청송 길안천 중류부의 퇴적물 입자 특성 연구

Characteristics of sediment particles in mid-Gilan River, Cheongsong

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  • ABSTRACT

    The changes in particle size and shape along the mid-Gilan river channel are investigated in this study. The samples collected from the 6 points along the longitudinal profile of Gilan river, Cheongsong gun, Gyengsangbuk do. The channel of the river is covered with gravels and the mean diameter of the particle decreased downstream. Despite the overall fining of particles, there is irregularity in the fining pattern at some point, due to the tributary input and human activities. A small scale knickpoint and narrowing channel width caused accelerated transport of coarse particle at some sampling point. Particles are coarsened due to tributary influx and influence of channel crossing structures. Overall fining coefficient of sediment particles in the Gilan river found as 0.02km-1 and its lower that those of other reported case of Korea and other countries. It could be the result of the influence of the lithology of particles.

    The sphericity and Corey shape index(CSI) of particles increase downstream and have negative relationship with mean particle diameter. The indices plotted on the tri-plot and the ratio of the ‘C(compact)’ shape particles are low and those of ‘CP’, ‘CB’, ‘CE’ particles are relatively high. The portion of the rounded particles increased downstream. It is suggested that the increase of the inter-particle and particle-channel bed interaction could be the cause of this change of the shape.

  • KEYWORD

    gravel bed river , particle diminish coefficient , sphericity , Corey shape index

  • I. 서 론

    하천은 유역의 물과 퇴적 물질을 유역 분지의 바깥으로 이동 시키는 경로의 역할을 수행하며 산지로부터 생산된 퇴적 물질과 유수를 유역 분지 밖으로 운반한다. 산지에서 기반암의 풍화와 침식으로 만들어진 쇄설 물질은 유수와 중력의 작용을 포함하는 여러 물질 이동 과정에 의하여 하천의 유로로 이동된다. 유로를 따라 이동되는 물과 퇴적 물질 사이의 상호 작용에 의해서 다양한 하천 지형이 만들어진다(Kim, 1999). 이러한 하천 지형들은 상당수가 하천의 에너지가 집중되는 하상에서 형성되며, 지형의 특징은 구성 물질에 의하여 지배된다(Kim, 2004). 구성 물질의 특징은 하도의 경사를 지배하며, 하천의 수리적인 특성을 결정하는 역할을 한다. 하천의 수리적인 특성은 하천의 하상과 유수와의 마찰과 같은 특징을 지배하며, 하천의 이동과정에서 입자의 특성 역시 변화를 경험하게 된다. 하상의 퇴적 물질은 이동되는 입자 간의 충돌, 하상을 구성하는 퇴적물 입자 또는 기반암과의 충돌 과정에서 입자의 크기와 형상에 변화가 발생한다. 입자의 크기는 감소하고, 주로 모서리 부분의 물질 제거를 통하여 입자의 둥글기 정도는 증가하는 경향이 나타난다. 또한 동일한 유량이 가해질 경우 유수가 지니는 운반 능력의 차이에 의하여 세립 입자는 장거리 운송되고 조립 입자는 단거리 운송되는 특징이 나타난다. 하상 퇴적물의 크기는 하천의 침식력과 관련된 전단응력(shear stress)이 퇴적물의 크기에 따라 결정되기 때문에 하상의 침식률을 조절하는데 중요하다. 또한, 하상에서의 퇴적물 입자에 의한 충격은 유수로부터 나오는 힘과 에너지가 교환되는 통로이기도 하며, 하상 하중은 부유 하중에 비해 하상과의 상호 작용을 빈번하게 일으킨다(Sklar and Dietrich, 2004).

    우리나라에서의 하상 퇴적물 연구는 주로 지형적 변수와 하상 퇴적물 입경과의 상관 관계(Kim, 1991; 1998; 1999; Kim, 1996; Sung, 1999; Yang, 2001; Lee, 2009), 하상 퇴적물의 형태적 특성과 관련해서는 주로 원마도 및 편평도에 관한 연구(Park, 1968; Oh and Oh, 1994)가 진행되었다. 일부에서는 하천 퇴적물의 입자 특성과 기반암 미지형과의 관계가 논의된 바 있다(Lee and Kim, 2014). 하상의 하천 지형학에서 하상퇴적물의 특성이 지니는 중요성에 비해 국내 연구는 많이 이루어지지 않았고, 특히 하상 퇴적물의 형태적 특성과 관련해서는 주로 원마도에 주목하여 마식 작용의 영향을 표현하고 있다. 그러나 우리나라 하천의 입자의 크기 감소 정도, 그와 관련된 변수들과의 관계에 대한 연구는 극히 미진한 상태이다.

    본 연구에서는 경상북도에 위치하는 길안천의 중상류부를 대상으로 하류 방향으로의 자갈 입자 크기 변화와 형상의 변화를 연구하고자 한다. 길안천을 연구대상으로 선정한 것은 길안천의 백석탄 구간을 중심으로 기반암 하상의 침식 지형이 나타나고 있어 퇴적물질과 하상과의 상호 작용이 활발하고 그 특징을 잘 반영할 수 있을 것으로 판단되기 때문이다. 이 연구를 통하여 길안천의 하상 입자 크기 변화 경향성을 파악하고 입자의 크기 변화에 영향을 미치는 요소들을 파악하고자 한다. 또한 하도를 따라 나타나는 형상 변화의 경향성을 분석하고자 한다.

