The planned height of the new town at the coastal landfill is determined by the river (channel) flood elevation, the hydraulic grade line (H.G.L), and the hydraulic grade line (H.G.L) margin.
Up to now, the river (channel) flood elevation is determined based on the assumption that the peak flood reaches at time in the peak water level, but in this case, the peak water level is not coincident with the peak flood. There is a disadvantage in determining the river (channel) flood elevation.
The calculation of the hydraulic grade line (H.G.L) uses the Excel method, but the mathematical errors due to mistakes occur frequently without considering losses other than frictional losses.
In addition, in case of the hydraulic grade line (H.G.L) margin, there is no reasonable standard, but the general reality is to apply experience or overseas cases.
Therefore we propose a method of causing river (waterway) flooding, taking into account the relationship between the internal water level curve and the flood hydrograph, the hydraulic grade line (HGL) calculation using a computer program, the grade line (HGL) hydraulic drainage internal drainage Margin taking into account.
유경현 상무(수자원개발기술사), 도시개발부(khyu@samaneng.com)
고영태 이사대우, 도시개발부(ytkoh@samaneng.com)
박현구 이사대우, 도시개발부(hkpark@samaneng.com)
최원현 차장, 도시개발부(whchoi@samaneng.com)
1. 연구의 개요
1.1 연구의 배경
근래 인천 청라경제자유구역, 충남 석문국가산업단지, 전북 새만금지구, 환 황해권 경제자유구역 등 조석간만의 영향을 받는 서남해안과 하천변 저지대에 다수의 대규모 신도시 및 산업단지 조성 사업이 시행되었거나 시행예정인 상황이다.
조석간만의 영향을 받는 임해매립지의 단지개발은 넓은 면적에 대한 순성토 매립으로 미미한 단지 계획고 변경에도 매립토량의 증감이 크고, 투자 사업비에 미치는 영향이 대단히 커서 단지 계획고의 합리적 결정이 사업의 성패를 쥐고 있다고 해도 과언이 아닐 것이다.
이에, 현재 단지 계획고 설정시 주요한 설계 기준 중에서 다소 과다 설계가 될 수 있는 부분에 대해 안전성과 경제성을 동시에 취할 수 있는 개선 방안을 제시함으로서 사업성과 분양성을 제고코자 한다.
1.2 연구의 목적
일반적으로 조석간만의 영향을 받는 임해 매립지역의 단지 계획시 계획고는 조위에 따른 배수갑문 조작과 하천에서 유하하는 설계빈도 홍수량에 의해 하천의 기점수위(최고 내수위)를 결정하고, 이 기점수위로부터 부등류 해석을 통해 하천의 지점별 홍수위를 결정한 후 하수관거 동수경사선을 계산하여 여유고를 더한 값으로 단지 계획고를 결정하였다.
그러나 부등류 해석시 시간에 따른 강우 및 유출 변화에 의한 수위 변화를 고려치 아니하고, 동수위는 우수 관로의 전 구간을 만관으로 가정하여 단위구간의 시 ･ 종점만을 검토하며 동수위 여유고는 설계자별, 사업지구별로 상이하게 적용하고 있는 실정이다.
이에, 상기에 나열된 다소 불합리한 계획고 설정 방법을 개선코자, 부등류 해석을 이용한 합리적 내수위(하천 지점별 홍수위) 결정 및 실제의 흐름이 고려된 동수경사선 계산을 활용한 “임해 매립지 최적 계획고 결정 방안”을 검토하여 단지의 침수 안전도를 확보하고 조성원가를 절감할 수 있는 설계 기법을 정립코자 한다.
2. 설계 기준 및 기법의 적용 현황
2.1 임해매립지의 단지계획고 결정 방법
임해 매립지의 단지 조성을 위한 단지 계획고 결정시 주요한 설계 기준은 아래와 같다.
1. 해일 및 파고에 대한 안전 확보
2. 하천 또는 수로의 계획빈도 홍수위 + 여유고 확보
3. 관로 최소토피 1m 이상 확보
4. 하수관거의 동수위 여유 확보
5. 도로 및 블록의 최소 경사도 이상 유지
6. 식물의 생육토심 확보
7. 주변지역과의 연계성 등
위에서 언급한 항목 중 2번과 4번 항목의 경우 분석 및 해석, 적용 방법의 차이에 따라 임해매립지의 단지계획고를 변화시킬 수 있는 많은 변수를 가지고 있다고 사료된다.
