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문제 정의
- 본 연구에서는 상기와 같은 문제점 예측 및 대책 마련을 위한 자료를 제공하기 위해 국내 최초로 건설중인 주운하천에 대한 3차원 수리해석과 함께 유사의 이송, 침식, 퇴적 현상을 연동하여 모의할 수 있는 유한차분 수치모형인 EFDC를 이용하여 주운수로에 유입되는 다입경 혼합유사의 입경별 시․공간적 퇴적분포 특성을 고찰한 후, 하상변동 예측에 있어서 입력자료와 모델의 유한차분 격자 구조에 의한 불확실성 해석을 수행하였다.
제안 방법
- 국내 최초로 건설중인 주운하천을 대상으로 3차원 수리해석과 함께 유사의 이송, 침식, 퇴적 현상을 연동하여 모의할 수 있는 유한차분 수치모형인 EFDC를 이용하여 주운하천에 유입되는 다입경 혼합유사의 입경별 시․공간적 퇴적분포 특성을 고찰한 후 하상변동 예측에 있어서 입력자료와 모델의 유한차분 격자 구조에 의한 불확실성 해석을 수행하였다. 그 결과, 하천의 하상변동 예측의 신뢰도 향상을 위해서는 유사의 밀도값 등 퇴적물의 물리적 물성치에 대한 장기적인 모니터링이 필수적이라 판단되며, 연구 결과는 향후 주운하천, 자연하천과 연계된 인공하천의 계획 및 개발시 확대 적용되어질 수 있을 것이다.
- 모델의 적용성을 검증하기 위해 그림 2 및 그림 3과 같이 굴포천 유역의 100년빈도 홍수 수문 곡선을 이용한 3차원 모델결과와 HEC-RAS 모델 결과(수위, 유속)를 주운하천 지점에 대해 비교 분석하여 연구대상 지역에 대한 적용성을 검증하였으며, 최고수위 기준 0.11m, 최대유속 기준 0.05m/sec 이하의 차이가 발생되는 것으로 분석되어 적용성을 검증하였다.
- 수심방향의 3차원 수리-유사해석의 장점을 확인하기 위하여 수층을 단일층과 3개층으로 격자 분할하여 민 감도를 분석하였으며 그 결과를 이론식과 비교하였다. 수층을 단일층으로 가정할 경우, GP-R 구간과 IC-T 구간에서 각각 8.
- 9)”에서 검토된 100년빈도 홍수 량을 적용하였으며, 방류조건은 서해 조위조건이 고려된 서해 배수문의 방류능력을 적용하였다. 유사량은 1991년과 2004년에 실측된 자료를 이용, 유량-유사량 관계식을 개발하여 100년빈도 홍수량까직 확장시켜 적용하였다.
- 수평방향으로는 직교곡선 좌표계, 수직방향으로는 sigma 좌표계를 사용하였으며, 수직방향으로의 격자는 수층을 3개로 분할하였다. 유입경계 조건은 상류는 굴포천 하류의 귤현보로 지정하고 방류경 계조건은 서해 배수갑문으로 지정하였다.
- 유입량은 “경인 아라뱃길사업 홍수처리 계획보고서(한국수자원공사, 2009. 9)”에서 검토된 100년빈도 홍수 량을 적용하였으며, 방류조건은 서해 조위조건이 고려된 서해 배수문의 방류능력을 적용하였다.
- 하상변동 해석을 위해 100년빈도 홍수량(지속시간 24시간)에 대한 유사량 자료를 적용하였다. 입경분포는 3구간(4㎛ 이하, 4㎛～63㎛, 63㎛ 이상)으로 구분하여 주운하천, IC-T 및 KP-T 구간에 대한 유사의 시간적, 공간적 분포 특성을 모의하였다. 그림 4에서 보는바와 같이 GP-R 합류지점은 유속감소 및 와류 발생으로 인해 3～4㎝의 하상변동이 발생되며, 홍수량의 주흐름 방향이 IC-T 지점으로 형성되어 KP-T지점에는 퇴적 현상이 거의 발생되지 않고 IC-T 구간에 약 1.
- 입경분포는 4㎛ 이하(점토), 4㎛～63㎛(실트), 63㎛ 이상(모래) 등 3가지 유형으로 구분하여 분석하였다.
- 입력자료의 불확실성을 고려하기 위해 유입유사의 밀도값이 퇴적두께 변화에 미치는 민감도 분석을 실시하였다. 유사밀도를 1.
- 주운하천 현황은 다음 그림 1과 같으며, 굴포천(GP-R), 서해(IC-T), 한강(KP-T)지점으로 구분하였다.
