[논문]화순 홍수조절지의 유입유출 구조물에 대한 수리모형실험 연구

이상화; 진광호; 류종현; 김수근

doi:10.3741/jkwra.2012.45.7.675

화순 홍수조절지의 유입유출 구조물에 대한 수리모형실험 연구
Experimental Study on the Inflow and Outflow Structures of Hwasun Flood Control Reservoir 원문보기

韓國水資源學會論文集 = Journal of Korea Water Resources Association, v.45 no.7, 2012년, pp.675 - 684

이상화 (동아대학교 공과대학 토목공학과) , 진광호 (한국수자원공사 수자원개발처) , 류종현 (한국수자원공사 수자원개발처) , 김수근 (한국수자원공사 4대강 사업부)

초록
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최근 기상변화에 의한 집중호우는 하천의 통수능력을 초과하는 홍수를 발생시키고 있다. 하천의 폭이 제한된 상태에서 이러한 초과 홍수에 대비할 수 있는 관리방법은 제방증고, 저류지 및 방수로 건설, 하상 준설 등을 생각할 수 있다. 천변저류지인 화순홍수조절지는 저류지와 수위조절을 위한 제수문이 설계되어 있다. 본 연구는 저류지 운영시간동안 일정 홍수량만을 배제해야 할 상황에 대해 설계의 적정성을 수리모형실험을 통해 검토하였다. 검토결과 저류지 유입부의 횡월류위어 월류량은 설계상의 월류량을 초과하였고, 제수문 1.1m 개방시 설계유량($326m^3/s$)을 방류할 수 있는 것으로 나타났다. 설계유량 방류시 제수문 직하류에 7.19m/s의 고유속은 baffle block을 설치할 경우 3.3m/s까지 저감시킬 수 있는 것으로 검토되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, a heavy rainfall under climate change causes the flood exceeded river's conveyance. Flood control methods under the limited river width are the increase of embankment, the construction of storage pockets and diversion channel, the dredging of river bed. Hwasun flood control reservoir of washland is designed as the storage pockets and the regulating gate for the control of water level. In this study, the propriety of design was investigated through hydraulic experiments for the circumstances to exclude the constant flood discharge during operation period. In the results, the over flow rate of side weir exceeded the flow of design and indicated to be able to discharge the designed flow in the regulating gate opened 1.1 m. The high velocity 7.1 m/s behind the gate has investigated to reduce under 3.3 m/s by the baffle block.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 실험에서는 200년 빈도 시 하천 및 조절지 특정지점의 유속을 관측하고(Fig. 17), 수위를 실시간 측정하여 하천과 조절지의 수위가 큰 편차 없이 동시에 상승되는지에 대해 검토하였다.
따라서 횡월류위어 부근의 수리현상은 각각의 조절지가 다른 조절지를 월류하지 않는 수위에서 최대유속이 발생되므로 이 상태에서의 횡월류위어 부근 수리현상을 검토하였다.
본 연구에서는 설계시 화순홍수조절지의 횡월류위어의 월류능력과 제수문의 방류능력결정에 대한 적정성 및 수리특성을 수리모형실험을 통해 검토하고자 한다.
본 연구의 대상지역인 화순 홍수조절지는 지석천에 위치하고 하류에 송석천과 합류되어 일정 홍수량만을 하류로 통수 시켜야 하는 상황에 있어 횡월류위어식 저류지 2개와 제수문을 설치하여 제수문으로 일정량만의 홍수량을 배제시킴으로서 저류지와 하도의 일부가 저류효과를 가져올 수 있도록 계획되어 수리실험을 통해 설계의 적정성에 대해 분석하고자 하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.

가설 설정

일반적으로 횡월류위어의 월류량 규모 자체는 본류의 수심에 의존하기 때문에, 횡월류위어의 월류량 C_M는 횡월류위어 상류단으로부터의 거리 x에 대한 함수가 아니며, 더불어 C_M도 x에 따라서 변하지 않고 일정하다. 대신에 월류위어부에서 본류의 유량 Q가 x에 따라 감소하므로, 횡월류위어의 단위길이(unit length of side weir) 당 월류량 q_w를 구할 수 있으며, 본류의 각 단면에 대하여 유량 Q는 비에너지 E가 일정하다는 가정으로부터 Eq. (6)이 구해진다.

