하상의 변동은 저수지와 취수용 보 등 저류용도의 구조물의 저류능력을 감소시키고 제방과 교각의 안전도를 저하시키거나 하천시설물의 사용에 문제를 발생시킨다. 따라서 하상의 변동양상을 파악하는 것은 이수, 치수 및 하천환경면에서 모두 중요하다. 본 연구에서는 충청남도 부여군 은산면 회곡리에 위치한 지천교 부근의 지천 하류부를 대상구간으로 선정하였다. 2003년 11월 7일에 총길이 1,320m의 구간에서 14개의 지점을 종 횡단 측량하였고, 2004년 6월 24일과 2004년 9월 24일에 같은 구간을 다시 측량하여 약 1년 동안 실제하상의 변화를 분석하였다. 이 결과를 1차원 HEC-6 모형과 준2차원 GSTARS 3.0 모형의 계산결과와 비교 분석하였다. 계산을 위한 지형자료는 2003년 11월 7일의 하천 측량 자료를 이용하여 구성하였으며, 상류단 유입유량과 하류단 수위-유량자료는 지천교의 구룡수위표 자료를 이용하였다. 모형의 적용결과 유사량 산정공식은 Toffaleti공식이 다른 유사량 공식에 비해 지천하류부의 최심하상 변동을 잘 모의하고 있는 것으로 나타났다. GSTARS 3.0 모형의 경우, 전반적으로 유관 1개를 사용하여 계산한 결과가 유관 3개, 5개를 사용한 결과보다 실측치에 근접하였으며, 지천과 같이 흐름폭이 넓지 않은 하천에서의 GSTARS 3.0 모형은 유관 개수가 여러 개일 때 적용성이 떨어지는 것으로 나타났다. 또한 지천하류부의 대상구간에 HEC-6와 GSTARS 3.0 모형의 계산결과와 1년간 하상변동에 따른 측량성과의 비교 결과, 실측 최심하상과 큰 차이를 나타내지는 않는 것으로 분석되어, 지천하류부의 하상변동 예측에 적용성이 있다고 판단된다.
하상의 변동은 저수지와 취수용 보 등 저류용도의 구조물의 저류능력을 감소시키고 제방과 교각의 안전도를 저하시키거나 하천시설물의 사용에 문제를 발생시킨다. 따라서 하상의 변동양상을 파악하는 것은 이수, 치수 및 하천환경면에서 모두 중요하다. 본 연구에서는 충청남도 부여군 은산면 회곡리에 위치한 지천교 부근의 지천 하류부를 대상구간으로 선정하였다. 2003년 11월 7일에 총길이 1,320m의 구간에서 14개의 지점을 종 횡단 측량하였고, 2004년 6월 24일과 2004년 9월 24일에 같은 구간을 다시 측량하여 약 1년 동안 실제하상의 변화를 분석하였다. 이 결과를 1차원 HEC-6 모형과 준2차원 GSTARS 3.0 모형의 계산결과와 비교 분석하였다. 계산을 위한 지형자료는 2003년 11월 7일의 하천 측량 자료를 이용하여 구성하였으며, 상류단 유입유량과 하류단 수위-유량자료는 지천교의 구룡수위표 자료를 이용하였다. 모형의 적용결과 유사량 산정공식은 Toffaleti공식이 다른 유사량 공식에 비해 지천하류부의 최심하상 변동을 잘 모의하고 있는 것으로 나타났다. GSTARS 3.0 모형의 경우, 전반적으로 유관 1개를 사용하여 계산한 결과가 유관 3개, 5개를 사용한 결과보다 실측치에 근접하였으며, 지천과 같이 흐름폭이 넓지 않은 하천에서의 GSTARS 3.0 모형은 유관 개수가 여러 개일 때 적용성이 떨어지는 것으로 나타났다. 또한 지천하류부의 대상구간에 HEC-6와 GSTARS 3.0 모형의 계산결과와 1년간 하상변동에 따른 측량성과의 비교 결과, 실측 최심하상과 큰 차이를 나타내지는 않는 것으로 분석되어, 지천하류부의 하상변동 예측에 적용성이 있다고 판단된다.
River bed variation drops storage capacity of dams and reservoirs, and furthermore deteriorates safety of banks and peers. Therefore, understanding of bed variation is important to use and manage river water. Study section is downstream part of Ji- Cheon nearby Ji-Cheon Bridge which is located in Gu...
