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문제 정의
- 본 연구에서는 세종시 금강 구간에 설치를 계획 중인 수위유지시설로 인한 하도구간 내 수리학적 흐름특성의 변화를 분석하였으며, 이를 위해 1차원과 2차원 수치모형을 적용하여 대상구간의 200년 빈도 홍수량에 따른 수치해석을 실시하였다. 수위유지시설의 설치로 인한 수치해석 결과를 바탕으로 홍수위험으로부터 안전한 수위유지시설의 규모를 제시하는 것을 연구의 주목적으로 한다.
- 본 연구에서는 세종시 금강 구간에 설치를 계획 중인 수위유지시설로 인한 하도구간 내 수리학적 흐름특성의 변화를 분석하였으며, 이를 위해 1차원과 2차원 수치모형을 적용하여 대상구간의 200년 빈도 홍수량에 따른 수치해석을 실시하였다. 수위유지시설의 설치로 인한 수치해석 결과를 바탕으로 홍수위험으로부터 안전한 수위유지시설의 규모를 제시하는 것을 연구의 주목적으로 한다.
- 홍수위험으로부터 안전한 수위유지시설(small dam)의 규모를 제시하기 위하여 본 연구에서는 수위유지시설의 설치에 따른 하천의 수리학적 흐름특성의 변화를 분석하였으며, 1차원과 2차원 수치모형을 적용하여 시나리오별 수치해석을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
제안 방법
- 그리고 대상구간의 조도계수는 구간이 길고 자료의 한계로 인하여 “금강수계 하천정비기본계획(건설교통부, 2002)”을 이용하여 결정하였다. 대상구간은 금강 본류에서 대청댐 역조정지와 지천합류부 사이에 해당되므로 이 구간의 조도계수 값을 적용하였다. Table 2는 본 연구에서 사용한 1차원과 2차원 모형의 입력자료를 나타낸다.
- 따라서 본 연구에서는 시나리오별 홍수위를 금강수계 하천정비기본계획(건설교통부, 2002)에서 고시된 홍수위값과 FESWMS 모형에 의해 계산된 값을 비교·분석하였다.
- 본 연구에서는 대상구간 내 수공구조물이 위치하고 있는 금남교(Geumnam Bridge) 단면과 수위유지시설(Small Dam) 단면에 대하여 2차원 FESWMS 모형의 시나리오별 흐름 변화를 분석하였다. 금남교 단면에서의 흐름 변화를 살펴보면 금남교의 교각과 교각 사이에서 빠른 유속이 발생함을 알 수 있는데, 이는 교각으로 인한 통수단면적의 감소에 의한 것이라고 판단된다.
- 수위유지시설(small dam)의 설치 단면을 기준으로 상류와 하류의 주요 단면에 대하여 시나리오별 1차원 HEC-RAS와 2차원 FESWMS의 수치해석 결과를 분석하였다. Fig.
- 홍수위험으로부터 안전한 수위유지시설(small dam)의 규모를 제시하기 위하여 대상구간의 200년 빈도 홍수량에 대하여 수위유지시설의 설치 높이에 따른 하천의 수치해석을 실시하였다. 수위유지시설의 설치 높이는 금남교 하류 1.16 km 지점의 평수위(EL. 9.66 m)를 기준으로 7가지 시나리오로 설정하였으며, 1차원과 2차원 모형의 시나리오별 수치해석 결과를 대상구간의 각 단면별로 비교하여 분석하였다. 여기서 2차원 모형의 계산된 수위는 단면의 평균 수위를 의미한다.
- 홍수위험으로부터 안전한 수위유지시설(small dam)의 규모를 제시하기 위하여 대상구간의 200년 빈도 홍수량에 대하여 수위유지시설의 설치 높이에 따른 하천의 수치해석을 실시하였다. 수위유지시설의 설치 높이는 금남교 하류 1.
대상 데이터
- 1차원과 2차원 모형의 상류단 경계조건은 “금강수계 하천정비기본계획(건설교통부, 2002)”에 수록된 미호천합류후 지점의 200년 빈도 홍수량인 12,960 m3/sec를 사용하였으며, 하류단 경계조건은 대교천합류후 지점의 200년 빈도 홍수위인 EL. 23.84 m를 사용하였다. 대상구간의 상･하류단 경계조건은 세종시 예정 지역 내 금강본류 구간의 치수 계획빈도와 일관되게 설정하였다(한국토지공사, 2007).
