[논문]낙동강과 금호강 합류부 구간에서 유입유량에 따른 흐름 및 하상변동 특성 변화에 관한 수치모의 연구

장은경; 지운

doi:10.5762/kais.2017.18.12.659

낙동강과 금호강 합류부 구간에서 유입유량에 따른 흐름 및 하상변동 특성 변화에 관한 수치모의 연구
Numerical Analysis on Flow and Bed Change Characteristics by Discharge Variations at the Confluence of Nakdong and Geumho Rivers 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.18 no.12, 2017년, pp.659 - 667

장은경 (미 콜로라도주립대학교 토목환경공학과) , 지운 (한국건설기술연구원 수자원.하천연구소)

초록
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본 논문에서는 하천의 지류와 본류가 만나는 합류부를 대상으로 유량변화에 의한 수리특성 변화를 2차원 수치모의를 통해 분석하였다. 대상 구간은 각각 본류와 지류에서 유입되는 유량으로 인해 복잡한 흐름이 형성되는 낙동강과 금호강 합류부를 대상으로 하였다. 대상 구간은 단순히 합류각이나 하폭비 등으로 일반화하여 흐름 양상을 정의할 수 있는 구간이 아닌 본류의 만곡과 지류의 유입이 동시에 나타나는 특성을 갖고 있는 구간이다. 수치모의 조건은 해당구간에서 2012년에 실제 발생한 홍수사상을 모의조건으로 선정하였다. 급격한 변화가 예상되었던 합류부 구간에 비해 합류 후 만곡부 구간에서의 가장 큰 유속이 발생하였으며 유속 및 하상변화 또한 동일한 구간에서 가장 크게 발생하였다. 유량 변화에 의한 영향으로는 홍수에 의한 변화보다는 평수시 흐름이 이 구간의 흐름과 하상변화에 더 지배적인 영향이 있음을 알 수 있었다. 이로 인해 본 연구의 대상구간에서는 하도 안정화를 위한 대처가 필요한 구간이 합류부 구간보다는 합류 후 만곡부 구간임을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study analyzes the changes in the flow characteristics due to the difference in inflow discharges from the main channel and tributary at the confluence of the Nakdong and Geumho Rivers. The analysis was done using a two-dimensional numerical method. The study site has complicated flow patterns because of the discharge variation from the main stream and tributary. The study section has a meandering main channel, and the hydraulic characteristics cannot be defined with simple conditions such as the confluence angle of the channels or the ratio of the channel widths. An actual flood event in 2012 was applied in the numerical simulation. The maximum velocity occurred in the meandering section after passing the confluence, where a rapid change was expected. A high velocity and large bed change in this section were observed in the simulation results. The variation of discharges from the main channel and tributary was a more dominant factor in the flow and bed changes for the normal flow conditions than the flood event. This indicates that countermeasures for channel stabilization should be considered in the meandering section downstream of the confluence section, and countermeasures for the study section should be investigated.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 합류부 하도안정화를 위한 여러 구조적, 비구조적 대책을 수립하기 위해서는 지류와 본류의 유입되는 유량 변화에 따른 합류부 구간에서의 흐름특성을 정확히 분석할 필요가 있다. 따라서 본 연구의 목적은 수치모의를 활용하여 흐름의 합류로 인해 복합적인 하도의 변화가 예상되는 낙동강과 금호강 합류부 지점을 대상으로 홍수 발생시 유량 변화에 의한 유속, 하상변동, 부유사 농도 변화 등에 대한 수리특성 변화를 분석하는 것이다.

제안 방법

본 연구에서는 합류되는 지류로 인해 지속적인 하도 변화가 발생할 것으로 판단되는 낙동강과 금호강 합류부 지점을 대상으로 홍수 발생 전후 유량변화에 의한 흐름 특성 및 하상변화를 2차원 수치모형을 활용하여 분석하였다.

