1. 서 론

하천 환경에서의 하상 변동은 하천 생태계 유지, 홍수 위험 관리, 수자원 개발 등 다양한 분야에서 중요한 연구 주제로 부각되고 있다. 하천 내 유사 이동은 하천의 형태와 수리학적 특성을 변화시키며, 침식과 퇴적은 하천 환경 및 구조물 안정성에 직·간접적인 영향을 미친다. 특히, 상류에서 유입되는 유사량은 하상 변동의 주요 원인으로 작용하며, 이는 하천 복원, 수리 구조물 설계, 홍수 관리 등 다양한 실무 분야에서 중요한 자료로 활용되고 있다.

최근 연구에서는 하천 내 유사 이동과 하상 변동을 정밀하게 이해하기 위해 다양한 수치 모델과 실측 데이터를 결합한 방법론이 제안되고 있다. 하상 변동 모델은 효율성과 적용 가능성에서 널리 활용되고 있으며, 유사 이동과 하상 변동을 정량적으로 분석하는 데 효과적이다. 1차원 모델은 여전히 유역 전체의 최심 하상고 변화를 분석하는 데 선호되는 도구로, 단순성과 계산 효율성을 제공한다. 반면, 2차원 및 3차원 수치 모델은 복잡한 하천 흐름 및 유사 이동 해석에 강점을 가지지만, 높은 데이터 요구사항과 계산 비용으로 인해 제한적으로 사용되고 있다. 이러한 하상 변동 분석에서 유사량 데이터는 침식과 퇴적 양상을 예측하고 하천 복원 및 관리 계획을 수립하는 데 기초 자료로 활용된다. 특히, 유사량 데이터는 모델 예측값을 실험 및 현장 데이터와 비교하여 모델 신뢰성을 검증하는 데 필수적이다(Snigur and Potapov 2018). 그러나 유사량 데이터 수집의 어려움과 모델이 복잡한 퇴적물 동역학을 완전히 반영하지 못하는 한계는 여전히 중요한 도전 과제로 남아 있다.

또한 미계측 하천 구간에서 유사량을 추정하는 것은 데이터 부재로 인해 매우 복잡한 문제이다. 이를 해결하기 위해 다양한 방법론이 개발되었으며, 리모트 센싱, 수문학적 모델링, 데이터 마이닝 기법을 활용하는 접근법이 주목받고 있다. Sathya (2023)는 지역 유량 지속 곡선(Regional Flow Duration Curve, RFDC)을 활용하여 유량 백분위수와 유역 특성(면적, 고도, 토지 이용 등) 간의 회귀 관계를 통해 미계측 지점에서 유사량을 예측하였다. 또한 리모트 센싱은 강폭, 수심, 유속 등의 매개변수를 활용하여 하천 유량과 유사량을 추정하는 데 유용한 도구로 활용되고 있다(Kebede et al. 2020). 유속, 수심, 하폭 등 변수들을 고려한 데이터 마이닝의 트리 모델은 유사량 예측에 효과적으로 활용되며, 장기 유사 데이터가 유효할 경우 높은 정확성을 보이는 것으로 알려져 있다(Jang et al. 2018, Jang et al. 2023).

본 연구는 감천 유역 하류 구간을 대상으로 1차원 하상 변동 모델(HEC-RAS)을 구축하고, 상류 경계 조건에서 유사량을 추정하여 이를 초기 입력값으로 활용하였다. Jang et al. (2023)의 유사량 추정 방법론을 적용하여 지품교의 유사량을 산출하였으며, 김천교에서 관측된 유사량과의 비교를 통해 모델링 결과를 검증하였다. 이를 통해 상류 경계 조건에서의 유사량 추정이 하천 모델링 신뢰성에 미치는 영향을 평가하고, 하천 관리 및 복원 계획 수립을 위한 기초 데이터를 제공하고자 한다.

