[논문]급경사지 붕괴 모의실험을 위한 인공강우장치의 강우분포특성

정향선; 강효섭; 석재욱; 김호종

doi:10.5762/kais.2019.20.12.828

급경사지 붕괴 모의실험을 위한 인공강우장치의 강우분포특성
Rainfall Distribution Characteristics of Artificial Rainfall System for Steep-Slope Collapse Model Experiment 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.12, 2019년, pp.828 - 835

정향선 (국립재난안전연구원 방재연구실) , 강효섭 (국립재난안전연구원 방재연구실) , 석재욱 (국립재난안전연구원 방재연구실) , 김호종 (국립재난안전연구원 방재연구실)

초록
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인공강우장치는 실내실험 기반의 모형실험 데이터를 생성하는 연구도구로 널리 이용되고 있다. 다양한 연구에 인공강우장치가 이용되고 있음에도 불구하고 대부분의 연구에서 강우분포의 균질성에 대한 논의는 등한시되고 있다. 다양한 강우특성이 반영된 급경사지 붕괴 모의실험을 위해서는 저강도에서 고강도까지 강우를 모사할 수 있는 강우장치가 필수적이며 실험의 신뢰성을 확보하기 위해서라도 강우분포의 균질성은 확보되어야 한다. 본 연구에서는 급경사지 붕괴모의실험의 주요설비인 인공강우장치의 최대 강우강도 130mm/hr 내에서 10mm/hr 단위 제어를 목표로 하며, 균등계수 80% 이상 확보하고자 하였다. 이를 위해 노즐타입, 크기, 위치 및 펌프압력에 따른 다양한 조건하에서 강우실험을 수행하였다. 실험결과 노즐형태는 원형노즐, 크기는 1.9mm와 1.4mm가 적합한 것으로 분석되었고 적정 펌프압력은 3~6kg/㎠으로 분석되었다. 다양한 강우강도를 재현하기 위해 노즐수는 2, 3, 5개, 펌프압력은 3, 4, 5, 6kg/cm2로 조건을 달리하여 실험을 수행하였다. 펌프압력이 증가함에 따라 강우강도는 선형적으로 증가하는 경향을 보였다. 실험결과를 바탕으로 펌프압력, 노즐형태 및 노즐수를 변수로 하는 강우제어 매뉴얼을 작성하였다. 또한 검증실험을 수행하여 목표 강우강도 대비 오차범위 ±3.1%, 균등계수는 평균 86.8%로 균질한 강우분포를 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

An artificial rainfall system is used widely as a research tool for generating model experiment data. Artificial rainfall devices have been used in many studies, but studies of the rainfall distribution are not considered as important issues. To simulate various rainfall characteristics, it should be possible to simulate from low to high intensity, and the homogeneity of the rainfall distribution should be ensured. In this study, the maximum rainfall intensity was set to 130mm/hr and controlled by 10mm/hr. In addition, the aim was to secure a uniform coefficient value of 80% or more. To this end, rainfall tests were performed according to the nozzle type, diameter, position, and pump pressure. The rainfall test showed that the circular nozzle was suitable, and the nozzle size was 1.9mm and 1.4mm. The optimal pump pressure was found to be 3~6kg/㎠. The rainfall intensity tended to increase linearly with increasing pump pressure. Based on the rainfall test results, a rainfall control manual was produced with variables, such as pump pressure, nozzle type, and number of nozzles. As a result of rainfall verification, rainfall intensity showed a 3.1% error with a uniformity coefficient of 86%.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Probability rainfall intensity of key measurement point(return period 100years, Duration 60 minutes)
그림 Fig. 3. Diagram of artificial rainfall device
그림 Fig. 2. Model test equipment for steep slope collapse simulation
그림 Fig. 4. Measurement of rainfall
그림 Fig. 5. Rainfall nozzle
표 Table. 1. Test condition for rainfall nozzle selection
그림 Fig. 6. Relationship between rainfall intensity and coefficient of uniformity
그림 Fig. 7. Nozzle Arrangement of artificial rainfall system
그림 Fig. 8. Change characteristic of rainfall intensity and uniformity coefficient according to pump pressure
그림 Fig. 9. Rainfall test results according to nozzle number and pump pressure
그림 Fig. 10. Verification results for rainfall experiment
표 Table. 2. Rainfall control manual

