아라천 주운수로의 퇴적양상분석을 통한 퇴사관리방안

Sedimentation Management Plan for Ara Stream Navigation Waterway Using Soil Deposition Analysis

Article information

J. Korean Soc. Hazard Mitig. 2017;17(6):463-472
Publication date (electronic) : 2017 December 31
doi : https://doi.org/10.9798/KOSHAM.2017.17.6.463
박원철*, 유찬종**, 김하룡
* Member, Director General, Overseas Business Division, K-water
** Member, Ph.D. Student, Department of Civil and Environmental Engineering, Kongju National University
***Corresponding Author, Member, Research Professor, Department of Civil and Environmental Engineering, Kongju National University (Tel: +82-41-521-9312, Fax: +82-41-568-0287, E-mail: civilkhy@kongju.ac.kr)
Received 2017 September 08; Revised 2017 November 23; Accepted 2017 December 01.

Abstract

본 연구에서는 본 연구에서는 국내 최초 내륙 주운 기능과 방수로 기능을 수행하고 있는 아라천에 대해 하상변동 모니터링 분석을 통해 퇴사환경을 규명하고 하천하구의 특징인 해안 표사의 유입과 상류 유사 유입 등을 모의할 수 있는 다차원 수치모형을 선정하여 실측 결과와 수치해석 결과를 비교하여 모형의 적용성을 평가하였다. 그리고 아라천의 장⋅단기 하상변동 양상을 파악하여 주운수로의 기능을 유지 할 수 있도록 준설 시기를 제시하였다. 수위 재현성 평가와 하상변동 재현성 평가의 모형검증 결과가 양호한 것으로 분석되어 EFDC 모형의 적합성을 확인하였으며 장기하상변동 분석 결과 10년 동안 평년 유량 기준으로 최대 1 m가 퇴사되는 것으로 분석되어 1년 기준 약 0.1m 퇴사가 발생하는 것으로 분석되었다. 선박의 안전한 운항을 위해서는 퇴사고가 1.2 m를 초과해서는 안되므로 12년에 한번 준설을 시행하는 것이 주운수로의 기능을 유지할 수 있는 것으로 분석되었다.

Trans Abstract

The ability of the Ara waterway as the first domestic inland water transportation and as a flood control channel was evaluated by monitoring its riverbed variation. This was performed by investigating the accumulated sediment and the river estuary’s condition due to sediments flowing with seawater and upstream inflows. Also, a multidimensional numerical model was developed and its applicability was evaluated by comparing the measured values with the numerical analysis results. Knowing the short-term and long-term riverbed variation of Ara waterway, the dredging period was proposed to maintain its functions. The water level and riverbed variation reproducibility evaluation was validated and the suitability of the EFDC model was verified. Result of the long-term riverbed change analysis suggests that a maximum of 1m of sediment was accumulated based on a 10-year normal flow rate. Also, in order to safely operate Ara waterway for water transportation purposes, the dredge height should not exceed 1.2m once in 12 years.

1. 서론

침식작용은 유역내 평양지대의 경우 토사의 유출을 발생시켜 농토의 토량을 감소시키고 산림지대의 경우 토사침식으로 나무의 전도를 발생시킬 수 있고 산사태를 일으킨다. 본류의 침식작용으로 수면이 내려갈 경우 지류 상류 하상이 침식되는 두부침식이 발생하게 된다. 폭우로 인한 토석류 발생으로 일반 유수흐름과 달리 충격력이 가중되어 교량, 배수시설, 보 등 하천시설이 붕괴되고 2차 영향으로 하도단면을 가로막아 홍수범람을 발생시키며 그 자체로 농경지나 주거지에 피해를 주게 된다. 산림청에서는 이러한 토석류에 의한 피해를 막기 위해 발생 가능성이 높은 곳을 파악해 이를 데이터베이스화 하고 사방시설을 설치하고 있다. 하천 하구 지역은 가벼운 세립질 또는 실트질 유사에 의해 퇴적되고 조위의 영향으로 해안표사가 유입되어 퇴적되기도 한다. 바다와 하천을 연결하는 하천에서 선박이 통항하는 주운기능이 있을 경우에 하상변동은 하천의 기능을 유지 하는 측면에서 중요한 사안된다. 실제 인천터미널 내 컨테이너부두 전면박지의 퇴적(3∼5 m)으로 인해 선박통항에 지장이 발생한 사례가 있다. 이처럼 아라천은 비정상적으로 많은 양의 퇴적물의 재퇴적 가능성이 있는 하천으로 하천의 기능에 영향을 미치는 퇴사현상을 규명하고 저감하는 방안을 확립할 필요성이 있다.

