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문제 정의
- 개수로 수리실험 장치를 이용하여 측정 결과, 다시 말해 횡월류 위어의 높이에 따른 수로 내 유속과 수위, 그리고 횡월류 위어에 의한 월류량의 측정값이 타당한가를 검토하기 위하여 본 연구에서는 HEC-RAS 모형을 이용해 모의한 결과를 토대로 수리실험 결과를 검토하였다. HEC-RAS 모형의 모의는 저류지를 생성하여 횡월류 위어를 통해 월류되는 유량이 저류지로 유입되도록 하였으며, 수리실험 CASE 중에서 횡월류 위어의 높이가 104mm일 때의 제원을 입력자료로 활용하여 수행하였다.
- 따라서 본 연구에서는 수리실험을 이용해 강변저류지의 홍수조절효과를 검토하기 위하여 개수로 실험장치를 이용하여 강변저류지의 홍수조절효과를 분석하고, 실험 결과를 HEC-RAS 모형을 이용해 모의한 결과를 비교함으로써 강변저류지의 홍수조절효과를 검토하고자 한다.
- 본 연구에서는 강변저류지의 홍수저감효과를 검토하기 위하여 개수로 수리실험 장치를 이용하여 수리실험을 실시하였다. 홍수저감효과를 분석하기 위해 수리실험 장치에 횡월류 위어를 설치하여 위어 개방 정도에 따른 수로 내 수위 및 유속을 측정하였으며, 위어를 통해 방류되는 유출량을 측정하였다.
제안 방법
- 개수로 수리실험 장치를 이용하여 측정 결과, 다시 말해 횡월류 위어의 높이에 따른 수로 내 유속과 수위, 그리고 횡월류 위어에 의한 월류량의 측정값이 타당한가를 검토하기 위하여 본 연구에서는 HEC-RAS 모형을 이용해 모의한 결과를 토대로 수리실험 결과를 검토하였다. HEC-RAS 모형의 모의는 저류지를 생성하여 횡월류 위어를 통해 월류되는 유량이 저류지로 유입되도록 하였으며, 수리실험 CASE 중에서 횡월류 위어의 높이가 104mm일 때의 제원을 입력자료로 활용하여 수행하였다. 모형의 모의 결과 분석은 수리실험에서 이용된 유량에 Froude 모형법칙을 적용하여 환산된 유량이 첨두유량이 되도록 수문곡선을 작성하여 모형의 경계조건으로 이용하였다.
- 그 결과 횡월류 위어가 설치되어 있는 지점을 중심으로 유속과 유량이 감소하는 결과가 나타났다. 각 측정지점에 대한 평균유속 및 유량의 변화를 횡월류 위어의 높이별로 분석하였다. 대표적으로 위어의 하류부와 수로 하류부 지점에 대하여 평균유속과 유량감소율을 나타내면 아래 표 2∼3와 같으며, 측정지점별 평균유속 및 유량은 그림 9와 같다.
- 강변저류지의 홍수저감효과를 분석하기 위한수리실험은 횡월류 위어를 개방하지 않았을 경우와 횡월류 위어를 개방하였을 경우로 나누어 실시하였으며, 위어 개방시 위어를 통해 유출되는 유량을 측정하였다. 횡월류 위어의 개방 법위는 34∼174mm이며, 10mm 간격으로 위어의 개방정도를 변화시켜 그에 따라 위어의 유출량, 수로 내 수위 및 유속을 측정하였다.
- 강변저류지의 홍수조절효과 검증 위해 개수로 수리실험 장치를 이용하여 홍수량 유입 모의실험을 실시하였다. 하도로부터 강변저류지의 홍수량 유입량을 분석하기 위하여 일반적인 개수로 실험장치와 달리 수로 측면에 횡월류 위어를 설치하였으며, 이 횡월류 위어를 통해 유출되는 유량을 측정함으로써 강변저류지로의 유입량을 분석하였다.
- 강변저류지의 홍수조절효과를 살펴보기 위한 수리실험은 2가지로 구분하여 수행하였다. 첫 번째는 횡월류 위어가 설치되지 않았을 경우를 고려한 실험이고, 두 번째는 횡월류 위어가 설치되었을 경우를 고려한 실험이다.
- 횡월류 위어는 Lateral Structure 기능을 이용하여 구성하였다. 그리고 수리실험 장치와는 달리 HEC-RAS모형 구축시 횡월류 위어를 통해 유출되는 유량이 유입될 수 있는 저류지를 조성하였다. 저류지는 모형의 Storage Area 기능으로 이용하여 생성하였으며, 저류지의 면적은 10,000㎡으로 설정하였다.