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 급경사지 붕괴 모의실험을 위한 주요 설비인 인공강우재현 장치의 강우강도 제어와 강우분포의 균질성 확보를 통해 최적의 인공강우재현을 목표로 한다. 이를 통해 강우제어 매뉴얼을 구축하고자 하였다.
이를 통해 강우제어 매뉴얼을 구축하고자 하였다. 본 연구에서는 노즐타입, 크기, 위치 및 펌프압력에 따른 강우검증 실험을 수행하였다.
6mm/hr로 최저값을 나타내었다. 본 연구에서는 분석된 자료를 바탕으로 인공강우장치의 최대 강우강도를 130mm/hr까지 구현할 수 있도록 설정하고자 하였다.
본 연구에서는 인공강우장치의 강우강도를 130mm/hr이하, 10mm/hr단위 제어를 목표로 하며, 균등계수 80% 이상을 확보하고자 하였다. 이를 위해 사전 강우실험을 통해 도출된 결과를 기반으로 노즐수, 노즐위치, 펌프압력에 따른 강우실험을 수행하였다.
급경사지 붕괴모의실험을 위한 주요설비인 인공강우재현 장치의 강우강도 제어와 강우분포의 균질성 확보를 위해 노즐형태, 크기, 위치 및 펌프압력에 따른 강우실험을 수행하였다. 이를 통해 강우제어 매뉴얼을 구축하고 급경사지 붕괴모의실험에 활용하고자 하였다.
본 연구는 급경사지 붕괴 모의실험을 위한 주요 설비인 인공강우재현 장치의 강우강도 제어와 강우분포의 균질성 확보를 통해 최적의 인공강우재현을 목표로 한다. 이를 통해 강우제어 매뉴얼을 구축하고자 하였다. 본 연구에서는 노즐타입, 크기, 위치 및 펌프압력에 따른 강우검증 실험을 수행하였다.
모형실험의 인공강우장치 최대강우강도 설정을 위해 전국 주요지점의 확률강우강도를 분석하였다. 재현기간 100년 지속시간 60분에 포함할 수 있도록 최대강우강도를 설정하고자 하였다. 확률강우강도는 확률강우량에 시간개념이 고려된 것으로 확률강우량은 과거 관측 강우량을 수집하여 지속시간별 연 최대강우량을 통계적 기법으로 산정된다.

