본 연구는 하천 계획수립 및 활용을 위하여 국내 하천을 대상으로 적합한 유사량 추정공식과 장 단기 하상변동을 정량적으로 제시한다. 산지 및 도시하천을 대상으로 유사특성을 분석하고, 총유사량 과 장 단기 하상변동을 검토하기 위하여 기존의 유사량 추정공식과 HEC-RAS 4.1 모형 및 CCHE2D 모형을 적용하였다. 본 연구의 수행으로 인해 얻어진 결과를 요약하면 다음과 같다. 첫째, 수정 Einstein 공식을 적용하여 추정한 총유사량이 해당 하천에 가장 적합한 것으로 판단되었다. 둘째, 대상하천의 중 장기적인 하도관리를 위하여 수위-유량 관계곡선, 부유사량-유량 관계곡선과 총유사량-유량 관계곡선을 제시하였다. 셋째, 단기하상 변동 분석에서는 산지하천이 도시하천보다 하상변동이 크게 발생하였으며, 장기하상 분석에서 도시하천은 현재 안정하상에 도달한 것으로 나타났다.
본 연구는 하천 계획수립 및 활용을 위하여 국내 하천을 대상으로 적합한 유사량 추정공식과 장 단기 하상변동을 정량적으로 제시한다. 산지 및 도시하천을 대상으로 유사특성을 분석하고, 총유사량 과 장 단기 하상변동을 검토하기 위하여 기존의 유사량 추정공식과 HEC-RAS 4.1 모형 및 CCHE2D 모형을 적용하였다. 본 연구의 수행으로 인해 얻어진 결과를 요약하면 다음과 같다. 첫째, 수정 Einstein 공식을 적용하여 추정한 총유사량이 해당 하천에 가장 적합한 것으로 판단되었다. 둘째, 대상하천의 중 장기적인 하도관리를 위하여 수위-유량 관계곡선, 부유사량-유량 관계곡선과 총유사량-유량 관계곡선을 제시하였다. 셋째, 단기하상 변동 분석에서는 산지하천이 도시하천보다 하상변동이 크게 발생하였으며, 장기하상 분석에서 도시하천은 현재 안정하상에 도달한 것으로 나타났다.
The objective of this study is to suggest the proper sediment transport equation and short and long-term bed change for planning and implementing the river management in Korea. To analyze total sediment discharge and short and long-term bed change, existing sediment transport equations, HEC-RAS 4.1 ...
The objective of this study is to suggest the proper sediment transport equation and short and long-term bed change for planning and implementing the river management in Korea. To analyze total sediment discharge and short and long-term bed change, existing sediment transport equations, HEC-RAS 4.1 and CCHE2D numerical models were applied in urban and mountainous rivers. The results of this study are as followings; Firstly, the modified Einstein equation showed the most appropriate result for the estimation of total sediment discharge in the local rivers. Secondly, The stage-discharge relation curve and the discharge-total sediment discharge relation curve were suggested to examine the characteristics of river bed change. Finally, it is founded that river bed change of mountainous river has occurred greater than that of the urban river, and the river bed of urban river now tends to be stabilized on the whole.
The objective of this study is to suggest the proper sediment transport equation and short and long-term bed change for planning and implementing the river management in Korea. To analyze total sediment discharge and short and long-term bed change, existing sediment transport equations, HEC-RAS 4.1 and CCHE2D numerical models were applied in urban and mountainous rivers. The results of this study are as followings; Firstly, the modified Einstein equation showed the most appropriate result for the estimation of total sediment discharge in the local rivers. Secondly, The stage-discharge relation curve and the discharge-total sediment discharge relation curve were suggested to examine the characteristics of river bed change. Finally, it is founded that river bed change of mountainous river has occurred greater than that of the urban river, and the river bed of urban river now tends to be stabilized on the whole.
본 연구에서는 국내 지방하천의 유사량과 하상변동 특성을 분석하기 위하여 산지하천과 도시하천을 대상으로 유량과 부유사량을 측정하고 총유사량을 산정하였다. 또한 HEC-RAS 4.1 모형과 CCHE2D 모형을 대상유역에 적용하여 단・장기하상변동 특성을 분석하였다. 본 연구의 수행으로 얻어진 결과를 요약하면 다음과 같다.
