Flood Water Level Changes Analyses for the Construction of a Small Dam -Focused on the Geum River Reach in Sejong City-

한 국 방 재 학 회 논 문 집 제9권 2호 2009년 4월

pp. 59 ~ 68

하천방재

수위유지시설 설치에 따른 홍수위 변화 해석 - 세종시 금강 구간을 중심으로 -

Flood Water Level Changes Analyses for the Construction of a Small Dam -Focused on the Geum River Reach in Sejong City-

정상만*·박찬성**·이주헌***·신광섭****

Jeong, SangMan · Park, ChanSeong · Lee, JooHeon · Shin, KwangSeob

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Abstract

Currently, building a small dam located 1.16 km downstream from Geumnam Bridge is being considered in order to improve the riverine scenery of the site for Sejong City and to create a hydrophilic space. The purpose of this research is to present the appropriate dimensions of a small dam by reviewing the flood control reliability of the Geum River after the small dam is built. To establish this purpose, changes in the flood water level were compared and analyzed by changing the installation height of a small dam using 1D and 2D models. 1D HEC-RAS and 2D FESWMS models were applied to perform the numerical analysis of the reach. The results showed that flood control reliability was guaranteed when the installation height of the small dam was 5 meters or lower. From the 2D model, a more accurate result can be developed because the model could provide a two dimensional numer- ical analysis. The results can be used to determine the appropriate dimensions of a small dam for Sejong City.

Key words : HEC-RAS, FESWMS, numerical analysis, small dam

요 지

현재 세종시 예정 지역의 수변경관 개선과 친수공간 조성을 위하여 금남교 하류 1.16 km 지점에 수위유지시설을 설치하는 것 을 고려하고 있다. 본 연구는 수위유지시설의 설치로 인한 하천의 홍수위험을 검토함으로써 홍수로부터 안전한 수위유지시설의 규모를 제시하고자 한다. 이를 위해 대상구간의 200년 빈도 홍수량에 대하여 수치해석을 실시하였으며, 1차원 HEC-RAS와 2차 원 FESWMS 모형을 이용하여 수위유지시설의 설치 높이에 따른 홍수위 변화를 비교·분석하였다. 모의 결과 수위유지시설의 설치 높이가 5 m까지는 홍수로부터 안전한 것으로 분석되었으며, 횡방향 수치해석이 가능한 2차원 모형에서 보다 정교한 결과를 얻을 수 있었다. 이러한 연구결과는 향후 적절한 수위유지시설의 규모를 결정하는데 있어 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

핵심용어 : HEC-RAS, FESWMS, 수치해석, 수위유지시설

···

1. 서 론

우리나라의 하천에는 수위유지시설(small dam), 교량 (bridge), 낙차공(drop structure) 등 다양한 목적을 위한 하천 횡단구조물(river-crossing structures)들이 많이 설치되어 있으 며, 이러한 수공구조물들은 하도구간 내에서 수리학적 흐름특 성을 변화시킨다. 수공구조물로 인한 하천흐름의 변화를 분석 하고 예측하는 일은 하천관리 연구 분야에서 매우 중요하며, 수공구조물 건설에 따른 영향평가와 치수계획(flood control plan) 측면에서 필수적이라 할 수 있다.

최근 우리나라는 기후변화(climate change)로 인해 강수일

수는 줄어들었지만 일시에 많은 양의 강우가 내리는 경우가 빈번하게 발생하고 있으며, 이로 인해 수공구조물의 계획빈도 를 넘어선 홍수재해(flood disaster)의 발생빈도가 높아지고 있는 실정이다. 현재 국내의 많은 하천에서는 취수, 주운, 홍 수조절 등 다양한 목적을 위하여 각종 수위유지시설(small dam)이 설치·운용되고 있으며, 도시가 계획된 지역의 하천 에서는 수변경관 개선과 친수공간 조성을 위하여 수위유지시 설의 설치를 계획하고 있다. 이러한 수위유지시설과 같은 하 천 횡단구조물은 홍수시 수위상승의 주된 원인이 되어 제방 월류로 인한 홍수위험을 가중시킨다. 따라서 최근의 불확실한 강우특성을 감안할 때 수공구조물 설치에 따른 하천의 치수

****정회원·공주대학교 건설환경공학부 교수(E-mail : [email protected])

****공주대학교 대학원 건설환경공학과 석사과정

****정회원·중부대학교 토목공학과 부교수

****(주)삼안 수력부 사원(교신저자)

적인 측면에서의 정확하고 세밀한 수리학적 검토가 요구된다.