- HEC-RAS와 FESWMS 모형을 실행하기 위한 대상구간의 지형자료(geometry data)는 “금강수계 하천정비기본계획(건설교통부, 2002)”의 종·횡단면도와 1:5,000 수치지도를 가지고 CAD 작업을 통하여 구축하였으며, 본 연구에서는 금강의 본류 중 미호천합류후 지점에서 대교천합류후 지점까지의 자료를 사용하였다.
- Table 4는 1차원과 2차원 모형의 지형자료를 나타낸다. HEC-RAS의 지형자료는 Fig. 2에서 보는바와 같이 22개 단면으로 구성되며, FESWMS의 유한요소망은 Fig. 3에서 보는바와 같이 총 9,110개의 절점(node)과 총 2,498개의 요소망(element)으로 구성되어진다. 본 연구에서는 대부분의 요소망을 사각형 요소로 구축하였으며, 삼각형 요소는 교량지점과 양안의 가장자리를 제외하곤 최소화 하였다.
- 39 km 구간으로 선정하였다. 대상구간 내 금남교에는 금남수위관측소가 위치하고 있으며, 세종시 예정 지역의 수변경관 개선 및 친수공간 조성을 위해 설치를 계획 중인 수위유지시설(small dam)의 위치는 금남교 하류 1.16 km 지점이다. Fig.
- 수치해석을 위한 대상구간은 세종시 예정지역 내 금강 본류 구간인 미호천합류후 지점에서 세종시 경계부에 해당되는 대교천합류후 지점까지 약 10.39 km 구간으로 선정하였다. 대상구간 내 금남교에는 금남수위관측소가 위치하고 있으며, 세종시 예정 지역의 수변경관 개선 및 친수공간 조성을 위해 설치를 계획 중인 수위유지시설(small dam)의 위치는 금남교 하류 1.
이론/모형
- 1차원과 2차원 모형의 상류단 경계조건은 “금강수계 하천정비기본계획(건설교통부, 2002)”에 수록된 미호천합류후 지점의 200년 빈도 홍수량인 12,960 m3/sec를 사용하였으며, 하류단 경계조건은 대교천합류후 지점의 200년 빈도 홍수위인 EL.
- 2차원 FESWMS의 입력자료인 난류환산계수 값은 사용자 지침서(User's Manual)에 제시된 Table 3을 바탕으로 결정하였으며, 일반적인 하천에서의 난류환산계수 값인 1,500 N･sec/m2를 적용하였다(Environmental Modeling Research Laboratory, 2000).
- 그리고 대상구간의 조도계수는 구간이 길고 자료의 한계로 인하여 “금강수계 하천정비기본계획(건설교통부, 2002)”을 이용하여 결정하였다.
- 본 연구에서는 수위유지시설로 인한 하도구간 내 수리학적 흐름특성의 변화를 분석하기 위하여 1차원 HEC-RAS와 SMS(Surface water Modeling System) 모형의 부모형(associate model)인 2차원 FESWMS를 사용하였다. HEC-RAS는 미육군공병단(U.
성능/효과
- (1) 대상구간의 200년 빈도 홍수량에 대하여 1차원 HEC-RAS와 2차원 FESWMS의 수치해석 결과를 바탕으로 홍수재해(flood disaster)로부터 안전한 하천설계를 위해서는 수위유지시설의 높이를 5 m 이하로 설계하는 것이 적정할 것으로 판단된다.
- (2) 1차원과 2차원 모형의 수리량을 비교･분석한 결과 1차원 HEC-RAS는 수위유지시설 하류측의 수리량을 모의하지 못하는 것으로 나타났으며, 2차원 FESWMS는 수공구조물과 그 주위의 수리량을 보다 잘 표현하는 것으로 나타났다. 이를 통해 수공구조물로 인해 지형이 복잡한 일부 단면에 한정하여 2차원 해석이 수리량을 보다 세밀하게 표현하는 것으로 생각되며, 복잡한 하도 구간의 수치해석을 수행함에 있어 1차원과 더불어 2차원 모형을 함께 적용하는 것이 효율적일 것으로 판단된다.
- 1차원 HEC-RAS 모형에 의한 시나리오별 홍수위 분석 결과 Fig. 4에서 보는바와 같이 수위유지시설의 설치 높이가 높아질수록 상류측 홍수위가 상승하는 것으로 나타났으며, 하류측 홍수위 변화는 없는 것으로 분석되었다. CASE 1~CASE 5는 계산된 홍수위가 모두 계획홍수위(designed flood water level)를 넘지 않아 200년 빈도 홍수량에 대하여 홍수로부터 안전한 것으로 분석되었다.
