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문제 정의
- 본 연구에서는 수위-유량자료가 부족하거나 측정되지 않은 중소하천에서 조도계수의 산정시 여러가지 하천의 형태 및 구성요소 등을 종합적으로 고려하여 산정해야 하는 어려움에서 오는 불확실성과 조사자의 주관에 의해 결정되어지는 조도계수의 불확실성이 홍수량과 홍수위에 어떠한 영향을 주는지에 대하여 분석 하고자, 부등류 해석 프로그램인 HEC-RAS를 이용하여 조도계수의 불확실성을 고려한 각각의 경우에 따라 완류하천, 준급류하천, 급류하천에 대하여 비교.분석하여 보았다.
제안 방법
- 본 연구에서는 조도계수 산정시 산정방법별 편차 및 조도계수의 불확실성이 하천의 홍수위나 홍수량 산 정에 미치는 영향을 분석하기 위하여 1) 조도계수 산정방법별 편차, 2) 조도계수와 유량과의 관계, 3)조도계 수에 따른 수위변화, 4) 평균조도계수와 구간별 조도계수의 비교, 5) 하류구간 조도계수변화가 상류의 수위에 미치는 영향, 6) 하상경사에 따른 조도계수의 변화가 수위에 미치는 영향을 분석하였으며, 이때 각 하천별로 하천정비기본계획에서 80년 빈도의 홍수량과 기점수위를 이용하여 분석을 하였다.
- 조도계수는 일반적으로 하천의 경사, 경심, 식생, 하상입경 등 여러 요소들과 밀접한 관계가 있다. 그 중 본 연구에서는 하상경사와 조도계수를 동시에 변화시켰을 때 홍수위에 미치는 영향을 분석하고자 옥률천을 대상하천으로 선정하여 단면자료를 이용하고, 임의적으로 경사를 1/500~1/100의 범위에서 변화시키고, 동시에 조도계수를 0.030을 기준으로 ±20%변화시켜 홍수위에 어떤 영향을 주는지 비교.분석하였다.
- 따라서 본 논문에서는 일반적으로 수위-유량자료가 없거나 부족한 완류, 준급류, 급류하천으로 구분하여 중.소하천(지방 2급 규모)에 대해 조도계수 산정방법별 편차와 빈도홍수량을 이용하여 조도계수의 산정 결 과에 따라 유량과 홍수위가 어떻게 변하고, 어떤 영향을 받는지 미공병단에서 개발한 부등류 해석프로그램인 HEC-RAS프로그램을 이용하여 분석하고 비교해 보았다.
- 일반적으로 하천에서 홍수위 계산시 조도계수는 하상의 변화에 따라 구간별로 조도계수를 적용하는 경우와 평균조도계수를 산정하여 홍수위를 계산하는 경우가 있다. 따라서 본 연구에서는 3개의 하천에 대해 구간 별로 조도계수를 산정하여 계산한 홍수위와 평균조도계수를 산정하여 전 하도에 하나의 조도계수를 적용하여 계산한 홍수위를 비교하여 보았다. 그 결과는 표 5와 같고, 전체적인 평균 홍수위 변화율은 0.
- 조도계수의 변화가 유량에 미치는 영향을 분석하고자 강경천에 대하여 흔적수위를 가정하고 Manning공 식을 이용하여 분석하였다. 조도계수는 0.030으로 정하고 이때 유량은 303.26m7sec로 하여 조도계수를 ±5% ~ ±25%까지 변화시키면서 유량의 변화를 분석하였다. 그 결과 조도계수를 +25%증가시켰을 때 유량은 20% 감소, -25%감소시켰을 때 유량은 33%증가하여 조도계수의 과소추정이 과대추정보다 유량계산시 더 큰 오차 를 야기하는 것으로 판단할 수 있었으며, 전체적으로 조도계수의 변동이 유량에 큰 영향을 미치는 것으로 분 석되어 흔적수위로 유량을 추정시 조도계수의 결정에 보다 더 신중을 기해야 할 것으로 판단된다.
- 조도계수의 변화에 따른 수위변화를 분석하기 위하여 3개의 하천에 대해 평균조도계수를 기준으로 ±10%, ±20%씩 변화시키면서 홍수위의 변화를 분석하였다. 그 결과는 그림 1과 같고, 전체적으로 -20%에서는 -4.