2. 대상 구간의 개요 및 모형의 구축

2.1 감천 유역의 개요

경상북도 김천시와 구미시를 흐르는 국가하천인 감천은 유로 연장 69.0 km, 유역 면적 1,004.4 km²를 가진 하천이다. 김천시 대덕면 대리 월매산 서북쪽에서 발원하여 지방하천으로 시작되며, 조마면과 구성면 경계에서 국가하천으로 지정된다(Busan Construction and Management Administration 2016). 이후 김천시 중심부와 개령면을 거쳐 구미시 선산읍과 고아읍의 경계를 따라 흐르다가 낙동강으로 합류한다(Busan Construction and Management Administration 2016). 감천 유역은 낙동강 유역 총면적 23,384 km2 중 약 4.3%를 차지하며, 동경 127°52′32″ ~ 128°21′10″, 북위 35°50′52″ ~ 36°18′11″ 사이에 위치하고 있다(Busan Construction and Management Administration 2016). 감천 유역에는 국가하천 1개소와 지방하천 17개소가 있으며, 감천 본류에는 14개의 1차 지류와 3개의 2차 지류가 연결되어 있다(Table 1, Fig. 1) (Busan Construction and Management Administration 2016).

감천의 제방은 대부분 1970년 이전에 축조되었으며, 이후 일부 구간에서 보강이 이루어졌으나 큰 유로 변경은 없었다. 국가하천 상류 구간의 주요 인공구조물로는 장암보와 황금보가 있으며, 이들은 1990년 이전에 설치된 시설물로 하도 변경에 미치는 영향은 제한적일 것으로 보인다. 그러나 낙동강 살리기 사업으로 인해 낙동강 본류와 감천 간의 하상고 차이가 발생하면서 감천에서 낙동강으로 지속적인 유사 유입 가능성이 제기되고 있다(Busan Construction and Management Administration 2016).

감천 유역에서의 토지 변화는 주로 댐 축조에 따른 하천의 호소화와 김천시 및 구미시의 도시화에 기인한다(Busan Construction and Management Administration 2016). 이는 도시 면적 증가로 이어져 홍수 유출량 증가와 상류 지역의 토사 유출 차단을 초래하며, 하류로 이동하는 퇴적 양상이 나타났다(Busan Construction and Management Administration 2016). 특히, 율곡천 상류에 위치한 혁신도시 개발로 인해 유사 공급이 일부 감소했을 것으로 추정되며, 장기적으로도 도시화 사업의 지속으로 유사 공급 감소가 예상된다. 또한, 부항천 상류에 위치한 부항댐의 건설로 인해 유사 공급이 추가적으로 감소할 가능성이 있다(Busan Construction and Management Administration 2016).

Fig. 1.

Area of study in Gamcheon watershed.

2.2 HEC-RAS 모형

HEC-RAS (Hydrologic Engineering Center - River Analysis System)는 하천과 수로의 수리학적 해석을 위해 미국 육군 공병대 산하의 수리공학 센터에서 개발된 수치 모델로, 하천 및 수로의 수리학적 해석을 수행하기 위해 설계되었다(U.S. Army Corps of Engineers 2020). 이 프로그램은 하천 흐름, 수위, 침식 및 퇴적 과정을 분석하고 예측하며, 홍수 해석, 하천 설계, 수질 모델링 등 다양한 수리공학적 문제를 해결하는 데 활용된다(U.S. Army Corps of Engineers 2020).

HEC-RAS는 1차원 및 2차원 흐름 해석을 지원하며, 1차원 해석은 하천의 길이 방향 흐름을, 2차원 해석은 하천뿐만 아니라 주변 지역의 흐름도 분석한다(U.S. Army Corps of Engineers 2020). 이 모델은 사용자가 지정한 경로를 따라 수위와 유량을 계산하고 다양한 경계 조건을 반영하여 해석 결과를 산출하며, 이를 통해 홍수 예측, 댐 설계, 수로 설계 등 다양한 응용이 가능하다(U.S. Army Corps of Engineers 2020).