하천 유사 현상과 하상변동은 하천의 수리특성과 기하 특성 등 복잡한 자연현상으로 과학적으로 수치 해석하기는 어려운 과정이다. 국내에서 유사량 추정방법에 관한 연구로는 KICT(1989)이 유사량 산정공식을 소개하고 각 공식의 특성과 적용의 한계를 설명하였으며 이후 하천 특성에 맞는 유사량 산정공식 적정에 대한 연구가 지속적으로 연구 되고 있다. Shin et al. (2008)은 복잡한 지형의 하천에서 지류합류부와 위치하고 주변에는 여러 수리구조물이 있는 공주대교 상⋅하류 흐름 특성을 1차원 Hec-RAs와 2차원 RMA2를 적용하여 흐름특성과 하상변동을 분석하였다. 하상 변동 분포는 유속과 밀접한 관계를 가지고 SED2D 모형의 민감도 분석결과 부유사 농도, 모래층 두께, 모래크기에 민감한 영향을 미치는 것으로 나타났다. Kim et al. (2013)은 세종보 상류구간에 하상변동특성을 감안하지 않아서 퇴적으로 인한 수문운영을 지장을 초래한 하고 있는 현상을 RMA2를 이용하여 흐름특성 분석하고 SED-2D를 이용한 하상변동 모의한 결과 수문개도 방법에 상관없이 우안이 퇴적되는 것으로 모의되었으며 이는 지형적 특징으로 인한 우안의 낮은 유속에 기인한 것으로 분석하였다. Son et al. (2014) 등은 산지 및 도시하천을 대상으로 유사특성을 분석하고, 총유사량과 장⋅단기 하상변동을 검토하기 위하여 기존의 유사량추정공식과 HEC-RAS 4.1 모형 및 CCHE2D 모형을 적용한 결과 수정 Einstein 공식에 의한 총유사량이 해당 하천에 가장 적합한 것으로 나타났고 단기하상변동 분석에서는 산지하천이 도시하천보다 하상변동이 크게 발생하였으며, 장기하상 분석에서 도시하천은 현재 안정하상에 도달한 것으로 나타났다 Kim et al. (2014)은 물부족, 홍수해결, 수질개선 및 하천복원을 설치된 보로 인하여 상⋅하류 하상변동을 모의하기 위하여 수치모형에 적용되는 유사량 공식의 적정성을 검토하였다. 정확한 유사량 공식을 선정하기 위해서는 상당기간에 걸쳐 하상단면의 변화를 모니터링하고 변화된 하상단면을 가장 잘 반영할 수 있는 유사량 공식을 선정해야하며 다양한 유사량 공식을 기반으로 한 준정상류 모형인 HEC-6가 탑재된 HEC-RAS4.1모형을 적용하여 선정이 가능하다. Ryoo et al. (2011)은 3차원 수리해석과 함께 유사의 이송, 침식, 퇴적 현상을 연동하여 모의할 수 있는 유한차분 수치모형인 EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code)를 이용하여 주운하천 구간으로 유입되는 다입경 혼합유사의 입경별 시⋅공간적 퇴적분포 특성을 고찰하고, 하상변동 예측하였다. 유입 유사의 입경별 공간적 퇴적특성은 굴포천과 합류하는 주운수로 유입부에서는 대부분 입경이 큰 비점착성 유사(63 ㎛ 이상)인 사질(sand)입자들이 주로 퇴적되는 것으로 나타났으며, 주운하천 합류부로부터 하류구간까지는 4∼63 ㎛ 입자의 실트질(silt) 유사가 대부분 이송되어 퇴적되는 것으로 분석하였다. Yu and Yoon (2005)는 1946년에 Vanoni가 Karman 상수의 감소를 제안한 이후 상당한 논쟁이 있었던 부유사 입자를 난류 흐름 중에 투입하면 유속의 연직 분포를 다소간 변화시키는 사실을 증명코자 입자 추적유속계(PTV)를 이용하여 개수로 중의 난류와 유사의 속도를 직접 측정하고, 자료를 분석하여 부유사 입자가 개수로 난류의 유속 분포에 어떻게 영향을 미치는 가를 규명하였다. 또한 기존의 연구의 측정 자료들을 재검토한 결과 부유사 입자는 Karman 상수를 다소 감소시키는 것으로 나타났으며 감소 현상 원인은 물과 유사의 상대적인 속도 분포로 설명하였다. 다만 Karman상수의 감소 정도는 종래의 연구자들이 주장한 것보다 상당히 작았는데 차이가 나는 이유는 종래의 연구들이 Karman 상수의 산정 방법이나 이용한 자료의 선택에서 문제가 있었기 때문이며 난류 중에 투입된 부유사는 마찰 속도에는 그다지 영향을 미치지 않는 것으로 분석하였다. 국외에서는 Duan(2001)은 CCHE2D 모형을 이용하여 충적하천의 변화 과정을 모의하고 실제 수리모형 실험 결과값과 비교를 통해 모형 검증을 실시한 결과 CCHE2D 모형을 통해 나타난 하안침식과 하도의 변화와 이동에 대한 결과값이 수리모형을 이용한 결과값과 비교적 동일한 것을 확인하였다. Elci et al. (2007)은 수심이 깊은 수력발전 저수지에서의 퇴사 및 유입, 유출흐름 해석을 3차원 모형을 이용하였고 저수지에서의 단기간 유속측정값은 모형 검증에 이용하였다. 저수지 성충화는 유속을 변화시켜 퇴사현상에 영향을 주는 것을 확인하였다. 유사량 공식의 적정성 및 신뢰성에 관한 논문과 하상변동 모형의 입력변수로 유사특성인 점착성, 비점착성 이송 특성에 관한 논문은 다음과 같다. Yang and Wan(1991)은 총 유사량 공식의 비교⋅검토를 연구하였고 각 공식들은 총 소류사량을 산정하는 신뢰성이 높은 것으로 나타났으며, Garcia and Parker(1991)은 수로 바닥에 근접하여 측정하기 어려운 부유사농도를 경험식으로 이용할 수 있도록 부유물의 혼합을 현장에서 획득한 데이터로 일반화 시켰다. 기왕에 개발된 유사 이송 공식들은 대부분 경험식이며, 경험식 간 큰 차이를 가지고 있기 때문에 적용공식에 대한 검증은 매우 중요하다. Ziegler and Nisbet(1994)은 Pawtuxet 강과 Rhode 섬에서의 미립자 부유사와 점착성 그리고 비점착성 이송 모형을 개발하였고 퇴사와 재부유 과정을 지배하는 파라미터를 규명하는 연구와 학술의 결과에 이용하한결과 실제거동과 정확하게 분석되었으며 정확하고, 현실적인 부분이 잘 반영되있고, 응집효과를 포함하는 SEDZL모형은 비점착성 부유이동도 포함되도록 수정되었다. Sharad(2001)은 신경망이론을 이용하여 유사량을 계산하였으며 신경망 방법이 유사량을 구하는 수학적인 표현을 간단하게 할 수 있고 정확도 측면에서도 실측값과 가깝다고 밝혔다. 국내는 하상변동을 예측하고 분석하는 수치모형의 선정과 적용에 고려사항을 제시하는 연구와 하천관리 측면에서 하상변동에 대한 연구논문이 증가 추세이며 국외에서는 분석대상 흐름특성을 정확히 재현할 수 있는 모형 선정과 신경망이론을 이용한 유사량 산정 등 실측값에 가까운 새로운 분석방법에 대한 시도가 확인되었다.

