Hydrology 7장하천유량 Hydrology 7장하천유량dwater.dyu.ac.kr/7장_하천유량.pdf · 3 자기수위계 ᆞ자동으로수위를기록 ᆞ부표식수위계(float type gauge)

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Hydrology

7장 하천유량

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

7장 하천유량

하천유량 또는 간단히 유량은 단위시간 동안의 강, 하천, 계곡 및 하도의 특정

단면을 통과하는 물의 양이라 할 수 있으며 일반적으로 m3/sec의 단위를

사용하고 있다. 여러 가지 목적의 수자원계획에서 유량관측은 필수적이며

유역에 대한 물의 순환과정에서 강우를 입력으로 본다면 유량은 여러 가지

과정을 거쳐서 최종적으로 유역 출구지점으로 빠져나오는 출력이라 할 수

있다. 따라서 수문해석을 하기 위해서는 입력 자료인 강우뿐만 아니라 출력

자료인 유량의 관측이 필수적이다.

ᆞ 수위측정 ᆞ 유속측정

ᆞ 유량산정 ᆞ 수위-유량 관계곡선

ᆞ 유량자료의 해석

하천유량

8장 강의 내용

1. 서론


Hydrology 7장 하천유량

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유량관측

ᆞ하천유량 : 하천수로상의 어떤 단면을 통과하는 단위시간당의 수량ᆞ물의 순환 : 강우(입력) → 유량(출력)ᆞ수문학 ⇒ 이수(가뭄)/치수(홍수) ⇒ 목적변수는 하천유량ᆞ하천유량자료의 정확한 획득 ⇒ 수문분석이 시발점이며 중요한 요소

☞ 유량산정방법의 분류

1. 서론



수위측정

ᆞ수위(stage) : 평균해수면(mean sea level)을 기준으로 관측한 하천수표면의 높이

ᆞ수위수문곡선(stage hydrograph) : 수위를 유량단위로 환산ᆞ수위계 : 보통수위계(manual gauge) / 자기수위계(recording gauge)

보통수위계

ᆞ청계천의 수표교

ᆞ준척수위계(staff gauge)ᆞ추선수위계(wire weight gauge)ᆞ부자수위계(float gauge)ᆞ첨두수위계(crest stage gauge)

2. 수위측정



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자기수위계

ᆞ자동으로 수위를 기록ᆞ부표식 수위계(float type gauge)

2. 수위측정



자기수위계

ᆞ기포감지 수위계(bubble sensor gauge)

2. 수위측정



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자기수위계

ᆞ압력식 수위계(pressure sensor gauge) : 압력센서를 교각에 부착ᆞ초음파 수위계(ultrasonic gauge)

2. 수위측정



수위측정

ᆞ자기수위계의 기록지- 일평균수위(daily mean stage)

- 보통수위계 : 08:00와 20:00 때의 수위를 평균- 자기수위계 : 매 정시 수위의 평균 (24개)

2. 수위측정



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수문관측소의 위치 선정

ᆞ하천관리, 하천정비기본계획 및 수자원개발계획, 하천구조물 시공상중요한 지점으로 영구관측이 필요한 지점

ᆞ주요 지류의 합·분류의 전후, 보·수문 등의 상·하류 지점ᆞ협곡부, 유수지, 호소, 저수지, 내수 및 하구 등의 수리상황을 알기

위하여 필요한 지점ᆞ유량이 변해도 흐름상태가 심하게 변하지 않는 지점ᆞ목적이나 주변지형을 고려하여 대표성이 있는 지점ᆞ조석의 영향이 없는 지점ᆞ유량변화에 따른 수위변화가 큰 지점ᆞ갈수시 하상이 들어나지 않는 지점ᆞ유지관리가 쉬운 지점 (관측소 유지와 접근도로 확보가 가능한 지점)ᆞ홍수시 관측에 지장이 없는 안전한 지점

2. 수위측정



우리나라 수문관측소의 현황(2003.6)

2. 수위측정



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기계적 방법

ᆞ회전식 유속계(rotating meter)ᆞ동력식 유속계(dynamometer)ᆞ부표식 유속계(float type meter)ᆞ전자기 유속계(electromagnetic current meter)ᆞ초음파 수위계(ultrasonic gauge)

3. 유속측정



기계적 방법

3. 유속측정



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유속계의 검정

ᆞ실험수조에서의 실험을 통해 관계식 검정

☞ V : 유속(m/sec), N : 컵의 초당 회전수, A, B : 검정상수

ᆞ회귀분석을 통해

☞ V : 유속(m/sec), N : 컵의 초당 회전수, A, B : 검정상수n : 실험횟수

3. 유속측정



화학적 방법

ᆞ염분속도방법 : 하천에 유입된 소금이 전기전도성(electric conductivity)을 증가시킨다는 것에 기본을 둔 방법이다. 작은 양의소금용액을 하천 횡단면의 여러 지점에서 파이프를 통해급속히 주입하고 균일한 단면을 유지하는 비교적 짧은거리의 하류지점에서 전극을 이용하여 관측한다.