    II. 연구 지역의 개관과 하계 특성

    길안천은 경상북도 북측에 위치하며, 유역 면적은 522.392km2, 유로 연장 72.0km에 달한다. 유역분지는 남측의 보현산(1124.4m)에서 분기되어 서북쪽으로 어봉산(634.2m), 산두봉(719.0m), 황학산(782.2m) 등이 미천 유역과 경계를 이루면서 북쪽으로 뻗고 있으며, 북서쪽으로 안봉산(847.0m), 구암산(807.0m), 거두산(591.3m), 약산(550.0m) 등이 용계천 유역과 경계를 이루고 있다. 이러한 지형적인 특성에 따라 길안천의 상류부는 곡지의 폭이 좁은 편이며, 중·하류부에는 다수의 지류와 합류하는 일부 구간에 평야가 약간 발달되어 있을 뿐 계곡의 폭은 전반적으로 좁은 것으로 알려져 있다(Gyengsangbuk-do, 1995; 1996). 이는 풍화·침식에 강한 퇴적암 지역에서 나타나는 특징으로, 퇴적암 지역에서는 하천의 침식 작용이 상대적으로 어려워서 하상은 침식기준면에 도달하기 위해 지속적으로 하방 침식이 진행되고, 측방 침식은 거의 이루어지지 않기 때문이다(Lee, 2009). 이러한 특성으로 인하여 길안천 유역이 융기했다는 주장도 제기되고 있다. 이러한 주장들의 배경이 되는 것 중에 하나는 청송군 안덕면 복리와 안동시 임하면 신덕리 구간의 길안천 좌안에 발달된 하안단구이다(Son, 1996). 또한, 길안천 상류 금곡리(미천부락)와 지소리 구간에는 길안천의 강한 하방 침식으로 인해 하상에는 곳곳에 소량의 퇴적물이 남아 있을 뿐 대부분에 걸쳐 기반암이 노출되어 있다. 이는 길안천 유역에 있었던 최근의 융기로 말미암아 하상이 가속적 침식을 받은 것에 기인한 것으로 생각할 수 있다(Chang et al., 1978).

    길안천 유역에는 다수의 암석이 출현하나 크게 퇴적암과 화성암 지역으로 나뉜다(Figure 1).

    중생대 백악기 하양층군에서 발원하는 길안천은 주로 퇴적암 지대를 지나며, 변성암 지대와 부분적으로 관입한 화성암 지대를 관통하여 흐른다. 주요 지류인 보현천 상류는 중생대 백악기 화산 활동의 영향으로 형성된 화산암 지대로 하천 양안에 주상절리가 나타나는 구간도 있다. 이로 인해 다양한 암석으로 구성된 퇴적 물질이 하천의 하류로 운반되며, 하천의 퇴적물은 대부분 자갈로 되어 있다.

    길안천의 하계망 패턴은 복잡한 유역 분지의 지질 분포의 영향을 받으며 본류는 지질 경계선과 단층선의 영향으로 직각상 하계망이 나타난다. 길안천의 유향은 크게 네 구간으로 나누어 생각해 볼 수 있다.

    첫 구간은 최상류로부터 약 15km까지의 상류 구간이다. 길안천은 보현산 북서사면의 갈천재를 최상류로하여, 약 3km 정도 북서향 하다가 약 15km구간까지 북향을 나타낸다. 1:50,000 지질도 ‘구산동’ 도폭을 살펴보면, 길안천 최상류 3km 구간은 가음 단층계의 단층선을 따라 유향이 결정된 것으로 보인다. 가음 단층은 서북서 방향의 주향이동단층으로, 백악기 말과 신생대 초에 동서 방향의 압축력에 의해 형성되었으며, 같은 시기에 남북 방향의 습곡축을 가지는 개방형 습곡으로 알려져 있다(Lee and Hwang, 1997; Ryu et al., 2006; Lee and Kang, 2009). 이러한 남북 방향의 습곡축은 유로가 남북 방향으로 전개되는데 영향을 주었다. 그리고 한반도의 지반운동과 관련하여, 연구 지역의 상류인 보현산 일대를 한반도의 융기축으로 설정되는 태백산백의 남쪽 경계에 해당하는 지역으로 논한 연구가 있는 만큼(Park, 2007; Cho and Lee, 2009) 길안천의 전반적인 유향을 결정하는데 중요한 요인으로 보인다.

    두 번째 구간은 상류로부터 약 15km~약 30km 구간이다. 춘산층을 가로질러 흐르던 길안천은 사곡층과의 지질 경계부에서 유로가 동쪽으로 급선회한다. 세 번째 구간은 최상류로부터 약 30km~약 45km구간이다. 1:50,000 지질도 ‘천지’ 도폭에 의하면, 이 구간은 길안천 유역 분지에서 지질 분포가 가장 복잡한 지역이다. 이 구간의 유향은 황학산 단층과 조밀한 지질분포와 관련이 있다. 황학산 단층은 백악기 초기에 동서 방향의 압축에 의한 서북서 방향의 좌수향 주향이동 단층이며(Cho and Lee, 2009), 이 단층선과 지질의 경계부 구간으로 길안천의 곡류 범위가 한정되어 있다. 그리고 이 구간이 길안천 유역에서 곡률도가 가장 크며, 하상에 기반암이 출현한다. 네 번째 구간은 발원지로부터 약 45km~반변천 합류점 구간이다. 이 구간은 황학산 단층과 길안 단층이 만나는 지점부터 시작하며, 길안 단층의 영향으로 유향은 북북서 방향을 나타낸다. 길안천 유역에서 하곡의 넓이가 가장 넓으며, 넓은 하곡 좌안의 하식애와 우안의 산각 말단면이 나타난다. 이러한 지형적 특징은 이 구간이 단층선 상의 침식에 약한 부분을 따라 하천이 발달했으며, 측방침식에 의해 유로가 변동했다는 것을 보여준다.

