[논문]수제 설치에 의한 하도 안정성 평가

김기정; 장창래; 이경수

doi:10.17820/eri.2019.6.4.314

수제 설치에 의한 하도 안정성 평가
Assessment of Channel Stability with Groynes 원문보기

Ecology and resilient infrastructure, v.6 no.4, 2019년, pp.314 - 327

김기정 (한국교통대학교 공과대학 토목공학전공) , 장창래 (한국교통대학교 공과대학 토목공학전공) , 이경수 (행정안전부 국립재난안전연구원)

초록
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본 연구에서는 본 연구에서는 2차원 수치모형을 적용하여 수제설치에 의한 흐름특성을 분석하고, 하도의 안정성을 평가할 수 있는 평가방법을 개발하였다. 2차원 수치모형의 결과는 관측자료와 1차원 모형의 결과와 비교하여, 그 적용성을 검토하였다. 평가 지표는 대상구간의 수리 및 지형학적 특성을 고려하여 하폭 대 수심의 비, 사행도, 하상경사, 하안 부근에서 유속, Shields number 등 5가지 항목으로 구성하였다. 낙동강의 달성보~강정고령보 구간의 수제 설치 전·후에 대해 평가지표를 적용하여 하도 안정성을 평가하였다. 평가 항목 중에서 하폭 대 수심의 비, 사행도, 하상경사는 하도의 안정성에 영향을 크게 주지 않는 것으로 평가되었다. 양안 부근에서 유속과 유사의 이동 특성을 결정하는 무차원 소류력인 Shields Number는 수제에 의하여 영향을 받으며, 수제의 수가 증가할수록 평가 값은 감소하고, 하안의 안정성은 증가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigates channel stabilities with groynes by developing the assessment of it and applying a 2-dimensional numerical model, which simulates flow and sediment transport with various flows in the channel. Evaluation inventories are composed of five items, which are width to depth ratio, sinuosity, bed slopes, velocities in the flow flied, Shields number with discharges and geomorphic characteristics in the study reach. The channel stability is evaluated by applying the evaluation indicators to the channel with and without groynes in the study reach between Dalseong-weir and Gangjeonggoryeong-weir in the Nakdong river. Width to depth ratio, sinuosity, and bed slopes, which are index of river characteristics, little affect the channel stability. However, velocities in the flow flied, and Shields number, which is dimensionless tractive, near the banks of the channel strongly affect the stability. The evaluation values of the stability in the channel on the left and right banks decrease as the number of groynes increase in both the left and right banks, which means that the bank stability increases with the groynes.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1. Location map of study reach.
그림 Fig. 2. Satellite imagery of study reach.
그림 Fig. 3. Computational grids for simulation.
표 Table 1. Numerical simulation conditions
그림 Fig. 4. Observed and simulated results for water surface elevation with time.
그림 Fig. 5. Longitudinal water surface profiles of one and two dimensional numerical results.
표 Table 2. NSEC and RMSE for numerical results
그림 Fig. 6. Flow velocity for low and high flow at steady reach.
그림 Fig. 7. Water surface elevation for low and high flow at each cross section.
그림 Fig. 8. Flow velocity for low and high flow at each cross section.
표 Table 3. Variables and Grades for evaluation of the channel stability
표 Table 4. Grades for Channel stability with scores and channel states
표 Table 5. Numerical conditions for channel stabilities with groynes
그림 Fig. 9. Computational grids around groynes.
그림 Fig. 10. Grades of channel stability for Run-1-8.
그림 Fig. 11. Flow velocity for runs-1-8 and 4-8.
그림 Fig. 12. Flow velocity at each cross section.
표 Table 6. Evaluation scores for each zone of study reach

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 연구들은 주로 수제 주변의 흐름구조와 수제 선단부에서 발생하는 국부세굴, 수제에 의한 사주의 거동과 저수로의 변화를 정량적으로 분석하였으나, 실제 현장에서 수제 설치에 의한 저수로의 안정성을 평가한 연구가 거의 없는 실정이다. 따라서 본연구에서는 실제 현장을 대상으로 수제에 의한 하도의 안정성을 수리학적 특성을 반영하여 정량적으로 평가할 수 있는 기법을 개발하고, 2차원 수치모의를 수행하여 그 적용성을 검토하였다.

