급확대 구간에서 준설영향으로 인한 상류 수리특성 변화에 대한 민감도 분석 Numerical Sensitivity Analysis on Hydraulic Characteristics by Dredging in Upstream of Abrupt Expansion Region원문보기
Sediment exchange in river has been affected by artificial changes such as dredging and abnormal climate changes like intense rainfall. Over last decades in Korea, there were many constructions, restoration or rehabilitation in rivers. Therefore, deposition and erosion become more actively occurred ...
Sediment exchange in river has been affected by artificial changes such as dredging and abnormal climate changes like intense rainfall. Over last decades in Korea, there were many constructions, restoration or rehabilitation in rivers. Therefore, deposition and erosion become more actively occurred than before, which may threaten the river safety such as flood defense. For safety's sake, the dredging of river bed, which is considered as the most typical measure, has been increased to extend hydraulic conveyance compared with previous conditions. However, since it might change the sediment mechanism, there would be another risk at which unexpected side effects such as headward erosion could be occurred. Particularly, sedimentation at abrupt expansion region is able to lead to hydraulic characteristics like water elevation in the upstream region in the beginning of dredging, which, however, has been barely studied in this field. Therefore in this study, the relationship between sediment mechanism at dredging section and hydraulic characteristics in upstream region were presented through numerical simulations in the idealized abruptly widen channel using Delft3D. The ideal channel of 2,000 m length with each side angle of 45 degrees at abruptly widen expansion region was employed to consider the sediment angle of repose. The sensitivity analysis was performed on the dimensionless factors consisted of upstream and downstream depths($h_u$, $h_d$), width($w_u$, $w_d$), water level(H), flow rate(Q) and discharge of sediment($Q_s$). And the sedimentation amount at dredging and the upstream hydraulic characteristics were investigated through that analysis. It showed that $h_d/h_u$, $H/h_u$ and $w_d/w_u$ were more influential in sequence of effect on sedimentation amount, while $h_d/h_u$, $w_d/w_u$ and $H/h_u$ on upstream region. It means that $h_d/h_u$ was revealed as the most significant factors on sedimentation, also it would most highly affect the rising of water level upstream.
Sediment exchange in river has been affected by artificial changes such as dredging and abnormal climate changes like intense rainfall. Over last decades in Korea, there were many constructions, restoration or rehabilitation in rivers. Therefore, deposition and erosion become more actively occurred than before, which may threaten the river safety such as flood defense. For safety's sake, the dredging of river bed, which is considered as the most typical measure, has been increased to extend hydraulic conveyance compared with previous conditions. However, since it might change the sediment mechanism, there would be another risk at which unexpected side effects such as headward erosion could be occurred. Particularly, sedimentation at abrupt expansion region is able to lead to hydraulic characteristics like water elevation in the upstream region in the beginning of dredging, which, however, has been barely studied in this field. Therefore in this study, the relationship between sediment mechanism at dredging section and hydraulic characteristics in upstream region were presented through numerical simulations in the idealized abruptly widen channel using Delft3D. The ideal channel of 2,000 m length with each side angle of 45 degrees at abruptly widen expansion region was employed to consider the sediment angle of repose. The sensitivity analysis was performed on the dimensionless factors consisted of upstream and downstream depths($h_u$, $h_d$), width($w_u$, $w_d$), water level(H), flow rate(Q) and discharge of sediment($Q_s$). And the sedimentation amount at dredging and the upstream hydraulic characteristics were investigated through that analysis. It showed that $h_d/h_u$, $H/h_u$ and $w_d/w_u$ were more influential in sequence of effect on sedimentation amount, while $h_d/h_u$, $w_d/w_u$ and $H/h_u$ on upstream region. It means that $h_d/h_u$ was revealed as the most significant factors on sedimentation, also it would most highly affect the rising of water level upstream.
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문제 정의
이를 위해 대표적인 영향인자를 선정하여 해당 인자의 민감도 분석을 통해 유사 퇴적에 대한 연구를 수행하였다. 나아가 유사퇴적이 상류 수위상승에 미치는 영향을 분석하여, 준설로 인한 치수안전성 저하 가능성을 검토하고자 하였다.