수공구조물로 인한 하천구간 내의 흐름특성 변화에 대한 문제를 규명하기 위한 방법으로는 현장조사, 수리모형 실험, 수치모형 실험 등이 있으며, 이 중 수치모형 실험은 경제적 이면서 시간적 제약이 적고 현상의 규명과 장래에 대한 예측 을 위해 가장 효율적인 방법이다. 수치모형 실험의 대표적인 방법으로는 유한차분법(finite difference method), 유한요소법 (finite element method), 유한체적법(finite volume method) 등이 있으며(한국건설기술연구원, 1995), 하도구간 내 수리학 적 흐름특성의 변화를 해석하기 위하여 수치모의기법을 이용 한 연구가 국내·외적으로 활발히 진행되어 왔다. 국외 연구 로서 Jennifer 등(2006)은 실험실에서의 실험과 수심평균 동 수역학적 모형을 이용한 수치모형 실험을 통하여 돌출 제방 (spur dike)의 설치에 따른 흐름과 부유사 분포에 대한 연구 를 수행하였다. 국내 연구로서 윤용남 등(1994)은 유한요소기 법을 기초로 한 FESWMS-2DH 모형을 이용하여 한강 하류 부의 수리특성을 분석하였으며, 박우식(2002)은 유한요소법을 적용하여 하천 횡단구조물에 의한 홍수위 변화분석을 수행하 였다. 안상진 등(2003)은 하천구조물에 의한 흐름특성을 파악 하기 위해 1차원 HEC-RAS와 2차원 RMA2를 적용하였으며, 이배성 등(2006)은 보 철거에 따른 하도 내 흐름특성의 변화 를 분석하였다. 본 연구는 수공구조물 설치에 따른 1차원과 2차원 수치해석을 실시하고 그 결과를 비교함으로써 결론을 도출하였다는 점에서 위 연구들의 흐름과는 차이가 있다.

본 연구에서는 세종시 금강 구간에 설치를 계획 중인 수위 유지시설로 인한 하도구간 내 수리학적 흐름특성의 변화를 분석하였으며, 이를 위해 1차원과 2차원 수치모형을 적용하 여 대상구간의 200년 빈도 홍수량에 따른 수치해석을 실시하 였다. 수위유지시설의 설치로 인한 수치해석 결과를 바탕으로 홍수위험으로부터 안전한 수위유지시설의 규모를 제시하는 것 을 연구의 주목적으로 한다.

2. 대상구간 및 모의 기법

수치해석을 위한 대상구간은 세종시 예정지역 내 금강 본

류 구간인 미호천합류후 지점에서 세종시 경계부에 해당되는 대교천합류후 지점까지 약 10.39 km 구간으로 선정하였다.

대상구간 내 금남교에는 금남수위관측소가 위치하고 있으며, 세종시 예정 지역의 수변경관 개선 및 친수공간 조성을 위해 설치를 계획 중인 수위유지시설(small dam)의 위치는 금남교 하류 1.16 km 지점이다. Fig. 1에서 보는바와 같이 이 지점 의 우안측으로는 세종시의 첫 마을이 계획되어 있다. 첫 마 을을 기점으로 2030년까지 점차적으로 도심지가 들어설 예정 인 상류측의 수량 확보를 위하여 수위유지시설의 설치를 계 획하고 있다(한국토지공사, 2007).

2.2 모형의 소개

본 연구에서는 수위유지시설로 인한 하도구간 내 수리학적 흐름특성의 변화를 분석하기 위하여 1차원 HEC-RAS와 SMS(Surface water Modeling System) 모형의 부모형(associate model)인 2차원 FESWMS를 사용하였다. HEC-RAS는 미 육군공병단(U. S. Army Corps of Engineers)이 개발한 하천 해석 프로그램으로 표축축차법(standard step method)에 의해 수면곡선을 계산하는 모형이다. FESWMS (Finite Element Surface Water Modeling System)는 미 연방도로국(U. S. Federal Highway Administration)에서 하천을 횡단하는 도로 시설 주 위의 흐름을 모의할 목적으로 개발한 모형으로 2차원 수리동 력학적 유한요소 모형이라는 점에서 RMA2와 비슷하나 고속 도로를 횡단하는 흐름을 해석하기 위하여 개발되었기 때문에 RMA2에서는 제공하지 않는 특별한 기능들을 가지고 있다.

예를 들어, FESWMS는 교량, 암거, 수문, 여수로를 지나는 흐름과 댐, 보, 고속도로 제방 등의 월류수 등을 모의할 수 있는 장점을 가진다. 즉, FESWMS는 이전의 모형으로는 모 의가 어려웠던 하나 혹은 여러 개의 수공구조물 주위에서의 흐름을 모의하는데 이상적인 모형으로써 하천 횡단구조물이 설치된 복잡한 하천지형의 흐름을 해석하는데 매우 유용한 프로그램이다.

FESWMS의 지배방정식인 수심평균된 2차원 천수방정식은 연직방향으로의 유속과 가속도를 무시한다고 가정하고, 하상 에서 수면으로의 연직방향에 대하여 3차원 연속방정식(질량 이송방정식)과 운동량방정식을 적분함으로써 유도된다(Dimet

Fig 1. Study section of the Geum River in Sejong City

et al, 2002; Merwade, 2008). 식 (1)은 연직방향으로 적분된 연속방정식(질량 이송방정식)을 나타내며, 식 (2)와 식 (3)은 각각 x, y방향에 대한 수심적분된 운동량방정식을 나타낸다.

(1)

(2)

(3) 여기서, q는 단위유량(m³/sec), H는 수심(m), U, V는 각각 x, y방향의 유속성분(m/sec), zb는 바닥면 표고(m), g는 중력 가속도(m/sec²), Ω는 Coriolis 계수, ρ는 물의 밀도(kg/m³), τbx, τby는 각각 x, y방향의 하상전단응력(N/m²), τsx, τsy는 각각 x, y방향의 수면전단응력(N/m²), τxx, τxy, τyx, τyy는 난 류로 인한 전단응력(N/m²) 그리고 βuu, βuv, βvu, βvv는 운동 량 보정계수이다.

