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문제 정의
- 그러므로 강변저류지의 홍수조절효과를 분석하기 위해서는 하도 내 부정류 흐름 분석이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 Kim et al. (2012b)이 개발한 부정류 유량공급장치를 이용하여 실험 수로에서 수문곡선을 재현하였고 이에 대한 강변저류지의 홍수조절효과를 측정하였다.
- 본 연구에서는 강변저류지 횡월류부의 흐름 형태가 다양하게 변화하는 경우에 대하여 HEC-RAS 부정류 모의의 정확도를 분석하였다. 이를 위해 강변저류지를 포함한 직선수로에 대한 부정류 수리실험을 실시하여 하도 내 수위 변화를 측정하였고, 부정류 수리실험 결과를 기초로 HEC-RAS 수치모의 결과의 정확도를 분석하였다.
- 이에 본 연구에서는 강변저류지 횡월류부의 흐름 형태가 다양하게 변화하는 경우를 대상으로 하도 내 부정류 흐름을 실무에서 강변저류지 설계 시 주로 사용하고 있는 HEC-RAS 수치모형이 얼마나 정확하게 모의하는지를 확인하고자 한다. 이를 위해 강변저류지를 포함한 직선수로에 대한 부정류 수리실험을 실시하여 하도 내 수위 변화를 측정하였고, 부정류 수리실험 결과를 기초로 HEC-RAS 수치모의 결과의 정확도를 분석하였다.
제안 방법
- 완전 횡월류 유량계수( )도 수리실험을 수행하여 결정하였다. Fig. 2와 같이 저류지에 유출부를 만들고 사각위어를 설치하여 횡월류량을 측정하였고, No. 6 단면의 하도 중앙에서 횡월류 수심을 측정하여 Fig. 5와 같이 완전 횡월류 흐름에 대한 유량계수를 산정하였다. 이와 같이 산정된 완전 횡월류 유량계수(Cf)는 1.
- HEC-RAS 모형의 매개변수인 하도 내 조도계수는 HECRAS 수치모의와 수리실험의 수위 결과를 비교하여 가장 잘 일치하는 조도계수를 찾는 방법으로 결정하였다. 본 연구에서는 Chow (1973)가 제시한 콘크리트 조도계수 범위를 참고하여 0.
- HEC-RAS의 표준위어식을 이용하여 산정한 강변저류지 홍수조절효과의 정확도를 검토하기 위해 시간 변화에 따른 수위 오차 및 홍수조절효과 오차를 산정하였다. 수위 오차는 부정류 수리실험으로 계측한 수위와 HEC-RAS로 계산한 수위의 차이를 고려하여 Eq.
- (2)와 같이 산정하였다. 강변저류지의 홍수조절효과 오차는 부정류 수리실험으로 측정한 홍수조절효과와 HEC-RAS 수치모의로 산정한 홍수조절효과를 비교하여 Eq. (3)과 같이 산정하였다.
- 3으로 선정하였다. 그리고 횡월류부에서 잠긴 횡월류 흐름이 발생하는 경우에 대한 홍수조절효과 분석을 위해 저류용량을 Table 2와 같이 변화시키면서 부정류 수리실험을 수행하였다. Table 2의 저류용량은 저류지 바닥으로부터 횡월류위어의 정부표고까지의 부피를 의미한다.
- 016에 대해 6개 단면에서의 실험에서 측정한 수위와 계산된 수위를 비교하였다. 또한 유량 크기변화에 따라 조도계수가 변화할 수 있기 때문에 유입 수문 곡선의 유량 범위 중에서 중유량(59.6 L/s)과 고유량(95.1L/s)에 대해 모두 검토하였다. 비교 결과, Fig.
- HEC-RAS 모형의 매개변수인 하도 내 조도계수는 HECRAS 수치모의와 수리실험의 수위 결과를 비교하여 가장 잘 일치하는 조도계수를 찾는 방법으로 결정하였다. 본 연구에서는 Chow (1973)가 제시한 콘크리트 조도계수 범위를 참고하여 0.012, 0.014 그리고 0.016에 대해 6개 단면에서의 실험에서 측정한 수위와 계산된 수위를 비교하였다. 또한 유량 크기변화에 따라 조도계수가 변화할 수 있기 때문에 유입 수문 곡선의 유량 범위 중에서 중유량(59.
