[NCS-학습모듈의 위치]
대분류 건설
중분류 토목
소분류 토목설계･감리
세분류 능력단위 학습모듈명
도로설계 하천(댐)설계 사업 계획 수립 하천(댐)설계 사업 계획 수립
공항설계 하천(댐)설계 수리 분석 하천(댐)설계 수리 분석
터널설계 하천(댐)설계 수문 분석 하천(댐)설계 수문 분석
교량설계 하천설계 치수 기본 계획 하천설계 치수 기본 계획
항만(해양)설계 하천설계 이수 기본 계획 하천설계 이수 기본 계획
상하수도설계 댐설계 기본 계획 댐설계 기본 계획
하천(댐)설계 하천설계 실시설계 하천설계 실시설계
지반설계 댐설계 실시설계 댐설계 실시설계
단지설계 하천(댐)설계 계산서 작성 하천(댐)설계 계산서 작성
철도설계 하천(댐)설계 도면 작성 하천(댐)설계 도면 작성
토목건설사업관리 하천(댐)설계 시방서 작성 하천(댐)설계 시방서 작성 하천(댐)설계 사업비 산정 하천(댐)설계 사업비 산정 하천(댐)설계 보고서 작성 하천(댐)설계 보고서 작성
차 례
학습모듈의 개요 1
학습 1. 수문자료 분석하기
1-1. 강우, 수위자료 수집 및 구축 3
1-2. 유량, 유사량 자료 수집 및 구축 10
• 교수・학습 방법
17
• 평가
18학습 2. 강우 분석하기
2-1. 강우자료 분석 20
2-2. 유효우량 산정 31
• 교수・학습 방법
34
• 평가
35학습 3. 유황 분석하기
3-1. 수위-유량 관계 곡선 분석 37
3-2. 유황 곡선 작성 및 분석 42
• 교수・학습 방법
44
• 평가
45학습 4. 유역특성인자 분석하기
4-1. 유출계수 분석 47
4-2. 매개변수 산정 49
• 교수・학습 방법
55
• 평가
56학습 5. 유출량 산정하기
5-1. 소규모 유역의 유출량 산정 58
5-2. 중・대규모 유역의 유출량 산정 61
• 교수・학습 방법
68
• 평가
69참고 자료 71
부 록 72
하천(댐)설계 수문 분석 학습모듈의 개요
학습모듈의 목표
수문자료를 조사･구축하고 강우자료를 이용한 강우 분석, 수위-유량자료를 이용한 유황 분석 등을 수행하며 도달시간, 저류상수 등의 유역특성인자를 분석하여 유출량을 산정할 수 있다.
선수학습
하천(댐)설계 사업 계획 수립(142010701_14v2), 수리학, 수문학
학습모듈의 내용체계
학습 학습 내용 NCS 능력단위 요소
코드번호 요소 명칭
1. 수문자료 분석하기
1-1. 강우, 수위자료 수집 및 구축
1402010703_14v2.1 수문자료 1-2. 유량, 유사량 자료 수집 분석하기
및 구축
2. 강우 분석하기
2-1. 강우자료 분석
1402010703_14v2.2
강우 2-2. 유효우량 산정 분석하기
3. 유황 분석하기
3-1. 수위-유량 관계 곡선 분석
1402010703_14v2.3
유황 3-2. 유황 곡선 작성 및 분석 분석하기
4. 유역특성인자 분석하기
4-1. 유출계수 분석
1402010703_14v2.4 유역특성인자 4-2. 매개변수 산정 분석하기
5. 유출량 산정하기
5-1. 소규모 유역의 유출량 산정
1402010703_14v2.5 유출량 5-2. 중･대규모 유역의 유출량 산정하기
산정
핵심 용어
수문자료, 강수량, 수위, 유량, 유효우량, 유황 곡선, 합리식, 유역추적, 저수지추적, 하도추적
학습 1 수문자료 분석하기
(LM1402010703_14v2.1)
학습 2 강우 분석하기(LM1402010703_14v2.2) 학습 3 유황 분석하기(LM1402010703_14v2.3)
학습 4 유역특성인자 분석하기(LM1402010703_14v2.4) 학습 5 유출량 산정하기(LM1402010703_14v2.5)
1-1. 강우, 수위자료 수집 및 구축
학습 목표 •강우관측소의 운영, 관측방법을 숙지하여 강우자료를 수집 및 구축할 수 있다.
•수위관측소의 운영, 관측방법을 숙지하여 수위자료를 수집 및 구축할 수 있다.
필요 지식 /
강우관측소
1. 강우관측소의 운영 (1) 관측소의 배치
강수관측망은 다우지역이나 과우지역에 치우쳐 배치하지 말고 한 유역에 내리는 지역 적 분포를 대표할 수 있도록 계획하여야 한다. 홍수 예경보 등을 위한 자료를 수집하 기 위해서는 그 관측 밀도를 높여야 한다. 댐이 설치된 유역과 같이 중요한 유역에는 관측소를 기준밀도보다 더 조밀하게 배치하고, 도시하천 유역에는 50㎢당 2개 이상의 관측소를 설치한다.
(2) 설치장소의 선정
강우관측소는 바람, 장애물 등의 영향이 없는 장소에 설치하여야 하고, 지형이 협소하 여 풍향, 풍속이 특수한 값을 나타내지 않아야 하며, 바람의 영향으로 특수한 강수상 황을 나타내지 않아야 한다. 또한, 실시간 자동수집방식(Telemetry) 등 무선통신을 이 용하는 우량계는 전파 송수신 조건이 양호해야 한다.
(3) 설치장소의 결정
설치장소는 원칙적으로 현지답사를 실시하여 아래 조건이 만족될 수 있도록 후보 지 점별로 비교·분석하여 구체적인 설치장소를 결정한다.
- 사방 약 10 m 이상 넓이의 평활하게 개방된 토지로 바람 방향의 변화가 적은 곳
- 물이 고일 염려가 없는 곳
- 관측이 편리하고 인근에서 지속적인 관측원을 고용하기 쉬운 곳 - 인접 관측소 지점과 적절한 거리를 유지하는 곳
설치장소는 유지관리가 쉽고 장기간 계속해서 관측이 가능한 안전한 장소이어야 하며, 관측 부지 및 관측원의 확보가 쉬운 지점을 택한다. 관측 지점은 급경사 지대를 피하고 지형 붕괴 등의 영향을 받지 않는 지점으로 한다.
2. 관측방법
(1) 우량계에 의한 관측
보통우량계에 의한 관측은 매일 0시에서 24시까지 실시한다. 강수량은 관측기간에 수 수구를 통한 강수를 동일면적의 수평면에 고인 것과 같은 물의 깊이로 표시한다. 읽는 단위는 mm로 하여 최소 단위는 0.1 mm를 원칙으로 한다.
(2) 적설량계에 의한 관측
적설량을 관측하는 시설은 동절기에 들어가기 전에 사전준비하고 아래와 같은 내용에 대하여 시설점검을 실시한다.
- 수수구가 눈에 덮여 구경이 좁아지지 않았는지 여부 - 한 번 녹은 물이 적설량계 주위에 얼어붙지 않았는지 여부
- 방열기의 온도조정장치가 적절히 작동하며, 보온상태가 양호한지 여부 - 풍설로 계기가 기울어져 있거나 눈에 묻혀 있지 않은지 여부
원칙적으로 동절기에는 매일 점검을 원칙으로 하며, 상당기간 동안 적설이 없는 경우 라도 수시로 점검하여야 한다. 적설의 비중은 구경 10 cm, 깊이 약 5 cm 정도의 금속 제의 원통을 사용하여 측정한다.
(3) 레이더에 의한 관측
어떤 유역에 걸쳐 이미 설치된 강수량 관측소로 충분한 강수량을 관측하기 어렵거나 홍수 예경보 등을 위해 공간적으로 넓은 유역에서 시시각각으로 변화하는 강수량을 측정할 필요가 있는 때에는 레이더에 의한 관측을 실시한다.
(4) 실시간 자동수집장치 및 자동기상관측 시스템
강우관측소를 실시간 자동수집방식으로 할 경우에는 관측치의 대표성, 기왕의 작동상 황, 관측검사방법, 그리고 전기 및 통신 조건을 고려하여 결정한다. 강우관측소를 자동 관측시스템(AWS: Automatic Weather System)이나 컴퓨터 등을 활용하여 직접 전산화 된 자료로 획득하고자 할 경우에는 해당 지역의 관측치의 적용성, 관측검사 방법의 개 선, 그리고 전기 및 통신 조건을 고려하여야 결정한다.
