중앙대학교 건설환경플랜트공학과 교수
김 진 홍
- 1주차 강의 내용 -
Chap. 1 하천수문학 개론
1.1 수문학의 정의
국제연합 교육과학문화 기구(유네스코)에 의해서 국제 수문학 10년 계획(International Hydrological Decade: IHD)의 발족 전년(1964년)에 다음과 같이 정해져 현재는 이 정의가 폭넓게 받아들여지고 있다.
Hydrology is the science which deals with the waters of the earth, their occurrence, circulation and distribution on the planet, their physical and chemical properties and their interactions with the physical and biological environment, including their responses to human activity. Hydrology is a field which covers the entire history of the cycle of water on the earth.
수문학은 지구의 물의 발생, 지구상에서의 순환과 분포, 물리적·화학적인 특성 과 인류의 생활에 대한 반응을 포함한 자연 화학적·생물학적인 환경의 상호작 용을 취급하는 과학이다. 수문학은 지구상에 있는 물의 순환 역사 전체를 포괄 하는 분야이다.
물은 학문의 대상일 뿐만 아니라 수자원으로서도 중요하기 때문에 수 문학은 이학, 공학, 농학 등의 여러 분야에서도 연구를 해오고 있어 횡 단적인 연구 영역이라는 측면을 가진다.
연구 분야는 물순환의 각 과정, 즉 강수, 침투, 침루, 유출, 증발산, 지하수 유동 등을 대상으로 하며 이러한 각 과정에서의 수질, 지구 전체 등 한층 더 넓은 영역의 물순환을 대상으로 하는 것 등이 있다.
1.2 물의 순환
지구의 물은 언제나 움직이며 이를 물의 순환이라고 부른다. 이러한 순환은 지구의 표면 위아래에 존재하는 물의 지속적인 움직임을 나 타낸다.
강수(precipitation)에 의해 지표에 내린 물은 일부 증발 외에 지하에 침투하여 하천에 유입된 후 최종적으로 바다에 이른다.
바다에 모인 물은 다시 증발하여 강수의 공급원이 된다. 이 같은 현 상을 물의 순환이라고 한다.
Chap. 1 하천수문학 개론
물의 순환
Chap. 1 하천수문학 개론
1) 도시화에 따른 물 순환 변화(왜곡) - 홍수시 침수 피해 증대
- 평상시 하천 건천화 현상 - 도시 열섬 현상 가속 2) 물 순환 회복
- 표토층 보전, 녹지 보전 - 빗물 침투/저류 시설 확충
* 침투통, 침투 트렌치,
투수성 포장, 침투 블록 등 확보 - 하천의 자연성 복원
- 증발산 면적 확대
* 옥상녹화, 벽면녹화
도시화에 따른 물 순환 변화(왜곡)
Chap. 1 하천수문학 개론
도시화에 따른 물 순환 왜곡 및 유출 증대
서울시의 유출저감 시설 설치
Chap. 1 하천수문학 개론
1.3 하천의 정의, 분류
- 정의 : 지표면에 내린 빗물 등이 모여 흐르는 물길.
- 국가하천 ; 국토보전상 또는 국민경제상 중요한 하천으로 국토교통부 장관이 그 명칭과 구간을 지정하는 하천. 관리 책임은 국토교통부장관.
- 지방하천 ; 지방의 공공 이해에 밀접한 관계가 있는 하천으로서 시․도지사 (특별시장, 광역시장, 도지사, 특별자치도지사)가 그 명칭과 구간을 지정하는 하천. 관리 책임은 관할 구역의 시·도지사에게 있음.
* 국가하천의 비율 ; 9.2%, 지방하천의 비율 ; 90.8%
* 국가하천과 지방하천은 하천법의 적용을 받음.
