본 연구에서는 저수지의 붕괴로 인한 하류부 하천의 하상변동에 대한 해석을 수행하였다. 저수지 붕괴에 따른 1차원 비평형, 비균일 유사의 이송과 하상 변동을 연구를 위해 CCHE1D 모형을 이용하였다. CCHE1D 모형은 비평형 및 비균일 유사해석을 위해 조정거리와 분류된 입자의 입경을 사용하며, 하상 물질의 교환을 위한 혼합층의 개념이 사용된다. CCHE1D 모형을 1996년 저수지 붕괴가 발생한 Ha!Ha!강 유역에 적용하여 저수지 붕괴로 인한 하류부의 비평형, 비균일 유사이송을 해석하고, 계산 결과를 저수지 붕괴전 후에 하류부 실측 하상과 비교하였다. 또한, 조정계수($L_{s,b}$), 비평형 계수(${\alpha}_s$), 혼합층 두께(${\delta}_m$), 공극률(p')을 포함하는 주요 매개변수에 대한 민감도를 분석하였으며, 대상유역에서는 비평형 계수가 하상변동에 가장 큰 영향을 주는 것으로 나타났다.
본 연구에서는 저수지의 붕괴로 인한 하류부 하천의 하상변동에 대한 해석을 수행하였다. 저수지 붕괴에 따른 1차원 비평형, 비균일 유사의 이송과 하상 변동을 연구를 위해 CCHE1D 모형을 이용하였다. CCHE1D 모형은 비평형 및 비균일 유사해석을 위해 조정거리와 분류된 입자의 입경을 사용하며, 하상 물질의 교환을 위한 혼합층의 개념이 사용된다. CCHE1D 모형을 1996년 저수지 붕괴가 발생한 Ha!Ha!강 유역에 적용하여 저수지 붕괴로 인한 하류부의 비평형, 비균일 유사이송을 해석하고, 계산 결과를 저수지 붕괴전 후에 하류부 실측 하상과 비교하였다. 또한, 조정계수($L_{s,b}$), 비평형 계수(${\alpha}_s$), 혼합층 두께(${\delta}_m$), 공극률(p')을 포함하는 주요 매개변수에 대한 민감도를 분석하였으며, 대상유역에서는 비평형 계수가 하상변동에 가장 큰 영향을 주는 것으로 나타났다.
This study presents the analysis of flood and bed deformation caused by reservoir failure. The CCHE1D is used to simulate 1D non-uniform, non-equilibrium sediment transport and bed deformation. The CCHE1D deals with the adaptation length for non-equilibrium sediment, classified sediment particle for...
This study presents the analysis of flood and bed deformation caused by reservoir failure. The CCHE1D is used to simulate 1D non-uniform, non-equilibrium sediment transport and bed deformation. The CCHE1D deals with the adaptation length for non-equilibrium sediment, classified sediment particle for non-uniform sediment and mixing layer for the exchange with the sediment moving with the flow. The model is applied to Ha!Ha! river basin where was experienced reservoir failure in 1996 to analyze non-uniform and non-equilibrium sediment transport. The calculations are compared with morphological bed changes of pre- and post-flood. In addition, model sensitivity to main parameters involving adaptation length ($L_{s,b}$), non-equilibrium coefficient (${\alpha}_s$), mixing layer thickness (${\delta}_m$) and porosity (p') is analyzed. The results indicates that thalweg change is the most sensitive to non-equilibrium coefficient (${\alpha}_s$) among those parameters in the study area.