River bed variation drops storage capacity of dams and reservoirs, and furthermore deteriorates safety of banks and peers. Therefore, understanding of bed variation is important to use and manage river water. Study section is downstream part of Ji- Cheon nearby Ji-Cheon Bridge which is located in Gum river basin. The river surveying at fourteen places with the length of 1,320m were undertaken on November 7, 2003 and September 24, 2004, and the results of river surveying were analyzed for the study. Real bed variation was compared with the simulation results of HEC-6 and GSTARS 3.0. Cross section data for the simulation of HEC-6 and GSTARS3.0 were composed of the basis of river surveying data on November 7, 2003. Hydrological data were acquired from Gu-Ryong watermark located at Ji-Chun Bridge. The research results revealed that when using Toffaleti equation, simulation results of two models were similar to the real bed variation. The bed variation simulated by using GSRARS 3.0 with only one stream tube was similar to the real bed variation. The bed variation simulated by using two models(HEC-6 and GSTRARS 3.0) with Toffaleti equation was also similar to the real bed variation. Therefore, it is expected that HEC-6 and GSTARS 3.0 models have applicability to predict the bed variation at the downstream of Ji-Cheon.
River bed variation drops storage capacity of dams and reservoirs, and furthermore deteriorates safety of banks and peers. Therefore, understanding of bed variation is important to use and manage river water. Study section is downstream part of Ji- Cheon nearby Ji-Cheon Bridge which is located in Gum river basin. The river surveying at fourteen places with the length of 1,320m were undertaken on November 7, 2003 and September 24, 2004, and the results of river surveying were analyzed for the study. Real bed variation was compared with the simulation results of HEC-6 and GSTARS 3.0. Cross section data for the simulation of HEC-6 and GSTARS3.0 were composed of the basis of river surveying data on November 7, 2003. Hydrological data were acquired from Gu-Ryong watermark located at Ji-Chun Bridge. The research results revealed that when using Toffaleti equation, simulation results of two models were similar to the real bed variation. The bed variation simulated by using GSRARS 3.0 with only one stream tube was similar to the real bed variation. The bed variation simulated by using two models(HEC-6 and GSTRARS 3.0) with Toffaleti equation was also similar to the real bed variation. Therefore, it is expected that HEC-6 and GSTARS 3.0 models have applicability to predict the bed variation at the downstream of Ji-Cheon.
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문제 정의
본 연구에서는 금강수계의 지천하류부에 하상변동 예측모형을 사용하여 몇 가지의 유사량 산정공식으로 얻은 유사량을 모형에 적용하여 하상변동을 모의하고, 그 결과를 측량성과를 통한 실제 하상변동량과 비교·분석하고자 한다.
가설 설정
Shen과 Hung은 유사이송이 너무 복잡하여 어떤 조건하에서도 Reynolds수나 Froude수 혹은 이들 둘을 조합하여 유사이송을 설명할 수 없다고 가정하였다. 이러한 유사 이송과 관련된 변수를 구하는 대신에 그들은 실험실에서 모래입경을 근거로 얻은 587개의 자료를 분석하여 식(8)과 같은 회귀식을 도출하였다.
제안 방법
0 모형의 계산을 위한 단면 자료는 2003년 11월 7일의 하천 측량 자료를 토대로 구성하였고, 수치모형의 계산에 필요한 상류단의 유입유량과 하류단의 수위-유량자료는 지천교의 구룡수위표 자료를 바탕으로 하였다. HEC-6 모형과 GSTARS 3.0 모형의 유입 유사량은 공식별로 유사량을 계산하여 모형에 적용하였다. 두 모형 모두 대상구간의 유사량 산정식은 유입 유사량 계산과 동일한 관계식을 사용하였다.
유사자료는 유사량 공식 별로 계산된 유입 유사량을 각 모형의 입력형식에 맞추어 적용하였고, 대상구간의 유사운송능을 계산하는 유사량 공식은 유입 유사량을 산정한 공식과 같은 공식을 선택하여 적용하였다. 계산시간간격은 한 시간으로 하였고, 하나의 계산시간 간격에서의 유사 연속방정식의 계산 횟수는 모형이 안정한 값을 얻어낼 수 있도록 각 조건별로 적절히 정하였다. 유관 모형인 GSTARS 3.
본 논문에서는 지천하류부의 지천교로부터 상류쪽으로 1,320 m 구간을 선정하고, 실측치와 수치모형 결과와의 비교 분석을 통하여 하상변동을 검토하였으며 그 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 HEC-6 모형과 GSTARS 3.0 모형을 사용하여 유사량 산정공식별 하상변동량을 파악하고, 실제 지천하류부의 하상변동량과의 차이를 비교·분석하였다(최호, 2005; 최호 등, 2005).
