[논문]수치모형 적용을 통한 나주 강변저류지 홍수위 저감효과 분석

이동섭; 김형준; 조길제

doi:10.5762/kais.2014.15.9.5801

[국내논문] 수치모형 적용을 통한 나주 강변저류지 홍수위 저감효과 분석
Analysis of Flood Level Mitigation due to the Naju Retention-Basin by Numerical Model Application 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.15 no.9, 2014년, pp.5801 - 5812

이동섭 (한국건설기술연구원 하천해안연구실) , 김형준 (한국건설기술연구원 하천해안연구실) , 조길제 (한국건설기술연구원 하천해안연구실)

초록
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강변저류지는 일정 규모 이상의 홍수를 하도로부터 분배하여 홍수량을 저감시킴으로써 홍수위험을 저감시키는 수공 구조물이다. 본 연구에서는 강변저류지에 의한 홍수저감효과를 분석하기 위하여 수치모의를 수행하였다. 기후변화에 의한 이상홍수 발생시, 홍수저감효과를 분석하기 위하여 계획빈도를 상회하는 수문조건에 대한 검토를 수행하여 강변저류지의 홍수조절능력을 분석하였다. 또한, 강변저류지가 설치된 하천은 복잡한 지형과 횡월류위어를 통하여 강변저류지로 분배되는 흐름이 동시에 발생하므로 복잡한 흐름현상을 구현하기 위하여 2차원 모형의 적용성을 검토하였다. 기존 강변저류지 홍수저감효과 분석시 주로 활용되는 1차원 모형과 2차원 모형의 결과를 비교 및 검토하였다. 본 연구결과 강변저류지에 의한 홍수저감효과를 모의하기 위해서는 지형 및 횡월류 흐름을 공간적으로 구현할 수 있는 2차원 모형을 활용하는 것이 합리적인 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The retention basin is a hydraulic structure for flood mitigation by storing river flow over a design flood. In this study, numerical models were adopted to simulate the flood mitigation effects by a retention basin. The large flood condition was applied as a boundary condition to consider an abnormal flood caused by climate change. Furthermore, the two-dimensional numerical model was adopted to regenerate the complex flow pattern due to the topography and lateral flow near the retention basin. The numerical results of the one- and two-dimensional model were analyzed and compared. The results showed that the two-dimensional model is more applicable to assessing flood mitigation by the retention basin with a complex topography and lateral flow patterns.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