This study presents the analysis of flood and bed deformation caused by reservoir failure. The CCHE1D is used to simulate 1D non-uniform, non-equilibrium sediment transport and bed deformation. The CCHE1D deals with the adaptation length for non-equilibrium sediment, classified sediment particle for non-uniform sediment and mixing layer for the exchange with the sediment moving with the flow. The model is applied to Ha!Ha! river basin where was experienced reservoir failure in 1996 to analyze non-uniform and non-equilibrium sediment transport. The calculations are compared with morphological bed changes of pre- and post-flood. In addition, model sensitivity to main parameters involving adaptation length ($L_{s,b}$), non-equilibrium coefficient (${\alpha}_s$), mixing layer thickness (${\delta}_m$) and porosity (p') is analyzed. The results indicates that thalweg change is the most sensitive to non-equilibrium coefficient (${\alpha}_s$) among those parameters in the study area.
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문제 정의
본 연구에서는 저수지 붕괴로 인한 빠른 유속과 전단력의 영향으로 발생할 수 있는 침식을 고려하여 유사이송 및 하상변동 계산을 실시하고 과도한 유사의 퇴적으로 인한 하상변동이 하천 시설물과 하천관리 등에 미칠 영향을 분석하고자 한다. 또한, 흙으로 축조된 저수지의 붕괴로 인해 대량의 유사가 하류로 전달될 경우에 대비한 유사이송 양상을 분석하여 발생가능한 피해에 대처하기 위한 정보를 제시하고자 한다.
하지만, 국내에서는 홍수에 대한 조사, 분석, 대비에 상대적으로 많은 노력이 기울여 지는데 반해 유사 이송과 하상변동에 대한 연구는 부진한 편이다. 본 연구에서는 저수지 붕괴로 인한 빠른 유속과 전단력의 영향으로 발생할 수 있는 침식을 고려하여 유사이송 및 하상변동 계산을 실시하고 과도한 유사의 퇴적으로 인한 하상변동이 하천 시설물과 하천관리 등에 미칠 영향을 분석하고자 한다. 또한, 흙으로 축조된 저수지의 붕괴로 인해 대량의 유사가 하류로 전달될 경우에 대비한 유사이송 양상을 분석하여 발생가능한 피해에 대처하기 위한 정보를 제시하고자 한다.
가설 설정
35)을 기준으로 하였고, 각 매개변수들의 초기값은 Wu and Vieira (2002)가 제안한 특정 값 혹은 범위 내에서 결정하였다. 그리고 각 변수들은 독립적인 변수들로 가정하였다.
제안 방법
αs의 민감도를 분석하기 위해서, 앞서 수행한 방법과 마찬가지로 다른 입력변수들은 모두 그대로 두고 부유사의 Ls,s 결정을 위해 αs를 변화시키면서 입력하였을 때 최심하상의 변화를 살펴보았다.
(2) 저수지 붕괴에 따른 하상변동의 실측자료가 있는 유역에 대한 하상변동 모의를 실시하였고, 관측값에 가장 근접한 결과를 가지는 입력변수를 도출하여 민감도 분석 및 모형 성능 평가를 통해 입력변수에 대한 일정 범위를 설정하였다.
(4) 4가지 입력 변수(Ls,b, αs, δm , p′)에 대해 적용 범위를 설정하고 그 범위에 해당하는 하상변화를 분석하였다.
7(d)는 p′의 변화에 따른 최심하상의 변화를 보여준다. CCHE1D 모형을 이용한 저수지 붕괴에 따른 하상변동 해석 전체 모의 구간에 걸쳐 동일한 공극률이 입력되었을 경우 결과값의 변화를 보기 위해 0.2~0.4까지 공극률을 변화시키면서 최심하상의 변화를 살펴보았다. αs와 δm과는 조금 차이가 있으나 공극률의 변화에 따라 최심하상의 모의 결과 값이 변화하는 것으로 나타났다.
CCHE1D 모형의 하상변동 입력변수 Ls,b, αs, δm, p′에 대해 일정 범위 내에 있는 이들 변수를 조합하여 민감도 분석과 모형성능 평가를 통해 매개변수의 가장 적절한 조합을 구하였다.
1, p′= 0.35가 최적의 조합으로 산정되었으며, 이 값들을 적용한 모형의 결과와 Ha!Ha! 강에 대한 하상변동 관측자료를 비교함으로써 적용모형을 검증하였다.
