Estimation of Reservoir Sediment Deposition Using Two Dimensional Model

서 론 1.

저수지내로 유입된 유사의 퇴적은 저수지 기능에 여러 가지 장애를 초래하므로 장기적 퇴사의 예측은 저수지의 계획이나 운영에 있어서 매우 중요한 사항이다 특히 불확 . 실한 예측은 저수지의 운영목적 달성은 물론 배사시설 또 는 저수지의 운영방법의 재검토 등 경제적으로 막대한 손 해를 볼 수 있으며 용수공급을 어렵게 할 수 있다 저수지 , . 퇴사량을 예측하는 퇴사량 추정법으로는 미국에서 개발된 모형이 가장 널이 사용되고 있다 모형을

RUSLE . RUSLE

이용하여 퇴사량을 산정하는 경우에는 사면이나 평지와 같은 소유역에 대한 토사침식량 산정에 적합하지 못하다 는 단점이 있어 한계성과 범용성의 제한으로 실측치와의 오차가 발생한다 박의정 등 ( 2005).

따라서 본 연구에서는 저수지의 퇴사를 예측할 수 있는 기존의 RUSLE(Revised Universal Soil Loss Equation) 모형 과 유속벡터와 자유수면의 표고 등을 하천측량자료를 이 용해 만들어진 유한요소망을 이용하는 SMS(Surface Water 모형을 통해 장래 퇴사량을 예측 검토함

Modeling System) ,

으로써 차원모형의 적용성을 검토하고 2 , 2 차원모형을 토대 로 정확한 준설위치를 결정하여 호소관리자의 관리정책에 반영할 수 있도록 하는 것이다.

퇴사량 분포 예측 2.

저수지내 퇴사분포 2.1

저수지의 유입토사는 여러 종류의 입경이 혼합되어 있

차원 모형을 이용한 저수지 퇴사량 예측 2

Estimation of Reservoir Sediment Deposition Using Two Dimensional Model

이 원 호

･ 김 진 극

Lee, Wonho ･ Kim, Jingeuk

ABSTRACT : The Sediment deposits in rivers and reservoirs are major components interfering with the useful function of the reservoirs, and clogging the inlet port at water intakes in rivers and erosion of pump impellers. Therefore, an accurate estimation method of sediment deposition is requisite to the efficient water resources investigation, planning and management. The objective of this paper is to forecast of reservoir sediment deposition using two dimensional model (SMS) to UnMun reservoir in GyeongSangBukDo.

The RUSLE model showed that reservoirs volume was decreased 2,084.09×10

m

after 50 years and 2,196.65×10

m

after 100 years, which is plan flood level elevation (EL.152.12 m) reservoir. The two dimensional model showed that reservoirs volume was decreased 2,227.41×10

m

after 50 years and 2,121.47×10

m

after 100 years, which is plan flood level elevation (EL.152.12 m) reservoir.

The results of this application showed that the use of two dimensional model was very effective for the estimation sediment deposits throughout the reservoir.

Keywords : SMS, RUSLE, Sediment

요 지 : 퇴사는 하천과 저수지의 기능을 저해하는 주요 요소 중 하나로 취수구 부분의 펌프 임펠러 손상 등 많은 문제점을 내포하 고 있다 따라서 저수지의 운영 및 계획 수자원의 효율적 활용을 위해서는 정확한 퇴사량 산정이 이루어져야 한다 본 연구의 목적 . , . 은 경상북도 운문호 차원모형 2 (SMS) 을 이용한 퇴사량 예측에 있다 계획홍수위 . (EL.152.12m) 의 저수용량과 비교할 경우 RUSLE 모 형의 경우 50 년 후 2,084.09×10

m

, 100 년 후 2,196.65×10

m

로 감소하는 것으로 나타났다 . 2 차원 모형의 경우 50 년 후의 저수량은 2,227.41×10

m

, 100 년 후에 저수량은 2,121.47×10

m

로 감소하는 것으로 나타났다 적용결과 차원모형은 저수지 퇴사량 산정에 . 2 매우 유용할 것으로 판단된다.

