• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2020년도 학술발표회
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• pp.310-310
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• 2020

자연하천에서 식생의 성장은 유속 및 수위 변화에 중요한 영향을 미치며, 따라서 식생으로 인한 흐름저항은 흐름과 유사이송 모델링을 위한 중요 매개 변수가 된다. 즉, 수치 모델을 활용함에 있어 식생의 흐름 저항을 정확하게 추정하는 것이 매우 중요하며, 보다 정확한 추정을 위해 실험 혹은 현장 데이터를 활용한 보정과정이 필수적으로 요구된다. 본 연구에서는 식생 패치를 포함한 인공 수로의 흐름 모의를 위해 실규모 실험 수로에서 측정된 유속 및 수위 데이터를 활용하여 모델보정을 수행하고자 한다. 이를 위해 공간 분포 별로 각기 다른 흐름 저항식의 적용이 가능하며, 식생 저항 공식을 포함하고 있는 Delft3D 모델을 활용하였다. 또한 실규모 수로에서의 유속 및 수위 데이터 수집을 위해 한국건설기술연구원 하천연구센터에서 실험을 수행하였다. 실험 구간의 길이는 약 120 m이고 하폭은 11 m이며, 국내 하천에서 보이는 식생패치의 유사한 형태를 재현하기 위해 하천 내 가장 많이 활착되어있는 버드나무와 유사한 형태의 인공식생을 제작하였다. 인공 식생은 지그재그로 배치되었으며, 식생의 전체 높이는 1.1 m이고, 각 패치 당 23그루의 인공 식생이 총 8개 패치에 식재되었다. 모의 조건은 상류단 유입 유량 2.805 ㎥/s, 하류단수위 98.764 m의 정류 조건을 적용하였다. 또한 식생 패치 구간에서의 흐름 저항 추정을 위해 Delft3D 모델 내에서 선택가능 한 Baptist의 비침수(Non-submerged)식을 적용하였으며, 항력계수 결정을 위해 1과 1.5를 적용하여 측정 수위와 비교하였다. Delft3D의 흐름 모의 결과, 항력계수 1.5를 적용했을 때, 측정 수위와 거의 일치하는 것으로 나타났으며, 항력계수 1.0을 적용했을 경우, 측정 수위에 비해 다소 낮게 모의되는 것으로 나타났다. 또한 항력계수 1.5인 경우 식생 패치 구간에서 평균 0.65 m/s의 유속이 발생하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2021년도 학술발표회
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• pp.24-24
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• 2021

자연하천 바닥 경계층 내에서는 복잡한 난류 구조가 형성되며 이들은 하상에 강한 모멘텀을 전달한다. 바닥 부근에 분포하는 유사 입자들은 경계층 내에서 발생한 난류 흐름으로부터 모멘텀을 전달받아 소류사 혹은 부유사 형태로 이송되게 되며, 이러한 유사 이송 과정을 역학적으로 설명하기 위해서는 경계층 내 유체 흐름에 대한 이해가 선행되어야한다. 경계층 내 난류 흐름 특성이 유사 입자의 움직임에 미치는 영향에 대해 분석하기 위해서는 바닥 경계층 내 고해상도 유속 자료와 유사 움직임을 동시에 포착할 수 있는 기술이 요구된다. 하지만 현재까지 수행된 대부분의 선행 연구들은 점 유속을 측정할 수 있는 음파 도플러 유속계 (Acoustic Doppler Velocimetry) 혹은 2차원 입자 영상 유속계를 활용하였으며, 이들은 복잡한 3차원 난류 흐름 특성을 분석하기에는 한계가 있다. 본 연구의 목적은 실험실 실험을 통해 바닥 경계층 내 3차원 난류 흐름이 유사 이송에 미치는 영향에 대해 조사하는 것이다. 본 연구에서는 유사 주변에서의 고해상도 3차원 흐름 유동장 및 순간적인 유사 움직임에 대해서는 합성 개구 (synthetic aperture) 기반의 3차원 입자 영상 유속계 및 입자 추적 유속계를 활용하여 취득하였다. 취득된 흐름 유동장을 기반으로 레이놀즈 전단응력을 산정하였으며 이를 통해 유체가 하상에 미치는 모멘텀의 크기를 파악하였다. 복잡한 난류 흐름 구조에 대해서는 팔분원 분석 (octant analysis)을 통해 구분했으며, 유사가 움직이는 순간의 유속장을 기반으로 유사 이송을 발생시키는 지배적인 난류 흐름 특성에 대해 규명하였다. 본 연구는 바닥 경계층 내 복잡한 3차원 난류 흐름과 유사 입자의 움직임을 동시에 분석함으로써 기존에 수행되어왔던 선행 연구들의 한계점을 극복하고 보다 명확한 유사 이송의 발생 원인에 대해 분석했다는 점에 의의가 있다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2022년도 학술발표회
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• pp.241-241
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• 2022

