본 연구에서는 한강하구의 흐름에 직접적인 영향을 미치는 구조물인 신곡수중보의 하류 이설 후 변형, 그리고 철거 등을 가정하여 이에 따른 수리특성을 평면 2차원 수치모형을 통해 분석하였다. 2차원적 해석은 보 이설이나 변형이 주변 지형, 특히 습지에 어떤 수리학적 영향을 미치는지 확인할 수 있게 하였다. 모의에 사용된 조위 및 유황은 2007년도 자료를 바탕으로 하였으며, 유량은 풍수기와 평수기로 구분하고 조위는 대조기와 소조기를 포괄하였다. 연구대상 영역으로 한강상류는 한강대교, 임진강상류는 통일대교, 하구경계는 유도로 잡았다. 모의결과 수중보 이설 및 변형에 따라 만조시 해수 유입 영향권이 크게 변화하였으며, 주요 지점의 수위는 유량 및 조위 조건에 따라 변동폭이 다양하게 나타났다.
본 연구에서는 한강하구의 흐름에 직접적인 영향을 미치는 구조물인 신곡수중보의 하류 이설 후 변형, 그리고 철거 등을 가정하여 이에 따른 수리특성을 평면 2차원 수치모형을 통해 분석하였다. 2차원적 해석은 보 이설이나 변형이 주변 지형, 특히 습지에 어떤 수리학적 영향을 미치는지 확인할 수 있게 하였다. 모의에 사용된 조위 및 유황은 2007년도 자료를 바탕으로 하였으며, 유량은 풍수기와 평수기로 구분하고 조위는 대조기와 소조기를 포괄하였다. 연구대상 영역으로 한강상류는 한강대교, 임진강상류는 통일대교, 하구경계는 유도로 잡았다. 모의결과 수중보 이설 및 변형에 따라 만조시 해수 유입 영향권이 크게 변화하였으며, 주요 지점의 수위는 유량 및 조위 조건에 따라 변동폭이 다양하게 나타났다.
In this study, the flow characteristics of Han River Estuary were investigated by using a two-dimensional numerical model according to the assumption of shift and modification of the Shingok submerged weir. The two-dimensional analysis has contributed to our understanding of the hydraulic effects in...
In this study, the flow characteristics of Han River Estuary were investigated by using a two-dimensional numerical model according to the assumption of shift and modification of the Shingok submerged weir. The two-dimensional analysis has contributed to our understanding of the hydraulic effects induced by shift of the weir on the topography, especially wetlands. The tide and flow discharge of 2007 were adopted as an input data for the simulation. The tidal data contained both spring and neap tide, and the flow discharge condition was divided into monsoon and normal seasons. The boundaries of this study were Hangang Bridge, Tongil Bridge, and Yu island. The simulation results showed that influence area of seawater changed depending on the weir shift, and the water level at particular station fluctuated according to the condition of tide and flow discharge.
In this study, the flow characteristics of Han River Estuary were investigated by using a two-dimensional numerical model according to the assumption of shift and modification of the Shingok submerged weir. The two-dimensional analysis has contributed to our understanding of the hydraulic effects induced by shift of the weir on the topography, especially wetlands. The tide and flow discharge of 2007 were adopted as an input data for the simulation. The tidal data contained both spring and neap tide, and the flow discharge condition was divided into monsoon and normal seasons. The boundaries of this study were Hangang Bridge, Tongil Bridge, and Yu island. The simulation results showed that influence area of seawater changed depending on the weir shift, and the water level at particular station fluctuated according to the condition of tide and flow discharge.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
그러나 조위자료는 상류경계의 유량자료와 그 시기가 일치해야 하는데 2000년~2001년 조위자료에 일치하는 상류단(한강대교 및 통일대교)의 관측 유량자료가 존재하지 않는 것이 또한 문제이다. 따라서 본 연구에서는 유도지점의 조위자료를 대신하여 최근까지 조위가 잘 관측되고 있는 강화대교 지점의 자료로 대체하였다. 강화대교 지점은 유도지점으로부터 남쪽으로 약 5.