    한편 길안천의 종단 곡선(Figure 2)은 암석 차에 의한 경사의 변화를 보여 준다. 종단 곡선에 의하면, 최상류로부터 약 10km 부근(해발 고도 340m), 약 20km 부근(해발 고도 280m~260m)을 제외하면, 두드러지지는 않지만 전반적으로 오목형(concave)곡선에 가까운 모습이다.

    길안천 본류의 종단 곡선(Figure 2)에서 경사가 급해지는 두 지점은 지질 경계부에 위치하고 있는데, 해발 고도 340m 부근은 중성암맥과 춘산층의 접촉변성대와의 경계에 위치하고 있다. 해발 고도 280m~260m 구간은 춘산층과 사곡층의 지질 경계를 이루고 있으며, 길안천의 지류 중 가장 규모가 큰 보현천이 합류하는 지점이다. 상류로부터 25~45km 구간(해발 고도 250m~190m)은 볼록형(convex)곡선의 형태를 보인다. 일반적으로 볼록형 종단 곡선은 기반암이 하천 침식에 강한 경암이거나 지반의 융기율이 하천의 하각 침식률을 능가하는 곳에서 나타나는 것으로 알려져 있다(Kim, 1991). 길안천의 경우 해발 고도 250m~190m 구간은 곡률도가 크게 나타나는 구간이다. 이 구간은 지반 융기축으로 추정되는 태백산맥의 서사면에 근접하여 있으며, 이로 인하여 백석탄 하류 7km 지점(신성리 활이골)과 상류 1km 지점(고와리진골)에 곡류 절단으로 인한 구하도가 나타나는 것을 볼 수 있다. 또한, 이 구간은 구계동층, 일직층, 석영반암, 청송화강암, 화강암질편마암, 흑운모호상편마암 등 길안천 유역에서 지질이 가장 복잡하게 구성되어 있다. 이들에 의한 영향 역시 하상 종단 곡선의 특징에 영향을 준 것으로 볼 수 있다(Sung, 1996). 앞서 논한 바와 같이 전체적으로 길안천은 오목형 곡선 출현 빈도가 낮은데 이로 인하여 전체적으로 하도 경사는 완만한 것으로 나타난다. 하천의 유향이 변하면서 에너지의 손실이 발생하고(Leopold and Wolman, 1960), 부가적인 에너지 손실은 곡률도가 큰 지역에 집중된다. 곡류 하도에서는 에너지의 손실이 더욱 균등하게 분포하도록 하는 경향이 나타나는데, 곡류의 영향은 곡률도를 증가시킴으로써 하도의 길이를 늘여 경사를 감소시키는 것이기 때문에(Langbein and Leopold, 1966), 이러한 현상은 큰 곡률도에서 기인하는 것으로 보인다. 그리고 이 구간은 하식애와 포인트 바가 교대로 나타나는 생육 곡류의 성격이 더 잘 나타나는데, 이러한 하천 유로의 변경은 측방 침식력이 하방 침식력 보다 클 때 발생하는 것으로, 이미 하방 침식이 많이 진행된 상태에서 하상의 침식이 안정화 되어 가고 있다고 볼 수 있다.

    III. 퇴적물 특성 조사

    본 연구에서는 상류에서 하류 방향으로의 퇴적물 특성 변화를 파악하기 위하여 백석탄을 중심으로 6곳을 선정하여, 퇴적물의 표본을 채취하고, 입경을 측정하였다. 퇴적물 표본 채취는 Wolman(1954)의 임의 수집 방법으로 실시하였다. 표본 개수는 통계 처리의 유의성을 고려하여 각 조사 지점에서 200개씩 채취하였다(Lee and Kim, 2014). 측정의 편의를 위해 Krumbein and Sloss(1963)의 구분에 따라 평균 입경 10mm 이상의 퇴적물을 대상으로 하였으며, Wentworth Grade Scale(Wentworth, 1922)을 기준으로 하여 주로 16mm 이상의 조립 퇴적물을 조사하였다. 표본의 입경은 장·중·단경을 현장에서 측정하였다. 본 연구에서는 하상 퇴적 물질의 대부분을 이루는 자갈 입자의 특성 파악을 중심으로 하였기 때문에 세립 입자에 대한 별도의 분석은 실시하지 않았다. 세립 입자들의 경우 일부 존재하기는 하나 비중의 측면에서는 크지 않은 것으로 나타났다.

