[논문]합류부 하상고 불일치에 의한 분리구역 특성분석

최흥식; 모선재

doi:10.3741/jkwra.2015.48.8.625

합류부 하상고 불일치에 의한 분리구역 특성분석
An Analysis on the Characteristics of Separation Zone Due to a Bed Discordance at Confluence 원문보기

Journal of Korea Water Resources Association = 한국수자원학회논문집, v.48 no.8, 2015년, pp.625 - 634

최흥식 (상지대학교 건설시스템공학과) , 모선재 ((주)창설, 수자원부)

초록
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합류부에서의 지류의 합류각, 지류와 본류의 유량비에 추가하여, 본류 준설에 의한 하상고 불일치에 따른 다양한 양상의 분리구역의 특성을 CCHE2D 모형을 사용하여 분석하였다. 분리구역은 지류가 합류되어진 직후 단면에서의 유속이 0(영)인 경계로 정의하였다. 합류각 $30^{\circ}$ 이하에서는 분리구역이 형성되지 않았다. 유량비와 합류각 증가에 따른 분리구역의 크기는 일반적으로 증가하는 양상으로 나타났다. 준설 깊이비 증가에 따른 분리구역의 크기는 합류부 수용체의 증가에 기인한 지류에서의 상대적인 운동량의 감소로 인하여 감소되었다. 유량비와 합류각의 변화에 따른 분리구역의 수축지수를 규명하였고, 통수기능의 저하에 따른 배수영향을 확인하였다. 합류각, 유량비, 준설 깊이비에 따른 분리구역의 형상지수의 관계식을 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The diverse patterns of separation zone according to the marked bed discordance by dredging at confluence in addition to the confluence angle of tributary and discharge ratio between tributary and main channels have been analyzed by CCHE2D model simulation. The separation zone is defined by inside of zero velocity boundary at down-stream of confluence. The separation zone dose not formed at the $30^{\circ}$ of confluence angle of tributary. The size of separation zone increases as the discharge ratio and confluence angle increase in general. The separation zone decreases as the dredging depth increases which shows the relative momentum reduction compared by the flow volume increasing by dredging at confluence. The contraction factor with the variation of confluence angle and discharge ratio has been investigated and confirmed the corresponding conveyance decreasing results in backwater effect. The regression equation of shape factor with confluence angle and discharge and dredging depth ratios has been suggested.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 지류가 본류로 유입에 따른 유량비, 합류각에 추가하여 본류의 준설에 따른 지류와 본류와의 단차에 기인한 하상고의 불일치를 나타내는 준설 깊이비 변화에 따른 합류부 분리구역 형성을 분석하였다. 이는 홍수방어, 저류효과를 증대하고자 준설을 시도한 본류하천으로 유입하는 지류와의 합류부 구간에서의 수리특성의 변화 양상을 분석하고자 함이다.
2). 따라서 사용하는 CCHE2D모형의 사용성을 확인하였다.
본 연구에서는 복잡한 수리특성을 가진 합류부에서의 다양한 유량비, 합류각에 추가하여 합류부의 준설에 의한 하상고의 불일치에 따른 합류부의 수리특성을 규명하였다. 수치모형은 CCHE2D를 사용하였으며, 흐름모의를 통해 분석한 분리구역은 지류가 합류 되어진 직후 단면에서의 유속이 0(영)의 값을 나타나는 정체구간으로 설정하였다.
따라서 본 연구에서는 지류가 본류로 유입에 따른 유량비, 합류각에 추가하여 본류의 준설에 따른 지류와 본류와의 단차에 기인한 하상고의 불일치를 나타내는 준설 깊이비 변화에 따른 합류부 분리구역 형성을 분석하였다. 이는 홍수방어, 저류효과를 증대하고자 준설을 시도한 본류하천으로 유입하는 지류와의 합류부 구간에서의 수리특성의 변화 양상을 분석하고자 함이다.

