1. 서론 하천유출 유역에강수가발생한후여러경로를통해최종적으로유역출구에서유출로나타나며강수와유출간의관계를규명하여수문설계에서다양하게활용하기때문에강수와함께유출은가장중요한부분이라할수있다. 유출을올바르게분석함으로써수자원을효율적으로이용할수있으며, 홍수로인한피해를줄일수있다. 본장에서는유출을해석하기위한여러가지절차및방법에대해알아보기로한다. 9 장강의내용 ᆞ 유출의구성성분및영향인자 ᆞ NRCS의유효우량산정 ᆞ 첨두홍수량산정 ᆞ 유츌수문곡선의분석 ᆞ 강우-유출관계 ᆞ 유역의도달시간 1
1. 서론 2. 유출의구성성분및영향인자 유출 (runoff) 유출의구성성분 ᆞ 강수의일부분으로지표하천을통해흐르는흐름. ᆞ 강수로인한물이증발과증산, 침투와침루, 지하수등의성분과정을거치면서결국유역출구에서하천유량의형태로흐르는것 ᆞ 유출해석 수자원의최적이용및관리를도모 - 이수 ( 가뭄 (drought) 예방을위한저류가능한월및연유출량분석 ) - 치수 ( 홍수피해경감 ), 갈수유량 ( 하천의유지 ) 2
2. 유출의구성성분및영향인자 2. 유출의구성성분및영향인자 유출의구성성분 유출순환과정 ᆞ 지표면유출 (surface runoff) ᆞ 지표하유출또는중간유출 (subsurface runoff) - 조기지표하유출 (prompt subsurface runoff) - 지체지표하유출 (delayed subsurface runoff) ᆞ 지하수유출 (groundwater runoff) ᆞ 직접유출 (direct runoff) : 강수나눈이녹은후하천으로비교적단시간에흘러들어가는유출의한부분을말하며 - 지표면유출, 조기지표하유출수로상강수로구성 ᆞ 기저유출 (base flow) : 맑은날씨에서의유출로, 비가오지않을때이전에 내린비의영향으로하천을통해빠져나오는유출의일부분이라할수있다. - 지하수유출과지체지표하유출로구성 ᆞ1 단계 : 무강우단계지하수 하천유량 ᆞ2 단계 : 강우초기단계 강우의시작. 강우량 = 손실량 초과강우량은없음. ᆞ3 단계 : 강우지속단계 강우계속. 강우량 > 손실량 초과강우량 ( 강우량 - 손실량 ) 지표면유출. 지하수위, 하천수위 ᆞ4 단계 : 강우충만단계 강우계속. 저류공간충만, 강우량 유출. ᆞ5 단계 : 강우종료단계 강우종료. 하천수위, 지표면저류량, 지하수위 3
2. 유출의구성성분및영향인자 2. 유출의구성성분및영향인자 유출순환과정 유출현상의지배인자 ᆞ 기후학적인자 (climatic factor) : 강수, 차단, 증발, 증산등. ᆞ 지형학적인자 (physiographic factor) - 유역특성 (basin characteristics) - 하도특성 (channel characteristics) 기상학적인자 ᆞ 강수 (precipitation) : 강수의종류 ( 비, 눈, 서리등 ), 강우강도, 지속시간, 시간및공간적분포, 이동방향등 ᆞ 차단 (interception) : 지상에떨어지는비가식생피복에의해일단저류되는현상 유출감소 ᆞ 증발산 (evapotranspiration) : 유출감소 4
2. 유출의구성성분및영향인자 2. 유출의구성성분및영향인자 지형학적인자 지형학적인자 ᆞ 유역 (watershed or basin) : 하천의임의단면을통과하는유량에직접적인공헌을하는지역의한계, 하류 유역의크기, 유출량 도달시간 (time of concentration) : 유역의최원점으로부터유역출구까지의흐르는데소요되는시간. ᆞ 유역면적 (drainage area): 유역의한계선으로둘러싸인면적, 유역면적 첨두유출량, 유역면적 단위유역면적당첨두유량 유역면적 도달시간, 유역의평균강우강도 ᆞ 유역의방향성 (orientation): 유역의방향에따라강우의이동방향의영향. ᆞ 유역의형상 (basin shape) 5
