실측 자료를 이용한 국내하천의 조도계수 산정 -적용성 및 한강의 계획홍수위 검토- Optimization for Roughness Coefficient of River in Korea - Review of Application and Han River Project Water Elevation -원문보기
국내 3대 하천인 한강, 낙동강, 금강에 대한 조도계수 산정 결과를 바탕으로 FLDWAV 모형과 HEC-RAS 모형을 이용하여 본 연구에서 산정한 조도계수와 기존 하천정비기본계획의 조도계수 그리고 하상토 입경을 이용해 산정한 조도계수를 비교분석하고 적용성을 검토하였다. 두 모형에 적용한 바 본 연구에서 제시하고 있는 조도계수를 이용한 계산 홍수위가 관측치와 매우 잘 일치하였다. 또한 기존 선행연구의 FLDWAV 모형에 의한 조도계수와 다양한 수리특성인자와의 상관관계를 검토한 결과 상관성은 거의 없었다. 끝으로 팔당댐 하류 한강 본류에 대하여 본 연구에서 산정한 조도계수를 이용하여 HEC-2 모형으로 기존 하천정비기본계획의 계획홍수위를 검토하였으며, 기존 제방의 일부가 안전성면에서 미흡한 것으로 나타났다.
국내 3대 하천인 한강, 낙동강, 금강에 대한 조도계수 산정 결과를 바탕으로 FLDWAV 모형과 HEC-RAS 모형을 이용하여 본 연구에서 산정한 조도계수와 기존 하천정비기본계획의 조도계수 그리고 하상토 입경을 이용해 산정한 조도계수를 비교분석하고 적용성을 검토하였다. 두 모형에 적용한 바 본 연구에서 제시하고 있는 조도계수를 이용한 계산 홍수위가 관측치와 매우 잘 일치하였다. 또한 기존 선행연구의 FLDWAV 모형에 의한 조도계수와 다양한 수리특성인자와의 상관관계를 검토한 결과 상관성은 거의 없었다. 끝으로 팔당댐 하류 한강 본류에 대하여 본 연구에서 산정한 조도계수를 이용하여 HEC-2 모형으로 기존 하천정비기본계획의 계획홍수위를 검토하였으며, 기존 제방의 일부가 안전성면에서 미흡한 것으로 나타났다.
Manning's roughness coefficients were reevaluated for the computation of river flow of the Han River, the Nakdong River and the Geum River. The roughness coefficients were estimated by two methods. One is based on the assumption that roughness is primarily a function of grain diameter and the other ...
Manning's roughness coefficients were reevaluated for the computation of river flow of the Han River, the Nakdong River and the Geum River. The roughness coefficients were estimated by two methods. One is based on the assumption that roughness is primarily a function of grain diameter and the other is based on the findings that roughness may vary significantly with the flow discharge. The roughness coefficients adopted in each river improvement master plan have been compared with those obtained using the FLDWAV in this study, and their applicabilities have been reviewed, using the FLDWAV and HEC-RAS models. The design flood water levels computed by the abovementioned models with the roughness coefficients proposed in this study have shown good agreement with the measurements of time variation. The roughness coefficients computed using the FLDWAV model showed nearly no close correlation with the various hydraulic characteristic factors, such as grain size and river depth, etc.. Finally the design flood water levels and levee safety about the downstream part from the Paldang Dam of the Han River has been reviewed using HEC-2 model with roughness coefficients of this study and the results indicated that some parts of the existing levees were short of safety.
Manning's roughness coefficients were reevaluated for the computation of river flow of the Han River, the Nakdong River and the Geum River. The roughness coefficients were estimated by two methods. One is based on the assumption that roughness is primarily a function of grain diameter and the other is based on the findings that roughness may vary significantly with the flow discharge. The roughness coefficients adopted in each river improvement master plan have been compared with those obtained using the FLDWAV in this study, and their applicabilities have been reviewed, using the FLDWAV and HEC-RAS models. The design flood water levels computed by the abovementioned models with the roughness coefficients proposed in this study have shown good agreement with the measurements of time variation. The roughness coefficients computed using the FLDWAV model showed nearly no close correlation with the various hydraulic characteristic factors, such as grain size and river depth, etc.. Finally the design flood water levels and levee safety about the downstream part from the Paldang Dam of the Han River has been reviewed using HEC-2 model with roughness coefficients of this study and the results indicated that some parts of the existing levees were short of safety.