본 연구에서는 신곡수중보의 하성대교 예정지점으로 이설을 가정하고 흐름 및 수위변화를 모의해 보았다. 하성대교 예정지점은 그림 1에 도시한 바 있다.
가설 설정
18 m로 변경하였다. 두 번째 경우는 보 마루 표고를 E.L. 1.0 m로 가정하였다. 세 번째 경우는 수중보 철거를 가정하였다.
먼저 와점성계수는 방향성을 갖는 εxx, εxy, εyx, εyy의 4요소를 갖지만 일반적으로 동일한 값을 갖는다고 가정한다.
0 m로 가정하였다. 세 번째 경우는 수중보 철거를 가정하였다. 모의조건은 앞서 언급했듯이 풍수기와 평수기로 구분하여 열흘치를 각각 모의하였다.
하성대교 예정지점은 그림 1에 도시한 바 있다. 이설될 보는 가동보가 없는 고정보로만 구성된다고 가정하고, 제원은 기존 신곡수중보와 비교하여 보 마루 높이를 변형하였다. 첫 번째 경우는 기존 신곡수중보 마루 표고 E.
제안 방법
수로의 규모를 이처럼 가정한 이유는 본 연구의 실제 관심구간인 한강하구 내 유도에서 전류구간까지의 평균 수리량이 이와 유사하기 때문이다. 감조하천을 재현하기 위해 하류단 경계는 조석을, 상류단에는 유량을 부여하였다. 특히 상류경계유량은 한강 평수기를 감안하여 500 cms를 배경유량으로 부여한 후 홍수파의 영향을 살펴보기 위해 5000cms의 첨두치를 갖는 홍수파를 대조(83 hr) 및 소조(285 hr)기에 5시간 동안 각각 발생시켰다.
고정된 와점성계수를 바탕으로 또 다른 모형 매개변수인 Manning의 조도계수가 수위에 미치는 영향을 살펴보았다.
이는 신곡수중보로 인한 급격한 지형변화가 해의 안전성에 영향을 준 것이라 사료되며 이러한 수중보의 영향으로 발생가능한 한계류의 영향을 최소화시키기 위해 보가 있는 전후의 약 250 m의 요소에는 주수로 보다 큰 조도계수 값을 할당하였다. 그리고 RMA-2 모형은 벽면 마찰의 영향을 고려하지 못하므로 이를 고려하기 위해 양안에 작은 요소를 잡아 이곳의 조도계수는 크게 설정하였다. 바닥마찰에 의한 영향과 벽면마찰에 의한 영향을 등가로 생각하여 주수로 조도계수보다 두 배 큰 값을 부여하였다.
본 연구에서 흐름을 모의할 한강하구의 범위로 우선 한강 본류의 상류 경계를 한강대교로 삼아 신곡수중보를 대상영역 안에 배치하였다. 그리고 임진강의 상류경계는 통일대교로 삼아 한강하류 뿐만 아니라 임진강 하류의 흐름 특성도 함께 해석하였다. 끝으로 하류경계는 대한민국 법정하천 경계인 강화군 월곶면 유도 상류 약 1 km로 잡았다.
바닥마찰에 의한 영향과 벽면마찰에 의한 영향을 등가로 생각하여 주수로 조도계수보다 두 배 큰 값을 부여하였다. 또한 부정류 모의에 따른 급격한 경계변화가 해의 안정성에 미치는 영향의 최소화를 위해 각 요소를 마름/젖음 처리하였다. 결정된 매개변수를 검증(verification)하기 위해 전류지점과 행주대교지점에서 평수기 전류의 실측수위와 계산수위를 비교하여 그림 7에 도시하였다.
2차원적 해석은 보 이설이나 변형이 주변 지형(특히 습지)에 수리학적으로 어떤 영향을 미치는지 확인할 수 있게 하였다. 모의에 사용된 조위 및 유황은 2007년도 자료를 바탕으로 하였으며 풍수기와 평수기로 구분하여 흐름특성을 살펴보았다.
세 번째 경우는 수중보 철거를 가정하였다. 모의조건은 앞서 언급했듯이 풍수기와 평수기로 구분하여 열흘치를 각각 모의하였다. 현재의 보, 보 이설, 보 철거 등에 따른 수위변화를 그림 9~11에 도시하였다.
