[논문]연직수문의 퇴적토 배출특성에 관한 실험적 연구

이지행; 최흥식

doi:10.17820/eri.2018.5.4.276

연직수문의 퇴적토 배출특성에 관한 실험적 연구
An Experimental Study on the Sediment Transport Characteristics Through Vertical Lift Gate 원문보기

Ecology and resilient infrastructure, v.5 no.4, 2018년, pp.276 - 284

이지행 (상지대학교 일반대학원) , 최흥식 (상지대학교 건설시스템공학과)

초록
AI-Helper

하단배출 형태의 연직수문을 대상으로 퇴적토 배출특성에 따른 두부침식 거리비, 퇴적토 이동거리와 이동량을 분석하기 위해 수리 모형실험과 차원해석을 수행하였다. Froude 수와 배출특성의 상관관계를 도식화하고, 퇴적토 배출특성을 지배하는 무차원 매개변수에 의한 다중회귀식을 제안하였다. 두부침식거리, 퇴적토 이동거리와 이동량에 대한 각 다중회귀 분석식의 결정계수는 각각 0.618, 0.632, 0.866으로 높게 나타났다. 개발한 퇴적토 배출특성식의 사용성을 평가하기 위해 실제 측정값과 회귀분석식에 의해 계산된 값의 95%의 예측 신뢰구간 분석을 수행하였고, 두부침식거리, 퇴적토 이동거리와 이동량에 대한 예측의 정확도 분석차원의 NSE (Nash-Sutcliffe Efficiency), RMSE (root mean square)와 MAPE (mean absolute percentage error)는 적절한 것으로 판단되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to analyze sediment transport characteristics of knickpoint migration, sediment transport length, and sediment transport weight through the under-flow type vertical lift gate, the hydraulic model experiment and dimensional analysis were performed. The correlations between Froude number and sediment transport characteristics were schematized. The multiple regression formulae for sediment transport characteristics with non-dimensional parameters were suggested. The determination coefficients of multiple regression equations appeared high as 0.618 for knickpoint migration, 0.632 for sediment transport length, and 0.866 for sediment transport weight. In order to evaluate the applicability of the developed hydraulic characteristic equations, 95% prediction interval analysis was conducted on the measured and the calculated by multiple regression equations, and it was determined that NSE (Nash-Sutcliffe Efficiency), RMSE (root mean square), and MAPE (mean absolute percentage error) are appropriate, for the accuracy analysis related to the prediction on sediment transport characteristics of kickpoint migration, sediment transport length and weight.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Photo of sluice gate installed in the channel.
그림 Fig. 2. Configuration of experimental system.
그림 Fig. 3. Sluice gate installation and the corresponding scheme of measuring points.
표 Table 1. Experimental conditions
그림 Fig. 4. Variation of knickpoint migration ratio (L_k/y₃) against Froude number.
그림 Fig. 5. Variation of sediment transport length ratio (L_s/y₃) against Froude number.
그림 Fig. 6. Variation of sediment transport weight ratio (Q_s/y₃³ρ)against Froude number.
그림 Fig. 7. Relation between sediment transport length ratio (L_s/y₃) and hydraulic jump length ratio (L_j/y₃).
그림 Fig. 8. Analyses of 95% prediction interval for the calculated of sediment transport characteristics.
표 Table 2. Multiple regression analysis results
표 Table 3. Results in the analysis of variance
표 Table 4. VIF values for determining the multi-collinearity of the independent variable

