하천 정비 및 하천 복업사업의 기준유량이 되는 하도형성유량 산정은 안정하도 설계시 반드시 선행되어야 하는 것이다. 국내의 경우 하도형성유량 산정방법에 대한 연구가 많이 수행되지 않아 특정패턴을 도출하기가 어려운 실정이다. 국내하천의 경우 외국의 주요하천과 비교하여 하상계수가 크게 나타나는 특성으로 인해 외국사례를 국내에 적용하기에 어려움이 있다. 따라서 현재 구하도 복원이 진행 되고 있거나 계획되어 있는 만경강, 청미천, 함평천을 대상으로 하도형성유량 산정을 위해 만제유량, 특정 재현기간별 유량, 유효유량을 산정해보고 각각의 상호관계를 분석하여 하상계수가 큰 국내하천에 적용 가능한 하도형성유량을 제안하고자 한다. 만제유량은 대상유역의 지형자료를 이용한 HEC-RAS 모의를 통해 산정하였으며 특정 재현기간별 유량과 유효유량은 대상구간의 유량, 하상토, 유사 자료를 이용하여 산정하였다. 산정결과 하상계수가 큰 하천에서는 유효유량이 만제유량보다 크게 나타났으며 하상계수와 관련하여 특정 재현기간별 유량은 일관성 있는 특징이 없는 것으로 나타났다.
하천 정비 및 하천 복업사업의 기준유량이 되는 하도형성유량 산정은 안정하도 설계시 반드시 선행되어야 하는 것이다. 국내의 경우 하도형성유량 산정방법에 대한 연구가 많이 수행되지 않아 특정패턴을 도출하기가 어려운 실정이다. 국내하천의 경우 외국의 주요하천과 비교하여 하상계수가 크게 나타나는 특성으로 인해 외국사례를 국내에 적용하기에 어려움이 있다. 따라서 현재 구하도 복원이 진행 되고 있거나 계획되어 있는 만경강, 청미천, 함평천을 대상으로 하도형성유량 산정을 위해 만제유량, 특정 재현기간별 유량, 유효유량을 산정해보고 각각의 상호관계를 분석하여 하상계수가 큰 국내하천에 적용 가능한 하도형성유량을 제안하고자 한다. 만제유량은 대상유역의 지형자료를 이용한 HEC-RAS 모의를 통해 산정하였으며 특정 재현기간별 유량과 유효유량은 대상구간의 유량, 하상토, 유사 자료를 이용하여 산정하였다. 산정결과 하상계수가 큰 하천에서는 유효유량이 만제유량보다 크게 나타났으며 하상계수와 관련하여 특정 재현기간별 유량은 일관성 있는 특징이 없는 것으로 나타났다.
The channel-forming discharge, which is a standard and single flow for the river maintenance and restoration project, should be estimated necessarily in the stable channel design. It is difficult to produce the specific pattern for the channel-forming discharge in the domestic rivers due to the insu...
The channel-forming discharge, which is a standard and single flow for the river maintenance and restoration project, should be estimated necessarily in the stable channel design. It is difficult to produce the specific pattern for the channel-forming discharge in the domestic rivers due to the insufficient researches and case studies. Also, it is improper to adopt the foreign cases for the domestic rivers and streams which have the high coefficients of river regime. Therefore, the channel-forming discharge possible to use for rivers with high coefficients of river regime is suggested in this study through analyzing the bankfull, specified recurrence interval, and effective discharges of Mangyeong River, Cheongmi Stream, and Hampyeong Stream for the abandoned channel restoration project. The bankfull discharge was calculated with geometric data using the HEC-RAS modeling and the flow, bed materials, and sediment data for the study reaches were used to estimate the specified recurrence interval and effective discharges. As a result for calculating the channel-forming discharge, the effective discharge was greater than the bankfull discharge in the river with high coefficient of river regime and the effective discharge was greater than the bankfull and there was no correlation between the coefficient of river regime and the characteristics of the specified recurrence interval discharges.
