* 정회원 ․ 창원대학교 토목공학과 박사과정 (Changwon National University ․ [email protected]) ** 정회원 ․ 창원대학교 토목공학과 박사과정 (Changwon National University ․ [email protected]) *** 창원대학교 토목공학과 석사과정 (Changwon National University ․ [email protected])
**** 창원대학교 토목공학과 석사과정 (Changwon National University ․ [email protected])
***** 종신회원 ․ 교신저자 ․ 창원대학교 토목공학과 교수 (Corresponding Author ․ Changwon National University ․ [email protected]) Received December 8, 2016/ revised December 15, 2016/ accepted March 3, 2017
Copyright ⓒ 2017 by the Korean Society of Civil Engineers
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DOI: https://doi.org/10.12652/Ksce.2017.37.2.0467 www.kscejournal.or.kr
하천 합류부에서의 부유입자 분포에 대한 현장측정
곽성현*ㆍ이경수**ㆍ조한일***ㆍ서용재****ㆍ류시완*****
Kwak, Sunghyun*, Lee, Kyungsu**, Cho, Hanil***, Seo, Yongjae****, Lyu, Siwan*****
Field Measurement of Suspended Material Distribution at the River Confluence
ABSTRACT
Each river confluence has the inherent hydraulic and mixing characteristics coming from its bathymetry and topography. It is necessary to make the measurement covering the spatial extent of studying area in order to catch these 2-dimensional intrinsic characteristics. This study focuses to investigate the hydraulic and mixing characteristics at the confluence of Nakdong and Geumho River, from field measurement of flow, water quality, and suspended particle distribution with ADCP (Riversurveyor M9), multi-parameter water quality sonde (YSI6600V2), and submersible system for in-situ observations of particle size distribution and volume concentration (LISST : Laser In-Situ Scattering & Transmissometry), respectively. From the results, it can be found that the field measurement of suspended particle and water quality distribution can be the useful approach to catch the hydraulic and mixing characteristics at a river confluence.
Key words : Nakdong river, Confluence, Suspended particle distribution, Field measurement, Mixing characteristics 초 록
하천 합류부에서는 지형적 특성에 기인하는 고유한 수체혼합양상과 흐름특성을 보인다. 이러한 합류부에서의 2차원적 수체혼합양상을 파악하 기 위해서는 측선기반이 아닌 평면적 계측이 필요하다. 본 연구에서는 낙동강-금호강 합류부를 대상으로 UAV를 활용한 정성적 수체혼합모니 터링과 ADCP, 다항목수질측정기, 현장용광학입도분석기(LISST : Laser In-Situ Scattering & Transmissometry)를 이용한 흐름, 수질, 부 유입자특성에 대한 측정을 통해 하천합류부에서의 2차원적 수체흐름 및 물질혼합 특성을 파악할 수 있는 현장측정기법을 제시하고 적용성을 검 토하고자 하였다. 수리량, 수질인자, 부유입자의 농도 및 입도분포에 대한 현장측정을 통해 복잡한 지형적 특성을 가지는 하천합류부에서의 2차 원적 흐름양상과 그에 따른 수체 및 물질혼합양상을 파악할 수 있음을 확인하였다.
검색어 : 낙동강, 합류부, 부유입자 분포, 현장측정, 혼합특성
1. 서 론
자연하천은 대부분 단일 하천이 아닌 여러 지류가 본류와 만나는 복잡한 하도망으로 구성되어 있으며, 합류부를 중심으로 매우 복잡한 지형적 특성과 그에 따른 고유한 수체혼합 및 흐름양상을 보인다. 특히 대하천사업에 따른 대규모 하도준설 및 수리구조물
Water Engineering 수공학
(a) Before River Training Project (2008)
(b) After River Training Project (2013) Fig. 1. Study Area
설치로 단기간에 걸쳐 급격하게 이루어진 하천 합류부에서의 지형 을 포함한 환경변화는 기존의 지류와 본류 수체혼합 및 흐름특성과 그에 따른 수질특성의 변화를 수반하였다. 다기능보 운영에 따른 본류 유황변화의 영향으로 지류로부터 유입되는 수체의 혼합거동 에 변화가 발생하며, 조류발생과 하도 내 수질특성의 변화 뿐 아니라 수질측정망과 다양한 이 ․ 취수시설 운영에도 큰 영향을 미치게 된다. 따라서 변화된 하천환경 하에서 효과적인 하천관리를 위해서 는 합류부에서의 수체혼합거동에 대한 규명이 필수적이다.