제안 방법

모형수로의 격자는 본류흐름의 종방향으로 180개와 횡방향으로 40개의 격자를 설정하였고 지류흐름의 종방향으로 100개와 횡방향으로 32개의 격자를 설정하였다. 본류의 격자수는 동일하나 지류의 경우 합류각마다 각기 다른 격자수로 설정하였다.
모형의 적용성을 검토하기 위하여 합류각 90°에서의 분리구역 길이와 폭을 수로폭으로 나눈 분리구역의 길이와 폭을 실험값(Park, 2003)과 비교하였다.
이때 B는 본류의 폭, L_s는 분리구역의 거리, B_s는 분리구역의 폭을 나타낸다. 분리구역의 특성은 길이와 폭을 본류 하천폭으로 나눈 무차원 길이비(L_s/B)와 무차원 폭비(B_s/B)로 분석하였다. 분리구역의 형상지수(shape factor)는 B_s/L_s이고, 분리구역을 제외한 흐름단면 폭의 수축지수(contractionfactor)는 C_c=(B-B_s)/B이다.
본 연구에서는 복잡한 수리특성을 가진 합류부에서의 다양한 유량비, 합류각에 추가하여 합류부의 준설에 의한 하상고의 불일치에 따른 합류부의 수리특성을 규명하였다. 수치모형은 CCHE2D를 사용하였으며, 흐름모의를 통해 분석한 분리구역은 지류가 합류 되어진 직후 단면에서의 유속이 0(영)의 값을 나타나는 정체구간으로 설정하였다.
6). 아울러, 분리구역 크기의 증가에 따른 흐름단면이 감소되어 합류부 상류까지 더 큰 배수위 영향을 확인하였다(Fig. 7). 하지만, 30°의 합류각인 경우에는 분리구역이 형성되지 않았다.
Cho (2005)는 Park (2003)의 실험결과를 바탕으로 유함수를 이용하여 분리구역을 정의하고, 분리구역의 특성을 규명하였다. 합류각, 유량비, 본류 Froude수에 의한 분리구역의 무차원 길이비와 폭비에 의한 기존의 실험식을 수정하였고, 수축지수와 형상지수의 수리적 특성을 분석하였다. Park et al.

대상 데이터

모형수로는 본류 길이 1.80 m, 본류 수로의 폭 0.40 m, 지류 수로의 폭 0.32 m로 Park (2003)의 실내실험에서 사용된 수로제원을 사용하였으며(Fig. 1), 본류와 지류의 단차를 위해 본류수로바닥의 높이는 0.40 m로 설정하였다. 각 조건의 변화는 합류각 30°, 45°, 60°, 75°, 90°, 105°, 120°로 7가지, 유량비 0.
Park (2003)은 모형실험을 통해 유량비, 합류각 변화에 따른 합류부 수리특성을 분석하였다. 모형의 제원은 길이 1.80 m, 본류 수로의 폭 0.40 m, 지류수로의 폭 0.32 m, 수로의 높이 0.40 m이다(Fig. 1). 지류가 합류되어지는 각도는 90°이고, 지류와 합류부에서의 유량비는 0.

데이터처리

수치모형의 적용에 따른 모형의 검증을 위한 수치모의는 합류각 90°에서의 유량비 변화에 따른 분리구역 크기에 대한 Park (2003)의 결과 값과 비교하였다(Table 1).

이론/모형

금당천 합류부에서 본류 준설에 의한 하상고 불일치에 단면에 하상유지공 설치하고 그에 따른 수리와 지형 변화분석(Ji and Jang, 2014)에 CCHE2D 모형을 사용하였고, 본 분석에서 역시 합류부 수리특성을 잘 재현할 수 있었다. 아울러 고정상하도로 가정한 합류부에서 수리특성은 이동상 하도로 가정할 경우는 지류 상방으로의 침식에 의한 두부침식(head-ward erosion)으로 합류부 부근에서의 지형변화로 그에 상응하는 수리특성은 변화를 가져올 수 있다.
2차원 흐름 및 하상변동을 위한 수치해석모형은 River2D, RMA2의 SED2D, CCHE2D(Centerfor Computational Hydroscience and Engineering 2 Dimensional)모형 등이 있다. 합류부에서 분리구역 형성의 분석을 위한 수치모형은 상류와 사류영역의 흐름과 이차류(secondary flow)의 흐름과 이에 따른 하상변화가 모의 가능하고, 하상토 입도분포의 입력이 가능하고, 소류사와 부유사의 총유사의 이송형태에 대해 각각 모의 가능하고 다양한 형태의 유사량 공식의 적용이 가능하여 흐름과 하상변동 모의에 자주 사용(Ji and Jang, 2014; Kim, 2014)하는 CCHE2D모형을 사용하였다. CCHE2D는 미국 Mississippi 대학의 NCCHE(National Center for Computational Hydroscience and Engineering)에서 개발한 2차원 수치모형이다(Jia and Wang, 2001; Wu, 2001).