AI 본문요약
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문제 정의

보는 하천 횡단구조물로 수위를 조절하거나 유량, 각종 용수 확보 등을 목적으로 설치한다. 그러나 하천에 설치되는 보는 대부분 고정보 또는 가동보는 흐름의 정체를 유발하여 유사를 퇴적시키며, 이로 인해 홍수위 상승, 저류량 감소 등 많은 문제를 가져온다.
기존의 연구는 수문, 댐, 보 등의 설치에 따른 두부침식과 시설물 주변에서의 퇴적과 침식의 양상을 규명하였다. 본 연구에서는 기존 보의 유입유사로 인한 문제점을 해결하기 위한 방안으로 퇴적토의 이동을 수반한 연직수문의 개방에 따른 퇴적토 배출 특성을 분석하기 위해 수리 모형실험을 수행하였다. 실험에서는 퇴적토를 포설하여 퇴적토의 높이, 유량과 수문 개방도에 따른 퇴적토의 침식과 수문 하류부로 이동하는 퇴적토사의 량과 배출거리에 대해 수리실험을 수행하였다.
연직수문을 통과하는 퇴적토 배출 특성을 확인하기 위해 여러 가지 유량조건에 따른 연직 수문상류의 퇴적토 높이와 수문의 개방도 조건에 대해 실험을 수행하였다. 유량은 0.

제안 방법

두부침식거리, 퇴적토 이동거리와 퇴적토 이동량의 회귀식을 도출하였으며, 회귀식 Eq. 8, 9, 10에 대해서 유효성, 유의성 검정 및 다중공선성 분석을 수행하였다.
차원해석을 실시하여 배출 특성을 지배하는 무차원 매개변수를 도출하고, Froude 수의 변화에 따른 퇴적토 배출특성을 분석하였다. 배출 특성에 영향을 미치는 매개변수와 두부침식거리, 퇴적토 이동거리와 이동량의 관계식을 제시하였다. 아울러 실측값과 회귀식에 의한 예측값에 대한 95% 예측신뢰구간과 통계적 특성의 분석을 통해서 제시한 회귀식의 사용성을 검토하였다.
수리실험을 통해 퇴적토 이동에 영향을 미치는 주요 인자들을 도출하였다. 도출된 인자들로 구성된 무차원 변수를 산정하기 위해 Buckingham의 π정리에 의하여 차원해석을 실시하였다.
실험 결과를 통해 산정된 각각의 무차원 변수군에 대하여 회귀분석과 유의성 검정을 통해 퇴적토 배출특성에 영향을 미치는 매개변수와의 관계식을 도출하였다. 통계분석을 위해 사용된 프로그램은 IBM SPSS 22v.
본 연구에서는 기존 보의 유입유사로 인한 문제점을 해결하기 위한 방안으로 퇴적토의 이동을 수반한 연직수문의 개방에 따른 퇴적토 배출 특성을 분석하기 위해 수리 모형실험을 수행하였다. 실험에서는 퇴적토를 포설하여 퇴적토의 높이, 유량과 수문 개방도에 따른 퇴적토의 침식과 수문 하류부로 이동하는 퇴적토사의 량과 배출거리에 대해 수리실험을 수행하였다. 퇴적토 배출특성을 지배하는 무차원 매개변수를 도출하기 위해 차원해석을 하였다.
퇴적토 배출특성을 지배하는 무차원 매개변수를 도출하기 위해 차원해석을 하였다. 실험을 통해 퇴적토 배출특성과 Froude 수의 관계를 분석하였고, 두부침식거리, 퇴적토 이동거리, 퇴적토 이동량의 관계식을 제시하였다. 회귀식의 사용성을 검토하기 위해 실측값 간의 예측구간의 정확도의 분석과 개발한 식의 적용성의 판단을 위한 통계특성을 분석하였다.
안정된 수심을 유지하기 위해 충분한 통수시간 유지 후, 수심이 안정되었다고 판단된 시점에 수심을 측정하였다. Fig.
1에서와 같이 개도높이 (openness height)의 조절이 가능한 연직수문을 대상으로 실시하였다. 연직수문은 4 mm의 steel 재질로 제작하였으며, 하단부는 예연위어 형식으로 처리하여 위어 월류에 따른 흐름 저항을 감소시켰다. 실험장치는 수로와 유량공급부로 저류조, 펌프가 있으며 실험수로는 유량조절조, 모형수로, 하류 집수정으로 구성되었다.
유입유사로 인한 기존 보 상류에서의 퇴적이 발생하는 문제점을 해결하기 위해 연직수문의 수문 개방에 따른 배출특성인 수문 상류에서의 퇴적토의 두부침식과 수문하류로의 배출토의 이동거리와 이동량에 대한 수리 모형실험을 수행하였다. 차원해석을 실시하여 배출 특성을 지배하는 무차원 매개변수를 도출하고, Froude 수의 변화에 따른 퇴적토 배출특성을 분석하였다.
유입유사로 인한 기존 보 상류에서의 퇴적이 발생하는 문제점을 해결하기 위해 연직수문의 수문 개방에 따른 배출특성인 수문 상류에서의 퇴적토의 두부침식과 수문하류로의 배출토의 이동거리와 이동량에 대한 수리 모형실험을 수행하였다. 차원해석을 실시하여 배출 특성을 지배하는 무차원 매개변수를 도출하고, Froude 수의 변화에 따른 퇴적토 배출특성을 분석하였다. 배출 특성에 영향을 미치는 매개변수와 두부침식거리, 퇴적토 이동거리와 이동량의 관계식을 제시하였다.
퇴적토 이동에 영향을 미치는 주요 인자로 상류수심(y1, m), 수축부 수심 (yc, m), 상하류 수심차 (y1-yc, m), 하류단 수심 (y3, m), 개방도 (d, m), 퇴적토 높이 (hd, m), 퇴적토 중앙입경 (d50, m), 유량 (Q, m3/s), 유속 (V, m/s), 유체의 밀도 (ρ, kg/m3)를 변수로 선정하여 차원해석의 함수로 나타내면 다음과 같다.
회귀식이 도출된 후에는 회귀모델의 유의성을 검정하기 위해 다중공선성 (multi-co-linearity)을 분산팽창인자 (variance inflation factor, VIF)를 사용하여 확인하였다. 변수들 간의 다중공선성이 존재하는 경우, 다른 독립변수들의 결합으로 영향을 받는 독립변수가 회귀모형 내에서 독자적인 정보를 제공하지 못하게 되므로 R²의 값은 큰 반면에 대부분의 회귀계수들이 유의하지 않은 경우가 발생하게 된다.

