Water for Future
1. 서 론
우수유출저감시설은 도시화에 따라 증대된 우수 의 직접유출량을 저감시키거나 첨두유출 시간을 지연시키기 위한 시설이다. 그 중 저류지는 도시지 역에서 집중호우시 첨두홍수량을 조절하여 하류지 역의 피해를 저감할 수 있는 우수유출저감시설로 가장 많이 이용되고 있으며, 대부분의 개발 계획 단계부터 저류시설의 설치를 고려하고 있다. 저류 지의 설계과정은 상류부 유출량을 하류에 부담시 키지 않도록 유입수문곡선에 대한 저류용량을 결 정해야하는 홍수조절부의 설계와 저류능력 이상의 유출량에 대해서 암거시설 또는 월류에 의해 하류 부의 하천 또는 하도로 방류가 가능하도록 하는 시
설인 방류부의 설계로 이루어지며, 각 부분에 대 한 제원결정이 필수적이다. 하지만, 기초계획 단계 에서는 저류지의 홍수조절부와 방류부 제원을 산 정할 때 엄밀한 계산이 반드시 효율적이라고는 할 수 없으며, 최적설계에 필요한 과정은 간단하지 않 아 많은 시간과 예산이 소요되므로 기초계획 단계 에서 설계를 위한 시간소요를 줄일 수 있는 방안이 필요하다. 따라서 본 고에서는 저류지의 규모 및 방류암거를 간편하게 설계할 수 있는 간편설계 기 법 및 활용방안을 소개하고자 한다.
2. 저류지 규모 및 방류암거 간편설계 기법
간편설계를 위한 저류지의 유입수문곡선은 첨두 유량발생 시간( )은 2시간, 기저시간( )은 로 설정하여 6시간으로 그려지는 삼각형 수문곡선형 태로 가정하고 유입첨두유량은 3∼60 ㎥/s의 범 위의 값을 저류지 규모 및 방류암거 간편설계 기 법의 적용 조건으로 하였다. 저류지의 제원은 사 면경사가 1:2인 사다리꼴로 방류구의 위치는 퇴사 위 0.3m 이상, 제방의 둑마루 폭은 4m, 제방의 여유고는 0.6m, 제방고는 둑마루 폭과 사면경사 의 관계를 고려하여 암거길이가 30m 일 때 제방 고를 6.5m로 가정하였다.
저류지의 규모 및 방류암거 설계를 위한 간편설계 기법 소개
이 재 준 ●●●
금오공과대학교 토목공학과 교수 [email protected]
윤 세 의 ●●●
경기대학교 토목공학과 교수 [email protected]
Water for Future
2.1 저류지 규모 설계를 위한 간편설계 절차
저류지 규모 설계를 위한 간편설계 기법은 저류 지의 유입첨두유량에 대한 저류지 첨두방류량의 비인 첨두유량비 와 저류지의 저류비(=저류용
량/유출용적) , 저류지의 방류구조물 직경 와 저류지의 최대허용수심 , 저류지의 구형바닥 면적 과 저류지의 제형바닥면적 및 보정제형 바닥면적 를 이용하여 홍수조절부의 저류지 규 모를 결정한다.
그림 1. 임시침사지 겸 저류지 구성
표 1. 저류지 규모 설계를 위한 매개변수간의 관계식
매개변수 관계식 비고
저류지의 저류량
Step 3 Step 5 Step 6 Step 7 Step 10 Step 11
관련 매개변수
: 저류비, : 첨두유량비, : 방류구 직경,
: 계산된 첨두방류량, : 저류지 최대 허용수심, : 저류지 제형바닥면적, : 저류지 구형바닥면적
Water for Future
저류지 규모 설계를 위한 간편절차는 다음과 같다.
Step 1: 대상지역의 강우-유출해석을 실시하여 개발후 유입첨두유량(첨두유입량)과 유출용적( ) 및 개 발전 유입첨두유량(첨두방류량)을 결정한 후 저류지 설계를 시작한다.
Step 2: 저류지 개발전 유입첨두유량(첨두방류량)과 저류지 개발후 유입첨두유량(첨두유입량)을 이용하 여 첨두유량비 를 구한다. 단, 저류용량이 주어진 경우 다음단계를 진행한다.
Step 3: 산정된 에 대한 저류비 을 관계식을 이용하여 구한다.
Step 4: 저류지 저류용량 를 저류비 과 유출용적 의 곱으로 산정한다
Step 5: 개발전 유입첨두유량(첨두방류량) 에 대한 방류구 직경 를 관계식을 이용하여 가정한다.
