[논문]HPG로 산정한 합류부 배수영향 구간의 유량 평가

김지성; 김원

doi:10.12652/ksce.2018.38.6.0831

HPG로 산정한 합류부 배수영향 구간의 유량 평가
An Evaluation of River Discharge Estimates in a Junction with Backwater effect using Interpolated Hydraulic Performance Graph 원문보기

대한토목학회논문집 = Journal of the Korean Society of Civil Engineers, v.38 no.6, 2018년, pp.831 - 838

김지성 (한국건설기술연구원 국토보전연구본부) , 김원 (한국건설기술연구원 국토보전연구본부)

초록
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본 논문에서는 합류부 배수영향을 받는 지점에서 유량을 산정할 수 있는 방법을 제안하였다. 먼저, 최근 2개의 홍수사상에 대한 HEC-RAS 부정류 모의를 수행하여 모형을 보정하였으며, 관심구간 상하류 수위와 유량과의 관계 그래프를 작성하고 크리깅 보간을 수행함으로써 HPG (Hydraulic Performance Graph)를 작성하였다. 대상 홍수기간 동안 HPG와 상하류 연속 수위 자료를 이용하여 구간 유량을 산정하였고, ADVM 같은 자동유량측정 자료와 비교하여 비교적 잘 일치하는 것을 확인하였다. 본 연구결과는 수위-유량 관계곡선의 이력현상이 큰 배수영향 구간에서 유량을 산정하는데 경제적이고 실용적인 방법을 제공할 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a method to estimate the flow discharge in a backwater affected river junction. First, unsteady HEC-RAS model was simulated and calibrated using 2 recent real flood and then HPG (Hydraulic Performance Graph) was created by plotting the relationship between upstream and downstream stages and discharge in the reach and performing kriging interpolation. During a flood, the discharge through the reach can be estimated based on the stages at its ends and the developed HPG. These discharge data were in good agreement with the automatic discharge measurements such as ADVM. This study could provide an economical and practical method for estimating discharge in a junction with a high hysteresis of stage-discharge relationships.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Study Area
그림 Fig. 2. Boundary Condition
그림 Fig. 3. Results of Model Calibration
표 Table 1. Calibrated Roughness Coefficient
그림 Fig. 4. HPG in Subcritical Flow (Yen and Gonzalez-Castro, 2000)
그림 Fig. 5. Stage-Discharge Relation at Seongseo Station
그림 Fig. 6. Comparion of HPGs in Kumho River Downstream
그림 Fig. 7. HEC-RAS Model Results of 2012 Event
그림 Fig. 9. Comparison of Measured and Calculated Data
그림 Fig. 8. Kriging-interpolated HPG
그림 Fig. 9. Comparison of Measured and Calculated Data (Continue)
그림 Fig. 10. Comparison of Methods for Computing Discharge at the Seongseo Stage Gauging Station

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

13 km 지점의 세천교 수위를 이용하여 Fig. 6(b)와 같이 HPG를 작성하고, 동일한 유량 규모에서 유량산정의 불확실성을 검토하였다. 합류부-세천교 HPG에서는 세천교의 수위가 19.
887 m 상류의 실측 수위를 사용한 한계가 있다. HPG를 이용할 경우, 1 cm의 수위오차도 유량 산정에 크게 영향을 미칠 수 있으므로 주의가 필요하며, 본 연구에서는 합류점 상류 3.13 km 지점의 세천교 수위자료를 활용함으로써 발생할 수 있는 유량의 오차를 보완하였다. 세천교 지점 또한 합류부 배수영향을 크게 받는 지점이지만, 작성된 HPG로부터 자동유량측정 결과에 준하는 유량자료 생산이 가능하였다.
먼저 해당 하도구간의 유량규모의 범위를 결정한다. 본 연구에서는 HPG를 이용한 유량산정의 적용성을 평가하기 위하여 200 m³/s에서 4,500 m³3 /s까지 유량(12개 유량조건)의 점진적인 증가를 고려하였다.
이러한 문제점은 지류의 유량산정 자체의 문제뿐만 아니라, 본류의 홍수예측 정확도를 떨어뜨리는 주요 원인이 된다. 본 연구에서는 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, HPG (Hydraulic Performance Graph)를 이용한 유량산정 방법을 검토하였고, 금호강에 적용한 결과 성서 자동유량측정결과와 잘 일치하는 것을 확인하였다. 본 연구에서 얻어진 주요 결과는 다음과 같다.
본 연구의 목적은 합류부 배수영향을 받는 지류구간의 유량을 산정하기 위한 방법을 개발하는 것이다. 이를 위하여 먼저 HEC-RAS 모형을 구축하고, 부정류 모의로 구축된 모형을 보정하였다.