대상 데이터

3의 측정지점으로 포인트 게이지를 사용하여 수로 중심선에서 측정을 실시하였다. 수심측정을 위해 사용된 포인트 게이지의 측정범위는 0 - 410 mm로 측정단위는 1.0 mm이다.
연직수문은 4 mm의 steel 재질로 제작하였으며, 하단부는 예연위어 형식으로 처리하여 위어 월류에 따른 흐름 저항을 감소시켰다. 실험장치는 수로와 유량공급부로 저류조, 펌프가 있으며 실험수로는 유량조절조, 모형수로, 하류 집수정으로 구성되었다. 모형수로는 폭 0.
연직수문을 통과하는 퇴적토 배출 특성을 확인하기 위해 여러 가지 유량조건에 따른 연직 수문상류의 퇴적토 높이와 수문의 개방도 조건에 대해 실험을 수행하였다. 유량은 0.013 m³/s, 0.014 m³/s, 0.016 m³/s, 퇴적토 높이는 0.030 m, 0.040 m, 0.050 m, 수문의 개방도는 0.030 m, 0.040 m, 0.050 m의 각각 3가지 조건에 대해 실험을 수행하였고 퇴적토 입경은 4 mm의 자갈이다(Table 1).
하단 배출형 연직수문의 퇴적토 배출특성 분석을 위한 실험은 Fig. 1에서와 같이 개도높이 (openness height)의 조절이 가능한 연직수문을 대상으로 실시하였다. 연직수문은 4 mm의 steel 재질로 제작하였으며, 하단부는 예연위어 형식으로 처리하여 위어 월류에 따른 흐름 저항을 감소시켰다.

