Analysis of Geomorphological Characteristics of Bukhan River Basin based on Hydrologic Unit Map

環 境 工 學

第26卷 第3B 號·2006年 5月 pp. 241 ~251

수자원 단위지도를 기반으로 한 북한강 유역의 지형학적 특성 분석

Analysis of Geomorphological Characteristics of Bukhan River Basin based on Hydrologic Unit Map

박근애*·권형중**·김성준***

Park, Geun-Ae ^· Kwon, Hyung-Joong ^· Kim, Seong-Joon

···

Abstract

This study analyzed the topographical characteristics by extracting property factors of stream (stream order, number of stream, stream length, mean stream length) and property factors of basin (basin area, basin length, total stream length, total number of stream, basin mean width, form factor, maximum stream order, basin density, stream frequency, relief ratio, mean elevation, mean, slope, maximum elevation) from DEM (digital elevation model) and stream network generated by 1:5,000 NGIS (national geographical information system) data for the Bukhan-river basin. In addition, topographical factors for upper, mid stream and lower stream were analyzed and the mutuality of the factors by linear and nonlinear regression curve was iden- tified.

Keywords : DEM, stream network, property factors of stream, property factors of basin, regression analysis

···

요 지

우리나라의 효율적인 하천유역관리를 위해서는 유역 및 하천과 관련된 지형적·수문학적 특성인자들의 신속하고 정확한 추출이 요구된다. 최근, 원격탐사기법과 GIS기법이 도입으로 이것이 가능하게 되었으며 이 기법들을 이용하여 여러 활용 가 능한 자료들을 구축하고 있는 실정이다. 본 연구에서는 북한강유역을 대상으로 GIS기법에 의해 1:5,000 NGIS자료로부터 추 출하여 DEM과 하천망을 생성하였다. 이를 이용하여 하천특성인자와 유역특성인자들을 추출함으로써 단위유역별 지형학적 특성을 파악하였다. 또한 대상유역을 상류, 중류, 하류 지점으로 구분하여 지형학적 인자를 추출하고 그 특성을 분석하였으 며 선형 및 비선형 회귀곡선을 이용하여 그 인자들 간의 상관관계를 분석함으로써 전체유역 뿐만 아니라 상류, 중류, 하류 유역에 특별히 영향을 끼치는 하천특성인자 및 유역특성인자를 구별해 낼 수 있었다. 그 결과 하천특성인자는 전체유역, 상 류, 중류, 하류 유역 모두에 크게 영향을 끼치는 인자임을 알 수 있었고, 유역특성인자 중 전체유역, 상류, 중류, 하류 유역 에 공통적으로 영향을 끼치는 인자는 유역면적에 대한 총하천연장과 하천총수 임을 알 수 있었다.

핵심용어 : DEM, 하천망, 하천특성인자, 유역특성인자, 회귀분석

···

1. 서 론

최근 우리나라는 엄청난 빈도의 호우로 인하여 홍수피해가 많이 발생하고 있으며 이에 따라 효율적인 하천유역관리가 필요한 실정이다 . 이를 위해서는 유역 및 하천과 관련된 지 형적수문학적 특성인자들의 신속하고 정확한 추출이 요구된 다 . 지금까지의 지형적수문학적 특성의 추출 방법은 수작업 에 의존하는 전통적 방법이어서 많은 시간과 경비가 필요하 였다 . 하지만 , 최근들어 광대한 지표공간에 대해 주기적으로 자료를 공급해주고 정량적 및 정성적인 정보를 제공해주는 원격탐사기법과 공간에 대한 위치 및 속성자료를 전산기의 이용으로 DB 화 함으로써 지표에 대한 자료를 효율적으로

분석 관리할 수 있는 GIS 기법이 도입되었다 . 우리나라는 이 러한 원격탐사 및 GIS ^{기법을 이용하여 국립지리원의 수치지}

도 , 수자원공사의 수자원 단위지도 , 하천 GIS, 하천정보 표

준화 , 수자원 Framework 등 수자원 및 지형공간 분야에서

활용 가능한 다양한 형태의 벡터자료가 구축되고 있는 상황 이다 .

유역 및 하천의 지형학적 특성에 관한 연구는 Horton

(1945) 과 Strahler(1952) 에 의해 하천차수 개념이 정량적으로

정의되어진 바 있으며 . Valdes et al. (1979) 은 Horton-

Strahler 의 하천차수를 기본으로 지형학적 및 지형 기후학적

순간단위도를 유도하였다 . 국내에서는 함창학 (1996) 이 GIS 를 이용하여 대상유역에 대한 하천유역의 공간정보를 추출하기

*

(E-mail: [email protected]) **

(E-mail: [email protected])

***

(E-mail: [email protected])

위한 방법을 제시하고 이를 분석하여 수자원 업무를 보다 효율적으로 해결해 나갈 수 있도록 하였고 , 안승섭 등 (1999)

이 GIS 를 이용한 유역의 형태학적특성인자를 추출하여 그 인자의 특성 파악에 관한 연구를 수행하였으며 , 양인태 등

(1999) 은 지형공간정보체계를 이용한 유역의 지형인자 추출

을 시도하여 모형의 구동을 위한 인자를 추출하여 수질관리 및 수자원관리에 있어서 많은 변화를 가져왔다 . 또한 홍창선

등 (2001) 은 GIS 를 이용하여 유역특성인자를 결정하는 시스

템을 구현한 바 있으며 , 유승근 등 (2002) 은 GIS 분야에서

구축된 수자원 관련 자료인 수자원 단위지도 , 수치지도 등을 이용하여 DEM 과 하천망을 생성하고 지형학적 특성을 파악 하였다 .

