하도 홍수추적과 관련하여 하천에서의 시 공간적 홍수파를 해석하는데 수리학적 방법과 수문학적 방법이 일반적으로 많이 이용되어 왔다. 수문학적 홍수추적 방법은 수리학적 방법에 비해 수행하기에는 비교적 간단하면서도 합리적인 정확성을 지닌다. 수문학적 홍수추적 방법 중 광범위하게 적용되어지고 있는 Muskingum 모형의 중요 변수인 저류상수는 유하시간과 매우 유사한 값을 가진다. 이러한 점에 착안하여 본 연구에서는 저류상수를 산정하기 위해 HEC-RAS를 이용한 유하시간을 산정하고, 하도거리, 하도경사, 유량 자료를 이용하여 유하시간에 대한 비선형 회귀곡선식을 개발하였다. 비선형 회귀곡선에 의해서 산정된 저류상수를 Muskingum 모형에 대입하여 구한 유출량은 HEC-RAS 1차원 부정류 모의를 적용하여 산정된 유출량과 비교하였다. 이와 함께 본 연구에서는 가중인자에 대한 영향 및 상하류 사이의 구간 분할에 대해서 검토하였는데, 그 결과 가중인자 값이 클수록 첨두홍수량이 올라가는 것으로 나타났으며, 구간 분할을 많이 할수록 RMSE가 감소하는 것으로 나타났다.
하도 홍수추적과 관련하여 하천에서의 시 공간적 홍수파를 해석하는데 수리학적 방법과 수문학적 방법이 일반적으로 많이 이용되어 왔다. 수문학적 홍수추적 방법은 수리학적 방법에 비해 수행하기에는 비교적 간단하면서도 합리적인 정확성을 지닌다. 수문학적 홍수추적 방법 중 광범위하게 적용되어지고 있는 Muskingum 모형의 중요 변수인 저류상수는 유하시간과 매우 유사한 값을 가진다. 이러한 점에 착안하여 본 연구에서는 저류상수를 산정하기 위해 HEC-RAS를 이용한 유하시간을 산정하고, 하도거리, 하도경사, 유량 자료를 이용하여 유하시간에 대한 비선형 회귀곡선식을 개발하였다. 비선형 회귀곡선에 의해서 산정된 저류상수를 Muskingum 모형에 대입하여 구한 유출량은 HEC-RAS 1차원 부정류 모의를 적용하여 산정된 유출량과 비교하였다. 이와 함께 본 연구에서는 가중인자에 대한 영향 및 상하류 사이의 구간 분할에 대해서 검토하였는데, 그 결과 가중인자 값이 클수록 첨두홍수량이 올라가는 것으로 나타났으며, 구간 분할을 많이 할수록 RMSE가 감소하는 것으로 나타났다.
Hydraulic and hydrological flood routing methods are commonly used to analyze temporal and spatial flood influences of flood wave through a river reach. Hydrological flood routing method has relatively more simple and reasonable performance accuracy compared to the hydraulic method. Storage constant...
Hydraulic and hydrological flood routing methods are commonly used to analyze temporal and spatial flood influences of flood wave through a river reach. Hydrological flood routing method has relatively more simple and reasonable performance accuracy compared to the hydraulic method. Storage constant used in Muskingum method widely applied in hydrological flood routing is very similar to the travel time. Focusing on this point, in this study, we estimate the travel time from HEC-RAS results to estimate storage constant, and develop a non-linear regression equation for the travel time using reach length, channel slope, and discharge. The estimated flow by Muskingum model with storage constant of nonlinear equation is compared with the flow calculated by applying the HEC-RAS 1-D unsteady flow simulation. In addition, this study examines the effect on the weighting factor changes and interval reach divisions; peak discharge increases with the bigger weighting factor, and RMSE decreases with the fragmented division.
Hydraulic and hydrological flood routing methods are commonly used to analyze temporal and spatial flood influences of flood wave through a river reach. Hydrological flood routing method has relatively more simple and reasonable performance accuracy compared to the hydraulic method. Storage constant used in Muskingum method widely applied in hydrological flood routing is very similar to the travel time. Focusing on this point, in this study, we estimate the travel time from HEC-RAS results to estimate storage constant, and develop a non-linear regression equation for the travel time using reach length, channel slope, and discharge. The estimated flow by Muskingum model with storage constant of nonlinear equation is compared with the flow calculated by applying the HEC-RAS 1-D unsteady flow simulation. In addition, this study examines the effect on the weighting factor changes and interval reach divisions; peak discharge increases with the bigger weighting factor, and RMSE decreases with the fragmented division.
