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문제 정의
- 본 연구에서는 기 개발된 시스템을 활용⋅연계하여 공간단위 수리특성분석 자료를 확보할 수 있는 다차원분석 시스템을 개발하였다.
- (2013) 이 제안한 연계기법을 적용하고 3차원 상세 다기능 보 제원을 반영하였으며 모형들을 통합·시스템화하여 하천내 주요 관심구간을 중심으로 다차원 수리분석을 수행하고, 하천의 공간적 수리특성 변화를 평가하였다. 효율적인 다기능 보 운영을 위한 공간적 수리, 수질, 유사 등의 분석이 종합적으로 될 수 있도록 하기 위해 우선적으로 수리특성 분석에 중점적으로 연구를 진행하였다.
가설 설정
- 하지만 하도 내 수리구조물인 다기능 보 건설에 따라 흐름의 체류 현상과 흐름 변화가 발생하기 때문에 동일한 모의조건에서 준설과 다기능 보 설치에 따른 수치 모의를 수행하였다. 초기 수위는 거리에 따라 선형적으로 분포한다고 가정하였고 최소 수심은 0.01 m, 조고(roughness height, ks) 값은 0.01을 적용하였다. 흐름에 대한 하도의 저항정도를 표시하는 조도계수는 하천의 유량 및 수위를 결정짓는 가장 중요한 수치중의 하나이며 조도계수의 값에 의해 수위의 상승 및 하강이 결정된다.
제안 방법
- (2013) 이 제안한 연계기법을 적용하고 3차원 상세 다기능 보 제원을 반영하였으며 모형들을 통합·시스템화하여 하천내 주요 관심구간을 중심으로 다차원 수리분석을 수행하고, 하천의 공간적 수리특성 변화를 평가하였다.
- Ahn et al.(2013)에 의해 제안된 유역유출모형 (COSFIM), 1차원 수리모형(FLDWAV) 그리고 다차원모형의 연계기법을 적용하고, 이를 Ahn and Lyu(2012)에 의해 개발된 시스템에 탑재하여 낙동강 수계 주요 관심 구간을 중심으로 다차원 수리분석을 수행할 수 있도록 시스템을 개발하였다. 낙동강 수계 8개 다기능 보를 대상으로 다양한 유량이 반영될 수 있도록 하기 위해 정상류가 아닌 태풍 매미 사상에 대해 부정류 흐름 분석을 수행하였다 (그림 1).
- 2009년 개정된 하천설계기준에 의하면 하도 계획 시편수위에 의한 영향을 검토하기 위해 2차원 이상의 정교한 수치모델링 검토가 필요하다고 명시되어 있지만, 하천 전체구간을 다차원모형으로 구축․운영할 경우 분석시간의 증가 등으로 홍수 시 빠른 의사결정이 요구되는 현업에서 활용이 불가능함으로 본 연구에서는 기존에 구축․운영 중인 COSFIM과 FLDWAV간 연계를 통해 다기능 보상․하류 구간 등 하천 내 주요 관심 구간에 대한 정밀 수리분석을 수행할 수 있는 시스템을 개발하고 낙동강 8개 다기능 보를 대상으로 사업 전․후 수리특성 분석을 수행하였다. Ahn et al.
- 4대강살리기 사업과 관련하여 낙동강 수계에 건설된 8개 다기능 보에 대해 상⋅하류 10 km 구간 내에서 기존 홍수분석모형과 연계하여 친수공간 안정성 검토 등 다양한 부분에 활용 가능한 다차원수리분석 시스템을 개발하였다.
- 본 시스템은 향후 변화된 하천환경에 대한 수리, 수질, 유사분석으로 과학적 물관리를 위한 의사결정에 도움이 될 것이다. 4대강살리기사업으로 인해 변화된 하천환경을 반영한 다기능 보 주변 수리분석모형 구축을 위해 다기능 보 제원 수집, 홍수 분석 모형연계기법, 최적격자해상도 산정, 다기능 보 제원을 반영한 격자 개선 등의 과정을 거쳤다. 효율적인 다기능 보 운영을 위한 공간적 수리특성분석에 활용하기 위한 시스템으로써 수질, 유사 분석 등의 모듈을 추가할 필요성이 있다.