위의 연구들은 주로 하나의 대상유역의 하천특성인자 추출 및 비교에 초점을 맞추었지만 , 본 연구에서는 15 개의 중권역 을 포함하고 있는 북한강 전체 유역에 대해 수치지도를 이 용하여 DEM 과 하천망을 생성하여 수자원단위지도의 단위유 역경계를 기반으로 하천 및 유역특성인자들을 추출함으로써 좀 더 다양한 인자를 파악하고자 하였다 . 또한 춘천수위관측 소지점과 팔당댐수위관측소지점을 이용해 상류 , ^중류 , ^하류

유역으로 구분하여 유역별로 어떤 특성인자의 영향을 많이 받는지 알기 위해 선형 및 비선형 회귀분석을 실시하고자 하였다 .

2. 연구지역 및 자료 2.1 연구지역의 개요

본 연구의 대상유역은 한강유역의 약 50% ^{를 점유하는 북}

한강유역이며 전체면적은 14,536.83 km

에 달하며 본류연장

은 292.89 km 이다 . 수자원단위지도 기준의 중권역 수는 15

개 , 단위유역 수는 27 개이며 표준유역 수는 117 개에 해당된 다 . ^{대상유역은 북한강 및 팔당댐 유역권과 팔당댐에서 한강}

하구까지의 팔당댐 하류권 , 진위천과 안성천으로 구성되는 안성천 유역권 , 그리고 한강 서해안권으로 구성되어 있다 . 본 연구에서는 그림 1 과 같이 춘천수위관측소지점과 팔당댐수 위관측소지점을 기준으로 상류 , 중류 , 하류로 구분하여 단위 유역경계를 기준으로 연구를 실시하였다 . 유역의 특성을 살 펴보면 , 상류유역은 10091~10123 의 9 개 단위유역으로 구성 되어 있으며 유역면적과 본류연장은 각각 4,721.99 km

, 115.24 km 이고 , 중류유역은 10131~10170 의 7 개 단위유역이 속해 있으며 유역면적은 3,653.34 km

, 본류연장은 83.71 km 이다 . 또한 하류유역은 27 개의 단위유역 중 10181~

12020 의 11 개 단위유역으로 구성되어 있으며 그 면적은

6,161.50 km

이고 , 본류연장은 93.95 km 이다 .

2.2 연구자료

본 연구에서는 유역의 지형학적 특성인자를 추출하기 위하 여 유역경계자료는 수자원공사에서 구축한 수자원단위지도를 사용하였으며 , 지형 및 하천 관련자료는 1:5,000 수치지도로 부터 해당 레이어를 추출하여 사용하였다 . 사용된 기본 레이

그림 1. 북한강유역

표 1. 사용된 기본 레이어

주 제 레이어 구축 내용

지 형

7111 주곡선

7114 계곡선

7217 표고점

7311 삼각점

하 천

2111 실폭하천

2112 세류

2113 건천

2114 호수/저수지

2115 하천중심선

어는 표 1 과 같다 .

3. 유역의 DEM 및 하천망 생성

일반적으로 공간상에 존재하는 연속적인 변화를 디지털화 하여 표현한 것을 수치표고자료 (DEM: digital elevation

model) 라고 한다 . DEM 은 수자원과 관련된 다양한 정보들

중 유역의 표고 , 경사 , 방향성 등과 같이 지형과 관련된 인 자를 추출하는데 유용한 자료로 활용될 수 있다 . 본 연구에

서는 1:5,000 수치지도로부터 등고선 및 표고점 관련 레이어

인 7111( 주곡선 ), 7114( 계곡선 ), 7217( 표고점 ), 7311( 삼각점 )

레이어를 추출하고 ARC/INFO 를 이용하여 Coverage, TIN

(Triangulated irregular network), Lattice 변환과정을 거처 격

자간격 30 m 의 DEM 을 생성하였다 . 이를 음영기복도를 작

성하여 육안검수를 실시하고 발견된 오류를 수정한 후 위와 같은 과정을 반복하여 DEM 을 완성하였다 ( 그림 2).

하천은 유역내에서 지질 , 기후 및 기상 , 식생 등의 복잡한 자연현상의 영향을 받아 형성되었으며 , 이들은 본류와 지류 하천들로 이루어져 하천망을 형성하고 있다 . ^{하천망의 형상}

은 지층의 경사 , 암석의 경연 , 지질 구조 , 지반 운동 등 여 러 지질적 요인을 예민하게 반영하기 때문에 하천망의 형상 에 대한 분석은 어떤 지역의 지형과 지질의 관계를 파악하 는데 매우 중요하다 . 본 연구에서는 1:5,000 수치지도로 부

터 하천 , 실폭하천 , 저수지 관련 레이어인 2111( 실폭하천 ),

2112( 세류 ), 2113( 건천 ), 2114( 호수 / 저수지 ), 2115( 하천중심선 )

레이어를 추출하여 실폭하천과 저수지는 중심선을 생성하는 등의 일련의 하천수정작업을 실시한 후 , ^트레이싱 (tracing) ^에

의한 하천의 방향성을 부여하고 ArcView 를 이용하여 Route

생성 및 차수부여 작업을 실시한다 . 하천망 생성 및 차수부 여 작업의 일련의 과정은 그림 3 과 같다 .

4. 지형학적 특성인자 추출 4.1 하천특성인자 추출

유역내의 하천의 지형학적 특성을 분석하는 방법으로 하천 차수를 이용한다 . 일반적으로 자연하천유역의 구성과 하도망

의 형태에 관한 정량적인 연구는 Horton(1945) 이 제시한 하

천 차수법칙을 적용하여 하천의 개수 , 하천연장 등에 관한 지형법칙을 제한한 것에서 시작되었다 . 그 후 Strahler(1954)

는 Horton 의 차수법칙을 수정하여 체계화시켰으며 , Melton

(1959) 은 이를 수학적으로 규명하였다 . 하천의 차수를 부여

하는 방법은 처음 시작되는 물줄기를 1 차 하천 (1 차수 ) 이라 하고 1 차 하천이 둘 이상 모여서 흐르면 2 차 하천 (2 차수 ) 이 된다 . 이때 2 차 하천에 1 차 하천이 합류하여도 여전히 2 차 하천이 되며 2 차 하천과 2 차 하천이 합류하여야만 3 차 하천

(3 차수 ) 이 된다 . 즉 하천차수는 하류로 내려갈수록 높아지는 데 이러한 방법으로 계속하면 본류는 최고차수가 된다 .