Step 6: 가정한 방류구 직경 D에 대한 저류지 최대 허용수심 를 관계식을 이용하여 구한다.
Step 7: Step 6에서 산정된 저류지 최대 허용수심 에 대한 개발전 유입첨두유량(첨두방류량) 를 관계식을 이용하여 구한다.
Step 8: Step 7에서 구해진 첨두방류량 가 Step 1의 개발전 유입첨두유량 보다 작으면 다음 단계 로 넘어가고, 그렇지 않으면 Step 5로 돌아가서 방류구 직경 를 이전단계보다 작게 재가정하 여 진행한다.
Step 9: 저류지 구형바닥면적 을 다음 식과 같이 저류지 최대 허용수심 에 대한 저류지 저류용 량 의 비로 구한다.
Step 10: 저류지 구형바닥면적 에 해당하는 저류지 제형바닥면적 를 관계식을 이용하여 산정한다.
Step 11: Step 10에서 산정된 저류지 제형바닥면적 를 이용하여 보정면적비를 관계식을 이용하여 구하 고 보정면적비를 곱하여 저류지 보정제형 바닥면적 를 결정한다.
Step 12: 보정제형 저류지 바닥면적 와 저류지 최대허용수심 를 이용하여 저류지 저류용량 를 산정한 후 Step 4에서 구한 저류용량 와 비교하여 허용오차이내에 들면 저류지 용량 결 정을 완료하고, 그렇지 않으면 Step 5로 되돌아가서 진행한다.
2.2 저류지 방류암거시설의 간편설계 절차
저류지 방류부 암거의 설계는 암거유형을 원형 콘크리트관, 입구부 형상은 경사를 준 형태로 가정하였
표 2. 저류지 방류암거 설계를 위한 매개변수간의 관계식
매개변수 관계식 비고
저류지의 방류암거
Step 2 Step 2 Step 7 관련
매개변수
: 암거 단면적, : 상류부 수위, : 암거 중앙부 수심
Water for Future
으므로 암거경사와 암거길이는 고려하지 않는 것으로 하였다. 따라서 암거 상류부 수위에 직접적인 영향 을 미치는 설계유량, 암거직경과 개수 그리고 하류부 수위의 종합적인 관계를 분석한 방류구 암거의 단 면적 와 상류부 수위 , 방류암거의 중앙부 수심 를 이용하여 결정한다.
저류지 방류암거 설계를 위한 간편절차는 다음과 같다.
Step 1: 저류지 첨두방류량 에 대한 방류암거 내 경사( )를 결정한다.
Step 2: 저류지 첨두방류량 에 대한 방류암거의 단면적( )을 가정하고, 표 2의 식을 이용하여 가정 단면적에 대한 초기 상류부 수위( )를 구한다.
Step 3: 표 2의 식에 의해 산정된 단면적과 저류지 용량결정의 방류구 직경 로 방류암거의 개수(n)를 가정하고, D와 n에 해당하는 단면적 을 구한다.
Step 4: Step 3에서 산정된 을 이용하여 Step 2와 동일한 방법으로 을 구하고 Step 2에서 산 정한 와 비교한다.
와 의 차이가 60cm 이하 : (OK) → Step 5.
와 의 차이가 60cm 이상 : (NG) → Step 3에서 D, n을 다시 가정한다.
Step 5: 과 허용 상류부 수위 를 비교한다.
허용 상류부 수위 =저류지 제방고-여유고 : (OK) → 허용 상류부 수위를 만족함으로 Step 6으로 이동
: (NG) → 허용 상류부 수위를 초과하게 됨으로 방류시설의 규모를 증대시키기 위하여 Step 3으로 이동
Step 6: 하류단 수위 와 방류구 직경 와 저류지 퇴사위 높이 를 확인한다.
: 만관 흐름상태 이므로 연속방정식을 이용하여 통수능력 산정 → Step 7의
①로 이동
: 만관 흐름상태가 아니므로 수리특성곡선을 이용하여 통수능력 산정 → Step 7의 ②로 이동
Step 7: ① 통수유량( ) 첨두방류량( ),
: (OK) → Step 8로 이동 통수유량( ) 첨두방류량( ),
: (NG) → Step 5로 이동 통수유량( ) 첨두방류량( ): (NG) → Step 5로 이동 ② 통수유량( ) 첨두방류량( ): (OK) → Step 8로 이동 통수유량( ) 첨두방류량( ): (NG) → Step 5로 이동
Step 8: 암거의 통수능력이 첨두방류량( )을 상회하므로 암거제원이 만족된다고 볼 수 있으므로 Step 3에서 가정한 암거직경( )과 개수(n)로 설계제원을 결정한다.