- 펌프 토출량 측정방법에는 4가지(위어 이용, 조임 기구 이용, 계기 측정, 용기 측정) 방법이 있으며, 이들 중 본 연구에서는 위어를 이용한 측정방법을 선택하였다. 위어를 이용한 측정방법은 다시 직각 3각 위어, 4각 위어, 전폭 위어로 구분되는데, 본 연구에서는 직각 3각 위어를 이용하였다. 직각 3각 위어의 규격은 아래 그림 3과 같다.
- 첫 번째는 횡월류 위어가 설치되지 않았을 경우를 고려한 실험이고, 두 번째는 횡월류 위어가 설치되었을 경우를 고려한 실험이다. 이 두 가지 경우에 대하여 수리실험 장치를 물을 흐르게 하였을 때의 주수로의 각 지점별 수위 및 유속을 측정하였으며, 횡월류 위어가 개방에 따른 유출량을 측정하였다.
- 그리고 수리실험 장치와는 달리 HEC-RAS모형 구축시 횡월류 위어를 통해 유출되는 유량이 유입될 수 있는 저류지를 조성하였다. 저류지는 모형의 Storage Area 기능으로 이용하여 생성하였으며, 저류지의 면적은 10,000㎡으로 설정하였다. 모형의 상류 경계조건으로는 Flow Hydrograph를 이용하였으며, 이는 수리실험시 방류된 유량에 Froude 모형법칙을 적용한 유량을 이용해 작성하여 모형에 적용하였다.
- 횡월류 위어를 통해 방류되는 유량을 측정은 한국표준협회에서 제공하고 있는 ‘KS 펌프 토출량 측정 방법(한국표준협회, 2001)’을 이용하였다. 펌프 토출량 측정방법에는 4가지(위어 이용, 조임 기구 이용, 계기 측정, 용기 측정) 방법이 있으며, 이들 중 본 연구에서는 위어를 이용한 측정방법을 선택하였다. 위어를 이용한 측정방법은 다시 직각 3각 위어, 4각 위어, 전폭 위어로 구분되는데, 본 연구에서는 직각 3각 위어를 이용하였다.
- 강변저류지의 홍수조절효과 검증 위해 개수로 수리실험 장치를 이용하여 홍수량 유입 모의실험을 실시하였다. 하도로부터 강변저류지의 홍수량 유입량을 분석하기 위하여 일반적인 개수로 실험장치와 달리 수로 측면에 횡월류 위어를 설치하였으며, 이 횡월류 위어를 통해 유출되는 유량을 측정함으로써 강변저류지로의 유입량을 분석하였다.
- 본 연구에서는 강변저류지의 홍수저감효과를 검토하기 위하여 개수로 수리실험 장치를 이용하여 수리실험을 실시하였다. 홍수저감효과를 분석하기 위해 수리실험 장치에 횡월류 위어를 설치하여 위어 개방 정도에 따른 수로 내 수위 및 유속을 측정하였으며, 위어를 통해 방류되는 유출량을 측정하였다. 또한 수리실험 결과의 타당성을 검토하기 위하여 수리실험 조건을 HEC-RAS 모형에 적용하여 모의한 결과와 실험결과를 비교 검토하였다.
- 횡월류 위어가 설치되었을 때와 설치되지 않았을 때 모두 수로 내 흐름이 안정화된 후 수로 내 유속과 수위를 측정하였다. 수위는 주수로를 13개의 지점으로 구분하여 측정하였으며, 유속은 수위측정 단면을 다시 6개 지점으로 구분하여 총 78개 지점을 대상으로 측정하였다.
- Froude 모형법칙을 적용시킨 제원을 이용하여 수리실험 장치와 동일한 형태의 수로단면을 모형의 단면자료로 입력하여 모형을 구축하였다. 횡월류 위어는 Lateral Structure 기능을 이용하여 구성하였다. 그리고 수리실험 장치와는 달리 HEC-RAS모형 구축시 횡월류 위어를 통해 유출되는 유량이 유입될 수 있는 저류지를 조성하였다.
- 횡월류 위어를 통해 유출되는 유량은 직각 3각 위어에서의 양정을 측정하여 이를 토출량 산정식에 적용하여 산정하였다. 횡월류 위어에 의한 유출량은 위어의 높이에 따라 산정하였으며 그 결과는 아래의 표 4와 같다.
- 횡월류 위어를 통해 유출되는 유량은 직각 3각위어가 설치되어 있는 보조수로를 이용해 측정하였다. 직각 3각 위어를 이용한 유출량 산정은 KS규격에서 제시하고 있는 유출량 산정식을 이용하였다.