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문제 정의
기존 선행 연구(한국수자원공사, 2009)의 조도계수가 HEC-RAS 모형에도 적용이 가능한지를 검토하기 위해서 적용 구간을 선정하여 HEC-RAS 모형과 FLDWAV 모형을 이용하여 부정류 홍수추적을 통하여 관측치와의 RMS 오차를 계산하여 본 연구에서 산정한 조도계수의 적용성을 검토하였다. 기존 선행 연구의 조도계수 중에서 본 연구대상 구간에서의 조도계수는 Table 2와 같다.
가설 설정
하상경사는 상·하류 경계단면의 최심하상고의 차이를 하천연장으로 나눈 값으로 가정하였다.
제안 방법
조도계수는 일반적으로 하상 재료의 크기가 증가하면 커지고 감소하면 작아진다고 알고 있으나 실제 국내 자연하천에서 이와 같은 특성을 갖는지 조사된 바는 없다. 기존 선행연구의 FLDWAV 모형으로 산정된 한강, 낙동강, 금강의 설계홍수량에 해당하는 조도계수에 대해 각 구간의 수리학적 특성인자인 하상경사, 대표입경, 설계홍수심, 설계하폭에 따른 조도계수의 상관성과 특성을 분석하였다. Fig.
02의 일정한 값을 모든 빈도별 홍수량에 대해서 적용하고 있다. 따라서 실측 자료를 이용한 본 연구의 조도계수를 사용하여 기존 하천정비기본계획에서 계산한 계획홍수위와 비교하였고 제방의 여유고를 재검토 하였다.
또한 저자들은 본 연구에서 산정한 유량에 따른 조도계수를 한강 수계 하천정비기본계획(변경-2002)의 계획홍수위 산정에 사용한 HEC-2 모형에 적용하여 기존 한강 제방의 안전도를 검토하고 분석하였다. 조도계수는 앞에서 언급한 바와 같이 하천의 설계홍수위 결정에 매우 큰 영향을 미친다.
선행연구(한국수자원공사, 2009)의 국내 3대 하천인 한강, 낙동강, 금강의 본류의 조도계수 산정식의 적용성을 검토하고, 산정된 조도계수와 하천특성인자와의 상관관계를 분석하였다. 또한 한강 본류에 대한 기존 한강 수계 하천정비기본 계획 (2002)의 빈도별 홍수위를 재 산정하여 기설 제방의 안전도를 검토하였다. 본 연구에서 얻은 결과를 요약하면 다음과 같다.
본 연구에서는 선행연구(한국수자원공사, 2009)에서 산정한 한강, 낙동강, 금강의 본류 및 지류에 대한 하상재료 입경을 이용해 산정한 조도계수와 FLDWAV 모형을 이용해 산정한 조도계수 그리고 기존 하천정비기본계획의 조도계수를 HEC-RAS 모형과 FLDWAV 모형에 적용하여 과거 관측 수문사상의 홍수 위를 산정하였다. 산정된 홍수위는 관측수위와 비교한 후 RMS 오차를 이용하여 정확도를 검증하였으며, 선행연구에서 산정한 조도계수와 다양한 수리학적 특성인자인 하상경사, 대표입경, 설계홍수심, 설계하폭에 따른 상관관계를 분석하였다.