본 연구에서는 차수부여과정을 거쳐 생성된 하천망에 대하 여 하천차수별 개수와 연장을 추출하였고 , 이를 이용하여 식

(1) ^{과 같이 하천개수에 대한 하천연장의 비인 평균하천연장}

을 추출하였다 . 표 2 와 표 3 은 단위유역의 차수별 개수 , 연 장과 평균연장을 나타내고 있다 . 하천수와 하천연장은 높은 차수로 갈수록 값이 작아지는 것을 확인할 수 있으며 그에 비해 평균하천연장은 계산식에 의해 차수가 높아질수록 값 이 커짐을 알 수 있다 . 또한 상류 및 중류유역에 비해 하류 유역의 하천수와 하천연장 값이 크게 나타났으나 평균하천 연장의 경우는 그 반대이다 . 이는 상류 , 중류유역은 대륙지 역으로 한줄기로 흐르는 하천이 대부분인 반면에 하류유역 은 해변에 맞닿아 있어 소규모의 여러 줄기의 하천이 대부 분으로 유역출구지점이 많음에 따라 하천연장에 비해 상대 적으로 하천수가 많기 때문이다 .

그림 2. DEM 생성과정 그림 3. 하천망 생성과정

(1) : ^하천차수 w ^{차인 평균하천연장} (km)

: 하천차수 w 차인 하천연장 (km)

N

: 하천차수 w 차인 하천수 (N)

4.2 유역특성인자 추출

본 연구에서는 30 m 해상도의 DEM 과 추출한 하천특성인 자를 이용하여 단위유역의 유역면적 , 본류연장 , 유역평균폭 ,

하천총수 , 총하천연장 , 하천밀도 , 수계빈도 , 형상인자 , 평균표 고 , 평균경사 , 최대하천차수 , 유역내최고표고 , 기복비 등의 유 역특성을 파악하였다 . 여기서 최철웅 (1999) 에 따르면 격자간 격에 따라 지형특성인자값이 상이함으로 되도록이면 격자간 격이 적은 것이 다소 정확하게 산정되는 경향을 보이므로 ,

30 m 격자를 사용하는 경우 실제값이 차이를 보일수 있으므

로 이에 대한 주의가 요구된다 .

유역면적은 수문설계에 사용되는 가장 기본적인 인자이며 그 크기는 강우로부터 발생되는 물의 양에 크게 영향을 준 다 . 본류연장은 유역의 유출구에서 주 수로를 따라 수로가 시작하는 점까지의 거리이며 도달시간과 첨두유량 발생 시 간에 따라 크게 영향을 받는다 . 이러한 유역면적과 본류연장 을 이용하여 식 (2) 와 같이 유역평균폭을 추출하였고 이는 형 상인자와 함께 홍수시 유출량에 큰 영향을 미치는 유역의 형상과 깊은 관련이 있다 . B 가 L 과 비교해 작으면 유역의 형상은 가늘고 길게 되며 , B ^와 L ^{이 거의 일치하면 유역의}

형태는 거의 원형에 가까운 것을 의미한다 . 그래서 Horton

은 유역형상을 정량적으로 표현하기 위해서 유역의 형상인 자라고 하는 지표를 제안했다 . 식 (5) 의 형상인자는 유역면적 과 유로연장 제곱의 비로 나타낸다 . 길이에 비하여 폭이 넓 L

L

N

---

=

L

L

표 2. 하천특성인자 (하천수, 하천연장)

단위유역 하천수 (N) ^하천연장 (km)

1 ^차 2 ^차 3 ^차 4 ^차 5 ^차 6 ^차 7 ^차 8 ^차 1 ^차 2 ^차 3 ^차 4 ^차 5 ^차 6 ^차 7 ^차 8 ^차 10091 평화의댐상류 172 40 8 3 1 - - - 129.66 64.41 35.48 13.78 23.77 - - - 10092 평화의댐 80 17 2 - 1 - - - 62.07 30.03 13.71 - 10.12 - - - 10101 화천댐상류 545 124 36 6 3 1 - - 488.45 187.91 107.37 50.68 55.38 18.91 - - 10102 화천댐 574 121 27 6 2 1 - - 422.39 202.45 119.75 63.22 26.62 40.47 - - 10103 춘천댐 50 12 3 - - 1 - - 47.85 12.83 12.41 - - 10.64 - - 10110 인북천 656 129 23 7 2 1 - - 580.27 280.10 80.99 73.53 51.07 4.96 - - 10121 내린천 1,204 271 60 14 3 1 - - 931.93 339.82 163.53 117.31 55.74 44.79 - - 10122 내린천합류점 997 236 52 11 - 2 1 - 570.87 201.72 132.06 63.83 - 3.18 61.90 - 10123 소양강댐 108 27 5 1 - - 1 - 89.39 30.56 19.27 5.85 - - 11.73 -

상류유역 4,386 977 216 48 10 3 1 - 3,322.87 1,349.83 684.59 388.20 222.69 122.95 73.63 - 10131 소양강합류점 144 34 7 2 - 1 1 - 122.48 48.65 20.90 10.43 - 1.94 10.68 - 10132 의암댐 536 123 31 8 2 1 1 - 420.05 150.21 75.43 42.09 21.96 13.94 34.37 - 10140 홍천강 1,516 356 69 15 4 1 - - 1,361.67 486.54 229.04 117.60 77.18 70.91 - - 10151 홍천강합류후 201 46 11 3 1 1 1 - 125.88 33.33 26.66 18.64 4.82 1.45 13.11 - 10152 청평댐 764 184 36 9 2 - 1 - 460.29 216.41 112.19 63.13 26.63 - 25.49 - 10160 경안천 1,692 438 100 25 3 1 - - 639.91 281.00 148.37 81.31 43.42 25.70 - - 10170 북한강합류점 91 25 7 1 - 1 1 1 32.82 21.37 11.49 2.26 - 2.92 1.95 6.31