제안 방법

본 연구에서는 1차적으로 적정한 노즐형태와 노즐크기를 선정하기 위해 Table 1과 같이 총 4개 조건에 대해 사전 강우시험을 수행하였다. 강우강도와 균등계수를 기반으로 적정한 노즐을 선정 후 최종적으로 노즐의 개수, 위치, 펌프압력에 따른 강우시험을 수행하여 최대강우강도 130mm/hr 범위 내에서 10mm/hr 단위의 강우강도 재현과 균등계수 80%를 만족하는 강우제어 매뉴얼을 작성하고자 하였다.
목표 강우강도와 검증실험을 통해 얻어진 강우강도를 비교함과 동시에 균등계수도 함께 도시화하였다. 강우검증은 목표 강우강도를 설정하고, 설정된 강우강도에 해당되는 펌프압력을 강우제어 매뉴얼을 통해 도출하여 강우실험이 이루어졌다. 목표 강우강도 20~130mm/hr 범위 내 총 8개 조건에 대한 강우검증실험을 수행하였다.
간이 강우량계의 입구 크기는 직경 100m이다. 강우분사 시간이 강우량계에 담긴 물의 양을 측정하여 강우강도를 계산하였다. 강우실험 시 분사지속시간은 10분으로 하였다.
강우분포의 균질성을 확보하기 위해 기존 문헌분석을 통해 목표 균등계수 값을 설정하였다. 일반적으로 균등계수의 값이 80% 이상이면 강우분포가 일정하다고 할 수 있다[11,12].
강우시뮬레이터에 사용될 노즐을 선정하기 위해 강우노즐 형태와 크기에 따라 사각노즐 2.2mm와 1.6mm, 원형노즐 1.9mm와 1.4mm에 대해 강우분포실험을 수행하였다. Fig.
급경사지 붕괴모의실험을 위한 주요설비인 인공강우재현 장치의 강우강도 제어와 강우분포의 균질성 확보를 위해 노즐형태, 크기, 위치 및 펌프압력에 따른 강우실험을 수행하였다. 이를 통해 강우제어 매뉴얼을 구축하고 급경사지 붕괴모의실험에 활용하고자 하였다.
9mm인 노즐을 배치하였다. 노즐 위치는 2, 3, 5번 노즐을 500mm간격을 두고 배치하였고, 반복실험을 통해 목표 강우강도와 균등계수 값이 잘 반영되는 위치에 1번과 4번 노즐을 배치하였다.
다양한 강우강도를 재현하기 위해 노즐수는 2, 3, 5개, 펌프압력은 3, 4, 5, 6kg/cm²로 조건을 달리하여 실험을 수행하여 강우제어 매뉴얼 작성에 이용하였다. 펌프압력이 증가함에 따라 강우강도는 선형적으로 증가하는 경향을 보였고 균등계수 80% 이상으로 균질한 강우분포를 나타내었다.
이를 위해 사전 강우실험을 통해 도출된 결과를 기반으로 노즐수, 노즐위치, 펌프압력에 따른 강우실험을 수행하였다. 다양한 강우강도를 재현하기 위해 노즐수는 2, 3, 5개로 단계적으로 적용하였고, 펌프압력은 3, 4, 5, 6kg/cm²로 조건을 달리하여 실험을 수행하였다. 펌프압력과 노즐수에 따른 강우강도 분석결과를 Fig.