- 그리고 수위유지시설의 하류측 유속 변화는 없는 것으로 분석되었다. 1차원 모형은 수위유지시설 하류측의 홍수위와 유속 변화가 모두 없는 것으로 분석되어 수위유지시설 하류측의 수리량을 모의하지 못하는 것으로 나타났다. Table 7은 시나리오별 1차원 HEC-RAS의 홍수위 비교를 나타낸다.
- 2차원 FESWMS 모형에 의한 시나리오별 홍수위 분석 결과 Fig. 6에서 보는바와 같이 수위유지시설의 설치 높이가 높아질수록 상류측 홍수위가 상승하는 것으로 나타났으며, 하류측의 홍수위 변화는 직하류를 제외하곤 거의 없는 것으로 분석되었다. CASE 1~CASE 3은 계산된 홍수위가 모두 계획홍수위(designed flood water level)를 넘지 않아 200년 빈도 홍수량에 대하여 홍수로부터 안전한 것으로 분석되었다.
- 6에서 보는바와 같이 수위유지시설의 설치 높이가 높아질수록 상류측 홍수위가 상승하는 것으로 나타났으며, 하류측의 홍수위 변화는 직하류를 제외하곤 거의 없는 것으로 분석되었다. CASE 1~CASE 3은 계산된 홍수위가 모두 계획홍수위(designed flood water level)를 넘지 않아 200년 빈도 홍수량에 대하여 홍수로부터 안전한 것으로 분석되었다. 이에 반해 CASE 4~CASE 7은 계산된 홍수위가 계획홍수위를 상회하여 200년 빈도 홍수량에 대하여 홍수로부터 위험한 것으로 분석되었다.
- 4에서 보는바와 같이 수위유지시설의 설치 높이가 높아질수록 상류측 홍수위가 상승하는 것으로 나타났으며, 하류측 홍수위 변화는 없는 것으로 분석되었다. CASE 1~CASE 5는 계산된 홍수위가 모두 계획홍수위(designed flood water level)를 넘지 않아 200년 빈도 홍수량에 대하여 홍수로부터 안전한 것으로 분석되었다. 이에 반해 CASE 6과 CASE 7은 계산된 홍수위가 계획홍수위를 상회하여 200년 빈도 홍수량에 대하여 홍수로부터 위험한 것으로 분석되었다.
- 92% 사이로 나타났다. CASE 7에서 차이의 백분율이 가장 크게 나타나 수위유지시설의 설치 높이가 높아질수록 계산치의 차이가 커지는 것으로 분석되었다. 하지만 CASE 1과 CASE 7 모두 차이의 백분율이 ±2.
- 03 km 떨어진 단면(A)에서는 1차원과 2차원 모형 모두 수위유지시설 설치에 따라 수위가 상승되는 것으로 모의되었으며, 설치 높이가 높아질수록 상승량이 더 커지는 것으로 나타났다. HEC-RAS와 FESWMS의 차이가 -0.27 m ~ -0.12 m 사이로 나타나 2차원 FESWMS의 계산치가 보다 크게 모의된 것으로 분석되었다. 수위유지시설로부터 상류측으로 1.
- 16 km 떨어진 금남교 단면(B) 또한 마찬가지로 1차원과 2차원 모형 모두 수위유지시설 설치에 따라 수위가 상승되는 것으로 모의되었으며, 설치 높이가 높아질수록 상승량이 더 커지는 것으로 나타났다. HEC-RAS와 FESWMS의 차이가 0.01 m ~ 0.12 m 사이로 나타나 1차원 HEC-RAS의 계산치가 보다 크게 모의된 것으로 분석되었다.
- 41 km 떨어진 단면(C)에서 수치해석 비교 결과 Table 9를 보는바와 같이 1차원 HEC-RAS는 수위유지시설 설치에 따라 수위의 변화가 없는 것으로 나타났으며, 2차원 FESWMS는 수위가 저하되는 것으로 모의되었다. HEC-RAS와 FESWMS의 차이가 0.03 m~0.21 m 사이로 나타나 1차원 HEC-RAS의 계산치가 보다 크게 모의된 것으로 분석되었다. 유속 비교 결과 Table 10을 보는바와 같이 1차원 HEC-RAS는 수위유지시설 설치에 따라 변화가 없는 것으로 나타났으며, 2차원 FESWMS는 수위유지시설의 설치 높이가 높아질수록 빠른 유속이 발생되는 것으로 나타났다.
