[논문]강우입자분포를 고려한 시강우의 강우에너지 산정 연구

김성원; 정안철; 이기하; 정관수

doi:10.14481/jkges.2018.19.12.15

[국내논문] 강우입자분포를 고려한 시강우의 강우에너지 산정 연구
Estimation of the Kinetic Energy of Raindrops for Hourly Rainfall Considering the Rainfall Particle Distribution 원문보기

한국지반환경공학회논문집 = Journal of the Korean Geoenvironmental Society, v.19 no.12, 2018년, pp.15 - 23

김성원 (Department of Civil Engineering, Chungnam National University) , 정안철 (International Water Resources Research Institute, Chungnam National University) , 이기하 (Department of Construction & Disaster Prevention Engineering, Kyungpook National University) , 정관수 (Department of Civil Engineering, Chungnam National University)

초록
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우리나라에서 발생하는 대부분의 토양침식은 물에 의한 토양침식이며 강우와 밀접한 관계를 가진다. 강우로부터 발생하는 토양침식은 토지자원의 손실을 발생시키고 이후 하천에 유입되고 퇴적되어 하천수자원의 관리 및 이용에 많은 어려움을 주고 있다. 최근 기후변화의 영향으로 우리나라에서는 30mm/hr 이상의 집중호우의 발생횟수가 증가하고 있어 단기간에 토양침식이 발생할 가능성이 높아지고 있다. 본 연구에서는 강우의 물리적인 특성을 고려하기 위하여 누적분포함수를 이용하여 강우강도별 강우입자의 분포를 추정하고 단일 호우사상이 가지는 강우에너지를 계산하는 방법을 제안하고자 하였다. 강우에너지 산정공식을 개발하기 위하여 강우강도 0.254~152.4mm/hr에서 측정된 강우입자 자료를 이용하였다. 누적분포함수를 적용하여 산정된 강우에너지는 강우강도의 관계에서 멱함수형태로 증가하는 경향으로 나타났으며, 이 관계로 얻어진 식을 바탕으로 1~80mm/hr 강우강도의 강우 운동에너지를 산정한 결과 $0.03{\sim}48.26Jm^{-2}mm^{-1}$로 나타났다. 강우강도와 강우에너지의 관계를 바탕으로 강우에너지 식을 멱함수로 제시하였다. 본 연구에서 제안된 공식은 한시적으로 설치하는 침사지와 같은 시설물의 규모를 결정하는 계획의 토양침식량을 예측에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The occurrence of soil erosions in Korea is mostly driven by flowing water which has a close relationship with rainfalls. The soil eroded by rainfalls flows into and deposits in the river and it polluted the water resources and making the rivers become difficult to be managed. Recently, the frequency of heavy rainfall events that are more than 30 mm/hr has been increasing in Korea due to the influence of climate change, which creating a favourable condition for the occurrence of soil erosion within a short time. In this study, we proposed a method to estimate the distribution of rainfall intensity and to calculate the energy produced by a single rainfall event using the cumulative distribution function that take into account of the physical characteristics of rainfall. The raindrops kinetic energy estimated by the proposed method are compared with the measured data from the previous studies and it is noticed that the raindrops kinetic energy estimated by the rainfall intensity variation is very similar to the results concluded from the previous studies. In order to develop an equation for estimating rainfall kinetic energy, rainfall particle size data measured at a rainfall intensity of 0.254~152.4 mm/hr were used. The rainfall kinetic energy estimated by applying the cumulative distribution function tended to increase in the form of a power function in the relation of rainfall intensity. Based on the equation obtained from this relationship, the rainfall kinetic energy of 1~80 mm/hr rainfall intensity was estimated to be $0.03{\sim}48.26Jm^{-2}mm^{-1}$. Based on the relationship between rainfall intensity and rainfall energy, rainfall kinetic energy equation is proposed as a power function form and it is expected that it can be used in the design of short-term operated facility such as the sizing of sedimentation basin that requires prediction of soil loss by a single rainfall event.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Comparison of raindrop velocity equations
그림 Fig. 2. Measured data by Laws and Parsons (1943)
그림 Fig. 3. Comparison of measured data (Laws & Parsons, 1943) and result of Eq. (7)
그림 Fig. 4. Comparison of measured data (Carter et al., 1974) and result of Eq. (7)
표 Table 1. RMSE of cumulative distribution result
그림 Fig. 5. The rainfall intensity-kinetic energy relationship for the different equation
표 Table 2. Kinetic energy equations
그림 Fig. 6. Normalization of kinetic energy

