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유사 (수리학)

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목차

1. 개요

유사(流砂)는 하천, 바람, 빙하, 해안 및 언덕 사면 등 다양한 환경에서 퇴적물이 이동하는 현상을 통칭하는 수리학 용어이다. 하천에서는 물의 흐름에 의해, 바람에서는 풍성 작용에 의해, 빙하에서는 빙하의 움직임에 의해, 해안에서는 파도와 해류에 의해, 언덕 사면에서는 토양 포행, 산사태 등 다양한 과정에 의해 퇴적물이 이동한다. 이러한 유사 이동은 해안 지형 형성, 하천 생태계, 댐의 수명 등 다양한 분야에 영향을 미치며, 공학적 설계 및 환경 관리에도 중요한 고려 사항으로 작용한다.

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유사 (수리학)

2. 하천 퇴적물 이동

하천의 유수 작용에 의해 토사가 운반되는 현상을 하천 퇴적물 이동이라고 한다. 유속이 빠를수록 운반 작용이 활발하며, 상류에서 하류로 갈수록 유속이 감소하여 운반 작용이 약해지고 퇴적 작용이 일어나 선상지나 삼각주 등이 형성된다.

운반 작용과 퇴적 작용은 밀접하게 관련되어 있으며, 하구에서 바다로 이어지는 곳에서는 유속이 약해지면서 자갈, 모래, 진흙 순서로 퇴적물이 쌓인다. 이는 가벼운 물질일수록 더 멀리 이동하기 때문이다.

하천 바닥의 퇴적물은 유속이 느리면 움직이지 않지만, 점차 빨라지면 이동하는데, 이를 '''에트레인먼트'''라고 한다. 퇴적물이 움직이기 시작하는 조건을 '''퇴적물의 초동(시동) 조건'''이라고 하며, 이는 주동력이나 유속 등에 따라 달라진다. 특정 조건에서 초동 조건을 만족하는 입자만 이동하는 현상을 '''선택적 운반 작용'''이라고 한다.

유사는 이송 방식에 따라 부유사, 소류사, 용류로 구분된다.


  • 부유사는 실트나 점토처럼 작은 입자들이 물에 떠서 이동하는 것이다.
  • 소류사는 큰 입자들이 강 바닥에서 구르거나 미끄러지며 이동하거나, 간헐적으로 도약하며 이동하는 것이다.
  • 용류는 암석의 용해 물질이 물에 녹아 이동하는 것이다.


라우즈 수(Rouse number)는 퇴적물이 하천 바닥에서 어떤 방식으로 이동하는지를 나타내는 지표이다. 라우즈 수에 따른 하천 퇴적물의 이동 방식은 다음 표와 같다.

수송 방식Rouse number영어
운동 시작> 7.5
하상 하중> 2.5, < 7.5
부유 하중: 50% 부유> 1.2, < 2.5
부유 하중: 100% 부유> 0.8, < 1.2
세사 하중< 0.8



침강 속도는 입자가 유체 내에서 가라앉는 속도를 의미하며, 입자의 크기, 밀도, 유체의 점성 등에 영향을 받는다.

2. 1. 유사량

유사량(Q_s)은 유사 농도 (C)와 유량 (Q)의 곱으로 나타낸다.

:Q_s = C \cdot Q

유사량의 차원은 단위 시간 당 질량([MT-1])이다. 농도는 [ML-3], 유량은 [L3T-1]의 차원을 갖는다.

2. 2. 유사량 계산 방법

유사량 계산은 현장에서 직접 측정하는 방법과 이론식을 이용하는 방법으로 나뉜다. 현장 측정은 이론식보다 신뢰성이 높지만, 시간과 비용이 많이 든다. 반면 이론식은 현장 측정에 비해 정확도가 상대적으로 낮다.[1] 현장 측정 방법 중 하나로 '왕복 수심적분 부유사 채취법'이 있다.

