1. 개요

본 보고서는 현지에서 직접적인 유사(quicksand) 수문관측을 대상으로 한 것이다. 산악지역에서 유사의 실태를 파악하고, 본 연구에서 실시한 관측과 사방댐(댐 상류측이 토사로 매몰되지 않은 경우) 및 보조댐의 퇴사(silting, 堆砂) 측량에 기초한 소류사(掃流砂, bed load)량의 계측 및 저수지의 퇴사 자료를 이용하여 소류사량 및 부유사량의 추정을 검토하였다. 사방댐의 퇴사측량, 저수지의 퇴사 자료에 기초한 조사도 병행하여 실시하는 것을 기본으로 하였다.

 

2. 공통사항

 

(1) 목적

산악 지대 하도(river course, 河道)에서 유사 수문관측은 ① 유역 토사동태의 개략적인 상황 파악 및 감시, ② 사방 기본계획의 책정 및 사방사업의 효과 평가, ③ 천연댐 형성 시 등의 위기관리, ④ 종합적인 토사관리방법의 검토를 위해 실시하였다.

(2) 관측장소

관측장소는 사방 기본계획의 기준이 되는 지점(사방 기준점, 보조 기준점) 및 유역의 감시, 사방 기본계획의 책정과 종합적인 토사관리 방법의 검토를 위해 중요한 지점(기간 사방댐, 보전대상 상류, 댐 저수지 상류, 주요 지천 출구 등)으로 한다.

 

(그림) 관측지점 주변

(3) 기초정보의 취득

관측기기로 계측한 자료로부터 유사량 및 유량을 산출하기 위해 사전에 관측지점 인근의 하상재료의 입도분포와 하도의 종횡단면 형상(하상구배, 하도 폭, 하도 단면적)을 취득한다. 또한, 관측기간 중에 하상재료 및 하도의 종횡단면 형상을 크게 변화시키는 홍수 등이 있는 경우에는 매번 하상재료 조사 및 하도의 종횡단면 측량을 실시한다.

(4) 관측항목

산악지대 유역에서 유사 수문관측은 물 및 토사의 동태를 파악하기 위해 유량관측과 유사량 관측을 실시한다.

(5) 관측기간과 계측간격

사방 기본계획의 책정, 종합적인 토사관리방법의 검토, 유역감시 및 위기관리를 위한 정보수집 등 다양한 목적으로 관측결과를 활용하기 위해서는 평상시와 홍수시의 폭넓은 조건 하에서 유출특성, 토사동태의 파악 및 장기적인 유사량(예를 들면, 연간 총 유사량)과 그 변동(예를 들면, 연간 총 유사량의 매년 변동)에 관한 자료 취득이 필요하기 때문에 결측 없이 장기간 연속적으로 관측하는 것을 기본으로 한다.

홍수시의 물 및 토사의 변동은 유역면적 등에 의해 달라진다. 따라서, 계측간격은 각 관측지점에서 홍수시의 유출특성, 토사동태를 파악할 수 있도록 적절하게 설정한다. 또한, 계측간격은 기기별로 설정해도 상관없다. 단, 계측간격은 기기에 의해 차이가 발생하는 경우가 있더라도 유사량 산정은 탁도계 또는 소류사량계와 수위계 및 유속계의 자료를 동기화시킬 필요가 있기 때문에 탁도계 또는 소류사량계와 수위계 및 유속계 자료가 동일한 시간간격이 되도록 변환할 필요가 있다.

3. 수문관측

(1) 목적

수문관측은 유역의 유출특성, 하도의 수리특성을 파악하기 위해 실시한다. 강수량은 지상 우량계 및 레이더 우량계의 자료에 관하여 수집하는 것을 기본으로 한다. 유량은 토사의 이동을 제어하는 가장 중요한 외력 중 하나이기 때문에 유역의 유출특성 파악은 토사동태를 예측하는 데 중요한 정보이다. 또한, 하도의 수리특성도 하도에서 토사이동이 큰 영향을 미치는 요소 중 하나이다. 때문에 사방 기본계획의 책정 및 종합적인 토사관리 방법의 검토에서 유역의 유출특성 및 하도의 수리특성은 중요한 정보가 된다. 또한, 천연댐이 생기는 경우 월류시기를 추정하기 위한 중요한 정보가 될 수 있다. 또한, 부유사량은 부유사 농도에 유량을 고려해서 산정하기 때문에 유량자료는 부유사량 산출에서 반드시 필요한 것이다.