- (2013)에 의해 제안된 유역유출모형 (COSFIM), 1차원 수리모형(FLDWAV) 그리고 다차원모형의 연계기법을 적용하고, 이를 Ahn and Lyu(2012)에 의해 개발된 시스템에 탑재하여 낙동강 수계 주요 관심 구간을 중심으로 다차원 수리분석을 수행할 수 있도록 시스템을 개발하였다. 낙동강 수계 8개 다기능 보를 대상으로 다양한 유량이 반영될 수 있도록 하기 위해 정상류가 아닌 태풍 매미 사상에 대해 부정류 흐름 분석을 수행하였다 (그림 1). 각 수치모형은 활용목적에 따라 장⋅단점을 가지고 있기 때문에 상황에 적합한 모형을 선택적으로 활용할 수 있을 것이며, 기존의 1차원 수리, 수문 모형으로 제공받던 선 개념⋅지점 개념 정보 뿐 아니라 추가적으로 공간⋅격자 개념 정보를 제공받을 수 있는 다차원 모의를 수행함으로써 하천에서의 물리적 현상을 적절히 고려한 공간적 수리특성을 반영한 하천관리가 가능할 것이다.
- Woo(2002)은 자연하천에서 조고 값은 하상 재료의 대표 입경과 연결시킬 수 있기 때문에 합리적이며 경계면 조도 높이의 1/6승에 비례하기 때문에 조도 높이 추정에서 큰 오차를 내도 그 결과에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 평가하였다. 따라서 하도내 준설에 따른 마찰계수의 차이는 EFDC 모형이 조고 값을 채택하고 있기 때문에 고려하지 않고 동일한 값을 적용하였다. 난류해석 모형은 Smagorinsky(1963) 방법, 벽 거칠기는 0.
- 따라서, 본 연구에서는 4대강살리기 사업과 관련하여 낙동강 수계에 건설된 8개 다기능 보에 대해 상⋅하류 10 km 구간을 대상으로 다차원 모형을 구축하였다.
- (2012)이 제안한 최적 격자해상도 산정기법에 기반하여 격자를 구성하였다. 일반적으로 격자해상도가 증가하면 계산시간이 증가하기 때문에 다기능 보의 보제원을 상세 입력 가능한 범위에서 격자 크기를 결정하였고 그림 3에 도시된 바와 같이 가동 보의 수문크기가 40 m인 것을 고려하여 수문 하나에 격자 2개가 포함되도록 격자를 구성하였다. 격자구성은 경계별 분할 기법과 직교계산을 할 경우 종횡비를 수정하는 보간법이 포함되어 있고, 경계선에서 이동경계조건 기법이 적용되어 있어 만곡 또는 급확, 급축이 반복되는 형태의 하천이라도 직교성이 높은 격자망 작성이 가능한 Qmesh(Hur et al.
- 지형조건은 다기능 보 건설 전과 후로 구분하여 모형을 구축하였으며 각 구간별 구축된 모형의 4대강 사업 전⋅후 면적 고도곡선을 비교한 결과는 그림 5에 도시된 바와 같다.
- 전반적으로 준설에 따른 하도구간 내 체적이 증가하여 통수능이 증가한 것을 알 수 있다. 하지만 하도 내 수리구조물인 다기능 보 건설에 따라 흐름의 체류 현상과 흐름 변화가 발생하기 때문에 동일한 모의조건에서 준설과 다기능 보 설치에 따른 수치 모의를 수행하였다. 초기 수위는 거리에 따라 선형적으로 분포한다고 가정하였고 최소 수심은 0.
대상 데이터
- 따라서, 본 연구에서는 4대강살리기 사업과 관련하여 낙동강 수계에 건설된 8개 다기능 보에 대해 상⋅하류 10 km 구간을 대상으로 다차원 모형을 구축하였다. 3차원 정밀 지형도를 구성하기 위한 하천 종방향 측량자료는 20 m 간격의 자료를 활용하였고, Ahn et al.(2012)이 제안한 최적 격자해상도 산정기법에 기반하여 격자를 구성하였다.
- , 2010)를 이용하였다. 모형구축을 위한 지형자료는 2009년 측량된 실측자료와 4대강살리기 사업의 계획 단면을 이용하였다.
