Transcript 세미나
2-1-2 과제 강변저류지 설계를 위한 대표수문곡선 산정 기법 개발 2011. 08. 05. 단국대학교 수공학 연구실 목 차 1 대표홍수수문곡선 2 대표수문곡선 산정기법 및 절차 3 4차년도 연구개발 계획 2/26 대표홍수수문곡선의 정의 대표홍수수문곡선의 필요성 (강변저류지의 규모에 제약이 있는 경우) 유입수문곡선의 첨두부와 형상에 따라 동일한 규모 의 강변저류지라도 효과가 달라짐. (치수분담목표가 주어져 있을 경우) 유입수문곡선의 첨두부와 형상에 적합한 최적의 저류지 규모와 형태를 결정할 수 있음. 강변저류지 설계 및 평가를 위한 대표홍수수문곡선 대표홍수수문곡선의 정의 주어진 특정 홍수량 (설계홍수량)에 대하여 … 유역의 속성을 반영한 대표단위유량도 유역에서 발생가능성이 가장 높은 수문곡선. 강변저류지의 설계와 효과에 가장 critical한 영향을 미칠 수 있는 홍수수문곡선. 빈도별/지속시간별 수문곡선분석 유역의 특정지점에서 특정홍수량에 대하여 발생의 개연성이 충분하고 강변저류지의 설계와 효과에 가장 중요하게 영향을 미칠 수 있는 홍수수문곡선 3/26 대표수문곡선 산정을 위한 대상유역 대상유역의 설계홍수량에 대한 수문곡선 검토(하천정비기본계획) 평창, 정선유역(80년빈도, 36시간 지속시간) 설계홍수량:4,934 m3/s 평창 정선 정선유역(한강 하천정비기본계획,91) 설계홍수량:2,636 m3/s <홍수량 검토지점> 평창유역(평창강 하천정비기본계획,86) 4/26 대표홍수수문곡선 설계홍수량에 대한 단위유량도 적용 평창유역(설계홍수량 : 2,636 m3/s) 강우지속기간(6시간) - 단일호우 <2분위> <3분위> <복합분위> <3분위> <복합분위> 강우지속기간(12시간)- 단일호우 <2분위> 5/26 대표홍수수문곡선 설계홍수량에 대한 단위유량도 적용 평창유역(설계홍수량 : 2,636 m3/s) 강우지속기간(24시간)-단일호우 <복합분위> <3분위> <2분위> 강우지속기간(24시간)- 다중호우 <2분위> <3분위> 6/26 대표홍수수문곡선 설계홍수량에 대한 단위유량도 적용 평창유역(설계홍수량 : 2,636 m3/s) 강우지속기간(36시간)-단일호우 <2분위> <3분위> <복합분위> 강우지속기간(36시간)- 다중호우 <3분위> <2분위> 7/26 대표홍수수문곡선 설계홍수량에 대한 단위유량도 적용 정선유역(설계홍수량 : 4,934 m3/s) 강우지속기간(6시간) - 단일호우 <2분위> <3분위> 강우지속기간(12시간)- 단일호우 <2분위> 8/26 <3분위> 대표홍수수문곡선 설계홍수량에 대한 단위유량도 적용 정선유역(설계홍수량 : 4,934 m3/s) 강우지속기간(24시간) - 단일호우 <3분위> <2분위> 강우지속기간(24시간)- 다중호우 <2분위> 9/26 <3분위> 대표홍수수문곡선 설계홍수량에 대한 단위유량도 적용 정선유역(설계홍수량 : 4,934 m3/s) 강우지속기간(36시간) - 단일호우 <2분위> <3분위> 강우지속기간(36시간)- 다중호우 <2분위> 10/26 <3분위> 1 대표홍수수문곡선 2 대표수문곡선 산정 기법 및 절차 3 4차년도 연구개발 계획 11/26 대표수문곡선 산정 절차 순간단위도를 이용한 단위유량도 산정 및 대표단위유량도 추정 대상유역 선정 및 분석 유역면적, 유로연장 등 유역특성 추출 수문자료 분석 강우사상별 기저유출 분리 및 유효우량산정 강우사상별 순간단위도 산정 강우사상별 단위유량도 산정 Nash model에 적용하여 매개변수(n, k) 산정 순간단위도를 이용해 1cm-1hr 단위도를 산정 대표단위유량도 산정 강우사상별 첨두유량 및 첨두시간의 평균값을 이용하여 매개변수 (n, k)를 재산정 강우조건별 설계수문곡선 분위별, 지속시간별 설계수문곡선 산정 12/26 대상유역 선정 및 분석 대표수문곡선 산정을 위한 대상유역 선정 및 