- 본 연구에서는 강변저류지가 설치되지 않은 경우와 강변저류지의 저류용량을 2가지로 변화시킨 경우에 대하여 횡월류위어의 직하류 단면에서의 수위 변화를 부정류 수리실험을 통해 측정한 후 HEC-RAS 부정류 수치모의 결과의 정확도를 평가하였다. 강변저류지가 없는 경우(case 1)는 수문곡선의상승부와 하강부에서 –2 ∼ 2%의 수위 오차가 발생하는 것으로 나타났고, 수문곡선의 첨두부에서는 약 1%의 오차를 보여 HEC-RAS 부정류 모형이 하도 내 수위 변화를 비교적 정확하게 산정하는 것으로 나타났다.
- 본 연구에서는 부정류 수리실험의 측정결과를 바탕으로 HEC-RAS 부정류 수치모의의 경계조건을 결정하였다. 상류 경계 조건은 Fig.
- 부정류 수리실험은 Fig. 2와 같이 폭 0.8 m, 길이 16 m 및 하상경사 0.0015인 직사각형 단면의 직선수로에서 수행하였다. 실험수로 좌안에 설치된 강변저류지의 면적은 40 m2이고, 횡월류부는 흐름방향 길이 2 m, 폭 0.
- 완전 횡월류 유량계수( )도 수리실험을 수행하여 결정하였다. Fig.
- 이에 본 연구에서는 강변저류지 횡월류부의 흐름 형태가 다양하게 변화하는 경우를 대상으로 하도 내 부정류 흐름을 실무에서 강변저류지 설계 시 주로 사용하고 있는 HEC-RAS 수치모형이 얼마나 정확하게 모의하는지를 확인하고자 한다. 이를 위해 강변저류지를 포함한 직선수로에 대한 부정류 수리실험을 실시하여 하도 내 수위 변화를 측정하였고, 부정류 수리실험 결과를 기초로 HEC-RAS 수치모의 결과의 정확도를 분석하였다.
- (2012b)은 부정류 수문곡선을 수리실험에서 재현할 수 있는 유량공급장치를 개발하였고, 이를 이용하여 부정류 수리실험을 수행하고, 하도 내 시간 변화에 따른 유량 변화를 확인하였다. 특히 강변저류지의 횡월류부에서 완전 횡월류 흐름만 발생하는 경우를 재현한 후 강변저류지 직하류의 수문곡선을 측정하였고, 그 결과를 이용하여 실무에서 널리 사용하고 있는 1차원 부정류 수치모형인 HEC-RAS의 적용성을 검토하였다(Kim et al., 2012a). 또한 Kim et al.
대상 데이터
- 또한 하도와 저류지에 설치되어 수위를 계측하는 초음파수위계의 모델명은 UC500-30GM-IUR2-V15이며, 이 장비의 측정 거리 범위는 센서로부터 50 mm ∼ 500 mm 이다.
- 본 연구에서는 강변저류지 홍수조절효과 분석을 수행한 단면은 횡월류부 하류방향 끝단에서 3 m 떨어진 지점인 No.3으로 선정하였다. 그리고 횡월류부에서 잠긴 횡월류 흐름이 발생하는 경우에 대한 홍수조절효과 분석을 위해 저류용량을 Table 2와 같이 변화시키면서 부정류 수리실험을 수행하였다.
- 수리실험에 사용된 실험 장비는 앞서 설명한 부정류 유량 공급장치와 초음파 수위계이다. 부정류 유량공급장치에 사용된 유량조절밸브는 KOPECS사에서 제조된 Pneumatic Butterfly Control Valve로 초단위로 밸브의 개폐율 조절이 가능하다.
- 0015인 직사각형 단면의 직선수로에서 수행하였다. 실험수로 좌안에 설치된 강변저류지의 면적은 40 m2이고, 횡월류부는 흐름방향 길이 2 m, 폭 0.18 m인 광정위어로 No.5에서 No. 7에 위치하도록 하였으며, No.0의 하상고를 EL.0m를 기준으로 횡월류위어의 정부표고는 EL.0.282 m이다.
이론/모형
- case 1은 강변저류지가 설치되지 않은 경우이고, case 2와 case 3은 횡월류부에서 잠긴 횡월류 흐름이 발생하는 경우이다. 또한 홍수조절효과 분석과 더불어 Lee and Holley (2002)가 제시한 횡월류부 흐름 분류(Table 1) 기준을 적용하여 수문곡선 지속시간 동안 강변저류지 횡월류부에서 발생하는 흐름 형태와 지속시간을 살펴보았다.
