유량 (물리량)

2. 하천 유량의 정의 및 측정

하천의 유량을 산정하는 방법엔 소단면의 평균 유속을 산정한 뒤 총단면 유량을 산정하는 방법, 부자를 이용하는 방법, 희석법을 이용하는 방법, 초음파 유속계를 이용하는 방법, Manning 공식을 이용하는 방법, 위어를 이용하는 방법, 오리피스를 이용하는 방법이 있다.

유량은 단위 시간당 임의의 유체 흐름의 양을 측정하는 척도이다. 이 양은 부피 또는 질량일 수 있다. 강의 유량을 측정하려면 다른 방법이 필요하며 가장 일반적인 방법은 '면적-속도' 방법이다. 면적은 강을 가로지르는 단면적이고 해당 단면에서 단위 시간, 일반적으로 1분 동안의 평균 속도를 측정해야 한다. 단면적과 평균 속도 측정은 개념적으로는 간단하지만 결정하기가 어려운 경우가 많다.

하천 또는 강에서 유량을 나타내기 위해 일반적으로 사용되는 단위는 m³/s(초당 세제곱미터), ft³/s(초당 세제곱피트 또는 cfs) 및/또는 하루에 에이커-피트가 있다.^[2]

강의 유량을 측정하고 추정하는 데 일반적으로 적용되는 방법론은 연속 방정식의 단순화된 형태를 기반으로 한다. 이 방정식은 액체 물과 같은 비압축성 유체의 경우 유량(Q)이 하천의 단면적(A)과 평균 속도($\backslash bar\{u\}$)의 곱과 같다는 것을 의미하며 다음과 같이 작성된다.

:$Q=A\backslash ,\backslash bar\{u\}$

여기서

• $Q$는 유량([L³T⁻¹]; m³/s 또는 ft³/s)
• $A$는 흐름이 차지하는 채널 부분의 단면 면적([L²]; m² 또는 ft²)
• $\backslash bar\{u\}$는 평균 유속([LT⁻¹]; m/s 또는 ft/s)

하천 횡방향으로는 소단면으로 나눈 뒤에 각 소단면마다 평균유속을 구한다. i번째 소단면의 단면적을 A_i, i번째 소단면에서의 평균유속을 $\backslash overline\{V\_i\}$라 하면 i번째 소단면에서의 유량 Q_i는

:$Q\_i\; =\; A\_i\; \backslash overline\{V\_i\}$

이것을 다 합치면 총단면 유량 Q가 된다.

:$Q\; =\; \backslash sum\; Q\_i\; =\; \backslash sum\; A\_i\; \backslash overline\{V\_i\}$

하천의 폭에 따라 수심관측선과 유속관측선의 간격이 달라진다. 예를 들어 수면폭이 80-100m인 하천은 수심관측선은 5m마다, 유속관측선은 10m마다 하는 것으로 정한다.

소단면을 정하는 방법에는 중간단면적법(midsection method), 평균단면적법(mean section method)이 있다. 중간단면적법은 관측선이 소구간의 중앙에 있도록 하여 소구간을 분할하는 방법이다. 관측선에서의 평균 유속이 각 소단면에서의 평균유속이라고 가정하게 된다. 소단면 폭을 B로 나타내면 i 소단면의 유량은

:$Q\_i\; =\; A\_i\; \backslash overline\{V\_i\}\; =\; \backslash frac\{B\_\{i\; -\; 1\}\; +\; B\_i\}\{2\}\; D\_i\; \backslash overline\{V\_i\}$

평균단면적법은 두 관측선 사이 면적에 대한 평균유속을 두 관측선 유속의 산술평균으로 가정하는 방법이다. i 소단면의 유량은

:$Q\_i\; =\; A\_i\; \backslash overline\{V\_i\}\; =\; B\_i\; \backslash frac\{D\_i\; +\; D\_\{i+1\}\}\{2\}\; \backslash times\; \backslash frac\{V\_i\; +\; V\_\{i+1\}\}\{2\}$

=== 희석법 ===

희석법을 이용하여 하천의 유량을 산정할 수 있다.

=== Manning 공식 ===

하천의 횡단면을 알고 있는 경우 Manning 공식을 이용하면 간편하게 평균유속과 유량을 구할 수 있다.

