환경 및 경제적 문제 등으로 인해 댐과 같은 대규모 수공구조물의 신설이 점차 어려워짐에 따라, 천변저류지 등과 같은 소규모 수공구조물의 설치가 대안으로 검토되고 있다. 천변저류지와 같은 소규모 수공구조물의 경우 홍수량, 유입수문곡선, 천변저류지 용량 및 월류위어의 월류고 등에 따라 홍수저감효과가 민감하게 반응하므로, 대상 저류지의 제원 결정을 위해 목표하는 설계빈도 결정이 선행되어야 한다. 또한 천변저류지를 이용하여 목표하는 홍수저감효과를 얻기 위해 다수의 천변저류지가 설치되어야 하며, 즉 천변저류지군의 홍수조절효과는 이들 저류지군을 연계한 수문네트워크의 분석에 의해 산정되어야 한다. 본 연구에서는 설계빈도 변화에 따른 천변저류지군의 홍수저감효과를 산정해 보았으며 산정된 홍수저감효과를 분석하여 천변저류지의 최적위치를 선정하기 위한 새로운 지수를 제안하였다. 천변저류지의 최적위치를 결정하기 위해 개발된 기존의 의사결정모형을 보완하여 제안된 지수를 산정하기 위한 모형을 개발하였으며, 개발된 모형을 안성천유역에 적용하여 기존의 연구결과와 비교하고, 적용성을 검토하였다. 그 결과 천변저류지 최적위치를 결정하기 위한 기준으로의 활용이 가능한 것으로 판단되었다.
환경 및 경제적 문제 등으로 인해 댐과 같은 대규모 수공구조물의 신설이 점차 어려워짐에 따라, 천변저류지 등과 같은 소규모 수공구조물의 설치가 대안으로 검토되고 있다. 천변저류지와 같은 소규모 수공구조물의 경우 홍수량, 유입수문곡선, 천변저류지 용량 및 월류위어의 월류고 등에 따라 홍수저감효과가 민감하게 반응하므로, 대상 저류지의 제원 결정을 위해 목표하는 설계빈도 결정이 선행되어야 한다. 또한 천변저류지를 이용하여 목표하는 홍수저감효과를 얻기 위해 다수의 천변저류지가 설치되어야 하며, 즉 천변저류지군의 홍수조절효과는 이들 저류지군을 연계한 수문네트워크의 분석에 의해 산정되어야 한다. 본 연구에서는 설계빈도 변화에 따른 천변저류지군의 홍수저감효과를 산정해 보았으며 산정된 홍수저감효과를 분석하여 천변저류지의 최적위치를 선정하기 위한 새로운 지수를 제안하였다. 천변저류지의 최적위치를 결정하기 위해 개발된 기존의 의사결정모형을 보완하여 제안된 지수를 산정하기 위한 모형을 개발하였으며, 개발된 모형을 안성천유역에 적용하여 기존의 연구결과와 비교하고, 적용성을 검토하였다. 그 결과 천변저류지 최적위치를 결정하기 위한 기준으로의 활용이 가능한 것으로 판단되었다.
Due to environmental, economical and the other limitations, it has been more difficult to construct new large hydraulic structure such as dam. For this reason, it has been tried to use small hydraulic structure such as washland as alternative of hydraulic facility. Because the flood control effect o...
Due to environmental, economical and the other limitations, it has been more difficult to construct new large hydraulic structure such as dam. For this reason, it has been tried to use small hydraulic structure such as washland as alternative of hydraulic facility. Because the flood control effect of small hydraulic structure are affected by runoff volume, hydrograph, storage capacity and weir crest elevation, and design frequency must be predetermined for the design of the hydraulic structure. Multiple washlands will be required to satisfy enough peak reduction effect so that considering washlands as a network, rather than individually, are critical to analysis of flood reduction effect. In this study, new index for determination of optimal location for washlands is presented and the existing model for this determination is modified by adopting the new index. Developed new model is applied to Ansung river basin for examination and the new model shows its' applicability as a decision making criteria for the determination of optimal location for washlands.
