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문제 정의
- 낙동강하구둑은 낙동강 하류부 인근 동남 해안권의 산업도시와 영남최대의 곡창지대인 김해평야에 염분 피해 없는 안정된 용수공급과 치수를 목적으로 건설되었다.
- 본 연구의 목적은 첫째, 한승원 (2010)에 의해 제안된 낙동강하구둑에서의 최적의 유사량공식과 유사이송형태인 Ackers and White (1973) 공식과 소류사이송 형태에 대해, 2007년 실제수문사상과 지형을 적용하여 검증함으로써 퇴사저감 모의시 활용하는데 있다.
- 셋째, 현재 수행중인 준설방법의 대안으로 준설토를 이용하여, 하폭이 급격히 확대됨으로써 유속이 감소하는 구간의 하폭을 유함으로써 퇴사를 저감하는 방법에 대해 연구하고자 한다.
- 이러한 연구를 통해 일반적인 하천의 보나 댐 상류에서 수행되는 퇴사저감 및 퇴사제거 방법의 선정을 위한 정량적인 평가방법 및 절차를 사례 연구를 통해 제안하는 것이 본 연구의 목적이다.
제안 방법
- 9 km 사이 구간에서 준설이 수행되었으며 수치모의시에도 측량된 지형자료를 준설이 된 후의 지형으로 수정한 후 이를 초기 지형 자료로 활용하였다. 2007년 4월부터 11월까지의 실제수문사상을 적용한 하상변동 모의 결과와 실제 11월 측량한 횡단면 전 구간을 50 m 간격으로 비교하였다 (Fig. 6). 소류사이송 형태의 이류-확산방정식을 적용하고 Ackers and White (1973) 공식을 적용한 모의 결과, 모든 구간에서 실제 측량된 횡단면과 비교적 일치하는 것으로 나타났 다.
- 다음으로 유사이송 형태의 결정을 위해 2002년의 7월부터 11월까지 실제 수문사상 (Fig. 2)과 홍수기전 측량한 지형을 적용한 하상변동 모의 결과를 비교하였다.
- 대상하천에 적합한 유사이송 형태 선정을 위해 모의 결과와 실제 11월 측량된 횡단면을 50 m 간격으로 비교하였다.
- 둘째, 낙동강하구둑에 현재 수행중인 준설효과를 분석하기 위해 2002년 수문사상과 지형자료를 적용하여 2차원 수치모의를 수행하였다.
- 둘째, 대상하천에서 현재 수행중인 퇴사저감 방법인 준설방법에 대해 수치 모의를 통해 그 효과를 정량적으로 분석하고 검증하는 것이다.
- 또한 현재 시행되고 있는 준설효과에 대한 분석과 함께 하폭축소를 통한 퇴사저감 방안에 대해 수치모의를 수행하였으며 그 결론은 다음과 같다.
- 본 논문에서는 낙동강하구둑에서의 퇴사저감 방안에 대한 수치모의 분석을 위해 CCHE2D 모형을 이용하여 유량크기별 하상변동 민감도 분석과 실제 수문사상을 적용한 하상변동 모의를 수행하였다.
- 본 연구에 적용할 수치모형선정을 위해 대표적인 2차원 하상변동 모형인 SED2D (Ariathurai and Krone, 1974)와 CCHE2D 모형 (Wu et al. 2000)을 비교하였다.
- 본 연구에서는 CCHE2D 모형을 이용하여 Ackers and White (1973)와 Engelund and Hansen (1967) 공식을 적용하고, 유사이송 형태로는 소류사, 부유사, 총유사 이송 형태를 각각 적용하여 유량크기별 하상변동모의를 수행한 후 그 결과를 서로 비교하였다.
- 본 연구에서는 이러한 퇴사 문제를 해결하기 위해 낙동하구둑을 시점으로 하여 상류 3.8 km 구간까지를 대상영역으로 정하고 2차원 하상변동 모형인 CCHE2D 모형을 이용하여 모의를 수행하였다 (Fig. 1).
- 이를 최종적으로 검증하기 위해 2007년 실제 수문사상 (Fig. 5)을 적용하고 2007년 홍수기 전 측량한 지형을 초기 하상으로입력하여 하상변동 모의를 수행하였다.
- 측량은 20 m 간격으로 균일하게 시행되었으며 수치모의 시에도 이를 반영하여 Mesh 간격을 20 m 간격으로 나누어 입력하였으며 자료처리에 따른 영향을 최소화하였다.