대상 데이터

수치모의를 위한 지형자료는 2015년 측량된 지형자료를 활용하였으며, 지도상의 등고선을 고려하여 요소망의 각 절점에서 선형 보간하여 지형을 구축하였다. 선형보간은 CCHE2D 상에서 사용할 수 있는 보간 기법들 중모형의 매뉴얼 상에서 추천하는 Structured 기법을 적용하였다[18].
흐름 모의 조건은 해당구간에서 실제로 발생한 2012년 9월 15일부터 2012년 9월 21일까지 홍수 사상을 유입유량으로 선정하였다. 또한 본류의 상류 유량자료는죽곡 지점의 자료를 활용하였으며, 지류의 유량자료는 성서지점의 자료를 활용하였고, 하류단 경계조건으로는 화원수위표의 자료를 활용하였다.

데이터처리

9 km이다. 난류 모형 조건으로는 Parabolic Eddy Viscosity Model을 사용하였고 수치해석 기법 중 Wall Slipness Coefficient는 0.5, 그리고 마름상태의 지형이 많은 경우 오류가 발생함을 감안하여 마름상태 지형의 허용 기준수위는 0.04 m를 적용하였다. 모의시간 간격은 60초 간격(1,440회/day)을 적용하였으며, 유입유사량 또한 60초 간격으로 유입되게 설정하였다.

이론/모형

낙동강과 금호강 합류부는 비교적 완만한 각도로 합류되고 있으며, 합류부 구간의 금호강 좌안에는 달성습지가 조성되어있다. 본 논문에서는 낙동강과 금호강 합류부 구간에 대해 예상되는 하상변화를 현재의 수리, 수문, 유사량 자료 등을 수집하여 2차원 하상변동 모형 CCHE2D(Center for Computational Hydroscience and Engineering 2-Dimensional)를 이용하여 모의를 수행하였다.
수치모의를 위한 지형자료는 2015년 측량된 지형자료를 활용하였으며, 지도상의 등고선을 고려하여 요소망의 각 절점에서 선형 보간하여 지형을 구축하였다. 선형보간은 CCHE2D 상에서 사용할 수 있는 보간 기법들 중모형의 매뉴얼 상에서 추천하는 Structured 기법을 적용하였다[18]. 모형의 mesh 격자는 모형의 구동 시간과 안정적 수치 계산을 고려하여 5 m 간격으로 구성하였다.

성능/효과

유속에 대한 흐름 특성 분석 결과 합류전후에 비해 합류 후 만곡부 구간에서 더 큰 유속이 발생함을 알 수 있었으며, 본 논문의 대상구간과 같이 완만한 합류각으로합류되는 구간의 경우 평수시에는 본류의 흐름이 더 지배적이라는 것을 알 수 있었다. 하상변동 모의 결과 역시 합류부 구간에 비해 만곡부에서의 하상변화의 규모가 더 큰 것을 확인하였으며, 이러한 하상변화를 방지하기 위해 합류부 구간보다도 우선적으로 만곡부 구간의 안정화 대책이 필요할 것으로 판단되었다.
이와 같은 분석결과를 토대로 본 연구의 대상구간에서 발생할 수 있는 문제의 유형은 흐름 차단으로 인해 퇴적이 발생하는 경우나 주하도 수위가 감소함에 따라 지류에 침식이 발생하는 경우 혹은 지류에서 유입되는 유사량이 급격히 증가하는 경우에 해당하지 않는다는 것을 알 수 있다. 종합적으로 본 연구의 대상구간인 낙동강과 금호강 합류부 지점에서는 합류로 인한 큰 지형변화는 없는 것으로 나타났으나 일부구간에서 1 m 이상의 침식과 퇴적이 반복적으로 발생하여 지속적인 모니터링 및 관리가 필요할 것으로 판단된다.
유속에 대한 흐름 특성 분석 결과 합류전후에 비해 합류 후 만곡부 구간에서 더 큰 유속이 발생함을 알 수 있었으며, 본 논문의 대상구간과 같이 완만한 합류각으로합류되는 구간의 경우 평수시에는 본류의 흐름이 더 지배적이라는 것을 알 수 있었다. 하상변동 모의 결과 역시 합류부 구간에 비해 만곡부에서의 하상변화의 규모가 더 큰 것을 확인하였으며, 이러한 하상변화를 방지하기 위해 합류부 구간보다도 우선적으로 만곡부 구간의 안정화 대책이 필요할 것으로 판단되었다. 대상구간의 홍수 발생 시기에 의한 변화는 홍수에 의한 영향보다는 평수기시 발생하는 하상의 변화가 더 지배적이라는 것을 예상할 수 있다.