Due to environmental, economical and the other limitations, it has been more difficult to construct new large hydraulic structure such as dam. For this reason, it has been tried to use small hydraulic structure such as washland as alternative of hydraulic facility. Because the flood control effect of small hydraulic structure are affected by runoff volume, hydrograph, storage capacity and weir crest elevation, and design frequency must be predetermined for the design of the hydraulic structure. Multiple washlands will be required to satisfy enough peak reduction effect so that considering washlands as a network, rather than individually, are critical to analysis of flood reduction effect. In this study, new index for determination of optimal location for washlands is presented and the existing model for this determination is modified by adopting the new index. Developed new model is applied to Ansung river basin for examination and the new model shows its' applicability as a decision making criteria for the determination of optimal location for washlands.
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문제 정의
새롭게 제안한 지수는 특정 설계빈도를 대상으로 결정된 천변저류지 최적위치 선정결과를 분석하여 천변저류지의 상대적 중요도를 산정하며, 최종적인 최적위치는 상대적 중요도 지수에 의해 결정된다. 본 연구에서 제안된 지수를 산정하고, 이를 바탕으로 천변저류지의 최적위치를 결정하기 위해 기존에 개발된 백천우 등(2009)의 의사결정모형을 보완한 모형을 개발하였다. 개발된 모형을 안성천유역에 적용하여 설계빈도변화에 따른 천변저류지의 홍수저감효과를 산정하였으며, 이를 바탕으로 천변저류지의 최적 위치를 결정하여 기존의 연구결과와 비교하였다.
저수용량이 적은 천변저류지의 홍수저감효과는 목표하는 설계빈도에 의해 영향을 받을 것이다. 본 연구에서는 다양한 설계빈도 변화를 고려한 천변저류지의 최적위치를 선정하기 위해, 천변저류지 후보지의 상대적 중요도 지수를 RSI라 정의하였으며, RSI 산정을 위한 기법을 제시하였다. 제안된 상대적 중요지수를 이용하여 천변저류지의 최적위치를 결정할 수 있는 모형을 개발하였으며 실제 유역에 적용하여 적용성을 검토하였다.
본 연구에서는 다양한 홍수사상에 대해 결정된 천변 저류지의 최적위치 선정결과를 통합적으로 분석하기 위해한 새로운 지수를 제시하였다. 새롭게 제안한 지수는 특정 설계빈도를 대상으로 결정된 천변저류지 최적위치 선정결과를 분석하여 천변저류지의 상대적 중요도를 산정하며, 최종적인 최적위치는 상대적 중요도 지수에 의해 결정된다.
그러나 저수용량이 적은 천변저류지의 홍수저감효과는 목표하는 설계빈도에 의해 영향을 받을 것이며, 홍수저감효과를 천변저류지 최적위치 결정에 사용하기 위해서는 다양한 홍수사상에 대한 천변저류지의 홍수저감효과 분석이 선행되어야 할 것이다. 본 연구에서는 설계빈도 변화를 고려한 천변저류지 최적 위치 및 제원 선정을 위해 백천우 등(2009)이 개발한 모형을 수정 보완한 모형을 개발하였다.
천변저류지 지점을 통과할 경우, 천변저류지 지점의 유입수문곡선과 Eq. (1) 및 (2)와 같은 횡월류유량공식을 이용하여 천변 저류지 지점을 통과한 이후의 유출수문곡선을 계산한다. 이와 같은 과정을 이용하여 홍수저감목표지점 및 유역출구에서의 유출수문곡선을 계산한다.
(3)에 의해 산정되는 홍수저감목표지점에서의 홍수저감량 합, 그리고 Eq. (4)에 의해 산정되는 유역출구에서의 홍수저감량을 비교해 나타내었다. Table 2에 나타난 것과 같이 천변저류지를 5개 지점에 설치할 때, 100년의 설계빈도에서는 신가(W2), 중복(W3), 양령(W4), 문곡(W10) 및 마두(W13)저류지가 최적의 천변저류지 위치로 선정되었으며, 이 때 유역출구에서는 669 m3/sec, 그리고 4개 홍수저감목표지점에서는 총 2,096 m3/sec의 홍수저감효과가 있는 것으로 모의되었다.
