1. 서 론
2. 연구 방법
2.1 HEC-RAS 2D 모형
2.2 대상구간 선정
2.3 HEC-RAS 2D 모형을 활용한 위천의 세굴 평가
3. 대상 지점에서의 HEC-RAS 2D 모형 구축
3.1 HEC-RAS 2D모형 구축 위치
3.2 위천 하도의 계획단면 수정
3.3 HEC-RAS 2D 계산격자 생성 및 경계조건
4. HEC-RAS 2D 동수역학 모형 및 유사이송 모형의 구축
4.1 HEC-RAS 2D 동수역학모형의 구축
4.2 HEC-RAS 2D 유사이송모형의 구축
5. 유동장 모의 및 유사이송 모의 결과
5.1 HEC-RAS 2D 모형의 검·보정
5.2 HEC-RAS 2D 모형의 유동장 모의 결과
5.3 HEC-RAS 2D 유사이송 모의 결과
6. 위천 만곡지점에 대한 유사이송 모의 결과
6.1 위천 만곡부 주요구간에 대한 유사이송 모의
6.2 위천 만곡부 종방향에 대한 유사이송 모의 결과
7. 결 론
1. 서 론
댐이나 보 건설 사업을 통해 하천의 흐름이 차단될 경우, 댐 직하류의 흐름 특성과 하도 특성이 변하게 된다. 하천의 흐름을 막는 댐과 같은 대형 수공구조물의 건설로 인한 급격한 하천 환경 변화는 댐 상류에서의 토사유입을 막기 때문에 댐 상류에서는 유사의 퇴적이 지배적이며, 하류 하도는 댐에 의한 유사이동의 차단으로 인해 하도 하강과 하상재료의 장갑화(armoring) 등과 같은 하상변화가 발생된다(Ahn & Lyu, 2013; Ahn et al., 2017).
유사이송과 하상변동에 대한 연구는 주로 1차원 모형인 HEC-6, 1차원 HEC-RAS 유사이송모형, GSTAR-1D 등을 이용하여 장기하상변동 모의를 수행하였으며, 최근에는 수공구조물에 의해 하천흐름이 방해를 받아 발생하게 되는 국부세굴이나 단기 하상변동까지도 예측할 수 있는 2차원 수치모형인 RMA2, SED-2D, CCHE2D, 2차원 HEC-RAS 유사이송 모형이 활발히 사용되고 있다(Son et al., 2015). 2차원 유사이송 모의를 위해 미국 미시시피 대학의 CCHE2D 모형을 활용하여 유사이송에 대한 분석(Huang et al., 2006)을 수행하였고 하천복원 이후의 하상변동에 대한 하도평가를 수행하였다(Formann et al., 2007). 또한 CCHE2D 모형을 이용하여 하도흐름의 매개변수 민감도 분석기법을 제안하였다(Nassar, 2011). 국내에서는 지방하천의 하상변동모의를 HEC-RAS 모형과 CCHE2D 모형을 적용하여 분석하였다(Son et al., 2014). 또한 수공구조물 설치로 인한 상·하류 흐름분석 및 하천지형변화에 대한 연구가 수행되었다. 합천댐 건설의 영향에 따른 하상변화에 대한 연구를 GSTAR-1D 모형을 적용하여 분석하였다(Shin & Pierre, 2009). 저수지 유입유사량을 SED-2D 모형에 적용하여 댐 계획 및 운영에 따른 저수지 퇴사량을 예측하였다(Park et al., 2007). 창녕함안보 설치로 인한 흐름변화와 하상변동 분석을 위해 CCHE2D 모형을 활용하였다(Ahn & Lyu, 2013; Jang et al., 2013). 최근에는 미국 공병단(United States Army Corps of Engineers)에서는 HEC-RAS 1차원 모형보다 고도화된 2차원 HEC-RAS 모형이 개발되어 국내의 하천기본계획 및 실시설계 등의 실무에서 활발하게 사용되고 있다. 현재의 HEC-RAS 모형은 기존의 1차원 HEC-RAS 모형보다 발전된 2차원 HEC-RAS 모형으로서 RAS-mapper를 통해 DEM 및 다양한 수치지도를 활용하여 1차원 동수역학 모의뿐만 아니라 2차원 동수역학 모의를 수행할 수 있게 되었다. 또한, 기존 1차원 HEC-RAS 모형은 장기하상변동 모의만 가능하였으나 2차원 HEC-RAS 모형은 장기하상변동 모의뿐만 아니라 수공구조물 설치에 따른 단기하상변동 모의까지 가능하게 되었다(United States Army Corps of Engineers).
