• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2015년도 학술발표회
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• pp.168-168
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• 2015

자연하천의 주요한 특징 중 하나인 하천의 사행은 직선수로에서 예측되는 유속분포를 왜곡시키며 매우 복잡한 흐름구조를 형성한다. 이는 하상 경계면에서 발생하는 전단응력 분포의 변화를 야기하는데 하상 경계면에서의 전단응력은 다양한 경험적 관계에 의존하는 유사이동의 한계 소류력 산정 및 오염물질 거동해석의 분산계수 산정에 많은 영향을 미치게 된다. 물리적인 관측을 통한 하상 경계면에서의 전단응력의 관측은 다소 제한적이며 많은 비용을 요구한다. 따라서 하상 경계면에서 발생하는 전단응력의 경우 수심의 20% 이하의 연직 유속분포를 벽법칙에 적용하여 추정하는 방법이 주로 이루어지고 있다. 벽법칙을 이용한 하상 경계면의 전단응력을 계산하는 경우 대수중복층의 유속 분포 $u/u^*=(1/{\kappa})ln(zu^*/{\nu})+B$에서 무차원상수 ${\kappa}$와 B의 적절한 추정이 요구되어 진다. 일반적으로 무차원상수 ${\kappa}$와 B는 수리학적으로 매끄러운 벽면에서 대략 ${\kappa}=0.4$, B=5.5로서 경험적으로 이용되고 있다. 본 연구에서는 직선수로 및 다양한 사행수로의 3차원 흐름장 모의를 수행하여 벽법칙의 대수 중복층을 따르는 주흐름 방향 유속의 연직분포를 비교하였다. 수치모의 소프트웨어로서 Linux 기반의 OpenFOAM이 사용되었으며 모델의 검증을 위해 Chang(1971)에 의해 수행 된 사행수로에서의 유속장 관측 결과와 비교하였고 수치모의 결과가 실험 관측치와 잘 일치하는 것으로 판단되었다. 수치모의에 적용 된 사행수로의 형상은 Hey(1976)에 의해 제안 된 사행하천의 지형학적 인자들 간에 관계를 이용하여 사행도 1.03에서 2.42까지 총 7개의 사행수로 지형을 생성하였다. 사행도의 변화에 따라 만곡부 정점에서 대수중복층 구간의 주흐름 방향 유속의 연직분포를 비교한 결과, 본 연구에서 생성 된 모든 사행수로에서 대수중복층 구간의 무차원 유속 $u^+$와 무차원 거리 $z^+$가 로그 분포를 따르는 것으로 나타났으나 경험적으로 사용되었던 무차원상수 B의 경우 사행도가 증가 할수록 대수적으로 감소하는 경향이 나타났다. 본 연구에서는 이러한 관계가 무차원 상수 B값에 미치는 영향을 반영하여 수리학적으로 매끄러운 벽면에서 적용이 가능한 수정된 대수중복층 식을 제시하고자 한다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2015년도 학술발표회
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• pp.42-42
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• 2015

사행수로에서의 원심력은 비선형적인 압력분포를 야기하여 이차류, 편수위 등과 같은 불규칙하고 복잡한 흐름을 발생시킨다. 일반적으로 이들 흐름은 난류이고 매우 3차원적이며 자유수면과의 상호작용이 중요한 역할을 할 수도 있다. 환경, 유사이동, 지형 변화와 관련된 환경 수리학적 관점에서 사행수로에서의 흐름을 이해하고 설계하기 위해서는 이러한 복잡한 3차원 흐름을 정확하게 계산하는 것이 매우 중요하다. 이 연구에서는 유한차분법에 근거한 3차원 흐름해석 모형을 이용하여 사행수로에서의 난류 흐름을 모의하고자 한다. 지배방정식은 3차원 비정상 RANS(Reynolds averaged Navier-Stokes) 방정식이며, 난류 해석을 위해서 공학적으로 널리 이용되고 있는 난류 모형 중 k-omega 모형을 이용한다. 수치모형은 시간과 공간에 대해서 2차 정확도의 이산화 기법을 적용한다. 자유수면의 변동은 이상(two-phase) VOF (volume of fluid) 기법을 이용하여 계산한다. 수치모형의 적용 대상은 기존 문헌에서 제시되어 있는 키노시타 사인곡선을 이용하여 만든 폭 60cm의 사행수로에서 후르드수 0.23 그리고 레이놀즈수 41,700의 조건에서 발생시킨 난류 흐름이다. 적용한 난류모형들을 이용하여 해석한 결과들을 유속벡터분포와 수위의 항으로 비교분석하여 사행수로에서 발생되는 이차류와 편수위 변화 재현에 대한 수치모형의 적용성을 평가하고 각 난류모형들의 특성을 제시한다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2015년도 학술발표회
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• pp.170-170
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• 2015