후)강변 저류지로">강변저류지로 인하여 홍수 조절 및 생물 다양성 증진 효과를 동시에 기대할 수 있으므로, 강변저류지의 조성을 통한 다각적인 치수대책 수립 가능성을 제시하였다. 유병국 후)저감 효과를">저감효과를 분석하였다. 또한 각 모형에서 모의한 결과를 바탕으로 홍수위 저감 효과 분석을 위한 각 모형의 적용성을 검토하였다.
본 연구에서는 기존 연구에서 강변저류지의 치수적 효과를 검토하기 위하여 주로 사용하였던 HEC-RAS 모형 외에 FLDWAV 모형을 동시에 적용하여 강변저류지의 홍수위 저감 효과를 검토하였다.
나주 강변저류지의 홍수위 저감효과를 분석하기 위해서 영산강에 발생한 최근 10년간의 홍수사상을 검토하였 다. 검토 결과
제안 방법
- 일본에서는 Fukuoka et al.[7]이 일본의 대표적인 강변저류지인 츠루미가와 유수지의 모니터링 자료를 이용하여 강변저류지 홍수조절효과를 분석할 수 있는 2차원 수치모형을 개발하였다.
- 본 연구에서는 신규 도입된 강변저류지 중 영산강 유역에 위치한 나주 강변저류지를 대상으로 1차원 및 2차원 수치모의를 수행한 후 대하천에서의 강변저류지에 의한 홍수위 저감효과를 분석하였다. 1차원 후)저감 효과를">저감효과를 분석하였다. 1차원 수치모의는 HEC-RAS 및 FLDWAV 모형의 저류지 기능을 적용하여 부정류 모의를 통하여 홍수위 저감효과를 분석하였으며, 2차원 수치모의는 CCHE2D 모형을 적용하여, 1차원 모형과 동일한 홍수 사상에 대하여 동일한 구간에 대한 하도와 저류지의 지형자료를 적용하여 홍수위 저감효과를 분석하였다. 또한 각 모형에서 모의한 결과를 바탕으로 홍수위 저감 효과 분석을 위한 각 모형의 적용성을 검토하였다.
- 40 m이다. 나주 강변저류지의 월류제는 영내부산강의 흐름 방향과 직각으로 시공되어있어 안정성을 위하여 월류제의 하천측 비탈 경사는 1:3으로 계획되었으며, 저류지측 비탈면은 1:8의 경사로 계획되었다. 그리고 유출부는 별도의 3 %인 El. 6.72 m를 기록한 2010년 7월 10일에서 동년 7월 15일까지 발생한 홍수사상에 대한 호우사상을 1차원 모형에 적용하였다. 적용 결과 Fig.
- 후)강변 저류지">강변저류지 월류제의 월류 수위에 도달하는 수문곡선을 재현하기 위하여 하천기본계획 상 광주 우량관측소 지점에서 지속시간 24시간에 대하여 200년 빈도, 500년 빈도 확률강우량을 적용하여 하천기본계획의 홍수량 산정 절차에 따라 재현하였다[28]. 광주 후)우량 곡선을">우량곡선을 얻을 수 있었다. 그리고 영산강 홍수예보모형에 포함된 수문모형을 이용하여 Fig. 4의 호우사상을 영산강 유역에 적용시켜 나주, 영산포 수위관측소 지점 에서의 200년 빈도와 500년 빈도에 대한 수문곡선을 생성하였다(Fig. 5 참조). 이를 바탕으로 상류 이를">참조). 이를 바탕으로 상류 경계조건으로는 나주 수위관측소 지점의 유량 곡선을 적용하였으며, 하류 경계조건으로는 영산포 수위관측소 지점의 수위 곡선을 적용하였다.
- ">반영하였다[30]. FLDWAV 모형은 하폭(B)과 표고(H)의 조합으로 이루어진 선형화된 표를 사용하여 하도의 불규칙한 단면 형상을 반영하는데, 본 연구에서는 12개의 B-H 조합을 사용하여 단면의 지형적 특성을 반영하였다.
- 17 m로 나타났다. 이에 따라 본 연구에서는 하도 홍수위 저감 효과가 가장 크게 나타난 유량계수 1.8을 적용하여 분석하였다.
- HEC-RAS 모형과 CCHE2D 모형으로 앞에서 설정한 가상 홍수 사상에 대하여 나주 강변저류지의 홍수위 저감효과를 분석하였으며, 그 결과는 Fig. 10 ～ 11과 같다. 1차원 모형인 HEC-RAS 모형으로 모의한 경우에는 Fig.
대상 데이터
- 본 연구에서는 영산강 하천기본계획[27] 상의 나주대 교(나주 수위관측소) No. 130+410 지점부터 영산대교(영 산포 수위관측소) No. 119+390지점까지 5.33 km 구간을 대상으로 하였다(Fig 2 참조). 대상구간 내 후)하도 구간은">하도구간은 하폭방향으로 50개, 흐름방향으로 326개의 격자로 구성하였으며 총 격자수는 16,300개이며, 강변저류지 구간은 월류제와 저류지에서 각각 하폭방향 으로 3개와 57개, 흐름방향은 21개와 139개로 구분하여총 7,986개의 격자로 구성하였다(Fig. 8(b) 참조).
데이터처리
- 후)보여주고">보여 주고 있다. 그림에서 각 지점은 1차원 모형에 적용된 측선간 거리를 고려하여 선정하였으며, 이를 바탕으로 하여 모의 결과를 분석하였다.
이론/모형
- ">있다[20]. 본 연구에서 적용된 CCHE2D 모형은 NCCHE에서 개발된 2차원 수심적분 모형으로 운동량 방정식과 연속방정식을 지배방정식으로 하고 있으며, 상류및 사류 흐름과 천이영역에 대한 수치모의가 가능하다. Navier Stokes 방정식에 7 mm(500년 빈도)이다. 강우의 시간적 분포를 구하기 위하여 Huff의 4분위법을 적용하였으며 광주 우량관측소는 전 지속시간에 대해 평균 강우강도를 상회하는 중호우 사상에서는 2분위에 해당되며 확률곡선 중 50 %에 해당하는 누가곡선의 각 분위별 누가우량 백분율을 통해 Fig. 4와 같은 우량곡선을 얻을 수 있었다. 그리고 영산강 본 연구에서는 HEC-RAS와 FLDWAV 모형을 사용 하여 1차원 수치모의를 하였으며, 영산강살리기사업의 2012년 측량자료를 사용하여 총 23개의 횡단면을 각각 반영하였다[30]. FLDWAV 모형은 하폭(B)과 표고(H)의 조합으로 이루어진 선형화된 표를 사용하여 하도의 불규칙한 본 연구에서는 나주 강변저류지의 홍수위 저감효과를 검토하기 위하여 1차원 모형인 HEC-RAS와 FLDWAV 및 2차원 모형인 CCHE2D를 이용하였다.