국내에서는 하상변동 상태를 조사하여 홍수시 안정성과 하천환경 변화 모니터링을 위해 일부 하천에서 매년 수로조사를 시행하나 주운 퇴사관리에 대한 조사, 분석, 연구사례는 거의 전무한 실정이다. 국외는 실제 운영하고 있는 운하 관리 실태는 다음과 같다. 이리운하는 허드슨강 연안의 올버니에서부터 출발하여 모호크 계곡을 종관(縱貫)한 다음 버펄로 부근에서 이리호에로 연결한 운하로 길이 약 584 km 깊이 12 m 표면 너비 12 m이다. 중서부와 서부의 개척 및 농작물 수송력 증대로 도시 발달하였으나 1850년대부터 발달하기 시작한 철도와 운영상의 부정 등으로 1882년에 이르러 그 기능이 정지되고 현재 바지운하에 의존한다. 뉴욕주가 운하의 능력을 높이기 위하여 1905년부터 이리⋅섐플레인⋅오스위고⋅카유가세네카 등 4개 운하를 통합하기 시작하였고 13년 걸려서 완성하였다. 선박 안정 통항을 위한 주운수로 하상변동 관리는 지속적인 수심측량을 통해 준설여부를 판단한다. 수심은 12 feet(3.66 m)를 유지하는데 수심이 부적한 지역은 준설을 시행한다. 준설은 여유를 고려하여 수심 14 feet(4.27 m)가 확보되도록 시행하며 대상구간은 주로 합류부 등 유속이 완만한 구간에 퇴적이 현상이 나타는 지역으로 한정된다. 다음은 PIANC(2006) 문헌조사를 통해 퇴사 처리현황과 이용방안을 국가별로 조사하였다. 미국은 1940년에 Hamton Roads 지역안의 수로와 항구에 퇴적된 물질을 위한 장기처리지역에 대한 부지를 Norfolk의 크래니섬에 계획하였다. 처리지역은 1,010헥타르의 면적이고 퇴사물질 8,000만m3을 저장하도록 설계되었으며 처리지역의 배출 슬러지에서 나온 침전고체물이 생성까지 고려하여 설계되었다. 네델란드 로테르담 항구와 연결되는 하천 구간에서는 매 년마다 1,000만m3의 퇴사토를 처리함에 따라 하구지역인 Voorne의 연안 앞 Maas-vlakte에 1억 5천m3의 퇴사토를 수용할 수 있는 퇴사토 처리 구역을 대규모로 조성하고 환경을 고려한 성토공정에 대한 연구를 수반하고 있다. 또한, 네델란드에서는 준설작업과 연계하여 저수지 매립작업에 대한 연구를 수행하며 그 결과 항만의 하안에서 퇴적되는 물질은 평균적으로 1,200 kg/m3의 밀도이나 준설동안에는 물과 혼합하면 비중은 1,150 kg/m3으로 감소된다고 밝히고 있다.

하천 하구 지역은 가벼운 세립질 또는 실트질 유사에 의해 퇴사되고 조위의 영향으로 해안표사가 유입되어 퇴사되기도 한다. 바다와 하천을 연결하는 하천에서 선박이 통항하는 주운기능이 있을 경우에 하상변동은 하천의 기능을 유지 하는 측면에서 중요한 사안된다. 하천구간 내 수공구조물로 인한 흐름특성(flow characteristics) 변화에 대한 문제를 설명하고 규명하기 위한 방법으로는 현장조사, 수리모형 실험, 수치모형 실험 등이 있다. 이들 방법들은 각각의 장⋅단점을 가지고 있으며, 이 중 수치모형 실험은 경제적이면서 시간적 제약이 적고 현상의 규명과 장래에 대한 예측이 가능한 가장 효율적인 방법 중의 하나로서 하천에서 수리학적 현상을 파악하는데 매우 중요한 부분을 차지하고 있다. 최근 들어서는 수리모형 실험 결과를 수치모형 실험의 검정(verification) 자료로 이용하기도 하며 수치모형 실험 결과가 수리모형 실험의 예비 실험 자료로 이용하는 등 상호 보완적인 역할을 하고 있다. 따라서 본 연구에서는 대규모 지형변화와 더해져 항내매몰, 항로퇴사 등 다양한 퇴사 문제가 발생하고 있는 아라천에 대해 장⋅단기 하상변동 양상을 파악하여 하천지형을 변화시키는 퇴사현상을 공학적으로 접근하여 인간이 활용하고 있는 하천의 기능을 유지관리 할 수 있는 방안을 제시함으로써 하천을 효율적으로 관리할 수 있는 방향을 제시하는 연구가 필요하다. 또한, 우리나라 대하천이 모두 바다와 접하여 있는 지리적 특성을 고려하면 관련 연구 활용성은 높을 것으로 판단된다.