가설 설정

5. 한편, 해당구간에 유량이 0인 경우는 하류단과 상류간의 수위가 같을 것이다. 따라서 Fig.

제안 방법

(1) 금호강 하류구간인 동촌 수위관측소에서 합류점까지 수리학적 모형을 구축하였다. 모형 보정을 위하여 공간적으로 5개 구간, 유량 규모는 6개 구간으로 나누었고, 각 공간-유량규모 구간에서 적절한 조도계수를 시행착오적으로 선정하였다.
(2) 실제 홍수사상으로 보정된 모형을 이용하여 시나리오 기반의 HPG를 작성하였다. 금호강의 경우, 성서 수위관측소는 합류부에 인접하여 수리적 거동을 명확히 분석하는데 한계가 있는 것으로 나타났다.
개발된 HPG와 낙동강 합류부, 세천교 수위 자료를 이용하여 2개의 모형 보정사상에 2012년 8월, 2013년 7월 사상을 추가하여 금호강 하류구간의 유량을 산정하였다. 그리고 HPG로 산정된 유량을 성서 자동유량측정자료와 기존 단일 수위-유량관계곡선 (Fig.
(1) 금호강 하류구간인 동촌 수위관측소에서 합류점까지 수리학적 모형을 구축하였다. 모형 보정을 위하여 공간적으로 5개 구간, 유량 규모는 6개 구간으로 나누었고, 각 공간-유량규모 구간에서 적절한 조도계수를 시행착오적으로 선정하였다. 금호강 산격 지점의 경우, 하류에 위치한 보 운영의 영향으로 저수위 재현이 곤란하여 보가 완전히 잠식되어 저항요인의 변화가 사라질 것으로 예상되는 첨두수위의 재현으로 모형 보정결과를 확인하였다.
이를 위하여 먼저 HEC-RAS 모형을 구축하고, 부정류 모의로 구축된 모형을 보정하였다. 보정된 모형을 이용하여 발생 가능한 범위의 하천 유량조건에 대하여 배수영향 수면곡선을 요약한 HPG를 작성하였고, HPG로부터 유량 자료의 독취가 용이하도록 크리깅(kriging) 보간을 수행하였다. 이렇게 보간된 HPG와 두 수위관측소에서 계측된 수위를 이용하여 배수영향 구간의 유량을 산정하였으며, 그 결과를 구간 내 자동유량 측정자료와 비교함으로써 개발된 방법의 정확성을 검토하였다.
HPG는 정상부등류 방정식의 해로부터 작성된다. 본 연구에서는 실제 홍수사상에 대한 HEC-RAS 부정류 모의를 수행하여 모형 매개변수인 대상구간의 조도계수를 보정하고, 보정된 모형을 이용하여 다양한 유량규모의 정상류 해석을 수행함으로써 HPG를 작성하였다.
4와 같은 각 유량 규모의 HPG 작성이 가능하다. 이때 하류단 수위의 최대치는 하류단 단면의 지형조건과 HPG 작성에 고려한 최대 유량규모를 반영하여 설정하였다.
보정된 모형을 이용하여 발생 가능한 범위의 하천 유량조건에 대하여 배수영향 수면곡선을 요약한 HPG를 작성하였고, HPG로부터 유량 자료의 독취가 용이하도록 크리깅(kriging) 보간을 수행하였다. 이렇게 보간된 HPG와 두 수위관측소에서 계측된 수위를 이용하여 배수영향 구간의 유량을 산정하였으며, 그 결과를 구간 내 자동유량 측정자료와 비교함으로써 개발된 방법의 정확성을 검토하였다.
본 연구의 목적은 합류부 배수영향을 받는 지류구간의 유량을 산정하기 위한 방법을 개발하는 것이다. 이를 위하여 먼저 HEC-RAS 모형을 구축하고, 부정류 모의로 구축된 모형을 보정하였다. 보정된 모형을 이용하여 발생 가능한 범위의 하천 유량조건에 대하여 배수영향 수면곡선을 요약한 HPG를 작성하였고, HPG로부터 유량 자료의 독취가 용이하도록 크리깅(kriging) 보간을 수행하였다.
6와 같은 HPG에서 상하류 수위조건에 만족하는 유량을 산정하기 위해서는 각 유량의 거동곡선을 보간할 필요가 있다. 이를 위하여 본 연구에서는 크리깅 기법을 활용하였고, 보간된 셀의 크기는 수위 측정값의 유효 자리수를 고려하여 0.01 m로 지정하였다. 낙동강 합류부 그리고 세천교의 수위자료와 이 구간의 유량자료를 크리깅 보간한 HPG 결과는 Fig.