0 구간에서 유량증가로 인한 유속증가로 침식현상이 발생하는 한계조건(critical condition)이 존재하여 곡선의 형태가 급격하게 변하게 된 것으로 판단된다. 또한 민감도 분석의 평균기울기를 계산하여 상류 하천 수위 변화에 가장 큰 영향을 주는 인자를 결정하고자 하였다. Table 5는 Table 4에서 제시된 민감도 분석 결과의 선형성을 가정하여, 각 변수별 기울기 값을 정리한 것이다.
모델 및 code의 검증 등에도 이용되지만, 요소 또는 변수의 우선순위 등을 결정할 때, 많이 이용된다. 본 연구에서는 이러한 민감도 분석을 이용하여, 준설구간 상류의 수리 특성 변화에 가장 영향을 많이 주는 변수를 확인하고자 하였다.
그러나 이러한 연구들은 단면 급 확대로 인한 수리적 특성 변화에 초점을 맞추었으며, 유사의 거동 특성에 대한 부분은 부유사(suspended sediment)의 농도에만 초점이 맞춰져 있기 때문에, 단면 급확대로 인한 유속저하와 이에 따른 유사 퇴적의 영향을 검토하기에는 부족하다고 판단된다. 이에 본 연구에서는 일반적으로 단면이 확대하는 하구역과 같은 지형에 대한 모의에 많이 사용되고 있는 Delft3D(Ver. 4.00)를 이용하여, 하류측 단면이 급확대가 된 이상화 수로(idealized channel)에서 수위, 유속 등 수리학적 특성에 대한 변화를 확인하였다. 이를 위해 대표적인 영향인자를 선정하여 해당 인자의 민감도 분석을 통해 유사 퇴적에 대한 연구를 수행하였다.
가설 설정
단면의 급확대 구간은 준설 구간을 가정하였으며, 흐름방향 경사는 안식각을 고려하여 30°, 횡방향으로는 45°의 각도로 넓혀지는 형상으로 결정하였다.
제안 방법
격자는 계산시간의 효율성 및 수치적인 안정성을 고려하여 정사각형 형태(1.0 m × 1.0 m)로 구성하였으며, 수심방향으로 5개의 layer를 두어, 3차원 형태의 수치해석을 수행하였다.
3)은 실험을 통하여 하상의 표고차 발생에 따른 천급점의 거동 특성을 규명하였다. 국내연구로는 Ji et al.4)이 비점착성 유사로 이루어진 하상에서의 두부침식에 관한 수리 실험을 수행하였으며, 수리조건에 따른 천급점 이동 및 최종 하상경사 변화 등을 분석하였다. 그러나 상기에 진술한 바와 같이 이러한 연구들은 준설에 의한 수위 저하로 인한 지류하천의 침식에 대한 연구들이며, 본 연구에서 제시하고 있는 본류 하천의 준설외 구간에서의 수리특성 변화와는 거리가 있다.
본 연구에서는 준설, 침식 등으로 하천 단면의 급격한 확대로 인해 수리적 특성이 변화하고, 이에 유사가 퇴적되는 현상을 Delft3D를 이용하여 모의하였다. 또한 이러한 결과가 하천 상류에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 위해 상류에서 공급되는 부유사량 결정이 선행되어야 함으로, 공간적으로 급확대 구간이면서 유사량 자료 확보가 용이한 지역으로 만경강 유역의 대천지점을 선정한 후, 해당 유사량 자료(Fig.
본 연구에서는 준설, 침식 등으로 하천 단면의 급격한 확대로 인해 수리적 특성이 변화하고, 이에 유사가 퇴적되는 현상을 Delft3D를 이용하여 모의하였다. 또한 이러한 결과가 하천 상류에 미치는 영향을 분석하였다.
