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문제 정의
- 본 연구에서 사용하고 있는 배사라는 용어는 수리학적 준설의 배사영역이 아니며, 유사우회 영역의 sluicing을 의미하고 있다. 국내외의 연구 및 실무에 서는 배사라는 용어를 다양한 의미로 혼용하여 사용하고 있으므로, 이에 따른 혼란을 미연에 방지하고자 본 연구에서는 배사의 정의를 명확히 하였다. 배사효율을 분석하기 위해서 2차원 하상변동 모형인 Nays2DH를 사용하였으며, 관리수위, 상한수위 및 관리수위보다 0.
- 다기능보의 배사 효율을 검토하여 최적 배사 시나리오를 도출하기 위해서 본 연구에서는 실제 유역을 선정하여 연구를 수행하였다. 이를 위해서 선정한 연구대상구간은 낙동강에 위치한 화원 수위관측소부터 달성보까지 약 16 km에 이르는 구간이다(Fig.
- 본 연구에서는 다기능보의 배사효율을 최대화하여 저수지 퇴사를 저감하는 방안을 도출하기 위해서, 홍수기의 다기능보 운영수위 변화에 따른 2차원 하상변동 모의를 Nays2DH를 이용하여 수행하였다. 관리수위 및 상한수위, 관리수위보다 0.
- 본 연구에서는 중소규모의 홍수사상에서 다기능보의 수위에 따른 배사 효율의 변화를 2차원 하상변동 모형인 Nays2DH를 이용하여 모의하였으며, 배사 효율을 최대화하는 홍수기시 다기능보 관리 수위를 제시하였다.
- 본 연구에서는 홍수기 수문운영에 따른 배사효율을 분석하여, 배사효율을 최대화할 수 있는 홍수기 운영수위를 도출하기 위한 연구를 수행하였다. 본 연구에서 사용하고 있는 배사라는 용어는 수리학적 준설의 배사영역이 아니며, 유사우회 영역의 sluicing을 의미하고 있다.
- 배사에 관한 최근 연구로 Hajiabadi and Zarghami (2014)는 이란에 위치하고 있는 Sefidrud 저수지의 주목적인 용수공급과 전력생산을 최적으로 하기 위한 최적화모형을 개발하였다. 최적화모형에서는 용수공급과 전력생산 뿐만 아니라 배사운영까지 목적함수에 반영하여 지속가능한 저수지 운영이 가능하도록 연구를 수행하였다. Noh et al.
제안 방법
- 모형의 상류단 경계조건은 화원관측소의 유량을 이용하였으며, 하류단 경계조건은 달성보 수위를 이용하였다. 2016년 7월 4일 12시에서 2016년 7월 6일 13시까지 첨두홍수량이 발생한 시점을 중심으로 총 49시간 동안의 부정류 모의를 수행하였으며, 상하류 경계조건은 Fig. 3과 같다. 부정류 모의 결과를 고령교 수위관측소에서 관측된 수위와 비교를 Table 1에서 제시한 모형의 정확성 평가 방안을 이용하여 고정상에 대한 모형 검증을 수행하였다.
- (2013)은 1차원 하상변동 모형인 GSTARS를 이용하여 Lewis 와 Clark 저수지의 배사를 모의하였다. 20년 동안 측정된 자료를 통하여 모형을 검보정하고, 시나리오별 배사효율을 분석하였다. Choi and Choi (2012)는 저수지 퇴·배사 모의를 위한 1차원 준정류 하상변동 모형을 개발하고, 기존연구에서 수행된 저수지 퇴사와 배사에 관한 실내실험 결과를 이용하여 모형을 검증하였다.
- 본 연구에서는 다기능보의 배사효율을 최대화하여 저수지 퇴사를 저감하는 방안을 도출하기 위해서, 홍수기의 다기능보 운영수위 변화에 따른 2차원 하상변동 모의를 Nays2DH를 이용하여 수행하였다. 관리수위 및 상한수위, 관리수위보다 0.5 m 낮은 수위와 상한수위보다 0.5 m 높은 수위로 다기능보의 수문운영을 수행하였을 경우의 배사효과에 대해서 분석하여, 배사효과가 최대가 되는 운영수위를 도출하였다. 또한, 실제 다기능보 수문운영에 따른 하상변동 결과와 비교·분석을 수행하여 최적 배사 시나리오를 도출하였다.