데이터처리
- 모형 연계는 COSFIM, FLDWAV 그리고 EFDC 모형이 GUI를 통해 자동 연계되도록 설계되어 있으며 2003년 태풍 “매미” 사상에 대해 모형을 적용하였고 그림 6과 그림 7 같은 결과가 도출되었다. 각 다기능 보 구간별로 FLDWAV 모형결과와 EFDC 모형결과를 이용하여 식 (1)의 평균제곱근 오차(Root mean square error, RMSE) 로 분석하였다. 평균제곱근 오차는 표준편차의 일반화된 식으로 실제 값과 추정 값의 차이가 얼마인가를 알 수 있는 수치로써 0에 근접할수록 정확성이 높은 것을 의미한다.
이론/모형
- 3차원 정밀 지형도를 구성하기 위한 하천 종방향 측량자료는 20 m 간격의 자료를 활용하였고, Ahn et al.(2012)이 제안한 최적 격자해상도 산정기법에 기반하여 격자를 구성하였다. 일반적으로 격자해상도가 증가하면 계산시간이 증가하기 때문에 다기능 보의 보제원을 상세 입력 가능한 범위에서 격자 크기를 결정하였고 그림 3에 도시된 바와 같이 가동 보의 수문크기가 40 m인 것을 고려하여 수문 하나에 격자 2개가 포함되도록 격자를 구성하였다.
- 1) Ahn et al.(2013)이 제안한 연계기법을 이용하여 낙동강 수계 8개 다기능 보를 대상으로 다차원 흐름 연계 시스템을 개발하였다. 본 모형은 기존의선 개념 수리분석에서 공간 개념 수리분석으로 분석영역을 확장할 수 있을 것으로 판단되며, 같은 하천단면 조건에서의 모의결과, FLDWAV 와 EFDC 모형의 오차가 1.
- 8개 다기능 보의 구축현황은 그림 4와 같으며 Ahn et al.(2013)이 제안한 연계기법을 이용하여 표 2와 같이 COSFIM, FLDWAV 그리고 EFDC 모형을 연계하였다. COSFIM 모형은 FLDWAV 모형의 상․하류 유량 및 수위 경계조건을 산정하고 관측 자료가 없는 대상 구간 내 지류 유입량을 예측한다.
- 일반적으로 격자해상도가 증가하면 계산시간이 증가하기 때문에 다기능 보의 보제원을 상세 입력 가능한 범위에서 격자 크기를 결정하였고 그림 3에 도시된 바와 같이 가동 보의 수문크기가 40 m인 것을 고려하여 수문 하나에 격자 2개가 포함되도록 격자를 구성하였다. 격자구성은 경계별 분할 기법과 직교계산을 할 경우 종횡비를 수정하는 보간법이 포함되어 있고, 경계선에서 이동경계조건 기법이 적용되어 있어 만곡 또는 급확, 급축이 반복되는 형태의 하천이라도 직교성이 높은 격자망 작성이 가능한 Qmesh(Hur et al., 2010)를 이용하였다. 모형구축을 위한 지형자료는 2009년 측량된 실측자료와 4대강살리기 사업의 계획 단면을 이용하였다.
- 난류해석 모형은 Smagorinsky(1963) 방법, 벽 거칠기는 0.002, Wet/Dry 조건은 0.12/0.1 m, von Karman 상수는 0.41, 동점성계수는 1.0×106 ㎡/sec, 무차원 Momentum Diffusion은 0.01을 적용하였다.
- 모형 연계는 COSFIM, FLDWAV 그리고 EFDC 모형이 GUI를 통해 자동 연계되도록 설계되어 있으며 2003년 태풍 “매미” 사상에 대해 모형을 적용하였고 그림 6과 그림 7 같은 결과가 도출되었다.
성능/효과
- 2) 하도준설 전과 하도준설 및 다기능 보 설치 후 면적고도곡선을 검토한 결과, 준설에 의해 하도 구간 내 체적이 증가하여 통수능이 증가한 것을 알 수 있었고, 수치모형을 연계 모의한 결과, 전․후 첨두 수위는 저하되는 것으로 나타났으나, 준설에 따라 전반적으로 유속이 증가하였으며, 특히 다기능 보의 가동보 주변에서 유속이 크게 증가하였기 때문에 가동보가 위치한 지점에서 세굴이 심화될 것으로 판단된다.
