1)1. 서 론
1.1 연구 배경 및 목적
우리나라는 지형적 특성과 강우 발생 특성에 따라 이수 측 면의 농업용수 공급, 치수 측면의 하도 준설, 제방 정비 등 홍 수에 대한 방어를 위해 많은 노력을 해 왔다(Oh., 2017). 이 에 따라 한강을 제외한 3대강은 하류부에 하굿둑을 설치하 여 운영하고 있으며, 평균적으로 약 30년 이상 경과되어 안 정화 단계에 있다. 상류부는 대부분 댐이 설치되어 있기 때 문에 홍수가 발생하여 방류할 때 하류의 주요지점까지 홍수
†To whom correspondence should be addressed.
Department of Civil and Environmental Engineering, Daejin university, Korea
E-mail: [email protected]
가 도달하는 시간은 하천의 댐 운영과 더불어 하류부 하천 관리를 위해 중요하다(Park et al., 1997). 이에 국내에서는 4대강 본류를 중심으로 홍수 도달시간의 산정이 수행되어 하천의 운영과 관리를 위한 지표를 제공하고자 많은 노력을 하였다. 최근에는 수자원의 추가 확보를 위한 4대강 살리기 사업의 일환으로 다기능보를 설치하였으며, 상류 댐과 하류 의 하굿둑, 다기능보의 수문운영에 따라 홍수 도달시간이 상이하게 나타날 것으로 예상된다. 이에 주요 지점의 다기 능보의 방류량과 하류부 수위에 따른 정밀한 홍수도달시간 산정이 필요한 시점이다. 본 연구에서는 홍수파 도달시간과 파속에 관한 이론과 홍수파 도달시간 예측에 관한 선행 논 문 사례를 분석하여 특성을 고찰하고, 영산강을 중심으로 2 차원 수리해석 모형을 활용하여 다기능보의 방류량과 하류 부의 수위 조건에 따른 홍수파 도달시간의 변화를 분석하 고자 한다.
2차원 수리해석모형을 이용한 영산강 하류부의 홍수파 도달시간 분석
오지환†
･
조준원･장석환･추정호･오경두*대진대학교 토목환경공학과
*육군사관학교 토목환경학과
Flood Travel Time Analysis using Two-dimensional Hydraulic Model in Yeong-san River Downstream
Ji-Hwan Oh
†･Jun-Won Jo･Suk-Hwan Jang･Jeong-Ho Choov･Kyoung-Doo Oh
*Department of Civil and Environmental Engineering, Daejin University, Korea
*
Department of Civil and Environmental Engineering, Korea Military Academy, Korea
(Received : 15 November 2018, Revised: 25 November 2018, Accepted: 25 November 2018)요 약
홍수 도달시간의 예측은 하천의 수량 관리와 운영 측면에서 매우 중요하다. 최근에는 다기능보의 건설로 수문환경이 변화하였기 때문에 운영조건에 따라 하류부에 미치는 영향이 상이할 것으로 예상되어 정밀한 홍수파 도달시간의 산정이 필요한 시점이다. 이에 본 연구에서는 영산강을 대상으로 2차원 해석이 가능한 HEC-RASver5.0.3 모형을 적용하여 주요 지점의 홍수파 도달시간을 분석하고자 하였다. 분석 결과, 주요 지점의 방류량 증가와 하류부 운영조건에 따른 홍수파 도달시간의 비선형적인 특성을 재현하였다. 본 연구 결과를 활용한다면, 하천 운영에 도움이 될 것으로 기대한다.
핵심용어 : 다기능보, 홍수파 도달시간, HEC-RASver5.0.3
Abstract
Forecasting of flood wave travel time is very important in terms of river management and operation. Recently, the hydrological environment of has changed due to the construction of multi-function weir in the river. It is necessary to analyze flood wave travel time, including hydraulic structures in the channel. The flood wave travel time according to the discharge and downstream water level operating conditions was analyzed using HEC-RASver5.0.3 which is capable a two-dimentional analysis. This study showed nonlinear characteristics of flood wave travel times due to increase of discharge and operating conditions. The results of this study will be helpful for the operation of multi-function weir as well as the river operation.