2. 2. 1. 왕복 수심적분 부유사 채취법

왕복 수심적분 부유사 채취법은 현장에서 부유사 채취기를 하천에 연직으로 넣어 강 바닥에서 0.2m 위 깊이까지 왕복하는 동안 부유사를 채취하는 방법이다.[1] 현장 측정 전에는 측정 장소의 하천수심, 지형, 기상예보, 가용 인원 등을 파악하고 계획을 세운다.[1] 수위가 상승, 첨두, 하강할 때 유사 채취를 할 수 있도록 해야 하며, 한 측정 장소에서 15회 이상 채취할 수 있어야 한다.[1] 수심이 1m는 되어야 원활한 유사 채취가 가능하다.[1] 측선 수 결정에는 간편법, 등간격법, 등유량법 중 하나를 사용한다.[1]

교량에 인도부가 충분하여 차량통제가 필요 없는 경우에는 권양기 조작 1명, 시료통 교체 및 온도 측정 1명, 야장 작성 1명, 보조 1명으로 총 3~4명이 필요하다.[1] 차량통제가 필요할 경우 직접 유사량 채취에 참여하는 3명, 신호수 2명으로 총 5명이 필요하다.[1]

현장 측정을 위해 교량 위에 권양기 1기, 유사 채취기 1기, 측선 수만큼의 유사 시료통, 야장, 온도계, 초시계, 유성 매직을 준비한다.[1] 유사 채취기는 물고기처럼 유선형으로 생겼고 청동 등의 금속 재질이며, 28kg 정도의 무게를 가지고 있어 와이어줄에 매달아 권양기를 이용해 하강 또는 상승시킨다.[1] 기종에 따라 재질과 무게가 다르며 사용 가능한 최대 유속이 다르다.[1]

유사 시료통에는 미리 교량 이름, 채취 날짜, 측정 회차, 측선 번호를 적는다.[1] 측선 번호는 하천 하류를 바라본 상태에서 좌안부터 1번으로 한다.[1] 같은 유량이 되도록 하천 단면에 5~7개 이상의 측선을 설정하며, 긴급 시에는 3개 측선만 사용할 수 있다.[1] 측선 번호를 적을 때는 같은 장소에서 시간을 달리하여 여러 번 측정하므로 "(측정 회차) - (측선 번호)"와 같이 두 개의 숫자를 적는다.[1] 예를 들어 영주시 미림교에서 2020년 7월 27일 09시에 5개 측선을 두어 측정하는 경우 아래 그림과 같이 기록한다.[1]

유사 시료통에 측정 위치, 날짜 등을 적는다.


교량에 인도 부분이 없어 차도를 차지한 상태에서 해야 하는 경우, 지나가는 차량으로부터 안전하게 작업하기 위하여 충분한 수의 라바콘과 휴대용 무전기 2개, 경광봉 2개, 작업 안내 표지 2개, 신호수 2명을 배치해야 한다.[1] 일반적으로 홍수기에 작업하기 때문에 우의와 장화 등도 준비한다.[1] 하천 하류를 바라본 상태에서 권양기를 조립하고 와이어 줄에 유사 채취기를 매단다.[1] 유사 채취기의 머리쪽을 열어 빈 유사 시료통을 넣고 다시 닫는다.[1]

야장에 작업 시작 시간과 수위를 적고, 유사 채취기가 하천을 향하도록 권양기를 돌리고 이동 바퀴를 고정시킨다.[1] 와이어 줄을 풀어 유사 채취기 꼬리가 하천수에 잠기는 순간 초시계로 초를 재기 시작한다.[1] 하천 유속의 0.1~0.4배에 해당하는 일정한 속도로 줄을 계속 풀어 채취기가 하상보다 0.2m 상단에 도착하는 순간 수심을 읽고, 도로 와이어를 감아 채취기를 상승시킨다.[1] 유사 채취기가 수면 위로 올라오면 초시계를 멈추고 시간과 수심을 야장에 기입한다.[1] 채취기를 완전히 교량까지 올린 다음, 채취기 내의 시료통을 뺀다.[1] 이때 시료가 밖으로 새지 않도록 채취기를 살짝 경사지게 잡아야 한다.[1] 시료통에 시료는 60~80%가 담겨 있어야 하며, 그렇지 않다면 통을 비우고 다시 반복해야 한다.[1] 시료통에 담긴 시료의 온도를 재고 야장에 기입, 다음 시료통을 넣고 권양기를 다음 측선으로 이동하여 과정을 반복한다.[1]

해당 회차에 모든 측선에서 시료를 채취했다면 작업 종료 시각과 수위를 야장에 적고 장비를 정리하여 철수한다.[1] 시료는 실험실로 보낸다.[1]

