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문제 정의
- 본 연구에서는 4대강살리기사업을 통해 변화된 하도지형 및 수리구조물 운영에 의한 영향을 검토하기 위해 창녕함안보를 대상으로 CCHE2D 모형을 구축하고 2003년 태풍 “매미” 사상을 적용하여 유사 이송 및 하상거동 특성을 분석하였다.
제안 방법
- 본 연구에서 구축한 모형의 상류 유입지점의 유사량 입력은 Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs (2004)에서 수행한 낙동강 유역조사 보고서에서 제시되어 있는 Eq. (1)과 같은 진동수위관측소 지점의 유량-유사량 곡선식을 적용하였으며, 소류사의 경우, 부유사의 20%를 적용하였다(Fig. 3(b)).
- (2007)은 Alpine 자갈하천을 대상으로 하도복원에 따른 변화를 평가하기 위해 1차원, 2차원 그리고 3차원 수치모형을이용하여분석하는기법을제안하였다. 2차원수치모형으로 CCHE2D 모형을 채택하여 유속, 유량, 수위, 전단 응력에 대한 분석을 수행하였다. Nassar (2011)는 Nile 강을 대상으로 CCHE2D 모형을 이용하여 하도흐름 해석을 위한 다중 매개변수 민감도 분석 기법을 제안한 바 있다.
- 따라서 Ahn and Lyu (2012)이 개발한 시스템을 개선하고 기존에 구축·운영중인 COSFIM, FLDWAV와 CCHE2D 모형의 연계를 통해 모형들을 통합 시스템화하여 하천내 주요 관심구간을 중심으로 다차원 수리분석 및 하상변동·유사거동 분석을 수행하고, 하천의 공간적 지형특성 변화를 평가하였다.
- (2012)은 하천 횡방향 격자 해상도 산정 기법을 제시한 바 있다. 따라서 본 연구에서는 CCHE2D(Jia and Wang, 2001) 모형을 이용하여 하천종방향으로 20m 간격의 지형자료로 3차원 지형을 구축하고 모형 구축을 위한 격자해상도는 횡방향 30개를 채택하였다. 종방향20m간격의 지형자료는Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs(2009b)에서 수립한 낙동강 23공구 창녕함안보 실시설계보고서에 제시되어 있는 하천 수심측량자료를 활용하였다.
- 하지만, CCHE2D 모형의 조도계수 값은 사행에 의한 저항을 식에 포함하고 있지는 않지만 하상재질, 식생, 격자해상도 등에 영향을 받는 복합조도계수이다. 따라서 시행착오법으로 모형 보정을 수행하고 조도계수 값을 결정하였다. 본 연구에서는 조도계수 민감도 분석을 수행하기 위해 2003년 9월 8일부터 2003년 9월 19일까지 태풍“매미”사상을 대상으로 조도계수를 0.
- 본 연구에서는EFDC 모형을 CCHE2D 모형 양식으로 변환하는 모듈을 개발하여 Ahn and Lyu (2012)에 의해 기 개발된 시스템에 추가하였으며, 창녕함안보를 대상으로 구축된 EFDC 모형을 CCHE2D 모형으로 변환하였다. 모듈을 활용하여 EFDC 모형을 CCHE2D 모형으로 변환할 경우 기 구축된 시스템을 활용 연계하여 공간단위 수리특성분석을 수행할 수 있도록 하였다. 다기능보의 구축현황은 Fig.
- 본 연구에서는 조도계수 민감도 분석을 수행하기 위해 2003년 9월 8일부터 2003년 9월 19일까지 태풍“매미”사상을 대상으로 조도계수를 0.01에서 0.035까지 0.05씩 증가시켜 FLDWAV 모의 결과와 CCHE2D 모의 결과를 비교하였다.
- 따라서 매미 사상을 채택하였다. 본 연구에서는EFDC 모형을 CCHE2D 모형 양식으로 변환하는 모듈을 개발하여 Ahn and Lyu (2012)에 의해 기 개발된 시스템에 추가하였으며, 창녕함안보를 대상으로 구축된 EFDC 모형을 CCHE2D 모형으로 변환하였다. 모듈을 활용하여 EFDC 모형을 CCHE2D 모형으로 변환할 경우 기 구축된 시스템을 활용 연계하여 공간단위 수리특성분석을 수행할 수 있도록 하였다.
