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문제 정의
- 본 연구에서는 Chiu(1987, 1988)가 제시한 엔트로피 개념의 무차원 유속분포와 최대유속 추정을 결합하여 자연하천의 유량을 추정하는 방법을 제시하였다. 또한 유속면적법을 이용하여 획득된 유량측정 성과와 본 연구에서 추정한 유량을 비교□검토하였다.
제안 방법
- 자연하천에서는 최대유속이 발생하는 지점에서 유속을 직접 측정하기 어려우며 실측유속 자료가 있어도 최대유속의 발생위치를 정확하게 알기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 최대유속 발생위치의 초기 추정치로 흐름단면 도심(centroid)의 y좌표를 채택하였다. Chiu의 유속분포로부터 계산된 무차원유속분포와 실측자료를 비교하여 추정치에 오차가 있는 경우에는 무차원 유속분포의 최대유속 발생위치를 실측자료에 일치되도록 βj를 조정하였다.
- 본 연구에서는 Chiu(1987, 1988)가 제시한 엔트로피 개념의 무차원 유속분포와 최대유속 추정을 결합하여 자연하천의 유량을 추정하는 방법을 제시하였다. 또한 유속면적법을 이용하여 획득된 유량측정 성과와 본 연구에서 추정한 유량을 비교□검토하였다. 본 연구에서 도출한 결론은 다음과 같다.
- Chiu and Chiou(1986)는 매개변수를 산정하기 위하여 인공수로에서 하폭과 수심, 조도계수를 변화시켜 실험과 모의를 실시하였다. 매개변수를 가정하여 모의된 값과 측정된 실험값을 반복□비교하여 조정함으로써 매개변수를 산정하였다. 산정된 매개변수의 범위는 각각 다음과 같이 제시되어 있다.
- 본 연구에서는 Chiu가 제안한 엔트로피 유속분포식을 이용하여 자연하천의 무차원 유속분포를 모의하였다. 무차원 유속분포와 실측유속을 이용하여 최대유속을 추정하였다. 추정된 최대유속을 무차원 유속분포에 대입하여 단면 전체에 대한 유속분포를 추정하여 유량을 산정하였다.
- 본 연구에서 대상으로 하는 자연하천은 Chiu and Chiou(1986)가 제시한 조건에 의하면 ϵ = 0을 초기치로 사용하였으며 실측유속과 무차원 유속분포를 비교하여 조정하였다. δj와 δz는 0을 적용하였다.
- 하지만 하천 단면의 2차원 유속분포에 관한 실측자료가 적었던 관계로 자연하천의 유속분포를 모의하는 연구에는 거의 적용되지 못하였다. 본 연구에서는 Chiu가 제안한 엔트로피 유속분포식을 이용하여 자연하천의 무차원 유속분포를 모의하였다. 무차원 유속분포와 실측유속을 이용하여 최대유속을 추정하였다.
- 본 연구에서는 각 지점의 최대유속과 측정유량을 단면적으로 나눈 평균유속을 이용하여 Φ(M)을 산정하였으며, 산정된 Φ(M)과 상관관계는 Fig. 3에 제시하였다.
- 유량의 검토는 측정 장비와 유역별로 구분하여 실시하였다. Price-AA 유속계를 이용한 유량측정의 경우 Fig.
- 본 연구에서 개발된 유량산정 방법의 적용성을 검토하기 위하여 2005년도 유량측정성과(한강홍수통제소, 2006; 낙동강홍수통제소, 2006; 금강홍수통제소, 2006; 영산강홍수통제소, 2006)에 나타나 있는 유량자료를 이용하였다. 유속면적법으로 산정한 전통적인 유량측정성과와 본 연구에서 개발된 지표유속법을 이용하여 산정된 유량을 비교□검토하여 개발된 유량산정 방법의 적용성을 검토하였다.
- 무차원 유속분포와 실측유속을 이용하여 최대유속을 추정하였다. 추정된 최대유속을 무차원 유속분포에 대입하여 단면 전체에 대한 유속분포를 추정하여 유량을 산정하였다. 본 연구에서 개발된 유량산정 방법의 적용성을 검토하기 위하여 2005년도 유량측정성과(한강홍수통제소, 2006; 낙동강홍수통제소, 2006; 금강홍수통제소, 2006; 영산강홍수통제소, 2006)에 나타나 있는 유량자료를 이용하였다.
대상 데이터
- 2005년도유량측정성과(한강홍수통제소, 2006; 낙동강홍수통제소, 2006; 금강홍수통제소, 2006; 영산강홍수통제소, 2006) 중 불확실도가 낮은 자료를 대상으로 분석하였다. 분석 지점은 Table 1에 나타낸 바와 같이 18개 지점이며 측정시간의 누락, 부자의 흘수 미기재, 흐름분리 등의 문제가 있는 자료를 제외한 512개의 자료를 분석하였다.