- 지형자료는 현재 진행중인 사업의 실시설계 지형도를 SMS 10.0 프로그램을 이용하여 구성하였으며, 종 방 향 격자는 굴포천 유역으로부터 주운하천을 따라 분할하여 수평 방향의 이송 및 확산에 대해 모의가 가능하도록 구성하였다. 수평방향으로는 직교곡선 좌표계, 수직방향으로는 sigma 좌표계를 사용하였으며, 수직방향으로의 격자는 수층을 3개로 분할하였다.
대상 데이터
- 연구대상 유역은 굴포천 유역으로 한강으로 유입되는 굴포천과 서해로 방류되는 시천천을 비롯하여 소규모 지류 하천의 일부를 포함, 총 유역면적 159.2㎢, 유로연장 34.6㎞이다. 표고별 면적분포는 EL.
- 하상변동 해석을 위해 100년빈도 홍수량(지속시간 24시간)에 대한 유사량 자료를 적용하였다. 입경분포는 3구간(4㎛ 이하, 4㎛～63㎛, 63㎛ 이상)으로 구분하여 주운하천, IC-T 및 KP-T 구간에 대한 유사의 시간적, 공간적 분포 특성을 모의하였다.
성능/효과
- 0～50m 구간이 전체 면적의 83.4%에 달하는 저지대 유역 특성을 가지고 있으며, 유역 경사 또한 경사도 5° 이하가 주로 분포하는 매우 평탄한 지역으로 홍수시 도달시간이 길어 홍수의 지속시간이 매우 증가하는 것으로 분석 되었다.
- 65 tons/㎥까지 4개로 구분하여 모의한 결과 주운하천 등 퇴적 두께는 유사밀도가 작아질수록 더 커지는 것을 확인 할 수 있다. 비교적 퇴적이 많이 발생되는 GP-R 구간은 밀도가 2.65 tons/ ㎥ 일 때 보다 1.3 tons/㎥ 일 때 약 1 cm정도 상승했지만 IC-T 구간에서는 유사밀도의 감소에 따라서 퇴적 두께가 약 2배 가까이 증가되는 것을 알 수 있다.
- 수심방향의 3차원 수리-유사해석의 장점을 확인하기 위하여 수층을 단일층과 3개층으로 격자 분할하여 민 감도를 분석하였으며 그 결과를 이론식과 비교하였다. 수층을 단일층으로 가정할 경우, GP-R 구간과 IC-T 구간에서 각각 8.6cm, 0.4cm의 하상변동이 예측되었으나, 수층을 3개로 분할할 경우 GP-R 구간에서 5.6cm, IC-T 구간에서 2.2cm의 하상변동이 예측되어, 수층을 3개층으로 분할할 경우에 하류 구간에서 최대 6배의 하상변동량이 많게 산정되었다. 이는 수층을 3개층으로 분할하여 모의할 경우, 수심방향의 유속과 부유사 농도의 불균등 분포 특성이 실제 자연현상에 더 가깝게 모의되기 때문으로 판단된다.
- 수치모의 결과를 Toffaleti의 이론식(1969)에 근거한 수심방향의 유속분포 및 농도분포를 본 연구결과와 비교 분석한 결과, 수심방향을 3개 층으로 나눈 3차원해석이 더 재현성이 큰 것을 확인할 수 있었다.
- 입력자료의 불확실성을 고려하기 위해 유입유사의 밀도값이 퇴적두께 변화에 미치는 민감도 분석을 실시하였다. 유사밀도를 1.3～2.65 tons/㎥까지 4개로 구분하여 모의한 결과 주운하천 등 퇴적 두께는 유사밀도가 작아질수록 더 커지는 것을 확인 할 수 있다. 비교적 퇴적이 많이 발생되는 GP-R 구간은 밀도가 2.
- 입경분포 4㎛ 이하의 경우 그림 5에서 보는바와 같이 GP-R 합류점, 주운수로 구간은 거의 퇴적되지 않는 것으로 예측되었으며, IC-T 구간에서만 10～15% 정도 퇴적되는 것으로 예측되었다.
후속연구
- 국내 최초로 건설중인 주운하천을 대상으로 3차원 수리해석과 함께 유사의 이송, 침식, 퇴적 현상을 연동하여 모의할 수 있는 유한차분 수치모형인 EFDC를 이용하여 주운하천에 유입되는 다입경 혼합유사의 입경별 시․공간적 퇴적분포 특성을 고찰한 후 하상변동 예측에 있어서 입력자료와 모델의 유한차분 격자 구조에 의한 불확실성 해석을 수행하였다. 그 결과, 하천의 하상변동 예측의 신뢰도 향상을 위해서는 유사의 밀도값 등 퇴적물의 물리적 물성치에 대한 장기적인 모니터링이 필수적이라 판단되며, 연구 결과는 향후 주운하천, 자연하천과 연계된 인공하천의 계획 및 개발시 확대 적용되어질 수 있을 것이다.
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