HEC-RAS 소개와하천이론 JNB@kwater.or.kr
HEC-RAS 소개
HEC-RAS 필요성 하천수위예측 홍수량 홍수위? ( 개수로흐름 ) 대기압이미치는자유수면가지고중력에의해물이흐르는길 * 관수로는대기압이미치지않으며압력에의해흐름 - 자연상태의크고작은하천, 수로, 운하, 하수로하도단면변화, 구조물조작 & 제원에따른배수위영향을고려한수위계산
HEC-RAS 소개 HEC(Hydrologic Engineering Center), 미육군공병단 HEC-RAS(River Analysis System) 1 차원흐름해석 ( 정상부등류 ) 프로그램 URL: http://www.hec.usace.army.mil Download HEC-RAS 4.1 Beta Setup Package Documentation HEC-RAS 4.1User s Manual HEC-RAS Application Guide HEC-RAS Reference Manual (Hydraulic)
HEC-RAS 개요 HEC-RAS 는미육군공병단 HEC 센터에서개발되어범용 1차원흐름해석 ( 정상부등류 ) 프로그램미국주요하천내홍수해석및주운운영관리를위해적용中국내하천정비기본계획에서활용되어국가수자원정책에반영 분석하천대상 하천형 : 단일하천, 수지상 (dendritic system), 하천망 (network of channel) 흐름형 : 상류 (subcritical), 사류 (supercritical), 혼합류 (mixed flow) 하도구조물 / 장애물 : 교각, 암거, 웨어, 댐, 제방기본식 : 1차원에너지방정식, 운동량방정식 ( 부정류 ), 표준축차법 ( 부등류 )
HEC-RAS 개요 HEC-RAS 분석을위한기본적인자료 ( 지형 ) 하천을횡단하는측량자료 ( 횡단면, 구조물, 교량 ) ( 유량 ) 하천내유입되는유량곡선 ( 상류, 지류등 ) ( 수위 ) 가장마지막지점의수위 ( 예, 낙동강하구둑내수위 ) [ 매개변수 ) 하천의거칠기계수, 수축팽창계수등수리학적인자
HEC-RAS 개요 File 구성 Project File(.prj) Geometry Data(.G01~99) Unsteady Flow Data(.U01~99) Plan File (.p01~99) Run File (.x01~99) Out File (.o01~99)
하도단면의구성 HEC-RAS 개요
하도의합류및분기
교량접근부해석
암거형상
HEC-RAS 개요 HEC-RAS 수위계산과정 ( 부정류 ) 상류단면에서가지는운동량 ( 유속, 수위등 ) 이하류단면에서도일정하다 는가정 - 연속방정식, 운동량방정식활용 상류 하류
Steady Flow Water Surface Profiles HEC-RAS 개요 단면통수능 (Cross Section Subdivision for Conveyance Calculations) Q 1 / KS f K 1.486 n / AR 복합조도계수 (Composite Manning s n for the Main Channel) 3 HEC-RAS 방법 n c N i1 P n i P 1.5 i / 3 HEC- 방법
Steady Flow Water Surface Profiles 운동수두 (Evaluation of the Mean Kinetic Energy Head) 마찰손실 (Friction Loss Evaluation), 수축 / 확대손실 (Contraction and Expansion Loss Evaluation) 1 1 1 Q Q g V Q g V Q g V 3 t rlob 3 rob ch 3 ch lob 3 lob t K A K A K A K A S f 1 K K Q Q S S f 1 f S S f 1 f f 1 f f 1 f S S S S g V g V C h 1 1 e HEC-RAS 개요
HEC-RAS 개요 계산절차 (1) 모의대상단면에기점수위를가정한다. () 가정된수위를이용해서모의단면에서의총통수능과속도수두를계산한다. (3) 단계의값을이용하여마찰경사 S f 를계산하고, 손실수두 h e 를계산한다. (4), 3단계값을이용하여 WS 를계산한다. WS (5) 계산된값과 1 단계에서가정한값을비교하여 WS 1 그차이가허용오차이내가될때까지 1~5 단계를 반복수행한다. 1 1V g h e WS V g
HEC-RAS 개요 비정상류해석 (Unsteady Flow Routing) 연속방정식 (Continuity Equation) : 질량보존의법칙 운동량방정식 (Momentum Equation) : 운동량보존의법칙 ( 운동량의변화 = 시스템에작용하는외력 )