H/hu은 준설 깊이에 대한 정보를 제공해 줄 수 있는 변수이며, wd/wu은 준설 폭에 대한 정보, Q/Q1은 유량 및 유사량에 대한 정보, hd/hu은 준설전 하천 대비 준설 후 하천의 수심에 대한 정보를 제공해 줄 수 있다고 판단하였기 때문이다. 수치실험 조건은 H/hu는 3.0~12.0까지, hd/hu은 3.4~13.0까지, wd/wu은 4.0~8.0까지 그리고 Q/Q1은 0.5~2.0까지 변화를 주며 수치해석을 수행하였다. 유량에 따른 유사량의 변화 자료는 상기에 진술한 바와 같은 특징이 잘 나타나는 만경강의 유량-유사량 관계를 이용하였으며, 유사의 물리적 특성은 ‘새만금호 유입 유사 특성 조사 및 분석연구’(Korea Rural Community Corporation)13)를 참고하였다.
이에 이상화된 수로에서 준설 등으로 발생할 수 있는 하천 단면의 급확대구간에서의 퇴적량과 퇴적으로 발생할 상류구간의 수위상승에 대해 Delft3D를 이용하여, 상류수심, 확대 수심, 상하류 폭, 유량 등을 변화시켜가며 수치해석을 수행하였다. 수치해석 결과 각 영향인자의 변화에 따라 준설구간에 퇴적되는 유사량이 큰 차이를 보였으며, 이 결과를 바탕으로 퇴적량과 이로 인한 상류수위 증가 구간에 대해 민감도 분석을 수행하였다. 민감도 분석결과 단면 확대 시점부근의 유사 퇴적량과 이로 인한 하천 상류의 수위 변화에 가장 큰 영향을 주는 변수는 hd/hu으로 나타났으며, 준설 계획시 가장 주의 깊게 고려해야 할 변수라 판단된다.
이에 단면 확대부에서의 유사 현상 및 수리특성을 분석하는 본 연구에 Delft3D를 이용하기로 결정하였다. 유사에 대한 검증은 신뢰할만한 현장자료가 매우 부족하였으며, 실험실 자료의 경우 유사의 축척효과(scale effect)를 해결할 수 없다고 판단하여, 본 연구에서는 Delft3D의 수리특성에 대한 검증만을 수행하였다.
본 연구에서는 Nashta et al.의 연구가 개수로 실험을 이용한 점을 감안하여 Froude 수의 범위를 실험값의 범위에 맞췄으며, Reynolds 수를 실험과 최대한 가까운 조건으로 설정하여 수치해석을 수행하였다. 수치해석에 사용된 난류모델은 k-∊을 사용하였으며, 상류의 좁은 수로와 하류의 넓은 수로 폭의 비는 1:2로 결정하였다.
00)를 이용하여, 하류측 단면이 급확대가 된 이상화 수로(idealized channel)에서 수위, 유속 등 수리학적 특성에 대한 변화를 확인하였다. 이를 위해 대표적인 영향인자를 선정하여 해당 인자의 민감도 분석을 통해 유사 퇴적에 대한 연구를 수행하였다. 나아가 유사퇴적이 상류 수위상승에 미치는 영향을 분석하여, 준설로 인한 치수안전성 저하 가능성을 검토하고자 하였다.
준설구간의 퇴적은 그 자체로도 문제가 될 수 있지만, 상류구간의 수리 특성을 변화시켜 치수 안전도를 저하시킬 가능성이 있다. 이에 Table 3에 도출된 결과를 이용하여, 각 변수 별 퇴적량(sedimentation)과 퇴적으로 인한 상류 수위 변화 구간(influenced distance)에 대해 민감도 분석을 수행하였다. 민감도 분석은 Fig.
그러나 대부분의 구간에서 무차원 유속 분포는 매우 유사하였으며, 이에 실제 단면 확대부에서의 수리현상을 Delft3D가 잘 재현한다고 판단하였다. 이에 단면 확대부에서의 유사 현상 및 수리특성을 분석하는 본 연구에 Delft3D를 이용하기로 결정하였다. 유사에 대한 검증은 신뢰할만한 현장자료가 매우 부족하였으며, 실험실 자료의 경우 유사의 축척효과(scale effect)를 해결할 수 없다고 판단하여, 본 연구에서는 Delft3D의 수리특성에 대한 검증만을 수행하였다.