Water for Future
2.3 간편설계 기법을 이용한 저류지의 규모 및 방류암거 설계 예시
개발 후의 유입첨두유량이 이고 기저시간 인 삼각형유입수문곡선을 가정 하고 개발 전의 유입첨두유량이 , 저류지의 제방고 4m, 암거길이 5m, 경사는 0.05, 퇴사위는 0.3m, 하류단 수위는 1m인 저류지에 대하여 간편설계 기법을 이용하여 저류지의 규모 및 방류 암거를 설계하기로 한다.
[저류지 규모 설계]
Step 1 : 대상지역의 강우-유출해석을 실시하여 개발 후 유입첨두유량(첨두유입량)과 유출용적 및 개발 전 유입첨두유량(첨두방류량)을 결정한 후 저류지 설계를 시작한다.
Step 2 : 저류지 개발전 유입첨두유량(첨두방류량)과 저류지 개발후 유입첨두유량(첨두유입량)을 이용하 여 첨두유량비 를 구한다.
Step 3 : 산정된 에 대한 저류비 을 표 1의 관계식을 이용하여 구한다.
Step 4 : 저류지 저류용량 를 저류비 과 유출용적 의 곱으로 산정한다.
Step 5 : 개발전의 유입첨두유량(첨두방류량) 에 대한 방류구 직경 D를 표 1의 관계식을 이용하여 가 정한다.
Step 6 : 가정한 방류구 직경 D에 대한 저류지 최대 허용수심 를 표 1의 관계식을 이용하여 산정한다.
Step 7 : Step 6에서 산정된 저류지 최대허용수심 에 대한 개발전 유입첨두유량(첨두방류량) 를 표 1의 관계식을 이용하여 구한다.
Step 8 : Step 7에서 구해진 첨두방류량 가 Step 1의 개발전 유입첨두유량 보다 작으면 다음 단 계로 넘어가고, 그렇지 않으면 Step 5로 돌아가서 방류구 직경 를 이전단계보다 작게 재가 정하여 진행한다. Step 7에서 구해진 이고 Step 1의 개발전 유입첨두유량
로 Step 7의 값이 작으므로 조건을 만족한다.
Step 9 : 저류지 구형바닥면적 를 저류지 최대허용수심 에 대한 저류지 저류용량 의 비로 구 한다.
Step 10 : 저류지 구형바닥면적 에 해당하는 저류지 제형바닥면적 를 표 1의 식을 이용하여 산정한다.
Water for Future
Step 11 : Step 10에서 산정된 저류지 제형바닥면적 는 표 1의 식을 이용하여 보형면적비를 구한 후 보 정제형저류지바닥면적( )를 구한다.
Step 12 : 보정제형 저류지 바닥면적 와 저류지 최대허용수심 를 이용하여 저류지 저류용량 를 산정한 후 Step 4에서 구한 저류용량 와 비교하여 허용오차이내에들면 저류지 용량 결 정을 완료하고, 그렇지 않으면 Step 5로 되돌아가서 진행한다.
Step 4에서 구한 저류용량( )과의 차이는 으로 33.5%의 오차를 보여주고 있다. 저류용 량의 오차를 줄이기 위하여 Step 5로 돌아가 방류구의 직경을 기존보다 크게 변경하면 저류용량( )을 크게 할 수 있으며, 방류구의 직경(D)을 3.0m로 변경하면 로 산정된다.
방 류 구 의 직 경 ( D ) 3 . 0 m 인 경 우 의 저 류 용 량 ( ) 를 최 종 산 정 된 값 으 로 결 정 하 면 으로 저류용량의 차이는 으로 4.3% 정도의 오차를 보여 안정적인 설계가 이루어졌다.
[저류지 방류암거 설계]
Step 1 : 저류지 첨두방류량 에 대한 방류암거 내 경사( )를 결정한다.
Step 2 : 저류지 첨두방류량 에 대한 방류암거의 단면적( )을 가정하고, 표 2의 식을 이용하여 가 정 단면적에 대한 초기 상류부 수위( )를 구한다.
Step 3 : Step 2에서 산정된 단면적과 저류지 용량결정의 방류구 직경 로 방류암거의 개수(n)를 가정 하고, D와 n에 해당하는 단면적 을 구한다.
