본 연구에서는 수리모형실험을 이용하여 경사 위어의 수리특성을 분석하였으며, 설계조건을 다양하게 고려 할 수 있도록 다중회귀분석을 통해 유량계수식을 제시하였다. 또한, 제시된 유량계수식을 이용하여 경사 위어의 효과적인 설계에 기여하는데 본 연구의 목적이 있다. 경사 위어는 전폭 위어보다 상류 수면형이 일정 하였으며, 경사 위어 설치각이 증가할수록 수심 유지 효과가 컸다. 이러한 결과로, 전폭 위어보다 마루길이가 증가한 경사 위어는 상류 수위를 일정하게 유지시켜 운하 시스템에 효과적으로 이용 가능할 것이다. 단순회귀분석에 의해 제시된 유량계수식은 적용성이 있는 것으로 나타났으나, 각도에 따른 산정에 제약성을 가졌다. 그러므로, 다양한 각도에 대해 직접적으로 유량계수를 산정하기 위해, 다중회귀분석에 의한 유량계수식을 제시하였다. 제시된 식은 결정계수($R^2$), 잔차의 합, MAPE 분석을 통해 검증 하였으며, 경사 위어의 설계에 적용 가능 할 것이다.
본 연구에서는 수리모형실험을 이용하여 경사 위어의 수리특성을 분석하였으며, 설계조건을 다양하게 고려 할 수 있도록 다중회귀분석을 통해 유량계수식을 제시하였다. 또한, 제시된 유량계수식을 이용하여 경사 위어의 효과적인 설계에 기여하는데 본 연구의 목적이 있다. 경사 위어는 전폭 위어보다 상류 수면형이 일정 하였으며, 경사 위어 설치각이 증가할수록 수심 유지 효과가 컸다. 이러한 결과로, 전폭 위어보다 마루길이가 증가한 경사 위어는 상류 수위를 일정하게 유지시켜 운하 시스템에 효과적으로 이용 가능할 것이다. 단순회귀분석에 의해 제시된 유량계수식은 적용성이 있는 것으로 나타났으나, 각도에 따른 산정에 제약성을 가졌다. 그러므로, 다양한 각도에 대해 직접적으로 유량계수를 산정하기 위해, 다중회귀분석에 의한 유량계수식을 제시하였다. 제시된 식은 결정계수($R^2$), 잔차의 합, MAPE 분석을 통해 검증 하였으며, 경사 위어의 설계에 적용 가능 할 것이다.
This study examined hydraulic characteristics on diagonal weirs with hydraulic experiment and presented a discharge coefficient equation utilizing multiple regression analysis for various design conditions. This study had a object in designing efficiently diagonal weirs utilizing this equation. Diag...
This study examined hydraulic characteristics on diagonal weirs with hydraulic experiment and presented a discharge coefficient equation utilizing multiple regression analysis for various design conditions. This study had a object in designing efficiently diagonal weirs utilizing this equation. Diagonal weirs maintained uniformly upstream water level than rectangular suppressed weirs. Also, as installation degrees of diagonal weirs increased, diagonal weirs increased maintenance effects of a upstream water level. Because of these characteristics, diagonal weirs were suitable to canal system. This study presented discharge coefficient equations for diagonal weirs utilizing simple regression analysis. But, these equations are some restrictions on degrees. Therefore, this study presented an equation to estimate directly discharge coefficients to various degrees utilizing multiple regression analysis. This equation was verified by making use of analyses of $R^2$, the sum of residuals, MAPE. Therefore, this equation is enable to make good use of a design in diagonal weirs.
This study examined hydraulic characteristics on diagonal weirs with hydraulic experiment and presented a discharge coefficient equation utilizing multiple regression analysis for various design conditions. This study had a object in designing efficiently diagonal weirs utilizing this equation. Diagonal weirs maintained uniformly upstream water level than rectangular suppressed weirs. Also, as installation degrees of diagonal weirs increased, diagonal weirs increased maintenance effects of a upstream water level. Because of these characteristics, diagonal weirs were suitable to canal system. This study presented discharge coefficient equations for diagonal weirs utilizing simple regression analysis. But, these equations are some restrictions on degrees. Therefore, this study presented an equation to estimate directly discharge coefficients to various degrees utilizing multiple regression analysis. This equation was verified by making use of analyses of $R^2$, the sum of residuals, MAPE. Therefore, this equation is enable to make good use of a design in diagonal weirs.
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문제 정의
이에 따라, 본 연구에서는 수리모형실험을 이용하여 경사 위어의 수리특성을 분석하였고, 설계조건을 다양하게 고려 할 수 있도록 다중회귀분석을 통해 유량계수식을 제시하였다. 또한, 제시된 유량계수식을 이용하여 경사 위어의 효과적인 설계에 기여하는데 본 연구의 목적이 있다.
