• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2012년도 학술발표회
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• pp.766-766
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• 2012

최근 진행되고 있는 자연형 하천 조성사업과 관련하여 하천 복원 계획 및 실무에 있어 우선적으로 고려되어야 할 사항은 여러 가지가 있지만, 그 중에서 유역의 복합적인 요인(기후, 지형특성, 수리 수문특성, 식생특성, 유사 특성 등)들에 의하여 영향을 받게 되는 하천의 지형형태학적 측면의 경우에는, 안정 하도 형성에 직접적인 영향을 미치게 되므로 계획의 예비조사 단계서부터 충분한 검토가 이루어져야 함에도 불구하고, 국내에서는 하천 지형형태학적인 측면을 고려한 하천 복원의 연구는 아주 미미한 것이 사실이다. 자연하천 조성에 있어서 획일적으로 직선화된 하천보다 사행화를 유도함으로써 얻어지는 장점들이 더 많지만, 하천설계기준 등에서 제시하고 있는 사행화에 대한 정확한 지침이 부재하여 설계자의 판단에 의하여 사행화를 유도하는 경우가 대부분이다. 사행현상은 유심의 변화가 이루어지기 때문에 전단면에 걸친 수심의 유지가 어렵고, 취수구의 기능저하, 제방의 파괴, 국소세굴에 따른 하천재해 등의 문제가 발생하기도 한다. 자연 상태의 하천형상은 대부분 호우로 인한 홍수로 인하여 자연스럽게 만들어지게 되며, 대부분 사행하천의 형태를 띠게 된다. 자연적으로 형성된 사행하천은 하천 정비시 경제적인 측면을 고려하여 직선화로 계획하는 경우가 많으며, 하천 주변 지형과 토지이용 등의 제약 조건 등으로 인하여 만곡구간을 그대로 두고 하천설계를 계획하는 경우도 있다. 그러나 경제적인 측면만을 고려하여 하천을 직선화하는 것은 상류부 홍수를 하류부로 전가시켜 하류 홍수피해를 가중시키는 결과를 초래하므로 바람직하지 않을 뿐만 아니라 직선화된 수로에서는 하천의 생태계가 제대로 이루어지지 않으므로 하천은 만곡구간을 갖는 것이 바람직하다. 본 연구에서는 자연하천 조성시 하천의 사행화를 유도할 수 있는 방안으로 호안 공법의 적용을 통한 사행화 유도 방법을 제안하였으며, 길이 20m, 폭 2m, 높이 1m의 크기를 갖는 개수로 장치를 이용하여 수리모형실험을 실시하였고, 이동상 실험을 통하여 호안 공법의 배열에 따른 사행화 영향 정도를 분석하였다. 또한, 소프트 백과 같은 유연한 소재뿐만 아니라 돌이나 돌망태와 같은 강성 소재에 대한 사행화 영향을 검토함으로써 다양한 호안기법을 통한 영향범위를 제시하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2006년도 학술발표회 논문집
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• pp.1661-1665
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• 2006

실제 자연하천은 사행의 외측과 내측에 따라서 하도의 단면형이 변화한다. 일반적으로 만곡부의 외측은 수심이 깊어지고, 내측은 얕게 된다. 사행에 따른 이러한 단면의 횡단적 변화는 베타분포에 의해서 설명될 수 있다. 본 연구의 흐름 모의는 주흐름과 이차류의 양상을 살피는 것을 주목적으로 하여, 3차원 수치모의 되었다. 흐름의 3차원 모의는 범용 프로그램인 FLOW-3D 모형을 이용하여 이루어졌으며, LES 방법을 사용하였다. 베타 분포를 이용한 자연수로의 횡단형에 모르타르, 자갈, 식생 등으로 하상이 피복되어 있는 상태를 가정하여 조고를 대입하고, 유량과 수위가 다른 조건에서 3차원 흐름모의를 실시하고, 그 결과를 이용하여 수로내의 주흐름도, 이차류의 형태 등을 정량적으로 분석하였다. 분석 결과, 수로에서의 주흐름은 만곡부의 정점을 약간 지난 지점에서 가장 만곡부 외측으로 치우치는 특성을 확인할 수 있었다. 이차류의 경우에는 흐름이 만곡부 외측 하상 근처에서 회전하고, 이 부근에서의 유속이 가장 큰 값을 나타냄을 확인할 수 있었다. 이를 통해 하상 및 저수호안의 재료가 만곡부 외측에서 침식되어 만곡부 내측에서 퇴적되는 현상을 이해할 수 있을 것으로 생각된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2005년도 학술발표회 논문집
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• pp.976-980
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• 2005

