다기능보의 수문운영에 따른 금강의 장기하상변동 및 홍수위변화 분석

정안철,정관수,Jeong, Anchul,Jung, Kwansue 한국수자원학회 2015 한국수자원학회논문집 Vol.48 No.5

국내 4대강에 설치된 다기능보는 하천을 횡단하는 수공구조물로써 고정보와 가동보로 구분되어 설치되었으며, 각 다기능보의 수문운영 방식에 따라 유량이 변화하여 하상변동 및 유사이동 형태의 변화 가능성이 있다. 본 연구에서는 다기능보의 수문운영에 따른 장기 하상변동을 금강유역을 중심으로 연구하였다. 연구결과, 금강에서는 다기능보의 설치 및 수문운영 시나리오에 따라서 최심하상고의 변화가 연평균하상고의 변화에 비해서 상대적으로 큰 것으로 나타났다. 최심하상고의 하상저하는 최대 2.79 m, 하상상승은 최대 1.90 m까지 발생하는 것으로 나타났으며, 연평균하상고의 하상저하는 최대 2.16 m, 하상상승은 최대 1.24 m까지 발생하는 것으로 나타났다. 또한 하상변동에 따른 홍수위 분석 결과, 다기능보 설치 후에 홍수위가 대부분 상승하는 것으로 나타났으며, 최대 2.23 m까지 상승하는 것으로 나타났다. 이러한 결과로 인해서 제방의 여유고를 상회하는 홍수위가 발생할 가능성이 있기 때문에, 하천의 유사관리 및 하천계획수립을 함에 있어서 다기능보의 수문운영을 고려해야 한다고 판단된다. 또한 본 연구결과는 향후 하천계획을 수립함에 있어서 종단적 하도관리 및 안정하상 채택 등을 위해서 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 본다. Multi-functional weirs has been installed in four rivers are hydraulic structures across the river. The structures were divided into movable and fixed weirs. Hence, riverbed-level variation and sediment transport can be varied due to water gate operation. In this study, the long-term riverbed-level variation of Geum river basin due to water gate operation of multi-functional weirs was studied. Result of this study shows that the variation of thalweg elevation was greater than the variation of annual average riverbed elevation due to multi-functional weirs construction and water gate operation. Maximum riverbed degradation of thalweg elevation that occurred was 2.79m and riverbed aggradation was 1.90m. Maximum riverbed degradation of the annual average riverbed elevation that occurred was 2.16m and riverbed aggradation was 1.24m. Analysis result of flood stage by the variation of riverbed-level shows that flood stages were increased in majorities area. The maximum increase in the value of flood stage was 2.23m. For this reason, flood stages can be greater than the freeboard of the levees. Therefore, we should consider the water gate operation of multi-functional weirs when planning and managing sediment in the river. We are expecting to use the result of this study in river planning for river management and selecting the river regime.

순간단위도의 왜곡된 형상에 대한 지형학적 접근

김주철,정관수,정동국,Kim, Joo-Cheol,Jung, Kwansue,Jeong, Dong Kug 한국수자원학회 2015 한국수자원학회논문집 Vol.48 No.2