본 연구에서는 대상하천의 유량을 측정하기 위하여 평・갈수기에는 도보형 유속계, 홍수기에는 전자파표면 유속계, 부유사 시료 채취의 경우에는 갈수기에는 도보형 채취기, 평・홍수기에는 크레인형 부유사 채취기를 사용하였으며, 세부적인 측정방법은 수문관측매뉴얼(Ministry of Construction and Transportation, 2004)을 준수하였다. 측정은 2012년의 강우사상을 대상으로 하였으며, 각 하천별 측정은 미천의 경우 총 23회, 대명천의 경우 총 22회를 시행하였다.
측정은 2012년의 강우사상을 대상으로 하였으며, 각 하천별 측정은 미천의 경우 총 23회, 대명천의 경우 총 22회를 시행하였다. 측정은 수위별 유량측정 및 부유사 시료 채취를 동시에 수행하였으며, 채취한 부유사 시료에 대하여 부유사 입도 및 농도를 분석하여 부유사량을 산정하였다. 분석방법으로는 부유사의 경우 입도분석방법은 B/W관, 농도분석방법은 진공펌프를 이용한 여과법을 적용하였으며, 총유사량 산정은 한국건설기술연구원에서 개발한 SCST 및 SDCS 모형을 적용하였다.
하상변동 모의시간은 각각 86,400초와 172,800초를 적용하였으며 시간 간격은 1초, 난류모의는 정확도가 높은 k-ε 모형을 사용하였다.
대상 데이터
대명천 유역의 모의를 위하여 대상구간은 월암교 지점을 시점으로 유역 출구점까지 하류 방향 2 km로 지정하였다. 실측한 자료 중에서 홍수기 유량인 260.
미천 유역의 모의를 위하여 대상구간은 감계교 지점을 시점으로 취수보가 설치되어 있는 하류 방향 800 m로 지정하였다. 실측한 자료 중에서 홍수기 유량인 46.
본 연구에서는 각 하천별 총유사량을 산정하기 위하여 측정한 유량과 하상토 입경자료, 부유사량 입도 및 농도자료를 활용하였다. 한국건설기술연구원의 유사량 산정시스템인 SCST 및 SDCS 모형을 이용하여 수정 Einstein 공식,Engelund와 Hansen 공식, Shen과 Hung 공식, Yang 공식과Ranga Raju 공식을 이용하여 총유사량을 산정하였다.
본 연구에서는 산지하천과 도시하천의 유사량과 하상변동특성을 분석하기 위하여 경상북도의 미천과 대구광역시의 대명천을 대상유역으로 선정하였다.
본 연구에서는 입도분석을 위한 시료를 하천설계기준상의 시료 채취기준에 따라 한 단면(횡단면)에 대하여 3개 지점 이상에서 채취하였다. 채취된 하상재료의 입경분포 분석을 위하여 모래와 자갈은 KSF(2504) 및 KSF(2503), 미립토사에 대해서는 KSF(2308)의 시험법에 따라 체분석과 입도분석을 실시하여 통과중량백분율, 균등 및 곡률계수 등을 산정하였다.
1 모형을 적용하였으며, 10년 및 20년 경과 시 최심하상고의 변동양상을 분석하였다. 실제 하상의 변화를 정량적으로 파악하기 위해 2012년도 하천기본계획 측량성과 자료를 이용하였다.
미천 유역의 모의를 위하여 대상구간은 감계교 지점을 시점으로 취수보가 설치되어 있는 하류 방향 800 m로 지정하였다. 실측한 자료 중에서 홍수기 유량인 46.417 m3/s, 평수기 유량인 5.153 m3/s, 갈수기 유량인 0.135 m3/s가 사용되었으며, 총유사량은 홍수기 467.633 tons/day, 평수기 7.567 tons/day, 갈수기 0.096 tons/day가 적용되었다.
채취된 하상재료의 입경분포 분석을 위하여 모래와 자갈은 KSF(2504) 및 KSF(2503), 미립토사에 대해서는 KSF(2308)의 시험법에 따라 체분석과 입도분석을 실시하여 통과중량백분율, 균등 및 곡률계수 등을 산정하였다. 재료조사 지점으로는 미천의 경우 전체 하천종단면의 6개 지점, 대명천의 경우 전체 하천종단면의 9개 지점을 선정하였으며, 각 하천 유량측정 지점의 하상재료 통과백분율을 나타내면 Table 1과 같다.