대상 데이터

9 km 상류에 위치하여 낙동강으로 인한 배수영향을 받지 않는다. HEC-RAS 모형의 상류단 경계조건으로 동촌 수위관측소의 유량자료를 사용하였고, 하류단 경계조건은 합류부에서 상류방향으로 0.887 km 떨어져 있는 강정 고령보 직하류에서 측정된 수위자료를 사용하였다. 대상구간 내에는 주요 지류로 동화천과 신천이 유입되고 있으므로 동화천은 동변 수위관측소, 신천은 침산 수위관측소의 유량자료를 금호강의 측방유입조건으로 고려하였다(Fig.
1 참조). 그리고, 금호강 단면자료는 하천기본계획 수립시 시행된 2009년 측량자료를 활용하였다.
금호강 수리학적 모형 구축 대상구간으로 상류단 경계는 동촌 수위관측소, 하류단 경계는 낙동강 합류부를 선정하였다. 동촌 수위관측소는 낙동강 합류부로부터 26.
본 연구는 낙동강 제1지류인 금호강을 대상으로 수행되었다. 금호강은 유로연장 114.
본 연구에서 HPG로 산정한 유량의 검증을 위하여 비교할 금호강 성서 수위관측소 지점은 합류부의 배수영향을 크게 받는 곳이다. 즉, 본류인 낙동강의 수위가 높아지면 성서지점의 유량과 무관하게 수위가 상승하게 되며, Fig.

성능/효과

2. HEC-RAS 부등류 모의를 수행할 때, 다양한 크기의 유량을 상류 경계조건으로 지정하고, 하류 경계조건은 한계수심을 지정한다.
9 (b))의경우, 단일 수위-유량관계를 이용한 방법은 홍수기 하강부, 낙동강 본류 수위가 천천히 하강함에 따라 발생된 배수영향을 반영하지 못하고 실측된 유량수문곡선과 다른 양상을 나타낸다. 그 결과 홍수 전기간 동안 총 체적은 약 60 % 크게 산정되었고, 첨두홍수량 또한 10 % 이상 크게 산정되었다. 본 연구에서 개발된 방법에 의한 유량 산정결과는 자동유량측정 결과와 큰 차이를 나타내지 않았으며, 총량 및 첨두홍수량의 오차가 각각 7 %, 3 %로 감소하여 단일 수위-유량관계를 이용한 방법 대비 크게 개선된 결과를 나타내었다(Fig.
그 결과 홍수 전기간 동안 총 체적은 약 60 % 크게 산정되었고, 첨두홍수량 또한 10 % 이상 크게 산정되었다. 본 연구에서 개발된 방법에 의한 유량 산정결과는 자동유량측정 결과와 큰 차이를 나타내지 않았으며, 총량 및 첨두홍수량의 오차가 각각 7 %, 3 %로 감소하여 단일 수위-유량관계를 이용한 방법 대비 크게 개선된 결과를 나타내었다(Fig. 10).
여기서, 성서 지점과 세천교 지점의 수위-유량 관계 비교를 위하여 2012년 사상을 모의한 결과(Fig. 7)를 확인하면, 세천교 또한 합류부의 배수영향을 크게 받고 있음을 확인할 수 있다.
자동유량측정 자료를 기준으로, HPG를 이용할 경우 총 체적은 85~100 %, 첨두 유량은 96~ 111 %로 산정되었고, 기존 단일 수위-유량관계를 이용할 경우는 총체적 98~106 %, 첨두 유량은 95~106 % 산정되어 두 가지 방법 모두 자동유량측정 자료와 비교하여 ±10 % 내외의 차이를 나타내었다.

