이수 및 치수, 수공구조물 설계 등을 위한 하천 설계의 중요한 요소로써, 유량의 정확한 산정은 매우 중요하다. 현재 하천의 유량 생산은 수위-유량관계 곡선법을 사용하고 있다. 수위-유량 관계 곡선법은 측정된 수위와 유량자료를 바탕으로 홍수기 때의 유량을 회귀 분석으로 예측하여 사용하는 방법이다. 비교적 간편하게, 특히 측정이 어려운 홍수기 때에 유량을 예측하여 사용 할 수 있다는 장점을 가지고 있지만 수위와 유량만의 관계를 이용하므로 동수반경, 에너지경사, 지형, 조도 등 하천의 수리적 특성인자를 반영하지 못하므로 기본적으로 개선되어야 할 사항이 있다. 따라서, 본 연구에서는 하천유량을 예측하는 새로운 방법론의 하나로 KSCE에 기 게재된 Choo 등(2011)에서 제안한 Manning식과 Chezy식의 경험적 매개변수의 편리한 산정법을 이용하여 하천의 유량을 예측하였다. 실험실 사행 개수로와 India 운하에서 측정된 데이터를 바탕으로 이를 증명하였고 결정계수 0.8 수준의 정확성을 보여주었다. 따라서 본 연구가 지속적으로 수행된다면 수리적 특성을 반영하면서도 간단하게 유량을 예측할 수 있는 방법을 통하여 실무에서도 간편하게 활용될 수 있을 것으로 기대한다.
이수 및 치수, 수공구조물 설계 등을 위한 하천 설계의 중요한 요소로써, 유량의 정확한 산정은 매우 중요하다. 현재 하천의 유량 생산은 수위-유량관계 곡선법을 사용하고 있다. 수위-유량 관계 곡선법은 측정된 수위와 유량자료를 바탕으로 홍수기 때의 유량을 회귀 분석으로 예측하여 사용하는 방법이다. 비교적 간편하게, 특히 측정이 어려운 홍수기 때에 유량을 예측하여 사용 할 수 있다는 장점을 가지고 있지만 수위와 유량만의 관계를 이용하므로 동수반경, 에너지경사, 지형, 조도 등 하천의 수리적 특성인자를 반영하지 못하므로 기본적으로 개선되어야 할 사항이 있다. 따라서, 본 연구에서는 하천유량을 예측하는 새로운 방법론의 하나로 KSCE에 기 게재된 Choo 등(2011)에서 제안한 Manning식과 Chezy식의 경험적 매개변수의 편리한 산정법을 이용하여 하천의 유량을 예측하였다. 실험실 사행 개수로와 India 운하에서 측정된 데이터를 바탕으로 이를 증명하였고 결정계수 0.8 수준의 정확성을 보여주었다. 따라서 본 연구가 지속적으로 수행된다면 수리적 특성을 반영하면서도 간단하게 유량을 예측할 수 있는 방법을 통하여 실무에서도 간편하게 활용될 수 있을 것으로 기대한다.
The accurate estimation of discharge is very essential as the important factor of river design for the utilization and flood control, hydraulic construction design. The present discharge production is using the stage-discharge relationship curve in the river. The rating curve uses the method by pred...
The accurate estimation of discharge is very essential as the important factor of river design for the utilization and flood control, hydraulic construction design. The present discharge production is using the stage-discharge relationship curve in the river. The rating curve uses the method by predicting the discharge based on regression analysis using the measured stage and discharge data in a flood season. The method is comparatively convenient and has especially advantages in that it can predict the discharge having the difficulty of observation in a flood season. However, this method has basically room for improvement because the method only uses the relationship between stage and discharge, and doesn't reflect the hydraulic parameters such as hydraulic radius, energy slope, roughness, topography, etc.. Therefore, in this study, discharge was predicted using the convenient calculation method with empirical parameters of the Manning and Chezy equations, which were proposed by Choo et at (2011) in KSCE as a new methodology for estimating discharge in open channel. The proposed method can conveniently estimate empirical parameters in both of Manning and Chezy equations and the discharge is estimated in the open channels. There are proved by using data measured in meandering lab. channel and India canal and the accuracies show about determination coefficient 0.8. Accordingly, this method will be used in actual field if this study is continuously conducted.
