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문제 정의
- 따라서 본 기사에서는 하구역에 설치된 방조제내측의 홍수위 검토를 위한 수치해석 방법과 수치 모델의 검보정 사례 등을 소개하고자 한다.
- 특히 새만금지구와 같이 하구역에 설치된 방조제 내측 홍수위의 경우에는 호우에 의한 홍수파의 전파와 외해측의 조석조건, 그리고 배수갑문을 통한 담수의 방류 조건 등의 상호작용 영향을 모두 고려하여야 하므로 해석하기가 매우 까다롭다. 본 기술기사에서는 새만금지구의 홍수위 산정 사례를 소개함으로써 하구역에서의 홍수위 산정방법과 수치해석 모형의 검증안에 대해 간단히 제시하였다. 본 기사가 국내 하구역의 홍수위 산정이나 이와 유사한 해외 사업 수행에 있어서 하나의 참고자료가 되길 기대하며, 향후 추가 연구 계획에 대해서도 간단히 소개하면 다음과 같다.
제안 방법
- 가장 취약한 조석 조건은 연속된 5개 조차의 평균이 가장 작은 경우를 분석을 통해 도출하였다. 그리고, 홍수 발생 가능성이 없는 동절기(11월~4월)는 제외하고 하절기(5월~10월)만을 대상으로 하여 취약 조석조건을 결정하였다.
- 농림수산식품부(2008)는 조석 조건이 소조기, 대조기 및 고극조위인 경우에 대하여 각각 홍수위를 계산하였으며, 배수조건이 불리한 소조기가 대조기에 비해 취약한 것으로 확인되었다. 따라서 가장 취약한 조석 조건을 찾기 위해 국립해양조사원이 군산외항 지점에서 조사한 조위관측자료를 활용하여 홍수시 가장 취약한 조차가 가장 작은 기간을 분석하였다. 조석 분석을 위해 1981년 1월~2011년 12월까지 31년간의 관측자료를 이용하였다.
- 2cm로 가장 낮은 것으로 파악되었다. 따라서 전술한 기간을 새만금 내부 홍수위 산정을 위한 조석 조건 및 시나리오 기간으로 선정하였다. 2009년 7월 30일에서 8월 3일까지의 외해측 조위는 새만금 내부 관리수위인 EL.
- 모형의 타당성 검토를 위한 검증기간은 최근 5개년(2008~2012년)간의 관측자료를 분석하여 비교적큰 홍수사상이 발생한 2009년 7월 14일~18일 사이로 설정하였다. 모형의 검증을 위해 만경강 상류단 경계조건은 목천수위표의 수위자료를 바탕으로 목천관측소 수위유량관계곡선도(국토해양부, 2009)를 이용하여 유량을 산정하였으며, 하류단 경계조건은 방조제 내측의 조위탑에서 계측된 수위를 적용하였다. 비교 결과 수치해석을 통한 계산결과와 관측된 수위가 비교적 일치함이 확인되었다.
- 홍수 시에는 호내 수위가 외해측 조위보다 높을 경우에만 배수갑문을 개방하여 호내의 담수를 외해로 방류한다. 배수갑문을 통한 유량은 본 모델에서 암 거(culvert)를 통한 흐름으로 간주하여 유량공식을 적용하였다. 특히 배수갑문 개방시 갑문의 하단고는 호측 EL.
- 상류 하천흐름에 대한 수치모델의 타당성을 검토하기 위해 만경대교 지점에서 관측된 수위와 모형에 의해 계산된 수위를 비교하였다. 모형의 타당성 검토를 위한 검증기간은 최근 5개년(2008~2012년)간의 관측자료를 분석하여 비교적큰 홍수사상이 발생한 2009년 7월 14일~18일 사이로 설정하였다.
- 새만금지구 홍수위 산정을 위한 해석범위는 방조제로 인한 흐름 변화가 개방경계에서의 물리현상 왜곡을 발생시키지 않도록 하기 위해 모델경계를 방조제로부터 최소 18km의 충분한 거리를 두어 결정하였다. 동진강 및 만경강의 하천경계는 동진강의 경우 가력배수갑문으로부터 41.