가설 설정

경계조건으로 상류에는 유량과 유사량을 설정하였으며, 하류에는 등류수심을 설정하였다. 측벽에서는 측벽에 유속이 없는 것으로 가정하여 비활동 조건 (No slip)을 적용하였다.

제안 방법

2차원 수치모형의 부정류에 대한 적용성을 검토하기 위하여 사문진교 수위표에서 관측된 시간에 따른 홍수위 변화와 수치모의 결과를 비교하였다. 사문진교 수위표에서 홍수위는 2012년 9월 15일 00시부터 2012년 9월 20일 24시까지 관측결과이다.
10은 Run-1에 대한 평가 결과를 보여주고 있다. 각 항목별 평가 점수를 더하여 하도의 안정성을 평가하였다.
수치모의를 위한 계산 시간 간격은 수치적 안정성을 확보하기 위하여 1초로 설정하였다. 계산 격자 크기는 흐름방향 (Dx)으로 평균 65 m이며, 횡방향 (Dy)으로 평균 30 m로 적용하였다 (Fig. 3 and Table 1).
대상구간의 수심과 유속 분포를 정량적으로 파악하기 위하여 주요지점에서 횡방향 수심과 유속분포를 파악하였다 (Figs. 7 and 8). 하중도가 발달된 구간 횡단면인 No.
본 연구에서는 분석의 용이성을 위해 Likert 척도법을 이용하였다. 대상유역에 대해 설정한 항목별 평가기준을 이용하여 지수화 한 후, 대상 유역 구간에 대해 평가등급을 부여하였다. 각 항목에대한 상세한 평가 기준은 Table 3과 같다.
212로 나타났으며, 관측값과 모의값이 잘 일치하는 것으로 나타났다 (Table 2). 또한 2차원 모형의 적용성 검토를 위해 1차원 수치모형인 HEC-RAS와 흐름에 대한 모의결과를 비교하였다. NSEC는 0.
1) 저수로 안정성 평가지표를 개발하기 위한 평가 항목은 대상구간의 수리, 지형적 특성을 고려하여 하폭 대 수심의 비, 사행도, 하상경사, 하안 부근에서 유속, Shields number 등 5가지 항목으로 구성하였다. 또한 Likert 척도법을 이용하여 평가 항목을 5등급으로 구분하고, 등급별 평가값을 정량화하여 평가지표를 개발하였다.
하도 안정성 평가방법은 수치모의 결과에 대하여 Table 3에서 제시한 저수로 안정성 평가 기준을 적용 하여 하도 구간별 저수로 안정성 평가를 수행한다. 또한 현장 조사를 통해 확인된 결과를 비교･검토하고, 이를 반영하여 위험도 구간을 설정한다 (Table 4). 저수로 안정성 평가를 수행하여 도출한 결과, 위험도를 1 - 5 등급으로 구분하고 등급 (평가값)이 높을수록, 저수로 안정화 대책이 시급한 구간으로 지정하고 관리하며 경우에 따라 저수로 안정화를 위한 비구조적인 대책과 병행하도록 해야 한다.
본 연구에서는 2차원 수치모형을 적용하여 수제설치에 의한 흐름특성을 분석하고, 저수로의 안정성을 평가하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
하폭대 수심비의 평가 항목은 구간 내 사주의 발생조건에 따라 사주가 발생하지 않는 조건, 교호사주가 발생할 조건, 복렬사주가 발생할 조건으로 구분하였다. 사행도에 대한 평가 항목은 구간 내 하도가 사수역, 직선부, 만곡부를 포함하는지의 여부에 따라 점수의 위계를 구분하였다. 하도에서 사수역이 형성되는 구간은 유사의 퇴적이 발생한다.
364)까지의 구간을 적용대상으로 하여, 2 차원 수치모의를 수행하여 홍수빈도별 흐름특성 및 하도변화를 분석하였다. 수제에 대한 하도의 안정성을 평가하기 위하여 수제 설치 전‧후의 수리학적 영향을 분석하였다. 수치모의를 위한 수리학적 조건은 Table 5와 같다.
Table 6은 수치모의를 수행하여 결과에 대하여 Table 3에서 제시한 평가점수를 적용한 결과를 보여주고 있다. 저수로 안정성 평가는 주수로를 기준으로 좌안과 우안으로 나누어 평가를 하였다. 하폭 대 수심의 비, 사행도, 하상경사 항목에서의 평가값은 각각 4.
저수로 안정성 평가를 위한 평가항목은 하폭 대 수심의 비, 사행도, 하상경사, 하안 부근에서 유속, Shields number 등 5가지 항목으로 구성하였다 (Table 3). 평가항목으로 선정된 지표들을 표준화하기 위한 방법으로는 순위매기기, Z-score, re-scaling, Likert 척도법 등 여러 방법이 있으며, 이 중 순위매기기는 가장 단순한 방법이나 객관적으로 판단하기 힘든 방법이다 (Lee et al.
종방향 수위 변화인 부등류에 대한 수치모형의 적용성을 파악하기 위하여 2012년 9월 16일에 발생한 최소유량인 728 m³/s과 2012년 9월 18일에 발생한 최대유량인 6,848 m³/s를 적용하여 1차원 수치모형인 HEC-RAS 모형과 2차원 수치모형인 Nays2DH 모형과의 수치모의 결과를 비교하였으며 (Fig. 5), 모의 결과는 잘 일치하였다.
하도 안정성 평가지표를 실제 하천에 적용하기 위하여, 낙동강 본류인 달성보 (No.340)에서부터 강정 고령보 (No.364)까지의 구간을 적용대상으로 하여, 2 차원 수치모의를 수행하여 홍수빈도별 흐름특성 및 하도변화를 분석하였다. 수제에 대한 하도의 안정성을 평가하기 위하여 수제 설치 전‧후의 수리학적 영향을 분석하였다.
하도 내 사주의 형태는 하폭 대 수심비의 영향을 많이 받는다. 하폭대 수심비의 평가 항목은 구간 내 사주의 발생조건에 따라 사주가 발생하지 않는 조건, 교호사주가 발생할 조건, 복렬사주가 발생할 조건으로 구분하였다. 사행도에 대한 평가 항목은 구간 내 하도가 사수역, 직선부, 만곡부를 포함하는지의 여부에 따라 점수의 위계를 구분하였다.

