수문학 - 기초와 응용

1장 서 론

1.1 수문학의 정의 3
1.2 물의 순환 3
1.3 물의 순환 시스템 5
1.3.1 유 역 5
1.3.2 수문시스템에 대한 물 수지 분석 7
1.4 수문학에서 취급하는 분야 8
1.5 타 과학분야와의 관계 8
1.5.1 기상학과 기후학 8
1.5.2 지형학 9
1.5.3 지질학과 토양학 9
1.5.4 해양학과 호수학 9
1.5.5 수리학 10
1.6 수문학의 역사적 발달과정 10
1.6.1 고대수문학 10
1.6.2 근대수문학 10
1.6.3 현대수문학 11
1.6.4 컴퓨터 시대 수문학 13
1.7 지구상의 물의 분포 14
1.8 우리나라의 수자원 15
1.8.1 우리나라의 주요 하천 및 대규모 댐 현황 15
1.8.2 우리나라 수자원의 부존량 및 이용현황과 전망 20
참고문헌 23

2장 수문기상론

2.1 서 론 27
2.2 일기와 기후 27
2.3 대기압 29
2.3.1 대기압의 측정 및 고도에 따른 대기압의 변화 29
2.3.2 대기압의 지리적 분포 30
2.4 기 온 32
2.4.1 기온의 측정 32
2.4.2 기온의 통계학적 표현방법 33
2.4.3 하루 중 기온의 시간적 변화 33
2.4.4 기온의 연직방향 변화 34
2.4.5 기온의 지리적 분포 35
2.4.6 기온의 연중변화 40
2.5 습 도 42
2.5.1 수증기의 성질 42
2.5.2 습도관련 변수의 정의 및 경험공식 45
2.5.3 습도의 측정 47
2.5.4 습도의 지리적 및 시간적 분포 51
2.6 바 람 52
2.6.1 바람의 측정 55
2.6.2 바람의 지리적 및 시간적 변화 56
연습문제 61
참고문헌 63

3장 강 수

3.1 서 론 67
3.2 강수의 유형 67
3.3 강수의 종류 70
3.4 인공강우 70
3.5 강수량의 측정 71
3.5.1 보통우량계 71
3.5.2 자기우량계 73
3.5.3 설량계와 적설계 78
3.5.4 강수계에 의한 강수량의 측정오차 79
3.5.5 기상레이더에 의한 강우량 측정 80
3.5.6 인공위성에 의한 강우량 측정 82
3.6 강수계측망의 밀도 82
3.7 강수량 자료의 수집 및 보관 85
3.8 강수량 자료의 일관성 검사와 보삽 및 확충 86
3.8.1 강수량 자료의 일관성 분석 86
3.8.2 강수량 기록의 보삽 추정 89
3.8.3 강수량 자료의 양적 확충 92
3.8.4 강수량의 장기변동성향의 정성적 판단 93
3.9 유역의 평균강우량 산정 94
3.10 강수량 자료의 분석 98
3.10.1 강우강도와 강우지속기간 관계 99
3.10.2 강우강도－지속기간－발생빈도 관계 100
3.10.3 평균우량깊이와 유역면적 관계 105
3.10.4 평균우량깊이－유역면적－강우지속기간 간의 관계분석 107
3.11 가능최대강수량의 산정방법 111
3.11.1 수문기상학적 방법 111
3.11.2 최대강우량 포락곡선 방법 113
3.11.3 통계학적 방법 114
3.12 강수량의 지리적 및 시간적 변동성 114
3.12.1 강수량의 지리적 변동성 116
3.12.2 강수량의 시간적 변동성 120
연습문제 123
참고문헌 131

4장 증발과 증산

4.1 서 론 135
4.2 증발현상을 지배하는 인자 136
4.3 저수지 증발량의 산정방법 137
4.3.1 물 수지방법 138
4.3.2 에너지 수지방법 138
4.3.3 공기동역학적 방법 146
4.3.4 에너지 수지 및 공기동역학적 원리의 혼합적용 방법 148
4.3.5 증발접시에 의한 저수지 증발량의 측정 153
4.4 저수지 증발이 하류의 하천유량에 미치는 영향 160
4.5 증 산 162
4.5.1 증산현상을 지배하는 인자 162
4.5.2 증산량의 측정 163
4.6 증발산 164
4.6.1 증발산계에 의한 측정방법 164
4.6.2 물 수지계산에 의한 산정방법 165
4.6.3 에너지 수지계산에 의한 산정방법 166
4.6.4 기상자료를 이용한 월 잠재 증발산량의 산정방법 171
4.7 실제 증발산량의 추정 174
4.8 농작물의 소비수량 산정방법 175
4.8.1 Blaney-Criddle 방법 175
4.8.2 Penman-Monteith 방법 178
연습문제 180
참고문헌 184

