본 연구의 목적은 하천의 홍수저감을 목적으로 설치하는 하천변 저류지의 홍수저감특성을 분석하기 위한 모형의 개발에 있다. 하천에 홍수가 발생하였을 경우에 하천변 저류지는 하천의 홍수첨두 일부를 분담하는 기능을 갖으며, 이는 제방의 일부를 낮춘 월류제를 통한 범람으로 가능하게 되며, 또한 범람된 물은 저류지 내에서 저류 하게 된다. 이러한 저류지가 갖는 홍수저감특성은 하천 홍수위, 월류제 제원(높이, 위치, 길이 등), 저류지의 수리거동 등에 의해 좌우되게 되므로, 본 연구에서는 이러한 일련의 물의 거동을 재현하기 위해서 1차원 하천부정류 모델, 월류제 상의 월류량 산정 모델 및 제내지 홍수범람 모델을 연계한 통합모형을 개발 하였다. 이상에서 개발된 연계 모형을 가상하도 및 실제하도에 적용하여 월류제가 갖는 기하적 특성이 홍수경감에 미치는 영향에 대해 분석하였으며, 이를 통해 향후 개선하여야 할 시사점에 대해 기술하였다.
본 연구의 목적은 하천의 홍수저감을 목적으로 설치하는 하천변 저류지의 홍수저감특성을 분석하기 위한 모형의 개발에 있다. 하천에 홍수가 발생하였을 경우에 하천변 저류지는 하천의 홍수첨두 일부를 분담하는 기능을 갖으며, 이는 제방의 일부를 낮춘 월류제를 통한 범람으로 가능하게 되며, 또한 범람된 물은 저류지 내에서 저류 하게 된다. 이러한 저류지가 갖는 홍수저감특성은 하천 홍수위, 월류제 제원(높이, 위치, 길이 등), 저류지의 수리거동 등에 의해 좌우되게 되므로, 본 연구에서는 이러한 일련의 물의 거동을 재현하기 위해서 1차원 하천부정류 모델, 월류제 상의 월류량 산정 모델 및 제내지 홍수범람 모델을 연계한 통합모형을 개발 하였다. 이상에서 개발된 연계 모형을 가상하도 및 실제하도에 적용하여 월류제가 갖는 기하적 특성이 홍수경감에 미치는 영향에 대해 분석하였으며, 이를 통해 향후 개선하여야 할 시사점에 대해 기술하였다.
The purpose of this research is to develop the model for analyzing the hydraulic behavior of off-stream reservoir whose purpose is to reduce a peak flood. When a flood occurs in river, off-stream reservoir has a capability of sharing a part of peak flood. It is accomplished by flowing over a off-lin...
The purpose of this research is to develop the model for analyzing the hydraulic behavior of off-stream reservoir whose purpose is to reduce a peak flood. When a flood occurs in river, off-stream reservoir has a capability of sharing a part of peak flood. It is accomplished by flowing over a off-line weir that is built by lowering a portion of bank and connecting river with off-line reservoir. Since flood control depends on river elevation, characteristics of off-line weir (elevation, length, position et al.) and reservoir capacities, an integrated model linking the one dimensional unsteady river flow model, off-line weir model and two dimensional unsteady flood model is developed to analyze the behavior of off-stream reservoir and off-line weir. The results show that a flood control capability of off-stream reservoir strongly depends on facilities of off-line weir and storage capacity of offstream reservoir.
The purpose of this research is to develop the model for analyzing the hydraulic behavior of off-stream reservoir whose purpose is to reduce a peak flood. When a flood occurs in river, off-stream reservoir has a capability of sharing a part of peak flood. It is accomplished by flowing over a off-line weir that is built by lowering a portion of bank and connecting river with off-line reservoir. Since flood control depends on river elevation, characteristics of off-line weir (elevation, length, position et al.) and reservoir capacities, an integrated model linking the one dimensional unsteady river flow model, off-line weir model and two dimensional unsteady flood model is developed to analyze the behavior of off-stream reservoir and off-line weir. The results show that a flood control capability of off-stream reservoir strongly depends on facilities of off-line weir and storage capacity of offstream reservoir.
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문제 정의
즉, 저류지의 규모가 수 km에 이르는 규모의 저류지내에서는 단기적으로 수심의 공간적 분포의 차이로 인하여 수평적 흐름이 발생하며, 이로 의하여, 토사의 평면적 퇴적 문제, 식생의 침수 문제, 홍수시 저류지내 관리시설물 운영, 저류지 이용자의 대피 등의 상황을 고려하면 저류지 내의 평면적 유동을 파악할 수 있는 기법의 개발이 필요할 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 대규모 저류지의 설계 및 운영에 필요한 월류제 설계를 위하여 하도-월류제-저류지를 연계할 수 있는 통합연계모형을 개발하도록 한다.
