하천류의 동력학, 하천류의 요인들, 하천의 유량공식 및 하류 방향의 변화에 대하여

-하천류의 동력학

미국의 연평균 강수량은 미국의 지표면을 76㎝ 두께의 물로 덮을 수 있는 양이다. 이중 45㎝ 두께의 물은 증발과 발산에 의해 대기로 되돌아가고 (그림1.25), 1㎝의 물은 땅속으로 스며들며, 나머지 30㎝ 두께의 물은 지표면 위를 흐르는 유수(runoff)를 형성한다. 심한 비가 내릴 때 야외에 있으면 물이 얇고 넓게 퍼져 낮은 쪽으로 흘러가는 형상을 관찰할 수 있는데 이런 작용을 지표류(overland flow)라고 한다. 또한 지표류가 짧은 거리를 흐른 후에 명확히 구분된 수로로 모여들어 하천류(streamflow)로 변화하는 것도 관찰할수 있다. 유수는 지표류와 하천류가 합쳐 흐르는 현상이다.

 

-하천류의 요인들

하천의 행동을 제어하는 몇 가지 요소에는 (1) 킬로미터 당 미터(m/㎞)로 표시되는 구배, (2) 평방 미터(㎡)로 표시되는 하도의 단면적 (폭×평균깊이), (3) 초당 미터(m/s)로 표시되는 수로의 평균 유속, (4) 초당 입방 미터(㎥/s)로 표시되는 유량, 그리고 (5) 입방 미터 당 킬로그램(㎏/㎥)으로 표시되는 짐이 있다. 하천의 짐의 대부분을 차지하는 퇴적물과는 달리 용존 물질은 하천의 gd동에 영향을 미치지 않는다. 중력이 암석과 토양에 영향을 미치듯이 물에도 작용을하므로 하천의 구배는 하천의 행동을 제어하는 요인이다. 폭포로 떨어지거나 일련의 가파른 급류로 흘러 드는 하천은 평평한 지역으로 흘러 드는 하천과 다르게 행동한다.

 

-하천의 유량공식

유량, 유속, 그리고 하도의 형태간의 관계는 아래 공식으로 표현할 수 있다.

Q = A × V

유량 하도의 단면적 평균유속  (㎥/s) (폭×평균수심)(㎡) (m/s)

이 공식은 유량이 변화하면 평형을 유지하기 위해 공식 오른쪽의 변수들이 변화한다고 말해준다. 예를 들어, 유량이 증가하여 하도가 증가된 유량을 수용하려면 유속이나 하도의 단면적이 증가해야만 한다. 반대로, 유량이 감소하면 하도의 크기나 유속이 감소하게 된다. 하천 요소가 극적으로 변화하는 예는 홍수가 나타날 때 볼수있다. 1956년에 애리조나주 리즈 훼리(Lees Ferry)지역의 콜로라도 강에서 유량이 증가하였다가 다시 감소함에 따라 하도 크기가 큰 변화를 겪었다(그림10.4). 홍수 이전에 하도의 평균 깊이는 2m였고 폭은 100m 였다. 늦은 봄에 유량이 증가하자 하도내의 수위가 상승하였고 하상은 깎여나가 유량이 최고조에 달했을 때 하도의 깊이는 7m, 폭은 125m 나 되었다. 하도의 크기가 증가하고 유속도 함께 증가한 탓에 하도는 긍가한 유량을 수용하고 늘어난 짐을 운반할 수 있었다. 유량이 감소하자 하천은 많은 퇴적물을 운반할 수 없어 초과된 짐을 하도에 퇴적시켰고 하상은 다시 상승하였다. 동시에, 유량의 감소로 수위가 떨어지자 하도의 단면적은 홍수 이전의 크기고 되돌아 왔다. 이상의 예에서 볼 수 있듯이 하천과 하도는 밀접히 연관된더 있다. 하도는 유량의 변화에 매우 민감하게 반응하여 하천-하도계는 하천의 모든 지점에서 항상 균형된 상태를 유지한다.

그림 10.4 콜로라도 강의 변화 애리조나 리즈훼리 지역의 콜로라도 강에서 1956년 동안 일어난 단면적의 변화. 2월부터에서 6월까지 유량이 증가함에 따라 하상은 깎이고 깊어졌으며 수위는 제방보다 더 높아졌다. 유량이 감소하는 기간 중에는 강의 수위가 낮아졌으며 퇴적물이 하도에 퇴적되어 수심이 감소한다.

 

-하류 방향의 변화

하천의 근원지에서부터 하구까지 여행을 하게 되면 하도를 따라 다음과 같은 질서 정연한 변화를 관찰할 수 있다.:(1)유량이 증가한다; (2)하도의 단면적이 증가한다; (3)유속이 약간 증가한다; (4)구배가 감소한다(그림10.5). 유속이 하류로 가며 증가한다는 사실은 가파른 산사면을 따라 물이 격렬하게 흐르고 경사가 완만한 저지대에서 물이 평온하게 흐른다는 일반적인 관찰과 모순되는 것처럼 보인다. 하지만 하천의 겉 모습은 유속의 참된 지시자가 아니다. 대부분의 시간 동안, 상류 지역의 유량은 작고 유수의 수심도 작다. 하상은 깊은 물보다 얕은 물의 흐름에 더 많은 저항을 가하여, 얕은 산지 하천은 구배가 큼에도 불구하고 유속은 낮은 편이다. 하류로 갈수록 지류(tributary;더 큰 하천으로 합쳐지는 하천)와 지하수에 의해 더 많은 물이 유입되므로 유량은 하류로 가며 증가한다. 더 많은 양의 물을 수용하기 위해 유속은 하도의 단면적과 함께 증가한다.

그림 10.5 하류방향의 변화 하천의 하류방향을 따라 일어나는 변화들. 지류들이 합쳐서 주하천을 이룸에 따라 유량이 증가한다. 하도의 폭과 깊이는 단면도 A, B, C에 나타나 있다. 그래프들은 강폭과 수심, 유속, 그리고 하도의 구배와 유량과의 관계를 단면도가 그려진 세 지점에서 보여주고 있다.

 

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