Journal of Korea Water Resources Association (한국수자원학회논문집)

Korea Water Resources Association (한국수자원학회)
권호 표지
DOI QR코드

DOI QR Code

Prediction of Stage Discharge Curve and Lateral Distribution of Unit Discharge in an Arbitrary Cross Section Channel with Floodplain Vegetation

홍수터 식생을 고려한 불규칙한 단면에서의 수위-유량 곡선 및 단위유량 횡분포 예측

  • Kim, Tae-Beom (Department of Civil and Environmental Engineering, Yonsei University) ;
  • Jang, Ji-Yeon (Department of Civil and Environmental Engineering, Yonsei University) ;
  • Shin, Jae-Kook (Hanyang Corporation) ;
  • Choi, Sung-Uk (Department of Civil and Environmental Engineering, Yonsei University)
  • 김태범 (연세대학교 공과대학 토목환경공학과) ;
  • 장지연 (연세대학교 공과대학 토목환경공학과) ;
  • 신재국 ((주)한양 토목사업본부 기술영업팀) ;
  • 최성욱 (연세대학교 공과대학 토목환경공학과)
  • Received : 2011.02.07
  • Accepted : 2011.02.24
  • Published : 2011.02.28
Download PDF
⟨ Previous Next ⟩

Abstract

A numerical model was developed to predict the stage-discharge curve and lateral distribution of unit discharge in open channels with nonuniform cross section or compound open-channels. The governing equation is the one-dimensional momentum equation based on assumptions of the steady and uniform flow conditions in the longitudinal direction and the uniform water surface elevation in a cross section. Vegetative drag force term was included in governing equation in order to reflect the effect of floodplain vegetation on the flow characteristics. Finite element method was applied to obtain the numerical solution of the governing equation. Stage-discharge curve and lateral distribution of unit discharge for a given water surface are calculated based on input data, such as the cross sectional geometry, Manning's roughness coefficient, vegetative information and longitudinal slope of channel bed. The developed model was verified by comparing the calculated results with the observed data and the results of Darby and Thorne's(1996) model and the nonlinear k-$\epsilon$ model. The verified model was applied to estimate the upstream boundary conditions in two-dimensional flow model. The numerical results using laterally distributed unit discharge were compared with those obtained using uniformly distributed unit discharge in two-dimensional flow model.

본 연구에서는 복단면개수로및 불규칙한 하상을보이는 횡단면 상에서의 수위-유량곡선 및단위유량횡분포예측을 위한 유한요소모형을 개발하였다. 지배방정식은 정상류와 종방향 등류를 가정한 운동량방정식을 이용하며, 수면은 횡단면에 걸쳐 일정하다고 가정한다. 홍수터 식생의 영향을 반영하기 위해 식생항력이 지배방정식에 포함되었으며, 수치해를 구하기 위해 유한요소법을 적용하였다. 단면형상과 Manning의 조도계수, 식생정보, 종방향 하상경사를 입력자료로 수위-유량 곡선을 예측 가능하며, 주어진 수위에서의 흐름방향 단위유량의 횡방향 분포를 예측할 수 있다. 개발된 모형의 검증을 위해 실측자료 및 Darby and Thorne (1996)의 모형 결과, 그리고 비선형 k-$\epsilon$ 모형의 결과와도 비교하였다. 검증된 모형의 알고리즘을 2차원 모형의 상류단 경계조건 설정에 활용하여, 유입유량을 절점별 단위유량으로 분배시켰을 때와 그렇지 않았을 때의 결과를 비교하였다.

