물의순환(Hydrologic Cycle)

제1장 하천의 특성

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물의순환(Hydrologic Cycle)

물이 이동하는 연속적인 과정

→ 증발, 응축, 강수, 침투, 침루, 유출

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지구 및 우리나라 수자원

물 순환 기간

-해양 : 약 2500년. 빙하 : 1600-9700년,

-지하수 : 1400년, 담수호: 17년, 하천:16일, 대기: 8일

 예비지식

지구상의 수자원 분포

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국가별 수자원 이용률 및 부존량

국 가 명 총수자원량 (억m³) 유출량 (억m³) 이용수량 (억m³) 이용율 (%)

한 국 일 본 미 국 영 국 프 랑 스

1,276 5,312 91,908 1,844 3,576

731 4,490 24,600 1,220 1,680

331 867 4,472 109 264

45 19 18 9 16

 예비지식

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국가별 1인당 연간 사용가능 수자원 (2002년) 순

위 국가명 수자원량 (m

/인)

순

위 국가명 수자원량 (m

/인)

1 2 3 4 6 7 8 9 11 12 13 63

그린랜드 미국 알라스카 구이아나(프)

아이슬란드 수리남

콩고

파푸아뉴기니 가봉

캐나다 뉴질랜드 노르웨이 미국(50개주)

10,767,857 1,563,168 812,121 609,319 292,566 275,679 166,563 133,333 94,353 86,554 854,783 10,837

102 104 106 127 128 133 134 146 151 167 171 180

북한 프랑스

일본 영국 중국 인도 독일 한국 덴마크 이스라엘 싱가포르 쿠웨이트

3,464

3,439

3,383

2,465

2,259

1,880

1,878

1,493

1,128

276

149

10

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국가별 수자원 이용률 및 부존량

 예비지식

 예비지식

▶ 우리나라 수자원의 현황

우리나라의 연간 강수량은 세계 평균보다 크나 높은 인구밀도로 인해 1인당 수 자원 부존량은 매우 적음

- 평균 강수량 : 1,240mm (세계 평균 973mm 의 약 1.3배) - 1인당 강수량 : 2,900㎥/년 (세계 26,800㎥의 11%에 불과)

▶ 우리 나라 수자원 이용현황

(단위 : 억/년)

※ 자료 : 수자원 장기종합계획,06.7

[세계 각국과의 강수량 비교]

구 분 한국 일본 미국 영국 중국 캐나다 세계

평균

연평균 강수량

( ㎜)

1,274 1,749 760 1,064 660 522 970

1 인당 이 용가능량 ( ㎥/년)

2,900 5,500 33,300 4,580 7,650 52,075 26,800

 예비지식

▶ 우리나라는 연도별, 지역별, 계절별 강수량의 차이가 크고, 변화의 폭이 커 수자원 관리에 매우 불리.

▪ 연도별 : 754 - 1,683mm

▪ 지역별 : 경북 1,000mm , 제주 1,650mm

▪ 계절별 : 전체의 2/3가 6-9월에 집중, 여름에는 홍수, 겨울과 봄철에는 가뭄 이 빈발

▶ 우리나라 수자원의 전체 이용량 337억톤 중 자연하천수 취수가 57%나 되어 조 금만 가물어도 취수장애가 발생하므로 이수안전도를 높이기 위한 댐건설이 필요.

▪ 우리나라에 내리는 비의 양을 수자원 총량으로 볼 수 있는데, 연간 약 1,240억㎥

정도이며, 이중 지하로 스며들거나 증발되는 양을 제외하고 하천으로 흘러가는 물 의 양은 723억㎥임.

▪ 이중 522억㎥은 홍수시에 한꺼번에 흘러 가고, 평상시 유출량은 201억㎥에 불과 함.

☞ 홍수를 조절하고 물을 저장하는 다목적댐 및 확보된 물을 지역적으로 고르게 배 분하는 광역상수도 확충이 필요

 예비지식

▶지하수 개발에는 많은 비용이 소요되며, 지반침하, 지하수 오염문제 등이 발 생할 수 있음. 또 우리나라는 대수층의 발달이 빈약하므로 대규모 개발에는 한 계가 있으므로 신중히 접근 할 필요가 있음.

▪ 지하수 이용 가능량 : 연간 136억톤으로 추정

▪ 현재 이용량 : 37억㎥

1-1 하천이란

• 하천 : 자연현상에 의하여 또는 인위적인 작용에 의하여 지표면에 만들어진 물 의 흐름길.

