• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2019.05a
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• pp.271-271
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• 2019

하천에서의 식생은 하천의 조도 및 흐름특성을 변화시키는 요인 중 하나로서 하천 내의 식생밀도 변화로 인하여 발생한 하상변동은 장기적으로 하천내의 하중도가 발생하거나, 식생으로 인해한 방향으로 편중된 흐름으로 인하여 제내지 방향으로의 하천 침식이 발생하고, 이에 따라 구조물의 안정성에 영향을 미치는 등 하천의 중 장기 계획 시 고려해야할 중요한 요인이다. 이에 따라 식생 모형을 이용한 다양한 흐름특성 분석 실험들이 수행되었으나, 대부분의 연구에서는 식생을 단순화하여 모형으로 사용하였기 때문에 실제 식생에 대한 영향성을 보기에는 한계가 존재한다. 건설기술연구원의 하천실증연구센터에서는 이러한 식생의 영향을 분석하기 위하여 네덜란드의 Deltares, 핀란드의 Aalto 대학 등과 함께 다년간 국제공동연구를 수행하였으며, 금번 소개하는 실험에서는 식생밀도에 따른 흐름변화, 하상변동 및 환경 변화 등의 검토를 목적으로 하였다. 실험은 총 2가지 유량 조건에 대하여 수행되었으며, 실험 중 흐름의 안정화를 확인하기 위하여, 유출수조에는 6개의 압력식 수위계를 설치하여 실험기간동안 유출수조에서의 수심변화를 측정하였고, 하도에는 실험구간 상 하류에 SonTek의 SL-1500 및 SL-3000을 이용하여 지속적으로 수심을 측정하고, 이 외에도 하류단에 2개의 압력식 수위 측정장비를 설치하여 수심을 모니터링하였다. 실험에 사용된 식생은 높이 약 1.5m의 2가지 밀도로 폭 2m, 길이 4m의 규모로 설치하였고, 광파기와 3차원 레이저 스캐너를 이용하여 실험 전 후의 식생 주변 및 전 실험구간의 하상을 측량하였다. 흐름특성 분석을 위한 수리 측정은 Nortek사의 Vectrino를 이용하여 측정하였고, 총 24개 측선에 대하여 각 측선별 5 ~ 10개의 유속자료를 측정하였으며, 각 측점별로 90초간 자료를 수집하였다. 흐름특성 분석에 사용된 유속자료는 이상치를 제거한 후 수행되었으며, 이상치의 제거는 표준편차의 3배 이상의 편차를 갖거나, 측정자료의 자기상관도가 70% 이하인 값들은 제거한 후 분석을 수행하였다. 흐름 분석을 위한 측정자료를 이 외에도 캠코더를 이용한 표면유속영상 측정기법과 ADCP를 이용한 측정도 병행하였으나, 본 연구에서는 Vectrino로 측정된 결과만을 소개하고자 한다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2018.05a
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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.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2018.05a
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• pp.77-77
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• 2018