성능/효과
- 1) 부정류 수리실험 결과 저류용량 변화에 따라 Lee and Holley (2002)과 Ji et al. (2013)이 제시한 바와 같이 횡월류부에서 다양한 흐름 형태가 나타났으며, 횡월류부의 흐름 형태 변화에 따라 하도 내 수위 변화에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 이와 같은 부정류 수리실험 결과는 향후 다양한 수치모의 결과의 검증 자료로 활용 가능할 것으로 기대된다.
- 2) 강변저류지가 설치되지 않은 경우의 HEC-RAS 부정류 흐름 모의 결과에 대한 정확도를 분석한 결과 전체 수문사상에 대하여 최대 약 3% 정도의 수위 계산 오차를 나타났고, 홍수조절효과에 직접적으로 영향을 미치는 첨두부에서는 약 1%의 수위 오차를 나타내어 HEC-RAS 부정류 수치모형이 매우 정확하게 수위를 계산함을 확인하였다.
- 3) 완전 횡월류 흐름과 잠긴 횡월류 흐름이 모두 발생하는 경우의 HEC-RAS 부정류 흐름 모의 결과에 대한 정확도를 분석한 결과 우선 하나의 첨두를 갖는 경우에는 전체 수문사상에 대하여 최대 약 4%정도의 수위 계산 오차를 나타났고, 이중첨두를 갖는 경우에는 최대 약 5%정도의 수위 계산 오차를 나타났다. 강변저류지가 설치되지 않은 경우와 비교하여 수위 계산 오차가 조금 커지는 경향을 나타냈으나, HEC-RAS 부정류 수치모형이 비교적 복잡한 횡월류부의 흐름 형태의 경향을 정확하게 예측할 수 있음을 확인하였다.
- 4) 저류지 내 수위 변화를 비교한 결과 횡월류부 흐름이 F1,S1 및 S2인 구간에서는 매우 정확하게 모의하는 것으로 나타났다. F2 흐름이 발생하는 구간에서는 최대 5% 작게 모의하는 것으로 나타났다.
- 5) HEC-RAS 부정류 수치모의를 이용한 강변저류지의 홍수조절효과 분석에 대한 정확도를 분석한 결과 저류용량이 부족하여 횡월류부에서 잠긴 횡월류 흐름이 발생하는 경우에 최대 3% 이내의 비교적 정확한 홍수조절효과 오차를 나타냄을 확인하였다. 즉, HEC-RAS에서 사용하고 있는 Bradley (1978)의 감소계수곡선이 반영된 표준위어식이 잠긴 횡월류 흐름이 발생하더라도 신뢰할 수 있는 횡월류량을 산정할 수 있음을 확인하였다.
- 3) 완전 횡월류 흐름과 잠긴 횡월류 흐름이 모두 발생하는 경우의 HEC-RAS 부정류 흐름 모의 결과에 대한 정확도를 분석한 결과 우선 하나의 첨두를 갖는 경우에는 전체 수문사상에 대하여 최대 약 4%정도의 수위 계산 오차를 나타났고, 이중첨두를 갖는 경우에는 최대 약 5%정도의 수위 계산 오차를 나타났다. 강변저류지가 설치되지 않은 경우와 비교하여 수위 계산 오차가 조금 커지는 경향을 나타냈으나, HEC-RAS 부정류 수치모형이 비교적 복잡한 횡월류부의 흐름 형태의 경향을 정확하게 예측할 수 있음을 확인하였다.
- 강변저류지가 없는 경우(case 1)는 수문곡선의상승부와 하강부에서 –2 ∼ 2%의 수위 오차가 발생하는 것으로 나타났고, 수문곡선의 첨두부에서는 약 1%의 오차를 보여 HEC-RAS 부정류 모형이 하도 내 수위 변화를 비교적 정확하게 산정하는 것으로 나타났다.
- 그 이후 저류지에서 하도 방향으로 완전 횡월류 흐름(F2)이 발생하는 구간에서는 약 –2%의 수위오차가 발생하는 것을 확인하였다.
- 이는 1200초 이후에 발생한 것으로 홍수조절효과 산정에 중요한 수문곡선의 첨두부에 대한 HEC-RAS 계산 수위는 부정류 수리실험과 약 1 mm의 차이를 보여 약 1% 정도의 오차를 나타냈다. 따라서 강변저류지가 없는 경우 직선수로 내 부정류 흐름을 HEC-RAS가 정확하게 모의하는 것을 확인하였다.