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 국내외에서 강우침식인자를 산정하기 위해 USLE, RUSLE, RUSLE2에서 채택하고 있는 강우 운동에너지식과 실내실험을 통해 제안된 강우 운동에너지식, 그리고 본 연구에서 제안된 방법을 이용하여 계산 강우에너지와 비교 검토하였다. 기후변화로 인해 단기호우사상에 따른 토양침식예측에 대한 접근이 요구됨에 따라 강우의 물리적인 특징을 고려하여 강우에너지를 산정하고 다른 연구의 결과와 비교함으로써 본 연구에서 제안하고자 하는 강우에너지 산정방법의 적용성을 검토하고자 하였다.
따라서, 단일호우사상으로부터 발생하는 토양침식 예측에 적용가능한지에 대한 검토가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 강우사상의 물리적인 특성에 근거한 독립된 강우사상의 강우에너지(Kinetic Energy, KE)를 추정할 수 있는 방법을 제안하고 강우강도-강우에너지의 관계식을 제시하고자 한다. 또한, 현재까지 국내·외에서 제안되어 사용하고 있는 강우에너지식과 본 연구에서 제안한 강우에너지 공식을 비교·분석하고자 한다.

제안 방법

1~80mm/hr의 범위를 가지는 강우 강도를 5mm/hr 간격으로 등분하여 강우에너지를 산정하였다. 강우에너지 산정을 위해서 선행연구에서 제시된 공식을 이용하였으며, 본 연구에서 사용한 강우에너지 공식은 Table 2와 같다.
di는 강우입자의 직경(mm)이고, KEdi는 di크기의 강우입자가 가지는 운동에너지, mdi는 di크기를 가지는 강우입자의 질량(kg), #은 해당 강우입자의 부피(m3), ρω는 물의 밀도(kg/m3), Vdi는 di크기를 가지는 강우입자의 종단속도(m/s)로 Smith & Wischmeier(1962), Chow & Harbaugh(1965), Assouline & Mualem(1989) 등의 연구자가 제안한 공식을 비교하여 채택하였다.
또한 본 연구에서 강우입자 분포자료로 계산된 강우강도 - 강우에너지 관계는 측정된 지역에서 나타나는 강우의 특성을 포함할 수 있어, 두 강우강도-강우에너지의 관계를 이용하여 α와 e를 다시 산정하였다.
또한, 현재까지 국내·외에서 제안되어 사용하고 있는 강우에너지식과 본 연구에서 제안한 강우에너지 공식을 비교·분석하고자 한다.
본 연구에서는 국내외에서 강우침식인자를 산정하기 위해 USLE, RUSLE, RUSLE2에서 채택하고 있는 강우 운동에너지식과 실내실험을 통해 제안된 강우 운동에너지식, 그리고 본 연구에서 제안된 방법을 이용하여 계산 강우에너지와 비교 검토하였다. 기후변화로 인해 단기호우사상에 따른 토양침식예측에 대한 접근이 요구됨에 따라 강우의 물리적인 특징을 고려하여 강우에너지를 산정하고 다른 연구의 결과와 비교함으로써 본 연구에서 제안하고자 하는 강우에너지 산정방법의 적용성을 검토하고자 하였다.
본 연구에서는 시간변화에 따른 강우의 특성을 반영하여 0.254~154.2mm/hr의 강우입자분포를 이용하여 강우에너지를 산정할 수 있는 공식을 제안하였다. 제안한 공식의 검증을 위하여 선행연구에 의해서 제안된 강우에너지 공식과 비교/검토를 수행하였다.
그 주된 이유는 강우의 크기가 커지면 항력 또한 증가하여 강우입자가 파괴되어 기존 형상을 유지할 수없기 때문이다. 이러한 이유로 본 연구에서 d_max를 7mm 로 제한하였다. N_di는 단위면적에 내린 총 강우량(R_A,m³) 속에 d_i의 크기로 존재하는 입자의 수로 Eq.
이후, 많은 연구자들은 실내·외 실험을 통해 얻어진 강우자료를 이용하여 강우사상에 존재하는 강우입자를 Gamma, Log-normal 함수와 같은 확률밀도함수 형태로 제안하고 강우에너지를 추정하였다(Afullo, 2011; Assouline & Mualem, 1989; Checa & Tapiador, 2011, Best, 1950).