가설 설정
이 구조물은 수로 분수공(Turnout)에서도 많은 유량을 다양한 곳에 적절하게 배분 시킬 수 있고, 상류 수위를 일정한 상태로 유지시켜 운하 시스템에서 효과적으로 이용 가능 할 것이다. 또한, 어도의 유속을 저하시키고, 용량을 증대시켜 어류의 상류 이동에도 효과적일 것이다.
본 연구에서는 수리모형실험의 주요인자를 결정하기 위하여 모형의 크기 및 유속은 점성과 표면장력의 영향을 무시할 정도의 충분한 크기로 가정하였으며, 정해진 인자들과 그 인자들의 차원을 Table 1에 나타내었다.
제안 방법
동일 수로폭을 가진 전폭 위어와 경사 위어의 각도별 유량을 비교 분석해 보았다. Fig. 6에 도시된 바와 같이 경사위어의 유량 Qd를 전폭 위어의 유량 Q로 나누어 무차원하여 정량적으로 비교 분석하였고, Table 3은 H0/P에 따라 전폭 위어와 경사 위어의 월류량비 Qd/Q를 나타낸 것이다. 그 결과, H0/P=1.
경사 위어를 월류하는 흐름 특성은 정확하게 수학적으로 설명이 불가능함에 따라, 본 연구에서는 경사위어의 수리 특성을 분석하여 수면형과 정확한 유량을 측정하고, 유량계수를 산출하기 위해 수리모형실험을 실행하였다.
경사 위어의 수면형은 위어 상류 수면형과 위어부 수면형으로 나누어 분석하였다. Fig.
경사 위어의 표준 유속 측정점은 위어로부터 보통 월류수위의 3∼10배 상류에서 측정하게 되는데, 위어시작부에서 상류로 600mm(최대 월류수심의 4배) 및 1500mm(최대 월류수심의 10배)에서 유속계를 사용하여 측정하였다.
4) 단순회귀분석에 의해 제시된 유량계수식은 적용성이 있는 것으로 나타났으나, 각도에 따른 산정에 제약성을 가졌다. 그러므로, 다양한 각도에 대해 직접적으로 유량계수를 산정하기 위해, 다중회귀분석에 의한 유량계수식을 제시하였다. 제시된 식은 결정계수(R2), 잔차의 합, MAPE 분석을 통해 검증 하였으며, 경사 위어의 설계에 적용 가능 할 것이다.
동일 수로폭을 가진 전폭 위어와 경사 위어의 각도별 유량을 비교 분석해 보았다. Fig.
3에 나타내었다. 또한 경사 위어를 월류하는 유량은 수로에 설치된 유량측정장치를 통해 관측하였다.
본 연구에서는 수리모형실험을 통하여 경사 위어의 설치 각도에 따른 흐름 특성과 월류량을 분석하여 유량계수를 산정하였고, 산정된 유량계수는 다중회귀분석을 통해 유량계수식으로 제시하였다. 경사 위어의 수리모형 실험 결과 및 유량계수식을 비교 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 수리모형실험의 수리학적 분석을 유도하기 위해 관련 이론으로 경사위어의 유량계수식과 차원해석을 적용하였다.
수위는 포인트게이지 및 피에조미터를 이용하여 위어 시작부 상류로 각 600mm, 1200mm, 1500mm에서 측정하였고, 경사 위어부의 양 끝단 및 중앙부를 측정하였다. 실험수로의 측정부는 Fig.
5)에서 작은 Cd값을 가짐에도 불구하고, 고수두에서 큰 Cd값이 유지되거나 제어하기 쉽다. 위어 높이(P)는 표면장력 효과가 발생하지 않는 최소 높이인 15cm를 선택하였고, 연직 형상비인 수로폭과 위어높이 비(B/P)는 Taylor(1968)가 수맥간섭의 영향을 최소화하기 위해 2.0 이상을 제시해 수로폭을 30cm로 실험을 수행하였다. 마루 두께(t)도 Tullis et al.
연구 동향을 분석한 결과, 경사위어의 수리 특성과 유량계수에 관한 체계적인 연구가 미흡한 실정이다. 이에 따라, 본 연구에서는 수리모형실험을 이용하여 경사 위어의 수리특성을 분석하였고, 설계조건을 다양하게 고려 할 수 있도록 다중회귀분석을 통해 유량계수식을 제시하였다. 또한, 제시된 유량계수식을 이용하여 경사 위어의 효과적인 설계에 기여하는데 본 연구의 목적이 있다.