- 임계유속 이하에서는 퇴적이 진행되는 것으로 나타났다. 수위가 상승하는 구간에서 유속이 빨라져 세굴이 진행되었고, 수위가 첨두가 되었을 때 유속이 느려지면서 퇴적이 진행되었으며, 수위가 하강하면서 유속이 다시 상승하여 세굴이 진행되었다. 일반적으로 하도에서의 수리구조물 주변에서 발생하는 세굴조건은 유속의 증가에 의해서 발생하는 소용돌이에 의한 것이다(Richardson and Davis, 2001).
- 연계기법 및 연계시스템 모식도에 대한 자세한 내용은 Ahn et al. (2013), Ahn and Lyu (2012)이 제안한 것으로 대체한다.
- 33mm로 제시되어 있기 때문에 CCHE2D모형의 중앙입경으로 적용하였다. 하상층의 개수는 3개로 구분하였고 흙의 공극률은 0.4, 준 부정류 흐름 해석을 수행하였다. Ji et al.
대상 데이터
- 수리실험 조건은 가동보를 완전개방하고, 실험유량은 평수량인 162m3/sec, 하류기점수위는 관리수위인 EL. 0.76m, 사용된 토사는 JIS의 최소입경인 8호규사를 모형실험사로 선정하였다. 퇴적토사의 방류실험 결과, 실험 개시 직후부터 게이트전방의 퇴적토사가 방류되어져 시험개시 5분후에는 방류되는 양이 현저히 저하되었으며, 게이트 직상류부의 퇴적토사는 대부분 방류되었다고 기술되어 있다.
- 고정보의 높이는10.7m, 연장은 405.3m, 가동보는 총길이 144m, 수문은 폭 40m×3, 수문 형식은 라이징섹터게이트이다.
- 모듈을 활용하여 EFDC 모형을 CCHE2D 모형으로 변환할 경우 기 구축된 시스템을 활용 연계하여 공간단위 수리특성분석을 수행할 수 있도록 하였다. 다기능보의 구축현황은 Fig. 2와 같으며 격자는 종방향 360개, 횡방향 30개로 구축하였다. Ahn et al.
- ”라고 평가하였다. 따라서 매미 사상을 채택하였다. 본 연구에서는EFDC 모형을 CCHE2D 모형 양식으로 변환하는 모듈을 개발하여 Ahn and Lyu (2012)에 의해 기 개발된 시스템에 추가하였으며, 창녕함안보를 대상으로 구축된 EFDC 모형을 CCHE2D 모형으로 변환하였다.
- 남강하천정비기본계획(Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, 2009c)에서는 진동 지점의 유량-유사량 곡선식을 신뢰성이 높은 것으로 평가하였다. 따라서 창녕함안보 구간을 선정하였다. 창녕함안보는 일부 구간은 고정보, 나머지 구간은 가동보로 하는 복합형식의 보로서, 수위를 높여 수심을 유지하거나 유량을 조절하여 유수의 정상적인 기능을 유지하기 위해 하천을 횡단하여 설치된 시설이다.
- 연구대상 구간은 경상남도 창원시, 창녕군, 함안군 일원의 낙동강수계 하류에 위치하고 있는 창녕함안보 상·하류 12 km 구간이며 상류에는 진동수위관측소가 위치해 있다(Fig. 1).
- 따라서 본 연구에서는 CCHE2D(Jia and Wang, 2001) 모형을 이용하여 하천종방향으로 20m 간격의 지형자료로 3차원 지형을 구축하고 모형 구축을 위한 격자해상도는 횡방향 30개를 채택하였다. 종방향20m간격의 지형자료는Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs(2009b)에서 수립한 낙동강 23공구 창녕함안보 실시설계보고서에 제시되어 있는 하천 수심측량자료를 활용하였다. Ahn et al.