    하천의 종단 곡선을 따른 입경 감소 계수 및 구형도 변화와 같은 퇴적물의 특성을 파악하기 위해, 백석탄을 중심으로 하여 상류 2곳, 하류 3곳 등 6곳의 표본 조사 지점을 선정하였다(Figure 3). 제1 조사 지점(A)은 백석탄 상류 2.8km으로 청송 양수 발전소 상부댐 부근에서 발원하는 지류와의 합류 후 250m 하류지점이다. 하상에는 기반암이 부분적으로 노출되어 있으며, 얇은 하천 퇴적물 피복이 나타난다. 채취 지점 전면의 공격 사면에 애추가 발달되어 있다. 시료들은 포인트 바(point bar) 부분에서 채취하였다. 제2조사 지점(B)은 백석탄 상류 1km 지점으로 덕둔보의 바로 하류 부분이다. 유량을 통제하는 보의 영향으로 해당 구간의 유량이 적고, 백석탄과 동일한 암질의 기반암이 노출되어 있다. 하상에는 소규모의 마식 지형이 나타나며, 노출된 기반암 사이에 형성된 포인트바 부분에서 입자 크기 등을 조사하였다. 제3 조사 지점(C)은 백석탄 부분으로 이 지점에 대해서 포인트바와 포트홀 내에 포획된 퇴적물들이 조사되었으며, 해당 결과는 보고된 바 있다(Lee and Kim, 2014). 제4 조사 지점(D)은 백석탄 하류 500m 지점으로 하상과 하도 인근에 기반암이 부분적으로 노출되어 있으며, 얇은 하천 퇴적물 피복이 나타난다. 하도의 좌안에 형성된 포인트 바에서 시료를 채취하였다. 제5 조사지점(E)은 백석탄에서 하류로 1.3km지점으로 다른 조사 지점에 비해 하곡의 폭이 넓은 구간이다. 35° 정도의 경사를 보이는 지층 중 상대적으로 경암 부분이 하도를 가로질러 경사를 유지하며 노출되어 있고, 포인트 바에서 시료를 채취하였다. 제6 조사 지점(F)은 백석탄에서 하류로 3.3km 지점이며 한절골에서 흘러 내려오는 지류와의 합류부에서 20m 상류 부분이다. 이 부분은 퇴적암인 일직층과 흑운모호상 편마암의 지질 경계부이며, 포인트 바에서 시료를 채취했다.

    조사 지점에 따라 대표되는 입경 값을 산출하였고, Folk and Ward(1957)가 제시한 공식에 따라 분급도, 첨도, 왜도를 계산하였다. A~F 구간에서 나타나는 퇴적물의 입경 변화를 지수 함수 형태로 표현하는 입경 감소 계수를 산출하여 알아보았다. 각 조사 지점별로 실측한 퇴적물의 입경은 ANOVA(분산분석)와 t-test를 통해 각 모집단(A~F) 간의 동질성 검증을 실시하였다. 검증 결과 각 모집단 간의 퇴적물 특성차이를 통계적으로 입증한 이후, 분석을 실시하였다.

    IV. 퇴적물의 입경 변화

    하상 퇴적물 조사에서는 퇴적물의 입경, 원마도 등 퇴적물 자체의 특성에 관한 것과 운반 이동되는 퇴적물의 총량에 관한 것이 구분되는데, 양자 모두 하천 지형 체계를 구성하는 주요 변수들이므로 이들에 관한 조사는 하천 지형 연구에서 매우 중요하다. 그러나 대상 하천의 특성과 조사 여건에 따라 조사의 중점은 다소 다를 수 있다. 자갈 하상에 관한 연구에서는 흔히 입경을 중심으로 한 퇴적물 특성 조사가 핵심적인 경우가 많다(Kim, 1998).

    A~F 구간의 퇴적물 입경을 통해 이 구간의 하상물질의 입자가 조립이라는 것을 알 수 있다(Table 1). 퇴적물의 입경은 하류로 갈수록 감소하는 경향을 보이지만, C와 D지점 사이에 입경의 변화가 크게 나타난다. B와 E지점은 다른 지점보다 통계적으로 동질성이 크게 나타나는 지점으로 D50은 70.00mm로 같지만, Mean과 D84를 통해서 B지점의 퇴적물이 E지점의 퇴적물보다 조립질로 구성되어 있다.

    우선, 연구 지역 퇴적물 특성 분석을 위해 퇴적물조사 지점이 통계적으로 유의한 차이가 있는지 검정하기 위해 A~F지점의 측정 결과들을 대상으로 ANOVA를 시행하였다. 분석 결과 F값은 91.684, 유의 확률은 0.000으로 나왔으며, 유의수준 0.05%에서 A~F 지점이 서로 다른 특성을 지닌 집단임이 통계적으로 입증되었다. 또한, 두 집단 간의 차이를 t-test를 통해 확인하였다.

    Table 2의 t-test결과를 살펴보면, 유의 수준 0.05%에서 대부분 두 집단의 통계적 차이가 입증되었다. 유의 확률 0.006의 A-B, 0.243의 B-E 경우에서 유의수준을 초과하였지만, A-B는 유의 수준에 가깝다. 또한, B-E는 평균은 비슷하지만, 표준 편차는 다른 집단에 비해서 차이가 큰 편이다.

    퇴적물의 입경과 관련하여 A~F 구간의 입경 감소 계수를 살펴보면, 연구 지역의 퇴적물은 하류 방향으로 가면서 입경(D50)의 감소 경향이 낮은 것으로 나타났다. 통상적으로 자갈 하상 하천에서 하류 방향으로의 입경 변화는 지수 함수의 형태로 감소한다(Krumbein, 1937; Moussavi-Harami et al., 2004). 연구 지역에서는 Dx = 70.795 exp(-0.00002x)의 지수 함수의 형태로 나타나고, 설명률은 매우 낮아 그 의미를 찾기는 어렵다(R2 = 0.037). 입경 감소 계수를 km 단위로 변환하면, 0.02km-1이다. 전반적으로 입경 감소 계수는 다른 연구 결과들에 비하여 낮은 편이다.