본 연구에서는 대상하천의 유량을 측정하기 위하여 평・갈수기에는 도보형 유속계, 홍수기에는 전자파표면 유속계, 부유사 시료 채취의 경우에는 갈수기에는 도보형 채취기, 평・홍수기에는 크레인형 부유사 채취기를 사용하였으며, 세부적인 측정방법은 수문관측매뉴얼(Ministry of Construction and Transportation, 2004)을 준수하였다. 측정은 2012년의 강우사상을 대상으로 하였으며, 각 하천별 측정은 미천의 경우 총 23회, 대명천의 경우 총 22회를 시행하였다. 측정은 수위별 유량측정 및 부유사 시료 채취를 동시에 수행하였으며, 채취한 부유사 시료에 대하여 부유사 입도 및 농도를 분석하여 부유사량을 산정하였다.
2 %) 순으로 나타났다(Gyeongsangbuk-do,2013). 측정지점은 갈수기에도 유수의 흐름이 있으며, 수공구조물에 배수위 영향이 없는 감계교 지점을 선정하였다. 감계교 지점은 미천의 중하류에 위치해 있으며, 건기 시에도 유수가 있어 건기 및 우기의 시기별로 측정이 가능하였다.
6 %) 순으로 나타났다. 측정지점은 하류에 위치한 월암교지점을 선정하였다.
이론/모형
하상변동을 모의하기 위한 유사량 공식은 모형에 적용되어 있는 공식 중 입경분포별 계산이 가능하고 총유사량 이송을 모의할 수 있는 Wu et al.(2000)을 적용하였다.
이를 위하여 산지 및 도시하천을 대상으로 유사특성을 분석하고, Lee et al.(2009)이 개발한 유사량 산정시스템을 이용하여 총유사량을 산정한다. 또한 HEC-6 모형을 탑재한 HEC-RAS 4.
2차원 모형의 적용으로는 Kim et al.(2010)이 CCHE2D모형을 이용하여 합류부에서의 흐름과 하상변동 분석을 수행하였다.
HEC-RAS 모형은 미육군공병단의 수문연구센터에서 개발한 하천 해석 모형으로 수면곡선을 분석하는 HEC-2 모형의 확장된 시스템이다. Ver 4.0부터 하천과 저수지에서의 하상변동 계산을 위한 일차원 수치모형인 HEC-6 모형이 포함되었다. 지배방정식은 일차원 연속방정식과 에너지 방정식으로 구성되며, 수면형상은 표준축차법으로 구한다.
(2009)이 개발한 유사량 산정시스템을 이용하여 총유사량을 산정한다. 또한 HEC-6 모형을 탑재한 HEC-RAS 4.1 모형과 2차원 모형인 CCHE2D 모형을 적용하여 장・단기 하상변동을 모의한다.
하천에서의 유사량을 산정하기 위해 많은 공식들이 개발되었으며, 공식들의 계산결과는 실측자료 및 공식들 간에 큰 차이가 발생하고 있을 뿐만 아니라 하천특성에 따라 크게 변화하고 있어 실제 적용에 있어서는 신중함을 요구하고 있다. 본 연구에서는 국내 하천의 유사량 산정공식으로 널리 알려진 Engelund와 Hansen 공식, Ranga Raju 공식, Shen과 Hung 공식, Yang 공식과 수정 Einstein 공식 등을 적용하여 유사량을 산정하였다(Korea Institute of Construction Technology, 1989).
본 연구에서는 단기하상변동 분석을 위하여 CCHE2D 모형을 적용하였으며 격자는 200×400을 사용하여 모의 단면 계산의 세밀함을 높였고, 초기 모의조건으로 실측한 유량자료를 이용하였다.
본 연구에서는 대상유역의 장기하상변동 특성을 검토하기 위하여 HEC-RAS 4.1 모형을 적용하였으며, 10년 및 20년 경과 시 최심하상고의 변동양상을 분석하였다. 실제 하상의 변화를 정량적으로 파악하기 위해 2012년도 하천기본계획 측량성과 자료를 이용하였다.
