홍수 발생 시 모래하천의 수위-유량 관계가 고리형을 이룬다는 것은 많은 현장 계측을 통해 보고되어 왔다. 또한, 홍수파 해석이나 사련에서 사구로 변동되는 하상해석을 통해 고리형 수위-유량 관계의 원인이 규명되어서 고리의 형태나 진행방향 등에 대해서는 이론적으로도 상당부분 입증되어 있다. 그러나 경사가 급한 자갈 및 암반으로 구성된 산지하천의 경우, 현장유량계측의 어려움과 관측 정확도의 문제로 고리형 수위-유량 관계에 대한 연구가 매우 드물었다. 본 논문은 자갈 및 암반지형의 산지하천인 제주도 한천에서 2011년 태풍 무이파 때 계측한 홍수 유량을 바탕으로 수위-유량 관계를 구축하고, 자갈하천에서 형성되는 고리형 수위-유량곡선을 분석하고자 한다. 유량계측 방식으로는 홍수기에 적합한 비접촉식인 전자파 표면유속계를 사용하여, 홍수의 상승기와 하강기의 유량을 시간 단위로 계측하는 데 성공했다. 계측결과 수위-유량관계에서 뚜렷한 고리 형상을 확인할 수 있었다. 그리고 고리의 이력이 모래하천과 정반대로 동일수위에서 상승기의 유량이 하강기의 유량보다 작은, 고리 경로의 역전 현상을 발견하였다. 이러한 역전현상은 자갈하천의 조도의 변화가 모래하천의 경우와 반대로 발생하는 데 기인하는 것으로 추정한다.
홍수 발생 시 모래하천의 수위-유량 관계가 고리형을 이룬다는 것은 많은 현장 계측을 통해 보고되어 왔다. 또한, 홍수파 해석이나 사련에서 사구로 변동되는 하상해석을 통해 고리형 수위-유량 관계의 원인이 규명되어서 고리의 형태나 진행방향 등에 대해서는 이론적으로도 상당부분 입증되어 있다. 그러나 경사가 급한 자갈 및 암반으로 구성된 산지하천의 경우, 현장유량계측의 어려움과 관측 정확도의 문제로 고리형 수위-유량 관계에 대한 연구가 매우 드물었다. 본 논문은 자갈 및 암반지형의 산지하천인 제주도 한천에서 2011년 태풍 무이파 때 계측한 홍수 유량을 바탕으로 수위-유량 관계를 구축하고, 자갈하천에서 형성되는 고리형 수위-유량곡선을 분석하고자 한다. 유량계측 방식으로는 홍수기에 적합한 비접촉식인 전자파 표면유속계를 사용하여, 홍수의 상승기와 하강기의 유량을 시간 단위로 계측하는 데 성공했다. 계측결과 수위-유량관계에서 뚜렷한 고리 형상을 확인할 수 있었다. 그리고 고리의 이력이 모래하천과 정반대로 동일수위에서 상승기의 유량이 하강기의 유량보다 작은, 고리 경로의 역전 현상을 발견하였다. 이러한 역전현상은 자갈하천의 조도의 변화가 모래하천의 경우와 반대로 발생하는 데 기인하는 것으로 추정한다.
It is well-known that loop effect of the stage-discharge relationship is formulated based on many field observations especially for the sand rivers. Theoretical understandings of the loop effect for the sand rivers have been widely provided, based on the facts that it is driven by the flood wave pro...
It is well-known that loop effect of the stage-discharge relationship is formulated based on many field observations especially for the sand rivers. Theoretical understandings of the loop effect for the sand rivers have been widely provided, based on the facts that it is driven by the flood wave propagation and bed form changes over the given flood period. However, very few theoretical studies or field observations associated with loop-rating curves in the gravel or rock-bed mountain streams have been attempted so far, due particularly to the difficulties in the accurate discharge measurement during the flood in such field conditions. The present paper aims to report a unique loop-rating curve measured at a gravel and rock-bed mountain stream based on the flood discharge observation acquired during the typhoon, Muifa that passed nearby Jeju Island in summer of 2011. As velocity instrumentation, a non-intrusive Surface Velocity Doppler Radar to be suitable for the flood discharge measurement was utilized, and discharges were consecutively measured for every hour. Interestingly, the authors found that the hysteresis of the loop-rating curve was adverse compared to the typical trend of the sand bed streams, which means that the discharge of the rising limb is smaller than the falling limb at the same stage. We carefully speculate that the adverse trend of the loop-rating curve in the gravel bed was caused by the bed resistance change that works differently from the sand bed case.