- 9). 하폭축소를 통한 퇴사저감 방안 분석을 위해 4장 준설효과 모의에서 적용된 조건과 동일하게 2007년 실제 수문사상 (Fig. 5)과 Ackers and White (1973) 공식, 소류사이송 형태를 적용하여 하상변동 모의를 수행하였다.
- 하폭축소를 통한 퇴사저감 효과를 보다 정확히 확인하기 위해 대상하천에서의 횡단면 비교를 실시하였다.
대상 데이터
- 2차원 흐름 및 하상변동 모의를 위한 지형자료는 한국수자원공사에서 홍수기 전과 홍수기 후 Echo Sounder와 E.P.S를 이용하여 단빔으로 측량한 결과를 이용하였다.
- 모형의 Mesh 격자는 가로 32개, 세로 150개로 총 4,800개의 격자망으로 구축하였다.
- 본 논문의 대상영역인 낙동강하구둑 (Nakdong River Estuary Barrage, NREB)은 홍수시 통수능 확보를 위해 매년 준설 방법을 이용하여 퇴사를 제거하고 있다.
- 본 연구의 대상영역인 낙동강하구둑 상류의 경우 높은 조위와 큰 홍수가 동시에 발생할 경우를 대비해서 유사퇴적 높이가 1m 이상이 되지 않도록 매년 준설을 시행하고 있다.
- 본 연구의 대상영역인 낙동강하구둑은 안동댐으로부터 하류 355 km 지점에 위치하고 있으며 바다로부터 상류 8 km 지점에 위치하고 있다.
- 수위와 유량 자료는 삼랑진 지점의 낙동강홍수통제소 일평균 유량자료와 하구둑 지점의 수위자료를 이용하였다.
- 유사량공식 및 유사이송 형태에 대한 수치모형의 보정을 위해 2002년 지형 및 실제 수리·수문자료를 활용하였으며 최종 검증 과정에는 2007년 자료가 사용되었다.
- 하상토 중앙입경은 구포지점의 자료 (지운 등, 2008)를 이용하였으며 0.25 mm을 적용하였다.
데이터처리
- 준설효과 분석을 위해 Fig. 7과 같이 준설을 실시하지 않았을 경우와 준설을 실시하였을 경우의 수치모의 결과를 비교하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 낙동강하구둑 상류 접근수로에서의 하상변동 예측을 위한 유사량 산정 공식 및 유사이송 형태의 선정을 위해 다양한 유사량 공식과 유사이송 형태가 적용 가능한 CCHE2D 모형을 활용하였다. Wu et al. (2000) 공식과 SEDTRA Module (Garbrecht et al. 1995) 공식은 CCHE2D 모형에서 총유사량 이송 형태로만 모의가 가능하기 때문에 본 논문에서는 소류사와 부유사 이송 형태 적용이 모두 가능한 Ackers and White (1973) 공식과 Engelund and Hansen (1967) 공식만을 적용하였다. 이 두 공식은 2차원 하상변동 모의시 가장 많이 이용되는 유사량 산정공식으로 Engelund and Hansen (1967) 공식은 하천의 상사이론에 기초하여 개발된 것이며 Ackers and White (1973) 공식은 일종의 에너지 개념 형태를 기본으로 개발된 공식이다.
- 또한 유사량 자료는 1995년에 한국수자원공사에서 제시한 진동지점 유량-유사량 관계식을 활용하였다 (한국수자원공사, 1995).
- 1995) 등 다양한 유사량 공식을 선정하여 모의할 수 있고 유사이송 형태는 소류사와 부유사, 총유사 이송형태에 대해서 모두 모의가 가능하다는 점이다 (지운 등, 2010). 본 연구에서는 낙동강하구둑 상류 접근수로에서의 하상변동 예측을 위한 유사량 산정 공식 및 유사이송 형태의 선정을 위해 다양한 유사량 공식과 유사이송 형태가 적용 가능한 CCHE2D 모형을 활용하였다. Wu et al.
- 측량된 지형 자료는 CCHE2D 상에서 사용할 수 있는 Random Interpolation 기법과 Triangulation Interpolation, Structured Interpolation 기법 중 모형의 매뉴얼 상에서 추천하는 Structured Interpolation을 사용하여 지형 자료를 보간 하였다.
성능/효과
- 4 m 이상 침식되는 것으로 나타났다. 또한, 하폭축소가 적용되지 않은 하류와 상류 구간에서도 퇴적량이 감소되는 것을 확인할 수 있었다.
- 모형의 민감도 분석 및 보정 과정을 통해 대상하천에서 하상변동 분석시 유사량 공식은 Ackers and White (1973) 공식을 적용하고 유사이송 형태로는 소류사이송 형태를 적용하는 것이 가장 적합한 것으로 나타났다.