5장 침투와 침루

5.1 서 론 187
5.2 차단과 지면저류 188
5.2.1 차 단 188
5.2.2 지면저류 189
5.3 침투현상을 지배하는 인자 190
5.4 토양의 침투능 결정방법 193
5.4.1 침투계에 의한 침투능의 측정방법 194
5.4.2 침투모형에 의한 침투능의 산정 194
5.5 침투지표법에 의한 유역의 평균침투능 결정 205
5.5.1 Φ－지표법 206
5.5.2 Ｗ－지표법 207
5.6 SCS 방법에 의한 유역의 유효우량 산정 208
5.6.1 유역의 선행토양함수조건 209
5.6.2 수문학적 토양군의 분류 211
5.6.3 토지 이용과 식생피복 처리상태 및 수문학적 조건의 분류 214
5.6.4 SCS 유출곡선지수의 결정 221
5.6.5 총 우량－유효우량 관계모형의 설정 226
5.6.6 SCS 방법에 의한 하천유역의 평균 유효우량 산정 230
5.7 토양의 초기함수조건에 따른 총 우량－유출량 관계 236
5.7.1 선행강수지수 236
5.7.2 지하수유출량과 토양함수 미흡량 238
연습문제 239
참고문헌 245

6장 지하수

6.1 서 론 249
6.2 지하수의 생성과 지하암석의 성질 249
6.3 지하수의 연직분포 251
6.4 대수층의 종류와 투수능 255
6.5 지하수 흐름의 기본방정식 258
6.5.1 Darcy의 법칙 258
6.5.2 지하수 흐름방정식의 일반형 262
6.5.3 피압대수층 내의 부정류방정식 263
6.5.4 비 피압대수층 내의 부정류방정식 264
6.6 유선망에 의한 정상 지하수 흐름의 도식적 해법 265
6.6.1 유선망에 의한 등방향성 토양에서의 지하수 흐름 해석 265
6.6.2 유선망의 작도 절차 267
6.7 정상 일방향 흐름 해석 270
6.7.1 피압대수층 내의 흐름 270
6.7.2 비 피압대수층 내의 흐름 272
6.8 양수정으로의 방사상 정상류 해석 275
6.8.1 피압대수층 내 양수정으로의 방사상 정상류 276
6.8.2 비 피압대수층 내 양수정으로의 방사상 정상류 279
6.8.3 강우시 비 피압대수층 내 양수정으로의 방사상 정상류 282
6.9 피압대수층 내 양수정으로의 방사상 부정류 해석 285
6.9.1 Theis 방법 287
6.9.2 Jacob 방법 290
6.10 영상정 방법에 의한 양수정의 해석 292
6.11 해수의 침입에 의한 지하수 오염 296
6.12 지하수의 인공함양 298
6.13 지하수의 채취방법 300
연습문제 303
참고문헌 309

