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문제 정의
- 본 연구에서는 실측된 실험결과를 범용적으로 사용되고 있는 수치해석 모형인 HEC-RAS와 RMA-2 모형과 비교하여, 실무에서 사용할 수 있는 식생에 따른 조도 계수의 범위를 제시하고자 하였다.
- 본 연구에서는 직사각형 단단면 수로와 홍수터를 가지는 복단면 수로에서 관목의 식생시 수리량 변화 특성을 분석하기 위하여 인공 식생을 이용하여 실험 수로를 제작하였다. 유량 수심비, 식생밀도, 식생위치 등을 변화시키며 실험을 실시하였으며, 실험수위와 계산 수위가 일치하는 조도계수를 구하기 위하여 실무에서 많이 사용되고 있는 HEC-RAS 와 RMA-2 모형을 이용하였다.
- 본 연구에서는 직사각형 단단면 수로와 홍수터를 가지는 복단면 수로에서 관목의 식생시 수리량 변화 특성을 분석하였다. 인공식생을 이용하였으며, 유량 수심비, 식생밀도, 식생위치 등을 변화시키며 실험을 실시하였다.
제안 방법
- 단단면 수로에서 식생구역은 수로의 하류단에서 6 m ~ 8 m 사이의 구간이며, 유량이 0.01 m3/s —0.04 m3/s 로 변화할 때 수심비를 1.5, 2.2, 2.8, 3.4 로 변화시키면서 수위변화를 측정하였다. Fig.
- 하류부 각각 1 단면에서 측정하였다' 이는 복단면 홍수 터에 식생으로 인한 저수로 및 식생구간의 전면부 및 후면부의 흐름특성 변화를 관찰 할 수 있도록 한 것이다. 또한 수심방향으로 4~5개 지점에서 유속을 측정하였다.
- 식생에 의한 수리학적 특성 변화량의 분석을 위해 수로내의 식생이 있는 경우와 없는 경우에서 유량 및 수심변화에 따른 유속 및 수위의 변화량을 측정하였다. 상류측 유입유량은 삼각 예연웨어에서 월류되는 수심을 포인트 게이지를 이용하여 관측하였다. 수심은 식생된 구간의 상.
- 수치 모형 의 식 생구간에서 조도계 수를 변화시키 면서실측수위와 계산수위를 일치되도록 하였다. 즉, 수치모형에서 단면 평균조도계수를 변화시킨 것이 아니고 식생이 된 구역만의 조도계수를 변화시켰다.
- 2는 수리실험 장치의 전경을 나타낸 것이다. 식생에 의한 수리학적 특성 변화량의 분석을 위해 수로내의 식생이 있는 경우와 없는 경우에서 유량 및 수심변화에 따른 유속 및 수위의 변화량을 측정하였다. 상류측 유입유량은 삼각 예연웨어에서 월류되는 수심을 포인트 게이지를 이용하여 관측하였다.
- 실험조건은 단단면 수로의 경우 수로경사는 0.5 % 로 고정시키고, 식생조건에 따라 수심비(수심/식생높이) 를 L5 ~ 3.4 범위에서, 상류단의 유량은 0.01 m3/s - 0.04 m3/s 범위로 변화시키면서 실험하였으며, 식생 밀도는 3.5 % 로 고정하였다. 복단면 수로의 경우 유량은 0.
- (1990)의 운동량 방정식에 기초하고, Masterman and Thrcme(1992) 의 식생 저항모형에 Darby and Thome(1996)의 자갈하천 모형을 결합하였다. 이를 통해 모래나 자갈하천에서 다양한 식생 형태에 따른 흐름 저항을 추정하였다. Fukuoka et al.
- 분석하였다. 인공식생을 이용하였으며, 유량 수심비, 식생밀도, 식생위치 등을 변화시키며 실험을 실시하였다. 실험수위와 계산수위가 일치하는 조도계수를 실무에서 많이 사용되고 있는 HEC-RAS 와 RMA-2 모형을 이용하여 추정하였다.
- 계산수위를 일치되도록 하였다. 즉, 수치모형에서 단면 평균조도계수를 변화시킨 것이 아니고 식생이 된 구역만의 조도계수를 변화시켰다. 유량 조건은 실험에서 비교적 수위변화가 큰 0.
- 수심은 식생된 구간의 상. 하류 측에 설치된 포인트 게이지와, 수로의 측벽에 부착된 눈금자를 이용하여 관측하였다. 유속의 측정은 KENEK사의 2차원전자유속계 VM 201과 ALEC사의 2차원 전자 유속계 ACM250-A를 이용하였다.
