1. 서론
최근 국내에서 발생한 강우는 2016년 9월 태풍 차바 및 2017년 7월 청주 집중호우 사례에서도 알 수 있듯이 강도가 더욱 강해지고 국부지역에 집중하는 특성을 보이고 있다. 다행스럽게도 이들 피해지역에서는 강우특성이 반영된 유출, 침투, 저류 그리고 토양손실 관련 영향인자를 수집하는 것이 가능해 홍수피해저감대책의 적정성 검토나 개선방안을 마련하는 것이 가능하다. 그러나 다른 도시지역에서 이러한 강우특성을 반영한 저감대책을 마련하기 위해서는 최대 500년을 기다려야 할지도 모른다. 왜냐하면, 자연강우 하에서만 이들 영향인자를 수집한다면 너무 많은 시간이 소요되기 때문이다(Meyer, 1988). 그런데 강우발생장치를 사용하여 최근의 국내 강우특성과 유사한 강우를 재현할 수만 있다면, 오랜 시간을 기다리지 않고도 도시홍수 실험연구를 수행할 수 있을 것이다.
강우특성을 처음으로 연구한 사람은 Laws(1941)로서 그는 강우발생장치의 높이에 따른 입자크기 및 하강속도의 변화 양상을 연구하였다. 이후 Laws and Parsons(1943)는 강우발생장치 실험을 통해 강우강도와 입경분포 간의 상관관계를 규명하기도 하였다. 자연강우와 유사한 특성을 갖는 강우발생장치는 Ellison and Pomerene(1944)에 이르러서야 처음으로 개발되었다. 이 장치는 127~356 mm/h 강우강도를 재현하는 것이 가능했으나, 강우발생장치의 높이가 낮아 발생강우가 종단속도에 이르지는 못한 것으로 나타났다(Adams et al., 1957). 이후 Epstein and Grant(1966)는 1.3 m 직경을 갖는 물방울 형태(Drop Forming)의 강우발생장치를 7.6 m 높이에 설치하고 바닥면에 토양판을 설치하여 강우의 입경분포, 종단속도 등을 측정하였다. 이후에도 다양한 형태의 강우발생장치가 개발되었지만 강우발생장치는 자연강우 특성을 정확하게 재현하는데 한계가 있다(Meyer, 1988; Wollmer, 1994; Foster et al., 2000).
비록 강우발생장치가 자연강우 특성을 정확하게 재현하는데 한계가 있다고 하더라도 도시홍수 실험연구에 있어서 강우발생장치는 매우 중요하다. Dunkeley(2008)과 Lascelles et al. (2000)는 강우발생장치가 원하는 강우사상의 특성을 재현하는데 유용한 도구라고 밝혔다. 강우발생장치는 자연강우와 다르게 언제든지 강우 발생이 가능한 장점 때문에 그 효용성이 높고, 강우강도 및 강우분포의 조절이 가능해 Table 1에 제시된 것과 같이 강우-유출 해석, 유사이동 특성분석, 화학물질이나 오염물질 침투, 자연재해저감 연구, 극한 강우 분석 등과 같은 실험연구를 위해 개발⋅사용되어져 왔다.
Table 1
The Main Features of the Reviewed Rainfall Simulators and the Types of the Experimental Researches
본 연구에서는 인명 및 재산 피해를 최소화하기 위한 도시홍수 및 지반재난 실험동을 건설하고 도시홍수실험동에 최대 250 mm/h의 강우강도를 재현할 수 있는 길이 30 m, 폭 30 m 그리고 높이 12 m 규모의 대형 강우발생장치를 개발하였다. 개발된 강우발생장치는 자연강우와 유사한 특성을 갖는 대규모 회전노즐 형태의 강우발생장치로써 강우강도와 분포를 펌프압력, 노즐 회전속도, 지체시간 등으로 조절하며, 이들 모두는 강우발생장치와 함께 개발된 자동제어장치로 자동 조절된다. 자동제어장치는 프로그램으로도 제어가 가능한데, 과거 태풍이나 집중호우 등 특정한 강우사상을 미리 프로그램화 해두면, 모형실험 시 이들 강우를 자동으로 재현하는 것이 가능하다.