- 또한 강변저류지를 설치한 후 직하류에서 하나의 첨두를 갖는 수문곡선이 발생하는 경우(case 2)는 수문곡선의 상승부와 하강부에서 –4 ∼ 4%의 수위 오차가 발생하는 것으로 나타났고, 수문곡선의 첨두부에서는 약 -3%의 오차를 보였다.
- 또한 횡월류위어의 중앙 단면인 No. 6의 수위 변화를 비교한 결과 앞서 case 2와 마찬가지로 횡월류부 흐름이 F1과 S1인 구간에서 HEC-RAS 모의 결과가 최대 약 4% 정도 작게 모의하였고, 저류지 내 수위 변화는 비교한 결과 횡월류부 흐름이F1, S1 및 S2인 구간에서는 앞서 case 2와 마찬가지로 매우 정확하게 모의하는 것으로 나타났으나, F2 흐름이 발생하는 구간에서는 최대 5% 작게 모의하는 것으로 나타났다.
- 또한 횡월류위어의 중앙 단면인 No. 6의 수위 변화를 비교한 결과 횡월류부 흐름이 F1과 S1인 구간에서 HEC-RAS 모의 결과가 최대 약 5% 작게 모의하였고, 저류지 내 수위 변화를 비교한 결과 횡월류부 흐름이 F1, S1 및 S2인 구간에서는 매우 정확하게 모의하는 것으로 나타났으나, F2 흐름이 발생하는 구간에서는 최대 5% 작게 모의하는 것으로 나타났다. 그 이유는 앞서 No.
- 마지막으로 강변저류지를 설치한 후 직하류에서 두 개의 첨두를 갖는 수문곡선이 발생하는 경우(case 3)는 수문곡선의 상승부와 하강부에서 –5 ∼ 3%의 수위 오차가 발생하는 것으로 나타났고, 수문곡선의 첨 두부에서는 약 -3%의 오차를 보였다.
- 그 이후 저류지에서 하도 방향으로 완전 횡월류 흐름(F2)이 발생하는 구간에서는 약 –2%의 수위오차가 발생하는 것을 확인하였다. 부정류 수리실험과 HEC-RAS를 이용하여 산정한 강변저류지의 홍수조절효과는 각각 9 mm, 10 mm로 두 경우의 차이는 1 mm로 나타났고, 홍수조절효과 오차는 약 1.6%로 나타났다.
- 1L/s)에 대해 모두 검토하였다. 비교 결과, Fig. 4와 같이 조도계수가 0.014일 때, 실험으로 측정한 수면경사와 HEC-RAS로 계산한 수면경사가 가장 일치하는 결과를 나타냈다.
- 6과 Table 3과 같다. 전체 수문곡선에서 최대 수위 오차는 약 3% 정도로 나타났다. 이는 1200초 이후에 발생한 것으로 홍수조절효과 산정에 중요한 수문곡선의 첨두부에 대한 HEC-RAS 계산 수위는 부정류 수리실험과 약 1 mm의 차이를 보여 약 1% 정도의 오차를 나타냈다.
- F2 흐름이 발생하는 구간에서는 최대 5% 작게 모의하는 것으로 나타났다. 즉, HEC-RAS 부정류 모형이 F1,S1 및 S2인 구간에서는 횡월류량을 어느 정도 정확하게 예측하고 있으나 저류지에서 하도로 자유 월류하는 흐름에 대해서는 정확도가 다소 부족한 겻으로 나타났다.
- 5) HEC-RAS 부정류 수치모의를 이용한 강변저류지의 홍수조절효과 분석에 대한 정확도를 분석한 결과 저류용량이 부족하여 횡월류부에서 잠긴 횡월류 흐름이 발생하는 경우에 최대 3% 이내의 비교적 정확한 홍수조절효과 오차를 나타냄을 확인하였다. 즉, HEC-RAS에서 사용하고 있는 Bradley (1978)의 감소계수곡선이 반영된 표준위어식이 잠긴 횡월류 흐름이 발생하더라도 신뢰할 수 있는 횡월류량을 산정할 수 있음을 확인하였다.
- 마지막으로 저류지에서 하도 방향으로 잠긴 횡월류 흐름(F2)이 발생하는 구간에서는 약 2%의 수위오차가 발생하였다. 특히 부정류 수리실험과 HEC-RAS 수치모의로 산정된 강변저류지의 홍수조절효과는 각각 11 mm, 12 mm로 차이는 1 mm로 나타나 강변저류지의 홍수조절효과 오차는 약 2.4%로 HEC-RAS의 부정류 모의 결과가 비교적 정확한 것으로 나타났다.