자연하천과 같은 사행수로에서 발생하는 이차류는 흐름 분포를 왜곡시킴으로써, 유사이동, 하상과 제방침식, 하천의 지형변형 등에 매우 큰 영향을 미치게 된다. 또한, 이차류는 주 흐름방향에 수직으로 발생하기 때문에 자연하천에 유입된 오염물의 횡방향 혼합에도 지대한 역할을 한다. 따라서, 본 연구에서는 사행수로에서 이차류의 특성을 정량적으로 분석하고자 중심각이 $120^{\circ}$인 두 개의 만곡부로 이루어진 사행수로에서 실험을 수행하였다. 실험수로는 직사각형 단면과 자연형 단면 두 가지 형태로 제작하였으며, 자연형 단면 하상은 베타함수를 이용하여 제작하였다. 이차류의 정확한 측정을 위해 3차원 유속측정 장치인 micro-ADV를 이용하였다. 실험조건으로는 직사각형 단면과 자연형 단면에서 평균수심과 유량을 달리하여 실험을 총 12회 수행하였다. 실험결과, 직사각형 단면수로에서의 주 흐름의 최대유속선은 수로의 가장 짧은 경로를 따라 발생하였는데, 이는 Shiono와 Muto (1998)의 결과와 일치한다. 자연형 단면 수로에서의 주 흐름은 직사각형 단면 수로에서의 주 흐름 거동과 비슷한 양상을 보였다. 이것은 실제 자연하천 만곡부에서의 주흐름 거동(최대유속선이 최심선을 따라 발생)과는 상이한 결과였다. 그 첫째 원인은 실험수로의 조도가 일반적인 실제하천의 조도를 상사법칙에 맞게 계산한 값보다 작았기 때문이다. 그리고 두 번째 원인은 실험수로의 하폭대 수심비율은 실제하천의 하폭대 수심비율보다 컸기 때문인 것으로 사료된다. 이차류의 정량적인 분석을 위해 각 측정지점별로 횡방향, 수심방향 유속을 그려본 결과, 직사각형 단면에서는 하나의 셀이 존재하는 반면에 자연형 단면에서는 셀이 두개 존재함을 알 수 있었다. 이는 자연하천에서도 발견되는 현상이다. 실제 자연하천에서는 주 셀이 바깥제방 셀보다 큰 형태를 보이지만, 실험수의에서의 셀의 형태는 주 셀보다 바깥제방 셀이 더 크게 발생하는 것으로 밝혀졌다. 이는 앞서 언급한 바와 같이 조도가 작음으로 인한 것으로 판단된다. 이차류 강도를 계산한 결과, 직사각형 단면 수로의 최대값은 두 번째 만곡 유입부지점(U2)에서 가장 크게 나타났으며. 자연형 단면 수로에서 최대값은 두 번째 만곡을 조금 지난 (U4)지점에서 가장 크게 나타났다. 자연형 단면에서는 하폭 대 수심비가 커질수록 이차류강도가 크게 나왔으나, 직사각형 단면에서는 반대로 나왔다. 그리고, 자연형 단면의 이차류 강도는 직사각형 단면보다 크게 나타났다. 특히, 직사각형 단면의 이차류강도는 첫 번째 만곡부분보다 두 번째 만곡부분이 더 크게 나타나는 현상만 보였지만, 자연형 단면의 이차류 강도는 앞서 언급한 특징 외에 만곡부에서 증가하고, 직선부에서 감소하는 주기적인 형태를 보였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2011년도 학술발표회
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• pp.211-211
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• 2011