2. 3. 초동 조건 (에트레인먼트)

하천 바닥의 퇴적물은 유속이 충분히 작으면 움직이지 않지만, 흐름이 점차 빨라지면 이동하게 된다. 이 현상을 '''에트레인먼트'''라고 부르며, 퇴적물이 움직이기 시작하는 조건을 "'''퇴적물의 초동'''('''시동''')'''조건'''"이라고 한다. 퇴적물을 밀어내려는 힘은 흐름에 의한 전단력이지만, 특히 단위 면적당 전단력을 '''주동력'''이라고 한다. 주동력은 수심(경심)과 하상 경사에 비례한다. 퇴적물의 초동 조건은 이 주동력이나 유속 등에 주목한 많은 관계가 제시되어 있으며, 흐름의 조건과 퇴적물 입자의 입경・밀도에 의존한다. 임의의 조건 하에서, 초동 조건을 만족하는 입자만이 에트레인먼트되는 현상을 '''선택적 운반 작용'''이라고 부른다. 자갈질 하천에서는, 세립 입자가 선택적 운반 작용을 받아 자갈만 하상 표면을 덮는 '''아머 현상'''(아머링)이 나타난다. 건조지에서 자갈 사막이 형성되는 과정도 마찬가지로 선택적 운반 작용이다.

2. 4. 운반 방식

유사는 이송 방식에 따라 크게 부유사, 소류사, 용류로 구분된다.

400픽셀

  • 부유사는 실트나 점토와 같은 세립 물질이 물에 떠서 몇 시간 정도 이동하는 유사이다. 부유는 난류에 의해 유지되며, 난류가 강할수록 큰 입자가 운반된다.
  • 소류사는 비교적 입경이 큰 입자가 강 바닥 부근에서 굴러가거나 미끄러지며 이동(활동)하거나, 하상에서 단속적으로 떨어져 이동(도약)하는 방식이다.
  • 용류는 암석의 용해 물질을 운반하는 방식이다. 용해 물질의 대부분은 지하수에서 공급되며, 하중의 양은 유역의 지질(화학적 풍화)을 반영한다. 이들은 일반적으로 농도로 표시되며, 전기 전도도의 측정으로 대략 파악할 수 있다.


운반 작용은 물의 흐름이 빠른 곳에서 더 쉽게 일어나고, 또한 크게 작용한다. 따라서 물의 흐름이 빠른 상류역에서 더 작용하기 쉽다. 그 때문에 중류역이나 하류역 등 물의 흐름이 비교적 느려짐에 따라, 운반 작용도 약해진다. 운반 작용이 약해짐으로써, 물 속에 포함되어 있던 토사가 퇴적되어 선상지나 삼각주 등이 생성된다.

하구에서 바다의 앞바다에 걸쳐 강의 흐름이 약해지거나 없어질 때 토사가 퇴적되는 모습


운반 작용과 퇴적 작용은 떼려야 뗄 수 없는 관계에 있다. 두 작용에 의해 발생하는 현상으로는, 선상지나 삼각주의 생성 외에도, 하구에서 바다의 앞바다에 걸쳐 강의 흐름이 약해지거나 없어질 때, 오른쪽 그림과 같은 형태로 토사가 퇴적되는 경우가 있다. 이 경우, 가벼운 물질일수록 멀리까지 이동하기 때문에 자갈, 모래, 진흙의 순서로 퇴적된다.

하상의 퇴적물은 유속이 충분히 작으면 움직이지 않지만, 흐름이 점차 빨라지면 이동하게 된다. 이 현상을 '''에트레인먼트'''라고 부르며, 퇴적물이 움직이기 시작하는 조건을 "'''퇴적물의 초동'''('''시동''')'''조건'''"이라고 한다. 퇴적물을 밀어내려는 힘은 흐름에 의한 전단력이지만, 특히 단위 면적당 전단력을 '''주동력'''이라고 한다. 퇴적물의 초동 조건은, 이 주동력이나 유속 등에 주목한 많은 관계가 제시되어 있으며, 흐름의 조건과 퇴적물 입자의 입경・밀도에 의존한다. 임의의 조건 하에서, 초동 조건을 만족하는 입자만이 에트레인먼트되는 현상을 '''선택적 운반 작용'''이라고 부른다.