후속연구

따라서 하상경사를 비롯한 하천 단면형상과 조도 계수, 그리고 상하류 수위 자료 취득을 위한 구간 거리 등이 HPG를 이용한 유량산정에 미치는 영향을 분석하여야 한다. 또한 배수영향 으로 단일 수위-유량관계 설정이 곤란한 수위관측소를 대상으로 보다 많은 적용도 필요하다. 지속적인 연구와 경험이 축적된다면, 고리형 수위-유량 관계곡선이 불가피한 배수영향 구간에서 유량을 산정할 때, HPG가 경제적이고 실용적인 방법을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.
또한 배수영향 으로 단일 수위-유량관계 설정이 곤란한 수위관측소를 대상으로 보다 많은 적용도 필요하다. 지속적인 연구와 경험이 축적된다면, 고리형 수위-유량 관계곡선이 불가피한 배수영향 구간에서 유량을 산정할 때, HPG가 경제적이고 실용적인 방법을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	하천유량 특징은 무엇인가?	하천유량은 이수 측면에서 댐 및 저수지 운영, 수자원 공급량 산정을 통한 물수지 평가, 치수 측면에서 하천시설물의 설계 및 홍수예보, 환경 측면에서 수생태계 보전 계획 수립 등 물관리 업무 전반에 걸쳐 기초가 되는 자료로서(Hidayat et al., 2011), 연속 측정된 수위 자료와 관심지점에서의 수위-유량관계곡선을 이용하여 산정된다. 그러나, 조위영향 또는 배수영향을 받는 구간에서는 수위-유량관계의 설정이 어려우므로 자동유량측정시설을 설치하여 실시간 유량자료를 생산할 수 있다.
	조위영향 또는 배수영향을 받는 구간에서 유량자료를 생산하는 방법은?	, 2011), 연속 측정된 수위 자료와 관심지점에서의 수위-유량관계곡선을 이용하여 산정된다. 그러나, 조위영향 또는 배수영향을 받는 구간에서는 수위-유량관계의 설정이 어려우므로 자동유량측정시설을 설치하여 실시간 유량자료를 생산할 수 있다. 2010~2019 수문조사기본계획(MLTM, 2008)에따르면 2019년까지 유량산정 지점을 334개소까지 확대 필요함을 제시하고 있으며, 이를 위하여 자동유량측정시설은 2008년 11개 지점에서 2019년 88개 지점까지 점차 설치 확대하는 것으로 계획하였다.
	단일 수위-유량관계곡선식을 적용할 수 있는 하천의 흐름은 무엇인가?	유량산정 실무에서는 일반적으로 수위와 유량이 일대일로 대응 하는 단일 수위-유량관계곡선식을 이용한다. 이러한 방법은 정상류 상태의 하천흐름이나 부정류 상태에서도 다소 급한 하상경사(> 10 -3 )를 가진 하천흐름일 경우에 충분히 적용될 수 있다(Dottori et al., 2009).

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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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