[국내논문]적정 수로 폭의 선정과 수문이 설치된 인공 해수호수의 수위 및 유속의 변화 분석 Analysis of Alteration for Water Level and Velocity in Tidal Artificial Lake Installed Water Gate and Adoption of Proper Channel Width원문보기
조석의 영향에 의해 해수의 유 출입이 용이한 해수호수를 친수 친환경으로 조성하는 계획이 인천 송도에서 수행되었다. 본 연구는 조석의 영향을 받는 해수호수의 수리동역학적 거동을 분석하기 위해서 1차원 수치모형인 CEA모형과 2차원 수치모형인 FLOW2DH를 이용하여 수로의 폭에 따라서 변화하는 해수호수 내의 수위 및 유속을 계산하였다. 연구 결과, CEA모형을 이용하여 수로의 적정 폭은 100.0m로 선정되었고, 외해 조위와 인공호수 수위의 지체시간과 수로 내 최대 유속이 계산하였다. 이 결과를 FLOW2DH와 연동하여 해수호수 내의 수위 및 유속을 각각 선정된 관측점에 대하여 비교 분석하였다. 또한, 인공호수의 유지관리 측면에서 수문이 설치된 경우에 대하여 수치모형 실험을 추가하여 수문이 설치되지 않은 경우보다 유속이 창조 시 약 20%, 낙조 시 약 50% 감소하는 효과를 얻었다.
조석의 영향에 의해 해수의 유 출입이 용이한 해수호수를 친수 친환경으로 조성하는 계획이 인천 송도에서 수행되었다. 본 연구는 조석의 영향을 받는 해수호수의 수리동역학적 거동을 분석하기 위해서 1차원 수치모형인 CEA모형과 2차원 수치모형인 FLOW2DH를 이용하여 수로의 폭에 따라서 변화하는 해수호수 내의 수위 및 유속을 계산하였다. 연구 결과, CEA모형을 이용하여 수로의 적정 폭은 100.0m로 선정되었고, 외해 조위와 인공호수 수위의 지체시간과 수로 내 최대 유속이 계산하였다. 이 결과를 FLOW2DH와 연동하여 해수호수 내의 수위 및 유속을 각각 선정된 관측점에 대하여 비교 분석하였다. 또한, 인공호수의 유지관리 측면에서 수문이 설치된 경우에 대하여 수치모형 실험을 추가하여 수문이 설치되지 않은 경우보다 유속이 창조 시 약 20%, 낙조 시 약 50% 감소하는 효과를 얻었다.
Tidal artificial lake capable of inflow and outflow of seawater is planned for waterfront and eco-friendly space at Songdo, Incheon, Korea. This study for hydrodynamic behaviors of tidal artificial lake was carried out and predicted about water level and velocity within the lake corresponding to wid...
Tidal artificial lake capable of inflow and outflow of seawater is planned for waterfront and eco-friendly space at Songdo, Incheon, Korea. This study for hydrodynamic behaviors of tidal artificial lake was carried out and predicted about water level and velocity within the lake corresponding to width of channel or waterway using by 1 dimensional numerical model(CEA) and 2 dimensional numerical model(FLOW2DH). As a result, the proper width, 100.0m of the channel between the lake and the open sea was calculated reasonable conclusions such as tidal phase lag and maximum velocity from CEA. Also, water level and velocity of each point within the lake was predicted and compared to the measured data from FLOW2DH. FLOW2DH was added to the gate control case for maintenance and administration purpose of the lake and obtained the results that the velocity was decreased by approximately 20% at flood and 50% at ebb than the case without gate control.
Tidal artificial lake capable of inflow and outflow of seawater is planned for waterfront and eco-friendly space at Songdo, Incheon, Korea. This study for hydrodynamic behaviors of tidal artificial lake was carried out and predicted about water level and velocity within the lake corresponding to width of channel or waterway using by 1 dimensional numerical model(CEA) and 2 dimensional numerical model(FLOW2DH). As a result, the proper width, 100.0m of the channel between the lake and the open sea was calculated reasonable conclusions such as tidal phase lag and maximum velocity from CEA. Also, water level and velocity of each point within the lake was predicted and compared to the measured data from FLOW2DH. FLOW2DH was added to the gate control case for maintenance and administration purpose of the lake and obtained the results that the velocity was decreased by approximately 20% at flood and 50% at ebb than the case without gate control.