, 그리고 p′ 값들은 다양한 연구를 통해 제시되어 왔지만, 불확실성이 많고 적용되는 각각의 경우에 따라 다른 값을 가지는 것으로 조사되었다. 따라서, 본 연구에서는 Ha!Ha! 강에서의 각 변수들에 대한 민감도 분석을 통해 적절한 입력 변수의 범위를 설정하였다.
Ha!Ha! 강의 전체 구간에 대하여 홍수발생 후 침식이 크게 발생한 3개의 구간, 저수지 직하류부 1~2km 구간, 붕괴지점으로부터 23~24km 구간, 그리고 29.5~30.5km 구간에 대하여 입경크기의 변화를 검토하였다. 전체 분석에 사용된 입도분포곡선은 Fig.
를 변화시키면서 입력하였을 때 최심하상의 변화를 살펴보았다. Ha!Ha! 강의 평균 수로폭이 32m 정도이고 자연하천에서 입력 값으로 제시되는 평균 수로폭의 6.3배를 적용한 Ls,b = 200m를 초기값으로 하여 그 값을 변화 시키면서 분석하였다. 그리고 그 결과를 Fig.
Ha!Ha! 강의 홍수로 인한 하상변동을 모의하기 위해 먼저 입력 조건을 구축하였다. 유사 이송 및 하상변동을 위한 입력 자료로는 유입 유사량 조건, 유사 크기 구분, 입경분포, 하상 구성 물질, 노두의 분포 고려 등이 필요하다.
이와 같이 국내에서는 CCHE1D를 적용한 하상변동 연구가 거의 이루어지지 않았으며, 하천에서의 흐름과 유사이송 해석을 위해 확산파 모형과 동역학 모형의 적용이 가능하고 특히 저수지 붕괴와 같은 극한 홍수와 이에 따르는 하류부의 하상변동 모의가 가능한 CCHE1D 모형으로 저수지 붕괴와 이에 따른 하류부 하상변동에 대한 적용성 검토가 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 입자의 서로 다른 크기 때문에 발생하는 비균일 유사의 발생과 이송과정, 차폐효과를 고려할 수 있는 유사이송 능력 공식이 내재되고, 실제 하천에서의 유사 이송 능력에 미치지 못하는 유사의 농도로 흐르는 비평형 유사이송 그리고 장기 하상변화의 예측을 고려할 수 있는 CCHE1D를 적용 모형으로 선정하였다.
본 연구에서는 BSS를 활용하여 Ha!Ha! 저수지 붕괴로 인한 하류하천의 하상변동에 대하여 민감도 분석에 사용된 4가지 변수들(Ls,b, αs, δm, p′)에 대한 성능평가를 실시하였다. 또한 유사이송 능력을 구하기 위해 CCHE1D 모형에 포함되어 있는 4가지 공식(Table 1)에 대한 성능평가도 함께 수행하였으며, 그 결과를 Table 3에 나타내었다.
대상 유역은 빙하기 매적된 토양 특성 때문에 배수 방향이 외부 영향에 의해 국부적으로 바뀌기도 하는데 홍수가 발생하면 심한 유로변화가 생기기도 한다. 또한, 입도분포곡선에 나타난 바로는 D90이 2mm로 세립질의 토양이 우세하므로 조도계수는 전체적으로 0.03~0.08 범위내에서 관측된 유량과 수위와 비교를 통해 조도계수를 조정하였다.
먼저, Ls,b에 대한 매개변수 민감도 분석을 위해, 다른 입력변수들은 그대로 두고 소류사의 Ls,b를 변화시키면서 입력하였을 때 최심하상의 변화를 살펴보았다. Ha!Ha! 강의 평균 수로폭이 32m 정도이고 자연하천에서 입력 값으로 제시되는 평균 수로폭의 6.