제안 방법

제1조절지의 경우 제2조절지 월류부 천단 EL. 66 m의 수위에서 횡월류위어 접근부의 유속을 측정하였다. 하천수로부에는 0.
5～EL. 67.6 m까지 점차 상승시키고, 제수문을 1.0 m개방, 2.0 m개방, 3.0 m개방, 4.0 m개방, 5.0 m개방, 완전개방 순으로 수문개도 높이별 달리하였을 때 수문개도높이별 방류 능력을 검토하였다.
0 m 이상부터는 2조절지로 유입되어 200년 빈도 수위인 EL. 67.6 m까지 하천수위와 조절지 수위가 동시에 상승되는 것으로 계획하였다.
그러므로 수리실험에서 시간 변화에 따른 각 홍수조절지의 월류량을 검토하는 것은 불가능하여, 각 홍수조절지의 최대 월류량을 완전 월류 상태에서 검토하였다.
USBR에서 다양한 모형실험을 통하여 대댐의 여수로는 1/30∼1/100의 범위를 그리고 하천모형실험은 일반적으로 수평축척의 경우 1/100∼1/1000, 왜곡모형에서의 연직축척은 1/20∼1/100을 추천하고 있다. 따라서 모형제작의 용이성과 상사법칙적용의 적정성 및 가용한 실험시설을 고려하여 모형의 축척은 횡월류위어를 포함한 하천모형은 수평축척 1/90, 연직축척 1/15로 결정하였고, 제수문 모형은 1/60의 정상모형으로 결정하였다.
상류단의 실험유량은 하천모형내로 유입되고 다시 옥외저장수조로 순환되도록 구성하였다. 모형의 상류단에는 정류판을 설치하여 실험유량이 안정적으로 하천상류로 유입될 수 있도록 하였으며, 모형 하류단에서는 하류수위조절 위어(weir)를 설치하여 하류단 기준수위를 조절할 수 있도록 하였다.
수리모형은 설계계획 및 조건에 따라 실험구간 지형도 및 종 횡단도를 분석하여 모형제작에 필요한 자료를 준비하고 실제 하천 지형과 횡월류위어는 설계계획 자료를 근거로 시멘트 모르타르로 재현하였으며, 제수문 모형은 아크릴 모형으로 제작하였다(Figs. 1～3).
이 방법은 수문을 조작하지 않고 하도 수위에 의한 자유 월류가 이루어지기 때문에 유지관리가 용이하며, 조절지내로 순차적으로 유입되기 때문에 토지이용도를 높일 수 있는 방법이다. 월류위어고를 각 조절지별로 달리하여 10년 빈도 미만의 홍수량 까지는 하도에서 전량 부담하며, 10년 빈도 이상 홍수량부터 50년 빈도 미만까지는 본류하도와 1조절지를 활용하고, 50년 빈도 이상 홍수량부터 빈도 이상에서 1, 2조절지 모두 활용하도록 계획되었다. 또한 지석천으로 200년빈도 홍수량 730 m³/s 유입시, 송석천(홍수량 224 m³/s) 합류후 최종적으로 하류로 550 m³/s의 홍수량만을 배제하도록 조절하여야 하기 때문에 지석천의 홍수 조절지 하류(송석천 합류전)에 하천단면을 횡단하는 제수문을 설치하여 홍수시 항상 326 m³/s만을 방류하도록 조절하고, 홍수 유입량이 326 m³/s 이상이 되면 횡월류위어를 통해 하도내 유량을 조절지로 유입시켜 홍수조절을 시행하도록 계획되어 있다.
제수문 유출부의 흐름분석은 200년 빈도 홍수시를 기준으로 제수문 방류능력 검토에서 확인한 상류수위 EL.67.6 m 유지시 수문개도 높이 1.10 m에서의 제수문 상하류의 유속분포를 검토하였다. Fig.
제수문 하류의 유속을 저감시키기 위해 제수문 직하류부에 2열 baffle블록과 3열 baffle 블록을 설치하여 유속 및 유황을 검토하였다. 각 블록은 높이 1 m, 길이 42 m로 제수문 교각 끝단에서 하류방향 20 m 범위 내에서 2열 및 3열 블록의 설치 후 제수문 하류부 유속검토결과, Fig.
화순 홍수조절지는 2개의 조절지로 구성되어 있으며, 각 조절지별 횡월류위어의 위어고를 달리하여 단계적으로 홍수를 조절할 수 있도록 계획되었다.
횡월류위어 실험은 월류능력실험과 각 조절지별 월류부 접근흐름검토 및 하천 및 홍수조절지의 유황을 검토하였으며, 횡월류위어의 제원은 Table 1과 같다.

