토목기사 요약/수리수문학/강우 유출

출제 기준

2019-2021

주요 이론
- 지표수 및 지하수 유출
- 단위 유량도
- 홍수추적
- 수문통계 및 빈도
- 도시 수문학

응용 및 설계
- 수문모형
- 수문조사 및 설계

유출 구성

19-1

유출 : 강수 일부분이 지표상의 각종 수로에 도달해서 하천수를 형성하는 것

이재수 <<수문학>> 2판의 설명 정리

지표면유출(surface runoff) : 지표면을 흐른 물이 하천, 수로를 통해 유역 출구에 도달하는 것.
- 지표류(overland flow) : 하천 도달 전 지표면 위의 유출
- 하천유출(streamflow) : 지표류가 아닌 하천의 유출
- 총유출(total runoff) : 지표류가 하천으로 유입되면 다른 유출성분과 합류해서 총유출 생성.
지표하유출(중간유출, subsurface runoff) : 강수가 지표토층에 침투한 뒤 토양 상부층(지하수위보다 높은 층에서 흐름.)에서 횡방향으로 이동하는 유출. 일부는 하천으로 장기간에 걸쳐 들어갈수도 있음.
지하수유출(groundwater runoff) : 지표토층을 통과한 물이 더 깊은 곳으로 침루. 지하수를 형성하는 유출의 일부분. 나중엔 하천, 바다로 흘러들어감.

만약 실무적 목적으로 유출해석을 하면 총유출은(97)

직접유출(direct runoff) : 강우나 강수 이후 비교적 단시간에 하천으로 흘러들어가는 유출. 유효강우와 관계있다.(유효강우 = 초과강우량 + 조기 지표하유출)(effective rainfall) (13-3, 14-2, 16-4, 18-2, 18-3) ♣♣♣
- 조기지표하유출(prompt subsurface runoff)
- 수로상 강수(channel precipitation) : 하천 유로 위에 직접 떨어지는 강수. 양 적음.
기저유출(base flow) : 비가 오기 전 유출(dry weather runoff)
- 지하수 유출(ground water runoff) : 지하수에 도달한 강수의 유출
- 지체(지연)지표하 유출(delayed(retard) subsurface runoff) : 지표에 가까운 상부 토층을 통해 장시간에 걸쳐 하천으로 일어나는 유출

손실량에 해당하는 것 : 차단, 증발, 증산, 지면 저류 등(96)

참고 서적

이재수. 《수문학》 2판. 구미서관.
임진근 외 (2015). 《토목기사 필기 수리수문학》. 성안당.

유출률 : 지표유출 / 총 강우량 [m³/s] (91)
유출계수 C = 하천유량 R / 강수량 P (02, 19-1) 즉 강우량×유출계수 = 유출량!!

수문곡선

단순 수문곡선 분리법

19-3

N day 법
수평직선 분리법
지하수 감수곡선법

수위-유량 관계곡선

= rating curve(94)

곡선 예시 - 원주시(원주교) 수위관측소 수위유량 관계곡선도

자연하천에서 수위-유량 관계곡선은 loop형이다. 이유는?(01, 15-1)
- 배수 및 저하 효과
- 홍수 시 수위 급변화
- 하도의 인공적 변화
- 하도 내 초목 및 얼음 효과
어떤 하천 단면에서 유출량의 시간적 분포를 나타내는 홍수 수문곡선을 작성하는 일반적 방법은? 수위-유량 곡선을 이용, 수위를 유량으로 환산하여 작성(00)

연장방법

12-3, 15-2

전 대수지법
Stevens 방법 : Chezy 유속공식을 이용.(92, 98)
Manning 공식에 의한 방법

단위유량도

13-2

특정 단위 시간동안(1시간 아님(16-2)) 균일한 유역 전반에 걸쳐 균등하게 내린 단위 유효 우량(unit effective rainfall)으로 인하여 발생하는 직접 유출의 수문곡선을 말함. 기저 유출은 포함하지 않음.(12-3, 19-1)

단위도 아래 면적은 부피의 차원^[1](16-2)

기본가정에 충실한 호우사상 선별 조건 ♣♣♣14-3

단순 호우사상 선정
지속기간 중 강우강도 일정
지속시간이 짧은 호우를 택하여 해석
유역 전반에 걸쳐 균등한 강우 분포 : 가능한 한 배수면적이 작은 유역에 단위도법 적용.

00, 12-3, 14-3, 18-3

3 가정 : 일정 기저 시간, 비례 가정, 중첩 가정.
- 일정 기저 시간 가정(principle of equal base time) : 유역 특성의 시간적 불변성. 동일 유역에 균일 강도로 비가 내린 경우 지속시간은 같으나 강도가 다른 각종 강우로 인한 유출량은 크기가 다를지라도 유하기간은 동일.
- 비례 가정(principle of proportionality) : 유역의 선형성. 동일 유역에 균일 강도로 비가 내릴 경우 동일 지속 시간을 가진 각종 강도의 강우로부터 결과되는 직접 유출 수문 곡선의 종거는 임의 시간에 있어 강우 강도에 직접 비례
- 중첩 가정(principle of superposition) : 일정 기간동안 균일한 강도를 가진 일련의 유효강우량에 의한 총유출은 각 기간의 유효 강우량에 의한 개개 유출량의 산술적 합과 같음.
S-curve를 이용해 단위도의 단위시간을 변경 가능.
단위유량도 작성에 있어 긴 강우기간을 가진 단위도로부터 짧은 강우 기간을 가진 단위도로 변환하기 위해 사용하는 방법 : 단위도의 비례 가정법(94)

일정 기저 시간 가정
중첩 가정, 비례가정(같은 강우지속기간(왼쪽 위에서 동일한 D)에 대해 유출량의 종거는 강우강도(a/D, b/D)에 비례)

13-1

10mm 단위도 종거가 0, 20, 8, 3, 0 m³/s이고 유효 강우량이 20, 10mm일 때 첨두유량(m³/s)은? 단위 시간은 2시간이다.