(3) 및 Eq. (4)와 같은 목적함수를 만족하는 천변저류지의 조합을 유전자 알고리즘을 이용하여 탐색하는 모형을 개발하였다. 백천우 등(2009) 은 안태진 등(2008)의 모형에 월류고 값을 결정변수로 추가하여 천변저류지의 최적위치 및 최적 월류고를 동시에 산정하는 모형을 개발하였다.
Table 1에는 “안성 천수계 유역종합치수계획(건설교통부, 2007)”에서 검토한 13개 저류지의 제원이 나타나 있으며, 본 연구에서는 13개 천변저류지의 상대적 중요도 RSI를 산정하여 천변저류지의 최적위치를 산정해 보았다.
금회 분석에서는 50, 80, 100, 150 및 200년빈도의 5개 설계빈도를 이용하여 13개 천변저류지의 상대적 중요도 RSI를 산정하였다. 천변저류지 설치 수에 따른 최적위치 결정을 위한 적합도 함수는 ‘홍수저감목표지점 (Target Point)’에서의 홍수저감량 합을 최대로 하는 Eq.
우선 소유역, 하도, 저수지, 천변저류지 등과 같이 대상유역을 구성하는 요소들의 상호연계를 고려하여 대상유역의 구조를 확정한다. 다음은 HEC-HMS를 이용하여 대상유역내 소유역의 유출수문 곡선을 계산하고, 계산된 소유역 유출수문곡선을 이용하여 하도추적, 하도분기 및 합류 등의 과정을 상류부터 하류방향으로 순차적으로 수행한다. 천변저류지 지점을 통과할 경우, 천변저류지 지점의 유입수문곡선과 Eq.
“안성천수계 유역종합치수계획(건설교통부, 2007)”에서는 대상유역을 208개의 소유역과 109개 하도구간으로 구분하였으며, HEC-HMS 모형을 이용하여 홍수량을 산정하였다. 또한 소규모 수공구조물 설치를 통한 홍수저감 방안을 검토하기 위해 Fig. 4에 나타난 것과 같이 13개 지점에 대한 천변저류지 설치를 검토하였으며, HECRAS의 부정류 해석 기능을 이용하여 천변저류지의 홍수저감량을 산정하고, 천변저류지 직하류부 홍수저감량을 기준으로 천변저류지 설치 위치를 결정하였다. 안태진 등(2008) 및 백천우 등(2009)은 천변저류지 최적위치 결정을 위해 개발한 모형을 안성천 유역에 적용하여 100년빈도 홍수사상에 대한 천변저류지 최적의 위치를 저류지 설치 수에 따라 결정하였다.
이 방법은 천변저류지의 위치에 따라 발생하는 홍수저감효과 및 하도추적, 유역합류 등의 과정에만 계산시간이 사용되므로 다양한 경우에 대한 분석시간을 감소시키는 장점이 있어, 천변저류지 설치 조합에 따라 다양하게 변하는 수문현황 분석에 용이한 방법이다. 본 연구에서는 수문학적 접근방법을 이용하여 수문네트워크를 분석하였으며, 본 연구에서 이용한 수문 네트워크분석 과정을 정리하면 다음과 같다. 우선 소유역, 하도, 저수지, 천변저류지 등과 같이 대상유역을 구성하는 요소들의 상호연계를 고려하여 대상유역의 구조를 확정한다.
본 연구에서는 다양한 홍수사상에 대해 결정된 천변 저류지의 최적위치 선정결과를 통합적으로 분석하기 위해한 새로운 지수를 제시하였다. 새롭게 제안한 지수는 특정 설계빈도를 대상으로 결정된 천변저류지 최적위치 선정결과를 분석하여 천변저류지의 상대적 중요도를 산정하며, 최종적인 최적위치는 상대적 중요도 지수에 의해 결정된다. 본 연구에서 제안된 지수를 산정하고, 이를 바탕으로 천변저류지의 최적위치를 결정하기 위해 기존에 개발된 백천우 등(2009)의 의사결정모형을 보완한 모형을 개발하였다.