    각 지점의 입경을 지형적 특성과 관련지어 살펴보면, A지점은 산지에서 발원한 3차수 하천과 합류하는 지점의 250m 하류에 위치한다. 맞은 편 하식애에 애추가 발달되어 있는데, 애추의 일부는 식생으로 피복되어 있지만, 대부분 노출되어 있다. 애추의 말단부는 유로와 거의 맞닿아 있으며, 유로에는 이동 된 사면 물질이 놓여 있기도 한다. 이러한 지형적 특성으로 인해 A지점에는 조립질 퇴적물이 대부분이다. B지점은 보의 전면에 위치하고 있다. 평수 시 보는 조립질 퇴적물을 상류 방향에 퇴적시키고, 수문을 통해서만 물을 방류하기 때문에 유로와 유량을 제한하는 역할을 한다. 하지만, 홍수 시에는 유량이 증가하여 조립질 퇴적물이 보를 넘어 하류로의 이동이 가능하며, 기존 평수 시 유로의 측면에 포인트 바를 형성하게 된다. 조사 지점 B는 홍수 시 형성되고 안정화된 포인트 바 부분인 관계로 조립질 퇴적물이 주로 분포한다. C지점은 1km 상류의 B지점 보다 입경이 20mm 감소하는 지점이다. C지점은 하상의 기반암이 노출되어 소규모의 경사 변환점이 나타나고, 유로의 제약이 생겨 하폭이 급격하게 좁아지는 지역으로, 이런 지형적 특성으로 인해 홍수 시 소류력(tractive force)이 커져 하상 퇴적물들의 이동이 원활해지기 때문이다. 따라서 경사 변환점의 전면에는 C지점에 인접한 조사 지점에 비해 퇴적물의 입경이 가장 작게 나타난다. 반면에, 500m 밖에 떨어져 있지 않은 D지점은 C지점에 비해 입경이 30mm 증가하는 지점이다. 즉, 일반적으로 지류 또는 인접 사면으로부터의 물질 공급이 이뤄지지 않는 상태에서 상류에서 하류로 가면서 입경은 감소하는데, 다른 요인에 의해 입경이 커질 수 있다. 본 연구지역에서 A~C구간, D~F구간 사이에는 입경의 감소가 연속적으로 나타나기 때문에 C와 D지점 사이의 구간에 불규칙한 입경 변화를 일으키는 요인이 있다고 볼 수 있다. 입경의 변화가 불연속적이라면, 각 조사 지점 사이에 자연적 혹은 인위적 요인에 의해 영향을 받았다는 것을 의미한다. 자연적 요인으로는 지류의 합류, 기반암 노두나 단구 퇴적물, 제방의 붕괴, 기존의 하도 내부에 있었던 물질과 같은 유로 측면부로의 조립 퇴적물 유입이 있으며, 인위적 요인으로는 댐이나 보와 같이 유로를 횡단하는 구조물 등이 있다(Rice and Church, 1998; Surian, 2002; Constantine et al., 2003). D지점과 같은 경우 조사지점의 맞은 편 하안으로 2차수 하천이 유입되며, 하도를 횡단하는 잠수교의 영향을 받았을 것으로 판단된다. 유입되는 지류의 경우, 본류로 합류하는 위치가 조사지점과 맞닿아 있고, 평소에는 유량이 극히 적어 D지점까지 지류의 영향이 도달하지 못하지만, 홍수 시에는 D지점까지 퇴적물 운반이 가능하다. 하도를 횡단하는 잠수교의 경우, 평수 시에는 잠수가 중앙의 개방된 공간으로 하천이 흐르지만, 높이가 1.5~2m 정도에 불과해 홍수 시에는 쉽게 침수된다. 포인트 바와 잠수교가 접하는 지점은 원형의 수로가 있으며, 수위가 높아질 때만 물이 통과하게 된다. 포인트 바의 상부와 잠수교의 높이가 거의 일치하기 때문에, 홍수 이후 유량이 감소할 때에는 잠수교의 측면부가 보와 같은 역할을 하여 조립질 퇴적물이 쌓인 것으로 판단된다. 또한, D지점은 C지점의 경사 변환점과 관련하여, 홍수 시 유수가 경사 변환점을 통과하면 가속 현상이 발생하는데, 유로 중앙부에서는 하상에 퇴적물이 쌓이지 않고, 그대로 통과하게 된다(Tinkler, 1993). 홍수 이후 유량과 유속이 감소할 때에는 퇴적이 일어나게 되고, D지점은 하상에 퇴적물이 쌓이는 적평형 구간(Aggradational zone)에 위치하게 된다. 따라서 이러한 자연적인 요인과 하도를 횡단하는 인공 구조물의 영향으로 D지점 퇴적물의 입경이 증가하는 것으로 판단된다. E와 F지점은 연속적인 입경 감소가 나타나는 포인트 바에 위치한다. E지점은 다른 지점에 비해 하곡의 폭이 넓지만, D와 E지점 사이에 지류의 유입이나, 횡단 구조물과 같은 외부 요인이 없다. E지점과 F지점 사이에는 지형도 상에 1차수 하천의 유입이 나타나지만, 유역 면적이 상당히 좁으며, 평소에는 물이 흐르지 않는 골짜기로 퇴적물 유입이 극히 미미할 것으로 보인다. 이러한 이유로 인해 E와 F지점에서는 연속적인 퇴적물의 입경 감소가 유지되는 것으로 판단된다.

    한편 퇴적물의 입경 감소가 일어나는 원인으로 분급(sorting)과 마식(abrasion)이 대표적이며, 더불어 역의 풍화 정도도 입경 감소에 영향을 준다. 연구 지역과 같은 퇴적암 자갈의 경우 풍화 작용이 미약하며, 기반 하상 하천에서는 퇴적물의 대부분이 단시간 동안 이동되는 특성이 있으므로(Kim, 2004), 이동 과정에서의 풍화의 진전이 느릴 것으로 판단되기 때문에 퇴적물의 선택적 이동(selective transport)에 의한 수리적 분급(hydraulic sorting)과 이동 과정에서의 마식의 영향이 크다고 볼 수 있다.