의 실험이 개수로 실험이기 때문에, 점성력보다는 상대적으로 중력의 영향이 클 수 밖에 없다. 이에 수치해석 시 Froude 수를 실험 조건에 맞추었다. 이러한 모형의 크기 변화는 실험에서는 점성력 및 표면장력 등의 영향으로 다소 차이가 나는 결과가 나타날 수 있겠지만, 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics)는 이러한 축척효과로부터 자유로울 수 있다(Choi et al.
최근 이상기후로 인한 집중호우 증가로 홍수피해가 증가하고 있으며, 이에 대한 대안으로 준설로 인한 홍수위 저하에 관심이 증가하고 있다. 이에 이상화된 수로에서 준설 등으로 발생할 수 있는 하천 단면의 급확대구간에서의 퇴적량과 퇴적으로 발생할 상류구간의 수위상승에 대해 Delft3D를 이용하여, 상류수심, 확대 수심, 상하류 폭, 유량 등을 변화시켜가며 수치해석을 수행하였다. 수치해석 결과 각 영향인자의 변화에 따라 준설구간에 퇴적되는 유사량이 큰 차이를 보였으며, 이 결과를 바탕으로 퇴적량과 이로 인한 상류수위 증가 구간에 대해 민감도 분석을 수행하였다.
대상 데이터
의 급확대부 실험 결과를 이용하였다. 검증자료는 현장계측자료가 가장 좋으나, 현장에서 유속분포를 도출하는 것은 현실적으로 불가능하기 때문에, 실험 자료를 이용하였다. Nashta et al.
격자는 1 m × 1 m 크기의 정사각 격자를 사용하였다.
본 연구에서는 현재 국내외에서 다양한 수리분야에 사용되고 있는 Delft3D를 사용하였다. Delft3D는 연안지역 또는 하구역 부근과 같이 단면이 확대되는 부분에 특화된 수치해석 프로그램으로, 천수방정식(shallow-water equations)을 기본 지배방정식으로 사용하고 있다.
4 참고)를 이용하였다. 수치해석에 사용된 이상화 수로는 상류 폭 10 m, 길이 2,000 m를 기준으로 하여 폭, 깊이, 유량 등을 변화시켜가며 유사의 침전 상태를 확인하였다. 단면의 급확대 구간은 준설 구간을 가정하였으며, 흐름방향 경사는 안식각을 고려하여 30°, 횡방향으로는 45°의 각도로 넓혀지는 형상으로 결정하였다.
또한 이러한 결과가 하천 상류에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 위해 상류에서 공급되는 부유사량 결정이 선행되어야 함으로, 공간적으로 급확대 구간이면서 유사량 자료 확보가 용이한 지역으로 만경강 유역의 대천지점을 선정한 후, 해당 유사량 자료(Fig. 4 참고)를 이용하였다. 수치해석에 사용된 이상화 수로는 상류 폭 10 m, 길이 2,000 m를 기준으로 하여 폭, 깊이, 유량 등을 변화시켜가며 유사의 침전 상태를 확인하였다.
데이터처리
Table 1은 Nashata et al.에서의 연구와 본 연구의 수치모의 조건을 비교한 것이고, 모든 결과는 무차원화을 통해 비교분석을 수행하였다.
이론/모형
의 연구가 개수로 실험을 이용한 점을 감안하여 Froude 수의 범위를 실험값의 범위에 맞췄으며, Reynolds 수를 실험과 최대한 가까운 조건으로 설정하여 수치해석을 수행하였다. 수치해석에 사용된 난류모델은 k-∊을 사용하였으며, 상류의 좁은 수로와 하류의 넓은 수로 폭의 비는 1:2로 결정하였다. 격자는 1 m × 1 m 크기의 정사각 격자를 사용하였다.
유량에 따른 유사량의 변화 자료는 상기에 진술한 바와 같은 특징이 잘 나타나는 만경강의 유량-유사량 관계를 이용하였으며, 유사의 물리적 특성은 ‘새만금호 유입 유사 특성 조사 및 분석연구’(Korea Rural Community Corporation)13)를 참고하였다.