The accurate estimation of discharge is very essential as the important factor of river design for the utilization and flood control, hydraulic construction design. The present discharge production is using the stage-discharge relationship curve in the river. The rating curve uses the method by predicting the discharge based on regression analysis using the measured stage and discharge data in a flood season. The method is comparatively convenient and has especially advantages in that it can predict the discharge having the difficulty of observation in a flood season. However, this method has basically room for improvement because the method only uses the relationship between stage and discharge, and doesn't reflect the hydraulic parameters such as hydraulic radius, energy slope, roughness, topography, etc.. Therefore, in this study, discharge was predicted using the convenient calculation method with empirical parameters of the Manning and Chezy equations, which were proposed by Choo et at (2011) in KSCE as a new methodology for estimating discharge in open channel. The proposed method can conveniently estimate empirical parameters in both of Manning and Chezy equations and the discharge is estimated in the open channels. There are proved by using data measured in meandering lab. channel and India canal and the accuracies show about determination coefficient 0.8. Accordingly, this method will be used in actual field if this study is continuously conducted.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 회귀분석에 의한 매개변수 산정방법을 통하여 하천에서 손쉽게 사용 가능한 대표조도계수 및 대표 Chezy계수의 산정방법에 대하여 제안한다. 본 방법으로 얻어지는 대표조도계수 및 대표 Chezy계수를 바탕으로 실험실 및 하천의 임의의 지점에 대하여 유량을 산정하고 실측자료와 비교하여 그 정확성을 검증하였다.
제안 방법
위의 표. 2와 같이 산정된 대표 조도계수 n과 대표 Chezy계수 C를 사용하여 임의의 지점에 대하여 유량을 예측 산정하였다. Glasgow No.
2와 같이 산정된 대표 조도계수 n과 대표 Chezy계수 C를 사용하여 임의의 지점에 대하여 유량을 예측 산정하였다. Glasgow No. 12와 No. 17에서 각각 6개 지점을, India 운하는 8개 지점을 예측산정 하였다. 이렇게 예측 산정된 유량과 실제 이 지점에서 측정된 유량의 성과를 비교해본 결과는 아래의 그림 13, 14.
따라서 본 연구에서는 회귀분석에 의한 매개변수 산정방법을 통하여 하천에서 손쉽게 사용 가능한 대표조도계수 및 대표 Chezy계수의 산정방법에 대하여 제안한다. 본 방법으로 얻어지는 대표조도계수 및 대표 Chezy계수를 바탕으로 실험실 및 하천의 임의의 지점에 대하여 유량을 산정하고 실측자료와 비교하여 그 정확성을 검증하였다.
005의 수로경사에서 측정한 데이터만을 사용하였다. 유속의 측정은 바닥에 부착한 ADV를 이용하였고 유량을 다르게 흘러 보내어 L1지점에서 측정하였으며 유량 측정 장치의 형상은 위의의 그림 1과 같다. 결과는 표 1에 나타나는 바와 같이 유량이 커지면 조도계수가 작아지고 유량이 작아지면 조도계수가 커지는 것을 알 수 있다.
일반적으로 조도계수는 바닥의 거칠기만이 아닌 수위 및 유량에 따라서도 달라지는 것으로 알려져 왔다. 이를 검증하기 위해서 스위스 로쟌 공과대학의 Song의 박사논문(1994)에서 측정된 정류 데이터를 활용하여 수위와 유량에 따른 조도계수를 역산법으로 산정하여 조도계수의 변화를 확인하였다.[13] 실험실 수로의 폭은 60cm이고 길이는 16.
실험실에 대한 제원은 아래의 그림 2 및 3과 같다. 한편, 자연하천의 실측 데이터는 Chitlae(1966)의해 India의 운하에서 측정 되었고 운하 특유의 수위차이를 반영하고 있는 24개 측점을 사용하여 대표계수를 산출하였고 이를 바탕으로 임의의 8개 지점에 대한 유량을 산정하였다.[2]
대상 데이터
이를 검증하기 위해서 스위스 로쟌 공과대학의 Song의 박사논문(1994)에서 측정된 정류 데이터를 활용하여 수위와 유량에 따른 조도계수를 역산법으로 산정하여 조도계수의 변화를 확인하였다.[13] 실험실 수로의 폭은 60cm이고 길이는 16.8m, 측벽은 유리, 바닥은 steel로 구성되어 있고 경사조절이 가능하나 본 논문에서는 0.005의 수로경사에서 측정한 데이터만을 사용하였다. 유속의 측정은 바닥에 부착한 ADV를 이용하였고 유량을 다르게 흘러 보내어 L1지점에서 측정하였으며 유량 측정 장치의 형상은 위의의 그림 1과 같다.
실험실 수로는 Glasgow대학의 Macleod(1997)의 박사 논문에서 측정된 데이터를 활용하였다.[11] 사행수로의 사다리꼴 형상을 가지고 있는 Test.
데이터처리
각 실험실 및 운하에서 실측된 자료를 사용하여 y=ax 꼴의 회귀 추정을 하여 직선의 기울기를 매개변수로 산정하였다. 여기서, y축은 실측된 유속을 뜻하고 x축은 Manning식에서는 R2/3I1/2, Chezy식에서는 #를 뜻한다.