1-1-1 하천과 인생의 일대기

이 바다로 이어지기 이전까지

- 자연과학적 입장의 하천의 정의

지표에 도달한 강수가 중력의 작용 하에 주로 하상의 마찰저항을 받으면서 집중 유하하 는 부분을 하도(river channel)라 하며, 범람하여 단기간 하천수가 존재하는 부분을 홍 수터(flood fringe) 라 하는데, 이들을 통틀어 하천이라 한다.

- 하천법

공공의 이해에 밀접한 관계가 있는 유수의 계통(수계)으로서 그 수계의 하천구역과 하 천부속물을 포함하는 것을 말한다.

• 윤회작용 : 준평원상태에서 태동된 하천의 변천과정이 유년기, 청년기, 장년기, 노년기 그리고 준평원으로 돌고 돌아 오는 작용.

1-1-2 지구표면 개관

• 지구표면을 크게 나누면 지면과 해면으로 구분되는데, 해면은 지면의 약 3배 나 되는 면적을 나타낸다.

1-1-3 하천개수와 하천개발

• 자연하천 : 인공적인 작용을 전혀 가하지 않은 자연발생적인 하천.

• 개수하천 : 인위적으로 계획해 만든 하천(복단면하천).

• 하천개수 : 단일단면을 가진 자연하천에서 하천제방을 축조하여 저수로단면과 홍수터로 이루어진 복단면화 하는 것.

• 하천개발 : 하도 내에서 수위차를 초월하여 선박 등이 상•하류로 항행할 수 있도 록 갑거와 갑문 등을 마련하고 주운을 개설하는 것.

[2] 개수하천의 경우

• 홍수터의 기능

1. 홍수터가 마련됨으로써 수위의 급격한 상승을 억제하여, 제방의 월류을 예방.

2. 하천단면의 급확대로 인하여 하천유속이 감소현상을 도모하여 소류력의 감소로 하상 및 하안의 세굴과 침식을 감소시킴.

• 하천은 하도 내를 흐르고 있는 ①유수, ②유수를 떠받치고 있는 하천구역 내의 하신, ③이들 가운데 살아 쉼 쉬고 있는 어족 이나 식ㆍ생물생태계 등을 총칭 함.

1-2 하천과 인간사회

1-2-1 하반은 인류문병의 출산지

• 인류문명의 발상은 하천연변에서 이루어졌음.

• 황하, 인더스•갠지스강, 나일강, 티그리스•유프라테스강

• 농경사회로 전화하게 되면서 하천변으로 집단생활체가 이동하게 됨.

1-2-2 도시하천의 정화보전

우리나라의 도시하천에서는 교통의 혼잡성이나 주차난의 해결을 이유로 복개공 사를 감행

- 하천친화적인 환경조성 못함 - 하천 오염

- 생태계파괴

→ 하천의 중요성을 인식하고 복개한 하천을 철거하는 추세

→ 자연형 하천으로의 복원이 활발히 진행되고 있음

• 하천의 종류에는 다음과 같은 명칭이 사용되고 있음.

▷ 하천망(河川網)을 형성하는 하나의 수계 중에서 하천의 대소에 따 라 본천(本川), 지 천(支川), 파천(派川)으로 구분

▷ 본천(本川 main river):하천의 합류시 수리학적으로 주요하거나, 유역면적이 가장 큰 하천

▷ 지천(支川 tributary) : 본천에 합류하는 것 하천

▷ 파천(派川 branch river) : 본천에서 분리되는 하천

• 국가하천 : 국토교통부 장관

• 지방 1급 하천 : 시‧도지사(지방관서장)

• 지방 2급 하천 : 국토교통부장관 권한의 일부를 관할지역의 지방관서장에게 이양하여 관리하도록 함.

• 소하천 : 지정과 관리는 당해 지역의 시장, 군수, 자치구청장 등이 관리하여, 안전행정부 장관의 승인을 받아야 함.(법정하천 제외)

o 정 의

- (하천) 지표면에 내린 빗물 등이 모여 흐르는 물길로서 공공의 이해에 밀접한 관계가 있어 하천법에 의해 국가하천 또는 지방하천으로 지정된 것 <하천법 제2조>

※ 국가하천은 국토해양부장관이 지정하며, 지방하천은 시‧도지사가 지정

- (소하천) 일시적이 아닌 유수가 있거나 있을 것이 예상되는 구역으로서 평균하폭이 2 미터 이상이고 시점에서 종점까지의 연장이 500미터이상인 것 <소하천정비법 시행령 제2조> ※ 시장, 군수 및 구청장이 지정

• 하천은 위치나 지형학적 발달과정에 따라 서로 다른 형태를 유지하고 있음.