2. 연구방법

2.1 모형의 선정

일반적으로 하천에서의 수리거동은 1차원 또는 2차원적 해석으로도 충분한 결과를 얻을 수 있다고 알려져 있다. 그러나 외해를 통한 염수침입의 경우 수평적거동과 동시에 연직방향으로 밀도차에 의한 층 분할 현상이 발생하는 등 외부조건에 의해 강혼합 또는 약혼합의 특성을 나타낼 수 있기 때문에 3차원적 해석이 필요하다(Hur and Park, 2009). 따라서, 본 연구에서 2차원 모형보다 분석하고자 하는 다양한 요소들에 대한 대응이 가능한 3차원 모형을 위주로 조사하였으며, 3차원 동역학 모형으로는 EFDC, UNTRIM, DELFT3D, MIKE3 등이 있다. 국내에서 업무나 연구에 많이 활용되는 모형으로는 MIKE3, DELFT3D, EFDC 모형이 있으며, 해양 관련 업무나 연구에서는 주로 MIKE3, DELFT3D가 많이 사용되나, 저수지 및 하천 수리 수질 업무나 연구에서는 EFDC 모형의 사용이 많은 것으로 알려져 있다. EFDC 모형은 전세계 다양한 연구자들에 의해 지속적으로 기능이 개선되고 있으며, 공개소스로 되어 있어 사용자의 목적에 따라 소스코드를 수정하여 새로운 기능을 적용할 수 있는 장점이 있다. 또한 연구 측면에서는 소스코드가 공개되어 있는 EFDC 모형이 적절할 것으로 판단된다. 본 연구에서는 하천, 하구의 수리 및 퇴사거동이 주요 연구내용이지만, 향후 수질 및 수생태와 관련한 추가연구를 위해서는 하천내 구조물에 대한 모의, wet/dry 모의, 물질추적 등 수리뿐만 아니라 수질, 유사, 염수 등의 밀도류 모의가 통합적으로 연계되어 모의가 가능한 EFDC (Environmental Fluid Dynamics Code) 모형을 사용하였다.

2.2 모형의 이론

2.2.1 지배방정식

EFDC 모형에서는 수평방향의 경계조건을 나타내기 위하여 수평좌표계인 x, y 좌표를 고려하며 수직방향은 중력벡터를 이용하여 바닥지형과 움직임이 있는 수면을 표현한다. 즉, 시간에 따라 위치와 길이가 변화하므로 수직방향에 대한 변환이 필요하게 되며 그 변환식은 Eq. (1)과 같다. EFDC 모형은 연속방정식과 운동방정식, 물질 보존방정식, 그리고 퇴사물을 포함한 물질 보존방정식 등으로 구성되어 있으며, 연속방정식과 운동방정식은 각각 Eqs. (2)와 (3)에 나타내었다. 물질 보존방정식은 밀도차에 의한 경압력에 의하여 운동방정식과 연계되어 있다. 이 모형은 수직 방향으로 σ 좌표계를 사용하고, 수평 방향으로는 직선 또는 직교곡선좌표계를 사용하고 있다. 수직 와동점성계수의 산정에는 Mellor and Yamada(1982)의 level 2.5 turbulence closure scheme을 사용하고, 수평와동 점성계수는 Smagorinsky type diffusivity를 사용한다.

(1)Z=(Z*+h)(ζ+h)

여기서,

Z* = original physical vertical coordinates

H = physical vertical coordinates of the bottom topography

ζ = physical vertical coordinates of the free surface이다.

(1) 연속방정식

(2)δ(mζ)δt+δ(myHu)δx+δ(mxHv)δy

(2) 운동방정식

(3)δ(mHu)δt+δ(myHuu)δx+δ(mxHvu)δy(mf+vδmyδxuδmzδy)Hv=myHδ(gζ)δx+Ωuδ(mHv)δt+δ(myHuv)δx+δ(mxHuv)δy(mf+vδmyδxuδmxδy)Hu=mzHδ(gζ)δy+Qvδ(mHv)δt+δδx(myHuv)+δδy(mxHuu)+δδx(mwu)+(mf+vδmyδxuδmxδy)Hu=mxHδδy(gζ+p)mx(δhδyzδHδy)δpδz+δδz(mh1Avδvδz)+Qvδpδt=gH(pp0)p01=gHb

(3) 상태방정식

(4)p=p(ρ,S,T)

(4) 물질보존 방정식

(5)δδt(mHS)+δδx(myHuS)+δδy(mxHvS)+δδz(mwS)=δδz(mH1AbδδzS)+QSδδt(mHT)+δδx(myHuT)+δδy(mxHvT)+δδz(mwT)=δδz(mH1AbδδzT)+QTδδt(mHC)+δδx(myHuC)+δδy(mxHvC)+δδz(mwC)=δδz(mH1AbδCδz+ωC)+mHRc+QC

여기서,

u, v: 직교하는 곡선좌표계 x, y에서의 수평유속(m/s)

mx, my: 곡선좌표계의 임의거리 [ds2=mx2dx2+my2dy2]을 만족시키는 metric tensor의 대각성분의 제곱근(m=mx·my)

w: 변환된 무차원 연직좌표계 z에서의 수직 유속(m/s) 성분

p: 수심 z에서 기준수압(ρ0gH(1-z))과의 차를 ρ0로 나눈 값

H: 총수심(=h+ζ)

Qu, Qv: 운동량 생성-소멸 항

h: 기준면 아래 수심(m)

T, S: 수온(°C), 염분(psu)

f: Coriolis parameter

ω: 침강속도(m/s)

Av: 수직 난류점성 계수

C: 용존 또는 부유물질의 농도(mg/L)

Ab: 수직 난류확산 계수

QT, QS: 수온(°C) 및 염분(psu)의 source-sink 항

ρ: 밀도(kg/m3), ρ0: 기준밀도(kg/m3)