민감도 분석을 위해 실측치와의의 검증과정에서 가장 정확한 결과를 제시하는 매개변수 값(Ls,b=1000, αs=0.005, δm=0.1, p′=0.35)을 기준으로 하였고, 각 매개변수들의 초기값은 Wu and Vieira (2002)가 제안한 특정 값 혹은 범위 내에서 결정하였다.
앞서 제시된 입력변수 Ls,b, αs, δm, 그리고 p′에 대한 민감도 분석을 수행하였다.
연구유역으로는 국내에서는 저수지 붕괴로 인한 하류 하상변동에 대한 조사가 이루어지지 않아 관측자료가 전무한 실정이므로 실측자료의 활용이 가능한 Ha!Ha! 강에 적용하였다. 즉, 본 연구에서는 1996년 발생한 캐나다 Ha!Ha! 저수지 붕괴로 인한 하류지역의 하상변동을 예측하기 위해, 관측된 홍수량/홍수위와 CCHE1D 모형의 계산치와의 비교를 통해 흐름 해석에 대한 모형의 검증을 수행하였다. 그리고 홍수전 지형을 이용하여 계산된 모형의 최심하상 결과와 홍수후 실측된 최심하상을 비교·분석하였고, 최적 매개변수 입력 값 결정을 위하여 주요 하상변동 매개변수의 민감도 분석을 수행하였다.
저수지 붕괴로 인한 하류하천의 하상변동에 대하여 민감도 분석에 사용된 4가지 변수들(Ls,b, αs, δm, p′)에 대한 성능평가를 실시하였다.
, p′)에 대해 적용 범위를 설정하고 그 범위에 해당하는 하상변화를 분석하였다. 조합된 4가지 입력 변수에 대한 하상변화 계산치와 관측치 최심하상고와의 결과 비교를 통해 최적 변수를 채택을 고려하였다. 붕괴부 23km 하류에서 변화를 비교했을 때 αs의 값에 따라 약 15m의 차이를 보여 변화가 가장 컸고, δm, p′, Ls,b 순으로 변화폭이 큰 것으로 나타났다.
Ha!Ha! 강의 일부구간에는 하상에 노출된 암반이 존재하며, 이러한 암반은 하상변동 모의에 입력조건으로 고려되어야 한다. 즉, 암반의 존재 때문에 더 이상 침식이 발생하지 않는 것을 모의 수행시 고려하여야 하므로 조사된 암반의 등고선을 바탕으로 각 단면별로 침식 가능 여부를 부여하였다.
대상 데이터
홍수 전·후의 Ha!Ha! 강 유로를 따라 항공사진 측량된 DTM자료가 있으며, 나머지 유역에 대해서도 홍수 전·후에 촬영된 항공사진을 이용하여 고도를 추출한 DTM 자료가 생성되어 있다. 이러한 자료들은 Ha!Ha!강의 하상 변동을 연구한 Capart et al. (2007)의 첨부물로 제공되고 있으며, 본 연구에서는 이러한 DTM 자료들을 지형자료로 활용하였다.
이 자료들에 대한 내용은 Table 2에 제시하였다. 모의를 위한 상류단 경계조건으로는 저수지 붕괴유량이 하류단 경계조건으로는 하류 Ha!Ha! 만(bay)에서의 일정 수위조건을 적용하였다(Fig. 4). 그리고 지류 유입은 Table 2에서 보여주듯이, 9.
데이터처리
그리고 홍수전 지형을 이용하여 계산된 모형의 최심하상 결과와 홍수후 실측된 최심하상을 비교·분석하였고, 최적 매개변수 입력 값 결정을 위하여 주요 하상변동 매개변수의 민감도 분석을 수행하였다.
본 연구에서는 Ha!Ha! 저수지 붕괴로 인한 극한 홍수 발생 시 예상되는 하류하천에서의 단기간 하상변동과, 비균일, 비평형 유사의 이송 현상을 CHE1D 모형을 이용하여 분석하고, 계산결과와 실측치와 비교하였다. 본 연구를 통해서 얻은 결과를 정리하면 다음과 같다.