2.3 수치해석 방법

홍수위험으로부터 안전한 수위유지시설(small dam)의 규모 를 제시하기 위하여 대상구간의 200년 빈도 홍수량에 대하여 수위유지시설의 설치 높이에 따른 하천의 수치해석을 실시하 였다. 수위유지시설의 설치 높이는 금남교 하류 1.16 km 지 점의 평수위(EL. 9.66 m)를 기준으로 7가지 시나리오로 설정 하였으며, 1차원과 2차원 모형의 시나리오별 수치해석 결과 를 대상구간의 각 단면별로 비교하여 분석하였다. 여기서 2 차원 모형의 계산된 수위는 단면의 평균 수위를 의미한다. 1 차원과 2차원 모형의 예비모의 결과 수위유지시설의 설치 높 이가 3 m까지는 홍수위 변화가 미미한 것으로 나타나 4 m부 터 시나리오를 설정하였다. Table 1은 시나리오별 수위유지시 설의 높이를 나타내며, 수위유지시설의 미설치를 나타내는 CASE 1에서 마루고(crest elevation)는 그 단면의 최심하상 고를 기입하였다.

3. 입력자료 및 모형의 적용성 검토

HEC-RAS의 입력자료(input data)에는 상·하류단 경계조 건, 조도계수, 단면확대계수, 단면축소계수 등이 있으며, FESWMS의 입력자료에는 상·하류단 경계조건, 조도계수, 난류환산계수, 중력가속도, 수온 등이 있다. 1차원과 2차원 모형의 상류단 경계조건은 “금강수계 하천정비기본계획(건설 교통부, 2002)”에 수록된 미호천합류후 지점의 200년 빈도 홍수량인 12,960 m³/sec를 사용하였으며, 하류단 경계조건은 대교천합류후 지점의 200년 빈도 홍수위인 EL. 23.84 m를 사용하였다. 대상구간의 상·하류단 경계조건은 세종시 예정 지역 내 금강본류 구간의 치수 계획빈도와 일관되게 설정하 였다(한국토지공사, 2007). 그리고 대상구간의 조도계수는 구 간이 길고 자료의 한계로 인하여 “금강수계 하천정비기본계 획(건설교통부, 2002)”을 이용하여 결정하였다. 대상구간은 금 강 본류에서 대청댐 역조정지와 지천합류부 사이에 해당되므 로 이 구간의 조도계수 값을 적용하였다. Table 2는 본 연구 에서 사용한 1차원과 2차원 모형의 입력자료를 나타낸다.

2차원 FESWMS의 입력자료인 난류환산계수 값은 사용자 지침서(User's Manual)에 제시된 Table 3을 바탕으로 결정하 였으며, 일반적인 하천에서의 난류환산계수 값인 1,500 N·sec/

m²를 적용하였다(Environmental Modeling Research Labo- ratory, 2000). 난류환산계수 값을 1,500 N·sec/m²로 적용하 였을 경우 예비모의 결과 해가 발산되지 않고 비교적 안정된 해를 얻는 것으로 나타났다.

HEC-RAS와 FESWMS 모형을 실행하기 위한 대상구간의

∂H∂t --- ∂(HU)

--- ∂∂x (HV) ---∂y

+ + =q

∂ HU( ) ---∂t ∂

∂x--- β_uuHUU ₍cosα_xcos_αz)²¹ 2---gH²

+ ∂

∂y---(β_uvHUV)

+ +

α cos _y gH∂z_b

---∂y ΩHU 1

ρ--- τ_by–τ_sy ∂ Hτ( _yx)

∂_x ---

– ∂ Hτ( _yy)

∂_y --- – +

– =0

+

∂ HV( ) ---∂t ∂

∂x---(β_uvHVU) ∂∂y--- β_vvHVV ₍cosα_ycos_αz)²¹ 2---gH² +

+ +

α cos _y gH∂z_b

---∂y ΩHU 1

ρ--- τ_by–τ_sy ∂ Hτ( _yx)

∂_x ---

– ∂ Hτ( _yy)

∂_y --- – +

– =0

+

Table 2. Input data for 1D HEC-RAS and 2D FESWMS Models

Parameters 1D HEC-RAS 2D FESWMS

Upstream boundary condition (Miho stream confluence) 12,960 m³/sec 12,960 m³/sec Downstream boundary condition (Daekyo stream confluence) EL. 23.84 m EL. 23.84 m

Roughness coefficient 0.027 0.027

Contraction coefficient 0.1 -

Expansion coefficient 0.3 -

Turbulent exchange coefficient - 1,500 N·sec/m²

Acceleration of gravity - 9.8 m/sec²

Water temperature - 15^oC

Table 1. The height of the small dam for each scenario Scenarios Height (m) Crest elevation

(EL. m) Remarks

CASE 1 0 6.13

Normal water level (9.66 EL. m)

CASE 2 4 13.66

CASE 3 5 14.66

CASE 4 6 15.66

CASE 5 7 16.66

CASE 6 8 17.66

CASE 7 9 18.66

지형자료(geometry data)는 “금강수계 하천정비기본계획(건설 교통부, 2002)”의 종·횡단면도와 1:5,000 수치지도를 가지고 CAD 작업을 통하여 구축하였으며, 본 연구에서는 금강의 본 류 중 미호천합류후 지점에서 대교천합류후 지점까지의 자료 를 사용하였다. Table 4는 1차원과 2차원 모형의 지형자료를 나타낸다. HEC-RAS의 지형자료는 Fig. 2에서 보는바와 같 이 22개 단면으로 구성되며, FESWMS의 유한요소망은 Fig.

