[국내논문]합류부 하상고 불일치에 의한 두부침식 및 분리구역 특성분석 An Analysis for the Characteristics of Headward Erosion and Separation Zone due to Bed Discordance at Confluence원문보기
본 연구는 지류의 합류각, 지류와 본류의 유량비, 준설 깊이비의 변화에 따른 지류에서의 두부침식 양상과 합류부 이동상 하도에서의 분리구역의 특성을 분석하였다. 분리구역은 지류가 합류되어진 직후 단면에서의 유속이 0(영)인 구간으로 정의하였다. 준설 깊이에 따른 두부침식이 발생치 않은 범위를 제시하였다. 합류각, 유량비, 준설 깊이비 증가에 따른 두부침식 깊이비 및 천급점의 이동거리비는 전반적으로 증가하였으며, 천급점의 이동거리비의 관계식을 제시하였다. 이동상 하도에서의 유량비와 합류각 증가에 따른 분리구역의 길이비 및 폭비는 고정상 하도에서와 같은 양상으로 증가하였다. 준설 깊이비 증가에 따른 분리구역의 길이비는 감소하고 폭비은 증가하여 형상지수는 크게 증가하여 통수단면의 감소로 배수위 현상이 기대된다. 고정상 하도와 이동상하도에서의 합류각, 유량비, 준설 깊이비에 따른 형상지수 관계식을 제안하였다.
본 연구는 지류의 합류각, 지류와 본류의 유량비, 준설 깊이비의 변화에 따른 지류에서의 두부침식 양상과 합류부 이동상 하도에서의 분리구역의 특성을 분석하였다. 분리구역은 지류가 합류되어진 직후 단면에서의 유속이 0(영)인 구간으로 정의하였다. 준설 깊이에 따른 두부침식이 발생치 않은 범위를 제시하였다. 합류각, 유량비, 준설 깊이비 증가에 따른 두부침식 깊이비 및 천급점의 이동거리비는 전반적으로 증가하였으며, 천급점의 이동거리비의 관계식을 제시하였다. 이동상 하도에서의 유량비와 합류각 증가에 따른 분리구역의 길이비 및 폭비는 고정상 하도에서와 같은 양상으로 증가하였다. 준설 깊이비 증가에 따른 분리구역의 길이비는 감소하고 폭비은 증가하여 형상지수는 크게 증가하여 통수단면의 감소로 배수위 현상이 기대된다. 고정상 하도와 이동상하도에서의 합류각, 유량비, 준설 깊이비에 따른 형상지수 관계식을 제안하였다.
The pattern of headward erosion at tributary and the separation zone formation in a loosed bed at confluence according to the confluence angle, discharge ratio, and dredging depth ratio have been analyzed. The separation zone is defined the inside of zero velocity boundary at downstream of confluenc...
The pattern of headward erosion at tributary and the separation zone formation in a loosed bed at confluence according to the confluence angle, discharge ratio, and dredging depth ratio have been analyzed. The separation zone is defined the inside of zero velocity boundary at downstream of confluence. The limit of separation zone occurrence is presented with dredging depth ratio. The propagation length of knickpoint increases as the confluence angle, discharge ratio, and dredging depth ratio increase in general and its regression equation has been suggested. The length and width ratios of separation zone in a loosed bed increase as discharge ratio and confluence angle increase as well as in a fixed bed. The length ratio decreases and the width ratio increases as dredging depth ratio increases results in great increase of shape factor and backwater rise by the conveyance reduction at confluence. The regression equation of shape factor with confluence angle, discharge ratio, and dredging depth ratio has been suggested.
The pattern of headward erosion at tributary and the separation zone formation in a loosed bed at confluence according to the confluence angle, discharge ratio, and dredging depth ratio have been analyzed. The separation zone is defined the inside of zero velocity boundary at downstream of confluence. The limit of separation zone occurrence is presented with dredging depth ratio. The propagation length of knickpoint increases as the confluence angle, discharge ratio, and dredging depth ratio increase in general and its regression equation has been suggested. The length and width ratios of separation zone in a loosed bed increase as discharge ratio and confluence angle increase as well as in a fixed bed. The length ratio decreases and the width ratio increases as dredging depth ratio increases results in great increase of shape factor and backwater rise by the conveyance reduction at confluence. The regression equation of shape factor with confluence angle, discharge ratio, and dredging depth ratio has been suggested.
