A Study on the Variation of Roughness Coefficient According to the Flow Rate through Hydraulic Experiment and Numerical Simulation

수리 실험과 수치 모의를 통한 유량 규모에 따른 조도계수의 변화에 관한 연구

하천의 조도계수는 흐름에 대한 하도의 저항 정도를 표시하는 지표로서, 하천의 다양한 수리 계산을 실시할 때 가장 중요한 기본 자료 중 하나이다. 이러한 조도계수는 하도의 형상, 하상 재료, 유량의 크기 등에 의해 영향을 받는다. 본 연구에서는 하천의 유량 규모에 따른 조도계수의 변화 정도를 수리 실험과 수치 모의를 통해 간접적으로 검토하였다. 유량 조건별 수리 실험은 한국건설기술연구원의 하천실험센터 내 직선 수로에서 수행하였고, 수치 모의는 HEC-RAS를 이용하였다. 유량 조건은 하천실험센터의 펌프 가동의 정도를 고려하여 5개로 구분하였고, 각각의 유량 조건에 대하여 유량을 실측하였다. 실측에 따른 유량의 규모는 $0.23{\sim}1.91m^3/s$로 나타났다. 각각의 유량 조건에 대하여 수치 모의의 검증을 위해 6개 지점에서 수위표와 초음파 수위계를 이용하여 수위를 계측하였고, 이 가운데 최하류 지점의 수위는 HEC-RAS 모형의 하류단 경계조건으로 이용하였다. 실험 하도 구간의 총 연장은 372 m 이고, 횡단구조물이 없는 지점을 제외하면 대부분 20 m 간격으로 총 21개의 하천 단면을 입력하여 HEC-RAS를 구성하였다. 각각의 유량 조건에 대한 수치 모의 모형은 5개 수위 계측 지점의 수위 오차가 최소화되도록 조도계수를 변화시켜 보정되었다. 그 결과, 각각의 유량 조건에 대한 수치 모의 결과의 평균 오차는 0.01~0.02 m로 계산치와 관측치가 매우 근사하였다. 결정된 조도계수는 0.041~0.075의 범위를 가지는 것으로 분석되었고, 유량의 증가에 따라 큰 폭으로 감소하다가 특정한 값에 수렴하는 것으로 검토되었다.