    V. 퇴적물의 형상 비교

    본 연구에서 입자의 형상은 구형도와 코리 형상 지수를 이용하여 분석되었다(Table 3). 구형도 지수와 코리 형상 지수는 각각 Sneed and Folk(1958)Illenberger(1991)의 공식을 통해 나타내었다. 구형도 지수와 코리 형상 지수는 1의 값에 가까울수록 구의형태를 나타낸다고 볼 수 있다.

    그 차이는 크지 않지만 본 연구 지역에서 구형도는 상류에서 하류로 가면서 전반적으로 감소하는 유형이 나타나고 있다. 그러나 입경의 변화 동향과는 다르게 C구간에서 구형도 등의 값이 감소하는 유형이 나타나며 D구간부터 다시 증가하는 경향을 보여준다. C구간에서는 입경이 급감하면서(Table 3), 동시에 구형도와 코리 형상 계수가 같이 감소하고 있는데 이는 입자들 간, 입자와 하상 구성 물질 간의 강한 상호 작용의 결과로 판단된다. 입자들 간의 충돌에의하여 나타나는 깨짐 현상(Figure 6) 등의 영향으로 보인다. 동일한 구간 내에 위치한 포트홀 내의 퇴적 물질의 구형도 특징을 분석한 이전 연구(Lee and Kim, 2014)에 의하면 연구 지역의 포트홀 내의 입자들은 입경이 15mm 내외로 포인트 바의 퇴적물에 비하여 세립이며 구형도 등 역시 0.61~0.65로 높은 것으로 나타나고 있다. 이는 보다 활발한 상호 작용에 의한 것으로 해석된 바 있으며, 상류에서 하류 방향으로의 형상 변화 역시 동일한 결과로 보인다.

    각 지점별 퇴적물의 형상 특성은 Tri-plot 기법을 활용하여 비교하였다(Figure 5). Tri-plot에는 개별 퇴적물의 장경, 중경, 단경의 관계가 하나의 점으로 표시되어 있는데, 점들의 분포 및 군집 정도를 통해 퇴적물의 형상적 특성과 관련하여 조사 지점 간 비교가 용이하다(Graham and Midgley, 2000). 기존의 Tri-plot을 이용한 연구(Benn and Ballantyne, 1994; Kim, 2004)에서는 10가지로 구분되는 Sneed and Folk(1958)가 분류해 놓은 퇴적물 입자의 형태 분류에 따르지 않고, C40 line 만을 다이어그램의 기준선으로 표시해 놓고 퇴적물의 특성을 분석하였다. C40 line은 다이어그램의 c:a 값이 0.4인 지점을 수평의 선으로 연결해 놓은 선으로, 빙하 퇴적물의 특성을 비교하는 데 유용하게 이용된다(Graham and Midgley, 2000).

    Kim(2004)의 연구에서 포인트 바와 포트홀 간의 퇴적물 특성 비교를 C40 line을 기준으로 나타내기도 하였지만, 본 연구 지역에 얻은 퇴적물 측정값을 Triplot으로 나타낸 후, C40 line을 기준으로 표현했을 경우, 조사 된 개체 수의 차이에 따라 군집성이 다르게 나타나며, 또한, 각 조사 지점 간의 차이가 명확하게 드러나지 않는 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 조사 지점 간 퇴적물의 형태적 특성 비교에 용이하도록 Figure 5와 같은 형태의 Tri-plot을 설정하였다. 각 지점 입자들의 분포는 Table 4에 나타냈다. Table 4에서 ‘C’는 compact, ‘P’는 platy, ‘B’는 bladed, ‘E’는 elongate, ‘V’는 very를 의미한다.

    각 지점의 퇴적물 특성을 Sneed and Folk의 형태 분류에 따라 살펴보면(Table 4), 우선 구형에 가장 가까운 ‘C’(compact)에 해당하는 퇴적물의 개수는 상당히 적다. 개체 수는 적지만 전체적으로 하류로 갈수록 증가하는 경향이 나타난다. 조사 지점 E와 F의 포인트 바에서의 비율이 더 높고, 포트홀 등 하상 미지형이 잘 발달해 있는 백석탄에서 조사 지점 E, F까지의 하상에 연속적으로 기반암이 노출되어 있거나, 기반암 하상으로 이루어져 있기 때문에 하천의 기반암 하상과 퇴적물과의 직접적인 마찰 혹은 퇴적물의 도약 운동(saltation)과 관련하여, 이동 거리가 길수록 퇴적물의 구형도 정도가 증가하는 것으로 볼 수 있다.

    ‘C’와 관련지어 ‘CP’, ‘CB’, ‘CE’까지 영역을 넓히면, 각 시료들에서 차지하는 비율이 전반적으로 낮은 것으로 나타나며, 입경이 감소할수록 구형도와 CSI가 커지는 경향을 보인다. 대조적으로 ‘VP’, ‘VB’, ‘VE’에 속하는 입자의 비율은 하류로 갈수록 낮아지는 경향을 보인다. 따라서 연구 지역에서 조사한 퇴적물 만을 놓고 봤을 때에는 사면에서의 직접 유입되는 물질이 적고, 퇴적물이 운반되는 하도의 길이가 증가함에 따라 상·하류의 상대적인 위치에 의해 입자 형태에 영향을 받는 것으로 볼 수 있다.