한국 건설기술연구원의 하천실증연구센터는 기존에 불가능했던 준 실규모 하천실험, 생태실험, 치수분야 대형 모형실험 및 하천관련 기준수립을 위한 치수분야 수요와 하천 구조물의 품질성능평가 등을 목적으로 설립된 대규모 하천실증연구센터이다. 안동 하천실증연구센터는 총면적 $193,051m^2$의 부지에 하천의 일반적인 형상을 갖고 있는 완경사, 급경사, 만곡수로가 있으며, 수리량 측정 실험을 위한 초음파 유속계, 프로펠러 유속계, 전자식 유속계 등의 유속 측정 장비를 보유하고 있고, Total Station, Lidar, RTK-GPS 등 지형 측량에 사용할 수 있는 장비들도 보유하고 있어, 하천관련 실험을 수행하기에 충분한 여건을 보유하고 있다. 하천실증연구센터는 2013년부터 내 외부활용에서 활용할 수 있도록 지원을 수행하였으며, 총 118건의 하천 수리 및 생태분야, 지반분야 등 다양한 토목분야의 연구자들이 하천실증연구센터를 방문하여 실험을 수행하였고, 국내 기관 및 대학뿐만 아니라 미국의 Iowa 대학, Idaho 대학, USGS, 네덜란드 Deltares, 프랑스 Irstea 등 외국의 대학 및 기관에서도 방문하여 실험 및 공동연구를 수행하였다. 안동 하천실증연구센터의 활용 범위와 활용 건수가 지속적으로 증가함에 따라 자체적인 검토 및 외부의 의견에 따라 센터의 실험시설에 대한 개선이 필요한 사항이 발생하게 되었다. 하천실증연구센터의 수로는 기존의 지반위에 성토를 하여 인공적으로 건설하였기 때문에 일반적인 실내의 실험수로와는 다르게 하상에서의 침투가 발생하며, 이에 따라 하류방향으로 흐름이 진행될수록 유량의 변동이 발생하게 된다. 이에 따라 침투로 인해 발생하는 유량의 변동이 하도 유량 공급의 안정화에 미치는 영향에 대한 신뢰성 검증의 필요성이 필요하다고 판단되어 펌프에서의 유량 공급 및 하도내에서의 유량 안정화에 대한 검증 실험을 수행하고자 한다. 유량 공급에 대한 검증 실험은 크게 두 단계로 구성하였다. 첫 번째 단계는 펌프의 유량 공급에 대한 검증실험을 수행하고, 두 번째 단계에서는 동일한 조건내에서 하류의 지하수 수심, 공급수조의 수심, 하도내의 수심과 ADV 및 ADCP로 측정된 유량과의 관계를 통해 하도내의 유량이 얼마나 일정하게 공급되고, 하류방향으로 갈수록 유량 손실의 경향에 대한 실험을 계획하였으며, 전체적인 실험은 장기적으로 각 수로에 대하여 수행하는 것을 목표로 하였으며, 본 실험단계에서는 완경사 수로를 대상으로 하였다.

• Journal of Korean Society of Environmental Engineers
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• v.37 no.11
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• pp.607-618
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• 2015

This study was conducted to suggest hydraulic modification for improving evenness of inlet flow distribution into side stream type low-pressure MF (microfiltration) module using CFD (computational fluid dynamics) simulation and PIV (particle image velocimetry) techniques. From the results of CFD simulation for various typed inlet structure, it was investigated that installing internal orifice baffle in inlet the distribution channel could improve the evenness of inlet flow distribution over about 40%. Also, from the results of PIV measurements which were carried out for verifying the CFD simulation, it was observed that the momentum of the water body coming from the opposite side of the inlet was relatively larger. This momentum would generate strong shear force in the near of inlet side wall. On the other hands, occurrence of dead zone and eddy flow was confirmed in the opposite side.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2021.06a
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• pp.18-18
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• 2021

