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문제 정의
- 본 연구에서는 SED2D의 지배방정식을 검토하고 특히 모의시간간격이 모의결과에 미치는 영향과 저수지 내 입경별 퇴사분포를 해석함으로써 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 그리고 저수지에서 의퇴사분포를 예측함에 있어, 부유사의 대표입경에 대해서만 모의를 하고 있어 부유사의 각 입경별 특성을 반영한 퇴사분포는 예측하지 않고 있는 실정이다. 이에 본 연구에서는 SED2D의 지배방정식을 검토하고 특히 모의시간간격이 모의결과에 미치는 영향을 중점적으로 검토하였다. 이러한 모의시간간격에 대한 검토결과를 바탕으로 저수지에 유입되는 부유사에 의한 저수지에서의 퇴사분포를 정성적으로 해석하였다.
제안 방법
- 2) 위와 같은 방법으로 모의시간간격을 선택하여 부유사의 각 입경별 저수지 퇴사분포를 예측하였다. 본 연구의 모의조건에서, Clay와 같은 미소입자는 전반적으로 퇴적되는 양이 적고 전반적으로 저수지 전체에 걸쳐 균일하게 퇴적되는 양상을 보이며 Silt 와 Sand 같은 입자는 저수지 상류부에 대부분이 퇴적되는 양상을 보여주고 있다.
- 003m/s를 입력하였다. SED2D의 모의시간 간격에 따른 저수지퇴사의 거동을 비교하기 위하여 모의시간간격으로 24시간, 6시간, 2시간, 1시간에 대해 각각 모의하였다. Fig.
- 045를 사용하였다. 그리고 와점성계수는 Peclet수 조절에 따라 격자망과 유속의 함수로 모형내에서 자동계산되도록 하였다. 보통 10~50범위의 Peclet수를 사용하면 타당한 결과를 얻을 수 있는것으로 제시하고 있는데 본 연구에서는 그 중간 값인 30을 사용하였다.
- 765m를 입력하였다. 모의영역의 초기조건으로 전 영역에 걸쳐 하류부 경계조건과 동일한 수위를 설정하였다. Fig.
- 0ppt에 이른다. 부유사의 입경은 부유사의 입도분포곡선을 3등분하여 각 등분의 평균입경에 대하여 모의하였다. 각각의 평균입경과 침강속도는 Table 1과 같다.
- 5km 구간을 모의영역으로 설정하였다. 수치모의를 위한 유한요소망을 구축하기 위하여 타당성조사에서 시행한 측량성과인 1:1000 축척의 지형도와 횡단측량 성과를 이용하였으며 또한 가물막이댐(copper dam), 본댐과 침사지 유입부와 같은 구조물도를 이용하여 Fig. 2와 같은 6, 368개의 요소의 19, 038개의 절점으로 구성된 유한요소망을 구축하였다. 공사중에 설치되는 가물막이댐은 공사후에도 철거하지 않는 것으로 계획되어 있어 이를 반영하였으며 , 모의 영역의 상류구간에서는 하상경사를 따르는 하천흐름의 특징을 가지는 영역이 모의영역에 포함될 수 있도록 모의영역을 상류방향으로 충분히 확장하였다.
- 이에 본 연구에서는 SED2D의 지배방정식을 검토하고 특히 모의시간간격이 모의결과에 미치는 영향을 중점적으로 검토하였다. 이러한 모의시간간격에 대한 검토결과를 바탕으로 저수지에 유입되는 부유사에 의한 저수지에서의 퇴사분포를 정성적으로 해석하였다. 특히, 입경별 퇴사분포를 해석함으로써 저수지 위치별로 퇴적된 유사의 주요 입경을 합리적으로 추정할 수 있음을 보였다.
대상 데이터
- 7m7s을 입력하였으며, 침사지로 153m7s의 유량이 유출되며, 저수지 하류부의 경계조건으로 저수지의 운영수위인 El. 765m를 입력하였다. 모의영역의 초기조건으로 전 영역에 걸쳐 하류부 경계조건과 동일한 수위를 설정하였다.
