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평탄지형 제내지에서의 제방붕괴속도에 따른 범람홍수파 선단 거동에 관한 연구
Study on Behaviour of Flood Wave-front Varied with Levee Breach Speed in Flat Inundation Area 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.18 no.1, 2017년, pp.537 - 544  

윤광석 (한국건설기술연구원 수자원.하천연구소)

초록
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본 연구에서는 평탄지형의 제내지에서 제방붕괴속도에 따른 범람홍수파 선단의 전파 특성을 규명하기 위하여 제내지와 하도로 이루어진 실험수조에서 실험을 수행하여 전파 거리를 산정하였다. 실험에 의해 측정된 전파거리를 시간에 대한 상관식으로 나타내기 위하여 댐붕괴에 의한 수로에서의 홍수파의 1차원 흐름 해석해인 Ritter의 해에 3차원 거동특성을 반영할 수 있는 상수 k와 m을 도입한 일반식에 실험결과를 적용하여 실험식을 도출하였다. 기존 연구에서 하도내의 초기수위가 범람홍수파의 전파속도에 지배적인 영향을 준다는 사실은 알려져 있으나, 본 실험연구를 통해 제방붕괴속도도 범람홍수파의 전파속도에 영향을 주며, k와 m이 상수가 아닌 제방붕괴속도와 선형관계를 갖는 변수임을 밝혔다. 실험결과를 이용하여 범람홍수파 선단의 전파거리를 산정할 수 실험식을 제시했으며, 범람홍수파의 전파속도 산정시 하도내의 초기수위뿐만 아니라 제방붕괴속도도 고려해야 함을 본 연구를 통해 확인할 수 있었다. 본 연구에서는 대규모 제내지 범람실험을 수행하여 범람양상을 관찰하고 수리학적 관점에서 해석하였으며, 실험결과를 토대로 제방붕괴속도에 대한 홍수파 전파속도의 상관관계도 제시하였다. 본 연구결과는 홍수위험지도 작성이나 긴급대피계획 수립시 기본적인 판단 자료로 사용할 수 있으며, 2차원 범람 수치모형 검증시 유용한 자료로 이용될 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

An experimental study was carried out to investigate the characteristics of the propagation distance of a flood wave considering the levee failure speed in a flat inundation area. The Ritter solution for one dimensional flow was considered to formulate the experimental results and a representative f...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이와 같이 제방붕괴시 하천수위와 홍수 파의 전파속도에 대한 연구는 수행된 바 있으나, 제방붕괴속도에 따른 홍수파 선단의 이동속도에 대한 연구는 그 동안 시도되지 않았던 것으로 조사되었다. 따라서 본연구에서는 제방붕괴 속도에 따라 제내지에서 홍수파 선단의 이동속도의 변화를 분석하기 위하여 수리실험을 수행하고 결과를 분석하였다.
  • 이상과 같이 기존 연구는 2차원 수치모의에 의한 범람해석이 주를 이루고 있으며, 수치모형의 검증을 위해 제한된 현장 실측자료를 이용하거나, 극히 제한된 조건에서 단순화된 수리실험결과와 비교하여 모형의 적용성을 검증한 정도이다. 따라서, 본 연구에서는 제방붕괴에 의한 제내지 범람홍수파의 동역학적 거동 현상을 검토하기 위하여 다양한 하도수위 및 제방붕괴폭 조건에 대해 수리실험을 수행하고, 실험조건에 따른 제내지 범람홍수파 선단의 전파속도를 측정하여 주어진 제내지 특성조건에 대해 실험식을 제시하고자 한다.
  • 본 연구에서는 평탄지형의 제내지에서 제방붕괴지속시간의 변화에 의한 범람홍수파 선단의 전파 특성을 규명하기 위하여 제내지와 하도로 이루어진 실험수조에서 실험을 수행하여 시간에 따른 범람홍수파 선단의 전파 거리를 산정하였다. 전파거리를 산정하기 위한 일반식은 댐붕괴에 의한 수로에서의 홍수파의 1차원 흐름 해석해 인 Ritter의 해를 변형하여 도출하였으며, 시간에 따른범람홍수파 선단의 이동거리를 일반식에 적용하여 실험식을 도출하였다.