분석 대상유역 선정 GIS를 이용한 지형 분석 13/26 수문자료 분석 수문자료 분석 기저유출 분리 WHAT(Web-based Hydrograph Analysis Tool) SYSTEM의 기저유출 분리 모듈 - 일반적으로 유역의 기저유출 산정에는 적용의 간편성을 이유로 수평직선분리법이나 N-day법, 수정 N-day법 등을 주로 사용. - WHAT SYSTEM에서 기저유출 분리를 위한 모 듈중 ‘Local Minimum Method’를 이용하여 기 저유출의 분리를 실시함. - WHAT을 이용한 기저유출을 분리한 결과 선행 강우에 따른 저류를 효과를 고려하여 수문곡선 을 분리. 유효우량 산정 - 총 강우량에서 직접유출에 기여한 유효우량을 산정 - 일정손실률법을 적용하여 먼저 계산된 직접유출량과 총 강우량의 비를 구하여 이를 유출률로 보고 이를 다시 각 시간별 강우량에 곱하여 유효우량을 산정 14/26 강우사상별 순간단위유량도 산정 순간단위유량도 산정(Instaneous Unit Hydrograph) Nash모형의 이론 유역전체가 연속된 n개의 저수지로 구성되어 있으며 각 저수지에서의 유입 및 유출량은 선형관 계를 가지고 있음 선형성을 이용하여 첫번째 저류부터 n번째 저수지의 홍수추적을 통하여 순간단위유량도 산정 S KO 미분 dS dO K dt dt 저류방정식과 연결 I O K O1 dO dt 1 t exp( ) K K O1 K O2 dO1 dt 1 1 t ( ) exp( ) K K K n번째 저수지까지 계산 <Nash의 선형 저수지 이론> qn (t ) 15/26 1 t n1 exp(t / K ) ( ) Kn Kn (n) 강우사상별 순간단위유량도 산정 순간단위유량도 산정(Instaneous Unit Hydrograph) Nash모형의 매개변수 산정 순간단위도식을 2변수 감마분포로 본다면 매개변수는 n,K가 되고, 원점(t=0)에 대한 1차 및 2차 모멘트식은 다음과 같다. M1 nK M 2 n(n 1) K 2 1차 모멘트 M 1 은 순간단위유량도의 중심까지의 지체시간을 나타내며, 유효우량과 직접유출 수 문곡선 면적의 중심점 사이의 시간차는 M 1과 같아야 한다 M I 1 , M O1 이 각각 유효우량과 직접유출량의 원점에 대한 1차 모멘트를 각각 총 유효우량과 총 직 접유출량으로 나눈값이라 하면 다음과 같다. M O1 M I 1 nK M I 2 , M O 2가 각각 유효우량과 직접유출량의 원점에 대한 2차 모멘트를 각각 총 유효우량과 총 직접 유출량으로 나눈값이라 하면 다음과 같다. MO2 M I 2 n(n 1)K 2 2nKMI1 M I 1, M O1, M I 2 , M O2 는 유효우량과 직접유출량으로 부터 산정할 수 있으므로 위의 식을 이용하여 n,K를 산정할수 있다. 16/26 강우사상별 순간단위유량도 산정 대표단위유량도 산정 강우사상별 단위유량도의 첨두유량과 첨두시간을 단순평균법을 이용하여, 대표 첨두유량 및 첨두시간을 산정할 수 있게 된다. Nash 모형의 식을 미분하여 정리하면, 첨두비유량 및 첨두시간에 대한 방정식을 얻을 수 있 다. 1 t n1 exp(t / K ) qn (t ) ( ) Kn Kn (n) 여기서, 미분 N 1 ( N 1) N 1 e ( N 1) q p Tp ( N ) qt , Tp는 각각 단위도의 첨두비유량(cm/hr)과 첨두시간(hr)이며, 첨두비유량과 첨두시 간이 주어지면 저수지의 수 N을 결정할 수 있고, N이 결정되면 다음의 관계식을 이용하여 저류 상수 K를 결정할 수 있다. K Tp N 1 따라서, 강우사상별 단위도의 평균을 이용하여 첨두비유량과 첨두시간을 결정하면, Nash 모형의 시산법을 통하여 매개변수 N,K를 결정할 수 있다. 17/26 강우사상별 순간단위유량도 산정 유역별 대표단위유량도 산정(1hr-1cm) 평창유역 강우사상별 단위도 