자연형 저낙차 횡단구조물의 하류부 세굴변화가 서식처에 미치는 물리적 영향 = Physical Changes on Habitat by Scour Variations at the Downstream Area of Natural Low Drop Structures

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The river crossing structures is installed for flood control and water utilization. However, the installations of these structures caused the interruption of the passage of ecological river and exterminate the life of a river. On the other hand, it has been represented that the scour at the downstream and complex flow pattern due to the installation of river crossing structures is beneficial for the ecological aspect. Therefore, the eco-friendly design process and method for the structure of river crossing have been proposed to minimize the structural damage and to maximize the positive environmental formation. However, an improve stream habitat has been limited to only the analysis of flow pattern around the installed structures and the systematic detailed results have not been suggested yet.
In this study, the assessment of ecological habitat improvement due to the scour downstream the river crossing structure was performed. The natural drop structures with the low drop height which can make target fish jump across a river was selected for the river crossing structure in this study based on the information and researches proposed in the domestic and abroad. Also, the log drop structure was selected considering more nature-friendly material and easy acquisition.
The hydraulic experiments were conducted to understand scour pattern and depth with different apex angles and various lateral slopes of the drop structure. In addition, the experimental result was compared with existing formulas for scour depth downstream of the drop structure and then the suitability of the experimental results and difference with other proposed equations were analyzed. As a result, scour depths of plane type drop structure with various apex angles were similar to the calculation results of existing equations. However, scour depths from experiments with various lateral slope changes caused concentrated flow in the middle and produced more effect on the scour. Finally, the generalized equations to estimate scour depth and length were proposed in this study with respect to the angle of apex and lateral slope of the low drop structures.
The physical habitat simulated was conducted using geometric data acquired from the experiment results. The changes of habitat suitability index (HSI) and difference of weighted usable area (WUA) were analyzed with different drop structure types. The Z. platypus was selected as the target fish inhabited in most domestic rivers. More habitat effect was improved in the downstream bed of the drop structure with scour than without scour. Especially, the most suitable type of the low drop structure was the apex angle 140°°and the upper V type. Also, it was concluded that the lateral slope 7 % of the straight drop structure and the lateral slope 3 % of the upper V type drop structure were relatively profitable for the habitat environment of Z. platypus in the river. The verification test was performed in the real size channel to validate the results of laboratory experiments and the validation satisfied the outcomes of the laboratory tests. The results of the study represents that the nature-friendly drop structure, which has the effects of natural fish both the objectives for fluvial environment improvement and river bed stability when the grade control structures are necessary in the natural fishway and the small stream. Also, it can be applied on various hydraulic structures in the channel such as spur dike.

국문 초록 (Abstract)