본 연구에서는 선행연구(한국수자원공사, 2009)에서 산정한 한강, 낙동강, 금강의 본류 및 지류에 대한 하상재료 입경을 이용해 산정한 조도계수와 FLDWAV 모형을 이용해 산정한 조도계수 그리고 기존 하천정비기본계획의 조도계수를 HEC-RAS 모형과 FLDWAV 모형에 적용하여 과거 관측 수문사상의 홍수 위를 산정하였다. 산정된 홍수위는 관측수위와 비교한 후 RMS 오차를 이용하여 정확도를 검증하였으며, 선행연구에서 산정한 조도계수와 다양한 수리학적 특성인자인 하상경사, 대표입경, 설계홍수심, 설계하폭에 따른 상관관계를 분석하였다.
선행연구(한국수자원공사, 2009)에서 산정한 조도계수를 한강 본류 팔당댐 하류부의 빈도별 설계홍수위 산정에 적용하여 빈도별 홍수위를 재산정 하였고, 기설 제방 여유고를 재검토하였다. 해석 범위는 팔당댐 하류 76.
선행연구(한국수자원공사, 2009)의 국내 3대 하천인 한강, 낙동강, 금강의 본류의 조도계수 산정식의 적용성을 검토하고, 산정된 조도계수와 하천특성인자와의 상관관계를 분석하였다. 또한 한강 본류에 대한 기존 한강 수계 하천정비기본 계획 (2002)의 빈도별 홍수위를 재 산정하여 기설 제방의 안전도를 검토하였다.
설계하폭은 하천정비기본계획에 제시되어있는 값을 상·하류 경계단면에 대해 평균하였다.
앞 절에서 산정한 200년 빈도 홍수위를 기존 제방고와 비교하여 제방 여유고를 재검토하였다. 하천설계기준(2005)은 제방 안전도 평가 기준을 Table 6과 같이 제시하고 있으며 계획홍수량에 따른 한강의 여유고는 2.
선행연구(한국수자원공사, 2009)에서 산정한 조도계수를 한강 본류 팔당댐 하류부의 빈도별 설계홍수위 산정에 적용하여 빈도별 홍수위를 재산정 하였고, 기설 제방 여유고를 재검토하였다. 해석 범위는 팔당댐 하류 76.682 km이며 한강 수계 하천정비기본계획(변경-2002)에서 해석한 HEC-2 모형을 적용하여 빈도별 홍수위와 제방 여유고를 재검토 하였다.
대상 데이터
본 연구의 적용성 검토 대상 구간은 기존 선행연구(한국수자원공사, 2009)의 하천구간 중에서 본류구간인 Table 1을 선택 하였다. 한강의 경우에는 잠수교-한강대교 구간과 의암댐-강촌 구간, 낙동강은 지보-달지 구간과 고령교-현풍 구간, 금강은 규암-반조원 구간과 금남-마어구 구간을 적용구간으로 선정하였다.
이론/모형
8]은 대표입경을 이용해 산정한 조도계수와의 상관관계이다. 대표입경 공식으로는 Henderson 공식을 사용하였고, 주수로의 하상재료 입도분석 결과를 이용하였다. FLDWAV 모형으로 산정된 조도계수는 구간조도계수이기 때문에 대표입경은 상·하류 경계단면의의 평균값이다.
성능/효과
1. 1차원 부정류 모형인 FLDWAV 모형과 HEC-RAS 모형에 본 연구에서 제시한 조도계수, 하천정비기본계획의 조도계수, 하상 입경을 이용한 조도계수를 각각 적용하여 실제 수문사상에 대하여 부정류 해석을 한 결과 본 연구에서 제시하고 있는 조도계수가 다른 방법에 비해 매우 우수한 결과를 보여주었다. 특히, FLDWAV 모형으로 산정한 조도계수를 HEC-RAS 모형에 적용하여도 정확한 결과가 도출됨을 확인하였다.
2. 산정된 조도계수와 하천특성인자와의 상관관계를 분석한결과 국내 국가하천구간의 조도계수는 하상경사, 대표입경의 크기, 설계홍수심, 설계하폭과 상관관계가 거의 없는 것으로 나타났다. 따라서 주요 국가하천과 같은 대 하천의 하천정비기본계획에서 하상재료 구성물질의 특성을 고려하여 하천의 조도계수를 추정하는 것은 의미가 없을 것으로 판단된다.