우리나라의 자연하천은 대부분 사행하천으로 이루어져 있다. 특히 사행하천의 만곡부에서는 2차류가 발생할 수 있으며, 이는 만곡부의 흐름에 비선형적인 영향을 미치게 되어 흐름과 유사이송에 대해 복잡한 상호작용을 하게 된다. 하천에 서식하고 있는 식생 또한 흐름에 영향을 줄 수 있다. 더군다나, 댐으로 인한 유사의 차단과 방류량 통제는 댐 하류 구간에 영향을 주게 되어 식생활착을 야기할 수 있으며 활착 이후에는 통제가 어려울 정도로 식생밀도가 증가하며 번성하기도 한다. 이러한 현상이 지속되면 식생으로 인해 통수능이 저하되기도 하며, 홍수범람이 발생할 수 있다. 따라서 만곡부 하도식생에 의한 흐름변화를 연구하는 것은 치수적인 측면에서 중요하다. 본 연구에서는 이러한 필요성을 고려하여, 2차원 흐름모형인 Nays2D를 활용하여 식생대의 밀도변화에 따른 흐름변화 예측모의를 위한 수치실험을 수행하였다. 연구지역은 사행하천으로서 식생대가 발달한 대청댐 하류 구간이다. 본 연구에서는 현장조사를 통해 구축한 식생특성을 반영하여 예측모의를 수행하였으며, 이를 위해 부등류를 기반으로 식생밀도에 따라 2021년의 식생현황, 전체벌채(식생없음), 솎아베기(2021년 식생밀도의 0.5배), 존치(2021년 식생밀도의 2배)로 가정하여 모형을 구축하였다. 모의결과, 전체벌채의 경우, 2차류에 의해 흐름이 만곡부 외측으로 집중되었기 때문에 만곡부 외측에서 수심과 유속이 증가하였다. 2021년 식생현황과 솎아베기, 그리고 존치의 경우, 공통적으로 만곡부 외측에 식생이 존재하고 있기 때문에 전체벌채보다 수심이 증가하고 유속이 감소하였으며 식생대 주변과 하도중앙으로 흐름이 집중되는 경향을 나타났다. 이를 통해, 전체벌채의 경우 치수적으로 만곡부 외측에서 2차류의 발달로 세굴을 야기할 가능성을 확인할 수 있었으며 식생이 존재하는 경우에는 만곡부 외측에 퇴적이 발생할 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구에서는 식생과 흐름만을 고려하여 수치모의를 수행하였으나 추후 연구에서는 흐름과 하상변동을 모두 고려하여 수치모의를 수행한다면 보다 세부적으로 식생밀도가 하천환경에 미치는 영향 이해할 수 있을 것으로 판단된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2009년도 학술발표회 초록집
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• pp.1955-1959
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• 2009

