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Hydrology 10장홍수추적

10장홍수추적

Kim, Sungwon, Ph.D./P.E.

하도나 저수지를 통한 홍수파의 이동과 시간적인 변화 및 감소는 수문순환과정

에서 치수와 관련하여 중요하며, 홍수파의 시간적 및 공간적인 변화를 예측하기

위해서는 홍수추적(Flood Routing)의 이론 및 실제적인 면을 이해하는 것이 필

요하다. 홍수추적방법은 강우가 주어질 경우에 유역으로부터 유출수문곡선을

예측하는데 사용된다. 본 장에서는 홍수추적의 개념, 저류방정식, 저류량-

유출량 관계 그리고 저수지, 하도, 유역홍수추적에 대해 강의한다.

ᆞ 홍수추적의 개념 ᆞ 저류방정식

ᆞ 저류량-유출량 관계 ᆞ 저수지 홍수추적

ᆞ 하도 홍수추적 · 유역홍수추적

홍수추적

10장 강의 내용

1. 서론

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홍수추적의 분류

ᆞ수문학적 홍수추적: 저류개념을 나타내는 저류방정식을 해석하는 방법ᆞ수리학적 홍수추적: 홍수파의 흐름해석을 수리학적으로 나타내는 편미분연속방정식 및 운동방정식에 경계조건을 적용하여 풀이하는 방법

ᆞ수리학적 방법이 수문학적 방법에 비해 복잡하고 계산시간이 많이 소요.

수문학적 홍수추적· 저수지추적(Reservoir Routing), 하도추적(Channel Routing), 유역추적(Watershed Routing)

- 저수지추적: 저수지를 통과하는 홍수파에 미치는 저수지의 홍수조절효과를 분석. 저수지 홍수조절용량 결정, 댐 부속구조물의 수리학적 설계를 위한 설계수문량의 산정.

- 하도추적: 하도가 홍수파에 미치는 저류효과를 분석, 하천개수계획의수립에 기준이 되는 설계수문량의 산정

1. 서론

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- 유역추적: 자연하천유역의 홍수 저류효과를 고려하여 유역출구지점에서 홍수유출 수문곡선을 예측함으로써 수공구조물의설계수문량을 제공.

1. 서론

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1. 서론

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수리학적 홍수추적

- 개수로 부정류 흐름에 대한 연속방정식과 운동량방정식의 해석에 기본.- 수리학적 홍수추적을 위한 미분방정식은 컴퓨터를 통한 수치해석을 통한해석: Saint Venant Equation.

- 조수(Tide), 홍수파, 급격한 저수지의 방출 등에 의한 장파흐름의 해석- 다른 항들을 반드시 포함시켜야 경우

1) 상류로의 조수이동2) 하류저수지나 지류유입으로 인한 배수효과3) 매우 완만한 하도에서의 홍수파4) 저수지나 댐 파괴로 인한 급격한 홍수파

1. 서론

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저류방정식 (Storage Function)

-

-

- 추적기간 Δt 사이의평균유입량, 유출량그리고저류량의변화를나타냄.

- 추적기간을 길게 설정하면 평균치만 고려하여 홍수파의 첨두치를 제대로반영하지 못함.

- 추적기간을 짧게 설정하면 계산기간이 너무 많이 소요.- 홍수파가 계산구간을 통과하는데 소요되는 시간의 1/2~1/3 선택

2. 저류방정식

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저수지 표고별 유출량 결정

- 평상시 저수지에서의 유출: 방류수로 (Orifice 해석, 관수로)- 홍수시 저수지에서의 유출: 방류수로 + 여수로 (Weir 해석, 개수로)- 표고별 유출량을 그래프로 도시하여 표고별 저류량 그래프와 상관시켜저류량-유출량 관계곡선.

1) 여수로

- 수문이 없는 경우

3. 저류량-유출량관계

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- 수문이 있는 경우

2) 방류수로

3. 저류량-유출량관계

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저수량-유출량 관계곡선의 유도

1) 특정 표고 H에 대해 표고별 저류량 곡선에서 저류량 S를 구한다. 2) 표고별 유출량 곡선에서는 유출량 O를 구한다.3) 유입수문곡선의 시간간격을 Δt 라 하면 2S/Δt + O 를 계산하고,

이 값을 가로축, 유출량을 세로축으로 하여 도시.4) 여러 표고별로 반복하면 저류량-유출량 관계곡선이 얻어짐.

3. 저류량-유출량관계

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Puls 방법 (Storage-Indication Method)

수정 Puls 방법 (Modified Puls Method)

4. 저수지홍수추적

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하도저류

- 하도구간의 저류량은 수위가 상승 혹은 감소하느냐에 따라 변함.- 저류량은 하도구간에서의 유입량 및 유출량의 함수.

5. 하도 홍수추적

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하도저류

5. 하도 홍수추적

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Muskingum 방법

- McCarthy (1938)에 의해 미국 Ohio 주 Muskingum District 홍수통제를위하여 개발된 방법.