7장 하천유량과 유출

7.1 서 론 313
7.2 하천수위의 측정 313
7.2.1 하천수위계 313
7.2.2 하천수위 관측지점의 선정 316
7.2.3 전국 하천수위 관측소 운영현황 317
7.2.4 하천수위자료의 보관 및 제공 319
7.3 하천유량의 측정 320
7.3.1 직접유량 측정방법 320
7.3.2 간접유량 측정방법 332
7.4 전국 하천유량 관측소 운영현황 340
7.5 수위－유량 관계곡선 341
7.5.1 수위－유량 관계곡선의 일반형 341
7.5.2 수위－유량 관계곡선식의 유도 342
7.5.3 수위－유량 관계곡선의 조정 343
7.6 수위－유량 관계곡선의 연장방법 350
7.6.1 전 대수지 방법 351
7.6.2 Stevens 방법 351
7.7 하천유량의 표시방법과 유량자료의 보관 및 제공 354
7.7.1 하천유량의 단위 표시방법 354
7.7.2 하천유량의 시간적 변화를 표시하는 곡선 354
7.7.3 하천유량 자료의 보관 및 제공 355
7.8 유출의 구성 및 유출순환과정 357
7.8.1 유출의 구성 358
7.8.2 유출의 순환과정 360
7.9 유출에 영향을 미치는 인자 362
7.9.1 기후학적 인자 362
7.9.2 유역특성인자 363
7.9.3 하천유로 특성인자 373
7.10 강우－유출 관계 및 유역 크기에 따른 관계분석방법 381
7.11 소유역의 첨두홍수량 산정 383
7.11.1 합리식 383
7.11.2 유역의 집중시간 결정방법 388
7.11.3 합리식에 의한 첨두홍수량 산정 예 394
7.11.4 기타 첨두홍수량 산정공식 397
7.12 월 강우량과 월 유출고 간의 관계 400
연습문제 403
참고문헌 411

8장 수문곡선 해석 및 합성

8.1 서 론 415
8.2 수문곡선의 구성 417
8.3 호우 및 토양수분조건에 따른 수문곡선의 모양 419
8.4 수문곡선의 분리 421
8.4.1 단순 수문곡선의 분리 422
8.4.2 복합 수문곡선의 분리 425
8.5 수문곡선 해석에 있어서의 시간매개변수 간의 관계 426
8.6 단위유량도 이론 427
8.7 단순 호우사상으로부터의 단위유량도 유도 431
8.8 복합 호우사상으로부터의 단위유량도 유도 435
8.9 매트릭스 해법에 의한 단위유량도 유도 436
8.10 단위유량도 지속기간의 변환 439
8.10.1 정수배 방법 439
8.10.2 S－곡선법 441
8.10.3 S－곡선법에 의한 순간 단위유량도의 유도 445
8.11 단위유량 분포도 450
8.12 단위유량도의 합성방법 451
8.12.1 Snyder 합성단위도법 451
8.12.2 SCS 무차원 합성단위도법 459
8.12.3 나까야스 종합단위도법 466
8.12.4 Espey의 10분 합성단위도법 470
8.13 단위도의 적용에 의한 홍수수문곡선의 합성 471
8.13.1 유역의 형상이 단위도의 특성에 미치는 영향 471
8.13.2 홍수수문곡선의 합성 473
8.14 표면류의 수문곡선 475
8.15 단위도법을 사용하는 강우－유출관계 모형 478
연습문제 479
참고문헌 487

9장 수문학적 홍수추적

9.1 서 론 491
9.2 저류방정식 492
9.3 저류량의 결정 493
9.3.1 저수지의 저류량 결정 493
9.3.2 자연하도구간별 저류량 결정 495
9.4 국지 유입량의 처리 497
9.5 저수지 홍수추적 498
9.5.1 저수지의 저류량－유출량 관계곡선의 작성 498
9.5.2 Puls의 저수지 홍수추적 방법 500
9.5.3 수정 Puls 저수지 홍수추적 방법 508
9.5.4 유출량이 조절될 경우의 저수지 홍수추적 512
9.6 하도 홍수추적 513
9.6.1 Muskingum 방법 514
9.6.2 Muskingum-Cunge 방법의 개요 523
9.7 유역 홍수추적 523
9.7.1 선형저수지 가정에 의한 순간단위도의 유도 524
9.7.2 Muskingum의 유역추적방법 528
9.7.3 시간-면적 관계곡선에 의한 유역 홍수추적 방법 529
9.7.4 Clark의 유역 홍수추적 방법 533
9.8 저류함수법에 의한 유역 및 하도 홍수추적 547
9.8.1 유역의 저류함수와 유출계산방법 549
9.8.2 하도의 저류함수와 유출계산방법 551
9.8.3 저류함수를 사용한 홍수추적 계산방법 552
9.8.4 저류함수모형의 각종 매개변수 산정방법 554
9.8.5 저류함수법에 의한 유출계산 예 572
연습문제 577
참고문헌 585