대상 데이터

부정류 수치모의를 위한 유량자료는 낙동강 하류에 위치한 사문진교 수위관측소의 2012년 9월 15일부터 2012년 9월 20일까지 시간별 관측 자료를 적용하였다. 이때, 최대 유량은 6,848.
합류부 하류로는 우안을 내측으로하는 만곡부가 형성되어 있다. 수치모의를 위하여 지형자료는 하도단면은 2012년에 실측된 자료를 이용하였다. 대상 구간의 하상경사는 0.
연구 대상 유역은 대구광역시 달성군 다사읍 죽곡리에 위치한 강정고령보를 대상으로 하류 11.2 km 구간을 선정하였다 (Fig. 1). Fig.

데이터처리

수치모의 결과를 정량적으로 분석하기 위하여, NSEC (Nash-Sutcliffe Efficiency Coefficient)와 RMSE (Root Mean Square Error)를 비교하였다. NSEC는 수치모의 결과의 정확성을 검증하는데 주로 사용되는 값이다.

이론/모형

Nays2DH 모형에서는 난류에 대한 문제를 해결하기 위하여 zero 방정식을 적용하였다. 하상마찰속도와 수심 지배적 운동량 이송을 고려한 와동점성계수 v_t는 다음과 같다.
875 mm이며, 하상은 가는 자갈로 구성되어 있다. 대상구간 에서 Manning의 조도 계수 (n)는 낙동강 하천정비기본계획 (MLIT, 2013) 에서 제시한 0.023을 적용하였다.
본 모형에서 2차원 흐름 거동을 모의하기 위한 흐름의 지배방정식은 수심적분된 연속 방정식 및 운동량 방정식을 이용하였다. 직교좌표계에서 일반좌표계로 좌표 변환한 지배방정식은 다음과 같다.
그러나 하폭 대 수심의 비가 상대적으로 작으며, 교호사주가 발생하거나 사주가 발생하지 않는다. 본 연구에서는 Kuroki and Kish (1984)가 제안한 사주의 영역구분을 기준으로 토대로 하폭 대 수심의 비 값을 평가 지표로 설정하였다. 사행도는 하천의 사행을 나타내는 지표로써 하천의 최심선 길이와 직선거리의 비로서 표시된다 (Woo, 2011).
사용이 용이하고 일관성이 있어 신뢰도가 높고 단순하며, 정밀성이 높으며 타당도가 높은 장점이 있다 (Kim, 2001). 본 연구에서는 분석의 용이성을 위해 Likert 척도법을 이용하였다. 대상유역에 대해 설정한 항목별 평가기준을 이용하여 지수화 한 후, 대상 유역 구간에 대해 평가등급을 부여하였다.
수치해석 기법으로 엇갈린 격자 (staggerded grid) 상에서 이류항에는 CIP (Cubic Interpolated Pseudoparticle)법을 적용하였으며, 확산항에는 중앙차분법을 적용하였다. 경계조건으로 상류에는 유량과 유사량을 설정하였으며, 하류에는 등류수심을 설정하였다.
#와 #는 ε와 η방향에 대한 단위폭당 소류사량이며, J는 Jacobian이다. 유사량은 Ashida and Michiue (1972)의 공식으로 계산하였으며, 다음과 같다.

