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문제 정의
- 유량지속시간(flow duration)과 모의시간간격이 모의결과에 미치는 영향을 검토하였다. 장기하상변동을 모의하는 경우에는 일유량을 주로 사용하므로 유량지속시간과 모의시간간격으로 24시간을 사용하는 경우가 많다.
- 이상의 연구는 HEC-6 또는 HEC-RAS 하상변동모형을 하천에 적용하여 하천 종단고의 장기변동 양상에 주안점을 둔 연구이다.
가설 설정
- 이에 본 연구에서는 일최대유량이 150일 동안 지속적으로 유입하는 경우를 가정하고, Table 4와 같은 유량지속시간과 모의시간간격에 대해 각기 하상변동을 해석하였다.
제안 방법
- 그리고 유사량공식, 조도계수, 유사의 입경, 계산격자 등이 모의결과에 미치는 민감도를 평가하였다.
- 1) 민감도분석을 통해 본 연구에서는 유사량공식으로 Engelund & Hansen공식을 유량지속시간과 모의시간간격으로 각각 24시간과 12시간을 사용하였다.
- 2) 중소규모의 수력발전 전용댐에 고농도의 유사가 유입하는 경우에 대하여 유사의 입도분포를 고려한 저수지 퇴사현상을 모의하였다. 모의결과, 시간의 진행에 따라 삼각주는 하류방향으로 점차 확장하는 등 전형적인 저수지에서의 퇴사 양상을 잘 재현하였으며, 저수지에 유입되는 유사 중 점토는 저수지에 퇴사되지 않고 거의 그대로 유출되며 실트와 모래는 첫해에는 높은 저수지 포착률을 보이나 저수지의 용적이 점차 줄면서 해가 갈수록 포착률이 감소하는 결과를 보이는 등 유사의 입도별 년간 저수지 포착률을 합리적으로 예측할 수 있었다.
- 그 이유는 일최대유량 496 m3/s에 대해 TCase 2(유량지속시간은 24시간, 모의시간간격은 12시간)의 경우 수치적으로 안정한 결과를 보이므로, 유량지속시간은 모든 유량에 대해 24시간을 사용하였으며 모의시간간격은 300 m3/s에 대한 부유사의 양(52,000 ton/day)이 일최대유량에 대한 부유사의 양(약 220,000 ton/day)에 비해 약 1/4정도에 불과하므로 300 m3/s를 기준으로 그 이상에서는 12시간 그 이하에서는 24시간을 사용하였다.
- 본 연구에서는 HEC-RAS의 하상변동모형을 이용하여 고농도의 유사가 중소규모의 저수지에 유입하여 삼각주를 형성하는 과정을 유사의 입도분포를 고려하여 해석하였으며, 저수지에 형성된 삼각주의 시공간적인 분포 및 삼각주의 각 위치별 퇴적된 유사의 입도를 분석하였다.
- 본 연구에서는 Woo (2002)의 저수지 퇴적토 단위중량을 참조하고 HEC-RAS에서 기본으로 제공하는 값을 검토하여, 모래 실트 점토의 퇴사 단위중량으로 각각 1,489 kg/m3, 1,041 kg/m3, 480 kg/m3을 이용하였으며 유사의 비중은 2.65를 이용하였다.
- 본 연구에서는 위 실험을 재현하기 위하여 단면간의 거리를 0.5 m로 일정하게 하여 61개의 단면으로 지형을 구성하였다. 실험수로의 조도계수는 매끄러운 실험수로에 입자가 작은 모래하상인 점을 감안하여 0.
- 본 연구에서는 준정류모형인 HEC-RAS(버전 4.1)의 하상변동모형을 이용하여, 부유사 및 하상토 입도분포를 고려한 저수지 퇴사의 장기모의를 수행하였다.
- 본 연구에서는 특히 저수지의 저수용량에 비해 상류에서 공급되는 부유사의 양이 많은 경우에 대해 저수지에 삼각주가 형성되는 과정을 유사의 입도분포를 고려하여 해석하였으며, 저수지에 형성된 삼각주의 시공간적인 분포 및 삼각주의 각 위치별 퇴적된 유사의 입도를 분석하였다.
- 수온은 15°C를 사용하였으며 모의시간간격은 테스트를 거쳐 모의결과에 영향을 미치지 않도록 1/1,000 시간을 사용하였다.
- 실험수로는 길이가 30 m, 폭이 0.2 m, 높이가 0.5 m이며, 주어진 유량과 수로경사에 대해 등류 흐름을 유도하고, 유사를 공급하며 하상이 더 이상 변하지 않는 평형상태를 유도한 다음에 공급 유사량을 증가시키는 방법으로 퇴사를 유도하였다.
- 이를 위해 먼저 기존 수리실험(Soni et al., 1980)과 본 연구의 모의결과를 비교함으로써 본 모형의 적용성을 검증하였다.
- 이상에서 검토한결과를 바탕으로 유사량공식은 Engelund& Hansen 공식, 모의시간간격은 유량 300 m3/s를 기준으로 그 이하에서는 24시간 그 이상에서는 12시간, Manning의 조도계수는 0.045를 적용하여 저수지의 퇴사거동을 모의하였다.
- 이에 본 연구에서는 영국단위계를 이용하여 자료를 입력 및 해석을 수행하고 해석결과는 다시 SI단위계로 환산하여 제시하였다.
- 수력발전용 댐이 설치되어 저수지가 형성되면 상시만 수위를 기준으로 이의 영향을 받는 상류구간은 약 5 km에 이른다. 이에 본 연구에서는 저수지의 배수위 영향 범위를 벗어나도록 댐에서 상류 7 km 구간에 대해 모의하였으며, 200 m 간격의 횡단측량 성과를 이용하여 모형을 구성하였다. Fig.
