* 정회원 ․ 창원대학교 공과대학 토목공학과 박사과정 ([email protected])
** 정회원 ․ 교신저자 ․ 창원대학교 공과대학 토목공학과 부교수 (Corresponding Author ․ Changwon National University ․ [email protected]) Received March 6, 2013/ revised May 7, 2013/ accepted July 3, 2013
Copyright ⓒ 2013 by the Korean Society of Civil Engineers
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DOI: http://dx.doi.org/10.12652/Ksce.2013.33.5.1829 www.kscejournal.or.kr
낙동강 수계 준설 및 수리시설물 운영에 따른 흐름특성 연구
안정민*ㆍ류시완**
Ahn, Jung Min*, Lyu, Siwan**
A Study on the Effect of Dredging and Operation of Weirs on Hydraulic Characteristics in Nakdong River
ABSTRACT
It is essential to understand the hydraulic characteristics in accordance with the changes in the river environment and operating hydraulic structures for increasing flood-control capacity. The objective of this study is to analysis the effect of dredging and operation of weirs on hydraulic characteristics in Nakdong River(Seongju∼Imhaejin). HEC-RAS model has been used to examine the hydraulic characteristics with considering the flow transition through the unsteady flow analysis and the information about the specifications of multi-functional weirs. The relationship between Manning n and roughness height k, the effect of weir installation and operation on the flow and stage, and the bed change resulted from the river treatment project have been examined by steady and unsteady flow analysis. It is expected that the result from this study can be the basic data for the river treatment and management.
Key words : HEC-RAS, Hydraulic characteristic, Nakdong river, River treatment 초 록
수리구조물의 효과적 운영과 홍수기 피해저감을 위해서는 하천수리특성에 대한 적절한 이해가 필수적이기 때문에 본 연구에서는 낙동강 수계 금호강 유입지점 하류를 대상으로 준설 및 수리시설물 운영에 따른 수리특성 영향을 분석하였다. 수리특성 분석을 위해 HEC-RAS 모형을 이용 하였으며, 부정류 흐름 해석을 통해 흐름의 천이를 반영하고 수리시설물 운영을 위한 다기능보 제원을 적용하였다. 조도계수와 조고값의 관계, 정류와 부정류 흐름해석, 사업 전과 후 하천 단면 그리고 다기능보 운영에 따른 하천 흐름에 대해 다각도로 연구를 하였다. 낙동강 수계 주요 관 심구간을 중심으로 급격한 지형변화 및 수리구조물 운영에 의한 홍수에 대비하고 주요지점별 유량 전달에 의한 홍수파에 대해 분석된 자료는 합 리적인 하천관리를 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.
검색어 : HEC-RAS, 수리특성, 낙동강, 하천정비
1. 서 론
우리나라 하천은 도시화와 산업화를 거치면서 이ㆍ치수를 중심으로 개발되어 왔으며 최근 들어 지구 온난화 등의 범지구적인 기후변화로 인해 돌발호우 및 집중호우가 빈번하게 발생되고 있다. 특히, 우리나라는 제방축조 위주의 치수대책으로 인하여 치수 위험도가 증가하고 있기 때문에 이에 대한 대응책으로 준설에 의한 홍수방어능력 증대를 제안하였다(국토해양부, 2009a). 4대강살리기사업은 준설을 통한 홍수방어능력 증대 사업의 대표적 사례로 급격한 하천의 물리적 환경변화 및 새로운 하천시설 도입으로 홍수발생 조건의 변화를 야기하였다.
Water Engineering 수공학
홍수 재해관리 방안에 대한 구조적 대책은 기존 하도의 첨두홍수량 을 분담하여 주변 지역의 홍수 피해의 잠재성을 완화시키며, 설계 방법에 따라 수변 공간의 미관 및 친수성을 증진시킬 수 있는 매우 실용적인 방안이라고 할 수 있다. 국토해양부(2009a)에서 도입한
“4 대강 살리기 마스터플랜”에서는 네덜란드에서 라인강에 대해 제시한 “Room for the River"의 개념을 도입하여 하도 준설, 홍수터 준설, 제방 후퇴 등을 골자로 한 홍수대책을 수립하였다. 그러나 대규모 하천공사 시행과 더불어 홍수기 하천의 흐름을 방해할 수 있는 수리시설물의 설치는 홍수재해 위험성을 증가시켰고, 준설에 따른 급격한 하천단면 변화는 기존의 수위-유량 관계곡선식의 신뢰 도를 저하시켰다. 이러한 급격한 변화에 따른 예측 불가능한 피해를 최소화하기 위해서는 하천에서의 흐름특성에 대한 정확한 조사 및 분석이 필수적이고, 발생할 수 있는 재난에 선제적으로 대응하기 위한 수리시설물 운영에 따른 수리특성분석이 필요하다.