이에, 현재 일반적으로 적용되어온 “배수갑문 조작에 의해 해수의 유출입을 통제하고 있는 방류 하천의 홍수위 산정 방법”과 “동수경사선 산정 방법 및 여유고에 대한 설계기준”에 대해 설명코자 한다.
2.2 하천의 계획 홍수위 산정
조석간만 영향을 받는 매립형 단지에서 단지내로 유입되는 하천의 계획홍수위는 일반적으로 다음과 같은 방법으로 산정한다.
단지 계획고 설정을 위한 설계빈도 홍수량이 하천 또는 수로를 따라 유하하여 배수갑문 지점에 도달하면 하천 또는 수로의 내수위가 쌓여가게 되는데 이때, 내수위가 외조위 보다 높으면 배수갑문을 열어 내수량을 해양으로 내보내고, 반대로 내수위가 외조위 보다 낮으면 배수갑문을 닫아 외조위를 차단하는 등 배수갑문의 개폐를 통해 배수갑문 지점의 최고 내수위를 산정한다.
이렇게 산정된 최고 내수위를 기점수위로 하여 설계빈도 첨두 홍수량(Qp)을 적용하여 HEC-RAS 프로그램을 이용한 부등류 해석을 통해 방류하천의 지점별 계획 홍수위를 계산하고 설계빈도 첨두 홍수량에 따른 여유고를 더하여 최저 단지 계획고를 결정한다.
Table 1. 계획홍수량에 따른 여유고
2.3 우수관거 동수위 산정
동수위는 계획지반의 고저와 이에 따른 토공량 및 우수관거의 규모 산정에 가장 큰 영향을 미치는 단지계획고 결정 인자이다.
그간 단지 계획고 결정시 동수위의 중요성을 인식하면서도, 합리적이고 체계적인 동수위 검토방법의 정립이 미흡 했던 것이 현실이다.
따라서 그간 정립되지 못했던 동수위 검토 방법의 기준을 정립하여 합리적인 단지계획고 결정의 판단 기준을 제시하고자 한다.
먼저 실무에서 적용되는 동수위 계산 방법을 간략하게 살펴보고자 한다.
가. 동수위 계산 과정
Fig. 1. 동수위 계산 과정
나. 동수위 계산 시 주요 고려사항
1) 기점수위와 관거 내 수위와의 관계
2) 관거내 자유수면 발생 지점의 고려
3) 관거의 시･종점부를 제외한 구간의 동수위 여유
3. 설계 개선 제안
3.1 기존 설계의 문제점 및 설계 개선 방안 제안
3.1.1 기존 설계의 문제점
앞장에서 언급한 바와 같이 기존 설계에서는
1) 방류 하천의 홍수위 산정시
-조위, 방류 하천을 통해 유하하는 설계빈도 홍수량, 유수지 용량, 배수갑문 개폐 등에 의해 산정된 배수갑문 지점의 최고 내수위를 기점홍수위로 설정하고
-방류 하천의 각 지점별 첨두 홍수량(Qp)을 계획 홍수량으로 하여
-HEC-RAS 부등류 해석을 통해 방류 하천의 각 지점별 홍수위를 계산한다.
-이는, 수리/수문학적으로 안전한 설계일 수는 있으나, 일반적인 자연 현상에서는 유수지의 내수위가 최고인 시점과 하천 유하 첨두 홍수량 발생시점은 다르기 때문에 경제적인 단지 계획고 결정 측면에서는 불합리한 것으로 사료된다.
-최고 내수위가 발생한 시간의 홍수량, 즉, 배수갑문 지점의 최고 내수위가 발생하였을 때에 방류 하천에 배수 영향을 주는 홍수량은 첨두 홍수량(Qp)이 아니기 때문이다.
2) 동수위 산정시
-1)에서 산정된 하천 계획 홍수위를 기점 수위로 하여 관로의 하류단부터 상류단으로 대상 관거의 전체 연장으로 계산하나
-이 경우 관거의 시/종점 부를 제외한 구간의 동수위 검토가 누락되어, 국지적인 동수위 부족구간이 발생할 수 있다.