주요어 : SMS, RUSLE, 퇴사

† 정회원 충주대학교 공과대학 토목공학부 교수 , (E-mail : [email protected]) 한국지반환경공학회 논문집

제 권 제 호 9 5 2008 년 월 8 pp. 21～27

는데 상부퇴적층 , (top set bed) 은 대부분이 소류토사가 퇴 적되며 소입경의 부유토사는 상부퇴적층을 유하하고 대부 , 분은 저부퇴적층 (bottom set bed) 과 댐 직상류부에서 수평 으로 퇴적되는 밀도류층 (density current bed) 을 형성하게 된다 손광익 등 ( 2004).

모형 2.2 RUSLE

토양침식량 추정에는 Wischmeier 와 Smith(1978) 가 개발한 범용토양손실공식 (Universal Soil Loss Equation, USLE) 이 있 다 지표면 및 실개천에서 발생하는 연평균 토사침식량을 산 . 정하기 위하여 1970 년대 개발된 식이다 사면이나 평지와 같 . 은 소유역에 대한 토사침식량 산정에 적합하지 못하다는 단 점이 있어 인자의 수정 계절적 변화에 대한 인자의 개발 R , , 사면 길이 및 경사에 대한 LS 인자의 수정 , C 인자를 산정하 는 새로운 계산과정의 개발 등을 첨가하여 RUSLE(Revised

기법이 등 에 의

Universal Soil Loss Equation) Renard (1991) 하여 개발되었다 .

   ․  ․   ․  ․ 

여기서, A : 강우침식인자 (R) 상의 기간 중 단위면적에서 침식되어 손실되는 단위면적당 토사량(t/ha) R : 강우인자로써 서로 다른 위치에서의 강우강

도 지속기간 빈도의 차이를 고려한 값으로 , , 강우의 침식 포텐셜을 나타내는 계수로서, 강 우침식지수 (Rainfall Erosion Index) 로 표현됨 (10

J/ha mm/hr) ･

K : 토양침식인자(Soil Erodibility Factor)(t/ha/R) LS : 지형인자 무차원 ( )(L ; 침식경사면의 길이인자 ,

침식경사면의 경사인자

S ; )

C : 작물형태 피복상태 등 경작종류와 형태에 , 따 른 경작인자 무차원 ( )

P : 등고선 경작 등 토양보전대책인자 무차원 ( )

모형은 기법개발에 사용된 자료에 더 많 RUSLE USLE

은 현장자료를 추가하여 수정 보완된 기법으로 그 범용성 , 이 USLE 기법에 비하여 우수한다 김만식 정승군 ( , 2002).

모형 2.3 SMS

차원 하상변동 해석 프로그램으로

2 CCHE2D(Center for

와 모형

Computational Hydroscience and Engineering) SMS 이 있다 본 연구에서는 호소내 유속 및 하상변동을 모의 . 할 수 있는 SMS 모형을 선택하였다 . SMS 모형은 차원 정 2 상 및 동수역학적인 유사이송과 하상변동을 모의할 수 있 고 토양침식과 포착 및 이송 퇴적의 각 단계에 따라 세부 , , 모의가 가능할 뿐만 아니라 유속을 모의할 수 있는 RMA-2 와 상호연계가 자유로운 SED-2D 모형을 지원하고 있다 (U.S Army 2002).

모형은 방정식을 수심 적분한

SMS Navier-stoke depth-averaged 방정식을 기본방정식으로 등류 및 부등류 shallow water

조건하에서 하천흐름을 해석하는데 사용될 수 있으며 지 , 배방정식에 대한 해석 기법은 유한요소법이 적용 가능하 다 . 2 차원 접근법은 수로와 홍수터 사이의 흐름운동량 변 화의 모의가 가능하며 복합수로에서 운동량에 의한 이송 , 을 해석할 수 있고 하천의 사행과 연결된 차원 흐름 영 , 2 향도 해석할 수 있다 그림 는 본 연구에서의 . 2 SMS 모형 의 분석과정을 나타낸 것이다 .

모형의 적용 및 검토 3.