데이터처리

2mm/hr의 강우입자분포를 이용하여 강우에너지를 산정할 수 있는 공식을 제안하였다. 제안한 공식의 검증을 위하여 선행연구에 의해서 제안된 강우에너지 공식과 비교/검토를 수행하였다. 국내외에서 채택하고 있는 강우에너지 산정공식으로 계산된 10mm/hr의 강우에너지는 13.

이론/모형

1~80mm/hr의 범위를 가지는 강우 강도를 5mm/hr 간격으로 등분하여 강우에너지를 산정하였다. 강우에너지 산정을 위해서 선행연구에서 제시된 공식을 이용하였으며, 본 연구에서 사용한 강우에너지 공식은 Table 2와 같다. Eq.
강우입자의 평균크기인 d50은 Laws & Parsons(1943)의 연구에서 제시된 강우사상(Fig. 2)으로부터 각각의 강우입자 구간을 20개로 구분하여 나열한 후 강우입자의 평균크기를 구하였다.
누적분포함수의 모수추정을 위해서 단순회귀법인 최소제곱법(Least square method)을 사용하였다(Meyna & Pauli, 2003).
따라서, 본 연구에서는 Laws & Parsons(1943)와 Gunn & Kinzer(1949)의 실험의 종단속도를 잘 모의하는 Assouline & Mualem(1989)이 제안한 식을 적용하였다(Eq.

성능/효과

69Jm^-2 mm^-1 로 Eq. (17)로 계산된 강우에너지보다 15.43Jm^-2 mm^-1 작은 것으로 분석되었고 전체적으로 작은 운동에너지를 가지는 것을 확인하였다.
각각의 식으로 계산된 종단속도를 비교한 결과, Assouline & Mualem(1989)가 제안한 공식을 제외한 나머지 식에서는 강우크기가 커질수록 종단속도 비례관계로 계속적으로 증가하는 것으로 나타났다.
제안한 공식의 검증을 위하여 선행연구에 의해서 제안된 강우에너지 공식과 비교/검토를 수행하였다. 국내외에서 채택하고 있는 강우에너지 산정공식으로 계산된 10mm/hr의 강우에너지는 13.2Jm^-2mm^-1~21.06Jm^-2 mm^-1 로 제안된 공식으로 계산된 1.53Jm^-2mm^-1 보다 8.63~13.76배 큰 값을 보였고, 80mm/hr의 강우에너지는 17.8Jm^-2mm^-1~31.52Jm^-2mm^-1 로 0.37~0.65배 수준의 값을 갖는 것으로 분석되었다. 이를 토대로 보았을 때, 기존의 공식은 강우강도가 작을 경우에도 과대하게 강우에너지를 산정할 수 있어 단기호우사상에 적용하였을 때 토양 침식량이 과대로 산정되는 문제가 있을 것을 본다.
본 연구에서 누적분포함수를 이용하여 계산된 강우강도-강우에너지의 관계는, 강우강도(Ι)가 증가할 때 강우에너지도 비례적으로 증가하는 것으로 분석되었다.
본 연구에서 제안한 강우에너지 산정공식의 강우강도-강우에너지 관계는 토양침식예측모형에서 채택하고 있는 강우에너지 산정공식의 결과와 상이한 것을 확인할 수 있었다. 하지만 제안된 공식은 호우사상별 측정된 강우입자분포를 고려하여 단기토양침식을 예측하기 위해 개발되었다는 것에 의미를 가질 수 있다.
Son(2001)은 연평균 강우침식인자 값을 적용하여 토사유출량을 산정하고 침사지의 규모를 계획하는 것은 과대설계의 우려가 있다고 평가하였다. 연평균 강우침식인자를 사용하는 것은 계획과 목적에 따라 적용여부를 결정하되, 독립된 호우사상의 강우에너지를 추정하여 적용하는 것이 단기토양침식을 본질적으로 평가할 수 있는 하나의 방법이 될 수 있다는 연구결과를 제시하였다.
74배의 강우에너지를 가지는 것으로 분석되었다. 이러한 분석결과를 통하여 기존의 강우에너지 공식을 50mm/hr 이하의 강우강도를 가지는 단기호우사상에 적용하면 유역에서 발생하는 토양침식량이 과대하게 산정될 것으로 판단된다.
본 연구에서 제안한 강우에너지 산정공식의 강우강도-강우에너지 관계는 토양침식예측모형에서 채택하고 있는 강우에너지 산정공식의 결과와 상이한 것을 확인할 수 있었다. 하지만 제안된 공식은 호우사상별 측정된 강우입자분포를 고려하여 단기토양침식을 예측하기 위해 개발되었다는 것에 의미를 가질 수 있다. 그러나 기후변화의 영향으로 집중 호우 증가와 강우패턴 변화가 나타나고 있어, 적용성을 확보하기 위해서는 지속적인 모니터링을 통하여 다양한 강우강도에 대한 표본자료 취득하고 개선하는 작업이 요구된다.