성능/효과
또한 민감도 분석 결과를 토대로 영향력을 계산한 결과 hd/hu이 유사 퇴적량과 상류 수위 변화구간에 대해 가장 민감한 것으로 나타났다. 결국 하천 단면의 급확대 구간의 퇴적량과 퇴적으로 인한 확대 지점 상류구간의 수위변화는 확대구간의 폭보다 깊이의 영향을 크게 받는 것으로 확인되었다. 이러한 결과는 준설계획 시 참고자료가 될 수 있으며, 예를 들어 준설구간 뿐만 아니라 구간 상류구간까지 수위를 낮추고자 할 때, hd/hu을 작게, H/hu 변수에 대해 크게 결정한 준설계획을 수립하는 것이 바람직하다고 판단하거나, 반대의 경우 hd/hu크게, H/hu을 작게 하는 준설을 수행하는 것이 적절하다고 생각할 수 있다.
민감도 분석결과 단면 확대 시점부근의 유사 퇴적량과 이로 인한 하천 상류의 수위 변화에 가장 큰 영향을 주는 변수는 hd/hu으로 나타났으며, 준설 계획시 가장 주의 깊게 고려해야 할 변수라 판단된다. 또한 민감도 분석 결과를 토대로 영향력을 계산한 결과 hd/hu이 유사 퇴적량과 상류 수위 변화구간에 대해 가장 민감한 것으로 나타났다. 결국 하천 단면의 급확대 구간의 퇴적량과 퇴적으로 인한 확대 지점 상류구간의 수위변화는 확대구간의 폭보다 깊이의 영향을 크게 받는 것으로 확인되었다.
Table 4는 각 무차원 변수에 대해 유사의 퇴적량과 이로 인한 상류 수위 변화 구간에 대해 민감도 분석을 수행한 결과를 보여준다. 민감도 분석결과 H/hu가 커질수록, wd/wu이 작아질수록, hd/hu이 작아질수록 유사퇴적량이 많아지는 것으로 나타났으며, 하천 상류 수위상승 영향 범위 또한 증가되는 것으로 나타났다. 유량에 대한 민감도 분석 결과 유량이 커질수록 유사량이 많아져 퇴적이 잘 되는 것으로 나타났으나, 1.
수치해석 결과 각 영향인자의 변화에 따라 준설구간에 퇴적되는 유사량이 큰 차이를 보였으며, 이 결과를 바탕으로 퇴적량과 이로 인한 상류수위 증가 구간에 대해 민감도 분석을 수행하였다. 민감도 분석결과 단면 확대 시점부근의 유사 퇴적량과 이로 인한 하천 상류의 수위 변화에 가장 큰 영향을 주는 변수는 hd/hu으로 나타났으며, 준설 계획시 가장 주의 깊게 고려해야 할 변수라 판단된다. 또한 민감도 분석 결과를 토대로 영향력을 계산한 결과 hd/hu이 유사 퇴적량과 상류 수위 변화구간에 대해 가장 민감한 것으로 나타났다.
유량에 대한 민감도 분석 결과 유량이 커질수록 유사량이 많아져 퇴적이 잘 되는 것으로 나타났으나, 1.0 < Q/Q1 <2.0 구간에서 유량증가로 인한 유속증가로 침식현상이 발생하는 한계조건(critical condition)이 존재하여 곡선의 형태가 급격하게 변하게 된 것으로 판단된다.
분석결과 Nashta et al.의 결과와 Delft3D 결과의 오차는 중앙부에서 1.2%, 측면부에서 평균 약 21.0%정도였으며, 전체적으로는 약 7.8%로 나타났다. 측면에서 Delft3D결과 값이 다소 작게 나온 이유는 벽효과 때문인 것으로, slip과 no-slip으로만 구분이 가능하고, 또한 scale의 차이가 있었기 때문에 실제 실험수로의 벽효과를 정확히 재현하기가 불가능하였고(Reynolds 상사 불일치에 대한 부분), 기준이 되는(오차 계산시 분모) 값의 절대적인 값이 작기 때문인 것으로 판단된다.
평균 기울기의 절대값을 분석한 결과 퇴적에 미치는 영향력은 hd/hu > H/hu > wd/wu 순으로 나타났으며, 수위 변화에 미치는 영향력은 hd/hu > wd/wu > H/hu순으로 나타났다.
