개수로(서론)

서론

 모든 수로에서의 흐름은 개수로의 흐름(open channel flow)이나 관수로의 흐름(pipe-channel flow)으로 구분할 수 있다. 이 두 종류의 흐름은 여러 가지 면에서 비슷하나, 중요한 차이점은 자융수면(free surface)이다. 즉, 개수로의 하천, 운하, 용수로 등과 같이 자유수면을 가지고 있는 수로이며, 관수로는 물로 가득 차 있으므로 자유수면이 없다. 자유수면은 대기와 접하는 면이므로, 대기압의 영향을 받게 되지만, 폐합상태인 관수로의 흐름은 대기압이 직접 작용하지 않으므로, 관로 내부에는 수압만 작용하게 된다. 자유수면을 갖는 개수로와 자유수면을 갖지 않는 관수로에서 흐름을 발생하는 구동력(driving force)이 다르다는 것이 중요한 차이점이다. 즉, 관수로의 흐름은 주로 압력차에 의하여 물이 흐르나, 개수로에서는 물이 주로 중력의 작용, 즉 자유수면의 경사에 의해 흐르게 된다. 두 종류의 흐름은 서로 유사한 점이 많지만, 관수로는 수로의 형상이 완전히 고정되어 있으므로 그 유수 단면적이 확정되어 있어 흐름의 현상이 비교적 간단하다. 그러나 개수로는 자유수면의 위치가 시간과 장소에 따라 변하기 쉽고 또한 수심, 유량, 수로 바닥의 경사 및 자유수면의 경사 등의 상호관계에 의하여 개수로 내의 흐름의 상태는 매우 복잡하게 변화한다.

 따라서 개수로의 흐름을 해석적으로 다루기에는 흐름의 상태가 복잡하게 변하기 때문에 관수로와 비교하면 매우 어렵다. 관수로는 유수 단면적이 확정되어 있으며 일반적으로 원형단면이고 조도계수와 반경만이 주요 변수인 데 반하여 개수로의 단면은 원형이라든가 자연하천의 불규칙한 단면형상 등 다양하게 변화한다. 또 수로의 바닥이나 측벽면을 구성하고 있는 재료 및 단면형이 복잡하게 변하므로 일반적으로 관수로 흐름의 문제 보다 더 어려워진다.

 개수로의 흐름은 수로의 단면형상에 따라 흐름의 특성이 달라지며, 그 특성은 수로단면의 기하학적 요소에 지배된다. 따라서 수로의 기하학적 요소는 단면의 형상과 수심에 따라 정의될 수 있는 수로단면의 성질로서 매우 중요하며, 흐름의 해석에 있어서 광범위하게 사용된다. 

 자유수면에서 수로단면의 최심부에 이르는 연직 깊이를 수심(h)이라 하고 유수의 흐름 방향에 대하여 직각으로 횡단면에서 물이 접하는 수로의 경계면 길이를 윤변(wetted perimeter, P)이라 한다. 또한 수로의 기하학적 요소인 수로경계면 조건의 상호관계를 표시하는 지수로서 유수단면적에 대한 윤변의 비를 경심 또는 수리반경(R)이라 하며, 유수의 기하학적 요소와 수면의 저항 관계를 표시하는 기준으로서 유수단면적에 대한 수면폭의 비를 수리수심(hydraulic depth)이라 한다. 그리고 수로의 단면계수(section factor, Z)는 한계류의 계산과 등류의 계산에 따라 구분할 수 있다. 한계류를 계산하기 위한 단면계수는 수리수심의 평방근과 유수단면적의 곱으로 나타내고, 등류를 계산하기 위한 단면계수는 유수단면적과 경심의 2/3승의 곱으로 표시된다.