- 저수지에서의 흐름 및 퇴사거동을 모의하기 위하여 댐 상류 약 3.5km 구간을 모의영역으로 설정하였다. 수치모의를 위한 유한요소망을 구축하기 위하여 타당성조사에서 시행한 측량성과인 1:1000 축척의 지형도와 횡단측량 성과를 이용하였으며 또한 가물막이댐(copper dam), 본댐과 침사지 유입부와 같은 구조물도를 이용하여 Fig.
- 보통 10~50범위의 Peclet수를 사용하면 타당한 결과를 얻을 수 있는것으로 제시하고 있는데 본 연구에서는 그 중간 값인 30을 사용하였다. 하상변동을 모의하기 위한 입력조건으로 하상물질의 평균입경은 100mm, 비중은 2.65, 형상계수는 0.67을 사용하였다. 그리고 부유사의 침강속도는 우효섭(2002)에서 제시하고 있는 Rouse의 침강속도 산정곡선을 이용하였다.
이론/모형
- 67을 사용하였다. 그리고 부유사의 침강속도는 우효섭(2002)에서 제시하고 있는 Rouse의 침강속도 산정곡선을 이용하였다.
- 위에서 p는 물의 밀도, u. 는 전단속도로 본 연구에서는 다음과 같은 Manning의 전단응력공식을 사용하여 산정하였다.
- 본 연구에서는 저수지에 유입되는 부유사에 의한 저수지의 공간적인 퇴사분포를 모의하기 위하여 수심 평균 2차원 하상변동모형인 SED2D를 이용하였다. SED2D는 미공병단 WES(Waterways Experiment Station)에서 개발한 모형으로 상용모형인 SMS의 부모 형으로 이용할 수 있다.
성능/효과
- 1) SED2D의 지배방정식 검토 및 저수지 퇴사 거동해석에 모의시간간격을 달리하며 모의한 결과, 동일한 조건에서도 모의시간간격이 달라지면 저수지에 퇴적되는 부유사의 양 및 퇴적분포에 큰 차이를 보이고 있다. 이는 이송-확산방정식의 시간적인 해상도 및 sink/source항의 처리와 관련이 있는 문제로, 특히 장기하상변동 모의시 계산의 효율을 위해 모의시간간격을 지나치게 크게 설정하게 되면 물리적으로 타당하지 못한 결과를 얻을 수 있음을 의미한다.
- 2시간을 사용하였다. 그리고 민감도 분석을 통해 이송가능토사의 입자크기가 모의결과에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 평가하였다. 안재현 등 (2006b)은 저수지에서의 공간적인 퇴사분포를 예측하기 위하여 일유량과 유량-유사량 관계를 이용하여 장기하상변동을 모의하였다.
- 예측하였다. 본 연구의 모의조건에서, Clay와 같은 미소입자는 전반적으로 퇴적되는 양이 적고 전반적으로 저수지 전체에 걸쳐 균일하게 퇴적되는 양상을 보이며 Silt 와 Sand 같은 입자는 저수지 상류부에 대부분이 퇴적되는 양상을 보여주고 있다. 이러한 방법을 통해 저수지 각 위치별로 퇴적되는 유사의 입경을 추정할 수 있으며, 이러한 정보는 저수지 퇴적토사의 효율적 관리 및 저감방안을 수립하는 데에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 이는 이송-확산방정식의 시간적인 해상도 및 sink/source항의 처리와 관련이 있는 문제로, 특히 장기하상변동 모의시 계산의 효율을 위해 모의시간간격을 지나치게 크게 설정하게 되면 물리적으로 타당하지 못한 결과를 얻을 수 있음을 의미한다. 이러한 문제점을 피하면서 SED2D의 적절한 모의시간간격을 결정하기 위해서는 모의영역의 규모, 이송, 확산의 정도 등을 감안하여 결정하여야 하는데, 본 연구에서와 같이 모의영역의 주요지점에 대해 부유사의 농도 이력을 추적하여 부유사의 농도이력을 충분한 해상도로 추적할 수 있을 정도의 모의시간간격을 선택하는 것이 타당할 것으로 판단된다.