초음파 도플러 유속계(ADCP)는 초음파를 이용하여 하천의 유속 및 수심을 측정하는 장비로 기존의 지점식 유속계와는 다르게 수심방향 유속분포와 수심을 한번에 측정하게 되며, 보트를 이용하여 하천을 횡단하게 되면 기존의 유속-면적법을 이용하는 방식보다 간편하고 빠르게 한 단면의 유량을 측정할 수 있다. 이와 같은 이점으로 인해 국내뿐만 아니라 해외에서도 대하천에서부터 중·소규모의 하천까지 다양한 범위에서 유량을 측정하는 장비로서 사용되어지고 있다. ADCP의 측정 유량은 유량관측소에서 수위-유량관계식을 구축할 때 사용하고 있으며, 이렇게 제공되는 유량은 하천의 중·장기 계획 수립, 수공구조물의 설계 및 수문·수리분야의 연구에 활용되고 있다. 하지만 ADCP의 유량측정은 ADCP의 미측정 영역의 유량 추정, ADCP 잠김깊이의 정확도, 하안에서의 고정 측정시간 등 ADCP의 측정 과정이나, 유량 추정 방법에 따라 영향을 받게 되며. 이외에도 하천의 수심, 하상의 상태와 같은 측정 조건에 따라서도 정확도의 변화가 발생할 수 있다. 측정결과의 정확성을 향상시키고, 신뢰도가 높은 자료를 제공하기 위해서는 ADCP의 유량 측정결과에 대한 불확도를 발생시키는 요인들에 대한 분석과 이를 감소시킬 수 있는 방법을 찾는 것이 중요하다. 1993년 ISO, BIPM, IFCC 등 6개 기구에서는 측정불확도를 산정하기 위한 측정불확도 산정 지침서(GUM, Guide to the expression of Uncertainty of Measurement)를 제시하였다. GUM 표준안은 측정과정에서 발생하는 다양한 불확도 요인들을 불확도 전파법칙을 통해 전체 불확도를 산정하는 방식으로 WMO와 ISO의 유량 측정분야에서도 GUM 표준안을 측정불확도 산정 기준으로 공인하여 사용하고 있다(JCGM 100, 2008; ISO 25377, 2020). 이에 본 연구에서는 GUM 표준안을 이용하여 ADCP로 측정된 유량의 측정불확도를 산정하는 방법을 개발하고 각 요인들에 대한 실험 및 분석을 진행하였다. ADCP의 측정 정확도를 분석하기 위한 실험은 자연에 가까운 형상을 모의하고 있고, 소하천 규모를 갖고 있는 하천연구센터에서 수행하였으며, 요인들에 대한 분석 방법 및 총 불확도를 계산하는 방법에 대하여 제시하였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2021.06a
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• pp.14-14
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• 2021

개수로에서는 반드시 자유수면이 있으며, 따라서 물과 공기와의 마찰은 관수로에 비해 상대적으로 매우 작고, 개수로의 전단응력 분포는 관수로와 달리 근본적으로 비대칭이다. 따라서 전단응력은 수로 바닥이나 측면에서만 작용하게 된다. 이러한 평균 전단응력 개념은 흐름에 의해 경계면 구성재료가 이동하는 이동상 수리학에서 유사이송 능력을 해석하는 기준이 되며, 경계면의 전단응력은 힘으로 표시하여 통상 소류력이라 한다. 이러한 복잡한 유체거동은 하천시설물 설계, 시공 및 관리에 있어서 구성재료의 보호능력에 따라 예상하지 못한 조건에서 쉽게 파손될 수 있다. 국내 하천의 경우 한계유속과 한계소류력에 의해 하천설계에 적용되고 있다. 한계 유속의 경우 간단한 수식에 의해 산정될 수 있지만 실제 하천의 보호능력을 대표하기는 힘들기 때문에 한계소류력이 동시에 고려되어야 한다. 한계소류력은 개수로 흐름에서 복잡하게 발생하는 이차류나, 난류 특성에 의해 산정하거나 예측하기는 매우 어렵다. 한계 소류력 뿐만 아니라 하천을 구성하는 재질의 조도계수 역시 균일하지 못하고 매우 예측하기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 이러한 복잡한 양상을 나타내는 수리학적 요소에 대해 표준화된 실험수로에서 실험을 통해 평가하고, 체계화된 설계 지침이 되고자 연구를 진행하였다. 본 연구에서는 자연하천과 유사한 조건의 경사를 가지는 경사수로와 경사의 영향에서 자유롭게 평가를 진행하고자 기존 연구를 바탕으로 제작된 소류력 측정장치를 이용하였다. 하천의 설계나 평가에 적용되는 평균 소류력 개념은 복잡한 난류흐름에서 평가지표로써 대표하기 힘들기 때문에 유사 하천환경의 바닥에서 발생하는 소류력을 직접 측정하였다. 본 연구에 사용된 장치는 난류유속 u', v'을 이용하여 Reynolds stress산정하여 Total shear stress를 추정하는 기법을 사용하여 검증하였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2019.05a
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• pp.279-279
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• 2019