수위관측소
1. 수위관측소 운영 (1) 관측소의 배치
관측소의 배치는 관측목적 및 자료의 대표성, 관측밀도의 균질성 및 타 기관 자료의 활용 가능성을 고려하여야 한다.
(2) 위치의 선정
수위관측소의 위치를 선정할 때에는 아래의 내용을 고려하여야 한다.
- 물의 흐름상태가 일정하고 유속이 크게 변하지 않아 정확한 관측이 가능한 곳이어 야 한다.
- 수면경사가 급하지 않고 흐름이 안정된 곳이어야 한다.
- 근접한 하류 측의 인공구조물 등에 의해 인위적인 수위 변동이 발생하지 않는 곳이 어야 한다. 다만, 시설물 운영을 목적으로 설치하는 경우는 제외한다.
- 유로 및 하상의 변동이 적고 상･하류 직선하도가 확보되는 곳이어야 한다.
- 갈수 시에도 수심이 확보되어 관측이 가능한 곳이어야 한다.
- 관측시설물의 설치 및 유지･관리가 용이한 곳이어야 한다.
- 관측시설물의 보호 등 안정성이 보장될 수 있는 곳이어야 한다.
(3) 수위관측소의 설비
수위관측소에는 자기수위계 또는 보통수위표를 설치하고, 자기수위계 설치 시 보통수 위표를 병설하는 것이 원칙이다. 수위 관측을 위한 관측계기로서 검정규격이 있는 것 은 검정에 합격한 것을 사용하여야 한다.
(가) 보통수위표
보통수위표는 기둥을 세우고 여기에 눈금판을 부착하여 고정하거나, 교량의 교각 또는 교대 등에 눈금판을 색인한다. 기둥은 콘크리트 말뚝 또는 철강재 말뚝을 사 용해서 견고하게 고정하며, 너무 길지 않은 것이 좋다. 눈금판의 눈금단위는 1 cm 로 하지만, 야간이나 홍수 시에는 10 cm 또는 1 m의 단위도 명확하게 보이지 않기 때문에 눈금을 명확하게 읽을 수 있도록 설치한다.
(나) 자기수위계
자기수위계로는 부자(浮子)식, 공기 방울(Bubble)식, 압력식, 전기식, 초음파식 등 여 러 형태의 수위계가 실무에 이용되고 있는데, 유지관리와 계기의 조달 등을 감안하 여 기종을 선정해야 한다. 수위계를 설치할 기초는 견고하게 고정하고 홍수 시에도 충분히 관측할 수 있으며 침수되지 않는 높이에 설치하여야 한다. 예를 들면 제방 둑 마루보다 자기 수위계의 위치를 높게 설치해야 한다.
(다) 보조수위표
홍수 시 홍수 예･경보 업무를 돕고 수문자료를 보충하기 위하여 이미 설치되어 있 는 수위표 지점 사이의 중요 지점 또는 지류의 중요 지점에 보조수위표를 설치한 다. 유량 측정을 실시하는 수위표 지점의 수면경사에 대한 현지 여건을 고려하여 상･하류 지점 간의 수위차가 30~50 cm 정도가 되도록 기설 수위표 지점 상･하류 약 1 km 내외 지점에 보조수위표를 설치한다.
(라) 수위표 영점표고
수위표 영점표고는 수위가 기준수위 이하(마이너스 수위)로 표시되는 것을 피하기 위해서 예상 최대갈수위 이하로 잡는다. 영점을 변경할 경우에는 나중에도 확실히 알 수 있도록 변경깊이, 변경 연월일, 변경사유, 변경내역 등을 관측소 대장에 정확 히 기입해 두어야 한다. 일관성 있고 원활한 수위자료 관측과 수문 분석을 위해서 는 원칙적으로 특별한 사유가 없는 한 수위관측소의 영점표고는 변경하지 않는 것 으로 한다.
2. 관측방법
(1) 보통수위표에 의한 관측
보통수위표에 의한 관측은 매일 8시 및 20시 정시에 실시한다. 다만, 적설량이 많아 규정된 시간에 접근이 어렵고 추위가 심한 지방에서는 동절기 일정기간에 한하여 변 경할 수 있다.
(2) 자기수위계에 의한 관측
자기수위계에 의한 관측은 자기 기록지 교환과 기록지 회수작업으로 구분하여 작업을 실시한다. 기록지 교환은 소정의 시각에 규정된 방식으로 하고, 이때 보통수위표도 동 시에 관측한다. 기록지 회수 작업은 시계의 지속상태에 따라 시각을 보정하고 매 정시 에 수위를 읽어서 소정양식에 정리한다.
(3) 실시간 자동수집장치
홍수 예･경보를 보다 과학적으로 실시하기 위하여 수위관측 결과는 실시간 자동수집 방식으로 하는 것이 바람직하다.
한국수문조사연보
한국수문조사연보는 국토교통부 4개 홍수통제소, 환경부, 기상청, 한국수자원공사, 한국수 력원자력, 한국농어촌공사 등 물과 관련된 여러 기관에서 관측한 수문자료를 종합･정리하 여 발행하는 책자이다. 1962년부터 매년 발간하고 있으며, 모든 자료를 전자파일로 제작하 여 한강홍수통제소 홈페이지 “수문 - 수문조사연보”에 게시하여 인터넷 서비스하고 있어 해당 기관을 직접 방문하지 않고도 자료를 열람할 수 있다.
국가수자원관리종합정보시스템(WAMIS: Water Management Information System)
수자원 분야의 모든 정보를 종합적인 체계적으로 관리하기 위해 개발된 시스템으로 기초 자료 관리시스템, 분석시스템 및 정책지원시스템 등 3개 분야로 세부시스템을 개발하였으 며, 10개 분야(수문기상, 유역, 하천, 댐, 지하수, 이수, 수도, 환경생태, 자연재해, 지형 공 간) 총 300여 개의 콘텐츠와 수문 기초자료 및 GIS를 이용한 수자원 단위지도 자료를 제 공하고 있다. 홈페이지(www.wamis.go.kr)는 국가수자원관리종합정보시스템 또는 수자원관 리종합정보시스템으로 포털시스템에서 검색이 가능하다.
수행 내용 / 강우, 수위자료 수집 및 구축하기
재료·자료
하천설계기준･해설, 댐 설계 기준･해설, 유역종합치수 계획, 하천기본 계획, 한국수문조사연보, 기상 연･월보, 국토교통부의 국가수자원관리종합정보시스템
기기(장비 ･ 공구)
컴퓨터(S/W 포함), 사무용 소모품(필기도구, 인쇄용지, 토너 등), 캐드, 스프레드시트 프로그램, 프레젠테이션, 워드프로세서 및 GIS SW
안전 ･ 유의 사항
해당 사항 없음 수행 순서
유역의 경계를 설정한다.
우리가람 길라잡이 하천지도에 유역경계가 있을 경우, 수치지도 또는 지형도를 이용하여 수문 분석대상의 유역경계를 설정한다.
강우 및 수위 관측소를 조사한다.
국토교통부, 한국수자원공사, 한국수력원자력에서 관할하는 강우관측소는 한국수문조사연 보를 통해 조사하고, 기상청에서 관할하는 강우관측소는 기상연보 또는 기상월보를 이용 하여 조사한다. 강우관측소의 유역명, 위치, 관측개시, 해발고, 관할 기관 등 현황은 <표
1-1>과 같이 정리하고, 수위관측소의 하천명, 위치, 관측개시, 영점표고, 관할기관 등 현황 을 <표 1-2>과 같이 정리한다.
관측소명 유역명 위치 관측
개시
해발고 (EL.m)
관할
주소 경도 위도 기관
홍천 북한강 강원 홍천 결운 홍천농고 127-54-40 37-42-10 1916. 1 204.0 국토부 서석 북한강 강원 홍천 서석 풍암면
사무소 128-11-20 37-42-35 1960. 8 320.0 국토부 출처: 건설교통부/원주지방국토관리청. 『북한강수계 하천장비기본 계획 보완(북한강, 소양강, 양구서천, 섬 강)』. 건설교통부. p.63.
