흐름특성과 하상변동의 추정은 하천유역 내 수리구조물의 설계 및 유지관리, 홍수터 관리, 하천개수 및 하도의 안정 등을 위한 기본적인 요소이며, 하천관리에 직접적인 영향을 미친다. 이에 본 연구의 목적은 하도 내에 수리구조물 설치에 따른 흐름의 특성과 그에 따른 하상변동을 추정하는 데 있다. 이를 위하여 금강 대청댐 하류부 11.65km 구간을 대상으로 RMA2 모형 및 SED2D 모형을 이용하여 수리구조물의 신설로 인한 흐름특성의 변화와 빈도별 홍수량에 따른 하상변동을 모의하였다. 연구결과, 수리구조물 설치로 인해 상류부에서는 하상 상승, 하류부에서는 보 설치전과 유사한 형태의 침식이 발생하는 것으로 나타났다.
흐름특성과 하상변동의 추정은 하천유역 내 수리구조물의 설계 및 유지관리, 홍수터 관리, 하천개수 및 하도의 안정 등을 위한 기본적인 요소이며, 하천관리에 직접적인 영향을 미친다. 이에 본 연구의 목적은 하도 내에 수리구조물 설치에 따른 흐름의 특성과 그에 따른 하상변동을 추정하는 데 있다. 이를 위하여 금강 대청댐 하류부 11.65km 구간을 대상으로 RMA2 모형 및 SED2D 모형을 이용하여 수리구조물의 신설로 인한 흐름특성의 변화와 빈도별 홍수량에 따른 하상변동을 모의하였다. 연구결과, 수리구조물 설치로 인해 상류부에서는 하상 상승, 하류부에서는 보 설치전과 유사한 형태의 침식이 발생하는 것으로 나타났다.
The estimations of flow characteristics and river-bed erosion or sedimentation are very important for hydraulic structure design, floodplain management, and especially, river management. The objective of the study is therefore to estimate the change of flow characteristics and river-bed change due t...
The estimations of flow characteristics and river-bed erosion or sedimentation are very important for hydraulic structure design, floodplain management, and especially, river management. The objective of the study is therefore to estimate the change of flow characteristics and river-bed change due to a hydraulic structure construction. With 11.65 km study area of the Geum River which are located in downstream of Daecheong Dam, flow characteristics and river-bed change were estimated based on the RMA2 and SED2D model. As the result of the study, the increase of river-bed sedimentation in upstream and river-bed erosion in downstream were occurred by the construction of hydraulic structure.
The estimations of flow characteristics and river-bed erosion or sedimentation are very important for hydraulic structure design, floodplain management, and especially, river management. The objective of the study is therefore to estimate the change of flow characteristics and river-bed change due to a hydraulic structure construction. With 11.65 km study area of the Geum River which are located in downstream of Daecheong Dam, flow characteristics and river-bed change were estimated based on the RMA2 and SED2D model. As the result of the study, the increase of river-bed sedimentation in upstream and river-bed erosion in downstream were occurred by the construction of hydraulic structure.
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문제 정의
이에 본 연구의 목적은 각 빈도별 홍수량에 따른 수리특성의 변화를 예측하고 실제 하상변동 및 그 거동을 모의하는 데 있다. 이를 위하여 금남교 상류부에 세종보 및 금남교를 포함한 금강 본류 11.
가설 설정
식 (4)는 하상제원에 대한 상수이며, C는 유사농도 Vs는 유사입자의 침강 속도, τ 및 τd는 각각 전단응력 및 퇴적에 대한 한계 전단응력, Cc는 유사의 한계 농도 (300mg/L)를 나타낸다. 하상변동 계산은 각 시간단계에 대해 Crank-Nicholson 가중치를 주어 계산하며, 모래하상은 침식이 불가능한 유한 두께를 가진 저수지로 구성되어 있다고 가정한다. 유사는 식 (1) 및 (2)의 유입(sink)/유원(source)값에 의해 결정된 비율로 하상에 추가되거나 이동된다.