본 연구에서는 개발된 강우발생장치의 강우특성을 분석하기 위하여 유입압력, 강우노즐의 회전속도, 분사 지연시간의 세 가지 인자를 변화시켜 가면서 강우강도, 강우의 공간적 분포(등분포성)를 측정한다. 더불어 강우의 시⋅공간적 분포 재현가능성과 재현범위를 분석하고 마지막으로 강우의 공간적 균질성을 분석한다. 분석결과 본 연구에서 개발된 강우발생장치는 자연 상태와 유사한 강우를 재현하는 것으로 나타나 향후 강우-유출 해석, 유사이동 특성분석, 화학물질이나 오염물질 침투, 자연재해 이해, 극한 강우 분석 등의 연구에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
2. 강우발생장치 개발
자연 상태의 강우는 강우강도에 따라 강우의 공간적 분포와 입경분포가 달라지며, 이때 종단속도는 입경에 따라 달라진다(Hall, 1970; Mech, 1965). 강우발생장치에서 강우강도를 조절하는 방법은 강우의 공간밀도를 조절하는 방법과 수압을 이용하여 강우량을 조절하는 방법이 있다(Mutchler and Moldenhauer, 1963; Mutchler and Hermsmeier, 1965). 일반적으로 강우발생장치는 배관을 일정하게 배치하거나 크기가 같은 구멍을 일정하게 배치하여 동일한 크기의 물방울을 고르게 강수하는 물방울 형태의 강우발생장치(Foster et al., 2000; Fernandez-Galvez et al., 2008)와 압력 노즐(Nozzle)을 통해 분사하는 강우발생장치(Grierson and Oades, 1977; Moore et al., 1983; Esteves et al., 2000)의 두 가지 형태로 구분할 수 있다.
Drop Forming 강우발생장치는 등분포로 분포된 구멍을 통해 강우를 발생하는 장치로 구멍 크기와 상류부에 위치한 탱크수압으로 강우강도를 결정한다. 이 장치의 장점은 공간적으로 일정한 크기를 갖는 등분포 강우를 발생하는 것이 용이하고, 이동이 편리하며 물을 낭비 없이 효율적으로 사용한다는 것이다. 그럼에도 불구하고 이러한 장치는 강우입경이나 분포를 변경하는 것이 어렵고 강우속도 또한 탱크의 높이에 제한받기 때문에 작은 규모의 실험에 한정될 수밖에 없다. 반면 압력 노즐형태의 강우발생장치는 노즐 구멍을 통해 강우를 분사하는 것으로 Drop Forming 강우발생장치에 비해 빠른 강우속도의 강우를 재현하는 것이 가능하다. 이 장치는 큰 강우강도 및 이론적으로 가능한 강우입도 분포를 발생하는 것이 가능하여 폭우의 영향을 유사하게 재현할 수 있는 장점이 있다.
본 연구에서는 노즐형태의 강우발생장치를 개발하였는데, 일정한 강우강도와 분포를 재현하기 위하여 노즐 하단부에 사각형 형태의 강우조절케이스(Fig. 1(a))를 설치하였다. 노즐은 부채꼴 형태로 균일하게 분사되는 KJ-V 타입의 노즐(Fig. 1(b))을 사용하였으며, 연결부에는 모터를 설치하여 노즐이 좌우로 회전(Fig. 1(c))할 수 있도록 장치를 개발하였다.
