Preliminary Research of the Sedimentary Environment in Bupyeng Reservoir Region, Soyang Lake in Chuncheon - Focus on Sentinel-2 Satellite Images and in-situ data -

춘천시 소양호 상류 부평지구의 퇴적환경에 대한 선행연구 - 현장조사와 위성영상자료를 중심으로 -

Abstract

Soyang Lake has been contributing to economic growth by preventing flood damage in the metropolitan area, the water level in the middle to upper flow of lake has been greatly decreased due to the drought in 2015. In order to restore the existing flow rate, Bupyungbo has been built in Bupyeong-ri, Shin Nam-myeon, Inje-gun to cause artificial changes on the sedimentary environment of Bupyeong freshwater region. Therefore, this study intends to confirm the changes of sedimentary environment since Bupyeongbo has been utilized. For this study, we used the Sentinel-2 satellite image data periodically to measure the dimension of water according to the volume of water kept near Bupyung district and analyzed the particle size and the percentage of water content of the sediments through field study. The Sentnel-2 satellite images showed us how the water surface has been changed and that during the period from September 2017 to October 2018, the minimum and maximum area of water surface was observed in June 2018 and in January 2018, respectively. In addition, we find that the smaller being the particle size, the higher having the water content and that there is higher the correlation between the water content and the grain size of the sediment layer. Hereafter, if we will acquire the drone images at Bupyung district, we expect that we will be able to measure the distribution of sediments in the same area according to different time periods and observe various kinds of sediment through field work.

수도권의 수해 피해를 막고 경제 성장에 기여해온 소양호는 2015년 가뭄 등으로 중상류의 수위가 크게 감소했다. 기존의 유량을 회복하기 위하여 인제군 신남면 부평리에 설치된 부평보는 부평지구 담수 지역의 퇴적환경에 인공적인 변화를 야기했다. 이에 본 연구에서는 부평보 건설 이후의 퇴적환경의 변화를 확인해보고자 하였다. 이 연구를 위하여 Sentinel-2 위성 영상 자료를 활용하여 부평지구 인근의 저수량에 따른 물의 면적을 시기별로 관측하였으며 현장 조사를 통하여 퇴적물의 입도와 함수율을 분석하였다. Sentnel-2 위성 영상을 이용하여 2017년 9월부터 2018년 10월까지 수계면적 변화는 2018년 6월에 촬영된 영상의 수계면적이 최소면적을 나타냈으며, 반대로 2018년 1월에 촬영된 영상이 최대 면적으로 측정되었다. 또한 함수율과 입도 분석결과, 입자 크기가 작을수록 높은 함수율로 측정된 결과로 미루어 보아 퇴적층의 입자사이즈와 수분 함량의 상관관계가 높음을 확인할 수 있었다. 향후 부평지구 담수 지역의 드론에 의한 촬영을 진행한다면 다른 두 시기에 따른 동일 지역의 퇴적물의 분포 변화를 측정할 수 있으며, 현장 조사를 통하여 다양한 퇴적물의 종류도 관측할 수 있을 것으로 판단된다.

1. 서론

1973년 소양강 댐의 축조에 의해 형성된 소양호는 우리나라 최대 규모의 인공호수이다. 소양호는 수력 발전, 용수 공급 등에 활용되며 500만 m³의 홍수 조절 능력을 가지고 있어 수도권의 수해 피해를 막고 경제 성장에 기여해왔다(Jun, 2009). 하지만, 2015년 가뭄 등으로 인해 소양호에는 큰 수위변화와 같은 환경 변화가 나타났다(Park et al., 2015; Kim and Park, 2015). 따라서 소양호의 장기적인 계절별 수위변화를 관측하고 토양의 퇴적환경변화에 대한 연구의 필요성은 대두되어왔다(Rhee and Cho, 2016).