기존부정류모형종류 - SV 식을기본방정식으로활용 구분개발자기본방정식특징 DWOPER 미국립기상청 (NWS) Saint-Venent 방정식가중 4 점음해법 - 다지하천의해석이가능 - 내부구조물 ( 댐, GATE) 등의해석이불가능 - 횡단자료입력은 H-B 로입력 FLDWAV 미국립기상청 (NWS) Saint-Venent 방정식가중 4 점음해법 - Dwoper 과 DamBRK 모형을통합 - 다지하천및내부구조물해석가능 - 횡단자료입력은 H-B 로입력 U-NET 미공병단수문연구소 (HEC) Saint-Venent 방정식가중 4 점음해법 - 다지하천, 내부구조물해석가능 - 횡단자료는실제횡단과동일하게입력 DAMBRK 미국립기상청 (NWS) Saint-Venent 방정식가중 4 점음해법 - 다지하천의해석이불가능 - 내부구조물 ( 댐, GATE) 등의해석이불가능 - 횡단자료입력은 H-B 로입력
HEC-RAS 개요 하천단면을사전연산하여유량 - 수위조건의관계테이블을생성하여 입력된유량값을근거로수위가산정되는방식의연산수행 * 미계측유량조사지점, 관측값이부족한지점의레이팅관계식도출에유용 제내지 제외지 제내지
HEC-RAS 개요 장점 소수의입력자료를이용하여수위, 유속등을쉽게계산가능빠른계산으로실시간분석및적용이가능하천의모든구조물및현상모의분석 ( 수리학적인자추출가능 ) 전국국가하천의지형측량자료가 HEC-RAS 성과로되어신속적용가능 단점 1차원분석의한계 ( 하천좌우안의유속, 수위변화 ) 양적인개념 ( 수문학적 ) 부족으로수량의정확성이낮음 (ex. 댐붕괴모의등 ) Wet/dry 저유량일경우모의불가 ( 모든하천해석모형의단점 ) NOT OPEN SOURCE CODE
HEC-RAS 개요최근수정및개선사항 UNET 모형 ( 홍수추적 ) 을적용하여실제홍수흐름해석댐, 보, 제방의붕괴등을분석하여주변홍수피해및영향파악가능구조물의수문타입 (OVER FLOW 등 ) 추가개선및구조물의운영 RULE 적용유사이송, 수질영향분석모듈탑재하여통합적하천관리가능 GIS 공간자료와연계하여주변홍수터피해표출자동화기능추가
하천흐름이론 모의대상및한계 모의가능한지형특성 ( 지형구조 ) 하천단면, 교량, 암거, Inline weir, Lateral weir ( 수로접합점 ) 개이상의수로가합쳐지거나분리되는장소 ( 저류지 ) 천변저류지등 ( 수공구조물 ) Sluice Gate, Radial Gate, OverFlow Gate 프로그램한계흐름은점차적으로변하는점변류흐름을계산 * 단, 교량, 암거, 웨어같은수리구조물들은제외 흐름은일차원 ( 즉흐름방향이외의속도성분을고려하지않음 ) 하도 (river channel) 는 1:10이하의작은경사
하천이론
하천흐름이론 흐름분류 공간적흐름에따른분류 - 등류 : 임의의시간에흐름특성이공간적으로일정한흐름 - 부등류 : 임의의시간에흐름특성이공간적으로일정하지않은흐름 * 점변부등류, 급변부등류 시간적변화에따른분류 - 정상류 : 임의의지점의흐름특성이시간적으로일정한흐름 - 부정류 : 임의의지점의흐름특성이시간적으로일정하지않은흐름차원에따른분류 - 1차원 : 흐름방향이한방향으로흐름 - 차원 : 흐름방향이두방향으로흐름 - 3차원 : 흐름방향이세방향으로흐름
하천흐름이론 흐름의종류 개수로, 관수로 / 정상류, 비정상류 / 등류, 부등류 / 상류 ( 일반하천흐름 ), 사류 ( 댐여수로, 폭포, 하천급류등 ), 한계류 ( 상류와사류중간 )
하천흐름이론 ( 예 ) 하천내단면축소를발생시키는구조물에의한수위변화
하천흐름이론 ( 참고 ) 하천내단면축소를발생시키는구조물에의한수위변화 * 출처 : open-channel hydraulics (Ven Te Chow) 하천수리학 ( 우효섭 )
하천흐름이론 해석시주의사항 ( 부등류 ) 기점수위의산정 실측자료가있는경우계획홍수위가수립된경우 미계측유역의경우 조도계수의산정 흔적홍수위및일제관측수위이용 ( 조도계수역산 ) 수위재현방법이용 하상토사입경으로부터산정 현장조사에의한하상저항산정 문헌및사진자료참조
왜부정류해석을해야하는가 정상부등류해석의한계 (hec-ras) (1) 흐름은정상류이다. (steady) () 흐름은점변류이다. (gradually varied) (3) 흐름은 1 차원이다. (one dimensional) (4) 하상경사는비교적작다. ( small slopes, less than 1:10) * 점변류의흐름에서는에너지방정식, 급변류의흐름에서는 운동량방정식및기타경험공식으로대체하여해석
왜부정류해석을해야하는가 부정류계산의필요성 (1) 실제하천의수위는시간에대해급변경우가존재 - 수문조작, 하상단차등 () 하상경사가완만하여배수위의점진적효과검토 - 1/3000 이하하상경사는부정류가바람직 (3) 하상경사가급한경우첨두유량과수위가일치하지만, 하상경사가완만할경우일치하지않음 중력항과가속도항의영향을고려필요 (4) 범람에따른홍수지체등을고려
하천흐름이론 해석시주의사항 ( 부정류 ) 기본자료의오차정확히입력되지않은자료복잡한문제부터계산상류 / 사류천이류경우단면급확대및급축소넓고평평한제내지 ΔX, ΔT의값을너무크게적용
하천흐름이론 비정상류해석시주의사항 모의결과의발산시해결방안강구 하도단면의급격한변화 넓은홍수터를가지는단면 한계류부근에서의조건 정확한상 하류단경계조건의부여 ( 완경사하천 ) 상류단 : 유량수문곡선 하류단 : 수위수문곡선 실측자료에의한모형검 보정실시 부정류해석시필수적인검토사항임