국내에서 수행된 합류부 수체혼합 및 흐름특성에 대한 연구로는 Choi et al. (2002)과 Park (2003)이 실내실험을 통해 지류의 합류각도와 본류와의 유량비에 따른 흐름특성을 분석하였다. Jang et al. (2006)은 금강-미호천 합류부를 대상으로 빈도별 유량조건에 서의 흐름특성과 단기 하상변동을 수치모의를 통해 파악한 바 있으며, Hwang et al. (2009)은 낙동강-금호강 합류부를 대상으로 하천단면 변화에 따른 흐름변화를 2차원 요한요소해석을 통해 검토한 바 있다. Kim et al. (2006)은 낙동강 본류와 반변천이 만나는 합류부 지점에서 환경부수질측정망 부유물질(Suspended Soild, SS)와 탁도자료 간의 상관관계 분석결과를 고려하여 평면2 차원 흐름 및 수질 모의를 통해 임하댐에서 방류된 탁수가 완전 혼합되는 지점을 예측한 바 있으며, Seo et al. (2014)과 Jung (2015) 은 낙동강과 금호강 및 진천천 합류부를 대상으로 전기전도 도를 추적자로 활용한 자연하천에서의 추적자 실험을 통해 용존성 오염물질의 2차원적 혼합거동을 분석한 바 있다. 이처럼 합류부에 서의 연구는 실내실험 또는 수치모델 기반의 흐름모의 및 하상변동 에 대한 연구가 주로 수행되었다. 상대적으로 현장계측 및 실험기반 연구는 수행된 사례는 많지 않으며, 일부 수행된 경우에도 주로 지점 또는 측선기반 계측에 국한되어 합류부에서의 공간적 혼합특성 을 파악하기 위한 조사 및 연구들이 충분히 진행되고 있지 않는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 합류부에서의 수리량, 수질, 부유입 자에 대한 2차원 공간분포와 혼합양상 및 부유입자의 입도특성을 파악하기 위한 현장측정연구를 통해, 다양한 측정장비를 활용한 합류부 수리 및 수질특성을 규명하고 현장측정기법의 적용성을 검토하고자 하였다.
2. 대상구간 및 연구방법
2.1 대상구간
본 연구에서는 대구광역시를 관류하는 금호강의 낙동강 합류점 으로부터 하류 4 km 구간을 대상으로 수리량, 수질 및 부유입자 특성을 측정하였다. Fig. 1에 도시된 바와 같이 대상구간은 합류점 직상류에 건설된 강정고령보로 본류 흐름이 제어되고 보 건설과 함께 이루어진 하도준설로 합류부 인근 하도 및 홍수터 지형과
흐름특성이 급격하게 변화되었다. 대하천사업 이후 금호강유량의 50% 이상이 추가적인 하도를 통해 유입되면서 낙동강 본류 흐름을 우안방향으로 밀어내며 합류하고, 하중도와 하도사행과 같은 지형 적 특징으로 인한 복잡한 흐름이 발생하는 구간이다.
2.2 측정장비 및 계측방법
낙동강-금호강 합류부에서의 2차원 수체혼합양상을 파악하기 위해서 하도지형, 수리량, 수질, 부유입자 특성을 측정함과 동시에 드론촬영을 이용하여 합류부 혼합양상을 모니터링을 실시하였다.