우리나라는 매년 하절기에 급격한 강우로 인해 홍수의 발생빈도가 급격히 높아지고 있다. 이러한 홍수 발생으로 인한 재산 인명의 피해는 연평균 약 2조억원에 달하고 있다. 이러한 홍수 피해를 방지하기 위해 다양한 연구를 하고 있으며 본 연구에서는 홍수 흐름의 정확한 예측을 통해 홍수 피해 저감을 목표로 하고 있다. 기존의 연구에서는 홍수 흐름 예측을 하는데 있어 부정류 상태로 흐르는 홍수량에 따른 범람의 위치와 범위를 산정하는 것에 중점을 두었다. 그러나 홍수의 흐름은 물에 토사가 섞여 흐르는 혼합체의 흐름이기 때문에 홍수위 모의하는데 있어 물성치도 고려되어야 한다. 이러한 물성치 변화에 따라 홍수 흐름도 영향을 받을 것이라 생각하여 본 연구를 수행하였다. 본 연구에서 Non-Newtonian 특성을 고려하기 위해 Non-Newtonian 흐름과 일반적인 홍수 모의가 가능한 수치모형을 사용하였다. 사전 연구로 일반 사행수로 형태를 구성하고 사행수로에서의 흐름 물질을 달리하여 흐름 모의를 수행하였다. 흐름물질은 크게 물과 토석류로 나뉘고 토석류는 항복응력과 점성 등을 달리하였다. 또한 다양한 유량으로 흐름 모의를 하여 흐름 범람 시의 특징도 비교해 볼 수 있었다. 모의 결과 사행수로에서 흐름의 차이를 볼 수 있었으며 다양한 형태로 결과를 분석해 보았다. 흐름의 속도와 수심을 다양한 흐름 단면으로 비교하였고 범람되는 지역의 범위와 위치도 비교해 볼 수 있었다. 이러한 흐름 특성은 사행수로에서 곡률이 있는 부분에서 확실하게 확인할 수 있었으며, 홍수 흐름을 모의할 때 Non-Newtonian 특성과 같이 흐름에 영향을 미칠 수 있는 다른 특성에 대해도 고려해야 한다는 연구 가능성을 제시할 수 있었다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2015년도 학술발표회
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• pp.339-339
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• 2015