노즐형태의 강우장치를 개발하는데 있어 고려해야할 점은 강우의 공간적 밀도를 결정하는 것으로써 i) 일정한 압력 조건하에서 강우의 공간적 분포를 줄이면서 강우강도를 증가할 수 있어야 한다. 이를 위하여 본 연구에서는 강우조절케이스를 설치함으로써 부채꼴 형태로 분사된 강우의 가장자리 부분은 차단하고 가운데 부분만 통과하도록 함으로써 강우강도가 증가하더라도 강우의 공간적 분포가 균일하게 유지되도록 하였다. 더불어 ii) 공간적으로 일정한 강우분포가 생성되도록 하여야 하는데, 본 연구에서는 인접노즐에서 분사된 강우의 간섭을 최소화하도록 종⋅횡방향으로 각각 2.5 m 간격을 두어 총 144개의 강우조절케이스를 설치하였다. 각 조절케이스 내의 강우분포가 일정하도록 각 케이스마다 2개씩 288개의 노즐(Fig. 1(d))을 설치하여 강우를 실제 강우형태와 유사하게 묘사하고 강우실험의 결과에 대한 일관성 및 신뢰성을 제고하고자 하였다. 이러한 케이스 형태의 강우는 대규모 강우발생장치에서 처음으로 시도되었다. 또한 iii) 강우 입경 분포를 조절하는 것이 가능해야 하는데, 본 연구에서는 노즐을 교체함으로써 강우입경크기를 변경할 수 있도록 장치를 개발하였다. 이와 함께 iv) 유입유량을 일정하게 유지할 수 있어야 하는데 본 연구에서는 일정수위가 유지되는 고수조를 설치하고 대형압력펌프를 연결하여 고수조로부터 강우발생장치까지 유량이 일정하게 제공되도록 하였다. 마지막으로 노즐형태의 강우장치는 v) 입도별 종단속도가 유지되는 높이를 가져야 하는데 본 연구에서는 강우발생장비의 높이를 12 m로 개발함으로써 발생강우 입도별 종단속도가 충분히 유지되도록 하였다.
3. 실험방법 및 조건
본 연구에서는 개발된 강우발생장치의 검정을 위하여 목표 강우강도의 재현성과 강우분포의 공간적 등분포성을 검토하였다. 강우발생장치에 있어 강우강도(I)에 영향을 미치는 주요 변수로는 유입 펌프압력(P), 노즐 회전속도(V), 강우 지체시간(D)이며, 이밖에도 노즐의 형태와 위치에 따른 급수배관의 마찰손실 등이 영향을 미칠 수 있으나, 본 연구에서는 마찰손실은 무시할만하다고 가정하고 실험조건에서 제외하였다. 강우발생장치의 강우강도 재현성 검증을 위하여 강우강도에 영향을 미치는 주요변수를 Table 2와 같이 다양하게 변화시켜 가면서 실험을 수행하였다.
Table 2
Experimental Conditions of the Rainfall Intensity
| P (kg/cm2) | V (1/160 RPM) | D (sec) |
|---|---|---|
| 0.8, 0.9, 1.0, 1.1, 1.2 | 2,500 | 0.0 |
| 1.0 | 500, 1,000, 1,500, 2,000, 2,500 | 0.0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0 |
강우강도를 측정하기 위해 강우발생구역을 10×10 m씩 구간을 나누어 실험을 수행하였다. 각 구역내 노즐에서 발생한 총강우량은 자체 제작한 강우수집장치(Fig. 2(a))를 이용하여 측정하였다. 본 수집장치는 2개의 10×5 m 경사면체로 구성되어 있으며, 이 둘을 결합하면 면적이 100 m2인 정사각형 형태가 된다. 강우발생장치를 통해 내린 강우는 경사면을 따라 중심부로 모이게 되고 이들은 다시 유출관(Fig. 2(b))을 따라 집수통(Catchpot)으로 집수된다. Fig. 2(b)에서도 알 수 있듯이 집수통 하단에는 전자저울이 설치되어 있어 실시간으로 유출유량의 무게를 측정할 수 있다. 이렇게 측정된 유출유량의 무게는 Eq. (1)에 의해 강우강도로 변환된다.
여기서 I는 강우강도, dW는 무게 변화량, dt는 시간 변화량, γW는 물의 단위중량 그리고 A는 강우수집장치 면적이다.
강우분포 또한 강우강도와 마찬가지로 P, V, 그리고 D에 영향을 받는다. 본 연구에서는 강우분포의 등분포성을 검정하기 위하여 Table 3과 같이 먼저 V와 D를 고정하고 P를 0.8, 1.0, 1.2 kg/cm2로 변화시켜가면서 실험을 수행하고, 실험을 통해 선정한 자연강우 특성을 잘 반영하는 P에 대해 V와 D를 변화시켜 가면서 강우분포의 변화를 측정하였다.