2.3 지형 및 유량-수위 관측 자료

HEC-RAS에서 1차원 흐름을 모의하기 위해 지형 자료를 구축하는 것은 정확한 해석 결과를 도출하기 위한 핵심 단계이다. 이 과정에서는 하천의 지형을 세밀하고 정확하게 표현하며, 흐름 해석에 필요한 경계 조건을 설정하여 모의 결과의 신뢰성을 확보하는 것이 중요하다. 1차원 흐름 해석에 필요한 지형 자료는 하천 수로의 단면과 형상을 포함하며, 본 연구에서는 2016년에 수립된 [감천 중·하류권역 하천기본계획(변경)]의 자료와 최신 RIMGIS 데이터를 활용하여 HEC-RAS 지형 데이터를 구축하였다.

본 연구에서는 감천 유역의 하상 변동을 모델링하기 위해 기존에 구축된 지형 자료를 활용하였으며, 2023년에 실제 발생한 홍수 시나리오를 기반으로 수위-유량 조건을 설정하였다. 감천 구간에서는 국가하천과 지방하천 모두에서 수위 관측이 이루어졌으며, 해당 관측 자료는 홍수통제소와 WAMIS에서 제공한 데이터를 사용하였다. 상류 구간의 유량 자료는 지품교에서 수집되었고, 하류단 수위 자료는 선주교의 자료를 활용하였으며, 하상토 데이터는 김천교에서 확보하여, 이를 바탕으로 활용하였으며(Fig. 2),전체 구간의 하상 변동을 분석하였다.

Fig. 2.

The upstream boundary condition of flow discharge at Jipum-gyo compared with the downstream boundary condition of water level at Seonju-gyo.

2.4 경계 조건 및 매개 변수

하천 모델링의 상류 경계 조건은 시작점에서 흐름을 정의하는 요소로, 유량, 수위, 속도 등이 포함된다. 본 연구에서는 [감천 중·하류권역 하천기본계획(변경) (2016)]에서 제시된 계획 홍수 빈도를 상류 경계 조건으로 설정하였다. 하류 경계 조건은 모델의 끝점에서 흐름을 정의하며, 계획 홍수 빈도에 맞춰 일정한 수위를 지정하는 방식으로 설정되었다.

하천 흐름에 대한 저항을 나타내는 Manning’s n 값은 하천 바닥과 제방의 표면 상태에 따라 달라지며, 흐름 속도와 수위에 큰 영향을 미친다. 식생이 많은 지역은 높은 Manning’s n 값을 가지며, 콘크리트로 구성된 수로는 낮은 값을 갖는다. 본 연구에서는 [감천 중·하류권역 하천기본계획(변경)(2016)]에서 설정한 감천 본류의 조도계수를 사용하였다. 이 값은 하천설계기준·해설(Korea Water Resources Association 2009)에 제시된 지형 특성에 따른 조도계수를 참고하여 감천의 하상재료와 제방 현황을 고려하여 적용된 것이며 Table 2에 정리하였다.

3. 미계측 경계 조건에서의 유입 유사량 추정

하상 변동 모델링에서는 유입 유사량의 정확도가 결과에 큰 영향을 미친다. 유입 유사량은 상류에서 하천으로 이동하는 퇴적물의 양을 의미하며, 하천 내 유사 이송 과정과 상호작용하여 하상의 침식 또는 퇴적을 유발한다. 하천 내 퇴적물 이동과 하상 변동은 질량 보존 법칙을 기반으로 분석되며, Exner 방정식을 통해 하천 내 퇴적물 이동과 하상 변동이 분석된다. 하상고의 시간적 변화량은 유사 이송량의 공간적 변화율과 직접적으로 연결된다. 즉, 상류로부터 유입된 유사량과 하류로 이송된 유사량의 균형 여부가 하상의 변동을 결정한다. 이러한 유입 유사량은 하천 모델링에서 초기 및 경계 조건으로 사용되며, 하천 내 하상 변동 등을 예측하는 데 활용된다.