3. 본 연구에서 산정한 조도계수를 HEC-2 모형으로 기존 한강 수계 하천정비기본계획의 제방안전도를 검토하였으며 기존 제방의 일부가 안전성 면에서 미흡한 것으로 나타났다.
16은 한강 수계 하천정비 기본계획(2002)과 본 연구의 200년 빈도 계산 홍수위 결과이다. Table 5의 제방 안전도 평가 기준을 적용한 결과 팔당댐~하류 800 m 구간의 우안, 천호대교, 광진교, 올림픽대교의 좌안, 동작대교~하류 약 1.5 km 구간의 우안의 기설제방고가 계획홍수위보다 낮은 C 등급으로 나타났고, 그 외 다수의 구간에서 기설제방고가 계획홍수위와 여유고의 합보다 낮은 B 등급으로 검토되었다.
15는 Table 4의 경계조건과 Table 5의 조도계수를 이용하여 각 빈도별 홍수위를 비교한 결과이다. 모든 빈도별 홍수위 해석 결과 영동대교 상류에서 재산정된 홍수위가 하천정비기본계획에서 산정한 홍수위에 비해서 크게 산정되었다.
설계빈도는 200년 빈도로 설계홍수량은 37,000 CMS(m3/s)이다. 선행연구(한국수자원 공사, 2009)에서 산정한 구간별 조도계수식은 실측홍수량의 최대치가 약 23,000 CMS로 본 연구에서 추천하고 있는 실측 최대치의 +20%인 27,600 CMS를 9,400 CMS 초과하기 때문에 200년 빈도의 해석 결과는 다소 부정확 할 수 있지만 50년빈도 홍수량은 27,830 CMS이기 때문에 실측 최대치의 +20% 범위내에 들어 본 연구의 결과와 객관적인 비교가 가능할 것으로 판단된다. Table 5는 선행연구에서 산정한 구간별 조도계수식을 이용하여 계획빈도 홍수량에 대응하는 조도계수 식을 산정한 결과이다.
설계홍수심은 하천정비기본계획에 제시되어있는 값을 상·하류 경계단면에 대해 평균하였으며 조도계수와의 상관관계는 거의 없는 것으로 확인되었다.
1차원 부정류 모형인 FLDWAV 모형과 HEC-RAS 모형에 본 연구에서 제시한 조도계수, 하천정비기본계획의 조도계수, 하상 입경을 이용한 조도계수를 각각 적용하여 실제 수문사상에 대하여 부정류 해석을 한 결과 본 연구에서 제시하고 있는 조도계수가 다른 방법에 비해 매우 우수한 결과를 보여주었다. 특히, FLDWAV 모형으로 산정한 조도계수를 HEC-RAS 모형에 적용하여도 정확한 결과가 도출됨을 확인하였다.
후속연구
위의 요약 결과를 종합해 볼 때 국내 주요 하천의 조도계수를 하상토의 입경을 이용하여 산정하는 것은 의미가 없으며, 실측을 통하여 유량에 대응하는 값을 결정해야 할 것으로 생각된다. 또한 기존 하천정비기본계획에서 계산한 계획홍수위에 대하여 실측을 통한 조도계수를 이용하여 재검토할 필요가 있으며 앞으로 조도계수에 대한 지속적인 연구가 요망된다.
위의 요약 결과를 종합해 볼 때 국내 주요 하천의 조도계수를 하상토의 입경을 이용하여 산정하는 것은 의미가 없으며, 실측을 통하여 유량에 대응하는 값을 결정해야 할 것으로 생각된다. 또한 기존 하천정비기본계획에서 계산한 계획홍수위에 대하여 실측을 통한 조도계수를 이용하여 재검토할 필요가 있으며 앞으로 조도계수에 대한 지속적인 연구가 요망된다.
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