인공강우장치 최대강우강도는 전국 주요지점의 지속시간 60분, 재현기간 100년의 확률강우강도 분석 자료를 기반으로 최대강우강도 130mm/hr로 설정하였다. 또한 강우분포의 균질성을 확보하기 위해 선행 연구사례 분석을 통해 균등계수 값을 80%로 설정하였다.
5와 같다. 면단위 형태로 분사되는 원형노즐과 사각노즐을 이용하여 강우검증 실험을 수행하였다. Fig.
모형실험의 인공강우장치 최대강우강도 설정을 위해 전국 주요지점의 확률강우강도를 분석하였다. 재현기간 100년 지속시간 60분에 포함할 수 있도록 최대강우강도를 설정하고자 하였다.
강우검증은 목표 강우강도를 설정하고, 설정된 강우강도에 해당되는 펌프압력을 강우제어 매뉴얼을 통해 도출하여 강우실험이 이루어졌다. 목표 강우강도 20~130mm/hr 범위 내 총 8개 조건에 대한 강우검증실험을 수행하였다. 검증실험을 수행한 결과 목표 강우강도 대비 오차는 ±3.
5에서 보듯이 원형노즐의 강우분포는 원형형태를 나타내며, 사각노즐은 정사각형 형태의 강우분포를 나타낸다. 본 연구에서는 1차적으로 적정한 노즐형태와 노즐크기를 선정하기 위해 Table 1과 같이 총 4개 조건에 대해 사전 강우시험을 수행하였다. 강우강도와 균등계수를 기반으로 적정한 노즐을 선정 후 최종적으로 노즐의 개수, 위치, 펌프압력에 따른 강우시험을 수행하여 최대강우강도 130mm/hr 범위 내에서 10mm/hr 단위의 강우강도 재현과 균등계수 80%를 만족하는 강우제어 매뉴얼을 작성하고자 하였다.
Luk 등에 의하면 대형 강우발생장치에 있어서는 70% 이상만 되어도 강우 분포가 일정한 것으로 간주할 수 있다[13]. 본 연구에서는 선행연구 사례를 바탕으로 강우분포에 대한 균등계수를 80%로 설정하였다.
본 연구에서는 인공강우장치의 강우강도를 130mm/hr이하, 10mm/hr단위 제어를 목표로 하며, 균등계수 80% 이상을 확보하고자 하였다. 이를 위해 사전 강우실험을 통해 도출된 결과를 기반으로 노즐수, 노즐위치, 펌프압력에 따른 강우실험을 수행하였다. 다양한 강우강도를 재현하기 위해 노즐수는 2, 3, 5개로 단계적으로 적용하였고, 펌프압력은 3, 4, 5, 6kg/cm²로 조건을 달리하여 실험을 수행하였다.
인공강우장치 최대강우강도는 전국 주요지점의 지속시간 60분, 재현기간 100년의 확률강우강도 분석 자료를 기반으로 최대강우강도 130mm/hr로 설정하였다. 또한 강우분포의 균질성을 확보하기 위해 선행 연구사례 분석을 통해 균등계수 값을 80%로 설정하였다.
펌프압력, 노즐형태 및 노즐수를 변수로 하는 강우제어 매뉴얼을 작성하였다. 강우강도는 20~130mm/hr의 범위로 10mm/hr단위로 설정할 수 있다.