대상 데이터

Fig. 4는 모형실험 평면도로 길이 25 m, 폭 10 m의 실험수조에 횡월류위어 모형(수평축척 1/90, 연직축척 1/15)과 제수문 모형(축척 1/60)을 제작하였다. 실험용수는 7.
본 연구의 대상지인 화순홍수조절지는 전라남도 화순군 영산강합류점부터 35.48 km 상류 지점(송석천 합류전)인 지석천에 위치하고 있으며, 지석천 좌 우안의 제내측 농경지에 제방을 축조하여 저류공간으로 활용하는 계획으로 하천을 횡단하는 제수문을 설치하고 제방에 횡월류 위어를 두어 지석천의 일정규모 이상 홍수를 조절지로 유입시켜 홍수를 저류하여 홍수를 조절하도록 계획되었다.
수리실험시 유속의 측정은 KENEK사의 3차원 유향, 유속계를 사용하였으며, 측정범위는 0～±200 cm/s까지 가능하며, 측정정도는 ±2%이다.
실험용수는 7.0 m(길이) × 1.8 m(높이) × 1.0 m(폭) 규모에 최대 10톤이 저장되는 옥외 저장수조에서 펌프로 양수하고 전자기식 유량계를 거처 실험 모형 상류단에 공급한다.
5 mm이다. 유량측정은 산업자원부 기술표준원 인정 국가공인교정기관(KOLAS)인 (주)서용엔지니어링의 전자기식 유량계를 이용하였으며, 유량계의 최대편차는 0.0008 m³/min으로 매우 정확한 실험유량을 공급할 수 있다.

이론/모형

본 실험에서 적용된 횡월류위어의 유량계수는 De March(1934)식으로 계산하였다.
수리모형의 축척과 제작은 실험의 목적, 실험수조, 실험시설 및 실험장비 등의 규모와 성능을 종합적으로 고려하여 선택되지만 가장 중요한 것은 실험의 목적에 따라 원형에서의 수리현상이 모형에서 가장 잘 재현될 수 있어야 한다. 본 실험의 대상인 홍수조절지 및 제수문의 흐름은 관성력과 중력이 지배력이 되며, 이때 상사법칙은 Froude 상사법칙을 적용할 수 있다.
본 화순홍수조절지 설계시 De Marchi 이론식의 C_M을 0.5로 적용하여 횡월류위어의 규모를 결정하였다.
수위관측은 VALEPORT사의 전자식 수위측정장치(Ultralab ULS)를 이용하였으며, 오차범위는 ±0.5 mm이다.

성능/효과

1) 횡월류위어를 통한 월류량은 설계상의 그것보다 월류능력이 우수한 것으로 나타났으며, 이는 월류위어 하류에 설치된 제수문으로 인해 일반적인 횡월류위어의 흐름형태가 아닌 일반 위어의 월류형태를 보임으로서 월류능력이 향상된 것으로 판단된다.
33 m/s)시 유속의 감소 효과가 큰 것으로 나타났으며, 유황은 Figs. 11～12에서 3열 블록이 제수문 직하류의 빠른 흐름을 효과적으로 감소시키는 양호한 유황을 보이고 있어, 3열 블록 설치 시 유속저감 및 유황개선에 효과를 가져 올 수 있을 것으로 판단된다.
2) 제수문의 방류량 또한 계획홍수량을 충분히 배제시킬 수 있는 규모로 계획 되었으며, 저류지와 제수문을 복합적으로 운영하여 홍수시 방류량을 조절할 수 있다는 것은 하천홍수관리에 아주 유용하게 적용될 수 있을 것으로 예상된다. 그러나 방류량이 작을 경우 수문의 개도높이가 낮아서 방류시 하류에 빠른 유속을 발생시킬 수 있다.
실험결과는 1조절지의 경우 2조절지 월류고 EL. 66.0 m까지 최대 738.0 m³/s의 월류량이 발생되었으며, 2조절지는 200년 빈도 홍수위 EL.67.6m까지 최대 620.0 m³/s의 유량이 월류되는 것으로 나타났으며, 횡월류위어의 유량계수는 1조절지의 경우 0.67～0.72의 범위, 2조절지의 경우 0.78～0.97의 범위로 설계시 적용한 C_M값 0.5를 상회하는 것으로 측정되었다. 각 조절지별 설계 월류량(1조절지 638 m³/s, 2조절지 234 m³/s)을 모두 초과하고 있어 횡월류위어의 월류능력은 양호한 것으로 나타났다(Fig.
제수문 하류의 유속을 저감시키기 위해 제수문 직하류부에 2열 baffle블록과 3열 baffle 블록을 설치하여 유속 및 유황을 검토하였다. 각 블록은 높이 1 m, 길이 42 m로 제수문 교각 끝단에서 하류방향 20 m 범위 내에서 2열 및 3열 블록의 설치 후 제수문 하류부 유속검토결과, Fig. 9～10에서 볼 수 있듯이 2열 블록(최대유속 4.56 m/s)에 비해 3열 블록설치(최대유속 3.33 m/s)시 유속의 감소 효과가 큰 것으로 나타났으며, 유황은 Figs. 11～12에서 3열 블록이 제수문 직하류의 빠른 흐름을 효과적으로 감소시키는 양호한 유황을 보이고 있어, 3열 블록 설치 시 유속저감 및 유황개선에 효과를 가져 올 수 있을 것으로 판단된다.
5를 상회하는 것으로 측정되었다. 각 조절지별 설계 월류량(1조절지 638 m³/s, 2조절지 234 m³/s)을 모두 초과하고 있어 횡월류위어의 월류능력은 양호한 것으로 나타났다(Fig. 14).
44 m/s 이하로 매우 느린 유속분포를 나타내었으며, 측선별 수위변화도 거의 나타나지 않았다. 각 지점별 실시간 수위측정결과는 Fig. 18에서 볼 수 있듯이 제1조절지가 만수되어 하천수위와 제1조절지 수위가 동시에 상승되기 전까지 제수문(No. 3)부근에 비해 한지철교(No. 1)의 수위차가 0.1 m 정도 높게 나타나는 경향을 보였으나, 1조절지와 2조절지가 만수되어 동시에 수위가 상승하게 되면, 그 차이는 0.1 m 미만으로 수위가 거의 동일하게 상승되는 것으로 검토되었다.
또한 수문 완전개방시 최대 방류량은 1,234.49 m³/s로 확인되었으며, 이 수치는 지석천 200년 빈도 홍수량인 730 m³/s를 충분히 초과하는 것으로 현 계획된 제수문을 통해 저류지로 홍수량을 월류시킬 수 없는 상황에서도 지석천 200년 빈도 홍수량을 모두 통수할 수 있는 것으로 나타났다. Fig.