- 새만금지구의 조위 재현 정확도를 검증하기 위해 새만금지구의 신시 및 가력 수위탑과 해측 조위 탑에서 2007년 4월 11일부터 4월 15일 사이의 대조기 동안 관측한 조위와 비교하였다. 이 시기동안 가력 및 신시배수갑문은 모두 개방되어 있었다.
- 외해측 조석조건은 1998년 개발한 ‘황해광역모델’을 이용하여 1년간 조석을 발생시켰으며, 각 경계에서의 발생 조위를 조화분석하여 그 조화상수 값을 결정하였다.
- 홍수시 상류 하천의 유입유량 시계열은 본류의 경우 동진강 및 만경강 유역종합치수계획(익산지방국토관리청, 2009), 소유역의 경우 새만금지구 수문조사보고서(농림수산식품부, 2008)의 수문자료를 적용하였다. 특히 동진강 및 만경강 유역의 본류 유입 홍수량은 반경대교 지점, 동진강 유역의 본류 유입 홍수량은 동진대교 지점의 홍수량을 적용하였으며, 만경강 및 동진강 본류의 최대 홍 수량은 각각 5,950㎥/sec, 3,368㎥/sec이다. 소유역에 대한 수문자료는 홍수유출에 대한 실측자료가 존재하지 않아 강우강도와 각 소유역의 특성 자료를 이용하여 HEC-1 모형에 의한 SCS 합성 단위도법으로 분석하였다.
대상 데이터
- 새만금지구의 홍수위를 산정하기 위해 3장과 같은 경계조건을 적용하였으며, 4장과 같은 방법을 통해 모형을 검증하였다. 검증된 수치해석 모델을 활용하여 새만금 홍수위를 계산하였는데, 새만금지구의 지형조건은 2020년 1단계 완료 시점과 2030년 2단계 완료 시점을 대상으로 하였다. 이는 그림 7을 참고할 수 있다.
- 대상 해역의 격자망 구성은 그림 2와 같이 UTM 좌표계에서 곡선직교격자를 적용하였다. 동서방향으로 347개, 남북방향으로 450개, 수직방향으로 3개의 격자로 격자망을 구성하여 총 468,450개의 격자를 사용하였다.
- 대상 해역의 격자망 구성은 그림 2와 같이 UTM 좌표계에서 곡선직교격자를 적용하였다. 동서방향으로 347개, 남북방향으로 450개, 수직방향으로 3개의 격자로 격자망을 구성하여 총 468,450개의 격자를 사용하였다. 새만금호 내측과 외측의 주 흐름영역이 되는 신시 및 가력 배수갑문 부근의 경우보다 상세한 흐름특성 재현을 위해 격자를 보다 조밀하게 구성하였다.
- 상류 하천흐름에 대한 수치모델의 타당성을 검토하기 위해 만경대교 지점에서 관측된 수위와 모형에 의해 계산된 수위를 비교하였다. 모형의 타당성 검토를 위한 검증기간은 최근 5개년(2008~2012년)간의 관측자료를 분석하여 비교적큰 홍수사상이 발생한 2009년 7월 14일~18일 사이로 설정하였다. 모형의 검증을 위해 만경강 상류단 경계조건은 목천수위표의 수위자료를 바탕으로 목천관측소 수위유량관계곡선도(국토해양부, 2009)를 이용하여 유량을 산정하였으며, 하류단 경계조건은 방조제 내측의 조위탑에서 계측된 수위를 적용하였다.
- 외해측 조석조건은 1998년 개발한 ‘황해광역모델’을 이용하여 1년간 조석을 발생시켰으며, 각 경계에서의 발생 조위를 조화분석하여 그 조화상수 값을 결정하였다. 새만금 방조제 외해의 조석 재현을 위해 M2, S2, K1, O1 등을 포함한 38개 분조가 적용되었다.
