[논문]하도 합류부의 정류.부정류해석에 따른 수리학적 변화 특성 분석

안승섭; 임동희; 박노삼; 곽태화

doi:10.5322/jes.2008.17.9.957

[국내논문] 하도 합류부의 정류.부정류해석에 따른 수리학적 변화 특성 분석
Hydraulic Behavior and Characteristic Analysis by Steady & Unsteady Flow Analysis of Natural Stream 원문보기

한국환경과학회지 = Journal of the environmental sciences, v.17 no.9, 2008년, pp.957 - 968

안승섭 (경일대학교 건설정보공학과) , 임동희 (한국건설기술연구원 수문연구실) , 박노삼 (경일대학교 토목공학과) , 곽태화 (경일대학교 토목공학과 대학원)

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to analyze the characteristics of hydraulic behavior of the natural channel flow according to the temporal classification mode, and thus propose the hydraulic analysis method for future channel design. For analysis, the temporal flow characteristics of the channel section was divided into the steady flow and the unsteady flow. For hydraulic analysis, the HEC-RAS model, which is a one-dimensional numerical analysis model, and the SMS-RAM2 model, which is a two-dimensional model, were used and the factors used for analysis of hydraulic characteristics were flood elevation and flow rate. The flow state was analyzed on the basis of the one-dimensional steady flow and unsteady flow for review. In the unsteady flow analysis the flow rate changed by $(-)0.16%{\sim}(+)0.26%$, and the flood elevation varied by $(-)0.35%{\sim}(+)0.51%$ as compared to the values in the steady flow analysis. Given these results, in the one-dimensional flow analysis based on the unsteady flow the flood elevation and flow rate were greater than when the analysis was done on the basis of the steady flow. The flow state was analyzed on the basis of the two-dimensional steady flow and unsteady flow. In the unsteady flow analysis the flow rate varied by $(-)0.16%{\sim}(+)1.08%$, and the flood elevation changed by $(-)0.24%{\sim}(+)0.41%$ as compared to the values in the steady flow analysis. Given these analysis results, in the two dimensional flow analysis based on the unsteady flow, the flood elevation and flow rate were greater than when the analysis was done on the basis of the steady flow.

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문제 정의

부정류 해석을 통한 수리학적 특성을 검토하여 수치해석을 실시하였다. 이를 기준으로 하여 도시하천 합류부에 대한 분석을 통해 도심부를 통과하는 중요하천이면서 자연 및 생태 경관을 보존하기 위해 1980년 4월 상수원보호구역으로 지정된 경상북도 경산시 하양읍에 위치한 금호3교에서부터 대구광역시 동구에 위치한 아양교 까지를 대상으로 하여 하도의 수리 학적 특성을 분석을 통하여 하천 설계 시 도움이 되고자 한다.
본 연구에서는 실측 검증을 통한 모의검증 결과 Table 1과 같이 적정 매개변수의 추정을 하여 RMA2 에 대해 적용하여 수리특성을 파악하기 위하여 분석을 실시하였다.

가설 설정

하상의 조도에 의한 난류의 혼합으로 인하여 연직(수직) 방향의 속도는 균일한 유속분포를 가진다.
① 유체는 비압축성이며 일정한 밀도를 가진다.

제안 방법

이용하여 정류 . 부정류 해석을 통한 수리학적 특성을 검토하여 수치해석을 실시하였다. 이를 기준으로 하여 도시하천 합류부에 대한 분석을 통해 도심부를 통과하는 중요하천이면서 자연 및 생태 경관을 보존하기 위해 1980년 4월 상수원보호구역으로 지정된 경상북도 경산시 하양읍에 위치한 금호3교에서부터 대구광역시 동구에 위치한 아양교 까지를 대상으로 하여 하도의 수리 학적 특성을 분석을 통하여 하천 설계 시 도움이 되고자 한다.
본 연구에서는 실제 호우사상을 대상으로 모델 매개변수를 검증한 후 시간적 변화에 따른 흐름특성 분석을 실시하였으며, 연구대상지역의 경계조건으로는 상류부의 유량조건은 금호강 하천정비 기본계획에서 검토된 빈도별 홍수량 및 홍수 수문곡선을 결정하였으며, 하류부의 수위조건은 금호강의 배 수위 계산을 통하여 검토된 빈도별 홍수위를 이용하였다.
0.034, 난류교환계수 2000N-s/m!, 격자크기 25 mx30 m, Computation Maximum Time 40시간, Computation Time-step 0.5시간, Coriolis forces latitude 0, Density 1000 kg/m‘으로 적용하였으며, 매개변수 검증을 위한 실즉값은 건설교통부 낙동강홍수통제소에서 발행한 낙동강 수계(금호강)유량측정조사 보고서(2002.12)의 자료 중 4개의 호우사상에 대해 검증을 실시하였다.
본 연구에서는 일차원 수리해석모형인 HEC-RAS 와 이차원 수리 해석모형 인 SMS-RMA心를 이용한 자연 하도 합류부에서 수리학적 거동특성을 분석을 실시하였다.