대표단위도 정선유역 강우사상별 단위도 대표단위도 18/26 대표단위유량도 평창, 정선 유역의 1시간-1cm 단위유량도 2005~2010의 강우사상을 바탕으 로 Nash의 선형저수지법에 의한 순 간단위도 산정 강우사상별 순간단위도를 이용하 여 대표단위유량도 산정 1hr -1cm 단위유량도를 산정한 결 과 유역의 길이가 폭에 비해서 긴 평창유역은 첨두발생 시간이 늦고 단위도의 첨두유량이 상대적으로 <평창, 정선유역의 단위유량도> 작은 형태를 보임 장방형(부채형)에 가까운 정선 유역 유역면적 첨두시간 비첨두유량 (km2) (hr) (cm/hr) 은 강우발생후 유역 출구로 유출이 평창 695.93 10.4 0.0617 신속하게 이루어 지기 때문에 첨두 정선 1688.74 8.8 0.0764 시간은 짮으며 상대적으로 첨두홍 수량도 크게 발생 19/26 강우조건별 설계수문곡선 설계홍수량에 대한 단위유량도 적용 설계홍수량을 갖는 다양한 강우조건의 수문곡선 80년 빈도, 지속시간 36시간의 설계수문곡선 평창유역(설계홍수량 : 2,636 m3/s) 강우조건의 변경을 통한 다양한 수문 정선유역(설계홍수량 : 4,934 m3/s) 곡선 도출 20/26 1 대표홍수수문곡선 2 대표수문곡선 산정 기법 및 절차 3 4차년도 연구개발 계획 21/26 유역특성을 고려한 합성단위도법 건기연(2000)의 합성단위도법 국내 과거 단위도 연구성과들을 종합하고, IHP 대상유역 17개 지점의 단위도 유도결과를 추가하 여 총 70개 지점의 단위도 유도결과와 유역특성인자와의 다중회귀분석 및 Nash 모형을 이용하여 새로운 합성단위도법을 제시 0.255 0.037 Tp 0.9580A L Sc 0.136 T p 첨두시간( hr) Q p 첨두유량( m m / hr) A 유역면적( km2 ) Qp 0.2395T 0.637 L 유로연장( km) S c 유로경사 위의 식을 이용하여 첨두유량과 첨두시간을 산정한 후 단위도의 종거를 계산하기 위해서 Nash모 형에 적용함으로서 합성단위도를 산정 산정되는 첨두유량의 단위는 mm/hr으로서 면적을 곱한후 단위환산을 함으로서 유출량의 단위인 CMS 로 산정가능 22/26 유역특성을 고려한 합성단위도법 건기연(2000)의 합성단위도법의 개선 주요인자 건기연식 제안식 기저유출 분리 수평직선분리법 Local Minimum Method 단위유량도 능형회귀법 Nash 모델 강우사상 복합호우사상 단일호우사상 합성단위도의 매개변수 유역면적, 유로연장, 유로경사 유역면적, 형상계수, 유로경사 합성단위도의 개발을 위해 기 수행된 과업의 연구결과들은 강우사상, 유효우량 산정, 기저유 량 분리, 강우사상별 단위도, 대표단위도 산정기법 등 서로 다른 연구수행방법의 결과이므로 그 결과 역시 일관된 성격을 띠고 있다고 보기 어려움 본 연구에서는 기 개발된 합성단위도의 산정방법과 동일한 과정를 갖지만, 주요인자들을 산 정하는데 있어서 차별성을 두고 연구를 진행함으로서 강변저류지 설계에 적합한 합성단위도 법의 개선을 하고자 함 23/26 4차년도 연구성과형태 S/W 개발 체계 대표수문곡선 산정모듈 (4차년도) 수문자료 구축 및 분석 (기저유출 분리 및 유효우량 산정) GIS 공간분석툴을 이용한 유역분석 수행 강우사상별 단위도 산정 유역특성인자 추출 지점별 대표단위도 산정 유역면적, 유로연장, 유로경사 산정 대표단위도의 첨두값과 유역특성인자간의 회귀식 산정 Nash 모델의 적용을 통한 합성단위유량도 산정 빈도별 첨두홍수량 산정 빈도별 대표홍수수문곡선 산정 24/26 실용화/사업화/현업화 계획 연구성과 실용화 계획 강우 분석 및 대표수문곡선 산정을 위한 s/w 개발 강변저류지 수문학적 평가를 위한 s/w 모듈 개선 통합 s/w 패키지 적용 및 검증 (정선, 평창, 여주, 적포) 확대 적용 및 실용화 25/26 감사합니다 26/26