제안 방법
65㎞ 구간을 대상으로 하여 SMS 모형의 RMA2 모형을 적용하여 흐름변화에 대한 수리특성의 변화를 예측하였다. 또한, RMA2 모형의 수리학적 결과와 유사량 실측 자료를 토대로 SED2D 모형을 이용하여 각 빈도별 홍수량에 따른 대상구간의 하상변동을 모의하고 그 결과를 비교분석하였다.
또한, SED2D 모형은 대표유효입경만 선택할 수 있기 때문에 “금강유역조사(MOCT and K-Water, 2006)”에 수록된 하상토 입경 분포 분석을 통하여 1.532mm로 결정하였다.
해당 지역에 보다 최신의 홍수량 설정자료(MOCT, 2011)이 존재하고 있으나, 기존의 산정결과와 비교하였을 때 차이가 발생하여 기존의 관측자료와 비교한 결과 2002년의 자료가 좀 더 설득력이 있는 것으로 판단하여 준용하였다. 또한, 난류교환계수의 경우에는 Jin (2010)의 연구결과와 같이 빈도별 계획홍수위와 적정 난류교환계수를 적용한 모형의 수위를 비교하여 2,500N∙ sec/m2를 선정하고, 고빈도 홍수량에 대해서는 2,000N∙ sec/m2을 선택하였다 (Fig. 2 참조).
6607g/l)를 선정하였다. 또한, 유한요소망은 총 11,878개의 절점(Node)과 총 4,083개의 요소망(Element)으로 구성하였으며, 대부분의 요소망(Element)은 사각망으로 구성하고, 세밀한 흐름 분석을 필요로 하는 구간에서는 삼각망과 사각망을 혼용하였다(Fig. 3 참조).
또한, 특수한 형상을 지니는 구간을 비교하는 것이 보 설치 전·후의 명확한 변동양상을 나타낼 것으로 판단되므로 금남교 및 세종보 구간의 변화양상을 분석하였다.
흐름의 특성을 파악하기 위하여 구축된 RMA2 모형을 이용하여 설정된 빈도별 홍수량이 일정하게 흐르는 상태에 대하여 모의를 수행하였다. 본 연구는 하상변동에 영향을 미치는 홍수사상에 대한 분석을 대상으로 하기 때문에 결과값이 수렴하는데 문제가 없다고 판단하였고, 각 10회의 반복계산을 통해 하천흐름 특성을 분석하였다.
본 연구에서는 2차원 모형인 RMA2 및 SED2D 모형을 이용하여 수리구조물 설치에 따른 상·하류부의 흐름특성변화와 그에 따른 하상변동을 모의하였다.
이에 본 연구의 목적은 각 빈도별 홍수량에 따른 수리특성의 변화를 예측하고 실제 하상변동 및 그 거동을 모의하는 데 있다. 이를 위하여 금남교 상류부에 세종보 및 금남교를 포함한 금강 본류 11.65㎞ 구간을 대상으로 하여 SMS 모형의 RMA2 모형을 적용하여 흐름변화에 대한 수리특성의 변화를 예측하였다. 또한, RMA2 모형의 수리학적 결과와 유사량 실측 자료를 토대로 SED2D 모형을 이용하여 각 빈도별 홍수량에 따른 대상구간의 하상변동을 모의하고 그 결과를 비교분석하였다.
지형자료의 경우 종·횡단 자료 및 수치지도를 이용하여 구축하였으며, 양 첨단에서의 경계자료는 “금강수계 하천정비기본계획(MOCT, 2002)”의 홍수량을 적용하였다.
흐름의 특성을 파악하기 위하여 구축된 RMA2 모형을 이용하여 설정된 빈도별 홍수량이 일정하게 흐르는 상태에 대하여 모의를 수행하였다. 본 연구는 하상변동에 영향을 미치는 홍수사상에 대한 분석을 대상으로 하기 때문에 결과값이 수렴하는데 문제가 없다고 판단하였고, 각 10회의 반복계산을 통해 하천흐름 특성을 분석하였다.
대상 데이터
RMA2모형을 통하여 산정된 흐름특성을 SED2D 모형에 적용하여 대상구간에 대한 유사농도의 변화와 하상변동량을 분석하였다. 다만, SED2D는 수위와 유속을 입력자료로서 받아들이기 때문에 본 연구에서는 RMA2에서 산정되는 수위와 유속을 입력자료로서 사용 하였다. 또한, SED2D 모형은 대표유효입경만 선택할 수 있기 때문에 “금강유역조사(MOCT and K-Water, 2006)”에 수록된 하상토 입경 분포 분석을 통하여 1.