- 하류부에서 수위를 측정하였으며, 복단면의 경우 식생구간 주위의 흐름의 변화를 관찰하기 위해 Fig. 8과 같이 흐름 방향으로 식생 구간 내에서 3개 단면과 식생구간 상 . 하류부 각각 1 단면에서 측정하였다' 이는 복단면 홍수 터에 식생으로 인한 저수로 및 식생구간의 전면부 및 후면부의 흐름특성 변화를 관찰 할 수 있도록 한 것이다.
- 우안에 설치하여 식생 전 . 후의 흐름특성을 비교하였다
대상 데이터
- 6 mm ~ 1 mm 정도인 유연한 폴리프로필렌 재질의재료를 사용하였다. 모형식생을 합판에 Fig. 3과 같이 4.5 mm 정도의 원형구멍에 고정하여 식생 모형판을 제작하였다.
- 때문에 인공식생을 이용하여 실험하였다. 본 연구에서는 특정 하천을 대상으로 축소모형을 제작한 것이 아니며, 식생은 하천에 일반적으로 식생되는 관목을 대상으로 하였다. 식생모형은 높이 7 cm ~ 8 cm, 직경 약 0.
- 수리실험은 Fig. 1과 같은 길이 16 m, 폭 0.8 m, 높이 0.9 m 이고 벽면이 아크릴로 된 직사각형 가변 경사 개수로 실험 장치를 이용하였다. 고수조에는 유량을 조절하기 위한 삼각위어가 설치되어 있으며, 하류단에는 수위 조절을 위한 수문이 설치되어 있다.
- 본 연구에서는 특정 하천을 대상으로 축소모형을 제작한 것이 아니며, 식생은 하천에 일반적으로 식생되는 관목을 대상으로 하였다. 식생모형은 높이 7 cm ~ 8 cm, 직경 약 0.6 mm ~ 1 mm 정도인 유연한 폴리프로필렌 재질의재료를 사용하였다. 모형식생을 합판에 Fig.
- 식생수로 실험은 자연식생을 수로에 설치하기 어렵고, 실험기간동안 식생을 일정한 상태로 유지하기 어렵기 때문에 인공식생을 이용하여 실험하였다. 본 연구에서는 특정 하천을 대상으로 축소모형을 제작한 것이 아니며, 식생은 하천에 일반적으로 식생되는 관목을 대상으로 하였다.
- 즉, 수치모형에서 단면 평균조도계수를 변화시킨 것이 아니고 식생이 된 구역만의 조도계수를 변화시켰다. 유량 조건은 실험에서 비교적 수위변화가 큰 0.04 m3/s, 수심비는 단 단면의 경우 2.2, 2.8, 3.4, 복단면에서는 1.6, 2.3, 3.0 의 경우를 대상으로 하였다. Fig.
- 하류 측에 설치된 포인트 게이지와, 수로의 측벽에 부착된 눈금자를 이용하여 관측하였다. 유속의 측정은 KENEK사의 2차원전자유속계 VM 201과 ALEC사의 2차원 전자 유속계 ACM250-A를 이용하였다.
이론/모형
- Darby (1999)는 1990년대 이후 하천식생에 의한 흐름저항 모형 연구를 종합하여, 식생 하천에서 횡방향 전단을 고려한 Wark et al.(1990)의 운동량 방정식에 기초하고, Masterman and Thrcme(1992) 의 식생 저항모형에 Darby and Thome(1996)의 자갈하천 모형을 결합하였다. 이를 통해 모래나 자갈하천에서 다양한 식생 형태에 따른 흐름 저항을 추정하였다.
- 인공식생을 이용하였으며, 유량 수심비, 식생밀도, 식생위치 등을 변화시키며 실험을 실시하였다. 실험수위와 계산수위가 일치하는 조도계수를 실무에서 많이 사용되고 있는 HEC-RAS 와 RMA-2 모형을 이용하여 추정하였다. 그 결과를 정리하면 다음과 같다.
- 유량 수심비, 식생밀도, 식생위치 등을 변화시키며 실험을 실시하였으며, 실험수위와 계산 수위가 일치하는 조도계수를 구하기 위하여 실무에서 많이 사용되고 있는 HEC-RAS 와 RMA-2 모형을 이용하였다.
성능/효과
- 1. 단단면 수로 저면에 관목을 식생하였을 경우 수심 비가 증가할수록 식생에 의한 수위의 상승량은 감소하였으며, 수심비가 약 3.5 이상부터는 식생에 의한 수위 증가는 거의 없는 것으로 관측되었다.
- 2. 복단면 홍수터에 관목을 식생할 경우 수위 상승량은 최대 6 % 정도로 나타났다.