- 해당 연구대상구간을 대상으로 모의함에 있어 상류단 경계조건은 화원 수위관측소, 하류단 경계조건은 달성보 위치에 부여하였다. 또한 연구대상구간내에 위치하고 있는 고령교 수위관측소의 관측자료를 이용하여 모형의 검보정을 수행하였다. 달성보의 연장은 580 m로, 라이징섹터 형식으로 건설된 3개의 수문으로 162 m 연장의 가동보를 구성하고 있으며, 고정보는 연장 418 m로 구성되어 있다.
- 또한, 실제 다기능보 수문운영에 따른 하상변동 결과와 비교·분석을 수행하여 최적 배사 시나리오를 도출하였다.
- 고정상 모형의 검·보정을 위하여 2016년 7월에 발생한 집중호우시 수문사상을 이용하였다. 모형의 상류단 경계조건은 화원관측소의 유량을 이용하였으며, 하류단 경계조건은 달성보 수위를 이용하였다. 2016년 7월 4일 12시에서 2016년 7월 6일 13시까지 첨두홍수량이 발생한 시점을 중심으로 총 49시간 동안의 부정류 모의를 수행하였으며, 상하류 경계조건은 Fig.
- 또한, 실제 다기능보 수문운영에 따른 하상변동 결과와 비교·분석을 수행하여 최적 배사 시나리오를 도출하였다. 배사효과를 분석하기 위해 대상이 된 다기능보는 달성보이므로, 하상변동에 대한 결과분석은 달성보를 중심으로 수행하였다.
- 국내외의 연구 및 실무에 서는 배사라는 용어를 다양한 의미로 혼용하여 사용하고 있으므로, 이에 따른 혼란을 미연에 방지하고자 본 연구에서는 배사의 정의를 명확히 하였다. 배사효율을 분석하기 위해서 2차원 하상변동 모형인 Nays2DH를 사용하였으며, 관리수위, 상한수위 및 관리수위보다 0.5m 낮은 수위로 운영되었을 경우의 배사효과를 분석하였다.
- 본 연구에서는 Fig. 5와 같은 홍수량이 도래하였을 경우에 달성보에서 관리수위, 상한수위, 그리고 관리수위보다 0.5 m 낮은 수위, 상한수위보다 0.5 m 높은 수위로 보를 운영할 경우의 배사 효율에 대해서 수치해석을 수행하였다. 또한, 그 결과를 기존의 수문운영을 반영한 하상변동 결과와 비교·분석하였다.
- 3과 같다. 부정류 모의 결과를 고령교 수위관측소에서 관측된 수위와 비교를 Table 1에서 제시한 모형의 정확성 평가 방안을 이용하여 고정상에 대한 모형 검증을 수행하였다. Table 1에서 N은 자료의 개수를 의미하며, O는 관측자료, P는 모의자료를 의미한다.
- 수리량 경계조건은 화원 수위관측소의 유량과 달성보의 수위를 상·하류단 경계조건으로 사용하였다.
- 따라서, 달성보의 수위를 상한수위 이상으로 상승시키는 홍수량이 도래하는 경우에는 보 관리규정에 의해서 수문을 개방하는 것이 일반적이다. 이를 기반으로 본 연구에서는 홍수량이 관리수위 이상이면서 상한수위 이하로 도래하였을 경우에 보의 수위관리에 따른 배사효율을 분석하였다. 이를 위해서 본 연구에서는 2014년 8월에 도래한 홍수사상을 기준으로 분석을 수행하였다.
- 그러나, 홍수기시 다기능보의 운영수위를 상향조정하였을 경우에는 증가하는 상류부의 홍수위험도를 고려해야 하며, 반대의 경우에는 하류부의 홍수위험도를 고려해야 한다. 홍수기시의 수문운영은 배사효율 뿐만 아니라 보상하류의 홍수위험도를 반드시 고려해야 하며, 본 연구에서는 홍수위험도는 제외하고 분석을 수행하였다. 또한, 일반적으로 배사효율을 향상시키기 위해 저수지 수위를 낮게 유지하는 규칙과 상반되는 결과를 보였다.