2. 유출의구성성분및영향인자 3. 유출수문곡선의분석 지형학적인자 ᆞ 유역경사 (slope) : 경사, 유출속도, 도달시간, 첨두유량. ᆞ 유역조도 (roughness) : 조도, 흐름속도, 첨두유출발생시간 첨두유출량 ᆞ 유역의구성 : 저수지, 호수, 홍수터의유무 ᆞ 토지이용상태 : 도시화, 불투수성, 침투량 첨두유출량 유출수문곡선 ᆞ 유출수문곡선 (hydrograph) : 하천의출구지점에서시간에따른유출량을보여주는그래프. ᆞ 특정배수유역에서의강우및유출간의관계를지배하는지형과기후특성의종합적인표현. ᆞLong-term hydrograph (monthly, annual hydrograph) Water resources development/management ᆞStorm hydrograph : 단기호우와홍수유출간의관계를해석 peak flow, design storm ᆞ 연유출수문곡선강우, 증발, 그리고하천유출의장기적균형 수자원의이용및개발에대한분석에이용. 6
3. 유출수문곡선의분석 3. 유출수문곡선의분석 유출수문곡선 직접유출수문곡선의구성 연유출수문곡선 ᆞ 직접유출수문곡선 - 기저유출을제외한유출부분. - 초과강우또는유효우량의체적 = 직접유출수문곡선의체적 ᆞ 직접유출수문곡선의특성 1) 지체시간 (lag time, L) : 유효강우의질량중심과이로인한유출수문곡선의첨두발생시간과의시간차. 2) 첨두발생시간 (time to peak, t p ) : 유효우량의시작부터첨두유출발생까지의시간. 7
3. 유출수문곡선의분석 3. 유출수문곡선의분석 직접유출수문곡선의구성 감수곡선 3) 도달시간 (time of concentration, t c ) : 유효우량이끝나는시간부터감수곡선상의변곡점 ( 기울기가변하는지점 ) 까지의시간. 또는유역내에가장먼곳에떨어진강우가유역출구지점까지도달하는데걸리는시간. 4) 감수시간 (recession time, t r ) : 첨두유출발생시간부터지표면유출이끝나는지점까지의시간. 5) 기저시간 (time base, T b ) : 지표면유출의발생부터끝나는지점까지의시간. ᆞ 감수부 ( 하강부 ) - 지표면유출과지하수유출로구성. - 유출수문곡선으로부터지하수유출량을제함으로써직접유출량산정 ᆞ 감수곡선 Q o : 감수곡선상의임의시각에있어서의유량 Q t : 발생시부터 t 시간후의유량크기 K : 감수계수 ( 저류상수 ) α = -ln K 8
3. 유출수문곡선의분석 3. 유출수문곡선의분석 수문곡선의분리 주지하수감수곡선법 ᆞ 총유출량 (Total runoff) = 직접유출 + 기저유출 ᆞ 직접유출 = 수로상강수 + 중간유출 + 지표면유출 ᆞ 수문곡선해석의첫단계는기저유출분을직접유출분과분리시키는것 ᆞ 수문곡선의분리 - Baseflow recession curve ( 주지하수감수곡선법 ) - Straight line method ( 수평직선분리법 ) - Fixed base length method ( 고정기저시간분리법, 수정 N-day 법 ) - Variable slope method ( 가변경사법 ) ᆞ 과거수문곡선을이용하여지하수감수곡선획득. 1 과거수년간의연속적인유량기록을그림과같이도시하고 이중에서감수곡선들을선택한다.(a) 2 선택된감수곡선을반대수지 ( 유량을대수축에작성 ) 에유량이작은것부터오른쪽에서왼쪽으로나열한다.(b) 9
3. 유출수문곡선의분석 3. 유출수문곡선의분석 주지하수감수곡선법 수문곡선분리방법 3 감수곡선의최저값에개략적인접선을그린다.(b) 4 3 에서구한접선을산술축으로옮겨그리면이것이바로수문곡선을대표하는주지하수감수곡선이된다 (c). 5 실제수문곡선의감수부분에앞에서구한주지하수감소곡선을중첩시켜곡선이분리되는점을찾아상승부기점과연결하여직접유출과기저유출을분리한다.(d) ᆞ 수평직선분리법 ᆞN-Day 법 N : 일 (day), A : 유역면적 (km 2 ) ᆞ 수정 N-Day 법 ᆞ 가변경사법 10
4. NRCS 의유효우량산정 4. NRCS 의유효우량산정 NRCS 의유효우량 NRCS 의유효우량 ᆞ 가정 - 최대잠재보유수량 (Potential maximum retention), S - 잠재유출량 (Potential runoff), P-Ia - The ratios of the two actual (Fa and Pe) to the two potential quantities (S and P-Ia) are equal. 11