Rc, Qc: 생화학 및 외부 sourc-sink 항

2.2.2 EFDC 퇴사이동 모듈

EFDC의 퇴사이동 모듈은 하천, 호소, 하구, 연안역 등 다양한 해역에서 점착성 및 비점착성 퇴사물의 이동을 모의한다. 퇴사물이동 부분은 점착성과 비점착성의 다양한 크기를 가진 입자를 고려할 수 있다. 또한 농도와 유속 경사에 의한 침강속도, 퇴사물 조성과 저면전단응력에 의한 재부유 등을 고려할 수 있다. FDC모형은 수송 방정식의 이류항을 비확산 고차차분기법(MPDATA)기법(Smolarkiewicz and Clark, 1986)을 사용하며 공간에 대해서는 풍상차분(unwind difference)을 시간에 대해서는 전방차분(forward difference)을 사용한다. 이때 발생되는 소산을 제거하기 위해 시간에 대해서는 2차 정확도로 계산하여 수치적 확산을 제거한다. 이류항의 고차차분기법(MPDATA)은 수치적 확산이 최소화 되도록 설계되었지만 최소한의 수치적 분산이 내포되어 있기 때문에 이송 방정식의 물리적 수평 확산항을 제거시킨다.

이송 방정식의 물리적 수평 확산항을 제거시키면, 다음 Eq. (6)과 같이 표현된다(Tetra tech, 1999).

(6)δt(mxmyHSj)+δx(myHuSj)+δy(mxHvSj)+δz(mxmywSj)δz(mxmywsjSj)=δz(mxmyKvHδzSj)+QsjE+QsjI

여기서, Sj: j번째 유사 분급의 농도[QsjE], [QsjI]: 내⋅외부 source-sink 항이다.

외부 source-sink항(QsjE)은 점원⋅비점원의 퇴사물 부하를 나타낸다. 내부 source-sink항(QsjI)은 침전물(floc) 형성 및 파괴가 계산되었다면 유기퇴사물의 반응에 의한 감소 또는 유사 분급 사이에서 질량의 교환을 나타낸다. 연직경계조건은 다음 Eq. (7)과 같다.

(7)(KvH)δzSjWsS=Jjo:z0(KvH)δzSjWsSj=0:z=1

여기서, Jo: 수주로 들어오는 순 유량과 저층의 교환 flux

Z : 저층에서 표층까지 측정된 무차원 수심

Ws: 퇴사물의 침강속도이다.

3. 모형의 적용

3.1 대상구간

연구대상 지역은 Fig. 1과 같이 일반적인 자연하천과 달리 방수로와 주운기능인 특수 기능을 수행하기 위해 인공수로가 건설된 아라천으로 선정하였다. 내륙주운하천으로서 하상변동을 분석 및 퇴사저감대책방안에 관한 연구는 아라천 기능 유지와 하천관리 측면에서 중요할 것으로 판단된다. 아라천은 서울특별시 강서구 개화동 한강분기점에서 인천광역시 서구 오류동 해안으로 유하하여 서해로 방류하는 하천이다. 총 유역면적 157.14 ㎢, 하천연장 18.8 km인 아라천 유역은 홍수기 아라천 및 연결수로를 통해 서해로 방류되는 하천이다. 대부분이 평야와 구릉으로 이루어진 지형특성을 보여주고 있으며, 남측으로는 경관도로와 인천국제공항고속도로가 위치해 있고 동측으로는 농경지가 분포하고 있으며 사업지구 동측 말단에서 한강이 남동측에서 북서측으로 유하하고 있다. 수계는 인천광역시 부평구에 위치하고 있는 철마산(EL. 201 m)에서 발원하여 부천시를 관류, 신곡리에서 이어지는 굴포천이 남에서 북측으로 유하하여 평시는 한강으로 유입되고 홍수 시는 서해로 방류하게 된다. 아라천은 행정구역상 경기도와 서울특별시, 인천광역시 지역으로 구분되며, 경기도는 부천시와 김포시, 서울특별시는 강서구, 인천광역시는 부평구, 계양구, 서구를 포함하고 있다. 아라천 유역은 67%가 해발 30 m 이하의 저지대로 한강 본류의 수위가 상승하면 자연배수가 불가능하게 되어 주로 배수펌프에 의한 강제배수 기능에만 의존하게 되므로 적은 강우에도 상습적으로 침수피해가 발생하고 있는 지역이며 유역의 전체면적 중 도시지역은 49%, 임야와 농경지는 각각 23.5%, 14.6%를 점유하고 있다.

Fig. 1

Site Map

평상시 아라천은 원활한 주운기능 유지를 위해 한강수 유입과 해수 유입과 방류를 적절히 시행하여 적정 수위를 확보 한다. 아라천은 평균 수심 6.3 m를 유지를 하고 있으며 유입과 유출량에 따라 어느 정도의 범위에서 수심은 변동한다. 평상시 한강수가 지속적으로 유입되어 흐르고 서해와 접한 감조하천 특징으로 조위가 높을 때는 해수가 유입됨으로써 해수와 한강수가 혼합되어 운영된다. 홍수시에는 굴포천의 홍수량을 서해로 배제하는 방수로 역할을 한다. 강우시 굴포천의 수위가 점점 상승하여 아라천과 연결된 귤현보 지점의 수위가 EL 4.7 m 도달하면 도복하여고 굴포천 유량 대부분이 아라천으로 유입되어 아라천은 굴포천 방수로 기능을 담당한다.