데이터처리

무차원 분석을 통해 산정된 Eq. 4 - 6의 독립변수와 종속변수에 대수를 취하여 선형형태의 관계식으로 변환하여 각각의 배출특성에 대해 회귀분석을 수행하였다.
도출된 인자들로 구성된 무차원 변수를 산정하기 위해 Buckingham의 π정리에 의하여 차원해석을 실시하였다.
또한 예측모델의 정밀도를 보다 객관적으로 평가하기 위해 실제 측정값과 예측한 값의 차이를 다룰 때 흔히 사용되는 RMSE (root mean square error)와 MAPE(mean absolute percentage error)를 도출하였다. RMSE는 두부침식거리 0.
배출 특성에 영향을 미치는 매개변수와 두부침식거리, 퇴적토 이동거리와 이동량의 관계식을 제시하였다. 아울러 실측값과 회귀식에 의한 예측값에 대한 95% 예측신뢰구간과 통계적 특성의 분석을 통해서 제시한 회귀식의 사용성을 검토하였다. 그에 따른 결론은 다음과 같다.
제시한 회귀식에 의한 예측값과 실제 측정값을 비교하였다. Fig.
실험에서는 퇴적토를 포설하여 퇴적토의 높이, 유량과 수문 개방도에 따른 퇴적토의 침식과 수문 하류부로 이동하는 퇴적토사의 량과 배출거리에 대해 수리실험을 수행하였다. 퇴적토 배출특성을 지배하는 무차원 매개변수를 도출하기 위해 차원해석을 하였다. 실험을 통해 퇴적토 배출특성과 Froude 수의 관계를 분석하였고, 두부침식거리, 퇴적토 이동거리, 퇴적토 이동량의 관계식을 제시하였다.
실험을 통해 퇴적토 배출특성과 Froude 수의 관계를 분석하였고, 두부침식거리, 퇴적토 이동거리, 퇴적토 이동량의 관계식을 제시하였다. 회귀식의 사용성을 검토하기 위해 실측값 간의 예측구간의 정확도의 분석과 개발한 식의 적용성의 판단을 위한 통계특성을 분석하였다.

이론/모형

회귀분석에서 독립변수의 선정은 후진 제거방법을 이용하였다. 후진 제거방법은 모든 독립변수를 포함하는 회귀모형을 만든 후 기여도가 가장 적은 변수부터 차례로 제거시켜 나가는 방법이다.