2. 4. 1. 라우스 수 (Rouse number)

Rouse number영어는 흐름에 휩쓸린 퇴적물이 하천 바닥에서 어떤 방식으로 이동하는지를 나타내는 지표이다. 이는 퇴적 입자의 밀도 ''ρ''s, 직경 ''d'', 그리고 유체의 밀도 ''ρ''와 동점성 계수 ''ν''에 의해 결정된다.[15]

:P=\frac{w_s}{\kappa u_\ast}

로스 수는 ''P''로 표시되며, 여기서 분자는 퇴적물의 종말 속도 ''w''s (아래 방향)이다. 분모는 폰 카르만 상수 ''κ'' (0.4)와 전단 속도 ''u''∗의 곱으로, 입자에 작용하는 위쪽 방향의 속도를 나타낸다.

다음 표는 로스 수에 따른 하천 퇴적물의 이동 방식을 보여준다.[15][16]

수송 방식Rouse number영어
운동 시작> 7.5
하상 하중> 2.5, < 7.5
부유 하중: 50% 부유> 1.2, < 2.5
부유 하중: 100% 부유> 0.8, < 1.2
세사 하중< 0.8


2. 4. 2. 침강 속도

침강 속도는 입자가 유체 내에서 가라앉는 속도를 의미하며, 입자의 크기, 밀도, 유체의 점성 등에 영향을 받는다.[17]

유체가 낙하하는 구체 주변의 유선.


침강 속도가 작은 입자의 경우, 확산은 입자의 경로가 바닥까지 복잡해지고 침강 속도가 높은 입자에 비해 침강하는 데 걸리는 시간을 증가시킨다.


일반적으로 작은 입자는 스토크스 법칙에 따라 침강 속도를 계산할 수 있으며, 큰 입자는 난류 항력 법칙을 사용하여 계산한다.[17]

Ferguson과 Church (2006)는 스토크스 흐름과 난류 항력 법칙을 결합하여 모든 크기의 퇴적물에 적용 가능한 침강 속도 방정식을 제시했다.[18]

:w_s=\frac{RgD^2}{C_1 \nu + (0.75 C_2 R g D^3)^{(0.5)}}

여기서,

  • ''ws''는 침강 속도
  • ''R''은 입자의 수중 비중
  • ''g''는 중력 가속도
  • ''D''는 퇴적물의 평균 직경
  • \nu는 물의 동점성 (20 °C에서 약 1.0 x 10−6 m2/s)
  • C_1과 C_2는 입자의 모양과 매끄러움에 관련된 상수


자연 입자에 대한 체 직경, g=9.8, \nu 및 R 값을 사용하여 위 식을 단순화하면 다음과 같다.

:w_s=\frac{16.17D^2}{1.8\cdot10^{-5} + (12.1275D^3)^{(0.5)}}

스토크스 법칙을 사용하여 정지 유체에서 정상 상태를 가정하여 침강속도를 계산할 수도 있다.

:{\displaystyle w_{s}={\frac {g~({\frac {\rho _{s}-\rho }{\rho }})~d_{sed}^{2}}{18\nu }}},

여기서,

  • g는 중력 상수
  • \rho_s는 퇴적물의 밀도
  • \rho는 물의 밀도
  • d_{sed}는 퇴적물 입자 직경 (일반적으로 d_{50}으로 지칭)
  • \nu는 물의 분자 점성


퇴적물 입자 직경과 스토크스 침강 속도 사이의 관계


작은 입자는 더 무거운 입자보다 침강 속도가 느리다.

2. 5. 퇴적물 수송률

퇴적물 수송률을 계산하는 공식은 흐름의 여러 부분에서 이동하는 퇴적물에 대해 존재한다. 이러한 공식은 주로 하상 부하, 부유 부하, 세사 부하로 구분되며, 하상 물질 부하와 세사 부하로 구분되기도 한다.[38][39]

하상 퇴적물은 하상 위에서 구르기, 미끄러지기, 도약을 통해 이동하며, 유체 흐름 속도의 작은 부분을 차지한다. 하상 퇴적물은 일반적으로 하천 총 퇴적물 부하의 5~10%를 차지하는 것으로 알려져 질량 균형 측면에서 중요도가 낮다. 그러나 하상 물질 부하(하상 퇴적물과 하상에서 유래된 물질로 구성된 부유 부하의 일부)는 특히 자갈 하상 하천에서 하상 퇴적물에 의해 지배되는 경우가 많아 하상과 능동적으로 상호작용하는 퇴적물 부하의 유일한 부분이 된다. 따라서 하상 퇴적물은 하천 형태를 제어하는 데 중요한 역할을 한다.