(2) 관측장소

유량은 수위자료로부터 수심을 구하여 산출하기 때문에 하상변동 등에 의해 관측장소의 하도 횡단형상이 변화하는 경우는 정밀도가 높은 자료가 얻어지지 않는다. 따라서 수문관측 장소는 가능한 한 하상변동이 적은 지점이 바람직하다.

(3) 관측방법

¢ 개요

유량을 연속적으로 파악하기 위해서는 수위계를 이용한 수위의 연속관측을 실시한다. 또한, 초음파식 유속계 등을 이용하여 수위계와 동기화시킨 유속의 연속적인 자료를 수집함으로써 연속된 유량자료를 취득한다. 유량의 산출은 수위로부터 산출한 하도 단면적에 단면 평균유속을 고려하여 산출한다. 하도 단면적은 수위와 하도의 횡단면형상으로부터 산출한다. 표면유속이 계측되는 경우는 유량의 산출에서 단면 평균유속으로 환산할 필요가 있다. 또한, 유속관측이 곤란한 경우에는 홍수시와 평상시에 유량관측을 실시하여 수위와 유량으로 변환하기 위한 수위와 유량 관계식을 작성한다.

¢ 관측 실시 및 기기의 보수

수위관측 및 유속관측은 연속적으로 1년간 실시한다. 수위 및 유속자료의 회수 및 관측기기의 보수는 원칙적으로 홍수가 발생할 때마다 실시하고, 홍수가 없어도 1개월에 1회 정도의 빈도로 실시한다.

 

 

(그림) 수위계에 의한 하상변동 상황 관측 모습

4. 부유사(浮遊砂) 관측

(1) 목적

부유사 관측은 연간 및 홍수시 부유사 등(경우에 따라서는 부유사 및 미세 부유사(wash load))의 양과 입경별 부유사량을 파악하기 위해 실시한다. 또한, 유역감시(관측장소보다 상류지역의 토사발생 유무의 감시 등)에 도움이 되도록 탁류 발생시각 및 정도를 파악하기 위해 실시한다.

(2) 관측장소

부유사량은 탁도계를 이용하여 계측한 부유사 농도에 유량을 고려하여 산출하기 때문에 부유사 관측은 수문 관측과 동일한 장소에서 실시할 필요가 있다.

(3) 관측방법

¢ 개요

부유사 관측에서는 탁도계에 의한 연속관측으로 계측한 부유사 농도의 시계열 자료에 수문관측에 의해 얻어진 유량의 시계열 자료를 고려함으로써 부유사량의 시계열 자료를 얻는다. 탁도계에 의한 계측결과(출력치)를 부유사 농도로 환산하기 위해서 탁도계의 교정을 미리 실시할 필요가 있다. 또한, 탁도계의 출력치를 부유사 농도로 환산하기 위해 부유사의 입경에 관한 정보가 필요하다.

¢ 탁도계의 교정

탁도계별로 출력치와 부유사 농도관계가 다를 가능성이 있기 때문에 설치하는 모든 탁도계에 관하여 출력치와 부유사의 농도관계를 구한다. 탁도계의 출력치와 부유사 농도의 관계는 부유사 입경에 영향을 받기 때문에 복수의 입경에 관하여 탁도계의 출력치와 부유사 농도의 관계를 구한다. 또한, 교정에 사용하는 토사는 관측지점 인근의 미립토사를 이용하는 것을 기본으로 한다. 그리고, 미세토사에 관해서 현지 재료를 이용하는 것이 곤란한 경우가 있기 때문에 그 경우에는 시중에서 판매하는 재료를 이용한다.

¢ 탁도계의 설치

탁도계는 댐의 축 및 호안 등 설치 및 보수가 용이한 위치에 설치하는 것이 바람직하다. 또한, 탁도계는 수몰되지 않는 상황이 지속되는 경우, 센서 검출면이 오염되어 다시 수몰된 경우에 정확한 자료를 취득할 수 없는 우려가 있기 대문에 항상 수몰되는 위치에 설치한다. 그리고, 탁도계는 부유사를 관측하는 기기이기 때문에 소류사가 이동하는 층보다 위쪽에 설치할 필요가 있다. 때문에 하상변동 상황과 탁수시의 수위를 고려하여 결정한다.