Key words : Flood wave travel time, HEC-RASver5.0.3, Multi-function weirs
1.2 연구 동향
홍수 도달시간 예측을 위해 Yoon(1992)은 한강 전 구간을 대상으로 홍수량과 도달시간 사이의 다중회귀모형을 제안하였 고, Park et al.(1997)은 홍수 예측 시스템을 구축하고자 부정 류 해석 모형인 LOOPNET을 활용하여 금강의 대청댐 방류에 따른 주요지점의 홍수량과 홍수위, 방류량이 하구까지 도달하 는 시간을 산정하였다. Lee et al.(2003)은 하도추적 방법 별로 도달시간을 산정하고, 상관계수 방법에 의한 오차를 분석하여 수문학적 모형의 적용성을 분석하였다. Lee and Kim(2006)은 한강을 대상으로 수위상승도달시간을 정의하고 관계식을 산정 하여 유지관리 하는데 정보를 제공하고자 FLDWAV (Flood Wave routing model)를 활용하여 분석하였다. Kang(2008)은 금강 대청댐 방류에 의한 도달시간을 검토하고자 평균유속 상 승, 하류 수위 상승을 분석하고, 수리수문학적 홍수추적 모형 을 사용하여 도달시간을 비교·분석하였다. Choi et al.(2011) 은 농업용 저수지 붕괴 시 영향 분석을 위하여 DAMBRK (The NWS DAMBReaK Flood Forecasting Model)을 채택하 고, 댐 하류부의 홍수파 도달시간을 포함한 최대홍수량과 최고 홍수위 변화를 비교 분석하였다. 또한 Choi and Lee(2015)는 낙동강을 대상으로, 홍수도달시간 산정을 위해 FLDWAV를 활용하여 유량, 형식, 하류단 경계조건, 지류의 유무에 따른 초 기홍수도달시간과 첨두홍수도달시간을 산정하였다. Hwang
et al
.(2008)은 수치해석 모형과 실제 홍수도달시간을 관측하고자 홍수의 흐름과 동일하게 하천에 흘러갈 수 있는 부유물을 개 발하였으며 센서를 통해 실시간 계측한 결과와 비교하였으며, Kim and Lee(2011)는 u-IT 기술을 적용한 센서 부자를 이용 하여 남한강 하천의 유출량에 따른 도달시간 실측을 시행하고, 지류유입량을 고려한 유출량별 평균도달시간 관계식을 보완하 였다.국내 연구는 수치해석 연구의 경우, 1차원 수리학적 홍수추 적 모형이 주를 이루었으며 실측에 의한 연구는 하천 흐름에 따른 부유물을 유하하여 측정하는 형태로 이루어졌다. 이는 2 차원 이상의 분석이 가능한 모형을 적용할 경우, 긴 연장의 하 천이 모두 포함되어 해의 발산과 과다한 해석시간이 소요되기 때문인 것으로 판단되며, 실측에 의한 연구는 에너지의 이동인 홍수파를 측정할 수 있는 재료의 부재로 인해 산정 결과가 실 제 도달시간보다 다소 느리게 산정되어 신뢰성이 다소 부족한 것으로 판단된다.
2. 홍수파 도달시간 정의 및 파속 이론
홍수도달시간은 하도의 어떤 구간을 홍수파가 통과하는 데 소요되는 시간으로 정의되며, Yoon and Park(1992)은 다음 Fig. 1과 같이 정의하였다. 여기에서,
t
1은 상류 댐의 여수로 수문을 개방하여 최대 방류량에 도달한 직후에 수문을 다시 폐쇄하여 초기 유출상태, 즉 삼각형 형태의 방류일 경우는 하 류의 여수로 방류곡선의 최대 방류량까지의 시간을 통상적인 홍수파의 전파시간으로 정의하였다. 그러나 대부분의 경우 수 문을 개방하여 상당시간 유지하기 때문에t
2와 같이 최대 방류시점시각을 시작으로 하류댐으로부터의 첨두 방류(최대 저수 위)가 발생하는 시각을 홍수도달시간으로 정의하였다. 또한 Lee and Kim(2006)은 아래 그림 Fig. 2와 같이 상류단의 수 문곡선에서 방류량이 증가하기 시작하는 시간부터 하류의 수 위가 상승하는 시간을 지체시간이라고 정의하고, 수위가 상승 하기 시작하는 시간부터 일정수위까지 상승하는데 걸리는 시 간을 수위상승시간이라고 정의하여 두 시간의 합을 수위상승 도달시간으로 정의하였다. 이는 하류부의 수문곡선에서 유량 을 대신하여 수위를 채택하는 것이 안전성을 검토하는 면에서 더 용이하다고 지적하였다.
Fig. 1. Definition of travel time (Yoon and Park, 1992)
Fig. 2. water level rising travel time (Lee and Kim, 2006)
한편, 댐이나 보에서 방류된 유수는 홍수파와 같이 파속 (wave celerity)을 가지고 전파되므로 하도에서의 평균유속보 다 빠르게 전파되고, 하도의 유량이 증가하게 되면 하류부로 빠르게 진행하게 된다. 대부분의 자연 하천에서 홍수파의 속도 (the velocity of flood wave)는 파속과 거의 같다(Richards
et al.