이론/모형
1996년에 발생한 Ha!Ha! 강 유역의 홍수사상에 대한 CCHE1D 모형의 검증을 위해 일부 지점에서 관측된 지점별 최대수위와 댐 하류 27km 지점에서 Brooks and Lawrence (1999)가 산정한 홍수량을 이용하였다. 이 자료들에 대한 내용은 Table 2에 제시하였다.
모형이 얼마나 정확한가에 대한 문제는 일반적으로 정성적인 표현보다는 정량적인 방법이 사용되어지며, 본 연구에서는 모형의 성능을 평가하는 통계 변수인 Brier Skill Score (BSS)를 이용하였다. 전체 수로에 대한 하상 지형 변화를 계산하는 모형의 성능을 측정하기 위한 BSS값은 Eq.
성능/효과
(1) 붕괴지점으로부터 23.2km 하류지점에서 측정된 홍수전·후 최심하상의 차이는 21.5m로 이 지점을 전후로 많은 침식이 발생하였으며, 본 연구에서 이 지점에 대한 최심하상 차이는 22.4m로 나타나 5%내의 정확도를 보여주었다.
(3) BSS (Brier Skill Score)를 활용하여 모의결과에 대한 성능평가를 실시하였으며, CCHE1D 모형에서 제공하는 4가지의 유사이송 능력 공식 중에서 Wu, Wang and Jia 공식을 적용하고 Ls,b=1000, αs=0.005, δm=0.1 그리고 p′=0.35일 때, BSS가 각각 0.75246, 0.73975, 0.75416, 0.73920로 가장 크게 산정되었다.
Table 3에서 보여주듯이, 유사이송 능력 공식에 따라 하상변동이 차이가 나는 이유로는 각 공식에 의한 유사이송 능력이 상대적으로 크거나 작게 산정되기 때문이다. 4가지 공식에 사용되는 변수들은 유속(V), 수위(h), 전단응력(T), 침강속도(ws), 유사입경(d) 등으로 그 중에서 특히 유속의 변동성은 침식구간에서 하상변동의 편차가 심하게 발생하는 원인으로 판단된다.
8(b)는 붕괴지점으로부터 23km를 전후한 최심하상 변화의 비교를 확대하여 보여주었다. Fig. 8에서 보여주듯이, 23km 지점에서의 수로붕괴와 30km 지점에서의 침식과 하류 수로 폭의 확대로 인해 하상의 큰 변화가 발생하였으나, 계산치가 관측치 최심하상의 양상을 잘 반영하였고 또한 붕괴부 지점에서도 홍수 후의 최심하상을 잘 모의하는 것으로 나타났다.
7(a)에 나타내었다. 소류사의 Ls,b의 변화는 1996년 홍수에 대한 Ha!Ha! 강에서의 최심하상 변화에 크게 영향을 미치지 않았으며, Ls,b = 200m를 기준으로 그 이상의 값이 사용되었을 경우 거의 변화가 없는 것으로 분석되었다.
5는 본 연구에서 CCHE1D 모형으로 대상유역의 주요지점에서의 홍수량을 산정한 결과를 보여준다. 본 연구에서 계산된 27km 지점에서의 첨두 홍수량은 약 1,112m3/s로 Brooks and Lawrence (1999)가 산정한 첨두홍수량 범위인 1,080~1,260m3/s(Table 2) 사이에 존재하여 합리적인 값을 계산한 것을 확인할 수 있다. 그리고 본 연구에서 고려한 4개의 지류 유량의 영향으로 Fig.
