수리학 및 수문학_20 수문학 일반, 21 강수, 22 증발산과 침투, 23 유출과 수문 곡선

20 수문학 일반

1. 물의 순환

(1) 물의 순환과정 8가지 : 증발, 강수, 차단, 증산, 침투, 침루, 저류, 유출

(2) 물의 순환 : 강수량(P) ⇌ 유출량(R) + 증발산량(E) + 침투량(C) +저류량(S)

(3) 저류량 방정식 : E = P + I ± U - O ± S

E : 증발산량

P : 총강수량

I : 지표수 유입량

U : 지하 유,출입량

O : 지표수 유출량

S : 지표 및 지하 저류량의 변화량

 

2. 수문기상

(1) 우리나라에 편서풍이 불고 열대지방에 무역풍이 부는 것은 대기권 내의 열순환에 의하여 지구의 대기순환이 일어나기 때문이다. 

(2) DAD 해석이란 최대우량깊이 - 유역면적 - 지속시간 사이의 관계를 분석하는 작업이다. 

(3) 증발량은 증발접시에 의해 24시간 증발된 물의 깊이로 측정한다. 

(4) 물의 순환은 지구상의 식물의 영향을 크게 받는다. 

지구상에 존재하는 수자원이 대기권을 통해 지표면에 공급되고, 지하로 침투하여 지하수를 형성하는 등 복잡한 반복과정이다. 

지표면 또는 바다로부터 증발된 물이 강수, 침투 및 침루, 유출 등의 과정을 거치는 물의 이동현상이다. 

물의 순환과정 중 강수 증발 및 증산은 수문기상학 분야이다. 

 

3. 수문기상의 성질

(1) 기상인자의 기온

정상기온 : 특정 일, 월, 계절 또는 년에 대한 최근 30년간의 평균치

월평균기온 : 해당 월의 월평균기온 중 최고 및 최저기온을 산술평균한 기온

정상일평균기온 : 특정일의 30년간의 평균기온을 평균한 기온

정상월평균기온 : 특정 월에 대한 장기간 동안의 월평균기온을 산술평균한 온도

연평균기온 : 해당 년의 월평균 기온을 평균한 기온

 

(2) 기상인자의 습도  

포화증기압 : 공기가 수증기로 포화되어 있을 때의 압력

이슬점 : 일정한 압력과 수증기를 유지하면서 공기를 냉각시켰을 때 그 공간이 포화상태로 되는 온도

상대습도 : h=(e/es)*100

e : 실제 증기압

es : 포화증기압

 

21 강수

1. 강수 결측 자료의 보완

(1) 단순비례법 : 인근에 관측점이 1개뿐일 때 사용

(2) 산술평균법 : 년강수량의 30년 이상의 평균값과 기록이 결측 지점의 값과 차이가 10%이내일 때는 3개의 값을 산술평균하여 사용

(3) 정상연강수량 비율법 : 3개의 관측점 중에 1개라도 강수량의 차가 10% 이상 될 경우, 강수현상이 산악의 영향을 많이 받는 지역에서 효과적이다. 

Px = (Nx/3)(Pa/Na + Pb/Nb + Pc/Nc)

Nx : 결측점의 연간 평균강수량(mm)

 

2. 유역의 평균강우량 산정

(1) 산술평균법 : 평야지역의 강우분포가 균일하며 유역면적이 500km² 미만인 지역에 사용한다. 

(2) Thiessen의 가중법 : 우량계의 분포상태를 고려한 방법으로 산악효과가 비교적 적은 유역면적 500~5000km²의 범위에 사용한다. 

Pm = (A₁P₁+A₂P₂+⋯+AnPn)/A = ∑AiPi/∑A

(3) 등우선법 : 지역특성(산악영향)을 고려한 방법으로 강우에 대한 산악의 영향을 고려한 유역면적 5000km² 이상의 지역에 사용한다. 

 

3. 강우자료의 일관성 검증

(1) 누가우량곡선(rainfall mass curve) : 자기우량계에 의하여 기록지에 누가우량이 시간적 변화상태를 기록한 것이므로 강우가 클수록 곡선의 경사가 커진다. 

(2) 이중누가 우량곡선(double mass curve) : 우량계의 위치, 노출상태, 우량계의 형상, 관측방법 및 주위환경에 변화가 생겼을 경우에는 이들 변화 요소가 자료에 직접적인 영향을 주기 때문에 전반적인 자료의 일관성이 없어지며 무의미한 기록치가 될 수가 있기 때문에 이 자료의 일관성을 검증하기 위한 방법이다. 

 

4. DAD 해석

(1) 유역별로 최대평균우량깊이-유역면적-지속기간의 관계를 수립하는 작업을 말한다. 