, 2012). 마찰이 없는 하도에서의 홍수파는 형상(shape)과 속도 변화 없이 무한한 거리를 이동할 수 있으나, 실제 하천은 마찰 효과에 의해 점차 줄어들게 된다(chow, 1959). 다음 Fig.3은 파속을 산정하기 위하여 수파의 마루(crest)와 함께 관측 자가 파속과 동등한 속도로 움직일 경우, 정상 상태(steady state)의 모식도를 보여주고 있다.
Fig. 3. Form of wave about steady state (Chow, 1959)
흐름의 정상 단면인 Section 1과 파가 발생하는 단면인 Section 2사이에 에너지 방정식을 적용하면 다음 Eq. (1)과 같 다(Chow, 1959).
(1)파속 c에 대하여 정리하면 Eq. (2)와 같다.
(2)
여기서, h는 정상 수면위의 파고(wave height)를 의미한다.
Eq. (2)를 근사화하면 Eq. (3)과 같다.
≈
(3)Eq. (3)은 Saint-Venant의 파속방정식이며 수심 y에 비해 h는 작으므로 h를 무시하면 Eq. (4)와 같다.
(4)Eq. (4)는 직사각형 하도 내의 소규모 파의 전파에 대한 방 정식이며, 유사하게 불규칙한 하도 내의 파속은 다음 Eq. (5) 와 같이 활용할 수 있다.
(5)여기서,
D
는 수리수심(hydraulic depth)으로서 통수단면적 (A
)을 수면 폭(B
)으로 나누어 계산한다.Fig. 4. Channel of natural river (Richards et al, 2012)
Richards
et al
.(2012)은 Fig. 4와 같이 자연 하천에서의 파 속은 유량과 하도의 함수로서 다음의 Eq. (6)과 같이 근사적으로 제시하였다.
(6)여기서,
g
는 중력가속도이며,A
는 통수단면적,B
는 하도의 수면 폭이다. 파속은 조도계수, 수심, 하폭 등 다양한 요소에 의해 영향을 받으며, Fig. 4에서b
는 만제 하폭(in-bank full flow width)이며,y
는 만제 유량이 흐르는 상태의 수심 조건인 만제 수심이다. 일반적으로 자연 하천에서는 만제 수심에서A/B
가 최대가 되어 파속도 최대로 발생한다. 그러나, 만제 유 량을 넘어서 수면이 범람원으로 확장되면 통수단면적A
의 증 가에 비해 수면 폭B
가 크게 증가하면서A/B
의 값이 최소가 되어 파속 또한 최소가 된다. 그 이후, 유량이 지속적으로 증 가하면서 수면 폭은 거의 변하지 않는 상태에서 수위가 계속 상승하면 A/B의 값이 증가하면서 파속도 점차 다시 증가하게 되는 현상을 보인다(Richardset al,
2012).3. 모형의 구축
본 연구에서 활용한 모형은 HEC-RASver5.0.3이며, 1차원 수리해석결과와 연계하여 2차원적 흐름을 분석할 수 있는 기 능을 추가하였다. 완전한 2차원 Saint-Venant 방정식과 2차원 확 산파 방정식(2D diffusion wave equation)을 통해 분석할 수 있다 (Hydrologic Engineering Center, 2016). HEC-RASver5.0.3은 확산파와 동역학파 두 가지 모의 기능을 제공하고 있으며 본 연구에서는 동역학파(dynamic wave)에 의한 모의를 선택하 였다.
3.1 1차원 수리 모형 구축 및 조도계수 보정 본 연구의 대상 구간은 영산강 하굿둑으로부터 각각 48.29
㎞와 68.04 ㎞ 지점에 위치한 죽산보와 승촌보에 이르는 구간 이며 승촌보에서 약 12 ㎞ 상류에 위치한 광주천 합류점 직하 류를 선정하였다. 아래 Fig. 5(a)는 연구 대상의 주요 시설물 및 관측소를 보여주고 있으며, Fig. 5(b)는 하도단면별로 지도 상의 좌표체계를 부여하여 HEC-RAS 1차원 수리모형 (geo-referenced river network)을 구축한 결과이다.
홍수사상은 홍수량과 모의기간을 고려하여 2013년 07월 04 일 14:00 ~ 07월 07일 15:00을 적용하였으며, 모형 내 수위 를 결정하는 매개변수인 조도계수는 영산강 하천기본계획(변 경) 보고서(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2013)에서 제시하고 있는 0.026을 적용하였다. 상류단 경계조 건은 유량을 입력하였으며, 하류단 경계조건은 영산강하굿둑 의 내수위를 입력하였으며, 입력자료는 아래 Fig. 6과 같다.