중류유역 4,944 1,206 261 63 12 4 1 1 3,163.10 1,237.51 624.08 335.47 174.02 116.87 85.59 6.31 10181 팔당댐 1,958 515 126 34 8 2 - 1 759.55 374.81 196.66 114.72 68.44 15.44 - 31.03 10182 중랑천 1,127 324 73 19 5 2 1 - 302.67 144.15 84.14 46.81 6.04 6.65 28.40 - 10183 중랑천합류후 25 9 3 1 - - 1 1 23.95 17.08 3.49 10.04 - - 3.18 24.73 10184 안양천 438 113 26 5 1 - - - 224.54 101.76 67.06 34.70 27.09 - - - 10191 홍제천합류후 703 198 52 14 4 - - 1 356.14 165.96 114.76 41.93 36.78 - - 46.57 10192 곡릉천 496 137 39 9 1 - - - 212.86 85.63 54.01 39.14 48.55 - - - 10240 곡릉천합류후 61 15 5 1 - - - 1 59.10 39.82 8.77 5.14 - - - 14.43 11011 진위천 1,815 479 118 26 5 2 1 - 724.62 358.88 210.89 124.82 56.87 21.53 18.09 - 11012 안성천 1,831 488 117 29 9 2 2 1 922.24 410.82 218.19 125.41 59.67 31.42 12.95 21.62 12010 한강서해북부권 953 240 58 12 3 - - - 518.33 268.69 93.47 55.03 15.12 - - - 12020 한강서해남부권 2,192 546 143 40 9 2 - - 986.63 475.59 225.10 104.65 39.62 3.50 - -

하류유역 11,598 3,064 759 189 43 10 3 2 5,090.63 2,443.19 1,276.53 702.39 358.19 78.54 62.61 138.39

전체 20,928 5,247 1,236 300 65 16 3 2 11,576.59 5,030.53 2,585.20 1,426.06 754.90 318.36221.83144.70

은 유역일수록 값이 크고 , 좁고 긴 유역은 값이 작으며 원

형이나 정사각형 유역은 0.79~1.0 의 값을 가진다 .

(2)

(3) (4) (5)

(6) B : 유역평균폭 (km)

L : 본류의 유료연장 (km)

A : 유역면적 (km

)

D : 하천밀도

: 총하천연장 , 모든 차수 하천연장의 합 (km) N w : 하천차수 w 차인 하천수 (N)

C f : ^수계빈도

: 하천총수 , 모든 차수 하천개수의 합

F : 유역형상인자

R : 기복비

H : 기복량 , 유역내최고표고 (H max ) 와 유역출구표고 (H min )

간의 수직거리

총하천연장과 하천총수는 유역내에 존재하는 모든 차수의 하천연장과 하천개수의 합이며 , 하천밀도 D 는 유역내의 총 하천연장을 유역면적으로 나눈 값으로 정의된다 ( 식 (3)). 높은 하천밀도는 신속한 호우응답과 토양이 침식성이거나 불투수 성이고 경사가 급하고 식생피복이 빈약한 지역에서 나타나 고 , 낮은 하천밀도는 완만한 수문학적인 응답과 토양이 내침 B A = L ---

D ∑ L

--- A

=

C

∑ N

--- A

=

F B L --- ^A

L

---

= =

R H

– H

--- L ^H ---- _L

= =

L

∑

N

∑

표 3. 하천특성인자 (평균하천연장)

단위유역 평균하천연장 (km)