대표계수를 사용하여 구해진 유량과 실측 유량과의 비교검증 결과와 임의의 지점에 대한 유량산정 결과에 대하여 각각 Discrepancy Ratio를 사용하여 분석하였다. Discrepancy Ratio는 통계학적 분석방법으로 실측유량과 산정된 유량의 비에 상용 log를 취하는 방법으로 식 (1)과 같다.
성능/효과
2. 본 논문에서는 y=ax의 꼴로 하천의 수리적 특성을 반영하는 실측 자료를 바탕으로 회귀 산정법을 통하여 해당 측정 구간의 유속, 동수경사 등의 수리적인 특성을 반영하여 도출된 대푯값 개념의 매개변수를 산정하여 이를 바탕으로 유량을 재 산정 하였고 그 결과는 본 실험데이터 내에서는 오차범위내로 만족하였다.
3. 이렇게 구해진 대표 매개변수를 이용하여 해당 측정 구간 내 임의의 점에 대하여 산정한 유량 결과와 실측되어진 유량과 비교를 Discrepancy Ratio로 나타내었고 값의 범위는 -0.15~0.2 정도로 0에 근접하게 분포된 점이 많음을 알 수 있다.
유속의 측정은 바닥에 부착한 ADV를 이용하였고 유량을 다르게 흘러 보내어 L1지점에서 측정하였으며 유량 측정 장치의 형상은 위의의 그림 1과 같다. 결과는 표 1에 나타나는 바와 같이 유량이 커지면 조도계수가 작아지고 유량이 작아지면 조도계수가 커지는 것을 알 수 있다. 이러한 결과를 통해서 알 수 있듯이 조도계수는 한 지점에서도 유량 및 수위의 변화에 따라서 변화하므로 실제 하천의 어떤 일정한 구간 내에서 이러한 변동성을 가지는 조도계수를 일반화 하는 것은 매우 어려운 것임을 잘 보여 준다.
16, 17, 18과 같고 대표매개변수에 의해 예측 산정된 유량과 실측유량과의 비교는 그림 19, 20, 21과 같다. 대표 조도계수 n과 대표 Chezy계수 C를 이용하여 산정된 유량 성과 모두 0 가까이에 많이 분포되어 있음을 알 수 있고 두 계수의 값들 모두 오차 범위 내에 들어오는 것을 알 수 있다.
결과는 표 1에 나타나는 바와 같이 유량이 커지면 조도계수가 작아지고 유량이 작아지면 조도계수가 커지는 것을 알 수 있다. 이러한 결과를 통해서 알 수 있듯이 조도계수는 한 지점에서도 유량 및 수위의 변화에 따라서 변화하므로 실제 하천의 어떤 일정한 구간 내에서 이러한 변동성을 가지는 조도계수를 일반화 하는 것은 매우 어려운 것임을 잘 보여 준다. 이러한 조도계수를 산정하기 위해서 그동안 Chow(1959)에서 제시한 수로 표면의 재질 등에 따른 조도계수 n의 범위를 나타낸 Chow의 도표, 또한 역산 조도계수에 의한 방법, 홍수흔적 수위법 등이 사용되어왔고 각 방법의 장단점이 존재하는 가운데 상황에 맞게 사용자의 주관적인 판단이 필요하였다.
표 3을 보면 전체적으로 대표 조도계수를 사용하여 산정한 유량이 대표 Chezy계수 C값을 사용하여 산정된 유량보다 일치하는 것으로 나타났으나 두 값 모두 만족스러운 값을 보여주고 있다.
15에 각각 나타내었다. 표 4의 RMSE에서 알 수 있듯이 Manning의 대표조도계수 n이 근소하게 잘 일치하는 것을 보여주었다.
후속연구
4. 상기의 결과를 종합해 보면 본 연구결과는 개수로의 특정 구간 내에서 일정한 측정치가 존재한다면 이를 바탕으로 수위-유량 관계곡선을 개선하여 수리적인 특성을 반영하면서 편리하게 유량을 예측산정 할 수 있을 것으로 판단된다. 물론 아직은 다양한 하천에 대한 적용이 이루어지지 않았으므로 추후 연구를 통하여 지속적으로 이를 보완하고 국내 하천에도 적용해야 할 것이다.