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문제 정의
본 연구의 목적은 비선형 유하시간 곡선식을 이용하여 Muskingum 하도 홍수추적에 관한 연구를 수행하는 것으로 본 연구결과를 정리하면 다음과 같다.
한편 Muskingum 모형의 매개변수인 저류상수 K는 하도구간에 대한 홍수파의 전파시간과 관계가 있으며, 하천구간을 통한 유하시간과 매우 유사한 값을 가진다(McCuen,2004). 이에 본 연구에서는 K를 산정하기 위해 유하시간을 이용하였는데, 유하시간 산정을 위해서 다양한 유량조건에 대한 HEC-RAS 모의 결과를 이용하여 비선형 회귀곡선식을 개발하였다. 비선형 회귀곡선은 하도거리, 하도경사, 유량, 유하시간 자료를 이용하여 개발하였으며, 비선형 회귀곡선에 의해서 산정된 유출량은 HEC-RAS 1차원 부정류 모의를 적용하여 산정된 유출량과 비교하였다.
비선형 회귀곡선은 하도거리, 하도경사, 유량, 유하시간 자료를 이용하여 개발하였으며, 비선형 회귀곡선에 의해서 산정된 유출량은 HEC-RAS 1차원 부정류 모의를 적용하여 산정된 유출량과 비교하였다. 이와 함께 가중인자 X에 대한 영향 및 상하류 사이의 구간 분할에 대한 효과에 대해서 검토하였다.
제안 방법
1) Muskingum 모형의 매개변수인 저류상수 K는 하천구간을 통한 유하시간과 매우 유사한 값을 가진다는 점에 착안하여, 본 연구에서는 K를 산정하기 위해 유하시간을 산정하였고, 이를 위해 다양한 유량조건에 대한 HEC-RAS 모의 결과를 이용하여 비선형 회귀곡선식을 개발하였다.
2) 유하시간에 대한 비선형 회귀곡선은 하도거리, 하도경사, 유량, 유하시간 자료를 이용하여 개발하였으며, 비선형 회귀곡선에 의해서 산정된 유출량은 HEC-RAS 1차원 부정류 모의를 적용하여 산정된 유출량과 비교하였다.
3) 실제 하류지점에서 관측된 유출량에는 측방유입유량이 존재하므로 저류상수 K와 가중인자 X는 측방유입이 없는 하도의 상류지점 유입량과 하류지점 유출량의 관계를 통해 산정되야 하는 문제를 HEC-RAS 부정류 모의와 비교 검토하는 방법을 제시하였다.
5) 상하류 사이의 대상구간에 대한 구간분할 효과에 대해서 검토하였다. 전체유량에 대한 RMSE의 경우 가중인자의 값에 따라 차이는 있지만, 구간 수가 증가할수록 RMSE가 감소하는 것으로 나타났다.
본 연구에서는 평창강 구간에 대해 HEC-RAS 모형의 해석결과와 대상구간의 지형적 특성으로부터 비선형 회귀곡선을 도출하여 하도 유하시간을 산정하였다. Fig. 1과 같이 평창강 측정 지점인 상안미~평창 구간에 대해 HEC-RAS 모형을 이용하여 상안미에서 20 m3/s부터 2,500 m3/s까지 16개의 임의의 유량조건에 대해 정상부등류 모의를 수행하였다. 대상구간에 대한 수리특성을 살펴보기 위해 HEC-RAS 모의 결과에 의한 유량등급별 유속을 Fig.
1과 같이 평창강 측정 지점인 상안미~평창 구간에 대해 HEC-RAS 모형을 이용하여 상안미에서 20 m3/s부터 2,500 m3/s까지 16개의 임의의 유량조건에 대해 정상부등류 모의를 수행하였다. 대상구간에 대한 수리특성을 살펴보기 위해 HEC-RAS 모의 결과에 의한 유량등급별 유속을 Fig. 2와 같이 도시하였으며, 유속과 함께 유량별 단면적, 수면폭 그리고 수리수심을 고려하여 6개의 구간으로 구분하였다. 6개 구간에 대한 유량등급별 유속분포 및 유량에 대한 유속 분포를 대표할 수 있는 회귀곡선식은 Table 1과 같다.
그러나 Table 1에서 제시된 구간별 유량등급별 유속분포에 대한 회귀곡선식은 하도단면의 변화정도에 따라 최대 유속과 최소유속에 대한 편차가 매우 크게 발생하고 있어 각 유량별 발생가능한 유속을 대표하기에 부족하다. 따라서, 각 구간별 유량에 따른 유속의 분포를 줄이기 위해 6개로 구분된 하도 구간을 12개로 세분하여 Table 2와 같은 유하곡선식을 개발하였다.
