홍수수문곡선 계산

(1) 유역의 홍수수문곡선 계산을 위해 유효우량주상도와 시간-면적곡선을 작성한다. 이를 통해 직접유출수문곡선을 계산할 수 있으며, 여기에 기저유량을 더해서 홍수수문곡선을 계산한다.
(2) 유역면적이 250㎢ 이상인 유역은 일반적인 단위도의 적용범위를 벗어나므로 전체 유역의 적절한 개수의 소유역과 하도구간으로 분할하여 유출량을 계산한다. 분할된 소유역에 단위도를 적용하고 하도구간에 대해 홍수추적을 축차적으로 수행하여 홍수수문곡선을 합성한다.
(3) 임계지속기간은 최대 첨두유량과 최대 저류비를 발생시키는 강우지속기간으로 유역의 규모에 따라 시간단위 또는 10분단위 홍수량 산정지점에 대하여 홍수량을 계산하여 임계지속기간을 결정한다.

1. 소유역별 홍수수문곡선 계산

유효우량주상도 작성

• 대상 유역의 강우를 시간분포시켜 총우량주상도를 작성한 후 유역의 평균 유출곡선지수(CN)를 사용하여 NRCS 방법에 의해 강우시간 구간별 유효우량을 산정하여 유효우량주상도를 작성한다.

 

시간-면적곡선 작성

• 도달시간 산정결과를 토대로 직접 작성하는 방법과 유역형상에 따른 합성 시간-면적곡선을 이용하는 방법이 있으며, 직접 작성 방법은 번거롭기는 하지만 유역 특성을 보다 정확하게 반영할 수 있는 장점이 있다.
• 합성 시간-면적곡선 방법에서는 시간-면적곡선을 일반적인 타원형 유역 형상에서 유도된 다음과 같은 식으로 표시되는 합성 시간-면적곡선의 형태로 표시한다.

• 합성 시간-면적곡선 방법을 적용하면 번거로운 구적 작업이 필요 없게 되는 장점과 직접 작성 방법과 합성 방법의 결과 비교에서 차이가 크지 않은 경우가 많은 점 및 도달시간 산정의 불확실성 등을 종합적으로 고려한다면 일반적인 유역형상의 경우에는 합성 시간-면적곡선 방법을 사용하는 것이 가능하다.

 

직접유출수문곡선 계산

• 유역에 내린 유효우량의 시간적 분포를 표시하는 유효우량주상도와 유효우량으로 인한 직접 유출의 전이를 고려해 주는 시간-면적곡선을 사용하여 유역 출구로 전이되는 직접 유입수문곡선을 계산한다.
• 유입수문곡선을 유역 출구에 있는 가상의 선형저수지를 통해 홍수추적하여 직접유출수문곡선을 계산한다.

 

기저유량 결정

• 기저유량은 첨두홍수량에 미치는 영향이 상대적으로 미미하므로 중요시 되지 않고 있으나, 유출총량에는 어느 정도 영향을 미치게 되므로 저류 구조물의 설계시에는 고려하는 것이 필요하다.
• 현재 기저유량 결정에는 유량관측자료가 있을 경우 연도별 풍수기(6 ~ 9월) 최대유량이 발생하는 월의 일 최저 유량의 평균 등을 채택한다.
• 미계측유역인 경우 유역의 특성이 유사하다고 판단되는 인근 유역 자료를 활용하여 산정하는 방법이 현재로선 최선의 방법이며, 기저유량에 대한 구체적인 연구는 아직 미흡한 실정으로 향후 연구과제 등에서 유역의 토양특성, 유출특성을 고려한 기저유량 산정 방법을 개발할 필요가 있다.

 

홍수수문곡선의 작성

• 직접유출 수문곡선은 해당 강우의 유효우량만에 의한 것이므로 여기에 기저유량을 더하여 홍수수문곡선을 계산한다.

 

2. 저수지 홍수추적 및 하도 홍수추적

• 유역면적이 일반적인 단위도의 적용 범위를 넘어서는 경우에는 전체 유역을 여러 개의 소유역과 하도로 분할하며, 개개 소유역에서 계산한 홍수수문곡선은 하류에 저수지가 있을 경우는 저수지 추적, 하도로 유출될 때에는 하도추적을 수행한다. 이 과정에서 측방유입은 본류의 홍수 수문곡선과 합성한다.

 

저수지 홍수추척

저수지 홍수추적(reservoir flood routing)은 저수지로 들어오는 유입수문곡선을 저수지에서 나가는 유출수문곡선으로 전환시키는 절차이다. 수문에 의해 조절되지 않는 단순저수지의 홍수추적을 일반적으로 Puls 방법 또는 저류지시법이라 하며, 수정 Puls 방법도 있다. 이때 필요한 자료에는 표고별 저류량곡선 및 표고별 유출량곡선 등이 있다.