- 기하학적으로 균일한 하도구간을 선택.- 하도의 상류부에서 유입량과 저류량이 상류부 수심으로 표현된다고 가정.

5. 하도 홍수추적

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Muskingum 방법

5. 하도 홍수추적

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Muskingum 방법: 상수 K와 X의 산정방법

1) 관측된 유입 및 유출수문곡선이 없는 경우- K는 홍수파의 이동시간, X는 0.2의 값을 택한다.

2) 관측된 유입 및 유출수문곡선이 있는 경우- X는 가정- 시간구간별로 평균저류량 산정- 이를 누가하여 누가저류량 S를 산정- 시간구간별 가중저류량 [XI+(1-X)O]를 구해 누가저류량 S와 함께 도시.- 도시된 가중저류량과 누가저류량이 고리형태를 보이면 X를 다시가정하여 직선에 가까울 때 까지 반복

- 가중저류량과 누가저류량이 직선에 가까우면 그 때의 X값이 구하는 값- 직선의 기울기가 K값

5. 하도 홍수추적

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Muskingum 방법: 상수 K와 X의 산정방법

5. 하도 홍수추적

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정의

- 유역전체가 연속적인 저수지와 하도로 구성되어 있다고 가정.- 유역으로부터의 유출수문곡선을 홍수추적방법에 의해 산정.- 한 유역으로부터 유출은 선형으로 연결된 유역내의 저수지와 하도의저류영향을 받아서 유역출구지점에서유출수문곡선으로 나타난다는 개념.

- 선형저수지개념은 Zoch (1934) 가 강우유출관계를 분석하면 처음으로제시

- 선형저수지 개념을 가장 단순화하여 하나의 저수지로 보는 경우가 X=0일 때의 Muskingum 홍수추적방법

- Nash, Muskingum, RRL, Clark 유역추적법

6. 유역 홍수추적

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Nash 유역추적법- 선형저수지모형 (Linear Reservoir Model)- 유역전체가 연속된 n개의 저수지로 구성- 각 저수지에서의 유입 및 유출량은 선형관계를 가지고 있음.- 선형저수지는 저류량이 저류상수 (Storage Coefficient) K에 의해유출량과 선형관계.

- 저류량 S는 [L3], 유출량 O는 [L3/T], 저류상수 [T]의 단위

6. 유역 홍수추적

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Nash 유역추적법- 유역전체에 걸쳐 순간적으로 단위유효우량 (1cm) 의 강우가 발생하였다고가정

- 선형저수지 방법을 통하여 홍수추적 결과 유역출구에서의 유출수문곡선을구하면 순간단위도 (IUH)

- 유역전반에 걸쳐서 순간적으로 비가 내려서 n개의 저수지가 만수된 상태에서 첫 번째 저수지의 유출이 두 번째 저수지의 유입이 되면, 두 번째 저수지의 유출이 세 번째 저수지의 유입이 됨.

- 마지막 n번째의 저수지를 통과하여 유역출구지점에서 유출수문곡선을 구함.- 유역출구지점에서의 유출량

- 순간단위도를 유도하기 위해서는 유역내의 가상저수지의 수 n 과 저류상수K를 결정.

6. 유역 홍수추적

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Muskingum 유역추적법- 유역에 대한 저류상수 K와 가중인자 X를 구해 다음의 하도추적식에 적용

- O: 유출량, Tp: 첨두유출 발생시간

6. 유역 홍수추적

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RRL 유역추적법- 영국 도로연구소 (Road Research Laboratory, RRL) 에서 도시 배수관망의설계홍수량을 계산하기 위하여 개발한 방법.

- 도달시간-면적곡선을 구하여 강우량을 적용하여, 각 소유역의 시간별 유출량을 지체 및 합산함으로써 유출출구지점에서의 유출수문곡선을 구하는방법.

- 구하는 방법1) 유출량에 기여하는 유역면적을 도달시간이 동일한 점들을 연결하는

등시간선을 작성2) 각 도달시간에 해당하는 누가면적을 구하여 도달시간별-면적곡선 또는

주상도를 구함.3) 시간에 따른 강우량을 다음과 같이 적용하여 지체 및 함산하여 유출수문

곡선의 산정.

6. 유역 홍수추적

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RRL 유역추적법- 적용: 유역의 저류효과를 무시하고 유수의 이동만 고려하여 추적.

도시지역과 같이 불투수면적이 많고, 유역면적이 비교적 작은 경우에적용.

6. 유역 홍수추적

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Clark 유역추적법- 자연하천유역에 순간단위유효우량 (Instantaneous unit effective rainfall) 이 내릴경우 유역의 도달시간-유역면적관계를이용하여 유역출구지점에서유출수문곡선인 순간단위도를 구하는 방법.

- 유역의 저류효과를 고려하고 있으므로 자연하천유역에 적용하기 적합한방법.

- 유역전반에 걸쳐서 순간적으로 유효우량이 1cm 내렸다면 임의의 시간구간동안에 저수지로 유입하는 유량

6. 유역 홍수추적

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