This paper presents the systematic approach to positively skewed shape of instantaneous unit hydrograph (IUH), that is one of the universal features of hydrologic response function. To this end an analytical expression of statistical moments for IUH is derived within the framework of geomorphologic instantaneous unit hydrograph (GIUH) theory and quantified according to the concept of hydrodynamic, geomorphologic and kinematic heterogeneity. There is a big scale difference between hillslope and channel flow path system. Although the former has the much smaller level of scale its variation coefficient tends to be higher and coefficient of skewness has the different trend than the latter. The shape of IUH is likely to be much more affected by kinematic heterogeneity rather than hydrodynamic heterogeneity and its combined effect with geomorphologic heterogeneity is the major cause of skewing hydrologic response function. Statistical features of hillslope and channel flow path can be transferred into hydrologic response function in the form of dimensionless statistics and their relative importance forms the general shape of hydrologic response function. 본 연구에서는 순간단위도의 보편적 특성 중 하나인 왜곡된 형상에 대하여 체계적인 접근을 시도하여 보았다. 이를 위하여 순간단위도의 통계모멘트에 대한 해석적 관계식을 지형학적 순간단위도 이론을 기반으로 유도하고 유역의 동수역학적 이질성, 지형학적 이질성 및 운동학적 이질성의 개념에 따라 정량화하여 수문학적 응답 함수를 왜곡시키는 원인에 접근해 보고자 하였다. 지표면 배수경로와 하천 배수경로 사이에는 큰 규모의 차가 존재하지만 전자는 후자에 비하여 작은 규모임에도 불구하고 오히려 큰 변동계수를 가지며 왜곡계수 역시 다른 경향을 나타냄을 볼 수 있었다. 순간단위도의 형상은 동수역학적 이질성보다는 운동학적 이질성에 지배를 받으며 특히 지형학적 이질성과 결합하여 수문학적 응답함수에 왜도를 발생시키는 주요 원인이 될 수 있음을 알 수 있었다. 지표면과 하천의 배수경로들이 갖는 통계특성은 무차원 통계량의 형태로 수문학적 응답함수에 전달되어 지는데 이들 사이의 상대적 중요도에 따라 수문학적 응답함수의 전반적 형상이 결정되는 것으로 판단할 수 있었다.

멱함수 법칙분포를 기반으로 한 유역의 배수구조에 대한 해석

김주철,강희승,정관수,Kim, Joo-Cheol,Kang, Heeseung,Jung, Kwansue 한국수자원학회 2016 한국수자원학회논문집 Vol.49 No.6

본 연구의 주목적은 유역의 유출응집구조를 분석하고 이를 기반으로 멱함수 법칙분포의 대표적 특성인 보편성을 수문학적 관점에서 입증해 보고자 하는 것이다. 이를 위하여 최우법에 따라 집수면적의 누가분포에 대한 멱함수 법칙분포의 적합을 수행하였으며 이로부터 도출된 멱함수 법칙분포의 지수를 집수평면의 형상을 기반으로 평가하여 보았다. 주요한 결과로서 본 연구의 대상 유역들은 집수평면의 규모에 대하여 거의 모두 동일한 형태의 분포를 취하고 있음을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 얻은 멱함수 법칙분포의 지수는 선행연구에서 제시된 값에 비하여 다소 큰 수치로 나타났는데 이는 본 연구의 대상유역들이 가진 자기상사성의 특징을 반영하는 것으로 판단된다. 향후 DEM을 기반으로 보다 더 실제에 가까운 흐름방향모의를 통한 집수평면의 멱함수 법칙분포의 보편성에 대한 연구가 반드시 수행되어야 할 것이다. This study aims at hydrologically demonstrating the universality of power law distribution by analyzing runoff aggregation structures of river basins. Power law distribution is fitted to cumulative drainage area of basins of interest by maximum likelihood, which results in the power law exponents. And then those exponents are assessed in terms of the shape of catchment plan-form. As a main result all of the basins in this study have similar distributions of catchment area. The exponents from this study tend to be higher than the ones from previous researches reflecting self-similar property of the catchment plan-forms of interest. Further study is required about the universality of power law distribution by means of the more realistic flow routing scheme within the framework of DEM.

수위-유량관계곡선의 자동구간분할을 위한 변동계수 활용기법의 개선

김연수,김정엽,안현욱,정관수,Kim, Yeonsu,Kim, Jeongyup,An, Hyunuk,Jung, Kwansue 한국수자원학회 2015 한국수자원학회논문집 Vol.48 No.10