본 연구의 목적은 규모가 큰 천변저류지가 갖는 홍수저감효과를 분석하기 위한 하도-월류제-저류지 연계모형을 개발하는 것으로서, 개발된 모형을 가상 하도 및 실제 시범지구에 적용해 봄으로서 연계모형의 반응 특성을 검토하였다.
가설 설정
(1) 천변저류지의 홍수저감효과는 있을 것인가?
제안 방법
가상저류지 제원은 모두 동일하고 가상저류지 위치만 다른 표 5와 같은 4개의 저류지를 대상으로 다음과 같은 내용에 대해 분석을 실시하였다.
본 연구에서 개발하고자 하는 모형의 개념은 아래 그림 1과 같이 하천에 있어서는 1차원 부정류모형, 하천과 제내지(저류지)를 잇는 월류제모형 그리고 홍수범람이 발생하는 저류지모형으로 구성된다. 따라서 본 연계모형의 개발에 있어서는 상술한 3개의 모형을 개별적으로 개발한 다음 최종적으로는 이를 하나로 연계하여 구동하는 방법을 사용하고 있다.
본 연구에서 개발하고자 하는 모형의 개념은 아래 그림 1과 같이 하천에 있어서는 1차원 부정류모형, 하천과 제내지(저류지)를 잇는 월류제모형 그리고 홍수범람이 발생하는 저류지모형으로 구성된다. 따라서 본 연계모형의 개발에 있어서는 상술한 3개의 모형을 개별적으로 개발한 다음 최종적으로는 이를 하나로 연계하여 구동하는 방법을 사용하고 있다.
본 연구에서 개발하는 천변저류지 홍수저감 능력평가모형(FRCAM : Flood Reduction Capacity Analysis Model of OffStream Reservoir)의 적용성을 검토하기 위해 표 3과 그림 5와 같은 가상하도를 구상하고, 해당 하도 홍수방어지점의 상류, 중앙, 하류에 가상저류지를 위치시키고 월류제의 높이를 변화시켜 가면서, 가상저류지 위치나 월류제 높이, 가상저류지 입구의 형태 등이 가상하도의 홍수저감효과에 미치는 영향 등을 분석하였다. 상술한 모의 실험에 대한 내용을 정리하면 다음과 같다.
상기 월류량 공식의 적용에 대한 대부분의 연구는 Yu-tech 공식, Swamee 공식, 건기원 공식, Ranga Raju 공식 등에서 볼 수 있듯이 유량계수를 어떻게 규정할 것인가가 중요한 연구 테마이며, 차원해석이나 수리실험 등을 통하여 이를 규명하여 적용하고 있다. 본 연구에서는 월류량 공식 중, 가장 보편적으로 사용되어 왔던 혼마의 월류량 공식을 하도 경사를 적용할 수 있도록 변형하여 개념적으로 간편한 일본의 홍수재해지도 작성지침 상에서 제시된 바 있는 제방 파제 및 월류에 대한 Suestugu 횡월류량 공식을 채택하여 적용하고 있다.
상술한 가상하도 및 가상저류지의 설정을 변화시켜 가면서 가상저류지가 갖는 각종 반응특성을 표 4와 같은 사항에 대해 분석하였으며, 중요 시사점을 살펴보면 다음과 같다.
월류제의 위치는 저류지의 중앙부에 위치시키고, 월류제 높이 및 길이 등을 변화시키면서 개발1안 및 개발2안에 대해 계산을 수행하도록 하였다.
천변저류지 내의 홍수범람 흐름해석을 위한 기본방정식은 2차원 Euler 운동방정식과 유체 연속방정식이다. 이 두 방정식을 수심방향으로 적분하여 본 연구에서 사용하는 기초지배 방정식을 구성하였으며, 궁극적으로는 다음과 같이 표현되는 연속식과 운동량방정식을 사용하고 있다.
저류지 위치는 동일하고 월류제 높이만 표 6과 같은 4개의 가상저류지를 대상으로 월류제 높이가 홍수조절효과에 미치는 영향에 대해 분석하였다.
표 7과 같이 월류제 제원은 모두 동일한 저류지를 대상으로 월류제의 위치만이 상이한 3가지 상황에서 어떤 위치의 월류제의 홍수저감효과가 가장 양호한지를 분석하였다. 특히 2개의 월류제를 갖는 중앙저류지(C) 형태는 월류부가 각각 50 m이며, 나머지는 각 100 m의 월류제 길이를 갖는다.
홍수저감효과를 분석하기 위한 설계홍수량은 “청미천 하천정비 기본계획(보완) 및 하천대장작성용역”에서 제시하고 있는 100년 빈도의 24시간 지속시간의 2,130 cms을 적용하였다.