우리나라는 매년 하절기에 급격한 강우로 인해 홍수의 발생빈도가 급격히 높아지고 있다. 이러한 홍수 발생으로 인한 재산 인명의 피해는 연평균 약 2조억원에 달하고 있다. 이러한 홍수 피해를 방지하기 위해 다양한 연구를 하고 있으며 본 연구에서는 홍수 흐름의 정확한 예측을 통해 홍수 피해 저감을 목표로 하고 있다. 기존의 연구에서는 홍수 흐름 예측을 하는데 있어 부정류 상태로 흐르는 홍수량에 따른 범람의 위치와 범위를 산정하는 것에 중점을 두었다. 그러나 홍수의 흐름은 물에 토사가 섞여 흐르는 혼합체의 흐름이기 때문에 홍수위 모의하는데 있어 물성치도 고려되어야 한다. 이러한 물성치 변화에 따라 홍수 흐름도 영향을 받을 것이라 생각하여 본 연구를 수행하였다. 본 연구에서 Non-Newtonian 특성을 고려하기 위해 Non-Newtonian 흐름과 일반적인 홍수 모의가 가능한 수치모형을 사용하였다. 사전 연구로 일반 사행수로 형태를 구성하고 사행수로에서의 흐름 물질을 달리하여 흐름 모의를 수행하였다. 흐름물질은 크게 물과 토석류로 나뉘고 토석류는 항복응력과 점성 등을 달리하였다. 또한 다양한 유량으로 흐름 모의를 하여 흐름 범람 시의 특징도 비교해 볼 수 있었다. 모의 결과 사행수로에서 흐름의 차이를 볼 수 있었으며 다양한 형태로 결과를 분석해 보았다. 흐름의 속도와 수심을 다양한 흐름 단면으로 비교하였고 범람되는 지역의 범위와 위치도 비교해 볼 수 있었다. 이러한 흐름 특성은 사행수로에서 곡률이 있는 부분에서 확실하게 확인할 수 있었으며, 홍수 흐름을 모의할 때 Non-Newtonian 특성과 같이 흐름에 영향을 미칠 수 있는 다른 특성에 대해도 고려해야 한다는 연구 가능성을 제시할 수 있었다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2018년도 학술발표회
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• pp.229-233
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• 2018

사행하천 만곡부에서는 원심력에 의한 편수위와 2차류 현상 등 흐름에 변화가 생긴다. 2차류는 흐름의 유속구조를 변화시키고 횡방향 흐름을 만곡의 외측부로 이동시키며, 유사이송, 제방침식, 하상변동 등에 영향을 미친다. 따라서 사행하천 만곡부에서 수치모의 시에 2차류에 하도변화를 연구한는 것은 매우 중요하다. 따라서 본 연구에서는 2차원 수치모형인 Nays2DH를 이용하여 Kinoshita 사행하도(Kinoshita Meandering Channel)에서 2차류와 사행도가 흐름에 미치는 영향을 모의하였다. 2차류 강도가 증가함에 따라, 만곡부 외측에서 수심이 증가하고, 흐름의 방향이 만곡부 외측으로 편향되어 유속이 증가하였다. 만곡부 내측에서는 유속이 감소하고, 와도가 증가하였다. 하상변동 분석 결과, 2차류 강도가 증가함에 따라, 만곡부 내측에서 하상고가 상승하며, 변화 폭이 증가하였다. 만곡부 외측에서 하상이 깊게 세굴되고 세굴심이 하류로 이동하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2020년도 학술발표회
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• pp.56-56
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• 2020

하도식생은 흐름과 유사의 이송에 영향을 주고, 하도의 지형변화를 일으키는데 중요한 역할을 하다. 하도 식생의 밀도가 증가하면, 하안의 안정성이 증가하고 하안침식이 감소하며, 사주의 형상과 거동에 영향을 준다. 또한 하천의 사행발달 및 하천의 지형변화에 영향을 준다. 식생의 성장과 밀도는 홍수 및 하상변동에 의하여 영향을 받으며, 이는 흐름 및 하천의 지형에 영향을 준다. 따라서 본 연구에서는 하도식생에 의한 사행하천의 발달과정을 2차원 수치모형을 적용하여 분석하였다. 하도식생의 생의 성장과 소멸과정을 고려하여 식생밀도를 고려하여 사행하천의 변화 과정을 분석하였다. 초기에 하안침식이 발생하고, 하폭이 증가하였다. 특히, 흐름이 집중되는 만곡부에서 하안침식이 증가하며, 하도의 사행도가 증가하였다(Fig.1(b)). 시간이 증가하면서 만곡부 내측에서 고정사주 내측에서 scroll bar가 발달하며, 만곡부 외측에서는 하안침식이 발생하고, 사행도가 증가하였다. 또한 식생의 침수시간이 감소하고 식생의 성장률은 증가하였다(Fig.1(c)). 식생의 밀도가 증가함에 따라 사행도는 증가하였다. 식생의 밀도가 증가함에 따라,