- 016m의 퇴적이 발생하고 있다. 즉, Clay와 같은 미소입자는 전반적으로 퇴적되는 양이 적고 즉, 취수구나 위어를 통해 침사지나 하류 하천으로 유출되는 양이 많고 전반적으로 저수지 전체에 걸쳐 균일하게 퇴적되는 양상을 보이며 Silt와 Sand 같은 입자는 저수지 상류부에 대부분이 퇴적되는 경향을 보이고 있다. 단, 이상의 결과는 설계 중에 있는 저수지에 대한 모의결과이므로 모형의 검정과 검증 과정이 없는 결과이며 따라서 해당 저수지의 정량적인 퇴사거동의 분석자료로 사용될 수는 없다.
- 이는 부유 사의 입경과 무관한 불합리한 저수지내 퇴사 분포를 야기하는 원인이 된다. 즉, SED2D의 적절한 모의 시간 간격을 결정하기 위해서는 모의영역의 규모, 이송, 확산의 정도 등을 감안하여 결정하여야 하는데, 모의영역의 주요지점에 대해 Fig. 5와 같은 부유 사의 농도 이력을 추적하여 부유사의 농도 이력을 충분한 해상도로 추적할 수 있을 정도의 모의시간 간격을 선택하는 것이 타당할 것으로 판단된다.
- 이러한 모의시간간격에 대한 검토결과를 바탕으로 저수지에 유입되는 부유사에 의한 저수지에서의 퇴사분포를 정성적으로 해석하였다. 특히, 입경별 퇴사분포를 해석함으로써 저수지 위치별로 퇴적된 유사의 주요 입경을 합리적으로 추정할 수 있음을 보였다.
- 관련 사업의 타당성조사보고서(STAR Hydropower, 2007)에 의하면 해당 지역의 하상 표면은 다양한 크기의 큰 자갈과 호박돌을 포함하고 있으며, 표면층 아래에는 자갈과 모래로 구성되어 있으면 하상물질에 대한 입도분석 결과 평균입경은 약 100mm인 것으로 조사되었다. 해당유역의 하천 유량에는 히말라야의 빙산 지역에서 발생하는 다량의 유사가 포함되어 있는데, 부유사 농도는 유량이 비교적 많은 기간을 기준으로 모래, 실트, 점토의 비율이 33, 46, 21%이며 평균 입경은 약 0.06mm인 것으로 조사되었다. 그리고 유량- 부유사량 관계곡선은 다음과 같다.
후속연구
- 즉, Clay와 같은 미소입자는 전반적으로 퇴적되는 양이 적고 즉, 취수구나 위어를 통해 침사지나 하류 하천으로 유출되는 양이 많고 전반적으로 저수지 전체에 걸쳐 균일하게 퇴적되는 양상을 보이며 Silt와 Sand 같은 입자는 저수지 상류부에 대부분이 퇴적되는 경향을 보이고 있다. 단, 이상의 결과는 설계 중에 있는 저수지에 대한 모의결과이므로 모형의 검정과 검증 과정이 없는 결과이며 따라서 해당 저수지의 정량적인 퇴사거동의 분석자료로 사용될 수는 없다.
- 본 연구의 모의조건에서, Clay와 같은 미소입자는 전반적으로 퇴적되는 양이 적고 전반적으로 저수지 전체에 걸쳐 균일하게 퇴적되는 양상을 보이며 Silt 와 Sand 같은 입자는 저수지 상류부에 대부분이 퇴적되는 양상을 보여주고 있다. 이러한 방법을 통해 저수지 각 위치별로 퇴적되는 유사의 입경을 추정할 수 있으며, 이러한 정보는 저수지 퇴적토사의 효율적 관리 및 저감방안을 수립하는 데에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 이러한 유사의 퇴적은 저수지의 저수용량 감소는 물론 상류하천의 하상 및 수위상승, 하천수질 및 생태학적인 변화, 하류하상의 변화 등과 같은 문제를 얘기 하게된다(윤용남, 1988). 이러한 저수지 퇴사는 저수지의 기능에 여러가지 문제점을 야기하므로 이의 정확한 예측은 댐 및 저수지의 계획 및 설계 단계에서 중요하게 검토되어야 한다.
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