하상 퇴적물 수송률은 일반적으로 어떤 거듭제곱으로 상승된 초과 무차원 전단 응력과 관련하여 표현되며, 이는 운동 임계값에 대한 하상 전단 응력의 무차원 척도이다.

:(\tau^*_b-\tau^*_c)

하상 퇴적물 수송률은 하상 전단 응력과 임계 전단 응력의 비율로도 표현될 수 있으며, 이는 차원 및 무차원 모두에서 동일하다. 이 비율은 "수송 단계" (T_s \text{ or } \phi)라고 불리며, 운동 시작을 위한 기준 값의 배수로 하상 전단 응력을 나타내기 때문에 중요하다.

:T_s=\phi=\frac{\tau_b}{\tau_c}

이 비율은 퇴적물 수송 공식에 사용될 때 일반적으로 거듭제곱으로 상승된다.

하상 퇴적물 수송에 대한 대부분의 관계는 단위 하천 폭당 건조 퇴적물 중량 b ("폭")으로 주어진다.

:q_s=\frac{Q_s}{b}.

이러한 방정식은 하상 퇴적물 수송률 추정의 어려움 때문에, 일반적으로 설계된 상황에만 적합하다.

일부 학자들은 물에 의해 운반되는 총 퇴적물 부하에 대한 공식을 제시하기도 했다. 이러한 공식은 주로 모래에 맞게 설계되었는데, 이는 유속 조건에 따라 모래가 하상 부하와 부유 부하로 모두 운반될 수 있기 때문이다.

2. 5. 1. 주요 하상 퇴적물 수송 공식

하천에서는 퇴적물이 어떻게 이동하는지에 대한 다양한 공식들이 존재하며, 그 예시로 Meyer-Peter and Müller 공식이 있다. 이러한 공식들은 하천 바닥의 퇴적물 이동량을 계산하는 데 사용된다.

2. 5. 2. 주요 부유 퇴적물 수송 공식

흐름에서 부유 퇴적물 농도의 일반적인 특징은 라우스 프로파일(Rouse Profile)로 주어진다. 이 특징은 흐름 바닥 위 특정 높이 ${\displaystyle z_{0}}$에서의 퇴적물 농도 ${\displaystyle c_{0}}$를 정량화할 수 있는 상황에 적용된다. 이는 다음과 같은 식으로 표현된다.

:\frac{c_s}{c_0} = \left[\frac{z \left(h-z_0\right)}{z_0\left(h-z\right)}\right]^{-P/\alpha}

여기서 ${\displaystyle z}$는 바닥 위 높이, ${\displaystyle c_{s}}$는 해당 높이에서의 부유 퇴적물 농도, ${\displaystyle h}$는 흐름 깊이, ${\displaystyle P}$는 라우즈 수 (Rouse number)이다. ${\displaystyle \alpha }$는 운동량에 대한 와동 점성 계수 ${\displaystyle K_{m}}$과 퇴적물에 대한 와동 확산 계수를 관련시키며, 이는 대략 1과 같다.[34]

:\alpha = \frac{K_s}{K_m} \approx 1

실험 연구에 따르면 ${\displaystyle \alpha }$는 모래와 미사토에 대해 0.93에서 1.10 사이의 값을 갖는다.[35]

라우스 프로파일은 라우즈 수가 난류 혼합과 입자 무게에 따른 침강을 모두 포함하기 때문에 퇴적물 농도를 특징짓는다. 난류 혼합은 고농도 지역에서 저농도 지역으로 입자의 순 이동을 초래한다. 입자가 아래로 침강하기 때문에, 입자가 중성 부력을 갖지 않거나 침강 속도가 무시할 수 있을 정도로 가볍지 않은 모든 경우에, 흐름에서 위로 올라갈수록 순 음의 농도 기울기가 나타난다. 따라서 라우스 프로파일은 퇴적물의 난류 혼합(순 상승)과 각 입자의 하향 침강 속도 사이의 균형을 제공하는 농도 프로파일을 제공한다.