수치 모의 결과와 비교를 위하여 다기능보의 영향을 받을 수 있는 수위관측소인 사포, 나주, 승촌보, 본동을 선정하여 검 증하고자 하였다(Fig 4(a) 참조). 모의 결과와 실측 수위를 비 교한 결과는 아래 Fig. 7과 같으며, 파란 점선이 모의수위, 검 은 실선이 실측 수위를 나타내고 있다.
모의치와 실측치 비교시, 수위의 상승과 하강의 패턴을 잘 따라가는 것으로 나타났으며, 승촌보와 본동의 거리는 약 1 km로 승촌보의 수위 변화를 그대로 따라감을 알 수 있었다.
승촌보와 본동은 실측 최고 수위가 모의치보다 다소 낮았는데, 이는 운영자가 홍수기에 수문을 조작하는 과정을 모형 내부에 서 Inline Structure의 운영룰(rules) 기능으로 적용하였지만, 인간의 부드럽고, 융통성있는 수문조작을 따라가는데 한계가 있는 것으로 보인다. 이를 정량적으로 평가하기 위해 본 연구 에서는 Nash-Sutcliffe Efficiency(NSE) 지수와 PEP(Percent Error of Peak stage)를 활용하였다. NSE 지수는 1이하의 값 을 가지며 1에 가까운 값을 가질수록 모의 성능이 우수한 것 으로 평가한다(Eq. 9). PEP(Percent Error of Peak stage)는 최고 홍수위의 상대적인 오차를 나타내는 지수이며, 하천의 범 람을 결정하는 등 홍수위 모의에 있어서 매우 중요한 요소이 기 때문에 적용하였으며, 아래 Eq. 10과 같다(Moriasi
et al
,2006).
(9)
× (10)모형의 성능 평가에 대한 절대적인 기준이 없기 때문에 본 연구에서는 아래 Table. 1과 같이 적용하여 합격(Very good, Good), 보류(Satisfactory), 불합격(Unsatisfactory)로 구분하 였다. 기준에 대하여 모의에 대한 성능 평가 결과는 아래 Table. 2와 같으며, 비교 수위관측소로 활용한 4개 지점 모두 합격 수준의 결과로 조도계수 보정은 별도로 하지 않았다.
(a) Hydraulic structure and stage station
(b) Hydraulic model Fig. 5. Hydraulic structure and model on the Yeoung-san river downstream
(a) Upstream boundary condition
(b) Downstream boundary condition Fig. 6. Boundary condition on upstream and downstream
(a) Sapo
(b) Naju
(c) Seongchon-bo
(d) Bondong Fig. 7. Comparison of simulated and observed data
Table 1. Statistical criteria for performance of models
Performance Rating PEP Nash-Sutcliffe
Very good PEP ≤ ±10 0.75 < NSE ≤ 1.00
Good ±10 < PEP ≤ ±15 0.65 < NSE ≤ 0.75
Satisfactory ±15 < PEP ≤ ±25 0.50 < NSE ≤ 0.65
Unsatisfactory PEP > ±25 NSE ≤ 0.50
Table 2. Statistical determination of 1D flood water level simulation results Observation station Highest water level(EL.m)
PEP Nash-Sutcliffe Performance
Obs Sim Error
Sapo 2.56 2.74 0.18 7.03 1.00 Very Good
Naju 7.78 7.61 -0.17 -2.19 0.98 Very Good
Seongchon-bo 8.69 8.80 0.11 1.27 0.77 Very Good
Bondong 8.66 8.80 0.14 1.62 0.78 Very Good
(a) Seongchon weir ~ juksan weir
(b) Juksan weir ~ yeongsan estuary dam Fig. 8. Conversion of geometric data
3.2 2차원 모형의 구축
HEC-RASver5.0.3의 경우는 검증한 1차원 모형에서 좌표 체계를 부여했기 때문에 *.Geotiff 파일로 자동 변환 후 모의 가 가능하다. 본 연구 대상 구간은 하도 중간에 다기능보가 존 재하기 때문에 파속의 영향이 하류까지 전달되지 않아 파속이 주요 지점에 영향을 미치는 시간을 정확하게 산정할 수 없다.
이에 모의 구간을 승촌보∼죽산보, 죽산보∼영산강하굿둑 구 간 2개로 구분하여 수행하였다. Fig. 8은 하도 지형 자료의
*.Geotiff 파일로 변환한 상태를 보여주고 있다. 2차원 해석을 위한 메쉬의 셀 수는 각각 3,051개, 12,621개로 모형 구동 시 간의 효율성을 고려하여 구축하였다.