3에서 보는바와 같이 총 9,110개의 절점(node)과 총 2,498개 의 요소망(element)으로 구성되어진다. 본 연구에서는 대부분 의 요소망을 사각형 요소로 구축하였으며, 삼각형 요소는 교 량지점과 양안의 가장자리를 제외하곤 최소화 하였다. 수위유 지시설의 폭(width)은 “행정중심복합도시 금강 및 미호천 하 상변동조사(한국토지공사, 2007)”에서 계획한 값을 사용하였 으며, 그 밖의 구조물(수위유지시설) 자료는 Table 5와 같다.

3.2 모형의 적용성 검토

수치모형에 의한 결과가 실제 홍수사상을 적절하게 재현하 고 있는 지를 검정하는 것은 매우 중요하다. 그런데 금강수 계 하천정비기본계획 보고서(건설교통부, 2002)에서 제시된 대상구간에 대한 200년 빈도 홍수량과 홍수위는 본 연구에서

사용된 HEC-RAS 모형에 의한 결과이므로 두 값의 차이를 비교하는 것은 의미가 없을 것으로 판단된다. 따라서 본 연 구에서는 시나리오별 홍수위를 금강수계 하천정비기본계획(건 설교통부, 2002)에서 고시된 홍수위값과 FESWMS 모형에 의해 계산된 값을 비교·분석하였다. 홍수위값을 비교한 결 과 Table 6에서 보는바와 같이 CASE 1의 경우 0.05 m~

0.45 m의 차이를 보였으며, 차이의 백분율이 +0.20% ~ +1.86%

사이로 나타났다. CASE 7은 -0.53 m ~ 0.47 m의 차이를 보 였으며, 차이의 백분율이 -2.15% ~ +1.92% 사이로 나타났다.

CASE 7에서 차이의 백분율이 가장 크게 나타나 수위유지시 설의 설치 높이가 높아질수록 계산치의 차이가 커지는 것으 로 분석되었다. 하지만 CASE 1과 CASE 7 모두 차이의 백분율이 ±2.15% 이내로 분석되어 고시된 홍수위값과 FESWMS 모형의 계산된 홍수위값이 전반적으로 근접하게 모의된 것으로 판단된다. 계산된 홍수위값이 미세하게나마 차 이가 발생한 이유는 금강수계 하천정비기본계획(건설교통부, 2002)에서 사용된 1차원 모형과 2차원 모형에서 사용된 매개 변수(parameter) 및 지형자료(geometry data)의 차이에 의한 것이라고 판단된다.

4. 수치해석 결과분석

1차원 HEC-RAS 모형에 의한 시나리오별 홍수위 분석 결 과 Fig. 4에서 보는바와 같이 수위유지시설의 설치 높이가 높 아질수록 상류측 홍수위가 상승하는 것으로 나타났으며, 하류 Table 3. Values of the turbulent exchange coefficient (EMRL,

2000)

Conditions ε (lb·sec/ft²)ε (N²·sec/m²) Shallow river (slow current) 5~25 240~1200 Shallow river (fast current) 25~50 1200~2400 Deep estuary (small elements) 50~100 2400~4800 Deep estuary (large elements) 200~300 9500~14400 Wetland with tidal wetting and drying 100~200 4800~9500 Flow separation around structures 1~5 50~240

Table 4. Geometry data for 1D HEC-RAS and 2D FESWMS Models

Geometry data 1D HEC-RAS 2D FESWMS Cross section 22 cross sections - Cross section lengths (mean) 495 m -

Nodes - 9,110

Elements - 2,498

Fig 2. Cross section of the study reach (1D HEC-RAS model)

Fig 3. Finite element mesh of the study reach (2D FESWMS model)

Table 5. Structure data for 1D HEC-RAS and 2D FESWMS Models

Structure data 1D HEC-RAS 2D FESWMS

Width 3.8 m 3.8 m

Crest shape Broad crested Broad crested Weir coefficient 1.44 - Discharge coefficient (C_W) - 0.544

측 홍수위 변화는 없는 것으로 분석되었다. CASE 1~CASE 5는 계산된 홍수위가 모두 계획홍수위(designed flood water level)를 넘지 않아 200년 빈도 홍수량에 대하여 홍수로부터 안전한 것으로 분석되었다. 이에 반해 CASE 6과 CASE 7 은 계산된 홍수위가 계획홍수위를 상회하여 200년 빈도 홍수 량에 대하여 홍수로부터 위험한 것으로 분석되었다.

시나리오별 유속 분석 결과 Fig. 5에서 보는바와 같이 수

위유지시설의 설치 높이가 높아질수록 상류측 유속은 감소하 는 것으로 나타났으며, 이는 수위 상승에서 기인한다. 그리고 수위유지시설의 하류측 유속 변화는 없는 것으로 분석되었다.