5 × 104 있다. 해당 규모로 Delft3D 내에서 모델링하게 될 경우 time step을 약 10-7까지 줄어들며, 수치해석 시간이 기하급수적으로 증가하므로, 축척효과를 고려하여 수로 규모를 약 30배 증가시켰으며, 길이 방향은 수치모의의 효율성 증대를 위해 충분히 안정화가 되는 길이를 고려하여(약 15배) 재현하였다. 일반적으로 scale을 변화시킬 때는 지배적인 힘을 고려하는데, Nashta et al.
후속연구
4)이 비점착성 유사로 이루어진 하상에서의 두부침식에 관한 수리 실험을 수행하였으며, 수리조건에 따른 천급점 이동 및 최종 하상경사 변화 등을 분석하였다. 그러나 상기에 진술한 바와 같이 이러한 연구들은 준설에 의한 수위 저하로 인한 지류하천의 침식에 대한 연구들이며, 본 연구에서 제시하고 있는 본류 하천의 준설외 구간에서의 수리특성 변화와는 거리가 있다. 본류 자체의 준설 또는 단면 급확대에 대한 연구는 국내보다는 국외에서 많이 다루었다.
본 연구는 이상화 수로에서 수행된 연구이며, 검증 과정에서 실험 스케일을 정확하게 재현하지 못한 한계점이 있기 때문에, 실제 하천에서 발생하는 유사현상 및 수리적 특성이 이와 반드시 동일할 수 없다. 향후 이러한 확대적용을 위해 준설공사가 진행 중이거나, 예정인 유역의 자료를 확보한 후, 추가 연구가 적절히 수행된다면 본 연구의 현장 적용성을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 준설 계획이나 설계 단계의 정도를 높일 수 있을 것이라 생각한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Delft3D는?
본 연구에서는 현재 국내외에서 다양한 수리분야에 사용되고 있는 Delft3D를 사용하였다. Delft3D는 연안지역 또는 하구역 부근과 같이 단면이 확대되는 부분에 특화된 수치해석 프로그램으로, 천수방정식(shallow-water equations)을 기본 지배방정식으로 사용하고 있다. 천수방정식은 비압축성 유체에 대해 2차원 Navier-Stokes equations로부터 유도된 방정식이며, Boussinesq 가정을 채택하고 있다.
유사의 퇴적의 영향은?
보, 낙차공 및 방조제와 같은 횡단구조물들의 설치가 증가하면서 하천의 유수단면적이 증가하였으며, 이는 유사의 퇴적으로 연결되고 있다. 유사의 퇴적은 하천의 수위를 증가시켜 치수 안전성을 위협할 수 있으며, 이에 대한 다방면의 대책 중에서 준설(dredging)이 여러 하천에서 수행 중에 있다. 또한 최근 기후변화로 인한 집중호우 증가로 홍수 가능성이 증가하고 있는 상황에서 국내 여건상 하천의 제방을 올리는 것보다, 준설을 통한 대상지역의 수위 하강이 보다 경제적이기에 다양한 지역에서 준설이 수행되고 있는 실정이다.
단면 확대 폭 및 각도 변화에 따라 변화하는 수리학적 특성을 다룬 연구가 유사 퇴적 영향을 검토하기에 부족한 이유는?
7)은 횡방향과 연직방향으로 단면이 급격하게 변화하는 수로를 제작하였으며, 단면 확대 폭 및 각도 변화에 따라 변화하는 수리학적 특성을 검토하였다. 그러나 이러한 연구들은 단면 급 확대로 인한 수리적 특성 변화에 초점을 맞추었으며, 유사의 거동 특성에 대한 부분은 부유사(suspended sediment)의 농도에만 초점이 맞춰져 있기 때문에, 단면 급확대로 인한 유속저하와 이에 따른 유사 퇴적의 영향을 검토하기에는 부족하다고 판단된다. 이에 본 연구에서는 일반적으로 단면이 확대하는 하구역과 같은 지형에 대한 모의에 많이 사용되고 있는 Delft3D(Ver.
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