그리고 RMA-2 모형은 벽면 마찰의 영향을 고려하지 못하므로 이를 고려하기 위해 양안에 작은 요소를 잡아 이곳의 조도계수는 크게 설정하였다. 바닥마찰에 의한 영향과 벽면마찰에 의한 영향을 등가로 생각하여 주수로 조도계수보다 두 배 큰 값을 부여하였다. 또한 부정류 모의에 따른 급격한 경계변화가 해의 안정성에 미치는 영향의 최소화를 위해 각 요소를 마름/젖음 처리하였다.
본 연구에서 흐름을 모의할 한강하구의 범위로 우선 한강 본류의 상류 경계를 한강대교로 삼아 신곡수중보를 대상영역 안에 배치하였다. 그리고 임진강의 상류경계는 통일대교로 삼아 한강하류 뿐만 아니라 임진강 하류의 흐름 특성도 함께 해석하였다.
한강하구는 감조하천 구간이므로 반드시 비정상 흐름(unsteady flow) 모의를 수행해야 한다. 본 연구에서는 2007년도에 실제로 발생한 유황을 바탕으로 경계조건을 부여하였다. 상류단 경계인 한강대교와 통일대교의 유량자료는 유량조사사업단이 제공한 매시간 관측한 자료를 사용하였다.
본 연구에서는 한강하구의 흐름에 직접적인 영향을 미치는 구조물인 신곡수중보의 하류 이설 후 변형, 그리고 철거 등을 가정하고 이에 따른 수리특성을 2차원 수리모형을 통해 분석해 보았다. 우선 신곡수중보를 현상태로 두고 한강하구의 흐름을 모의해 보면 풍수기 대조인 경우 한강 본류에서는 해수 역류가 신곡수중보를 넘어 성산대교까지 영향을 미치고, 평수기 대조에는 한강대교 상류까지 역류발생이 예상되었다.
수치모형을 실제 대상하천인 한강하구에 적용해 보았다. 우선 민감도 분석을 바탕으로 수위에 민감한 조도계수를 보정(calibration)하였다.
수치모형을 실제 대상하천인 한강하구에 적용해 보았다. 우선 민감도 분석을 바탕으로 수위에 민감한 조도계수를 보정(calibration)하였다. 보정에 쓰이는 사상은 전류와 행주대교 지점에서 풍수기 중 2007년 8월 26일부터 30일까지의 5일치이다.
2000년대 들어와서 한강하구에 대한 조사, 연구들이 지속적으로 추진되고 있는데, 먼저 한국해양연구원(2001)은 강화군 유도 지점부터 한강은 한강대교까지, 임진강은 장파리지점까지 1년여에 걸쳐 조위 및 수위를 실측한 바 있다. 이 자료를 바탕으로 1차원 흐름 해석 모형을 사용하여 한강하구부의 조위 및 흐름 특성을 파악하였다(그림 1의 ①~⑤번 구간 A~D). 그리고 한국건설기술연구원(2005)은 신곡수중보에서 곡릉천 합류부까지를 연구 대상영역으로 삼고 년 간 2회씩 하천단면을 측량하여 한강 하구의 하상변동 특성을 분석하였다.
본 연구에서는 수치모형인 RMA-2를 관심영역인 한구하구에 적용하기 이전에 그림 2와 같은 가상 감조하천에 우선 적용해 보았다. 이를 통해 모형 매개변수의 민감도를 분석해보고, RMA-2가 하구에 적용하기 적합한 수치모형인지를 검토해 보았다. 그림 2에서 보듯이 수치실험이 수행된 수로는 길이가 20 km, 폭이 0.
이설될 보는 가동보가 없는 고정보로만 구성된다고 가정하고, 제원은 기존 신곡수중보와 비교하여 보 마루 높이를 변형하였다. 첫 번째 경우는 기존 신곡수중보 마루 표고 E.L. 2.4 m에서 한강의 평균 하상고를 감안하여 하류로 이동한 만큼 낮추어 E.L. 2.18 m로 변경하였다. 두 번째 경우는 보 마루 표고를 E.