Step 4 : Step 3에서 산정된 을 이용하여 Step 2와 동일한 방법으로 을 구하고 Step 2에서 산 정한 와 비교한다.
이므로 OK(차이가 0.7cm 이므로 60cm 이하) Step 5 : 과 허용 상류부 수위 를 비교한다.
허용 상류부 수위 =저류지 제방고-여유고
Water for Future
Step 6 : 하류단 수위 와 방류구 직경 와 저류지 퇴사위 높이 를 확인한다.
: 만관 흐름상태 이므로 연속방정식을 이용하여 통수능력 산정 → Step 7의
①로 이동
: 만관 흐름상태가 아니므로 수리특성곡선을 이용하여 통수능력 산정 → Step 7의 ②로 이동
Step 7 : ② 통수유량( ) 첨두방류량( ): (OK) → Step 8로 이동 통수유량( ) 첨두방류량( ): (NG) → Step 5로 이동 표 2의 식을 이용하여 암거 중앙부 수심 산정
Step 8 : 암거의 통수능력( )이 첨두방류량( )을 상회하므로 암거제원이 만족하므로 Step 3에서 가 정한 로 방류암거의 설계제원을 결정한다.
방류암거 설계를 위한 간편설계 기법에서는 암 거직경을 크게 하면서 개수를 작게 할 경우 다소 오차가 발생할 수 있으므로 가능한 암거직경을 작 게 하면서 개수를 늘리는 것이 보다 정확한 결과 를 도출할 수 있다.
3. 저류지 규모 및 방류암거 간편설계 기 법 적용
도시유역에서 우수유출저감시설로서 사용되는 저류지는 개발후의 첨두유량을 개발전 상태의 첨 두유량으로 감소시키는 역할을 수행하여야 한다.
표 3. 임시침사지 겸 저류지 설계제원
사업명 방류관 제원 D(mm)×련
개발 전 첨두홍수량
(m3/s)
개발 후 홍수위
(EL.m)
바닥표고 (EL.m)
마루표고 (EL.m) 첨두홍수량
(m3/s)
방류량 (m3/s) 의왕
청계지구 (2.5×2.0)×1 3.50 3.65 3.50 57.96 54.90 58.00 대구
매천지구 (1.0×1.0)×4 13.21 15.07 12.95 27.00 25.10 27.60 아산
배방지구 Ø1,300×4 24.60 27.63 24.49 24.58 22.00 25.00
Water for Future
일반적으로 개발사업의 재해영향성평가에서는 개 발중에 증가하는 첨두유량을 감소시키기 위한 시 설로서 임시침사지 겸 영구저류지를 설치하는 경 우가 대부분이므로 저류지 설계를 필수적으로 시 행하고 있어 각 사업의 저류지 설계제원을 이용하 여 소규모, 중대규모 저류지에 대하여 저류지 간 편설계 기법의 적용성을 검증해 보았다.
저류지 설계결과의 비교검토를 위하여 전국 택 지개발사업의 재해영향평가서를 수집하였으며, 소
규모에서 중대규모의 저류지가 설계된 사업의 자 료를 이용하여 저류지의 간편설계 기법을 적용하 였다. 표 3은 “의왕 청계지구 택지개발사업”과 “대 구 매천지구 택지개발사업”, “아산 배방지구 택지 개발사업”의 임시침사지 겸 저류지의 설계제원을 나타낸 것으로 첨두유입량을 다양하게 적용하였으 며, 이 사업들의 저류지의 설계제원을 입력자료로 사용하여 간편설계 기법을 이용한 저류지 설계 결 과와 비교하였다(표 4).
표 4. 간편설계 절차를 이용한 저류지 규모 산정결과
사업명 해석방법 바닥면적
(m2)
저류지 규모 (m3)
최대 허용수심 (m)
첨두방류량 (m3/s)
방류관 제원 D(mm)×련 의왕
청계지구
기존 344.4 1,754 3.06 3.50 (2.5×2.0)×1
간편설계 583.8 1,754 3.00 3.46 Ø1,400×1
대구 매천지구
기존 1,800 3,590 1.90 12.95 (1.0×1.0)×4
간편설계 1,601 4,127 2.58 12.03 Ø1,300×4
아산 배방지구
기존 10,274 28,200 2.58 24.50 Ø1,300×4
간편설계 9,035 29,612 3.28 24.49 Ø1,500×6
소규모 저류지 간편설계의 예로서 “의왕 청계지 구 택지개발사업”의 임시침사지 겸 저류지의 설 계제원을 이용하였다. 간편설계 기법으로 산정 된 저류지의 바닥면적은 583.8m2, 저류용량은 1,754m3로 저류용량은 기존에 설계된 저류용량 1,754m3/s 과 동일하게 산정되었으며, 저류지의 바닥면적은 기존의 344.4m2에 비해 약간 크게 산 정되었다. 또한 첨두방류량은 3.46m3/s로 재해영 향평가서에서 계산된 개발 중 방류량인 3.50m3/s 와 비슷한 값으로 산정된 것으로 나타났다.