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문제 정의
그러나 지류에서의 침식에 의한 합류부에서 퇴적 양상을 고려한 수리특성을 분석한 사례는 없다. 따라서 본 연구는 합류각과 유량비에 추가하여 합류부 하상고 불일치에 의한 지류에서 두부침식과 합류부에서의 수리 및 지형변화 특성을 규명하였다. 아울러 침식과 퇴적에 의한 합류구간의 이동상 하도에서의 합류부 분리구역 형성 변화를 분석하였다.
본 연구는 지류가 유입하는 합류부에서 다양한 합류각과 유량비에 추가하여 본류의 준설로 인한 하상불일치에 의한 준설깊이비에 따른 두부침식의 양상과 합류부의 하상변화를 고려한 이동상 하도에서의 분리구역의 특성을 규명하였다. 수치모형은 CCHE2D를 사용하였고, 기존 실험결과와의 비교를 수행하여 모형의 적용성을 분석하였다.
제안 방법
본류 준설에 의한 하상고 불일치의 현상으로 지류 상방향으로의 두부침식에 의한 합류부에서의 퇴적에 의한 하상의 변화에 따른 분리구역의 변화특성을 분석하였다. 일반적으로 합류각 30°의 경우 유량비 0.
본류에서의 수치격자는 종방향으로 180개와 횡방향으로 40개로 구성하였고, 지류에서는 종방향으로 100개와 횡방향으로 32개로 수성하였다. 격자수는 본류에서는 동일하나 지류에서는 합류각에 따라 각기 다른 격자수로 구성된다.
이때 B는 본류의 폭, Ls는 분리구역의 거리, Bs는 분리구역의 폭을 나타낸다. 분리구역의 특성은 길이와 폭을 본류 하천폭으로 나눈 길이비(Ls/B)와 폭비(Bs/B)로 분석하였다. 분리구역의 형상지수(shape factor)는 Bs/Ls이고, 분리구역을 제외한 흐름단면 폭의 수축지수(contraction factor)는 Cc=(B-Bs)/B이다.
본 연구는 지류가 유입하는 합류부에서 다양한 합류각과 유량비에 추가하여 본류의 준설로 인한 하상불일치에 의한 준설깊이비에 따른 두부침식의 양상과 합류부의 하상변화를 고려한 이동상 하도에서의 분리구역의 특성을 규명하였다. 수치모형은 CCHE2D를 사용하였고, 기존 실험결과와의 비교를 수행하여 모형의 적용성을 분석하였다. 분리구역은 지류가 합류되어진 직후 단면에서의 유속이 0(영)인 경계로 설정하였다.
따라서 본 연구는 합류각과 유량비에 추가하여 합류부 하상고 불일치에 의한 지류에서 두부침식과 합류부에서의 수리 및 지형변화 특성을 규명하였다. 아울러 침식과 퇴적에 의한 합류구간의 이동상 하도에서의 합류부 분리구역 형성 변화를 분석하였다.
유량비, 합류각, 준설 깊이비 변화에 따른 지류부 상류로의 두부침식과 천급점 이동변화와 더불어 합류부에서의 하상변화에 기인한 분리구역 변화를 분석하였다. 두부 침식과 천급점의 이동특성은 두부침식의 무차원 깊이비(er=e/zd, e는 침식깊이)와 천급점의 무차원 이동거리비(xr=x/zd, x는 천급점 이동거리)로 나타내었다.
이와 같이 기존의 연구는 합류각과 유량비에 추가하여 합류부 하상고 불일치에 의한 천급점의 이동과 합류부에서 분리구역을 포함한 각종 수리특성을 분석하였다. 그러나 지류에서의 침식에 의한 합류부에서 퇴적 양상을 고려한 수리특성을 분석한 사례는 없다.
대상 데이터
수치모의를 위한 수로는 길이 1.80 m, 폭 0.40 m, 지류의 폭 0.32 m로 Park (2003)의 실내실험에서 사용된 수로제원을 사용하였다(Fig. 4). 분리구역의 정의는 유속이 0(영)인 구역을 분리구역으로 정의하였다.