본 연구의 대상하천인 위천의 경우, 위천 하천기본계획(변경)(Gyeongsangbuk-do, 2014)에 의하면 댐 직하류 구간은 80년 빈도 계획홍수량을 설계홍수량으로 설정하고 있다. 본 연구에서는 군위댐 직하류 위천 만곡부에서 80년 빈도 계획홍수량 뿐만 아니라 100년 빈도 계획홍수량에 의해 발생되는 유수력으로 인한 하도 침식에 미치는 영향을 HEC-RAS 2차원 동수역학 모의 및 유사이송 모의를 통해 하도 침식량과 퇴적량 변화를 검토하였다. 본 연구 결과는 2차원 하상변동 모의를 통해서 80년 및 100년 빈도 계획홍수량 발생 시, 위천 하도 구간에 대한 시설물 계획 등에 대한 안전성 평가에 중요한 도구로써 사용될 수 있다. 따라서, 위천 하천기본계획(변경)에서 제시하고 있는 댐 운영기준(Reservoir Operation Method; ROM)에 따라 발생되는 계획홍수량에 대해 하도 바닥의 침식과 퇴적에 의한 신설 구조물에 대한 유실이나 망실 가능성을 검증하기 위한 수단으로 활용될 수 있도록 하상 장갑화 진행 여부 및 향후 하상변동 가능성에 대해 예측하고자 하였다.
2. 연구 방법
2.1 HEC-RAS 2D 모형
2.1.1 HEC-RAS 2D 동수역학 모형
동수역학 모의를 수행하기 위해 미공병단(US Arny Corps of Engineering)에서 개발된 HEC-RAS 모형을 사용하였다. HEC-RAS 동수역학모형은 1차원 및 2차원 정상부등류(steady non-uniform flow) 뿐만 아니라 부정류(unsteady flow) 모의까지 계산가능한 소프트웨어이다. 현재 HEC-RAS 모형은 교량, 제방, 보, 암거 등 각종 하천 수리 시설물의 설계 검토나 하천의 흐름모의 결과를 활용하여 국내 하천기본계획 및 실시설계에서도 널리 사용되고 있다. 또한 하천설계 모쥴, 유사이송 모쥴, 수질 모쥴, GIS기반의 RAS mapper 등을 지원하고 있으며, 표준축차계산법이나 Saint-Venant 방정식을 이용하여 1차원 동수역학 흐름모의를 수행할 수 있다. 또한 2차원 천수방정식(Shallow water equations)을 이용하여 2차원 동수역학흐름 모의와 2차원 유사이송 모의를 수행할 수 있다. 2차원 유사이송 모의에서는 장기 하상변동 및 단기 하상변동 모의까지 가능하다.
2.1.2 HEC-RAS 2D 유사이송 모형
HEC-RAS 2D는 2차원 동수역학흐름을 해석하여 하천의 수위와 유속를 계산한다. 2차원 격자(grid)를 사용하여 동수역학 유동해석을 수행하며, 수위, 수심 및 유속 등에 대한 계산 결과는 각 node에 저장된다.
(1) 유사이송 모의
유사이송 모형에서는 유속과 수심뿐만 아니라, 유사(sediment)의 크기 분포 및 농도 등을 고려하여 침식과 퇴적이 발생하는 구간을 예측한다. 소류사 이송(bed load transport)은 하상 바닥을 따라 이동하는 유사이송으로서 주로 경험적 공식에 의존하지만 대표적인 소류사 공식으로는 Meyer-Peter & Müller식을 사용해 소류사 이송에 대한 모의를 수행할 수 있다. 부유사 농도(suspended load concentration)와 이송은 주로 유사의 크기와 유속에 따라 크게 영향을 받는다.
(2) 침식 및 퇴적 계산
유사이송모형은 부정류 흐름상태에서 하상의 침식 및 퇴적에 대한 변화량을 계산한다. 유속, 유량, 유사 분포 및 농도, 하상바닥의 성질에 의해 결정된다.
(3) 유사이송모형의 입력 자료
HEC-RAS 2D 유사이송모형은 계산된 유동장, 유사 특성, 하천 지형 자료 등이 입력된다. 여기서, 유동장은 유속, 수위, 유량 등이며, 유사 특성은 토입자 입도분포, 초기 하상형상 등이 필요하다. 지형 자료는 하천지형, 경사, 조도계수 등이 포함된다.