It is well-known that loop effect of the stage-discharge relationship is formulated based on many field observations especially for the sand rivers. Theoretical understandings of the loop effect for the sand rivers have been widely provided, based on the facts that it is driven by the flood wave propagation and bed form changes over the given flood period. However, very few theoretical studies or field observations associated with loop-rating curves in the gravel or rock-bed mountain streams have been attempted so far, due particularly to the difficulties in the accurate discharge measurement during the flood in such field conditions. The present paper aims to report a unique loop-rating curve measured at a gravel and rock-bed mountain stream based on the flood discharge observation acquired during the typhoon, Muifa that passed nearby Jeju Island in summer of 2011. As velocity instrumentation, a non-intrusive Surface Velocity Doppler Radar to be suitable for the flood discharge measurement was utilized, and discharges were consecutively measured for every hour. Interestingly, the authors found that the hysteresis of the loop-rating curve was adverse compared to the typical trend of the sand bed streams, which means that the discharge of the rising limb is smaller than the falling limb at the same stage. We carefully speculate that the adverse trend of the loop-rating curve in the gravel bed was caused by the bed resistance change that works differently from the sand bed case.
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문제 정의
지금까지 수위-유량관계에서의 고리현상에 대한 해석도 대부분 경사가 완만한 모래 하천의 하상 성질과 관측 자료에 기반하여 적용되어 왔으며, 암반이나 자갈로 구성되고 경사가 상대적으로 급한 산지하천의 경우 그 사례가 보고된 바가 매우 드물다. 본 논문에서는 자갈 및 암반으로 구성된 산지하천 홍수유량을 관측하여 수위-유량관계를 구성하여 자갈 및 암반하상에서 발생하는 고리 특성을 파악하고자 한다.
가설 설정
홍수파에 의한 고리 현상의 해석은 상승기와 하강기의 동일한 수위에서 하상의 형태가 일정하게 유지되어 Manning의 조도계수가 동일하게 유지된다고 가정한다. 그러나 홍수 발생 중 하상의 조도는 변화하여 수위와 유속에 영향을 미친다.
제안 방법
본 논문은 산지하천의 자갈 및 암반 하상에서 홍수유량을 상승기와 하강기에 걸쳐 전자파표면유속계를 통해 관측하여 수위-유량곡선의 고리 현상을 포착하였다. 이전 악천후와 홍수 시 유량의 현장계측의 어려움을 극복하고 횡단면의 여러 지점에서 측정된 평균유속을 활용하여 일반적으로 부자 등을 활용한 한 지점 유속 측정에 기반한 유량계측에 비해 보다 정확한 유량을 산출하였다고 할 수 있다.
본 연구에서는 전자파표면유속계의 수평편각은 0, 수직편각은 약 15도 정도로 하여 1회 유량관측시 횡단면의 5개지점에서 관측하였고, 동시각의 수위와 사전 측정된 단면 자료를 바탕으로 유량을 계산하였다. 이 때 수심평균 유속 환산계수로 0.
제 2동산교에서 유출은 8월 7일 오전 6시 경부터 시작되었으며 약 14시간 정도 지속되었다. 유량은 시간 단위로 관측하였으며, 수위는 교각에 설치된 수위표를 30분 단위로 직접 목측하여 기록하였다.
유속은 교각을 횡단하며 5개의 지점(6 m 간격)에서 교각 직상류의 표면유속을 관측하였다. 표면 유속의 관측은 비접촉식이고 최근에 개발된 전자파표면유속계(Surface Velocity Doppler Radar, MU2720)를 사용하였다(뮤트로닉스, 2010; Fig.
