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문제 정의
- 본 연구에서는 연천댐 사례를 통한 댐 파괴 해석및 부정류 해석(I) -댐 파괴 시나리오와 부정류 해석을 통한 지속시간 및 파괴시간 해석- 에서의 시나리오별 댐 파괴시간 및 지속시간의 결정에 따른 하류하천의 영향 검토를 위하여 관측 기록된 전곡수위표를 기준으로 각 지천의 유입상황과 댐 파괴의 홍수량을 고려하여 HEC-RAS모형의 부정류해석 모듈을 이용하여 상기 논문의 댐 파괴시간 및 지속시간을 검증하고 하류하천 구간의 수위특성을 분석하고자 한다.
제안 방법
- Saint-Venant 방정식은 1차원 점변 부정류 방정식으로 한 쌍의 연속방정식과 운동방정식으로 구성되며, 이들 방정식은 각각 시간과 거리의 1차원 편미분 방정식으로 구성되어 있다*. 본 연구에 적용되는 연천댐 유역의 하류 부정류 해석을 위해서 한탄강 유역에 위치한 신천, 차탄전 및 하구유입량을 모의대상에 포함하여 신천, 차탄천 및 하구유입량이 한탄강 직하류에 모의될 수 있도록 하였으며 한탄강 하류지역의 홍수파 해석을 실시하기 위하여 연천댐 직하류 19.5 km 구간에 대하여 HEC-RAS 모형을 구축하였다. 구축된 모형의 지형자료는 임진강수계 하천 정비 기본계획'지에서 실시한 측량성과를 이용하여 한탄강 직하 류 19.
- 이때의 구성된 지형자료 단면 수는 교량 및 낙차 공지 점등을 포함하여 215개이다野. 모형의 경계조건 중 상류 경계조건은 댐 유출량자료를 30분 단위로 입력하였으며, 지천유입 경계조건은 신천과 차탄천 합류 지점 및 하구 잔여지역에 대하여 HEC-HMS 모형에 구한 홍수량 값을 30분 단위로 입력하였다. 또한 하류 경계조건은 등류수심조건을 지정하는 방법을 채택하였으며, 이는 정류해석을 통하여 도출된 수위-유량관계곡선식에 의한 방법과 등류수심조건을 지정하는 방법을 비교하여 채택한 것이다.
- 모형의 경계조건 중 상류 경계조건은 댐 유출량자료를 30분 단위로 입력하였으며, 지천유입 경계조건은 신천과 차탄천 합류 지점 및 하구 잔여지역에 대하여 HEC-HMS 모형에 구한 홍수량 값을 30분 단위로 입력하였다. 또한 하류 경계조건은 등류수심조건을 지정하는 방법을 채택하였으며, 이는 정류해석을 통하여 도출된 수위-유량관계곡선식에 의한 방법과 등류수심조건을 지정하는 방법을 비교하여 채택한 것이다. 여기서 등류수심조건의 채택근거는 하구지점에 알려진 시간대별 수위자료가 없고 한탄강 하구 지점은 하상 경사가 급하고 변화가 심해 하구로부터 약 500 m 구간에서 이미 자체수위를 형성하고 있으며, 동구 간에서 유량규모에 따라 형성되는 에너지 경사 (m/m)가 10, 범위를 벗어나지 않기 때문이다.
- 조도계수를 의미한다. Manning의 조도 계수에 영향을 주는 요소들로서는 수로의 표면 조도, 수로내의 식물, 수로의 부정, 수로법면 보전 및 세굴, 장애물, 수로의 크기와 형태, 수위 및 유량 계절적 변화 등 매우 다양하여 동일하천, 동일 구간은 물론 경년적으로도 변하므로 정도가 높은 값을 얻기란 상당히 어려우나 본 연구에서는 현장 조사에 의한 육안조사결과와 하천설계기준에서 제시하는 기준값 및 최신 관련자료 등을 이용하여 한탄강 연천 댐 하류구간의 조도계수를 부여하였다.
- 038을 채택하는 것은 바람직하다고 판단된다. 채택된 조도계수의 검증을 위하여 1999년 7월 31일 12:00~8월 2일 23:30 까지 한탄강수계 내 전곡수위표에서 관측된 자료와 모의결과를 비 교하였다. 여기서 검증을 위한 모형의 구축은 수해발생당시 상황이 반영된 조건에서 실시해야 하므로 상기 논문 (1)에서의 “4.