이에 소양호의 물을 효과적으로 관리하고 가뭄 피해를 대비하기 위해 많은 연구가 이루어졌다. Park et al.(2003)은 Landsat ETM+ 영상을 활용한 지형변수를 이용하여 가뭄심도를 구하는 모델을 구현하였으며 Shin et al.(2015)은 2010년부터 2015년 동안 Terra MODIS 위성영상에서 구한 식생정보를 이용하여 소양강댐 유역의 가뭄정도에 대해 연구하였다. 또한 Lee et al.(2017)는 Landsat 위성영상을 이용하여 소양호의 수계면적 변화를 탐구하였다. 그러나 소양호 지역에서 위성 영상 및 현장조사 자료를 활용하여 가뭄에 따른 퇴적 환경 변화 관측 연구는 미비한 실정이다.

특히, 소양호 중상류 지역인 부평지구의 경우 가뭄에 따른 수위 변화를 조절하기 위하여 2016년 인제군 신남면 부평리에 부평보를 설치하였다. 부평보에 의해 강수량에 따라 큰 저수량 차이를 보이던 부평지구에는 수위와 유속의 인공적인 변화가 일어났다. 이에 따라 새로 운반된 퇴적물들은 부평보 건설 이전의 퇴적 경향성을 띄지 않을 것으로 판단되었다. 따라서 이 연구에서는 부평보 건설 이후의 퇴적환경 연구 필요성을 인식하여 부평지구 담수 지역의 퇴적환경 모니터링을 진행하였다.

이 연구에서는 소양강 상류 지역인 부평 지구의 퇴적환경 변화를 감시하기 위하여 현장조사를 통하여 입도 및 함수율을 조사하였으며, 현장조사와 동일한 시기에 드론 촬영으로 지형 고도 자료를 획득하였다. 한편, 최근에 촬영된 Sentinel-2 위성 영상을 수집하여 감독 분류기법으로 연구 지역의 수계 면적 변화를 산출하였다. 이와 같은 연구는 향후 소양호 중상류의 인공 수중보인 부평보로 인한 하성 퇴적물의 변화 분포와 이에 따른 환경 영향 변화를 시계열로 분석하는데 중요한 시발점이 될 것으로 사료된다.

2. 연구 지역

소양호는 강원도 춘천시·양구군·인제군에 걸쳐 있는 남한 최대 규모의 호수이다. 37° 52′ 00″N~38° 02′ 00″N, 127° 45′ 00″E~128° 00′ 00″E의 넓은 지역에 걸쳐 존재하며 유역면적 2,703 km^2, 총 저수량은 29억t이다. 소양강댐을 지난 물은 소양강을 거쳐 북한강과 한강으로 이어지는 수도권의 핵심적인 수자원으로서의 역할을 하고 있다(Chong and Jung, 2006). 소양호의 상류 지역은 소양강댐의 방류와 용수이용 등에 의해 소양호의 저수량이 변화할 경우 뚜렷한 수위변화가 나타나는 지역이다. 따라서 수위 변화 없이 지속적인 유지를 위해 2016년에 부평보가 설치되었다. 부평보는 높이 12 ｍ, 길이 220 ｍ 규모로 부평지구 담수 지역의 만수량인 280만 t을 저장할 수 있으며, 수면적이 70만 m2에 달한다(Fig. 1). 따라서 이 연구에서는 부평보가 건설된 소양호의 중상류 유역인 강원도 인제군 남면 부평지구 부근을 연구지역으로 설정하였다(Fig. 1(b)).

Fig. 1. Bupyeong Reservoir Region and study area; (a) Soyang lake area, (b) inside lake of Bupyeong Reservoir area (NGII).

