주운수로 홍수기 수위 산정을 위하여 미 공병단에서 개발한 HEC-RAS 모형을 적용하였다. 아라뱃길은 다양한 수리구조물의 조작을 통하여 선박운항 및 홍수처리가 이루어지며 유입홍수, 한강수위, 그리고 서해조위 변동과 연계하여 귤현보, 서해배수문, 체절수문, 그리고 배수펌프장등의 대표적인 구조물 운영을 지원할 수 있는 홍수위 계산모형이 필요하다. 특히 서해배수문의 개도를 결정하기 위하여 외조위와 내수위 변동을 동시에 고려한 수문운영이 필요하여 HEC-RAS의 Rule-script 기능을 적용하여 이러한 특성을 반영하였다. 모형의 검보정을 위하여 2010년 9월 홍수사상을 적용하였으며 모형으로부터 계산된 수위값과 관측된 수위값이 서로 잘 일치함을 확인하였다. 본 연구에서 구축된 HEC-RAS모형은 홍수기 주운수로 운영에 기여할 것으로 판단된다.
주운수로 홍수기 수위 산정을 위하여 미 공병단에서 개발한 HEC-RAS 모형을 적용하였다. 아라뱃길은 다양한 수리구조물의 조작을 통하여 선박운항 및 홍수처리가 이루어지며 유입홍수, 한강수위, 그리고 서해조위 변동과 연계하여 귤현보, 서해배수문, 체절수문, 그리고 배수펌프장등의 대표적인 구조물 운영을 지원할 수 있는 홍수위 계산모형이 필요하다. 특히 서해배수문의 개도를 결정하기 위하여 외조위와 내수위 변동을 동시에 고려한 수문운영이 필요하여 HEC-RAS의 Rule-script 기능을 적용하여 이러한 특성을 반영하였다. 모형의 검보정을 위하여 2010년 9월 홍수사상을 적용하였으며 모형으로부터 계산된 수위값과 관측된 수위값이 서로 잘 일치함을 확인하였다. 본 연구에서 구축된 HEC-RAS모형은 홍수기 주운수로 운영에 기여할 것으로 판단된다.
HEC-RAS has been applied to simulate water level variation in the Ara waterway during the flood season. To support decision making necessary for operation of the hydraulic structures especially during the flood season, it is important to consider various factors such as water level of the Han River,...
HEC-RAS has been applied to simulate water level variation in the Ara waterway during the flood season. To support decision making necessary for operation of the hydraulic structures especially during the flood season, it is important to consider various factors such as water level of the Han River, Gulpo River, and tidal level of the west sea in conjunction with operation of the hydraulic structures such as the Gyulhyun Weir, the West sea gate, and pumping stations. Especially for operation of the west sea gate, the Rule-script option was employed to determine the opening height considering the variation of the water level in the waterway and the west sea simultaneously. For model verification, comparison of water level computed at the upstream and downstream of the regulation weir shows a good agreement with observed data measured during the flood event in September 2010. The HEC-RAS model developed in this study will contribute to support operation of the waterway during the flood season.
HEC-RAS has been applied to simulate water level variation in the Ara waterway during the flood season. To support decision making necessary for operation of the hydraulic structures especially during the flood season, it is important to consider various factors such as water level of the Han River, Gulpo River, and tidal level of the west sea in conjunction with operation of the hydraulic structures such as the Gyulhyun Weir, the West sea gate, and pumping stations. Especially for operation of the west sea gate, the Rule-script option was employed to determine the opening height considering the variation of the water level in the waterway and the west sea simultaneously. For model verification, comparison of water level computed at the upstream and downstream of the regulation weir shows a good agreement with observed data measured during the flood event in September 2010. The HEC-RAS model developed in this study will contribute to support operation of the waterway during the flood season.
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문제 정의
모형의 검보정은 구축된 모형의 신뢰도 확보를 위하여 반드시 필요하다(Chow, 1959). 본 연구에서는 2010년 9월 21일부터 24일에 걸쳐 수도권 지역에서 발생한 강우사상을 적용하여 구축된 모형의 적용성을 검토하였다. 당시 수도권 지역에는 시간당 최대 100 mm에 달하는 폭우가 쏟아져 1만명이 넘는 이재민이 발생하였고 21일 첫날 하루에만 서울 대부분의 지역에서 200 mm가 넘는 강우량을 기록하였으며 경기지역은 시간당 최고 98 mm에 달하여 2,777가구가 침수되는 피해를 입었다.