(4) 유사이송모형의 활용
HEC-RAS 2D 유사이송모형은 하천 복원, 침식 방지, 홍수위험관리 등에서 활용된다. 특히 하천 바닥의 침식 및 퇴적 양상을 분석하여 안전한 하천관리방안을 수립하는 데 중요한 역할을 한다. 하천준설 계획 수립, 댐 직하류의 하도관리, 하천의 침식 및 퇴적에 대한 평가를 수행할 수 있다.
2.2 대상구간 선정
위천유역은 낙동강수계 중앙 북단부인 동경 128° 19′ 15″~128° 54′ 10″, 북위 36° 00′ 15″~36° 29′ 10″에 위치하고 있으며, 동쪽으로 의성군과 청송군의 군계를 형성하고 있는 산두봉(EL.719.0 m)을 분수령으로 위천유역, 서쪽은 의성군 구천면 청산동의 청화산(EL.700.7 m)을 분수령으로 낙동강 잔류유역, 남쪽은 경상북도와 대구광역시 경계를 형성하고 있는 팔공산(EL.1,192.9 m)을 분수령으로 금호강유역, 북쪽은 천제봉(EL.258.5 m)을 분수령으로 미천유역과 각각 접하고 있다. 위천의 유역면적은 1,405.67 km2로써 낙동강 유역면적의 약 6%에 해당되며, 유로연장은 114.15 km, 유역평균폭은 11.94 km이고 유역상류부를 제외하고는 비교적 완만한 경사를 형성하고 있다(Gyeongsangbuk-do, 2014).
군위댐은 대구광역시 군위군 삼국유사면 학성리에 위치한 길이 330 m, 높이 45 m의 콘크리트 표면차수벽형 석괴댐으로서 2010년 12월 1일에 준공하여 현재 가동 중에 있다. 군위호의 총저수용량은 48.7백만m3이고 유역면적은 87.5 km2이다. 2004년 8월에 착공해 2010년 12월 1일에 준공했다. 군위댐은 낙동강 지류 중 위천에 위치하고 있는 화북3리 지역에 건설하였다고 하여 화북댐이라고 불리운다.
본 연구에서는 No.492+00~No.467+00 지점까지 총 4.956 km 구간에서 유사이송 모의를 통해 만곡부 영향으로 인한 하도의 침식과 퇴적 양상을 검토하였다.
2.3 HEC-RAS 2D 모형을 활용한 위천의 세굴 평가
본 연구에서는 HEC-RAS 2D 모형을 활용하여 군위댐 직하류에 위치한 만곡부에 대한 하상 세굴 평가를 실시하였다. DEM 자료를 확보한 후에 기본계획(변경)(Gyeongsangbuk-do, 2014)에서 제시하고 있는 계획단면을 이용하여 하도 및 고수부지 등에 대한 단면 보정을 수행하였다. RAS-mapper를 이용하여 HEC-RAS 2D 모형의 계산격자를 생성한 후, 군위천 하천기본계획(변경)(Gyeongsangbuk-do, 2014)에서 제시하고 있는 80년 빈도 계획홍수량과 100년 빈도 계획홍수량을 경계조건으로 입력하여 2차원 동수역학 계산을 수행하였다. Fig. 1은 HEC-RAS 2D 유사이송모형을 이용하여 위천 만곡부의 세굴 평가를 실시한 구간을 나타내고 있다.
3. 대상 지점에서의 HEC-RAS 2D 모형 구축
3.1 HEC-RAS 2D모형 구축 위치
군위댐 직하류에 위치한 하도 침식과 퇴적으로 인한 하도 안전성 검토지점은 Fig. 1에서 보는 바와 같다. 위천을 따라서 군위댐 여수로 직하류 No.490+00 지점에서부터 화수교 상류부 No.467+00 지점까지 HEC-RAS 2D 모형을 구축하였다(Fig. 2).