Fig. 2는 2008년, 2012년, 2017년에 획득된 영상으로 부평보가 건설되기 이전(Fig. 2(a), (b))과 이후(Fig. 2(c))의 항공사진이다. Fig. 2(a)는 2008년 영상으로 연구지역 전체가 수위가 낮아져 드러난 상태이다. 반면에 2012년 영상을 보면 유량의 증가로 인하여 연구지역 전체가 물로 채워진 모습을 나타내고 있다(Fig. 2(b)). Fig. 2(c)는 부평보 건설 후인 2017년 영상이다. Fig. 2의 항공사진에서 확인한 것과 같이, 부평보 건설 이전에는 소양호의 유량의 증감에 따라 부평리 인근 지역은 수량의 조절이 안되는 반면에 부평보 설치 이후에는 소양호의 유량에 관계없이 부평리 일대에 수량이 유지됨을 보여주고 있다.

Fig. 2. The past sky views of Bupyeong Reservoir Region: (a) before installing Bupyungbo and make it into the ground (Daum map, 2008), (b) before installing Bupyungbo and make it into the water (Daum map, 2012), and (c) after installing Bupyungbo and coordination of water and ground (NGII, 2017).

3. 연구 방법

1) 입도 분석 및 함수율 분석

입도 및 함수율 분석을 위하여 2018년 8월 22일 소양강 중상류 지역인 부평지구 우각천 지역에서 현장조사를 실시하여 총 3곳에서 퇴적물을 채취하였다. 퇴적물 채취 지점은 보 건설 후에는 평소에는 지표가 침수 되어 있지만 가뭄 발생시에는 지표가 노출이 되는 지역으로 2018년 가뭄으로 인하여 지표가 노출된 시기에 현장조사를 실시하였다. 적물 채취 지점 01과 01의 위치는 인접해 있으며, 지점 02는 01 지점에서 직선거리로 약 200 m 정도 떨어져 있다(Fig. 3).

Fig. 3. Sampling points on drone image in Bupyeong area.

퇴적물은 육안 분석을 통하여 3개의 층으로 분류하여 각 층에서 채취하였다. 01 지점의 경우 지표로부터 수직 거리로 약 20 cm 깊이의 upper 층, 약 30 cm 깊이의 middle 층, 40 cm의 bottom 층에서 시료를 채취하였고(Fig. 4(a)), 01에서는 약 3 cm 깊이의 upper 층, 약 20 cm 깊이의 middle 층, 약 40 cm 깊이의 bottom 층에서 채취하였다(Fig. 4(b)). 02 지점에서는 약 20 cm 깊이의 upper 층과 약 30 cm 깊이의 bottom 층에서 시료를 채취하였다(Fig. 4(c)). 이후 실험실로 퇴적물을 옮겨 입도 및 함수율 분석을 실시하였다.

Fig. 4. Sediment sampling layer in Bupyenong Reservoir Region at Aug. 22, 2018: (a) point 01, (b) point 01 and (c) point 02.

입도 분석은 시료를 건조 시킨 후 4 mm, 2 mm, 1 mm, 0.5 mm, 0.25 mm, 0.125 mm인 체를 활용하여 입자 크기별로 분류하였으며 각 입자 크기별 무게를 측정하였다. Table 1은 Udden-Wentworth 에 의하여 각 크기별 입자 구성 성분을 나타낸 것으로 입자 크기가 4~8 Φ는 펄, 0~3 Φ는 모래, -1~-12 Φ는 자갈로 분류한다.

Table 1. Udden-Wentworth scale (1898)

함수율은 채취한 시료의 수분을 포함한 습윤 중량(Fig. 5(a), (b))과 건조용 오븐을 사용하여 수분을 제거한 후의 건조 중량을 측정하여 산출하였다. 즉 두 가지 중량의 차이를 통해 수분의 중량을 구하였고 전체 시료의 중량과의 비율인 함수율을 도출하였다(Lee et al., 2018).

Fig. 5. Process of analysis of moisture content; (a) 8 samples of each sediment (b) expanded sediment.