본 연구의 대상 구간은 상류 지품교에서 하류 낙동강 합류부까지를 포함한다. 그러나 상류 지점인 지품교에서는 유사량에 대한 직접적인 관측이 이루어지지 않아, 김천교에서 측정된 유사량 자료를 활용하는 것이 일반적이다. 하지만 하천의 물리적 특성은 공간적으로 매우 이질적이기 때문에, 같은 하천이라도 위치에 따라 유사량이 달라질 수 있다. 따라서 정확한 분석을 위해 미계측 지점인 지품교에서의 유입 유사량을 추정할 필요가 있었다. 이를 위해 Jang et al. (2023)에서 제안된 미계측 지점의 유사량 추정 방법을 적용하였다. 이 방법은 유사량 추정에 필요한 입력 변수로 하폭, 유속, 수심, 경사, 하상토의 중앙입경 등을 포함하며, 본 연구에서는 2023년에 계측된 수리학적 정보를 활용하여 지품교에서의 유사량을 추정하였다(Table 3).

Fig. 3은 지품교에서의 유량과 유사량 추정치를 나타낸 결과이다. 2023년 지품교에서의 유량은 7월 중순과 8월 말 두 시기에 첨두 홍수량을 기록하였다. 특히 8월 말, 유량이 약 90 m³/s 급증하면서 유사량 또한 약 2,400 tons/day 이상으로 추정되었다. Fig. 3을 보면, 유량이 감소할 때 유사량 또한 빠르게 감소하는 경향을 확인할 수 있다. 다만, 감소 속도에는 다소 차이가 있어, 유사 이송 및 퇴적 과정에서의 비선형적 특성과 관계가 있을 것으로 판단된다. 본 연구에서 활용된 지품교 유사량 데이터는 관측값이 아닌 예측 모델 기반 추정치임에도 불구하고, 유량과 유사량 간의 관계를 비교적 잘 재현하고 있음을 확인할 수 있었다. 또한 예측 모델이 해당 지점의 물리적 조건을 적절히 반영하였음을 시사하며, 추정된 유사량이 하천 퇴적물 이동 분석에 신뢰성 있는 입력값으로 활용될 수 있음을 보여준다.

Fig. 3.

Estimated relationship between flow discharge and sediment discharge at the Jipum-gyo.

지품교 지점에서 추정된 유량-유사량 관계곡선과 김천교 지점에서 실제로 측정된 유량-유사량 관계곡선을 비교하였다(Fig. 4). 김천교 지점의 유량-유사량은 한국수자원조사기술원의 2023년도 수문조사 보고서를 참고하였다(Korea Water Resources Survey Technology Institute 2023). 지품교의 경우, 강우 시 유사량 증가 속도가 상대적으로 완만하게 나타나는 반면, 김천교에서는 유량 증가에 따른 유사량이 급격히 증가하는 패턴을 보인다. 김천교는 상류에서 유입된 유사량과 함께 지류로부터 추가적으로 공급되는 유사량의 영향을 받아 유사량 발생이 더 크게 나타나는 것으로 해석할 수 있다. Fig. 4를 통해 상류(지품교)와 하류(김천교)에서 유량과 유사량 간의 관계를 비교함으로써, 두 지점 간 물리적 조건 차이가 유사 이동에 미치는 영향을 확인할 수 있었다. 특히, 이러한 분석은 하상 변동 예측 및 모델링 시 상류 경계조건에서의 유사량 추정이 매우 중요한 요소임을 입증한다. 이는 상류 지점에서 정확한 유사량 입력값을 설정하지 못할 경우, 하류에서의 퇴적 및 침식 예측이 왜곡될 가능성이 있음을 시사한다.

Fig. 4.