하천의 횡단구조물은 주로 이․치수의 목적으로 설치되고 있다. 그러나 이러한 횡단구조물의 설치는 하천환경 측면에서 하천 서식 생물의 생태단절을 초래하게 되고 심지어 멸종에까지 이르는 것으로 알려져 있다. 반면 횡단구조물 설치로 인해 발생하는 하류 부 세굴 및 복잡한 흐름에 대해서는 생태적으로 유리하다는 평가가 일반적이다. 따라서 최근 이러한 횡단구조물의 구조적 폐해를 최소화하고 긍정적 생태환경 조성을 최대화하기 위하여 다양한 친환경 횡단구조물 설계공법 등이 제안되고 있다. 그러나 현재까지 하천 서식환경 개선을 위한 노력은 일부 구조물 설치에 따른 흐름해석만을 통해 접근한 사례들만 있을 뿐 체계적이고 구체적인 연구결과는 아직 제시되지 못하고 있다. 본 연구에서는 구조물 설치에 따른 하류 부 하상변동(세굴)으로 인해 얻을 수 있는 생태서식처 개선효과에 대한 평가를 수행하였다. 이를 위해 국내외에서 제안되고 있는 자연 형 낙차공에 대한 자료를 바탕으로 어류가 소상 가능한 낙차높이를 갖고 있는 저낙 차 형태의 낙차공을 연구의 대상으로 선정하였으며 또한, 낙차공의 재료는 친환경적이고 획득이 용이한 점을 고려하여 자연재료인 통나무를 이용하였다.
통나무 낙차공의 형태에 따른 세굴형태 및 세굴심의 차이를 파악하기 위하여 수리 실험을 수행하였으며 낙차공의 평면 형태와 더불어 횡단경사도 변화시켜 실험하였다. 또한 실험결과를 기존의 낙차공 하류 부 세굴 제안 식 들과 비교하여 실험의 타당성과 차이점을 비교, 분석하였다. 그 결과, 자연 형 낙차공의 평면 형태에 따른 세굴 심은 기존의 제안식과 큰 차이를 보이지 않고 있으며 하류 부 세굴영향도 그리 크지 않은 것으로 나타났다. 반면 횡단 형태의 경우 기존식과는 상당한 차이가 있고 이는 횡단경사의 변화로 인해 월 류 되는 흐름이 중앙부로 집중되어 구조물 하류부의 세굴에 많은 영향을 주기 때문으로 판단된다. 또한 낙차공의 평면각도와 횡단경사를 고려한 세굴 심 및 세굴길이 산정 식 을 제안하였다.
끝으로 세굴실험을 통해 얻은 지형자료를 바탕으로 물리서식처 모의를 수행하였으며 낙차공의 형태에 따른 서식처 적합도 지수(HSI)의 변화와 가중가용면적(WUA)의 차이를 분석하였다. 대상어종은 국내 대부분의 하천에 서식이 확인된 피라미로 선정하였다. 분석 결과, 낙차공 하류부의 세굴영향을 고려하지 않을 경우보다 하류부의 하상변동을 고려할 경우에 서식처 개선의 효과가 뚜렷이 나타나고 있음을 확인하였다. 그 중 피라미 서식환경에 가장 적합한 자연 형 낙차공의 형태는 140°상향 V형이었으며, 횡단경사의 경우 직선형과 상향 V형에서 각각 7 %와 3 %로 서식처 물리환경에 있어서 상대적으로 유리한 것으로 나타났다. 이를 좀 더 확실히 규명하기 위하여 실험실이 아닌 실규모의 인공하천에서도 검증 실험하였으며 실 규모 검증 결과, 앞서 세굴실험과 서식처 모의를 결합한 결과와 동일한 결과를 확인할 수 있었다.
본 연구의 결과들은 향후 자연 형 어도나 소하천 정비에서 불가피하게 경사조절용 구조물을 설치할 경우 생태통로 및 서식처 개선효과가 있는 자연 형 낙차공을 우선적으로 고려한다면 하천 생태 환경개선과 하상안정이라는 목적을 동시에 만족 시킬수 있음 을 보여주고 있으며 향후 수제와 같이 하도 내에 설치되는 다양한 수공 구조물에도 적용이 가능할 것으로 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1. 연구의 필요성 및 목적 1
• 2. 연구내용 및 방법 3
• 3. 연구 대상 및 연구의 범위 5
• 가. 자연형 저낙차공 5
• 나. 서식처 평가를 위한 세굴실험 7
• 제2장 이론적 배경 및 연구동향 9
• 1. 자연형 낙차공의 형태 및 특징 9
• 가. 일반 낙차공의 형태 및 특징 9
• 나. 자연형 낙차공의 형태 및 특징 12
• 2. 낙차공 하류부 세굴현상 19
• 3. 물리 서식처 평가 23
• 가. 유량점증방법론(IFIM) 24
• 나. 물리 서식처 모의(Physical Habitat Simulation) 26
• 다. 서식처 적합도 지수 27
• 라. River2D 28
• 마. 구조물 주변 서식처 평가관련 연구동향 31
• 제3장 자연형 저낙차공 하류부 세굴영향 검토 35
• 1. 실험 개요 35
• 가. 실험 대상 35
• 나. 자연형 저낙차공의 형태 36
• 다. 실험장치 및 재료 37
• 라. 실험조건 및 내용 40
• 마. 실험조건의 타당성 검토 42
• 2. 낙차공 평면 형태에 따른 세굴실험 43
• 가. 실험결과 43
• 나. 세굴범위 49
• 다. 최대 세굴 깊이 50
• 라. 세굴 길이 51
• 마. 세굴길이와 세굴심의 비 52
• 3. 낙차공 횡단 경사에 따른 세굴실험 53
• 가. 실험결과 53
• 나. 세굴범위 60
• 다. 최대 세굴 깊이 63
• 라. 세굴 길이 64
• 마. 세굴길이와 세굴심의 비 66
• 4. 세굴 실험결과 분석 및 평가 68
• 가. 기존 제안식과의 비교 68
• 나. 낙차공 형태에 따른 세굴심의 변화 73
• 다. 낙차공 형태에 따른 세굴길이의 변화 83
• 제4장 자연형 저낙차공 하류부의 서식처 평가 91
• 1. 서식처 평가 개요 91
• 가. 모의 대상 및 조건 91
• 나. 대상 어종 및 적합도 지수 91
• 다. 모의 방법 92
• 2. 낙차공의 형태에 따른 물리 서식처 변화 93
• 가. 낙차공 평면형태에 따른 서식처 모의를 위한 입력조건 94
• 나. 낙차공 횡단경사에 따른 서식처 모의를 위한 입력조건 96
• 3. 서식처 모의 결과 99
• 가. 낙차공 평면형태에 따른 서식처 변화 100
• 나. 낙차공 횡단경사에 따른 서식처 변화 108
• 4. 서식처 적합도 분석 115
• 가. 평면형태 115
• 나. 횡단경사 119
• 제5장 실규모 검증 실험 및 물리서식처 평가 129
• 1. 실험개요 129
• 가. 실험목적 129
• 나. 실험장치 및 실험조건 129
• 2. 서식처 평가 모의 132
• 가. 모의대상 및 조건 132
• 나. 지형자료의 입력 133
• 3. 결과 비교 및 분석 135
• 제6장 결론 및 향후과제 145
• 참고 문헌 149
• 부록 159
• Abstract 203