하천의 수리특성 분석에 관한 연구로 국외의 경우, 수치모델링을 활용한 홍수 예측 및 복구 대책에 관한 연구가 주를 이루며 대표적으 로 Hicks and Peacock(2005)는 Peace River를 대상으로 홍수예측 을 위한 HEC-RAS모형의 부정류 모의 적합성을 평가하였고, Pappenberger et al(2005) 는 하류 범람 수위 관측자료를 활용한 HEC-RAS 부정류 모의를 수행하여 매개변수 불확실성을 평가하 였으며 Prafulkumar et al(2011)은 Lower Tapi 강을 대상으로 홍수예측을 위한 HEC-RAS 모형 매개변수 보정을 수행한 바 있다. 국내의 경우, 김병찬과 이종석(2009)은 하천 복원으로 인해 수리학적 요소가 급변한 하천에서의 정확한 조도계수를 산정하기 위한 방법을 도출하기 위해 HEC-RAS와 2차원 수리해석 방법을 이용하였고 이상진 등(2010)은 1차원 부정류 모형인 FLDWAV 모형을 이용하여 낙동강 하류의 홍수특성을 분석하였다. 김주영 등(2010)은 HEC-RAS 및 FLDWAV를 이용하여 한강을 대상으 로 계획홍수위를 검토하였으며 강형식 등(2011)은 HEC-RAS를 이용하여 극한홍수 사상에 대한 저류지의 홍수위 저감효과를 분석 한 바 있다. 김양수(2010)는 기존의 수문학적 모형은 하천구조물에 의한 배수영향 등을 고려하지 못하기 때문에 수리해석 모형의 병행 구축이 불가피하다고 하였으며, 이를 보완하기 위해 1차원 수리해석 모형인 FLDWAV를 채택하여 홍수예보시스템 구축을 통한 홍수예보 추진의 필요성을 언급하였다.
4대강살리기사업은 하도내 준설과 수리시설물 설치로 인해 잠재 적 위험성을 내포하고 있다. 하천을 횡단하는 구조물은 흐름을 지체시켜 상․하류에 급격한 수위차를 발생시키며, 국부유속의 증가 는 제방 및 하상을 세굴 시킬 수 있다. 본 연구에서는 4대강살리기사 업 전과 후 하천단면을 이용하여 1차원 수리모형을 구축하고 부정류 흐름 해석을 통해 흐름의 전이를 반영하고 수리시설물 운영을 통한 수리특성을 분석하였다. 낙동강 수계 주요 관심구간을 중심으
로 급격한 지형변화 및 수리구조물 운영에 의한 홍수에 대비하고 주요지점별 유량 전달에 의한 홍수파 전파양상 해석을 통해 분석된 자료는 합리적인 하천관리를 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.
2. 연구 내용
2.1 대상지역
연구대상 구간은 낙동강수계의 성주수위표 지점부터 임해진수 위표 지점이며 대상지역 현황은 Fig. 1과 같다. 금호강이 합류하는 낙동강 하류구간은 연평균 강수량 및 홍수기 강수량이 크고, 평지의 비율이 높으며, 하천경사는 완만하다. 또한, 홍수의 지속시간이 길고 이로 인해 홍수시 낙동강 수위 상승에 의한 지류하천의 내수배 제 불량이나, 파이핑 등 침투에 의한 홍수피해가 주로 발생한다(국 토해양부, 2009). 성주수위표는 No.384이고 임해진수위표는 No.163 이며 구간거리는 약 106.9 km이다. 대상구간 내에는 국가하천인 금호강, 황강, 남강이 합류하고 있으며 4대강살리기 사업을 통해 강정고령보, 달성보, 합천창녕보, 창녕함안보가 건설되었다. 각 지류 의 유입과 다기능보가 설치되어 있는 하천정비기본계획(국토해양 부, 2009b)상의 단면 번호는 금호강 No.363, 황강 No.259, 남강 No.202, 강정고령보 No.364+268, 달성보 No.322+295, 합천창녕 보 No.263+504, 창녕함안보 No.174+445 이다. 하류로부터 거리 는 강정고령보 지점 97.5 km, 금호강 합류지점 96.7 km, 달성보 지점 77.1 km, 합천창녕보 지점 48.1 km, 황강 합류지점 45.8 km, 남강 합류지점 17.1 km, 창녕함안보 지점 5.1 km이다. 최심부 를 연결한 하도선형은 매우 만곡한 형태를 나타내며 복잡한 지형특 성을 나타내고 있다. 내부 주요지점으로는 금호강 합류 후 화원수위 표가 위치하고 있고, 달성보 전과 후로 고령교수위표와 현풍수위표 가 위치해 있다. 또한, 황강 합류 후 적포교수위표, 남강 합류후 진동수위표가 위치해 있기 때문에 관측수위와 계산수위 비교를 통한 수리특성 검토가 가능하다.
