유사량조사 기술현황과 발전방향

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유사량조사 기술현황과 발전방향 03

1. 개요

하천 유사량자료는 하상변동 예측, 저수지 퇴사 량 추정, 유사유출량 추정, 하천계획 수립 등 하천관 리 및 수자원 개발을 위해 반드시 필요한 자료이다.

또한, 하천 수질 및 생태환경이 중요한 사회적인 관 심사인 가운데 하천의 부유사는 탁수를 유발하여 정 수처리 등에 어려움을 주게 되며 수생태계에 다양한 영향을 미치게 된다.

이로 인해 미국 등 여러 선진국에서는 오래 전부 터 하천 유사 이송 과정에 대한 이론적인 개념을 정 립하고 조사 방법 및 기술을 개발하여 유사량자료를 정기적으로 생산해 오고 있다.

우리나라에서는 1960년~1970년대부터 조사 및

연구 목적으로 전국유역조사사업과 IHP사업에서 유사량조사가 처음 시작된 것으로 기록되어 있다.

1990년대 이후 하상변동조사 연구와 관련하여 기초 자료를 수집하기 위해 실시되었으며, 2000년대에는 전국 유역조사사업이 재실시되고 수문조사사업이 진 행되면서 유사량조사가 본격적으로 수행되었다. 다 만, 이 기간에는 유사량자료에 대한 중요성이 상대 적으로 크게 부각되지 않아 조사기술에 관한 연구개 발이 미진하였으며 관련기관의 목적에 따라 극히 제 한적인 지점에서 간헐적으로 유사량조사가 수행되어 실제 활용 가능한 유사량자료는 부족한 실정이다.

그러나 최근 전세계적인 이상기후와 함께 대규모 홍수가 빈번해짐에 따라 하천 유사량이 커지고, ‘4 대강 살리기 사업’과 같은 대규모 하천사업의 영향 으로 하천환경이 급격히 변화함에 따라 유사량자료 의 중요성이 더욱 커지고 있다. 이에 따라 정부에서 는 정도 높은 유사량자료를 정기적으로 생산하고자 수문조사기본계획(국토해양부, 2009) 등을 통해 국 가유사량관측망(138개소)을 구축하였다.

현재 유사량조사는 국가유사량관측망을 중심으로 연 15개 지점 정도를 선정하여 유사유출이 활발한 홍수기에 주로 부유사량 측정이 이루어지고 있다.

이에 반해 소류사량 측정은 부유사량 측정만큼 정도 가 높지 않으며 따라서 측정결과에 대한 신뢰도가 낮아 실제 측정은 극히 일부에서만 이루어지고 있으 며, 소류사량 측정방법 개선을 위한 연구는 추후 해 김 치 영

한국수자원조사기술원 하천조사실 실장 [email protected]

권 동 석

한국수자원조사기술원 하천조사실 팀장 [email protected]

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결이 필요한 숙제이다. 따라서 본 고에서는 유사량 조사의 기술현황을 부유사량과 소류사량으로 나누 어 살펴보고, 하천의 안정적인 운영과 정상적인 기 능 유지를 위한 하천 유사량조사 기술의 발전방향을 제시하고자 한다.

2. 하천 유사량조사 현황 2.1 지점현황

하천 유사량조사는 표 1에 제시된 바와 같이 국가 유사량관측망(138개소)를 중심으로 유역관리, 하천

관리, 하천시설물관리, 댐관리를 목적으로 수행되고 있다.

그림 1은 2018년 유사량조사 위치를 나타내며, 표 2는 2006년 이후 한국수자원조사기술원의 연도별 유사량조사현황을 나타낸 것으로 수문조사 기본계 획(2009)에 따라 유사량측 지점수가 2010년에 크게 증가하였다.

2.2 유사량측정 기술 현황

2.2.1 부유사측정

부유사를 측정하는 방법은 표 3에서 보는 바와 같 이 간단한 기계식 채취기를 이용한 방법부터 광학

표 1. 국가유사량관측망 현황

계 권역

한강 낙동강 금강 섬진강 영산강

138 44 37 33 12 12

표 2. 연도별 유사량조사현황

연도 소계 관 할

한강 낙동강 금강 영산강

2006 6 2 2 1 1

2007 6 2 2 1 1

2008 6 2 2 1 1

2009 7 2 2 1 2

2010 20 4 8 4 4

2011 20 4 9 3 4

2012 15 3 7 2 3

2013 15 4 7 2 2

2014 26 4 10 2 10

2015 22 4 9 3 6

2016 17 3 8 2 4

2017 14 3 5 3 3

2018 14 3 7 2 2

합계 188 40 78 27 43

그림 1. 자동유량측정시설 설치 위치

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또는 음향 측정기와 같은 전자식 장비를 이용하는 방법까지 다양하다. 그러나 대부분의 경우 국내에서 는 그림 2에서 보는 바와 같은 수심적분 채취기(D- 74 등)나 점적분 채취기(P-61 등)와 같은 기계식 채 취기가 널리 이용되고 있다.