3.2 위천 하도의 계획단면 수정
Fig. 2에서 보는 바와 같이 군위천 하천기본계획(변경)(Gyeongsangbuk-do, 2014)에서는 하도 계획단면을 따라 HEC-RAS 1D 모형이 구축되었다. 대부분의 실무에서는 하천기본계획을 수립할 때 HEC-RAS 1D 모형을 구축하기는 하지만 1차원 모형의 특성상 DEM 자료 위에 실제 하천의 만곡 등을 고려하지 않고 unidirectional 방향인 직선하도로 HEC-RAS 1D 모형을 구축한다. 따라서 계획단면과 비교하여 기존에 취득한 DEM 하도 자료가 부정확하기 때문에 본 과업에서는 위천 하천기본계획(변경)(Gyeongsangbuk-do, 2014)에서 수립된 unidirectional 방향의 HEC-RAS 1D 단면을 이용하여 계획하도 단면으로 수정하여 DEM을 구축하였다. 즉, Fig. 2에서 보는 바와 같이 지점별 위치를 고려하여 위천 만곡부 및 과업구간에 대해 HEC-RAS 1D 모형을 재구축하였다. DEM 자료 위에 재구축된 HEC-RAS 1D 모형의 지점별 하도단면 자료를 이용하여 DEM 수치지도를 수정하였고 수정된 DEM 자료를 활용하여 HEC-RAS 2D 모형의 격자생성 자료로 활용하였다. 따라서, 위천 하천기본계획(변경)(Gyeongsangbuk-do, 2014)에서 제공하고 있는 위천 본류에 대한 지점별 계획하도를 이용하여 Fig. 3(b)와 같이 위천 본류에 대해 상세한 계획하도 자료로 수정하였다. 위천 하천기본계획(변경)(Gyeongsangbuk-do, 2014)에서 제공하고 계획단면의 개수는 조밀하지 않기 때문에 기존 DEM 자료에 수정된 HEC-RAS 1D 계획단면(Fig. 2)을 보간(interpolation)하는 과정에서 DEM의 해상도 차이로 인해 기존 DEM과 HEC-RAS 1D를 이용하여 보간된 단면 경계인 제내지 일부분에서 불연속면이 존재하였다. 하지만, 80년 빈도 및 100년 빈도의 계획홍수량에 대해 HEC-RAS 2D 동수역학 모의 결과에서는 외수위 범람이 발생하지 않기 때문에 수정된 2차원 격자생성은 HEC-RAS 1D 단면 범위 안으로 제한하여 생성되어도 무관하다(Fig. 3).
위천 만곡구간에서의 유사이송으로 인한 침식과 퇴적에 따른 수해안정성 검토를 위한 주요지점은 Fig. 4의 단면지점과 같다. Fig. 4에서 보는 바와 같이 HEC-RAS 1D 계획단면과 HEC-RAS 2D 수정단면은 대부분 잘 일치하였다. 계획단면의 지점별 앞단면과 뒷단면 자료를 이용하여 기존 DEM 자료에 하도 및 제내지를 보간하기 때문에 HEC-RAS 1D 단면과 2D 단면사이에 다소 차이가 발생하지만 공학적으로 2차원 모형 구축에는 문제가 되지 않는다.
) and HEC-RAS 2D(―) Plan section after DEM modification3.3 HEC-RAS 2D 계산격자 생성 및 경계조건
HEC-RAS 2D모형의 계산격자 생성은 Fig. 5(a)와 같이 군위댐 직하류 위천 본류 구간에서 생성되었다. 생성된 총 격자(mesh) 수는 36,644개이며, 평균 격자의 크기는 25.0 m2이다.
3.3.1 HEC-RAS 2D 동수역학 모형의 경계조건
(1) 상류 및 측방향 경계조건
위천 하천기본계획(변경)(Gyeongsangbuk-do, 2014)에서 제시하고 있는 80년 빈도 계획홍수량 및 100년 빈도 계획홍수량에 따라 HEC-RAS 2D모형의 상류 유입 유량경계조건과 측방향 지천합류 유량 경계조건(laternal lower boundary condition과 laternal upper boundary condition)은 Fig. 5(b)와 Table 1과 같다.
Table 1.
Boundary conditions of HEC-RAS 2D model
(2) 하류 경계조건
위천 하천기본계획(변경)(Gyeongsangbuk-do, 2014)에서 제시하고 있는 80년 빈도 계획홍수위와 100년 빈도 계획홍수위는 Table 2와 같으며, HEC-RAS 2D모형의 하류 경계조건으로 입력되었다.
Table 2.
Downstream boundary conditions of HEC-RAS 2D model
| Station No. |
80-year frequency flood water level (EL.m) |
100-year frequency flood water level (EL.m) |
| 467+00 | 148.19 | 148.27 |
(3) 위천 소유역별 유역경사 및 조도계수
위천 하천기본계획(변경)(Gyeongsangbuk-do, 2014)에서 제시하고 있는 소유역별 유로 경사는 Table 3과 같다. HEC-RAS 2D모형의 유량경계조건을 입력할 때 반드시 유역경사를 입력해야 하며, 유역경사 입력이 누락될 경우, HEC-RAS 2D 모형은 발산하게 된다.
Table 3.