중규모 저류지의 간편설계의 예로서 “대구 매천 지구 택지개발사업”의 임시침사지 겸 저류지의 설 계제원을 이용하여 저류지의 규모를 산정한 결과 저류지 바닥면적은 1,601m2, 저류용량은 4,127m3 으로 산정되어 기존에 설계된 바닥면적 1,800m2
보다 약간 작게, 저류용량 3,590m3보다 약간 크게 산정되었으나 간편설계 방법으로 도출된 결과로는 양호한 것으로 판단된다.
또한 대규모 저류지의 간편설계의 예로서 “아 산 배방지구 택지개발사업”의 임시침사지 겸 저류 지의 제원을 이용하여 간편설계 기법을 적용하였 으며, 저류지의 규모를 산정한 결과 저류지 바닥 면적은 9,035m2, 저류용량은 29,612m3로 기존의 바닥면적 10,274m2, 저류용량 28,200m3 과 가장 근사하게 설계된 것으로 나타났다.
첨두유입량의 크기에 따른 저류지 규모 산정결 과 간편설계 기법의 적용조건 및 가정사항에 따라 어느 정도의 오차가 발생하는 것으로 나타났으나 저류지 계획단계에서 간편설계 기법의 결과를 사 용하는데 무리가 없을 것으로 판단된다. 또한 방
Water for Future
류암거의 제원은 간편설계 기법 이용시 전체적으 로 약간 크게 설계되는 경향이 있으나 간편설계 기법으로 도출된 결과로서는 양호한 것으로 판단 되어 저류지 설계시 활용가능성이 매우 높다고 볼 수 있다.
4. 맺음말
저류지는 우수유출 저감시설 중 가장 기본적인 시설로 대부분의 사업의 계획단계에서부터 저류지 의 설계가 고려되고 있다. 저류지의 설계는 저류 용량 및 방류시설까지 복잡한 절차를 거쳐 설계가 이루어지고 있어 계획단계에서는 불필요한 인력 및 시간이 소요되기도 한다. 본 고에서는 유역의 홍수량을 분담하는 저류지 설계의 기초계획단계에 서 기존의 복잡한 과정을 관련 매개변수의 상관관
계식으로 간략화하여 저류지 홍수조절부의 규모 를 산정할 수 있고 저류지 방류암거를 설계 할 수 있는 저류지 규모 및 방류암거의 간편설계 기법을 소개하고 간편설계 기법을 적용하여 저류지의 규 모 및 방류암거의 제원을 산정하였다. 본 간편설 계 기법을 통하여 저수지 추적과 방류암거의 수리 학적 검토 및 유입구 또는 출구부의 전반적인 상 황을 고려하여 정밀한 계산을 시행하는 노력과 시 간을 덜어줄 수 있으리라 사료된다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부 물관리연구사업의 연구비 지원(16AWMP-B066744-04)에 의해 수행되었 습니다.
참고문헌
1. 소방방재청(2008). 우수유출 저감시설의 종류·구조·설치 및 유지관리 기준(안) 2. 이재준, 곽창재(2008). 우수유출저감용 저류지의 간편설계기법 개발, 한국수자원학회
논문집, 한국수자원학회, 제41권, 제7호, pp. 693-700.
3. 이재준, 김호년(2008). 도시유역 저류지 위치에 따른 우수유출저감효과 분석, 대한토 목학회 논문집, 대한토목학회, 제28권, 제5B호, pp. 535-546.
4. 이재준, 안재찬, 김병일(2014). 저류지의 규모 및 방류암거의 설계를 위한 간편프로그 램 개발, 한국수자원학회 논문집, 한국수자원학회, 제47권, 제7호, pp. 587-598.
5. 장주영, 이재준(2011). 저류지 방류암거의 간편설계기법, 한국수자원학회 논문집, 한 국수자원학회, 제44권, 제4호, pp. 263-273.