부유사를 채취하는 주요 목적은 그 하천 단면을 단위시간 동안에 통과하는 부유사의 유량가중된 평 균유사농도를 구하기 위한 것이다. 먼저, 측정 방법 에 따라 직접법과 간접법으로 구분된다. 또한, 부유 사 농도는 하천 횡단면의 횡방향과 수직 방향에 따 라 차이가 나타나는데 측선 상의 한 점에서 부유사 를 시간 평균하여 측정하는 점적분 채취와 채취기를 일정 속도로 측선 상에서 오르내리면서 부유사를 수 심 평균하여 측정하는 수심적분 채취로 구분한다.

일반적으로 한 하천 단면의 부유사량 조사만을 목적 으로 하는 경우 수심적분 방법을 이용한다.

직접법에는 Delft 병채취기(그림 3), 광학측정기, 음향측정기(그림 4)를 이용한 방법 등이 있으며, 세

방법 모두 측선 상의 한 점에서 부유사를 측정하는 점적분법에 해당된다.

간접법에는 주로 기계식 채취기가 이용되며, 그 림 5와 같이 최근에는 자동화의 일환으로 하천 내 에 유입구를 설치하고 펌프로 물을 끌어올려 이 중 에서 유사시료를 걸러내어 분석하는 펌프채취기 를 이용한 방법이 연구목적으로 일부 적용되고 있 다. 또한 외국의 경우, 그림 6에서 보는 바와 같 이 LISST-SL(Laser In-Situ Scattering and Transmissometry-StreamLined)와 같은 장비를 통해 측정과 분석(농도 및 입도분포)을 동시에 수행 할 수 있는 첨단장비를 개발하여 실무에 적용하는 등 관련 분야에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.

2.2.2 소류사측정

소류사 측정은 여러 가지 이유로 부유사 측정보다 는 상당히 어렵다. 우선, 하상에 내려진 장비는 크든

표 3. 부유사 측정방법

측정법 점적분(Point-integration) 수심적분(Depth-integration)

직접법

Delft 병채취기

광학측정기(Optical Sampler) 음향측정기(Acoustical Sampler)

-

간접법

Trap Sampler

병채취기(Bottle Sampler) P-61

펌프채취기

D-74

Collapsible Bag Sampler

그림 2. 기계식 채취기를 이용한 유사량 측정

(1) 부유사량 측정 (2) P-61 채취기 (2) D-74 채취기

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작든 하상을 교란시켜서 소류사의 이송 상태를 변화 시킨다. 더 큰 문제는 하상 근처를 이동하는 소류사 의 양이나 분포가 시간적, 공간적으로 끊임없이 변 화한다는 사실이다. 또한 소류사는 하상 근처의 수 류의 유속보다 훨씬 작은 속도로 이송되는 경우가 많다. 이런 점에서 볼 때, 한두 개의 소류사 측정치 가 전체 하천단면을 대표한다고 보기 어려운 점이 있다.

소류사 측정방법은 기계식 채집형과 하상형태 추 적형의 두 가지로 나눌 수 있다. 기계식 채집형 소 류사채취기의 기본 원리는 하천의 하상에 ‘Bed layer'라 하는 얇은 층을 이루며 이송되는 유사 입 자를 `trap을 이용하여 일정시간 동안 채취하는 것 이다. 대부분의 소류사 측정방법은 직접 시료를 채

취하는 것이며, 이용하는 소류사 채취기는 ① 상자 또는 바스켓 형, ② pan 또는 tray형, ③ 압력차형 (pressure difference), ④ slot 또는 pit형의 네 가 지로 나눌 수 있다. 이 중에서 ③번의 압력차 소류사 채취기는 채취기의 배출구에서 압력을 강제로 강하 시켜서 유입속도와 주변 유속이 거의 같도록 만들어 져 있으며, 대표적인 것이 Helly-Smith 채취기(그 림 7)이다(한국건설기술연구원, 1990).

하상형태 추적형 방법(bed-form tracking)은 일 정한 시간 간격으로 연속적으로 하상형태를 측정하 여 이 자료에서 소류사량을 계산해 내는 방법이다.