$Q=2\times 20m^{3}/s=40m^{3}/s$

합성 단위도

종류 묻는 문제 13-1, 19-2

유량 기록이 없는 경우 다른 유역의 자료를 토대로 단위도를 합성하여 미계측 지점의 근삿값으로 사용.(유역 면적 필요(93, 15-3))

Snyder 방법에서 합성 단위도를 결정하는 인자 : 기저 시간, 첨두 유량, 지체 시간(03)
SCS 방법 : 유출량 자료가 없는 경우 사용. 무차원 수문 곡선(dimensionless hydrograph)으로 실제의 단위도를 해석하여 얻은 것이므로 유역 특성에 관계없이 적용할 수 있는 장점이 있다.
Clark의 유역 추적법 : 유역 홍수추적법이란 하천 유역을 일련의 저수지 또는 저수지와 하도로 구성되어 있다고 가정하고 개개 저수지를 통해 저류 방정식을 풀이하는 홍수추적의 하나로써, 순간 단위도를 유도한 후 이를 적용하여 특정 호우로 인해 발생하는 홍수 유출 수문곡선을 유도하거나 저수지로의 유입량을 직접 계산, 저류 방정식에 입력하여 유출량을 계산하는 방법.
Nakayasu의 종합 단위도법

유량 빈도 곡선

92, 98, 12-3

유량 빈도 곡선 기울기가 급하면 홍수 빈번.

합리식

♣♣♣92, 96, 00, 10, 13-2, 14-2, 18-2 / 상하수도 11, 12, 14-2, 17-1

$Q=CIA$

단위 m³/s로 통일!

총괄(평균) 유출 계수 (02)

${\bar {C}}={\frac {\sum _{i=1}^{n}(A_{i}C_{i})}{\sum _{i=1}^{n}A_{i}}}$

A_i는 토지 이용도별 면적, C_i는 토지 이용도별 유출계수

유달 시간

하수도 13-2, 17-1

$T=t_{1}+t_{2}=t_{1}+{\frac {L}{v}}$

L : 하수관 길이
v : 관내 평균 유속

유달시간 T가 강우지속시간 t보다 적을 때 전유역 강우에 의한 유출이 하수관 관측지점을 통과.(하수도 00)
강우 지속시간은 도달시간과 같다고 본다.

예제

C, A가 주어져 있다. $I=50mm/hr$ 로 5분간 내렸다. 우수거를 통한 도달시간은 5분, 지표흐름으로 우수거까지 수직으로 도달하는 시간은 15분일 때 첨두유량은?

강우강도와 도달시간을 어떻게 처리할지 몰랐음.

도달시간은 20분 = 1/3 시간.

합리식에 넣을 때 $I=50mm/hr\times {\frac {1}{3}}$ 로 대입해주고 단위 맞춰주면 됨.

설계 홍수량 계산에서 합리식의 적용(01, 03)

합리식은 일정 강우가 도달 시간보다 긴 시간동안 지속될 때 적용
유량이 점차 증가되어 평형상태일 때 유출량을 말함
하수도 설계 등 소유역에만 적용 가능.(1km² 이내(90))

확률유량은 확률강우량을 사용해 구한다.(92, 99)

NRCS 유효우량 산정(SCS 방법)

유출량 자료가 없는 경우 유역의 토양 특성과 식생 피복 상태 등에 대한 상세한 자료만으로도 총우량으로부터 초과 강우량을 산정할 수 있는 방법은? SCS 방법(96)
투수성 지역 유출곡선지수(CN)가 불투수성 지역 유출곡선지수보다 작음.(16-4)
참고 : 유출수문곡선#NRCS 유효우량 산정

기타

자연 하천에서 대부분 동일 수위에 대한 수위 상승, 하강 시 유량이 다름.(92, 98)
차원 문제(93, 97)
- 강우강도(mm/hr)
- 증발률(mm/day)
- 침투율(mm/s)
- 유출율(m³/s)
홍수량 = 유역면적 × 비유량 (02)
수문분석기법(01)
- 확정론적 기법 : 사상의 입, 출력 관계가 확정적인 법칙을 따른다.
- 확률론적 기법 : 관측된 자료 집단의 확률 통계학적 특성만을 고려한다.
- 추계학적 기법 : 관측 기록의 통계학적 특성을 유지하면서 보다 장기적인 자료를 인위적으로 해석할 수 있는 확률 통계학적 방법이다.
- 빈도 해석 기법 : 강우, 홍수량, 갈수량 등의 재현기간(생기빈도)을 확률적으로 예측하는 방법.

각주

↑ 이재수. 《수문학》 2판. 구미서관. 340쪽.

[1] 이재수. 《수문학》 2판. 구미서관. 340쪽.

[1]