3.2 입력자료 구축

아라천 내부의 수위 재현성 검토를 위하여 2012년도 4월에서 12월 사이 한강갑문, 서해갑문, 서해배수문 및 굴포천에서 관측된 유량을 적용하였고, 한강 유사 유입 현황 분석을 위해서는 2014년 4월 1개월 동안의 상류 행주대교에서 관측된 유량과 하류 신곡수중보에서 관측된 수위 및 2015년 K-water에서 관측한 부유사 농도와 입결을 적용하였다. 굴포천 단독 유사 유입에 대한 영향 평가를 위해서는 2012년 6월 1개월 동안의 한강갑문, 서해갑문 및 배수문, 굴포천 유입 유량과 굴포천 방수로 제1공구 기본설계(K-water, 2009)의 유사농도와 유사입경을 적용하였다. 한강, 서해 및 굴포천 유사 유입 영향분석(아라천 유입 3개 지점 전체 반영)을 위해서는 굴포천 단독 유사 유입 영향평가에서 적용한 자료에 한강측과 서해측에서 유입하는 유사조건을 추가로 적용하였는데 한강 유사 유입 현황 분석에서 얻어진 한강 갑문 유입 유사농도와 유사 입경을 한강쪽과 서해쪽에 동일하게 적용하였다. 장기 하상변동을 위해서는 2012년 4월 1일 부터 2014년 12월 31일까지 관측된 유량을 적용하고 이후 기간에 대해서는 2012년 1년간의 관측유량을 반복하여 적용하였다. 유사조건으로는 굴포천의 경우 굴포천 방수로 제1공구 기본설계(K-water, 2009)의 유사농도와 유사입경을 적용하고 한강과 서해쪽은 한강 유사 유입 현황 분석에서 얻어진 한강 갑문 유입 유사농도와 유사 입경을 한강쪽과 서해쪽에 동일하게 적용하였다. Table 1에 수치모의 입력자료를 구분하여 정리하였다.

Input Data for Ara Waterway’S Numerical Simulation

3.3 모형의 적용성 검토

구축된 모형의 검증을 위하여 수위 재현성 분석을 실시하였다. 수위 재현성 분석을 위해서는 경계조건 입력자료에 대한 수치모의 결과와 관측자료를 비교하여 평가를 수행하게 된다. 수치모의를 수행함에 따라 하상변동이 진행될 경우 변동된 하상에 의해 수리학적 변화가 발생하게 된다. 따라서 하상변동이 크지 않을 경우에는 하상을 고정상태로 가정하여 분석을 수행하게 되나, 하상변동이 클 것으로 예상될 경우에는 하상 변화를 고려하여 수리학적 검토를 동시에 수행하여야 한다. 본 연구에서는 하상측량결과를 토대로 아라천 내부의 하상변동이 크지 않은 것을 확인하였기 때문에 수위 재현성 검토는 고정상 모형으로 수행하였다. 2012년 4월 1일부터 12월 31일까지 EFDC 모형을 이용하여 주운수로내 유입 및 유출량을 적용하고 모의를 수행하였다. 수리학적 재현성 평가를 위해 6월 동안의 3개 지점(인천터미널, 시천교, 계양대교)에서 관측한 수위와 수치모형을 이용한 계산수위를 비교한 결과 유량의 증가와 감소에 따라 수위변화도 일치하였다. 시계열 단위 유량과 수위를 모의한 결과 홍수기인 6월은 강우량 증가에 따라 수위와 하폭이 증가하는 경향이 나타나며 시간이 지날수록 흐름방향이 변화하는 부분은 수위가 깊어지는 것으로 모의되었다. 모의결과, 3개 지점의 일부 시간에 수위 값의 차이가 생기고 있으나 그 차이가 크지 않았다. 3개 지점의 수위계산 결과를 관측값과 비교한 평가항목별 결과를 Table 2에 나타내었다. R2는 0.69∼0.80로 나타나고 있으며, NSE는 0.64∼0.74, PBIAS는 0.47∼–1.23, RSR은 0.51∼0.60로 지점별 평가 항목별 값의 범위가 유사한 것으로 분석되었다.

Water Level Simulation Result

12년 4월 1일부터 2013년 10월까지의 하상변동 수치모의 분석결과를 실제 관측자료인 2013년 하상측량 결과와 비교하여 모형의 재현성을 평가하였다. 하상측량결과와 수치모의결과 모두 아라천의 하상변동량은 시간이 지날수록 퇴적량이 증가하는 것으로 나타났으며 구간별 모의결과는 Table 3과 같이 김포터미널, 계양대교, 인천터미널, 굴포천 합류부에서의 하상변동량으로 나타내었다. 계양대교와 인천터미널, 굴포천 합류부의 하상변동량은 하상측량 결과와 수치모의 결과는 매우 유사하게 나타나고 있으나 일부 구간 김포터미널의 경우에서는 하상측량 결과와 수치모의 결과가 약 8 cm 상이한 결과를 나타내고 있다. 김포터미널 구간에서의 결과차이는 레이더의 반사속도에 따라 측정되는 수심측량에서 매질에 따라 발생하는 오차에 원인이 있는 것으로 판단된다. 아라천의 주요 퇴사 문제 지점의 계산결과가 유사한 수준으로 나타나고 있어 본 연구에서 구축한 수치모형이 실제 아라천 일대의 하상변동 분석에 적합하다고 판단된다.

Ara Waterway Sedimentation Simulation Result

4. 장기하상변동 분석

장기 하상변동을 모의하기 위해서 2012년 4월 1일부터 2022년 3월 30일까지 10년간 입력자료를 구축하였다. 자료구축은 2012년부터 2014년까지는 실제 관측자료를 이용하였고, 이후 8년간의 조건은 2012년에 귤현보로부터 유사유입이 가장 많은 기간임을 고려하여 2012년 4월 1일부터 2013년 3월 31일까지 1년간을 반복 적용하였다. 굴포천에서 유입하는 유사가 아라천에 지배적으로 영향을 미치기 때문에 장기하상변동분석에는 굴포천에서 유사가 유입하는 조건으로 모의하였다. 굴포천 유입유사는 귤현보 도복에 의한 유입 유량에 2004년도 유량-유사량 관계식을 적용하여 산정하였고, 전체 10년 동안의 기간에서 귤현보 도복으로 인해 아라천으로 유입이 발생하는 기간만 선택하여 전체 분석기간을 10년에서 약 380일 정도로 단축하였다. 2012년 4월 1일부터 2013년 3월 31일까지 기간은 61일에 해당하고 2013년 12월 31일까지는 81일에 해당하며 2014년 12월 31일까지는 89일에 해당한다. 2012년 4월 1일부터 2020년 3월 30일까지 10년간 아라천 일대의 하상변동 수치모의 결과를 Table 4에 나타내었다. 10년간 전체 구간에서의 하상변동량은 172,507 m3 정도 퇴사되는 것으로 분석되었고, 평균 퇴사고는 0.068 m로 분석되었다.