2. 5. 3. 주요 하상 물질 부하 공식



침강 물질 부하는 하상 하중과 하상에서 유래된 부유 하중의 일부로 구성된다. 주요 침강 물질 수송 공식에는 Ackers-White 공식,[36] Engelund-Hansen 공식, Yang 공식이 있다.[37] Ackers-White 공식은 모래에서 입자 크기의 자갈에 적용되며, Engelund-Hansen 공식과 Yang 공식은 모래에 적용된다. Yang 공식은 나중에 미세 자갈까지 확장되었다.

Engelund-Hansen 공식은 퇴적물 이동 시작에 대한 임계값을 포함하지 않는 유일한 공식이다.

:q_s* = \frac{0.05}{c_f} \tau*^{2.5}

여기서 q_s*는 단위 폭당 퇴적물 체적 유량에 대한 아인슈타인 무차원화 계수이고, c_f는 마찰 계수이며, \tau*는 쉴즈 응력이다. Engelund-Hansen 공식은 임계 전단 응력의 문턱값이 없는 몇 안 되는 퇴적물 이동 공식 중 하나이다.

2. 6. 취수 구조물에서의 하상 퇴적물 완화

수도 공급, 운하 전환, 냉각수에 사용되는 강변 취수 구조물은 하상 퇴적물(모래 크기)의 유입을 경험할 수 있다. 유입된 퇴적물은 취수 용량 감소 또는 막힘, 급수 펌프 임펠러 손상 또는 진동과 같은 여러 유해한 영향을 미치며, 하류 파이프라인 및 운하에 퇴적물을 발생시킨다. 국부 근거리 2차 흐름을 수정하는 구조물은 이러한 영향을 완화하고 하상 퇴적물 유입을 제한하거나 방지하는 데 유용하다.[40]

3. 바람에 의한 퇴적물 이동 (풍성 작용)

'''풍성'''(Aeolian) 또는 '''이올리안'''(eolian)은 바람에 의한 퇴적물 이동을 나타내는 용어이다. 이 과정은 물결 자국과 모래 사구의 형성을 초래한다. 일반적으로 이동되는 퇴적물의 크기는 미세한 모래(<1 mm) 이하인데, 이는 공기가 낮은 밀도와 점성을 가진 유체이기 때문에 지표면에 아주 많은 전단 강도를 가할 수 없기 때문이다.

바닥 형태는 육상 근지표면 환경에서 풍성 퇴적물 이동에 의해 생성된다. 물결 자국[1]과 사구[2]는 퇴적물 이동에 대한 자연적인 자기 조직 반응으로 형성된다.

풍성 퇴적물 이동은 해변과 세계의 건조 지역에서 흔히 발생하는데, 이는 이러한 환경에서 식생이 모래밭의 존재와 움직임을 막지 못하기 때문이다.

바람에 날리는 매우 미세한 입자의 먼지는 상층 대기에 진입하여 전 세계로 이동할 수 있다. 사하라 사막에서 날아온 먼지는 카나리아 제도와 카리브해의 섬에 퇴적되며,[3] 고비 사막에서 날아온 먼지는 미국 서부에 퇴적되었다.[4] 이 퇴적물은 여러 섬의 토양 예산과 생태에 중요하다. 미세 입자의 바람에 날린 빙하 퇴적물은 뢰스라고 불린다.

캘리포니아주 모하비 사막의 켈소 모래언덕에서 모래가 능선에서 날리는 모습

3. 1. 운반 방식

바람이 토사를 운반하는 방식은 일반적으로 다음과 같은 세 가지 형태가 있다. 하천의 경우와 마찬가지로 엔트레인먼트라고 부르지만, 바람이 약할 때는 토사가 움직이지 않다가 풍속이 커지면 움직이기 시작하여 공기와 섞여 이동하게 된다.[41]

  • 부유 - 공중으로 날아올라 이동하는 것이다.[41] 한국에서는 봄철에 황사 현상이 자주 발생하는데, 이는 중국 내륙의 사막 지역에서 발생한 미세한 모래 먼지가 바람을 타고 이동하는 현상이다.
  • 도약 - 지면에서 튀어 올라 이동하는 것이다. 일반적으로 입자는 포물선 궤도를 그리며 여러 번 연속해서 튀어 오른다.[41]
  • 포행 - 회전하거나(전동) 미끄러지면서(활동) 지면을 기어가는 듯이 이동하는 것이다.[41]
  • 피탄비산운동(repuation) - 도약하는 입자가 충돌하여 더 많은 입자를 도약시키는 과정으로, 포행 대신 중요한 운반 방식으로 제창되는 이론도 있다.[41]