- 추정된 최대유속을 무차원 유속분포에 대입하여 단면 전체에 대한 유속분포를 추정하여 유량을 산정하였다. 본 연구에서 개발된 유량산정 방법의 적용성을 검토하기 위하여 2005년도 유량측정성과(한강홍수통제소, 2006; 낙동강홍수통제소, 2006; 금강홍수통제소, 2006; 영산강홍수통제소, 2006)에 나타나 있는 유량자료를 이용하였다. 유속면적법으로 산정한 전통적인 유량측정성과와 본 연구에서 개발된 지표유속법을 이용하여 산정된 유량을 비교□검토하여 개발된 유량산정 방법의 적용성을 검토하였다.
- 2005년도유량측정성과(한강홍수통제소, 2006; 낙동강홍수통제소, 2006; 금강홍수통제소, 2006; 영산강홍수통제소, 2006) 중 불확실도가 낮은 자료를 대상으로 분석하였다. 분석 지점은 Table 1에 나타낸 바와 같이 18개 지점이며 측정시간의 누락, 부자의 흘수 미기재, 흐름분리 등의 문제가 있는 자료를 제외한 512개의 자료를 분석하였다. 유량측정 장비로 수위가 낮을 경우에는 Price-AA 유속계, 수위가 높을 경우에는 부자가 사용되었다.
성능/효과
- 1) 본 연구에서 구한 추정유량은 기존 유속면적법을 이용하여 실측한 하천유량과 매우 유사한 값을 보이고 있다.
- 2) Price-AA를 이용하여 유속을 측정할 경우 측선의 수심에 따라 정해진 지점에서 유속을 측정하여야 하는데, 본 연구에서 제시한 방법을 이용하면 임의의 측선과 측점에서 유속을 측정하여도 비교적 정확한 유량계산이 가능하다.
- 3) 유속이 매우 작은 경우 또는 홍수터에 흐름이 발생하면서 극단적으로 수심이 얕고 하폭이 크며 단면형상이 복잡해지는 경우에는 유속면적법과 본 연구에서 제시한 방법으로 계산한 유량 간에 차이가 클 수 있다.
- 4) 주 수로가 2개로 나누어지거나 흐름단면의 비대칭성이 심한 경우에는 엔트로피 개념의 무차원 유속분포가 실제 자연하천의 흐름분포에서 멀어지기 때문에 본 연구에서 제시한 방법을 적용할 수 없다.
- (2004)은 엔트로피 유속분포식의 주요 매개변수인 M값이 이탈리아 Tiber 강의 4개 관측소에서 거의 일정하게 나타난다는 점을 밝힌 바 있다. 또한 Chiu의 유속분포를 활용할 경우 연직방향 유속분포를 합리적으로 추정할 수 있다는 점을 보여주었다.
- 부자에 의한 유속을 위치별로 분포시킬 수 있는 방법이 개발된다면 개선될 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구에서는 부자를 이용한 경우보다는 Price-AA 유속계를 사용한 경우에 결정계수가 컸으며, 실측유속 자료가 많을수록 결정계수가 높아지는 경향을 보였다.
- 이러한 결과가 나타내는 바는 본 연구에서 개발된 유량산정 기법을 이용하여 유속계에 의한 유량측정결과를 검증하거나, 유량을 산정할 수 있음을 시사하고 있다. 부자를 이용한 유량측정자료의 적용에는 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 8과 9에서 가로축은 유속면적법에 의한 측정유량 Q, 세로축은 추정유량 Q*이다. 측정유량에 대한 추정유량 Q*와 더불어 추정유량의 95 % 신뢰도 구간 및 측정유량과 추정유량의 1:1 직선과 1:1 직선의 95 % 신뢰도 구간(절선)도 도시하였다. Figs.
후속연구
- 엔트로피 개념에 의한 무차원 유속분포를 결정하기 위해서는 여러 가지 매개변수를 추정하여야 하는데 M값을 제외하고는 대부분 매개변수가 수리실험 결과로부터 도출된 것으로 자연하천의 유속자료를 이용하여 이들 매개변수의 추가적인 보완이 필요하다. 도출된 결과로부터 제한사항에 해당되지 않는 자연하천에서는 기존의 방법보다 적합한 무차원 유속분포를 구할 수 있으며, 본 연구에서 제시한 방법을 이용하여 유량산정의 정확도를 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 이러한 결과가 나타내는 바는 본 연구에서 개발된 유량산정 기법을 이용하여 유속계에 의한 유량측정결과를 검증하거나, 유량을 산정할 수 있음을 시사하고 있다. 부자를 이용한 유량측정자료의 적용에는 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 7에서 가운데 부분의 추정 유속이 최대유속에 가깝게 나타나는데 이는 부자의 흘수심까지 동일한 유속을 적용하였기 때문이다. 부자에 의한 유속을 위치별로 분포시킬 수 있는 방법이 개발된다면 개선될 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구에서는 부자를 이용한 경우보다는 Price-AA 유속계를 사용한 경우에 결정계수가 컸으며, 실측유속 자료가 많을수록 결정계수가 높아지는 경향을 보였다.
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