또한, 조도계수의 경우에는 실측 및 검증을 거쳐야 하나, 10km가 넘는 공간적 한계로 인하여 “금강 하천정비 기본계획(MOCT,2011)”에 수록된 값인 0.027을 적용하였으며, 부유사 농도도 동 기본계획에 수록된 금남지점에서의 유사량 실측 자료를 이용하여 100년 빈도 홍수량에 대한 부유사농도(4.6607g/l)를 선정하였다.
60m), 길이 360m의 가동보로 구축하였다. 본 구간에는 금남교와 불티교 두 개의 교량이 위치하고 있으며, 제천과 용수천, 대교천등이 합류하고. 금남교에는 금남수위관측소가 위치한다.
본 연구의 대상하천은 우리나라 4대강중 하나인 금강의 중류 지역으로서 금남교를 포함한 상하류 11.65㎞ 구간이 대상이다. 중앙에 위치한 세종보(이전 명칭 금남보)를 기준으로 상류 5.
65㎞ 구간이 대상이다. 중앙에 위치한 세종보(이전 명칭 금남보)를 기준으로 상류 5.09㎞, 하류 6.56㎞ 구간을 선정하였으며, 세종보는 높이 4.8m(EL. 12.60m), 길이 360m의 가동보로 구축하였다. 본 구간에는 금남교와 불티교 두 개의 교량이 위치하고 있으며, 제천과 용수천, 대교천등이 합류하고.
지형자료의 경우 종·횡단 자료 및 수치지도를 이용하여 구축하였으며, 양 첨단에서의 경계자료는 “금강수계 하천정비기본계획(MOCT, 2002)”의 홍수량을 적용하였다. 해당 지역에 보다 최신의 홍수량 설정자료(MOCT, 2011)이 존재하고 있으나, 기존의 산정결과와 비교하였을 때 차이가 발생하여 기존의 관측자료와 비교한 결과 2002년의 자료가 좀 더 설득력이 있는 것으로 판단하여 준용하였다. 또한, 난류교환계수의 경우에는 Jin (2010)의 연구결과와 같이 빈도별 계획홍수위와 적정 난류교환계수를 적용한 모형의 수위를 비교하여 2,500N∙ sec/m2를 선정하고, 고빈도 홍수량에 대해서는 2,000N∙ sec/m2을 선택하였다 (Fig.
이론/모형
RMA2 모형은 정상류 뿐 아니라 부정류 조건도 모의가 가능하며, 2차원 흐름 영역에서 자유표면과 상류흐름의 수평방향 유속성분과 수위를 계산한다. Navier-Stokes 방정식에 난류의 흐름을 고려한 Reynolds 방정식으로 유한요소의 해를 계산하며, 난류교환계수(Eddy viscosity coefficient)를 통하여 난류의 특성을 결정한다. RMA2모형의 지배방정식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
RMA2모형을 통하여 산정된 흐름특성을 SED2D 모형에 적용하여 대상구간에 대한 유사농도의 변화와 하상변동량을 분석하였다. 다만, SED2D는 수위와 유속을 입력자료로서 받아들이기 때문에 본 연구에서는 RMA2에서 산정되는 수위와 유속을 입력자료로서 사용 하였다.
수집된 자료를 이용하여 RMA2 모형을 구축하였다. 지형자료의 경우 종·횡단 자료 및 수치지도를 이용하여 구축하였으며, 양 첨단에서의 경계자료는 “금강수계 하천정비기본계획(MOCT, 2002)”의 홍수량을 적용하였다.
성능/효과
(1) 하천 횡단구조물 설치 후 상류부에서는 약 0.10m의 하상상승이 일어났으며, 하류부에서는 보 설치전과 유사한 결과가 모의 되었다. 80년, 100년, 150년 및 200년 빈도홍수량에 대해서, 하상은 각각 상류에서 퇴적, 하류에서 침식이라는 유사한 결과를 보여주었다.