대상 데이터
본 연구에서는 2011년 8월 태풍 무이파 때 제주도의 한천의 홍수 유량을 관측한(Fig. 3c) 결과, 수위-유량관계의 고리 현상을 포착하였다. 제주도를 거쳐 한반도를 통과한 태풍 무이파는 중심기압 965hPa의 강한 중형급 태풍으로 최대풍속이 38 m/s이고, 제주 산간지역의 최고 강우량이 626.
이론/모형
본 연구에서는 전자파표면유속계의 수평편각은 0, 수직편각은 약 15도 정도로 하여 1회 유량관측시 횡단면의 5개지점에서 관측하였고, 동시각의 수위와 사전 측정된 단면 자료를 바탕으로 유량을 계산하였다. 이 때 수심평균 유속 환산계수로 0.85를 사용하였고(Costa et al., 2000), 유량계산방식으로는 중앙단면법(Mid-Section Method; 이종형 등, 2010)을 적용하였다. 수심평균 유속환산계수는 이차류 발생 등 흐름 및 하상의 조건에 따라 변화할 수 있어 유량 산정 결과 영향을 줄 수 있으나(이종석 등, 2002; 노영신, 2005), 본 논문에서 파악하고자 하는 고리형 수위유량관계의 경향을 분석하는 목적에는 영향을 미치지 않는다.
유속은 교각을 횡단하며 5개의 지점(6 m 간격)에서 교각 직상류의 표면유속을 관측하였다. 표면 유속의 관측은 비접촉식이고 최근에 개발된 전자파표면유속계(Surface Velocity Doppler Radar, MU2720)를 사용하였다(뮤트로닉스, 2010; Fig. 3d). 이 장비는 25 GHz의 극초단파를 일정시간 지속적으로 수표면에 방사하고 흐름 표면에서 산란되어 반송되는 신호의 도플러 변위를 측정하여 흐름 방향의 표면 유속을 관측하여 평균유속을 산출한다(Lee and Julien, 2006).
성능/효과
그럼에도 불구하고 자갈하천에서의 고리 경로의 역전은 매우 드문 사례로 보고될 수 있고 향후 관련 사례에 대한 다각도의 논의를 수반할 수 있다고 사료된다. 그리고 본 연구의 결과로부터 산지하천의 홍수유량 관측에 단순한 수위-유량 관계곡선식으로는 상당한 유량계측의 오차를 수반할 수 있음을 시사한다.
본 유량 관측에서 도출된 자갈 및 암반 하천에서 고리 현상의 역전은 지금까지 이러한 조건에서 거의 관측되지 못한 새로운 결과라고 할 수 있으나 전자파표면유속계의 유량관측의 오차, 교량 직하류에 위치한 통제 단면(control section)의 영향, 관측지점 직상류에 위치한 만곡의 효과, 횡단면 하상 조도의 불균일성 등이 일정 정도 본 관측의 결과에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 본고에서 제시한 고리형 수위-유량관계의 역전현상은 향후 유사한 조건에서의 관측결과와 비교 검토되어야 할 것이다.
후속연구
이전 악천후와 홍수 시 유량의 현장계측의 어려움을 극복하고 횡단면의 여러 지점에서 측정된 평균유속을 활용하여 일반적으로 부자 등을 활용한 한 지점 유속 측정에 기반한 유량계측에 비해 보다 정확한 유량을 산출하였다고 할 수 있다. 그러나 전자파표면유속계의 오측에 의한 결과일 가능성도 있어 복수의 관측결과 및 상이한 계측기법을 복합적으로 고려한 추후 검토가 필요하다. 본 논문에서 계측한 자갈하천에서의 고리한 수위-유량 관계의 역전현상은 모래하천의 고리 현상 해석에 일반적으로 적용되는 홍수파에 의한 상승기와 하강기의 마찰경사 변화를 통한 해석으로는 설명되지 않는다.