지형자료는 각 모형의 입력형식에 맞추어 횡단면, 조도계수 등을 입력하였고, 수문자료는 한 시간 간격의 수위유량자료를 적용하였다. 유사자료는 유사량 공식 별로 계산된 유입 유사량을 각 모형의 입력형식에 맞추어 적용하였고, 대상구간의 유사운송능을 계산하는 유사량 공식은 유입 유사량을 산정한 공식과 같은 공식을 선택하여 적용하였다. 계산시간간격은 한 시간으로 하였고, 하나의 계산시간 간격에서의 유사 연속방정식의 계산 횟수는 모형이 안정한 값을 얻어낼 수 있도록 각 조건별로 적절히 정하였다.
표준축차방법으로 에너지방정식과 연속방정식을 풀어 각 유량에 대한 배수위 수면 곡선을 계산하고, 유사운송능을 계산하는데 필요한 수리변수들인 유속, 수심, 하폭 및 에너지경사를 얻어 각 단면별로 유사운송능을 계산한다. 이 운송능과 흐름사상의 지속시간을 이용하여 각 구간별로 유사부피의 증감을 계산하여, 각 단면의 침식과 퇴적을 계산하고 단면의 형태를 조절한다. 앞의 계산에서 수정된 하천단면을 이용하여 위의 과정을 다음 흐름사상에 대하여 계산하며, 이러한 과정을 마지막 흐름사상까지 반복한다.
0 모형을 연구대상구간에 적용하여 그 결과를 약 1년간의 실제 측량성과와 비교 분석하였다. 지형자료는 각 모형의 입력형식에 맞추어 횡단면, 조도계수 등을 입력하였고, 수문자료는 한 시간 간격의 수위유량자료를 적용하였다. 유사자료는 유사량 공식 별로 계산된 유입 유사량을 각 모형의 입력형식에 맞추어 적용하였고, 대상구간의 유사운송능을 계산하는 유사량 공식은 유입 유사량을 산정한 공식과 같은 공식을 선택하여 적용하였다.
HEC-6 모형은 1차원 개수로 수치모형으로 연속된 수문자료는 각 시간단계에서 일련의 정상 유량의 흐름으로 적용한다. 표준축차방법으로 에너지방정식과 연속방정식을 풀어 각 유량에 대한 배수위 수면 곡선을 계산하고, 유사운송능을 계산하는데 필요한 수리변수들인 유속, 수심, 하폭 및 에너지경사를 얻어 각 단면별로 유사운송능을 계산한다. 이 운송능과 흐름사상의 지속시간을 이용하여 각 구간별로 유사부피의 증감을 계산하여, 각 단면의 침식과 퇴적을 계산하고 단면의 형태를 조절한다.
하상변동 예측모형인 HEC-6 모형과 GSTARS 3.0 모형을 연구대상구간에 적용하여 그 결과를 약 1년간의 실제 측량성과와 비교 분석하였다. 지형자료는 각 모형의 입력형식에 맞추어 횡단면, 조도계수 등을 입력하였고, 수문자료는 한 시간 간격의 수위유량자료를 적용하였다.
연구대상구간은 충청남도 부여군 은산면 회곡리에 위치한 지천교 부근의 지천 하류부이며, 2003년 11월 7일에 총길이 1,320m의 구간에서 14개의 지점을 종·횡단 측량하였고, 2004년 6월 24일과 2004년 9월 24일에 같은 구간을 다시 측량하여 약 1년 동안의 하상의 변화를 파악하였다. 하상재료의 구성을 파악하기 위하여 12개 지점의 하상 재료를 채취하여 체가름 시험을 통하여 입도분포곡선을 얻었다. HEC-6 모형과 GSTARS 3.
대상 데이터
하상재료의 구성을 파악하기 위하여 12개 지점의 하상 재료를 채취하여 체가름 시험을 통하여 입도분포곡선을 얻었다. HEC-6 모형과 GSTARS 3.0 모형의 계산을 위한 단면 자료는 2003년 11월 7일의 하천 측량 자료를 토대로 구성하였고, 수치모형의 계산에 필요한 상류단의 유입유량과 하류단의 수위-유량자료는 지천교의 구룡수위표 자료를 바탕으로 하였다. HEC-6 모형과 GSTARS 3.
연구대상구간은 충청남도 부여군 은산면 회곡리에 위치한 지천교 부근의 지천 하류부이며, 2003년 11월 7일에 총길이 1,320m의 구간에서 14개의 지점을 종·횡단 측량하였고, 2004년 6월 24일과 2004년 9월 24일에 같은 구간을 다시 측량하여 약 1년 동안의 하상의 변화를 파악하였다.