- 새만금호 내측과 외측의 주 흐름영역이 되는 신시 및 가력 배수갑문 부근의 경우보다 상세한 흐름특성 재현을 위해 격자를 보다 조밀하게 구성하였다. 수치해석을 위한 지형자료는 가장 최근에 시행된 수심측량 자료를 이용하였으며, 새만금 내부의 수심은 새만금종합 개발계획 상의 단계별 준설계획을 반영하였다.
- 따라서 가장 취약한 조석 조건을 찾기 위해 국립해양조사원이 군산외항 지점에서 조사한 조위관측자료를 활용하여 홍수시 가장 취약한 조차가 가장 작은 기간을 분석하였다. 조석 분석을 위해 1981년 1월~2011년 12월까지 31년간의 관측자료를 이용하였다. 가장 취약한 조석 조건은 연속된 5개 조차의 평균이 가장 작은 경우를 분석을 통해 도출하였다.
- 홍수시 상류 하천의 유입유량 시계열은 본류의 경우 동진강 및 만경강 유역종합치수계획(익산지방국토관리청, 2009), 소유역의 경우 새만금지구 수문조사보고서(농림수산식품부, 2008)의 수문자료를 적용하였다. 특히 동진강 및 만경강 유역의 본류 유입 홍수량은 반경대교 지점, 동진강 유역의 본류 유입 홍수량은 동진대교 지점의 홍수량을 적용하였으며, 만경강 및 동진강 본류의 최대 홍 수량은 각각 5,950㎥/sec, 3,368㎥/sec이다.
데이터처리
- 조석 분석을 위해 1981년 1월~2011년 12월까지 31년간의 관측자료를 이용하였다. 가장 취약한 조석 조건은 연속된 5개 조차의 평균이 가장 작은 경우를 분석을 통해 도출하였다. 그리고, 홍수 발생 가능성이 없는 동절기(11월~4월)는 제외하고 하절기(5월~10월)만을 대상으로 하여 취약 조석조건을 결정하였다.
이론/모형
- 3차원 모의를 위한 연직방향 격자는 좌표 접근법을 따른다. Delft3D는 Boussinesq 가정하에서 비압축성 유체에 대한 Navier-Stokes 방정식을 푼다. 연직방향의 운동량방정식에서 연직방향 가속도를 무시한 정수압 방정식을 채택한다.
- 연직방향의 운동량방정식에서 연직방향 가속도를 무시한 정수압 방정식을 채택한다. Delft3D에서 채택한 지배방정식은 Delft3D User Manual(Deltaret, 2011)을 참고할 수 있으며, 본 기사에서는 지배방정식의 소개는 생략한다.
- 새만금지구의 홍수위를 검토하기 위한 수치해석 모델은 네델란드 Deltares사에서 개발한 준3차원 모델 Delft3D를 적용하였다. Delft3D는 곡선직교 격자(Curvilinear Orthogonal Grid)를 기반으로 조석이나 홍수 등에 의해 발생하는 비정상류와 이송현상을 계산하는 동수역학 모델이다.
- 특히 동진강 및 만경강 유역의 본류 유입 홍수량은 반경대교 지점, 동진강 유역의 본류 유입 홍수량은 동진대교 지점의 홍수량을 적용하였으며, 만경강 및 동진강 본류의 최대 홍 수량은 각각 5,950㎥/sec, 3,368㎥/sec이다. 소유역에 대한 수문자료는 홍수유출에 대한 실측자료가 존재하지 않아 강우강도와 각 소유역의 특성 자료를 이용하여 HEC-1 모형에 의한 SCS 합성 단위도법으로 분석하였다. 최종적으로는 아래 그림 3과 같이 만경수역에는 본류를 포함하여 21개 (MK9~MK29) 지류, 동진수역에서는 동진강 본류를 포함하여 13개(DJ7~DJ19)의 지류가 유입되는 것을 재현하였다.
- 따라서 배수갑문을 통한 방류 흐름은 높이가 매우 높은 직사각형 암거를 통한 흐름으로 볼 수 있다. 이와 같이 배수갑문을 통한 유량 산정은 Bodhane(1982) 및 French(1986)에 의해 제시된 유량공식을 적용하였다.