Comparison flow-sediment relationship curve using the measured data at Gimcheon-gyo and the estimated data at Jipum-gyo.

4. 추정된 유사량 및 유역 내 계측 유사량 자료를 활용한 하상 변동 비교

본 연구에서는 추정된 유사량과 유역 내 유일한 유사량 관측소의 실제 유사량 자료를 활용하여 1차원 하상 변동 모의를 수행한 후 이를 비교하였다. Fig. 5는 거리에 따른 하상 고도 변화를 보여주며, 하천의 주요 교량을 표기하였다. 지품교 추정 유사량과 김천교 실제 유사량을 사용한 결과는 전반적으로 비슷한 경향을 보이지만, 특정 구간에서 약간의 차이가 나타났다. 상류 구간에서는 두 결과 간 차이가 상대적으로 큰 것을 알 수 있다. 중류로 내려오면서 두 결과가 점점 유사해지는 경향이 관찰되었다. 이는 중류 구간에서 지품교 추정 결과가 김천교 실측 데이터에 점진적으로 수렴하고 있음을 예측할 수 있다. 두 결과가 비슷해지는 이유는 하천의 유사 이동 특성이 중류 구간에서 상대적으로 안정화되기 때문으로 판단된다. 하류 구간에서는 두 결과가 거의 동일한 경향을 나타낸다. 이는 하류 구간이 일반적으로 하상 경사가 작고 유속이 느린 편이어서, 이러한 특성이 퇴적을 유발하고 하상 변동이 상대적으로 작게 나타나도록 하기 때문이다. 유사 이동 과정에서 하상 경사가 작을 경우, 유사가 상류에서 이동하더라도 추가적인 유사 퇴적보다는 균형 상태에 도달할 가능성이 크다. 이러한 이유로 하류 구간에서는 어떤 기법을 사용하더라도 하상 고도가 안정적으로 유지되며, 초기 조건과 유사한 경향을 보이는 것으로 해석된다. 따라서 유사량 모델의 선택은 하류 구간보다는 상류 구간에서 더 신중하게 이루어져야 할 것으로 판단된다.

Fig. 5.

Comparison of bed elevation changes along the Gamcheon using estimated sediment discharge at Jipum-gyo station and measured sediment discharge at Gimcheon-gyo station.

두 결과 모든 지점에서의 하상 변동량을 평균하면 지품교 유사량 활용시 -0.01021 m, 김천교 유사량 활용시 -0.00037 m로 거의 변화가 없음을 알 수 있다. 지품교 유사량 활용한 케이스의 경우 상류 장암교를 내려오며 가장 큰 -1.179 m의 침식이 발생하였으며, 감천철교 지점에서 1.269 m의 퇴적이 발생하는 것으로 나타났다. 김천교 유사량을 활용한 케이스에서는 감포교 상류에서 -0.679 m 침식이 발생하고 감포교와 선산감천교 사이 구간에서 0.66 m 퇴적이 발생하였다.

구간별로 세부적인 결과를 분석하기 위해 하천을 구분하여 살펴보았다(Fig. 6). 하류 구간에서는 지품교 추정 유사량을 활용한 결과에서 퇴적 양상이 나타난 반면, 김천교 관측 유사량을 활용한 결과는 초기 하상 고도와 거의 유사한 경향을 보였다. 황산교 상류 구간에서는 두 결과가 거의 일치하는 것으로 나타났다. 16 km ~ 28 km 구간(교량이 비교적 많은 하류 구간)에서는, 김천교 관측 유사량을 활용한 경우 하상 변화가 거의 발생하지 않았다. 반면, 지품교 추정 유사량을 활용한 경우 국부적으로 침식과 퇴적이 반복되는 경향을 보였다. 특히 경부고속철도교 인근에서는 초기 하상 고도에 비해 퇴적 현상이 발생하는 것으로 분석되었다. 상류 구간에서는 양감교와 장암교 사이에서 지품교 추정 유사량을 활용한 결과 퇴적이 발생했으며, 장암교 인근까지 이러한 퇴적 현상이 이어졌다. 전반적으로 지품교 추정 유사량을 활용한 경우가 김천교 관측 유사량을 활용한 경우보다 퇴적이 발생하는 구간이 더 많은 것으로 나타났다. Fig. 4의 두 지점 간 유사량 데이터를 보면, 저유량 구간(100 m³/s 이하)에서는 지품교에서의 유사량이 김천교보다 더 큰 값을 나타내지만, 100 m³/s 이상의 고유량 구간에서는 김천교에서의 유사량이 월등히 크게 발생하는 것을 확인할 수 있다. 본 연구에서 활용된 2023년 실제 유량 데이터는 8월 홍수를 제외하고 대부분 100 m³/s 이하였으므로, 지품교 추정 유사 모델을 활용한 경우 김천교 관측값보다 더 많은 유사량이 추정되었을 가능성이 높다고 판단된다.