22 m인 가변형 경사수로에서 실험을 실시하였다. 하상 토는 평균 입경이 0.67 mm인 모래를 사용하였다. 초기하도는 폭이 0.
5를 적용하였다. 유사이송 공식은 남한강과 금당천 합류부에 적용(Ji and Jang, 2014)하고 하상재료 입경 0.67 mm에 적합한 Wu et al. (2000)공식을 사용하였다. 하상의 조도계수는 0.
(2000)공식을 사용하였다. 하상의 조도계수는 0.025를 사용하였고 하상변동 방정식을 포함한 각종 매개변수는 CCHE2D 모형의 기본값을 사용하였다.
합류부에서 하상고 불일치에 의한 지류의 두부침식과 분리구역 형성의 분석을 위하여 사류와 상류영역의 흐름과 수력도약의 해석, 이차류(secondary flow)의 흐름과 이에 상응하는 하상변화가 모의 가능하고, 하상토 입도분포의 입력이 가능하고, 소류사와 부유사의 총유사의 이송 형태에 대해 각각 모의 가능하고, 다양한 형태의 유사량 공식의 적용이 가능하여 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) 준설 깊이비가 작은 경우, 급경사 지점에서의 작은 유속과 이에 따른 작은 소류력으로 두부침식이 발생되지 않거나 그 크기가 미미하게 나타났다. 합류각, 유량비, 준설 깊이비가 커질수록 지류와 본류와의 준설에 의한 하상의 불일치에 의한 급경사 구간에서의 유속과 소류력 증가로 두부침식 깊이비가 증가하였다.
2) 지류 상방향의 하상변동 분석을 통해 합류부 특성 변화에 따른 두부침식 최대깊이를 확인하였으며, 합류각, 유량비, 준설 깊이비 증가에 따라 천급점의 이동거리비는 전반적으로 증가하였다. 합류각, 준설 깊이비, 유량비에 따른 천급점 이동거리비의 관계식은 xr=0.
3) 이동상 하도에서의 유량비와 합류각 증가에 따른 분리구역의 크기는 고정상 하도에서와 같은 양상으로 나타났다. 하지만 이동상 하도에서 준설 깊이비가 커질수록 분리구역의 길이비는 증가하나 그 차이가 미미하고, 폭비는 대폭 증가하여 형상지수는 크게 증가하였다.
준설 깊이비가 커질수록 급경사 지점에서부터 유속과 소류력 증가에 기인하여 두부침식 깊이비가 증가하였다. 동일 준설 깊이비에서는 유량비가 커질수록 지류의 유입유량이 증가함에 따라 유속과 소류력 증가로 두부침식 깊이비가 증가하였다. 유량비 0.
단차가 발생한 구간의 상류에서는 지속적으로 하상이 저하되고 천급점은 상류로 이동하였다. 또한 유량이 증가함에 따라 하상변동 구간이 증가하고, 두부침식 속도가 증가함을 확인하였다. Kim (2014)은 2차원 하상변동 모형인 CCHE2D 모형을 사용하여 낙동강과 병성천 합류부를 대상유역으로 선정하여 본류의 준설로 높은 단차가 형성되어있는 구간에 하상유지공 설치 전과 후의 흐름 및 지형특성을 분석하였다.
Brush and Wolman (1960)은 비점착성 하상토로 구성된 실험수로에서 두부침식에 의한 천급점의 거동특성을 분석하였다. 실험결과는 하상재료가 미세할수록 유사이동 속도가 빠르고, 그에 상응하는 천급점의 이동속도가 빨라지는 것을 확인하였다. Vasquez et al.
하지만 합류부의 하상변화를 감안한 이동상 하도에서는 준설 깊이비가 커질수록 분리구역의 길이비는 전반적으로 증가하나 그 차이가 미미하게 나타났다. 아울러, 분리구역의 폭비는 준설 깊이비가 커질수록 전반적으로 증가하는 양상으로 나타났으며 그 차이가 크게 나타났다.