2) 드론 영상 및 수치표면모델 생성

연구지역의 수치표면모델(Digital Surface Model, DSM)을 획득하기 위하여 현장조사와 동일한 시기에 드론을 활용하여 영상 및 지형고도 자료를 획득하였다. 드론은 DJI Phantom 4 pro 장비를 활용하였으며, 속도는 70km/h, 고도는 60 m, 겹침률은 60%로 설정하여 약 1000여장의 영상을 획득하였다. 획득된 영상에서 무작위로 택된 1백만여개의 픽셀을 기준으로 정렬한 뒤, 전체영상의 모자이크 합성을 시도하였다. 합성과정에서 수계영역과 같이 오차가 발생하는 부분은 내삽법을 이용하여 보간 하였다. 또한 촬영 시 드론으로부터 획득된 고도 자료로부터 추출된 표고 값을 이용하여 연구지역의 수치표면모델 자료를 생성하였다. 특히 연구지역에서 물이 존재하는 지역의 경우 수치표면모델 값을 산출할 수 없기 때문에 제거하였다.

3) Sentinel-2 위성 영상

부평보의 건설 이후 약 1년 동안의 수계 면적을 산출하기 위하여 유럽 ESA에서 제공되는 2017년 9월 20일부터 2018년 10월 25일에 획득된 Sentinel-2 위성 영상 자료를 통하여 영상 분류를 실시하였다. 획득된 영상 중에서 운량이 많고, 기상 상태가 양호하지 않거나 눈이 덮여 수계면적을 파악하기 어려운 영상은 제외하고 총 11개 영상을 획득하였다(Table 2). 획득된 영상은 4, 3, 2(Red, Green, Blue) 밴드를 활용하여 감독분류(supervised classification)를 이용하여 총 6가지의 지역(water,mountain,town, cloud, shadow, ice)으로 분류를 하였다. 부평보의 건설 이후 수계 면적의 변화를 분석하기 위하여 분류된 영상의 수계면적 중 부평보 안쪽 영역에 대한 수계면적을 산출하였다.

Table 2. List of sentinel-2 images acquired on Bupyeong area

4. 연구결과

1) 입도 분석 결과

총 3개의 지점에서 층별 시료를 채취하여 입도를 분석하였다. Table 3은 입도 분석 결과이다. 01 지점의 upper층은 육안상 주로 진흙으로 이루어져 있었으며 2 ø 크기의 입자와 3 ø 이상의 입자들이 주를 이루고 있다. 반면에 middle 층은 주로 -1 ø 이하의 입자 보다는 주로 1 ø의 입자로 이루어져 있으며 1 ø 이상의 입자도 나타난다. Bottom 층은 0 ø 이하의 굵은 입자들은 거의 없으며 1 ø 이상의 입자가 나타나기 시작하여 주로 3 ø 이상의 입자가 주를 이루고 있었다(Fig. 6(a)). 즉 UddenWentworth scale에 따라 upper층과 bottom층은 medium sand 이상의 작은 입자들로 구성되어 있으며, middle 층은 작은 자갈 크기의 입자로 구성되어 있다. 01 지점의 upper층은 1과 2 ø 크기의 입자로 구성되어 있으며 middle층과 bottom층은 입자 구성 경향이 비슷하며 주로 3 ø 이상의 입자로 구성되어 있다. 즉 upper층은 coarse에서 medium 크기의 모래 입자가 주를 이루며 middle층과 bottom층은 주로 fine sand에서 silt 및 clay 입자로 이루어져 있으며 중간에 coare sand 성분이 나타난다(Fig. 6(b)). 02 지점은 upper 층은 3 ø 이상의 작은 입자인 clay 와 silt가 주를 이루고 있으며 bottom 층은 0 ø 이하 입자인 자갈로 구성되어 있다(Fig. 6(c)).

