• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2015년도 학술발표회
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• pp.384-384
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• 2015

우리나라에 처음으로 건설된 경인운하는 한강과 서해를 잇는 길이 18km로 건설되었다. 이로 인해 한강과 서해에서 해수와 담수가 유입되고 유출되면서 매우 복잡한 수체 거동특성을 나타내고 있다. 특히 서해에서의 유입은 조위로 인해 유입량이 매일 변화하며 해수와 담수 간 비중차이로 인해 수심에 따른 거동특성도 상이하다. 따라서 본 연구에서는 수체거동특성을 조사하여 유수소통을 통한 수질관리에 활용하고자 한다. 수체의 거동을 조사하는 방법으로는 순간적인 유속을 조사하는 방법과 장기간 거동을 조사하는 방법이 있는데 본 조사에서는 부이를 이용하여 장기간 수체의 거동을 조사하였으며, 이 결과를 활용하여 EFDC모델을 적용한 모의를 실시하였다. 수체 거동조사는 2013년과 2014년에 걸쳐 주요지점에서 수심별로 수행하였다. 2014년 2월 18일에 아라마루 지점에서 수심 1m와 3m 지점에서 조사를 실시하였다. 이 기간 중 한강의 유입량은 최소 $5.2m^3/sec$, 최대 $14.2m^3/sec$을 나타냈고, 서해 유입량은 갑문의 유입과 배수문의 유출입량을 더하여 최대 $274.6m^3/sec$를 나타냈으며, 서해 유출량은 $136.9m^3/sec$으로 나타났다. 수심 1 m에서는 해수의 유입과 유출량에 의해 뚜렷한 유속의 변화를 확인할 수 있으며, 유출시 최대 유속은 38.5 cm/sec이고, 유입시 최대 유속은 49.3 cm/sec로 나타났다. 수심 3 m에서는 해수의 유입과 유출량에 의해 뚜렷한 유속의 변화를 확인할 수 있으며, 유출시 최대 유속은 34.4 cm/sec이고, 유입 시 최대 유속은 40.0cm/sec로 나타났다. 다양한 상황에 대한 운하수체의 유속 특성을 산정하기 위하여 수리모델을 적용하여 모의를 실시하였으며 한강에서 유입된 수체가 서해에 도달하는 시간을 산정해 보았다. 모의 조건은 2014년 5월 12일부터 22일까지의 유량조건을 경계조건으로 하였으며, particle tracking의 시작지점은 경인아라뱃길 김포터미널 지점 표층 1m를 대상으로 하였다. 모의 결과 김포터미널의 수체가 인천갑문에 도달 하는데 약 6.3일이 소요되는 것으로 산정되었다. 이는 유출입량 변화에 따라 달라지므로 향후 보다 다양한 조건에서 모의를 실시하여 수질관리에 활용할 수 있는 다양한 자료를 제공할 수 있을 것으로 판단되었다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2011년도 학술발표회
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• pp.84-84
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• 2011