3) 동수위 여유의 적용 기준은
-현재 단지 설계시 적용할 수 있는 동수위 여유의 기준은 [표 2]와 같으며 일반적으로 가장 큰 값인 0.6m를 적용하나, 설계자 및 개발 사업지구에 따라 달리 적용하고 있어 설계시 혼선이 발생하고 있는 실정이다.
Table 2. 동수위 여유고 적용 기준 및 사례
-또한, 일률적인 동수위 여유 적용은 블록의 규모에 따른 블록 내부 배수관거 손실을 고려치 아니 하므로
-블록내 배수 관거의 연장이 상대적으로 긴 대블록(Super Block)의 경우에는 기존에 흔히 적용하던 동수위 여유고로는 부족 할 수 있으며
-블록내 배수 관거의 연장이 상대적으로 짧은 블록의 경우에는 기존에 흔히 적용하던 동수위 여유고가 과다할 수 있다.
3.1.2 설계 개선 방안 제안
이와 같이 불합리하거나 모호한 기준에 대하여 개선할 수 있는 방안을 다음과 같이 제시코자 한다.
1) 하천 또는 수로의 홍수위 산정시
-시간에 따라 변화하는 조위와 홍수량을 배수갑문 조작에 의해 하천 또는 수로 말구부인 배수갑문 지점의 내수위를 산정하여
-내수위 곡선과 홍수 수문곡선의 시간적 순서쌍(기점수위t, 홍수량t)에 의한 부등류 계산을 통해 하천 또는 수로의 지점별 홍수위를 추정한 후
-최고 수위만을 연결하여 하천 또는 수로의 계획홍수위로 설정하는 것이 자연현상에 보다 가까운 해석과 함께 안전성 또한 확보할 수 있을 것이다.
2) 동수위 계산시
-1)에서 산정된 하천 홍수위를 기점수위로 하여, 기점수위와 관거내 수위의 관계를 고려한 후, 관거의 하류단부터 상류단으로 대상 관거를 세분하여 계산하면
-실제 형성되는 동수위에 가장 근접한 동수위 계산 방법이 될 것이다.
3) 동수위 여유는
-환경부가 제정한 하수도 시설기준을 준수하여 블록을 포함한 사업 대상지 전체의 동수위가 계획 지반고 아래에 위치하도록 설정하는 것이다.
-블록내 우수 배제를 위한 블록 내 가상 배수 관거를 설정하여 가상 배수관거의 손실을 계산하고 이 손실을 여유고로 적용하면 합리적인 기준이 될 것으로 판단된다.
3.2 홍수위 산정에 대한 개선 제안
앞서 제시한 개선 제안사항 중 1)항에 대해 가상의 대상 지구를 설정하여 기존 설계 방법으로 구한 홍수위와 금번 연구에서 개선 제안한 방법으로 구한 홍수위를 비교하여 설명코자 한다.
-EL(±)4.31m인 조위곡선과 첨두 홍수량(Qp)이 219㎥/sec인 유출수문곡선, 내부 저류용량 등의 조건을 가지고 배수갑문의 지점의 최고 내수위를 추적한 결과 [그림 2]에서 보는 바와 같이 EL(+) 3.61m 로 산정되었다.
Fig. 2. 최고내수위 산정 결과
-기존 설계방식은 최고 내수위 EL(+)3.61m를 기점수위로 첨두 홍수량(Qp)이 219㎥/sec를 적용하여 HEC-RAS 프로그램을 이용한 부등류 해석을 통해 각 지점별 홍수위를 산정한 후 산정된 홍수위 EL(+)3.61~5.77m를 하천의 계획홍수위로 결정하는 것이다.
Table 3. 기존 설계방식으로 산정한 하천 홍수위
Fig. 3. 기존 설계방식으로 산정한 하천 홍수위 그래프
-이렇게 결정된 홍수위의 문제점은 배수갑문 지점의 최고 내수위가 발생하였을 때 하천의 홍수량은 첨두 홍수량(Qp)이 아니라는 것이다.
-[그림 4]에서 보는 것과 같이 첨두 홍수량(Qp) 발생시점과 최고 내수위 발생시점은 서로 일치하지 않으며 약 3시간 정도의 시간차가 있는 것으로 분석되었다. 즉, 최고 내수위가 발생할 시점의 홍수량은 117㎥/sec로 첨두 홍수량 219㎥/sec 대비 53.4%에 해당하는 홍수량이 하천에 배수영향을 미치며 또한, 첨두 홍수량 219㎥/sec가 하천에 배수영향을 미치는 시점의 내수위는 EL(+)1.33m 인 것이다.