본 연구에서는 HEC-RAS를 이용하여 홍수기 주운수로 운영에 대한 의사결정을 지원할 수 있는 홍수위 산정모형을 구축하였다. 주운수로의 대표적인 수리구조물로는 홍수배제를 위한 서해 배수문을 비롯, 굴포천에서 발생한 홍수를 주운수로측 유입을 담당하는 귤현보와 체절수문, 이설수로를 통해서 한강측 홍수배제를 위하여 펌프장, 등의 다양한 시설물이 존재하며 이들 수리구조물의 운영과 연계한 홍수위 산정모형이 필요하다.
본 연구에서는 홍수기 뱃길운영에 필요한 수리구조물 운영에 대한 의사결정을 지원하고자 아라뱃길 주운수로를 대상으로 홍수위 산정모형을 구축하였다. 홍수조절을 위한 다양한 수리구조물 운영을 고려한 경계조건을 적용하여 홍수기 실질적인 뱃길 운영에 대한 적용성을 높였으며 모형의 검보정을 통하여 구축된 모형의 타당성에 대하여 검토하였다.
가설 설정
굴포천유역에서 발생한 홍수는 귤현보가 도복되어 전량 아라뱃길로 유입되며 서해배수문의 수문 개폐를 통하여 서해측으로 배제된다. 따라서 Fig. 5와 같이 배수문을 경계로 상류단을 주운수로 측으로, 하류단을 서해측으로 가정하고 상하류단 수위비교를 통해서 상류단 수위가 하류보다 클 때에만 수문을 개방하여 홍수배제를 수행한다. 반면 하류단 조위가 상류단 수위를 초과할 시에는 배수문을 폐쇄하여 해수유입으로 인한 수위상승을 방지해야 한다.
제안 방법
1) 아라뱃길은 굴포천 유역에서 상습적으로 발생하는 홍수피해 방지를 위하여 건설되었으며 본 논문은 홍수유입에 따른 주운수로 내 홍수위 계산에 적합한 모형을 선정하기 위하여 대표적인 홍수추적 모형인 FLDWAV와 HEC-RAS를 적용하여 지점별 수위변동 및 유량변화를 상호 비교하였다. 두 모형은 입력자료 구축, 특히 하도단면 구성방식에 차이가 있으나 동일한 경계조건하에서의 모의결과는 매우 유사한 것으로 분석되었다.
이러한 이원적인 홍수처리를 위한 대표적인 수리구조물로는 천변저류지, 귤현보, 체절수문, 신곡 펌프장 등이 있으며 이들은 홍수발생시 수위상승을 기준으로 운영된다. HEC-RAS모형은 구조물 운영을 반영하기에 매우 효율적이며 Lateral 혹은 Inline structure의 형식으로 이들 구조물의 형상을 반영하였고 경계조건의 형식으로 특정수위에 도달 시 이들 구조물의 수문개폐가 가능하도록 모형을 구성하였다.
HEC-RAS에서는 수리구조물의 수문운영을 고려하기 위해서 Time Series Gate Openings, Elev Controlled Gates, Navigation Dams, Rules의 4가지 방법으로 구성할 수 있으며 본 연구에서는 Elev Controlled Gates와 Rules 두 가지 옵션을 적용하여 모형을 구성하였다. Elev Controlled Gates 옵션에서는 수리구조물 상하류단 특정단면에서의 수위변화를 기준으로 수문개폐를 설정하는 방식이며 Rules는 특정구조물의 특성에 가장 적합하도록 Script 형식으로 수문운영방식을 작성하여 적용하는 방법이다.
아라뱃길 주운수로를 대상으로 대표적인 1차원 하천수리 해석모형인 HEC-RAS와 FLDWAV, 두 모형에 대한 적용성을 검토하였다. 모형의 상호비교를 위하여 주운수로와 주운수로로 유입되는 굴포천만을 고려하여 주운수로의 경우 200 m로, 그리고 굴포천의 경우 300 m로 동일한 조건으로 단면간격을 적용하여 구성하였다. HEC-RAS에서는 실측된 단면자료를 활용할 수 있는 반면, FLDWAV는 좌위 대칭의 정형적인 하도단면이 요구되어 수심-하폭에 대한 관계를 설정해 주는 부가적인 작업이 필요하다.