Keywords

References

  1. 강신욱, 이상호, 황만하 (2006). “화원 수위관측소 지점의 고리모형 수위-유량 관계곡선 작성.” 한국수자원학회논문집, 한국수자원학회, 제39권, 제6호, pp. 487-494.
  2. 건설교통부 (2002). 안성천 수계 하천정비기본계획.
  3. 김상욱, 이길성 (2008). “베이지안회귀분석을이용한수위-유량 관계곡선의 불확실성 분석.” 한국수자원학회논문집, 한국수자원학회, 제41권, 제9호, pp. 943-958. https://doi.org/10.3741/JKWRA.2008.41.9.943
  4. 김태범, 배혜득, 최성욱(2010). “식생수로에서의수리특성 모의를위한 수심적분2차원 수치모형의개발 및적용.” 대한토목학회논문집, 대한토목학회, 제30권, 제6B호, pp. 607-615.
  5. 김태범, 최성욱, 민경덕(2006). “CDG 유한요소법을이용한 수심적분흐름의수치모의.” 대한토목학회논문집, 대한토목학회, 제26권, 제5B호, pp. 447-457.
  6. 문영일, 조성진, 전시영 (2003). “수위-유량곡선을 위한 비매개변수적 Kernel 회귀모형.” 한국수자원학회논문집, 한국수자원학회, 제36권, 제6호, pp. 1025-1033.
  7. 유주환 (1999). “금강수계 수위-유량 곡선 개발 및 적용.” 대한토목학회논문집, 대한토목학회, 제19권, 제II-6호, pp. 665-675.
  8. 이상호 (2001). “수위관측과 수리학적 하도추적에 의한 수위-유량 관계식작성.” 한국수자원학회논문집, 제34권, 제5호, pp. 551-560.
  9. 이신재, 박상우(2006). “수위-유량자료가부재한자갈하천의 조도계수 산정에 관한 연구.” 한국수자원학회논문집, 한국수자원학회, 제39권, 제12호, pp. 985-996. https://doi.org/10.3741/JKWRA.2006.39.12.985
  10. 이용희, 이상배 (1998). “양산천 수위-유량 관계곡선의 유도에 관한 연구.” 한국항만학회논문집, 한국항만학회, 제9권, pp. 183-195.
  11. 이우석, 김상욱, 정은성, 이길성 (2008). “의사우도추정법에 의한 분산함수를 고려한 수위-유량 관계 곡선 산정법 개선.” 한국수자원학회논문집, 한국수자원학회, 제41궈, 제8호, pp. 807-823. https://doi.org/10.3741/JKWRA.2008.41.8.807
  12. 이재준, 설지수, 곽창재 (2009). “수위-유량 관계곡선을 이용한경년별수리특성량변동에관한연구-낙동강적포교 및진동지점을중심으로-.” 한국수자원학회논문집, 한국수자원학회, 제42권, 제10호, pp. 867-876. https://doi.org/10.3741/JKWRA.2009.42.10.867
  13. 이창해 (2008). “수위 유량관계식에 새로운 양방향 회귀모형의 적용.” 한국수자원학회논문집, 한국수자원학회, 제41권, 제1호, pp. 17-25. https://doi.org/10.3741/JKWRA.2008.41.1.017
  14. 조홍제, 황재호, 문성준 (2000). “태화강 감조부의 저수위 수위-유량곡선 개선.” 한국수자원학회논문집, 한국수자원학회, 제33권, 제5호, pp. 635-645.
  15. Choi, S.-U., Kang, H., and Shin, J. (2010). “Lateral distribution of unit discharge in a compound channel with vegetation on the floodplain.” 17th Congress of the Asia and Pacific Division of the International Association of Hydraulic Engineering and Research, Auckland, New Zealand.
  16. Darby, S.E. (1999). “Effect of riparian vegetation on flow resistance and flood potential.” Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 125, No. 5, pp. 443-454. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1999)125:5(443)
  17. Darby, S.E., and Thorne, C.R. (1996). “Predicting stage-discharge curves in channels with bank vegetation.” Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 122, No. 10, pp. 583-586. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1996)122:10(583)
  18. Hey, R.D. (1979). “Flow resistance in gravel-bed rivers.” Journal of the Hydraulics Division, ASCE, Vol. 105, No. 4, pp. 365-379.
  19. Kouwen, N. (1988). “Field estimation of the biomechanical properties of grass.” Journal of Hydraulic Research, IAHR, Vol. 26, No. 5, pp. 559-568. https://doi.org/10.1080/00221688809499193
  20. Masterman, R., and Thorne, C.R. (1992). “Predicting influence of bank vegetation on channel capacity.” Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 118, No. 7, pp. 1052-1058. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1992)118:7(1052)
  21. Masterman, R., and Thorne, C.R. (1994). “Analytical approach to flow resistance in gravel-bed channels with vegetated banks.” Process models and theoretical geomorphology, M.J. Kirkby, ed., Wiley, Chichester, England, pp. 201-218.
  22. Stone, B.M., and Shen, H.T. (2002). “Hydraulic resistance of flow in channels with cylindrical roughness.” Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 128, No. 5, pp. 550-506. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2002)128:5(550)
  23. Wark, J.B., Samuels, P.G., and Ervine, D.A. (1990). “A practical method of estimation velocity and discharge in a compound channel.” International Conference on River Flood Hydraulics, W.R. White, ed., John Wiley and Sons, Inc., Chichester, England, pp. 163-172.

Cited by

  1. Development of Rating Curve for High Water Level in an Urban Stream using Monte Carlo Simulation vol.33, pp.4, 2013, https://doi.org/10.12652/Ksce.2013.33.4.1433