본 연구에서는 수문학적 접근방법을 이용하여 수문네트워크를 분석하였으며, 본 연구에서 이용한 수문 네트워크분석 과정을 정리하면 다음과 같다. 우선 소유역, 하도, 저수지, 천변저류지 등과 같이 대상유역을 구성하는 요소들의 상호연계를 고려하여 대상유역의 구조를 확정한다. 다음은 HEC-HMS를 이용하여 대상유역내 소유역의 유출수문 곡선을 계산하고, 계산된 소유역 유출수문곡선을 이용하여 하도추적, 하도분기 및 합류 등의 과정을 상류부터 하류방향으로 순차적으로 수행한다.
백천우 등(2009) 은 안태진 등(2008)의 모형에 월류고 값을 결정변수로 추가하여 천변저류지의 최적위치 및 최적 월류고를 동시에 산정하는 모형을 개발하였다. 이들 연구에서는 안성천 유역에 개발된 모형을 적용하여 100년 빈도 홍수 사상에 대한 천변저류지의 최적 제원을 결정하였다. 그러나 저수용량이 적은 천변저류지의 홍수저감효과는 목표하는 설계빈도에 의해 영향을 받을 것이며, 홍수저감효과를 천변저류지 최적위치 결정에 사용하기 위해서는 다양한 홍수사상에 대한 천변저류지의 홍수저감효과 분석이 선행되어야 할 것이다.
(1) 및 (2)와 같은 횡월류유량공식을 이용하여 천변 저류지 지점을 통과한 이후의 유출수문곡선을 계산한다. 이와 같은 과정을 이용하여 홍수저감목표지점 및 유역출구에서의 유출수문곡선을 계산한다. Fig.
본 연구에서는 다양한 설계빈도 변화를 고려한 천변저류지의 최적위치를 선정하기 위해, 천변저류지 후보지의 상대적 중요도 지수를 RSI라 정의하였으며, RSI 산정을 위한 기법을 제시하였다. 제안된 상대적 중요지수를 이용하여 천변저류지의 최적위치를 결정할 수 있는 모형을 개발하였으며 실제 유역에 적용하여 적용성을 검토하였다.
즉 기존의 월류고 값을 기준으로 ±1 m 값 사이에서 월류고가 자유롭게 선택되도록 모형의 입력 값을 설정하였다.
총 NE개의 설계빈도에 대해 산정한 각각 저류지 별 NSk을 합하여 TNSk를 산정하고 최종적인 상대적 중요도 RSIk를 산정한다. Fig.
데이터처리
본 연구에서 제안된 지수를 산정하고, 이를 바탕으로 천변저류지의 최적위치를 결정하기 위해 기존에 개발된 백천우 등(2009)의 의사결정모형을 보완한 모형을 개발하였다. 개발된 모형을 안성천유역에 적용하여 설계빈도변화에 따른 천변저류지의 홍수저감효과를 산정하였으며, 이를 바탕으로 천변저류지의 최적 위치를 결정하여 기존의 연구결과와 비교하였다.
이론/모형
(1)은 주하천수로의 수면과 월류 부상단이 평행한 경우 적용할 수 있으며, 월류부 폭 L이 상대적으로 넓어 수면과 월류부상단이 평행하지 않을 경우에는 다음 Eq. (2)와 같은 Hager의 횡월류유량 공식(Hager, 1987)을 사용하여 weir계수를 산정 할 수 있다.
안태진 등(2008) 및 백천우 등(2009)의 연구에서와 같이 ω개의 후보지에서 m개의 천변저류지를 선정할 경우(m ≤ n), 몇 개의 천변저류지를 설치할 것인가를 나타내는 변수 m의 결정이 의사결정모형의 최종결과에 영향을 미칠 것이다. 따라서 본 연구에서는 이와 같은 영향을 최소화하기 위해 천변저류지 후보지의 상대적 중요도를 RSI (Relative Significance Index)라 정의하여 천변저류지 최적위치 결정을 위한 기준으로 사용하였다.
성능/효과
1) 개발된 모형을 안성천유역에 적용하여 설계빈도변화에 따른 13개 천변저류지의 RSI를 산정하였고, 13개 저류지 중 저류용량이 가장 큰 마두저류지 (W13)와 문곡저류지(W10)의 경우 지수가 가장 큰 중요한 저류지로 결정되었다.