후속연구

종합적으로 본 연구의 대상구간인 낙동강과 금호강 합류부 지점에서는 합류로 인한 큰 지형변화는 없는 것으로 나타났으나 일부구간에서 1 m 이상의 침식과 퇴적이 반복적으로 발생하여 지속적인 모니터링 및 관리가 필요할 것으로 판단된다. 따라서 합류부 구간의 흐름 및 하상변화 형태를 분석하기 위한 연구는 단순히 합류각, 지류 유입량의 변화, 본류 준설 여부 등에 의해 정의 될 수 있는 단순한 문제가 아니며 반드시 분석하고자 하는 대상하천에 대한 정량적인 분석이 필요할 것으로 판단된다. 이를 통해 분석되는 합류부 구간별 연구의 분석 결과는 합류부 구간과 같이 특수한 조건에서의 효율적인 하도 관리와 재해 예방 대책수립을 위한 문제점 및 대처방안 분석에 활용할 수 있을 것이다.
따라서 합류부 구간의 흐름 및 하상변화 형태를 분석하기 위한 연구는 단순히 합류각, 지류 유입량의 변화, 본류 준설 여부 등에 의해 정의 될 수 있는 단순한 문제가 아니며 반드시 분석하고자 하는 대상하천에 대한 정량적인 분석이 필요할 것으로 판단된다. 이를 통해 분석되는 합류부 구간별 연구의 분석 결과는 합류부 구간과 같이 특수한 조건에서의 효율적인 하도 관리와 재해 예방 대책수립을 위한 문제점 및 대처방안 분석에 활용할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	합류부란 무엇인가?	본 논문에서는 하천의 지류와 본류가 만나는 합류부를 대상으로 유량변화에 의한 수리특성 변화를 2차원 수치모의를 통해 분석하였다. 대상 구간은 각각 본류와 지류에서 유입되는 유량으로 인해 복잡한 흐름이 형성되는 낙동강과 금호강 합류부를 대상으로 하였다.
	합류부 구간에서의 복잡한 흐름을 분석하기 위해 수행된 대표적인 연구방법은 무엇인가?	이러한 합류부 구간에서의 복잡한 흐름을 분석하기 위해 다양한 접근방법을 활용한 해석이 수행되어 왔다. 이에 대한 대표적인 연구로는 Best [2]가 1987년 수행한 합류부 구간에서의 흐름분석에 관한 연구가 있다. 이 연구에서 Best는 하상변동에 영향을 미치는 각각의 인자들에 대해 상관관계를 분석하였으며, 가장 지배적인 인자로 합류각도와 유량비를 제시한바 있다. 또한 1988년 수행된 Roy et al.
	수리특성의 변화는 어떠한 요인에 민감하게 반응하는가?	하천의 지류와 본류가 만나는 합류부에서 각각 본류와 지류에서 유입되는 유량이 만나 복잡한 흐름을 형성하게 되며, 수리특성의 변화는 지류 하천 유입유량의 변화, 합류부 내에서의 유로 폭의 확대·축소, 지류 하도의접근 각도 및 유로연장 등 여러 요인에 의해 민감하게 반응한다[1]. 이러한 하천 지류 및 합류부에서의 문제점은 크게 세 가지 형태로 나눌 수 있으며, 그 유형은 첫째 흐름 차단으로 인해 퇴적이 발생하는 경우, 둘째 주하도 수위가 감소함에 따라 지류에 침식이 발생하는 경우, 마지막으로 지류에서 유입되는 유사량이 급격히 증가하는 경우이다.

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Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, "Hydrological annual report in 2012", Hydrological Survey Center, 2013.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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