10장 수리학적 홍수추적

10.1 서 론 589
10.2 부정류 지배방정식의 유도 590
10.2.1 연속방정식 590
10.2.2 운동량방정식 591
10.3 부정류 지배방정식의 변형 593
10.3.1 동역학파 방정식 594
10.3.2 운동파 방정식 594
10.3.3 확산파 방정식 596
10.4 운동파 추적기법 597
10.4.1 표면류의 운동파 추적방정식 599
10.4.2 운동파의 하도추적방법 599
10.4.3 운동파 추적방정식의 수치해법 601
10.5 수리학적 하도추적을 위한 수치해석기법 603
10.5.1 양해성 유한차분법 603
10.5.2 음해성 유한차분법 606
10.5.3 특성곡선법 608
10.5.4 수리학적 하도홍수추적을 위한 초기 및 경계조건 608
10.6 Muskingum-Cunge 홍수추적방법 609
10.6.1 Muskingum-Cunge 홍수추적방정식의 유도 609
10.6.2 Muskingum-Cunge 방법에 대한 평가 612
10.7 동역학파 홍수추적을 위한 범용 컴퓨터 프로그램 617
10.7.1 DWOPER와 DAMBRK 모형 617
10.7.2 FLDWAV 모형 618
10.7.3 UNET 모형 619
10.7.4 SMS 모형 619
10.7.5 CCHE2D 모형 620
10.7.6 RAMS 모형 620
연습문제 622
참고문헌 626

11장 도시수문 및 도시유출관리

11.1 서 론 631
11.2 도시수문학의 접근방법 632
11.2.1 경험적 방법 632
11.2.2 물리기반 방법 632
11.3 도시화가 유출에 미치는 영향 633
11.3.1 유출특성의 변화 634
11.3.2 수질의 변화 635
11.4 도시하천 유역에서의 유출계산 방법 636
11.4.1 합리식 636
11.4.2 수정합리식 640
11.4.3 RRL 방법 644
11.4.4 ILLUDAS 649
11.4.5 SWMM 664
11.4.6 STORM 669
11.4.7 MOUSE 671
11.5 비점원 오염부하량의 산정기법 674
11.5.1 비점원 오염의 정의 및 기본성질 675
11.5.2 비점원 오염부하량 산정방법 675
11.6 토양손실량의 산정기법 682
11.6.1 원단위법 682
11.6.2 범용토양손실공식 683
11.6.3 도로건설현장에 대한 범용토양손실공식의 적용 691
11.6.4 개정 범용토양손실공식 693
11.7 유수시설과 저류시설의 계획 및 설계 693
11.7.1 유수시설과 저류시설의 정의 694
11.7.2 유수지 혹은 저류지의 계획 및 설계를 위한 일반절차 694
11.7.3 제1단계: 관련자료 수집 및 분석 695
11.7.4 제2단계: 유수지/저류지 설치 후보지점의 선택 696
11.7.5 제3단계: 설계홍수량의 재현기간 설정 697
11.7.6 제4단계: 예비수문분석에 의한 소요용량의 개략추정 700
11.7.7 제5단계: 평면적 및 입면적 배치 703
11.7.8 제6단계: 세부 수문ㆍ수리설계 704
11.8 도시지역 유수지 및 배수펌프장의 설계 711
11.8.1 도시지역의 내수처리 방식 711
11.8.2 유수지 및 펌프의 용량결정시 강우발생지역의 범위고려 712
11.8.3 설계빈도의 선택 713
11.8.4 설계강우의 선택 및 설계유입 홍수수문곡선의 산정 713
11.8.5 자연배수량의 결정 713
11.8.6 유수지용량-펌프용량 관계곡선의 작성 714
11.8.7 유수지의 계획홍수위와 저수위 715
11.8.8 유수지 용량의 결정 715
11.9 침사지의 설계 718
11.9.1 침사지의 기능 및 종류 718
11.9.2 침사지의 구성 719
11.9.3 침사지의 소요용량 결정 720
11.9.4 침사지의 세부설계 절차 722
연습문제 732
참고문헌 739
12장 확정론적 수문모의기법