ᆞ염분희석방법 : 농축한 소금용액을 일정한 율로 하천에 주입하여, 소금

용액과 물이 완전히 혼합이 이루어진 후 하류지점에서표본을 채취하여 분석하는 방법

ᆞ방사능추적방법 : 염분대신 방사능물질을 사용한다. 만일 관측 장비가

충분히 민감하다면 시료의 양을 상당히 줄일 수 있는장점이 있지만 이 방법은 다른 방법에 비해 비용이 많이들고 방사능에 노출될 수 있으므로 주의를 요한다.

3. 유속측정



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소단면의 평균유속

ᆞ깊이에 따라 변함

☞ 수심에 따른 평균유속 산정

4. 유량산정



소단면 유량산정

ᆞ소단면으로 분할 후 유속 측정→ 단면측량 → 유량산정

☞ 평수시 및 저수시의 수심 및 유속 관측선의 간격

4. 유량산정



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총단면 유량산정

ᆞ소단면에서의 유량을 합산하여 총 단면 유량 산정

☞ Q : :하천단면을 통한 총 유량(m3/sec)

Qi : 소단면을 통한 유량(m3/sec)

4. 유량산정



총단면 유량산정

ᆞ중간단면적법

ᆞ평균단면적법

4. 유량산정



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부자에 의한 유량측정

ᆞ물에 뜨는 부자가 일정한 구간을 떠내려가는 시간을 측정하여 평균유속을 구하고 유량을 산정.

4. 유량산정



부자에 의한 유량측정

ᆞ유량 측정 방법- 하천의 단면 측량 : 하천 수위와 횡단면도 획득- 부자가 이동한 시간을 측정하여 평균유속 산정- 평균유속에 보정계수를 곱하여 보정 평균유속 산정- 소단면 유량 산정 후 총 단면 유량 산정

☞ 수심에 따른 부자의 종류 및 보정계수

4. 유량산정



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희석법(Dilution method)에 의한 유량측정

ᆞ하천의 수심이 작거나, 유속이 커 유속계의 사용이 곤란한 경우.ᆞ상류에 추적물질(tracer)를 주입 후 하류에서 농도를 측정하여 유량 산정.ᆞ염화나트륨(NaCl), 중크롬산나트륨(sodium dichromate), 산소18(18O),

중수소(2H), 로다민 B 및 W (Rhodamine B or W) 등ᆞ순간주입법 / 일정량 주입법ᆞ혼합거리(mixing length): 추적물질이 하천 횡단면에 거의 균일하게

분포되는 거리에서 하류 시료수 채취.

L : 주입된 지점으로부터의 거리(m)Cz : Chezy의 조도계수b : 하천의 평균 폭(m)g : 중력가속도(9.81m/s2)d : 흐름의 푱균수심(m)

4. 유량산정




ᆞ순간주입법- 추적물질을 상류에 순간적으로 주입 후 하류의 시료수 농도를 측정.- 질량보존법칙(유입질량=유출질량)

☞ Q : 유량(L/sec)Vz : 주입용액의 체적(L)C’1: 주입용액의 농도(mg/L)C’2: 시료수의 농도(mg/L)t : 시간(sec)

4. 유량산정



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ᆞ일정량주입법- 상류에 농도가 일정하도록 추적물질을 주입 후 하류의 시료 채취- 질량보존법칙(유입질량=유출질량)

☞ Qo : 추적물질의 주입율(L/sec 또는 m3/sec) C'1: 추적물질의 주입농도(mg/L) C'o: 기존 하천수의 농도(mg/L)C'2: 하류 하천수의 농도(mg/L)

4. 유량산정



Manning의 공식을 이용하는 방법

ᆞ이 방법은 직선 하도에 적용할 수 있다.

☞ V : 평균유속(m/s), R : 동수반경(m), S : 에너지경사(m/m)n : 조도계수

- Strickler☞ d : 하상입자의 중앙입경(m)

- Chow☞ d: 하상입자의 중앙입경(ft)

4. 유량산정



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위어를 이용한 유량측정

ᆞ위어(Weir) : 하천을 가로막아 그 위로 물을 흐르게 하는 구조물ᆞSharp crested weir, Broad crested weir, submerged weir, etc.