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문제 정의
이에 본 연구에서는 조석의 영향을 받는 인공 해수호수의 수리동역학적 검토를 위해 미공병단에서 개발한 1차원 수치모형실험인 Channel Equilibrium Area(CEA) 모형을 사용하여 인공 해수호수의 적정 수로 폭을 결정하고 이 결과를 연동하여 국민대학교에서 개발한 2차원 수치모형 실험인 FLOW2DH를 모의하여 외해와 인공 해수 호수의 해수유동현상에 대하여 수리동역학적 분석 및 계획된 인공 해수호수의 수리적 안정성을 확보할 수 있도록 하는데 연구의 목적을 두고 있다.
그래서 준설의 효율과 항로의 유지관리를 고려하여 최대한 수심이 깊은 곳을 따라 항로를 설정하였다. CASE 2-GATE와 같이 갑문 운영의 이유는 인천의 조차가 9.0m를 넘기 때문에 이상 파랑이나 태풍 등으로부터 해수호수 내를 정온하게 보호 할 수 있으며, 해수호수의 유지관리 및 퇴적물 유입 방지를 용이하게 하기 위한 목적으로 설치하였다.
제안 방법
Fig. 1은 인천 경제자유구역 송도지구의 1, 3 공구와 6, 8공구에 인접한 해수호수이며, 조석간만의 차가 큰 인천해역에 대한 조위변화에 따른 해수호수 내의 수위변화, 지체시간, 그리고 수로의 최대 유속 등이 수로 단면적과 어떠한 관계가 있는지를 CEA 모형을 이용하여 규명하고 FLOW2DH와 연동하여 해수호수의 관측점에 대한 수리동역학적 특성을 평가하기로 한다.
개방경계조건은 외해 또는 하천과의 경계면에서 수위 또는 유속, 또는 이들의 방사 방식의 조건을 선택하여 지정할 수 있으며, 본 실험에서는 수위 및 유량 지정 방식을 사용하였다. 외해측 개방경계조건은 기존의 조석관측 결과를 분석한 조화상수를 이용하여 입력하였다.
CEA 모형을 이용하여 수로의 단면적에 대한 해수호수의 수리동역학적 특성 변화를 평가하였다. 수로의 단면적이 크면 해수의 유통이 원활하고, 외해 조위와 해수호수의 수위변화가 지체시간이 거의 없이 동시에 발생하여 해수호수의 운영에 편리 할 것으로 사료된다.
수로의 단면적이 크면 해수의 유통이 원활하고, 외해 조위와 해수호수의 수위변화가 지체시간이 거의 없이 동시에 발생하여 해수호수의 운영에 편리 할 것으로 사료된다. 따라서, 해수호 수의 안정성, 경제성, 그리고 유지관리를 고려하여 CASE 2를 해수호수의 적정 폭으로 선정하였다. 이 CASE 2는 2차원 해수유동 수치모형인 FLOW2DH 모형에서 입력조건으로 고려하기로 한다.
해수호수의 면밀한 수리동역학적 해석을 위하여 모의영역을 Table 2에 제시하였다. FLOW2DH 모형의 실험안은 3.2 CEA 모형의 결과로 도출한 해수호수 수로의 적정 폭인 CASE 2를 적용하였으며, 수로와 연결된 외해 항로는 곡선형으로 진출한 경우에 대해서 수심도를 수정하였다. 또한, CASE 2는 해수호수의 수로가 외해에 접하는 구간에 갑문 운영을 적용한 CASE2-GATE를 추가적으로 모의하여 조석에 영향을 받는 해수호수의 해안 수리동역학적 특성을 평가하기로 한다.