Table 3. Result of grain size analyses. Results show the weight of sedient in each layer

Fig. 6. Graphs show the weight of sediment in each layer ((a) 01, (b) 01 and (c) 02)

2) 함수율 분석 결과

세 지점의 각 층에서 함수율 분석 결과는 Table 4와 같다. Medium sand와 fine sand로 이루어진 01 지점의 upper층과 bottom층의 함수율은 각각 46.30, 37.09%이며, 작은 자갈 크기의 입자를 가지는 middle층의 함수율은 25.14% 이다(Fig. 7(a)). coarse sand로 이루어진 지점 01의 upper층의 함수율은 24.12% 이며, 주로 fine sand 와 silt 입자로 구성되어 있는 middle과 bottom 층의 함수율은 각각 36.95, 32.06%를 가진다(Fig. 7(b)). Clay 와 silt로 주로 이루어진 02 지점 upper 층 함수율은 44.3 %이며, 자갈로 구성되어 있는 bottom 층의 함수율은 11.61%이다(Fig. 7(c)). 즉, 층의 깊이와 상관없이 입자 크기가 작은 층에서는 많은 함수율을 나타내며 입자의 크기가 큰 층에서는 함수율이 낮은 것을 알 수 있다. 이러한 이유는 입자 크기가 작은 층은 수분의 배수가 잘 이루어 지지 않아 다량의 수분을 가지고 있지만 입자 크기가 큰 층에서 배수가 잘 이루어져 함수량이 낮기 때문이다. Cheong and Jung(2006)의 연구에 의하면 소양호의 저층 퇴적작용에서 점토의 함량이 높은 층의 함수율이 증가하는 것을 확인하였으며 이 연구의 결과와 유사한 것을 확인하였다.

Table 4. Moisture content of each sample

Fig. 7. Moisture content in each layer ((a) 01, (b) 01 and (c) 02)

3) 지형고도 분석 결과

Fig. 8은 2018년 8월 22일에 획득된 드론 영상들을 합성하여 도출한 수치 표면 모델이다. 전체적으로 연구지역의 지형 고도는 110 m 에서 237 m 사이다. 퇴적물의 표본을 샘플링한 대표적인 두 지점(Fig. 8의 Site 01 과 02)의 지형고도는 각각 181, 180 m 으로 두 지점 간의 고도 차이는 약 1 m 이다. 드론으로부터 획득된 지형고도와 현장조사를 통하여 획득된 입도 및 함수율과의 상성을 분석한 결과, 퇴적물 채취 지점의 지형고도가 매우 비슷하기 때문에 이에 따른 입도와 함수율의 상관성은 나타나지 않았다. 반면에 입자 사이즈가 작은 지점이 입자 사이즈가 큰 지점에 비하여 영상의 픽셀 값이 크게 나타나는 것을 알 수 있었다(Fig. 9).

Fig. 8. DSM of study area.

Fig. 9. Graph shows the relationship between grain size, moisture contents and pixel value in surface layer.

4) Sentinel-2 영상 분류 결과

Fig. 10(a)-(k)은 부평지구의 Sentinel-2 위성 영상의 시기별 감독 분류 결과이다. 이를 활용하여 2017년 9월부터 2018년 10월까지 약 1년 동안 부평보 안쪽의 수계면적을 산출하였다(Fig. 11). 1년간 면적 변화를 살펴보면 2017년 9월부터 2018년 3월까지 수계 면적이 비슷하게 나타나며 이후 4월에 급격히 면적이 감소하였으며, 5월에 면적이 증가하였다. 그러나 이후 2018년 6월과 8월에 수계의 면적이 다시 급격히 줄어든 것을 확인할 수 있다. 특히 2018년 6월 22일에는 부평보 안쪽 수계면적이 전혀 나타나지 않았다. 이후 다시 수계 면적은 증가하여 2018년 10월 25일에 면적이 0.86 km²로 가장 넓다. 최근 10년동안 우리나라의 봄, 여름, 가을, 겨울의 강수량은 각각 268.4 mm, 781.2 mm, 255.8 mm, 106.5 mm로 여름철 강수량이 연 강수량의 55.3%로(Lee et al., 2011) 가장 많기 때문에 여름에 수계 면적이 넓을 것이라 예측하였지만 2018년 6월 22일 영상에서 수계 면적이 거의 나타나지 않은 것으로 보아 여름 시기에 가뭄 현상으로 수계 면적이 줄어든 것으로 여겨진다. 반면에 가을, 겨울에는 상대적으로 가뭄 시기가 아니기 때문에 수계 면적이 여름에 비하여 넓은 것으로 사료된다.