=== 위어 및 오리피스 ===

위어나 오리피스를 이용하여 하천의 유량을 산정할 수 있다.^[2]

2. 1. 유량 측정 방법

• $Q$는 유량([L³T⁻¹]; m³/s 또는 ft³/s)
• $A$는 흐름이 차지하는 채널 부분의 단면 면적([L²]; m² 또는 ft²)
• $\backslash bar\{u\}$는 평균 유속([LT⁻¹]; m/s 또는 ft/s)

2. 1. 1. 소단면 평균 유속법

하천 횡방향으로는 소단면으로 나눈 뒤에 각 소단면마다 평균유속을 구한다. i번째 소단면의 단면적을 A_i, i번째 소단면에서의 평균유속을 $\backslash overline\{V\_i\}$라 하면 i번째 소단면에서의 유량 Q_i는

:$Q\_i\; =\; A\_i\; \backslash overline\{V\_i\}$

이것을 다 합치면 총단면 유량 Q가 된다.

:$Q\; =\; \backslash sum\; Q\_i\; =\; \backslash sum\; A\_i\; \backslash overline\{V\_i\}$

하천의 폭에 따라 수심관측선과 유속관측선의 간격이 달라진다. 예를 들어 수면폭이 80-100m인 하천은 수심관측선은 5m마다, 유속관측선은 10m마다 하는 것으로 정한다.

소단면을 정하는 방법에는 중간단면적법(midsection method), 평균단면적법(mean section method)이 있다. 중간단면적법은 관측선이 소구간의 중앙에 있도록 하여 소구간을 분할하는 방법이다. 관측선에서의 평균 유속이 각 소단면에서의 평균유속이라고 가정하게 된다. 소단면 폭을 B로 나타내면 i 소단면의 유량은

:$Q\_i\; =\; A\_i\; \backslash overline\{V\_i\}\; =\; \backslash frac\{B\_\{i\; -\; 1\}\; +\; B\_i\}\{2\}\; D\_i\; \backslash overline\{V\_i\}$

평균단면적법은 두 관측선 사이 면적에 대한 평균유속을 두 관측선 유속의 산술평균으로 가정하는 방법이다. i 소단면의 유량은

:$Q\_i\; =\; A\_i\; \backslash overline\{V\_i\}\; =\; B\_i\; \backslash frac\{D\_i\; +\; D\_\{i+1\}\}\{2\}\; \backslash times\; \backslash frac\{V\_i\; +\; V\_\{i+1\}\}\{2\}$

2. 1. 2. 희석법

• $Q$는 유량([L³T⁻¹]; m³/s 또는 ft³/s)

• $A$는 흐름이 차지하는 채널 부분의 단면 면적([L²]; m² 또는 ft²)

• $\backslash bar\{u\}$는 평균 유속([LT⁻¹]; m/s 또는 ft/s)

2. 1. 3. 초음파 유속계

2. 1. 4. Manning 공식

• $Q$는 유량([L³T⁻¹]; m³/s 또는 ft³/s)

• $A$는 흐름이 차지하는 채널 부분의 단면 면적([L²]; m² 또는 ft²)

• $\backslash bar\{u\}$는 평균 유속([LT⁻¹]; m/s 또는 ft/s)

2. 1. 5. 위어 및 오리피스

2. 2. 유량 측정의 어려움

2. 3. 수위-유량 관계 (Rating Curve)

4. 유역의 영향 (Catchment Effects)

특정 지점 위의 강의 유역은 해당 지점 위에서 강으로 흘러드는 모든 토지의 표면적에 의해 결정된다. 해당 지점에서의 강의 방류량은 유역 또는 배수 면적에 내린 강수량, 해당 지역으로의 지하수 유입 또는 유출, 댐 및 관개 시설과 같은 하천 개조, 해당 지역의 토지 및 식물 표면에서의 증발 및 증발산에 따라 달라진다. 폭풍 수문학에서 중요한 고려 사항은 하천의 방류량 수위곡선, 즉 강수 현상 이후 시간에 따른 방류량 변화 기록이다. 하천은 각 강수 현상 후에 최고 유량으로 증가한 다음 천천히 감수한다. 최고 유량은 또한 해당 현상 동안 도달한 최대 수위에 해당하므로 홍수 연구에서 중요하다. 강수 강도와 지속 시간과 하천 방류량의 관계를 분석하는 데에는 가상적인 "단위" 양과 지속 시간의 강우(예: 1시간 동안 0.5인치) 적용에 대한 시간 경과에 따른 하천 방류량의 반응을 나타내는 단위 수위곡선의 개념이 도움이 된다. 강수량은 그 후 강에서 유출되는 물의 양과 상관 관계가 있다(유역 면적에 따라). 단위 수위곡선 방법을 사용하면 실제 역사적 강우량을 수학적으로 모델링하여 과거 홍수의 특성을 확인하고, 관측된 하천 반응과 비교하기 위해 가상적인 "설계 폭풍"을 만들 수 있다.