측정은 수위별 유량측정 및 부유사 시료 채취를 동시에 수행하였으며, 채취한 부유사 시료에 대하여 부유사 입도 및 농도를 분석하여 부유사량을 산정하였다. 분석방법으로는 부유사의 경우 입도분석방법은 B/W관, 농도분석방법은 진공펌프를 이용한 여과법을 적용하였으며, 총유사량 산정은 한국건설기술연구원에서 개발한 SCST 및 SDCS 모형을 적용하였다.
Jia & Wang(2001)에 따르면 이 모형은 FEM을 이용하여 지배방정식을 근사적으로 해석하며 지배방정식은 각각 수심적분된 2차원 난류 흐름에 대한 운동량 방정식과 수심적분된 연속방정식으로 구성된다. 비정상흐름의 이동경계조건을 다루기 위해 DRY 기법을 사용하였으며, 유사모의는 수심적분된 2차원 이송-확산 방정식을 사용하고, 하상변동은 유사연속방정식을 적용하였다. 소류사 구간은 두께가 수심에 비해 매우 작으므로 Eq.
하상변동 모의시간은 각각 86,400초와 172,800초를 적용하였으며 시간 간격은 1초, 난류모의는 정확도가 높은 k-ε 모형을 사용하였다. 상류수위는 유량측정때 측정한 수위를 적용하였으며, 하류수위는 HEC-RAS 모형을 이용하여 산정하였다. 하상변동을 모의하기 위한 유사량 공식은 모형에 적용되어 있는 공식 중 입경분포별 계산이 가능하고 총유사량 이송을 모의할 수 있는 Wu et al.
본 연구에서는 입도분석을 위한 시료를 하천설계기준상의 시료 채취기준에 따라 한 단면(횡단면)에 대하여 3개 지점 이상에서 채취하였다. 채취된 하상재료의 입경분포 분석을 위하여 모래와 자갈은 KSF(2504) 및 KSF(2503), 미립토사에 대해서는 KSF(2308)의 시험법에 따라 체분석과 입도분석을 실시하여 통과중량백분율, 균등 및 곡률계수 등을 산정하였다. 재료조사 지점으로는 미천의 경우 전체 하천종단면의 6개 지점, 대명천의 경우 전체 하천종단면의 9개 지점을 선정하였으며, 각 하천 유량측정 지점의 하상재료 통과백분율을 나타내면 Table 1과 같다.
본 연구에서는 각 하천별 총유사량을 산정하기 위하여 측정한 유량과 하상토 입경자료, 부유사량 입도 및 농도자료를 활용하였다. 한국건설기술연구원의 유사량 산정시스템인 SCST 및 SDCS 모형을 이용하여 수정 Einstein 공식,Engelund와 Hansen 공식, Shen과 Hung 공식, Yang 공식과Ranga Raju 공식을 이용하여 총유사량을 산정하였다. 미천의 경우 수정 Einstein 공식은 0.
성능/효과
(1) 본 연구의 대상유역에서 적용한 총유사량 산정공식인 Engelund와 Hansen 공식, Ranga Raju 공식, Shen과 Hung 공식, Yang 공식과 수정 Einstein 공식 중에서 수정 Einstein 공식이 실측치와 유사한 결과를 나타내었다.
(3) 수정 Einstein 공식에 의한 총유사량-유량 관계는 산지하천인 미천의 경우, QTS = 0.879Q1.732, 결정계수는 R2 = 0.911이며, 도시하천인 대명천의 경우, QTS = 1.620Q0.975, 결정계수는 R2 = 0.892로 나타났다.
(4) 단기하상변동 분석의 경우 산지하천인 미천이 도시하천인 대명천 보다는 하상변동이 크게 발생하였으며, 홍수기에 비하여 평・갈수기의 하상변동은 미미한 것으로 나타났다.
(5) 장기하상변동 분석의 경우 산지하천인 미천은 지속적인 하상변동이 진행되어 20년 경과 후에는 안정하상에 도달할 것으로 예상되며, 도시하천인 대명천은 현재 안정하상에 도달한 것으로 판단되어 도시하천이 상대적으로 산지하천에 비하여 하상변동이 작은 것으로 나타났다.
각 하천별 산정된 총유사량 결과를 살펴보면, 전체적으로 동일 유량에서 도시하천인 대명천 보다는 산지하천인 미천의 총유사량이 크게 발생하는 것으로 나타났다.