이론/모형
또한 해당 방정식의 이산화를 위해서는 유도된 특성곡선표시를 사용하여 고정격자점법에 의한 차분식을 유도한다. 또한 차분법의 안정성을 위해서는 Courant-Friendrichs-Lewy 조건과 Vasiliev 조건을 사용한다.
이상에서 개발한 평가모형을 본 연구의 시범지구인 청미천에 적용하였으며, 청미천 천변저류지 시범지구는 현재 이천시 장호원읍과 음성군 감곡면의 경계를 흐르는 청미천 국가하천 구간 No.15.7~No.17.2 단면에 연하여 시범사업(안)이 구상되고 있다. 천변저류지 개발안은 2개로서, 1안은 과거 구하도를 포함하여 길이 약 1.
성능/효과
검토 결과 천변저류지의 홍수저감효과는 저류지의 하도내 위치, 월류제의 길이나 높이 등의 형상, 저류지 월류제 입구의 위치 등에 따라 홍수저감효과가 상이하게 나타남을 확인할 수 있었으며, 보다 정확한 홍수저감 능력의 평가를 위해서는 향후 월류제의 경사 혹은 월류제 상의 수위 변화 등도 고려할 수 있는 모형의 개선과 실질적인 월류량 산정을 위한 유량계수 수리모형실험의 추진 등이 필요하다는 점을 확인할 수 있었다.
16+0을 기준으로 했을 경우, 3개의 저류지 입구형태 모두 50cm 내외의 홍수저감효과를 발휘하여, 그 차이는 미약하나마 “하부”>“상부+하부”>“상부”순으로 나타났으며, 12시 전후의 하도수위 재상승은 저류지로부터 하도로의 역범람에 의한 것으로 판단된다. 결론적으로 방어대상 지점 상에 저류지를 계획할 때에는 방어지점 직하류부에 설치하는 것이 상류부 혹은 2개로 나눠 설치하는 것보다 효율이 좋은 것으로 판단된다.
가상저류지의 모든 조건은 동일하고 가상저류지의 위치만을 상류, 중앙 하부, 중앙 상부, 하류로 바꿔서 모의한 결과 중, 하도 유량이 첨두가 되는 12시 부근에서의 각 가상저류지 상황에 대한 수면곡선을 그린 것이 그림 6이다. 그림에서 알 수 있듯이 모든 경우에 있어서 가상저류지 직상류부에서 따라 0.36-0.73 m의 홍수위 저감효과를 확인 할 수 있었으며, 이는 천변저류지는 천변저류지의 위치 및 월류제의 제원에 따라서는 충분한 홍수저감효과를 가질 수 있음을 입증하는 것으로 판단된다.
분석결과, 월류제의 높이에 따라 하도의 수위 및 유량은 확실히 영향을 받는 것으로 나타났으며, 하도의 첨두유량 통과시(모의 시간 : 11시)의 홍수저감효과는 제방-3 m > 제방-2 m> 제방-4 m > 제방-1 m 순으로 나타났다.
분석결과, 저류지 중앙 No.16+0을 기준으로 했을 경우, 3개의 저류지 입구형태 모두 50cm 내외의 홍수저감효과를 발휘하여, 그 차이는 미약하나마 “하부”>“상부+하부”>“상부”순으로 나타났으며, 12시 전후의 하도수위 재상승은 저류지로부터 하도로의 역범람에 의한 것으로 판단된다.
후속연구
또한 본 연구에서 개발된 모형은 단순히 홍수저감효과 분석에만 그치는 것이 아니라, 향후 식생의 침수기준이나 저류지 내 공간활용계획, 유입토사처리계획 등과 상호 환류하면서 그 활용가치를 넓혀야 할 것으로 판단된다.
본 연구의 취지에 가장 적합한 유량공식을 선정하기 위해서는 여러 유량공식이 갖는 매개변수의 특성을 상호 비교하고, 실제 천변저류지 월류부 설계에 있어, 가장 중요한 매개변수가 어떤 것이 될 수 있는지에 대한 고찰을 통하는 것이 필요하다. 표 1은 위어의 유량공식을 해당 공식의 운영에 필요한 매개변수를 중심으로 하여 정리한 것이다.