유속, 수심 및 위치 측정을 위해서 ADCP (Acoustic Doppler
Current Profiler : 미국 SonTek사의 RiverSurveryor M9)를 사용
하였다. ADCP는 수중으로 전송된 일정 주파수의 초음파가 부유하
는 입자들에 의해 산란하여 돌아오는 반향을 수집, 도플러 효과를
이용하여 수심에 따른 3차원 유속정보를 수집하고 이를 이용하여
유량을 측정하는 장비이다(Mueller and Wagner, 2009). 수질항목
측정을 위해서 다항목 수질모니터링시스템(미국 YSI사의 YSI6600
EDS)을 사용하였다. YSI6600EDS는 휴대 및 현장 설치를 통해
동시에 여러 수질항목에 대한 측정이 가능한 장비로 국내 ․ 외 여러
문헌들을 통해 현장에서 수질측정에 대한 효율성이 입증된바 있으며
본 연구에는 탁도, 전기전도도, BGA세포수 (Blue-Green Algae),
수온, pH, DO, 클로로필-a에 대한 자료를 수집하였다(Kim et
Table 1. ADCP Specification
Velocity Measurement
Profiling Range (Distance) 0.06 to 40 m Profiling Range (Velocity) ±20 m/s
Accuracy ±0.25%
Resolution 0.001 m/s
Number of Cells Up to 128
Depth Measurement
Range 0.20 to 80 m
Accuracy 1%
Resolution 0.001 m
Table 2. YSI 6600 EDS Specification
Available Sensors Temperature, ,Electric Conductivity, Dissolved Oxygen, pH, Turbidity, Chlorophyll-a, BGA
Operating Environment
Medium: fresh, sea, or polluted water Temperature: -5 to +50°C for most sensors
Depth: 0 to 656 feet (200 meters)
Diameter 8.9 cm
Length 54.9 cm
Weigh 3.18 kg
Table 3. LISST-100X Specification
Measurement frequency 1 s
Measuring range 0.08~0.5 m
Range(Sediment Size) 1.25-250 µm Range(Concentration) 1-750 mg/L
Resolution <1 mg/L
Table 4. UAV Specification
Group Performance
Model Inspire 1
Weight (Battery Included) 2935 g Hovering Accuracy (GPS mode) Vertical: 0.5 m
Horizontal: 2.5 m
Max Ascent Speed 5 m/s
Max Descent Speed 4 m/s
Camera Model : X3
Image Max Size : 4000×3000
Fig. 2. Description of Measuring Process
al., 2006; Kim et al., 2012; Seo et al., 2014). 수중에 부유하는
입자들의 농도와 입도분포에 대한 정보를 취득하기 위해서 현장용 광학입도분석기(미국 Sequoia Scientific사의 LISST-100X : Laser In-Situ Scattering Transmissometry)를 사용하였다. 광학 원리를 이용하여 수체 내 부유입자들에 의한 레이저광원의 산란 및 투과정도를 통해 입도분포와 농도를 측정하는 LISST-100X는 투과도뿐 아니라 laser diffraction의 원리를 이용하여 1.25~250
µm 범위의 입도분포를 측정할 수 있고, 입도구간별 체적농도에 대한 정보를 제공한다. 이상의 장치들을 보트에 장착하여 대상구간 을 이동하면서 수리량, 수질, 부유입자특성 및 농도에 대한 2차원 공간적 분포를 취득함과 동시에 정성적 혼합양상을 모니터링 할 수 있도록 소형UAV (DJI사의 Inspire 1)를 이용해서 영상을 촬영 하였다. Table 1~4는 본 연구에 활용된 장비의 규격 및 제원을 제시하고 있다.
Fig. 2는 본 연구에서 수행한 측정과정 및 방법을 요약하여
도시하고 있다. ADCP가 설치된 부유체(hydroboard)를 보트 측면
에 고정한 상태로 보트 이동경로를 따라서 수심과 유속 등의 수리량
자료를 취득하고 LISST-100X와 YSI6600 EDS는 보트에 설치된
Fig. 3. Measuring Equipment Setup
(a) The Right of the Nakdong River (b) The Left of the Nakdong River Fig. 4. Comparison of Measured Values from LISST-100X and Mastersizer 2000
릴을 이용하여 원하는 수심까지 하강한 후 측정함으로써 특정 수심층에서의 수질항목 및 부유입자특성 분포에 관한 정보 취득하 였다. 또한 ADCP와 함께 부유체에 설치된 RTK-GPS를 이용하여 측정자료 취득지점과 보트이동경로 정보를 실시간으로 모니터링 함으로써 측정결과 및 지점 중요도에 따라 측선 간격을 20~50 m 범위 내에서 조정하면서 측정을 수행하였다. 또한 위치, 수리량, 수질항목, 부유물농도 및 입경분포 자료의 분석과정에서의 편의성 및 통일성 제고를 위해 모든 계측장비의 측정시간 간격을 초당 1개로 통일하였다. Fig. 3은 장비 설치 및 운영을 보여주고 있다.