2) 반면, 저류용량과 대상 유역에 대한 홍수조절효과가 비례하지는 않으며, 홍수저감목표지점의 위치, 유역의 형상, 유역의 특성 등에 의해 상대적 중요도 지수가 변하는 결과를 나타내었다. 즉 본 연구에서 제안한 RSI값이 최적의 천변저류지 위치를 결정하기 위한 의사결정 기준으로 사용될 수 있을 것으로 판단되었다.
3) 5개 설계홍수사상에 대한 월류고 산정결과, 기존의 “안성천수계 유역종합치수계획(건설교통부, 2007)”에서 설정한 월류고 값을 조정할 경우 홍수 조절효과면에서 높은 효과를 기대할 수 있는 것으로 판단되었다.
그 결과 “안성천수계 유역종합치수계획(건설교통부, 2007)”에서 설정한 월류고 값보다 전반적으로 낮은 월류고 값들이 설계빈도 100년의 홍수사상에 대하여 높은 홍수조절효과를 줄 수 있는 것으로 판단하였다.
이와 같은 결과는 기존의 “안성천수계 유역종합치수계획(건설교통부, 2007)”에서 설정한 월류고 값을 일부 낮게 조정할 경우, 홍수조절측면에서 높은 효과를 기대할 수 있다는 것을 의미한다.
후속연구
4) 본 연구에서는 천변저류지에서의 월류유량이 횡월류부에서의 수면과 월류부 상단이 평행하다고 가정하였으나, 천변저류지 횡월류부의 월류특성에 대한 추가적인 연구를 통해 보완이 필요한 것으로 판단된다.
더욱이 실제 저류용량이 적은 천변저류지를 이용하여 100년빈도 이상의 고빈도 홍수사상에 대한 높은 홍수조절효과를 기대하는 것은 비현실적일 수 있다. 고빈도 홍수사상에는 댐과 같은 대규모 수공구조물을 이용한 홍수조절이 필요할 것이며, 저빈도 홍수사상에 대한 홍수조절효과를 얻기 위해 천변저류지와 같은 소규모 수공구조물을 이용할 경우 실질적인 월류고 산정이 더욱 필요할 것이다.
이들 연구에서는 안성천 유역에 개발된 모형을 적용하여 100년 빈도 홍수 사상에 대한 천변저류지의 최적 제원을 결정하였다. 그러나 저수용량이 적은 천변저류지의 홍수저감효과는 목표하는 설계빈도에 의해 영향을 받을 것이며, 홍수저감효과를 천변저류지 최적위치 결정에 사용하기 위해서는 다양한 홍수사상에 대한 천변저류지의 홍수저감효과 분석이 선행되어야 할 것이다. 본 연구에서는 설계빈도 변화를 고려한 천변저류지 최적 위치 및 제원 선정을 위해 백천우 등(2009)이 개발한 모형을 수정 보완한 모형을 개발하였다.
하지만 천변저류지로 유입되는 홍수량 변화에 의해 천변저류지의 홍수조절효과에 차이가 있을 것임이 확실함에도 불구하고 기존에 수행된 연구들에서는 특정 설계빈도에 해당하는 수문자료만을 이용하여 천변저류지의 최적위치를 결정하였다. 그러나 천변저류지의 저수용량이 적은 관계로 목표하는 설계빈도에 따라 홍수저감효과가 크게 변하므로, 홍수저감효과를 천변저류지 최적위치 결정에 사용하기 위해서는 월류부 특성 변화는 물론이고 다양한 홍수사상에 대한 천변저류지의 홍수저감효과 분석이 선행되어야 할 것이며, 이를 바탕으로 최적의 천변저류지 위치를 결정해야 할 것이다.
즉 적용된 결과는 이와 동일한 결과를 나타내고 있으며, 단순히 각 저류지 별 저류용량이 위치선정에 있어 가장 큰 영향을 주는 실무에서의 방법이 개선의 여지가 있음을 알 수 있다. 또한 특정 설계빈도에 대해 천변저류지의 최적 위치를 결정한 기존의 안태진등 (2008) 및 백천우 등 (2009)의 연구와는 달리, 다양한 설계빈도를 적용할 경우, 혹은 동일 설계빈도라 하더라도 실 강우 사상과 같이 강우패턴이 변할 경우 최적의 천변저류지 위치는 변할 수 있을 것이다. 본 연구에서 제안한 상대적 중요도 지수 RSI는 이와 같은 설계빈도 변화에 따른 최적위치 선정결과를 분석하여 천변저류지 설치 우선순위를 제공할 수 있으며, 주어진 예산에 따라 RSI값이 높은 저류지부터 순차적으로 설치할 경우 유역전반에 걸쳐서 홍수조절효과 면에서 높은 효율을 얻을 수 있을 것이다.