감조하천을 재현하기 위해 하류단 경계는 조석을, 상류단에는 유량을 부여하였다. 특히 상류경계유량은 한강 평수기를 감안하여 500 cms를 배경유량으로 부여한 후 홍수파의 영향을 살펴보기 위해 5000cms의 첨두치를 갖는 홍수파를 대조(83 hr) 및 소조(285 hr)기에 5시간 동안 각각 발생시켰다. 하류경계조위는 강화대교 지점의 분조별 조화상수를 감안하여 설계조위를 계산한 후 이를 부여하였다(그림 2 참조).
상류단 경계인 한강대교와 통일대교의 유량자료는 유량조사사업단이 제공한 매시간 관측한 자료를 사용하였다. 한강 본류의 유량이 한강하류의 흐름 및 하상변동에 큰 영향을 미칠 것이라 판단하여 한강 풍수기와 평수기로 분류하여 모의를 실시하였다. 여기에 조석 특성을 고려하여 대조와 소조가 모두 포함된 열흘을 모의 기간으로 삼았다.
한강하구의 흐름특성에 직접적인 영향을 미치는 신곡수중보의 하류 이설, 보 높이 변형, 그리고 철거 등을 가정하고 이에 따른 수리특성을 평면 2차원 수치모형을 통해 분석하였다.
대상 데이터
9 km 떨어져 있어서 이곳의 조위는 유도지점의 조위와 차이가 많지 않다고 알려져 있다. 결과적으로 모의에 사용된 입력자료로 풍수기는 2007년 8월 27일 12시~2007년 9월 5일 12시, 평수기는 2007년 3월 20일 12시~2007년 3월 29일 12시 등 각각 열흘치 유량 및 조위값을 채택하였다. 이를 도시하면 그림 5와 같다.
계산을 위한 유한요소망은 한강하천정비기본계획보고서 및 임진강하천정비기본계획보고서(건교부, 2001)를 참고하여 평면도와 종 · 횡단도를 이용하여 구성하였다. 대상구간 내 유한요소망은 14,109개의 절점과 4558개의 사각형요소로 구성하였다.
우선 민감도 분석을 바탕으로 수위에 민감한 조도계수를 보정(calibration)하였다. 보정에 쓰이는 사상은 전류와 행주대교 지점에서 풍수기 중 2007년 8월 26일부터 30일까지의 5일치이다. 그 결과를 그림 6에 도시하였다.
본 연구에서는 한강하구의 연구 대상영역으로 한강본류는 한강대교를, 임진강은 통일대교 지점을 상류단의 경계로 지정하고, 하류단의 경계는 강화군 유도로 삼았다(그림 1 ①~⑤번 구간, B~D). 한강하구의 흐름특성에 직접적인 영향을 미치는 신곡수중보의 하류 이설, 보 높이 변형, 그리고 철거 등을 가정하고 이에 따른 수리특성을 평면 2차원 수치모형을 통해 분석하였다.
본 연구에서는 2007년도에 실제로 발생한 유황을 바탕으로 경계조건을 부여하였다. 상류단 경계인 한강대교와 통일대교의 유량자료는 유량조사사업단이 제공한 매시간 관측한 자료를 사용하였다. 한강 본류의 유량이 한강하류의 흐름 및 하상변동에 큰 영향을 미칠 것이라 판단하여 한강 풍수기와 평수기로 분류하여 모의를 실시하였다.
끝으로 하류경계는 대한민국 법정하천 경계인 강화군 월곶면 유도 상류 약 1 km로 잡았다. 한강하천정비기본계획보고서(건교부, 2002)에 의하면 단면자료가 곡릉천 합류부까지만 제공되기에 본 연구에서는 서일원 등(2008)의 자료를 참고하고 해도를 이용하여 유도까지의 단면자료를 구성하였다. 대상구간 중 유도에서 한강대교까지의 거리는 약 55.
이론/모형
계산을 위한 유한요소망은 한강하천정비기본계획보고서 및 임진강하천정비기본계획보고서(건교부, 2001)를 참고하여 평면도와 종 · 횡단도를 이용하여 구성하였다.