2.2 단면자료 구축 및 경계조건
대표적인 비정상 하천수리 해석모형으로는 HEC-RAS(Hydrologic
Engineering Center, 2010) 와 FLDWAV(Fread and Lewis, 1998)
모형을 들 수 있으며, 국내에서 홍수분석을 위한 하천의 수리해석분
야에 매우 폭넓게 활용되어 왔다. HEC-RAS는 미육군공병단의
HEC(Hydrologic Engineering Center)에서 개발된 기존의 HEC-2
모형을 발전시킨 것으로 windows상에서 GUI환경을 제공하여
사용하기 쉬운 인터페이스를 갖추고 있고, 다양한 수리구조물의
운영을 반영할 수 있는 경계조건을 구성할 수 있다. FLDWAV
모형은 다기능보와 같은 가동보에 대한 흐름해석이 불가능하지만,
Fig. 1. Index Map of the Nakdong Basin and River
국내의 경우 전경수 등(2007)은 이를 수정하여 한강본류의 흐름해 석에 적용한 바 있다. 두 모형은 같은 Saint-Venant 방정식을 유한차분법을 적용하여 풀이하지만, 지형 입력 방식에서 차이가 있다. HEC-RAS에서는 실측된 단면자료를 활용할 수 있는 반면, FLDWAV는 좌우 대칭의 정형적인 하도단면이 요구되어 수심-하 폭에 대한 관계를 설정해 주는 부가적인 작업이 필요하거나, 모형이 발산할 경우, smoothing 기법을 통해 단면을 보정해야 한다. 따라 서, FLDWAV는 다기능보와 같은 수리구조물의 정확한 지형자료 입력이 불가능하다. 또한, 최근 미기상청 수문개발부 수리분과에서 는 수리평가팀(Hydraulic Evaluation Team)을 구성하여 홍수예측 모듈의 모형 불안정, 발산문제 해결기법 미비, 부적합한 지침서/설 명서, 다수의 결함, AWIPS 버전과 PC 버전의 불일치, 교육과정의 미비 또는 비효율성 등에 대해 평가하였고, FLDWAV 모형을 HEC-RAS 모형으로 대체를 추진 중에 있다(NWS, 2007; 김극수 등, 2009). HEC-RAS는 수질, 유사이송에 대한 모의가 가능하기 때문에 향후, 모의 범위 확장성이 용이하기 때문에 본 연구에서는 HEC-RAS를 채택하였다. 모형의 하상단면은 사업 전과 후로 구분
하여 구축하였다(Fig. 2). 사업 전 단면은 국토해양부(2009b)에서 수립한 하천정비기본계획 단면을 이용하였으며, 사업 후 단면은 각 공구별 낙동강실시설계보고서(국토해양부, 2009c; 국토해양부, 2009d; 국토해양부, 2009e; 국토해양부, 2009f)의 계획단면을 이 용하였다. 또한, 다기능보 제원 반영을 위해 Table 1과 같이 수리구 조물에 대한 제원을 수집하여 Fig. 3과 같이 구축하였다. HEC-RAS 에서는 수리구조물의 수문운영을 고려하기 위해서 Time Series Gate Openings, Elev Controlled Gates, Navigation Dams, Rules 의 4가지 방법으로 구성할 수 있으며 본 연구에서는 Time Series Gate Openings 옵션을 적용하여 모형을 구성하였다. 가동보 운영 조건을 적용하기 위해 2개의 가동보가 존치된 강정고령보의 경우, Gate 1은 수문높이 20 m, 폭 45 m, Gate 2는 수문높이 3 m, 폭 3 m로 설정하였고, Gate type는 Sluice, Weir 형태는 Ogee, Weir 계수는 1.82를 적용하였다. 3개의 가동보가 존치된 달성보의 경우, Gate 1~3의 수문높이 21 m, 폭 40 m로 설정하였고, Gate type는 Sluice, Weir 형태는 Ogee, Weir 계수는 1.8을 적용하였다.