1차원 모형은 수위유지시설 하류측의 홍수위와 유속 변화가 모두 없는 것으로 분석되어 수위유지시설 하류측의 수리량을 모의하지 못하는 것으로 나타났다. Table 7은 시나리오별 1 차원 HEC-RAS의 홍수위 비교를 나타낸다.

Table 6. Comparison of flood water level for Designed and 2D FESWMS model Distance from

downstream (km)

CASE 1(EL. m) Difference (%) [(A-B)/A]*100

CASE 7 (EL. m) Difference (%) [(A-B)/A]*100 Designed (A) FESWMS (B) Designed (A) FESWMS (B)

10.39 25.42 25.27 +0.59 25.42 25.77 -1.38

9.84 25.40 25.22 +0.71 25.40 25.73 -1.30

9.34 25.34 25.21 +0.51 25.34 25.72 -1.50

8.89 25.31 25.20 +0.43 25.31 25.71 -1.58

8.39 25.21 25.12 +0.36 25.21 25.64 -1.71

7.87 25.11 25.01 +0.40 25.11 25.55 -1.75

7.39 25.02 24.97 +0.20 25.02 25.52 -2.00

6.89 24.92 24.87 +0.20 24.92 25.43 -2.05

6.38 24.89 24.81 +0.32 24.89 25.39 -2.01

5.87 24.86 24.77 +0.36 24.86 25.35 -1.97

5.36 24.83 24.76 +0.28 24.83 25.34 -2.05

4.80 24.74 24.65 +0.36 24.74 25.25 -2.06

4.25 24.72 24.64 +0.32 24.72 25.24 -2.10

3.67 24.61 24.52 +0.37 24.61 25.14 -2.15

3.52^* 24.59 24.30 +1.18 24.59 24.92 -1.34

3.26 24.59 24.36 +0.94 24.59 25.00 -1.67

2.78 24.56 24.32 +0.98 24.56 24.95 -1.59

2.35^** 24.52 24.24 +1.14 24.52 24.81 -1.18

1.92 24.44 24.15 +1.19 24.44 23.97 +1.92

1.37 24.40 24.12 +1.15 24.40 24.17 +0.94

0.57 24.23 23.78 +1.86 24.23 23.78 +1.86

0 24.11 23.77 +1.41 24.11 23.77 +1.41

* Geumnam Bridge cross section

** Small Dam cross section

Fig 4. Comparison of flood water level for each scenario (1D HEC-RAS model)

Fig 5. Comparison of velocity for each scenario (1D HEC- RAS model)

4.2 FESWMS 모형의 결과분석

2차원 FESWMS 모형에 의한 시나리오별 홍수위 분석 결 과 Fig. 6에서 보는바와 같이 수위유지시설의 설치 높이가 높아질수록 상류측 홍수위가 상승하는 것으로 나타났으며, 하 류측의 홍수위 변화는 직하류를 제외하곤 거의 없는 것으로 분석되었다. CASE 1~CASE 3은 계산된 홍수위가 모두 계 획홍수위(designed flood water level)를 넘지 않아 200년 빈도 홍수량에 대하여 홍수로부터 안전한 것으로 분석되었다.

이에 반해 CASE 4~CASE 7은 계산된 홍수위가 계획홍수위 를 상회하여 200년 빈도 홍수량에 대하여 홍수로부터 위험한

것으로 분석되었다. 수위유지시설의 직하류부에서는 수위유지 시설의 설치 높이가 높아질수록 홍수위가 저하되는 것으로 나타났는데, 이는 유량이 수위유지시설을 월류하면서 빠른 유 속이 발생되었기 때문이라고 판단된다. 그리고 금남교에서는 홍수위가 갑자기 저하되는 것으로 나타났는데, 이는 교각과 교각사이의 빠른 유속에 의한 것이라고 판단된다.

시나리오별 유속 분석 결과 Fig. 7에서 보는바와 같이 수 위유지시설의 설치 높이가 높아질수록 상류측 유속은 감소하 는 것으로 나타났으며, 이는 수위 상승에서 기인한다. 그리고 수위유지시설의 하류측 유속 변화는 직하류를 제외하곤 거의 Table 7. Comparison of flood water level for each scenario (1D HEC-RAS model)

Distance from downstream (km)

Flood water level (EL. m)