- 를 적용하였다(Environmental Modeling Research Laboratory, 2000). 난류환산계수 값을 1,500 N･sec/m2로 적용하였을 경우 예비모의 결과 해가 발산되지 않고 비교적 안정된 해를 얻는 것으로 나타났다.
- 금남교 단면에서의 흐름 변화를 살펴보면 금남교의 교각과 교각 사이에서 빠른 유속이 발생함을 알 수 있는데, 이는 교각으로 인한 통수단면적의 감소에 의한 것이라고 판단된다. 또한, 금남교 단면은 상･하류 단면의 하폭에 비해 비교적 일정한 일직선 하도 구간으로 원활한 흐름이 이루어진 것으로 나타났으며, 흐름의 역행이 발생되지 않는 것으로 나타났다. Fig.
- 3에서 보는바와 같이 총 9,110개의 절점(node)과 총 2,498개의 요소망(element)으로 구성되어진다. 본 연구에서는 대부분의 요소망을 사각형 요소로 구축하였으며, 삼각형 요소는 교량지점과 양안의 가장자리를 제외하곤 최소화 하였다. 수위유지시설의 폭(width)은 “행정중심복합도시 금강 및 미호천 하상변동조사(한국토지공사, 2007)”에서 계획한 값을 사용하였으며, 그 밖의 구조물(수위유지시설) 자료는 Table 5와 같다.
- 수위유지시설 단면에서의 흐름 변화를 살펴보면 수위유지시설의 설치 높이가 높아질수록 상류의 흐름은 유속이 감소되는 것으로 나타났으며, 하류의 흐름은 유속이 증가되어 흐름 교란이 발생하는 것으로 나타났다. 수위유지시설 단면은 상･하류 단면에 비해 하폭이 일정하지 않고 만곡부에 해당되는 구간으로 주수로(main channel)와 양안의 흐름 차이가 상당히 발생된 것으로 나타났다.
- 수위유지시설 단면에서의 흐름 변화를 살펴보면 수위유지시설의 설치 높이가 높아질수록 상류의 흐름은 유속이 감소되는 것으로 나타났으며, 하류의 흐름은 유속이 증가되어 흐름 교란이 발생하는 것으로 나타났다. 수위유지시설 단면은 상･하류 단면에 비해 하폭이 일정하지 않고 만곡부에 해당되는 구간으로 주수로(main channel)와 양안의 흐름 차이가 상당히 발생된 것으로 나타났다. 특히, 수위유지시설 하류부의 우안측에서는 흐름이 역행이 발생된 것을 알 수 있다.
- 수위유지시설로부터 상류측에 위치한 단면의 수치해석 비교 결과를 종합해보면 횡단구조물이 위치한 금남교 단면(B)에서는 2차원 모형의 홍수위 계산치가 1차원에 비해 작게 산정된 반면 수위유지시설로부터 5.03 km 떨어진 단면(A)을 포함한 그 외의 상류측 단면에서는 2차원 모형의 계산치가 1차원에 비해 크게 산정되는 것으로 나타났다.
- 12 m 사이로 나타나 2차원 FESWMS의 계산치가 보다 크게 모의된 것으로 분석되었다. 수위유지시설로부터 상류측으로 1.16 km 떨어진 금남교 단면(B) 또한 마찬가지로 1차원과 2차원 모형 모두 수위유지시설 설치에 따라 수위가 상승되는 것으로 모의되었으며, 설치 높이가 높아질수록 상승량이 더 커지는 것으로 나타났다. HEC-RAS와 FESWMS의 차이가 0.
- 수위유지시설로부터 하류측에 위치한 단면(C)의 수치해석 비교 결과를 종합해보면 1차원 HEC-RAS는 수위유지시설 하류측의 홍수위와 유속 변화가 모두 없는 것으로 분석되어 수위유지시설 하류측의 수리량을 모의하지 못하는 것으로 나타났다. 이에 반해 2차원 FESWMS는 수위유지시설의 설치 높이가 높아질수록 하류측에 빠른 유속이 발생된 것으로 분석되어 수공구조물 설치에 따른 흐름특성의 변화를 보다 잘 표현하는 것으로 나타났다.