흐름이 정상류이고 하상형태의 모양이 교란되지 않 고 이동한다는 가정하에, 하상형태의 이동속도와 평 균높이의 측정이 필요하다. 다만 이런 측정에는 정 그림 3. Delft 병채취기

그림 5. 펌핑을 이용한 조사

그림 4. ADCP를 이용한 유사량 측정

그림 6. LISST-SL 측정장비

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밀한 측정시스템이 필요하여 비용이 많이 들고 운영 상 고도의 기술이 요구되어 실무에 적용하는 데는 한계가 있다.

2.3 하천 유사량조사 문제점

현재 유사량조사는 크게 유역관리, 하천관리, 하 천시설물관리 및 댐관리 목적으로 유사량관측망이 구축되어 실시되고 있다. 그러나 예산, 인력 등의 문 제로 인해 전체 유사량관측망 138개소 중에서 연 15 개소 내외에서만 유사량조사가 수행되고 있어 4대 강 및 주요하천에 대한 전체적인 유사량조사가 수행 되지 못하고 있다. 한국수자원조사기술원이 국가유 사량관측망(전체 138개소) 중에서 2006년~20018 년까지 13년 동안 1회 이상 측정을 수행한 지점은 40개소로 약 29.0%에 지나지 않으며, 지점별로 평 균조사년수는 약 4년 정도로 나타났다. 한 지점 (Site)에서 신뢰성 있는 유사량자료를 생산하기 위 해서는 최소 몇 년간 유사량조사가 지속적으로 수행 되어 충분한 측정성과가 확보되어야 하며, 이를 감 안하면 유사량자료 생산 지점이 절대적으로 부족한 실정이다.

충적하천에서 부유사량과 소류사량을 포함한 총 유사량의 추정은 하천관리를 위해 반드시 필요한 요 소 중 하나이다. 부유사량은 이론적인 개념 및 측정 방법이 어느 정도 정립되어 있어 실무에 적용가능 하나, 소류사의 거동 및 측정방법 등에 관해서는 아 직 많은 연구가 필요하다. 따라서 대부분의 총유사

량 추정은 첫째, 하천유사량 산정공식을 이용하는 간접적인 방법과 둘째, 부유사 채취기로 하상 가까 이 최대한 부유사를 측정하고, 측정하지 못한 하상 과 채취기 노즐 사이의 미측정 구간을 적절한 방법 으로 계산에 의해 추정하여 합산하는 방법이 이용 된다. 이 때 전자의 경우에서 적용하는 유사량 산 정공식들은 하상토의 이송량만을 추정하기 때문에, 주 이송재료가 진흙이나 실트질일 경우에는 추정할 수 없다는 한계가 있으며, 실측치와 비교시 크게는 1/10~10배까지 차이가 나타난다. 두 번째 방법 역 시 하천의 특성에 따라 결과 또한 차이가 크기 때문 에 어떤 방법이 더 적절한가에 대한 평가는 단언할 수 없는 단계이다.

측정장비 측면에서 살펴보면, 최근 기술발전으로 인해 다양한 분야에서 신기술을 이용한 장비 등이 개발되고 실무에 적용되고 있으나, 유사량조사 분야 에서는 매우 더딘 편이다. 대부분 측정은 50년 이전 에 개발된 기계식 장비를 사용하며, 비교적 최근에 개발된 광학·음향측정기, 펌프채취기 등은 충분한 연구가 수반되지 않아 실무에 적용하는데 한계를 갖 고 있다. 또한, 실무에서 적용되는 대부분 측정장비 가 미국 등 외국에서 개발 및 생산되어 우리나라 하 천환경에서 적용하기에 무리가 있는 측면이 있다.

다음으로 유사량자료 생산 측면에서 살펴보면, 연 속적인 유사량자료를 생산하는 주된 방법은 유량- 유사량관계곡선식을 이용하는 방법이다. 유사량자 료의 특성상 유량-유사량관계의 편차가 크며, 수위 결측 등으로 유량자료가 생산되지 않는 기간에는 유 그림 7. 소류사 측정

(1) 소류사 측정 (2) Helley-Smith 소류사 채취기 (3) BLH-84 소류사 채취기

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사량자료의 생산이 곤란하다.

3. 하천 유사량조사 발전방향

최근 수질문제, 하상변동, 기후변화 등으로 인해 하천 유사량자료에 대한 수요 및 중요성이 증대되고 있다. 이에 따라 앞 절에서 언급한 유사량조사의 현 황과 문제점을 토대로 유사량조사의 발전방향을 제 시하면 다음과 같다.