또한 특정 설계빈도에 대해 천변저류지의 최적 위치를 결정한 기존의 안태진등 (2008) 및 백천우 등 (2009)의 연구와는 달리, 다양한 설계빈도를 적용할 경우, 혹은 동일 설계빈도라 하더라도 실 강우 사상과 같이 강우패턴이 변할 경우 최적의 천변저류지 위치는 변할 수 있을 것이다. 본 연구에서 제안한 상대적 중요도 지수 RSI는 이와 같은 설계빈도 변화에 따른 최적위치 선정결과를 분석하여 천변저류지 설치 우선순위를 제공할 수 있으며, 주어진 예산에 따라 RSI값이 높은 저류지부터 순차적으로 설치할 경우 유역전반에 걸쳐서 홍수조절효과 면에서 높은 효율을 얻을 수 있을 것이다. 즉 제안된 RSI값은 최적의 천변저류지 위치를 결정하기 위한 의사결정 기준으로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
2) 반면, 저류용량과 대상 유역에 대한 홍수조절효과가 비례하지는 않으며, 홍수저감목표지점의 위치, 유역의 형상, 유역의 특성 등에 의해 상대적 중요도 지수가 변하는 결과를 나타내었다. 즉 본 연구에서 제안한 RSI값이 최적의 천변저류지 위치를 결정하기 위한 의사결정 기준으로 사용될 수 있을 것으로 판단되었다.
또한 천변저류지의 분기유량은 하천수위와 월류부 상단의 표고차에 결정되므로, 본 연구에서와 같이 수문 학적 접근방법에 의해 천변저류지의 홍수저감효과를 산정할 경우 천변저류지 설치지점의 수위-유량관계식이 필수적으로 필요하게 된다. 즉 실질적인 천변저류지의 홍수저감효과 산정을 위해서는 실측을 기반으로 산정한 수위-유량관계식의 적용이 필요할 것이다.
본 연구에서 제안한 상대적 중요도 지수 RSI는 이와 같은 설계빈도 변화에 따른 최적위치 선정결과를 분석하여 천변저류지 설치 우선순위를 제공할 수 있으며, 주어진 예산에 따라 RSI값이 높은 저류지부터 순차적으로 설치할 경우 유역전반에 걸쳐서 홍수조절효과 면에서 높은 효율을 얻을 수 있을 것이다. 즉 제안된 RSI값은 최적의 천변저류지 위치를 결정하기 위한 의사결정 기준으로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
천변저류지의 홍수저감효과 산정방법은 크게 어떻게 분류되는가?
수문네트워크의 분석에 의한 천변저류지의 홍수저감효과 산정방법은 크게 수리학적 접근방법과 수문학적 접근방법으로 구분할 수 있다. 수리학적 접근방법을 이용할 경우 유입수문곡선변화와 같은 시간 항을 고려하기 위해 부정류해석(unsteady analysis)이 필수적이며, 건설교통부(2005), 한건연 등(2005), 전경수 등(2006), 박창근 등(2007) 등, 강수만 등(2007) 및 김덕길 등(2008) 은 HEC-RAS의 부정류모의 기능 등과 같은 수리학적 접근 방법에 의해 천변저류지의 홍수저감효과를 산정하였다.
RSI란 무엇인가?
저수용량이 적은 천변저류지의 홍수저감효과는 목표하는 설계빈도에 의해 영향을 받을 것이다. 본 연구에서는 다양한 설계빈도 변화를 고려한 천변저류지의 최적위치를 선정하기 위해, 천변저류지 후보지의 상대적 중요도 지수를 RSI라 정의하였으며, RSI 산정을 위한 기법을 제시하였다. 제안된 상대적 중요지수를 이용하여 천변저류지의 최적위치를 결정할 수 있는 모형을 개발하였으며 실제 유역에 적용하여 적용성을 검토하였다.
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