Basin slope of HEC-RAS 2D model
또한, HEC-RAS 2D 동수역학모형을 보정하기 전 초기조도계수 입력값은 위천 하천기본계획(변경)(Gyeongsangbuk-do, 2014)에서 제시하고 있는 0.04를 조도계수로 사용하여 HEC-RAS 2D 모형 전구간에 입력하였다.
3.3.2 HEC-RAS 2D 유사이송 모형의 하상재료 입력
Table 4와 Fig. 6에서 보는 바와 같이 하상지형 자료는 2014년 위천 하천기본계획(변경)에 근거한 계획단면을 사용하였으며, 유사이송모의에 사용된 하상재료는 위천 하천기본계획(변경)(Gyeongsangbuk-do, 2014)에서 제시한 총 5개 지점에서 채취한 하상재료에 대한 입도분석 결과를 HEC-RAS 2D 유사이송모형의 입력자료(Table 4)로 사용하였다. Fig. 6에서 보는 바와 같이 하상재료가 관측된 지점을 중심으로 상하류 일정한 거리에 대해 하상재료에 대한 입도가적곡선을 각각 해석하였다.
Table 4.
Bed gradations (% Finer)
군위댐 직하류부터 약 26.6 km 떨어진 위천 하류 지점인 무성 수위표 지점에는 유사량 관측 및 유량-총유사량 관계식이 구축되어 있다. 하지만, 본 연구의 과업지점과는 26.6 km 떨어진 위천 최하류지점에서 관측된 총유사량 자료이므로 본 과업에서는 사용하기에는 적절하지 않다. 또한 본 과업구간은 군위댐에 의해 상류 유입유사량이 차단된 상태로 댐 직하류는 하상재료의 장갑화가 이뤄졌다고 판단되기 때문에 유사이송 모의옵션은 동적평형상태(equilibrium)로 입력하였다.
4. HEC-RAS 2D 동수역학 모형 및 유사이송 모형의 구축
4.1 HEC-RAS 2D 동수역학모형의 구축
군위댐 직하류 위천의 하상변동모의를 위해서 우선 HEC-RAS 2D 동수역학모형의 천수방정식(SWE-ELM (original/faster))을 지배방정식으로 선택하여 동수역학 모의를 수행하였다. 실제 부정류 해석 이전에 Initial Conditions Time은 4시간으로 설정하여 동수역학 모형의 계산 안정성 확보를 위해 hot start방식으로 계산을 수행하였다. 또한 급변류 계산과 침수 모의를 위해 보존형 난류모형(conservative turbulence model)을 옵션으로 사용하였다.
위천의 유사이송으로 인한 수해 안전성 검토를 위해 80년 빈도홍수량과 100년 빈도홍수량에 대한 정상류(steady flow) 모의를 수행해야 하지만 HEC-RAS 2D 모형의 경우, 정상류 수치해(numerical solution)을 구하기 위해서는 해가 수렴할 때까지 동일한 경계조건 하에 반복계산(iteration)을 통해 수렴된 정상흐름을 계산할 수 있다. 즉, HEC-RAS 2D 동수역학모형에서의 정상류 계산은 각각의 time step별 경계조건은 같은 값을 입력함으로써 부정류 흐름모의방식을 통해 계산할 수 있다. 모형의 발산을 막기 위해서 Courant 수의 범위는 최소 0.05에서 최대 1.0으로 입력하였다. 나머지 입력값은 HEC-RAS 2D 동수역학모형의 default 옵션을 사용하였다.
4.2 HEC-RAS 2D 유사이송모형의 구축
유사이송 모의를 위해 유사이송함수(transport fuction)은 Meyer Peter Muller 공식을 사용하였고 침강속도(fall velocity method)는 Wu and Wang 식을 활용하였다. 또한, 하상의 분류법은 Active Layer 옵션을 입력하였다. 유사의 유입경계조건은 모두 동적평형상태 농도(equilibrium load)로 계산을 수행하였다. 효과적이고 경제적인 유사이송 모의를 위해 유동장 3회를 계산한 후, 유사이송 계산을 1회 수행하였다. 매 유동장을 계산할 때마다 유사이송 계산을 수행할 경우, 안정적인 유사이송 결과를 얻을 수 있으나 수렴된 수치해석해를 계산하는데는 더 긴 계산 시간이 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 동수역학 모의 3회당 1회 유사모의를 수행하였다. 나머지 유사이송모형의 입력값은 default 옵션을 사용하여 하상변동 모의를 수행하였다.
또한, 위천 하천기본계획(변경)(Gyeongsangbuk-do, 2014)에서 제시한 계획홍수량의 첨두홍수량(peak discharg)이 최대 4시간(임계지속기간) 동안 지속적으로 발생했다는 가정 하에서 하상이 동적평형 상태에 도달했다고 모의하였다.