저수지에서 수체의 거동정보는 저수지관리를 위해 매우 중요하며, 이를 수리 및 수질모형에 적용하여 다양한 예측에 활용할 수 있는 기본적인 정보이다. 그러나 저수지 수체의 흐름은 매우 느리고 조사시기에 따라 혹은 수심에 따라 영향을 받으며, 바람 등 외부요인에도 영향을 받게 됨으로 정확한 측정에 많은 어려운 문제가 있다. 따라서 보다 정확한 측정을 위해서는 최신의 기술이 적용되어야 한다. 현장조사에 적용한 저수지 수체거동조사장비(drifter)는 수체의 유동을 관측하는 장치로 GPS 및 Drogue를 장착한 장치가 저수지 수체의 흐름에 따라 이동하면서 위치정보를 무선통신으로 실시간 전송할 수 있도록 만들어진 장치이다. 수체흐름 측정장치는 크게 수체거동정보 생산부이 시스템과 수집서버 및 데이터베이스 서버로 구성되어 있다. 현장 조사시에는 부이에 장착되어 있는 GPS를 통해 현재의 위치가 매번 정해진 시간 간격마다 본체 내부의 메모리에 저장되며, 측정자가 설정한 시간간격으로 위치정보를 수신국으로 전송하도록 구성되어 있다. 수체이동부이의 데이터 수신은 CDMA를 통해 송신된 메일 데이터를 자체적으로 수집하여 데이터형태로 변환한 뒤 실시간으로 표출하고 저장되며, 최대 10개의 부이를 동시에 추적 및 모니터링할 수 있게 구성되어 있다. 본 연구는 용담댐저수지에서 평갈수기 및 풍수기로 구분하여 수체거동을 조사하였다. 평갈수기 조사는 2010년 4월부터 6월까지 총 3차례에 걸쳐 실시하였으며, 풍수기 조사는 8월에 3차례에 걸쳐 실시하였다. 수집된 자료에 의하면 평갈수기 drifter의 평균 속도는 2.25 cm/sec, 최고 속도는 3.46 cm/sec, 최저 속도는 1.15 cm/sec로 나타났으며, 풍수기 조사에서는 평균 속도 2.0 cm/sec, 최고 속도는 2.5 cm/sec, 최저 속도는 1.29 cm/sec로 조사되어 평갈수기와 풍수기간 저수지 수체의 이동속도는 유사한 것으로 평가되었다. 그러나 수기별 조사는 보다 더 많은 정보가 필요하며, 수심에 따른 차이도 있을 것으로 판단되어 좀더 다양한 조사가 수행되어야 보다 정확한 결과를 도출할수 있을 것으로 판단된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2009년도 학술발표회 초록집
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• pp.924-928
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• 2009

국내의 다목적댐 저수지는 물이 흐르는 하천에 용수공급, 홍수조절 및 수력발전을 위해 만든 구조물로 형성된 저류상태를 의미한다. 이러한 수체의 유동에 영향을 미치는 가장 중요한 요소로는 유입수와 저수지에서 하천으로 방류되는 방류수이므로 본 연구에서는 유입수와 방류수에 의한 수체의 유동만을 고려하였다. 대상지는 용담댐 유역중 취수탑이 있는 지점으로 길이는 약 1,250m이고 폭은 평균 375m 정도의 크기를 갖고 있는 지형이다. 대상 지역에서 저수지 수체의 흐름특성을 평가하기 위해 SMS-RMA2 모형을 적용하였으며 용담댐 저수지 구역에 대한 1m 간격의 등고선을 가지고 대상지역에 대하여 격자를 구성하였다. 격자 크기는 평균 길이 방향으로 43m, 폭 방향으로 15m 크기로 구성하였으며 유속이 상대적으로 빠른 취수탑 부근은 좀더 세밀하게 구성하였다. 4년간 수문자료를 분석하여 이 지역의 흐름을 년중 크게 3가지로 구분하였다. 수체거동이 급변하는 여름 강우기 후에 저수지에 물이 풍부한 경우의 흐름, 봄철 저수지 물이 풍부하지 않은 상태에서 주자천으로 부터의 유입은 최하인 상태의 경우 그리고 강우기에 짧은 기간 나타나는 주자천 위주 흐름의 경우로 구분하여 모의하였다. 각각의 경우 전체적인 흐름장은 확연히 다르게 나타났으며 이런 결과로 볼 때 수체의 흐름은 상하류의 유입량 변화에 따라 항상 흐름은 변화하는 것으로 평가되었으나, 저수지 수체의 흐름 속도는 모두 0.05$^{\sim}$1.5cm/sec 정도로 모의된 것은 수체적 대비 방류량이 적어서 나타나는 현상으로 평가되었다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2019년도 학술발표회
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• pp.106-106
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• 2019