- 이에 반해 2차원 FESWMS는 수위유지시설의 설치 높이가 높아질수록 하류측에 빠른 유속이 발생된 것으로 분석되어 수공구조물 설치에 따른 흐름특성의 변화를 보다 잘 표현하는 것으로 나타났다. 수위유지시설을 기준으로 상류와 하류 단면에서 1차원과 2차원 수치해석 비교 결과를 종합적으로 견주어볼 때 수공구조물이 설치된 일부 단면에 한정하여 2차원 해석이 1차원에 비해 수리량을 보다 세밀하게 표현하는 것으로 분석되었다.
- 그리고 수위유지시설의 하류측 유속 변화는 직하류를 제외하곤 거의 없는 것으로 분석되었다. 수위유지시설의 직하류부에서는 수위유지시설의 설치 높이가 높아질수록 유속이 증가되는 것으로 나타났다. 이는 보다 큰 규모의 수위유지시설로 인해 하류부에 상당한 흐름 교란이 발생되었기 때문이라고 판단된다.
- 시나리오별 유속 분석 결과 Fig. 5에서 보는바와 같이 수위유지시설의 설치 높이가 높아질수록 상류측 유속은 감소하는 것으로 나타났으며, 이는 수위 상승에서 기인한다. 그리고 수위유지시설의 하류측 유속 변화는 없는 것으로 분석되었다.
- 21 m 사이로 나타나 1차원 HEC-RAS의 계산치가 보다 크게 모의된 것으로 분석되었다. 유속 비교 결과 Table 10을 보는바와 같이 1차원 HEC-RAS는 수위유지시설 설치에 따라 변화가 없는 것으로 나타났으며, 2차원 FESWMS는 수위유지시설의 설치 높이가 높아질수록 빠른 유속이 발생되는 것으로 나타났다.
- (2) 1차원과 2차원 모형의 수리량을 비교･분석한 결과 1차원 HEC-RAS는 수위유지시설 하류측의 수리량을 모의하지 못하는 것으로 나타났으며, 2차원 FESWMS는 수공구조물과 그 주위의 수리량을 보다 잘 표현하는 것으로 나타났다. 이를 통해 수공구조물로 인해 지형이 복잡한 일부 단면에 한정하여 2차원 해석이 수리량을 보다 세밀하게 표현하는 것으로 생각되며, 복잡한 하도 구간의 수치해석을 수행함에 있어 1차원과 더불어 2차원 모형을 함께 적용하는 것이 효율적일 것으로 판단된다.
- 수위유지시설로부터 하류측에 위치한 단면(C)의 수치해석 비교 결과를 종합해보면 1차원 HEC-RAS는 수위유지시설 하류측의 홍수위와 유속 변화가 모두 없는 것으로 분석되어 수위유지시설 하류측의 수리량을 모의하지 못하는 것으로 나타났다. 이에 반해 2차원 FESWMS는 수위유지시설의 설치 높이가 높아질수록 하류측에 빠른 유속이 발생된 것으로 분석되어 수공구조물 설치에 따른 흐름특성의 변화를 보다 잘 표현하는 것으로 나타났다. 수위유지시설을 기준으로 상류와 하류 단면에서 1차원과 2차원 수치해석 비교 결과를 종합적으로 견주어볼 때 수공구조물이 설치된 일부 단면에 한정하여 2차원 해석이 1차원에 비해 수리량을 보다 세밀하게 표현하는 것으로 분석되었다.
후속연구
- 본 연구는 수위유지시설의 설치에 따른 하천의 수치해석을 실시함으로써 홍수재해로부터 안전한 수위유지시설의 규모를 제시하였으며, 이는 향후 수위유지시설의 규모를 결정함에 있어 활용될 수 있을 것으로 사료된다. 또한, 수위유지시설 설치에 따른 영향검토를 수행함에 있어 치수뿐만 아니라 이수 및 환경적 측면에서의 타당성 검토에 대한 연구가 진행되어야 할 것으로 사료된다.
- 본 연구는 수위유지시설의 설치에 따른 하천의 수치해석을 실시함으로써 홍수재해로부터 안전한 수위유지시설의 규모를 제시하였으며, 이는 향후 수위유지시설의 규모를 결정함에 있어 활용될 수 있을 것으로 사료된다. 또한, 수위유지시설 설치에 따른 영향검토를 수행함에 있어 치수뿐만 아니라 이수 및 환경적 측면에서의 타당성 검토에 대한 연구가 진행되어야 할 것으로 사료된다.
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