Vol. 50 No 12. 2017. 12 | 21
학술/기술기사
Water for Future
1. 머리말
자연형 하천 조성사업은 종래의 치수·이수를 목적으로 이루어지던 하천정비사업을 환경친화적 요소를 추가하여 수질개선 및 수생태계 건강성을 회복하는 것을 주요 목적으로 1990년대 처음 추 진되었다. 이러한 자연형 하천 조성사업이 어느덧 20여년의 세월이 흘러 지금은 생태하천 복원사업 이라는 이름으로 전국각지의 지차체를 중심으로 활발히 이루어지고 있다. 먼저 하천의 자연적 환 경조성 사업에 관한 용어들을 정리하여 보면 다음 과 같이 요약할 수 있다.
① 보호(conservation, protection) : 생태계를 외 적 간섭이나 파괴로부터 지키는 것
② 복원(restoration) : 자연의 회복력을 기대하여 필요에 따라 관리하고 원래부터 그 곳에 존재 하고 있던 생태계를 회복하는 것
③ 재생(rehabilitation) : 생태계가 훼손되었을
경우, 가능한 한 본래의 환경에 가깝게 생태계 를 회복시키는 것
④ 창출(creation) : 복원·재생하여야 곳의 생태계 환경이 빈약할 경우, 지역 환경에 맞게 적절한 수단을 동원하여 새로운 생태계를 조성하는 것 이러한 자연적 환경조성 사업의 효과로는 생물 다양성의 증진, 아름다운 자연경관 형성, 하천의 자연정화작용 촉진 등이 있으며, 문제점으로는 홍 수시에 수위를 증가시킬 가능성, 홍수에 의해 파괴 되어 유지가 곤란할 가능성, 종종 친수성과 양립되 지 않을 가능성 등을 열거 할 수 있다. 단조롭고 직 선화된 인공적인 하천에 자연석이나 콘크리트호안 대신 식생이 자랄 수 있는 호안으로 대체하는 등 다양한 친환경적 공법이 시공되어 왔으나 이러한 공법들은 하천정비기술자들의 경험적 시행착오를 거쳐 이루어 진 것이 사실이다. 지금까지 자연형 하천 조성사업의 문제점으로 지적할 수 있는 사항 은 자연형이라는 개념의 이해와 인식이 널리 퍼져 있지 않고, 환경변화에 대한 응답이 과학적으로 명 확하지 않으며, 현장경험에 대한 정보나 지식이 공 유되어 있지 않다는 점이다. 그리고 사후조사가 충 분히 이루지지 않고 있으며, 그 평가에 대한 기준 이 모호한 것이 문제점이라 할 수 있다.
자연형 하천 조성에 대한 접근법으로 어떤 종 (種)이 좋아하는 물리적 상태를 파악하고, 그 종의 출현빈도로부터 하천 자연환경을 평가하는 방법이
건강한 하천 조성을 위한 하천구조물의 수리학적 고찰
정재훈
국립환경과학원 물환경평가연구과 전문위원
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있고, 서식생물이 요구하는 물리적 환경의 만족도 로 서식환경을 평가하고 그 평가치를 높일 수 있 는 물리적 환경 개선 대책을 검토하는 방법 등이 있다. 자연형 하천 공법에서 고려되어야 할 점은 하천 본래의 사행·굴곡, 종단형 및 하상재료에 대한 고려, 하천의 자연적 복원력에 대한 고려, 호 안은 최소화하고 생물의 서식 환경에 대한 고려, 여울과 소 및 습지의 보전과 창출에 대한 고려, 수 역(水域)과 육역(陸域)과의 연속성에 대한 고려가 있다. 본 고에서는 대표적인 자연형 하천공법으로 사용되고 있는 하천구조물을 한 예를 소개하고 그 에 대해 수리학적으로 접근하여 고찰하고자 한다.
2. 수제(水制)
수제는 하천의 흐름을 제어하여 제방을 보호하 거나 저수로의 수심을 유지시켜 주운(舟運)에 도움 을 주는 역할을 하는 구조물이다. 우리나라에는 일
제강점기에 일본에 의해 시공된 수제의 흔적이 몇 몇 남아있으나, 유럽이나 중국, 일본 등지에서 오 래전부터 설치하여 이용되어 왔다. 특히 일본의 오 사카시 요도강이나 기후현 기소강의 수제군(水制 群)은 유명한 사례로 들 수 있다. 이러한 수제들은 1873년(메이지시대)에 네들란드 출신의 토목기술 자 요하네스 드 레이케(Johannis de Rijke)에 의해 도입되어 시공되었다. 당시에는 치수 목적으로 설 치된 수제들이 세월이 흘러 지금은 그 기능을 상실 하였으나, 현재는 다양한 수환경을 창출하는 구조 물로 인식되어 각광을 받고 있다<그림 1>. 수제의 주변에는 하천의 흐름에 의해 토사가 침·퇴적되 고, 퇴적된 토사에 의해 완도(わんど, 灣處)라고 하 는 인공습지가 생성된다. 이러한 인공습지는 홍수 기에는 물고기의 대피장소로 이용되며, 산란기에 는 산란장 및 치어들의 서식공간으로 이용된다.