The channel-forming discharge, which is a standard and single flow for the river maintenance and restoration project, should be estimated necessarily in the stable channel design. It is difficult to produce the specific pattern for the channel-forming discharge in the domestic rivers due to the insufficient researches and case studies. Also, it is improper to adopt the foreign cases for the domestic rivers and streams which have the high coefficients of river regime. Therefore, the channel-forming discharge possible to use for rivers with high coefficients of river regime is suggested in this study through analyzing the bankfull, specified recurrence interval, and effective discharges of Mangyeong River, Cheongmi Stream, and Hampyeong Stream for the abandoned channel restoration project. The bankfull discharge was calculated with geometric data using the HEC-RAS modeling and the flow, bed materials, and sediment data for the study reaches were used to estimate the specified recurrence interval and effective discharges. As a result for calculating the channel-forming discharge, the effective discharge was greater than the bankfull discharge in the river with high coefficient of river regime and the effective discharge was greater than the bankfull and there was no correlation between the coefficient of river regime and the characteristics of the specified recurrence interval discharges.
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문제 정의
본 연구에서는 구하도 복원 사업이 진행 및 계획되고 있는 만경강, 청미천, 함평천을 대상하천으로 하도설계를 위한 하도형성유량을 산정 및 분석하고자 한다. 만제유량, 특정 재현기간별 유량, 유효유량을 산정하여 각각의 상호관계를 분석함으로써 하상계수가 큰 대상하천 및 국내하천에 적용 가능한 하도형성유량 산정방법을 제안하는 것이 본 연구의 목적이다.
본 연구에서는 GeoTool 프로그램을 이용하여 특정재현기간별 유량 및 유효유량을 산정하고 HEC-RAS 모의를 통해 만제유량을 산정하여 하도형성유량을 결정하기 위한 비교 및 분석을 하였다. 만제유량 산정을 위한 HEC-RAS 입력 자료로는 지형자료 및 기타 수면곡선 계산을 위한 입력자료가 필요하다.
본 연구에서는 구하도 복원 사업이 진행 및 계획되고 있는 만경강, 청미천, 함평천을 대상하천으로 하도설계를 위한 하도형성유량을 산정 및 분석하고자 한다. 만제유량, 특정 재현기간별 유량, 유효유량을 산정하여 각각의 상호관계를 분석함으로써 하상계수가 큰 대상하천 및 국내하천에 적용 가능한 하도형성유량 산정방법을 제안하는 것이 본 연구의 목적이다.
본 연구에서는 하상계수가 큰 하천에서의 하도형성유량 산정 방법을 제안하기 위해 국내의 만경강, 청미천, 함평천을 대상으로 하여 만제유량과 특정 재현기간별 유량, 유효유량을 산정하였으며 각각의 상호관계를 분석한 결과, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
제안 방법
또한 만제유량 산정시 활용한 HEC-RAS의 입력자료 중 Manning 계수의 결정은 만경강의 경우 만경강 구하도 복원 방안 수립 검토(ECORIVER21, 2008)에서 제시하고 있는 자료를 참고하였으며 청미천의 경우 청미천 하천정비기본계획(경기도, 2003), 함평천은 하천환경정비사업 실시설계 보고서(익산지방국토관리청, 2006)의 자료를 활용하였다. 기존 자료에서 활용된 조도계수는 본 연구에서 HEC-RAS 모의를 통해 수위 관측 자료와 비교하여 검증하였고 검증된 조도계수를 활용하여 본 연구에서는 만제유량을 산정하였다.
)은 자연하천에서 실제 홍수터의 표고까지 충적하도를 채우는 유량을 말하며 하도의 가장자리에 자연적으로 형성된 턱인 강턱(홍수터)을 월류하지 않고 그 횡단면을 채우는 흐름을 의미한다. 본 연구에서는 대상 구간에 대해 HEC-RAS 모의를 실시한 자료를 활용하여 만제유량을 산정하였으며 그 결과는 Fig. 2에서 Fig. 4와 같다. 홍수터 경계를 만제수위의 지표로 활용하였으며 만제유량을 산정하기 위한 기준 단면은 각 유역의 구하도 복원대상 사이에 있는 단면들로 선정하였으며 특히 홍수터의 구분이 상대적으로 확연하게 나타나는 단면에서의 강턱을 기준으로 만제유량을 산정하였다.