12.1 서 론 745
12.2 수문모의모형의 분류 745
12.2.1 확정론적 수문모의모형 745
12.2.2 통계학적 수문분석기법 747
12.3 집체형 모형에 의한 수문모의기법 748
12.3.1 집체형 모형에 의한 수문모의기법의 기본 749
12.3.2 모형의 입력 및 출력자료의 선정 750
12.3.3 모형의 구조선택 750
12.3.4 정확도 기준에 의한 모형의 검정 751
12.3.5 모의된 모형의 응용분야 751
12.4 기 개발된 집체형 수문모의모형 752
12.4.1 단일사상 강우-유출 모형 754
12.4.2 연속형 강우-유출 모형 790
12.5 집체형 모형의 검정과 정확도 기준 801
12.5.1 검정에 있어서의 정확도 기준 801
12.5.2 모형의 검정방법 803
12.6 분포형 모형에 의한 수문모의기법 805
12.6.1 분포형 모형의 기본 805
12.6.2 대표적인 분포형 모형 806
12.7 확정론적 수문모의모형의 응용분야 809
12.7.1 자료 관리 809
12.7.2 수문학적 설계 810
12.7.3 수문시스템의 운영조작 811
12.7.4 하천유역 관리 811
12.7.5 교육 및 연구 811
참고문헌 813

13장 확률론적 수문분석기법

13.1 서 론 823
13.2 확률과 확률분포 824
13.2.1 확률법칙 824
13.2.2 확률분포 826
13.2.3 확률분포의 특성 830
13.3 확률분포형의 매개변수 추정방법 835
13.3.1 모멘트법 835
13.3.2 최우도법 836
13.3.3 확률가중모멘트법 837
13.3.4 L-모멘트법 839
13.3.5 확률분포형의 매개변수 추정방법의 선택 840
13.4 확률분포형 840
13.4.1 정규분포 841
13.4.2 2변수 대수정규분포 845
13.4.3 3변수 대수정규분포 847
13.4.4 2변수 Gamma 분포 848
13.4.5 3변수 Gamma 분포 852
13.4.6 Log-Pearson Type-Ⅲ 분포 853
13.4.7 일반화된 극치분포(GEV 분포) 856
13.4.8 Type-Ⅰ 극치분포(EV1 분포) 858
13.4.9 Type-Ⅱ 극치분포(EV2 분포) 860
13.4.10 Type-Ⅲ 극치분포(EV3 분포) 861
13.4.11 Wakeby 분포 865
13.5 확률분포형의 적합도 검정 867
13.5.1 확률지에 의한 적합도 검정 868
13.5.2 Chi-Square 검정 869
13.5.3 Kolmogorov-Smirnov 검정 871
13.5.4 PPCC 검정 874
13.5.5 Cramer Von Mises 검정 876
13.5.6 최적 확률분포형의 채택 882
13.6 선형 회귀분석방법 883
13.6.1 단순 선형 회귀분석 884
13.6.2 중 선형 회귀분석 887
13.7 수문자료의 점 빈도해석 889
13.7.1 수문자료치 계열의 종류 889
13.7.2 표본자료 계열에 대한 예비적 해석 893
13.7.3 확률도시법에 의한 점 빈도해석 895
13.7.4 빈도계수법에 의한 점 빈도해석 899v
13.7.5 수공구조물의 설계기준연한 설정 941
13.8 기타 점 빈도해석 943
13.8.1 연초과치 계열의 점 빈도해석 943
13.8.2 점 강우량의 빈도해석 946
13.8.3 갈수량의 빈도해석 947
13.9 지역빈도해석 949
13.9.1 지표홍수량 방법 950
13.9.2 L-모멘트법을 사용한 지역빈도해석 952
13.10 빈도해석을 위한 범용 컴퓨터 프로그램 955
13.10.1 국외의 대표적인 빈도해석 프로그램 955
13.10.2 국내의 대표적인 빈도해석 프로그램 957
연습문제 959
참고문헌 970