1 차 2 차 3 차 4 차 5 차 6 차 7 차 8 차

10091 평화의댐상류 0.75 1.61 4.44 4.59 23.77 - - -

10092 평화의댐 0.78 1.77 6.86 - 10.12 - - -

10101 화천댐상류 0.90 1.52 2.98 8.45 18.46 18.91 - -

10102 화천댐 0.74 1.67 4.44 10.54 13.31 40.47 - -

10103 춘천댐 0.96 1.07 4.14 - - 10.64 - -

10110 인북천 0.88 2.17 3.52 10.50 25.53 4.96 - -

10121 내린천 0.77 1.25 2.73 8.38 18.58 44.79 - -

10122 내린천합류점 0.57 0.85 2.54 5.80 - 1.59 61.90 -

10123 소양강댐 0.83 1.13 3.85 5.85 - - 11.73 -

상류유역 0.76 1.38 3.17 8.09 22.27 40.98 73.63 -

10131 소양강합류점 0.85 1.43 2.99 5.22 - 1.94 10.68 -

10132 의암댐 0.78 1.22 2.43 5.26 10.98 13.94 34.37 -

10140 홍천강 0.90 1.37 3.32 7.84 19.30 70.91 - -

10151 홍천강합류후 0.63 0.72 2.42 6.21 4.82 1.45 13.11 -

10152 청평댐 0.60 1.18 3.12 7.01 13.31 - 25.49 -

10160 경안천 0.38 0.64 1.48 3.25 14.47 25.70 - -

10170 북한강합류점 0.36 0.85 1.64 2.26 - 2.92 1.95 6.31

중류유역 0.64 1.03 2.39 5.32 14.50 29.22 85.59 6.31

10181 팔당댐 0.39 0.73 1.56 3.37 8.56 7.72 - 31.03

10182 중랑천 0.27 0.44 1.15 2.46 1.21 3.32 28.40 -

10183 중랑천합류후 0.96 1.90 1.16 10.04 - - 3.18 24.73

10184 안양천 0.51 0.90 2.58 6.94 27.09 - - -

10191 홍제천합류후 0.51 0.84 2.21 2.99 9.19 - - 46.57

10192 곡릉천 0.43 0.63 1.38 4.35 48.55 - - -

10240 곡릉천합류후 0.97 2.65 1.75 5.14 - - - 14.43

11011 진위천 0.40 0.75 1.79 4.80 11.37 10.76 18.09 -

11012 안성천 0.50 0.84 1.86 4.32 6.63 15.71 6.47 21.62

12010 한강서해북부권 0.54 1.12 1.61 4.59 5.04 - - -

12020 한강서해남부권 0.45 0.87 1.57 2.62 4.40 1.75 - -

하류유역 0.44 0.80 1.68 3.72 8.33 7.85 20.87 69.19

전체 0.55 0.96 2.09 4.75 11.61 19.90 73.94 72.35

식성이거나 투수성이 높고 기복이 심한 지역에서 나타난다 .

식 (4) 의 수계빈도는 유역내의 총 하천수를 유역면적으로 나 눈 값으로 정의되며 단위면적당 하천수를 의미한다 . 하천밀 도와 수계빈도는 공히 수계망의 소밀상태를 나타내는 지표 로 사용된다 .

유역으로부터의 유출량은 유역내의 고도분포에 크게 좌우 되기 마련이다 . 유역내의 고도분포 상황을 나타내는 지표로 서 흔히 유역평균고도가 사용되며 이것은 DEM 의 각 격자 에 해당하는 표고값을 산술평균하여 계산한다 . 유역의 평균 경사는 DEM 의 각 격자에 해당하는 경사를 산술평균하여 계산한다 . 유역의 평균경사는 빗물의 침투량이나 유출률 결 정에 영향을 주며 , 지표면 유출속도를 좌우하는 요소 중 하 나이다 . 유역의 경사가 크면 클수록 유출수의 유하시간이 빨 라지고 침투량이 감소되므로 첨두유량이 커진다 . 최대하천차 수는 유역내에 생성되는 하천망의 차수 중 가장 큰 차수의

값을 나타내며 이와 마찬가지로 유역내의 표고값 중 가장 큰 값을 유역내 최고표고라 한다 . 기복비 식 (6) 은 유역내최 고표고와 유역출구지점표고간의 최대수직거리를 본류연장으 로 나눈 값을 말한다 . 기복이란 지형의 수직방향의 크기를 나타내는 개념이며 , 기복량이란 일정한 범위의 지표면상의 기복의 크기를 말한다 . 본류연장에 대한 기복량의 비율을 기 복비라 한다 .

본 연구에서는 북한강유역을 상류 , 중류 , 하류로 구분하여 특성인자들을 추출하였고 이에 따라 북한강유역의 지형학적 특성이 상류 , 중류 , 하류별로 어떤 특징을 갖는지 살펴볼 필

요가 있다 ( 표 4). 상류 , 중류 , 하류의 유역면적은 각각

4,721.99 km

, 3,653.34 km

, 6,161.50 km

로 하류유역의 면 적이 가장 크며 , 그에 비해 본류연장은 중류유역 83.71 km,

하류유역 93.95 km 보다 상류유역이 115.24 km 로 더 길게

나타났다 . 유역면적과 본류연장을 이용하여 산출하는 유역평 표 4. 유역특성인자

단위유역 유역

(km 면적

)

본류 연장

(km)

평균폭 유역

(km)

총 하천

(km) 연장 ^{총 하천 수 하천 밀도 수계 빈도 형상 인자} 평균 표고

(m)

평균 경사

(%)

최대 하천 차수

최고표고 유역내

(m) ^기복비 10091 평화의댐상류 247.39 37.10 6.67 267.11 224 1.08 0.91 0.11 490.29 58.51 5 1,160.00 26.42 10092 평화의댐 103.95 9.71 10.71 115.93 100 1.12 0.96 0.20 548.90 53.42 5 1,200.00 105.05 10101 화천댐상류 759.70 14.90 50.98 908.73 715 1.20 0.94 0.14 504.88 40.59 6 1,320.00 77.44 10102 화천댐 774.90 34.31 22.58 874.90 731 1.13 0.95 0.35 447.54 44.37 6 1,440.00 39.78 10103 춘천댐 52.78 8.38 6.30 83.73 66 1.59 1.25 0.46 242.91 34.45 6 865.00 94.27 10110 인북천 931.23 77.76 11.98 1,070.93 818 1.15 0.88 0.15 693.77 44.87 6 1,709.65 19.67 10121 내린천 1,084.37 86.00 12.61 1,653.12 1,553 1.52 1.43 0.15 745.50 46.76 6 1,575.00 16.22 10122 내린천합류점 678.76 59.18 11.47 1,033.55 1,299 1.52 1.91 0.18 439.52 46.21 7 1,182.00 17.32 10123 소양강댐 88.91 11.28 7.88 156.80 142 1.76 1.60 0.35 229.88 28.04 7 770.00 61.60

상류유역 4,721.99 115.24 40.98 6,164.77 5,641 1.31 1.19 0.36 570.68 22.80 7 1,709.65 14.62 10131 소양강합류점 139.13 9.70 14.35 215.07 189 1.55 1.36 0.55 194.97 23.85 7 899.00 84.98 10132 의암댐 582.56 31.20 18.67 758.06 702 1.30 1.21 0.23 365.93 42.69 7 1,460.00 45.19 10140 홍천강 1,566.06 107.68 14.54 2,342.94 1,961 1.50 1.25 0.11 366.51 39.26 6 1,189.87 10.59 10151 홍천강합류후 119.70 12.37 9.67 223.89 264 1.87 2.21 0.24 244.27 35.33 7 855.00 65.70 10152 청평댐 640.89 24.31 26.36 904.14 996 1.41 1.55 0.16 284.54 36.41 7 1,180.00 47.50 10160 경안천 561.13 47.38 11.84 1,219.73 2,259 2.17 4.03 0.25 180.84 27.01 6 665.00 13.51 10170 북한강합류점 43.87 6.31 6.95 79.12 127 1.80 2.89 1.15 139.26 28.71 8 654.45 99.75