상류단 경계조건으로 설계시 고려된 100년 빈도 유량 조건을, 하류단 경계조건으로 서해측 조위조건을 적용하였다. 주운수로 상류, 중류, 및 하류측 대표단면에 대하여 각 모형별로 산정된 수위, 및 유량에 대한 모의결과를 Fig.
귤현보를 지나 Gulpo 2로 유입된 홍수의 경우 2개소의 천변저류지를 경유해서 주운수로 측으로 유입되어 서해측으로 배제되며 Gupo3로 유입된 경우에는 주운수로 하단에 설치된 잠관(Underpass Culvert)를 경유하여 이설수로를 통하여 신곡 및 굴포 펌프장을 통하여 한강쪽으로 배제된다. 설계시 적용된 100년 빈도 강우량을 기준으로 각 소유역에서 발생한 유량을 해당 소유역 및 단면별로 수문곡선과 함께 제시하였으며 최하류단 경계조건으로는 서해측 조위조건을 적용하였다. 홍수규모에 따른 구조물 조작은 구조물 직상류단 단면의 수위조건을 토대로 이들 구조물에 설치된 수문(Gate) 개폐를 통하여 이루어진다.
아라뱃길 주운수로를 대상으로 대표적인 1차원 하천수리 해석모형인 HEC-RAS와 FLDWAV, 두 모형에 대한 적용성을 검토하였다. 모형의 상호비교를 위하여 주운수로와 주운수로로 유입되는 굴포천만을 고려하여 주운수로의 경우 200 m로, 그리고 굴포천의 경우 300 m로 동일한 조건으로 단면간격을 적용하여 구성하였다.
홍수규모에 따른 구조물 조작은 구조물 직상류단 단면의 수위조건을 토대로 이들 구조물에 설치된 수문(Gate) 개폐를 통하여 이루어진다. 이러한 수리구조물은 HEC-RAS모형에서 Inline structure, 혹은 Lateral structure의 수문조작 옵션을 사용하여 설정할 수 있으며 최하류단 서해배수문의 경우, Rule script 옵션을 적용해서 서해측 외조위와 주운수로측 내수위를 상호 비교하여 자동적으로 수문개폐를 조작할 수 있도록 하였다.
반면 하류단 조위가 상류단 수위를 초과할 시에는 배수문을 폐쇄하여 해수유입으로 인한 수위상승을 방지해야 한다. 이를 감안한 배수문 운영을 위해서 Rule-script 기능을 적용하여 주운수로 하류단 경계조건을 구성하였다.
특히 서해 배수문의 경우 홍수유입에 따른 주운수로 내 수위변동과 서해측 외조위를 동시에 고려한 수문개폐를 통하여 홍수배제가 이루어져야 한다. 이를 위하여 수리구조물의 운영을 고려한 경계조건을 구성하고 실제 강우사상을 적용하여 구축된 모형의 안정성과 신뢰도를 검토하였다. 본 연구를 통해서 개발된 주운수로 수리해석모형은 향후 아라뱃길의 홍수관리에 필요한 의사결정을 지원하고 이를 기반으로 아라뱃길의 효율적인 운영에 기여할 것으로 판단된다.
5 mm로 21일 하루에만 222 mm의 강우가 발생하였다. 이에 실제 강우사상을 적용하여 HEC-HMS (Hydrology Engineering Center, 2010b)를 이용해 굴포천 유역에서 발생한 홍수 유출량을 계산하고 굴포천을 통하여 주운수로로 유입되는 수문곡선을 Fig. 8에 나타내었다.
Table 1에 굴포천 분기지점에서의 귤현보 및 체절수문의 제원과 수문조작방안을 제시하였다. 적용된 경계조건으로는 앞에서 설명한 Elevation Controlled Gate 조건을 적용하였으며 주운수로 유입하천 및 이설수로에 설치된 두 구조물 모두 주운수로로 유입되는 하천의 귤현보 직상류단 수위가 특정수위에 도달하였을 때를 기준으로 0.3 m/min로 개방 혹은 폐쇄되도록 설정하였다.