예연위어 (sharp crested weir)

ᆞ사각형위어

☞ 단면수축 n=1, 양면수축 n=2

4. 유량산정



광정위어 (broad crested weir)

ᆞ위어 위의 흐름방향의 길이가 수두 H의 0.46배 이상 인 경우

4. 유량산정



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오리피스를 이용한 유량측정

ᆞ소형 오리피스

ᆞ대형 오리피스

4. 유량산정



유량측정지점 선정

ᆞ주요 지천의 분류 및 합류 전후 지점ᆞ보상류, 유수지․호소․저수지의 상․하류 및 하도가 직선화되어 있는 지점ᆞ합류지점인 경우 본류 수위의 영향을 받지 않는 지점ᆞ조석의 영향을 받지 않는 지점ᆞ유량측정을 안정적으로 수행할 수 있는 지점ᆞ하상변동이 적은 지점ᆞ여울이나 사수역이 없고 흐름이 안정된 지점ᆞ하천 양안 및 관측구간의 시야가 확보된 지점ᆞ각 유속선이 평행한 직선구간 지점ᆞ하상이 평평해서 속도의 수직성분이 발생하지 않는 지점ᆞ부자를 이용할 경우 흐름의 직선구간이 필요한 거리 이상 확보된 지점ᆞ단면이나 하폭에 큰 변화가 없는 지점ᆞ관측구간의 직 상류부에 교량시설이 있는 지점ᆞ흐름을 저해하는 나무, 구조물 등이 없는 지점

4. 유량산정



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수위-유량 관계곡선

ᆞ매번 유량을 측정할 수 없으므로 수위를 관측하여 수위-유량 관계곡선으로부터 유량을 산정

ᆞ자연하천의 불규칙한특성을 고려하기 위해저수유량, 중간규모유량 및 고수유량에대해 작성

5. 수위-유량 관계곡선



수위-유량 관계식의 유도

ᆞ수위 및 유량자료를 전대수지에 도시한 후- 수위-유량이 직선 ⇒ Q=aHb

- 수위-유량이 곡선 ⇒ Q=a(H±Ho)b

☞ 수위-유량관계곡선의 형태 및 관계식




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수위-유량 관계곡선의 조정

ᆞ배수 및 저하효과, 홍수시 수위 급상승 및 급강하 등의 영향ᆞLoop형 관계ᆞ기준관측점과 보조관측점에서의 유량

→

ᆞ에너지경사와 수면경사가 같다고 하면

ᆞManning 공식을 이용하면 m=1/2이지만, 두 관측점에서의 수면곡선이직선이 아니므로 실측자료를 이용하여 결정.

ᆞ일정수위하강고(constant fall) / 정상수위하강고(normal fall)


2/12/13/21KSSAR

nQ

2/1

0

2/1

0

3/2

0

1KSSAR

nQ

2/1

00

S

S

Q

Q

m

F

F

F

F

LF

LF

S

S

Q

Q

0

2/1

0

2/1

0

2/1

00




ᆞ일정수위하강고 방법

- 매번 관측시에 유량 Q, Q0, 수위 g, 수위차 F를 측정.

- 평균수위하강고 F0를 이용하여 유량조정곡선 작성.- 유량조정곡선에서 지수 m 결정- 기준관측점과 보조관측점에서 수위

g에 해당하는 수위차 F를 결정.- 평균수위하강고 F0와 지수 m을

이용하여 (F/F0)m 결정.

- 수위 g에 해당하는 조정유량Q0를 읽으면,

- 배수효과를 고려한 최종 유량




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ᆞ일정수위하강고 방법





ᆞ정상수위하강고 방법

- 기준관측점 및 보조관측점간 수위차의 변화가 많고, 수위하강고가기준관측점에서의 수위와 상관관계를 가질 때 적용.

- 평균수위하강고 F0 대신 정상수위하강고 Fn을 사용- 기준관측점에서의 수위 g와 기준 및 보조관측점과의 수위차 F를 측정.- 정상수위하강고 곡선의 좌 상단에서 기준관측점 수위 g에 해당하는

정상수위하강고 Fn을 읽는다.- F/Fn을 계산하고 우하단의 조정곡선으로부터 Q/Qn을 읽는다.- 기준관측소에서의 측정수위 g에 대해 조정유량 Qn을 읽은 후

Q/Qn값에 곱하면 유량 Q를 얻게 된다.




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ᆞ정상수위하강고 방법




수위-유량 관계곡선의 연장

ᆞ큰 홍수시 실측은 불가능ᆞ홍수조절용 수리구조물(댐)의 설계시 큰 홍수위에 해당하는 유량의

산정이 필요ᆞ연장방법 : 전 대수지법/Stevens 방법

ᆞ전 대수지법

☞ H0 : 수위계의 영점표고와유량이 영이 되는 점의표고차(m)

H : 수위(m)Q : 유량(m3/sec)




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수위-유량 관계곡선의 연장

ᆞStevens 방법

- Chezy의 평균유속공식 이용

☞ C : 평균유속계수K : C√SD : 평균수심(m)




유량자료의 해석

ᆞ하천유량 : 하천수로상의 어떤 단면을통과하는 단위시간당의 물의 체적(m3/sec, ft3/sec)

ᆞ비유량(specific discharge) : 유량을

그 유역의 배수면적으로 나눈 값(m3/sec/km2)⇒ 유역의 유출률을 비교

ᆞ유출심(고)(runoff depth) :

비유량 → mm, cm

ᆞ수문곡선(hydrograph) : 수위 혹은

유량의 시간에 따른 변화 곡선- 수위수문곡선(stage hydrograph)- 유량수문곡선(discharge hydrograph)

→ 홍수수문곡선(flood hydrograph)




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