• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2023.05a
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• pp.62-62
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• 2023

강우가 지표면 아래로 침투할 때 초기에는 투수층이 불포화 상태이어서 부압이 작용하면서 침투할 것이다. Richards 식(Richards, 1931)을 써서 불포화 투수층의 침투를 모의할 수 있다. 강우가 지속되는 동안 하상 아래 어느 구간은 포화 상태가 되어 Richards 식을 더 이상 사용할 수 없다. 하지만 현재까지의 연구는 Richards 식을 사용하여 침투를 모의하는 오류를 범하고 있다. 강우에 의한 침투를 예측할 때 지표면에서의 침투율 q_b 가 필요한 데 현존하는 연구에서는 Horton 식(Horton, 1941)을 사용하여 초기 침투율 f_o 와 장시간 후 침투율 f_c 와 시간에 따라 지수함수로 감소하는 계수 k 의 3가지 계수값을 실험이나 현장 관측값에서 찾아서 쓰고 있다. 그런데, 이 계수값은 강우강도 r_i 가 클수록 침투율 q 가 커지는 물리 현상을 반영하지 못하는 한계가 있다. 본 연구에서 먼저 포화 투수층에서의 침투를 모의하는 식을 개발하였다. 지표면 아래에서 불포화 투수층에는 Richards식을 사용하고 포화 투수층에는 개발한 식을 사용하여 침투를 모의하였다. 또한 지표면에서의 침투율 q_b 를 구하는 공식을 개발하였다. 하상에서의 침투율의 최대값은 $q_{bmax}=-{\lambda}{\sqrt{2g(s-b)}}$ 일 것이다. 여기서 λ 는 투수층의 공극율, s 는 유출수면의 위치, b 는 지표면의 위치이다. 지표면에서의 침투율의 최소값 q_bmin 은 지표면 바로 아래 지점에서의 침투율일 것이다. 지표면에서의 침투율 q_b 로 q_bmax 와 q_bmin 사이의 적절한 값을 선택한다. 강우강도를 r_i 라고 하면 지표면 위 유출수의 연속방정식은 다음과 같다: $s-b={\int}(r_i-{\mid}q_b{\mid})dt$. 즉, 유출수면의 위치 s 는 강우강도 r_i 가 클수록 또는 지표면에서의 유출율의 크기 |q_b| 가 작을수록 크다. 또한 지표면에서의 침투율 q_b 와 지표면 아래에서의 침투율 q 는 s - b 가 클수록 크다. 따라서, 강우강도 r_i 가 클수록 침투율 q_b, q 가 큰 현상이 잘 반영되었다. 강우-침투-유출 모형실험을 수행하여 강우강도에 따라 침투율과 유출량이 다른 현상을 관측하여 수치실험 결과와 비교·검증하였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2009.05a
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• pp.796-800
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• 2009