5. 유동장 모의 및 유사이송 모의 결과
5.1 HEC-RAS 2D 모형의 검·보정
3.3.1절에서 언급한 바와 같이 위천 하천기본계획(변경)(Gyeongsangbuk-do, 2014)에서 제시하고 있는 초기 조도계수는 0.04로 HEC-RAS 2D 모형에 동일하게 위천 전 구간에 입력하였다. Table 5에서 보는 바와 같이 HEC-RAS 2D 동수역학모형을 보정하기 위해 80년 빈도 계획홍수량에 대해서 HEC-RAS 1D 모형의 수위 계산결과와 HEC-RAS 2D 모형의 평균수위 결과를 비교하였다. 하도의 조도계수는 0.03~0.05 범위까지 변화시켜가며, HEC-RAS 2D 모형의 보정을 수행하였다. 단, HEC-RAS 1D 모형은 지점별로 1개의 수위로 계산되지만 HEC-RAS 2D 모형은 횡방향으로 수위가 다르게 계산되므로 횡방향 수위를 평균하여 HEC-RAS 1D 모형의 수위와 비교하여 보정을 수행하였다. 이렇게 보정된 HEC-RAS 2D 조도계수를 이용하여 100년 빈도 계획홍수량에 대한 HEC-RAS 1D 모형의 수위와 HEC-RAS 2D 모형의 평균수위를 Table 5와 같이 검증하였다.
Table 5.
Calibration and verification results of HEC-RAS 1D and 2D
| Category | Planning frequency | Correlation Coefficient (R2) | |
| Water surface elevation | Calibration | 80 yr | 0.917 |
| Verification | 100 yr | 0.852 | |
5.2 HEC-RAS 2D 모형의 유동장 모의 결과
5.2.1 HEC-RAS 2D모형의 빈도별 유속분포
군위댐 직하류 위천의 유속분포는 Fig. 7(a)와 Fig. 7(b)에서 보는 바와 같다. 유속이 빠른 지점은 만곡부 출구지점인 수충부에서 발생하였다. 아울러, 위천과 만나는 2개의 지류하천 합류지점에서도 위천본류 유입유속이 크게 발생하였다. 또한, 2번째 지류하천과 합류 후에는 유량의 급격한 증가로 말미암아 유속도 상류 구간에 비해 크게 증가하였다.
HEC-RAS 2D 모형의 유동장 모의를 통해 계산된 Fig. 7(a)와 Fig. 7(b)의 유동장의 크기는 100년 빈도 홍수량과 80년 빈도 홍수량에 대해 큰 차이가 없었다. 또한 만곡부 지점인 No.480+00 직하류 지점의 최대 유속은 80년 빈도 홍수량에서는 5.25 m/s이고 100년 빈도 홍수량에서는 5.30 m/s로 다른 지점에 비해 매우 빠른 유속으로 흐르고 있었다.
5.2.2 HEC-RAS 2D모형의 빈도별 수위분포
군위댐 직하류 위천의 수위분포는 Fig. 8(a)와 Fig. 8(b)와 같으며, 수위는 위천 하류로 갈수록 낮아졌다. 80년 빈도 홍수량에 대한 수위 분포는 상류 EL.167.60 m이고, 하류는 EL.148.19 m의 분포를 이룬다. 100년 빈도 홍수량에 대한 수위 분포는 상류 EL.167.72 m이고, 하류는 EL.148.27 m의 분포를 이룬다. 유속분포와 동일하게 80년 빈도 홍수량과 100년 빈도 홍수량에 의한 수위 차이는 매우 작았다.
5.3 HEC-RAS 2D 유사이송 모의 결과
5.3.1 HEC-RAS 2D모형의 빈도별 하상변동량
HEC-RAS 2D 유사이송 모의 결과는 Fig. 9에서 보는 바와 같다. 앞서 언급한 바와 같이 동수역학 모의에 의해 산출된 80년 빈도 홍수량에 대한 유속과 수위는 100년 빈도 홍수량에 대한 유속과 수위의 모의 결과 차이가 작기 때문에 Fig. 9(a)와 Fig. 9(b)에서 보는 바와 같이 빈도별 하상변동량 계산도 매우 유사한 결과가 도출되었다.