연구대상구간은 충청남도 부여군 은산면의 신대리와 회곡리 부근의 지천 하류부이며, 2003년 11월 7일에 총연장 1,320 m의 구간을 종·횡단 측량하였고, 2004년 6월 24일과 2004년 9월 24일에 같은 구간을 다시 측량하여 약 1년 동안의 하천지형의 변화를 파악하였다.
데이터처리
계산시간간격은 한 시간으로 하였고, 하나의 계산시간 간격에서의 유사 연속방정식의 계산 횟수는 모형이 안정한 값을 얻어낼 수 있도록 각 조건별로 적절히 정하였다. 유관 모형인 GSTARS 3.0 모형의 유관의 개수는 1개, 3개, 5개로 달리하여 모의하여 결과를 비교, 분석하였다.
이론/모형
0 모형은 Molinas와 Yang에 의해 개발된 하상변동 수치모형이다. HEC-6 모형이 유한차분법에 근거하는 것과는 달리 GSTARS 3.0 모형은 유관모형(stream tube model)을 사용한다 (표 1). 일차원 유관모형에 근거한 GSTARS3.
연구대상구간의 유입유사량은 Toffaleti공식, Shen & Hung공식, Yang공식, Engelund & Hansen 공식으로 구하여 수치모형에 적용하였다. 공식에 사용된 수심, 에너지경사 등의 수리량은 HEC-RAS 모형의 부등류 계산을 통하여 유량별로 산정하였다. 모형에 적용한 각 유량별 유입유사량은 표 3과 같으며 Toffaleti공식으로 계산한 유사량이 가장 적었고, Yang공식으로 얻은 유사량이 가장 크게 나타났다.
0 모형의 결과를 비교한 것이다. 유사량 공식은 비교적 실측치에 근접하고 있는 Toffaleti공식을 사용하였으며, GSTARS 3.0의 경우 1 개의 유관을 사용하였다. 두 모형의 종방향 최심하상고 모의결과는 HEC-6 모형의 전체 변화량이 실측치와 더 가까움을 알 수 있다.
성능/효과
1) HEC-6 모형과 GSTARS 3.0 모형으로 지천하류부의하상변동을 모의한 결과, HEC-6 모형이 비교적 실측 최심하상에 근접하고 있음을 알 수 있었다. 하지만 모의 결과에 큰 차이를 나타내지는 않았으며, 지천하류부 하상변동 예측에 대한 적용성을 확인하였다.
2) HEC-6 모형과 GSTARS 3.0 모형의 적용결과, Toffaleti 공식이 다른 유사량 공식에 비해 지천하류부의 최심하상 변동을 잘 나타내는 것으로 산정되었다.
3) GSTARS 3.0 모형의 적용결과, 유관 1개를 사용하여 모의한 결과가 3개, 5개의 유관을 사용하여 모의한 결과보다 하상의 변동이 전반적으로 실제와 근접한 값을 나타내고 있다. 이러한 결과로 흐름 폭이 어느 정도 넓지 않은 하천에서 GSTARS 3.
67m 사이에서 실측치와 차이가 나타났다. HEC-6 모형 적용결과 값들의 차이가 크지는 않지만 Toffaleti공식을 적용하여 모의한 결과가 다른 공식을 사용하여 모의한 결과보다 실제 최심 하상 변화 값과 근접한 값을 얻고 있는 것을 알 수 있다.
전반적으로 Toffaleti공식으로 얻은 유사량을 모형에 적용한 결과가 전반적으로 실제 하상의 변화와 비슷한 양상을 나타내고 있음을 알 수 있다. 또한, GSTARS 3.0 모형의 적용시 유관의 수를 한 개로 하였을 때 지천하류부의 실제의 횡단면의 변화와 가장 유사한 결과를 얻는 것을 알 수 있다. 모의기간 동안에 발생한 유출량의 대부분이 저수로로만 소통되었으나 저수로 폭이 충분히 넓지 않기 때문에 유관을 여러 개로 나누어 모의한 결과보다 한 개의 유관을 선택하여 모의한 결과가 더 실제의 하상의 변화양상과 비슷한 결과를 얻은 것으로 판단된다.
0 모형의 적용시 유관의 수를 한 개로 하였을 때 지천하류부의 실제의 횡단면의 변화와 가장 유사한 결과를 얻는 것을 알 수 있다. 모의기간 동안에 발생한 유출량의 대부분이 저수로로만 소통되었으나 저수로 폭이 충분히 넓지 않기 때문에 유관을 여러 개로 나누어 모의한 결과보다 한 개의 유관을 선택하여 모의한 결과가 더 실제의 하상의 변화양상과 비슷한 결과를 얻은 것으로 판단된다.