특정 횡단면에서 하천의 방류량과 하천 수위의 관계는 유량 곡선으로 설명된다. 하천의 평균 유속과 횡단면적은 주어진 하천 수위에 대해 측정된다. 유속과 면적은 해당 수위에 대한 방류량을 제공한다. 여러 다른 수위에 대한 측정이 이루어진 후, 유량 표 또는 유량 곡선을 개발할 수 있다. 일단 평가되면, 하천의 수위를 측정하고 유량 곡선에서 해당 방류량을 결정하여 하천의 방류량을 결정할 수 있다. 연속적인 수위 기록 장치가 평가된 횡단면에 위치해 있으면, 하천의 방류량을 지속적으로 결정할 수 있다.

더 큰 유량(더 높은 방류량)은 더 큰 힘으로 인해 작은 유량보다 더 많은 퇴적물 운송 및 더 큰 입자를 하류로 퇴적물 할 수 있다. 더 큰 유량은 또한 하천 제방을 침식하고 공공 기반 시설을 손상시킬 수 있다.

G. H. 듀리와 M. J. 브래드쇼는 하천의 유량과 다른 변수들 간의 관계를 보여주는 모델을 고안한 두 명의 지리학자이다. 브래드쇼 모델은 자갈 크기 및 기타 변수가 발원지에서 하구로 어떻게 변하는지를 설명했고, 듀리는 유량과 하천 경사 및 마찰과 같은 변수 간의 관계를 고려했다. 이는 레오폴드, 울만, 밀러가 저술한 ''지형학에서의 하천 과정''^[3] 및 하천 유량 및 하상 퇴적물 공급에 영향을 미치는 토지 이용에 대한 아이디어에서 파생되었다.^[4]

4. 1. 유역 특성과 유량

특정 지점 위의 강의 유역은 해당 지점 위에서 강으로 흘러드는 모든 토지의 표면적에 의해 결정된다. 해당 지점에서의 강의 방류량은 유역 또는 배수 면적에 내린 강수량, 해당 지역으로의 지하수 유입 또는 유출, 댐 및 관개 시설과 같은 하천 개조, 해당 지역의 토지 및 식물 표면에서의 증발 및 증발산에 따라 달라진다. 폭풍 수문학에서 중요한 고려 사항은 하천의 방류량 수위곡선, 즉 강수 현상 이후 시간에 따른 방류량 변화 기록이다. 하천은 각 강수 현상 후에 최고 유량으로 증가한 다음 천천히 감수한다. 최고 유량은 또한 해당 현상 동안 도달한 최대 수위에 해당하므로 홍수 연구에서 중요하다. 강수 강도와 지속 시간과 하천 방류량의 관계를 분석하는 데에는 단위 수위곡선의 개념이 도움이 된다. 강수량은 그 후 강에서 유출되는 물의 양과 상관 관계가 있다(유역 면적에 따라).

특정 횡단면에서 하천의 방류량과 하천 수위의 관계는 유량 곡선으로 설명된다. 하천의 평균 유속과 횡단면적은 주어진 하천 수위에 대해 측정된다. 유속과 면적은 해당 수위에 대한 방류량을 제공한다. 여러 다른 수위에 대한 측정이 이루어진 후, 유량 표 또는 유량 곡선을 개발할 수 있다.

더 큰 유량은 더 큰 힘으로 인해 작은 유량보다 더 많은 퇴적물 운송 및 더 큰 입자를 하류로 퇴적물 할 수 있다. 또한 하천 제방을 침식하고 공공 기반 시설을 손상시킬 수 있다.

4. 2. 유량에 영향을 미치는 요인

특정 지점 위의 강의 유역은 해당 지점 위에서 강으로 흘러드는 모든 토지의 표면적에 의해 결정된다. 해당 지점에서의 강의 방류량은 유역 또는 배수 면적에 내린 강수량, 해당 지역으로의 지하수 유입 또는 유출, 댐 및 관개 시설과 같은 하천 개조, 해당 지역의 토지 및 식물 표면에서의 증발 및 증발산에 따라 달라진다.