Fig. 4. 기존 설계방식의 문제점
-이에, 금회 저희가 제안하는 방식은 앞에서 언급한 문제점을 보완하기 위해 [그림 5]에서 보는 바와 같이 내수위 곡선과 홍수수문곡선의 관계 즉, 시간에 따라 결정되는 내수위와 홍수량과의 관계를 첨두 홍수량(Qp) 발생시점부터 최고 내수위 발생시까지 단위 시간 간격으로 순서쌍(기점수위t, 홍수량t)에 의한 Case를 설정하여 각각의 Case 별로 부등류 해석을 통해 하천의 홍수위를 산정한 후 지점별 최고 수위만을 채택하여 하천의 계획홍수위로 결정하는 것이다.
Fig. 5. 순서쌍에 의한 Case 설정
-첨두 홍수량(Qp) 219cms가 발생하는 Case 2번부터 최고내수위 3.61m가 발생하는 Case 6번까지 단위 시간간격으로 홍수위를 산정한 후 각 지점별 최고수위인 3.61m에서 5.75미터를 하천의 계획홍수위로 결정하였다.
Table 4. Case별 홍수위 산정 결과
Fig. 6. Case별 홍수위 산정 그래프
-최고 내수위에 첨두 홍수량(Qp)을 적용하는 기존 방식과 각 시간대별 내수위와 홍수량을 적용하여 최고 수위만을 채택하여 결정하는 금회 제안 방식을 비교 검토결과 하천 홍수위가 지점별 최대 13cm까지 낮아지는 결과를 얻을 수 있었으며 또한, 배수영향 구간은 기점수위의 영향이 크고 그 외 상류 구간은 홍수량의 영향이 크다는 것을 알 수 있다.
3.3 동수위 계산 방식에 대한 개선 제안
앞서 언급한 일반적 동수위 산정의 기존 방법은 일반적으로 엑셀 프로그램을 사용하며 관거 제원과 관거 유량, 하천 홍수위 등 기초 자료를 바탕으로 관거의 기점수위에 연속방정식으로 유속을 산정하여 관거의 마찰손실을 계산한 후 상류 관거의 동수위를 결정한다.
엑셀 프로그램으로 동수위 계산시 일반적으로 발생되는 문제점은
-첫째, 관거내 개수로 흐름시 동수위 산정의 오류 발생이 빈번함
-둘째, 관거의 시 / 종점부를 제외한 구간의 동수위 여유를 고려하지 못함
-셋째, 마찰손실 이외의 손실 즉, 미소손실을 고려치 않음
이러한 문제점을 해결하기 위해 동수위 계산을 위한 전산프로그램을 개발하였다. 전산프로그램을 사용함으로써 관거 구간 전체의 동수위 검토가 가능하고 작업자의 숙련도에 관계없이 정확한 계산 결과를 도출할 수 있는 전산 프로그램을 이용한 동수위 산정방법을 소개하고자 한다.
3.3.1 전산 프로그램(Orange Pipe)를 이용한 동수위 계산
금회 개발한 전산프로그램을 오렌지 파이프라고 명명하였으며 오렌지 파이프의 입력, 제원 및 옵션, 결과 출력 등을 보여줌으로써 사용자가 지점별 동수위 및 여유고를 한눈에 파악할 수 있도록 만들었다.
1) 전산 프로그램(Orange Pipe)의 필요성 및 특징
-마찰 손실 이외의 기타 손실 적용 가능
-그래픽 기능에 의한 계획고 및 동수위 동시 비교 검토 가능
-그래픽 기능에 의한 관거 내 실제수위 확인 가능
-관거 내 자유수면 발생 지점 산정 가능
-관거 시종 점을 제외한 구간에도 동수위 검토 가능
2) 전산 프로그램(Orange Pipe) 지배방정식 - 에너지방정식
3) 전산 프로그램(Orange Pipe) Interface
3.4 동수위 여유고 기준개선 제안
동수위는 국내 하수도 설계의 기준인 “하수도시설기준”(한국상하수도협, 2005년)에 따르면 지반선 아래에 위치하도록 관거 계획을 수립하도록 제시되어 있다.(제1장 기본계획의 1.5우수배제계획 중 1.5.2 우수관거계획).