본 연구에서는 토양층에서 지하수 수리경사와 주 흐름 방향을 산정하여 변동특성을 분석하고, 그 원인에 대해 고찰하였다. 연구부지는 부경대학교 환경연구동 앞 잔디밭이며, 2008년 10월 18일 ${\sim}$ 11월 1일의 기간 중 12일(10월 21, 28일은 관측 못함) 동안 24회 관측되었다. 관측된 지하수공은 9개공이며, 4 m ${\times}$ 4 m의 정방형으로 설계되었다. 지하수위에 의한 수리경사와 주 흐름 방향의 산정은 총 9가지 형태의 평면으로 가정하여 산정하였다. 수리경사와 주 흐름 방향을 산정하기 위한 평면은 모두 9가지 형태로 가정하였다. 첫 번째는 9개공 모두를 이용한 정방형 평면(TW), 두 번째는 6개공을 이용한 4가지 경우의 삼각형 평면(T1, T2, T3 및 T4), 세 번째는 6개공을 이용한 4가지 경우의 직사각형 평면(R1, R2, R3 및 R4)으로 가정하여 각각의 평면에서 수리경사와 주 흐름 방향을 산정하였다. 이상에서 가정된 9가지 평면에서 산정된 평균 수리경사는 0.0094(R2) ${\sim}$ 0.0123(T2)의 범위로 나타났으며, 9개공 모두를 이용한 평면(TW)에서의 평균 수리경사는 0.0109로 산정되었다. 관측기간 동안 T1과 T3 평면의 평균 주 흐름 방향은 각각 -84.9818과 -86.2487로서, 다른 7개 평면의 평균 주 흐름 방향이 79.7045(T4) ${\sim}$ 85.8405(TW)의 범위로 나타난 것과는 반대의 흐름 방향을 보였다. 이러한 결과는, 본 연구에 적용된 수리경사와 주 흐름 방향의 산정기법(Devlin, 2003)이 삼각형 형태의 평면에는 부적합할 수 있음을 보여주는 것이다. 관측기간 중 10월 12일에 내린 소량의 강우(12 mm)에 의한 수리경사와 주 흐름 방향의 변동은 크게 나타나지 않았다. 본 연구에서는 정방형, 삼각형 및 직사각형의 평면 토양층에서 지하수의 수리경사와 주 흐름 방향을 산정하여 전체 및 국부적인 부지에서의 차이를 파악하고, 평면의 형태에 따른 수리경사와 주 흐름 방향의 차이 또한 확인할 수 있었다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2012년도 학술발표회
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• pp.587-587
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• 2012

현재 대부분 하천관리의 흐름해석에서 주가 되었던 1차원 분석은 하천 단면에 따른 횡적인 수면차, 유속분포를 분석할 수 없다는 단점을 가지고 있으며, 특히 유량 및 유속이 급속도로 늘어나는 홍수시에는 그 오차가 더욱 커질 수 있다. 반면에 2차원 모형의 흐름해석은 사행하천의 흐름 특성과 만곡부에서의 종 횡방향 수면경사 및 양안의 수면차와 합류지점의 횡방향 흐름 등의 영향을 고려할 수 있으며 1차원 해석과는 달리 전 단면에 걸쳐 유속 및 수위 분포를 나타낼 수 있어 실제흐름에 가까운 수리량을 얻을 수 있다. 본 연구를 위해 적용된 해석모형인 SMS는 미국 Brigham Young 대학의 환경모형연구실과 미공병단(USACE)의 수로실험국(WES) 등에서 개발한 프로그램으로서 RMA2, RMA4, SED2D 모형 등으로 구성되어 있다. 각각의 모형은 수리 동역학적 해석, 오염물 이송확산 해석, 유사의 이송 및 퇴적 해석이 가능하며 이 중 RMA2를 이용한 2차원 흐름해석을 통하여 보다 적합한 하천관리에 이용가능하도록 하고자 한다. 연구대상 지역은 제주도 한천 하류부로서 제주도 하천 특성상 평상시 건천의 상태를 이루고 있으나 태풍 및 집중호우시 홍수유출이 발생하여 수위가 급격하게 상승하는 양상을 보인다. 대표적인 예로 태풍 '나리'시 최대 일강우량 420mm로 인한 인근 지역에 0.5 ~ 1.5m의 침수흔적을 보이고 있다. 본 연구에서는 2011년 최고수위를 기록한 태풍 '무이파'를 대상으로 하였으며 대상지역의 Kalesto를 이용한 수위-유속 자료를 이용하여 산출된 유량을 경계조건으로 사용하였고 격자망 형성을 위한 지형 데이터는 지형도 및 측량자료를 이용하여 구축하였다. 사용된 대표적인 매개변수는 하상의 조도계수를 나타내는 Manning의 n값과 유체의 밀도, 속도구배, 구조 등 여러 가지의 유체조건에 따라 변하는 성질인 와점성계수(eddy viscosity)로 요약할 수 있으며 Manning의 n값은 하천설계기준에 따른 하천기본계획의 조도계수를 사용하였고 와점성계수는 적합한 흐름 분포를 결정하기 위해 흐름이 안정될 때까지 변화시켜 해석을 시행하였다. 해석결과 만곡부에서는 급한 흐름을 보이고 있으며 최대하폭 구간에서는 완만한 흐름이 나타나 사행하천의 흐름특성과 횡적인 하천단면에 따른 변화, 하상고 차이로 인한 유속분포를 확인할 수 있으며 이는 보다 유용한 하천관리에 이용가능할 것으로 사료된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2016년도 학술발표회
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• pp.341-341
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• 2016