데이터처리
- Eq. (2)를 이용하여 분석한 결과, 평균제곱근오차(Root mean square error, RMSE)가 가장 작게 발생하는 조도계수 0.030을 채택하였다(Table 1). Fig.
이론/모형
- Ahn et al. (2013)이 제안한 연계기법을 이용하여 COSFIM, FLDWAV, EFDC 그리고 CCHE2D 모형을 연계하였다.
- Time step는 10초, 난류해석 모형은 Smagorinsky (1963) 방법, 벽거칠기는 0.002, Wet/Dry 조건은 0.12/0.1 m, von Karman 상수는0.41, 동점성계수는1.0 × 106m2/ sec, 무차원 Momentum Diffusion은 0.01을 적용하였다.
- 하천환경 변화에 따른 유사이송 및 하상거동 특성을 분석하기 위해 모의 조건은 4대강살리기 사업 전(Case 1)과 후(Case 2)의 지형조건을 이용하여 모형을 구축하였으며, 사업 후의 가동보 수문은 모두 개방되어 있는 것으로 하였다. 유사량공식은 Ji et al. (2010)이 낙동강을 대상으로 적절하다고 평가한 Ackers and White (1973)공식을 채택하였다. 태풍 “매미” 강우사상을 바탕으로 COSFIM에서 계산된 유출량이 FLDWAV 모형에 연계되어 1차원 하도 추적을 수행하였고 CCHE2D 모형의 경계조건으로 활용되었다.
- 태풍 “매미” 강우사상을 바탕으로 COSFIM에서 계산된 유출량이 FLDWAV 모형에 연계되어 1차원 하도 추적을 수행하였고 CCHE2D 모형의 경계조건으로 활용되었다.
성능/효과
- Fig. 4(a)는Ahn et al. (2012)에 의해 구축된 시스템을 바탕으로 FLDWAV, EFDC 그리고 CCHE2D 모형으로 계산된 수위 결과이며 사업 전 단면에서의 FLDWAV와 CCHE2D 모형의 수위 계산결과의 오차가 0.355m로 나타났기 때문에 본 연구에서 구축한 CCHE2D 모형은 FLDWAV 모형의 경계조건을 잘 반영하고 있다고 판단할 수 있다. Fig.
- Figs. 11(a)∼11(c)와 같이 보직상류의 경우 유속이 임계점을 넘기 전까지는 하상변동이 발생하지 않았으나, 모의 4일째 되는 기간에서 유속이 상승하면서 하상변동량도 발생하는 것으로 나타났다. 하상의 변동폭은 하천 유량및 유속형태에 영향을 많이받기 때문에 하상변동량은 각각 직상류 우안에서 0.
- 1) EFDC 모형을 CCHE2D 모형 양식으로 변환하는 모듈을 개발하여 Ahn and Lyu(2012)에 의해 기 개발된 시스템에 추가하였으며, 창녕함안보를 대상으로 구축된 EFDC 모형을 CCHE2D 모형으로 변환하여 태풍 “매미” 사상에 대해 적용한 결과, CCHE2D 모형은 FLDWAV 모형의 경계조건을 잘 반영하고 있었고, EFDC 모형과 비교시 재현성 높은 결과가 도출되었다.
- 2) Case 1과 같이 4대강살리기 사업 전 단면을 활용하여 유사 이송 및 하상거동 특성을 분석한 결과, 하상변동은 0.1 m 내외로 발생하는 것으로 나타났으며, 준설과 다기능보가 설치된 Case 2의 경우 가동보가 위치해 있는 보 직상·하류에서는 세굴현상이 나타났으며, 고정보가 위치해 있는 보 상·하류의 좌·우안은 퇴적이 발생하였다.
- (2013)은 EFDC 모형에 COSFIM과 FLDWAV 모의 결과를 경계자료로 적용할 경우, EFDC 모형의 재현성은 COSFIM과 FLDWAV의 재현성에비례한다고 한 바 있다. 따라서 매개변수가 보정된 COSFIM과 FLDWAV의 모의 결과를 CCHE2D 모형에 적용하여 매개변수를 보정하더라도 문제점이 없을 것으로 판단된다.