성능/효과

1) 두부침식 거리비는 Froude 수가 증가함에 따라 감소하는 양상을 보였다. 일반적으로 Froude 수가 증가함에 따라 두부침식의 양상이 활발함이 보편적이나, 연직수문의 경우 개방도가 작을수록 Froude 수는 커지나, 작은 개방구간에 의한 작은 배출량으로 연직수문 상류의 소류력이 크지 않아 퇴적토 이동량이 상대적으로 작게 나타나는 것을 확인하였다.
2) 퇴적토 이동거리비는 Froude 수가 증가함에 따라 증가하는 양상을 보였으나, Froude 수 3.0을 기점으로 퇴적토 이동거리비가 감소하는 향상을 보였다. 이는 Froude 수가 3.
3) 퇴적토 이동량비는 Froude 수가 증가함에 따라 감소하는 양상을 보였다. 개방도가 작아짐에 따라 Froude 수는 증가하고 있으나, 퇴적토 이동량비가 감소하는 것으로 보아 연직수문 상류의 소류력은 감소하는 것으로 판단된다.
4) 두부침식거리 회귀식은 수문 상하류 수심차의 비와 퇴적토 높이비의 함수로 나타났으며, 수문 상하류 수심차가 클수록 두부침식거리는 줄어들게 되고, 퇴적토 높이비가 클수록 증가하는 것으로 나타났다. 두부침식거리 회귀식의 결정계수는 0.
5) 퇴적토 이동거비 회귀식은 수문 개방도 높이비의 함수로 나타나며, 퇴적토 이동거리는 개방도 높이 비가 클수록 감소하는 것으로 나타났다. 퇴적토 이동거리 회귀식의 결정계수는 0.
6) 퇴적토 이동량 회귀식은 수문 상하류 수심차의 비와 퇴적토 높이비의 함수로 나타나며, 수문 상하류 수심차가 클수록 줄어들게 되고 퇴적토 높이비가 클수록 증가하는 것으로 나타난다. 퇴적토 이동량 회귀식의 결정계수는 0.
7) 도출된 회귀모형에 따른 예측값과 실제 측정값을 비교한 결과 예측값은 95% 예측구간에 약 92%에서 100%가 포함되어 개발한 회귀식의 사용성을 확인하였다.
8) 두부침식거리, 퇴적토 이동거리와 이동량에 대한 제시한 회귀식의 유의성을 검정 결과, 유의확률이 모두 0.000으로 유의수준 0.05보다 작게 나타났고, 사용된 매개변수의 적정성을 검토하기 위하여 다중공선성을 분석한 결과 다중공선성은 없는 것으로 분석되었다.
14에 의해서 계산된다 (Nash and Sutcliffe, 1970). NSE값은 두부침식거리 0.735, 퇴적토 이동거리 0.854, 퇴적토 이동량 0.938로 모의 값이 적절함을 확인할 수 있다.
또한 예측모델의 정밀도를 보다 객관적으로 평가하기 위해 실제 측정값과 예측한 값의 차이를 다룰 때 흔히 사용되는 RMSE (root mean square error)와 MAPE(mean absolute percentage error)를 도출하였다. RMSE는 두부침식거리 0.013 m, 퇴적토 이동거리 0.505 m, 퇴적토 이동량 0.174 kg이며 MAPE는 두부침식거리 9.776%, 퇴적토 이동거리 16.161%, 퇴적토 이동량 14.609%로 각각 나타났다 (Table 2).
8과 같다. 그리고 각 독립변수의 계수에 대한 의미를 검토해 보면 수문 상하류 수심차가 클수록 두부침식거리는 줄어들게 되고, 퇴적토 높이비가 클수록 두부침식 거리가 증가하는 것으로 나타난다.
9와 같다. 독립변수의 의미를 검토해 보면 퇴적토 이동거리는 개방도 높이비가 클수록 감소하는 것으로 나타났다. Fig.
8의 실선구간은 측정값에 따른 95% 예측 신뢰구간이다. 두부침식거리 회귀식에 의한 예측값은 95% 예측 신뢰구간에는 약 92%가 포함되었다. 퇴적토 이동거리와 퇴적토 이동량 회귀식에 의한 예측값은 각각 95% 예측 신뢰구간에 100%가 포함되었다.
4) 두부침식거리 회귀식은 수문 상하류 수심차의 비와 퇴적토 높이비의 함수로 나타났으며, 수문 상하류 수심차가 클수록 두부침식거리는 줄어들게 되고, 퇴적토 높이비가 클수록 증가하는 것으로 나타났다. 두부침식거리 회귀식의 결정계수는 0.618, NSE는 0.735, RMSE는 0.013 m, MAPE는 9.776%로 나타났다.
15에 의해 계산되었으며, VIF값은 Table 4에 나타내었다. 두부침식거리, 퇴적토 이동거리와 이동량에 대한 도출된 회귀식의 VIF값은 모두 10 미만으로 다중공선성은 없는 것으로 판단된다.