2차류는 주흐름 방향 유속에 비하여 작지만 유속을 재분포 시켜 흐름의 교란을 발생시키는 매우 중요한 인자이다(Woo, 2001). 2차류는 만곡부, 합류부, 분류부에서 흐름분리와 함께 나타나는 흐름특성 중 하나이지만 각 지점별로 2차류의 분포는 서로 상이하다. 하지만 국내에서는 만곡부에서의 2차류에 대한 영향에 대해서만 주로 연구가 이루어졌으며, 합류부와 분류부에 대해서는 연구가 아직 체계적으로 이루어지지 못하고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 합류부와 분류부에서 2차류 영향을 고려한 2차원 수치모형을 적용하여 흐름특성 변화를 수치모의 하였다. 2차류 흐름을 고려한 수치모의를 위해 TELEMAC-2D 수치모형을 이용하였으며, 2차류의 영향을 고려하지 않고 계산한 SUPG기법을 적용한 모의결과에 대하여 Bernard and Schneider(1992)가 제안한 경험계수를 적용 후 그 결과를 실험결과와 비교분석하였다. 합류부(confluence)에서는 본류와 지류의 유량비가 증가할수록 흐름분리구역 길이와 최대폭이 증가하지만, 분류부(Bifurcation)에서는 분류수로 유량비가 증가할수록 흐름분리구역 길이와 최대폭이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 2차류를 제외한 수치모의에서 실내시험에서 제시한 분류유량비와 수심 및 유속분포를 동시에 충족시키기 어렵다. 반면 2차류 영향을 고려시 분기수로내 통수능을 감소시키는 흐름분리구역과 2차류의 상호작용에 의한 흐름정체효과로 분류유량비가 감소하였으며, 2차류 영향을 고려하여 모의한 결과 분류부 수치모의의 안정성과 정확성을 향상되었다. 하지만 본 모형에서 적용한 2차류 흐름관련 매개변수는 흐름특성에 따라 시행착오법에 따라 산출해야 하는 특성 때문에 향후에 추가적인 연구가 필요하다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2006년도 학술발표회 논문집
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• pp.307-311
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• 2006