- 표 3은 계산 결과를 RMSE로 분석한 결과이다. 그림 6은 다기능 보의 수문 직상류 격자에서 계산된 수위 결과이며 사업 전 단면에서의 FLDWAV 와 EFDC 모형의 수위 계산결과의 오차가 1.0 m 이하로 나타났기 때문에 본 연구에서 구축한 EFDC 모형은 FLDWAV 모형의 경계조건을 잘 반영하고 있다고 판단할 수 있다.
- 다기능 보 설치에 따른 통수 단면적 감소에 의한 유속증가 현상 및 사수역 발생 그리고 수면 폭이 증가하는 구간에서의 유속 감소 현상 등 하천 흐름의 물리적 현상이 잘 나타나고 있다. 기존 하천 단면에서의 유속 분포에 비해 준설과 다기능 보 설치 후 국부적으로 유속 편차가 심하게 발생하였고, 특히 가동보가 위치한 지점에서 빠른 유속이 발생하였으며 수문을 개방할 때 발생하는 빠른 유속에 의한 세굴이 심화될 것으로 판단되었다. 세굴로 보 안정성이 저하되지 않도록 유속을 충분히 줄일 수 있는 방안이 마련되어야 할 것이다.
- 합천 창녕보의 경우 첨두 수위가 진동의 양상을 띠고 있지만 수문곡선의 상승부, 첨두치 그리고 하강부에서 진동의 양상 없이 FLDWAV 모형의 결과를 잘 반영하고 있다. 또한, 시스템에서 연계 모의 된 하도 준설 후 계산된 EFDC 모의결과는 사업 전 단면과 비교해 볼 때 첨두 수위가 저하되는 것을 확인 할 수 있었다. 하지만 구미보의 경우 저수위에서는 수위가 저하되지만 고수위에서는 사업 전과 후의 첨두 수위 차가 크지 않게 나타났다.
- (2013)이 제안한 연계기법을 이용하여 낙동강 수계 8개 다기능 보를 대상으로 다차원 흐름 연계 시스템을 개발하였다. 본 모형은 기존의선 개념 수리분석에서 공간 개념 수리분석으로 분석영역을 확장할 수 있을 것으로 판단되며, 같은 하천단면 조건에서의 모의결과, FLDWAV 와 EFDC 모형의 오차가 1.0 m 이하로 나타났기 때문에 EFDC 모형은 FLDWAV 모형의 경계 조건을 잘 반영하고 있다고 판단할 수 있다.
후속연구
- 3) 준설과 보 건설에 따른 다양한 하천환경의 변화가 발생하였기 때문에 하천 흐름 및 하상의 변화가 발생할 것으로 판단되며, 토사의 퇴적 및 침식은 하천시설물의 기능을 저하시키고 이·치수에 치명적인 문제를 발생시킬 수 있기 때문에 효율적인 하천관리를 위해서는 지속적인 하천 모니터링을 통해 확보된 자료를 바탕으로 모형을 개선하고 다기능 보 유지관리와 보존 대책을 수립해야 할 것이다.
- 각 수치모형은 활용목적에 따라 장⋅단점을 가지고 있기 때문에 상황에 적합한 모형을 선택적으로 활용할 수 있을 것이며, 기존의 1차원 수리, 수문 모형으로 제공받던 선 개념⋅지점 개념 정보 뿐 아니라 추가적으로 공간⋅격자 개념 정보를 제공받을 수 있는 다차원 모의를 수행함으로써 하천에서의 물리적 현상을 적절히 고려한 공간적 수리특성을 반영한 하천관리가 가능할 것이다.
- 각 수치모형은 활용목적에 따라 장⋅단점을 가지고 있기 때문에 상황에 적합한 모형을 선택적으로 활용할 수 있을 것이며, 기존의 1차원 수리, 수문 모형으로 제공받던 선 개념⋅지점 개념 정보 뿐 아니라 추가적으로 공간⋅격자 개념 정보를 제공받을 수 있는 다차원 모의를 수행함으로써 하천에서의 물리적 현상을 적절히 고려한 공간적 수리특성을 반영한 하천관리가 가능할 것이다. 또한, 이를 바탕으로 향후 수질, 유사이송, 세굴 및 퇴적 등에 대한 분석을 위한 기본 자료로 활용할 수 있을 것이다.