Fig. 10. Supervised classification image of study area.

Fig. 11. Dimension of water area in Bupyeong region from September 2017 to October 2018.

5. 결론 및 토의

이 연구에서는 소양호의 중상류 유역인 강원도 인제군 남면 부평지구 담수 지역 부근 지역의 퇴적환경에 대한 연구를 진행하였다. 이를 위하여 2018년 8월 22일에 현장조사를 통하여 입도 분석 및 함수율 분석을 실시하였으며, 현장조사와 함께 드론을 활용하여 지형표고 자료를 생성하였다. 또한 2017년 9월부터 2018년 10월간 11장의 sentinel-2 영상을 획득하여 영상 분류를 실시하여 수계 면적을 출하여 면적 변화를 관측하였다. 연구지역 중 3 지점을 선택하여 퇴적층의 입도 및 함수율을 분석한 결과, 입자의 크기가 고운 층에서는 함수율이 높게 나타났으며, 입자의 크기가 굵은 층에서 함수율이 낮게 나타난 것을 알 수 있다. 드론 촬영을 활용한 연구 지역의 지형 표고 추출에 의하면 퇴적층의 표본을 채취한 두 지점 사이의 고도차는 1 m 정도로 평탄한 분포를 보였으며, 이 지역은 주변부에 비해 상대적으로 낮은 고도를 나냄으로 부평보의 수문 개방 시 쉽게 침수되는 형태를 보인다. 드론 영상 픽셀 값과 현장 조사와의 상관성을 비교한 결과, 입자 사이즈가 작은 지점이 영상 픽셀 값이 입자 사이즈가 큰 지점에 비하여 상대적으로 큰 것을 알 수 있었다. 하지만 연구 지역의 경우 지형고도 및 입자 사이즈 크기 변화가 크지 않고, 현장 조사 자료가 많지 않기 때문에 향후 더 많은 자료를 획득하여 상관성 분석 연구가 필요하다.

또한 sentinel-2 영상으로부터 1년간 수계 면적 변화를 분석한 결과 2018년 6월에 면적이 가장 적었으며 2018년 10월에 면적이 가장 크게 나타났다. 평균 강수량이 여름에 많은 반면에 수계이 면적은 가장 적게 나타났다. 이러한 이유는 여름 기간에 가뭄이 나타났기 때문에 수계 면적이 줄어든 것으로 판단된다. 뿐만 아니라 4월부터 6월까지는 농활기 기간에 접어들면서 농업용수 사용이 영향을 미쳤을 것으로 생각된다. 반면에 겨울 기간에는 연구지역의 지역 축제를 위하여 인위적으로 부평보의 수문을 조절하여 저수량을 확보하는 것으로 사료된다. 종합적으로 판단해 보면 부평보의 활용을 통하여 수계면적의 변화 양상은 이 지역 주민의 농사활동과 겨울 이벤트(빙어축제) 활용 목적과 부합하는 것으로 판단된다. 그러나 부평보의 인공적인 수위조절은 이전에 없었던 연구지역의 퇴적환경을 바뀌었을 것으로 판단된다. 특히, 입자의 크기가 머드나 실트에서 샌드나 자갈로 급격하게 바뀌는 퇴적환경은 인위적인 수위조절로 인한 영향으로 판단된다. 향후 시기에 따른 퇴적층의 퇴적 분포와 퇴적 성분의 차이 등 다양한 퇴적 환경에 대한 연구가 지속적으로 수반된다면 부평보의 설치에 따른 연구지역의 퇴적환경의 변화에 대한 평가를 정량적으로 실행될 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 이러한 연구는 추후 보 건설에 의한 퇴적환경 및 퇴적물변화를 예측하는데 기초자료로 이용될 수 있을 것이다.