4. NRCS 의유효우량산정 4. NRCS 의유효우량산정 유출곡선지수 (runoff curve number, CN) 유역의선행함수조건 ᆞ 총우량과유효우량의관계를나타내는여러가지곡선 ᆞ 불투수또는수표면 : CN=100 ᆞ 자연적인지표면 : CN < 100 ᆞAntecedent moisture condition (AMC, 선행토양함수조건 ) - AMC I : dry condition - AMC II : normal condition - AMC III : wet condition 유역의선행함수조건 ᆞ 선행강수, 토양수분, 침투 유출율 ᆞ 선행강수, 토양수분, 침투 유출율 ᆞ5 일또는 30 일선행강우이용 ᆞNRCS 는 5 일선행강우를적용 12
4. NRCS 의유효우량산정 4. NRCS 의유효우량산정 유출곡선지수 CN 의결정 유출곡선지수 CN 의결정 ᆞNRCS 수문학적토양그룹 ᆞ 토지이용상태및식생피복에따른 CN 의결정 도시지역의유출수문곡선지수 (AMC-II 인경우 ) 표 9.5 13
4. NRCS 의유효우량산정 4. NRCS 의유효우량산정 유출곡선지수 CN 의결정 NRCS 방법적용절차 ᆞ 토지이용상태및식생피복에따른 CN 의결정 농촌지역의유출수문곡선지수 (AMC-II 인경우 ) 표 9.6 ᆞ 대상유역의토양도를사용하여지형도상에 4 개의토양군별분포도를작성한다. ᆞ 유역의토지이용상태를유출곡선지수 (CN) 의분류에따라지형도상에분류분포시킨다. ᆞ 유역의토지 - 피복형별분포면적을지형도상에서구적기로구하고이를가중인자로하여유역평균유출곡선지수 (AMC-II 조건하 ) 를결정한다. ᆞ 대상호우이전의선행 5 일강우량을계산하여 AMC 조건을결정하고이에따라해당 AMC 조건에해당하는평균유출곡선지수 (CN) 을구한다. ᆞ 잠재보유수량 (S) 를구한후, 에대입하여직접유출량 ( 유효우량, P e ) 을산정. 14
4. NRCS 의유효우량산정 5. 강우 - 유출관계 도시화영향 강우 - 유출관계 ᆞ 도시화 불투수성지역의확대 우효우량증가 홍수량증가 ᆞ 도시유역에서의유출량증가 - 주차장, 도로, 건물지붕등과같은불투수성지역의증가 - 인위적인하도, 암거등과같은하천의수리학적효율증가및우수배출시스템의개선으로유속및첨두유출증가도시화로유출량이증가하는반면, 지하수위가감소하여도시하천의건천화문제발생. ᆞ 유역의강수에대한반응의결과가하천유출. ᆞ 수리구조물의설계, 유역의변화과정, 유역의지형이나지표면이용의변화에대한반응예측, 장래의유출량예측 ( 홍수예측 ) 등에필요. 15
6. 첨두홍수량산정 6. 첨두홍수량산정 첨두홍수량 ᆞ 비행장활주로, 도시지역의우수관거, 암거, 대규모주차장등설계시. ᆞ 최대유량 ( 첨두홍수량 ) 을소통시킬수있게수리구조물을설계. ᆞ 합리식 : 소규모유역의강우배제시설물설계. 합리식 (rational formula) ᆞ 소규모유역 (5 km 2 ) 의설계홍수량또는포장된작은도시유역 ᆞ 기본가정및유도 - 불투수성소유역에일정한강도로비가내릴때의기본수문곡선형태 - 평형상태 (C) : 총유입량 = 총유출량 - 강우가끝나면 (D) 지면저류량이유출 ( 감수곡선 ) - 평형에도달하는시간은유역내가장먼지역에서유역출구까지의시간 도달시간 (time of concentration, T c ) 강우지속시간을결정 - 유출계수 침투에의한강우량손실고려 Q p = 0.2778CIA Rational equation Q p = 첨두홍수량 (m 3 /sec), C = 유출계수, I = 지속시간 T c 의강우강도 (mm/hr) A = 유역면적 (km 2 ) 16
6. 첨두홍수량산정 6. 첨두홍수량산정 합리식의인자산정방법 합리식의인자산정방법 ᆞ 합리식적용시기본가정 - 유역출구지점에서산정된첨두유출량은도달시간동안의평균 강우강도의함수이다. - 합리식에사용되는도달시간은유역출구로부터가장먼지점에떨어진강우가유역출구까지흘러들어오는시간이다. - 호우기간동안강우강도는일정하다. ᆞ 유역면적 (A) : 구적기 (planimeter), 수치지도, GIS ᆞ 강우강도 (I) ᆞ 유출계수 - 유역의피복상태 - 유역의면적가중평균 - 자연하천유역의유출계수 ᆞ 자연하천유역의유출계수 17