특히 천변저류지의 크기가 작은 경우에는 침수심의 공간적 분포에 위상 변화가 거의 없을 것으로 판단되며, 이러한 경우에는 1차원 하천부정류 모형에 저류심-저류용량 관계를 활용한 1차원적 저류지 모형을 연계시켜 활용할 수 있으나, 일본의 와타라세(渡良 )유수지나 아라카와(荒川) 유수지와 같이 상당한 홍수저감능력을 담당하고자 할 경우 예상되는 큰 규모의 천변저류지에 1차원적 수법을 적용하는 것은 다음과 같은 여러 상황에 대처하기에는 부족할 것으로 판단된다. 즉, 저류지의 규모가 수 km에 이르는 규모의 저류지내에서는 단기적으로 수심의 공간적 분포의 차이로 인하여 수평적 흐름이 발생하며, 이로 의하여, 토사의 평면적 퇴적 문제, 식생의 침수 문제, 홍수시 저류지내 관리시설물 운영, 저류지 이용자의 대피 등의 상황을 고려하면 저류지 내의 평면적 유동을 파악할 수 있는 기법의 개발이 필요할 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 대규모 저류지의 설계 및 운영에 필요한 월류제 설계를 위하여 하도-월류제-저류지를 연계할 수 있는 통합연계모형을 개발하도록 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
대규모 저류지의 설계 및 운영에 필요한 월류제 설계를 위하여 하도-월류제-저류지를 연계할 수 있는 통합연계모형을 개발하게된 이유는?
천변저류지의 정의는 하천 제방의 일부를 낮춰서 홍수 발생시 하천 유량의 일부를 제내지 저류지로 전환시킴으로서 하천이 갖는 방어능력을 향상시키는 유수전환 시설이라 할 수 있다. 우리나라에서는 유역종합치수계획 등에서 처음으로 언급되기 시작했으며, 그 치수적 효능에 대해 많은 논란이 있었으나, 이러한 논란에 앞서 엄밀한 의미에서 천변저류지가 갖는 홍수저감능력을 수리적으로 평가할 수 있는 수법에 대해서는 아직 연구가 미진한 실정이다. 특히 천변저류지의 크기가 작은 경우에는 침수심의 공간적 분포에 위상 변화가 거의 없을 것으로 판단되며, 이러한 경우에는 1차원 하천부정류 모형에 저류심-저류용량 관계를 활용한 1차원적 저류지 모형을 연계시켜 활용할 수 있으나, 일본의 와타라세(渡良 )유수지나 아라카와(荒川) 유수지와 같이 상당한 홍수저감능력을 담당하고자 할 경우 예상되는 큰 규모의 천변저류지에 1차원적 수법을 적용하는 것은 다음과 같은 여러 상황에 대처하기에는 부족할 것으로 판단된다. 즉, 저류지의 규모가 수 km에 이르는 규모의 저류지내에서는 단기적으로 수심의 공간적 분포의 차이로 인하여 수평적 흐름이 발생하며, 이로 의하여, 토사의 평면적 퇴적 문제, 식생의 침수 문제, 홍수시 저류지내 관리시설물 운영, 저류지 이용자의 대피 등의 상황을 고려하면 저류지 내의 평면적 유동을 파악할 수 있는 기법의 개발이 필요할 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 대규모 저류지의 설계 및 운영에 필요한 월류제 설계를 위하여 하도-월류제-저류지를 연계할 수 있는 통합연계모형을 개발하도록 한다.
천변저류지란?
천변저류지의 정의는 하천 제방의 일부를 낮춰서 홍수 발생시 하천 유량의 일부를 제내지 저류지로 전환시킴으로서 하천이 갖는 방어능력을 향상시키는 유수전환 시설이라 할 수 있다. 우리나라에서는 유역종합치수계획 등에서 처음으로 언급되기 시작했으며, 그 치수적 효능에 대해 많은 논란이 있었으나, 이러한 논란에 앞서 엄밀한 의미에서 천변저류지가 갖는 홍수저감능력을 수리적으로 평가할 수 있는 수법에 대해서는 아직 연구가 미진한 실정이다.
우리나라에서 천변저류지는 어디에서 처음 언급되었나?
천변저류지의 정의는 하천 제방의 일부를 낮춰서 홍수 발생시 하천 유량의 일부를 제내지 저류지로 전환시킴으로서 하천이 갖는 방어능력을 향상시키는 유수전환 시설이라 할 수 있다. 우리나라에서는 유역종합치수계획 등에서 처음으로 언급되기 시작했으며, 그 치수적 효능에 대해 많은 논란이 있었으나, 이러한 논란에 앞서 엄밀한 의미에서 천변저류지가 갖는 홍수저감능력을 수리적으로 평가할 수 있는 수법에 대해서는 아직 연구가 미진한 실정이다. 특히 천변저류지의 크기가 작은 경우에는 침수심의 공간적 분포에 위상 변화가 거의 없을 것으로 판단되며, 이러한 경우에는 1차원 하천부정류 모형에 저류심-저류용량 관계를 활용한 1차원적 저류지 모형을 연계시켜 활용할 수 있으나, 일본의 와타라세(渡良 )유수지나 아라카와(荒川) 유수지와 같이 상당한 홍수저감능력을 담당하고자 할 경우 예상되는 큰 규모의 천변저류지에 1차원적 수법을 적용하는 것은 다음과 같은 여러 상황에 대처하기에는 부족할 것으로 판단된다.
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