1) 두부침식 거리비는 Froude 수가 증가함에 따라 감소하는 양상을 보였다. 일반적으로 Froude 수가 증가함에 따라 두부침식의 양상이 활발함이 보편적이나, 연직수문의 경우 개방도가 작을수록 Froude 수는 커지나, 작은 개방구간에 의한 작은 배출량으로 연직수문 상류의 소류력이 크지 않아 퇴적토 이동량이 상대적으로 작게 나타나는 것을 확인하였다.
5) 퇴적토 이동거비 회귀식은 수문 개방도 높이비의 함수로 나타나며, 퇴적토 이동거리는 개방도 높이 비가 클수록 감소하는 것으로 나타났다. 퇴적토 이동거리 회귀식의 결정계수는 0.632, NSE는 0.854, RMSE는 0.505 m, MAPE는 16.161%로 나타났다.
51로 나타났다. 퇴적토 이동거리비는 Froude 수가 증가함에 따라 함께 증가하는 양상을 보였으나, Froude 수 3.0을 기점으로 감소하는 양상을 보인다. 이는 Fig.
두부침식거리 회귀식에 의한 예측값은 95% 예측 신뢰구간에는 약 92%가 포함되었다. 퇴적토 이동거리와 퇴적토 이동량 회귀식에 의한 예측값은 각각 95% 예측 신뢰구간에 100%가 포함되었다.
6) 퇴적토 이동량 회귀식은 수문 상하류 수심차의 비와 퇴적토 높이비의 함수로 나타나며, 수문 상하류 수심차가 클수록 줄어들게 되고 퇴적토 높이비가 클수록 증가하는 것으로 나타난다. 퇴적토 이동량 회귀식의 결정계수는 0.866, NSE는 0.938, RMSE는 0.174 kg, MAPE는 14.609%로 나타났다.
6은 Froude 수에 따른 퇴적토 이동량비 (Q_s/(y₃³ ρ))이다. 퇴적토 이동량비는 0.13에서 0.89로 나타났으며, Froude 수가 증가함에 따라 감소하는 양상을 보였다. 개방도가 작아짐에 따라서 Froude 수는 증가하고 있으나, 퇴적토 이동량비가 감소하는 것으로 보았을 때 연직수문 상류의 소류력은 감소하는 것으로 판단된다.
10과 같다. 퇴적토 이동량은 수문 상하류 수심차가 클수록 줄어들게 되고, 퇴적토 높이비가 클수록 증가하는 것으로 나타난다. 즉, 퇴적토 이동량은 수문 상하류 수심차가 작고 퇴적토 높이가 클수록 증가하게 되므로 Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	보의 설치 목적은?	보는 하천 횡단구조물로 수위를 조절하거나 유량, 각종 용수 확보 등을 목적으로 설치한다. 그러나 하천에 설치되는 보는 대부분 고정보 또는 가동보는 흐름의 정체를 유발하여 유사를 퇴적시키며, 이로 인해 홍수위 상승, 저류량 감소 등 많은 문제를 가져온다.
	하천에 설치되는 보의 문제점은?	보는 하천 횡단구조물로 수위를 조절하거나 유량, 각종 용수 확보 등을 목적으로 설치한다. 그러나 하천에 설치되는 보는 대부분 고정보 또는 가동보는 흐름의 정체를 유발하여 유사를 퇴적시키며, 이로 인해 홍수위 상승, 저류량 감소 등 많은 문제를 가져온다. 특히 중, 소하천은 준설장비의 진입 및 경제성 등의 이유로 준설이 원활하게 이루어지지 않고 있는 실정이다.
	하단 배출형 연직수문의 퇴적토 배출특성 분석을 위한 실험에서 위어 월류에 따른 흐름 저항을 감소시키기 위해 시행한 것은?	1에서와 같이 개도높이 (openness height)의 조절이 가능한 연직수문을 대상으로 실시하였다. 연직수문은 4 mm의 steel 재질로 제작하였으며, 하단부는 예연위어 형식으로 처리하여 위어 월류에 따른 흐름 저항을 감소시켰다. 실험장치는 수로와 유량공급부로 저류조, 펌프가 있으며 실험수로는 유량조절조, 모형수로, 하류 집수정으로 구성되었다.

참고문헌 (14)

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상세보기
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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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