중류유역 3,653.34 83.71 43.65 5,742.94 12,128 1.57 3.32 0.52 310.26 19.22 8 1,460.00 17.14 10181 팔당댐 815.57 29.06 28.07 1,560.65 2,644 1.91 3.24 0.11 129.78 20.55 8 810.00 27.88 10182 중랑천 298.73 36.61 8.16 618.86 1,551 2.07 5.19 0.21 105.04 16.94 7 749.95 20.48 10183 중랑천합류후 141.75 15.38 9.21 82.46 40 0.58 0.28 0.38 61.09 11.95 8 716.00 46.55 10184 안양천 281.17 32.79 8.57 455.15 583 1.62 2.07 0.25 83.59 16.02 5 630.00 19.21 10191 홍제천합류후 564.89 35.08 16.10 762.14 972 1.35 1.72 0.33 36.41 8.15 8 812.42 23.16 10192 곡릉천 261.43 50.66 5.16 440.19 682 1.68 2.61 0.09 96.42 16.73 5 715.77 13.83 10240 곡릉천합류후 146.40 14.43 10.14 127.26 83 0.87 0.57 0.69 31.79 11.30 8 361.00 25.01 11011 진위천 734.28 52.17 14.07 1,515.69 2,446 2.06 3.33 0.33 70.37 13.46 7 569.00 10.91 11012 안성천 924.38 59.76 15.47 1,802.33 2,479 1.95 2.68 0.18 67.77 12.42 8 575.00 9.62 12010 한강서해북부권 1,031.64 - - 950.62 ,1266 0.92 1.23 - 37.08 11.28 5 460.00 - 12020 한강서해남부권 961.26 - - 1,835.08 2,932 1.91 3.05 - 24.97 8.73 6 437.14 -

하류유역 6,161.50 93.95 65.58 10,150.46 15,666 1.65 2.54 0.70 64.50 7.21 8 812.42 8.65

전체 14,536.83 292.89 49.63 22,058.17 33,433 1.52 2.30 0.17 290.68 15.29 8 1,709.65 5.84

균폭은 하류유역이 65.58 km 로 가장 크며 전체적으로 본류 연장과 비교했을 때 유역평균폭의 값이 작으므로 유역의 형 상이 가늘고 긴 것을 알 수 있다 . 단위유역의 형상인자는 북한강합류점유역을 제외하고 대부분 0.79 보다 작은 값으로 좁고 긴 형상을 가지는 것으로 나타났으며 , 상류 , 중류 , 하 류 유역도 작은 값을 보이고 있으므로 대체적으로 유역의 형상이 좁고 긴 형상을 가지는 것을 알 수 있다 . 전체유역

의 형상인자 더욱 작은 값인 0.17 로 전체적인 유역형상 또

한 마찬가지임을 알 수 있다 . 이는 유역면적에 비해 상대적 으로 하천본류의 길이가 큰 유역특성 때문이다 . 총하천연장 과 하천총수의 값은 하류유역이 각각 10,150.46 km

,

15,666N 으로 가장 크게 나타났다 .

하천밀도는 토양의 투수율 및 식생피복과 밀접한 관계를 갖는 인자이며 상대적으로 높은 하천밀도를 나타내는 하류 유역 (1.65) 은 상류 (1.31), 중류유역 (1.57) 에 비해 토양이 침식 성이거나 불투수성이고 경사가 급하고 식생피복이 빈약하여 신속한 호우응답이 발생하는 지역임을 알 수 있다 . 하천밀도 와 함께 수계망의 소밀상태를 나타내는 수계빈도는 중류유 역 (3.32) ^{이 상류} (1.19), ^하류유역 (2.54) ^{보다 높게 나타났으며}

이에 따라 중류유역의 수계망이 가장 밀집되어 있는 것을 알 수 있다 .

유역의 유출량에 가장 큰 영향을 미치는 인자인 유역의 평균표고와 평균경사는 상류유역에서 각각 570.68 m, 22.80

% 로 가장 크게 분석되었으므로 상류유역이 다른 유역에 비

해 유출수의 유하시간이 빠르고 침투량이 작아 첨두유량이 클 것이다 . 유역내 최고표고값도 산지가 많이 분포되어 있는 상류유역에서 가장 크게 나타났다 . 기복비는 중류유역에서 가장 크게 산출되었으며 이는 본류연장에 비해 유역내 최고 표고와 유역출구표고간의 수직거리인 기복량이 중류유역이 가장 크다는 것을 나타낸다 .

5. 주요 특성인자 비교 분석

수문현상에 영향을 주는 유역 및 하천관련 주요특성인자들 의 중요성을 알기위해 여러 가지 방법들이 연구되고 있으나 ,

이중 가장 유효하게 쓰여 지는 방법은 각 인자들의 회귀분 석을 통해 상관관계를 검토하는 것이다 . 본 연구에서는 여러 인자 중에 지형특성의 가장 기본적인 지표로 판단되는 하천 차수와 유역면적을 기준으로 다른 특성인자들과의 상관성을 해석하고 이를 전체적으로 뿐만 아니라 상류 , 중류 , 하류유 역별로 구분하여 분석하였다 . 이를 통해 북한강 유역 전체에 가장 큰 영향을 끼치는 인자가 무엇이며 , 또한 어떤 인자가 상류 , ^중류 , ^{하류 유역 각각에 큰 영향을 미치는지를 판단하}

고자 하였다 .