대상 데이터

본 연구의 대상지역은 금호강 본류하도 중에서 합류부의 지형조건이 비교적 양호하고 수문 자료 조건이 양호한 동촌수위표지점에서 안심교 상류방향 10.678 km까지로 하였으며, 하도구간은 남천천 합류지 점 에서 상류방향으로는 금호교까지 3.042 km 이고 하류방향으로는 아양교 수위관측소까지 7.636 km까지이며, 지류의 하도구간은 2.303 km에 대하 여수리 학적 특성을 분석하였다.
본 연구의 대상지역은 금호강 본류하도 중에서 합류부의 지형조건이 비교적 양호하고 수문 자료 조건이 양호한 동촌수위표지점에서 안심교 상류방향 10.678 km까지로 하였으며, 하도구간은 남천천 합류지 점 에서 상류방향으로는 금호교까지 3.042 km 이고 하류방향으로는 아양교 수위관측소까지 7.636 km까지이며, 지류의 하도구간은 2.303 km에 대하 여수리 학적 특성을 분석하였으며, Fig. 6과 같이 SMS-RMA2 모형을 이용하여 연구대상지역의 격자망을 구성하였다.

이론/모형

본 연구에서는 자연하도 합류부에서 일차원 해석모형인 HEC-RAS와 이차원해석 모형인 SMS-RMA2 모형을 이용하여 정류 . 부정류 해석을 통한 수리학적 특성을 검토하여 수치해석을 실시하였다.
본 연구에서 사용된 일차원 수리해석모형인 HEC-RAS 모형은 자연하천이나 인공하천에서의 정상류 . 비정상류 상태의 점변류 수면 곡선을 계산하기 위해 원도우 환경에서 서로 상호작용 할 수 있도록 설계된 통합시스템이다.
본 연구에서는 합류부 흐름특성에 대한 수치해석을 위하여 RMA-2(Resource Management Associates model 2) 모형을 이용하였다. 이 모형은 2차원 질량 연속방정식과 2차원 Navier-Stokes의 힘-운동량 방정식에 재한 Reynolds 형태로 표시된다.
여러 가지의 항이 증가된 난류 유체의 내부 전단응력, 또는 Reynolds 때문에, Navier-stokes 방정식의 점성력 항에 첨가된다. 따라서, 이러한 수정들은 Navier-Stokes 방정식의 Reynolds 형태로 나타난다,
따라서, 수치적으로 해석할 수 있는 Reynolds 방정식을 유도하기 위해서 Boussinesq의 접근법을 이용하였다. Reynolds의 방정식은 요소의 유체질량으로 유도될 수 있으나, 실제 흐름에 대한 적용을 위해서는 물리적 흐름의 제약조건을 반영하는 Coriolis, 바람에 의한 전단력 및 경계마찰을 나타내는 외부인력 항 등이 고려되어야 한다.
일차원 흐름해석모형인 HEC-RAS를 이용하여 정류 . 부정류 해석모의를 실시한 결과 연구의 대상 지역의 유속 및 흥수위의 변화를 비교한 결과 Fig.
이차원 흐름해석모형인 SMS-RMA心를 이용하여 정류 . 부정류 해석모의를 실시한 결과 연구의 대상 지역의 유속 및 홍수위의 변화를 비교한 결과 Fig.