센서 검출면이 오염되거나 부유물 및 조류 등이 부착한 경우에는 출력결과와 부유사 농도의 관계가 변화되기 때문에 탁도계는 흐름이 정체되지 않는 지점에 설치하는 것이 바람직하다. 탁도계를 흐름이 정체된 장소에 설치해야만 하는 경우, 유속 및 수심 등으로부터 흐름이 정체될 우려가 없는 기간을 선택하여 자료를 활용하는 등 자료품질에 주의하는 것이 바람직하다. 부유사 농도는 깊이 방향으로 차이가 있을 것으로 생각되기 때문에, 수심이 항상 충분히 유지되어 정밀도가 높은 부유사량의 관측이 필요한 경우에는 깊이 방향으로 복수의 탁도계를 설치하는 것을 고려할 수 있다.

¢ 탁도계에 의한 관측 실시 및 기기의 보수

탁도계 자료를 기록하는 간격은 부유사량이 토사농도와 유량에 의해 산출되기 때문에 유량자료와 동일한 간격으로 하는 것이 기본이다. 수위계 등을 이용하는 경우, 수위계 등의 계측간격이 긴 경우에는 수위 및 유량의 관측을 토사농도의 변화에 대응하여 1~15분 정도의 계측간격으로 하는 것이 바람직하다.

자료의 회수시에는 탁도계의 출력값을 확인한다. 깨끗한 물에서 0V가 되지 않는 경우와 최대치가 교정 최대치 이상의 수치가 되는 경우에는 센서 검출면, 케이블 및 로거의 상태를 확인한다. 탁도계는 센서 검출면이 오염되거나, 부유물 및 조류 등이 부착된 경우에는 정확한 자료를 얻을 수 없기 때문에 자료 회수시에는 센서 검출면의 점검 및 청소를 실시한다. 그리고, 청소를 실시하여도 센서 검출면의 오염이 제거되지 않는 경우에는 다시 교정을 실시하여 탁도계의 출력값과 부유사의 용적용도 관계식을 작성할 필요가 있다.

¢ 부유사의 입경 조사

부유사의 채취는 직접 채수하는 방법과 부유사 샘플러를 이용하는 방법이 있다. 직접 채수는 홍수시 및 평상시에 펌프 등을 이용하여 직접 채수한다. 펌프 등에 의한 직접채수를 실시하는 경우는 탁도계 인근에서 실시하는 것이 바람직하다. 단, 평상시 부유사 농도가 아주 낮아 부유사의 직접 채수에 의한 채취가 곤란한 경우에는 평상시 채수는 실시하지 않아도 된다.

부유사 샘플러를 설치하는 경우는 부유사 샘플러는 탁도계의 인접에 설치한다. 또한, 부유사 샘플러는 소류사가 이동하는 층보다 위쪽에 설치하고, 채취구는 탁도계의 센서 검출면 높이에 맞추는 것이 바람직하다. 부유사 샘플러의 회수는 평상시와 비교하여 홍수시에는 부유사 입경이 변화되기 때문에 홍수시마다 실시하는 것을 기본으로 한다. 홍수가 없는 경우에도 평상시의 부유사 입경을 파악하기 위해 2~6개월마다 회수한다.

직접 채수하는 방법과 부유사 샘플러를 이용하여 채취한 시료는 토사의 체적을 계측하고, 신속하게 흙의 입도시험(JISA 1204)을 실시하여 입경 누가곡선을 작성하며, 토사입자의 밀도시험(JISA 1202)를 실시한다. 또한, 채취한 토사량이 적은 경우와 입경이 체눈 이하인 경우에는 SS(suspended solid)분석과 침강시험(또는 레이저 분석시험)을 실시하여 입경과 토사량(체적)을 계측한다. 그리고, 부유사의 입경조사는 해당 관측점의 홍수시 및 평상시 부유사의 표준적인 입경이 확인되면 관측을 중지해도 된다.