따라서 그간 블록의 규모와 블록내부 배수 계획과 관계없이 고정된 값을 일률 적용하던 동수위 여유고를 블록을 포함한 사업 대상지 전체의 동수위가 지반선 아래에 위치하도록 블록 내 배수관거의 손실을 고려하여 주간선 및 지선관거의 동수위 여유고를 설정하는 것이다.
Fig. 7. 동수위 여유고 산정 예
[그림 7]에서 보는 바와 같이 A지점의 동수위 여유고 산정 방법을 예를 들어 설명하면 블록의 크기가 200m × 200m일 경우 최단거리로 배수계획을 수립한 것으로 가정하여 관경 D400mm, 연장 Lmax가 100m 이고, 유속이 1m/sec일 경우에 마찰 손실수두 0.72m를, 블록의 크기가 100m × 100m일 경우, 관경 D400mm, 연장 Lmax 50m일 경우에는 0.36m를 A지점의 동수위 여유고로 결정하는 것이다.
이렇게 블록 내 배수 관거의 손실( )을 고려하여 동수위 여유고를 적용하는 것은 국내에서 정립된 기준 준수는 물론, 경우에 따라 토공 공사비의 절감 및 단지 안전 확보에 적합한 관거 동수위 여유고 적용 방안인 것으로 사료된다.
3.5 요약 및 기대효과
하천의 계획홍수위를 결정하는 방법에 대해 기존 방식은 최고 내수위를 기점수위로 첨두 홍수량(Qp)을 적용하여 계획 홍수위를 결정하고, 금회 개선 제안한 방식은 시간대별 내수위(Ht)와 홍수량(Qt)에 의해 산정된 수위 중 가장 높은 수위를 채택하여 결정하는 것이다.
이에 대한 기대효과로 실제 자연현상을 고려한 해석을 통해 단지의 안전성과 경제성을 동시에 제고할 수 있을 것으로 기대된다.
우수관거 동수위 산정 및 여유고 기준에 대해서는 Excel을 사용하여 관거의 시 / 종점부에 국한한 동수위를 산정하고 블록내 관거계획을 고려치 않고 고정값을 일률적으로 적용하였던 기존 산정방법에 대한 문제점을 해소코자 전산프로그램을 개발하였으며 블록내 관거계획을 고려하여 블록 규모에 맞는 여유고를 적용방안을 제시하였다.
이에 대한 기대효과로써 전산프로그램에 의한 정밀한 동수위 산정이 가능하고 블록내 관거의 안전성을 확보할 수 있을 것이라 사료된다.
4. 결론
대규모 임해매립단지 조성사업 시행에 있어서는 조성원가 절감이 사업의 성패를 좌우하는 중요한 부분이라 사료된다.
임해 매립단지 조성공사비 중 가장 큰 비중을 차지하는 부분은 단지 계획고까지 매립/성토하기 위한 토공 공사비이며, 단지 계획고에 가장 큰 영향을 미치는 요소는 방류하천의 계획 홍수위 및 우수 관거의 동수위인 것이다. 즉, 방류하천의 계획 홍수위와 우수관거의 동수위는 토공사비에 직접적인 영향을 준다고 볼 수 있다.
우리는 이번 연구를 통하여, 그간 다소 과다하게 적용되어 왔으며 일부 고려치 못한 부분이 있고 기준이 모호했던 부분이 있는 계획 홍수위 결정, 우수 관거 동수위 산정 및 여유고 적용기준을 개선함으로써 단지의 안전성과 경제성을 동시에 충족시키며 가능한 한 모든 고려사항을 적용하고, 모호했던 기준을 정립할 수 있는 방안을 제시하는데 주안점을 두고 검토하였다.
본 연구가 아직 미흡하고 해결해야 할 문제가 남아 있으나, 본 방안의 개념을 적용함으로써 단지의 안전성을 확보하는 동시에 경제성도 제고하여 원활한 사업추진에 도움이 될 수 있기를 기대한다.
감사의 글
본 연구를 할 수 있도록 회사업무를 나누어 처리해준 (주)삼안 도시개발부 임직원 여러분께 감사드리며,
그간 상대적으로 다른 분야에 비해 학술활동이 활발하지 않았던 단지설계분야의 기술자들에게 이런 자리를 마련하여 주신 LH공사 관계자 여러분께 감사의 말씀을 드립니다.
Reference
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