토목구조물 및 사면의 붕괴는 집중호우가 내리는 경우 많이 발생하고 있으며, 특히 사면에서는 붕괴까지의 변형이 급속히 진행되어 이를 사전에 예방하기는 매우 어려운 현실이다. 침투 및 배수과정에서의 사면 붕괴는 강우침투로 인한 지반의 물리적 특성변화가 직접적으로 사면의 안전계수 변화에 영향을 주는 것으로 판단되며, 이때 발생하는 물리적 특성변화로는 침투시 사면 내 지반의 단위 중량은 증가하여 전단응력의 증가 및 전단강도 감소현상이 발생하며, 이와 반대로 사면 내 배수로 인하여 전단응력의 감소 및 전단강도의 증가현상이 발생한다. 따라서 본 연구에서는 강우침투로 발생하는 지반의 포화도 변화를 지반 내 투수계수의 함수로 설명하여 강우로 인한 지반의 침투 및 배수과정을 규명하고자 한다. 일반적으로 지반 내 지하수의 침투과정은 라플라스 공식을 적용한다. 그러나 라플라스 공식은 정상 상태(Steady State)일 경우에만 사용할 수 있고, 강우 등으로 인한 지하수의 수두 변화가 발생한 비정상 상태(Unsteady State)의 경우에는 부적합하므로 사면과 옹벽 등의 토질구조물에서는 안전성 변화를 계산할 수 없다. 이를 위해 사면 내 지반의 침투 및 배수과정을 투수계수의 함수로 나타내어, 강우의 침투과정을 Fourier Series, 변수분리법 및 섭동함수를 사용하여 식으로 유도함으로서 강우에 의한 지반의 침투 및 배수과정에 따른 사면 내 지하수의 분포를 예측한다. 침투과정 해석을 위하여 지표에서 포화대까지의 깊이 10m의 모델사면 및 지표부터 포화대까지의 포화도는 직선으로 비례한다는 가정을 적용한다. 먼저 푸리에 급수를 이용, 시간에 따른 온도를 열전달에 관하여 편미분하여 발생하는 열확산계수를 투수계수로 변환함에 따라 지하수의 시간과 수직방향거리에 대한 지반의 포화도를 산정한다. 변수분리법은 산정된 포화도에 지반의 초기조건과 경계조건를 고려하기 위해 적용하며, 변수분리법에 의해 산정된 지하수 분포를 섭동함수법으로 과도 및 정상상태로 분류한다. 본 연구의 수행으로 인해 얻어진 결과를 요약하면 다음과 같다. 첫째, Fourier Series와 변수분리법, 섭동함수를 이용하여 강우에 의한 지반의 포화도 변화를 수식적으로 나타낼 수 있으며 둘째, 지반에서의 강우침투과정을 식으로 표현함으로서, 깊이별 시간에 따른 포화도의 영역이 상부로부터 하부로 전이되는 과정을 알 수 있다. 셋째, 푸리에 급수를 이용한 지반의 침투계산으로 강우로 인한 지반의 포화영역 및 불포화영역을 명확히 구분할 수 있으며, 각 깊이별 포화도를 계산하여 각 구간에서 불포화구간의 전단강도에 대한 보다 정확한 계산이 가능하리라 판단된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2010.05a
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• pp.1991-1995
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• 2010

도시화로 인한 토지 피복 상태의 변화로 인한 불투수면적의 증가와 강우강도가 증가함에 따라 지하수로 침투하지 못하고, 바다로 유출되는 강우량이 점차 증가하고 있다. 또한, 인구의 증가와 산업발달에 따른 무분별한 지하수의 사용은 심각한 지하수위의 하강으로 이어지고 있다. 지하수위와 강우량간의 상관관계를 분석하여 지하수의 체계적인 관리 및 운용을 하고자 본 연구를 진행하였다. 본 연구에서는 경상도 지역의 지하수위 관측소와 강우 관측소간의 거리가 10km 이내인 지점을 선정하여, 관측 자료와 분석결과를 토대로 13개 지점을 선정하였다. 침투현상이 침루과정을 거쳐 지하수에 유입되는 과정을 고려하면 강우가 발생한 시점보다 시간이 경과 한 후에 이 지점의 하루에 내린 강우량이 이틀에 걸쳐 지하수위에 영향을 준다고 가정하였고, 1일째의 강우를 실제 강우량의 최대 100%에서 50%까지로 설정하고 2일째에 나머지 강우가 내렸다고 가정하여 각각의 강우이동평균값과 지하수위간의 상관관계를 분석하였다. 또한, 한계침투량을 고려하여 강우이동평균값과 지하수위간의 상관관계를 분석하였다. 그 결과 한계침투량 고려시 상관계수가 0.5 이상인 지점들 중 약 70%가 강우량을 강우사상이 발생한 당일과 명일로 나누었을 때, 상관계수가 높게 나타났다. 그러므로 기존 강우와 지하수위 관측자료만 이용하여 강우이동평균과 지하수위의 상관관계를 분석하는 것 보다 침투율을 고려한 강우이동평균과 지하수위의 상관관계 분석으로 인해 지하수의 체계적인 관리와 분석이 가능할 것으로 사료된다.

• Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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• 1994.09a
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• pp.247-252
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• 1994

우리나라 산사태의 대부분은 사면의 깊이가 얕은 상태에서 발생하며, 지형적 지질적 및 강우조건에 따라 각기 다른 사면 파괴의 형태를 보여주고 있다. 본 논문에서는 IFDM의 기법을 이용하여 강우침투에 의해 발생할 수 있는 불포화지반으로의 침윤전선의 진행, 간극수압의 시간적 발생과정 등을 포함하는 침투해석을 수행하였다. 침투해석으로 얻은 강우침투 결과를 hyperbolic 응력, 변형을 모델에 조합하여 시간별로 응력, 변형해석을 할 수 있는 모델을 제안하였다. 이 모델에 의한 해석예로써 용인군 창리 산사태 지역을 선택하여 기존의 한계평형법과 본 논문에서 제안한 모델의 결과를 비교하였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2011.05a
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• pp.387-391
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• 2011

국내에서 사면 붕괴의 직접적인 원인은 강우에 의한 것으로 볼 수 있으며, 강우침투에 따른 지하수위 상승과 간극수압 증가, 강우강도 크기에 직접적으로 영향을 받는 지표면 유출로 인한 사면의 표면토사 유출 및 얕은 사면붕괴로 나타난다. 본 연구에서는 강우로 인한 지반내 침투로 불포화토가 포화토로 변화는 과정에서 침투능을 산정하고자 기존의 침투공식을 검토하고 TDR 센서를 이용한 실내실험을 통한 침투능 산정공식을 제시하였다. 제시한 침투능 산정공식을 검증하기 위한 침투실험을 수행하여 결과를 비교 분석하였으며, 이론적 해석 및 실내실험에 의한 결과는 다음과 같다. 첫째, 포화도 변화에 따른 TDR데이터 변화는 일정했으며 이를 회귀분석을 통하여 함수화하였고, 이 함수를 이용하여 지반의 포화도 및 함수비를 파악할 수 있었다. 둘째, 흡인수두항과 중력수두항이 결합된 연속적인 침투능 산정공식을 새로이 유도하였으며, 이를 이용한 결과와 TDR 센서를 이용한 실험결과와 거의 유사함을 알 수 있었다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 1991.07a
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• pp.144-155
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• 1991

본 연구에서는 유출모형을 구성하기 위한 작업의 일환으로 유역의 제반특성을 고려하여 시간에 따라 강우강도가 변화하는 부정강우사상(unsteady rainfall)에 대한 침투량과 초과우량을 산정하는 강우침투모형을 유출모형의 부프로그램으로서 개발하였다. 과거에 제안되었던 침투량 산정방법을 조사하여 강우침투모형을 구축하는데 적합한 침투량 산정 방법으로서 Chu가 제안한 단층균질토양의 유역에서 부정강우사상에 대한 침투량을 산정하는 Green-Ampt 변형방법을 선정하였다. Green-Ampt 방정식의 매개변수인 토양수분부족량의 추정에 필요한 토양수분함량을 산정하기 위하여 단순선행토양수분모형을 응용하여 토양수분의 변화를 추정하였으며 지표면에서의 담수 유무에 따라서 침투량과 초과우량을 산정하고 토양수분을 산정하는 프로그램을 구성하였다. 선정된 적용대상유역의 강우자료와 Green-Amp 방정식의 매개변수 추정치를 사용하여 계산된 유출량과 실측유출량을 비교함으로써 프로그램의 적정성을 검토하였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2005.05b
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• pp.255-259
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• 2005

