.5%)개의 측선에서 상승, 30 (46.2%)개의 측선에서 하강하는 것을 확인하였다. 퇴적구간 평균 최심하상고는 +0.21 m, 침식구간의 경우 평균 -0.18 m로 낮아졌다. 구간 내 최대 변동고는 +0.93 m (20.49 km), -0.99 (24.68 km) m로 모의되었으며, 구간은 침식이 우세한 구간으로 모의되었다. 시나리오 2의 경우 65개의 측선 중에서 25 (38.5%)개의 측선에서 퇴적, 40 (61.5%)개의 측선에서 침식으로 나타났으며 퇴적부와 침식부 평균 최심하상고는 각각 +0.90 m, -0.49 m이다. 구간 내 최대 퇴적고는 하류기점 1.01 km지점에서 +3.90 m, 24.68 km 지점에서 -1.31 m이다. 이 구간은 침식이 퇴적보다 우세한 것으로 나타났다.

Fig. 7 (h)의 합천창녕보 구간은 합천창녕보 - 창녕함안보까지의 42.03 km 구간이며 계산에 활용한 단면의 개수는 100개이다. 시나리오 1의 경우 100개의 측선 중에서 96 (96.0%)개의 측선에서 퇴적, 4 (4.0%)개의 측선에서 침식되었으며 퇴적부와 침식부 각각 평균 +2.50 m, -0.54 m로 모의되었다. 구간 내 최대값은 +7.08 m, -1.78 m이며 이 구간의 경우 황강과 남강에서 유입되는 유사로 인해 하상이 상승되는 것으로 예상된다. 시나리오 2의 경우 100개의 측선 중에서 47 (47.0%)개의 측선에서 상승, 52 (52.0%) 하강하는 것으로 모의 되었다. 퇴적과 침식되는 구간 평균은 각각 +0.83 m, -0.63 m이며 구간 내 최대 상승고는 +3.85 m, 하강고는 -3.88 m로 나타났다. 특히 하류기준 41.47 km 지점에서 시나리오 1, 시나리오 2 모두 하강하는 현상은 보와 하류 단면간의 수위차로 인하여 침식이 발생한 것으로 예상된다.

Fig. 7 (i)의 창녕함안보 구간은 창녕함안보 - 하구둑까지의 74.93 km 구간이며 계산에 활용한 단면의 개수는 187개이다. 시나리오 1의 경우 187개의 측선 중에서 109 (58.3%)개의 측선에서 퇴적, 78 (41.7%)개의 측선에서 침식으로 나타났으며 구간내 퇴적부와 침식부의 구간 평균은 +0.97 m, -1.23 m이다. 최대 변동고는 0.72 km 지점에서 +4.18 m, 4.48 km 지점에서 -4.85 m로 나타났다. 대상 구간은 퇴적현상이 비교적 우세하였다. 시나리오 2의 경우 187개의 측선 중에서 85 (45.5%)개의 측선에서 상승, 90 (48.1%)개의 측선에서 하강을 보였으며 퇴적 및 침식 구간별 평균 변화고는 각각 +0.15 m, -0.13 m이다. 구간 내 최대 퇴적고는 하류기점 70.87 km지점에서 +1.59 m, 74.24 km 지점에서 -2.18 m이다. 이 구간은 침식 경향이 좀더 우세한 것으로 나타났다.

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Fig. 7

Comparison of bed elevation change (initial, w/o gate and with gate).

4. 결 론

본 연구에서는 낙동강 구담교부터 하구둑까지 292.37 km 구간에 대하여 HEC-RAS 프로그램을 이용하여 하상변동 모형을 구축하고 2개의 시나리오에 대해 하상변동 분석을 수행하였다. 시나리오 1은 수문 전면 개방 (w/o gate) 의 조건이며 시나리오 2는 수문 설치 (with gate)의 조건이다. 시나리오 1은 낙동강에 설치된 8개 다기능 보 수문이 향후 전면 개방될 경우를 가정하여 기존 구간 분할된 모형 (시나리오 2)과의 비교를 통해 하상변동 경향을 살펴보았다. 하상변동 모의 기간은 2017년 1월 1일부터 2019년 12월 31일까지이며 결론은 다음과 같다.

첫째, 낙동강 본류 전구간의 수집된 측량자료, 유량자료를 활용하여 하상변동 분석을 수행한 결과, 내성천 합류점 상류 구간 (240 km 이상) 에서는 대규모의 하상변동은 없었으며, 대부분 국부적인 현상에 머물고 있음을 확인하였다.

둘째, 낙동강 전체구간에서 수문을 전면 개방한 조건에서의 하상변동모의 결과는 수문이 있는 경우에 비해 퇴적되는 경향이 우세한 것으로 예측되었다. 특히 합천창녕보 - 창녕함안보 구간에서는 다른 구간에 비해 많은 하상변동이 발생하였다. 또한 수문 전면 개방조건에서 해당 구간 대부분 (약 40 km)에서 퇴적으로 예측되었으며 이는 상류 및 지류에서 유입된 유사가 하류인 합천창녕보 - 창녕함안보구간에서 퇴적된 것으로 추정된다. 하지만 본 연구의 경우 3년간 모의기간을 통해 도출된 하상변동 추이이므로 장기하상변동 모의를 통해 재검토할 필요가 있다.

마지막으로, 총 650개의 단면 중에서 시나리오 1은 411 (63.2%)개의 측선에서 퇴적, 227 (34.9%)개의 침식이 발생하였고 시나리오 2는 301 (46.3%)개의 측선에서 퇴적, 3329 (50.6%)개의 침식이 발생하였다. 수문을 전면 개방하여 모의할 경우, 16.9% 더 퇴적되는 양상을 보였다. 구담교, 낙단보, 강정고령보, 합천창녕보 구간에서는 두 시나리오 모두 보 직하류에서 침식이 발생하는 공통점을 보이므로 향후 지속적인 모니터링을 통해 하천의 변화와 그에 따른 홍수영향을 검토할 필요가 있다.

본 연구에서 수행한 하상변동 예측은 검증 가능한 측량성과와의 비교가 요구되나 자료 부재로 단순 예측이라는 연구 한계를 포함하고 있다. 하지만 기존 연구보고서 (BAI 2018)의 모형 하류 경계조건과 동일하게 구성되어 있어 어느 정도의 검증절차를 거쳤다고 판단할 수 있다. 향후 지속적인 모니터링을 통하여 정확한 데이터를 수집할 수 있다면 보다 신뢰도 높은 결과를 도출해 낼 수 있을 것으로 기대된다.

Acknowledgements

본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원 지원 (과제번호 20DPIW-C153746-02)으로 수행되었습니다.

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