)은 수년에 걸쳐 연 유사량의 대부분을 이동시키는 유량으로 정의되며 Andrews(1980)와 Wolman and Miller(1960)가 제시한 하도형성유량 또는 지배유량은 유사이송의 크기와 발생빈도의 함수라는 기본 원리와 일치한다. 유효유량 값은 계산시 유량자료의 간격을 어떠한 형태로 했는지 얼마나 많은 수의 간격으로 자료를 활용하였는지에 따라 그 값의 차이가 크게 나타나기 때문에 유효유량 산정을 위한 유량 간격 설정을 산술등간격(Arithmeic Bin)과 로그간격(Logarithmic Bin) 모두 사용하였으며 각각 간격수가 25개, 50개, 100개인 경우에 대해 유효유량을 계산하였다. 유효유량 값의 결정은 국내하천과 같이 평수 및 갈수 빈도는 높고 이에 해당되는 유량은 적은 반면 홍수 빈도는 높지 않으나 홍수량은 평수 및 갈수량에 비해 매우 큰 특성을 갖는 하천일 경우, 최대 홍수량 값에서 일정기간 이동되는 유사량 값이 최대인 것으로 산정된다.
하도설계에 기준이 되는 하도형성유량을 결정하기 위한 세가지 방법 중 만제유량은 HEC-RAS 지형자료를 이용하여 기준이 되는 단면의 만제수위에 해당하는 유량으로 산정하였다. 특정 재현기간별 유량 및 유효유량은 GeoTool 프로그램(Raff 등, 2004)을 이용하여 산정하였다.
4와 같다. 홍수터 경계를 만제수위의 지표로 활용하였으며 만제유량을 산정하기 위한 기준 단면은 각 유역의 구하도 복원대상 사이에 있는 단면들로 선정하였으며 특히 홍수터의 구분이 상대적으로 확연하게 나타나는 단면에서의 강턱을 기준으로 만제유량을 산정하였다.
대상 데이터
만경강유역의 적용구간은 Fig. 1(a)에서 구하도 복원이 예정된 4.25 km 구간으로 선정하였다. 청미천은 한강의 제 1지류로 유역폭은 약 39 km이며 유로연장, 60.
대상하천 중 만경강의 유역면적은 1,504.35 km2, 유로연장은 80.86 km이며 서해로 유입되는 하천이다. 만경강의 하상경사는 만경강 하류부 30 km 구간이 1/3,800, 중류뷰 50 km까지가 1/540, 상류부 구간이 1/120이며 본류 하류구간을 제외한 대부분의 구간이 경사가 비교적 급하다.
만경강의 유량자료는 봉동의 T/M 자료를 활용하였으며 청미천의 경우 원부교의 T/M 자료를 활용하였고 함평천은 함평 T/M 자료를 활용하였다. 또한 만제유량 산정시 활용한 HEC-RAS의 입력자료 중 Manning 계수의 결정은 만경강의 경우 만경강 구하도 복원 방안 수립 검토(ECORIVER21, 2008)에서 제시하고 있는 자료를 참고하였으며 청미천의 경우 청미천 하천정비기본계획(경기도, 2003), 함평천은 하천환경정비사업 실시설계 보고서(익산지방국토관리청, 2006)의 자료를 활용하였다. 기존 자료에서 활용된 조도계수는 본 연구에서 HEC-RAS 모의를 통해 수위 관측 자료와 비교하여 검증하였고 검증된 조도계수를 활용하여 본 연구에서는 만제유량을 산정하였다.