    각 조사 지점의 Tri-plot을 살펴보면, 군집되어 있는 형태가 우상향(右上向)의 방향성을 보인다. 시료들은 각 지점 모두 c/a가 0.5 초과인 구역(C, CP, CB, CE)에서는 platy보다 elongate의 비율이 크게 나타나는 경향이 있고, c/a가 0.3 이하인 구역(VP, VB, VE)에서는 platy가 크게 나타난다. 특히, 야외 조사 시 가늘고 긴 형태이지만, 그 근원은 구형도가 큰 원력에서 기원한 퇴적물들이 많이 분포하는 것을 볼 수 있다(Figure 5). 즉, 구형도가 큰 원력이 도약 운동(saltation)과 구르기(rolling) 하는 과정에서 쪼개지는 현상(splitting)이 발생한다고 볼 수 있다. 이러한 이유로 c/a가 0.5 초과인 구역(C, CP, CB, CE)에서는 platy보다 elongate의 비율이 큰 경향을 보이게 된다.

    VI. 토 론

    길안천 중상류부의 6개 지점에 대한 입경 변화를 조사한 결과, 길안천 중상류부의 입경 감소 계수는 0.02km-1로 나타났다. 이를 선행 연구들과 대비하면, 이러한 입경 감소는 상당히 느린 것으로 볼 수 있다. 남한강의 산지 소하천을 대상으로 입경 감소 계수를 산출한 선행 연구(Sung,1999)에 의하면 선캄브리아기 변성암 지역에서는 0.034km-1, 옥천계 변성암 지역에서는 0.057km-1, 조선계 석회암 지역에서는 0.048km-1, 대보화강암 지역에서는 0.039km-1의 입경 감소 계수가 나타는 것으로 알려져 있다. 또한 외국의 사례에 비해서도 낮은 입경 감소 수준이다. 일본의 자갈 하상 하천 Watarase River의 0.089km-1(Kodama, 1994), 알프스 산지 하천 Piave River의 0.027km-1(Surian, 2002), 미국 서부Consumnes River 0.072km-1(Constantine et al., 2003), 기반암 하상 하천인 River Etive의 0.2km-1(Kim, 2004), 자갈 하상 하천인 Mayan River 0.09km-1, Dehbar River 0.13km-1, Jaghargh River 0.11km-1(Moussavi-Harami et al., 2004), 뉴질랜드의 Ashburton River 0.0117km-1, Rangitata River 0.034km-1(Browne, 2004)와 같은 해외의 연구 결과와 비교할 경우에도 상대적으로 낮은 편에 속한다고 볼 수 있다. 길안천의 낮은 입경 감소 비율은 암석의 강도 특성과 퇴적물 운반 특성과 관련된 것으로 보인다. 하상이나 하천의 측방을 구성하는 암석에 비하여 상류부로부터 공급되는 퇴적 물질의 강도가 높은 경우 하상 특히 기반암 부분의 저하는 빠르게 일어날 수 있으나 퇴적 물질의 입경 감소는 느리게 일어나는 것으로 볼 수 있다. 단, 인위적인 변수의 개입은 이러한 입도의 특성 변화에 영향을 주는 요인으로 고려될 수 있을 것으로 보인다.

    하천 퇴적층의 평균 입경은 지류의 유입 등에 의해서 하류 방향으로 증가하는 경향성이 나타나기도 하며, 입경의 감소 정도 역시 국지적인 퇴적 환경과 퇴적물 공급원의 특성의 영향을 상당히 받는 것으로 나타났다. 일부구간에서는 입자의 크기가 증가되는 것으로 나타나고 있으며 이는 해당지역의 국지적인 환경의 영향과 지류의 유입 결과로 판단된다. 즉, 전반적인 감소 경향에 대한 논의와 더불어 국지적인 환경에 대한 논의가 함께 이뤄져야 할 것으로 보인다.

    퇴적물의 입자 형상은 상류에서 하류로 가면서 전반적으로 구형도가 증가하며 이는 퇴적물 입자간의 상호 작용, 퇴적물과 하상의 충돌 등과 관련이 깊은 것으로 보인다. 이전에 보고된 백석탄 지역의 포트홀 내에 포획된 퇴적물의 입자 특성과의 비교는 이러한 특징들을 이해하는 단초를 제공할 것으로 보인다.

    앞서 지적한 바와 같이 포트홀 내의 입자의 크기는 연구 지역 내의 A~F 시료들에 비하여 매우 작은 것으로 나타나고 있으며(Table 5), 분급이 양호한 것으로 나타나고 있다. 이는 포트홀을 통과하는 유수의 수문적인 특성과 관련이 깊은 것으로 추정되었다. 그리고 구형도와 코리 형상 계수 역시 가장 하류부에 속하는 F지점을 제외한 다른 부분에 비하여 높은 것으로 나타나고 있다(Table 3).

    입자의 형상으로 본다면 포트홀 부분의 경우 다른 부분에 비하여 구형에 가까운 입자의 비율이 높은 것으로 드러났다. 백석탄의 포트홀 부분에서 얻은 시료 2개(27번, 29번; Lee and Kim, 2014)에 대한 분석 결과에 의하면 구형에 가까운 ‘C’유형에 속하는 입자의 비율은 각각 3.38과 4.27%로 조사 지점 중 E, F를 제외한 다른 지점의 시료들에 비하여 높은 것으로 나타나고 있다. 구형에 근사한 것으로 볼 수 있는 ‘CP’, ‘CB’, ‘CE’는 각각 30.4%와 19.9%에 달한다. 이에 비하여 A~F의 경우 10~18.5%로 상당히 높다고 볼 수 있다. 특히 하류로 가면서 구형도가 높은 입자의 비율이 상당히 증가 하는 것으로 볼 수 있다. 이에 비하여 구형도가 상당히 낮은 ‘VP’,‘VB’,‘VE’의 경우 포트홀에서 상당히 낮은 비율(18.24, 19.51%)을 지니고 있다. 연구 구간 내에서는 상류에서 하류로 가면서 각진 입자의 비율이 감소하는 특성이 나타난다. 포트홀에서 역시 다른 부분들과 마찬가지로 c/a가 0.5 초과인 구역(C, CP, CB, CE)에서는 platy보다 elongate의 비율이 크게 나타나는 경향이 있다. 포트홀에 포획된 시료들은 c/a가 0.3 이하인 구역(VP, VB, VE)에서 platy와 elongate가 비슷하게 나타난다. 입자의 형상은 입자와 입자간, 입자와 하상과의 상호 작용의 빈도 또는 강도와 상당한 관계가 있는 것으로 보인다.