성능/효과

검토 결과 첨두홍수위가 나주 강변저류지의 유입부의 월류고를 상회하는 홍수 사상은 확인되지 않았으며, 분석을 위하여 검토한 홍수사상 중 가장 큰 홍수 사상인 나주저류지의 유입부가 위치하는 No. 124 지점의 설계홍 수량 6,760 m³/s의 26.2 %인 1769.13 m³/s, 계획홍수위 El.
7(a) ～ (b)와 같다. 그림에서 볼 수 있듯이 범위내의 유량계수를 적용하였을 때 강변저류지 설치로 인한 홍수위 저감효과가 전혀 나타나지 않았으며, 강변저류지가 없는 조건의 홍수위보다 수위가 높게 나타났다. 또한 Fig.
7의 조건과 Fig. 7(b)의 유량계수 1.2의 조건에서는 수위가 안정되지 않고 상승 및 하강의 변동 폭이 매우 크게 나타났다. 유량계수의 값이 작아질수록 홍수위는 점점 낮아지는 경향을 보이고 있지만 모형에서 제안된 범위 밖의 유량계수(1.
후)유량계수와">유량계수와 동일한 범위의 유량계수를 HEC-RAS 모형에 적용하여 검토한 결과이다. 그림에서 볼 수 있듯이 유량계 수의 변화에 따라 조금의 차이는 보이지만 범위내의 모든 조건에서 홍수위 저감 효과가 나타났다. 저류지가 없을 경우의 후)범위 내의">범위내의 모든 조건에서 홍수위 저감 효과가 나타났다. 저류지가 없을 경우의 첨두홍수위와 비교하였을 때, 200년/500년 빈도별 최대 첨두홍수위 차이는 유량계수 1.4 조건에서 각각 0.13 m, 0.15 m, 유량계수 1.5 조건에서는 각각 0.13 m, 0.16 m, 유량계수 1.6 조건에서는 각각 0.14 m, 0.16 m, 유량계수 1.7 조건에서는 각각 0.14 m, 0.17 m, 유량계수 1.8 조건에서는 각각 0.15 m, 0.17 m로 나타났다. 이에 후)강변 저류지의">강변저류지의 유무에 따른 첨두홍수위 차이를 나타내고 있다. HEC-RAS 모의 결과에서 첨두홍수위 차이는 200년 빈도의 수문조건일 때, 전체 하도 구간에서 평균 0.11 m의 홍수위가 저감되었으며, 상류구간인 No.125 ～ 128 구간에서 0.15 m로 최대 첨두홍수위 차이가 모의되었다. 500년 빈도의 모형 적용 결과로 판단할 때 나주 강변저류지의 가장 큰 지형적 특성은 대상 구간의 영산강 하도 만곡부 부분에 월류제를 위치 시켜 홍수 시 월류제의 월류 특성 및 효율을 향상시키는 것이다. 따라서 후)저감능력을">저감 능력을 검토하는 경우 이러한 지형적 특성을 정확히 반영하는 것이 매우 중요하다고 할 수 있다. 따라서 적용성을 실제 홍수 사상과 비교할 때 현재의 연구 결과로 판단해 보면, 만곡부의 영향을 반영할 수 있는 2차원 수치모의를 나주 강변저류지의 치수 능력을 검토하는 것이 1차원 수치모의 보다는 더 적합한 것으로 사료된다.
FLDWAV 모형은 모형에서 제안하는 횡월류위어의 유량계수 범위에서는 저류지가 없는 조건에서 모의된 홍수위에 비하여 오히려 수위가 높게 모의되었으며, 일부 조건에서는 수위의 변동 또한 매우 크게 나타났다. 이와 같이 나주 1차원 모형인 HEC-RAS의 모의 결과에서는 각 빈도별 수문조건에서 월류제의 상류 구간인 No. 125 ～ 128구간과 No. 124+250 ～ 130 구간에서 첨두홍수위의 차이가 각각 0.15 m와 0.17 m로 가장 크게 나타났으며, 하류로 갈수록 홍수위의 차이가 감소하였다. 2차원 모형인 CCHE2D 모의 결과는 200년 빈도의 수문조건에서 월류제가 포함된 No.
1차원 수치모의와 2차원 수치모의 모두 홍수위 저감 효과에 대해서는 0.13 ～ 0.19 m로 큰 차이 없이 나타났는데, 실제 나주 강변저류지의 홍수위 저감 능력이 수치 모의 결과로 대변된다고 할 수는 없지만, 본 연구에서 수행한 결과 홍수위 저감 효과가 나주 강변저류지의 규모를 고려할 때 기대 효과 보다 부족할 것으로 예상된다.