5.1 하천특성인자 비교 분석

본 연구의 하천특성인자 중 가장 기본적인 지표인자는 하

천차수 (stream order) 이며 , 이 인자를 기준으로 하천수

그림 4. 하천차수와 하천수, 하천연장, 평균하천연장간의 상관관계

(number of stream), 하천연장 (stream length), 평균하천연장

(mean stream length) 과의 상관성을 분석하였다 . 하천차수별

하천수 , ^{하천연장은 식} (7) ^{에 의한 비선형회귀분석을} , ^하천차

수별 평균하천연장은 식 (8) 에 의한 선형회귀분석을 실시하였 다 . 상류 , 중류 , 하류유역과 전체유역의 회귀분석 결과는 그 림 4 와 같고 , 이에 대한 결정계수 및 하천특성인자상수를 표 5 에 나타내었다 .

(7) (8) X

: ^하천차수

Y

: 하천수 , 하천연장

Y

: 평균하천연장

A, B, C, D: 하천특성인자상수

전체유역 및 상류 , 중류 , 하류 유역별 하천차수에 따른 하 천수 , 하천연장 , 평균하천연장의 결정계수가 약 1 의 값을 보 임으로 상관관계가 굉장히 밀접한 것으로 분석되었다 . ^따라

서 선정된 하천특성인자인 하천차수에 따른 하천수 , 하천연 장 , 평균하천연장 모두가 전체유역 뿐만 아니라 상류 , 중류 ,

하류 유역에 끼치는 영향이 큰 것으로 판단된다 .

5.2 유역특성인자 비교 분석

본 연구의 유역특성인자의 기본적인 지표인자는 유역면적

(basin area) 이며 , 이 인자를 기준으로 본류연장 (basin length),

총하천연장 (total stream length), 하천총수 (number of stream),

유역평균폭 (basin mean width), 형상인자 (form factor), 최대 하천차수 (maximum stream order), ^하천밀도 (basin density),

수계빈도 (stream frequency), 기복비 (relief ratio), 평균표고 Y

= Ae

ln Y

= CX

+ D

표 5. 하천차수와 하천수, 하천연장, 평균하천연장간의 결정계수

대상유역 하천수 하천연장 평균하천연장

A B R

A B R

C D R

상류 19704.1179 1.5024 1.0000 7314.3612 0.8006 0.9971 0.3484 -0.4997 0.9932 중류 20520.8042 1.4229 1.0000 7229.8133 0.8373 0.9970 0.3597 -0.6556 0.9931 하류 44282.0348 1.3394 1.0000 10162.6853 0.6964 0.9991 0.2956 -0.6658 0.9767 전체 84084.4873 1.3905 1.0000 24476.8858 0.7581 0.9985 0.3534 -0.7007 0.9931

그림 5. 유역면적과 본류연장, 총하천연장, 하천총수간의 상관관계

그림 6. 유역면적과 유역평균폭, 형상인자, 최대하천차수간의 상관관계

(mean elevation), 평균경사 (mean slope), 유역내최고표고

(maximum elevation) 와의 상관성을 분석하기위해 식 (9) 에

의한 선형회귀분석을 실시하였다 . 상류 , 중류 , 하류유역과 전

체유역의 회귀분석 결과는 그림 5, 그림 6, 그림 7, 그림

8, 그림 9 와 같고 , 이에 대한 결정계수 및 유역특성인자상수 를 표 6 에 나타내었다 .

표 6. 유역면적과 특성인자간의 결정계수

대상유역 본류연장 총하천연장 하천총수 유역평균폭

E F R

E F R

E F R

E F R

상류 0.0008 1.0025 0.6587 0.0012 2.0199 0.9458 0.0012 1.9529 0.8976 0.0004 0.8790 0.3347 중류 0.0008 0.9582 0.8585 0.0009 2.2458 0.7680 0.0008 2.3606 0.6392 0.0002 1.0477 0.1931 하류 0.0005 1.3027 0.3943 0.0011 2.1728 0.7370 0.0014 2.1402 0.5900 0.0006 0.8018 0.6026 전체 0.0007 1.0865 0.6296 0.0010 2.1594 0.7921 0.0011 2.1770 0.6160 0.0003 0.9266 0.3170

대상유역 형상인자 최대하천수 하천밀도 수계빈도

E F R

E F R

E F R

E F R

상류 -0.0004 -0.1247 0.1134 0.0000 0.7606 0.0481 0.0000 0.1393 0.0310 0.0000 0.0719 0.0028 중류 -0.0006 0.0862 0.6709 -0.0001 0.8660 0.5306 -0.0001 0.2395 0.1140 -0.0002 0.3550 0.1647 하류 0.0001 -0.5053 0.0102 0.0000 0.8365 0.0056 0.0002 0.0412 0.1442 0.0005 0.0084 0.1811 전체 -0.0004 -0.1632 0.1364 0.0000 0.8218 0.0124 0.0000 0.1442 0.0067 0.0001 0.1620 0.0103

대상유역 기복비 평균표고 평균경사유역내최고표고

E F R

E F R

E F R

E F R

상류 -0.0006 1.8970 0.4738 0.0003 2.4847 0.5334 0.0001 1.6032 0.0670 0.0003 2.4847 0.5334 중류 -0.0006 1.9251 0.7093 0.0002 2.2686 0.4937 0.0001 1.4643 0.2928 0.0001 2.9058 0.2859 하류 -0.0004 1.4685 0.2870 -0.0002 1.8651 0.0545 -0.0001 1.1589 0.0555 -0.0001 2.8180 0.0403 전체 -0.0005 1.7507 0.3693 0.0001 2.1734 0.0077 0.0000 1.3874 0.0001 0.0001 2.8806 0.0458