대상 호소의 현황 3.1

본 연구의 대상 호소는 경상북도 청도군에 위치한 운문 그림 1. 저수지 퇴사양상

SMS pre-process ASCⅡ geometry

GFGEN

Binary geometry

RMA-2

Binary result soultion

SMS post-process Cartesian coordinate

geometry point Map digitized

Result boundary Result ASCⅡ

Full result solution Full result ASCⅡ Boundary condition SMS

pre-process ASCⅡ geometry

GFGEN

Binary geometry

RMA-2

Binary result soultion

SMS post-process Cartesian coordinate

geometry point Map digitized

Result boundary Result ASCⅡ

Full result solution Full result ASCⅡ Boundary condition

그림 2. SMS 모형의 분석과정

호로 계획홍수위가 EL.151.12m 이고 연평균용수공급량 135,344×10

m

, 평균유하량 203,335×10

m

이다 제방의 형 . 식은 중심 코아형 사력댐으로 연장 407m, 체적이 1,315,000m

, 집수면적이 310.34km

이고 취수탑 개가 방류부 부근에 2 위치하고 있다 그림 은 대상 호소의 현황을 나타내고 있 . 3 으며 지방 급하천인 동창천과 운문천이 운문호로 유입되 , 2 고 있다 한국수자원공사 ( 2005).

모형의 적용 3.2

모형에 의한 퇴사량 산정 3.2.1 RUSLE

모형의 적용인자 중 강우침식인자 는 정필균

RUSLE (R)

등 (1983) 이 기상청 산하 51 개소에 대하여 관측소별 강우침 식인자를 산정하였으며 운문호와 인접한 밀양지점의 강우 , 침식인자 (R) 은 392(10

Joule/ha mm/hr) ･ 를 사용하였다 운 . 문 호의 토양침식인자 (K) 를 산정하기 위하여 개 지점에 대 6

하여 시료를 채취하고 입도분석을 실시하였다.

시료분석 결과를 이용한 토양침식인자 (K) 산정방법은 등 이 제안한 방법을 이용하였으며 산정결

Wishmeier (1971) ,

과 0.217(t/ha/R) 로 산정되었다 운문호유역의 지형인자 . (LS) 를 산정하기 위하여 구간별 사면길이인자 (L), 사면경사인자 (S 를 산정하고 가중평균한 최종 지형인자 ) (LS) 는 6.40 이었 다 토지이용 및 식생 피복에 따른 경작인자 . (C) 를 면적가 중 평균하여 산정한 결과 평균 C 값은 0.052 이다 . RUSLE

유입부

운 동

그림 3. 운문호 현황

표 1. 채취시료 분석결과

시험항목 단 위 UM-1 UM-2 UM-3 UM-4 UM-5 UM-6

비 중 - 2.17 2.38 2.17 2.08 2.56 2.32

함 수 율 ( % ) 38.4 17.0 23.6 40.3 22.5 50.4

입 도 - 극세립사 왕모래 세립실트 극세립실트 세립사 극조립실트

단위중량 (t/ ) ㎥ 1.402 1.496 0.897 0.897 1.488 1.371

표 2. RUSLE 모형을 이용한 비퇴사량 산정 결과 유역면적

(ha)

R [10

J/ha mm/hr] ･

K [t/ha/R]

LS [-]

C [-]

P [-]

토사 유출량 [t/ha/ ] 년

포착율

%

｢ ｣

단위중량 t/m

｢

｣

비퇴사량 m

｢

/km

/ ｣ 년

30,130 392 0.217 6.40 0.052 0.73 20.43 98.84 1.374 1,470

UM-5 UM-2

UM-6 UM-1

UM-3 UM-4

그림 4. 운문호 시료채취 위치

0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 100.0

0.001 0.01

0.1 1

10

입 경 (mm)

통과누가백분율 (%)

UM-1 UM-2 UM-3 UM-4 UM-5 UM-6

그림 5. 운문호 입도분포곡선

모형에 각 계수를 적용하여 산정한 퇴사량 산정결과는 표 2 와 같다 .

모형에 의한 비퇴사량은

RUSLE 1,470m

/km

/ 년 산정되었 으며 이를 통한 , 50 년 후 2,084.09×10

m

100 년 후 2,121.47×

10

m

로 산정되었다.