본 연구에서는 홍수기 뱃길운영에 필요한 수리구조물 운영에 대한 의사결정을 지원하고자 아라뱃길 주운수로를 대상으로 홍수위 산정모형을 구축하였다. 홍수조절을 위한 다양한 수리구조물 운영을 고려한 경계조건을 적용하여 홍수기 실질적인 뱃길 운영에 대한 적용성을 높였으며 모형의 검보정을 통하여 구축된 모형의 타당성에 대하여 검토하였다. 본 연구에서 도출된 결과를 요약하면 다음과 같다.
대상 데이터
7 m 수위에서 도복되고 굴포천 유역에서 발생한 홍수는 전량 주운수로로 유입되는 것으로 설정하였고 서해배수문은 홍수배제를 위하여 조위변동을 고려하여 운영되었다. 구축된 모형에 대한 적용성을 평가하기 위하여 관측수위 자료가 존재하는 귤현보 상하류단 20 m 지점을 대상으로 모의값과 실측값을 비교한 결과를 Fig. 9와 Table 2에 제시하였다. 보 상하류 지점에서 RMSE는 각각 0.
먼저 귤현보의 경우, 굴포천 분기지점을 지나 Gulpo 2 주운수로 유입하천에 설치되어 고무보의 형식을 취하며 평상시 기립되어 한강측 홍수배제를 유도하고 보 상류단 수위가 일정수위에 도달하는 홍수발생시 도복되어 굴포천에서 발생한 홍수는 주운수로를 통하여 서해측으로 유도, 홍수배제를 담당한다. 도복과 기립이 반복되는 고무보의 형상을 표현하기 위하여 Gate 옵션을 사용하여 중앙부 지지대를 중심으로 폭 45, 높이 1.5 m를 가지는 2개의 수문으로 구성하였고 웨어계수는 1.67로 설정해 주었다. 한편 Gulpo 3에 위치한 체절수문의 경우 4련의 수문으로 구성되어 있으며 귤현보 기립시 개방되어 한강측 홍수배제를 유도하고 도복시 폐쇄되어 주운수로측 홍수배제를 유도한다.
이론/모형
한편 FLDWAV 모형은 잠실 혹은 신곡수중보와 같은 가동보에 대한 흐름해석이 불가능하여 전경수 등(2007)은 이를 수정하여 한강 본류의 흐름해석에 적용하였다. FLDWAV 및 HEC-RAS는 다음과 같은 Saint-Venant 방정식을 유한차분법을 적용하여 풀이한다.
성능/효과
3) 아라뱃길의 홍수배제를 담당하는 서해배수문은 서해측 조위와 주운수로 내수위를 상호 비교하여 서해측조위가 내수위보다 낮을 때 배수문을 개도하여 홍수 배제를 유도하고 반대의 경우에는 배수문을 폐쇄함으로써 해수유입에 따른 내수위 상승을 방지할 수 있어야 한다. 이러한 배수문 운영은 HEC-RAS의 Rulescript 옵션을 적용하여 구성하였으며 본 연구를 통해서 소개된 Rule-script 기능은 최적화된 수리구조물의 운영을 고려할 수 있어 가동보 운영 등 그 적용범위가 매우 높을 것으로 예상된다.
4) 모형의 검보정을 위하여 2010년 9월 강우사상에 대하여 실측된 수위와 계산된 수위가 서로 잘 일치함을 알 수 있었다. 본 연구를 통하여 구축된 홍수관리시스템을 바탕으로 홍수기 주운수로 운영, 및 관리가 가능하며 홍수기 의사결정 지원시스템으로써의 활용도가 높을 것으로 기대된다.
두 모형 모두 동일한 지배방정식을 풀이하여 매우 유사한 모의결과를 보였으나 HEC-RAS로부터 계산된 모의결과에서 다소 진동이 발생한 반면 FLDWAV의 경우, 비교적 안정적인 결과값을 얻을 수 있었다.