근래에 들어 환경문제의 사회적 부각과 함께 생태파괴적인 하천 정비 방식에 대한 대안으로 자연형 하천 환경 복원기법에 대한 시험 적용이 활발하게 진행되고 있다. 그러나 하천 복원에 앞서 하천 환경의 상태를 파악하고 진단할 수 있는 방법에 대한 연구가 미흡한 실정이다. 기존에 개발된 하천 질 평가 방법은 수질에 편향된 경향이 있으나 수질의 개선만으로는 생물 다양성의 발생 기반으로서 물리적 구조가 훼손된 상태에서는 생태적 복원의 효과를 달성하기 어렵다. 따라서 하천의 물리적 조건에 의한 구체적이고 비교적 객관적인 평가가 필요하며, 본 연구에서는 상기 평가를 바탕으로 작성된 하천 자연도 평가 지침에 의거하여 곡릉천 하류 일부 구간과 곡릉천의 지류인 벽제천을 대상으로 자연도를 조사하였다. 평가 결과 곡릉천 봉일천교 상류 2km구간의 저수로는 사행을 보였으며, 강변 사주 및 하중도는 없었으나 갈대 등과 같은 저수로변 식생이 있고 흙으로 조성된 인공제방으로 되어 있어 도심지의 정형화된 하천들에 비해 비교적 자연에 가까운 모습을 하고 있었다. 한편 하천 인근에 있는 아파트 등 주거지와 논, 밭 등의 경작지로 인한 오염원 유입 및 자전거 도로와 산책로 등 사람의 접근이 용이한 제외지의 이용으로 동식 물서식처로서의 기능이 저하될 것으로 우려된다. 곡릉천의 지류인 벽제천은 저수로가 사행을 유지하고 하중도와 사주가 형성되어 있으며 여울을 확인할 수 있었다. 하천 인근에 경작지와 제방도로가 있으나 인적이 드물고 차량 통행량이 적어 생태환경 훼손에 대한 우려는 적은 것으로 판단되 었다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2012년도 학술발표회
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• pp.558-558
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• 2012

다수의 자연 하천은 유사 이동과 하안의 침식으로 인하여 사행 하천이 발생한다. 사행 하천에서의 이차류는 원심력, 편수위로 발생하는 중력에 의한 압력차, 그리고 난류로 인하여 발생하는 응력으로 인하여 형성되며 나선형 구조 형태로 표면 유속은 외부로 향하고 하천 바닥의 유속은 안으로 향하게 된다. 이러한 2차류의 형성은 주 흐름의 특성을 변형시킨다. 자연하천에서 2차류는 주 흐름의 15-25%의 크기를 가지고 있으나, 하상의 변화, 유사의 이동 등과 연관되므로 2차류의 영향을 정확히 해석하는 것은 수리학적으로 매우 중요하다. 본 연구에서는 사행수로에서 발생하는 2차류 거동을 수치모의를 통하여 수행하였다. 우선 2차류의 분석을 위하여 실험을 통한 결과물을 비교하였다. 자연 하천의 특성을 반영할 수 있도록 서일원(2006)이 수행한 S-자 형태의 실험 수로의 실험 결과를 분석하였다. 수치 모의를 위하여 3차원 전산유체역학 프로그램을 사용하여 사행수로의 2차원 유속 구조를 모의할 수 있도록 하였다. FLOW-3D 프로그램을 이용하여 실험 결과와 모의 결과를 비교할 수 있도록 하였으며 비교 후 보정을 실시하였다. 모의는 주로 LES (Large Eddy Simulation) 모형을 통해 이루어졌으며, 이를 통하여 실험에서 획득한 결과와 비슷한 유속구조 분포를 확인할 수 있었다. 보정 및 검증 후 수치 모의를 통한 유속 데이터를 이용하여 민감도 분석을 실행하였다. 이후로는 수로의 만곡부, 조도, 수심 등 인공수로의 조건을 변경하여 수치 모의를 수행하였다. 보정된 결과를 이용하여 추가적인 모의를 통한 유속 분포 구조의 비교가 이루어졌다. 이를 통하여 각 조건이 이차류의 크기에 미치는 영향을 확인할 수 있었으며, 모의를 통한 유속분포 결과는 대체적으로 실험을 통한 이차류의 연직분포 구조와 일치하였다.