2 CEA 모형의 결과로 도출한 해수호수 수로의 적정 폭인 CASE 2를 적용하였으며, 수로와 연결된 외해 항로는 곡선형으로 진출한 경우에 대해서 수심도를 수정하였다. 또한, CASE 2는 해수호수의 수로가 외해에 접하는 구간에 갑문 운영을 적용한 CASE2-GATE를 추가적으로 모의하여 조석에 영향을 받는 해수호수의 해안 수리동역학적 특성을 평가하기로 한다.
6 참조)으로 진출한 이유는 해수호수 수로와 외해 접경구간에 넓은 조간대가 분포하고 있는데, 추후, 해수호수에 마리나 시설을 고려한다면 선박의 통행을 원활하게 하기위해서는 조간대를 준설하여 항로를 설정하여야 한다. 그래서 준설의 효율과 항로의 유지관리를 고려하여 최대한 수심이 깊은 곳을 따라 항로를 설정하였다. CASE 2-GATE와 같이 갑문 운영의 이유는 인천의 조차가 9.
특히, 갑문 운영은 외조위가 창조시 E.L. 1.5m로 상승하면 갑문을 열어 외해수가 호수내로 유입되도록 하고, 낙조시 호수내 수위가 E.L. 1.5m까지 하강하게 되면 갑문을 닫아 항상 호수내 최저 수위가 E.L. 1.5m를 유지하도록 수치해석의 코드를 수정하여 수행한다. 다시 말해, 호수의 저면이 E.
이는 해수호수로 선박이 운항될 경우 안정한 여유수심까지 확보가 되므로 추후 마리나로도 운영을 할 수 있을 것으로 사료된다. 각 실험안의 해수유동 양상을 전체적으로 비교하기로 한다. 또한 해수유동 수치해석으로 얻은 각 실험안의 조위 및 조류속에 대하여 정점별 우열(relative merit)을 판단하기로 한다.
각 실험안의 해수유동 양상을 전체적으로 비교하기로 한다. 또한 해수유동 수치해석으로 얻은 각 실험안의 조위 및 조류속에 대하여 정점별 우열(relative merit)을 판단하기로 한다.
해수호수의 내부 및 외해역의 조위 및 조류 특성을 재현하기 위하여 해수유동 수치해석을 수행하여 연속 계산으로부터 얻은 결과를 시계열로 취득하였다. 실험 결과중 대표적으로 약최고고조위에 대하여 실험안별 조석 1주기 동안의 태음 1시간 간격의 조류변화를 예측하였다.
해수호수의 내부 및 외해역의 조위 및 조류 특성을 재현하기 위하여 해수유동 수치해석을 수행하여 연속 계산으로부터 얻은 결과를 시계열로 취득하였다. 실험 결과중 대표적으로 약최고고조위에 대하여 실험안별 조석 1주기 동안의 태음 1시간 간격의 조류변화를 예측하였다. 최강 창조시(태음 3시)와 낙조시(태음 9시)의 조류 흐름에 대하여 CASE 2는 Fig.
10은 각각 CASE 2과 CASE 2-GATE에 대한 7개의 선정된 정점을 도시하여 최강 창조와 최강 낙조의 유속을 Table 3에 비교하여 다음과 같이 분석하였다. 선정된 7개의 정점 중 P1은 외해 구간, P2는 수로 구간, 그리고 P3-P7은 해수호수 구간으로 나누어 면밀히 검토하고자 한다.
대상 데이터
이에 본 연구는 해수호수의 적정 폭을 선정하기 위하여 Table 1과 같이 3가지 CASE를 고려하기로 한다. 외해 조위는 약최고고조위의 반조차인 4.635m, 해수호수의 수면적은 약 730,000m2, 수로의 길이는 800.0m, 수로의 수심 E.L. (-)3.5m, 손실계수, 그리고 각각의 수로 폭을 모형의 입력자료로 사용하였다. 특히, 외해 조위의 1주기는 태음(M2)시간인 12.