<표 1-1> 강우관측소 현황
관측소명 하천명
위치 관측
개시
영점 표고 (EL.m)
관할
주소 경도 위도 기관
간현 섬강 강원 원주 지정 간현 127-49-55 37-21-40 1962.7 61.397 국토부 문막 섬강 강원 원주 문막 문막교 127-49-30 37-18-50 1980.6 50.938 국토부 출처: 건설교통부/원주지방국토관리청 『북한강수계 하천장비기본 계획 보완(북한강, 소양강, 양구서천, 섬 강)』. 건설교통부. p.66.
<표 1-2> 수위관측소 현황
강우, 수위자료를 수집한다.
강우자료는 시 강우와 일 강우 자료로 나누어지며 국토교통부, 한국수자원공사 및 한국수력원자력 에서 관할하는 관측소의 강우자료는 국가수자원관리종합정보시스템 홈페이지(www.wamis.go.kr) 및 한국수문조사연보에서 수집하고, 기상청에서 관할하는 관측소의 강우자료는 기상청 홈페이지 (www.kma.go.kr)에서 수집한다. 수위자료는 시수위자료와 일수위자료를 수집하고, 국가수자원관 리종합정보시스템 홈페이지 또는 한강홍수통제소 홈페이지(www.hrfco.go.kr)에서 제공하는 한국 수문조사연보에서 수집한다.
출처: 국가수자원관리종합정보시스템 홈페이지(www.wamis.go.kr). 2016. 9. 2. 스크린샷.
[그림 1-10] 국가수자원관리종합정보시스템 홈페이지(시강우량, 일강우량자료 제공)
출처: 한강홍수통제소 홈페이지(www.hrfco.go.kr). 2016. 9. 2. 스크린샷.
[그림 1-11] 한강홍수통제소 홈페이지(한국수문조사연보 제공)
1-2. 유량, 유사량 자료 수집 및 구축
학습 목표
• 유량 관측 지점의 특성, 유량 측정방법, 유속계의 기능 등을 숙지하여 유량자료를 수집 및 구축할 수 있다.
• 유사량 관측 지점의 특성, 유사량 측정방법, 하상변동 등을 숙지하여 유사량 자료를 수집 및 구축할 수 있다.
필요 지식 /
유량 관측 지점
1. 유량 관측 지점의 특성 (1) 배치
관측목적 및 자료의 대표성, 관측밀도의 균질성 및 다른 기관 자료의 활용가능성을 고려해야 한다.
(2) 위치의 선정
물의 흐름상태가 일정하고 유속이 크게 변하지 않아 정확한 관측이 가능한 곳이어야 한다.
(가) 수면경사가 급하지 않고 흐름이 안정된 곳이어야 한다.
(나) 근접한 하류 측의 인공구조물 등에 의해 인위적인 수위 변동이 발생하지 않는 곳이어야 한다. 다만, 시설물 운영을 목적으로 설치하는 경우는 제외한다.
(다) 유로 및 하상의 변동이 적고 상･하류 직선하도가 확보되는 곳이어야 한다.
(라) 갈수 시에도 수심이 확보되어 관측이 가능한 곳이어야 한다.
(마) 관측시설물의 설치 및 유지･관리가 용이한 곳이어야 한다.
(바) 관측시설물의 보호 등 안정성이 보장될 수 있는 곳이어야 한다.
2. 유량 측정방법
(1) 유속계에 의한 방법
유속계는 소정의 깊이에 올바르게 위치시켜야 한다. 소정의 깊이라 함은 수면으로부터의 심도를 말한다. 유속계를 올바르게 위치시킨다는 것은 유속계 기계의 방향이 유속방향과 일치하고, 와이어가 기울어져 있어도 측심이 정확히 측점에 도달해 있는 것을 의미한다.
유량 관측 중에도 수위가 변화하는 일이 있으므로 유속 관측을 시작할 때와 끝날 때에는 반드시 수위를 읽어야 한다.
(2) 부자에 의한 방법
부자(浮子)에 의한 유량 관측은 부자를 투하하여 그것이 소정의 구간을 유하하는 데 소요된 시간을 측정하여, 그 구간의 평균유속을 구하는 방법이다. 부자에 의한 유량 관측 시 부자가 유수에 의해 적절히 유하하기 위해서는 직선구간이 필요하며, 보조구간과 측정구간으로 나누어진다. 보조구간은 부자를 투하하는 위치에서 제1측정 단면까지의 구간이며, 이 구간 내에서 부자가 흘수(吃水)를 유지할 수 있도록 한다. 이 구간의 길이를 보조거리라 하며, 30 m 이상이 되도록 한다. 측정구간은 제1측정단면에서 제2측정단면까지의 구간으로 유하시간 을 계측하기 위해서 필요하며, 이 구간의 길이를 유하거리(또는 측정간격)라고 한다. 유하거리 는 원칙적으로 50 m 이상으로 한다. 부자는 한쪽 하안으로부터 정해진 측선간격으로 차례로 투하하며, 투하위치를 기록해 두어야 한다. 각 측선에서 하천수위와 횡단면도를 이용하여 수심을 구하고 적절한 부자를 투입한다.
(3) 고정초음파 유속계에 의한 유량 측정
하천의 측정횡단면을 포함하는 양안에 초음파 유속계를 고정적으로 설치함으로써, 무인으로 하천 횡단방향의 평균유속을 시간적으로 연속하여 관측한다. 유량 측정 방법에서는 수위를 연속적으로 연산 처리하여 단면을 측량함으로써 유수단면을 산출하여 시간적으로 연속유량을 구한다.
(4) 이동 초음파 유속계에 의한 유량 측정
초음파 유속계(ADCP: Acoustic Doppler Current Profiler)를 측정용 보트에 탑재하여, 하천을 횡단하면서 연속적으로 수심과 유속을 측정하여 유량을 산출하는 방법으로 흔히 이동보트법이 라고도 불리고 있다.
유사량 관측 지점
1. 유사량 관측 지점의 특성 (1) 배치
유사량 관측소는 유역 유사유출량과 하상 변동량을 파악하기 위해 설치되는 것으로 유역 또는 하천을 대표할 수 있는 지점에 관측소를 배치해야 한다. 또한 유량 관측과 동시에 이루어져야 하므로 연계하여 배치해야 한다.
유역 또는 하천을 대표하고, 저수지 및 댐 등의 영향을 고려하여 배치하여야 하며, 유량 관측소와 연계하여 배치해야 한다.
(2) 위치의 선정
유사량 조사 지점은 목적과 측정 장비 등을 고려하여 선정되어야 한다. 유사량 조사에 적합한 지점이란 대상 하천의 수리･수문학적 특성과 유사의 특성을 잘 반영할 수 있어야 하며, 실제 측정도 용이해야 한다. 조사 지점을 선정하기 위하여 고려해야 할 사항은 다음과 같다.
(가) 하천 특성
- 하천 특성을 대표할 수 있는 지점
- 단기적인 침식이나 퇴적 활동이 왕성하지 않은 안정된 지점
- 하도는 가능한 직선에 가까운 형태이고 측정위치는 적어도 하폭의 5배 이상 되는 길이로 상류부가 직선인 곳
- 측정 장비의 크기에 비해 수심이 충분히 유지되는 곳(수심이 얕으면 채취기에 의해 하상 교란)
- 측정구간 내에 자연 또는 인공 장애물이 없는 곳
- 하천이 합류하거나 분류하는 곳이 없는 지점(유사의 완전 혼합 고려) - 하도의 하상이 안정적이고 규칙적인 곳
나) 측정구조물
- 교량과 같은 측정이 용이한 구조물이 있는 지점
- 교량이 없는 경우는 Cableway나 Walkway의 설치가 가능한 지점 - 교량이 하천의 방향과 직각을 이루는 지점
- 교각이 너무 크거나 밖으로 돌출되어 있지 않고 하천의 유효단면적에 영향을 주지 않는 지점
- 교량에 충분한 폭을 가진 인도나 노견이 있어 측정 장비의 이동이나 작업이 용이한 지점
2. 유사량의 측정방법 (1) 하천 유사량의 측정
하천 유사량은 소류사량과 부유사량으로 나눈다. 소류사량 조사는 소류력과 소류사량의 관계 등 흐름 특성과 소류사 이송 특성을 파악하기 위하여 수행한다. 부유사량 조사는 유량과 부유사량 등 흐름 특성과 부유사 이송 특성을 파악하기 위하여 수행한다.