- 3. 복단면의 홍수터에 관목의 식생시 저수로 내 유속은 식생전의 단면평균유속에 비하여 약 25 % ~ 85 % 정도로 증가하였다. 따라서 홍수터에 식생 시에 저수로의 유속증가로 인한 하상세굴을 고려해야 한다.
- 4. 홍수터 식생에 의한 저수로 유속 증가량은 식생 밀도와 비례하고 수심비와는 반비례한다.
- 5. 실측 수위에 수치모형의 계산 수위를 일치 시켜서 얻은 식생구역에서의 조도계수는 단단면의 경우 0.055 ~ 0.14 복단면의 경우 0.063 ~ 0.085 로 산정되었다. 또한 홍수터에 식생된 복단면에서의 단면 평균 조도 계수는 0.
- 따라서 저수로에서 식생의 높이가 홍수위의 1/4 이하가 되면 수위 상승은 미미할 것으로 판단된다. Fig. 11은 유량 0.04 m3/s, 수심비 2.8 에서 식생 상부의 수심 방향 유속분포를 나타낸 것으로서 그림에서와 같이 결정계수가 0.9 정도로 비교적 좋은 선형관계를 나타내었고, 따라서 식생 상부의 유속분포가 대수분포 형태를 이루고 있음을 확인하였다.
- 4 % 에서는 25 % ~ 46 % 증가하였다. 따라서 복단면 수로에서 식생에 의한 수위상승 효과보다는 저수로의 유속증가가 더 크게 나타남을 확인하였다.
- 이는 식생에 의해 홍수터의 통수능이 감소하므로 저수로의 유속이 증가한 것으로 판단된다. 또한 동일한 유량에서는 식생시 수심비가 증가할수록 저수로부의 유속 증가량이 적어짐을 확인하였다.
- 후의 수심증가비를 나타낸 것이다. 수심의 경우 식생밀도가 3.5 % 일 경우 유량 변화 및 수심비의 변화에 따라 1.0 % ~ 6.0 % 범위로 증가하였으며, 밀도 2.4 % 에서는 최대 1.0 % 로수심이 증가하였고, 밀도 1.4 % 에서는 수심의 변화가 거의 없게 나타났다. Table 5는 식생구역의 중앙지점 (Fig.
- 수심비가 커질수록 수위 상승량이 작아짐을 확인할 수 있다. 수심증가비는 수심비 1.6 에서 식생구간의 상류부에서 식생 전의 수심에 6 % 정도의 상승이 최대로 나타났다.
- 식생전의 단면평균유속과 식생 후의 저수로 내 유속의 비로서 나타내었다. 저수로의 유속증가는 식생밀도 3.5 % 에서는 47 % ~ 85 % 의범 위 이며, 식생밀도 2.4 % 에서는 35 % ~ 67 % 로유속이 증가하였고, 식생밀도 1.4 % 에서는 25 % ~ 46 % 증가하였다. 따라서 복단면 수로에서 식생에 의한 수위상승 효과보다는 저수로의 유속증가가 더 크게 나타남을 확인하였다.
- 그림에서 보는 바와 같이 식생 전 . 후에 식생구간 상류부의 수심이 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 같은 유량에서 수위가 증가할수록 수심증가가 작아지는 현상을 확인할 수 있다. 즉, 유량이 같은 경우에는 수심비가 커질수록 식생에 의한 수위 상승의 영향이 작아짐을 의미한다.
후속연구
- Table 6에서와 같이 제방측에 식생이 되어 있을 경우 20 % ~ 52 %, 홍수터 중앙의 경우 20 % ~ 33 %, 저수로측에 식생이 되어있을 경우 14 % ~ 44 % 의유속증가를 나타내었다. 따라서 저수로 내의 유속은 식생이 홍수터 중앙에 위치한 경우 저수로의 유속상승이 가장 적게 나타났으나 그 차이가 크지 않으므로 추가적인 연구가 필요하다고 판단된다.
- 085 로 산정되었다. 또한 홍수터에 식생된 복단면에서의 단면 평균 조도 계수는 0.038 ~ 0.046 으로 산정되었으며, 이 결과들은 본 연구의 실험범위 내에서 결과이며 식생과 조도계수의 관계는 향후 지속적인 연구가 필요하다고 판단된다.
- 그림에서와같이 홍수터 중앙부에서 식생을 할 경우 저수로의 유속증가가 세 경우 중에서 가장 작게 나타났으나, 그 차이는 적게 나타났다. 향후 식생의 위치 변화에 대한 지속적인 연구가 필요하다고 판단된다.
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