성능/효과

1) 유량비에 따른 분리구역의 크기는 유량비가 커질수록 증가되었다. 아울러 동일 유량비에서는 합류각이 커질수록 분리구역의 크기도 증가됨을 확인하였다.
2) 분리구역은 준설 깊이비가 커질수록 작아지는 경향으로 나타났다. 이는 준설에 의한 합류부에서 수용체의 용량의 증가로 인한 지류로부터의 유입 운동량의 상대적 감소를 가져와 분리구역의 크기는 감소되었다.
3) 유량비에 따른 분리구역의 형상지수의 관계로 보면 유량비 0.35이하인 경우 형상지수의 상관성을 찾기가 어렵다. 유량비 0.
4) 고정상 하도에서의 합류각, 준설 깊이비, 유량비에 따른 형상지수의 관계식은 B_s/L_s = 0.001dig-0.018z_dr+0.073Q_r-0.021이며, 결정계수는 0.686이다. 이관계식은 유량비와 합류각의 증가는 형상지수를 증가시키고, 반면에 준설 깊이비의 증가는 형상지수를 감소시킴을 보여준다.
60°∼75° 합류각에서는 준설 깊이비가 커질수록 분리구역의 길이비 및 폭비는 감소되는 것으로 나타났다.
그 결과 정상류의 흐름은 합류점과 지류의 유량비가 클수록 잘 나타나고 분리구역은 합류점의 각도가 45°, 70°, 90°로 갈수록 점차 커지고 수로의 유량비가 0.30∼0.35 범위에서 최대를 보이는 반면에 15°일 때는 45°, 70°, 90°인 경우와 반대의 현상이 나타났다고 하였다.
5는 합류각 90°에서 유량비 변화에 따른 분리구역의 길이비, 폭비와 형상지수를 그래프로 나타낸 것이다. 그림에서 확인할 수 있듯이 유량비가 증가함에 따라 분리구역의 길이 비 및 폭비와 형상지수가 증가함을 알 수 있다.
동일 유량비에서는 합류각이 커질수록 본류흐름과 충돌각이 증가하여 분리구역 길이비 및 폭비도 증가됨을 확인하였다(Fig. 6). 아울러, 분리구역 크기의 증가에 따른 흐름단면이 감소되어 합류부 상류까지 더 큰 배수위 영향을 확인하였다(Fig.
분리구역을 제외한 흐름단면 폭의 수축지수는 유량비와 합류각이 커짐에 따라 감소되며 수축지수와 흐름 단면적은 비례하므로 수축지수가 감소할수록 흐름단면이 감소되어 합류부 상류까지 더 큰 배수위 영향을 확인하였다. 합류각에 따른 수축지수는 유량비 0.
모형의 적용성을 검토하기 위하여 합류각 90°에서의 분리구역 길이와 폭을 수로폭으로 나눈 분리구역의 길이와 폭을 실험값(Park, 2003)과 비교하였다. 수치 모형의 입력변수인 조도계수와 난류 점성계수의 검정(calibration)을 수행하였고, 수치모의 결과와 실험값과의 비교결과 분리구역의 길이는 잘 일치하였으며, 분리구역의 폭은 유량비가 0.45에서 실험값보다 적게 나왔으나, 양상은 잘 일치하였다(Fig. 2). 따라서 사용하는 CCHE2D모형의 사용성을 확인하였다.
1) 유량비에 따른 분리구역의 크기는 유량비가 커질수록 증가되었다. 아울러 동일 유량비에서는 합류각이 커질수록 분리구역의 크기도 증가됨을 확인하였다. 또한 합류각 30°이하에서는 분리구역이 형성되지 않았다.