 

하도 홍수추적

• 하도 홍수추적(channel flood routing)은 하도구간으로 들어오는 유입수문 곡선을 하도구간에서 나가는 유출수문곡선으로 전환시키는 절차이다. 하도 홍수추적 방법에는 Muskingum 방법과 Muskingum-Cunge 방법이 있다.
• Muskingum 방법의 매개변수는 하도 저류상수 K와 가중계수 x이며, K값으로 추적구간의 홍수파(flood wave) 통과시간을 주로 사용하고, 자연하천의 홍수파 통과시간은 하도 유하시간의 2/3를 적용한다(정종호·윤용남, 수자원설계실무, 2003). 하도 유하시간은 대상 하도구간에 대한 도달시간 공식과 대상 하도구간의 평균유속 등을 고려하여 합리적으로 결정할 수 있다.
• 홍수의 저류효과(attenuation) 정도를 결정하는 무차원 가중계수 x 값는 0 ~ 0.5의 범위를 가지며, x 값은 민감도가 낮으므로 중간값인 0.2를 채택하면 무난하다.
• 홍수추적 구간이 길어서 K값이 상대적으로 커서 2Kx < △t 조건을 만족시키기 어려운 경우 전체 추적구간을 소구간으로 나누어야 한다. 이 때 각 소구간 홍수파 통과시간을 홍수추적의 시간간격과 같은 것으로 가정하기 위하여 다음과 같이 추적구간 수를 결정하여야 하며, 저류효과는 추적구간 수가 많아질수록 적어진다.

• Muskingum-Cunge 방법은 물리적인 특성(추적구간의 대표단면, 주 수로와 고수부지에 대한 Manning 조도계수, 추적구간의 하상경사 등)을 반영하는 하도홍수추적 방법이다.
• 표준지침에서는 「설계홍수량 산정 요령(국토해양부, 2012)」에 의거 Muskingum 방법을 채택하였다.

반응형

3. 소유역 분할한 경우의 홍수량 산정

단위도 적용을 위한 소유역 분할 기준

• 대규모 유역의 경우 단위도의 기본 가정을 벗어나는 강우-유출관계가 예상되므로, 전체 유역을 적정한 개수의 유역과 하도구간으로 나누어 단위도의 적용과 하도추적을 병행하여 수문곡선을 합성해 나가는 것이 타당한 방법이다. 「Water in Environmental planning (Dunne and Leopold, 1978)」에서는 단위도는 100mi2(약 250㎢) 이하에서 적용이 적합하다고 하였으며, 「Hydrology of Floods in Canada : A Guide to Planning and Design(NRCC, 1989)」에서는 소·중·대 유역규모에 따른 유출특성을 유역면적 25 ~ 250㎢를 기준으로 제시하였다. 「Frequency and magnitude of runoff events in the arid Negev of Israel(Meirovich et al., 1998)」과 「Runoff events in the Negev, Israel (Ben-Zvi and Shentsis)」의 연구결과, 유역면적이 약 250㎢ 이하에서 첨두유출량은 유역면적에 비례한다고 하였다. 면적이 큰 유역에서 유역면적이 비례하여 첨두유출량이 증가하지 않는 것은 유역면적이 클수록 하도추적(flood routing)과 이동손실(transmission losses)의 영향이 크다는 증거라고 하였다. 또한 「Engineering hydrology, principles and practices, Second Edition (Ponce, 2014)」에서는 250㎢ 이하에서 단위도의 사용을 추천하였고, 250㎢ 이상에서 사용을 배제할 수는 없으나, 유역 크기가 증가함에 따라 정확도가 감소한다고 하였다.
• 표준지침에서는 유역면적이 250㎢ 이상인 유역에서의 유출계산은 전체 유역을 적절한 개수의 소유역과 하도구간으로 분할하여 소유역에 단위도를 적용하고 하도구간에 대해 홍수추적을 축차적으로 행하여 홍수수문곡선을 합성한다.
• 유역면적이 250㎢ 이하인 유역에서도 홍수량 저감효과가 있는 구조물이 유치하는 경우와 하도저류효과를 고려할 수 있는 하천유역에서는 소유역을 분할해서 홍수량을 산정할 수 있다.

유역면적과 첨두 유출량 관계

 

소유역을 분할한 경우의 홍수량 산정 절차

• 대상 유역면적이 250㎢ 이상인 경우는 소유역을 분할해서 홍수량을 산정한다. 이를 위해 표준지침에서는 「설계홍수량 산정 요령(국토해양부, 2012)」에 제시한 소유역을 분할한 경우의 홍수량 산정 방법을 적용하였다.
• 「설계홍수량 산정 요령(국토해양부, 2012)」에서는 홍수량 산정지점(P-I-1, P-I-2,......, P-III-2 등)을 기준으로 유역을 여러 개의 소유역으로 분할하여 상류에서 하류 방향으로 유역추적과 하도추적을 반복하면서 홍수량을 산정하는 방법을 제시하였다.
• 소유역을 분할해서 하도추적을 실시할 경우, 분할된 소유역의 홍수도달시간이 짧으면 단위도의 종거가 커지기 때문에 첨두홍수량이 커질 수 있다. 이때 하도의 저류효과가 크지 않을 경우 첨두홍수량의 감소가 미미하므로 하류로 내려가면서 이 영향이 누적되어 홍수량이 너무 커지는 문제가 발생할 수 있다. 이러한 문제점을 해소하기 위해 다음과 같은 하도추적 방법의 적용을 추천한다.