Designed CASE 1 CASE 2 CASE 3 CASE 4 CASE 5 CASE 6 CASE 7 10.39 25.42 25.13 25.19 25.20 25.23 25.27 25.34 25.55

9.84 25.40 25.10 25.16 25.18 25.21 25.25 25.32 25.53 9.34 25.34 25.09 25.15 25.17 25.19 25.24 25.31 25.52 8.89 25.31 25.06 25.12 25.13 25.16 25.21 25.28 25.49 8.39 25.21 24.97 25.03 25.05 25.08 25.12 25.20 25.41 7.87 25.11 24.83 24.90 24.91 24.94 24.99 25.06 25.29 7.39 25.02 24.80 24.87 24.88 24.91 24.95 25.03 25.25 6.89 24.92 24.74 24.80 24.82 24.85 24.89 24.97 25.20 6.38 24.89 24.69 24.75 24.77 24.80 24.84 24.92 25.16 5.87 24.86 24.65 24.72 24.74 24.77 24.81 24.89 25.12 5.36 24.83 24.63 24.70 24.72 24.75 24.79 24.87 25.11 4.80 24.74 24.53 24.60 24.62 24.65 24.69 24.77 25.02 4.25 24.72 24.51 24.58 24.60 24.63 24.67 24.75 25.00 3.67 24.61 24.37 24.44 24.47 24.50 24.54 24.63 24.88 3.52 24.59 24.34 24.42 24.44 24.47 24.52 24.60 24.86 3.26 24.59 24.34 24.41 24.44 24.47 24.51 24.60 24.85 2.78 24.56 24.31 24.38 24.41 24.44 24.48 24.57 24.83 2.35 24.52 24.21 24.29 24.31 24.34 24.39 24.48 24.74 1.92 24.44 24.18 24.18 24.18 24.18 24.18 24.18 24.18 1.37 24.40 24.15 24.15 24.15 24.15 24.15 24.15 24.15 0.57 24.23 23.85 23.85 23.85 23.85 23.85 23.85 23.85

0 24.11 23.84 23.84 23.84 23.84 23.84 23.84 23.84

Fig 6. Comparison of flood water level for each scenario (2D FESWMS model)

Fig 7. Comparison of velocity for each scenario (2D FESWMS model)

없는 것으로 분석되었다. 수위유지시설의 직하류부에서는 수 위유지시설의 설치 높이가 높아질수록 유속이 증가되는 것으 로 나타났다. 이는 보다 큰 규모의 수위유지시설로 인해 하 류부에 상당한 흐름 교란이 발생되었기 때문이라고 판단된다.

Table 8은 시나리오별 2차원 FESWMS의 홍수위 비교를 나 타낸다.

본 연구에서는 대상구간 내 수공구조물이 위치하고 있는 금남교(Geumnam Bridge) 단면과 수위유지시설(Small Dam) 단면에 대하여 2차원 FESWMS 모형의 시나리오별 흐름 변 화를 분석하였다. 금남교 단면에서의 흐름 변화를 살펴보면 금남교의 교각과 교각 사이에서 빠른 유속이 발생함을 알 수 있는데, 이는 교각으로 인한 통수단면적의 감소에 의한 것이 라고 판단된다. 또한, 금남교 단면은 상·하류 단면의 하폭에 비해 비교적 일정한 일직선 하도 구간으로 원활한 흐름이 이루 어진 것으로 나타났으며, 흐름의 역행이 발생되지 않는 것으로 나타났다. Fig. 8은 금남교 단면에서의 유속벡터도를 보여준다.

수위유지시설 단면에서의 흐름 변화를 살펴보면 수위유지 시설의 설치 높이가 높아질수록 상류의 흐름은 유속이 감소 되는 것으로 나타났으며, 하류의 흐름은 유속이 증가되어 흐 름 교란이 발생하는 것으로 나타났다. 수위유지시설 단면은 상·하류 단면에 비해 하폭이 일정하지 않고 만곡부에 해당 되는 구간으로 주수로(main channel)와 양안의 흐름 차이가 상당히 발생된 것으로 나타났다. 특히, 수위유지시설 하류부

의 우안측에서는 흐름이 역행이 발생된 것을 알 수 있다.

Fig. 9는 수위유지시설 단면에서의 유속벡터도를 보여준다.

4.3 1차원 HEC-RAS와 2차원 FESWMS에 의한 수치 해석 결과 분석

수위유지시설(small dam)의 설치 단면을 기준으로 상류와 하류의 주요 단면에 대하여 시나리오별 1차원 HEC-RAS와 2차원 FESWMS의 수치해석 결과를 분석하였다. Fig. 10을 보는바와 같이 상류 단면은 수위유지시설로부터 5.03 km 떨 어진 단면(A)과 1.16 km 떨어진 금남교 단면(B)이며, 하류 단면은 0.41 km 떨어진 수위유지시설 직하류 단면(C)이다.

수치해석 비교 결과 Table 9에서 보는바와 같이 수위유지 시설로부터 상류측으로 5.03 km 떨어진 단면(A)에서는 1차원 과 2차원 모형 모두 수위유지시설 설치에 따라 수위가 상승 되는 것으로 모의되었으며, 설치 높이가 높아질수록 상승량이 더 커지는 것으로 나타났다. HEC-RAS와 FESWMS의 차이 가 -0.27 m ~ -0.12 m 사이로 나타나 2차원 FESWMS의 계 산치가 보다 크게 모의된 것으로 분석되었다. 수위유지시설로 부터 상류측으로 1.16 km 떨어진 금남교 단면(B) 또한 마찬 가지로 1차원과 2차원 모형 모두 수위유지시설 설치에 따라 수위가 상승되는 것으로 모의되었으며, 설치 높이가 높아질수 록 상승량이 더 커지는 것으로 나타났다. HEC-RAS와 FESWMS의 차이가 0.01 m ~ 0.12 m 사이로 나타나 1차원 Table 8. Comparison of flood water level for each scenario (2D FESWMS model)

Distance from downstream (km)

Flood water level (EL. m)