데이터처리
단순회귀분석에 의한 유량계수식은 실험에 의해 수행된 15° 각도별 경사 위어에서만 사용 가능하다. 그러므로, 다양한 설계조건에서 사용가능하도록 여러 인자를 고려하여 다양한 조건에서 유량계수를 산정할 수 있도록 다중회귀분석을 실시하였다.
단순회귀분석은 다양한 회귀모형을 비교하여, 결정계수(R2)가 높고 잔차의 합이 낮은 3차방정식(Cubic)을 채택하여 적용성을 검증하였다. 채택된 회귀식의 회귀계수, 결정계수, 잔차의 합은 Table 4에 나타내었고, 회귀식은 Eq.
287로 신뢰성이 떨어지는 것으로 분석되었다. 이는 모형의 곡선 형태가 수심별 자료를 반영하지 못하는 것으로 판단하여, 수심의 구간을 나누어 다중회귀분석을 실시하였다. H0/P=0.
차원 해석 및 기존 연구를 통해 유량계수에 영향을 미치는 인자를 산정하고, 무차원하여 수두비(H0/P)와 위어 마루길이와 수로폭의 비(L/B)에 의해 다중회귀분석을 실시하였다. 수행한 다양한 형태의 다중회귀식은 Table 5에 나타내었다.
성능/효과
1) 경사 위어는 전폭위어보다 상류 수면형이 일정 하였으며, 경사 위어 설치각이 증가할수록 수심 유지 효과가 컸다. 이러한 결과로, 전폭 위어보다 마루길이가 증가한 경사 위어는 상류 수위를 일정하게 유지시켜 운하 시스템에 효과적으로 이용 가능할 것이다.
2) 모든 각도에서 경사위어 시점부 측벽의 월류수심이 높게 나타났다. 이러한 결과는 벽면효과에서 기인한 것으로 수리학적으로 불리한 영향을 나타낼 것으로 분석되었다.
3) 경사 위어는 월류수심이 낮아질수록 월류량비 Qd/Q가 L/B에 근접하였고, H0/P=0.5이하부터 월류량비 증가율이 커져 낮은 월류수심에서 효율적인 것으로 나타났다. 이러한 결과로, 용량 증대가 필요한 수공구조물 및 관개용수 시설에 적용 가능할 것이다.
4) 단순회귀분석에 의해 제시된 유량계수식은 적용성이 있는 것으로 나타났으나, 각도에 따른 산정에 제약성을 가졌다. 그러므로, 다양한 각도에 대해 직접적으로 유량계수를 산정하기 위해, 다중회귀분석에 의한 유량계수식을 제시하였다.
MAPE를 분석한 결과, 전폭 위어의 경우 MAPE=3.64%를 나타내었고, 경사 위어 15°, 30°, 45°, 60°, 75°의 경우는 각각 MAPE=2.56%, 1.46%, 2.81%, 2.86%, 7.00%로 모든 각도에서 10%이내로 나타났다.
989배까지 더 월류 하였다. 경사 위어는 월류수심이 낮아질수록 월류량비 Qd/Q는 L/B에 근접하였고, H0/P=0.5이하부터 월류량비 증가율이 커져 낮은 월류수심에서 효율적인 것으로 나타났다. 이러한 결과로 용량 증대가 필요한 수공 구조물 및 관개시설에 적용 가능 할 것이다.
5, 3, 2 mm로 각이 증가할수록 감소하였다. 경사 위어는 전폭 위어보다 상류 수면형이 일정 했고, 경사 위어 설치각이 증가할수록 수심유지 효과가 컸다. 이러한 결과로, 전폭 위어보다 마루길이가 증가한 경사 위어는 상류 수위를 일정하게 유지시켜 운하 시스템에서 효과적으로 이용 가능할 것이다.
그 결과, H0/P=1.0에서는 경사 위어 15° 경우에 전폭 위어와 비교하여 거의 유사 했고, 75°의 경우, 약 1.636배 유량이 더 월류 하였다.
후속연구
그러므로, Eq. (8) and (9)의 다중회귀분석을 통한 유량계수식은 결정계수(R2), 잔차의 합, MAPE 분석을 통해 검증 하였으며, 다양한 현장여건 및 설계조건을 고려할 수 있어 경사 위어의 설계에 적용 가능 할 것이다.