4. 모의시나리오 구성
홍수파 도달시간 분석을 위하여 모의 시나리오를 설정하고, 도달시간의 산정 기준은 최대유속이 발생하는 시점으로 도달 시간을 판단하였다. 승촌보∼죽산보 구간에 대해서는 승촌보 의 계획홍수량을 포함한 방류량 16개 조건, 죽산보의 관리수 위와 계획홍수위 내 8개 조건으로 128개 시나리오를 설정하였 으며, 죽산보∼영산강하굿둑 구간에 대해서는 죽산보 방류량 16개 조건, 영산강하굿둑의 관리수위와 계획홍수위를 포함한 7개 조건으로 112개의 시나리오로서 총 240개를 설정하였다.
계획홍수량 이상 되는 극대홍수량이 실제로 발생할 경우는 하 도에서 범람되어 다른 현상이 나타나겠지만, 본 연구에서는 하 도만 구축하였고, 수심에 따라 최대 파속이 나타나는 현상과 수렴하는 시간을 분석하기 위한 가상의 조건으로 볼 수 있다.
방류 조건은 1시간 간격으로 부여하였으며, 지속적인 방류는 홍수파의 중첩에 의해 산정 결과가 왜곡 될 수 있기 때문에
Table 3. Set of upstream boundary condition Scenario
No. Peak discharge condition
(㎥/s) Note
1 50
2 100
3 300
4 500
5 700
6 1,000
7 2,000
8 3,000
9 4,120 Seungchon weir design
flood discharge
10 5,000
11 6,710 Juksan weir design flood discharge
12 10,000
Relative maximum flood discharge
13 20,000
14 30,000
15 50,000
16 70,000
23:00부터 방류를 시작하여 24:00에 첨두유량이 방류되었다 가 01:00이후로는 추가 방류는 없는 삼각형 형태의 방류 조건 을 부여하였다. 다음 Fig. 9는 방류량의 조건별 수문곡선을 나 타내고 있다.
Fig. 9. Condition flood hydrograph of discharge
모형의 하류 경계조건은 수위 조건으로서, 상류 경계조건과 같이 시간변화에 따른 수위 조건을 부여하였다. 상류 수문곡선 에 의해 유속이 최대로 나타나는 시점을 기준으로 산정하기 위해 관리수위와 계획홍수위 범위 내 수위가 정해지면 모의가 완료될 때까지 일정하게 유지하도록 설정하였다.
Table 4. Set of downstream boundary condition Section name No.
Water level condition
(EL.m)
Note
Seungchon weir ~ Juksan weir
1 3.5 Management water level in the Juksan weir
2 4.0
3 4.5
4 5.0
5 5.5
6 6.0
7 6.5
8 7.1 Design flood water level in the Juksan weir
Juksan weir ~ Yeongsan estuary dam
1 -1.35
Management water level in the Yeongsan estuary
dam
2 -0.85
3 -0.35
4 0.15
5 0.65
6 1.15
7 1.39
Design flood water level in the Yeongsan estuary
dam
5. 주요 지점별 홍수파 도달시간 산정 결과
도달시간 산정 지점은 연구 구간 내 수위-유량 자료가 취득 되는 수위표를 기준으로 하류부터 영산강하굿둑(No.0), 명산 수위표(No.48), 사포수위표(No.76), 죽산보(No.98+100), 영 산포수위표(No.119), 나주수위표(No.130) 등 6개 지점을 채 택하였다. Table 5는 주요 지점의 측점과 하굿둑으로부터의 누가거리를 나타내고 있다.
5.1 영산강하굿둑(No.0)
영산강하굿둑 지점의 죽산보의 방류량별 수위별 도달시간 산정 결과는 Table 6과 Fig. 10(a)와 같으며, 수위 조건에 따 라 73분에서 109분의 범위로 최대 36분의 차이를 보였다. 일 정한 방류량을 기준으로, 하류부의 수위가 증가할수록 홍수파 의 도달시간이 점차 감소하였고, 하류부의 수위가 일정할 경우 에는 방류량이 커질수록 도달시간이 감소됨을 알 수 있었다.
관리수위 EL-1.35 m에서는 일부 3,000∼5,000 ㎥/s에서 미소 한 차이지만 도달시간이 증가하다가 감소하는 양상이 나타났 다. 영산강하굿둑은 방류량에 따라 다소 민감하지 않았는데,
이는 기존 하폭 자체가 넓고, 호소와 같은 특성으로 수면 폭의 증가가 영향을 주지 않는 것으로 보인다.