형상함수로는 유속에 대해서는 2차, 수위에 대해서는 1차 함수로 근사하는 혼합보간기법이 적용된다. 공간 적분은 가우스적분법을 사용하며, 시간 미분항은 유한차분법을 사용한다. 해를 구하기 위하여 완전 음해법을 사용하며, 반복 계산법으로는 각 시간 단계에서의 비선형 연립방정식을 Newton-Raphson 수렴 방법을 사용하여 해석한다(서일원 등, 2008).
또한 한강하구는 한강본류에 임진강이 합류하여 서해로 나가는 형태를 띠고 있으므로 평면 2차원 모형을 사용하는 것이 적합하다. 따라서 비정상성과 다차원을 구현할 수 있는 흐름해석 모형으로 상용 프로그램인 RMA-2를 선택하였다. RMA-2 모형은 Resource Management Associates사의 Norton 등에 의해 개발되어 Waterways Experiment Station(WES)에서 계속적인 개정작업을 거쳐 현재의 상용모형으로 완성되었다.
공간 적분은 가우스적분법을 사용하며, 시간 미분항은 유한차분법을 사용한다. 해를 구하기 위하여 완전 음해법을 사용하며, 반복 계산법으로는 각 시간 단계에서의 비선형 연립방정식을 Newton-Raphson 수렴 방법을 사용하여 해석한다(서일원 등, 2008).
성능/효과
0 m로 낮추었을 경우 풍수시에 만조위의 추가 상승분은 미미하였다. 그러나 소조시 간조위의 상승폭은 1 m 이상을 상회하여 수중보 표고를 E.L. 1.0 m로 하여 이설하더라도 장항습지의 상시 침수면적은 증가할 것으로 분석되었다. 신곡수중보 직상류인 행주대교 지점에서 수위변화를 보면 수중보를 철거하더라도 풍수시 대조의 경우 수위 변화가 거의 없으나, 평수시에는 큰 폭의 수위 하락이 예상되었다.
이상의 결과는 본 수치모형이 하류에서 주어진 조석파 뿐만 아니라 상류에서 발생하는 홍수파도 적절히 모의할 수 있음을 보여준다. 또한 감조하천에서는 조석파와 홍수파의 결합으로 복잡한 수위변동이 발생 가능함을 수치모의를 통해 확인할 수 있었다. 끝으로 고정된 조도계수를 바탕으로 와점성계수를 변화시켜보았더니 수위변화가 미세하였다.
이는 수중보 이설로 인해 해수의 영향권이 하류로 후퇴함을 잘 보여주는 사례다. 마지막으로 보 철거를 가정하고 역류의 영향권을 예측해 보면 표 2에서 정리하였듯이 하천유량 및 하구 조위 조건에 상관없이 한강대교 또는 그 이상의 지점까지 역류가 발생함을 예측할 수 있었다.
참고로 이 값은 한강하천정비기본계획(2002)에서 5000 cms(본 연구에서 보정에 쓰인 최대 입력 유량값)유량일 때 제시한 조도계수치와 동일하다. 반면 수중보 상류지역인 행주대교 지점에서의 결과를 보면 실측치에 비해 계산치의 간조위가 과소추정되는 경향이 있었다. 이는 신곡수중보로 인한 급격한 지형변화가 해의 안전성에 영향을 준 것이라 사료되며 이러한 수중보의 영향으로 발생가능한 한계류의 영향을 최소화시키기 위해 보가 있는 전후의 약 250 m의 요소에는 주수로 보다 큰 조도계수 값을 할당하였다.
하지만 평수기 소조인 경우 해수가 신설보를 넘지 못하여 해수의 영향권이 보 이설로 인해 하류로 후퇴함을 보여주었다. 신곡수중보 철거를 가정해보면 하천유량 및 하구 조위 조건에 상관없이 한강대교 또는 그 상류지점까지 역류가 발생함을 예측할 수 있었다.