3개의 가동보가 존치된 합천창녕보의 경우, Gate 1~3의 수문높이
Fig. 2. Profile of Before/After for the Four Major Rivers Restoration Project
Table 1. Specifications of Weir
Weir Changnyong-Haman Habcheon-Changnyong Dalseong Gangjeong-Goryeong Height (m) 10.7(EL.-5.7m~5m) 9(EL.1.5m~10.5m) 9.5(EL.4.5m~14m) 14(EL.5.5m~19.5m) Control
Gate
Length (m) 549.3 138 589.5 953.5
Height (m) 7.08
(EL.-2.08m~EL.5.0m)
Lift(B40×H9×3) (EL.1.5m~EL.10.5m)
9.59 (EL.4.5m~EL.14.09m)
11 (EL.8.5m~EL.19.5m)
Gate type Rising sector
(B40×H7.08×3)
190(uncontrol(110)+
hybrid weir(80))
Rising sector (B40×H8×3)
Rising sector (B45×H11.03×2)
Design flood(100yr) (㎥/s) 16,600 14,600 14,300 13,200
Design flood level
(before/after) (EL.m) 13.98/12.92 19.33/18.38 22.72/21.96 24.66/24.05
Management level
(Upstream/Downstream) (EL.m) 5.0/0.76 10.5/5.0 14.0/10.5 19.5/14.0
29.869 m, 폭 40 m로 설정하였고, Gate type는 Sluice, Weir 형태는 Broad Crested, Weir 계수는 1.71을 적용하였다. 3개의 가동보가 존치된 창녕함안보의 경우, Gate 1~3의 수문높이 20 m, 폭 40 m로 설정하였고, Gate type는 Sluice, Weir 형태는 Ogee, Weir 계수는 1.82를 적용하였다. 상류단 경계조건으로는 성주수위표의 관측유 량, 하류단 경계조건은 임해진수위표의 관측수위, 금호강, 황강 그리고 남강의 유입유량은 성서수위표, 죽고수위표 그리고 거룡강 수위표 관측유량을 각각 활용하였다. 각 수위표의 관측유량은 관측
된 수위자료를 바탕으로 한국수문조사연보(2006, 건설교통부)에
제시되어 있는 수위-유량 곡선식을 이용하여 유량으로 환산하여
적용하였다(Fig. 4). 홍수분석을 위한 수치모의는 부정류로 해석하
였으며 2006년 발생한 태풍 “에위니아(EWINIAR)” 사상을 선정
하였다. 태풍 “에위니아”는 2006년 7월 10일부터 7월 11일까지
한반도에 상륙하였고 태풍 상륙전 발생한 집중호우와 7월 11일부터
7월 13일까지 발생한 집중호우가 동반되어 이중 첨두 형태의 수문
곡선이 발생하였다. 에위니아는 재산피해가 18,344억원 발생하였
(a) Gangjeong-Goryeong (b) Dalseong
(c) Habcheon-Changnyong (d) Changnyong-Haman
Fig. 3. Cross-Section of Weir
(a) Discharge (b) Stage
Fig. 4. Boundary Condition
으며 이는 1904년부터 2009년까지 발생한 태풍사상 중 3위에 해당한다(국가태풍센터, 2011).
2.3 부정류 해석의 필요성
실제 자연에서 개수로 흐름은 시간에 대해 변하는 부정류이다.
하천흐름 분석의 경우, 부정류 와 정상류는 수치모의 결과에 큰 차이가 발생한다. 정상류는 시간에 따른 흐름 변화를 고려하지
않았기 때문에 흐름전이가 반영되지 않아, 부정류에 비해 상대적으
로 첨두유량에서 큰 값을 도출한다. 따라서, 하천제방설계의 안전측
에서 본다면 문제가 없지만, 설계비용 및 하천의 효율적 운영측면에
서는 문제점이 발생할 수 있다. 우효섭(2002)과 ASCE(1996)에서
는 하천 수위가 시간에 대해 급격하게 변화하거나, 하상 경사가
매우 완만하여 배수위 효과가 강하게 나타날 경우 하천 내 흐름을
부정류로 해석할 것을 권고한 바 있다. 4대강살리기사업을 통해
Fig. 5. Relationship of k and n
Fig. 6. Comparison of Results Calculated by HEC-RAS Using Equation 1(Hwaweon Gauging Station)
하도내 다기능보가 설치되었기 때문에, 다기능보의 가동보 및 고정 보에 따른 저류효과가 발생하며, 준설에 따른 급격한 환경변화로 하천 수위가 시간에 대해 급격하게 변화할 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 HEC-RAS를 이용하여 부정류 흐름해석을 수행하였 다. 김서준 등(2012)은 부정류 수리실험을 수행하여 HEC-RAS의 부정류 수치모의 적용성을 검토한 결과, 수위결과의 오차는 저유량 에서 1 mm, 고유량에서 2 mm의 수위차(3%)가 발생하였고 유량은 최대 1%오차가 발생하여 전반적으로 HEC-RAS가 부정류 흐름 변화를 정확하게 모의하는 것으로 평가하였다.