Ara Waterway’S 10-year Simulation Result

10년 동안 인천터미널에서 김포터미널 사이의 퇴사고 변화 분석결과를 Fig. 2에 나타내었다. 퇴사고 변화는 초기 하상 대비 침퇴사 높이를 의미한다. 퇴사가 활발하게 진행되는 지점은 인천터미널과 굴포천 합류부 일대인 것으로 나타났다. 특히 굴포천 합류부를 기준으로 하류와 직상류에 퇴사가 집중되는 경향이 있음을 알 수 있다.

Fig. 2

Simulated Maximum Sediment Accumulation Along the Riverbed Profile for 10 Years

선박운항에는 안정성은 평균 퇴사고 보다는 항로에 퇴사되는 최대 퇴사고를 기준으로 판단되어야 한다. 따라서, 퇴사고가 가장 높게 발생하는 합류부를 기준으로 2년 및 10년 빈도의 퇴사고를 산정한 결과 Table 5와 같이 0.27 m와 1.0 m로 분석되었다.

Long-term Riverbed Variation

5. 퇴사관리방안

아라천은 홍수시에는 방수로 평상시에는 주운수로로 이용되며 하천의 생태, 수질 등 관리함으로써 친수기능을 수행하는 다양한 목적을 위해 사용되는 하천이기 때문에 건설 당시의 목적에 부합되도록 환경, 특히 지형에 대한 지속적 유지가 중요하다. 퇴사현상은 홍수시 방수로 기능의 홍수위 상승을 유발하고 주운기능 중 선박의 흘수를 확보에 영향을 미친다. 특히, 아라천 주운운영 수심 6.3 m는 4.5 m(흘수)*1.4를 기준으로 여유수심 1.8 m를 확보하여 설정되어 있으며 과도한 퇴사발생은 선박이 운항할 때 필요 수심이 부족하게 되어 선박 운항 안정성과 직결된다. 「항만 및 어항 설계기준 해설(Ministry of Ocean and Fisheries, 2014)」적용시 4.5 m 흘수선박에 대해서 여유수심 1.2 m를 두어 5.7 m 수심확보를 권장하고 있으므로 0.6 m는 선박안정성에는 큰 영향이 없는 것으로 판단되며 추가적으로 0.6 m 퇴사되었을 때 즉 총 1.2 m가 퇴사가 진행되고 여유수심 0.6 m일 때 준설을 시행하는 것으로 기준을 설정하였다.

일반적인 퇴사저감 방법은 구조적 대책과 비구조적대책으로 구분된다. 구조적대책은 수로내 준설이 대표적이며 유속을 제어하여 퇴사를 유도하는 수제나 Sand Trap 구조물도 해당된다. 비구조적 대책은 운영 방법을 개선하거나 유역에서 유입되는 유사를 감소시키는 제도적 방법이 있다. 아라천 퇴사저감 방안을 도출하기 위해서 한강, 서해, 굴포천 유입 지점에서 사전에 유사 유입을 차단 또는 저감하는 구조적 대책과 시설물 운영을 개선하는 비구조적 대책으로 접근하였다.

유사 유입 차단방법은 굴포천과 한강 유입지점에서 적용할 수 있다. 굴포천 유입지점은 현재 설치된 귤현보를 이용하여 비홍수기시 상류유사를 퇴사시키고 일정기간 또는 지속적 퇴사량 모니터링을 통해 귤현보 도복 전, 즉 홍수기 이전에 준설을 시행하는 방법이 적절하다. 한강수 유입지점은 아라천과 접속하는 접속부가 Sand trap 역할을 하고 있어 한강에서 관측되는 유사보다 적은 양의 유사가 아라천으로 유입된다. 따라서 한강에서 아라천으로 유입되는 유사량을 저감하기 위해서는 한강 접속부를 Sand trap 기능 확보를 위한 준설이 필요하다. 비구조적 방법으로 굴포천 귤현보의 지점의 유사를 저감하는 방법은 유역에서 유입되는 유사를 차단하는 제도적도 방법이 있고 한강 유입지점에서는 한강갑문에서의 한강측 방류하는 운영개선을 통해 Sand trap 퇴사를 저감하는 방법이 있다.

본 연구에서 구축한 수치모의 결과를 토대로 주운기능에 영향을 미치지 않는 범위인 1.2 m 퇴사 발생기간을 예측하기 위하여 10년간 하상변동 모의를 통해 퇴사고를 산정하였다. 초 2개년 2012년 2014년은 실측 유량을 이용하여 하상변동을 모의하였고 이후 8개년은 유량이 많은 2012년 유량을 적용하여 퇴사고를 산정하였고 아라천 주운수로 가장 퇴사고가 높게 발생하는 굴포천 합류부 일대의 장기 퇴사고 변동을 Fig. 3에 나타내었다. 결과적으로 계산 기간인 10년 후 퇴사고는 약 1 m 정도 나타났다. 즉 10년 동안 1 m가 퇴사되어 년 평균 0.1 m 퇴사되므로 12년 정도이면 1.2 m 퇴사되어 아라천 주운기능을 확보를 위해 준설을 시행하여야 한다.