- 횡월류 위어의 개방 법위는 34∼174mm이며, 10mm 간격으로 위어의 개방정도를 변화시켜 그에 따라 위어의 유출량, 수로 내 수위 및 유속을 측정하였다.
대상 데이터
- 횡월류 위어가 설치되었을 때와 설치되지 않았을 때 모두 수로 내 흐름이 안정화된 후 수로 내 유속과 수위를 측정하였다. 수위는 주수로를 13개의 지점으로 구분하여 측정하였으며, 유속은 수위측정 단면을 다시 6개 지점으로 구분하여 총 78개 지점을 대상으로 측정하였다. 그림 4와 5는 수위 측정 지점과 각 단면에 대한 유속 측정 지점을 나타낸 것이다.
데이터처리
- 홍수저감효과를 분석하기 위해 수리실험 장치에 횡월류 위어를 설치하여 위어 개방 정도에 따른 수로 내 수위 및 유속을 측정하였으며, 위어를 통해 방류되는 유출량을 측정하였다. 또한 수리실험 결과의 타당성을 검토하기 위하여 수리실험 조건을 HEC-RAS 모형에 적용하여 모의한 결과와 실험결과를 비교 검토하였다. 그 결과, 횡월류 위어를 기준으로 위어의 시작지점, 위어의 하류부 그리고 하도의 하류부에서 측정된 평균유속 및 유량이 모형으로 모의된 결과와 다소 작은 차이를 보이며 유사하게 나타났다.
이론/모형
- Froude 모형법칙을 적용시킨 제원을 이용하여 수리실험 장치와 동일한 형태의 수로단면을 모형의 단면자료로 입력하여 모형을 구축하였다. 횡월류 위어는 Lateral Structure 기능을 이용하여 구성하였다.
- 강변저류지의 홍수저감효과를 분석하기 위한 수리실험의 측정 결과를 검토하기 위해서 본 연구에서는 HEC-RAS 모형을 이용하였다. HEC-RAS 모형은 개수로 수리실험 장치의 실험조건을 토대로 구축하였으며, 실제 수리실험 장치의 제원이 작아 모형에 직접 적용하기 어려움이 있어 Froude 모형법칙을 이용하여 수리실험 조건을 HEC-RAS 모형에 적용시켰다. Froude 모형법칙을 적용한 수리실험 장치의 제원 아래 표 1과 같다.
- 강변저류지의 홍수저감효과를 분석하기 위한 수리실험의 측정 결과를 검토하기 위해서 본 연구에서는 HEC-RAS 모형을 이용하였다. HEC-RAS 모형은 개수로 수리실험 장치의 실험조건을 토대로 구축하였으며, 실제 수리실험 장치의 제원이 작아 모형에 직접 적용하기 어려움이 있어 Froude 모형법칙을 이용하여 수리실험 조건을 HEC-RAS 모형에 적용시켰다.
- HEC-RAS 모형의 모의는 저류지를 생성하여 횡월류 위어를 통해 월류되는 유량이 저류지로 유입되도록 하였으며, 수리실험 CASE 중에서 횡월류 위어의 높이가 104mm일 때의 제원을 입력자료로 활용하여 수행하였다. 모형의 모의 결과 분석은 수리실험에서 이용된 유량에 Froude 모형법칙을 적용하여 환산된 유량이 첨두유량이 되도록 수문곡선을 작성하여 모형의 경계조건으로 이용하였다. 그 이유는 수리실험과 달리 모형을 이용해 강변저류지의 홍수저감효과를 분석하기 위해서는 정상류가 아닌 부정류 해석을 실시하여야 하며, 부정류 해석에서는 경계조건으로 수문곡선이 이용되기 때문이다.
- 저류지는 모형의 Storage Area 기능으로 이용하여 생성하였으며, 저류지의 면적은 10,000㎡으로 설정하였다. 모형의 상류 경계조건으로는 Flow Hydrograph를 이용하였으며, 이는 수리실험시 방류된 유량에 Froude 모형법칙을 적용한 유량을 이용해 작성하여 모형에 적용하였다. 하류 경계조건은 Stage Hydrograph를 이용하였으며, 상류 경계조건과 마찬가지로 수리실험시 하류부에서 측정된 수위에 Froude 모형법칙을 적용한 자료를 모형에 적용하였다.
- 횡월류 위어를 통해 유출되는 유량은 직각 3각위어가 설치되어 있는 보조수로를 이용해 측정하였다. 직각 3각 위어를 이용한 유출량 산정은 KS규격에서 제시하고 있는 유출량 산정식을 이용하였다. 직각 3각 위어를 이용한 유출량 산정식은 다음과 같다.