일반적으로 수위-유량관계 곡선식은 선형성과 등분산성 가정을 기반으로 구축되지만, 측정단면의 형태, 단면 상 하류의 지형요인 등으로 인하여 영향을 받기 때문에 실질적인 수위 및 유량의 관계는 관계식 구축에 이용되는 가정에 위배된다. 이로 인한 오차를 줄이기 위하여 곡선식을 분할하여 이용하고 있으나, 측정단면의 변화를 고려한 관계자의 주관적인 판단이 구간분할의 주요 근거로 이용되고 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 주관성을 배제하고 관측데이터를 기반으로 객관화된 분할근거를 제시하고자 한다. 곡선식의 구간 분할을 위하여 변동계수를 이용한 기존의 연구를 바탕으로 변동계수가 정규분포를 따르는 것으로 가정하여, 계산된 변동계수가 전 단계에서 계산된 95% 신뢰구간 이내에 존재하지 않는 경우 구간을 분할하였다. 즉, 변동계수를 이용하여 집단 간의 특성을 비교하였으며, 변동계수의 분포를 이용하여 분할을 위한 기준 값을 제시하였다. 방법론의 추정능력 검토를 위하여 가상의 곡선으로부터 생성된 데이터에 제안된 방법론을 적용하였고, 실제유역에 적용성 검토를 위하여 금강에 위치한 무주 및 산계교 수위관측소 지점에 적용하였다. 결과적으로 자동으로 분할된 관계곡선식을 사용하여 추정의 정확도를 높일 수 있을 뿐만 아니라 외삽을 하는 경우 역시 그 정확도를 향상할 수 있음을 확인하였다. 마지막으로 실측값을 활용한 수위-유량관계 곡선식의 구축 시 구간 분할 전 후의 잔차 데이터에 대하여 Shapiro-wilk 정규성 검정을 수행하였으며, 구간분할 후 잔차가 정규성을 갖게 되는 것으로 나타났다. In general, the water stage-discharge relationship curve is established based on the assumptions of linearity and homoscedasticity. However, the relationship between the water stage and discharge is affected from geomorphological factors, which violates the basic assumptions of the water stage-discharge relationship curve. In order to reduce the error due to the violations, the curve is divided into several sections based on the manager's judgement considering change of cross-sectional shape. In this research, the objective-splitting criteria of the curve is proposed based on the measured data without the subjective decision. First, it is assumed that the coefficient of variation follows the normal distribution. Then, if the newly calculated coefficient of variation is outside of the 95% confidential interval, the curve is divided. Namely, the groups is divided by the characteristics of the coefficient of variation and the reasonable criteria is provided for establishing a multi-segmented rating curve. To validate the proposed method, it was applied to the data generated by three artificial power functions. In addition, to confirm the applicability of the proposed method, it is applied to the water stage and discharge data of the Muju water stage gauging station and Sangegyo water stage gauging station. As a result, it is found that the automatically divided rating curve improves the accuracy and extrapolation accuracy of the rating curve. Finally, through the residual analysis using Shapiro-Wilk normality test, it is confirmed that the residual of water stage-discharge relationship curve tends to follow the normal distribution.

사행하천에서 사주의 이동특성에 관한 수치실험

장창래(Jang Chang-Lae),정관수(Jung Kwansue) 대한토목학회 2006 대한토목학회논문집 B Vol.26 No.2B

본 연구에서는 2차원 수치모형을 이용하여 사행하천에서 하안 침식과 사행의 발달을 일으키는 기본적인 요소인 사주의 이동 특성을 파악하였다. 본 2차원 수치모형에서는 직교좌표계를 변환하여 하천의 형상에 적합하도록 일반좌표계를 사용하였다. 본 연구의 수치모형을 이용하여 하천의 만곡부에서 2차원 흐름특성을 계산하고, 하상변동을 모의하여 사주의 거동을 모의하였다. 수치모의에서는 이용하여 사행수로의 사행피장 대 하폭 비가 사주의 이동특성에 미치는 영향을 분석하였으며, 모의 결과를 Kinoshita와 Miwa(1974)에 의해 제시된 한계이동각과 비교한 결과, 상대적으로 잘 일치하였다. 그리고 사행하천에서 사행의 파장이 크고, 하폭이 넓을수록 사주의 이동에 대한 강제효과의 영향을 작게 받기 때문에 사주의 이동속도가 빠르고, 사주의 이동한계에 대한 사행 각도가 크며, 사주의 이동한계 사행각에 접근할 때 사주의 이동속도가 급격하게 감소되는 것을 알 수 있었다. This study is to analyse the characteristics of bar migration, which is important roles to bank erosion and meandering development, for the meandering channels with erodible bed by using a 2-D numerical model in the generalized coordinate systems. The results of the numerical experiments showed that the features of bar migration were affected by the meandering wavelength to the width ratio, and had a relatively good agreement with the criterion for bar migration through a bend suggested by Kinoshita and Miwa (1974). The bar migrated with speed in the channel with long wavelength and broad width, and the criterion for bar migration was increased. The bar celerity was decreased abruptly near the criterion.