- 보고서에서 제시되어 있는 실험결과와 본 연구에서 진행한 수치모의 결과와 유사한 형태의 세굴 및 퇴적 거동양상을 확인할 수 있었으며, 수리실험에서 다기능보 하류부에 대한 실험을 수행하지 않았기 때문에 보 하류 부분에 대한 모의 결과는 비교할 수 없었지만 본 연구에서는 하류 좌·우안에서 퇴적이 두드러지게 나타나는 것으로 검토되었다.
- 일반적으로 하도에서의 수리구조물 주변에서 발생하는 세굴조건은 유속의 증가에 의해서 발생하는 소용돌이에 의한 것이다(Richardson and Davis, 2001). 세굴과 퇴적은 일반적으로 어느 조건에서나 발생하지만 홍수기 또는 태풍과 같은 사상에서 더 많은 유사 이송과 하상변동이 발생하는 것을 알 수 있었다. 또한, 수치해석에 사용된 수치모형은 높은 재현성을 가지고 있음을 알 수 있었고 차후 폭넓은 연구에 활용가능성이 높다고 판단되었다.
- 76m, 사용된 토사는 JIS의 최소입경인 8호규사를 모형실험사로 선정하였다. 퇴적토사의 방류실험 결과, 실험 개시 직후부터 게이트전방의 퇴적토사가 방류되어져 시험개시 5분후에는 방류되는 양이 현저히 저하되었으며, 게이트 직상류부의 퇴적토사는 대부분 방류되었다고 기술되어 있다. 보고서에서 제시되어 있는 실험결과와 본 연구에서 진행한 수치모의 결과와 유사한 형태의 세굴 및 퇴적 거동양상을 확인할 수 있었으며, 수리실험에서 다기능보 하류부에 대한 실험을 수행하지 않았기 때문에 보 하류 부분에 대한 모의 결과는 비교할 수 없었지만 본 연구에서는 하류 좌·우안에서 퇴적이 두드러지게 나타나는 것으로 검토되었다.
후속연구
- 국토해양부에서는 4대강살리기 사업 이후 하천, 시설물, 환경 등의 변화, 추이를 지속적으로 모니터링하여 효율적인 유지관리와 보존 대책 수립에 활용하기 위해 4대강모니터링관련 사업을 계획하고 있으며, 또한 첨단기술 기반 하천 운영 및 관리 선진화 연구단에서는 하천관리기술 검증을 위한 통합테스트베드 운영관리 연구를 진행할 예정이다. 이러한 현장 관측자료를 바탕으로 유사 이송과 하상변동을 분석하는 방법은 실제현상을 직접 분석할 수 있지만, 모니터링 추진에 대한 정확한 이론 및 자료 없이 수행하게 되면 해석 및 결론의 도출시 많은 시행착오를 일으킬 수 있기 때문에 사전에 수치모형을 이용한 유사 이송과 하상변동을 분석하여 시간적 공간적으로 민감한 부분에 대한 사전 검토가 필요하다.
- 이러한 현장 관측자료를 바탕으로 유사 이송과 하상변동을 분석하는 방법은 실제현상을 직접 분석할 수 있지만, 모니터링 추진에 대한 정확한 이론 및 자료 없이 수행하게 되면 해석 및 결론의 도출시 많은 시행착오를 일으킬 수 있기 때문에 사전에 수치모형을 이용한 유사 이송과 하상변동을 분석하여 시간적 공간적으로 민감한 부분에 대한 사전 검토가 필요하다. 또한, Ahn et al. (2013)이 제안한 흐름연계 기법으로 확보된 공간단위 흐름해석 뿐만 아니라 추가적으로 하상변동 및 유사거동을 해석할 수 있는 유사모듈을 추가한다면 수리구조물 주변에 발생 가능한 재난에 대해 선제적인 대응이 가능할 것이다. 따라서 Ahn and Lyu (2012)이 개발한 시스템을 개선하고 기존에 구축·운영중인 COSFIM, FLDWAV와 CCHE2D 모형의 연계를 통해 모형들을 통합 시스템화하여 하천내 주요 관심구간을 중심으로 다차원 수리분석 및 하상변동·유사거동 분석을 수행하고, 하천의 공간적 지형특성 변화를 평가하였다.