많은 도심의 하천들은 오염물질의 유입에 취약하다. 최근 신소재 공학 등 첨단산업이 발전하게 되면서 유해화학물질의 유입문제는 더욱 대두되고 있으며, 실제로 최근 유해화학물질 유입사고 발생건수가 늘어나고 있다. 특히 국내 취수량의 90%는 지표수에서 취수하고 있어, 하천오염사고는 직접적인 피해로 이어지게 된다. 따라서 이러한 사고에 대응하기 위하여 수환경에 유입된 유해물질의 거동 매커니즘을 반영한 수질해석이 필요하다. 수체 내에 유입된 유해화학물질은 기본적으로 흐름에 따른 이송 확산을 하며 흡 탈착, 휘발, 침전 부유, 생화학 반응과 같은 다양한 반응과 함께 혼합거동을 한다. 특히 소수성물질의 경우 용해된 상태뿐만 아니라, 유사에 흡착된 상태로 수체에 존재하게 된다. 결국 유해화학물질의 거동을 해석하기 위해서는 유체의 흐름 해석뿐만 아니라 수체에 존재하는 유사의 이송 또한 해석해야한다. 본 연구에서는 흐름해석을 위하여 서울대에서 개발한 흐름모형(HDM-2D)을 사용하였으며, 부유사 거동모의를 위해 부유사거동모형(STM-2D)을 개발하였다. 또한 유해화학물질의 거동모의를 위해 서울대에서 개발한 수질모형(CTM-2D)에 생성/소멸항을 추가하였으며 흐름모형과 부유사모형과의 연계를 통해 유해화학물질의 혼합거동 수치모형을 개발하였다. 각 반응항(흡 탈착, 휘발, 침전 부유, 생화학 반응)을 수치모형에 반영 시에는 보통 두 계(물-토양, 물-공기) 사이의 선형 물질교환으로 이해된다. 따라서 물질의 각 반응 별 평형농도와 물질교환속도계수를 추정식을 통해 산정하여 사용하게 된다. 하지만 각 기작이 반영유무에 따라 계산시간 및 필요입력변수가 늘어나게 되므로, 유해화학물질 유입사고와 같은 빠른 대처가 필요한 경우 각 반응 텀의 유의성을 판단하여 모형에 반영여부를 결정을 통해 경제적인 모의를 할 수 있어야 한다. 이에 따라 본 연구에서는 개발된 모형의 각 매개변수들의 민감도를 분석하고, 흐름조건 및 물질의 특성에 따른 반응항의 유의성을 판단하였다. 본 연구에서는 개발된 모형(부유사거동모형, 유해화학물질의 혼합거동모형)은 해석해 및 현장 데이터와 비교검증을 통해 개발을 완료하였으며, 각 반응항의 민감도 분석을 통해 매개변수의 임계값을 결정하였다.

• 한국해양환경ㆍ에너지학회지
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• 제13권1호
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• pp.30-42
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• 2010

빈산소 수체 거동에 미치는 내부파의 영향을 유체정역학-생태계 결합 모델을 기반으로 하는 수치해석을 이용하여 일본 비와호에 적용하여 고찰하였다. 수치모델은 유체정역학 부 모델과 생태계 부 모델로 이루어져 있고, 3년간의 예비 수치모사를 수행한 후 2007년 4월에서 2008년 3월까지의 기간에 대해 본 수치해석이 이루어졌다. 수치해석의 결과는 계측된 수질의 수직적 구조를 재현하였고, 2007년 9월 30일에서 10월 21일까지의 기간에 나타난 주된 내부파는 켈빈파와 포앙카레파로서 그 주기는 각각 1.63 또는 1.77일이고 0.48일 이었다. 10월 중에 나타난 저층의 빈산소 수체는 상층에 수온약층이 형성된 기간 동안 유지되었다. 늦가을에서 겨울 동안은 수체의 상부와 하부간의 밀도차이가 줄어들고 내부파의 진폭은 증가된다. 빈산소 수체가 내부파의 영향으로 이동을 시작하게 되고, 이 빈산소 수체의 이동으로 깊은 수심의 수생생물 서식지가 감소하게 된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2022년도 학술발표회
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• pp.171-171
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• 2022