대상 데이터
- 따라서, 홍수기에 배사효율이 최대가 되는 운영수위는 EL. 14.5 m인 것으로 모의되었다. 홍수기에 다기능보 운영수위를 증가함에 따라서 배사수로는 증가하고, 퇴사 거리는 감소하는 것으로 나타났다.
- 고정상 모형의 검·보정을 위하여 2016년 7월에 발생한 집중호우시 수문사상을 이용하였다.
- 또한, 달성보의 고정보와 가동보를 형상화하기 위해서 달성보의 가동보 폭이 40 m인 것을 감안하여 격자를 20 m의 정사각형 형태로 구성하였다. 모의를 위해서 계산된 격자망 수는 751(I) × 77(J) = 57,827개이다.
- 0 m로 운영하였을 경우에 하상의 변화를 모의한 결과이다. 배사수로는 수문 A부터 339.0 m, 326.3 m, 81.7 m의 길이로, 각각 110.4 m, 109.5 m, 74.5 m의 폭을 가지는 것으로 나타났다. 또한, 각 배사수로의 최대 세굴심은 수문 A부터 7.
- 본 연구에서는 고정상 모형과 이동상 모형의 검·보정을 실제 수문사상과 현장측정 자료를 이용하여 수행하였다.
- 수리량 자료 중 하천지형자료와 유사량 자료 중 하상토 입도분포 자료는 2013년도에 이루어진 실측자료를 이용하였으며, 조도계수는 선행연구(Ku et al., 2015)를 통해서 제시된 0.023을 적용하였다. 수리량 경계조건은 화원 수위관측소의 유량과 달성보의 수위를 상·하류단 경계조건으로 사용하였다.
- 이를 기반으로 본 연구에서는 홍수량이 관리수위 이상이면서 상한수위 이하로 도래하였을 경우에 보의 수위관리에 따른 배사효율을 분석하였다. 이를 위해서 본 연구에서는 2014년 8월에 도래한 홍수사상을 기준으로 분석을 수행하였다. Fig.
- 다기능보의 배사 효율을 검토하여 최적 배사 시나리오를 도출하기 위해서 본 연구에서는 실제 유역을 선정하여 연구를 수행하였다. 이를 위해서 선정한 연구대상구간은 낙동강에 위치한 화원 수위관측소부터 달성보까지 약 16 km에 이르는 구간이다(Fig. 2). 해당 연구대상구간을 대상으로 모의함에 있어 상류단 경계조건은 화원 수위관측소, 하류단 경계조건은 달성보 위치에 부여하였다.
데이터처리
- 또한, 그 결과를 기존의 수문운영을 반영한 하상변동 결과와 비교·분석하였다.
이론/모형
- 다기능보의 배사효과를 검토하기 위해서 2차원 수심적분 모형인 Nays2DH를 이용하였다. Nays2DH는 직교좌표계를 일반좌표계로 좌표변환을 하여 사용하는 2차원 수심평균 모형으로 흐름 및 유사이송, 하상변동 등을 모의할 수 있으며, 이를 위한 지배방정식은 Eqs.
- Meyer-Peter and Muller 공식은 실험 수로에서 균일한 유사를 이용하여 유도된 공식으로 Wong and Parker (2005)는 해석상의 오류를 발견하여 수정된 공식을 제시한바 있다. 따라서, 본 연구에서는 해석상의 오류가 존재하는 Meyer-Peter and Muller 공식을 제외하고, Ashida and Michiue 공식을 적용하였다.
- 본 연구에서 사용한 Nays2DH는 유사이송능력을 계산하기 위해 Meyer-Peter and Muller 공식과 Ashida and Michiue 공식을 제공하고 있다. 배사효율을 모의하기 위해서 해석상의 오류가 존재하는 것으로 알려진 Meyer-Peter and Muller 공식을 제외하고 Ashida and Michiue 공식을 선정하여 모의를 수행하였다. 그러나, 유사이송능력 공식 선정의 차이에 따라서 모의결과에 차이가 있을 수 있기 때문에, 실무에 적용하기 위해서는 다양한 유사이송공식에 대한 검토가 반드시 이루어져야 한다.