지하수위 저하가 지반함몰에 미치는 영향에 관한 실험적 연구

김숙자(Sukja Kim),정관수(Kwansue Jung) 한국지반환경공학회 2018 한국지반환경공학회논문집 Vol.19 No.11

최근 지반사고 발생통계에 따르면 도심지를 중심으로 지반함몰 및 침하발생 빈도수가 매년 증가하고 있어 사회적으로 문제가 되고 있다. 이 연구는 지반공동현상 실내모형실험을 통해 지하수위 변동과 지반함몰과의 연관성을 규명하고자 하였다. 화강풍화토와 표준사를 1:1로 혼합한 후 상대다짐도 30%, 50%, 80%로 사질지반을 조성하고, 지하수위 변화에 따른 토사유출량의 변화를 비교분석하였다. 사용재료의 물리적 특성은 입도분포가 양호한 모래질로서 최대건조단위중량 1.94g/cm³, 내부마찰각 37°로 조성하였다. 하단으로부터 10cm, 20cm, 30cm 높이에 지하수위를 조성한 후 유출량을 분석하였다. 실험결과 지하수위가 높을수록 유출속도가 증가하며, 시간에 따른 공동의 크기도 증가하는 것으로 나타났다. 시간에 따른 토사의 누적유출량은 35분 경과 후 최대 30kg까지 발생하였으며, 지하수 하강에 따른 토사유출로 인해 지반함몰 범위가 증가한 것을 확인하였다. According to recent ground collapse occurrence, ground subsidence is increasing every year in downtown area, which is a social problem. The purpose of this study is to investigate the relationship between ground water level lowering and ground collapse through laboratory model experiments. After mixing 1:1 granite weathered soil with sand, sandy soil was formed as a relative density of 30%, 50%, and 80%. And then the changes of soil discharge with change of groundwater level were compared. The physical property of material of which particle distribution were well graded with maximu dry unit weight of 1.94 kg/cm³ and internal friction angle of 37degrees. Ground water levels were measured at 10 cm, 20 cm, and 30 cm from the bottom. As a result, the experiment shows that the higher the groundwater level works the higher the discharge velocity and the magnitude of underground cavity also increases with elapsed time. Finally, the cumulative quantity of soil discharge occurred up to 30 kg at the elapsed time, 35 minutes. It was also confirmed that the range of ground collapse increased due to soil discharge with ground water level lowering.

한강수계의 수문자료와 원수탁도의 상관관계 분석

정안철,강태운,김성원,정관수,Jeong, Anchul,Kang, Taeun,Kim, Seongwon,Jung, Kwansue 한국수자원학회 2016 한국수자원학회논문집 Vol.49 No.1