- 채택된 조도계수의 검증을 위하여 1999년 7월 31일 12:00~8월 2일 23:30 까지 한탄강수계 내 전곡수위표에서 관측된 자료와 모의결과를 비 교하였다. 여기서 검증을 위한 모형의 구축은 수해발생당시 상황이 반영된 조건에서 실시해야 하므로 상기 논문 (1)에서의 “4.2 댐 운영 및 파괴에 대한 시나리오 설정”에서 제시한 Case 4의 경우 즉, 댐이 8월 1일 02:45경 30분 만에 파괴되고 우안 측 가시설인 존치되어 있는 조건으로 구축하였다.
- 댐 붕괴로 인한 하류의 영향 검토를 위해 Case 2 (댐이 붕괴 되 었을 때 : 이하Case 2)과 Case 5(댐이붕괴 되지 않았을 때 : 이하 Case 5)의 하류에서 유출량과 수위 영향을 모의하여 비교분석하였다. 총 19.
- 총 19.5 km 구간을 4구간으로 나누어 상류로부터 댐 하류 지점인 5 km, 신천 합류점 이전인 10 km, 차탄천 합류점 이전인 15 km, 임진강 합류점 이전인 19.5 km(한탄강 유출구)에서의 첨두 홍수량과 첨두 수위를 분석하였다.
- 본 연구에서는 1999년 7월 31일부터 8월 3일에 걸친 한탄강 수계 내 연천댐 유역의 강우자료를 이용하여 댐 파괴 추정시간을 모의하였으며 모의된 댐 파괴시간과 지속시간을 유입 경계조건으로 하류홍수파 전달을 부정류 모의를 통하여 검증을 실시하였으며 전곡수위표의 관측 기록을 기준으로 댐파괴 모의 및 하류 부정류 해석을 실시하였다. 연천댐 파괴 시간 추정 모의를 위하여 8월 1일 01:00부터 04:00까지 30분 간격으로 연천댐 파괴 시간을 설정하여 연천댐 하류단에 있는 전곡지점의 수위와 비교하여 가장 근사한 값을 추정한 결과 댐파괴는 8월 1일 02:45에 발생한 것으로 모의되었고 댐파괴 지속시간이 30분으로 추정되었다.
대상 데이터
- 5 km 구간에 대하여 HEC-RAS 모형을 구축하였다. 구축된 모형의 지형자료는 임진강수계 하천 정비 기본계획'지에서 실시한 측량성과를 이용하여 한탄강 직하 류 19.5 灿에 대하여 입력하였으며, 하도 내 교량 및 낙차공과 같은 수리구조물을 포함하여 구성하였다. 이때의 구성된 지형자료 단면 수는 교량 및 낙차 공지 점등을 포함하여 215개이다野.
이론/모형
- 댐하류부의 홍수 추적과정에 관한 수치해석기법은 대부분의 경우 Saint-Venant 식을 지배방정식으로 사용하고 있는데 Sakkas와 Strelkoff, R毎ar, Katopodes 와 Strekolf, Chen과 Ambruster, Pone辭와 Tsivogl이j는 유한차분기법 (finite difference method)을 이용하여 댐 붕괴 홍수파를 해석하였다心). 댐 붕괴로부터의 홍수파 해석을 위한 방법은 그 해석 알고리즘이 비교적 정교한 해석모형으로 동역학파 홍수추적 방법을 사용하는 미국 기상청의 FLDWAV모형(Fread D.
성능/효과
- 홍수량 분석결과 연천댐 지점의 첨두 홍수량은 10, 324 cms이며 유출총량은 1, 263.90백만洲로 모의되었다. 이때의 첨두 홍수량 발생시간은 1999년 8월 1일 05:00 경이고 주요지점의 홍수량 발생모의 결과신천 합류점 지점의 첨두 홍수량은 12, 502 cms이며, 발생시간은 8월1일 04:30 경으로 조사되었고 차타천 합류점 지점의 첨두 홍수량은 13, 961.
- 검증결과 Fig. 6, Fig. 7, Fig. 8에서 볼 수 있는 바와 같이 본 연구에서 모의한 전곡수위표 지점의 계산수위는 초기 첨두까지 도달하는 증수부를 제외하고 양과 경향에서 매우 근사한 결과를 제공하는 것으로 조사되었다. 그러나 Table 1의 8월 1일 05:00 전곡수위표 관측수위를 보면 EL.