(2) DAD 곡선 작성시 대수눈금으로 되어 있는 횡좌표에 유역면적을 표시하고, 산술 눈금으로 되어 있는 종좌표에 최대평균우량을 표시한다. 

(3) 면적이 증가할수록 최대평균우량은 적어진다. 

(4) 지속시간이 커질수록 최대평균우량은 증가한다. 

 

22 증발산과 침투 

1. 증발산

(1) 증발량 = 총강수량(P) + 지표유입량(I) ± 지하유출입량(u) - 지표유출량(O) ± 유역내 저수량(S)

(2) Dalton 법칙에서 증발량은 증기압과 풍속의 함수이다. 

(3) 증발산량 = 증발량 + 증산량

일증발량 = 증발률 * 수표면적

(4) 소비수량 : 식생으로 피복된 지면으로부터의 증발량과 증산량을 말하며, 하천, 호수면에서의 증발량은 제외하며 증발산량과 같은 의미이다. 

(5) 증발접시계수 = 저수지의 증발량/접시의 증발량

 

2. 침투능

(1) 침투능에 영향을 주는 요소

토양의 종류

지면 보유수의 깊이와 포화층의 두께

토양의 함유수분

토양의 다짐정도

식생피복

토양의 동결과 기온

 

(2) 침투(infilitration) : 물이 토양면을 통해 토양 속으로 스며드는 현상

 

3. 침투능 측정방법

(1) 토양의 침투능 결정방법

침투계에 의한 방법

경험공식에 의한 방법(Horton 공식, Philip 공식)

침투지수에 의한 방법(∅-index법, W-index법)

 

(2) ∅-index법 : 우량주상도에서 강우강도의 시간에 따른 변화를 총강우량과 손실량으로 구분하는 수평선의 크기로 강우강도를 나타낸다. 

총 강우량 = 유출량 + 침투량

침투량 = 총강우량 - 유출량

∅-index = 총침투량/침투시간

 

(3) W-index법 : 강우강도가 침투능보다 큰 호우기간 동안의 평균침투율이다. 

 

(4) SCS 방법 : 미토양 보존국(SCS)에 의해 고안된  방법으로 유역의 특성 없이 유출량 자료 없이도 유역의 모양 특성과 식생 피복상태 등에 대한 상세한 자료만으로도 초기 강우량을 산정할 수 있다. 

 

23 유출과 수문 곡선

1. 유출의 지배인자

(1) 지상학적 인자

유역특성(유역면적, 유역의 경사, 유역의 방향성, 유역의 고도, 유역의 형상)

유로 특성

(2) 기후학적 인자 : 강수, 차단. 증발 및 증산

(3) 유효강우량

직접유출의 근원이 되는 강수를 말한다. 

유효강수량 = 초과강수량 + 조기 지표하 유출량

(4) 유출계수 C = 하천 유량(Q)/강수량(P)

(5) 최대홍수량 = 비유량(q₀) * 면적(A)

(6) 강수와 유출의 관계

 

2. 수위-유량 관계곡선의 연장방법

(1) 전대수지법 : 수위에 해당하는 유량을 가정하는 방법 Q = a(g-z)²

(2) Stevens법 : Chezy의 평균 유속 공식을 이용하여 어떤 단면을 통과하는 유량을 연속방정식에 의하여 구한다. Q = CA√RI

(3) Manning 공식에 의한 방법 Q = A(1/n)R^(2/3)I^(1/2)

 

3. 단위 유량도 unit hydrograph의 가정

(1) 일정 기저시간 가정 : 동일 유역에서 균일한 강도로 강우가 발생한 경우 지속 기간은 같으나 강도가 다른 각종 강우로 인한 유출량은 그 크기가 다를지라도 유하기간을 동일하다. 

(2) 비례가정 : 동일 유역에서 균일한 강도로 강우가 발생한 경우 동일 지속기간을 가진 각종 강도의 강우량으로부터 결과되는 직접유출 수문곡선의 종거는 임의의 시간에 있어서 강우강도에 직접 비례한다. 

(3) 중첩가정 : 일정기간 동안 균일한 강도를 가진 일련의 유효강우량에 의한 총유출은 각 기간의 유효강우량에 의한 각 유출량을 합산한 것과 동일하다. 

 

4. 합성단위 유량도 

(1) Snyder 방법 : 단위도의 기저폭, 첨두유량, 유역의 지체시간 등 매개변수로서 단위도를 정의하는 방법

(2) SCS방법 : 미토양 보존국(SCS)에 의해 고안된  방법으로 유역의 특성 없이 유출량 자료 없이도 유역의 모양 특성과 식생 피복상태 등에 대한 상세한 자료만으로도 초기 강우량을 산정할 수 있다. 

(3) Nakayasu의 합성단위도, Clark의 합성단위도