5.2 명산수위표(No.48)
명산수위표 지점의 죽산보의 방류량별 수위별 도달시간 산 정 결과는 Table 7과 Fig. 10(b)와 같으며, 도달시간은 32분에 서 65분까지의 범위로 최대 33분의 차이를 보였다. 일정 방류 량을 기준으로 하류부의 수위가 증가할수록, 홍수파의 도달시 간이 점차 빠른 특성을 보였으며 계획홍수량 이내인 방류량 1,000∼6,710 ㎥/s 범위 내에서 도달시간이 증가하다가 극대 홍수량 범위로 가면서 다시 도달시간이 감소하는 현상이 나타 났다. 이는 홍수발생에 따라 홍수터를 범람하면서 수면 폭 증 가에 따라 도달시간이 증가하는 현상이 나타나 분석 결과의 경향이 일치하는 현상을 보였다.
5.3 사포수위표(No.76)
사포수위표에서 죽산보의 방류량별 하류부 수위별 도달시 간 산정 결과를 Table 8과 Fig. 10(c)와 같이 나타냈다. 도달시 간은 7분에서 26분까지의 범위로 최대 19분의 차이를 보였다.
Table 5. Station and accumulation distance of analysis points
Observation station Station(No.) Accumulation distance(m) Note
Yeongsan estuary dam 0 0
Section of Juksan weir ~ Yeongsan estuary dam
Myeongsan 48 24,430
Sapo 76 37,900
Juksan-bo 98+100 48,590
Section of Seungchon weir ~ Juksan weir
Youngsanpo 119 57,830
Naju 130 63,140
Table 6. Results of flood travel time(Yeongsan estuary dam)
Unit : min Discharge
(㎥/s)
Yeongsan estuary dam water level (EL.m)
-1.35 -0.85 -0.35 0.15 0.65 1.15 1.39
50 109 104 102 96 92 89 87
100 110 103 100 96 92 89 87
300 110 104 100 97 92 89 88
500 109 103 99 95 92 88 87
700 110 103 98 95 91 88 86
1,000 110 103 98 94 91 87 85
2,000 110 103 97 92 88 85 83
3,000 111 103 97 92 88 84 82
4,120 111 103 97 92 87 83 82
5,000 111 103 97 92 87 83 81
6,710 110 103 96 91 86 82 81
10,000 108 101 95 90 85 81 79
20,000 108 96 91 87 83 79 79
30,000 97 93 89 85 81 78 77
50,000 91 87 84 82 79 76 75
70,000 87 84 82 79 77 75 73
일정한 방류량을 기준으로 하류부의 수위가 증가할수록, 홍수 파의 도달시간이 점차 감소함을 보였다. 그러나, 홍수량이 극 대로 갈수록 하도의 불규칙성과 빠른 유속에 기인한 현상으로 판단되는 도달시간의 역전이 발생하였다. 극대홍수량을 제외 한 죽산보의 계획홍수량 범위 내에서는 20분에서 26분의 범위 로 수위 조건에 따라 민감하게 반응하지 않았다. 이는 방류가 발생하는 죽산보와의 거리가 짧아, 하폭이 증가하더라도 최대 유속이 나타나는 시점은 큰 변화 없이 일정하게 나타나는 것
으로 판단된다.