난류 수체에서 관성입자의 침강속도는 정지 수체에서보다 빠르고, 그 침강속도의 증가비율은 입자의 관성력과 난류의 길이 스케일에 큰 영향을 받는다고 알려져 있다(Wang and Maxey, 1993; Yang and Shy, 2003; Wang et al., 2018). 본 연구에서는 개수로 흐름에서 난류의 영향을 받는 관성입자의 침강속도를 측정하고, 정지 상태의 침강속도에 대한 침강속도의 증가비율과 난류 인자의연관성에 대해 조사하였다. 실험에 사용된 관성입자는 비중 1.35, 직경 300 ㎛에서 2000 ㎛까지의 구형 플라스틱(PE; polyethylene) 입자이며, 해당 입자들의 침강속도는 PTV(particle tracking velocimetry) 방식을 통해 측정하였다. 그리고 PIV(particle image velocimetry) 기법을 통해, 개수로 흐름의 난류 에너지 소산율(energy dissipation rate, ϵ)과 그에 따른 Kolomogorov 길이 스케일을 측정하였다. 실험 결과, 모든 직경 조건에서 플라스틱 입자는 난류 흐름에서의 침강속도가 정지 수체에서의 침강속도보다 빠름을 보였으며, 그 비율은 입자 직경이 난류의 길이 스케일과 유사하거나 작아질 때 큰 폭으로 증가하는 것을 확인하였다. 또한 유체 내에서의 관성입자의 거동에 대한 이론식과 비교하여 관성입자의 침강에 미치는 여러 힘들의 상대적 관계를 파악하였다. 본 연구의 결과는 자연 수체에서 미세플라스틱의 거동을 이해하는데 도움이 될 것으로 기대된다.

• Ecology and Resilient Infrastructure
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• 제5권1호
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• pp.19-24
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• 2018

하천에 유입된 오염물질은 다양한 환경 조건에 의하여 수체 및 퇴적물의 상호작용에 따라 수체의 수질에 영향을 미친다. 특히 최근 수체의 수리학적 체류시간이 상대적으로 긴 정체수역 내에서는 퇴적물의 축적량이 증가하고 있어 퇴적물과 수체 내에서의 물질적 거동특성 파악은 중요한 수질적 관점 요소이다. 본 연구에서는 하천 내 pH, 이온종류 및 농도, 퇴적물의 점토함량에 따라 불소의 거동이 어떻게 변화하는지 검토하기 위하여 경기도에 위치한 중소하천을 대상으로 조건별 실험을 실시하였다. pH에 따른 흡착 및 용출특성 실험결과, pH가 높을수록 불소의 흡착량이 감소하였고, 용출되는 불소량은 증가하는 경향을 나타냈다. 이온농도 및 종류에 따른 흡착 및 용출특성 실험결과, $Cl^-$, $SO{_4}^{2-}$ 이온은 불소의 흡착능에 큰 영향을 주지 않는 것으로 나타났으나, 불소와의 활발한 이온경쟁효과를 지닌 $OH^-$와의 반응에서는 흡착량이 줄고, 용출량이 늘었음을 알 수 있었다. 퇴적물의 성분에 따른 흡착 및 용출특성 실험 결과 상대적으로 입경이 작은 Silt와 Clay 성분이 많이 포함된 시료에서 불소의 흡착량이 많고 용출되는 불소량이 줄어드는 것을 알 수 있었다. 이는 수체의 환경조건이 퇴적물 내 불소의 흡착 및 용출에 크게 영향을 미치기 때문에, 퇴적물 내 불소를 적절하게 관리하기 위해서는 수체의 환경조건에 대한 이해가 선행되어야 한다는 것을 의미한다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2000년도 학술발표회 논문집
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• pp.691-696
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• 2000

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2022년도 학술발표회
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• pp.91-91
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• 2022