이러한 현상은 경사 위어의 기울기 방향에 따라 흐름 저항이 긴 쪽으로 편중되면서 발생되는 것으로 추측되며 본 연구에서는 경사위어의 벽면효과로 정의하였다. 경사위어에서 발생되는 벽면효과는 관련 수공구조물에 수리학적으로 불리한 영향을 나타낼 것으로 예측되며, 이에 대한 대책으로 위어 마루에 좌우 월류수심 차만큼의 횡단경사를 주거나, 시점부의 일부 개방 또는 측면에 직선 구간을 두는 대책 등이 유용할 것이다. 또한 직선구간을 두는 경우에는 흐름의 안정에 기여할 것으로 추측된다.
경사 위어는 마루 길이 증대를 위해 위어 설치 각도를 변형하여 동일 시간에 더 많은 유량을 월류하는 특성이 있다. 이 구조물은 수로 분수공(Turnout)에서도 많은 유량을 다양한 곳에 적절하게 배분 시킬 수 있고, 상류 수위를 일정한 상태로 유지시켜 운하 시스템에서 효과적으로 이용 가능 할 것이다. 또한, 어도의 유속을 저하시키고, 용량을 증대시켜 어류의 상류 이동에도 효과적일 것이다.
5이하부터 월류량비 증가율이 커져 낮은 월류수심에서 효율적인 것으로 나타났다. 이러한 결과로 용량 증대가 필요한 수공 구조물 및 관개시설에 적용 가능 할 것이다.
5이하부터 월류량비 증가율이 커져 낮은 월류수심에서 효율적인 것으로 나타났다. 이러한 결과로, 용량 증대가 필요한 수공구조물 및 관개용수 시설에 적용 가능할 것이다.
경사 위어는 전폭 위어보다 상류 수면형이 일정 했고, 경사 위어 설치각이 증가할수록 수심유지 효과가 컸다. 이러한 결과로, 전폭 위어보다 마루길이가 증가한 경사 위어는 상류 수위를 일정하게 유지시켜 운하 시스템에서 효과적으로 이용 가능할 것이다.
경사 위어는 전폭 위어보다 상류 수면형이 일정 했고, 경사 위어 설치각이 증가할수록 수심유지 효과가 컸다. 이러한 결과로, 전폭 위어보다 마루길이가 증가한 경사 위어는 상류 수위를 일정하게 유지시켜 운하 시스템에서 효과적으로 이용 가능할 것이다.
그러므로, 다양한 각도에 대해 직접적으로 유량계수를 산정하기 위해, 다중회귀분석에 의한 유량계수식을 제시하였다. 제시된 식은 결정계수(R2), 잔차의 합, MAPE 분석을 통해 검증 하였으며, 경사 위어의 설계에 적용 가능 할 것이다.
향후 연구 과제로, 수중 경사 위어에 대한 영향 및 경사 위어의 재폭기 효율에 의한 수질개선 효과에 대한 연구가 필요할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
위어는 무엇에 사용되어 왔는가?
위어는 가장 오래된 수공구조물의 하나로써 수위 증가, 유량 배분 및 조절, 유량 측정, 유로 방향의 전환 등에 사용되고, 관개시설에 많이 사용되어 왔다. 21세기 들어 국지성 집중호우의 발생빈도가 급증하고 가뭄과 홍수의 빈도가 증가함에 따라, 다양한 수요에 따른 효율적인 수자원 분배의 중요성이 제고되고 있다.
긴 마루를 가진 위어는 무엇에 대한 대안으로 나온 것인가?
21세기 들어 국지성 집중호우의 발생빈도가 급증하고 가뭄과 홍수의 빈도가 증가함에 따라, 다양한 수요에 따른 효율적인 수자원 분배의 중요성이 제고되고 있다. 하천수로, 배수로, 관개수로의 기존 폭에서 마루 길이(Crest Length) 확장을 위해 위어 형태를 변화시켜 수리학적으로 더욱 효과적인 위어의 개발이 요구 되었고, 이에 대한 대안으로 긴 마루를 가진 위어(Long Crested Weirs)에 대한 연구가 진행되고 있다.
경사 위어 구조물의 장점은 무엇인가?
경사 위어는 마루 길이 증대를 위해 위어 설치 각도를 변형하여 동일 시간에 더 많은 유량을 월류하는 특성이 있다. 이 구조물은 수로 분수공(Turnout)에서도 많은 유량을 다양한 곳에 적절하게 배분 시킬 수 있고, 상류 수위를 일정한 상태로 유지시켜 운하 시스템에서 효과적으로 이용 가능 할 것이다. 또한, 어도의 유속을 저하시키고, 용량을 증대시켜 어류의 상류 이동에도 효과적일 것이다.
참고문헌 (9)
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Tullis J. P., Amanian N., and Waldron D. (1995). 'Design of labyrinth spillways.' Journal of hydraulic engineering, Vol. 121, No. 3, pp. 247-255
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