- 본 연구에서 사용한 Nays2DH는 유사이송능력을 계산하기 위해 Meyer-Peter and Muller 공식과 Ashida and Michiue 공식을 제공하고 있다. 배사효율을 모의하기 위해서 해석상의 오류가 존재하는 것으로 알려진 Meyer-Peter and Muller 공식을 제외하고 Ashida and Michiue 공식을 선정하여 모의를 수행하였다.
- 수리량 경계조건은 화원 수위관측소의 유량과 달성보의 수위를 상·하류단 경계조건으로 사용하였다. 상류단의 유사량 경계조건은 상류단 유량 경계조건과 유사이송능력 공식을 이용하여 산정하여 상류단 유사량 경계조건으로 사용하는 평형 유사이송 조건을 이용하였다.
- (2014)는 파키스탄 파트린스 저수지를 대상으로 퇴배사 모의를 수행하였다. 해당 저수지에는 배사문이 존재하여 배수문 운영에 의한 배사효과를 분석하였으며, 이를 위해서 EFDC 모형을 이용하였다. 파트린스 저수지에서 5년간 배사를 수행하지 않았을 경우에 포착율이 약 50%인 반면, 최대유량이 발생한 직후 5일간 배사를 실시하면 포착율이 약 31.
성능/효과
- 5 m와 EL. 14.0 m로 운영한 경우와 비교해서 배사수로의 규모는 약 1.23배, 퇴사범위는 0.94배 감소하는 것으로 나타났다. 따라서, 홍수기의 수문운영은 EL.
- 5 m와 EL. 14.0 m에 비해서 배사가 더욱 효과적인 것으로 나타났다. EL.
- 다만, 홍수기 다기능보 운영수위를 EL. 14.5 m로 운영하였을 경우에는 수문 A보다 배사수로의 폭은 크게 형성되지만, 배사수로의 길이는 작게 형성되는 것으로 나타났다. 또한, 수문 C 상류단에서는 퇴사가 발생하지 않고, 상대적으로 소규모의 배사수로가 형성되는 것으로 나타났다.
- (2003)의 실험은 토사가 토사더미(sediment pulse) 형태로 하천에 공급되었을 때, 토사더미가 흐름에 의해 하류로 확산되는 과정을 모의한 실험이다. Nays2DH를 이용하여 실험을 재현하였을 때, 토사더미 하류에 교호사주가 발달하였다가 소멸하고, 토사더미도 소멸되는 과정과 함께 하상고의 변화에 의한 수면형의 변화 과정 역시 잘 모의하는 것으로 나타났다. 또한, 소류사와 부유사 이송을 모두 효과적으로 모의하는 것으로 알려져 있으므로 (Nelson et al.
- 5 m로 운영하였을 경우에는 수문 A보다 배사수로의 폭은 크게 형성되지만, 배사수로의 길이는 작게 형성되는 것으로 나타났다. 또한, 수문 C 상류단에서는 퇴사가 발생하지 않고, 상대적으로 소규모의 배사수로가 형성되는 것으로 나타났다. 다른 수문의 배사수로보다 수문 C에서 배사수로가 상대적으로 작게 형성되는 현상으로 인해서, 수문 C에서의 배사효과가 전체 배사효과에 크게 영향을 미치지 못할 것으로 판단된다.
- 홍수기시의 수문운영은 배사효율 뿐만 아니라 보상하류의 홍수위험도를 반드시 고려해야 하며, 본 연구에서는 홍수위험도는 제외하고 분석을 수행하였다. 또한, 일반적으로 배사효율을 향상시키기 위해 저수지 수위를 낮게 유지하는 규칙과 상반되는 결과를 보였다. 이러한 규칙은 flushing 분야를 중심으로 연구된 결과이며, sluicing과는 차이가 있는 것으로 나타났다.