GeoTool 프로그램에 입력되는 유효입경과 유량자료 및 유사이송식과 동수반경 관계식은 Table 1과 같다. 만경강의 유량자료는 봉동의 T/M 자료를 활용하였으며 청미천의 경우 원부교의 T/M 자료를 활용하였고 함평천은 함평 T/M 자료를 활용하였다. 또한 만제유량 산정시 활용한 HEC-RAS의 입력자료 중 Manning 계수의 결정은 만경강의 경우 만경강 구하도 복원 방안 수립 검토(ECORIVER21, 2008)에서 제시하고 있는 자료를 참고하였으며 청미천의 경우 청미천 하천정비기본계획(경기도, 2003), 함평천은 하천환경정비사업 실시설계 보고서(익산지방국토관리청, 2006)의 자료를 활용하였다.
본 연구는 하상계수가 큰 국내의 하천 중에서도 구하도 복원 사업이 진행 또는 계획되어 하도형성유량 산정이 반드시 필요한 만경강과 청미천, 함평천을 대상으로 하였다. 국가수자원관리 종합정보 시스템의 유량자료를 이용한 대상하천의 2007년부터 2009년까지의 하상계수 분석 결과, 만경강의 경우 1,177, 청미천의 경우 893, 함평천의 경우 940으로 나타나 세 하천 모두 하상계수가 매우 큰 것으로 나타났다.
데이터처리
하도설계에 기준이 되는 하도형성유량을 결정하기 위한 세가지 방법 중 만제유량은 HEC-RAS 지형자료를 이용하여 기준이 되는 단면의 만제수위에 해당하는 유량으로 산정하였다. 특정 재현기간별 유량 및 유효유량은 GeoTool 프로그램(Raff 등, 2004)을 이용하여 산정하였다. GeoTool 프로그램은 콜로라도주립대학교에서 Excel 응용프로그램의 Visual Basic을 기반으로 개발한 프로그램으로 엔지니어로 하여금 유역을 관리하는데 있어 합리적인 계획 결정에 영향을 주는 프로그램이다.
만약 특정 재현기간별 유량이 하도형성유량으로 사용된다면 재현빈도가 1년에서 3년 사이인 유량을 선택해야 하지만 여러 연구들을 통해 나타난 불확실성 때문에 현장조사에 의해 결정된 만제유량과 비교 분석하여 결정하는 것이 바람직하다. 특정 재현기간별 유량은 대상구간의 GeoTool 프로그램을 이용하여 1.5년과 2년 빈도 유량을 산정하였다.
이론/모형
8 mm로 자갈하천인 함평천의 경우 적용이 불가능하였다. 또한 MPM 공식은 하상재료가 5 mm이상인 경우에 적용가능하기 때문에(Meyer-peter and Muller, 1948) 제외하였으며 나머지 Bagnold, Brownlie와 Wilcok 공식 중 우효섭과 유권규(1989)의 각 공식에 대한 유량의 증가에 대한 불일치율의 변화에 대한 연구에서 비교적 우수하다고 평가된 Brownlie 공식을 선정하였다.
본 연구에서 사용한 만경강 유사량 산정공식은 유량조사사업단에서 측정한 자료(유량조사사업단, 2007)를 이용하였으며 청미천 유사량 산정공식은 국제수문개발계획사업의 청미천 유사량 자료(International Hydrological Project, 2010)를 이용하였다. 함평천의 경우 유사량에 관한 실측이 이루어지지 않아 총유사량 예측이 가능한 Brownlie(1981) 공식을 이용하여 산정하였다.
본 연구에서 사용한 만경강 유사량 산정공식은 유량조사사업단에서 측정한 자료(유량조사사업단, 2007)를 이용하였으며 청미천 유사량 산정공식은 국제수문개발계획사업의 청미천 유사량 자료(International Hydrological Project, 2010)를 이용하였다. 함평천의 경우 유사량에 관한 실측이 이루어지지 않아 총유사량 예측이 가능한 Brownlie(1981) 공식을 이용하여 산정하였다. 유효유량 산정에 활용한 GeoTool 프로그램은 Bagnold, Brownlie, Yang, MPM, Wilcok 등 총 5가지 유사량 공식을 선택할 수 있으며 그 중 Yang 공식은 하상재료가 모래인 경우에 적용가능 하기 때문에(Yang, 1996) 하상재료의 중앙입경이 3.