(2) 부유사량의 측정방법
(가) 부유되는 모래의 양이 없거나 매우 작으며 유속이 작을 때( < 0.6㎧)
대부분이 미립토사로서 그 농도분포가 수표면에서 하상까지 거의 일정하며 유사입자의 크기가 작으므로 유입속도에 의한 영향이 거의 없다. 따라서 얕은 하천의 경우 굳이 복잡한 부유사채취기를 이용하지 않고 손으로 간단히 채취병을 물에 담가서 채취할 수 있다.
(나) 수심이 4.6m 이하이고 유속이 빠를 때(0.6㎧ < < 3.7㎧)
일반적인 하천 상황으로서 수심적분채취기(DH-48, D-77, D-74 등) 또는 점적분채취기 (P-61, P-63 등) 등을 이용하는 것이 좋다. 이들 채취기의 기본원리는 거의 같으며, 채취기의 크기에 따라서 도섭에 의한 채취를 하거나 교량 등을 이용할 수 있다.
(다) 수심이 4.6m 이상이고 유속이 빠를 때(0.6㎧ < < 3.7㎧)
수심적분채취기의 최대 가능 채취수심보다 큰 경우로서 수심적분채취기를 이용한 왕복수 심적분이 불가능하다. 따라서 점적분채취기를 이용하여 편도수심적분법을 적용하는 것이 좋다.
(라) 유속이 아주 빠를 때( > 3.7㎧)
유속이 빨라 기존의 유사장비를 이용하기 어렵다. 유사농도 분포가 연직으로 균일 하다고 판단되어질 경우에는 수면유사채취방법을 적용할 수 있다.
(3) 소류사량의 측정방법
소류사는 하상 근처의 수류의 유속보다 훨씬 작은 속도로 이송되는 경우가 많기 때문 에 일부 측선에 대한 소류사 측정치가 전체 하천 단면을 대표한다고 보기 어려운 점 이 있다. 소류사 측정방법은 기계식 채집형(BL-84, BLH-84)과 하상형태 추적형의 2가 지로 나눌 수 있다.
3. 하상변동 조사
하상변동 조사는 하상변동이 하천의 홍수소통 능력과 호안, 수제, 교각, 취수시설, 댐 등 하천 구조물의 안전이나 고유기능에 미치는 영향을 파악하기 위하여 수행한다. 하상변동 조사는 현지에서 하천 측량, 시료 채취와 자료 분석을 통해 수행한다.
(1) 종･횡단 측량 조사
종･횡단 측량 조사는 동일 구간, 동일 측점에 대해서 일정 기간을 두고 2회 실시한다.
그 기간 내 하상의 평균 변동고와 변동량은 2회 실시한 측량 성과를 비교하여 산정하 며, 이때 기준수위는 계획 홍수위를 사용한다. 종･횡단 측량 시 하상토 시료 채취도 병행하여 하상토의 입경 변화의 분석과 장래 하상변동 예측에 이용한다. 횡단측량의 범위는 조사대상구간이 개수 구역 내인 경우 개수 계획의 하천부지의 범위이며, 개수 구역 외에서는 홍수 시 유사 이송이 예상되는 범위이다. 조사 단면은 거리 측량표와 일치하는 횡단면을 취해 200 m 간격을 표준으로 한다. 조사 시기는 연 1회 동일 시기 에 실시하되, 홍수가 있는 경우는 홍수 직후에 실시한다.
(2) 수위 조사
수위 조사는 하천의 종･횡단 측량 자료가 충분하지 않거나 충분한 정도의 측량 조사 를 수행하지 못하는 경우 개략적으로 하상 변동량을 추정하기 위하여 시행한다. 수위 조사는 최대한 낮은 수위에서 과거 수위 조사 시 유량과 같거나 비슷한 조건에서 시 행함으로써 두 종단 수위의 경년 변화를 조사한다.
(3) 홍수 시 하상변동 조사
대규모 홍수 후에 홍수로 인한 하상변동 실태를 파악하거나 특히 하천 구조물 주위 국부 세굴 등을 조사할 필요가 있는 경우에는 홍수 후 가급적 빠른 기간 내에 하상변
동 조사를 실시한다. 홍수 후 하상변동을 조사하기 위한 수심 측정 방법으로는 음향 측심기, γ선 밀도계, 전기 저항식 세굴계가 있다.
수행 내용 / 유량, 유사량자료 수집 및 구축하기
재료·자료
하천설계기준･해설, 댐 설계 기준･해설, 유역종합치수 계획, 하천기본 계획, 한국수문조사연보, 기상 연･월보, 국토교통부의 국가수자원관리종합정보시스템
기기(장비 ･ 공구)
컴퓨터(S/W 포함), 사무용 소모품(필기도구, 인쇄용지, 토너 등), 캐드, 스프레드시트 프로그램, 프레젠테이션, 워드프로세서 및 GIS SW
안전 ･ 유의 사항
해당 사항 없음 수행 순서
유량 및 유사량 관측 지점을 조사한다.
유량 및 유사량 관측 지점은 국토교통부 한강홍수통제소에서 제공하는 한국수문조사연보 를 이용하여 조사한다. 또한 유량 관측 지점의 하천명, 위치, 관측개시 영점표고, 관할기관 은 <표 1-3>과 같이 정리하고, 유사량 측정 지점의 하천명, 위치, 관할기관은 <표 1-4>와 같이 정리한다.
관측소명 하천명 위치 관측
연도
유역면적 (km2)
관할
주소 경도 위도 기관
평창 평창강 강원도 평창군 평창읍
중리 평창교 128-24-22 37-22-04 2014 696.93 국토부 내린천 소양강 강원도 인제군 인제읍
원대리 원대교 128-14-27 38-00-29 2014 1,084.40 수공
<표 1-3> 유량 관측 지점 현황
관측소명 하천명 위치 관측 연도
유역면적 (km2)
관할
주소 경도 위도 기관
흥천 복하천 경기도 여주시 흥천면
다대리 흥천대교 127-32-06 37-19-59 2014 294.78 국토부 내린천 소양강 강원도 인제군 인제읍
원대리 원대교 128-14-27 38-00-29 2014 1,084.40 수공 출처: 국토교통부. 『2014 한국수문조사연보』. 국토교통부. p.615.
<표 1-4> 유사량 관측 지점 현황
수위-유량 관계 곡선식 및 유량-부유사량 관계 곡선식을 수집한다.
수위-유량 관계 곡선식은 한국수문조사연보 또는 국가수자원관리종합정보시스템 홈페이지 에서 수집하고, 유량-부유사량 관계 곡선식은 한국수문조사연보를 이용하여 수집한다. 관 측 지점별 수위-유량 관계 곡선식과 유량-유사량 관계 곡선식을 측정연도, 적용범위에 따 라 <표 1-5> 및 <표 1-6>과 같이 정리한다.
관측 지점 측정연도 적용범위 수위-유량 관계 곡선식
평창 2014
0.62<H≦1.27 1.27≦H≦2.20 2.20<H≦3.30 3.30<H≦4.90 4.90<H≦7.50
Q=44.637*(H-0.620)^2.556 Q=52.249*(H-0.630)^2.820 Q=96.093*(H-0.780)^1.890 Q=84.666*(H-0.870)^2.110 Q=148.732*(H-0.380)^1.576 출처: 국토교통부. 『2014 한국수문조사연보』. 국토교통부. p.403
<표 1-5> 수위-유량 관계 곡선식
출처: 국토교통부. 『2014 한국수문조사연보』. 국토교통부. p.432.
[그림 1-3] 평창 유량 관측 지점 수위-유량 관계 곡선도
관측 지점 측정연도 적용범위 유량-유사량 관계 곡선식 율극 2014 0.68 ≤ Q ≤ 15.43 Qss=1.9603Q^1.6189 출처: 국토교통부. 『2014 한국수문조사연보』. 국토교통부. p.617
<표 1-6> 유량-유사량 관계 곡선식
출처: 국토교통부. 『2014 한국수문조사연보』. 국토교통부. p.618 [그림 1-4] 율극 유사량 관측 지점 유량-유사량 관계 곡선도
유량자료를 수집한다.