(2) 보설치 전·후를 비교할 경우, 전체적인 하상은 상승하는 것으로 나타났다.
보 설치 전보다 이후의 유사농도가 상승하고, 그에 따라서 하상의 변동도 퇴적에 가까운 것으로 판단된다. 100년, 150년, 200년 빈도의 홍수량에 대해서도 동일하게 유사의 농도가 1.0 g/l 이상 상승하는 것으로 나타났으며, 하상의 변동량도 약 0.1m 전후로 상승하는 경향성을 보이는 것으로 나타났다(Table 2 참조). 세부적으로는 유사농도의 경우 세종보 하류에서는 보 설치전과 후가 동일한 양상을 나타냈으며, 세종보 상류에서부터 유사농도가 증가하여 유입경계단인 NO.
80년 빈도의 결과와 유사하게, 100년 빈도와 150년 빈도홍수량에 대해서는 각각 보 설치후 최대 홍수위는 0.01m 상승하였고, 유속의 분포는 보설치 전과 동일하였다. 200년 빈도 홍수량에 대해서는 보 설치 후에 최대 홍수위는 0.
RMA2 및 SED2D 모형을 통하여 흐름분석 및 하상변동을 모의한 결과, 대상구간에서의 유속과 수위의 변화는 크지 않았지만 보 설치로 인한 유사농도의 변화로 보 상류단에서의 하상변동이 나타나는 것으로 보인다. 하상변동은 하폭이 좁고 유속이 빠르게 나타나는 하류단에서는 침식이 우세한 것으로 나타났으며, 비교적 하폭이 넓고 보에 의해 유사가 차단되어 유사농도가 짙어진 상류단에서는 퇴적이 우세한 것으로 나타났다.
532mm로 결정하였다. SED2D 모형의 결과, 세종보 상류측에 유사농도가 증가하는 것으로 나타났으며, 이로 인하여 세종보 상류측에서 하상상승이 나타나는 것으로 분석되었다 (Table 2 참조).
이는 홍수위의 상승량으로는 미미한 수준이나, 전체적인 수위상승값이고 대상구간의 평균하폭을 고려하여 볼 때 전체적인 홍수량의 개념에서는 유의미한 변화로서 보인다. 따라서, 전체적으로 세종보 설치전보다 보 설치 이후에 수위가 상승하고 유속이 감소하는 것으로 판단된다.
6km에 위치한 불티교까지는 미치지 못하는 것으로 판단된다. 또한, 대상구간 내에 위치한 만곡부 흐름을 분석한 결과, 만곡외측은 수위가 높고 유속이 느리며, 만곡내측은 수위가 낮고 유속이 빠르게 나타났다.
하상변동은 대상구간 하류부의 침식량은 감소하고, 상류부에서는 퇴적작용이 크게 증가하며, 전체적으로 보 설치이후에 하상이 상승하는 것으로 모의되었다. 만곡부와 교량부근에서의 하상변동을 살펴보면, 상류단으로부터 0.5km에 위치한 NO. 105.250 단면에서는 보 설치후 최대 퇴적량은 0.191m로 증가하였으며, 최대 침식량은 -0.02m로 감소한 것으로 나타났다. 평균 하상변동량은 0.
1m 전후로 상승하는 경향성을 보이는 것으로 나타났다(Table 2 참조). 세부적으로는 유사농도의 경우 세종보 하류에서는 보 설치전과 후가 동일한 양상을 나타냈으며, 세종보 상류에서부터 유사농도가 증가하여 유입경계단인 NO. 105+750 단면에서는 80년 빈도의 경우 66%, 100년 빈도의 경우 59%, 150년 빈도의 경우 47%, 200년 빈도의 경우 59%의 유사농도가 증가하였다. 따라서, 보 설치 이후에는 유사농도의 증가로 인하여 하상도 전체적으로 상승할 것으로 판단된다.
2015, Jeong and Jung, 2015). 세종보의 설치에 따라 복잡한 하상의 변화가 예상되므로, 본 연구의 대상 구간으로 적합한 것으로 판단된다. 대상 구간의 하상변동을 모의하기 위해서는 여러 지형 및 수리, 수문학적 자료가 요구된다.