Fig. 6.

Comparison of bed elevation changes in selected sections using estimated sediment discharge at Jipum-gyo station and measured sediment discharge at Gimcheon-gyo station.

5. 결 론

본 연구에서는 낙동강 유역 감천 하류 구간을 대상으로 1차원 하상 변동 모델(HEC-RAS)을 구축하고, 미계측 경계 조건에서의 유입 유사량 추정과 이를 활용한 하상 변동 분석을 수행하였다. 상류 지점인 지품교에서 유사량 관측 데이터가 부재한 문제를 해결하기 위해 Jang et al. (2023)의 방법론을 적용하여 유사량을 추정하였으며, 이를 하상 변동 모델링의 초기 입력값으로 활용하였다.

미계측 경계 조건에서의 유사량 추정은 관측 데이터가 부족한 구간에서도 하천 모델링을 가능하게 하며, 하상 변동 해석의 기초 자료로 활용될 수 있음을 본 연구를 통해 입증하였다. 지품교에서 추정된 유사량은 하상 변동 모델링의 신뢰성을 높이는 초기 경계 조건으로 적용되었으며, 김천교에서 관측된 유사량과 비교하여 상류에서 하류로 이어지는 감천 구간의 침식 및 퇴적 패턴에 미치는 영향을 분석하는 데 활용되었다.

개발된 추정 모델에 의한 지품교 유사량과 김천교 관측 유사량을 활용한 하상 변동 분석 결과 상류 구간에서는 두 결과 간 차이가 크게 나타났으나, 하류 구간으로 갈수록 점차 유사한 경향을 보였다. 상류 구간에서는 지품교의 추정 유사량을 활용한 결과가 김천교 관측 데이터를 활용한 경우보다 퇴적 구간이 더 많은 것으로 나타났다. 반면, 하류로 진행될 수록 두 결과 모두 초기 하상 고도와 유사한 경향을 보여 하류보다는 상류 구간에서 보다 신중한 유사 모델의 선택이 요구된다.

본 연구는 미계측 지점에서의 유사량 추정이 하천 모델링의 핵심 요소로서 관측 데이터가 부족한 상황에서도 하상 변동을 분석할 수 있는 가능성을 제시하였다. 상류 경계 조건에서 추정된 유사량은 하류 구간의 침식 및 퇴적 특성을 해석하는 데 중요한 역할을 하며, 하천 복원 및 관리 계획 수립을 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 다만, 유사량 추정 과정에서 사용된 모델링 기법의 정확도와 불확실성, 추정된 유사량이 실제 하상 변동과 얼마나 일치하는지에 대한 실측 데이터와의 검토가 보완될 필요가 있다. 또한, 연구에서 제안한 방법론이 다른 유역 또는 다양한 하천 조건에서도 동일한 결과를 보일 수 있는지에 대한 검증이 이루어진다면, 본 연구의 활용성과 신뢰성을 더욱 높일 수 있을 것으로 기대된다.