하류에 위치한 B지점 또한 비록 홍수파가 간조와 만나기는 하지만 조도가 커질수록 첨두 홍수치는 증가함을 확인할 수 있다(그림 3b의 참조). 이상의 결과는 본 수치모형이 하류에서 주어진 조석파 뿐만 아니라 상류에서 발생하는 홍수파도 적절히 모의할 수 있음을 보여준다. 또한 감조하천에서는 조석파와 홍수파의 결합으로 복잡한 수위변동이 발생 가능함을 수치모의를 통해 확인할 수 있었다.
후속연구
한강하구는 감조구간으로 순방향흐름(하천 상류에서 하류로 향하는 흐름)과 역방향흐름(바다에서 하천상류로 향하는 흐름)이 교차하는 현상이 주기적으로 발생한다. 특히 역방향 흐름은 해수의 흐름이므로 이것이 최대로 발생하는 지점을 살펴봄으로써 염도가 미치는 영향권을 간접적으로 파악할 수 있을 것이다. 역방향흐름이 최대로 발생하여 하천 상류에 도달하는 지점(또는 역류 도달지점)을 모의 사상에 따라 정리하면 표 2와 같고 이를 도시하면 그림 8과 같다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
신곡 수중보 설치로 인한 효과는?
신곡수중보는 김포대교 직하류에 위치하고 있는 혼합형 보 구조물로써 1987년에 설치되었으며, 우안 쪽에는 고정보(fixed weir), 좌안 쪽에는 가동보(movable weir)로 구성되어 있다. 신곡 수중보 설치로 인한 효과로는 보 상류 지역에 유람선 등의 주운을 위한 수심확보, 취수장 급수원의 안정적 수위 확보, 하류부 농경지의 농업용수 해결, 해수역류 심화방지 및 염도 희석 등을 들 수 있다. 최근 경인 아라뱃길 사업과 연계하여 수중보를 하류로 이동하여 재가설하는 방안 등도 논의되고 있어 인공구조물의 이설, 변형 등에 따른 한강하구의 흐름 특성을 정확히 해석하는 것이 필요한 실정이다(경기개발연구원, 2009).
하구란?
하구(estuary)는 하천의 담수와 연안의 해수가 교차하여 혼합하는 기수역(汽水域)으로 생태적 가치가 매우 높은 지역이다. 반면 하천 홍수와 조석 등에 의한 지형의 변화가 심하고, 이에 대한 예측 역시 불확실하여 하구의 유지와 관리에는 일반적으로 많은 어려움이 따른다(Pugh, 1964).
한강하구에 대한 조사, 연구의 기초자료가 거의 존재하지 않는 이유는?
한강하구의 연구에 있어서 가장 큰 문제점 중 하나는 남북 군사적 대치상황으로 인해 연구의 기초자료, 예를 들면 지형자료, 조위자료, 유사자료 등이 거의 존재하지 않았다는 것이다. 그 연유로 한강하구 흐름이나 하상변동 분석에 관한 연구도 상대적으로 적을 수밖에 없었다. 2000년대 들어와서 한강하구에 대한 조사, 연구들이 지속적으로 추진되고 있는데, 먼저 한국해양연구원(2001)은 강화군 유도 지점부터 한강은 한강대교까지, 임진강은 장파리지점까지 1년여에 걸쳐 조위 및 수위를 실측한 바 있다.
서일원, 송창근, 이명은(2008) 한강 감조구간에서의 흐름 및 혼합거동, 대한토목학회논문집, 대한토목학회, 제28권 제6B호, pp. 731-741.
한국건설기술연구원(2005) 한강하류부 하상변동조사 연구보고서, 건설교통부.
한국해양연구원(2001) 한강.임진강 유역에 대한 조위영향 연구보고서, 해양수산부.
Bao, W., Zhang, X., and Qu, S. (2009) Dynamic correction of roughness in the hydrodynamic model, J. of Hydrodynamics, Elsevier, Vol. 21, No. 2, pp. 255-263.
Henderson, F.M. (1966) Open channel flow. Macmillan publishing co., NY.
Khatibi, R.H., Williams, J.R., and Wormleaton, P.R. (2000) Friction parameters for flow in nearly flat tidal channels., J. of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 126, No. 10, pp. 741-749.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.