또한, Table 4에 침식량과 퇴적량의 총량을 산정하였다. 전체적으로 대상구간의 침식량은 80,000~90,000 m3가 감소하는 데 반하여, 퇴적량은 250,000 m3 이상 증가하는 것으로 나타나고 있다. 이는 대상구간의 전체적으로 침식되는 구간보다 퇴적되는 구간이 더 많음을 나타내는 결과로 판단할 수 있다.
80년, 100년, 150년 및 200년 빈도홍수량에 대해서, 하상은 각각 상류에서 퇴적, 하류에서 침식이라는 유사한 결과를 보여주었다. 특히, 상류에서부터 유사농도가 증가하여 최고 66%의 유사농도가 증가하는 것으로 모의되었으며, 따라서 보 설치 이후에는 유사농도의 증가로 인하여 하상도 전체적으로 상승할 것으로 판단된다.
02m로 감소한 것으로 나타났다. 평균 하상변동량은 0.005m에서 0.109m로 퇴적의 경향은 같지만 그 영향이 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 상류단 6.
하상변동은 대상구간 하류부의 침식량은 감소하고, 상류부에서는 퇴적작용이 크게 증가하며, 전체적으로 보 설치이후에 하상이 상승하는 것으로 모의되었다. 만곡부와 교량부근에서의 하상변동을 살펴보면, 상류단으로부터 0.
RMA2 및 SED2D 모형을 통하여 흐름분석 및 하상변동을 모의한 결과, 대상구간에서의 유속과 수위의 변화는 크지 않았지만 보 설치로 인한 유사농도의 변화로 보 상류단에서의 하상변동이 나타나는 것으로 보인다. 하상변동은 하폭이 좁고 유속이 빠르게 나타나는 하류단에서는 침식이 우세한 것으로 나타났으며, 비교적 하폭이 넓고 보에 의해 유사가 차단되어 유사농도가 짙어진 상류단에서는 퇴적이 우세한 것으로 나타났다.
후속연구
이는 대상구간의 전체적으로 침식되는 구간보다 퇴적되는 구간이 더 많음을 나타내는 결과로 판단할 수 있다. 따라서, 향후 세종보를 포함하는 대상구간에는 점차적인 하상 퇴적이 진행될 것으로 판단되며, 이에 따른 대응책이 요구된다 하겠다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
하천관리 분야에서 흐름 특성의 추정은 어떤 분야에 사용되는가?
하천관리 분야에서 흐름 특성의 추정은 가장 중요한 요소로 간주되며, 수리구조물의 설계 및 유지관리, 홍수터 관리, 하천개수 및 하도안정성, 댐과 저수지의 설계 및 운영 등 다양한 수자원개발 및 관리의 기초자료로서 사용된다. 특히, 하상변동은 상류에서 유입되는 토사량의 유입 및 유출량 차이에 의해 발생하는 하상상승이나 하상저하로 하천의 종합적인 안정성을 평가하는데 필수적이다.
하천특성의 분석방법론은 어떤 방법이 병행되어 이루어지고 있는가?
이러한 하천특성의 분석방법론은 실험실 내에서의 물리모형 방법, 실측을 통한 실증적 방법, 수치해석에 의한 이론적 방법론이 병행되어 이루어지고 있다. Stanley (1950)가 콜로라도강의 후버 댐 축조에 따른 하상저하 실증 연구를 수행한 이래 널리 받아들여져 왔으며, 1970년대 이후, 컴퓨터의 계산능력이 발달함에 따라서 이론적 연구로 이어져 왔다.
하천 횡단구조물 설치 후 상류에서 유사농도는 어떤 결과를 보였는가?
10m의 하상상승이 일어났으며, 하류부에서는 보 설치전과 유사한 결과가 모의 되었다. 80년, 100년, 150년 및 200년 빈도홍수량에 대해서, 하상은 각각 상류에서 퇴적, 하류에서 침식이라는 유사한 결과를 보여주었다. 특히, 상류에서부터 유사농도가 증가하여 최고 66%의 유사농도가 증가하는 것으로 모의되었으며, 따라서 보 설치 이후에는 유사농도의 증가로 인하여 하상도 전체적으로 상승할 것으로 판단된다.
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