폭풍 수문학에서 중요한 고려 사항은 하천의 방류량 수위곡선, 즉 강수 현상 이후 시간에 따른 방류량 변화 기록이다. 하천은 각 강수 현상 후에 최고 유량으로 증가한 다음 천천히 감수한다. 최고 유량은 또한 해당 현상 동안 도달한 최대 수위에 해당하므로 홍수 연구에서 중요하다. 강수 강도와 지속 시간과 하천 방류량의 관계를 분석하는 데에는 단위 수위곡선의 개념이 도움이 된다. 단위 수위곡선은 가상적인 "단위" 양과 지속 시간의 강우 적용에 대한 시간 경과에 따른 하천 방류량의 반응을 나타낸다. 강수량은 그 후 강에서 유출되는 물의 양과 상관 관계가 있다(유역 면적에 따라). 단위 수위곡선 방법을 사용하면 실제 역사적 강우량을 수학적으로 모델링하여 과거 홍수의 특성을 확인하고, 관측된 하천 반응과 비교하기 위해 가상적인 "설계 폭풍"을 만들 수 있다.

특정 횡단면에서 하천의 방류량과 하천 수위의 관계는 유량 곡선으로 설명된다. 하천의 평균 유속과 횡단면적은 주어진 하천 수위에 대해 측정된다. 유속과 면적은 해당 수위에 대한 방류량을 제공한다. 여러 다른 수위에 대한 측정이 이루어진 후, 유량 표 또는 유량 곡선을 개발할 수 있다. 일단 평가되면, 하천의 수위를 측정하고 유량 곡선에서 해당 방류량을 결정하여 하천의 방류량을 결정할 수 있다. 연속적인 수위 기록 장치가 평가된 횡단면에 위치해 있으면, 하천의 방류량을 지속적으로 결정할 수 있다.

더 큰 유량은 더 큰 힘으로 인해 작은 유량보다 더 많은 퇴적물 운송 및 더 큰 입자를 하류로 퇴적물 할 수 있다. 또한 하천 제방을 침식하고 공공 기반 시설을 손상시킬 수 있다.

4. 3. 하천 형태에 미치는 영향

G. H. 듀리와 M. J. 브래드쇼는 하천의 유량과 다른 변수들 간의 관계를 보여주는 모델을 고안한 두 명의 지리학자이다. 브래드쇼 모델은 자갈 크기 및 기타 변수가 발원지에서 하구로 어떻게 변하는지를 설명했고, 듀리는 유량과 하천 경사 및 마찰과 같은 변수 간의 관계를 고려했다. 이는 레오폴드, 울만, 밀러가 저술한 ''지형학에서의 하천 과정''^[3] 및 하천 유량 및 하상 퇴적물 공급에 영향을 미치는 토지 이용에 대한 아이디어에서 파생되었다.^[4]

5. 유입 (Inflow)

유입은 수문 순환 내에서 수체의 수위를 증가시키는 과정의 합이다.^[5]

대부분의 강수는 바다와 같은 수체 위에서 직접적으로 발생하거나, 육상에서 지표면 유출로 발생한다.^[6] 유출수의 일부는 하천과 강으로 유입되고, 다른 일부는 지하수 침투로 땅 속으로 스며든다.^[7] 나머지는 침투로 땅 속으로 스며들고, 그 중 일부는 대수층을 보충하기 위해 땅 속 깊숙이 침투한다.^[8]

5. 1. 유입 과정

유입은 수문 순환 내에서 수체의 수위를 증가시키는 과정의 합이다.^[5]

대부분의 강수는 바다와 같은 수체 위에서 직접적으로 발생하거나, 육상에서 지표면 유출로 발생한다.^[6] 유출수의 일부는 하천과 강으로 유입되고, 다른 일부는 지하수 침투로 땅 속으로 스며든다.^[7] 나머지는 침투로 땅 속으로 스며들고, 그 중 일부는 대수층을 보충하기 위해 땅 속 깊숙이 침투한다.^[8]

5. 2. 물 순환과의 관계

유입은 수문 순환 내에서 수체의 수위를 증가시키는 과정의 합이다.^[5] 대부분의 강수는 바다와 같은 수체 위에서 직접적으로 발생하거나, 육상에서 지표면 유출로 발생한다.^[6] 유출수의 일부는 하천과 강으로 유입되고, 다른 일부는 지하수 침투로 땅 속으로 스며든다.^[7] 나머지는 침투로 땅 속으로 스며들고, 그 중 일부는 대수층을 보충하기 위해 땅 속 깊숙이 침투한다.^[8]