하상유지공 설치 전의 경우 준설부에서 퇴적이 발생하였으며, 지류 상류방향으로 두부침식 현상이 발생하였다. 아울러, 하상유지공 설치 후의 경우 준설부의 퇴적은 설치 전보다 퇴적양상이 저하되는 것을 확인하였다.
이는 준설 깊이비가 커질수록 두부침식 깊이는 증가하나, 그 차이가 미미하여 합류부 수심의 변화에 따른 두부침식 깊이비가 전반적으로 감소되는 것으로 판단된다. 유량비 0.35와 0.45에서 준설 깊이비가 커질수록 두부침식 깊이비가 증가하였다. 이는 급경사 지점에서부터 유속과 소류력 증가에 기인한 것으로 판단된다.
6은 30° 합류각일 때 유량비 별 준설 깊이비에 따른 두부침식 깊이비이다. 준설 깊이비가 커질수록 급경사 지점에서부터 유속과 소류력 증가에 기인하여 두부침식 깊이비가 증가하였다. 동일 준설 깊이비에서는 유량비가 커질수록 지류의 유입유량이 증가함에 따라 유속과 소류력 증가로 두부침식 깊이비가 증가하였다.
시간이 증가함에 따라 단차가 형성된 구간에서 하상경사는 감소하며 천급점은 상류로 이동하였다. 천급점의 이동에 따른 수리모형 실험결과와 수치모의 결과가 잘 일치하여 CCHE2D 모형의 적용성을 확인하였다.
1) 준설 깊이비가 작은 경우, 급경사 지점에서의 작은 유속과 이에 따른 작은 소류력으로 두부침식이 발생되지 않거나 그 크기가 미미하게 나타났다. 합류각, 유량비, 준설 깊이비가 커질수록 지류와 본류와의 준설에 의한 하상의 불일치에 의한 급경사 구간에서의 유속과 소류력 증가로 두부침식 깊이비가 증가하였다.
(2010)은 지류와 본류의 합류부 유로폭 변화 및 제방 설치, 본류와 지류의 유량비 변화에 따른 수리모형실험을 실시하여 수리학적 특성과 그에 따른 하상변화 양상을 분석하였다. 합류부의 퇴적은 합류부 하류의 좌안, 우안 그리고 합류점 정체구간에 나타나는 것을 확인하였다. Jang (2012)은 2차원 하상변동 수치모형을 적용하여, 단차가 형성된 급경사 구간에서 흐름 특성, 두부침식에 의한 천급점의 거동과 하도의 변화과정을 분석하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
분리구역은 어디에서 형성되는가?
지류가 유입하는 합류부에서는 분리구역(separation zone)이 형성되며, 상류로부터 내려온 유사에 의한 하상 변화로 다양한 수리특성을 나타낸다. 합류부에서 수리특성의 변화는 통수능력의 변화를 가져와 본류와 지류에 홍수범람의 피해를 가져올 수 있다.
준설에 의한 하천유지용수 확보와 홍수 방어능력 증대 시, 본류를 과도하게 준설하면 어떠한 현상이 발생하는가?
최근 기후변화로 인한 가뭄과 집중호우에 따른 홍수피해를 방지하고자 준설에 의한 하천유지용수 확보와 홍수 방어능력 증대를 제안하였다. 하지만 본류를 과도하게 준설하면, 본류와 지류 하상의 급격한 단차에 의한 현저한 하상고의 불일치가 발생하며, 급경사 구간에서 사류의 발생으로 수력도약 현상이 발생한다. 아울러 지류의 상류구 간으로 하상이 침식되는 천급점(knickpoint)의 이동에 이한 두부침식(headward erosion)이 발생하고 이에 따른 본류에서의 유사 퇴적이 발생한다.
분리구역은 무엇인가?
본 연구는 지류의 합류각, 지류와 본류의 유량비, 준설 깊이비의 변화에 따른 지류에서의 두부침식 양상과 합류부 이동상 하도에서의 분리구역의 특성을 분석하였다. 분리구역은 지류가 합류되어진 직후 단면에서의 유속이 0(영)인 구간으로 정의하였다. 준설 깊이에 따른 두부침식이 발생치 않은 범위를 제시하였다.
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