- 4대강살리기 사업과 관련하여 낙동강 수계에 건설된 8개 다기능 보에 대해 상⋅하류 10 km 구간 내에서 기존 홍수분석모형과 연계하여 친수공간 안정성 검토 등 다양한 부분에 활용 가능한 다차원수리분석 시스템을 개발하였다. 본 시스템은 향후 변화된 하천환경에 대한 수리, 수질, 유사분석으로 과학적 물관리를 위한 의사결정에 도움이 될 것이다. 4대강살리기사업으로 인해 변화된 하천환경을 반영한 다기능 보 주변 수리분석모형 구축을 위해 다기능 보 제원 수집, 홍수 분석 모형연계기법, 최적격자해상도 산정, 다기능 보 제원을 반영한 격자 개선 등의 과정을 거쳤다.
- 사전 조류 예방, 조류 발생 시 적절한 대응 그리고 보 구간 안전한 친수활동을 위해서는 다기능 보에 의해 저류되는 물의 과학적 관리가 필요하고 수자원 확보를 위해서는 지속적인 유지준설이 필요할 것이다. 본 연구에서 사용한 계획 단면은 2010년 6월 수립된 실시설계보고서를 기반으로 하였기 때문에 보다 정확한 검토를 위해서는 준설 후 하상 안정화 현상으로 지속적으로 변화하고 있는 하천에 대한 모니터링 사업이 수행되어야 할 것으로 사료된다. 향후 효율적인 다기능 보 운영을 위해 COSFIM, FLDWAV 그리고 EFDC 모형을 연계 모의 한다면 다목적댐 및 용수댐 운영에 따른 하류 수위저하 효과 분석, 기상청 수치예보 모델의 예보자료 자동 연동, 기후변화 반영, 댐-보간 연계운영을 통한 하류 주요지점의 홍수량 최소화, 다기능 보 주변 공간적 수리특성 자료 모니터링 등 다양한 분야에서 활용할 수 있을 것이며, 추후 유사 및 수질 모듈을 추가 탑재하여 다기능 보 수문 개폐에 따른 유사의 배사 기능검토 및 다기능 보 운영에 따른 수질 분석자료를 추가적으로 제공할 수 있도록 해야 할 것이다.
- 기존 하천 단면에서의 유속 분포에 비해 준설과 다기능 보 설치 후 국부적으로 유속 편차가 심하게 발생하였고, 특히 가동보가 위치한 지점에서 빠른 유속이 발생하였으며 수문을 개방할 때 발생하는 빠른 유속에 의한 세굴이 심화될 것으로 판단되었다. 세굴로 보 안정성이 저하되지 않도록 유속을 충분히 줄일 수 있는 방안이 마련되어야 할 것이다. 이처럼 하도내 다기능 보가 설치되었기 때문에 기존의 선 개념의 하천관리 및 분석뿐만 아니라 공간적인 하천정보 획득을 위한 수리특성분석 시스템 및 모니터링이 지속적으로 수행되어야 할 것이다.
- 본 연구에서 사용한 계획 단면은 2010년 6월 수립된 실시설계보고서를 기반으로 하였기 때문에 보다 정확한 검토를 위해서는 준설 후 하상 안정화 현상으로 지속적으로 변화하고 있는 하천에 대한 모니터링 사업이 수행되어야 할 것으로 사료된다. 향후 효율적인 다기능 보 운영을 위해 COSFIM, FLDWAV 그리고 EFDC 모형을 연계 모의 한다면 다목적댐 및 용수댐 운영에 따른 하류 수위저하 효과 분석, 기상청 수치예보 모델의 예보자료 자동 연동, 기후변화 반영, 댐-보간 연계운영을 통한 하류 주요지점의 홍수량 최소화, 다기능 보 주변 공간적 수리특성 자료 모니터링 등 다양한 분야에서 활용할 수 있을 것이며, 추후 유사 및 수질 모듈을 추가 탑재하여 다기능 보 수문 개폐에 따른 유사의 배사 기능검토 및 다기능 보 운영에 따른 수질 분석자료를 추가적으로 제공할 수 있도록 해야 할 것이다.
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