14장 추계학적 수문모의발생기법

14.1 서 론 975
14.2 하천유량 모의발생방법의 분류 976
14.3 유량자료계열의 수문학적 지속성 판정 977
14.3.1 1차 계열상관계수에 의한 방법 977
14.3.2 계열상관도에 의한 방법 978
14.4 단순 연장방법 981
14.5 무작위 발생방법 982
14.5.1 적정 확률분포형의 설정 982
14.5.2 난수의 발생방법 983
14.5.3 합성유량자료계열의 발생 987
14.5.4 합성 유량자료계열의 통계학적 특성검토 989
14.6 자기회귀형 발생방법 992
14.6.1 단일계절 1차 Markov 모형 993
14.6.2 단일계절 다 지체 Markov 모형 1002
14.6.3 기타 단일 계절모형 1006
14.6.4 다 계절 1차 Markov 모형 1008
14.7 유량자료계열 모의발생모형의 응용분야 1013
14.7.1 저수지의 적정규모결정 1013
14.7.2 저수지의 운영조작분석 1013
14.7.3 광역 수자원 시스템의 분석 1013
연습문제 1014
참고문헌 1017

15장 수공구조물의 수문학적 설계

15.1 서 론 1021
15.2 수공구조물의 규모 분류 1022
15.3 수공구조물의 수문학적 설계방법 1023
15.3.1 홍수량 기준방법 1023
15.3.2 강수량 기준방법 1023
15.3.3 발생빈도 기준방법과 위험도 기준방법 1024
15.3.4 극한사상 기준방법 1025
15.4 수문학적 설계를 위한 각종 자료의 획득 1025
15.4.1 지상학적 자료 1025
15.4.2 기상 및 수문자료 1026
15.5 수공구조물의 수문설계빈도 1027
15.5.1 중소규모 구조물의 설계빈도 1027
15.5.2 소규모 댐의 설계기준 1028
15.5.3 대규모 수공구조물의 설계기준 1032
15.5.4 대규모 댐의 설계기준 1035
15.6 설계호우의 합성 1037
15.6.1 우량관측소별 강우량자료의 수집, 변환 및 검정 1037
15.6.2 빈도해석에 의한 지점 확률강우량의 산정 1040
15.6.3 면적확률강우량의 산정 1040
15.6.4 가능최대 강수량의 추정 1044
15.6.5 확률강우량의 시간분포결정 1051
15.6.6 가능최대 강수량의 시간분포 1065
15.6.7 설계강우의 지속기간 설정 1066
15.7 소규모 수공구조물의 설계홍수량 산정방법 1067
15.7.1 단순홍수량 산정공식의 적용 1068
15.7.2 합리식의 적용 1068
15.7.3 단위유량도법의 적용 1070
15.8 중ㆍ대규모 수공구조물의 설계홍수량 산정방법 1077
15.8.1 홍수량 산정지점의 선정과 소유역 및 하도구간의 분할 1078
15.8.2 설계강우의 설정 1079
15.8.3 유효우량 산정에 의한 설계 유효우량주상도의 작성 1080
15.8.4 강우-유출모형의 선정 및 모형매개변수의 초기치 산정 1081
15.8.5 강우-유출모형의 검정 및 검증 1082
15.8.6 설계홍수수문곡선의 계산을 위한 임계지속기간의 고려 1083
15.8.7 하도 홍수추적방법 및 하도추적 매개변수의 결정 1084
15.8.8 유역 및 하도 홍수추적의 조합에 의한 설계홍수수문곡선의 합성 1084
15.8.9 댐 하류지점 홍수량 산정시 저수지 운영에 대한 고려 1085
15.8.10 댐의 수문학적 안전성 검토를 위한 가능최대홍수량의 산정 1092
15.9 용수공급 목적댐의 저수용량 결정방법 1094
15.9.1 저수지의 물리적 특성 1094
15.9.2 저수지의 용수공급 가능률 1095
15.9.3 용수분배용 저수지의 용량결정 1096
15.9.4 저수지의 저수용량 결정 1097
15.9.5 일정용량 저수지로부터의 용수공급 가능률 결정 1099
15.9.6 누가용적해석에 의한 용수공급용 저수지의 용량 결정 1100
15.9.7 누가용적곡선에 의한 용수공급 가능률의 결정 1101
15.10 홍수조절목적을 가지는 다목적 댐의 저수용량 결정방법 1102
연습문제 1104
참고문헌 1110

부 록

I 물의 물리적 성질 1115
II 단위환산표 1118
III 불완전 Gamma 함수표 1122
IV 우리나라의 수문학적 토양군 1123
V 각종 확률지 및 대수방안지 1128