공식에 사용된 수심, 에너지경사 등의 수리량은 HEC-RAS 모형의 부등류 계산을 통하여 유량별로 산정하였다. 모형에 적용한 각 유량별 유입유사량은 표 3과 같으며 Toffaleti공식으로 계산한 유사량이 가장 적었고, Yang공식으로 얻은 유사량이 가장 크게 나타났다. 이 차이들은 공식을 얻어내는 과정에서 발생한 결과이다.
그림 9는 실측된 최심하상고와 GSTARS를 이용한 수치모의 결과를 유관 및 유사량 공식에 따라 비교한 것이다. 유관 1개를 사용하여 GSTARS 3.0 모형을 계산한 결과, HEC-6모형의 계산치와 유사하게 나타났으며, 실측치와의 차이도 작게 나타났다. Toffaleti 공식의 적용결과 -0.
48m 범위에서 실측된 최심하상고와 차이를 나타낸다. 유사량 공식별 최심하상고의 변동 결과가 실제 측량 성과와 많은 차이를 나타내고 있음을 알 수 있다. 전반적으로 Toffaleti공식으로 얻은 유사량을 모형에 적용한 결과가 전반적으로 실제 하상의 변화와 비슷한 양상을 나타내고 있음을 알 수 있다.
51m 사이에서 그 차이를 보이고 있다. 적용결과 Toffaleti 공식을 사용한 결과값들이 전반적으로 실측치와 가장 근접하게 나타나고 있다. 유관 3개를 사용하여 GSTARS 3.
유사량 공식별 최심하상고의 변동 결과가 실제 측량 성과와 많은 차이를 나타내고 있음을 알 수 있다. 전반적으로 Toffaleti공식으로 얻은 유사량을 모형에 적용한 결과가 전반적으로 실제 하상의 변화와 비슷한 양상을 나타내고 있음을 알 수 있다. 또한, GSTARS 3.
후속연구
이 차이들은 공식을 얻어내는 과정에서 발생한 결과이다. 산정공식별 유입 유사량을 수치모형에 적용 하여 실제 하상변동양상과 비슷한 결과를 얻어낸 산정공식이 지천하류부에 적용성이 가장 좋은 유사량 공식으로 평가될수 있을 것이다.
0 모형의 적용결과, 유관 1개를 사용하여 모의한 결과가 3개, 5개의 유관을 사용하여 모의한 결과보다 하상의 변동이 전반적으로 실제와 근접한 값을 나타내고 있다. 이러한 결과로 흐름 폭이 어느 정도 넓지 않은 하천에서 GSTARS 3.0 모형의 유관 개수를 여러 개의 유관으로 나누어 모의하는 것은 적용성이 떨어진다고 생각되며, 앞으로 한강 등의 큰 규모의 하천에 적용하여 그 결과를 검토하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
하상변동의 원인은?
유수의 흐름은 유사의 이동을 발생시켜 하상변동의 원인이 된다. 그에 따라 달라진 하상의 형태는 새로운 흐름을 형성하고 다시 하상의 변동을 발생시킨다.
하상변동은 어떤 문제를 일으키는가?
자연하천의 임의의 구간에 대한 하상의 변화를 생각해보면 임의의 구간으로 들어온 유사량과 빠져나간 유사량의 차이에 의해 그 구간의 하상의 상승이나 저하가 발생하고 이것을 하상변동이라고 한다. 하상의 변동은 저수지와 취수용 보 등 저류용도의 구조물의 저류능력을 떨어뜨리고, 제방과 교각의 안전도와 하천시설물의 적합한 사용에 문제를 일으키는 등의 심각한 문제를 발생시킬 수 있다. 따라서 하상의 변동을 적절히 예측하는 것은 이수·치수적인 면에서 모두 중요하다고 할 수 있다.
물과 유사의 장기간의 상호작용에 의해 하천의 하상은 어떤 상태에 접근하는가?
그에 따라 달라진 하상의 형태는 새로운 흐름을 형성하고 다시 하상의 변동을 발생시킨다. 이러한 물과 유사의 장기간의 상호작용에 의해 하천의 하상은 더 이상의 큰 변화를 일으키지 않는 동적평형상태로 접근하게 된다. 그러나 산사태나 대규모 홍수 등의 자연적인 요인과 댐이나 교량의 건설 등의 인위적인 요인에 의하여 평형을 유지하던 하상은 유사의 과잉공급이나 유사 공급의 차단에 의해 불안정해지고 다시 일정 기간의 침식과 퇴적과정을 거쳐 새로운 평형상태로 접근하게 된다.
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