- 소하천 ; 국가하천과 지방하천에 속하지 않는 하천. 소하천정비법의 적용을 받음. 소하천 정비는 국민안전처의 지침을 따름
하천법 제 2조 :「 하천이라 함은 지표면에 내린 빗물 등이 모여 흐르는 물길로서 공공의 이해에 밀접한 관계가 있어 제7조2항 및 제3항에 따라 국가하천 또는 지방하천으로 지정된 것을 말하며 하천구역과 하천시설을 포함한다. 」
- 하천의 분류
* 국가 하천 * 지방 하천 * 소하천
Chap. 1 하천수문학 개론
1.4 유역의 형태
- 유역(drainage basin) : 하천의 물이 모여지는 전 구역.
집수역(catchment area), 지형도에서는 능선을 연결한 구역.
* 유역면적은 하구지점에서 제일 크고 상류로 올라갈수록 작아진다.
* 지류가 유입할 때 유역면적은 갑자기 커진다.
* 분수계 : 유역의 경계선, 유역계 (watershed)
* 산간부에서는 능선이 분수계가 된다.
* 평지부에서는 분수계가 명확하지 않을 수 있다.
- 수계 : 동일 유역 내에서 공통의 하구를 갖는 유로망 하천의 본류와 지천 및 (딸린 경우)호수까지 포함 - Horton의 하천차수(stream order) 법칙
* 1차하천 : 최상류부의 수원에서 최초의 합류점까지의 하천
* 2차하천 : 1차하천이 2개 합류하여 형성
* 3차하천 : 2차하천이 2개 합류하여 형성
* n차하천 : (n-1)차하천이 2개 합류하여 형성
* 고차하천에 저차하천이 합류하여도 차수는 변하지 않음
Chap. 1 하천수문학 개론
- 유역의 평균 폭 ; B
* B = A / L, 여기서 A : 유역면적 (㎢), L : 유로연장 (㎞) - 유역의 형상계수 : F (Horton이 제시)
* F = B / L = A / L2
* F가 크면 유로연장에 비해 폭이 넓은 유역
; 도달시간이 짧고 최대유량은 크다.
* F가 작으면 가늘고 긴 유역 ; 도달시간이 길고 최대유량은 작다.
- 하상계수 : 하천 어느 지점의 최대유량과 최소유량의 비, 유량변동계수 (최소유량을 1이라고 할 때의 값)
* 하천유량의 안정도를 수량적으로 표시
* 하상계수가 크면 유량의 변동이 심해 利水上으로는 용수 취수, 주운이 불편하고 治水上으로는 홍수 처리가 곤란
* 우리나라 주요하천의 유량변동계수는 71~272 정도로서 댐 건설전보다 개선되었으나 외국에 비하여 상당히 큰 편이므로 물관리가 상대적으로 어려운 상황
우리나라와 세계 주요 하천의 유량변동계수
Chap. 1 하천수문학 개론
1.5 우리나라 수자원의 특성
연평균강수량은 1,300mm(1986~2015)로서 세계평균 808mm의 1.6배이나 인구 1인당 강수량 은 1,488m3로 세계평균 16,427m3의 1/6에 불과
연평균 강수량은 1970년대 이후부터 소폭 증가추세이며, 강수량 변동폭은 점진적으로 증가. 연간 누적강수량은 최저 754㎜(’39년)에서 최고 1,756㎜(’03년)까지 변화폭이 크며, 이러한 변동폭 증가로 극한 가뭄과 홍수 발생
강수량의 계절적, 지역적 편차가 심하여 수자원 관리상 불리하다. 연강수량의 2/3(68%)가 홍수기(6월～9월)에 집중되며, 갈수기인 11월부터 익년 4월까지 6개월은 연강수량의 1/5 에 불과하여 연중 고른 강수량을 갖는 외국과는 다르게 홍수와 가뭄이 빈발. 수자원 총량 은 1323억m3이나 대부분 홍수기에 유출되고 평상시 하천 유출량은 연강수량의 16%에 불과
경사가 급한 산악 국토의 특성으로 홍수가 급히 발생한다. 국토의 65%가 산악지형이고, 토 양의 표토층이 얇아 유역의 보수능력이 적고, 하천의 경사가 급하여 홍수가 일시에 유출되 고 갈수기에는 유출량이 적어 하상계수(유량변동계수)가 71~272 정도로서 외국과 비교하여 10배 이상 차이가 남
연간 지하수 함양량은 130～140억㎥ 정도로 추정되나 대부분 갈수기에 하천유량으로 공 급되고 대수층의 발달이 빈약하여 대규모 지하수 개발이 어렵다.