- 28 이 정도 작은 값을 나타내고 있다. 여기서 이 시간대에 전곡수위표 지점 수위에 영향을 줄 것으로 예측되는 03:00 ~04:00 경 댐 유줄량은 첨두 홍수량에 가까운 비교적 많은 양을 기록하고 있었고 전곡수위표 지점 1.9 km 상류에서 유입하는 신천 유입량 또한 04:00~05:00경 2, 000 m3/sec(첨두 홍수량 2, 717 m3/sec) 정도를 보이고 있었으므로 상하류 수문량을 가지고 판단했을 때 05:00 전곡수위표의 관측수위는 양에서 뿐만 아니라 경향에 있어서 04시나 06시의 수위와 비슷하거나 상회하는 경향이 더 타당하다고 판단된다. 특히 댐에서의 최대 방류량은 8월 1일 03:06경 12, 054.
- 07 이에 도달한 것으로 분석되었다. 또한 05:00경 댐 유출량은 댐 상류 유입량이 첨두를 나타내고는 있었으나 댐 파괴에 의한 영향이 줄어들면서 전시간대 보다는 줄어든 10, 493.4 nF/sec를 보였고 이 영향으로 06:00경 전곡 수위표 지점 수위는 EL.34.89 이로 계속 높은 수위를 유지하면서 수위 감소세는 둔화되는 현상을 나타내는 것으로 분석되었다.
- 댐 파괴 유무에 따른 Case 2와 Case 5의 첨두 홍수량을 비교하였을 때 댐 하류 5 km지점의 경우 가장 큰 2, 696.3 cms의 차이를 보였고 차탄천 합류점 이전인 15 km 지점의 경우 1, 846.6 cms의 차이를 보였으며 한탄강 유출구 19.5 km 지점인 경우 1, 745.8 cms의 차이를 보였다. 또한 가장 큰 첨두 홍수량 차이를 보인 댐 하류 5 km 인 지점에서의 첨두 홍수량을 기록한 시간을 살펴보면 Case 2는 모의시간 16 hr에서 첨두 홍수량이 나타났고 Case 5는 18.
- 연천댐 파괴 시간 추정 모의를 위하여 8월 1일 01:00부터 04:00까지 30분 간격으로 연천댐 파괴 시간을 설정하여 연천댐 하류단에 있는 전곡지점의 수위와 비교하여 가장 근사한 값을 추정한 결과 댐파괴는 8월 1일 02:45에 발생한 것으로 모의되었고 댐파괴 지속시간이 30분으로 추정되었다. 연천댐 하류지역의 홍수파 해석을 위하여 연천댐 직하류 19.
- 연천댐 파괴 시간 추정 모의를 위하여 8월 1일 01:00부터 04:00까지 30분 간격으로 연천댐 파괴 시간을 설정하여 연천댐 하류단에 있는 전곡지점의 수위와 비교하여 가장 근사한 값을 추정한 결과 댐파괴는 8월 1일 02:45에 발생한 것으로 모의되었고 댐파괴 지속시간이 30분으로 추정되었다. 연천댐 하류지역의 홍수파 해석을 위하여 연천댐 직하류 19.5 km 구간에 대하여 HEC-RAS 모형을 이용하여 부정류 해석결과, 댐 파괴가 일어난 경우와 댐 파괴가 일어나지 않았을 경우를 비교하였을 때 첨두 홍수량 차이는댐 직 하류 2, 696.3 cms에서 한탄강 유출구까지 1, 745.8 cms의 차이로 한탄강 전 유역에 걸쳐 발생하였으나 하류로 진행될수록 감소하는 경향이 나타났으며 첨두 수위 차이는 지점평균 약 0.6 m로 모의되었다. 또한 댐 파괴 에 따른 첨두 홍수량 전파 시간은 약 2시간 30분~3시간 정도의 차이를 보이고 있어서 비슷한 첨두수위 조건에서 댐 붕괴 유무에 따라 댐 하류의 주민이나 홍수피해에 대한 준비나 대피할 수 있는 시간적 여유로 인하여 하류피해 영향을 경감할 수 있는 반증이라 할 수 있다.
후속연구
- 또한 댐 파괴 에 따른 첨두 홍수량 전파 시간은 약 2시간 30분~3시간 정도의 차이를 보이고 있어서 비슷한 첨두수위 조건에서 댐 붕괴 유무에 따라 댐 하류의 주민이나 홍수피해에 대한 준비나 대피할 수 있는 시간적 여유로 인하여 하류피해 영향을 경감할 수 있는 반증이라 할 수 있다. 이러한 분석결과를 종합해 볼 때 댐 파괴 시작과 지속시간 그리고 시나리오별 하류 홍수위 분석 방법으로 연구한 결과는 조사내용과 시간적으로 그리고 정량적으로 대부분 일치하는 결과를 제공하는 것으로 분석되었으며 이 방법을 통하여 미계측이나 불특정시간에 발생하는 댐 파괴의 경우에 분석할 수 있을 것이다.
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