성능/효과
- 해측 조위관측탑의 위치는 그림 1에서 pt-2 지점이며, 새만금방조제 호내 조위탑은 각각 가력배수갑문 및 신시배수갑문 내측에 위치한다. 만금 호측에 위치한 가력 수위탑의 시뮬레이션 기간 관측치와 모형 추정치의 RMSE는 0.005m로 나타났으며, 신시 수위탑의 RMSE는 0.003m로 모형은 실제 호측 수위를 잘 모의하는 것으로 나타났다. 새만금 해측에 위치한 조위탑의 시뮬레이션 기간 관측 조위와 추정 조위의 RMSE는 0.
- 분석 결과 2009년 7월 31일 00시~2009년 8월 1일 17시 사이의 조차가 평균 220.2cm로 가장 낮은 것으로 파악되었다. 따라서 전술한 기간을 새만금 내부 홍수위 산정을 위한 조석 조건 및 시나리오 기간으로 선정하였다.
- 모형의 검증을 위해 만경강 상류단 경계조건은 목천수위표의 수위자료를 바탕으로 목천관측소 수위유량관계곡선도(국토해양부, 2009)를 이용하여 유량을 산정하였으며, 하류단 경계조건은 방조제 내측의 조위탑에서 계측된 수위를 적용하였다. 비교 결과 수치해석을 통한 계산결과와 관측된 수위가 비교적 일치함이 확인되었다. (그림5)
- 003m로 모형은 실제 호측 수위를 잘 모의하는 것으로 나타났다. 새만금 해측에 위치한 조위탑의 시뮬레이션 기간 관측 조위와 추정 조위의 RMSE는 0.196m로, 시뮬레이션 기간 관측값의 평균 조차인 3.3m의 6% 이내에 들어가는 것으로 나타났다. 수치해석 결과 및 관측치의 비교는 아래 그림 6을 참고할 수 있다.
- 소유역에 대한 수문자료는 홍수유출에 대한 실측자료가 존재하지 않아 강우강도와 각 소유역의 특성 자료를 이용하여 HEC-1 모형에 의한 SCS 합성 단위도법으로 분석하였다. 최종적으로는 아래 그림 3과 같이 만경수역에는 본류를 포함하여 21개 (MK9~MK29) 지류, 동진수역에서는 동진강 본류를 포함하여 13개(DJ7~DJ19)의 지류가 유입되는 것을 재현하였다.
- 이를 위하여 현재 농어촌 연구원 수리실험실에서는 다양한 수위 및 유량 조건에 대한 수리모형실험을 수행하고 있으며 한양 대학교 건설환경공학과 강석구 교수 연구팀과 공동으로 슈퍼컴퓨터 기반의 3차원 전산유체역학모형(Kang and Sotiropoulos, 2012)을 이용한 배수갑문 방류량 예측과 정밀 3차원 흐름 예측에 관한 연구를 수행하고 있다. 해당 수치모형은 국내에서 널리 사용되던 기존의 상용 3차원 프로그램에 비하여 월등히 높은 정밀도로 실험실에서 측정된 수위 및 유량조건을 재현하는 것으로 밝혀졌다. 본 연구 결과는 홍수위 산정 수치해석 모델의 배수갑문 부분에 추가적으로 적용될 예정이다.
후속연구
- 장기 하상 변동에 의해 새만금지구의 지점별 최대 홍수위가 변할 경우 기 건설된 방수제나 농업용지 등에 큰 재해 발생이 우려된다. 따라서, 장기 하상변동에 관한 연구와 이에 따른 홍수위 변화에 대해서도 추가 연구가 수행될 예정이다.
- 해당 수치모형은 국내에서 널리 사용되던 기존의 상용 3차원 프로그램에 비하여 월등히 높은 정밀도로 실험실에서 측정된 수위 및 유량조건을 재현하는 것으로 밝혀졌다. 본 연구 결과는 홍수위 산정 수치해석 모델의 배수갑문 부분에 추가적으로 적용될 예정이다. 또한, 새만금지구의 경우 장기적인 지형변동에 의해 홍수위가 영향을 받을 우려 또한 존재한다.
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