대상 데이터
- 5의 일유량을 이용하였으며 하류의 수위는 상시만수위인 El. 765m를 이용하였다. 상류에서 유입하는 부유사의 부하량은 Eq.
- , 1980)과 본 연구의 모의결과를 비교함으로써 본 모형의 적용성을 검증하였다. 그리고 현재 설계와 시공이 진행 중에 있는 중소규모의 수력발전 전용댐인 파키스탄의 파트린드댐을 대상으로 저수지 퇴사현상을 모의하였다.
- 본 연구의 대상지역은 국내에서 설계 중이며, 현지에서 시공이 진행되고 있는 파키스탄 북동부에 위치한 유역변경식 수력발전용 댐과 이로 인해 조성되는 저수지이다.
이론/모형
- HEC-RAS의 적용성을 검토하기 위하여 Soni et al. (1980)의 퇴사와 관련된 수리실험에 적용하였다. Soni et al.
- 본 연구에서는 미공병단에서 개발한 HEC-RAS에 탑재된 하상변동모형을 이용하였다. 본 모형에서는 흐름모형(flow model)으로 1차원 정상부등류 모형을 사용하나, 수문곡선을 잘게 나누어 실행할 수 있기 때문에 준정류모형으로 분류할 수 있다.
- 수온은 Table 2의 월평균수온을 사용하였으며 유사의 침강속도는 Rubey공식(Woo, 2002)을 이용하였다.
- 유사의 침강속도는 Rubey공식(Woo, 2002)을 이용하였으며, 유사량 산정공식으로는 기존 연구(Ahn et al., 2010, 2012)에서 그 적용성이 입증된 Laursen 공식과 하천에서의 장기하상변동에 널리 사용(Ahn et al., 2002; Ji et al., 2009)되고 있는 Ackers & White 공식 그리고 유사량공식 평가(Yu and Woo, 1990)에서 그 결과가 우수한 것으로 평가된 Engelund & Hansen 공식을 이용하였다.
- 이들은 총유사량 산정공식으로 Ackers & White (1973)공식을 이용하였으며, 댐 건설로 인한 하상변동의 영향은 크지 않은 것으로 평가하였다.
- 이러한 결과를 바탕으로 이후 분석에서는 Engelund & Hansen 공식을 유사량공식으로 사용하고, 유량지속시간은 24시간, 모의시간간격은 유량 300 m3/s를 기준으로 그 이하에서는 24시간을 그 이상에서는 12시간을 사용하였다.
- 하상변동모형으로는 잘 알려진 Exner 방정식을 이용하며, 흐름모형과 하상변동모형의 계산은 별도로 수행되는 비조합(uncoupled) 모형이다.
성능/효과
- (a)는 실트의 경우로 1년차에는 댐을 기준으로 상류 약 1,000∼3,000 m 구간에서 대부분 퇴사되고 있음을 확인할 수 있다.
- 3) 저수지에 형성되는 삼각주의 기본적인 형태뿐만 아니라, 특정위치에서 특정시기에 어떤 입도의 유사가 주로 퇴적되는지를 합리적으로 예측할 수 있었다. 이러한 분석은 유사의 포착률과 퇴적양상의 분석과 함께 수자원관련 시설물의 계획 및 유지관리에 유용한 정보를 제공해 줄 수 있을 것으로 판단된다.
- 1) 민감도분석을 통해 본 연구에서는 유사량공식으로 Engelund & Hansen공식을 유량지속시간과 모의시간간격으로 각각 24시간과 12시간을 사용하였다. 그리고 본 연구의 모의조건에서 Manning의 조도계수가 유사의 년간 저수지 포착률에 미치는 영향은 미미한 것으로 분석되었다.
- 모의결과, 시간의 진행에 따라 삼각주는 하류방향으로 점차 확장하는 등 전형적인 저수지에서의 퇴사 양상을 잘 재현하였으며, 저수지에 유입되는 유사 중 점토는 저수지에 퇴사되지 않고 거의 그대로 유출되며 실트와 모래는 첫해에는 높은 저수지 포착률을 보이나 저수지의 용적이 점차 줄면서 해가 갈수록 포착률이 감소하는 결과를 보이는 등 유사의 입도별 년간 저수지 포착률을 합리적으로 예측할 수 있었다.
- 이들은 실험실수로, 인공수로(운하), 자연하천에서 각기 HEC- 6모형을 적용하였으며 측정결과와 비교하여 만족할 만한 모의결과를 얻을 수 있었으며, 결론적으로 모래하상 뿐 아니라 자갈하상에 대해서도 HEC-6모형을 적용할 수 있음을 보였다.
- HEC-RAS에서 제공하는 유사량 산정공식은 Ackers & White, Engelund & Hansen, Laursen (modified by Copeland and Thomas, 1989, 이하 Laursen 공식으로 칭함), Meyer-Peter Muller, Toffaleti, Yang, Wilcock과 같은 7가지 공식을 제공하고 있다(Brunner, 2010). 현재 HEC-RAS의 하상변동모형에서는 SI단위계를 이용한 자료입력을 지원하고 있으나, 본 연구과정에서의 검토결과 영국단위계와의 단위환산에 문제가 있는 것으로 확인되었다. 이에 본 연구에서는 영국단위계를 이용하여 자료를 입력 및 해석을 수행하고 해석결과는 다시 SI단위계로 환산하여 제시하였다.
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