유량자료는 홍수 분석을 시 유량자료와 이수 분석을 위한 일 유량자료로 나눌 수 있으며, 일 유량자료는 국가수자원관리종합정보시스템 또는 한국수문조사연보(일 유량 연표)를 통 해 수집하고, 시 유량자료는 시 수위와 수위-유량 관계 곡선식을 이용하여 계산할 수 있 다.
유사량 자료를 수집한다.
유사량 자료는 일유사량자료를 수집하며, 일 유량자료와 유량-부유사량 곡선을 이용하여 계산하고, 소류사량은 아인슈타인 공식 등 경험 공식을 이용하여 산정한다. 부유사량과 소 류사량을 합하여 총유사량을 산정한다.
학습1 교수·학습 방법
교수 방법
• 수리학, 수문학 및 하천(댐) 설계기준을 토대로 강수량, 수위, 유량, 유사량에 대한 이론적인 배경을 시청각 자료를 이용하여 설명한다.
• 실제 하천 유역을 대상으로 강수량, 수위, 유량, 유사량 자료 조사 및 구축 현황을 설명한다.
• 홍수통제소, 한국수자원공사, 기상청, 유량조사사업단의 협조를 통해 강우 및 수위 관측소를 방문하여 학습자에게 측정원리를 설명하고, 하천유량 및 유사량 측정 현장을 방문하여 측정방법 을 설명한다.
학습 방법
• 수리학, 수문학 교재를 통해 강수량, 수위, 유량, 유사량에 대한 이론적 배경을 학습한다.
• 실제 유역을 대상으로 강수량, 수위, 유량, 유사량 등의 수문자료를 구축하기 위해 한국수문조사 연보 및 기상연보 책자를 수집하고, 국가수자원종합정보시스템, 홍수통제소, 기상청 홈페이지를 방문하여 관련 자료를 수집한다.
• 인근 강우, 수위 관측소를 방문하여 실제 작동하는 모습을 관찰하고, 유량 및 유사량 측정 현장을 방문하여 측정을 실제 수행하여 측정원리를 이해한다.
• 기 수립된 하천기본 계획 보고서에 수록된 수문자료 수집 및 구축방법을 이해한다.
• 학습과정에서 익힌 절차와 방법론을 반복적으로 학습하여 익히고, 이를 바탕으로 수문통계, 강우-유출해석, 수문학 및 수리학분야의 전공서적을 참조하여 응용능력을 향상시킨다.
학습1 평 가
평가 준거
• 평가자는 학습자가 학습 목표를 성공적으로 달성하였는지를 평가해야 한다.
• 평가자는 다음 사항을 평가해야 한다.
학습 내용 평가 항목 성취수준
상 중 하
강우, 수위자료 수집 및 구축
- 강우 관측소의 운영, 관측방법을 숙지하여 강우자료를 수집 및 구축할 수 있다.
- 수위 관측소의 운영, 관측방법을 숙지하여 수위자료를 수집 및 구축할 수 있다.
- 유량 관측 지점의 특성, 유량 측정방법, 유속계의 기능 등을 숙지하여 유량자료를 수집 및 구축할 수 있다.
유량, 유사량 자료 수집 및
구축 - 유사량 관측 지점의 특성, 유사량 측정방법, 하상변동 등을 숙지하여 유사량자료를 수집 및 구축할 수 있다.
평가 방법
• 서술형 시험
학습 내용 평가 항목 성취수준
상 중 하
강우, 수위자료 수집 및 구축
- 강우자료 수집 방법을 설명 - 수위자료 수집 방법을 설명 - 강우 및 수위 관측 원리를 설명 유량, 유사량
자료 수집 및 구축
- 유량자료 수집 방법을 설명 - 유사량자료 수집 방법을 설명 - 유량 및 유사량 측정 방법을 설명
• 피평가자 체크리스트
학습 내용 평가 항목 성취수준
상 중 하
강우, 수위자료 수집 및 구축
- 강우 관측소 운영 및 관측방법 숙지 여부 - 수위 관측소 운영 및 관측방법 숙지 여부 - 강우 및 수위자료 수집 및 구축방법 숙지 여부
유량, 유사량 자료 수집 및 구축
- 유량 관측 지점의 특성 및 측정방법 숙지 여부 - 유사량 관측 지점의 특성 및 측정방법 숙지 여부 - 유량 및 유사량 자료 수집 및 구축방법 숙지 여부
피드백
1. 서술형 시험
- 강우, 수위, 유량, 유사량 관측소의 운영, 관측방법을 설명한다.
- 강우, 수위, 유량, 유사량 자료 수집 및 구축 방법을 설명한다.
- 진행 과정 중 필요시마다 피드백하여 부족한 부분을 다시 설명한다.
2. 피평가자 체크리스트
- 피평가자 자신이 학습 목표에 도달했는지를 평가할 수 있도록 평가 준거를 제공한다.
- 강우, 수위, 유량, 유사량 자료 수집 여부를 확인하고 학습 목표에 미달하면 보완 설명한다.
학습 1 수문자료 분석하기(LM1402010703_14v2.1)
학습 2 강우 분석하기
(LM1402010703_14v2.2)
학습 3 유황 분석하기(LM1402010703_14v2.3)
학습 4 유역특성인자 분석하기(LM1402010703_14v2.4) 학습 5 유출량 산정하기(LM1402010703_14v2.5)
2-1. 강우자료 분석
학습 목표
•강우자료를 이용하여 자료의 일관성 검토, 유역 평균 강우량 등을 분석할 수 있다.
•강우자료의 통계적 처리를 통하여 재현기간별 확률강우량 등을 분석할 수 있다.
•강우자료를 이용하여 강우강도, 지속기간, 재현기간의 관계를 분석할 수 있다.
필요 지식 /
강우량자료의 일관성 검토(이중누가해석)
장기간의 강우자료는 수문학적 해석에 앞서 강우량계의 주위에 나무가 자라거나, 주변에 건물이 세워지거나, 개발에 따라 강우량계가 이동 또는 교체되고 측정환경이 변경될 수 있다. 이러한 변화가 일어나면 변화시점을 기준으로 강우기록의 일관성이 결여될 수 있다.
만약 일관성이 결여되는 것으로 나타나면 변화 이전 기록과 이후의 기록이 일관성을 갖도 록 보정해야 한다. 일반적으로 변화 이전 기록에 변화 이후의 새로운 상태를 반영하여 보 정한다. 비일관성을 조사하는 방법에는 이중누가해석방법이 가장 많이 쓰인다.
이중누가해석은 대상이 되는 관측소의 연 또는 계절 누가강우량을 주위 여러 관측소의 연 또는 계절 누가강우량의 평균치와의 비교를 통해서 주어진 관측소의 강우기록의 일관성을 조사한다.
유역 평균 강우량
한 유역 내에 있는 여러 관측소에서 측정되는 강우량은 서로 같지 않다. 그러나 수문해석 에서는 한 유역에 대한 강우량을 하나의 대표 강우량으로 나타내는 것이 필요하며, 공간 적인 평균값으로 나타낸다. 이를 유역 평균 강우량이라 하며 산술평균, Thiessen 방법, 등 우선법이 있다.
1. 산술평균법(Arithmetic mean method)
유역 내 각 관측소에서 측정된 강우량의 산술평균으로 우량계의 밀도와 위치, 지형이 고 려되지 않으므로 평탄지역에서 강우와 우량계의 분포가 비교적 균일한 작은 지역에 알맞다.
2. Thiessen 방법(Theissen polygon method)
강우량과 강우량계의 불균일 분포의 영향을 가중인자에 의하여 반영한다. 강우량관측소의 위치를 지도에 표시하고, 인접관측소를 직선으로 연결한다. 이 직선의 수직 이등분선을 그 어 각 관측소 주위에 다각형을 형성한다. 이 다각형의 면적은 각 강우량계에 의하여 대표 하는 면적으로 영향권을 나타낸다.
3. 등우선법(Isohyetal method)
면적 평균 강우량 산정에 가장 정확한 방법으로 지도상에 각 관측소의 위치와 강우량을 표 시하고 동일한 강우량을 연결한 등우선을 작성한다. 계산의 정확도는 등우선의 정확도에 따라 좌우된다. 각 등우선 사이의 면적을 구하고, 가중인자는 총 유역면적에 대한 면적비로 결정한다. 이 방법은 지형의 영향을 포함하는 장점을 가지고 있어 산악지역에 더욱 적합하 다. 그러나 관측점 수가 적으면 정도가 떨어지고 각 호우사상마다 등우선을 작성해야 한다.