Designed CASE 1 CASE 2 CASE 3 CASE 4 CASE 5 CASE 6 CASE 7 10.39 25.42 25.27 25.28 25.30 25.33 25.39 25.49 25.77

9.84 25.40 25.22 25.24 25.25 25.28 25.34 25.44 25.73 9.34 25.34 25.21 25.22 25.24 25.27 25.33 25.43 25.72 8.89 25.31 25.20 25.21 25.23 25.26 25.32 25.42 25.71 8.39 25.21 25.12 25.13 25.15 25.18 25.24 25.34 25.64 7.87 25.11 25.01 25.03 25.05 25.08 25.14 25.25 25.55 7.39 25.02 24.97 24.99 25.00 25.04 25.10 25.21 25.52 6.89 24.92 24.87 24.89 24.90 24.94 25.01 25.11 25.43 6.38 24.89 24.81 24.83 24.85 24.89 24.96 25.07 25.39 5.87 24.86 24.77 24.79 24.81 24.84 24.91 25.02 25.35 5.36 24.83 24.76 24.77 24.79 24.83 24.90 25.01 25.34 4.80 24.74 24.65 24.67 24.69 24.72 24.80 24.91 25.25 4.25 24.72 24.64 24.66 24.68 24.72 24.79 24.90 25.24 3.67 24.61 24.52 24.54 24.56 24.60 24.67 24.79 25.14 3.52 24.59 24.30 24.30 24.32 24.36 24.43 24.56 24.92 3.26 24.59 24.36 24.38 24.40 24.44 24.52 24.64 25.00 2.78 24.56 24.32 24.34 24.36 24.40 24.47 24.60 24.95 2.35 24.52 24.24 24.26 24.27 24.30 24.37 24.47 24.81 1.92 24.44 24.15 24.12 24.10 24.08 24.05 24.00 23.97 1.37 24.40 24.12 24.13 24.13 24.13 24.14 24.15 24.17 0.57 24.23 23.78 23.78 23.78 23.79 23.79 23.78 23.78

0 24.11 23.77 23.77 23.77 23.77 23.77 23.77 23.77

HEC-RAS의 계산치가 보다 크게 모의된 것으로 분석되었다.

수위유지시설로부터 상류측에 위치한 단면의 수치해석 비 교 결과를 종합해보면 횡단구조물이 위치한 금남교 단면(B) 에서는 2차원 모형의 홍수위 계산치가 1차원에 비해 작게 산 정된 반면 수위유지시설로부터 5.03 km 떨어진 단면(A)을 포 함한 그 외의 상류측 단면에서는 2차원 모형의 계산치가 1차 원에 비해 크게 산정되는 것으로 나타났다.

수위유지시설로부터 하류측으로 0.41 km 떨어진 단면(C)에 서 수치해석 비교 결과 Table 9를 보는바와 같이 1차원 HEC-RAS는 수위유지시설 설치에 따라 수위의 변화가 없는 것으로 나타났으며, 2차원 FESWMS는 수위가 저하되는 것 으로 모의되었다. HEC-RAS와 FESWMS의 차이가 0.03 m

~0.21 m 사이로 나타나 1차원 HEC-RAS의 계산치가 보다 크게 모의된 것으로 분석되었다. 유속 비교 결과 Table 10을 보는바와 같이 1차원 HEC-RAS는 수위유지시설 설치에 따라 변화가 없는 것으로 나타났으며, 2차원 FESWMS는 수위유 지시설의 설치 높이가 높아질수록 빠른 유속이 발생되는 것 으로 나타났다.

수위유지시설로부터 하류측에 위치한 단면(C)의 수치해석 비교 결과를 종합해보면 1차원 HEC-RAS는 수위유지시설 하

류측의 홍수위와 유속 변화가 모두 없는 것으로 분석되어 수 위유지시설 하류측의 수리량을 모의하지 못하는 것으로 나타 났다. 이에 반해 2차원 FESWMS는 수위유지시설의 설치 높 이가 높아질수록 하류측에 빠른 유속이 발생된 것으로 분석 되어 수공구조물 설치에 따른 흐름특성의 변화를 보다 잘 표 현하는 것으로 나타났다. 수위유지시설을 기준으로 상류와 하 류 단면에서 1차원과 2차원 수치해석 비교 결과를 종합적으 Fig 9. The diagram of velocity vector (Small Dam cross section)

Fig 10. The location of A, B and C cross sections Fig 8. The diagram of velocity vector (Geumnam Bridge cross section)

로 견주어볼 때 수공구조물이 설치된 일부 단면에 한정하여 2차원 해석이 1차원에 비해 수리량을 보다 세밀하게 표현하 는 것으로 분석되었다.

5. 결 론

홍수위험으로부터 안전한 수위유지시설(small dam)의 규모 를 제시하기 위하여 본 연구에서는 수위유지시설의 설치에 따른 하천의 수리학적 흐름특성의 변화를 분석하였으며, 1차 원과 2차원 수치모형을 적용하여 시나리오별 수치해석을 수 행한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.

(1) 대상구간의 200년 빈도 홍수량에 대하여 1차원 HEC- RAS와 2차원 FESWMS의 수치해석 결과를 바탕으로 홍수재해(flood disaster)로부터 안전한 하천설계를 위해 서는 수위유지시설의 높이를 5 m 이하로 설계하는 것 이 적정할 것으로 판단된다.