- 모형의 상류 경계조건으로는 Flow Hydrograph를 이용하였으며, 이는 수리실험시 방류된 유량에 Froude 모형법칙을 적용한 유량을 이용해 작성하여 모형에 적용하였다. 하류 경계조건은 Stage Hydrograph를 이용하였으며, 상류 경계조건과 마찬가지로 수리실험시 하류부에서 측정된 수위에 Froude 모형법칙을 적용한 자료를 모형에 적용하였다.
- 횡월류 위어를 통해 방류되는 유량을 측정은 한국표준협회에서 제공하고 있는 ‘KS 펌프 토출량 측정 방법(한국표준협회, 2001)’을 이용하였다.
성능/효과
- 또한 수리실험 결과의 타당성을 검토하기 위하여 수리실험 조건을 HEC-RAS 모형에 적용하여 모의한 결과와 실험결과를 비교 검토하였다. 그 결과, 횡월류 위어를 기준으로 위어의 시작지점, 위어의 하류부 그리고 하도의 하류부에서 측정된 평균유속 및 유량이 모형으로 모의된 결과와 다소 작은 차이를 보이며 유사하게 나타났다. 이를 통해 수리실험의 결과가 어느 정도의 타당성을 가지고 있다고 볼 수 있으며, 또한 이러한 결과로 강변저류지가 홍수기 하도의 평균유속과 유량을 변화시키는데 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.
- 이는 위어에 의한 유출량이 수로 내 유량을 감소시키고, 수로 내 물의 흐름 방향 변화시킴으로써 평균유속을 감소시켰다. 또한 위의 측정지점별 평균유속 및 유량 변화 그래프를 살펴보면 위어의 높이가 낮아질수록 변화량이 큰 것으로 나타났다. 이는 횡월류 위어를 통해 방류되는 유출량을 측정하기 위해 수로 내 유량을 지속적으로 방류하여 위와 같은 결과가 나타난 것으로 판단된다.
- 모형에서 모의된 저류지의 결과값을 보면, 저류지의 면적이 10,000㎡인 경우 첨두유량이 발생하였을 때 저류지의 순 유입량은 52.41㎥/s이었으며, 저류지의 최대 저류용량은 160,970㎥인 것을 모의되었다(그림 10). 그리고 저류지 면적이 40,000㎡일 경우 첨두유량이 발생하였을 때 저류지의 순 유입량은 62.
- 위의 측정결과를 보면, 횡월류 위어가 설치된 지점을 기준으로 유량과 평균유속이 감소하는 것을 알 수 있었다. 이는 위어에 의한 유출량이 수로 내 유량을 감소시키고, 수로 내 물의 흐름 방향 변화시킴으로써 평균유속을 감소시켰다.
- 이 모의 결과를 실제 수리실험 장치와 동일하게 환산하여 수리실험 결과와 비교하면, 위어의 시작점의 경우 1.31%, 위어의 하류부는 2.04% 그리고 하도 하류부는 0.3%의 차이가 발생한 것으로 나타나는 것으로 분석되었다.
- 그 이유는 수리실험과 달리 모형을 이용해 강변저류지의 홍수저감효과를 분석하기 위해서는 정상류가 아닌 부정류 해석을 실시하여야 하며, 부정류 해석에서는 경계조건으로 수문곡선이 이용되기 때문이다. 이를 토대로 횡월류 위어의 높이가 104mm일 경우의 모의 결과를 보면, 첨두유량이 발생하였을때 위어의 시작지점의 최고 수위가 15.31m, 위어가 하류부의 최고 수위는 15.39m 그리고 하도 하류부의 최고 수위는 16.1m로 나타났다. 이 모의 결과를 실제 수리실험 장치와 동일하게 환산하여 수리실험 결과와 비교하면, 위어의 시작점의 경우 1.
후속연구
- 이러한 결과는 향후 강변저류지의 홍수저감효과를 분석하는데 기초자료로 활용이 가능할 것으로 판단된다. 특히 수리실험을 통해 횡월류 위어에 의해 강변저류지로 유입되는 유량을 산정하는 방법은 강변저류지 조성에 있어서 하도와 저류지간의 연결 구조물의 규모를 결정하는데 기초자료로 활용이 가능할 것이다.
- 이러한 결과는 향후 강변저류지의 홍수저감효과를 분석하는데 기초자료로 활용이 가능할 것으로 판단된다. 특히 수리실험을 통해 횡월류 위어에 의해 강변저류지로 유입되는 유량을 산정하는 방법은 강변저류지 조성에 있어서 하도와 저류지간의 연결 구조물의 규모를 결정하는데 기초자료로 활용이 가능할 것이다.
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