3. 실험결과 및 분석
3.1 LISST-100X의 현장 적용성 검토
Fig. 4는 LISST-100X를 이용한 현장에서의 측정결과와 펌핑을 통해 채수된 시료의 실내 분석 결과를 나타낸 것이다. 실내 분석에는 그 효율성이 입증된 실내입도분석기(Mastersizer 2000)를 이용하 였다. 현장에서의 측정결과와 실내분석결과를 살펴보면 두 장비의 측정범위 및 측정 간격이 차이로 인해 오차가 있지만 최대농도가 나타나는 입경의 크기와 농도분포가 유사함으로 LISST-100X의 현장에서의 적용성이 충분하다고 판단된다.
3.2 공간적 2차원 혼합양상
Fig. 5는 UAV를 통해 촬영된 측정시기의 수체 혼합양상을 보여 주고 있다. Figs. 5(a) and (b)는 각각 강정고령보 직하류 합류점과 화원관측소 상류 지점에서의 본류와 지류 수체혼합양상에 대한 영상으로, 본류를 흐르는 고탁도 수체가 탁수가 흐르며 상대적으로 낮은 탁도의 금호강으로부터 유입되는 수체와 합류되어 하류로 유하하면서 점차 혼합되는 양상을 확인할 수 있다.
Fig. 6은 현장측정시 보트이동경로(측정경로)와 ADCP로 취득 한 수심 및 유속자료의 2차원 공간분포를 도시하고 있다. 유속분포 를 살펴보면 본류구간에서 최대 0.3 m/s의 주흐름이 발생하며 낙동강 본류와 금호강의 수심은 각각 7~10 m와 4~6 m로 본류 하도의 수심이 상대적으로 더 깊은 것을 확인할 수 있다. 대상구간의 하상구조 중 특징적인 것은 강정고령보 직하류 합류지점에서 4 m정도의 단차를 가지는 하상구조를 확인할 수 있으며, 화원관측소 상류 합류지점에서도 3 m정도의 하상단차가 있는 것으로 확인된다.
수질항목별 공간분포와 혼합양상을 살펴보면 수온, EC, DO,
pH, BGA 세포수, 클로로필-a는 금호강이 본류에 비해 상대적으로
높은 값을 가지며, 탁도는 본류에서 더 높은 값을 보이는데 이는
UAV 를 통해 촬영된 영상을 통해 확인한 바와 일치함을 확인할
수 있다. 강정고령보 직하류 합류지점을 통해 금호강 수체가 낙동강
(a) At the Downstream of Gangjeong-Goryeong Weir (b) At Hwawon Observation Station Fig. 5. Mixing Phenomena Captured from UAV
(a) Velocity (b) Depth
Fig. 6. Spatial Distributions of Water Depth and Flow Velocity
(a) Measurement Pathway (b) EC (c) Temperature
Fig. 7. Spatial Distributions of Water Quality
본류로 유입되어 본류 좌안을 따라 상류까지 영향을 미치면서
혼합되는 것을 확인할 수 있으며, 하중도를 지나는 구간에서 낙동강 본류와 금호강 수질 특성이 뚜렷하게 차이가 나는 것을 확인할 수 있다. 화원관측소 상류 합류지점에서는 금호강 수체가 본류 좌안으로 합류되어 화원관측소가 있는 사문진교 부근에서 혼합되 는 양상을 확인할 수 있다(Fig. 7).
Fig. 8 은 수체 내 부유입자의 총 농도와 Lane 등(1947)의 유사등 급 기준에 따라 부유입자의 크기를 Clay, Silt, Sand로 구분해서 산정한 농도의 공간분포를 나타낸 것이다. 금호강보다 낙동강 본류
에서부유입자 전체농도가 더 높지만 Fig. 7(d)의 탁도분포와 비교할
때 그 차이가 뚜렷하지는 않다. 입자크기별 분포를 비교할 때 실트규
모의 입자가 전체 부유입자의 주를 이루고 있으며 낙동강 본류와
금호강에서의 실트규모 입자농도는 큰 차이를 보이지 않는 것으로
확인할 수 있다. 또한 Fig. 8(b)를 통해 UAV영상과 Fig. 7(d)의
탁도분포에 있어서의 낙동강과 금호강의 차이는 점토규모 미립자
분포 차이에 의한 것임을 확인할 수 있다.