원활한 용수공급과 정수장의 효율적이고 경제적인 설계 유지 관리를 위해서 한강수계에 위치하고 있는 두 광역정수장의 원수탁도와 수문자료간의 상관관계를 분석하였다. 광역정수장의 취수원인 댐의 유입유량, 방류량, 강우를 수문자료로서 활용하였으며, 상관관계 분석을 위해서는 상관분석과 주성분분석 기법을 이용하였다. 또한, 탁도변화를 예측할 수 있는 회귀식을 제안하여 탁도 변화 예측을 수행하였다. 충주정수장의 원수탁도는 충주댐의 방류량(0.708)과 와부정수장의 원수탁도는 팔당댐의 유입량(0.805)과 높은 상관성이 높은 것으로 확인되었다. 상관성이 높은 시계열자료를 이용하여 제안한 회귀식의 탁도 예측치는 상수도시설기준에서 제시하고 있는 원수탁도 산정방법을 이용한 경우와 유사한 결과를 도출하였다. 본 연구의 결과는 장래의 원수탁도를 예측하여 추가적인 정수장 건설 및 기존 정수장의 효율적인 유지 관리를 위한 기초 자료를 제공할 수 있을 것으로 판단된다. A correlation analysis between raw water turbidity at two wide-area water treatment plants and hydrological data was conducted for efficient water supply, design and management of water treatment plant. Both correlation analysis and principal component analysis were conducted using hydrological time series data such as inflow discharge, outflow discharge, and rainfall at dam basin of intake station of wide-area water treatment plants. And, forecasting of change in turbidity was conducted using regression equation for turbidity prediction. The raw water turbidity of two water treatment plants was strongly related to time series of discharge. The raw water turbidity of Chungju water treatment plant is strongly related to outflow discharge at Chungju dam (0.708). Whereas, the raw water turbidity of Wabu water treatment plant is strongly related to inflow discharge at Paldang dam (0.805). Similar trends between turbidity forecasting result using regression equation and calculation result using estimation equation on Korea water supply facilities standard were obtained. The result of this study can provide basic data for construction and management of water treatment plant.

흐름상태와 제내지 및 제외지의 표고변화에 따른 제방의 파이핑안정성 평가

강태운,안현욱,김연수,정관수,Kang, Taeun,An, Hyunuk,Kim, Yeonsu,Jung, Kwansue 한국수자원학회 2015 한국수자원학회논문집 Vol.48 No.4

최근 지구온난화로 인한 기상이변으로 전세계가 몸살을 앓고 있다. 우리나라도 같은 실정에 직면해 있으며 이에 대비하는 차원으로 대하천 정비사업을 실시한 바 있다. 제방에 대한 정비항목으로는 하천준설, 제내지와 제외지에 대한 성토 및 보강등이 있으며 이로 인해 지하수 흐름양상이 변하게 될 것으로 추정된다. 그러므로 이와 같은 환경을 시뮬레이션을 통해 제내지와 제외지의 높이에 따른 제방의 파이핑 안정성을 분석해볼 필요가 있는 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 낙동강의 지류인 회천에 위치한 율지제를 중심으로 본 연구제방에 설치된 간극수압센서를 이용하여 제내지와 제외지의 표고변화에 따른 제방내부의 지하수 침투양상을 SEEP/W를 이용하여 정상류 및 부정류를 고려한 모의를 수행하고 안정성을 검토하였다. 모의결과, 제내지의 표고가 상승할수록 파이핑 안정성이 증가하는 것으로 나타났으며 제외지측은 표고와는 상관없이 하천수위에 따라 파이핑 안정성이 영향을 받는 것으로 나타났다. 그러므로 제방의 파이핑 안정성을 증대시키기 위해서는 제내지의 성토와 적정하천수위유지와 같은 제방의 외적 요소들도 함께 고려해야할 것으로 판단된다. Nowadays, the world has suffered by natural disaster of climate change due to global warming. Korea has also faced with similar situation. To prevent these natural disaster, Four Major River Management has conducted. One of conducted content in Four Major River Management is the levee maintenance which classified into fill-up the inland, levee of reinforcement and so on. These maintenances may make the characteristics of groundwater flow change and affect to the levee safety (piping phenomenon). Therefore, analysis on groundwater fluctuation according to level of riverside and inland should be required. This study focus on levee of Hoe stream, which is connected to Nakdong river, and piping safety factor in the levee analyzed by using pore water pressure. Besides, groundwater fluctuation, which is depended on level of riverside and inland, is simulated by using the SEEP/W (2D ground water model). This simulation considered steady flow and unsteady flow. As a result, piping safety factor increased due to rising the inland level. Piping safety factor of riverside was effected by only river water level. Therefore, external levee factor considering inland level raising and suitable control of river water level is need to increase piping safety factor.

