[논문]홍수터의 교목식재에 따른 수리학적 특성 변화

이준호; 송주일; 한정석; 윤세의

[국내논문] 홍수터의 교목식재에 따른 수리학적 특성 변화
An Experimental Study of Hydraulic Characteristic Variation due to Tall Trees on Floodplain 원문보기

이준호 (경기대학교 토목공학과) , 송주일 (경기대학교 토목공학과) , 한정석 (부천대학 토목과) , 윤세의 (경기대학교 토목환경공학부)

도시하천에서 환경적 기능이 중요성을 더해가면서 복단면의 홍수터에 교목이 식재 되어지는 경우가 있다. 그러나 식생은 하천의 흐름저항을 크게 하고 통수능을 감소시켜 수위상승이나 국부적인 유속 증가를 유발할 수 있으므로 하천에 식생대를 조성하거나 향후 관리를 위해서는 식재로 인해 변화되는 수리학적 특성들을 이해하는 것이 무엇보다 중요하다. 따라서 본 연구에서는 하천복원의 주 대상이 될 수 있는 도시하천의 홍수터에 교목의 식재 가능성을 알아보기 위해 수리실험을 실시하였다. 실험수로는 우리나라 도시하천의 대부분이 홍수터를 갖는 복단면임을 고려하여 복단면 형태로 제작하였으며, 실험은 길이 16 m, 폭 0.8 m, 높이 0.9 m이고 벽면이 아크릴로 된 직사각형 가변 경사 개수로 실험 장치를 이용하였다. 수로경사는 0.5 %, 실험 식생의 밀도는 4.4 %로 고정하고, 실험유량을 $0.03{\sim}0.04\;m^3/s$, 수심(h)과 홍수터 폭(w)의 비(h/w)를 1.2, 1.7, 2.2로 변화시키면서 실험을 실시하였다. 실험결과 최대 수심변화는 유량이 $0.04\;m^3/s$이고 수심/홍수터 폭 비가 1.2일때 약 4 %로 측정되었고, 저수로에서의 유속의 증가 범위는 단면 평균유속에 비교하여 약 $50{\sim}85\;%$로 확인되었다. 이는 복단면에서의 저수로 유속은 홍수터에 식재가 되었을 경우가 그렇지 않은 경우에 비해 더욱 빨라짐을 의미한다. 따라서 복단면의 홍수터에 교목을 식재할 경우에는 식재에 의한 수위상승 영향 보다는 저수로에서의 유속증가에 더 많은 관심을 가질 필요가 있다고 판단된다.

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문제 정의

본 연구에서는 홍수터를 가지는 복단면 실험수로를 제작하고 인공모형식생을 이용하여 교목의 식재 시 수리량 변화 특성을 분석하였다. 유량, 홍수터수심/홍수터폭비 등을 변화시키며 실험을 실시하였으며, 실험조건에 따른 수위변화와 유속변화를 분석하였다.
본 연구에서는 홍수터를 가지는 복단면에 교목의 식재시 수리량 변화 특성을 분석하였다. 인공모형 식생을 이용하였으며, 수로경사와 식재밀도는 고정하고, 유량, 흥수터수심/홍수터폭 비를 변화시키며 실험을 실시하였다.

가설 설정

모형식생은 높이 약 25 cm, 직경 약 7 mm정도이고 흐름에 의해 휘어지지 않는 재질의 재료를 사용하였다. 또한 교목의 줄기부분에서만 흐름이 형성되는 것을 가정으로 모형식생판을 제작하였다.