댐 개발 적지의 감소와 물건 보상비의 앙등으로 인한 용수개발 단가 상승 및 지역 주민의 반발 등으로 대규모 수자원 개발이 곤란
Chap. 1 하천수문학 개론
수자원총량은 연평균강수량×국토면적이며, 북한지역에서의 유입량 23억㎥/년이 포함된 수량.
손실량은 증발산량이며, 홍수시 유출량은 6~9월의 유출이고 나머지 기간이 평상시 유출량.
총이용량 372억 ㎥/년은 생활용수, 농업용수, 공업용수, 하천유지용수를 합한 것임.
우리나라의 수자원 이용현황 우리나라 강수량의 특징
우리나라 연평균강수량의 변화
Chap. 1 하천수문학 개론
남해안 및 강원도 영동지역은 1,400mm 이상인 반면 경상북도, 충청도 및 경기도 내륙은 강수량 이 적으며, 특히 낙동강 중부지역 은 1,100mm 이하
우리나라의 연평균 강수량
구 분 한 국 일 본 미 국 영 국 중 국 캐나다 세계평균
연평균강수량(㎜/년) 1,300 1,718 736 1,220 627 537 808 1인당강수량(㎥/년) 1,488 5,107 25,022 4,969 4,693 174,016 19,635
세계 각국의 강수량
Chap. 1 하천수문학 개론
Chap. 1 하천수문학 개론
2015, 2017년의 심각한 가뭄
지구에 있는 물의 양은 13억8천6백만㎦ 정도로 추정되고 있으며, 이중 바닷물이 97%인 13억5천1백만㎦이고 나머지 3%인 3천5백만㎦가 민 물로 존재.
* 물 사용 가능량에 따른 국가별 분류
스웨덴의 물 전문가 폴켄마르크(Falkenmark)는 약간의 육식을 포함한 한 사람의 영양섭취에 들어가는 1년분 식량 생산에 약 1천 100톤의 물이 필요하다는데 근거하여 "사용가능량이 연간 1인당 1천톤 이하 이면 물기근 국가로, 1천700톤 이하이면 물부족(압박) 국가로 분류”
1.6 지구촌의 물 사정
총3천5백만㎦인 민물중 69% 정도 인 2천4백만㎦는 빙산, 빙하 형태 이고 지하수는 30%인 1천1백만㎦
정도이며 나머지 1%인 1백만㎦가 민물호수나 강, 하천, 늪, 등의 지 표수와 대기층에 있음.
Chap. 1 하천수문학 개론
이에 따라 국제인구행동연구소(PAI)가 1993년 조사 분류한 바에 의하면 우리나라는 케냐, 모로코, 남아프리카공화국 등과 함께 물 부족(압박)국가 에 속함.
국제인구행동연구소(PAI)의 국민 1인당 확보된 연간 담수량을 기준으로 본 국가 분류
* 물기근 국가(1,000㎥미만) : 만성적 물부족을 경험
* 물부족(압박) 국가(1,700㎥미만) : 주기적인 물압박을 경험
* 물풍요 국가(1,700㎥이상) : 지역적 또는 특수한 물문제만을 경험
Chap. 1 하천수문학 개론
PAI Data
Chap. 1 하천수문학 개론
세계 물의 날 공식 포스터www.worldwaterday.org
How to find water in African desert
https://www.youtube.com/watch?v=GRFZwL01vYE