본 연구는 1981-1991년 농업과학기술원 라이시미터에서 수집한 결과를 이용하여 집중강우시 경사지 밭토양의 물유출 특성을 구명하였다. $7\~9$월 집중강우시 토양 침투수나 지표 유거수는 농업지역에서 환경으로 물질이 이동하는 주요 경로이며 특히 경사지 밭토양에서 지표 유거수는 토양유실의 주원인 중 하나이기 때문에 이에 대한 이해는 매우 중요하다. 이를 위해 강우량, 지표 유거수량, 지하 침투수량 측정 자료 중 호우주의보가 발령되는 일강우량 80mm이상일 때를 대상으로 하여 토성과 경사도에 따른 강우량과 유거수, 침투수의 관계를 분석하였다. 강우량이 적을 때 강우에 대한 침투수와 유거수의 비율은 강우시 표토의 토양수분함량에 많은 영향을 받는다. 이는 표토의 토양수분함량에 따라 유출 또는 침투 발생 유효강우량이 결정되기 때문이다. 강우량이 적을 때의 유거수량과 침투수량을 판단하기 위해 범용토양유실예측공식(Universal soil loss equation, USLE)에서는 0.5 inch 즉, 12.5 mm 이상의 강우를 유출에 대한 유효강우로 가정하고 있으며 많은 모형에서 토양의 침투속도, 포장용수량, 강우시점의 토양수분함량의 함수로 유출 또는 침투 유효강우량을 산정하고 있다. 그러나 강우량이 클 때는 강우에 대한 침투수와 유거수에 비율에 토양수분함량이 미치는 영향이 비교적 적기 때문에 토양의 수분함량에 대한 고려없이 강우와 침투수, 유거수에 대한 관계를 평가하는 것이 가능하였다. 경사도 $10\%$, 경사장 15m, 피복작물 콩인 양토를 기준으로 할 때 강우량과 침투수의 관계는 $I_{10}(mm)=0.44R(mm)+5.8(r^2=0.55)$이었다. y절이 발생한 이유는 이전 강우에 의해 침투되고 있는 물이 있음을 함축하며 기울기 0.40은 강우의 $40\%$가 지하로 침투하였음을 의미한다. 침투수량은 토성별로 양토를 1.0으로 기준할 때 사양토가 1.12로 가장 컸고, 식양토 0.94, 식토 0.91로 평가되었다. 이는 토성간의 침투속도 및 투수속도의 경향이 반영된 것이다. 경사에 따라서는 경사도가 증가할수록 지수적으로 감소하였으며 $10\% 경사일 때를 기준으로 $I(mm)=I_{10}{\times}1.17{\times}e^{-0.0164s(\%)}$로 나타났다. 같은 조건에서 강우량과 유거수의 관계는 $Ro_{10}(mm)=5.32e^{0.11R(mm)}(r^2=0.69)$로 나타났다. 이는 토양의 투수특성에 따라 강우량 증가에 비례하여 점증하는 침투수와 구분되는 현상이었다. 경사와 토양이 같은 조건에서 나지의 경우 역시 $Ro_{B10}(mm)=20.3e^{0.08R(mm)(r^2=0.84)$로 지수적으로 증가하는 경향을 나타내었다. 유거수량은 토성별로 양토를 1.0으로 기준할 때 사양토가 0.86으로 가장 작았고, 식양토 1.09, 식토 1.15로 평가되어 침투수에 비해 토성별 차이가 크게 나타났다. 이는 토성이 세립질일 수록 유거수의 저항이 작기 때문으로 생각된다. 경사에 따라서는 경사도가 증가할수록 증가하였으며 $10\% 경사일 때를 기준으로 $Ro(mm)=Ro_{10}{\times}0.797{\times}e^{-0.021s(\%)}$로 나타났다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2012.05a
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• pp.171-171
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• 2012

최근 기후변화에 따른 집중호우로 서울을 비롯한 도시의 대규모 침수사태가 빈번히 발생하고 있다. 이러한 재난의 원인으로는 기록적인 집중호우의 영향도 컸지만 도시개발로 인한 불투수성 면적의 증가로 인하여 초기 우수배재가 이루어지지 않은 부분이 대형피해의 원인이 되었다. 본 연구에서는 침투측구의 치수효과분석을 위하여 선행강우 조건 및 50, 100, 150mm/hr의 3가지 강우사상에 대하여 총 23회에 걸쳐 침투측구에 대한 수리실험을 완료하였고, 침투기능이 없는 일반 측구에 대한 실험도 침투측구 수리실험 조건과 동일하게 수행하여 치수효과를 비교 분석하였다. 침투 측구의 치수효과는 총강우량에 대한 총침투량, 총유출량, 유출시작시간, 종기침투능 및 종기침투능에 도달하는 시간 등을 산정하고 선행강우 조건별로 비교 분석하였다. 수리실험결과 가장 작은 강우강도인 50mm/hr 사상에서 측면에 설치된 침투측구의 치수효과가 가장 크게 나타나는 것으로 분석되어. 침투측구의 경우 유출은 선행강우 조건이 없을 경우 일반 측구의 유출발생시간보다 약 53분 후에 발생하였으며, 선행강우 조건이 있을 경우 약 40분후에 발생하였다. 분석된 결과를 토대로 투수성 침투측구에 대한 투수계수별 CN값을 산정하여 침투측구의 실무 적용방안을 논의하였으며, 본 연구의 결과를 이용하여 풍수해저감을 위한 저감대책을 수립하고, 집중호우에 의해 발생되는 초기우수의 저류에 대한 정량적인 효과분석을 기대할 수 있을 것으로 판단된다.