3. 2. 비사 (Sand drift)

'''비사'''(sand drift)는 모래가 도약 및 포복에 의해 이동하는 현상이다. 실트나 그보다 작은 입자의 이동은 포함하지 않는다. 관측과 실험을 통해 비사의 양은 풍속의 세제곱에 비례한다는 것을 알 수 있다. 또한, 8할 정도가 도약으로 여겨진다.[41] 모래가 튀어 오르는 높이는 입경 0.1 - 1 mm의 모래에서 1m 이내, 풍속 10 m/s에서는 대체로 50 cm 이내(그 중 대부분이 30 cm 이내)로 여겨진다.[41]

3. 3. 사진람과 풍성진

사진람과 풍성진은 사막이나 건조 지역에서 나타나는 현상이다. 사진람(砂嵐, sand storm)은 흙과 모래가 날리는 현상이며, 운반되는 입자 크기에 따라 사진람과 진람(塵嵐, dust storm)으로 구분된다.[1] 사진람에서는 실트나 그보다 작은 입자들이 높이 날아올라 부유하며, 이 미세한 입자들은 바람이 잦아들어도 멀리까지 운반된다. 이러한 현상을 '''풍성진'''(aeolian dust)이라고 한다.[2]

풍성진은 편서풍 등을 타고 수천 킬로미터를 이동하며, 비에 섞여 붉거나 누런 기운이 도는 비(진우)로 내리거나, 연무나 안개를 발생시키기도 한다.[3][4] 사하라 사막에서 유래된 풍성진은 지중해 연안의 테라로사 생성 과정에도 관여한다. 실트나 그보다 작은 입자로 구성된 풍성진의 퇴적물을 '''뢰스''' 또는 황토라고 하며, 사막 주변이나 제4기의 빙하 분포 지역 주변에 대규모로 분포한다.

4. 빙하에 의한 퇴적물 이동

빙하는 기반암 위를 이동하면서 모든 크기의 물질을 끌어들이고 이동시킨다. 빙하는 매우 큰 퇴적물을 운반할 수 있으며, 암석을 매우 미세한 "빙하 미분"으로 분쇄하여 바람에 의해 수천 킬로미터 떨어진 곳까지 운반하기도 한다. 빙하에 포함된 퇴적물은 종종 빙하의 흐름선을 따라 이동하여 소모대에서 표면에 나타난다.

4. 1. 빙하 퇴적물

빙하는 기반암 위를 이동하면서 모든 크기의 물질을 끌어들이고 이동시킨다. 빙하는 가장 큰 퇴적물을 운반할 수 있으며, 빙하 퇴적 지역에는 종종 많은 수의 빙하 퇴석이 있는데, 그 중 다수는 지름이 수 미터에 달한다. 빙하는 또한 암석을 "빙하 미분"으로 분쇄하는데, 이것은 매우 미세하여 종종 바람에 의해 운반되어 수천 킬로미터 떨어진 곳에 황토 퇴적물을 형성한다. 빙하에 포함된 퇴적물은 종종 빙하의 흐름선을 따라 이동하여 소모대에서 표면에 나타나게 된다.[1]

5. 해안 퇴적물 이동

하와이 라이샌 해변의 모래 연흔. 연안 퇴적물 수송은 해안을 따라 고르게 간격을 둔 이 연흔을 만들어낸다. 크기 비교를 위해 몽크바다표범이 있다.


연안 퇴적물 수송은 파도와 해류의 움직임으로 인해 연안 환경에서 발생하는 현상이다. 강의 입구에서는 연안 퇴적물 수송과 하천 퇴적물 수송 과정이 결합하여 하구 삼각주를 형성하기도 한다.

고르너 빙하에 합류하는 빙하, 체르마트, 스위스. 이 빙하들은 퇴적물을 운반하고 측면 퇴석구를 남긴다.