하천 합류부에서 수체의 흐름은 매우 역동적으로 변화하며 합류부의 복잡한 3차원 흐름과 난류 구조는 2차류(secondary currents)의 강도변화, 전단층(shear layer)의 뒤틀림 그리고 재순환구역(recirculation zone)의 발생 등 합류부에서의 독특한 특징을 형성한다. 이러한 특징들의 변화는 수체의 흐름구조 뿐만 아니라 하천으로 유입된 오염물의 거동에도 영향을 준다. 기존의 합류부 연구들은 주로 본류와 지류의 합류각이나 유량비에 차이를 두어 합류부의 특징 변화를 모의하였다. 하지만 실제 자연하천에서 홍수방지를 위한 수심확보, 건축자재의 골재수집 등 다양한 목적으로 수행되는 본류의 준설작업으로 인해 발생하는 본류와 지류의 하상면 단차 또한 합류부의 특성에 영향을 미치는 주요한 인자 중 하나이다. 단차가 커짐에 따라 증가하는 지류수체의 낙차는 이차류의 강화를 야기하며 이는 합류부에서의 유속구조를 변화시켜 흐름을 가속시키거나 지체시키며 오염물의 혼합에 영향을 미친다. 본 연구에서는 3차원 수치모의를 통해 90도로 합류되는 수로에서의 흐름구조와 오염물의 혼합에 단차비와 유량비가 미치는 영향을 모의하였다. 유동장 해석을 위해 3차원 RANS (Reynolds-averaged Navier-Stoke) 방정식을 사용하였으며 난류해석은 k-𝜔 SST 모델을 이용하였다. 본류의 경우 11.4m의 수로 연장을 갖고, 하폭은 0.3m이며 수심은 단차의 크기에 따라 변화한다. 지류의 경우는 수로연장 1m, 하폭 및 수로깊이는 0.1m이다. 수치결과의 검증을 위해 이주하(2013)이 수행한 실내 합류수로의 실험결과를 이용하였다. 모의결과를 통해 파악한 합류부의 흐름특성을 이용하여 적절한 2차원 분산계수를 산정한다. 자연하천에서 오염물의 혼합거동을 효과적으로 모의하기 위해 수심 평균된 2차원 이송-분산모형을 이용하는데 이때 적절한 분산계수의 산정이 필수적이다. 본 연구에서는 합류 후 흐름방향에 따라 분산특성이 상이한 구간을 구분하여 분산계수를 산정하였으며 이를 통해 오염물의 거동을 정확하게 모의하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2010년도 학술발표회
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• pp.952-956
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• 2010

저수지에 설치된 물순환장치는 저수지 수문상황과 자연조건의 변화에 따라 유동특성이 상이하므로 연구자가 고려하는 다양한 조건에서 현장 측정하기는 불가능하다. 이런 문제를 대체하는 방안으로 전산유체유동(CFD) 모형을 적용한 모사를 실시함으로서 다양한 조건에 따른 효과를 평가할수 있게 된다. 본 연구에서는 전산유체유동을 통한 대류식 물순환장치의 유동영향범위와 수질변화 등을 평가하고, 다양한 조건에서 모사를 실시하여 최적운영방안을 도출하고 실제운영에 활용토록 하고자 한다. 수체거동을 모사하기 위해 실제 저수지를 형상화한 Domain을 3가지로 구성하였다. 첫번째는 반경 20m, 깊이 40m Domain에 물순환장치를 중앙에 설치한 것이며(D20), 두 번째는 반경 40m, 깊이 40m에 두 개의 물순환장치를 양쪽에 설치하였고(D40), 세 번째는 반경 100m, 깊이 40m로 설정(D100)하였고 양쪽에 두 개의 물순환장치를 설치한 것으로 구성하였다. CFD에 의한 개별 대류식 순환장치의 유동모사결과 D20은 시간의 경과에 따라 수온성층이 하강하는 현상이 나타났으며 이러한 결과로 판단할때 40m 간격으로 대류식 순환장치를 설치하여 운영하면 탈성층이 나타날 수 있을것으로 판단되었다. D40에 대하여 CFD에 의한 유동모사를 실시하였으며 시간의 경과에 따라 수온성층의 변화는 나타나지 않았다. 이러한 결과로 판단할때 40m 간격으로 한줄로 대류식 순환장치를 설치하여 운영하면 성층을 깨는 현상은 나타나지 않을 것으로 평가되었다. 반면 Dye테스트시 심층에서 상승한 수체는 수온성층 표면에서 수평방향으로 계속 퍼져 나가면서 옆장치에서 상승된 수체와 혼합이 활발히 이루어 지는 현상을 나타내었다. 장치간 거리가 100m인 대류식 물순환장치에 의한 유동모사시 수온성층의 변화는 전혀 나타나지 않았으며, Dye테스트시 심층에서 상승한 수체는 수온성층 위에서 수평방향으로 퍼져 나가면서 옆에서 가동되는 장치에서 상승된 수체와 혼합 현상을 나타내기는 하나 D40보다 혼합시간이 더 걸리는 것으로 나타났다.