- 하천에서 조도계수를 구간별로 적용했을 경우 하류의 조도계수가 상류의 홍수위에 미치는 영향을 분석하기 위하여 각 하천에 대해 평균조도계수에 의한 홍수위 분석결과와 하류구간과 상류구간으로 구분하여 하류 구간의 조도계수를 -10%, -20%씩 감소시키면서 상류부의 홍수위 변화를 분석하였다. 그 결과 -10%의 조도 계수 변화시 영향구간에서 수위변동률이 0.
대상 데이터
- 본 연구에서는 중.소하천의 완류, 준급류, 급류하천에서의 조도계수의 영향을 분석하고자 지방 2급하천 인 완류하천의 강경천(평야하천), 준급류하천인 옥률천, 급류하천인 남대천을 대상하천으로 선정하여 분석에 이용하였고, 각 하천의 개황은 표 1과 같다.
데이터처리
- 따라서 본 논문에서는 일반적으로 수위-유량자료가 없거나 부족한 완류, 준급류, 급류하천으로 구분하여 중.소하천(지방 2급 규모)에 대해 조도계수 산정방법별 편차와 빈도홍수량을 이용하여 조도계수의 산정 결 과에 따라 유량과 홍수위가 어떻게 변하고, 어떤 영향을 받는지 미공병단에서 개발한 부등류 해석프로그램인 HEC-RAS프로그램을 이용하여 분석하고 비교해 보았다.
이론/모형
- 조도계수의 변화가 유량에 미치는 영향을 분석하고자 강경천에 대하여 흔적수위를 가정하고 Manning공 식을 이용하여 분석하였다. 조도계수는 0.
- 하천에서 조도계수 산정은 국내의 하천설계기준(2002), Chow의 도표활용법(1959), Cowan방법(1956), USGS의 사진활용법(1985)을 이용하여 각 하천별로 조도계수를 산정하여 보았다. 그 결과 조도계수 산정시 주관적일 수 있으나 하천설계기준을 기준으로 할 때 남대천에서 Cowan방법에 의해 산정된 조도계수의 편차 가 0.
성능/효과
- 하천에서 조도계수를 구간별로 적용했을 경우 하류의 조도계수가 상류의 홍수위에 미치는 영향을 분석하기 위하여 각 하천에 대해 평균조도계수에 의한 홍수위 분석결과와 하류구간과 상류구간으로 구분하여 하류 구간의 조도계수를 -10%, -20%씩 감소시키면서 상류부의 홍수위 변화를 분석하였다. 그 결과 -10%의 조도 계수 변화시 영향구간에서 수위변동률이 0.69 ~ 1.85%, -20%에서는 1.52~2.60%범위에서 변동하는 것을 알 수 있었으며, 최대 수위차는 T0% 에서는 0.07 ~ 0.39m, -20%에서는 0.13~0.64m 로 특정 지점에서 높은 편차 를 보이고 있다. 그리고 각 하천의 하류조도계수가 상류에 미치는 영향거리는 표 6에서 보는 것과 같이 완류 하천인 강경천에서 가장 길고, 급류하천인 남대천의 영향거리가 가장 짧게 분석되어 조도계수의 변화에 의한 영향거리는 경사와 밀접한 관계가 있는 것으로 분석되었다.
- 하천에서 조도계수 산정은 국내의 하천설계기준(2002), Chow의 도표활용법(1959), Cowan방법(1956), USGS의 사진활용법(1985)을 이용하여 각 하천별로 조도계수를 산정하여 보았다. 그 결과 조도계수 산정시 주관적일 수 있으나 하천설계기준을 기준으로 할 때 남대천에서 Cowan방법에 의해 산정된 조도계수의 편차 가 0.010(26.3%)의 편차를 보였고, 강경천의 경우도 Chow방법과 0.080(26.7%)의 편차를 보여 산정 방법별로 큰 차이를 보이는 것을 알 수 있었다.