5.4 죽산보(No.98+100)
죽산보에서 승촌보의 방류량별 하류부 수위별 도달시간 산 정 결과를 Table 9와 Fig. 10(d)와 같다. 도달시간은 27분에서 44분까지의 범위로 최대 17분의 차이를 보였고, 일정한 방류 량을 기준으로 하류부의 수위가 증가할수록, 홍수파의 도달시 간이 점차 감소하였으며, 홍수량이 극대로 갈수록 평균 27.29 Table 7. Results of flood travel time(Myoungsan)
Unit : min Discharge
(㎥/s)
Yeongsan estuary dam water level (EL.m)
-1.35 -0.85 -0.35 0.15 0.65 1.15 1.39
50 65 62 58 57 55 52 51
100 66 62 59 56 55 52 52
300 68 64 60 57 55 52 52
500 70 64 61 58 55 53 52
700 72 65 61 58 55 53 52
1,000 73 66 62 58 55 53 52
2,000 76 70 65 61 57 54 52
3,000 77 71 67 63 59 55 54
4,120 75 70 66 62 59 55 54
5,000 72 68 65 61 59 56 54
6,710 69 66 63 60 58 55 54
10,000 62 60 58 56 55 54 53
20,000 62 48 48 47 46 47 47
30,000 42 42 41 42 42 42 42
50,000 34 34 34 35 36 36 36
70,000 32 30 31 33 31 33 32
Table 8. Results of flood travel time(Sapo)
Unit : min Discharge
(㎥/s)
Yeongsan estuary dam water level (EL.m)
-1.35 -0.85 -0.35 0.15 0.65 1.15 1.39
50 26 25 25 23 23 22 21
100 26 25 24 23 23 22 22
300 26 25 24 23 23 22 22
500 26 25 24 23 23 22 22
700 26 25 24 23 22 22 21
1,000 26 25 24 23 22 21 21
2,000 26 24 23 23 22 21 21
3,000 24 23 23 22 21 20 20
4,120 23 22 22 21 20 20 19
5,000 23 22 21 20 20 19 19
6,710 20 20 20 19 19 19 19
10,000 17 17 17 17 16 16 16
20,000 14 14 12 13 13 13 13
30,000 11 12 11 11 11 12 10
50,000 9 9 8 9 7 9 8
70,000 7 8 8 8 6 8 8
분으로 수렴하는 것으로 나타났다. 한편, 죽산보 계획홍수위에 서는 극대 방류량 이하에서는 방류량에 관계없이 도달시간이 일정하게 나타났으며 극대 방류량에서의 도달시간 감소도 크 지 않은 것으로 분석되었는데, 수심이 깊을 경우 방류량에 대 한 파속의 민감도는 낮은 것을 확인할 수 있었으며 이것은 수 면적이 넓은 계획홍수위 상태에서는 동일한 방류량 증가분에 대해 수심 증가가 상대적으로 작기 때문으로 판단된다.
5.5 영산포수위표(No.119)
영산포수위표에서 승촌보의 방류량별 하류부 수위별 도달 시간 산정 결과를 Table 10과 Fig. 10(e)와 같다. 도달시간은 4분에서 31분까지의 범위로 최대 27분의 차이를 보였고, 일정 한 방류량을 기준으로 하류부의 수위가 증가할수록, 홍수파의 도달시간이 점차 감소하였다. 홍수량이 극대로 갈수록 하도의 불규칙성과 빠른 유속에 기인한 현상으로 판단되는 도달시간의 Table 9. Results of flood travel time(Juksan-bo)
Unit : min Discharge
(㎥/s)
Yeongsan estuary dam water level (EL.m)
3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.1
50 44 41 40 38 37 36 35 33
100 43 42 40 39 37 36 34 33
300 44 42 40 38 37 35 34 33
500 44 42 40 38 37 35 34 33
700 44 42 40 38 36 35 34 32
1,000 44 42 39 38 36 35 33 32
2,000 45 44 41 38 36 34 33 31
3,000 48 46 42 39 37 35 33 32
4,120 50 47 44 40 38 36 34 32
5,000 51 48 45 41 38 36 34 32
6,710 52 48 45 42 39 37 35 33
10,000 51 47 45 43 40 38 36 34
20,000 50 41 39 40 39 38 37 33
30,000 42 35 35 34 34 33 32 31
50,000 31 30 32 30 29 29 30 29
70,000 29 27 28 23 28 29 27 25
Table 10. Results of flood travel time(Youngsanpo)
Unit : min Discharge
(㎥/s)
Juksan weir water level (EL.m)
3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.1
50 31 29 28 27 26 24 23 22
100 31 29 28 27 26 24 24 23
300 31 29 28 26 25 24 23 22
500 30 29 27 26 25 24 23 22
700 30 29 27 26 25 24 23 22
1,000 30 28 26 25 25 24 23 22
2,000 30 28 27 25 24 23 21 21
3,000 28 26 24 24 22 22 21 20
4,120 26 25 24 23 23 20 20 19
5,000 25 24 23 22 21 20 20 20
6,710 21 20 18 18 17 17 17 17
10,000 21 21 14 14 13 14 14 15
20,000 21 20 17 16 15 14 14 12
30,000 12 9 6 9 6 10 6 10
50,000 7 8 7 8 7 7 6 7
70,000 7 6 6 6 4 7 6 4
역전이 발생하였고, 관리수위 범위 내 10,000∼20,000 ㎥/s 구 간에서 일부 도달시간이 느려지는 현상이 나타났으나, 단 1분 의 차이로 민감한 반응을 보이지 않았다.