Table 3
Experimental Conditions of the Rainfall Distribution
| P (kg/cm2) | V (1/160 RPM) | D (sec) |
|---|---|---|
| 0.8, 1.0, 1.2 | 2,500 | 0.0 |
| 1.0 | 2,500 | 0.0, 2.0 |
| 500 | 0.0 |
강우의 등분포성은 강우의 등분포성을 검정하기 위해 가장 많이 사용되는 Eq. (2)의 등분포계수(Christiansen Coefficient of Uniformity, CuC)를 비교하였다(Christiansen, 1941).
여기서 xi는 측점 i의 강우량, x̄는 평균 강우량 그리고 N은 총 측점 수이다. 등분포계수가 100%에 근접할수록 강우는 공간적으로 일정하고 강우분포가 일정하지 않을수록 균질계수는 0%에 근접하게 된다. Eq. (2)에서 알 수 있듯이 등분포계수는 강우발생장치의 분사영역이 넓어지면 작아지고 분사영역이 좁아지면 커진다. 일반적으로 등분포계수의 값이 80% 이상이면 강우분포가 일정하다고 할 수 있는데(Moazed et al., 2010; Neff, 1979), Luk et al. (1993)에 의하면 강우발생면적이 100 m2 이상인 대형 강우발생장치에 있어서 는 70% 이상만 되어도 강우분포가 일정한 것으로 간주할 수 있다. 본 연구에서는 강우의 등분포성을 측정하기 위하여 10×10 m 영역을 400개의 0.5×0.5 m격자로 세분하고 각 격자의 중앙지점에서 강우량을 측정하였다. 측정방법은 Fig. 3과 같이 각 측점에 59 ml 크기의 플라스틱 컵을 고정 배치하고 10분간 강우를 발생시킨 후 컵에 담긴 물의 무게를 측정하였다.
4. 강우강도 및 강우분포 검정 결과
P에 따른 I의 변화양상을 살펴보기 위하여 P를 0.8 kg/cm2에서 1.2 kg/cm2까지 0.1 kg/cm2씩 증가시키면서 I를 측정하고 그 결과를 Fig. 4에 도시하였다. Fig. 4에서 I는 Eq. (1)과 같이 집수통의 무게가 일정하게 증가하는 구간의 기울기 값으로 구하였다. 분석결과, P가 증가하면 이에 비례하여 I또한 증가하는 것으로 나타났다. I는 P가 0.8 kg/cm2일 때 가장 작게 나타나며, 이 값을 제외하면 P가 0.1 kg/cm2씩 증가할 때마다I는 약 7 mm/h씩 선형적으로 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 Fig. 4를 이용하면 목표 강우강도를 재현하기 위한 적정 P를 결정할 수 있다.
V와 D에 대한I의 변화양상을 살펴보기 위하여 P를 1.0 kg/cm2 로 고정하고 V와 D를 변화시켜 가면서I를 측정하고 그 결과를 Fig. 5에 도시하였다. I는 V와 D에 반비례하는 것으로 나타났는데, 즉 V가 증가할수록 I는 감소하는 것으로 나타났다. D또한 증가할수록I는 감소하는 것으로 나타났다. 최대I는 165.8 mm/h로 V=500 (1/600 RPM), D=0.0sec 조건에서 측정되었으며, 최소 I는 37.7 mm/h로V=2,500 (1/600 RPM), D=2.0 sec에서 측정되었다. 실험결과I는 V보다 D의 변화에 더 민감하게 반응하는 것으로 나타났는데, V의 변화에 따른I의 평균변화량은 8.3%로 측정되었으며, D의 변화에 따른 I의 평균변화량은 35.1%로 측정되었다. 즉, D는 강우가 분사되는 것을 직접적으로 차단하는 시간으로 강우강도를 조절하는데 있어 유용한 조절 변수인 것으로 나타났다.