후속연구

화순 홍수조절지와 같은 형식의 횡월류위어의 경우에서는 하류 제수문으로 인해 주하도가 저류됨으로 유속이 느려져 횡월류위어에서 수면변화가 거의 없이 일반 위어의 수면형태로 월류되고 있다. 따라서 향후 횡월류위어의 규모 결정을 위한 유량계수 적용시 화순 홍수조절지와 같이 주하천유속이 느린 경우를 고려한 횡월류위어 유량계수의 산정에 대한 연구를 추가적으로 수행한다면 횡월류위어의 규모를 결정하는데 비교자료가 될 것으로 예상된다.
그러나 방류량이 작을 경우 수문의 개도높이가 낮아서 방류시 하류에 빠른 유속을 발생시킬 수 있다. 이러한 부분에 대해서는 본 연구에서와 같이 baffle 블록을 설치함으로써 유속저감의 효과를 가져 올 수 있을 것이라 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	하천의 폭이 제한된 상태에서 이러한 초과 홍수에 대비할 수 있는 관리방법으로는 무엇이 있는가?	최근 기상변화에 의한 집중호우는 하천의 통수능력을 초과하는 홍수를 발생시키고 있다. 하천의 폭이 제한된 상태에서 이러한 초과 홍수에 대비할 수 있는 관리방법은 제방증고, 저류지 및 방수로 건설, 하상 준설 등을 생각할 수 있다. 천변저류지인 화순홍수조절지는 저류지와 수위조절을 위한 제수문이 설계되어 있다.
	천변저류지인 화순홍수조절지는 저류지와 수위조절을 위해 무엇이 설계되어 있는가?	하천의 폭이 제한된 상태에서 이러한 초과 홍수에 대비할 수 있는 관리방법은 제방증고, 저류지 및 방수로 건설, 하상 준설 등을 생각할 수 있다. 천변저류지인 화순홍수조절지는 저류지와 수위조절을 위한 제수문이 설계되어 있다. 본 연구는 저류지 운영시간동안 일정 홍수량만을 배제해야 할 상황에 대해 설계의 적정성을 수리모형실험을 통해 검토하였다.
	이번 화순 홍수조절지 연구는 기존의 천변저류지 연구와는 차이점이 있다. 화순 홍수조절지의 어떤 형태 때문인가?	이러한 기존의 천변저류지 연구의 경우, 주 하천수로가 자연 유하되는 상태에서 횡월류위어로 홍수량이 월류되는 조건에 대한 연구이다. 그러나 본 연구 대상의 화순 홍수조절지는 주하천 단면을 횡단하는 제수문이 설치되어 제수문으로 일정 홍수량만을 방류시키는 형태로 주하천이 자연 유하되는 기존 연구들과 차이가 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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