모형에 의한 퇴사량 산정 3.2.2 SMS

가 . SMS 모형의 구축

유한요소 격자망은 경계조건이 원활하게 구성되는 삼각 형 형태로 구축하였으며 호소내에서 , 2,470 개의 삼각형 요 소와 5,260 개의 노드로 구성되었다 격자망를 이용하여 최 . 종적으로 구축된 운문호내 격자망 및 RMA-2 모의시 건조 조건의 발생을 방지하기 위하여 시행착오법을 이용하여 초 기수위를 결정하였다 그림 은 운문호 수심 및 격자망 초 . 6 ,

기수위산정 결과를 나타내고 있다 .

나 . RMA-2 모형의 수행결과

구축된 기본 자료를 이용하여 홍수기와 평수기를 분할 하여 각각의 흐름상태가 정상류상태가 될 때까지 RMA-2 모형을 수행하였다 모형수행 결과는 그림 . 7, 그림 에 나 8 타내었으며 홍수기 모의시 정상류상태까지 도달하는데 걸 , 린 모의시간은 30 시간 평수기 모의시 정상류상태까지 도 , 달하는데 걸린 모의시간은 21 시간이 소요되었다 .

운문호 차원 흐름을 분석한 결과 운문호는 운문천보 2 , 다 동창천의 유입량과 흐름에 의해 많이 교란될 것으로 판 단되며 지형적으로도 동창천 유입부분에 병목현상이 생길 , 만큼 호소 내로 이어지는 하천폭이 좁아 퇴적의 영향을 심 하게 받는 것으로 예측된다.

그림 6. 운문호의 수심 유한요소격자망 및 초기수위 결정 ,

그림 7. 평수기 및 홍수기 유속 모의결과

그림 8. 평수기 및 홍수기 수위 모의결과

모의결과 평수기 흐름 양상의 특징은 유입량이 RMA-2

큰 동창천과 운문호 합류부에서 유속이 1.2m/sec 로 가장 큰 값을 나타났다 운문호내 평균유속은 . 0.45m/s~1.2m/sec 나타났으며 홍수기 흐름은 평수기 흐름과 비슷한 양상을 , 보이지만 평균유속이 1.8 3.1m/s ～ 정도로 증가됨을 알 수 있다.

다 . SED-2D 모형을 이용한 하상변동 모형구축 본 연구에서 매개변수는 SED-2D 에서 제공하는 기본값 과 퇴사량 실측자료와 모의자료를 시행오차법으로 비교 검 토하여 모의를 수행하였다 . SED-2D 의 모의 결과와 경험적 면적분포법에 의한 공간분포를 정량적으로 비교하기 위하 여 모의시간 조절창에서 , 50 (43,800hr) 년 과 100 (876,000 년 에 대하여 간격으로 모의를 수행하였다 모의 결과

hr) 24hr .

표 3. 각 모형별 홍수위에 따른 저수용량 산정 결과 ( 단위 : 10

m

)

홍수위 (m)