¢ 부유사량의 산출

탁도계의 자료를 회수한 후, 신속하게 부유사량을 산출한다. 산출한 부유사량의 시계열 자료를 도식화 및 확인하고, 기기의 정상작동 등에 관하여 확인한다. 부유사량의 산출을 신속하게 실시하는 것이 곤란한 경우라도 탁도의 시계열 자료를 회수한 후, 신속하게 도식화 및 확인하여 기기의 정상작동 여부를 확인한다.

탁도계의 출력값을 부유사의 용적농도로 변환하는 경우에는 부유사의 입경 조사결과를 기초로, 미리 구한 탁도계의 출력값과 부유사의 용적농도의 관계식으로부터 변환에 이용하는 관계식을 적절하게 선정한다. 또한, 각 시간별 부유사량은 해당 시간의 부유사 용적농도에 동시간의 유량을 고려하여 산출한다. 그리고, 부유사의 입도분포에 관한 조사결과가 있는 경우에는 입경별 부유사량을 산출하는 것이 바람직하다.

5. 소류사(掃流砂) 관측

(1) 목적

소류사 관측은 연간 및 홍수시의 소류사량을 파악하기 위해 실시한다.

(2) 관측장소

소류사 관측을 위해서는 기기의 설치가 비교적 용이한 가로수 제방(cross-dike) 등의 하천 구조물이 있는 경우가 바람직하다. 또한, 기기가 토사로 매설되면 계측할 수 없기 때문에 토사가 퇴적되는 장소는 피하는 것이 바람직하다.

(3) 관측방법

¢ 개요

연속적으로 소류사량을 관측하는 대표적인 방법으로는 음향식 소류사량계를 이용하는 방법이 있다. 기타 방법으로는 소류사 관측 피트(pit)를 이용한 방법 등이 있다. 관측 피트를 이용한 방법은 유지관리에 많은 노력이 필요하지만, 입경분포 파악이 가능하다는 이점이 있다.

또한, 두 가지 방법을 병용함으로써 음향식 소류사량계의 교정이 가능하게 되어 소류사량의 관측 정밀도가 향상되는 것을 기대할 수 있다. 두 방법을 병용하는 경우, 해당 장소에서 소류사의 표준적인 입경이 확인되고, 음향식 소류사량계의 교정에 충분한 유량조건에서 자료가 얻어진 경우, 관측 피트에 의한 관측을 중지해도 좋다.

¢ 관측 실시 및 기기의 보수

소류사량계에 의한 관측은 연속적으로 1년간 실시한다. 소류사량계의 자료 회수 및 보수는 원칙적으로 홍수시마다 실시하고 홍수가 없어도 1개월에 1회 정도의 빈도로 실시한다.

¢ 소류사량의 산출

소류사량계의 자료를 회수한 후 신속하게 소류사량을 산출한다. 산출한 소류사량의 시계열 자료를 도식화 및 확인하고, 기기의 작동불량 등을 확인한다. 소류사량 연속관측의 대표적인 방법인 음향식 소류사량계를 이용한 관측결과의 단위폭당 소류사량의 변환은 다음과 같다.

- 일반사항

음향식 소류사량계의 계측결과를 단위폭 소류사량으로 변환하는 방법은 음압에 의한 방법과 펄스에 의한 방법이 있다. 단, 음향식 소류사량계의 계측결과를 소류사량으로 변환하는 방법은 앞으로 개량될 가능성이 있기 때문에, 앞으로 현재의 해석방법보다도 정밀도가 높은 방법이 개발된 경우에 대응하기 위해 해석결과뿐만 아니라 현지 관측한 자료(전압 데이터)도 보존해 놓는 것이 바람직하다.

(2) 음압에 의한 방법

음압에 의한 방법에 기초하여 단위폭의 소류사량에의 변환은 국토기술정책종합연구소 위기관리기술연구센터의 사방연구실에서 배포한 해석 프로그램을 이용한다. 또한, 소류사의 평균입경도 산출할 수 있다.

(3) 펄스에 의한 방법

펄스에 의한 방법에 기초하여 단위폭 소류사량의 변환을 위해서는 우선 음향식 소류사량의 계측결과를 펄스 수로 변환시킬 필요가 있다. 펄스 수로부터 단위폭 소류사량으로의 변환에는 교정식을 이용한다. 교정식에는 펄수 수만으로 유사량으로 변환하는 방식과 펄스 수 이외에 유량 등 별도의 수리량을 이용하는 방법이 있다.