이론/모형

노즐 분사 우량의 공간분포 분석을 위해 식 (1)과 같이 Christiansen 등이 제안한 균등계수(coefficient of uniformity)를 이용하였다[11,14,15].

성능/효과

강우강도와 강우분포 균질성 확보하기 위한 강우노즐 선정을 위해 노즐형태 및 크기에 따른 실험을 수행하였고 강우강도와 균등계수 분석을 통해 노즐형태는 원형노즐, 크기는 1.9mm와 1.4mm가 적합한 것으로 나타났다.
검증실험을 수행한 결과 목표 강우강도 대비 오차는 ±3.1%로 미소한 차이를 보이는 것으로 분석되었다.
6은 총 4개 노즐에 대해 실험을 수행한 결과로 강우강도와 균등계수와의 관계를 나타낸다. 결과에서 보듯이 펌프압력에 따라 경향은 다소 차이나지만 노즐크기가 클수록 강우강도가 크게 나타나고 있음을 알 수 있다. 또한 균등계수는 사각노즐 보다 원형노즐을 적용한 결과에서 다소 높게 나타났다.
1%로 미소한 차이를 보이는 것으로 분석되었다. 균등계수는 80% 이상으로 나타났으며, 평균 86.8%로 균질한 분포특성을 나타내었다.
노즐분사 형태와 크기 외에도 노즐위치와 분사압력에 따라 강우강도 및 균등계수는 달라질 수 있다. 그러나 본 연구의 급경사지 붕괴모의 실험장비 제원을 기반으로 130mm/hr 이하의 강우강도 재현과 균등계수 80% 이상을 구현하기 위해 강우노즐 형태는 원형노즐, 노즐크기는 1.9mm와 1.4mm가 적합한 것으로 나타났다.
8은 노즐 2개를 이용한 조건에서 펌프압력과 균등계수 및 강우강도와의 관계를 나타낸다. 노즐 2개로 강우실험을 수행한 결과 펌프압력이 상대적으로 낮은 2kg/cm²와 높은 7kg/cm²인 조건에서 균등계수는 각각 77.9%와 77.1%로 80% 이하로 나타났다. 이에 반해 펌프압력이 3, 4, 5kg/cm²인 조건에서는 균등계수가 평균 84% 이상으로 나타났다.
또한 노즐수가 늘어남에 따라 강우강도는 증가하는 것으로 나타났다. 노즐수가 2개에서 3개를 적용할 경우 강우강도는 평균 1.9배 증가 하였고, 3개에서 5개 적용할 경우 평균 1.5배 증가하는 것으로 나타났다. Fig.
결과에서 보듯이 펌프압력에 따라 경향은 다소 차이나지만 노즐크기가 클수록 강우강도가 크게 나타나고 있음을 알 수 있다. 또한 균등계수는 사각노즐 보다 원형노즐을 적용한 결과에서 다소 높게 나타났다. 사각노즐을 적용한 경우 100mm/hr 이상의 고 강우강도를 재현하고 있으나, 대부분의 조건에서 균등계수가 평균 64.
10에 나타내었다. 목표 강우강도와 검증실험을 통해 얻어진 강우강도를 비교함과 동시에 균등계수도 함께 도시화하였다. 강우검증은 목표 강우강도를 설정하고, 설정된 강우강도에 해당되는 펌프압력을 강우제어 매뉴얼을 통해 도출하여 강우실험이 이루어졌다.
9(b)는 펌프압력과 노즐수에 따른 균등계수 분석결과를 나타낸다. 실험을 수행한 조건 모두 균등계수 80% 이상으로 균질한 강우분포를 나타내고 있음을 알 수 있다.
작성된 강우제어 매뉴얼 기반 강우강도 검증실험을 수행한 결과 목표 강우강도 대비 오차는 ±3.1%, 균등계수는 평균 86.8%로 균질한 강우분포를 보였다.
9에 나타내었다. 펌프압력이 증가할수록 강우강도는 선형적으로 증가하는 것으로 나타났다. 선형회귀분석을 적용한 결과 결정계수(R2)는 0.
펌프압력이 증가할수록 강우강도는 증가하는 경향을 보인 반면 균등계수의 경우 최적 압력이 존재하는 것으로 나타났다. 펌프압력이 상대적으로 낮은 2kg/cm²과 높은 7kg/cm²인 조건의 경우 균등계수가 80% 이하로 나타났으나 압력이 3~5kg/cm²인 조건에서는 균등계수 가 평균 84% 이상으로 나타났다.
로 조건을 달리하여 실험을 수행하여 강우제어 매뉴얼 작성에 이용하였다. 펌프압력이 증가함에 따라 강우강도는 선형적으로 증가하는 경향을 보였고 균등계수 80% 이상으로 균질한 강우분포를 나타내었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	확률강우강도는 무엇인가?	재현기간 100년 지속시간 60분에 포함할 수 있도록 최대강우강도를 설정하고자 하였다. 확률강우강도는 확률강우량에 시간개념이 고려된 것으로 확률강우량은 과거 관측 강우량을 수집하여 지속시간별 연 최대강우량을 통계적 기법으로 산정된다. 재현기간은 연간 최대 일 강우량이 평균적으로 몇 년에 한번 일어날 것으로 기대되는 확률로 정의된다.
	강우실험에서 펌프 압력에 따라 어떤 결과를 보이는가?	펌프압력이 증가할수록 강우강도는 증가하는 경향을 보인 반면 균등계수의 경우 최적 압력이 존재하는 것으로 나타났다. 펌프압력이 상대적으로 낮은 2kg/cm2과 높은 7kg/cm2인 조건의 경우 균등계수가 80% 이하로 나타났으나 압력이 3~5kg/cm2인 조건에서는 균등계수 가 평균 84% 이상으로 나타났다. 본 실험조건에서는 적 정 펌프압력을 3~6kg/cm2으로 설정하였다.
	인공강우장치는 어디에 이용되는가?	기존 연구사례를 살펴보면 인공강우장치를 이용하여 실내실험 기반의 모형실험 데이터를 생성하는 연구 도구로 널리 이용되고 있다[5]. 사면의 침투특성, 지중 내 간극수압 변화, 토양침식 특성, 지표유출량 등에 대한 실험을 수행하는 연구에 인공강우장치가 이용되고 있다 [6-10]. 다양한 연구에 인공강우장치가 이용되고 있음에도 불구하고 대부분 강우분포의 균질성 등에 대한 논의는 크게 중요시 되지 않고 있다.

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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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