홍수위에 따른 저수량

RUSLE 년후 저수량 50

SED-2 년후 저수량 50

RUSLE 년후 저수량 100

SED-2 년후 저수량 100

152.12 157.13 147.66 153.58 153.07 148.91

152.00 156.14 146.67 152.68 152.08 148.12

151.00 147.94 138.52 144.56 143.90 140.12

150.00 139.79 130.48 136.50 135.79 132.16

149.00 131.81 122.65 128.60 127.86 124.38

148.00 124.12 115.13 120.99 120.22 116.88

147.00 116.70 107.89 113.66 112.86 109.65

146.00 109.50 100.88 106.54 105.72 102.64

145.00 102.68 94.26 99.80 98.97 96.01

144.00 96.38 88.17 93.58 92.74 89.90

143.00 90.50 82.50 87.78 86.93 84.21

142.00 84.95 77.18 82.31 81.45 78.85

141.00 79.66 72.12 77.10 76.24 73.74

140.00 74.57 67.26 72.09 71.23 68.83

139.00 69.69 62.62 67.29 66.42 64.14

138.00 65.02 58.20 62.70 61.83 59.65

137.00 60.55 53.97 58.31 57.44 55.36

136.00 56.23 49.90 54.06 53.21 51.21

135.00 52.06 45.98 49.97 49.12 47.22

134.00 48.00 42.18 45.99 45.14 43.34

133.00 44.05 38.48 42.11 41.28 39.56

132.00 40.20 34.89 38.34 37.51 35.88

131.00 36.48 31.42 34.69 33.87 32.34

130.00 32.90 28.10 31.18 30.38 28.93

129.00 29.46 24.91 27.82 27.02 25.66

128.00 26.15 21.85 24.58 23.80 22.51

127.00 23.00 18.96 21.50 20.73 19.53

126.00 20.07 16.28 18.64 17.88 16.76

125.00 17.36 13.81 16.00 15.25 14.22

124.00 14.92 11.62 13.63 12.89 11.94

123.00 12.72 9.66 11.50 10.77 9.90

122.00 10.72 7.90 9.57 8.85 8.06

121.00 8.92 6.34 7.84 7.13 6.42

120.00 7.31 4.96 6.30 5.59 4.97

119.00 5.89 3.76 4.95 4.25 3.70

118.00 4.67 2.76 3.79 3.10 2.64

117.00 3.63 1.94 2.82 2.13 1.75

116.00 2.74 1.25 2.00 1.31 1.01

115.00 1.99 0.70 1.31 0.62 0.42

114.00 1.37 0.28 0.75 0.07 0.05

합계 2,307.97 2,084.09 2,227.41 2,196.65 2,121.47

운문호로 유입되는 하천과 운문호 합류부에서는 조립토의 침강에 의하여 삼각주가 형성되고 운문호내 흐름에 따라 , 하상을 따라 발생한 밀도류로 인하여 방류부 인근에는 세 립토에 의한 퇴적이 발생하는 것을 알 수 있다.

그림 는 운문호의 퇴사량 예측 결과를 나타내고 있으 9 며 , 50 년 후와 100 년 후는 퇴적양상은 동일하고 퇴적되는 평균퇴적심은 50 년 후 3.57m, 100 년 후 6.45m 까지 증가할 것으로 판단된다.

운문호로 유입되는 동창천 합류부는 50 년 후에는 3.58m, 년 후에는 운문천 하류부는 년 후에는

100 6.52m, 50 3.60m

퇴적과 100 년 후에는 6.64m 퇴적에 의한 퇴적심 증가가 발생 할 것으로 예측되었다 호소의 방류부 우안의 퇴적심 . 이 50 년 후에는 3.61m, 100 년 후에는 6.68m 로 가장 크게 나타났다.

그림 와 같이 차원 모형은 퇴적되는 양 이외에도 하 9 2 천의 유입부 및 호소내 퇴사량을 차원적으로 검토함을 2 알 수 있으며 준설위치는 호소방류부를 순위 호소중심 , 1 , 부를 순위 하천유입부를 순위로 결정할 수 있을 것이다 2 , 3 . 그림 10 은 운문호 저수량 예측결과를 나타내고 있으며 총 , 저수용량 2,307.97×10

m

과 비교할 경우 RUSLE 모형의 경우

50 년 후 2,084.09×10

m

로 9.7% 감소 , 100 년 후 2,196.65×

10

m

로 4.8% 가 감소하는 것으로 나타났다 . 차원 모형의 경우 총저수용량

2 2,307.97×10

m

과 비교 할 경우 50 년 후의 저수량은 2,227.41×10

m

로 3.4% 감소 ,

년 후에 저수량은

100 2,121.47×10

m

로 8.0% 가 감소하는 것으로 나타났다 .

각 모형의 적용결과 퇴사량은 유속과 밀접한 관계가 있 을 것으로 판단됨으로 RUSLE 모형의 경우 유속분포를 고 려하지 못하므로 비퇴사량을 이용한 퇴사량 예측시 과대 또는 과소 추정될 것으로 예측되며 유속분포를 고려한 , 2 차원모형 퇴사량 예측시스템 도입이 필요할 것으로 판단 된다.

결 론 4.