단위도 적용 상한계를 초과하는 경우의 소유역분할 및 홍수량 산정방법

 

1. 분석 대상유역의 홍수량 산정지점(P-I-1, P-I-2,......, P-III-2 등) 기준으로 여러 개의 소유역(A-I-1, A-I-2,......, A-III-2 등) 으로 분할하기 이전에 전체 대상 유역을 상류로부터 하류 방향으로 유역면적이 약 250㎢ 이하인 몇 개의 중규모 유역(A-I, A-II, A-III 등) 으로 분할하고 최상류 중규모 유역의 홍수량을 유역추적 방법으로 산정한 후, 이를 직하류 구간에 대한 하도추적 대상 홍수량으로 채택한다.
2. 하류 방향으로의 하도추적은 홍수량 산정지점 구간별로 순차적으로 시행하는 것이 아니라 분할된 직상류의 중규모 유역 홍수량을 홍수량 산정지점별 해당 하도구간에 대하여 한꺼번에 실시한다.
3. 하도추적후 합성되는 자체 소유역의 홍수량은 홍수량 산정지점별로 직상류 중규모 유역 출구지점에서 홍수량 산정지점까지의 면적에 대하여 한꺼번에 산정한다.
4. 만약, 대상 하천수계내에 홍수조절용량을 가진 댐이 위치하고 있을 경우에는 댐지점을 기준으로 하여 저수지 홍수추적을 실시하고 댐 직하류부터 하도추적을 계속해야 한다.

 

• 하도추적 포함방법에 의한 홍수량 산정절차를 정리하면 다음과 같다.

 

1. 홍수량 산정지점을 고려하여 상류유역으로부터 단위도의 적용 상한계인 250㎢ 이하인 3개의 중규모 유역I (240㎢), 유역II(230㎢), 유역III(130㎢)으로 적절하게 분할한다.
2. 중규모 유역 I의 경우 홍수량 산정지점 P-I-1 지점과 P-I-2지점, P-I-3 지점 모두 하도추적 제외 방법으로 홍수량을 산정한다.
3. 중규모 유역II의 경우 홍수량 산정지점 P-II-1 지점은 중규모 유역I 의 홍수량인 P-I-3 지점의 홍수량을 L-II-1 구간에 대한 하도추적을 실시하고 여기에 A-II-1 소유역의 자체홍수량과 합성하여 산정한다. 홍수량 산정지점 P-II-2 지점은 P-I-3 지점의 홍수량을 L-II-1 구간과 L-II-2구간을 합한 하나의 구간에 대해 하도추적을 실시하고 여기에 A-II-1소유역과 A-II-2 소유역을 합한 하나의 유역에 대한 자체홍수량과 합성하여 산정한다. 홍수량 산정지점 P-II-3 지점은 P-I-3 지점의 홍수량을 L-II-1 구간, L-II-2 구간, L-II-3 구간을 합한 하나의 구간에 대해 하도추적을 실시하고 여기에 A-II-1 소유역, A-II-2 소유역, A-II-3 소유역을 합한 하나의 유역에 대한 자체홍수량과 합성하여 산정한다.
4. 중규모 유역III의 경우 홍수량 산정지점 P-III-1 지점은 중규모 유역II의 홍수량인 P-II-3 지점의 홍수량을 L-III-1 구간에 대한 하도추적을 실시하고 여기에 A-III-1 소유역의 자체홍수량과 합성하여 산정한다. 홍수량 산정지점 P-III-2 지점은 P-II-3 지점의 홍수량을 L-III-1 구간과 L-III-2 구간을 합한 하나의 구간에 대해 하도추적을 실시하고 여기에 A-III-1 소유역과 A-III-2 소유역을 합한 하나의 유역에 대한 자체홍수량과 합성하여 산정한다.

 

4. 임계지속기간 적용 방법

• 임계지속기간은 최대 첨두유량(하천과 같은 비저류구조물)과 최대 저류비(댑과 같은 저류구조물, 저류되는 용적량 / 총유출용적량)를 발생시키는 강우지속기간이다(하천설계기준, 한국수자원학회, 2009). 유역의 규모에 따라 1시간 단위 또는 10분 단위의 홍수량 산정지점에 대하여 홍수량을 계산하여 임계지속기간을 결정한다.

 

출처 : 홍수량산정 표준지침