재현기간별 확률강우량 1. 기본적인 통계 값 계산
자료가 가지고 있는 특성들을 파악하기 위해서 기본 통계량인 평균(Mean), 표준편차 (Standard deviation), 변동계수(coefficient of variance), 왜곡도계수(coefficient of skewness), 첨예도계수(Coefficient of kurtosis)를 산정한다.
2. 예비적 해석 (1) 무작위성 분석
빈도해석에 필요한 강우자료는 서로 상관성이 없는 무작위성(독립성)을 기본적으로 만 족해야 하며, 수문 시계열의 수문학적 지속성 판정방법으로 Anderson의 correlation test, run test, spearman의 rank correlation coefficient test, turning point test 등을 실시한다.
(2) 경향성 검증
빈도해석에 필요한 강우자료는 일정한 경향성을 가지지 않아야 하므로 경향성 검증을 Hotelling-pabst, Mann-whitney, Wald-wolfowitz 등 3가지 방법을 통해 수행한다.
3. 확률분포형의 적용
적절한 확률강우를 산정하기 위하여 그 지역에 가장 적합한 확률 분포형을 산정해야 한 다. 즉, 모집단의 정확한 분포형을 모르는 상태에서 관측된 소수의 Sample을 통하여 모집 단의 추정이 이루어지므로, 관측 자료에 대해 어떤 최적의 확률 분포형을 적용하는가에 따라 확률강우량이 달라질 수 있기 때문이다. 강우관측소의 연 최대치 강우자료를 이용하
여 분석하며, 일반적으로 빈도해석에 사용되는 확률분포형은 분포군(Family)에 따라 Normal family, Gamma family, Extreme value family, Wakeby family 등으로 나누어진다.
Normal 분포군에는 정규분포(Normal), 2변수 대수정규분포, 3변수 대수정규분포 등이 있 고, Gamma 분포군에는 Exponential 분포, 2변수 Gamma 분포, Pearson type Ⅲ 분포(또는 3변수 Gamma 분포), Log-pearson type Ⅲ 분포 등이 있으며 Extreme value 분포군에는 EVI 분포(또는 gumbel), GEV, weibull 분포가 있다.
4. 확률분포형의 매개변수 추정
매개변수를 추정하는 것은 수문자료의 분포 특성을 좀 더 정확히 표현하기 위하여 필요하 다. 매개변수(parameters)를 추정하기 위해 사용하는 일반적인 방법은 여러 가지가 있으며, 많이 쓰이는 방법으로는 모멘트법(Method of moments)과 최우도법(Method of maximum likelihood), 그리고 확률가중모멘트법(Method of probability weighted moments) 등이 있다.
일반적으로 강우자료의 연수, 이상치 등에 대하여 안정적인 확률가중모멘트법을 채택한다.
(1) 모멘트법(Method of moments)
확률분포의 매개변수를 추정하기 위해 사용되는 몇몇 방법 중 가장 일반적인 방법의 하나가 모멘트법이다. 모멘트법은 모집단의 모멘트(Population moments)와 표본자료의 모멘트(Sample moments)를 같다고 가정하여 적용 확률분포형의 매개변수를 추정하는 방법이다(Haan, 1977).
⋯⋯여기서
는 모집단의 r차 모멘트이고, 는 표본의 r차 모멘트이다. 모멘트는 원점, 평균이나 다른 어떤 점이 사용될 수 있다.모집단에 대하여 원점에 대한 r차 모멘트
′
∞∞ 모집단에 대하여 평균 u에 대한 r차 모멘트
∞∞ 표본에 대하여 원점에 대한 r차 모멘트
′ ′
그러므로 ′
=X
=
이다.표본에 대하여 평균 에 대한 r차 모멘트
그러므로 이며, 위의 표본모멘트는 종종 편의(bias)된 결과를 주므로 아래와 같 이 수정하여 사용하는 것이 일반적이다.
대표적인 모멘트비는 아래와 같다.
변동계수(coefficient of variation):
′
왜곡계수(coefficient of skewness):
첨도계수(coefficient of kurtosis):
(2) 최우도법(Method of likelihood)
최우도법은 표본자료가 나올 수 있는 확률이 최대가 되도록 매개변수를 추정하는 방 법이다. 따라서 자료의 크기가 클수록 자료를 표현해 주는 데 있어서 유용한 방법이다.
우도함수는 다음 식과 같다(Haan, 1977).
⋯⋯
⋯⋯ 많은 확률분포들이 지수함수(Exponential function)를 포함하고 있으므로 일반적으로 우 도함수(Likelihood function)보다는 우도함수에 자연로그를 취한 대수우도함수 (Log-likelihood function)를 많이 사용하며 다음 식과 같이 대수우도함수를 매개변수별 ()로 미분한 뒤 영(Zero)으로 놓고 조건을 만족하는 매개변수를 동시에 추정한다.
ln
⋯⋯
여기서,
은 우도함수이고, ln
는 대수우도함수이며, 는 임의의 확률분포 형의 매개변수이고, n은 매개변수의 수이다. 그러나 최우도법에 의한 매개변수 추정은 다른 방법에 비하여 어려움이 따른다. 위 식이 많은 경우에 비선형방정식으로 표현되기 때문에 해를 구하기 위하여 Newton-Raphson 방법과 같은 수치기법을 사용할 때 수렴이 안 되는 경우가 종종 발생된다. 따라서 최우도법이 이론적으론 가장 타당하나 위와 같이 과정이 복잡하고 확률 분포형에 따라서는 해석적인 해가 가능하지 않기 때 문에 사용함에 대체적으로 어려움이 따른다.
(3) 확률가중모멘트법(probability weighted moments)
확률가중모멘트법은 전통적인 방법인 모멘트법이나 최우도법보다 매개변수의 추정에 서 편의(bias)를 최소화할 수 있고 보다 안정적인 결과를 주는 것으로 알려지고 있으며 일반식은 다음 식과 같이 주어진다(Greenwood 외, 1979).
여기서,
는 누가분포함수이고, p, r, s는 정수이다. 만약 주어진 분포형에 대한 역변 환 형태를 양해적으로 정의할 수 있다면 이 분포형에 대한 매개변수를 추정하는 데 확률가중모멘트가 용이하다. 일반적으로, 모집단의 확률가중모멘트는 다음 식들과 같 이 두 가지 형태로 나타난다.
각각에 대한 표본자료의 불편 확률가중모멘트의 추정치는 다음 식들과 같이 나타낼 수 있다.
여기서, 과 는 확률가중모멘트이고, N은 자료의 크기이고, 는 자료를
≦ ≦ ⋅⋅⋅ ≦ 와 같이 크기순으로 정렬하였을 때의 j번째 값이며, 와 는 표본자료에 대한 평균을 나타내고, 원점에 대한 1차 모멘트
와 같다.5. 적합도 검정
적합도 검정은 대상 자료에 적용한 확률 분포형이 적합한가를 판단하는 단계로서, 확률분 포의 상대도함수(Relative frequency function)와 누가도함수(Cumulative frequency function)의 이론값과 표본값을 비교하여 그 정도를 파악한다. 적합도 검정방법에는 대표
정, PPCC(Probability Plot Correlation Coefficient) 검정들이 있다.
6. 최적 확률분포형 선정
일반적으로 최적 확률분포형을 선정하는 절대적인 기준은 정확히 제시되어 있지 않으며 종합적인 판단 능력이 필요하다. 최근 우리나라의 수문자료와 같이 자료의 수가 적은 경 우에도 매우 효율적인 확률가중모멘트법(Method of probability weighted moment)이 개발 되었으며, 이는 모멘트법(Method of moments)과 같이 적용이 쉬운 반면에 편의되지 않고 최우도법(Method of maximum likelihood)과 마찬가지로 효율적이라 할 수 있다.
강우강도-지속시간-재현기간 관계식(Intensity-duration-frequency curve)
배수구조물 등에 필요한 짧은 강우 지속시간에 대한 홍수량 산정을 위해서는 강우강도식 의 산정이 필요하며, 하천기본 계획의 강우 분석 결과를 소하천장비기본 계획이나 하수도 정비기본 계획에서 활용하기 위해서는 강우강도식이 필요하다.