제안 방법

수리량 변화 특성을 분석하였다. 유량, 홍수터수심/홍수터폭비 등을 변화시키며 실험을 실시하였으며, 실험조건에 따른 수위변화와 유속변화를 분석하였다.
실험수로 내에서 식생에 의한 수리학적 특성 변화량을 분석하기 위해 식생전후의 유량 및 수심 변화에 따른 유속과 수위의 변화량을 측정하였다. 상류측 유입유량은 삼각예연웨어에서 월류되는 수심을 포인트 게이지를 이용하여 측정하였다.
따른 유속과 수위의 변화량을 측정하였다. 상류측 유입유량은 삼각예연웨어에서 월류되는 수심을 포인트 게이지를 이용하여 측정하였다. 수심은 식생이 식재된 구간의 상하류에 설치된 포인트게이지와, 수로의 측벽에 부착된 눈금자를 이용하여 실측하였다.
상류측 유입유량은 삼각예연웨어에서 월류되는 수심을 포인트 게이지를 이용하여 측정하였다. 수심은 식생이 식재된 구간의 상하류에 설치된 포인트게이지와, 수로의 측벽에 부착된 눈금자를 이용하여 실측하였다. 또 KENEK사의 2차원유속계 VM 201과 ALEC 사의 2차원유속계 ACM250-A를 이용하여 유속을 측정하였다.
식생을 이용한 실내 실험의 경우 자연식생을 실험수로에 설치하기 어렵고, 실험기간동안 식생의 밀도 등의 실험조건을 일정한 상태로 유지하기 어렵기 때문에 본 연구에서는 모형식생을 이용하여 실험을 실시하였다. 본 연구의 실험수로는 특정 하천을 대상으로 축소모형을 제작한 것이 아니며, 모형 식생은 홍수터에 식재되는 교목을 대상으로 하였다.
4 %로 하였다. 수로경사는 0.5 %로 고정시켰고, 실험유량은 0.03 m7s, 0.04 m7s, 수위는 복단면 홍수터의 폭과 홍수터 수심의 비를 조정하여 1.2, 1.7, 2.2로 변화시키면서 실험하여 식재 전.후의 흐름특성을 비교하였다.
2로 변화시키면서 실험하여 식재 전.후의 흐름특성을 비교하였다. 그림 4는 유속즉정 위치를 보여주고 있다.
3. 실험결과

실험유량 0.03 H/와 0.04 m, /s의 두 조건하에서 복단면 홍수터의 폭과 홍수터 수심의 비를 1.2, 1.7, 2.2 로 변화시키면서 실험을 실시하여 수위와 유속의 변화를 측정하였다. 그림 5 ~그림 6은 홍수터에 모형식생(교목)을 식재한 경우에 식재 전.

대상 데이터

수리실험은 길이 16 m, 폭 0.8 m, 높이 0.9 이이고, 벽면이 아크릴로 된 직사각형 가변 경사 개수로실험 장치를 이용하였다.(그림 1) 고수조에는 유량을 조절하기 위한 삼각위어가 설치되어 있으며, 하류 단에는 수위 조절을 위한 수문이 설치되어 있다.
수심은 식생이 식재된 구간의 상하류에 설치된 포인트게이지와, 수로의 측벽에 부착된 눈금자를 이용하여 실측하였다. 또 KENEK사의 2차원유속계 VM 201과 ALEC 사의 2차원유속계 ACM250-A를 이용하여 유속을 측정하였다.
본 연구의 실험수로는 특정 하천을 대상으로 축소모형을 제작한 것이 아니며, 모형 식생은 홍수터에 식재되는 교목을 대상으로 하였다. 모형식생은 높이 약 25 cm, 직경 약 7 mm정도이고 흐름에 의해 휘어지지 않는 재질의 재료를 사용하였다.
본 연구의 실험수로는 특정 하천을 대상으로 축소모형을 제작한 것이 아니며, 모형 식생은 홍수터에 식재되는 교목을 대상으로 하였다. 모형식생은 높이 약 25 cm, 직경 약 7 mm정도이고 흐름에 의해 휘어지지 않는 재질의 재료를 사용하였다. 또한 교목의 줄기부분에서만 흐름이 형성되는 것을 가정으로 모형식생판을 제작하였다.
인공모형 식생을 이용하였으며, 수로경사와 식재밀도는 고정하고, 유량, 흥수터수심/홍수터폭 비를 변화시키며 실험을 실시하였다. 그 결과를 정리하면 다음과 같다.

성능/효과

후의 저수로내 평균유속의 비를 나타낸 것이다. 식재 후의 저수로내 유속은 식재전과 비교해서 50~85 %정도 상승하는 것을 알 수 있었다. 이는 복 단면에서 식생에 의해 통수능이 감소하여 저수로의 유속이 증가한 것으로 판단된다.
1) 본 연구의 실험조건으로 복단면 홍수터에 교목을 식재 할 경우 최대 4 %정도의 수위 상승이 나타났다.
2) 복단면의 홍수터에 교목을 식재한 경우 저수로 내 유속은 식재전의 단면평균유속에 비하여 50 % ~85 % 정도 증가하였다.
3) 홍수터에 교목식재의 식수를 계획 할 경우 수위 증가보다는 저수로에서의 유속증가에 대한 고려가 더 필요한 것으로 판단되며, 저수로의 유속증가로 인한 하상세굴 또한 고려대상이 되어야 할 것으로 판단된다.

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