Fig. 3

Gulpocheon Confluence’s Long-term Sediment Accumulation (based on normal frequency)

6. 결론

연구대상 하천인 아라천은 일반하천과 달리 평상시 상류인 한강에서 한강수가 유입되어 하류인 서해방향으로 흐름이 발생하고 서해바다와 접한 하구에서는 조위가 높을 때 해수가 유입되어 상류로 역류된다. 홍수시에는 아라천 중상류부 지점에 귤현보와 연결된 연결수로를 통하여 굴포천 홍수량이 유입되어 합류부 흐름이 발생한다. 또한 해수와 담수의 혼합에 의한 밀도차가 발생하고 홍수시 굴포천에서 유입되는 유량으로 아라천과의 합류부에서는 복잡한 흐름이 발생하고 있다. 유동 특성 이외에 하상변동 측면에서 살펴보면 홍수기와 평수기에 다양한 유사입경과 점착성, 비점착성 유사가 발생하고 유동특성에 의해 침퇴사 양상이 복잡하게 나타나고 있다. 본 연구에서는 아라천에서의 하상변동을 규명하여 효율적인 하천관리를 위하여 복잡한 유입, 유출 양상에 따른 흐름을 해석하기 위한 적정 모형 선정하고 하상변동 모니터링 실측값과 비교하여 검증하였다. 검증된 모형을 이용하여 장기하상변동을 예측하였고 안전한 선박 통항을 위해서 퇴사고를 고려한 준설시기를 결정하였으며 주운기능에 저해되는 퇴사에 대한 관리 방안을 제시하고 효과를 분석하였다. 본 연구를 통해 도출된 결과를 정리하면 다음과 같다.

  • (1) 본 연구 대상 지역인 아라천은 해수와 담수의 혼합에 의한 밀도차가 발생하고, 홍수시 굴포천에서 유입되는 유량이 아라천과의 합류부에서 복잡한 흐름을 발생시키고 있다. 유동 특성 이외에 하상변동 측면에서 살펴보면 홍수기와 평수기에 다양한 유사입경과 점착성, 비점착성 유사가 발생하고 유동특성에 의해 침퇴적 양상이 복잡하게 나타나고 있다. 따라서 본 연구의 대상지와 같은 경우에는 이러한 다양한 항목을 분석할 수 있는 3차원 EFDC 모형을 선정하여 적용성을 검증하였다.

  • (2) 하천 하구에서의 유사 특징인 접착성, 비접착성을 고려하고 유사 입경별 이송 영향과 염도변화에 따른 침강영향 모형에 반영하여 장기하상변동을 분석한 결과, 10년 동안 평년 유량 기준으로 최대 1 m가 퇴사되는 것으로 분석되어 1년 기준 약 0.1 m 퇴사가 발생하는 것으로 분석되었다.

  • (3) 아라천 주운 수심 6.3 m은 선박 흘수 4.5 m에 여유수심 40%가 고려된 수심으로 퇴적현상은 여유수심 부족으로 선박운항 안정성에 직접적으로 영향을 미치므로 12년에 1회 준설이 필요한 것으로 분석되었다.

감사의 글

본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원 건설기술연구사업의 연구비지원(13건설연구S04)에 의해 수행되었습니다.

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Article information Continued

Fig. 1

Site Map

Table 1

Input Data for Ara Waterway’S Numerical Simulation

Flow analysis Riverbed variation
Flow rate (m3/sec) Water level (EL.m) Sediment load concentration (mg/L) Sediment load particle size (μm)
Water level reproducibility Observed flow rate from April 2012 to December 2012 × × ×
Han River confluence April 2014 observed flow rate at Haengju Bridge April 2014 observed water level at Singok submerged weir 2015 Han River observed data 2015 Han River observed data
Gulpo stream June 2012 3-point inflow × 2004 Gulpo stream sediment rating curve 2015 Gulpo stream observed data
Ara waterway 3-point inflow June 2012 3-point inflow × 2004 Gulpo stream sediment rating curve and Han river confluence simulation result 2015 observed data of Gulpo stream and Han River
Long-term riverbed variation simulation April 2012 to December 2014 3-point inflow and 2012 data re-application × 2004 Gulpo stream sediment rating curve and Han river confluence simulation result 2015 observed data of Gulpo stream and Han River

Table 2

Water Level Simulation Result

Assessment Tool Incheon Terminal Sicheon Bridge Gyeyang Bridge
R2 0.69 0.80 0.80
NSE 0.64 0.67 0.74
PBIAS 0.47 0.48 1.23
RSR 0.60 0.58 0.51

Table 3

Ara Waterway Sedimentation Simulation Result

Section Area (m2) Erosion/Deposition Riverbed variation survey result EFDC analysis result
Change in sediment volume (m3) Average change in riverbed level (cm) Change in sediment volume (m3) Average change in riverbed level (cm)
Gimpo Terminal 447,878 Deposition 36,101 8.1 3 0.0
Gyeyang Bridge 58,854 Deposition 23,783 40.0 21,648 37.0
Incheon Terminal 593,000 Deposition 5,000 0.8 6,594 1.1
Gulpocheon Confluence 52,615 Deposition 17,040 32.4 14,617 27.8

Table 4

Ara Waterway’S 10-year Simulation Result

Sediment volume (m3) Average change in riverbed level (m)
Whole section 172,507 0.068

Fig. 2

Simulated Maximum Sediment Accumulation Along the Riverbed Profile for 10 Years

Table 5

Long-term Riverbed Variation

Frequency 2yr 10yr
Confluence section 0.27m 1.0m

Fig. 3

Gulpocheon Confluence’s Long-term Sediment Accumulation (based on normal frequency)