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2006년도 학술발표회 논문집
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• pp.430-435
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• 2006

사행수로에서 만곡양상에 따라 변화하는 2차류의 연직 및 흐름방향 분포를 이론적으로 예측하기 위해 Odgaard (1986) 및 Chang (1988)의 제안을 바탕으로 새로운 이론식을 유도하였다. 개발된 이론식은 2차류의 횡방향 유속을 주 흐름 및 연직방향의 함수로 표현한다. 이를 검증하기 위해 실험실에 사행도가 각기 다른 두 개의 사행수로를 제작하여 수리실험을 수행하였다. 수리실험결과를 제안된 이론식 및 기존 식과 비교해 보면, 제안된 식은 실측치에 잘 일치하는 반면 기존 식은 과대 산정하는 경향이 있었다. 제안된 이론식을 통해 수리량이 변화는 경우 2차류가 어떻게 변하는지를 확인해 본 결과, 사행도, 조도, 하폭 대 수심비가 클수록 2차류는 증가하였다. 또한 조도 및 하폭 대 수심비의 변화에 따라 2차류의 흐름방향 분포가 민감하게 반응하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2020년도 학술발표회
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• pp.306-306
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• 2020

횡월류위어(side weir)는 하천의 수위가 한계수위 이상으로 상승할 경우 본류로부터 저류지나 분수로(distributary channel)로 흐름을 전환하기 위하여 사용하는 수공구조물로 강변저류지나 off-line저류지의 유입부에 흐름방향과 평행하게 설치되어 유량관리 및 전환, 홍수통제, 에너지 소산, 수위조절, 일정 유량의 취수 및 분배, 초과 홍수량의 전환 등의 목적으로 이용되는 구조물이다. 횡월류 위어의 월류 흐름은 일반위어와 같이 위어마루부 직각방향으로 흐르지 않고 본류 흐름특성에 따라 비스듬하게 유입된다. 이러한 흐름특성으로 횡월류위어 월류량은 본류의 하폭, 흐름특성, 위어길이 및 설치위치 등에 따라 각기 다르게 산정된다. 현재 국내에서 진행된 횡월류위어 흐름특성에 관련된 연구는 대부분 직선수로에 집중되어 있으며 사행하천의 흐름특성에 따른 연구는 부족한 실정이다. 금회 연구에서는 3차원 상용프로그램인 FLOW-3D를 이용하여 사행하천구간 유입부 설치위치 특성에 따른 횡월류 위어 유입흐름 특성을 분석하였다. 사행하천 구간 횡월류위어 설치위치에 따른 3차원 흐름해석을 위해 AUTO CAD 프로그램을 이용하여 수로길이 30m, 수로폭 2m의 구형 사행수로를 구성하였고, 횡월류위어 유입부 위치를 20°~120°로 변화시키며 수치모형실험을 수행하였다. 해석결과 수로흐름은 유입부 설치각이 작을수록 상·하류 수위차가 작아지며 유속이 감소하며 설치위치각이 클수록 수로내 평균유속은 증가하는 것으로 확인되었다. 유입부 설치각이 작을수록 방류량이 증가하여 수로내 흐름분리현상 증가하였고 이로인한 지체현상이 발생하는 것으로 확인되었다. 본 연구로 사행하천구간에 횡월류위어가 설치된 경우, 월류량과 수리학적 흐름특성을 해석할 때 3차원 수치모형실험이 유용한 해석도구로 이용될 수 있음이 확인되었다. 이후 수치모형실험이 수공구조물 설계 및 해석 시 참고자료로 이용 가능할 것으로 사료된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2021년도 학술발표회
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• pp.250-250
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• 2021