본 연구에서는 저수지의 퇴사를 예측할 수 있는 기존의 모형과 모형을 이용하여 장래 퇴사량을 예측

RUSLE SMS ,

검토함으로써 차원 모형의 적용성을 검토하고 2 , 2 차원 모 형의 모의 결과를 토대로 정확한 준설 위치 결정 함으로써

그림 9. 50 , 100 년 년 후의 운문호 퇴사량 예측 결과

그림 10. 50 , 100 년 년 후의 운문호 저수량 예측 결과

호소관리자의 효율적인 정책결정에 반영할 수 있도록 하 는 것으로 본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.

(1) RUSLE 모형에 의한 운문호 비퇴사량은 1,470m

/km

/ 년 산정되었으며 이를 통한 , 50 년 후 2,084.09×10

m

, 100 년 후 2,121.47×10

m

로 산정되었다.

(2) RUSLE 모형에 의한 운문호 저수량 예측결과 총저수 , 용량 2,307.97×10

m

과 비교할 경우 50 년 후 2,084.09×

10

m

로 9.7% 감소 , 100 년 후 2,196.65×10

m

로 4.8%

가 감소하는 것으로 나타났다 .

(3) 차원모형에 의한 운문호 저수량 예측결과 총저수용 2 , 량 2,307.97×10

m

과 비교할 경우 50 년 후의 저수량 은 2,227.41×10

m

로 3.4% 감소 , 100 년 후에 저수량은 2,121.47×10

m

로 8.0% 가 감소하는 것으로 나타났다 . (4) 차원 모형은 퇴적되는 양 이외에도 하천의 유입부 및 2

호소내 퇴사량을 차원적으로 검토함을 알 수 있으며 2 , 준설위치는 호소방류부를 순위 호소중심부를 순위 1 , 2 , 하천유입부를 순위로 결정할 수 있을 것이다 3 .

사 사

이 논문은 2007 년도 충주대학교 교내학술연구비의 지원 을 받아 수행한 연구임.

참 고 문 헌

1. 김만식 정승권 , (2002), GIS 및 RUSLE 기법을 이용한 삽교호 유역의 토사 유실량 산정, 한국지반환경공학회논문집 , 제 권 3 제 호 4 , pp. 19 27. ～

2. 박의정 김철 김윤환 , , (2005), RUSLE 와 MUSLE 를 이용한 토 사유출량 비교분석 대 , 한토목학회 2005 년도 정기학술발표회 논문집 , 대한토목학회 , pp. 315 318. ～

3. 손광익 심명필 , (2004), 농업용 저수지의 퇴적토사 관리를 통 한 효율적 수자원개발, 한국수자원학회논문집 , 제 권 제 호 37 , 6 , pp. 467 477. ～

4. 정필균 고문환 임정남 엄기태 최대웅 , , , , (1983), 토양유실량 예 측을 위한 강우인자의 분석, 한국토양비료학회 논문집 , Vol.

16, No. 2, pp. 112 118. ～

5. 한국수자원공사 (2005), 용수댐 퇴사량 조사 및 지형도 제작 보고서 운문댐 ( ), pp. 21 29. ～

6. Renard, K. G., Foster, G. A. Weesies and P. J. Porter.(1991), Revised Universal Soil Loss Equation, Journal of Soil and Water Conservation, Vol. 46, No. 1, pp. 30 33. ～

7. Wishmeier, W.H,, Johnson, C. B, and Cross B.V.(1971), A soil erodivility nomograph for farmland and construction sites, Journal of Soil and Water Conservation, Vol. 26, No. 5, pp.

189 193. ～

8. Wischmeier, W.H., and D.D. Smith(1978), Predicting Rainfall Erosion Losses-A Guide to Conservation Planning, USDA, Agriculture Handbook No. 282, pp. 120 138. ～

9. U.S. Army(2002), Engineering Research and Development Center-Water way Experiment Station Coastal and Hydraurics Laboratory. RMA2 WES Version 4.5 Users Tour Guide, pp.

1 265. ～

접수일 심사일 심사완료일

( : 2008. 1. 22 : 2008. 2. 29 : 2008. 6. 30)