3. 수리특성 분석 및 고찰
3.1 최적 매개변수 산정 및 검증
흐름에 대한 하도의 저항정도를 표시하는 조도계수는 하천의 유량 및 수위를 결정짓는 가장 중요한 수치중의 하나이며 조도계수 의 값에 의해 수위의 상승 및 하강이 결정된다. 조도계수는 수치모의 결과에 민감하기 때문에 하천의 설계홍수위 결정에 따른 제방 설계시 수위의 과대 또는 과소산정으로 설계 비용 및 제방의 안전에 영향을 미칠 수 있다. 조도계수는 기본적으로는 하상의 특성에 의해 결정 되지만 하천 흐름을 계산할 경우 식생, 구조물, 사행, 하상변화, 유사량, 수위, 유량 등의 다양한 요인들을 조도계수에 반영시킬 수 있다. 이와 같이 조도계수 값에는 흐름에 대한 불명확한 요소들이 여러 가지 모양으로 개입되어있다. 조도계수를 산정하는 방법으로는 수치모형을 이용하여 관측수위 및 계산수위 비교를 통해 조도계수를 산정하는 방법과, Cowan(1956)과 Chow(1959) 의 도표를 이용하는 방법, 기존 하천설계에서 사용했던 조도계수를 참고하여 관행적으로 적용하는 방법이 있다. Manning의 조도계수 는 보통 n으로 표시하여 사용하지만 하천개수공사가 완료된 복단면 하도의 경우에는 합성조도계수, 즉 저수로와 홍수터를 합성한 조도 계수를 N으로 표시하여 사용하기도 한다. 실무에서는 통상적으로 하천정비기본계획 보고서에 기재되어 있는 값을 이용하거나 기존 하천설계에서 사용하던 합성 조도계수를 활용하고 있다. 이러한 방법은 설계홍수위를 산정하기 위하여 첨두유량을 이용하여 산정 하였거나 1차원 모형에 국한되어 산정된 값이기 때문에 부정류 문제를 해석하거나 다차원 수치모델링을 이용한 정밀한 수치검토 에 대한 문제점을 가지고 있다.
특히, 본 연구에서 진행하고자 하는, 4대강살리기 사업 전과 후 준설 및 수리시설물 운영에 따른 수리특성 검토를 하기 위해서는 사업 후 조도계수 값이 필요하다. 하지만, 준설 후 변화하게 되는 조도계수 값을 추정할 수 없다. 따라서, 본 연구에서는 Manning의 조도계수가 아닌, 조고값(Roughness height k)을 채택하기로 하였 다. Strickler(1923)에 의해 제안된 조고값은 Manning 계수와
달리 물리적인 의미가 확실하다. 이 계수는 경계면 조도 높이의 1/6 승에 비례하기 때문에 조도 높이 추정에서 큰 오차를 내도 그 결과에는 큰 영향을 미치지 않는다(우효섭, 2002). Nassar(2011) 는 Nile 강을 대상으로 Manning 조도계수와 조고값을 각각 적용하 여 하도흐름해석에 대한 매개변수 민감도 분석을 수행한 결과, 조고값을 적용할 경우 유속흐름예측의 정확성이 향상된다고 평가 한 바 있다. Thoman and Nisbet(2007)은 홍수흐름에 대한 수치모 의 시 Manning 조도계수에 비해 조고값이 수위변화에 대한 변화를 보다 더 잘 고려한다고 평가하였다. Manning n에 대한 Strickler의 방정식은 이후에 Nikuradse(1933)에 의해서 모래입자 크기를 이용 한 실험을 통해 관의 마찰계수를 정성적으로 찾고자 시도하였고, Williamson(1951)는 Nikuradse(1933)의 연구결과를 바탕으로 Eq. (1) 과 같은 n과 k의 관계식을 제안하였다(Fig. 5).