- 향후, 4대강 수계 16개 다기능보를 대상으로 실측된 수리특성 자료들을 확보하여 실제 하천에 대한 분석을 수행하고 본 연구에서 진행한 수치모형의 검 보정 자료로 활용하여 결과의 신뢰성을 높일 수 있도록 해야 할 것이다. 또한, 급변한 하천환경에 대한 과학적 물환경 관리 체계를 확보하고 기후변화 등 새로운 환경문제에 선제적으로 대응하기 위한 생태적 영향, 다기능보내 탁수와 조류 발생, 유사침전에 따른 준설시기 결정, 유형별 규모별 피해예측을 다각도로 검토해야 할 것으로 사료된다.
- 또한, 다양한 다기능보 형태에 따른 수리특성 영향 및 하상거동 분석을 수행하여 4대강살리기 사업으로 급변한 하천환경에 대한 과학적 물환경관리 체계를 확보하고 기후변화 등 새로운 환경문제에 선제적으로 대응하기 위한 생태적 영향, 다기능보내 탁수와 조류발생, 유사침전에 따른 준설시기 결정, 유형별·규모별 피해예측을 다각도로 검토해야 할 것으로 사료된다.
- 또한, 수치해석에 사용된 수치모형은 높은 재현성을 가지고 있음을 알 수 있었고 차후 폭넓은 연구에 활용가능성이 높다고 판단되었다.
- 본 연구에서는 4대강살리기사업을 통해 변화된 하도지형 및 수리구조물 운영에 의한 영향을 검토하기 위해 창녕함안보를 대상으로 CCHE2D 모형을 구축하고 2003년 태풍 “매미” 사상을 적용하여 유사 이송 및 하상거동 특성을 분석하였다. 본 연구 자료는 향후 변화된 하천환경에 대한 수리, 수질, 유사분석을 위한 모니터링 기초자료로 활용될 수 있을 것이다. 수치해석에 사용된 수치모형은 높은 재현성을 가지고 있음을 알 수 있었고 차후 폭넓은 연구에 활용가능성이 높다고 판단되었다.
- 본 연구에서는 Case 2 분석을 위해 하천단면 자료로 계획단면을 활용하였고 하상보호공 제원은 반영하지 않았기 때문에 향후 국토해양부에서 진행 계획 예정인 모니터링 사업 또는 첨단기술 기반 하천 운영 및 관리 선진화 연구단에서 진행 예정인 하천관리기술 검증을 위한 통합테스트베드 운영관리 연구를 통해 확보되는 실측 수리특성 자료들을 토대로 실제 하천에 대한 분석을 수행하고 본 연구에서 진행한 수치모형의 검·보정 자료로 활용하여 결과의 신뢰성을 높일 수 있도록 해야 할 것이다.
- 세굴과 퇴적은 일반적으로 어느 조건에서나 발생하지만 홍수기 또는 태풍과 같은 사상에서 더 많은 유사 이송과 하상변동이 발생하는 것을 알 수 있었다. 또한, 수치해석에 사용된 수치모형은 높은 재현성을 가지고 있음을 알 수 있었고 차후 폭넓은 연구에 활용가능성이 높다고 판단되었다.
- 수치해석에 사용된 수치모형은 높은 재현성을 가지고 있음을 알 수 있었고 차후 폭넓은 연구에 활용가능성이 높다고 판단되었다. 향후, 4대강 수계 16개 다기능보를 대상으로 실측된 수리특성 자료들을 확보하여 실제 하천에 대한 분석을 수행하고 본 연구에서 진행한 수치모형의 검 보정 자료로 활용하여 결과의 신뢰성을 높일 수 있도록 해야 할 것이다. 또한, 급변한 하천환경에 대한 과학적 물환경 관리 체계를 확보하고 기후변화 등 새로운 환경문제에 선제적으로 대응하기 위한 생태적 영향, 다기능보내 탁수와 조류 발생, 유사침전에 따른 준설시기 결정, 유형별 규모별 피해예측을 다각도로 검토해야 할 것으로 사료된다.
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