• 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 2018년도 학술발표회
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• pp.140-140
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• 2018

다수의 자연 하천은 사행의 형태를 가지고 있으며 자연 상태에서의 직선 하천 형태는 비율이 20% 이하이다. 이러한 하천의 사행 형상으로 인하여 편수위 발달, 횡방향 압력의 불균형, 그리고 수심차에 의한 원심력이 발생하여 이차류 흐름이 발생된다. 정확한 이차류 구현을 위해서는 3차원 모형을 사용하는 것이 바람직하나, 3차원 모형의 격자 구성과 사용에서는 상당한 시간 및 노력이 요구되기 때문에 수심적분 2차원 모형을 사용하면서도 이차류의 영향을 구현하기 위한 연구들이 이루어졌다. 본 연구에서는 이러한 이차류의 영향을 2차원 모형으로 구현하고자 하였으며 이를 위해 이차류 연직 분포에 대한 기존 연구를 검토하여 새로운 이차류 공식을 개발하였다. 그리고 한국건설기술연구원 하천실험센터의 실규모 실험을 통해서 이차류 공식에 사용되는 계수를 보정하였다. 이처럼 개발된 식은 이차원 수리해석 모형인 HDM-2D에 적용되었다. HDM-2D는 수심 적분된 2차원 운동량 방정식을 지배방정식으로 사용하는 수리해석모형으로서, 이차류의 영향을 반영하기 위하여 개발한 황방향 유속의 연직분포식을 분산 응력항에 대입하여 이차류에 의한 전단 효과를 구현하였다. HDM-2D 흐름 모의 수행 결과와 하천실험센터 실험결과와 비교하여 이차류 효과가 주 흐름 유속의 분포에 미치는 영향을 확인하였다. 분석 결과, 모의 결과는 실험에서 발생하는 유속의 주 흐름 분포가 바깥쪽으로 편중되는 현상을 적절하게 재현함을 알 수 있었다. 모의 결과를 통해 HDM-2D 모형이 이러한 이차류 영향을 구현할 수 있음을 확인하였으며, 사행수로에서 주 흐름분포의 재분배는 하천 환경에서 유사 이동 및 오염물 이동에 큰 영향을 미칠 것으로 판단된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2010년도 학술발표회
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• pp.694-698
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• 2010

하천의 만곡부에서는 유량에 따라 흐름특성이 달라지고, 하도의 변화가 끊임없이 일어난다. 만곡부의 흐름변화 현상을 파악하기위해 정형화된 하도를 가정하여 개수로 실험을 하거나 수치모형을 이용하여 연구하고 있다. 하지만 실제 자연 하천에 적용한 사례는 많지 않은 실정이다. 본 연구에서는 만곡 자연하천에 대한 흐름특성을 분석하기위해 2차원 수치모의 모형인 CCHE2D 모형을 이용하여 평창강 본류 청령포 만곡부를 모의하였다. 평창강의 계획빈도인 50년, 100년 및 200년 빈도별 확률 홍수량을 적용하여 대상하천을 분석하였다. 모의 결과 유속분포는 만곡부 외측보다 내측에서 유속이 빠르게 나타나며, 최대 유속선은 최단거리에 근접하는 것을 볼 수 있었다. 만곡부 외측에서는 흐름분리가 발생하였으며 와류의 발생을 볼 수 있었다. 또한 홍수시 청령포의 요곡사주부분이 침수되어 침식을 예상할 수 있었다. 본 연구에서는 기존의 개수로 실험 연구와 비교하여 만곡부에 적용 시 불안정한 해석과 계산 결과를 산정하는 2차원 수치모형의 실제 하천에 적용성을 검증하였고, 평창강의 빈도별 홍수량을 모의하여 비교 분석함으로써 홍수시 사행하천의 흐름특성과 침식에 대한 기초자료를 제시하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2010년도 학술발표회
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• pp.248-252
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• 2010