첫째, 유사량조사 지점이 매우 부족하다. 최근까 지 하천 유사량조사는 하천 유수에 의해 이송되는 유사 자체의 양적 측정에 국한된 측면이 강했으나, 2000년대 이후 수질문제 등 수자원의 관리 및 보 존에 관심이 늘어나고 있다. 이에 따라 유사량자료 에 대한 수요 및 활용성이 증대되고 있어 유사량조 사 지점의 점진적인 확대가 필요하다. 현재 연 15개 내외에서 유사량조사가 수행되고 있으나, 주요 하천 및 유역에 대한 유사유출량을 파악하는데 부족한 실 정이다. 또한, 유사량 산정을 위해서는 유량자료가 반드시 요구되므로, 유량조사와 연계 운영하는 통합 관리가 필요하다.

둘째, 우리나라 하천에 적합한 유사량 조사 및 산 정 방법을 표준화할 필요가 있다. 먼저, 부유사량조 사는 기계식 채취기를 사용하는 경우와 연속적인 측 정이나 실시간 측정을 목적으로 광학·음향 측정기 나 펌프채취기를 사용하는 경우로 나눌 수 있다. 전 자의 경우 적정 수심이나 유속, 측점수 및 측정방법 등을 보다 자세히 제시하고, 후자의 경우는 충분한 관련 연구를 통해 실무에 적용하는 방안이 바람직하 다. 또한, 총유사량 추정의 경우는 직접 소류사량을 측정하는 방법이 정립되어 있지 않고, 단기간에 해 결하기 어려운 것이 현실이다. 따라서 직접 소류사 량을 측정하는 방법은 장기적인 관점에서 꾸준한 연 구가 필요하며, 총유사량 추정을 위해서는 부유사량 실측과 일부 추정의 절충 방법을 이용하는 것이 합 리적이다. 이 때 하천에 따라 일률적인 공식을 적용

하는 것은 무리가 있으며, 충분한 실측 및 연구를 통 해 하천이나 유역에 따른 적정한 공식을 제시할 필 요가 있다.

셋째, 효과적이고 안정적인 유사량조사를 위해서 는 국내 하천환경에 맞는 측정장비의 개선 및 개발 이 필요하다. 또한, 자동화된 유사량자료의 생산을 위해서는 광학·음향 측정기나 펌프채취기, LISST 와 같은 측정장비를 연구하고 관련 외국 기술 등을 참조하는 것이 필요하다. 특히, 자동유량측정시설 (전체 61개소)에서 설치, 운영 중인 ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler)를 활용하여 유사량조사 와 연계하여 운영할 경우 예산상의 큰 투자 없이도 상당수 지점에 대한 연속적인 유사량자료의 생산이 가능할 것으로 보인다. 다만 실용화를 위해서는 “왜 아직도 50년 전에 개발된 장비를 쓰고 있는지”에 대 한 고민과 신중한 접근이 필요하다.

마지막으로 유사량자료의 활용성을 높일 수 있도 록 관련자료를 제공하는 것이다. 현재 유사량조사는 유사량측정성과와 유량-유사량관계곡선식을 제공 하고 있으나, 하상변동 예측 등 실무에 적용하는데 는 무리가 있다. 따라서 장기적으로 조사항목을 다 양화하여 관련 수요를 충족할 수 있는 방향으로 나 아가야 할 것이다.

4. 결론

하천 유사량자료는 과거에는 주로 유역내 수리구 조물의 설계 및 유지관리, 하도 안정, 홍수터 관리, 저수지 설계 및 운영 등 주로 하천 계획 및 관리의 기본 자료로 활용되어 왔다. 그러나 최근 하천 수질 및 생태환경에 대한 관심이 증대되고, 하천정비사업 등 하천환경이 급격히 변화함에 따라 유사량자료에 대한 수요 및 중요성이 부각되고 있다.

이처럼 변화된 하천 환경에서 안정적인 운영 및 정상적인 기능 유지를 위해서는 측정자료에 기반한 정도 높고 충분한 유사량자료가 필요하다. 본 고에

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서 제시한 국내 유사량조사의 문제점 및 발전방향을 포함하여 다양한 의견을 수렴함으로써 바람직한 유

사량조사 방향이 수립될 수 있도록 노력해야 할 것 이다.

1. 국토교통부 (2010). 국가수문관측망 구축 2차년도 연구 보고서.

2. 한국건설기술연구원 (1990). 수정 아인쉬타인 방법의 한국 하천에의 적용.

3. 유량조사사업단 (2006), 유량조사 보고서(유사량편).

8. 국토해양부 (2011), 2010년도 수문조사보고서(유사량편).

11. 국토교통부 (2014), 2013년도 수문조사보고서(유사량편).

14. 건설교통부 수자원국 (2004), 수문관측매뉴얼.

15. 국토해양부 (2010), 한국 수문조사의 역사와 미래(1차년도) 보고서 제2권 근대 수문조사 백서.

참고문헌