댐건설에 의한 하상변동 예측

장창래(Jang Chang-Lae),정관수(Jung Kwansue),김재한(Kim Jae-Han),양동윤(Yang Dong-Yoon) 대한토목학회 2000 대한토목학회 학술발표회 논문집 Vol.2000 No.3

상수관망 해석에서의 모형 구성 및 수요할당에 따른 영향분석에 관한 연구

김성한(Seonghan Kim),정관수(Kwansue Jung),윤석민(Sukmin Yoon),박노석(No-Suk Park) 대한환경공학회 2020 대한환경공학회지 Vol.42 No.3

목적 : 상수관망 모델링에서 불확실성을 줄이기 위해 이제까지 몇몇 모델 방법론들이 제안되어왔다. 그러나 이러한 방법들로 모델을 구성하는 경우 복잡해지고, 데이터 관리가 어려운 단점이 있었다. 이에 본 연구에서는 이를 상충할 수 있는 ‘Hybrid 모형’의 구성을 제안하고자 하였다. 방법 : 모형별 검증을 위하여 먼저 간략화 모델의 비교 기준이 되는 모든 배수관과 급수관이 포함된 모형(원 모형) 과 수도미터의 위치를 고려한 3가지 간략화 모형을 구축하여 모형별로 고정상태 모의(steady-state simulation)와 시간변화 모의(extended period simulation)로 구분하여 관망해석을 수행하고 그 결과에 대해 수량, 수압 및 수질을 대상으로 비교분석하였다. 결과 및 토의 : 그 모델 평가 결과, ‘All-meters Model’과 ‘All-Connections Model’은 관망 내 수질 모사를 위한 관망모델 구축에 있어 정확한 결과를 얻는 것으로 밝혀졌다. 동수두의 차이에 따라 물 흐름 경로가 달라질 수 있는 격자형 관망에서는 실제 수요가 반영된 상세모형(All-meters 또는 All-connections Model)을 구축하고, 간략화되어도 물 흐름 경로가 동일하고 수요할당의 영향이 크지 않는 수지형 관망에서는 간략화된 모형(Street-meters aggregation 또는 Reduced-meters Model)으로 구축하는 혼합형(Hybrid형) 모형구축을 제안한다. 결론 : 각 모형은 고정상태 모의와 시간변화 모의로 나누어 실시한 결과 고정상태모의의 동수두 비교에서는 모든 모형에서 동수두의 차이가 크게 발생하지 않았으나 시간변화 모의의 물 연령 비교에서는 모형별로 상당한 차이를 나타내었다. 최장 시간은 All-meters 모형 66.7시간, All-connections 모형 53.6시간, Street 모형 52.4시간 및 Reduced 모형이 49.4시간으로 나타났다. Objectives : In order to reduce the uncertainty of the pipe network modeling, the model structure was basically included all distribution pipes and several models were proposed according to the location of the water meters. Methods : For models verification, first, a steady state simulation of each model was made by constructing a model including all water supply pipes (All-meters Model), which are the bases of 3 simplified models, and considering the location of all water meters. The network analysis was performed by dividing into the steady state and the extended period simulation. Results and Discussion : From the results of models comparison, ‘All-meters Model’ and ‘All-connections Model’ were found to obtain more accurate results for constructing a water network model for simulation of water quality events in distribution network. When constructing an ‘All-meters Model’ in all networks, the model becomes complicated and data management does difficult. Therefore this study suggests a hybrid model construction. Conclusions : It would be reasonable to construct a detailed model (All-meters or All-connections Model) in looped network in which the water flow path can be changed according to the difference of water head, and a skeletonized model (Street-meters aggregation or Reduced-meters Model) for a branch network that does not have a significant impact on demand allocations.