이론/모형
본 연구에서 사용된 FLOW2DH 모형은 수심적분 평면 2차원(x, y 방향) 해수유동 수치모형으로 기본방정식은 3차원 연속방정식과 운동방정식에서 유도된다. 질량보존법칙으로부터 유도되는 3차원 비압축성 유체의 연속방정식 및 난류유체의 운동량보존방정식인 3차원 Reynolds 방정식 중 수심방향으로 적분하면 수위와 수평방향 유속에 대한 다음의 세 식이 된다.
성능/효과
해수호수의 최고 수위는 약 3시 15분에 발생하여 약 15분의 지체시간이 발생하였다. 수로 최대 유속도 약 1.3m/s로 외해수의 유출입이 CASE 1에 비해서 안정적임이 나타났다. Fig.
수로 최대 유속도 CEA 모형에서는 1.35m/s로 측정되었으나, FLOW2DH 모형에서는 약 2.4m/s가 계산되었다. FLOW2DH 모형에서 수로의 유속이 크게 계산된 이유는 외해와 해수호수의 면적 및 수심에 비해서 수로의 폭이 상대적으로 적기 때문이며, 관성의 효과 등을 고려하고 있기 때문이라고 사료된다.
CEA 모형은 1차원 해석 및 여러 가정을 도입하였고, 조간대(tidal flat or wetting and drying zone) 처리를 고려하지 않고 모의하기 때문에 추후, 2차원 해수유동 수치모형실험의 결과와 상이할 수 있다. 하지만, 1차원 해석 결과로 볼 때, 본 연구에서 필요한 해수호수의 적정 수로 폭을 설정하는데 있어서 합리적인 모형임은 분명하다.
후속연구
CASE 2에서 외해 항로가 북서측 곡선형(Fig. 6 참조)으로 진출한 이유는 해수호수 수로와 외해 접경구간에 넓은 조간대가 분포하고 있는데, 추후, 해수호수에 마리나 시설을 고려한다면 선박의 통행을 원활하게 하기위해서는 조간대를 준설하여 항로를 설정하여야 한다. 그래서 준설의 효율과 항로의 유지관리를 고려하여 최대한 수심이 깊은 곳을 따라 항로를 설정하였다.
0m로 유지가 된다. 이는 해수호수로 선박이 운항될 경우 안정한 여유수심까지 확보가 되므로 추후 마리나로도 운영을 할 수 있을 것으로 사료된다. 각 실험안의 해수유동 양상을 전체적으로 비교하기로 한다.
683m/s까지 상승하였다. 약최고고조위가 4.635m이므로 약 4.0 내지 5.0cm의 편구배현상(superelevation)이 관측되었는데, 이 현상은 해수호수내 수리동역학에 문제를 야기하는 것은 아니지만, 보다 심도있는 연구를 통한 결과를 도출한다면 학술적인 가치가 있다고 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
동북아 금융 및 경제 허브를 목표로 추진하고 있는 것은?
최근 동북아 금융 및 경제 허브를 목표로 우리나라 서해안과 일부 남해안 지역에 경제 자유구역 지정 및 관련 개발사업이 활발하게 추진되고 있는 실정이다. 특히 갯벌을 호안구조물로 막아 간척지와 산업단지 그리고 항만 및 물류단지와 관련 배후 시설을 건설하고 있는데 새만금, 군산 산업단지, 그리고 송도 국제도시 건설 등이 좋은 실례라 할 수 있다.
CEA(Channel Equilibrium Area) 모형에서 가능한 것은?
CEA(Channel Equilibrium Area) 모형은 1차원 연속방정식과 운동방정식을 이용하여 수로에서의 최대 유속과 해수호수내의 조위 및 지체시간(phase lag), 조석 1주기에 대하여 해수호수내로 유입되는 해수의 용적(tidal prism)이 계산 가능하다. 그리고 해수호수의 면적, 수로 폭, 수로 수심, 수로의 길이, 외해 조위 및 주기, 그리고 손실계수 등이 입력조건으로 사용된다.
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