[논문]보 운영을 고려한 하상변동모의에 대한 HEC-RAS모형 적용성 평가

곽성현; 안정민; 이경수; 류시완

보 운영을 고려한 하상변동모의에 대한 HEC-RAS모형 적용성 평가
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곽성현 (창원대학교 공과대학 토목공학과) , 안정민 (국립환경과학원 낙동강물환경연구소) , 이경수 (창원대학교 공과대학 토목공학과) , 류시완 (창원대학교 공과대학 토목공학과)

충적하천에서 발생하는 하천의 침식과 퇴적은 흐름을 통해 발생하는 자연적인 현상이다. 침식 및 퇴적에 대한 수치모형을 이용한 분석은 하천에 존재하는 보와 같은 수리구조물들의 유사이송에 대한 영향을 연구하는데 효과적인 방법이다. 본 연구에서는 낙동강에 위치한 강정고령보에서 달성보 구간을 대상으로 보 건설 후 다기능보 운영을 통해 발생되는 하상변동에 대해 다양한 유사량 산정 공식별 대상구간에 대한 하상변동양상을 파악하고 실측자료와의 비교를 통해 실제 한천에서의 수리구조물 영향을 고려한 하상변동 예측에 대한 HEC-RAS 모형의 적용성을 평가하였다.

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문제 정의

따라서 하상변동의 예측 및 분석은 하천계획 및 관리에 필수적이다. 본 연구에서는 다양한 적용사례를 통해 장기 하상변동 예측에 적합한 모형으로 알려진 HEC-RAS모형을 이용하여 강정고령보와 달성보 구간대상으로 실제 다기능보 운영에 따른 하상변동 양상의 평가와 실측자료와의 비교를 통해 적용성을 검토하였다.

제안 방법

4대강 살리기 사업으로 인한 물리적 환경변화와 그에 따른 하천 하상변동 분석을 위하여 낙동강 수계 강정고령보와 달성보 구간에 대해 준공성과단면으로 HEC-RAS를 구축하고 다양한 유사량 산정공식 조건에서의 하상변동을 모의하였다. 모든 유사량 공식에 대해 하상의 침식 또는 퇴적되는 구간의 양상은 유사하게 나타남을 확인할 수 있었고 실측단면과의 비교를 통해 HEC-RAS의 적용성을 검토할 수 있었다.
조도계수는 국토해양부(2009a;2009b)에 수립되어 있는 각 단면 값을 적용하였다(표1). 상류단 경계조건은 강정고령보의 일방류량 및 금호강의 유입유량은 성서수위표의 일평균 관측유량, 하류단의 경계조건은 달성보의 수위를 활용하였고. 상류 및 지류 유입유사를 적용하기 위해 수문조사보고서(국토해양부, 2010)에 제시되어 있는 왜관 및 동촌 지점의 유량-유사량 관계곡선식인 식 (1)과 (2)를 활용하였다.

대상 데이터

보 운영에 따른 HEC-RAS의 하상변동 적용성을 평가를 위해 본 연구의 모의 기간은 4대강사업 이후 보운영시점인 2012년 8월부터 대상구간에 대해 지형자료를 실측한 2014년 2월까지 18개월로 선정하였다, 하상토는 하천설계기준상의 시료채취 기준에 따라 BM-54와 Handheld Sampler를 이용하여 측선별로 5~6개의 장소에 시료를 직접 채취하여 한국산업규격에서 제시하고 있는 방법을 적용하여 입도분포 및 비중을 분석한 그림 2를 사용하였다. 조도계수는 국토해양부(2009a;2009b)에 수립되어 있는 각 단면 값을 적용하였다(표1).
연구대상 구간은 낙동강수계의 강정고령보 지점부터 달성보 지점이며 대상구간 내에는 국가하천인 금호강이 합류하고 있다(그림 1). 낙동강 본류의 지형은 4대강사업 이후 준공성과를 이용하여 구축하였다(국토해양부, 2013).
보 운영에 따른 HEC-RAS의 하상변동 적용성을 평가를 위해 본 연구의 모의 기간은 4대강사업 이후 보운영시점인 2012년 8월부터 대상구간에 대해 지형자료를 실측한 2014년 2월까지 18개월로 선정하였다, 하상토는 하천설계기준상의 시료채취 기준에 따라 BM-54와 Handheld Sampler를 이용하여 측선별로 5~6개의 장소에 시료를 직접 채취하여 한국산업규격에서 제시하고 있는 방법을 적용하여 입도분포 및 비중을 분석한 그림 2를 사용하였다. 조도계수는 국토해양부(2009a;2009b)에 수립되어 있는 각 단면 값을 적용하였다(표1). 상류단 경계조건은 강정고령보의 일방류량 및 금호강의 유입유량은 성서수위표의 일평균 관측유량, 하류단의 경계조건은 달성보의 수위를 활용하였고.

데이터처리

모형 적용에 있어 선행되어야 할 사항은 매개변수에 대한 보정이다. 수치모의시 가장 민감한 매개변수인 조도계수에 대한 신뢰성을 검토하기 위해 부정류해석을 통한 모의값을 평균제곱근오차(Root mean square error, RMSE)와 Nash-sutcliffe 효율계수(Nash-sutcliffe efficiency coefficient, NSEC)로 정량적 통계기법에 근거하여 오차분석을 수행하였다. 그림 3은 수치모의 결과이고, 표 2에 제시된 바와 같이 RMSE 값이 0.

이론/모형

유사량 산정공식으로는 하천에서의 장기하상변동에 널리 사용되고 있는 Ackrs & White 및 Yang 공식, 기존 연구(안정민 등, 2012)에서 그 적용성이 입증된 Laursen 공식 그리고 유사량공식 평가 (유권규와 우효섭, 1990)에서 그 결과가 우수한 것으로 평가된 Engelund & Hansen 공식을 이용하였다.

성능/효과

4대강 살리기 사업으로 인한 물리적 환경변화와 그에 따른 하천 하상변동 분석을 위하여 낙동강 수계 강정고령보와 달성보 구간에 대해 준공성과단면으로 HEC-RAS를 구축하고 다양한 유사량 산정공식 조건에서의 하상변동을 모의하였다. 모든 유사량 공식에 대해 하상의 침식 또는 퇴적되는 구간의 양상은 유사하게 나타남을 확인할 수 있었고 실측단면과의 비교를 통해 HEC-RAS의 적용성을 검토할 수 있었다.

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