성능/효과

1) 저수로 안정성 평가지표를 개발하기 위한 평가 항목은 대상구간의 수리, 지형적 특성을 고려하여 하폭 대 수심의 비, 사행도, 하상경사, 하안 부근에서 유속, Shields number 등 5가지 항목으로 구성하였다. 또한 Likert 척도법을 이용하여 평가 항목을 5등급으로 구분하고, 등급별 평가값을 정량화하여 평가지표를 개발하였다.
2) 하폭 대 수심의 비, 사행도, 하상경사 항목에서의 평가값은 수제의 설치 개수에 따른 변화 없이 동일한 것으로 나타났다. 유속과 Shields Number 항목의 경우에는 수제의 설치 개수가 증가할수록 평가값이 감소하는 것으로 나타났다.
3) 좌안과 우안에 대한 하도 안정성 평가에 대한 종합값을 분석한 결과, 좌안과 수제가 설치된 우안 모두에서 수제의 설치 개수가 증가할수록 평가값이 감소하였다. 따라서, 동일한 유량 조건일 때 우안에서는 수제 설치 전ᐧ후에 대한 하도의 개선효과가 있는 것으로 나타났으며, 수제의 설치 개수가 증가할수록 하도의 안정성이 증가하는 것으로 나타났다.
관측 값과 2차원 수치모의 결과를 비교 분석한 결과, NSEC는 0.997, RMSE는 0.212로 나타났으며, 관측값과 모의값이 잘 일치하는 것으로 나타났다 (Table 2). 또한 2차원 모형의 적용성 검토를 위해 1차원 수치모형인 HEC-RAS와 흐름에 대한 모의결과를 비교하였다.
105로 분석되었다. 따라서, 1차원 수치모형의 모의결과와 2차원 수치모형의 모의결과가 잘 일치하는 것으로 나타났다 (Fig. 5).
3) 좌안과 우안에 대한 하도 안정성 평가에 대한 종합값을 분석한 결과, 좌안과 수제가 설치된 우안 모두에서 수제의 설치 개수가 증가할수록 평가값이 감소하였다. 따라서, 동일한 유량 조건일 때 우안에서는 수제 설치 전ᐧ후에 대한 하도의 개선효과가 있는 것으로 나타났으며, 수제의 설치 개수가 증가할수록 하도의 안정성이 증가하는 것으로 나타났다.
359 로 감소하는 것으로 나타났다. 따라서, 수제의 수가 증가할수록 하도의 안정성이 증가하는 것으로 나타났다.
11). 또한, 수제설치 구간에서는 통수단면이 감소하면서 평균유속과 단위 폭당 유량을 증가하였다. 그러나 홍수 시에 유속은 Run-4-8 일 때 1.
평균제곱근 오차를 나타내는 RMSE는 측정값과 모의값의 오차를 정량화하여 나타내는 지표로 0에 가까울수록 측정값과 유사하다는 것을 의미한다. 모델이 예측한 값과 실제 환경에서 관찰되는 값의 차이를 다룰 때 사용되는 척도이며, 정밀도를 표현하는데 적합하다. RMSE를 나타내는 산정식은 Eq.
335로 감소하였다. 수제가 설치되지 않은 좌안에서는 우안에 설치된 수제의 개수가 증가할수록 평가값은 3.387에서 3.359 로 감소하는 것으로 나타났다. 따라서, 수제의 수가 증가할수록 하도의 안정성이 증가하는 것으로 나타났다.
2) 하폭 대 수심의 비, 사행도, 하상경사 항목에서의 평가값은 수제의 설치 개수에 따른 변화 없이 동일한 것으로 나타났다. 유속과 Shields Number 항목의 경우에는 수제의 설치 개수가 증가할수록 평가값이 감소하는 것으로 나타났다.
(2009)은 수제 선단부가 경사를 이루는 경사 수제를 대상으로 수제주변의 유속을 LSPIV (Large Scale Particle Image Velocimetry)기법을 이용하여 측정하였다. 특히, 수제 주변의 주흐름영역과 재순환영역의 흐름 특성을 분석하고, 경사 수제의 재순환영역에서 재순환 유속이 감소하는 것을 파악하였다. Lee and Jang (2016)은 2차원 수치모형을 이용하여 수제군이 설치되었을 때, 수제의 설치간격과 길이변화에 따라 흐름특성과 하도의 변화 과정을 분석하였다.