5.6 나주수위표(No.130)
나주수위표에서 승촌보의 방류량별 하류부 수위별 도달시 간 산정 결과를 Table 11과 Fig. 10(f)와 같다. 도달시간은 1분
에서 13분까지의 범위로 최대 12분의 차이를 보였고, 일정한 방류량을 기준으로 하류부의 수위가 증가할수록, 홍수파의 도 달시간은 감소하지 않는 경향이 나타나지 않고, 일부 수위가 낮음에도 불구하고, 도달시간이 더 빠른 현상이 나타났는데, 이는 나주수위표는 승촌보 하류 4.9 ㎞ 하류부로 거리가 짧고, 하폭이 증가하더라도 최대 유속이 나타나는 시점은 큰 변화 없이 일정하게 나타났으며, 하도의 불규칙성과 빠른 유속에 기 Table 11. Results of flood travel time(Naju)
Unit : min Discharge
(㎥/s)
Juksan weir water level (EL.m)
3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.1
50 13 13 13 13 13 13 13 13
100 13 13 13 13 13 13 13 13
300 13 13 13 13 13 13 13 13
500 13 13 13 13 13 13 13 13
700 12 12 12 13 13 13 13 13
1,000 12 12 12 12 12 12 12 12
2,000 11 11 11 11 11 10 11 11
3,000 9 9 9 10 9 10 10 10
4,120 8 8 8 8 8 9 9 7
5,000 8 8 8 8 8 8 9 8
6,710 7 7 7 7 7 7 7 7
10,000 6 6 5 5 6 6 6 6
20,000 4 4 4 4 4 4 4 5
30,000 5 3 2 2 3 4 3 3
50,000 2 2 2 3 3 3 3 2
70,000 2 2 2 1 3 3 2 2
(a) Yeongsan estuary dam (b) Myeongsan (c) Sapo
(d) Juksan weir (e) Yeongsanpo (f) Naju
Fig. 10. Flood travel time analysis of main point in the yeongsan river
인한 현상으로 판단하였다.
영산강 내 주요 지점의 수위표를 지점으로 도달시간을 분석 한 결과, 방류량이 증가함에도 불구하고 도달시간이 증가하다 가 계획홍수량 이상의 극대홍수량으로 커지면 다시 감소하게 되는 경향이 나타났으며, 이는 Richards
et al.
(2012)과 분석한 연구와 비슷한 경향을 나타냈다. 또한 하류부의 수위가 관리수 위 수준에서는 수면적이 작은 상태로서, 방류량이 증가하면서 수심 증가가 상대적으로 크고 수면 폭이 증가하기 때문에 도 달시간이 민감하게 반응하는 것으로 분석되었고, 이와 반대로 하류부의 수위가 계획홍수위 정도로 수심이 깊을 경우 방류량 에 대한 파속의 민감도는 낮게 발생하였으며, 이는 수면 폭 자 체가 증가되어 있는 상태여서 방류량 증가에 대한 수심증가가 상대적으로 작기 때문인 것으로 보인다.6. 결 론
본 연구에서는 2차원 수리해석모형을 활용하여 최대유속 이 발생하는 시점을 기준으로 영산강의 주요 지점의 홍수 파 도달시간을 산정하였으며, 주요 결론은 다음과 같다.
1) 선행 연구 분석 결과, 홍수파의 파속은 중력가속도와 하도의 수심의 함수로서, 평균 유속에 비해 빠르게 나타나 고, 하도 내 유량이 점차 커지면서 수심 증가에 따른 파속 의 증가로 도달시간이 감소하다가, 범람원으로 확장되면 수 면 폭이 상대적으로 커져 도달시간이 급격하게 증가하다가 점차 다시 감소해 가는 비선형적인 특성이 나타났다.
2) 영산강하굿둑은 연구 구간의 최하류부로서, 하류부 수 심 조건이 계획홍수위로 증가할수록 도달시간은 점차 감소 하는 결과가 나타났으나, 하폭 자체가 넓고, 호소와 같은 특성으로 수면 폭의 증가에 따른 도달시간의 영향이 다소 민감하게 반응하지 않았다.
3) 명산수위표와 죽산보 지점은 하류부의 수위가 증가할 수록 홍수파 도달시간이 점차 감소하는 형태가 나타났으나, 계획홍수량 범위 이내에서는 선행 연구 결과와 같이 홍수 터를 범람하면서 수면 폭 증가에 따른 도달시간이 증가하 는 현상이 나타났다.
4) 사포수위표, 영산포수위표, 나주수위표는 일부 도달시 간이 증가하는 현상이 발생하였으나, 민감한 반응을 보이지 않았고, 수위가 낮음에도 불구하고 도달시간이 더 빠른 역 전 현상이 나타났다. 이는 상류단 경계조건인 죽산보와 승 촌보 지점과의 거리가 매우 짧고, 홍수량이 극대로 갈수록 하도의 불규칙성과 빠른 유속에 기인한 현상으로 판단된다.
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