후속연구

후)홍수조절능력이">홍수 조절능력이 저하된 결과로 판단된다. 이에 따라 향후 강변저류지 설계 시에는 첨두 발생 이전에 저류지 홍수 방어 능력을 일정 이상 유지할 수 있는 설계 기법이 필요할 것으로 생각된다.
이와 같이 2차원 모형은 지형의 특성이 모의 결과에 반영되기 때문에 실제 발생될 수 있는 흐름 특성을 검토하기에 1차원 모형에 비하여 유리할 것으로 생각되나, 향후 나주 강변저류지의 홍수위 저감효과를 분석하기 위해서는 실제 월류가 발생한 홍수사상에 대하여 적용성 검토가 이루어져야 할 필요가 있다. 더불어 본 연구에서 사용된 지형자료를 개선하고 다양한 모형을 적용한 연구가 지속적으로 수행되어야 할 것 이다.
후)홍수 사상에">홍수사상에 대하여 적용성 검토가 이루어져야 할 필요가 있다. 더불어 본 연구에서 사용된 지형자료를 개선하고 다양한 모형을 적용한 연구가 지속적으로 수행되어야 할 것 이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	강변저류지의 한계점은?	강변저류지는 하천변에 부지를 확보하여 설치할 경우 홍수량을 조절하고 친환경 생태 공간으로 활용하는 것이 가능하며, 신규 제방을 설치하거나 기존 제방을 증고하기 위해서 하천 부지 확보가 어려워지는 현 상황에서 치수뿐만 아니라 하천의 환경, 생태적 측면을 모두 고려할 수 있어 관심이 증가하고 있다. 그러나 홍수조절효과에 대한 정량적 평가 시 발생 하는 불확실성 때문에 계획 단계에 머무르는 경우가 많았으며[1], 최근에야 대하천 정비사업을 통해서 국내에 도입되기 시작하였다.
	강변저류지란?	강변저류지는 일정 규모 이상의 홍수를 하도로부터 분배하여 홍수량을 저감시킴으로써 홍수위험을 저감시키는 수공 구조물이다. 본 연구에서는 강변저류지에 의한 홍수저감효과를 분석하기 위하여 수치모의를 수행하였다.
	강변저류지의 특징은?	강변저류지는 홍수량을 일시적으로 분담하여 홍수위 험도를 저감시키는 시설로 비홍수기에는 습지, 농경지, 생태 및 체육공원으로 활용할 수 있어 6월에서 9월 사이에 대부분의 강수가 집중되는 국내의 경우 활용 가치가 매우 높은 홍수 저감 시설이다. 강변저류지는 하천변에 부지를 확보하여 설치할 경우 홍수량을 조절하고 친환경 생태 공간으로 활용하는 것이 가능하며, 신규 제방을 설치하거나 기존 제방을 증고하기 위해서 하천 부지 확보가 어려워지는 현 상황에서 치수뿐만 아니라 하천의 환경, 생태적 측면을 모두 고려할 수 있어 관심이 증가하고 있다. 그러나 홍수조절효과에 대한 정량적 평가 시 발생 하는 불확실성 때문에 계획 단계에 머무르는 경우가 많았으며[1], 최근에야 대하천 정비사업을 통해서 국내에 도입되기 시작하였다.

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