6. 첨두홍수량산정 6. 첨두홍수량산정 합리식의인자산정방법 합리식의인자산정방법 ᆞ 도시및농경지에서의유출계수 ᆞ 강우강도 - 강우지속시간 유역의도달시간 (Tc) : 강우강도와첨두홍수량 산정에큰영향 - 재현기간 : 구조물의목적과중요도, 강우의재현기간 홍수량의재현기간 ᆞ 강우강도 (Intensity)- 지속시간 (Duration)- 재현기간 (Frequency) (IDF curve) 곡선 ᆞ 강우강도식 a I t c b d at I c t b I : 강우강도 (mm/hr), t : 지속시간 (min), T : 재현기간 (year), a, b, c, d : 상수 18
6. 첨두홍수량산정 6. 첨두홍수량산정 합리식의인자산정방법 ᆞ 강우강도 - IDF curve 로부터 I, t, T 에대하여최소자승법을이용하여강우강도식을결정 - 건설교통부 (2000) T a b ln n I T, t t T c d ln t t I : 강우강도 (mm/hr), t : 지속시간 (min), T : 재현기간 (year), a, b, c, d : 상수 - 소규모수공구조물설계시강우의지속시간은도달시간으로가정 기타첨두유출량산정공식 ᆞ 수정가지야마공식 - A < 42.91 km2 - A > 42.91 km2 수정가지야마공식의상수 Q = 첨두홍수량 (m 3 /sec) A = 유역면적 ( km2 ) L = 하천길이 (km) R = 유역최대일강우량 (mm) F = 상수 19
6. 첨두홍수량산정 6. 첨두홍수량산정 기타첨두유출량산정공식 강우량 - 유출고관계 ᆞ 한장회공식 ᆞ 고재웅공식 Q = 첨두홍수량 (m 3 /sec) A = 유역면적 ( km2 ) L = 하천길이 (km) R = 유역최대일강우량 (mm) S = 하천경사 Q T = 재현기간 T 에해당하는첨두홍수량 (m 3 /sec) A = 유역면적 ( km2 ) T = 재현기간 ( 년 ) ᆞ 월별, 계절별, 연별유출용적 저수지의소요용량결정, 저수지운영및조작 ᆞ 강우강도, 강우지속시간, 연중시기및토양의초기함수조건등을고려강우량 - 유출고관계를수립 ᆞ 연유량 - 연유출고관계곡선 ᆞ 가지야마 (Kajiyana) 의월유출고공식 R = 월별유출고 (mm) P = 월별강우량 (mm) f = 유역유출특성계수 E = 월별보정계수 (mm) ᆞ 비유량법에의한산정 q = 단위면적당연평균최대홍수량 (m3/sec) A = 유역면적 ( km2 ) 20
6. 첨두홍수량산정 7 유역의도달시간 강우량 - 유출고관계 도달시간 ᆞ 가지야마월유출고공식의월별보정계수 (E) ᆞ 도달시간 (t c ) : 강우가자연하천의하도나우수관거까지들어오는데필요한유입시간 (t 0 ) 와하도나우수관거를통해흐르는유하시간 (t f ) 의합 ᆞ 중요도 (importance), 민감도 (sensitivity), 불확실성 (uncertainty) ᆞ 설계표준값, 경험공식 ᆞ 유입시간의산정 - 자연하천유역 ( 유역면적 2 km2이내 ) : 급경사유역 (20 분 ), 산지유역 (30 분 ) - 도시유역 : 불투수지역 (5 분 ), 저밀도주거지역 (10-15 분 ), 주거지역 (20-30 분 ) - Kerby 자연하천유역 t c = 유입시간 (min) L= 지표거리 (km) S= 유역평균경사도시하천유역 H= 표고차 (m) n= 조도계수 21
7 유역의도달시간 7 유역의도달시간 도달시간 도달시간 ᆞ 유하시간산정 t f = 유하시간 (sec) L i = i 번째관거의길이 (m) V i = i 번째관거에서의유속 (m/sec) ᆞKraven 공식 (I) : S < 1/200 ᆞKirpich 공식 ᆞKraven 공식 (II) t f = 유하시간 (min) L = 유로연장 (km) S = 유역평균경사 S 1/200인경우 1/200<S<1/100인경우 S 1/100인경우 V=2.1m/sec V=3.0m/sec V=3.5m/sec ᆞRziha 공식 : S 1/200 ᆞSCS 공식 CN : 유출곡선지수 22