강우강도식의 형태로는 talbot형, sherman형, japanese형, semi-log형 등과 같은 2회귀상수 형태와 3회귀상수인 general형이 적용되어 왔으며, 최근 ｢확률강우량도 개선 및 보완 연구 (국토해양부, 2011)｣에서 제시되고 있는 전대수 다항식형 등이 제시된 바 있다. 이와 같은 여러 공식 중 상관계수가 높게 나타나는 형을 채택하는 것이 원칙이며, 회귀상수의 개수 가 많은 general형이나 전대수 다항식형의 상관계수가 상대적으로 높으므로 이들 두 가지 중에서 채택하는 것이 바람직하다.
수행 내용1 / 강우자료의 일관성 검토 및 유역평균강우량 분석하기
재료·자료
하천설계기준･해설, 댐 설계 기준･해설, 유역종합치수 계획, 하천기본 계획, 한국수문조사연보, 기상 연･월보, 국토교통부의 국가수자원관리종합정보시스템
기기(장비 ･ 공구)
컴퓨터(S/W 포함), 사무용 소모품(필기도구, 인쇄용지, 토너 등), 캐드, 스프레드시트 프로그램, 프레젠테이션, 워드프로세서 및 GIS SW
안전 ･ 유의 사항
해당 사항 없음
수행 순서
강수량자료의 일관성을 검토한다.
1. 관측소별 연강우량 산정
문제가 된 관측소 주변 관측소의 연강우량을 산정한다. 주변의 관측소는 가능하면 10개이 상을 선택하는 것이 일반적이다.
2. 연강우량 누가 값 도시
해당 관측소의 연강우량과 주변 관측소의 연강우량의 평균값을 누가하여 계산한다. 가로축은 주변의 관측소의 평균연강우량 누가 값이고, 세로축은 해당 관측소의 연강우량 누가값이다.
3. 이중누가우량 분석
두 직선의 경사를 구해보고, 관계직선의 경사가 어떤 연도에 갑자기 변할 때 강우관측소의 변화를 추측할 수 있으며, 필요시 연강우량을 두 직선의 경사비를 이용하여 수정할 수 있다.
유역 평균 강우량을 분석한다.
1. 산술평균법 하기
유역 내 또는 인접한 강우관측소의 강우량을 산술평균한다.
⋯
여기서,
은 유역의 평균 강우량이고,
⋯
은 유역 내 또는 인접한 강우관 측소의 강우량이며,
은 강우량 관측소의 총수이다.2. Thiessen법 적용하기
(1) Thiessen 다각형 만들기
각 강우량관측소의 지배면적을 산정하기 위하여 인접 관측점들을 직선으로 연결하여 여러 개의 삼각형을 만든 후 각 변의 수직이등 분석을 그어서 얻게 되는 내심을 연결 하여 직선과 유역분수계로 둘러싸이는 관측점 주위의 다각형을 만든다.
(2) 지배면적 산정하기
다각형으로 둘러싸인 면적이 각 강우관측소의 지배면적이 되며, 구적기 또는 CAD 프로 그램을 이용하여 지배면적을 산정한다.
(2) 유역평균강우량 산정하기
다각형으로 둘러싸인 면적이 각 강우관측소의 지배면적이 되며, 구적기 또는 CAD 프로 그램을 이용하여 지배면적을 산정한다.
⋯
⋯
여기서,
은 유역의 평균강우량이고,
⋯
은 유역 내 또는 인접한 강우 관측소의 강우량이며,
⋯
은 각 강수량관측소의 지배면적이다.3. 등우선법
지형도상에 강우량관측소의 위치와 강우량을 표시한 후 등우선을 그리고, 각 등우선 간의 면적을 산정한다. 이를 등우선 간의 평균우량을 곱하여 합산한 후 이 값을 유역면적으로 나눈다.
⋯
⋯
여기서,
은 유역의 평균 강우량이고,
은 두 인접 등우선 간의 면적에 대한 평균 강우량이며,
⋯
은 각 두 인접 등우선 간의 면적이다.수행 내용 2 / 재현기간별 확률강우량 분석하기
재료·자료
하천설계기준･해설, 댐 설계 기준･해설, 유역종합치수 계획, 하천기본 계획, 한국수문조사연보, 기상 연･월보, 국토교통부의 국가수자원관리종합정보시스템, 4개 홍수통제소 홈페이지 기기(장비 ･ 공구)
컴퓨터(S/W 포함), 사무용 소모품(필기도구, 인쇄용지, 토너 등), 캐드, 스프레드시트 프로그램, 프레젠테이션, 워드프로세서 및 GIS SW
안전 ･ 유의 사항
해당 사항 없음
수행 순서
과거 강우자료를 입력한다.
초기화면의 ‘과거 수문자료’를 선택하여 대상 강우관측소의 지속시간별 연최대 강우자 료를 <표 2-1>과 같은 스프레드시트 프로그램 또는 CVS 형식의 파일로 입력하거나 직접 입력한다.
번호 연도 1 2 3 6 9 12 15 18 24 48
1 1914 32.2 54.5 60.2 66.4 68.9 74.4 75.3 75.3 75.3 75.3 2 1915 60.5 82.5 89.9 145.2 174.9 204.5 222.3 240.3 263.5 263.5 3 1916 48.4 86 98.5 141.7 153.9 171.6 190.7 204.4 211.1 211.1
⋮ ⋮ ⋮ ⋮ ⋮ ⋮ ⋮ ⋮ ⋮ ⋮ ⋮ ⋮
73 2001 90 142.5 201.4 259.9 264.2 281 288.4 302.2 310.1 310.1 74 2002 52.5 88 119.5 150 176 187.5 198 207.5 286 336.5 75 2003 64.5 100.5 135 145.5 148.5 165 173.5 177 183 256.4
<표 2-1> 서울 지점의 연최대 강우자료
강우지속시간을 설정한다.
강우지속시간은 1, 2, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 24, 48시간 등 임계지속시간을 고려하여 설정한다.
강우자료를 분석한다.
1. 예비해석, 매개변수 추정, 적합도 검정하기
예비적 해석 기법, 매개변수 추정 방법, 적합도 검정 방법을 실시한다. 예비해석에서는 anderson correlation test, run test, spearman rank correlation coefficient test, turning point test를 중복 선택할 수 있고, 매개변수 추정 방법에서는 모멘트법, 최우도법, 확률가중 모멘트법을 중복 선택할 수 있으며, 적합도 검정 방법에서는 -검정, kolmogorov-smirnov 검정, cramer von mises 검정, PPCC 검정을 중복 선택할 수 있다.
2. 빈도 해석하기
과거 수문자료 입력 창에 입력한 강우자료와 해석옵션에서 선택한 예비해석 방법, 매개변 수 추정 방법, 적합도 검정 방법을 바탕으로 빈도해석을 수행한다.
3. 결과보기 (1) 기본통계
기본통계표에서 각 지속기간별로 강우자료의 평균, 표준편차, 변동계수, 왜곡도 계수를 확인한다.
(2) 예비해석
예비해석 통과 여부, 즉 무작위성 여부를 우측의‘CHECK’난에서 확인한다.
(3) 매개변수 추정
매개변수 추정방법에 따른 분포형의 매개변수 적합성 여부를‘VALIDIT CHECK'열에서 확인한다.
(4) 적합도 검정
각 적합도 검정에서 사용되는 검정 통계량 값과 적합도 검정 통과 여부의 기준이 되 는 테이블 값이 표시되고,‘CHECK' 열에서 적합도 검정 통과 여부를 확인한다.
(5) 확률강우량 산정
매개변수 추정 방법과 지속기간을 선택하면 확률분포형별, 재현기간별 확률수문량을 표와 그래프의 형태로 확인한다.
수행 내용 3 / 강우강도-지속시간-재현기간의 관계 분석하기
재료·자료
하천설계기준·해설, 댐설계기준·해설, 유역종합치수 계획, 하천기본 계획, 한국수문조사연보, 기상연·월보, 국토교통부의 국가수자원관리종합정보시스템, 4개 홍수통제소 홈페이지 기기(장비 ･ 공구)
컴퓨터(S/W 포함), 사무용 소모품(필기도구, 인쇄용지, 토너 등), 캐드, 스프레드시트 프로그램, 프레젠테이션, 워드프로세서 및 GIS SW
안전 ･ 유의 사항
해당 사항 없음
수행 순서
강우강도-지속시간-재현기간 관계식의 형태를 선택한다.