    VII. 결 론

    경상북도 청송군에 위치하는 길안천의 중 상류 부분의 하도에 형성된 포인트 바 부분에서 하천 퇴적물 시료를 채취하여 하천 퇴적물의 입경 변화와 형상 변화를 파악하였다. 길안천의 중상류부 퇴적물들은 자갈이 중심인 것으로 나타났으며 하류 방향으로 가면서 전반적으로 퇴적물의 입경은 감소하는 경향을 보였다. 조사 지점 A~F 가운데 C와 D지점 사이의 구간에 불규칙한 입경 변화가 나타난다. D지점은 지류의 유입과 하도를 횡단하는 인공 구조물의 영향으로 인해 퇴적물의 입경이 급격하게 증가하는 것으로 보인다. 입경 감소율은 0.02km-1로 국내의 다른 선행 연구나 다른 나라의 연구 결과들에 비하여 낮은 편이다. 각 구간 간의 입자 크기는 통계 분석 결과 서로 다른 성격을 지니는 집단으로 나타났다.

    입자의 형상적 특성을 파악하기 위하여 구형도와 코리 형상 계수를 입자의 장경, 중경, 단경을 이용하여 계산하였다. 상류에서 하류 방향으로 가면서 구형도와 코리 형상 계수가 증가하는 것으로 나타났다. 다만, 입자의 크기가 증가하는 구간에 있어서는 구형도 등이 감소하는 경향이 나타났다. 이러한 입자의 구형도 증가는 Tri-plot을 이용한 분석에서도 나타났다. 전반적으로 중상류 구간인 관계로 구형에 가까운 ‘C’ 유형의 비율은 낮은 것으로 나타났으며, ‘CP’, ‘CB’, ‘CE’의 비율은 상대적으로 큰 것으로 나타났다. 특히 상류에서 하류 방향으로 가면서 이들의 비율은 점차 증가하는 것으로 나타났다. 포인트 바에서 수집된 퇴적물 입자들의 특성을 이전 연구에서 보고된 포트홀 내에 포획된 입자들의 특성과 비교를 실시하였으며, 포트홀의 입경이 작은 것으로 파악되었다. 입자의 형상에 있어서 포트홀 내의 입자들이 구형도와 코리 형상 계수가 큰 것으로 나타났다. 상류에서 하류 방향으로의 입경 변화와 형상 변화와 포트홀 내부와 다른 시료들과의 특성 차이의 유사성은 입경과 형상의 변화에 영향을 미치는 변수들을 추론할 수 있도록 한다.

    본 연구에서는 퇴적물의 시계열적인 변화를 반영하지 못하는 한계가 있다. 하상의 퇴적물은 특히 강우가 집중되는 시기를 지나면 수위, 유속 등의 증가로 교환이 활발해지기 때문에 조사 시점에 따라, 입경 및 형상 특성이 다르게 나올 수도 있다. 따라서 더욱 객관화된 자료를 얻기 위해 지속적인 모니터링으로 조사 결과를 누적한다면, 더 유의미한 결과가 나올 것으로 추정된다. 또한, 퇴적물의 입경 감소 계수는 조사 지역의 지질 특성과도 밀접한 관련이 있기 때문에, 다양한 지질 조건을 반영하는 연구가 필요한 것으로 판단된다.

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  • [Figure 1.] The geological map(solid rock) of the drainage basin of the Gilan River.
    The geological map(solid rock) of the drainage basin of the Gilan River.
  • [Figure 2.] The longitudinal profiles of main channel of Gilan River(Gyengsangbuk-do, 1995; 1996).
    The longitudinal profiles of main channel of Gilan River(Gyengsangbuk-do, 1995; 1996).
  • [Figure 3.] The sampling location
    The sampling location
  • [Figure 4.] The sampling sites A~F
    The sampling sites A~F
  • [Table 1.] The grain size characteristics of sampled sites
    The grain size characteristics of sampled sites
  • [Table 2.] The result of t-test(Sig.= 0.05%, number of samples for each sites= 200)
    The result of t-test(Sig.= 0.05%, number of samples for each sites= 200)
  • [Table 3.] Morphological characteristics of the particles.
    Morphological characteristics of the particles.
  • [Figure 5.] The Tri-Plot of sediment particles of each sites.
    The Tri-Plot of sediment particles of each sites.
  • [Figure 6.] The splitting of particles observed during the field survey.
    The splitting of particles observed during the field survey.
  • [Table 4.] Classification of particles by the morphology(after Sneed and Folk, 1958)
    Classification of particles by the morphology(after Sneed and Folk, 1958)
  • [Table 5.] The characteristics of particles inside pothole at Baeksuktan(Lee and Kim, 2014)
    The characteristics of particles inside pothole at Baeksuktan(Lee and Kim, 2014)