본 연구는 안동 하천실증연구센터에서 수행된 RIED 실험의 일환으로 실험수로내 식재된 버드나무 식생패치의 밀도에 따른 표면흐름의 특성을 검토하는 실험이다. 실험의 목적은 식생의 침수수위에 따른 식생주변 및 하도의 흐름특성을 검토하는 것으로 침수 수위조건은 유량공급조건의 변화를 통해 재현하였다. 본 연구에 사용된 LSPIV 기법은 하도내 입자투여를 통해 영상을 이용하여 입자간 이동속도를 분석하여 흐름장을 분석하는 것으로 본 연구에서 사용된 입자는 강랭이를 사용하였으며, 영상촬영은 크레인을 이용하여 캠코더를 이용하여 수로 상부에서 흐름영상을 취득하였다. 실험수로는 저면폭 3m, 만제폭 11m 사면경사 1:2의 구조로 이루어진 사다리꼴 형태의 직선수로로 이루어져 있다. 식생패치는 동일수로내 상부기준 32m 간격으로 설치되어 있으며 패치의 크기는 $4{\times}1.5m$의 크기로 이루어져 있다. 그림 1은 상공에서 촬영된 영상을 나타낸 그림으로 실험수로 및 LSPIV 분석을 위해 투하된 입자를 나타내는 그림이다. PIV 분석프로그램을 이용하여 분석된 식생대 및 하도영역에서의 유속장은 그림 2와 같다. 영상분석은 30초영상(900 frame)을 이용하여 분석하였다. 실험결과 식생패치 설치지점에서는 주흐름이 발생하는 우안측에서 높은 유속이 발생하고 약간의 편향된 흐름이 나타나는 것으로 확인되었다. 식생후면에서는 식생으로 인한 흐름의 차단 및 스크린효과로 인해 유속의 저감되는 것을 확인할 수 있다. 밀도에 따른 패치 후면부에서는 높은 밀도를 갖는 첫 번째 패치에서 유속의 저감효과가 높게 나타났으나 유량조건에 차이가 발생하는 것으로 나타났는데 이는 수위상승으로 인한 식생의 침수면적과 관계가 있는 것으로 판단된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2023.05a
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• pp.432-432
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• 2023