19를 살펴보면 미천 유역은 부분적으로 하상변동이 발생하는 것으로 나타났으며 특히 보, 낙차공 직상류에 퇴적이 발생하고 직하류에 침식이 발생하는 것으로 예측되었다. 구간별 기간별 평균 하상고 변화량을 산정한 결과, 전 구간에 대해 향후 10~15년 후 0.031 m, 15~20년 후에는 0.010 m로 변화되며, 기간이 길어짐에 따라 하상고 변화량이 감소하며 안정하상에 도달하는 것으로 판단된다.
총유사량은 부유사량보다 적을 수 없으며 유사한 경향을 갖는 총유사량을 선정하게 된다. 대상 유역에서 관측된 유량과 부유사량, 하상토 자료를 고려하여 검토한 결과, 물리적 연관성이 확인되는 수정 Einstein 공식을 이용하여 산정한 총유사량이 가장 적합한 것으로 판단되었다. 미천의 경우, 총유사량-유량 추정식은 QTS = 0.
대명천 유역의 모의를 위하여 대상구간은 월암교 지점을 시점으로 유역 출구점까지 하류 방향 2 km로 지정하였다. 실측한 자료 중에서 홍수기 유량인 260.870 m3/s, 평수기 유량인 52.120 m3/s, 갈수기 유량인 0.017 m3/s가 사용되었으며, 총유사량은 홍수기 210.587 tons/day, 평수기 25.125 tons/day, 갈수기 0.015 tons/day가 적용되었다.
1일과 2일 동안의 모의과정에서 큰 변화는 없었지만, 시간이 흐를수록 하류 방향으로 200~400 m 지점까지의 퇴적된 유사가 침식이 진행되면서 하상이 좀 더 평탄화 과정이 진행되는 것이 보인다. 이를 보아 시간이 경과함에 따라서 하상의 퇴적과 침식에는 유기적인 관계가 있어 일정량 이상의 변화를 보이다가 차츰 안정화된다는 사실을 알 수가 있다.
후속연구
본 연구의 수행으로 향후 산지 및 도시하천의 정비에 따른 하도관리 및 보운영 등에 영향을 미치는 유입・유사량 및 하상토의 분석에 따라 준설하도 및 수공구조물을 유지・관리하는데 합리적인 기준을 제시할 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
하천형태의 변화는 어떤 원인으로 발생하는가?
하천의 중・장기적인 계획수립 및 활용 면에서 유역에 유입되는 유량 및 유사량의 변화를 정량적으로 파악하고 예측하는 것은 매우 중요하다. 일반적으로 하천형태의 변화는 하상을 구성하고 있는 입자들의 움직임에 의해 좌우되며,입자들이 흐름을 통하여 침식되거나 퇴적되기 때문에 발생하게 된다. 국내의 경우 대부분의 하천이 충적하천 유역으로부터 유입되는 유사로 인하여 다양한 문제가 발생하고 있지만, 이와 관련된 연구는 미흡한 상태이다.
하천의 중・장기적인 계획수립 및 활용에 있어 필수적인 요소는 무엇인가?
국내의 경우 대부분의 하천이 충적하천 유역으로부터 유입되는 유사로 인하여 다양한 문제가 발생하고 있지만, 이와 관련된 연구는 미흡한 상태이다. 특히 하천의 하상변동 예측에서 유사량은 가장 중요한 변수이므로 유사량의 정량적인 파악은 하천계획과 관리에 필수 요소라 할 수 있다. 실제 실무에서 직접 실측하는 방법이 가장 좋은 방법이지만 인력과 비용 등의 문제로 기존의 유사량 추정공식을 통해 산정하는 것이 일반적이다.
하천형태의 변화는 무엇에 영향을 받는가?
하천의 중・장기적인 계획수립 및 활용 면에서 유역에 유입되는 유량 및 유사량의 변화를 정량적으로 파악하고 예측하는 것은 매우 중요하다. 일반적으로 하천형태의 변화는 하상을 구성하고 있는 입자들의 움직임에 의해 좌우되며,입자들이 흐름을 통하여 침식되거나 퇴적되기 때문에 발생하게 된다. 국내의 경우 대부분의 하천이 충적하천 유역으로부터 유입되는 유사로 인하여 다양한 문제가 발생하고 있지만, 이와 관련된 연구는 미흡한 상태이다.
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