강우강도식의 형태로는 Talbot형, Sherman형, Japanese형, Semi-Log형 등과 같은 2회귀상 수 형태와 3회귀상수인 General형이 있으며, 최근 ｢확률강우량도 개선 및 보완 연구(국토 해양부, 2011)｣에서 제시되고 있는 전대수 다항식형을 선택한다.
lnI a blnth clnth dlnth elnth flnth glnth 여기서, I는 강우지속기간에 따른 강우강도(mm/hr),
t
는 강우지속기간(min), th는 강우지속 기간(hr),a b c d e f g n
등은 회귀상수이다. 재현기간별 확률강우량을 정리한다.
강우자료의 통계적 처리를 통하여 분석된 재현기간별 확률강우량을 이용하여 강우강도를 정리한다.
강우 강도식을 유도한다.
지속시간과 강우강도에 최소자승법을 이용하여 강우강도식을 유도한다. 재현기간별 강우강 도식의 회귀상수를 유도하고, 강우강도-지속지간-재현기간 곡선을 도시한다.
2-2. 유효우량 산정
학습 목표 • 침투현상 등을 고려하여 강우량으로부터 유효우량을 분석할 수 있다.
필요 지식 /
침투현상
물의 토양면 유입, 토양 내부로의 이동 및 토양 내 저류용량 고갈의 3단계를 거쳐 이루어 지게 되며, 각 단계에 영향을 미치는 인자에는 토양의 종류, 지면보류수의 깊이와 포화층 의 두께, 토양의 함유수분, 토양의 다짐 정도, 식생피복 등이 있다.
침투모형에 의한 침투능의 산정
토양의 침투능을 결정하기 위해 경험적으로 개발된 여러 가지 침투모형은 대부분 시험포 에서의 침투량 실측자료로부터 유도되었거나 혹은 토양물리학적 이론해로부터 얻어졌다.
일반적으로 Horton 모형, Philip 모형, Hotan 모형, Green-Ampt 모형을 적용한다.
침투지표법에 의한 유역의 평균침투능 결정
유출 수문 곡선은 통상 지표면 및 지하로 흐르는 유량으로 구성되어 있으므로 지표면 유출 과 지하수 유출을 분리하여 초과강우량에 해당하는 지표면 유출량을 산정하게 된다. 지표 면 유출량을 총 강우량으로부터 빼면 호우기간의 총 침투량을 얻게 되고 이를 강우지속기 간으로 나누면 평균 침투능이 되며 이를 침투지표라 한다. 침투지표법은 토양의 함유 수분 이 대체로 크거나 혹은 호우의 강도가 크고 지속기간이 길어서 강우 초기에 침투율이 거의 일정하게 되는 호우의 경우에 적합하다. 침투 지표법에는 Φ-지표법과
W
-지표법이 있다. NRCS 방법에 의한 유역의 유효우량 산정
미국 NRCS에서 개발하였으며, 유출 곡선지수방법으로 알려져 있으며, 미계측 유역에서의 유효우량 산정에 널리 사용되고 있다. 이 방법에서는 시간구간별로 총 강우량에서 유효우 량을 산정하여 유효우량주상도를 작성하게 되며, 시간구간별 총 강우량에서 유효우량을 뺀 값이 바로 침투량이므로 시간구간별로 침투능 곡선을 그릴 수 있다. NRCS 유효우량 산 정방법에서는 유효우량의 크기에 직접적으로 영향을 미치는 인자로서 선행토양함수, 토양 의 종류, 토지 이용 상태, 식생피복 처리상태 및 토양의 수문학적조건 등이 있다.
수행 내용 / 유효우량 산정하기
재료·자료
하천설계기준･해설, 댐 설계 기준･해설, 유역종합치수 계획, 하천기본 계획, 한국수문조사연보, 기상 연･월보, 국토교통부의 국가수자원관리종합정보시스템, 4개 홍수통제소 홈페이지 기기(장비 ･ 공구)
컴퓨터(S/W 포함), 사무용 소모품(필기도구, 인쇄용지, 토너 등), 캐드, 스프레드시트 프로그램, 프레젠테이션, 워드프로세서 및 GIS SW
안전 ･ 유의 사항
해당 사항 없음 수행 순서
선행토양함수 조건을 설정한다.
총우량과 유효강우량 간의 관계 분석에 있어서 5일 혹은 30일 선행강수량은 한 유역의 선 행토양함수조건을 대변하는 지표로 사용된다. 즉, 동일한 강수가 내릴 경우 선행강수량이 많으면 유역 토양의 습윤도가 높으므로 유출률, 즉 유효우량은 상대적으로 많아질 것이나 선행강수량이 적을 경우에는 침투손실이 커지므로 유효우량은 적어져서 유출률은 낮아지 게 된다. SCS에서 기준으로 삼고 있는 선행토양함수조건(Antecedent soil Moisture Condition, AMC)은 각 경우에 대하여 다음과 같은 3가지 조건으로 구분하고 있다.
- AMC-Ⅰ: 유역의 토양은 대체로 건조 상태로 있어서 유출률이 대단히 낮은 상태 - AMC-Ⅱ: 유출률이 보통인 상태
- AMC-Ⅲ: 유역의 토양이 수분으로 거의 포화되어 있어서 유출률이 대단히 높은 상태 위 3개의 선행토양 함수조건은 5일 선행강수량의 크기에 의하여 유역의 습윤 정도를 분류 하는 기준이 되며 SCS에서 사용하고 있는 선행강수량의 크기는 다음 표와 같다. 또한 우 리나라의 경우 비성수기는 대략 10~5월, 성수기는 6~9월로 간주 할 수 있다.
AMC Group 5일 선행강우량, P5(mm)
비성수기 성수기
Ⅰ P5 < 13 P5 < 36
Ⅱ 13 < P5 < 28 36 < P5 < 53
Ⅲ P5 > 28 P5 > 53
<표 2-2> 선행토양 함수조건의 분류
수문학적 토양군을 분류한다.
농업과학기술원에서 SCS의 4가지 수문학적 토양군인 A, B, C, D 중의 하나로 분류하고 있 다. 농업과학기술원에서 제공하는 정밀토양도(S=1:25,000)를 이용한 아래 표에서 알 수 있는 바와 같이 토양군은 침투능의 크기가 큰 순서대로 A, B, C, D로 분류하며 유출률은 이의 역순이다.
토양군 토양의 성질
TYPE A 낮은 유출률(Low runoff potential)
침투율이 대단히 크며 자갈이 있는 부양질, 배수 매우 양호(high infiltration rate) TYPE B 침투율이 대체로 크고(Moderate infiltration rate) 돌 및 자갈이 섞인 사질토, 배수 대
체로 양호
TYPE C 침투율이 대체로 작고 세사질 토양층, 배수 대체로 불량 TYPE D 높은 유출률(High runoff potential)
침투율이 대단히 작고 점토질 종류의 토양으로 거의 불투수성, 배수 대단히 불량
<표 2-3> 토양군의 분류
토지 이용현황을 분류한다.
미국 SCS 기준의 토지 이용 상태와 피복처리상태의 조합에서 우리나라 토지 이용 형태에 적합한 조건을 채택하는 기준이 모호하므로 이에 대한 명확한 기준을 제시하는 것이 필요 하다. 우리나라에서 유출 곡선지수 산정에 활용 가능한 토지 이용현황 자료로는 국토지리 정보원에서 제공하는 수치토지 이용도와 환경부에서 제공하는 수치토지피복도 등을 이용 한다.
유출 곡선지수를 산정한다.
총우량과 유효우량의 관계는 유역의 토양종류뿐만 아니라 유역의 토지 이용상태(혹은 식 생피복형)와 그의 처리상태에 따라서도 크게 좌우된다. 미국 토양보존국에서는 <부록 1>과 같이 농경지역 및 삼림지역에 대해 토지 이용상태, 처리상태 및 토양의 수문학적 조건 등 에 따라 유출 곡선지수를 분류하였고, <부록 2>와 같이 도시지역의 유출 곡선지수를 분류 하였다. 이때의 유출 곡선지수는 AMC-Ⅱ상태에서 산정한다.
유효우량을 산정한다.
총 강우량과 토양의 최대잠재보유수량과의 관계를 이용하여 유효우량을 산정한다.
,
여기서,