따라서 본고에서 제시한 고리형 수위-유량관계의 역전현상은 향후 유사한 조건에서의 관측결과와 비교 검토되어야 할 것이다. 그럼에도 불구하고 자갈하천에서의 고리 경로의 역전은 매우 드문 사례로 보고될 수 있고 향후 관련 사례에 대한 다각도의 논의를 수반할 수 있다고 사료된다. 그리고 본 연구의 결과로부터 산지하천의 홍수유량 관측에 단순한 수위-유량 관계곡선식으로는 상당한 유량계측의 오차를 수반할 수 있음을 시사한다.
본 유량 관측에서 도출된 자갈 및 암반 하천에서 고리 현상의 역전은 지금까지 이러한 조건에서 거의 관측되지 못한 새로운 결과라고 할 수 있으나 전자파표면유속계의 유량관측의 오차, 교량 직하류에 위치한 통제 단면(control section)의 영향, 관측지점 직상류에 위치한 만곡의 효과, 횡단면 하상 조도의 불균일성 등이 일정 정도 본 관측의 결과에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 본고에서 제시한 고리형 수위-유량관계의 역전현상은 향후 유사한 조건에서의 관측결과와 비교 검토되어야 할 것이다. 그럼에도 불구하고 자갈하천에서의 고리 경로의 역전은 매우 드문 사례로 보고될 수 있고 향후 관련 사례에 대한 다각도의 논의를 수반할 수 있다고 사료된다.
본 논문에서 계측한 자갈하천에서의 고리한 수위-유량 관계의 역전현상은 모래하천의 고리 현상 해석에 일반적으로 적용되는 홍수파에 의한 상승기와 하강기의 마찰경사 변화를 통한 해석으로는 설명되지 않는다. 이러한 역전현상은 모래하천에서 사련에서 사구로 변화하여 조도가 상승기에서 하강기로 접어들 때 증가하는 현상과 반대의 경우로 오히려 조도가 감소되는 것에 기인한다고 추정할 수 있으나 이 또한 아직 이론 및 실험적으로 밝혀지지 않아 추후 연구가 필요한 부분이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
일반적으로 직접 유량 관측은 무엇에 이용되는가?
수위-유량 관계곡선식은 수위관측만으로 간접적인 유량 산정이 용이하기 때문에 국내외 대부분의 자동유량관측에 활용되고 있다(유량조사사업단, 2009). 일반적으로 직접 유량 관측은 지속적인 유량조사에 활용되기 보다는 해당 지점의 수위별 유량을 선별적으로 관측하여 수위유량관계식을 구축하는 데 이용된다. 재래식의 프로펠러 유속계나 봉부자, 그리고 최근에 이용범위가 확대되고 있는 ADCP, 전자파표면유속계가 직접유량 관측에 활용되고 있다(Muste 등, 2007).
직접 유량 관측에 활용되는 기구는 무엇인가?
일반적으로 직접 유량 관측은 지속적인 유량조사에 활용되기 보다는 해당 지점의 수위별 유량을 선별적으로 관측하여 수위유량관계식을 구축하는 데 이용된다. 재래식의 프로펠러 유속계나 봉부자, 그리고 최근에 이용범위가 확대되고 있는 ADCP, 전자파표면유속계가 직접유량 관측에 활용되고 있다(Muste 등, 2007). 최근에는 직접관측에 의한 실시간 유량관측은 표면영상유속계를 활용하여 실시되고 있다(Fujita 등, 1998; 노영신, 2005; Hauet 등, 2008; Muste 등, 2011).
수위-유량 관계곡선식이 대부분의 자동유량관측에 활용되는 이유는 무엇인가?
수위-유량 관계곡선식은 수위관측만으로 간접적인 유량 산정이 용이하기 때문에 국내외 대부분의 자동유량관측에 활용되고 있다(유량조사사업단, 2009). 일반적으로 직접 유량 관측은 지속적인 유량조사에 활용되기 보다는 해당 지점의 수위별 유량을 선별적으로 관측하여 수위유량관계식을 구축하는 데 이용된다.
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