후속연구

하지만 제안된 공식은 호우사상별 측정된 강우입자분포를 고려하여 단기토양침식을 예측하기 위해 개발되었다는 것에 의미를 가질 수 있다. 그러나 기후변화의 영향으로 집중 호우 증가와 강우패턴 변화가 나타나고 있어, 적용성을 확보하기 위해서는 지속적인 모니터링을 통하여 다양한 강우강도에 대한 표본자료 취득하고 개선하는 작업이 요구된다.
이러한 현상이 초기 토양침식의 물리적인 과정에 있어서 토양침식에 미치는 영향에 대한 분석이 필요하다. 또한 토양침식에 있어서 강우 운동에너지와 토양상태변화의 시간적 변화를 고려하기 위한 추가적인 연구가 필요하다.
본 연구에서 호우사상의 물리적인 특성에 근거하여 제안된 식은 강우에너지에 관한 연구가 없는 지역과 한시적으로 설치하는 침사지 규모를 결정하는 계획과 같이 단기토양침식예측이 필요한 경우에 적용하는 것이 합리적일 것으로 사료된다. 그러나 강우에너지 산정기법의 국내 적용성 확보를 위해서는 지역적으로 발생하는 강우특성분석과 토양유실모니터링자료를 활용한 검증이 지속적으로 이루질 필요가 있다.
따라서 이러한 자료는 시간 변화에 대한 강우특성의 변화 및 대상 유역면적에 대한 특징을 대변하기 어려울 수 있으므로 동일강우에 대한 대푯값으로 사용하기에는 무리가 있다. 하지만, 강우에너지 산정을 위한 산정실험은 실험실에서 재현하기 어려운 실제 강우현상에 대한 심층적인 연구를 위해서 지속되어야 할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	강우로부터 발생하는 토양침식은 어떠한 영향을 주는가?	우리나라에서 발생하는 대부분의 토양침식은 물에 의한 토양침식이며 강우와 밀접한 관계를 가진다. 강우로부터 발생하는 토양침식은 토지자원의 손실을 발생시키고 이후 하천에 유입되고 퇴적되어 하천수자원의 관리 및 이용에 많은 어려움을 주고 있다. 최근 기후변화의 영향으로 우리나라에서는 30mm/hr 이상의 집중호우의 발생횟수가 증가하고 있어 단기간에 토양침식이 발생할 가능성이 높아지고 있다.
	토양침식이란 무엇인가?	토양침식은 강우, 바람, 습도, 기온 등의 환경적인 인자들과 지표유출, 토양특성, 사면경사 및 길이, 식생피복 및 토지이용상태 등의 지형학적 인자들의 복합적 작용에 의한 물리적인 현상이다. 사막과 같은 건조한 지역을 제외한 일반 적인 영역에서 나타나는 토양침식은 물에 의한 것으로 환경적 인자인 강우의 특성에 의해 결정된다.
	토양체에 전달되는 강우에너지의 변화는 어떤 연관성이 있는가?	여러 연구자들은 실험을 통하여 동일한 강우량이 주어질때 강우강도를 변화시켜 토양체에 전달되는 강우에너지에 변화에 대한 실험이 많이 진행되었다. 그 결과, 유출되는 토사량은 강우강도와 상관성이 높은 것으로 분석되었고(Young & Wlersma, 1973), 이는 토양침식이 강우량보다 강우에 너지에 많은 영향을 받는다는 것을 의미한다.

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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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