홍수기 호우로 인한 피해는 대부분 하천구역에서 발생되며, 이러한 피해는 인간에게 직 간접적으로 영향을 미치게 된다. 자연 상태의 하천형상은 대부분 호우로 인한 홍수로 인해 자연스럽게 만들어지게 되며, 대부분 사행하천의 형태를 띠게 된다. 사행하천에서의 흐름의 기하학적 특성은 성장이나 사멸, 또는 두 가지 모두의 형태를 보인다. 사행하천에서의 흐름 및 유속 분포는 하천제방 보호, 주운, 취수, 그리고 유사 이동 및 퇴적 패턴과 관련하여 실용적인 관점에서 연구하여야 하는 하천수리학에서는 매우 중요한 주제이다. 그리고 사행하천은 특히 만곡부가 교호적으로 나타나는 곳에서의 흐름구조가 매우 복잡하다. 이러한 사행하천에서는 회전방향이 교호적으로 바뀌는 나선형의 흐름(2차류)이 3차원적으로 발생하는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 사행하천이 많은 국내 하천특성을 고려하여, 하천 만곡부에서의 흐름특성을 분석하고자 하였으며 2차원 CCHE2D 와 3차원 FLOW3D 모형을 적용하였으며 가상 하도에 대하여 수리모형 실험의 실측치와 비교하여 모형의 정확성과 안정성을 검증하였다. 그리고 남강댐 하류에 대하여 만곡부의 흐름특성(유속 분포 및 최대유속경로, 수위분포, 2차류 거동, 편수위, 전단응력 분포 등)을 분석함으로써, 하천 만곡부에서의 수리적 특성을 보다 정확하게 제시하고자 한다. 모의 분석결과 동일 하도에 대하여 유량을 변동시킬 경우, 유량이 증가할수록 만곡부에서의 수리영향이 더욱 뚜렷해짐을 알 수 있었고 2차원 모형보다 3차원모형의 결과의 정확도가 더 높은 것으로 분석되었다. 곡률반경이 1,300~1,600 정도인 실제하천에 적용한 결과, 수위의 경우 2차원 결과가 3차원 결과보다 최대 3%정도 수위가 높은 것으로 나타났으며, 또한, 상관계수가 평균 0.91의 값을 보이고 있어 2차원모형과 3차원모형의 결과가 비교적 잘 일치하는 것으로 분석되었다. 흐름 분석을 통해서 만곡부에서의 최대유속은 최정점(apex)에서 보다는 오히려 최정점 이전 하도의 내측에서 발생하였으며, 정점에서의 종단유속은 감소하지만 횡단유속은 오히려 크게 증가하는 경향을 보이고 있었다. 따라서 하천설계시 사행하천의 제방 안정성 확보를 위하여 종단유속 뿐만 아니라 횡단유속 또한 고려할 필요가 있음을 확인하였다. 또한 남강댐 하류 만곡부에서의 내측 및 외측의 수위를 분석한 결과, 제방 외측의 수위가 평균수위에 비해 최대 약 37cm정도 증가하는 것으로 분석되었다. 따라서 만곡부에 대한 하천제방설계시 좌, 우안의 여유고를 일률적으로 적용하기 보다는 만곡에 따른 흐름특성을 분석하여 설계에 적용하여야 안정성 및 경제성을 동시에 확보할 수 있을 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.