Fig. 7의 유속분포와 동일한 패턴으로 Fig. 9에서 보는 바와 같이 침식과 퇴적 양상이 모의되었다. Fig. 9의 빨강색 지점은 고유속이 발생하고 있는 만곡부 출구지점이며, 침식이 크게 발생하였다. 또한 저유속 지점인 Fig. 9의 파란색 지점에서는 퇴적이 발생하였다. 따라서 하천 만곡 등의 이유로 침식과 퇴적이 주기적으로 발생하는 하천지형학 측면의 여울-소 구조가 예측되었다. 계산된 지점별 정량적 침식량과 퇴적량은 6절에서 상세히 언급하였다.
5.3.2 HEC-RAS 2D모형의 빈도별 전유사농도
Fig. 7의 유속분포와 Fig. 9의 하상 변동량과 동일한 양상으로 Fig. 10과 같이 전유사농도(total load concentration) 발생이 모의되었다. Fig. 10의 노란색 지점은 고유속이 발생하는 만곡부 출구로서 Fig. 9의 빨강색 지점과 정확히 일치하였다. 따라서, 해당지점은 고유속 흐름이 발생되는 침식구간으로 전유사농도도 매우 높게 발생함을 알 수 있었다.
6. 위천 만곡지점에 대한 유사이송 모의 결과
6.1 위천 만곡부 주요구간에 대한 유사이송 모의
6.1.1 위천 만곡부의 유사이송 모의 결과
군위댐 직하류 만곡부에서의 유사이송 양상을 분석하기 위한 주요지점은 Fig. 11과 같다. Fig. 11에서 보는 바와 같이 파란색 화살표를 따라 위천의 만곡부 종방향에 대한 유사이송에 따른 하상변화량을 검토하였다(Fig. 15). 또한 고유속이 발생하고 침식량이 크게 발생하는 만곡부에서의 하상변화량을 검토하기 위해 만곡부의 주요 단면지점인 No.479+00, No.480+00 및 No.481+00 단면에서 80년 및 100년 빈도 홍수량에 대한 하상변화량을 검토하였다(Fig. 12 ~ Fig. 14).
6.1.2 유사이송 모의를 통한 수해 안정성 검토지점별 하도 변화량
Fig. 12 ~ Fig. 15에서 보는 바와 같이 80년 빈도 홍수량과 100년 빈도 홍수량에 따라서 침식과 퇴적 양상의 크기는 다소 변하지만 2개의 계획홍수량에 대한 하도 변화량의 차이는 크지 않고 거의 유사한 정성적·정량적 하상고 변동양상을 보이고 있다.
(1) No.479+00 지점의 하상고 변화량
No.479+00 지점은 Fig. 11에서 보는 바와 같이 만곡부의 출구지점을 완전히 빠져나온 지점이다. Table 4와 Fig. 6의 입도분포가적곡선 결과에 따라 굵은 자갈이 분포됨으로써 장갑화로 인한 하도 침식보다는 퇴적이 주로 발생하고 있다. 하지만, 최대 퇴적 높이는 80년 빈도 홍수량의 경우, 0.197 m의 퇴적이 발생하였고 100년 빈도 홍수량의 경우에는 0.212 m의 퇴적이 발생하였다. 또한 최대 침식 깊이는 80년 빈도 홍수량의 경우, -0.015 m의 침식이 발생하였고 100년 빈도 홍수량의 경우에는 -0.016 m의 침식이 예상되었다.
(2) No.480+00 지점의 하상고 변화량
Fig. 13은 No.480+00 지점의 하상고 변화량을 나타내었다. No.480+00 지점은 Fig. 11에서 보는 바와 같이 만곡부 출구지점으로서 수충부에 해당된다. 5.2.1절에서 언급한 바와 같이 No.480+00 지점은 최대 유속이 발생하는 지점이며, 침식에 의해 유사이송이 활발하여 전유사농도가 크게 발생하는 지점이다. Fig. 13에서 보는 바와 같이 퇴적양상보다는 침식이 우세하게 발생되었다. 또한 최대 침식 깊이는 80년 빈도 홍수량의 경우, -0.598 m의 침식이 발생하였고 100년 빈도 홍수량의 경우에는 -0.603 m의 침식이 예상되었다. 반면 최대 퇴적량은 침식량에 비해 매우 작게 발생하여 80년 빈도 홍수량의 경우, 0.089 m의 퇴적이 발생하였고 100년 빈도 홍수량의 경우에는 0.096 m의 퇴적이 발생하였다. 또한 좌안으로부터 횡방향으로 약 137 m 지점의 80년 빈도 계획홍수량에 대한 침식량은 -0.454 m이였으며, 100년 빈도 계획홍수량에 대한 침식량은 -0.462 m로써 계획홍수량이 증가할수록 침식량이 커지지만 하상고 변화량은 동일한 정성적·정량적 변화양상을 보였다.