- 비교 결과, 전체적인 하상변동 양상은 비슷하였으나 준설을 고려한 경우에는 준설이 수행된 1km에서 1.5km와 2km에서 2.5km 구간에서 퇴적량이 감소하였으며 준설구간 외에서도 전체적으로 퇴적량이 감소함을 알 수 있었다.
- 셋째, 준설방법의 대안으로 준설토를 이용하여 하폭축소를 통한 퇴사저감 방법을 수치 모의한 결과, 하폭축소전 모의 결과에서는 단면의 급 확대로 유속이 감소하는 2.5 km에서 3.3km 구간에 초기하상에 비해 0.5m 이상의 유사가 퇴적되는 양상이 나타났으나 하폭축소후 모의 결과에서는 하폭축소 구간 중앙에서 초기하상에 비해 평균 0.9 m의 퇴사저감 효과를 확인할 수 있었다.
- 6). 소류사이송 형태의 이류-확산방정식을 적용하고 Ackers and White (1973) 공식을 적용한 모의 결과, 모든 구간에서 실제 측량된 횡단면과 비교적 일치하는 것으로 나타났 다. 예를 들어 하구둑으로부터 1,400 m 떨어진 지점의 경우, 하상변동 모의 결과와 실제 측량된 횡단면의 최대 침식이 각각 -8.
- 준설구간 내 횡단면비교에서는 실제 측량된 횡단면과 모의 결과가 비교적 일치하는 것으로 나타났으며 준설을 수행하지 않았을 경우 준설을 수행한 모의 결과에 비해 준설구간 뿐만 아니라 모의구간 전체에서 퇴적량이 증가하는 것으로 나타났다.
- 준설을 고려하지 않은 모의 결과에 비해 준설이 수행된 구간에서 평균 0.2m 퇴적량 감소를 확인할 수 있었으며 실제 측량된 횡단면과 모의 결과가 평균 0.1m의 차이를 보였다.
- 준설을 수행하지 않았을 경우, 준설 구간내 횡단면 비교 시 초기하상에 비해 최대 1.1m 이상 퇴적되는 것으로 나타났으며 준설구간뿐만 아니라 모의 구간 전체에서 퇴적량 증가가 나타났다.
- 첫째, 유사량 공식 및 유사이송 형태에 대한 민감도 분석과 2002년 수문사상을 적용한 모의 결과, 낙동강하구둑 상류 접근수로에서는 Ackers and White (1973) 공식을 적용하고 유사이송 형태는 소류사 형태를 적용하는 것이 적절한 것으로 나타났으며 이는 2007년 지형과 수문사상을 적용한 수치모의를 통해 검증되었다.
- 하폭축소 전 모의 결과에서는 단면의 급확대로 유속이 감소하는 2km에서 3km 구간에서 초기하상에 비해 0.5m 이상의 유사가 퇴적되는 양상이 나타났으나 하폭축소 후 모의 결과에서는 초기하상에 비해 하푹축소 구간 중앙에서 0.4 m 이상 침식되는 것으로 나타났다.
- 9 m의 퇴사저감 효과를 확인할 수 있었다. 하폭축소전과 하폭축소후 모의 결과 비교시, 하폭축소후 최소 0.1m에서 최대 0.9m의 퇴사저감이 나타났으며 하폭축소후 침식이 더 크게 발생하는 것으로 나타났다.
- 횡단면 비교결과, 소류사이송 형태를 적용한 하상변동 모의 결과가 부유사이송 형태를 적용하였을 경우보다 실제 지형과 일치하는 것으로 나타났다.
- 횡단면 비교결과, 전체적으로 하폭축소후 침식이 더 크게 발생하여 퇴사저감 효과가 있는 것으로 나타났으며 특히 하폭이 축소된 구간은 축소전과 비교해 최대 2.0m 이상 침식이 일어났다.
후속연구
- 낙동강하구둑 상류 접근수로의 퇴사저감 방법 선정을 위한 수치모의 연구결과, 준설로 인한 유사퇴적량 감소를 확인할 수 있었으며 매년 준설되는 토사를 활용하여 하폭의 최대 단면을 축소시키는 방법을 적용한다면 준설을 대체할 수 있는 방안으로 제안할 수 있을 것으로 판단된다.
- 따라서 낙동강하구둑에서 현재 수행중인 준설방법에 대한 정량적 분석 및 검증이 필요하며, 이를 대체할 수 있는 적절한 퇴사저감방안 연구도 필요하다.
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