(2) 1차원과 2차원 모형의 수리량을 비교·분석한 결과 1 차원 HEC-RAS는 수위유지시설 하류측의 수리량을 모 의하지 못하는 것으로 나타났으며, 2차원 FESWMS는 수공구조물과 그 주위의 수리량을 보다 잘 표현하는 것으로 나타났다. 이를 통해 수공구조물로 인해 지형이 복잡한 일부 단면에 한정하여 2차원 해석이 수리량을

보다 세밀하게 표현하는 것으로 생각되며, 복잡한 하도 구간의 수치해석을 수행함에 있어 1차원과 더불어 2차 원 모형을 함께 적용하는 것이 효율적일 것으로 판단 된다.

본 연구는 수위유지시설의 설치에 따른 하천의 수치해석을 실시함으로써 홍수재해로부터 안전한 수위유지시설의 규모를 제시하였으며, 이는 향후 수위유지시설의 규모를 결정함에 있 어 활용될 수 있을 것으로 사료된다. 또한, 수위유지시설 설 치에 따른 영향검토를 수행함에 있어 치수뿐만 아니라 이수 및 환경적 측면에서의 타당성 검토에 대한 연구가 진행되어 야 할 것으로 사료된다.

참고문헌

건설교통부 (2002). 금강수계 하천정비기본계획.

박우식 (2002). 하천 횡단구조물에 의한 홍수위 변화분석에 관한 연구, 석사학위논문, 연세대학교.

안상진, 이재경, 이상횡, 이제문 (2003). 하천구조물에 의한 흐름 특성. 한국수자원학회 학술발표회 논문집, 한국수자원학회, pp.

811-814.

윤용남, 박무종 (1994). FESWMS-2DH에 의한 한강하류부의 수 리특성 분석. 대한토목학회논문집, 대한토목학회, 제14권, 제4 호, pp. 847-857.

이배성, 정소영, 정동국, 이상진 (2006). 보 철거 후 하도내 흐름 Table 9. Comparison of flood water level for each scenario (A, B and C cross sections)

Cross section Model Flood water level (EL. m)

CASE 1 CASE 2 CASE 3 CASE 4 CASE 5 CASE 6 CASE 7

A

HEC-RAS (1) 24.80 24.87 24.88 24.91 24.95 25.03 25.25 FESWMS (2) 24.97 24.99 25.00 25.04 25.10 25.21 25.52 (1)-(2) -0.17 -0.12 -0.12 -0.13 -0.15 -0.18 -0.27

B

HEC-RAS (1) 24.34 24.42 24.44 24.47 24.52 24.60 24.90 FESWMS (2) 24.30 24.30 24.32 24.36 24.43 24.56 24.89

(1)-(2) 0.04 0.12 0.12 0.11 0.09 0.04 0.01

C

HEC-RAS (1) 24.18 24.18 24.18 24.18 24.18 24.18 24.18 FESWMS (2) 24.15 24.12 24.10 24.08 24.05 24.00 23.97

(1)-(2) 0.03 0.06 0.08 0.10 0.13 0.18 0.21

Table 10. Comparison of velocity for each scenario (A, B and C cross sections)

Cross section Model Velocity (m/sec)

CASE 1 CASE 2 CASE 3 CASE 4 CASE 5 CASE 6 CASE 7

A

HEC-RAS (1) 1.74 1.72 1.72 1.72 1.71 1.70 1.66 FESWMS (2) 1.61 1.61 1.60 1.60 1.59 1.57 1.53

(1)-(2) 0.13 0.11 0.12 0.12 0.12 0.13 0.13

B

HEC-RAS (1) 1.99 1.98 1.98 1.97 1.96 1.94 1.90 FESWMS (2) 2.29 2.26 2.23 2.21 2.19 2.18 2.10 (1)-(2) -0.30 -0.28 -0.25 -0.24 -0.23 -0.24 -0.20

C

HEC-RAS (1) 1.74 1.74 1.74 1.74 1.74 1.74 1.74 FESWMS (2) 1.64 1.72 1.80 1.88 1.99 2.16 2.31 (1)-(2) 0.10 0.02 -0.06 -0.14 -0.25 -0.42 -0.57

특성 변화. 한국수자원학회 학술발표회 논문집, 한국수자원학회, pp. 1686-1690.

한국건설기술연구원 (1995). 이차원 하천 모형의 개발 I.

한국토지공사 (2007). 행정중심복합도시 금강 및 미호천 하상변동조사.

Dimet, F-X. Le, Mazauric. C. and Castaings, W. (2002). Models and data for flood modeling. Euro China 2002, Beijing, China.

Environmental Modeling Research Laboratory (2000). SMS(Sur- faceWater Modeling System) User's Manual, Brigham Young University.

Jennifer, G. Duan. and S. K, Nanda (2006). Two-dimensional depth- averaged model simulation of suspended sediment concentra-

tion distribution in a groyne field. Journal of Hydrology, ASCE, Vol. 327, pp. 426-437.

Merwade, V. (2008). Comparison of One-dimensional HEC-RAS with Two-dimensional FESWMS Models in Flood Inundation Mapping. 2008 Spring Specialty Conference, American Water Resources Association, San Mateo, CA.

◎ 논문접수일 : 09년 2월 24일

◎ 심사의뢰일 : 09년 2월 25일

◎ 심사완료일 : 09년 3월 26일