(d) Tubidity (e) pH (f) BGA
(g) DO (h) Chlorophyll-a
Fig. 7. Spatial Distributions of Water Quality (Continue)
(a) Total Concentration (b) Clay Size
(c) Silt Size (d) Sand Size
Fig. 8. Spatial Distributions of Particle Concentration
(a) Particle concentration(Clay size)
(b) EC (c) Temperature
(d) Tubidity (e) pH
Fig. 9. Transverse Distributions of Water Quality at Selected Sections
3.3 측선별 횡분포 및 혼합양상
Fig. 9은 대상구간 내 주요 측선에서의 대표측정항목에 대한 횡방향 분포를 도시하고 있다. Section 1과 2는 각각 합류전 낙동강 본류와 금호강 수체 내 횡단분포 특성을 파악할 수 있는 단면으로, 측정항목별로 낙동강 본류와 금호강에서의 횡단분포 특성을 파악 할 수 있다. 탁도와 점토규모의 미립부유입자 농도의 횡분포를 통해 낙동강 본류가 금호강 보다 더 높으며, Section 3에서는 본류와 지류 수체의 혼합이 발생하지만 충분한 횡혼합이 이루어지지는 않는다는 것을 확인할 수 있다. 수온, 전기전도도, pH는 금호강이 낙동강 본류에 비해 더 높은 값을 가지며, 이는 대구광역시를 관류하 는 금호강의 상대적으로 낮은 수질과 얕은 수심으로 인한 수온상승 에 기인하는 것으로 판단된다. 그리고 Section 1~3에서의 측정항목 별 횡분포 비교를 통해서 합류 전 낙동강 본류로 금호강 수체가 유입되면서 좌안으로부터 하폭의 0.4~0.8배 되는 지점까지 영향을 미치고, Section 3에서도 금호강수체가 혼합되지 않고 항목별로
좌안으로부터 하폭의 0.4~0.6배 지점을 경계로 본류와 금호강 수체 가 구분되어 흘러감을 알 수 있다.
4. 결 론
본 연구에서는 낙동-금호강 합류부 구간에 대한 2차원 수체 혼합양상을 파악하기 위하여 현장측정을 실시하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
(1) 본 연구에서 제시한 다항목 수질모니터링시스템(YSI6600
EDS), 현장용 광학입도분석기(LISST-100X), ADCP, 소
형UAV를 이용한 현장측정기법을 통하여 다양한 항목을
측정지표로 활용한 상세한 2차원 혼합양상 파악이 가능하였
다. 낙동강-금호강 합류지점에서의 혼합양상은 강정고령보
직하류 합류지점으로부터 금호강 수체가 유입되면서 좌안
을 따라 상류방향으로 영향을 미치며, 화원관측소 상류 합류 지점에서는 금호강 수체가 유입된 후 바로 혼합되지 않고 낙동강 본류와 구분되어 흘러가다 화원관측소 하류사문진 교 부근에서 횡혼합이 완료되는 것을 확인할 수 있었다.
(2) 유속, 수질, 부유입자농도 및 입도특성을 추적자로 사용하여 복잡한 지형특성을 가지는 하천 합류부에서의 흐름특성 및 2 차원 혼합양상을 상세하게 파악할 수 있음을 확인하였다.
향후 연직분포와 함께 다양한 수리조건에서의 측정자료를 지속 적으로 취득한다면 효과적인 하천관리를 위한 기초자료 확보와 함께 하천에서의 3차원적 혼합특성을 규명함으로써 흐름 및 수질모 의를 위한 검 ․ 보정 자료로 이용될 수 있을 것으로 판단된다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부 물관리연구사업의 연구비지원(11기술혁 신C06)에 의해 수행되었으며, 이 연구에 참여한 연구자 일부는
｢BK21플러스 사업｣의 지원을 받았습니다.
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