후속연구

본 연구에서 개발한 하도 안정성 평가지표는 하도에서 치수적으로 불안정한 구간을 판별하여 수제설치로 인한 치수대책의 검토 및 수립을 지원할 수 있을 것이다. 본 연구에서는 5가지 항목에 대해서만 하도의 안정성 평가를 수행하였지만, 향후 연구를 통해 다양한 평가항목을 추가하며, 더욱 정밀한 평가기준을 개발해야 할 것이다.
본 연구에서 개발한 하도 안정성 평가지표는 하도에서 치수적으로 불안정한 구간을 판별하여 수제설치로 인한 치수대책의 검토 및 수립을 지원할 수 있을 것이다. 본 연구에서는 5가지 항목에 대해서만 하도의 안정성 평가를 수행하였지만, 향후 연구를 통해 다양한 평가항목을 추가하며, 더욱 정밀한 평가기준을 개발해야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수제 주변에서 통수단면의 감소로 인하여 평균유속과 단위폭 당 유량이 증가하며, 수제 주변에서 발생하는 강한 와류의 영향은 무엇인가?	또한 수제는 주운을 위한 주수로 수심확보, 하도 안정성 확보, 생태환경 개선 등 하천의 이수, 치수, 생태환경적인 측면에서 다양하게 활용되고 있다. 그러나 수제 주변에서 통수단면의 감소로 인하여 평균유속과 단위폭 당 유량이 증가하며, 수제 주변에서 발생하는 강한 와류에 의하여 수제 주변에 국부적인 세굴이 발생한다 (Yeo 2006). 이로 인하여, 하도 전체적으로 하상 및 지형변화를 일으키거나 국소세굴로 인한 구조물 자체의 안정성이 저하되기도 한다.
	수제 주변에서 통수단면의 감소로 인하여 평균유속과 단위폭 당 유량이 증가하며, 수제 주변에서 발생하는 강한 와류에 의하여 수제 주변에 국부적인 세굴이 발생에 따른 영향은 무엇인가?	그러나 수제 주변에서 통수단면의 감소로 인하여 평균유속과 단위폭 당 유량이 증가하며, 수제 주변에서 발생하는 강한 와류에 의하여 수제 주변에 국부적인 세굴이 발생한다 (Yeo 2006). 이로 인하여, 하도 전체적으로 하상 및 지형변화를 일으키거나 국소세굴로 인한 구조물 자체의 안정성이 저하되기도 한다. 이와 같이 하도에서 수제를 계획하거나 설계 및 시공 단계에서 다양한 수리학적 특성과 하천의 지형학적 조건을 충분히 고려하여야 하지만.
	하천에서 흐름의 방향을 제어하고 하천제방 및 하안침식을 방지하기 위하여 설치하는 수공구조물은	수제는 하천에서 흐름의 방향을 제어하고 하천제방 및 하안침식을 방지하기 위하여 설치하는 수공구조물이다. 또한 수제는 주운을 위한 주수로 수심확보, 하도 안정성 확보, 생태환경 개선 등 하천의 이수, 치수, 생태환경적인 측면에서 다양하게 활용되고 있다.

참고문헌 (16)

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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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