(k in meters) (1)
본 연구에서는 낙동강하천정비기본계획(국토해양부, 2009b)에
수립되어 있는 조도계수 n을 Eq. (1)을 이용하여 조고값으로 환산
Table 2. The Set of Simulated Scenarios
Case Bed condition Weir operation condition Analysis condition
1 Before - Unsteady flow
2 After Full open gate Unsteady flow
3 After Closed gate Unsteady flow
4 Before - Steady flow
Fig. 7. Roughness Height k
(a) Hwaweon (b) Goryeonggyo (c) Hyeonpung
(d) Jeokpogyo (e) Jindong
Fig. 8. Results Simulated for the Case 1 Using HEC-RAS
적용하였으며, 2006년 태풍 “에위니아” 사상으로 부정류 모의를
수행하여 화원수위표 지점에서의 수위결과를 비교하였다(Fig. 6).
Williamson(1951) 에 의해 제안된 변환식은 검토결과, Manning n과 조고값 적용에 따른 수위결과의 차이가 발생하지 않았기 때문에 타당한 것으로 판단되었다.
3.2 하도준설 및 다기능보운영에 따른 수리특성
하도준설 및 다기능보운영에 따른 수치모의 시나리오 설정은
Table 2 와 같다. Case 2는 모든 수문이 개방되어있는 조건을 적용하
기 위해 Time Series Gate Openings옵션에서 수문의 높이를 0m으
로 설정하였다. 1차원 하도 추적 시, 시계열 강우, 수위, 유량과
같은 상류경계조건은 수리모형의 안정화를 위해 상류에서 유입되
는 최소유량을 300 ㎥/sec로 적용하였으며 최소유량 이하의 유량은
최소유량으로 대체하였다. 조고값은 Eq. (1)을 이용하여 환산된
값을 하도와 홍수터를 구분하여 적용하였다(Fig. 7). 모의기간은
2006년 7월 8일부터 2006년 7월 25이며, 환산된 조고값을 적용하
여 계산된 Case 1의 수치모의 결과는 Fig. 8과 같다. 각 수위관측소
Table 3. The Review of Reproducibility for Models
Statistics method Hwaweon Goryeonggyo Hyeonpung Jeokpogyo Jindong
RMSE(m) 0.994 1.280 1.186 1.153 0.658
NSEC 0.960 0.920 0.936 0.910 0.964
Table 4. Specifications of Results Simulated for Scenario Using HEC-RAS
Station Max Value Case 1 Case 2 Case 3 Case 4
Hwaweon
Discharge(㎥/sec) 12,921 12,877 13,193 13,340.8
Stage(m) 23 21.6 22.1 23.91
Velocity(m/sec) 2.1 2.3 2.3 1.98
Goryeonggyo
Discharge(㎥/sec) 12,832 12,278 13,165 13,340.8
Stage(m) 21.6 20.2 20.7 22.52
Velocity(m/sec) 2.3 2.5 2.5 2.17
Hyeonpung
Discharge(㎥/sec) 12,808 12,276 12,991 13,340.8
Stage(m) 21 19.5 19.6 21.91
Velocity(m/sec) 2.5 2.6 2.8 2.33
Jeokpogyo
Discharge(㎥/sec) 14,332 14,268 14,273 15,910.3
Stage(m) 17.3 16.6 16.6 18.34
Velocity(m/sec) 2.6 2.5 2.5 2.62
Jindong
Discharge(㎥/sec) 17,109 17,023 17,042 18,726
Stage(m) 13 12.8 12.9 13.72
Velocity(m/sec) 3.5 3 3 3.6
별로 정량적 통계기법에 근거하여 관측 시계열 자료와 계산 결과를 이용하여 평균제곱근오차(Root mean square error, RMSE)와 Nash-sutcliffe 효율계수(Nash-sutcliffe efficiency coefficient, NSEC)로 분석하였다. 평균제곱근오차는 표준편차의 일반화된 식 으로 실제값과 추정값의 차이가 얼마인가를 알 수 있는 수치로써 0에 근접할수록 정확성이 높은 것을 의미하며 이와는 반대로 Nash- sutcliffe 효율계수는 추정치와 실측치가 일치하면 1.0이고, 그 값이 0과 1.0 사이에 있으면 추정치를 사용하는 것이 실측치의 평균을 이용하는 것보다 좋은 결과를 얻을 수 있다. 또한, 0보다 작으면 모형의 추정결과가 나쁘거나 실측자료가 일관성이 없음을 의미한다. 각 방법은 관측 시계열 자료와 각 모형별 계산결과를 이용하였으며 각 방법별 산출식은 (2)와 (3)과 같다. Table 3은 HEC-RAS 모형으로 계산된 결과를 RMSE와 NSEC로 분석한 결과이다. 각 수위관측소 별로 분석 결과, 진동수위표지점에서 가장 작은 오차가 발생하였으며, 고령교수위표지점에서 가장 큰 오차가 발생하였다. 모든 수위표 지점에서 NSEC가 0.9 이상의 결과가 나타났기 때문에 수치모형에 의한 결과의 신뢰도가 높다고 할 수 있다. 부분적으로 저수위일 경우, 관측 값과 불일치하는 부분에 대해서는 여러 가지 요인이 있을 수 있는데, 그 원인으로는 하천형상의 불일치와 지류 유입유량 산출에서 발생할 수 있는
오차라고 판단된다.