비평형 소류사 조정거리(Ls,b), 부유사 조정계수(αs), 혼합층 두께(δm), 공극률(p′)의 입력값을 변화시키면서 얻은 최심하상의 결과를 이용하여 BSS값을 산정한 결과, Ls,b는 1000(BSS=0.75246), αs는 0.005(BSS=0.73975), δm은 0.1(BSS=0.75416), p′는 0.35(BSS=0.73920)일 때 가장 높은 것으로 나타났다.
7(c)에 나타내었다. 주요 지점에서 혼합층 두께의 입력값이 변화함에 따라 채택된 입력값을 기준으로 최심하상고가 최대 14 m까지 차이가 남을 보여주었으며, 하상고의 변화가 큰 몇 개의 단면을 제외하고 전반적으로 1m 이내에서 변화가 나타났다
하상변동 계산의 수치안정성을 위해 중요한 변수인 Ls,b, αs, δm, 그리고 p′ 값들은 다양한 연구를 통해 제시되어 왔지만, 불확실성이 많고 적용되는 각각의 경우에 따라 다른 값을 가지는 것으로 조사되었다.
후속연구
(5) 홍수로 인한 흐름 및 하상변동의 검증, 민감도 분석과 최적모형 성능평가를 위해 본 연구에서 적용한 방법론 및 결과들은 하상의 변화에 대한 관측값이 없는 하천에 대 한 적용의 가이드라인으로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
저수지 붕괴는 홍수파의 하류 전달로 인한 피해가 일차적이며 유사 이송 및 하상 변동에 의한 하상의 침식과 퇴적, 하류부 수로 폭의 확대 등으로 피해가 발생할 수 있다. 하상 변동이 제방 붕괴, 범람 등으로 또 다른 홍수 피해의 원인이 될 가능성이 있고 홍수파의 전파에도 다시 영향을 미칠 수 있으므로 이에 대한 연구가 필요하다. 하지만, 국내에서는 홍수에 대한 조사, 분석, 대비에 상대적으로 많은 노력이 기울여 지는데 반해 유사 이송과 하상변동에 대한 연구는 부진한 편이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
CCHE1D모형이란 무엇인가?
CCHE1D모형은 NCCHE (National Center for Computational Hydroscience and Engineering of University of Mississippi)에 의해 개발된 하천에서의 흐름과 유사이송을 해석하는 1차원 수치 모형이다. 흐름 해석은 하천에서의 주수로와 홍수터를 구분하여 부정류를 계산할 수 있고 각종 수리구조물의 영향 등의 고려도 가능하며, 국지적인 사류나 천이구간에서의 계산은 하이브리드 동역학/확산파 모형이 적용된다.
CCHE1D모형을 이용해 하천에서의 흐름을 해석하면 어떤 것이 가능한가?
CCHE1D모형은 NCCHE (National Center for Computational Hydroscience and Engineering of University of Mississippi)에 의해 개발된 하천에서의 흐름과 유사이송을 해석하는 1차원 수치 모형이다. 흐름 해석은 하천에서의 주수로와 홍수터를 구분하여 부정류를 계산할 수 있고 각종 수리구조물의 영향 등의 고려도 가능하며, 국지적인 사류나 천이구간에서의 계산은 하이브리드 동역학/확산파 모형이 적용된다. 유사이송 해석은 비평형, 비균일 상태의 유사이송을 계산하고, 유사의 발생량과 퇴적량 계산은 하천단면 지형의 변화와 하상물질의 조합, 제방침식, 수로 폭의 확대과정과 맞물려 계산한다.
저수지 붕괴로 어떠한 피해가 발생하는가?
저수지 붕괴는 홍수파의 하류 전달로 인한 피해가 일차적이며 유사 이송 및 하상 변동에 의한 하상의 침식과 퇴적, 하류부 수로폭의 확대 등으로 피해가 발생할 수 있다. 하상 변동이 제방 붕괴, 범람 등으로 또 다른 홍수 피해의 원인이 될 가능성이 있고 홍수파의 전파에도 다시 영향을 미칠 수 있으므로 이에 대한 연구가 필요하다.
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