그림 7. 유역면적과 하천밀도, 수계빈도, 기복비간의 상관관계

그림 8. 유역면적과 평균표고, 평균경사, 유역내최고표고간의 상관관계

ln Y

=EX

+F (9) X

: 유역면적

Y

: 본류연장, 총하천연장, 하천총수, 유역평균폭, 형상인자, 최대하천수, 수계밀도, 수계빈도, 기복비, 평균표고, 평균경사, 유역내최고표고

E, F: 유역특성인자상수

북한강 유역 전체에 대하여 유역면적과 관련해서 큰 영향 을 끼치는 유역특성인자는 본류연장, 총하천연장, 하천총수 로 각각 0.63, 0.79, 0.62로 나타났다. 상류, 중류, 하류 유 역별로 영향을 끼치는 인자를 살펴보면, 3개의 유역에 동일 하게 영향을 끼치는 유역특성인자는 총하천연장과 하천총수 이며 상류 유역에서 하류 유역으로 갈수록 결정계수가 총하 천연장은 0.95에서 0.74로, 하천총수는 0.90에서 0.59로 각 각 작아지는 것을 알 수 있다. 유역면적에 대한 12개의 특 성인자 중 본류연장과의 상관성이 높은 유역은 상·중류이 고, 유역평균폭과의 관계가 큰 유역은 하류이며, 형상인자와 최대하천수는 다른 유역에 비해 상대적으로 중류유역에 큰

영향을 끼치는 인자이다. 하천밀도와 수계빈도는 3개의 유역 모두에 영향을 적게 끼치지만 상류 유역에서 하류 유역으로 갈수록 그 영향력이 조금씩 커지는 것으로 나타났다. 기복비 와 평균표고의 경우는 상·중류 유역에서 영향력이 큰 인자 이며, 평균경사는 중류 유역, 유역내최고표고는 상류유역에 상관성이 높은 인자로 분석되었다.

즉, 상류유역에 대하여 유역면적과 관련해서 큰 영향을 끼

치는 유역특성인자는 본류연장(0.66), 총하천연장(0.95), 하천

총수(0.90), 기복비(0.47), 평균표고(0.53)와 유역내최고표고

(0.53)이며, 중류유역에 대해서는 본류연장(0.86), 총하천연장

(0.77), 하천총수(0.64), 형상인자(0.67), 최대하천수(0.53), 기

복비(0.71)와 평균표고(0.49)로 유역에 영향을 끼치는 인자가

가장 많은 것으로 분석되었다. 또한 하류유역에서는 총하천

연장(0.74), 하천총수(0.59)와 유역평균폭(0.60)으로 가장 적

은 인자가 유역에 영향을 끼치는 것으로 판단되었다. 이와

같이 상류, 중류유역에 비해 하류유역이 유역면적과의 상관

성이 큰 인자수가 가장 적은 이유는 상류, 중류유역은 대륙

지역으로 한줄기로 흐르는 하천이 대부분으로인 반면에 하

류유역은 해변에 맞닿아 있어 소규모의 여러 줄기의 하천이

그림 9. 전체유역에 대한 유역면적과 특성인자간의 상관관계

대부분으로 유역출구지점이 많음에 따라 하천의 분포 형상 과 규모 등이 대륙지역에 비해 불규칙적이기 때문인 것으로 판단된다.

6. 결 론

본 연구에서는 북한강유역을 대상으로 DEM과 하천망을 생성하여 하천 및 유역특성인자들을 추출하여 지형학적 특 성을 분석하였으며, 또한 대상유역을 춘천수위관측소지점과 팔당댐수위관측소지점을 기준으로 상류, 중류, 하류로 구분 하여 그 특성을 분석하였다. 이에 특성인자들의 선형 및 비 선형 회귀곡선을 이용하여 그 인자들 간의 상관관계를 분석 함으로써 전체유역뿐만 아니라 상류, 중류, 하류유역에 대하 여 대표되는 하천차수 및 유역면적과 관련해서 큰 영향을 끼치는 중요인자를 판단하였다. 연구의 결과를 정리하면 다 음과 같다.

1. 하천특성인자 중 하천차수를 기준으로 하천수, 하천연장은 비선형회귀분석을, 하천차수별 평균하천연장은 선형회귀분 석을 실시하였다. 그 결과 전체유역 및 상류, 중류, 하류 유역별 하천차수에 따른 하천수, 하천연장, 평균하천연장 의 결정계수가 약 1의 값을 보임으로 하천차수에 따른 하 천수, 하천연장, 평균하천연장 모두가 전체유역 뿐만 아니 라 상류, 중류, 하류유역 각각에 끼치는 영향이 큰 것으로 판단된다.

2. 유역특성인자 또한 유역면적을 기준으로 상류, 중류, 하류 유역과 전체유역별로 회귀분석을 실시하였으며 전체유역 에 대하여 유역면적과 관련해서 큰 영향을 끼치는 유역특 성인자는 본류연장, 총하천연장, 하천총수로 각각 0.63, 0.79, 0.62로 나타났다. 상류, 중류, 하류유역별로 분석시 공통적으로 영향을 끼치는 인자는 총하천연장, 하천총수이 며 상류유역과 중류유역에서는 본류연장, 기복비, 평균표 고가 공통적으로 영향을 끼치고, 각각으로는 상류유역에서 는 유역내최고표고가 중류유역에서는 형상인자, 최대하천 수가 하류유역에서는 유역평균폭이 큰 영향을 끼치는 것 으로 분석되었다.

3. 상류, 중류유역에 비해 하류유역이 하천의 분포 형상과

규모 등이 불규칙적으로 분포하고 있으므로, 하류유역에서 유역면적과의 상관성이 큰 인자수가 가장 적게 나타나는 것으로 판단되었다.

감사의 글

본 연구는 한국수자원공사의 지원을 받아 수행된 「한강 유역조사」과업의 일환으로 진행되었으며, 이에 감사드립니다.

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( 접수일 :2005.8.17/ 심사일 : 2005.9.2/ 심사완료일 :2006.3.9)