(2)
(3)
여기서,
는 관측수위,
는 계산수위, N은 데이터 개수,
는 관측평균값이다.
Table 4 와 Fig. 9는 시나리오에 따른 수리특성을 Case별로
분석한 결과를 도시한 것이다. Case 1~3을 분석한 결과, 사업
전과 후 하도준설에 따른 하상변화로 야기되는 유량, 수위, 유속의
민감도가 하류 보다 상류 지점에서 더 크게 나타났고, 사업 후
하상단면에서의 가동보 개폐에 따른 유량, 수위, 유속의 민감도는
화원 및 고령교수위표 지점에서 크게 나타났다. 사업 전과 사업
후 수위결과를 비교하면, 0.2~1.5 m 범위에서 수위 저하 효과가
나타났으며 다기능보의 수문을 닫고 운영할 경우 저수위에서 관리
(a) Hwaweon (b) Goryeonggyo (c) Hyeonpung
(d) Jeokpogyo (e) Jindong
Fig. 9. Results of Water Level Simulated for Scenario Using HEC-RAS
수위가 형성되는 것을 알 수 있었으나, 고수위에서는 수문 개폐에 따른 수위 영향은 크지 않은 것으로 나타났다. 다기능보는 고정보와 가동보로 설계되고 있으나, 고정보의 상단부가 계획하상고보다 높은 경우는 반드시 하폭의 전 단면을 가동보로 설계해야 하지만, 일부 횡단구간에서만 가동보를 설치하였기 때문에 홍수시 가동보 의 운영이 매우 어렵고 가동보 운영에 따른 첨두수위 저하 효과는 크지 않은 것으로 나타났다. 이를 종합적으로 고려해 볼 때, 다기능 보 운영을 통한 효과 증대는 치수보다는 이수에 중점을 두어 연구를 진행하는 것이 바람직하다고 판단되며, 홍수기 다기능보 운영은 가동보를 모두 개방한 상태에서 운영하는 것이 타당하다고 사료된 다. 유역 유출수문곡선의 첨두유량이 계속 유입되는 것으로 가정하 여 정상상태로 모의한 Case 4는 홍수파의 감쇠효과 등이 무시됨으 로써 Case 1에서 산정된 홍수위 보다 약 1 m 가량 수위가 과대 추정되었다. 전경수 등(2005)은 부등류 모형에 의한 홍수위 계산결 과가 부정류 모형의 값 보다 0.2~1.0 m 정도 크게 산정된다는 연구결과를 발표한 바 있으며, 이는 홍수량이 50% 정도 증가하였을 때와 대등한 결과라고 하였다.
Fig. 10은 Case별 강정고령보, 달성보, 합천창녕보, 창녕함안보 의 직상류 유입유속을 도시한 것이다. 저유량이 유입될 때 Case 1에 비해 Case 2와 Case 3의 경우 유속이 작아지는 것을 알 수 있었다. Case 2는 Fig. 9에 도시된 바와 같이 준설에 의해 낮아진 하상고에서 다기능보의 가동보가 개방되어 유입되는 유량 이 저류효과 없이 하류로 유하되어 수심이 낮아졌기 때문에 유속도 저하된 것으로 판단된다. 또한, Case 3의 경우 다기능보의 관리수위 운영에 의해 흐름이 정체되어 유속이 감소된 것으로 판단되며, 유속의 저하는 하상에 작용하는 전단응력을 감소시키기 때문에 평균 하상의 전단응력이 하상 구성물질의 한계 전단응력에 필요한 응력보다 작은 경우 유입된 유사가 퇴적될 것으로 예상된다.