성능/효과

이러한 매개변수의 적용을 통한 검증결과 수위는 (+)2.63%~(-)2.70%의 차이를 보인 것으로 분석되었으며, 유속은 (+)1.95%~(-)2.68%의 차이를 보이는 것으로 분석되었다.
부정류 분석 방법 변화를 통한 유속 및 홍수위 분석 결과 유속은 (+)10.32~(-)6.81%정도 높게 분석되었으며, 평균 1.65%정도 높게 분석되었다. 홍수위 분석 결과는 (+)0.
65%정도 높게 분석되었다. 홍수위 분석 결과는 (+)0.35%~(-)0.51%까지의 변화가 보인 것으로 분석되었으며, 평균 0.07%정도 높게 분석되었다. 특히, 합류부 주변에서 4.
특히, 대체적으로 정류흐름에 비해 유량변화 특성 고려가 가능한 부정류의 흐름에서 유속이 더 빠르게 나타났으며, 홍수위 또한 더 높게 나타난 것으로 분석되었다.
부정류 분석 방법 변화를 통한 유속 및 홍수위 분석 결과 유속은 (+)10.12%~(-)6.72%까지의 변화를 보인 것으로 분석되었으며, 평균 2.01%정도 높게 분석되었다. 홍수위 분석 결과는 (+)0.
09%정도 높게 분석되었다. 또한 1차원해석과 동일하게 합류부 주변에서 4.62 m/sec의 최대 유속이 나타나는 것으로 분석되었으며, 홍수위 변화폭 또한 줄어드는 것으로 분석되었다.
이상의 결과로 볼 때 정류해석에 비해 유량 변화 특성 고려가 가능한 부정류 해석 시 대체적으로 값들이 크게 분석되었으며, 1차원적 해석에 비해 하천 단면 특성고려가 가능한 2차원 해석이 좀 더 크게 분석됨을 알 수 있었다.
선행된 최적매개변수의 추정을 토대로 HEC-RAS 와 SMS-RMA2 모형의 정류해석 및 부정류 해석을 실시하여 그 결과를 비교분석한 결과 흐름 상태를 1차원 정류 및 부정류 흐름으로 고려하여 검토한 결과, 정류 해석에 비해 유량변화 특성 고려가 가능한 부정류 해석시 유속은 (+)10.32~(-)6.81%의 증감을 보인 것으로 나타났으며 홍수위는 (+)0.35%~ (-)0.51%의 증감변화가 나타났다. 이러한 분석 결과로 볼 때 1차원 흐름에서는 대체적으로 유량변화 특성 고려가 가능한 부정류로 해석할 경우가 정류로 해석할 경우에 비하여 홍수위와 유속이 크게 나타난 것으로 분석되었으며, 흐름 상태를 2차원 정류 및 부정류 흐름으로 고려하여 검토한 결과, 정류 해석에 비해 부정류 해석시 유속은 (+)10.
51%의 증감변화가 나타났다. 이러한 분석 결과로 볼 때 1차원 흐름에서는 대체적으로 유량변화 특성 고려가 가능한 부정류로 해석할 경우가 정류로 해석할 경우에 비하여 홍수위와 유속이 크게 나타난 것으로 분석되었으며, 흐름 상태를 2차원 정류 및 부정류 흐름으로 고려하여 검토한 결과, 정류 해석에 비해 부정류 해석시 유속은 (+)10.12%~ (-)6.72%의 증감을 보인 것으로 나타났으며 홍수위는(+) 0.24%~(-)0.45%의 증감변화가 나타났다. 이러한 분석결과로 볼 때 2차원 흐름에서는 대체적으로 유량변화 특성 고려가 가능한 부정류로 해석할 경우가 정류로 해석할 경우에 비하여 홍수위와 유속이 크게 나타난 것으로 분석되었다.
따라서, 하도설계 및 수리학적특성 분석을 위해서는 홍수시 흐름 특성을 충분히 반영할 수 있는 2 차원 부정류로 검토하는 것이 적합할 것으로 판단된다.
홍수위 분포 분석 결과 Fig. 9에서 보는 바와 같이 정류해석에 비해 유량변화 특성 고려가 가능한 부정류 해석인 Fig. 10에서의 홍수위분포가 대체적으로 평균 0.22 이정도 높게 분포됨을 알 수 있었다. 각 구간별 홍수위분석결과는 Table 3과 같다.

참고문헌 (8)

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장창례, 김정곤, 고익환, 이배성, 2006, 합류부에서 흐름 및 하상변동 수치모의(금강과 미호천), 한국수 자원학회 2006년 학술발표회 논문집, 1621-1625
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안승섭, 임동희, 서명준, 이효정, 2008, 하도 합류부 의 수리학적 특성을 고려한 RMA2 모형 매개변수의 민감도 분석, 한국환경과학회지, 17(7), 783-793

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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