5. 1. 해안 지형 형성

연안 퇴적물 수송은 파도와 해류의 움직임으로 인해 연안 환경에서 발생한다. 강의 입구에서는 연안 퇴적물 수송과 하천 퇴적물 수송 과정이 결합하여 하구 삼각주를 형성한다.

연안 퇴적물 수송은 해변, 사주, 곶과 같은 특징적인 해안 지형을 형성한다.[5]

6. 언덕 사면 퇴적물 이동

언덕 사면 퇴적물 이동은 토양 포행, 나무 쓰러짐, 산사태 등 다양한 과정을 통해 일어난다.[1]

6. 1. 확산 방정식

언덕 사면 퇴적물 이동 과정에서 토양층을 경사면 아래로 이동시키는 다양한 과정들이 있다. 여기에는 다음이 포함된다.[1]

  • 토양 포행
  • 나무 쓰러짐
  • 굴을 파는 동물에 의한 토양 이동
  • 언덕 사면의 사태 및 산사태


이러한 과정들은 일반적으로 언덕 사면이 확산 방정식의 해와 유사한 형태를 갖도록 하며, 여기서 확산율은 특정 언덕 사면에서의 퇴적물 이동 용이성과 관련된 매개변수이다. 이러한 이유로 언덕 상단은 일반적으로 위로 볼록한 포물선 형태를 가지며, 계곡 주변에서는 위로 볼록한 형태로 전환된다.[1]

그러나 언덕 사면이 가파라질수록 간헐적인 산사태 및 기타 대량 사면 이동 현상이 발생하기 쉬워진다. 따라서 언덕 사면 과정은 고전적인 확산이 완만한 경사면을 지배하고 침식률이 언덕 사면이 임계 안식각에 도달함에 따라 무한대로 증가하는 비선형 확산 방정식으로 더 잘 설명된다.[1]

7. 이류(Debris flow)

산사태는 진흙, 최대 바위 크기의 쇄설물과 물이 섞인 고농도 흐름으로, 대량의 물질을 이동시킨다. 산사태는 가파른 산악 계곡과 물길을 따라 입상 흐름으로 이동한다. 퇴적물을 입상 혼합물로 운반하기 때문에 운반 메커니즘과 용량은 하천 시스템과 다르게 적용된다.

8. 퇴적물 이동의 응용

퇴적물 이동은 여러 환경, 토목 및 지질 문제를 해결하는 데 적용된다. 해안 공학에서 퇴적물 이동 또는 침식을 측정하고 정량화하는 것은 중요하다. 이를 위해 입자 침식 시뮬레이터(PES)와 같은 여러 퇴적물 침식 장치가 설계되었으며, 그중 하나인 BEAST(Benthic Environmental Assessment Sediment Tool)는 퇴적물 침식률을 정량화하는 데 사용된다.[7]

퇴적물 이동은 하천에서 물고기와 다른 유기체의 서식지를 제공하는 데 중요하다. 댐으로 인해 퇴적물이 부족해지는 경우가 많은 하천에서는 하상 재료를 갱신하고 사주를 재건하기 위해 짧은 홍수를 계획하기도 한다. 이는 콜로라도 강의 그랜드 캐니언처럼 야영지로 사용되는 해안 서식지를 재건하는 데도 중요하다.

댐에 의해 형성된 저수지로 유입된 퇴적물은 저수지 삼각주를 형성한다. 이 삼각주는 유역을 채워 결국 저수지를 준설하거나 댐을 제거해야 한다. 퇴적물 이동에 대한 지식은 댐의 수명을 연장하기 위한 계획을 세우는 데 활용될 수 있다.

지질학자들은 퇴적암과 충적 물질의 젊은 퇴적물로부터 흐름의 깊이, 속도, 방향을 파악하기 위해 이동 관계의 역해를 사용한다.

암거, 댐 위, 교각 주변의 흐름은 하상의 침식을 유발할 수 있다. 이러한 침식은 환경을 손상시키고 구조물의 기초를 노출시키거나 불안정하게 만들 수 있다. 따라서 구축된 환경에서 퇴적물 이동의 역학을 이해하는 것은 토목 및 수력 엔지니어에게 중요하다.

인간의 활동으로 부유 퇴적물 이동이 증가하여 채널을 메우는 등의 환경 문제가 발생하기도 하는데, 이 과정에서 우세한 입자 크기 분획에 따라 토사 퇴적이라고 한다.

참조

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