후속연구
- 이와 같이 본 연구에서 도출한 강변저류지를 포함한 부정류 수리실험을 통해 HEC-RAS의 부정류 수치모의 결과의 정확도를 분석한 결과는 향후 강변저류지 설계에 있어 홍수조절 효과를 좀 더 정확하게 예측할 수 있는 기초 자료가 될 것으로 기대한다. 다만 본 연구에서는 직선수로에 설치된 강변저류지의 홍수조절효과에 대한 정확도 분석을 수행한 결과라는 한계가 있다. 즉, 실제 하천에 설치되는 강변저류지의 경우 만곡부 내측에 설치되는 경우가 많으므로 이에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 하지만 잠긴횡월류 흐름에 대한 연구가 부족하다보니 지금까지 국내에 설치된 강변저류지의 경우 완전 횡월류만 발생하도록 저류지내 수위가 월류부 높이를 초과하지 않도록 설계하고 있다. 만약 월류부 높이를 초과하여 잠긴 횡월류 흐름이 발생하는 상황을 고려하여 강변저류지를 설계한다면 좀 더 저류용량을 확보할 수 있기 때문에 강변저류지를 효율적으로 설계할 수 있을 것이다. 이를 위해서는 강변저류지의 횡월류부에서 잠긴 횡월류 흐름이 발생할 경우에 대한 홍수조절효과 분석 방법의 검증과 관련한 연구가 필요할 것이다.
- 만약 월류부 높이를 초과하여 잠긴 횡월류 흐름이 발생하는 상황을 고려하여 강변저류지를 설계한다면 좀 더 저류용량을 확보할 수 있기 때문에 강변저류지를 효율적으로 설계할 수 있을 것이다. 이를 위해서는 강변저류지의 횡월류부에서 잠긴 횡월류 흐름이 발생할 경우에 대한 홍수조절효과 분석 방법의 검증과 관련한 연구가 필요할 것이다.
- (2013)이 제시한 바와 같이 횡월류부에서 다양한 흐름 형태가 나타났으며, 횡월류부의 흐름 형태 변화에 따라 하도 내 수위 변화에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 이와 같은 부정류 수리실험 결과는 향후 다양한 수치모의 결과의 검증 자료로 활용 가능할 것으로 기대된다.
- 마지막으로 강변저류지를 설치한 후 직하류에서 두 개의 첨두를 갖는 수문곡선이 발생하는 경우(case 3)는 수문곡선의 상승부와 하강부에서 –5 ∼ 3%의 수위 오차가 발생하는 것으로 나타났고, 수문곡선의 첨 두부에서는 약 -3%의 오차를 보였다. 이와 같이 강변저류지가 설치되기 전보다 설치한 후의 오차가 조금 크게 나타난 원인은 HEC-RAS 모형이 횡월류위어의 유량계수를 실제보다 크게 결정하여 횡월류량을 크게 모의하는 것이 원인이 될 수 있기 때문에 향후 잠긴 횡월류 흐름에 대한 횡월류위어 유량 계수 산정에 대한 연구도 필요할 것으로 판단된다.
- 이와 같이 본 연구에서 도출한 강변저류지를 포함한 부정류 수리실험을 통해 HEC-RAS의 부정류 수치모의 결과의 정확도를 분석한 결과는 향후 강변저류지 설계에 있어 홍수조절 효과를 좀 더 정확하게 예측할 수 있는 기초 자료가 될 것으로 기대한다. 다만 본 연구에서는 직선수로에 설치된 강변저류지의 홍수조절효과에 대한 정확도 분석을 수행한 결과라는 한계가 있다.
- (2009)은 강변저류지의 홍수조절효과를 최대화 할 수 있는 최적 위치 및 최적 월류고를 동시에 결정할 수 있는 모형을 개발하였다. 이와 같이 수치모의를 통해 강변저류지의 홍수조절효과를 분석한 연구들이 다수 있었지만 분석 결과에 대한 검증이 이루어지지 않았다는 한계가 있다. 이에 수치모형의 검보정 자료 제공 등을 목적으로 최근 부정류 수리실험을 이용한 강변저류지 홍수조절 효과 산정 연구들이 수행되었다.
- 다만 본 연구에서는 직선수로에 설치된 강변저류지의 홍수조절효과에 대한 정확도 분석을 수행한 결과라는 한계가 있다. 즉, 실제 하천에 설치되는 강변저류지의 경우 만곡부 내측에 설치되는 경우가 많으므로 이에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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