<그림 2>는 수제 주변에 형성되는 흐름을 PIV 실험을 통해 해석하고, 유사실험을 통해 침·퇴적 경향을 분석한 것이다. 이 실험은 홍수기를 고려
그림 1. 일본의 수제군(좌:기소강, 우:요도강) 출처;Google 지도
그림 2. 수제 주변의 유속 벡터도(좌)와 유사퇴적 양상(우)
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건강한 하천 조성을 위한 하천구조물의 수리학적 고찰
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하여 유수가 수제를 월류하는 조건으로 실험한 것 이다. 유속 벡터도(그림 좌)에서 수제 직하류부의 역류가 확인되었으며, 수제간의 중간 영역에서는 상·하류 방향으로 분기되는 흐름구조를 보이고 있다. 이러한 흐름패턴과 동일하게 수제 전후방에 유사가 퇴적된 것을 확인할 수 있으며, 수제와 수 제 사이에도 유사의 비퇴적 구간과 퇴적구간이 형 성되는 것을 볼 수 있다(그림 우). 평수기에는 이 렇게 퇴적된 토사 위에 식생이 번식하게 되고 이 것이 나중에는 흐름의 저항으로 작용하여 퇴적을 촉진시키는 것으로 판단된다.
PIV 실험에서는 수제 주변의 3차원적 흐름 구조 를 파악하기 위하여 대상구간의 수심방향(z-방향) 과 하폭방향(y-방향)으로 조밀하게 촬영하여 유속 을 산정하였다. 또한 2차류 구조를 분석하기 위하여 동일한 좌표계에서 수평단면유속분포(u-v)와 연직 단면유속분포(u-w)의 유속성분을 합성하여 횡단면 유속분포(v-w)를 산정하였다. 이렇게 산정된 횡단 면유속을 2차류 벡터로 <그림 3>에 나타내었다.
3. 인공습지(완도, わんど, 灣處)
수제와 수제 사이에 유사의 퇴적으로 인해 형성 된 인공습지는 다양한 형태를 보이고 있으며 이들 형태를 모델화하여 수리모형 실험을 수행하였다.
인공습지 내와 저수로를 연결하는 입구의 형태에 따라 인공습지 내에서 형성되는 퇴적 양상은 <그 림 4>와 같다. 입구의 형태는 수제의 설치 방향에 따라 결정되며, 상류방향 설치 수제, 하류방향 설 치 수제, 양방향 설치 수제를 가정하여 모델화하 였다. 인공습지 내와 저수로 간의 유사이동을 분 석하기 위하여 인공습지 입구 부근의 연직단면에 대한 횡단유속분포를 도시하였다. 유속의 양의 값 은 인공습지 내에서 저수로로 향하는 흐름을 나타 내며, 음의 값은 그 반대이다. 입구의 형태에 따라 유속분포와 퇴적패턴이 다르게 형성되는 것을 확 인 할 수 있으며, 이 4가지 케이스 중에 가장 퇴적 이 활발히 일어나는 것은 CASE T로 나타났으며 CASE D의 경우가 가장 적은 것으로 나타났다.
그림 3. 수제 주변의 2차류 벡터도
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4. 맺음말
본고에서는 대표적인 친환경 공법인 수제와 인 공습지에 대한 흐름특성과 유사퇴적과 같은 수리 학적 관점에서 고찰하였다. 하지만 실제로 다양
한 공법이 존재하고 있으며, 이러한 공법의 수리 모형 실험과 수치해석 등 다양한 방법을 통해 수 리학적 지식을 축적 및 공유하여 자연형 하천 공 법에 관한 기술이 더욱 창의적으로 발전되기를 기대한다.
그림 4. 다양한 형태의 인공습지 유사퇴적(좌)과 입구 부근의 유속분포(우)
The River Restoration Centre, “Manual of River Restoration Techniques”, http://
www.therrc.co.uk/manual-river-restoration-techniques, 2017.
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1051-1056, 2011.
참고문헌