횡월류위어(side weir)는 하천의 수위가 한계수위 이상으로 상승할 경우 본류로부터 저류지나 분수로(distributary channel)로 흐름을 전환하기 위하여 사용하는 수공구조물로 강변저류지나 off-line저류지의 유입부에 흐름방향과 평행하게 설치되어 유량관리 및 전환, 홍수통제, 에너지 소산, 수위조절, 일정 유량의 취수 및 분배, 초과 홍수량의 전환 등의 목적으로 이용되는 구조물이다. 횡월류 위어의 월류 흐름은 일반위어와 같이 위어마루부 직각방향으로 흐르지 않고 본류 흐름특성에 따라 비스듬하게 유입된다. 이러한 흐름특성으로 횡월류위어 월류량은 본류의 하폭, 흐름특성, 위어길이 및 설치위치 등에 따라 각기 다르게 산정된다. 현재 국내에서 진행된 횡월류위어 흐름특성에 관련된 연구는 대부분 직선수로에 집중되어 있으며 사행하천의 흐름특성에 따른 연구는 부족한 실정이다. 금회 연구에서는 3차원 상용프로그램인 FLOW-3D를 이용하여 사행하천구간 유입부 설치위치 특성에 따른 횡월류 위어 유입흐름 특성을 분석하였다. 사행하천 구간 횡월류위어 설치위치에 따른 3차원 흐름해석을 위해 AUTO CAD 프로그램을 이용하여 수로길이 30m, 수로폭 2m의 구형 사행수로를 구성하였고, 횡월류위어 유입부 위치를 20°~120°로 변화시키며 수치모형실험을 수행하였다. 해석결과 수로흐름은 유입부 설치각이 작을수록 상·하류 수위차가 작아지며 유속이 감소하며 설치위치각이 클수록 수로내 평균유속은 증가하는 것으로 확인되었다. 유입부 설치각이 작을수록 방류량이 증가하여 수로내 흐름분리현상 증가하였고 이로인한 지체현상이 발생하는 것으로 확인되었다. 본 연구로 사행하천구간에 횡월류위어가 설치된 경우, 월류량과 수리학적 흐름특성을 해석할 때 3차원 수치모형실험이 유용한 해석도구로 이용될 수 있음이 확인되었다. 이후 수치모형실험이 수공구조물 설계 및 해석 시 참고자료로 이용가능할 것으로 사료된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2008년도 학술발표회 논문집
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• pp.1594-1598
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• 2008

자연하천에서의 형상은 직류하천보다는 어느 정도 만곡이 있는 사행하천이다. 이러한 만곡부가 교호적으로 나타나는 사행하천의 흐름구조는 매우 복잡하며, 이차류가 발생하는 만곡부에서 직류하천에서 예상되는 흐름분포를 왜곡시킴으로써, 유사의 이동, 횡방향의 유속분포가 다르게 나타난다. 이러한 만곡부의 흐름 특성은 만곡부 외측에 측방세굴과 수면교란, 그리고 수위를 상승시키며, 에너지 손실을 가져온다. 일반적으로 사행하천의 만곡부 외측에는 소(pool)가 발달되고, 내측에는 이차류에 의해 강턱 퇴적을 유발함으로써 점 사주(point bar)가 형성된다(우효섭, 2001). 본 연구에서는 사행하천이 비교적 발달한 섬진강 상류 덕치지구 구간에 대하여 2차원 수치모형인 RMA-2 모형을 이용하여 만곡부의 흐름특성을 분석하였다. 분석한 결과 유속의 분포는 만곡부 상류부에서 최대 흐름의 구역이 나타났으며, 만곡부에서는 흐름의 편향구역과 정체구역, 그리고 만곡부 하류부에서 에너지 손실이 일어난 후 흐름의 회복구역으로 흐름의 특성을 나타났다. 또한 수위의 분포는 상류부에서 점차적으로 수위가 감소하다가 만곡부에서 수위가 상승하였고 만곡부가 끝나는 하류부에서의 수위는 감소하였다. 만곡부에서의 횡적인 수위 분포는 만곡부의 외측이 내측보다 수위가 상승되는 것으로 나타났다. 본 연구에서 2차원 수치모형인 RMA-2 모형을 이용한 만곡부의 흐름 특성은 만곡부에서의 홍수위 상승에 대한 검토로서 하천의 바람직한 치수관리 방안에 효과적으로 이용될 수 있을 것으로 판단된다.