또한 본 논문에서 사용된 데이터들은 본래 Manning 및 Chezy공식이 등류에서 성립한다는 정의에 의해 단면이 변하지 않는 일정한 수로에서의 데이터를 바탕으로 수행되었으므로 본 연구결과에서 보여주는 결과의 오차의 전파 특성에 대한 분석은 추후 지속적인 여러 실험실 개수로 및 자연하천의 데이터의 결과를 바탕으로 연구되어야 할 것이다. 따라서, 본 연구결과가 계속해서 수정 보완되어 지고 신뢰성이 향상된다면 향후에는 수자원 실무에 많은 도움이 될 것으로 판단된다.
물론 아직은 다양한 하천에 대한 적용이 이루어지지 않았으므로 추후 연구를 통하여 지속적으로 이를 보완하고 국내 하천에도 적용해야 할 것이다. 또한 본 논문에서 사용된 데이터들은 본래 Manning 및 Chezy공식이 등류에서 성립한다는 정의에 의해 단면이 변하지 않는 일정한 수로에서의 데이터를 바탕으로 수행되었으므로 본 연구결과에서 보여주는 결과의 오차의 전파 특성에 대한 분석은 추후 지속적인 여러 실험실 개수로 및 자연하천의 데이터의 결과를 바탕으로 연구되어야 할 것이다. 따라서, 본 연구결과가 계속해서 수정 보완되어 지고 신뢰성이 향상된다면 향후에는 수자원 실무에 많은 도움이 될 것으로 판단된다.
상기의 결과를 종합해 보면 본 연구결과는 개수로의 특정 구간 내에서 일정한 측정치가 존재한다면 이를 바탕으로 수위-유량 관계곡선을 개선하여 수리적인 특성을 반영하면서 편리하게 유량을 예측산정 할 수 있을 것으로 판단된다. 물론 아직은 다양한 하천에 대한 적용이 이루어지지 않았으므로 추후 연구를 통하여 지속적으로 이를 보완하고 국내 하천에도 적용해야 할 것이다. 또한 본 논문에서 사용된 데이터들은 본래 Manning 및 Chezy공식이 등류에서 성립한다는 정의에 의해 단면이 변하지 않는 일정한 수로에서의 데이터를 바탕으로 수행되었으므로 본 연구결과에서 보여주는 결과의 오차의 전파 특성에 대한 분석은 추후 지속적인 여러 실험실 개수로 및 자연하천의 데이터의 결과를 바탕으로 연구되어야 할 것이다.
(2012)에서는 수정Manning 공식을 사용하여 새로운 유량예측 공식을 개발하였다. 이 공식을 통하여 4824세트의 실측자료를 바탕으로 검증해 본 결과 약 86% 정도가 실측값과 잘 일치하였으나 에너지 경사가 매우 작은 상층류나 수심이 매우 깊은 경우에는 오차가 많이 발생하므로 이에 대한 추가연구가 필요하다고 하였다.[14] 또한 Arcement Jr과 Schneider(1989)는 미국 지질조사국(USGS)의 사진 자료를 이용한 방법을 제안하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
하천 유량의 정확한 산정을 위해 사용되는 수위-유량 관계곡선식에 의한 방법은 어떠한 방법인가
국내외에서 가장 널리 사용되어온 방법은 수위-유량 관계곡선식에 의한 방법이다. 이 방법은 시간 혹은 분단위로 측정된 수위자료와 간헐적으로 측정된 유량자료와의 관계를 수식으로 표현하여 활용하는 것이다. 이 방법은 매우 편리하게 하천의 유량을 생산할 수 있는 장점이 있지만 수위와 유량 사이만의 관계를 이용하기 때문에 해당 하천 지점의 지형이나, 조도, 경사 등 수리적인 특성을 반영하지 못하므로 오차의 가능성을 잠재하고 있다.
하천의 유량을 산정하는 공식 중 가장 널리 알려진 공식은 무엇인가
반면 간편하게 하천의 유량을 산정하는 공식 중 가장 널리 알려진 공식은 Manning식과 Chezy식이 있다. 이 두 식은 동수경사와 에너지 경사를 반영하는 등 비교적 하천의 수리적 특성을 잘 반영한다.
수위-유량 관계곡선식에 의한 방법의 장단점은 무엇인가
이 방법은 시간 혹은 분단위로 측정된 수위자료와 간헐적으로 측정된 유량자료와의 관계를 수식으로 표현하여 활용하는 것이다. 이 방법은 매우 편리하게 하천의 유량을 생산할 수 있는 장점이 있지만 수위와 유량 사이만의 관계를 이용하기 때문에 해당 하천 지점의 지형이나, 조도, 경사 등 수리적인 특성을 반영하지 못하므로 오차의 가능성을 잠재하고 있다. 이미 과거의 연구에서 수위-유량 관계 곡선이 고리형 특성을 나타내는 이유로 Cunge 등(1980)은 유량과 하상경사, 조도계수 등이라고 하였다.
참고문헌 (15)
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