성능/효과
본 연구는 하상계수가 큰 국내의 하천 중에서도 구하도 복원 사업이 진행 또는 계획되어 하도형성유량 산정이 반드시 필요한 만경강과 청미천, 함평천을 대상으로 하였다. 국가수자원관리 종합정보 시스템의 유량자료를 이용한 대상하천의 2007년부터 2009년까지의 하상계수 분석 결과, 만경강의 경우 1,177, 청미천의 경우 893, 함평천의 경우 940으로 나타나 세 하천 모두 하상계수가 매우 큰 것으로 나타났다.
5년 빈도유량과 비슷한 값을 보였다. 대상하천 중 중앙입경이 가장 작은 모래하천인 청미천의 경우 만제유량은 유효유량보다 크게 나타났으며 유효유량이 1.5년, 2년 빈도 유량 사이에 분포하여 하상재료 또한 하도형성유량 특성에 영향을 미치는 것으로 분석되었다.
대상하천 중 하상계수가 크고 경사가 0.001 이상의 자갈하천인 만경강과 함평천의 경우 유효유량이 만제유량보다 크게 나타났으며 하상계수가 가장 작고 경사가 완만한 모래하천인 청미천의 경우는 만제유량이 유효유량보다 훨씬 크게 산정되었다. 또한 하상계수와 관련하여 1.
대상하천들 중 중앙입경이 가장 큰 자갈 하천이며 하상경사가 급하고 하상계수가 가장 크게 나타난 만경강의 경우, 만제유량이 유효유량과 1.5년, 2년 빈도 유량보다 적게 산정되었다. 자갈하천인 함평천의 경우 2년 빈도 유량과 유효유량이 거의 같은 것으로 나타났으며 만제유량은 1.
특정 재현기간별 유량과 유효유량 및 만제유량과의 관계는 하상재료에 많은 영향을 받는 것으로 나타났다. 대상하천들은 하천경사가 클수록 하상재료의 중앙입경이 크며 높은 하상계수를 보이는 특성이 있어 결과적으로 하천경사와 하상계수에 대해서도 같은 양상을 나타내는 것을 알 수 있다. 따라서 하상계수가 큰 국내 하천의 하도형성유량을 산정하는데 있어 하상재료와 하천경사에 대한 영향을 하상계수와 함께 반드시 고려해야 할 것으로 판단된다.
001 이상의 자갈하천인 만경강과 함평천의 경우 유효유량이 만제유량보다 크게 나타났으며 하상계수가 가장 작고 경사가 완만한 모래하천인 청미천의 경우는 만제유량이 유효유량보다 훨씬 크게 산정되었다. 또한 하상계수와 관련하여 1.5년, 2년 빈도유량은 일관성 있는 특징이 없는 것으로 나타났다.
하도형성유량과 하상계수의 연관성 분석을 위해 Table 3과 같이 각각의 대상하천에 대한 결과 값을 하상계수 및 하도 특성과 함께 나타내었다. 본 연구의 대상하천의 경우, 하도 특성에 따른 하상계수와의 상호 비교결과 만제하폭, 수심과 하폭비, 유역면적은 특정 패턴을 나타내지 않았으며 만제수심 및 만곡간 거리와 직선거리의 비를 나타내는 사행도의 경우 그 값이 적을수록 하상계수가 큰 특성을 나타냈다. 또한 하천경사가 급할수록, 하상토 중앙입경이 클수록 하상계수가 큰 것으로 나타났다.
이때 유효유량은 산술간격 및 로그간격의 각각 25, 50, 100개의 빈도 수로 계산된 유효유량 중 최대와 최소값을 제외한 나머지 유량값의 평균인 만경강 197 m3/s, 청미천 403 m3/s, 함평천 131 m3/s으로 하였다. 수위 비교결과, 만경강의 경우 2년 빈도 유량일 때의 수위가 가장 높았으며 1.5년 빈도 유량, 유효유량, 만제유량 순으로 나타났다. 청미천의 경우 만제유량일 때의 수위가 가장 높았으며 2년 빈도 유량, 유효유량, 1.