가설 설정

  • Yoon and Lee[6]의 연구에서 보인 바와 같이, 제방붕괴에 의한 범람홍수파의 해석해는 1982년에 Ritter가 댐 하류 사각형 수로에 대해서 제안한 식으로부터 시작된다. Ritter의 해석해는 마찰경사와 하상경사가 같다는 Saint-Venant[7]의 가정(So – Sf = 0 )을 적용하여 댐 하류 사각형 수로의 수심이 0일 때 임의 시간 t에서의 수면형을 구하는 방정식이다[8]. 이러한 해석방법은 Su and Barnes[9]에 의해서 수로 단면이 삼각형과 포물선형인 경우로 확장되어 제안되기도 했다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
수리모형실험의 단점은? 제내지 범람홍수파의 전파속도에 대한 정확한 추정을 위해서는 대상지역의 지형특성, 토지이용현황 뿐만 아니라 하천의 하도특성, 수리특성 및 제방붕괴특성 등을 조사하여 수리모형실험이나 수치모의를 수행해야 하는 것이 일반적이다. 그러나, 수리모형실험은 모든 대상 지역에 대해 수리 및 제내지 조건을 축소․재현하여 매번 실험을 수행해야 하므로 많은 시간과 비용이 소요되어 그 효율성이 떨어진다. 이에 비해 수치모의는 비용과 시간 측면에서 효율적일 수 있으나, 범람홍수파 선단의 이동속도를 구하기 위해서는 현장계측 자료나 실험자료를 이용한 검증이 선행되어야 하는 제약이 있다.
수치모의의 특징은? 그러나, 수리모형실험은 모든 대상 지역에 대해 수리 및 제내지 조건을 축소․재현하여 매번 실험을 수행해야 하므로 많은 시간과 비용이 소요되어 그 효율성이 떨어진다. 이에 비해 수치모의는 비용과 시간 측면에서 효율적일 수 있으나, 범람홍수파 선단의 이동속도를 구하기 위해서는 현장계측 자료나 실험자료를 이용한 검증이 선행되어야 하는 제약이 있다. 제방 붕괴는 예측이 불가능한 현상이기 때문에 하천수위나 유량을 측정하듯이 현장 계측을 통해 범람양상을 파악한다는 것은 실현성이 없다.
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참고문헌 (9)

  1. M. Shige-eda, J. Akyama, "Numerical and Experimental Study on Two-Dimensional Flood Flows with and without Structures", Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, vol. 129, no. 10, pp. 817-821, 2003. DOI: https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2003)129:10(817) 

  2. S. Fukuoka, M. Kawashima, "Prediction of flood-induced flows in urban residential areas and damage reduction", Floodplain risk management, The Committee of International Workshop on Floodplain Risk Management, A. A. Balkema, Roterdam, the Netherlands, pp. 209-227, 1999. 

  3. J. T. Lee, K. Y. Han, S. E. Yoon, J. H. Park, "Floodwave Modeling in Inundated Area Resulting from Levee-Break", Journal of Korea Water Resources Association, vol. 28, no. 5, pp. 163-174, 1995. 

  4. K. Y. Han, J. H. Park, "Two-Dimensional Model for the Prediction of Inundation Area in Urbanized Rivers", Journal of Korea Water Resources Association, vol. 28, no. 6, pp. 119-131, 1995. 

  5. M. W. Jeon, K. Y. Han, K. H. Choi, "Flood Inundation Analysis from Levee Failure in Nakdong River", Journal of Korea Water Resources Association, vol. 38, no. 4, pp. 259-269, 2005. DOI: https://doi.org/10.3741/JKWRA.2005.38.4.259 

  6. K. S. Yoon, J. -K. Lee, "Empirical Formula for Propagation Distance of Flood Wave-front in Flat Inundation Area without Obstacle due to Levee Breach", Journal of Korea Water Resources Association, vol. 40, no. 10, pp. 833-840, 2007. DOI: https://doi.org/10.3741/JKWRA.2007.40.10.833 

  7. B. Saint-Venant, "Theorie du mouvement non permanent des eaux, avec application aux crues de rivieres et a l'introduction des marees dans leur lits(Theory of unsteady water flow, with application on floods in rivers and introduction of tides in their beds)", Comptes Rendues de l'Academie des Sciences, Paris, France, vol. 173, pp. 147-154, pp. 237-240, 1871. (in French). 

  8. D. L. Vischer, W. H. Hager, Dam Hydraulics. p. 281, John Wiley & Sons Ltd, Baffins Lane, Chichester, West Sussex, England, 1998. 

  9. S. -T. Su, A. H. Barnes, "Geometric and frictional effects on sudden releases", Journal of Hydraulic Division, ASCE, vol. 96, no. 11, pp. 2185-2200, 1970. 

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