한국건설기술연구원(Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology, KICT)의 안동하천연구센터(Andong River Experiment Center, REC)는 다양한 하천 관련 실규모 실험을 수행하기 위해 3개의 수로를 보유하고 있다. 본 연구의 주목적인 실증 실험 계측 결과를 기반으로 3D 게임엔진을 이용하여 물 흐름을 재현하기 위해 A1 수로를 대상구간으로 설정하였다. 실증 실험의 경우 2개의 수문 개도율 조건에서 ADV와 ADCP를 활용하여 계측된 유량 및 유속 결과들을 비교하였으며, 추가적으로 영상 데이터로 부터 표면유속(LS-PIV)을 산정하였다. 3D 게임 엔진은 렌더링 엔진, 물리 엔진, 오디오 엔진, UI 시스템, 게임플레이 프레임워크 등이 잘 융합된 소스코드들과 개발자들이 이용하기 쉬운 방식으로 변환된 툴(tool)로 제공하여 현실 세계를 가상 세계에 시각화하여 구현하는데 큰 장점을 가지고 있다. 또한 기존의 흐름 재현이 가능한 수리/수문 모델링의 경우 특정한 목적으로만 이용가능하고 연산에 소용되는 시간 때문에 실시간 흐름재현이 어렵지만, 3D 게임엔진을 이용하는 경우 다양한 목적과 여러 분야와의 고려가 동시에 가능하며 연산의 단순화를 통해 실시간 흐름 재현이 가능하다는 장점이 있다. 본 연구에서는 언리얼 엔진의 Niagara Fluids와 Fluid flux 툴들을 활용하여 하천실증실험 시설 일부 구간에 대해 물 흐름을 재현하였다. 먼저 하천실험실증시설을 드론과 RTK-GPS를 이용하여 촬영된 결과를 정합하여 3D 게임엔진 기반 흐름 재현을 위한 지형 기초 자료를 구축하였다. 지형 계측 결과를 기반으로 A1 수로 전체 구간을 대상구간으로 설정한 이후 수문 조절을 통해 흐름 조건을 제어할 수 있도록 제작하였으며, 실제 흐름에 대한 계측 결과를 기반으로 재현된 흐름을 대상으로 material 값의 조정(방향 X, Y값을 RGB값으로 변환한 뒤 벡터 길이 값으로 환산)을 통해 0~100 사이 값을 이용하여 유속을 표현하였다. 최근 가상공간 (i.e. 디지털트윈) 관련 시장 성장이 매우 빠르고 다양한 사업에서 해당 기술의 수요가 증가하고 있으며, 본 연구를 통해 물 흐름의 디지털 트윈화를 위한 수단으로서 3D 게임 엔진의 활용 가능성을 확인하였다. 다만 실제 하천의 적용과 하천관리를 위한 실용화를 위해서는 추가적인 연구와 분석이 이루어져야 할 것이다.

• Ecology and Resilient Infrastructure
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• v.9 no.4
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• pp.228-236
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• 2022

Riverbank revetments are installed to increase the stability, while preventing scouring, and utilize the rivers; their construction is prioritized to secure dimensional safety that can withstand flooding. Existing revetment technologies employ use of rocks, gabions, and concrete. However, stone and gabions are easily erosion and destroyed by extensive flooding. Though the materials used in concrete technology possess strength and stability, the strong base adversely affects the aquatic ecosystem as components leach and remain in water for a long time. This serves as an environmental and ecological issue as vegetation does not grow on the concrete surface. This study introduces multi-layer porous riverbank revetment technology using biopolymer materials extracted from castor oil. Results obtained from this study suggest that this technology provides greater dimensional stability as compared to existing technologies. Moreover. it does not release toxic substances into the rivers. Multiple experiments conducted to review the application of this technology to diverse river environments confirm that stability is achieved at a flow velocity of 8.0 m/s and maximum tractive force of 67.25 kg_f/m² (659.05 N/m²).

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.50 no.8
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• pp.521-535
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• 2017

Acoustic Doppler Current Profilers (ADCPs) have been widely utilized for assessing streamflow discharge, yet few comprehensive studies were conducted to evaluate discharge uncertainty in consideration of individual uncertainty components. It could be mostly because it was not easy to determine which uncertainty framework can be appropriate to rigorously analyze streamflow discharge driven by ADCPs. In this regard, considerable efforts have been made by scientific and engineering societies to develop a standardized theoretical framework for uncertainty analysis in hydrometry. One of the well-established UA methodology based on sound statistical and engineering concepts is Guide to the Expression of Uncertainty Measurement (GUM) adopted widely by various scientific and research communities. This research fundamentally adapted the GUM framework to assess individual uncertainty components of ADCP discharge measurements, and subsequently provided results of a customized experiment in a controllable real-scale artificial river channel. We focused particularly upon sensitivities of uncertainty components in the GUM framework driven by ADCPs direct measurements such as depths, edge distance, submerged depth, velocity gap, sampling time, repeatability, bed roughness and so on. Section-by-Section method for ADCP discharge measurement was applied for uncertainty analysis for this study. All of measurements were carefully compared with data using other instrumentations such as ADV to evaluate individual uncertainty components.