P의 변화에 따른 강우분포를 측정하기 위하여 P를 변화시켜가면서 I의 공간적분포를 측정하고 이를 Fig. 6에 도시하였다. P가 0.8 kg/cm2에서는 지점별 최대, 최소 I가 각각 304.3 mm/hr, I가 20.0 mm/hr로 나타났으며, CuC 값도 71.0%로 가장 작게 나타났다. P가 1.0 kg/cm2, 1.2 kg/cm2로 증가할수록 강우분포는 보다 일정해지는 것으로 나타났는데, CuC 값도 각각 77.1%와 78.1%로 상대적으로 P가 0.8 kg/cm2인 경우 보다는 큰 것으로 나타났다. 따라서 자연강우와 유사하게 일정한 강우를 발생시키기 위해서는 최소한 0.9 kg/cm2 이상의 P가 요구된다. 즉, 압력이 낮을 경우에는 강우가 노즐 인근에 집중하여 분사된다는 사실을 확인할 수 있었다. 반면, P가 증가하면 노즐의 분사 범위도 증가하며 강우분포가 상대적으로 일정하게 나타나는 것으로 나타났다.
Fig. 6
Distribution of Rainfall Intensities and Christiansen Coefficient of Uniformity for the Nozzle Configurations
V와 D변화에 대한 I의 공간적 분포를 살펴보기 위하여 P를 1.0 kg/cm2로 유지하면서 V와 D를 변화시켜 가면서 강우분포를 측정하고 그 결과를 Fig. 7에 도시하였다. D가 2.0 sec로 가장 커 분사가 가장 작은 즉, 강우량이 가장 작은 경우에 CuC 값이 83.0%로 가장 높게 나왔으며, V가 500 (1/600 RPM)으로 분사가 가장 많이 이루어진 즉 강우량이 가장 많은 경우에 CuC 값이 75.8%로 가장 작은 것으로 나타났다. 본 연구결과 노즐의 분사량이 많아질수록 즉, 강우량이 많아질수록 강우분포는 불균질하게 나타났다. 따라서 장시간 강우를 발생할 경우에는 세심한 주의가 필요하다.
5. 결론
본 연구에서는 강우와 홍수 등으로 발생할 수 있는 인명 및 재산 피해를 최소화하기 위한 재난안전 실험연구를 수행하기 위해 최대 250 mm/hr의 강우강도를 재현할 수 있는 길이 30 m, 폭 30 m 그리고 높이 12 m의 대형 강우발생장치를 개발하였다. 강우발생장치는 강우-유출, 토양 침식 및 손실, 토사 이송, 침투, 지표 오염 확산 등의 수리⋅수문 분야뿐만 아니라 기상, 농업, 생태 등 다양한 분야에 있어 효과적으로 활용되는 장비이다. 따라서, 구축된 강우발생장치가 실제 강우와 얼마나 유사한 특성을 갖고 있는지를 검정하는 것은 본격적인 실험에 앞서서 반드시 선행되어야 하는 중요한 절차이다. 본 연구에서는 개발된 강우발생장치의 강우 특성을 분석하기 위하여 유입 펌프압력, 노즐 회전속도, 분사 지연시간의 세 가지 인자를 변화시켜 가면서 강우강도의 재현성과 강우의 등분포성을 검정하였다. 검정 결과, 강우발생장치를 원활히 수행하기 위해서는 유입압력이 적어도 0.9 kg/cm2 이상은 되어야 한다는 사실을 확인하였고, 또한 유입 펌프압력과 강우강도는 비례하여 증가한다는 사실을 확인할 수 있었다. 강우분포의 경우 강우의 등분포성을 나타내는 CuC 값이 75.8~83.0%로 나타나 강우발생장치의 공간적 강우분포는 일정한 것으로 나타났다. 결론적으로, 본 연구에서 개발된 국립재난안전연구원의 강우발생장치는 자연상태의 강우강도와 강우분포를 잘 재현하는 것으로 나타났다. 따라서 도시지역 홍수유출로 인한 침수피해를 최소화하기 위한 침투⋅배수시설 및 저류지 설계나 사전검증을 위한 실증실험에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
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