15의 경우 지류의 유량이 작아 수축지수의 상관성을 찾기가 어렵다. 유량비 0.35 이상의 경우 합류각이 커질수록 수축지수가 감소됨을 확인하였다. 준설 깊이비에 따른 수축지수는 60°∼75°의 합류각에서 준설 깊이비가 커질수록 증가되고 90°∼130°의 합류각에서는 준설 깊이비가 커질수록 형상지수는 미미하게 감소하였다(Fig.
준설 깊이비에 따른 수축지수는 60°∼75°의 합류각에서 준설 깊이비가 커질수록 증가되고 90°∼130°의 합류각에서는 준설 깊이비가 커질수록 형상지수는 미미하게 감소하였다(Fig. 13).
준설 깊이비에 따른 형상지수는 60°∼75°의 합류각의 경우, 준설 깊이비가 커질수록 형상지수가 감소되었으며, 90°∼120°의 합류각에서는 준설깊이비가 커질수록 형상지수의 차이가 미미하게 감소하는 것을 확인하였다(Fig. 12).
3은 합류각 90°에서 유량비 3가지에 대한 유선을 나타낸 것이다. 지류 유입량이 증가됨에 따라 즉, 유량비가 커짐에 따라 합류수로 하류부에 뚜렷한 분리구역이 형성됨을 확인할 수 있다. 유량비가 커질수록 합류부 상류 흐름에 영향을 주어 상류부에서도 와(eddy)가 형성되어 흐름의 정체구역이 형성되었다.
합류부 특성에 대한 연구는 Taylor (1944)에 의해 시작되어 합류부의 흐름특성을 운동량방정식 이론을 적용하여 분석하였으며, 이를 바탕으로 동일한 수로 폭을 가진 합류각도 45°, 135°인 수로에 적용하여 수심 변화의 규명에 이론과 실험의 결과가 상당히 유사하다는 것을 확인하였다.
45에서는 합류각이 커질수록 형상지수는 증가되는 것으로 확인하였다. 흐름 단면폭의 수축지수는 유량비와 합류각이 커짐에 따라 감소되어, 합류부에서 통수기능의 저하를 가져와 배수위에 영향을 가져옴을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	분리구역은 어떻게 정의하였는가?	합류부에서의 지류의 합류각, 지류와 본류의 유량비에 추가하여, 본류 준설에 의한 하상고 불일치에 따른 다양한 양상의 분리구역의 특성을 CCHE2D 모형을 사용하여 분석하였다. 분리구역은 지류가 합류되어진 직후 단면에서의 유속이 0(영)인 경계로 정의하였다. 합류각 $30^{\circ}$ 이하에서는 분리구역이 형성되지 않았다.
	분리구역은 어디서 형성되는가?	지류가 유입하는 본류의 합류부 하류에서는 분리구역(separation zone)이 형성되며, 상류로부터 내려온 유사퇴적에 따른 하상변화의 발생으로 다양한 수리특성을 나타낸다. 아울러, 합류부에서 수리특성의 변화는 홍수가 발생할 경우 배수위에 의한 홍수범람과 배수능력의 저하로 주변지역에 피해를 가져올 수 있다.
	준설 깊이비에 따른 분리구역의 길이비 및 폭비는 준설깊이비가 커질수록 작아지는 경향이 나타났으나, 일정한 경향을 나타내지 못하였는데 그 원인은?	준설 깊이비에 따른 분리구역의 길이비 및 폭비는 준설깊이비가 커질수록 작아지는 경향이 나타났으나, 일정한 경향을 나타내지 못하였다. 이는 합류부에서 수용체가 커짐에 따른 지류 유입량의 운동량의 상대적 감소에 기인하는 것으로 판단된다. 합류각 30°에서의 분리구역은 모든준설 깊이비와 유량비에서 형성되지 않았다.

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