5년 빈도 유량, 만제유량 순으로 나타났다. 즉 모든 대상하천에서 하도형성유량 산정 방법 중 가장 큰 유량은 각각 다른 것으로 나타났으며 청미천을 제외한 만경강, 함평천 대상구간에서 만제유량이 가장 작게 산정되었다.
특정 재현기간별 유량과 유효유량 및 만제유량과의 관계는 하상재료에 많은 영향을 받는 것으로 나타났다. 대상하천들은 하천경사가 클수록 하상재료의 중앙입경이 크며 높은 하상계수를 보이는 특성이 있어 결과적으로 하천경사와 하상계수에 대해서도 같은 양상을 나타내는 것을 알 수 있다.
특정 재현기간별 유량산정 결과, 만경강의 1.5년 빈도 유량은 221 m3/s, 2년 빈도 유량은 285 m3/s인 것으로 나타났다. 청미천의 1.
후속연구
앞서 서술한바와 같이 하상계수가 큰 국내하천의 하도형성유량 산정결과, 세 가지 방법 중 특정 재현기간별 유량을 하도형성유량으로 일반화하기에는 무리가 있을 것으로 판단된다. 또한 만제유량의 경우 같은 대상구간이라 할지라도 위치에 따라 하도의 단면형태와 지형학적 특성들이 달라지기 때문에 대상단면 선정에 있어 신중한 판단이 요구되므로 유효유량과의 비교를 통한 검토가 반드시 필요할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
하도설계 시 필수적으로 수행해야 하는 작업은 무엇인가?
하천복원이나 하천정비 사업을 위한 하도설계에서는 흐름과 하도형상과의 관계를 나타내는 하도형성유량 산정이 반드시 필요하다. 여기서 하도형성유량이란 지배유량이라고도 하며 일정한 유량이 지속적으로 흐르는 하도에서 현재 하도의 형태를 만드는 지형학적 개념의 유량을 의미한다.
하도형성유량이란 무엇인가?
하천복원이나 하천정비 사업을 위한 하도설계에서는 흐름과 하도형상과의 관계를 나타내는 하도형성유량 산정이 반드시 필요하다. 여기서 하도형성유량이란 지배유량이라고도 하며 일정한 유량이 지속적으로 흐르는 하도에서 현재 하도의 형태를 만드는 지형학적 개념의 유량을 의미한다. 하도형성유량 결정을 위해 사용되는 방법에는 만제유량, 특정 재현 기간별 유량, 유효유량 세 가지 산정방법이 있다.
유효유량을 이용하여 하도형성유량을 산정할 때 본 연구에서 산술등간격과 로그간격을 이용한 이유는 무엇인가?
유효유량(Effective Discharge, Qeff)은 수년에 걸쳐 연 유사량의 대부분을 이동시키는 유량으로 정의되며 Andrews(1980)와 Wolman and Miller(1960)가 제시한 하도형성유량 또는 지배유량은 유사이송의 크기와 발생빈도의 함수라는 기본 원리와 일치한다. 유효유량 값은 계산시 유량자료의 간격을 어떠한 형태로 했는지 얼마나 많은 수의 간격으로 자료를 활용하였는지에 따라 그 값의 차이가 크게 나타나기 때문에 유효유량 산정을 위한 유량 간격 설정을 산술등간격(Arithmeic Bin)과 로그간격(Logarithmic Bin) 모두 사용하였으며 각각 간격수가 25개, 50개, 100개인 경우에 대해 유효유량을 계산하였다. 유효유량 값의 결정은 국내하천과 같이 평수 및 갈수 빈도는 높고 이에 해당되는 유량은 적은 반면 홍수 빈도는 높지 않으나 홍수량은 평수 및 갈수량에 비해 매우 큰 특성을 갖는 하천일 경우, 최대 홍수량 값에서 일정기간 이동되는 유사량 값이 최대인 것으로 산정된다.
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