후속연구
4) 모형의 검보정을 위하여 2010년 9월 강우사상에 대하여 실측된 수위와 계산된 수위가 서로 잘 일치함을 알 수 있었다. 본 연구를 통하여 구축된 홍수관리시스템을 바탕으로 홍수기 주운수로 운영, 및 관리가 가능하며 홍수기 의사결정 지원시스템으로써의 활용도가 높을 것으로 기대된다.
이를 위하여 수리구조물의 운영을 고려한 경계조건을 구성하고 실제 강우사상을 적용하여 구축된 모형의 안정성과 신뢰도를 검토하였다. 본 연구를 통해서 개발된 주운수로 수리해석모형은 향후 아라뱃길의 홍수관리에 필요한 의사결정을 지원하고 이를 기반으로 아라뱃길의 효율적인 운영에 기여할 것으로 판단된다.
3) 아라뱃길의 홍수배제를 담당하는 서해배수문은 서해측 조위와 주운수로 내수위를 상호 비교하여 서해측조위가 내수위보다 낮을 때 배수문을 개도하여 홍수 배제를 유도하고 반대의 경우에는 배수문을 폐쇄함으로써 해수유입에 따른 내수위 상승을 방지할 수 있어야 한다. 이러한 배수문 운영은 HEC-RAS의 Rulescript 옵션을 적용하여 구성하였으며 본 연구를 통해서 소개된 Rule-script 기능은 최적화된 수리구조물의 운영을 고려할 수 있어 가동보 운영 등 그 적용범위가 매우 높을 것으로 예상된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
아라뱃길 사업의 주요 목적은 무엇인가?
아라뱃길 사업의 주요 목적은 굴포천 유역의 근원적인 홍수피해를 경감시키고 내륙주운을 통한 물류 수송체계를 개선함과 동시에 관광, 문화, 레저를 통한 녹생성장을 기반으로 지역경제 및 국가경제에 기여하기 위함이다. 아라뱃길 유역은 행정구역상으로는 인천시, 김포시, 부천시 그리고 서울특별시를 포함하고 있어 총 유역면적은 약 160 km2에 달하며 이 중 134 km2가 굴포천 유역에 해당되며 약 150만의 인구가 거주하고 있는 것으로 집계되었다.
아라뱃길 유역은 행정구역상으로 어디를 포함하고 있는가?
아라뱃길 사업의 주요 목적은 굴포천 유역의 근원적인 홍수피해를 경감시키고 내륙주운을 통한 물류 수송체계를 개선함과 동시에 관광, 문화, 레저를 통한 녹생성장을 기반으로 지역경제 및 국가경제에 기여하기 위함이다. 아라뱃길 유역은 행정구역상으로는 인천시, 김포시, 부천시 그리고 서울특별시를 포함하고 있어 총 유역면적은 약 160 km2에 달하며 이 중 134 km2가 굴포천 유역에 해당되며 약 150만의 인구가 거주하고 있는 것으로 집계되었다. 굴포천 유역의 40%는 한강 홍수위보다 낮아 외수에 의한 내수배제가 불량하고 도시화로 인한 유출량의 증가로 상습 홍수피해 발생지역으로 분류되었다.
상습 홍수피해 발생지역인 굴포천의 방수사업은 2009년 어디서 착공되었는가?
이와 관련 외수에 관계없이 홍수를 안정적으로 처리할 수 있는 근본적인 치수대책의 필요성이 대두됨에 따라 90년대 초 굴포천 방수로 사업이 시작되었다. 초기에는 저폭 20 m의 방수로 굴착이 진행되었으나 90년대 후반 수도권 물동량이 급격하게 증가하는 사회적 요구에 의하여 경인운하 건설사업으로 확대하고자 하는 계획에 따라 저폭 80 m의 방수로 확장계획이 검토되었고 2009년부터 한강과 서해를 연결하는 경인아라뱃길 시설공사에 착공하기에 이르렀다.
참고문헌 (14)
김극수, 김지성, 김원 (2011). "1차원 수치모형의 가변 계산 거리간격 추정 기법." 한국수자원학회논문집, 한국수자원학회, 제44권, 제5호, pp. 363-376.
Casterllarin, A., Di Baldassarre, G., and Bates, P.D. (2009). "Optimal cross-sectional spacing in Preissmann scheme 1D hydrodynamic models." Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 135, No. 2, pp. 96-105.
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