• 하천을 흐르는 유수는 그 양과 빈도 등이 다르기 때문에 하천의 형태를 변화시킨다.

• 하천지형학의 특성에 대한 연구는 단기(10년), 중기(100년), 장기(1000년)로 구분 함.

• 하천공학자의 관심은 단기와 중기에 집중, 지형학자는 장기적인 변화에 관심을 기 울임.

• 지형발달의 관계는 Davis가 지형변화를 생물의 일생과 비교하여, 지형윤회의 개념 에서 원형(initial)으로부터 준평원(peneplain)에 이르는 동안을 3단계의 시기로 구 분한 것으로, 하식윤회(fluvial cycle)라고도 함.

[1] 유년기

- 원표면이 침식면에 비해 넓게 남아 있는 시기

- 유년기 하천의 특성은 먼저 하상(河床)이 침식되며, 이와 같은 하방침식은 평형상 태 에 도달할 때까지 계속

- 하곡은 좁고 V 자형이며, 때때로 협곡(gorge, canyon)을 이룸

- 곡저(谷底, valley bottom)의 폭이 좁고 기반암이 노출되며, 유수는 급류나 폭포를 형성

[2] 장년기

- 원표면을 거의 상실하여 하천의 침식작용이 충분히 진행되어 평형상태에 도달한 경우

- 장년기 하천은 하곡이 계속 넓어지고, 암석의 노출이 거의 없는 U자형의 평형사 면 (graded slope)의 곡벽을 이룸

- 급류와 폭포는 소멸되고, 하류부에서는 범람평원이나 삼각주가 발달 (하도의 만 곡 이나 사행, 망상유로)

- 하천의 연안에 토사가 두껍게 퇴적되어 퇴적층으로의 지하수 침투가 활발하여 유 량 의 감소초래

- 오랜 기간이 경과하면 지표는 결국 준평원을 이루고, 다시 지표의 융기운동이 일어나 면 재차 유년기의 하천침식이 시작

• 유년기, 장년기, 노년기의 3단계 유역의 지질학적 발달정도를 판단할 수 있는 방 법은 Langbein과 Strahler 등이 제안한 면적-고도곡선(hypsometric curve)관계 도에 의한 방법이 있음.

1-4-2 유역형태

• 하천공학자의 주된 관심은 홍수시의 하천의 유출과정 임.

• 하천유출과정은 유역특성에 지배됨.

• 유역특성을 지배하는 요소는 유역면적, 유로연장, 유역형상, 지세, 지피, 지질 하 도배열 상태 등임.

• Horton이 유역의 지형특성을 양적으로 분석할 수 있는 방법을 제안하면서 하천 형태학이 정량적으로 발전하게 되었음.

② 평균유출률과 상관성이 크다.

• 하천밀도(river density)-Neuman

① 유역 내 지류의 대•소 관계를 양적으로 표시.

② 본류의 총길이를 유역면적으로 나눈 것.

③ 유역의 지형 및 지피상태와 강수량에 관계가 있음.

• 수계빈도(stream frequency)-Horton

① 총하천수를 유역면적으로 나눈 것.

• 하천밀도나 수계빈도는 하천수계의 조밀상태를 나타내는 지수임.

• 서로 다른 유역에서 하천밀도가 같다 하더라도, 수계빈도는 매우 다른 경 우가 있고 반대인 경우도 있음.

• (a)와 (b)에서는 하천밀도가 같으나, 수계빈도는 (a)보다 (b)가 크다.

• (c)와 (d)에서는 수계빈도는 같으나, 하천밀도는 (c)보다 (d)가 크다.

성의 분류에 도움을 줄 수 있음.

• Howard는 다음과 같이 수계형상을 분류하였다.

을 관류할 때 사행유로(meander stream)을 형성하게 됨.

• 사행하천을 지형적인 관점에서 분류하면 자유사행(free meander:하류역에서 발 생)과 구속사행(incised meander:상류역에서 발생)으로 나눌 수 있음

• 구속사행은 생육사행(ingrowing meander:측방침식)과 굴삭사행(intrenched meander:수직침식)으로 나뉘어 짐.

• 직류부 보다는 곡류부가 하도안정측면에서 유리함.

• 만곡은 곡률저항 그 자체가 과잉에너지를 소비할 때까지 계속됨.

• 만곡부형태는 흐름 저항에 큰 영향을 줌.

• 곡률반지름/하폭의 비가 약 2.5일 때 최대곡률저항을 나타낸다.

• 하천거동이 안정되려면 10년 또는 100년 이상이 소요됨.

강의 자료 출처

• 이원환, 최신 하천공학 제2판, 문운당, 2012.