본 연구에서 적용한 Case 2와 Case 3은 지형조건을 계획단면으
로 적용하였기 때문에 실제상황과 다를 수 있다. 따라서, 하도와
홍수터에 대한 현황측량을 통해 취득된 지형공간정보를 적용하여
추가적인 검토가 필요할 것으로 판단된다. 또한, 향후 다양한 가동보
개폐 시나리오에 따른 수리특성 영향 및 하상거동 분석을 수행하여
4대강살리기 사업으로 급변한 하천환경에 대한 과학적 물환경
(a) Gangjeong-Goryeong (b) Dalseong
(c) Habcheon-Changnyong (d) Changnyong-Haman
Fig. 10. Results of Velocity Simulated for Scenario Using HEC-RAS
관리 체계를 확보하고 기후변화 등 새로운 환경문제에 선제적으로 대응하기 위한 생태적 영향, 다기능보내 탁수와 조류 발생, 유사침전 에 따른 준설시기 결정, 유형별 ․ 규모별 피해예측을 다각도로 검토 해야 할 것으로 사료된다.
4. 결 론
본 연구에서는 4대강살리기사업을 통해 변화된 하도지형 및 수리구조물 운영에 의한 영향을 검토하기 위해 모형을 구축하고 2006 년 태풍 “에위니아” 사상을 대상으로 1차원 부정류 흐름 해석
을 통한 수리특성을 분석하였다. 정류와 부정류 흐름해석, 조도계수 와 조고값의 관계, 사업 전과 후 하천 단면 그리고 수문 운영에 따른 하천 흐름에 대해 다각도로 연구를 하였으며 그 결론은 다음과 같다.
(1) 정상류의 경우 시간에 따른 흐름 변화가 고려되지 않기 때문에
흐름전이가 반영되지 않아, 부정류에 비해 상대적으로 첨두
유량 및 수위에서 큰 값을 도출하며 사업 전 단면으로 흐름해석
을 수행한 결과, 각 수위표지점별로 유량은 419.8~1617 ㎥/sec,
수위는 0.72~1.04 m 과대 산정하는 것으로 나타났다.
(2) 4 대강살리기 사업 전과 후 준설 및 수리시설물 운영에 따른 수리특성 검토를 하기 위해서는 사업 후 조도계수 값이 필요하 지만, 준설 후 변화하게 되는 조도계수 값을 추정할 수 없기 때문에 본 연구에서는 Williamson(1951)에 의해 제안된 변환 식을 이용하여 Manning의 조도계수에서 조고값(Roughness height k)으로 변환 적용하였고 2006년 태풍 “에위니아” 사상 으로 부정류 모의를 수행하여 화원수위표 지점에서의 수위결과 를 비교한 결과, Williamson(1951)에 의해 제안된 변환식은 적합한 것으로 판단되었다.
(3) 사업 전과 후의 하천단면 흐름 해석을 수행한 결과, 사업 전보다 사업 후 수위가 0.2~1.5 m 범위에서 저하되는 것으로 나타났다.
수문 운영에 따른 저수위와 고수위에서의 영향은 Case 2의 경우 저수위에서는 관리수위가 유지되는 것을 확인하였고, 고 수위에서는 Case 2와 Case 3의 수위가 0~0.5 m의 범위에서 수위차가 발생하였다. 고수위에서의 수문 개폐에 따른 수위 영향은 크지 않은 것으로 나타났다. 그러나, 저유량에서 Case 2 와 Case 3은 유속의 감소로 유사퇴적이 발생할 것으로 예상된 다.
(4) 대규모 토목공사 등으로 변화된 하천환경의 수리, 수질, 유사, 친수공간 안정성 검토 등 정량적 분석을 위해서는 향후, 계획단 면이 아닌, 사업 후 측량된 하천단면 자료를 반영해야 될 것이며 지형자료 뿐만 아니라, 하천 전반에 걸친 하상고, 하상토, 유속, 수위, 식생천이, 수질, 유량에 대한 관측이 동반되어야 할 것이 다. 관측된 수리특성 자료를 바탕으로 선단위 하천관리 뿐만 아니라 면적인 개념의 하천관리를 통해 국부적으로 발생할 수 있는 퇴적, 세굴, 편수위, 식생천이 등을 고려한 하천 관리가 필요하며 이는 국가 수리구조물 관리에 소요되는 막대한 자원 을 최적화하고 안정적 하천관리를 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부 건설기술혁신사업의 연구비지원(11기술 혁신C06)에 의해 수행되었습니다.
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