• 한국방재학회:학술대회논문집
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• 2010.02a
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• pp.54.2-54.2
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• 2010

본 연구는 침투시설의 설치위치와 종류에 따른 유출저감효과를 WinSLAMM 모형을 이용하여 분석한 것이다. 본 연구의 대상유역은 Driveway 38%, Residential Area 8%, Parking Storage 8%, Sidewalk 8%, Playground 8%, 투수유역(Landscaped Area) 30%와 같이 토지이용별로 구획된 총면적 $0.25km^2$의 전형적으로 도시화된 가상유역으로 설정하였다. 침투시설 설치에서 중요한 요소 중 하나인 시설의 포화를 고려하기 위하여 10mm/hr~30mm/hr범위의 강우를 적용하였으며, 설치위치와 종류별 침투시설의 정량적인 유출저감효과를 비교하기 위하여 Residential Area, Parking Storage, Playground와 같은 유역내 불투수유역과 유출구에 해당하는 Outfall에 일정한 규모의 침투트렌치와 침투통을 설치하였다. 침투시설은 강우의 크기에 따라 시설의 포화가 진행되며 일정 규모 이상의 강우 발생시 침투기능을 상실하므로 강우의 크기에 맞는 포화시점을 찾아 적절한 규모로 설치해야하고, 경호우에서 유역내의 침투시설의 가용면적을 증가시키면 유출저감효과도 증가하였으나, 강우가 커질수록 상대적으로 가용면적이 큰 유출구와 차이가 없거나 오히려 더 낮은 유출저감효과가 나타나기도 하였다. 또한 설치위치에 침투시설을 비교한 결과, 경호우의 경우 동일한 유출저감효과가 나타났으나, 침투트렌치가 포화에 이루어지기 전까지는 유출저감효과가 더 높았으며, 유출구에서는 침투트렌치가 침투통보다 더 높은 유출저감효과가 나타났다. 침투시설의 병행설치시 경호우에서는 병행설치의 효과가 없었으나 강우강도가 증가할수록 효과가 뚜렷하게 나타났고, 유역내 침투시설의 병행설치시 가용면적을 증가시킬수록 유출저감효과도 증가하여 경호우 이상의 강우에서 병행설치를 고려되어야한다는 결론을 얻었다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2012.05a
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• pp.905-905
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• 2012

현재 도시유역의 홍수피해를 경감시키기 위한 방안으로 우수유출 저감시설에 대한 연구가 활발히 진행 중에 있다. 그러나 침투형 우수유출 저감시설의 경우 침투량 산정에 필요한 여러 인자 중 토성에 의해 저감 능력에 많은 차이를 보이고 있으며, 강우시 침투로 인한 토양내 함수비의 변화와 선행강우 조건 등에 의해 정량적인 분석이 어려워 활용도가 미흡한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 2009년 국립방재연구원에서 시행한 침투실험 자료의 조건과 동일하게 투수계수 및 형상이 다른 두 종류의 투수성 보도블록 A, B와 토양내 선행강우의 유무에 대하여 표 1과 같이 검증 케이스로 구분하고, 4 가지의 강우강도로 모의 조건을 설정한 후 불포화 투수층의 침투해석을 실시하고 실험결과를 이용하여 모의결과에 대한 검증을 시행하였으며, 모의 결과의 검증을 뒷받침하기 위하여 통계적인 적합도를 나타내는 평균제곱오차(RMSE), 평균편차비율(PBIAS), 모형 효율성 계수(NSE), 지속성 모형효율성 계수(PME)을 산정해 보았다. 검증 결과 그림 1과 같이 투수성 보도블록 B의 형태가 투수성 보도블록 A의 형태보다 적합도가 높게 나타났고, 50mm/hr의 강우강도에서 변동성이 크게 나타났으나, 50mm/hr를 제외한 나머지 강우조건에서 양호한 적합도를 보였으며, 선행강우가 있는 조건이 선행강우가 없는 조건에 비해 높은 적합도를 나타내었다.