- 모든 시나리오에서는 3개의 배사수로가 형성되었으며, 형성된 배사수로의 상류에서는 퇴적이 발생하는 것으로 나타났다. 모의 시나리오별로 퇴적 양상은 차이가 있었으나, 모든 시나리오에서 달성보를 기점으로 약 1.
- 모든 시나리오에서는 3개의 배사수로가 형성되었으며, 형성된 배사수로의 상류에서는 퇴적이 발생하는 것으로 나타났다. 모의 시나리오별로 퇴적 양상은 차이가 있었으나, 모든 시나리오에서 달성보를 기점으로 약 1.3 km까지 퇴적이 발생하는 것으로 나타났다. 다만, 운영수위를 높게 유지할수록 횡방향으로 퇴적분포가 넓어지고, 퇴사량도 많아지는 것을 확인할 수 있었다(Fig.
- 배사효율에 대해 분석한 결과, 운영수위가 증가함에 따라서 배사효율이 증가하고 퇴사분포가 감소하는 것으로 나타났다. 그러나, 홍수기시 다기능보의 운영수위를 상향조정하였을 경우에는 증가하는 상류부의 홍수위험도를 고려해야 하며, 반대의 경우에는 하류부의 홍수위험도를 고려해야 한다.
- 해당 저수지에는 배사문이 존재하여 배수문 운영에 의한 배사효과를 분석하였으며, 이를 위해서 EFDC 모형을 이용하였다. 파트린스 저수지에서 5년간 배사를 수행하지 않았을 경우에 포착율이 약 50%인 반면, 최대유량이 발생한 직후 5일간 배사를 실시하면 포착율이 약 31.4%까지 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 저수지의 용량회복을 위해 배사는 매우 효율적인 방법 중 하나라고 할 수 있다.
- (2011)은 낙동강 하구둑의 유지준설을 저감하기 위해서 배사운영에 대한 연구를 수행하였다. 해당연구에서는 배사 기간 및 유량에 따른 배사곡선을 개발하고, 1차원 준정류모형을 이용하여 5년간 모의한 결과 약 54%의 준설량을 배사로 해결할 수 있음을 보였다.
- 5 m로 모의되었다. 형성된 3개의 배사수로 중에서 수문 A를 통해 형성된 배사수로의 최대 세굴심은 6.9 m로 3개의 배사수로 중에서 가장 큰 세굴심을 보였으며, 수문 B와수문 C를 통해 형성된 배사수로는 각각 6.4 m와 3.0 m로 나타났다.
- 5 m인 것으로 모의되었다. 홍수기에 다기능보 운영수위를 증가함에 따라서 배사수로는 증가하고, 퇴사 거리는 감소하는 것으로 나타났다. 배사의 효율을 높이기 위해서 저수지에서 수위는 낮아야 하는 것이 일반적인 규칙으로 알려져 있다(Jang et al.
후속연구
- 국내 다기능보와 같은 하폭이 큰 본류에 설치된 상황에서 높은 배사 효율을 기대하기 어렵다. 따라서 국내 다기능보의 유사관리를 위해서는 하천에서 유사퇴적을 최소화하는 유사통과와 저수지 용량회복 방법인 기계적 준설이 적용될 수 있을 것으로 보인다. 두 가지 방법 모두 고탁도를 유발하는 단점이 존재하지만, 이 중에서 준설은 유사통과에 비해서 경제적으로 불리하며, 사회·환경적인 측면에서 부정적인 영향이 큰 편이다 (Jeong et al.
- 따라서, 수문운영을 통해서 배사의 효율을 증가시켜 저수지 퇴사를 저감하고, 이를 통해서 준설의 주기를 장기화하는 것이 효과적인 유사관리 방안이라고 할 수 있다. 따라서, 본 연구에서 분석한 운영수위 변화에 따른 배사효과의 변화는 중소규모의 홍수량이 도래하였을 경우에 저수지 퇴사 저감 및 준설주기의 장기화를 가능하게 하며, 결과적으로 장기적인 저수지 유사관리에 도움이 될 것으로 판단된다.
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