비선형 회귀곡선식을 이용하여 유하시간을 산정하였으며, 이를 Muskingum 모형에 적용하여 산정된 유출량을 HEC-RAS 부정류 모의결과와 비교하였다. 또한 평창강의 상안미~평창 구간을 6개와 12개 구간으로 구분하여 구간 수 증가에 따른 흐름특성에 대해서도 검토하였다. 구간분리효과 및 가중인자 X에 대한 영향 분석을 위해 X = 0.
본 연구에서는 평창강 구간에 대해 HEC-RAS 모형의 해석결과와 대상구간의 지형적 특성으로부터 비선형 회귀곡선을 도출하여 하도 유하시간을 산정하였다. Fig.
이에 본 연구에서는 K를 산정하기 위해 유하시간을 이용하였는데, 유하시간 산정을 위해서 다양한 유량조건에 대한 HEC-RAS 모의 결과를 이용하여 비선형 회귀곡선식을 개발하였다. 비선형 회귀곡선은 하도거리, 하도경사, 유량, 유하시간 자료를 이용하여 개발하였으며, 비선형 회귀곡선에 의해서 산정된 유출량은 HEC-RAS 1차원 부정류 모의를 적용하여 산정된 유출량과 비교하였다. 이와 함께 가중인자 X에 대한 영향 및 상하류 사이의 구간 분할에 대한 효과에 대해서 검토하였다.
그러나 하류지점의 관측된 유출량에는 구간 상류지점 유입량의 영향만 있는 것이 아니라 지류로부터 유입되는 유량과 하천 측면에서 본류로 유입되는 잔유량이 포함되기 때문에 상류지점 유입량과 하류지점 유출량에 대한 측정값을 이용하여 K와 X를 산정하기는 많은 오류가 발생할 수 있는 가능성을 내포하고 있는 상황이다. 이에 본 연구에서는 수리학적 하도 홍수추적 모형인 HEC-RAS 1차원 부정류 모의를 수행하여 상류지점 유입량이 어떠한 측방 유입유량(지류유량 및 잔유량)의 영향을 받지 않고 하류지점으로 유하하는 과정을 모의하였고, 그 결과는 수문학적 모형인 Muskingum 모형에 의해 계산한 유출량과 비교하는데 활용되었다.
데이터처리
비선형 회귀곡선식을 이용하여 유하시간을 산정하였으며, 이를 Muskingum 모형에 적용하여 산정된 유출량을 HEC-RAS 부정류 모의결과와 비교하였다. 또한 평창강의 상안미~평창 구간을 6개와 12개 구간으로 구분하여 구간 수 증가에 따른 흐름특성에 대해서도 검토하였다.
성능/효과
4) 가중인자 X에 대한 영향을 검토한 결과 가중인자 X가 0.35일 경우 상류단에서 초기 저유량이 유입될 때 평창지점의 유량이 일시적으로 낮아지는 현상이 발생하였으나 첨두홍수량은 가중인자 X가 0.15일 경우보다 더 높게 나타났다. 가중인자 X가 0.
HEC-RAS 모형의 첨두홍수량에 대한 모의조건별 첨두홍수량 편차는 가중인자 X가 0.35일 때 구간 수가 6개에서 12개로 증가함에 따라 첨두홍수량 감소량이 20.7 m3/sec에서 12.1 m3/sec로 나타나 첨두홍수량 감쇠율이 약 32.18%로 나타났으며, 가중인자 X가 0.15일 경우 첨두홍수량 감소량은 51.1 m3/sec에서 40.0 m3/sec로 나타나 첨두홍수량 감쇠율이 약 19.17%로 나타나 가중계수 X가 0.35일 경우 첨두홍수량에 대한 정확도가 더욱 높은 것으로 나타났으며, 구간 개수가 12개일 경우 정확도는 더욱 높아지는 것으로 나타났다.
평창강의 상안미~평창 구간에 대한 구간 개수에 따른 오차변화를 가중인자 X에 대해 각각 검토한 결과는 Table 4와 같다. Table 4에서 보는 바와 같이 상안미~평창 구간에서는 가중인자 X가 0.35일 경우 전체 유량자료에 대한 RMSE 감쇠율은 구간이 6개에서 12개로 증가함에 따라 26.25%로 나타났으며, 가중인자 X가 0.15일 경우는 21.03%인 것으로 나타나 가중인자의 값에 따라 차이는 있지만, 구간 수가 증가할수록 RMSE가 감소하는 것으로 나타났다.