- 그 결과 조도계수는 산정방법별로 최대 26.7%의 큰 편차를 보였고, 흔적수위를 이용한 유량을 산정시 조 도계수 값에 따라 큰 편차를 보였다. 그리고 조도계수의 변화에 따른 수위의 변화, 구간별 조도계수 적용과 평균조도계수 적용시 홍수위의 변화, 하류구간의 조도계수가 상류에 미치는 영향, 하상경사에 따른 조도계수 변화에 대해 홍수위의 변화를 분석한 결과, 조도계수를 어떻게 하천에 적용하고, 어떠한 값의 조도계수를 홍 수위 계산에 사용하느냐에 따라 홍수위가 어떻게 변하는지 알 수 있었고, 홍수위의 변화에는 조도계수 뿐만 아니라 하천경사, 단면의 형태, 하천폭 등의 영향이 복합적으로 미치는 것을 직.
- 26m7sec로 하여 조도계수를 ±5% ~ ±25%까지 변화시키면서 유량의 변화를 분석하였다. 그 결과 조도계수를 +25%증가시켰을 때 유량은 20% 감소, -25%감소시켰을 때 유량은 33%증가하여 조도계수의 과소추정이 과대추정보다 유량계산시 더 큰 오차 를 야기하는 것으로 판단할 수 있었으며, 전체적으로 조도계수의 변동이 유량에 큰 영향을 미치는 것으로 분 석되어 흔적수위로 유량을 추정시 조도계수의 결정에 보다 더 신중을 기해야 할 것으로 판단된다.
- 분석하였다. 그 결과 하 상경사 1/500~ 1/300에서는 ±20%의 조도계수 변환시 홍수위의 변동이 6.25~6.87%로 각 경사별로 큰 차이가 없었으나, 1/200과 1/100로 경사를 변화시켰을 경우 조도계수 변화에 따른 수위변동이 급격히 감소하는 것으로 분석되었다. 즉, 경사가 급한 급류하천에서 보다 완경사하천에서 홍수위는 조도계수의 영향을 보다 더 민 감하게 받는 것으로 판단할 수 있다.
- 따라서 본 연구에서는 3개의 하천에 대해 구간 별로 조도계수를 산정하여 계산한 홍수위와 평균조도계수를 산정하여 전 하도에 하나의 조도계수를 적용하여 계산한 홍수위를 비교하여 보았다. 그 결과는 표 5와 같고, 전체적인 평균 홍수위 변화율은 0.91~2.69%였 고, 최대 변화율은 강경천이 6.24%(0.26m), 옥률천이 14.85%(0.38m), 남대천이 5.87%(0.29m)로 나타나 전체적인 수위변화율은 적지만 특정지점에서 수위차가 비교적 큰 편차를 보이고 있는 것으로 분석되었다.
- 64m 로 특정 지점에서 높은 편차 를 보이고 있다. 그리고 각 하천의 하류조도계수가 상류에 미치는 영향거리는 표 6에서 보는 것과 같이 완류 하천인 강경천에서 가장 길고, 급류하천인 남대천의 영향거리가 가장 짧게 분석되어 조도계수의 변화에 의한 영향거리는 경사와 밀접한 관계가 있는 것으로 분석되었다.
- 7%의 큰 편차를 보였고, 흔적수위를 이용한 유량을 산정시 조 도계수 값에 따라 큰 편차를 보였다. 그리고 조도계수의 변화에 따른 수위의 변화, 구간별 조도계수 적용과 평균조도계수 적용시 홍수위의 변화, 하류구간의 조도계수가 상류에 미치는 영향, 하상경사에 따른 조도계수 변화에 대해 홍수위의 변화를 분석한 결과, 조도계수를 어떻게 하천에 적용하고, 어떠한 값의 조도계수를 홍 수위 계산에 사용하느냐에 따라 홍수위가 어떻게 변하는지 알 수 있었고, 홍수위의 변화에는 조도계수 뿐만 아니라 하천경사, 단면의 형태, 하천폭 등의 영향이 복합적으로 미치는 것을 직.간접적으로 알 수 있었다.
후속연구
- 이렇듯 조도계수의 산정이 객관적이지 않고 주관적이면서 복합적인 하천의 요소를 고려해야 하기 때문에 조도계수의 산정에 불확실성이 내포되어 있어, 이를 이용한 다른 결과물에 또 다른 불확실성을 내재시키는 원인이 되고 있어, 조도계수 산정에 있어 객관적이고 신뢰성 있는 기준이 마련되어야 할 것으로 판단된다.
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