(3) No.481+00 지점의 하상고 변화량
Fig. 11에서 보는 바와 같이 No.481+00 지점은 만곡부 입구지점이다. 따라서 Fig. 14와 같이 침식보다는 퇴적이 우세하게 나타났다. 80년 빈도 홍수량과 100년 빈도 홍수량에 대한 최대 퇴적량은 각각 0.279 m와 0.281 m가 발생하였다. 반면, 침식량은 각각 -0.072 m와 -0.069 m로 매우 작게 모의되었다.
6.2 위천 만곡부 종방향에 대한 유사이송 모의 결과
Fig. 11에서 보는 바와 같이 본 연구의 만곡부 구간 중 No.481+00 지점 상류 지점에서 No.479+00 지점 하류지점까지 총 연장 약 1,553m에 대한 종방향 하상고 변화에 대한 HEC-RAS 2D 유사이송 모의 결과는 Fig. 15와 같다.
만곡이 발생하는 수충부 No.480+00 지점의 일부 구간에서 최대 침식이 발생하였다. 80년 빈도 계획홍수량에 대한 최대 침식 깊이는 -0.598 m이고 100년 빈도 계획홍수량에 대한 최대 침식깊이는 -0.603 m였다. 반면 최대 퇴적 높이는 80년 빈도 계획홍수량에 대해서는 0.312 m가 발생하였고, 100년 빈도 계획홍수량에 대해서는 0.315 m의 퇴적이 발생하였다.
하지만, Fig. 15에서 보는 바와 같이 위천 하도구간에서 가장 큰 침식량이 발생하는 지점은 만곡구간인 No.480+00 지점(만곡부 원점에서부터 종방향 834.76m~835.63m 지점) 인근에서 발생하였다. 80년 빈도 및 100년 빈도 계획홍수량에 대한 HEC-RAS 2D 유사이송 모형의 예상 최대 침식 깊이는 -0.454 m∼-0.462 m로 모의되었다.
7. 결 론
본 연구는 HEC-RAS 2D 모형을 통해 군위댐 직하류의 만곡지점에 대한 동수역학 모의 및 유사이송 모의를 실시하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1) 댐 직하류 장갑화 진행 및 퇴적 우세 현상 발생
댐 하류 위천 만곡부와 만곡부 직하류에서 장갑화(armoring) 현상이 나타나고 있는 것으로 확인되었다. 댐 방류에 따른 빠르고 급격한 유속변화로 점토는 대부분 유수력에 의해 부유사나 소류사 형태로 하류 방향으로 이송되지만 소류력에도 단단히 버틸 수 있는 굵은 자갈로 구성되어 있는 것으로 확인되었다. 특히 만곡 지점(No.479+00~No.481+00) 안쪽 좌안은 댐 하류의 특성상 수문 방류 등을 통해 상류에서 유입된 가는 모래 등이 홍수 사상을 통해 퇴적이 발생된 것으로 판단할 수 있다. 따라서 만곡부 지점은 장갑화 및 퇴적에 따라 하도침식 작용이 미미한 것으로 판단된다.
만곡부를 빠져나온 만곡부 직하류(No.477+00~No.479+00)나 댐 직하류쪽(No.483+00~No.481+00)에서는 유속이 다시 증가하는 직선구간으로서 점토나 모래와 같은 잔골토는 대부분 하류로 이송되어 장갑화가 상당히 진행되었다고 판단된다.
(2) 댐 직하류 유사이송모의 결과
현재 위천 하천기본계획(변경)(Gyeongsangbuk-do, 2014)에 근거한 본 과업의 검토지점에서의 설계홍수량은 80년 빈도 계획 홍수량이다. 하지만, 본 연구에서는 80년 빈도 계획 홍수량(하천기본계획 설계홍수량) 뿐만 아니라 100년 빈도 계획 홍수량까지 고려하여 HEC-RAS 2D 유사이송모의를 통해 만곡부에서의 유사이송 모의를 실시하였다.
그 결과, 만곡부의 종방향 구간에서 만곡이 발생하는 수충부를 제외하고는 대부분의 지점에서는 퇴적이 발생하였으며, 최대 퇴적 높이는 0.315 m이며, 최대 침식 깊이는 -0.396 m가 발생하였다. 따라서 댐 직하류에서 만곡이 발생하는 지점임에도 불구하고 하상의 장갑화로 인해 침식량은 매우 작게 예측되었다.