각 사상별 첨두유량에 대한 RMSE 감쇠율은 가중인자 X가 0.35일 경우 36.07%, X가 0.15일 경우 23.46%로 나타나 첨두홍수량에 대한 RMSE도 가중인자 X가 0.35일 때 구간 수 증가에 따른 감쇠효과가 더욱 크게 나타났다.
전체유량에 대한 RMSE의 경우 가중인자의 값에 따라 차이는 있지만, 구간 수가 증가할수록 RMSE가 감소하는 것으로 나타났다. 각 사상별 첨두유량에 대한 RMSE와 관련하여 구간 수 증가에 따른 감쇠효과가 크게 나타났다.
32 m3/sec로 가장 낮게 나타났다. 모의결과를 나타내는 Fig. 3에서는 가중인자 X의 크기에 따라 특이한 수문곡선의 형상을 확인할 수 있는데, 가중인자 X가 0.35일 경우 상류단에서 초기 저유량이 유입될 때 평창 지점의 유량이 일시적으로 낮아지는 현상이 발생하였으나 첨두홍수량은 가중인자 X가 0.15일 경우보다 더 높게 나타났다. 가중인자 X가 0.
모의조건에 따른 모의결과의 비교 분석을 위해 동수역학적 모형인 HEC-RAS 모형의 모의결과에 대한 RMSE를 전체 유량수문곡선에 대한 오차와 사상별 첨두홍수량에 대한 오차로 구분하여 Table 3과 같이 산정하였는데, Table 3에서 보는 바와 같이 전체 유량수문곡선에 대한 평균 RMSE는 12개 구간에 대해 가중인자 X = 0.35를 사용하였을 경우 14.4 m3/sec로 가장 낮게 나타났으며, 9개 홍수사상의 첨두홍수량에 대한 RMSE도 동일한 경우에서 15.32 m3/sec로 가장 낮게 나타났다. 모의결과를 나타내는 Fig.
이와 같은 양상은 상안미∼평창 구간 내에 위치한 방림~ 평창 구간에서도 동일한 양상으로 나타났으며, 평창강 구간에 대해 저류상수 K를 비선형 회귀곡선을 사용할 경우 가 중계수 X는 0.35일 때 그리고 구간의 수가 많을수록 모의 결과에 대한 정확도가 더욱 높아지는 것으로 나타났다.
5) 상하류 사이의 대상구간에 대한 구간분할 효과에 대해서 검토하였다. 전체유량에 대한 RMSE의 경우 가중인자의 값에 따라 차이는 있지만, 구간 수가 증가할수록 RMSE가 감소하는 것으로 나타났다. 각 사상별 첨두유량에 대한 RMSE와 관련하여 구간 수 증가에 따른 감쇠효과가 크게 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
하도 홍수추적과 관련하여 홍수파를 해석하는데 어떤 방법이 많이 이용되어 왔는가?
하도 홍수추적은 하천에서 홍수파의 거동에 대한 적절한 홍수방어대책과 경제적인 효과를 알기 위해서 필요한 매우 중요한 작업 중 하나이다. 하도 홍수추적과 관련하여 하천에서의 시·공간적 홍수파를 해석하는데 수리학적 방법과 수문학적 방법이 일반적으로 많이 이용되어 왔다(Choudhuryet al., 2002).
상하류 사이의 대상구간에 각 사상별 첨두 유량에 대한 RMSE와 관련하여 어떤 결과가 나타났는가?
전체유량에 대한 RMSE의 경우 가중인자의 값에 따라 차이는 있지만, 구간 수가 증가할수록 RMSE가감소하는 것으로 나타났다. 각 사상별 첨두유량에 대한 RMSE와 관련하여 구간 수 증가에 따른 감쇠효과가 크게 나타났다.
하도 홍수추적은 무엇을 위해 중요한 작업인가?
하도 홍수추적은 하천에서 홍수파의 거동에 대한 적절한 홍수방어대책과 경제적인 효과를 알기 위해서 필요한 매우 중요한 작업 중 하나이다. 하도 홍수추적과 관련하여 하천에서의 시·공간적 홍수파를 해석하는데 수리학적 방법과 수문학적 방법이 일반적으로 많이 이용되어 왔다(Choudhuryet al.
참고문헌 (11)
Choudhury, P., Shrivastava, RK, and Narulkar, SM (2002). Flood routing in river networks using equivalent Muskingum inflow. J. of Hydrologic Engineering, 7(1), pp. 413-419.
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McCarthy, GT (1938). The unit hydrograph and flood routing. US Army Corps Eng., New London, CT. US Engineering Office, Providence RI.
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