일반적으로 도달시간은 지표면 유출의 흐름상태에 의존하며, 대개 중력흐름으로 가정하여 도달시간을 산정하고 있다. 본 연구에서는 흐름상태를 중력흐름과 표면장력흐름으로 구분하고 각 흐름을 판단할 수 있는 임계치를 추정하였다. 도달시간 산정을 위해 유역경사와 지표면조고의 영향을 고려할 수 있는 무차원수를 도입하였으며, 이 임계치의 범위에 따라 중력흐름과 표면장력흐름을 구분하고 두 조건의 흐름상태에 따른 도달시간 산정식을 각각 개발하였다. 중력흐름에 의한 도달시간 산정식과 표면장력흐름에 의한 도달시간 산정식을 개발하고 검증하기 위하여 기존 외국에서 실험한 자료를 비교 분석하였다. 분석결과를 통하여 이러한 흐름특성을 고려한 도달시간 산정식을 모형에 적용할 경우 유출모형을 통한 유출량산정의 정확도 향상에 기여할 것으로 판단된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2015년도 학술발표회
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• pp.471-471
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• 2015

토양내의 수분흐름을 이해하는 것은 토양수분의 시공간적 분포변화와 유출기작을 규명하는데 매우 중요하다. 본 연구에서는 설마천유역의 작은 사면에서의 장력측정 시스템을 구축하여, 3차원의 흐름방향에 대해 잠재적 흐름구배를 평가하고자 하였다. 또한 흐름구배를 평가하기 위한 일반적 산술적 계산방법인 평균적 흐름구배와 측정시스템의 구조적 영향 및 흐름구배의 공간적 평가 기준을 고려한 계산방법론을 개발하여 비교 평하였다. 3차원의 흐름방향은 사면의 지표경사를 기준으로 x, y, z축을 기준으로 하여, 각 축 방향에 해당하는 흐름구배 값과 흐름방향을 각각 계산하였다. 그 결과, 강우사상에 따른 토양내의 장력변화는 매우 민감하게 변화하였으며, 이에 따른 각 흐름구배 값과 흐름방향의 반응이 빠르게 반응을 하였다. 특히, 습윤, 건조기간동안의 흐름구배의 발달 및 방향이 바뀌는 천이되는 상태인 흐름 굽힘 현상(flow Bending)을 확인하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2007년도 학술발표회 논문집
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• pp.1229-1233
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• 2007

국내에서의 수제는 하안 및 제방의 보호, 유로제어 및 주운 등의 목적에 의해 설치되기 보다는 수제로 인해 발생되는 수제역(recirculation zone)의 다양한 흐름이 수중생물의 다양한 서식처 및 홍수 시 어류의 피난처 제공한다는 환경적인 목적이 지배적이다. 따라서 홍수시 하천의 통수능 감소영향이 상대적으로 작고 국부세굴에 대해 안정적인 경사형 수제에 대한 관심이 크며 몇몇 곳에서는 시공되어 졌다. 하지만 경사수제에 대한 설계기법은 현재 미미한 상태이며 선행되어져야할 구조물 주변의 흐름해석에 관한 연구도 미미하다. 이에 본 연구에서는 3차원 수치모형을 적용하여 주수로와 수제역의 흐름해석을 수행하였다. 연구내용은 수리모형변화와 수치모형실험을 병행하여 수행하여 수치모형결과를 검증하였으며 그 결과를 적용하여 경사형 수제주변의 흐름을 해석하였다. 수치모형은 Flow 3D모형을 이용하여 경사형 수제조건에 따른 흐름해석을 수행하였고 수리모형실험은 수치모형과 동일한 2가지 조건에 대해 수행하여 수치모형결과와 비교 분석 하였다. 본 연구의 목적은 경사형 수제설치로 변화되는 수제역 흐름을 3D 수치해석으로 분석하여 수제역의 환경적 효과(수중생물의 서식처 등)에 대한 기초자료를 제공하는 것이다. 연구결과, 수치모형실험은 수리모형결과와 일치하였으며 경사형 수제특성에 따라 수심별 흐름변화를 분석할 수 있었으며 기존 불투과 및 투과수제와 다른 결과를 도출하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2022년도 학술발표회
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• pp.21-21
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• 2022

충적하천의 하상과 제방은 흐름에 의해 쉽게 침식되는 사립자들로 구성되어 있다. 흐름이 더욱 강해지면 커다란 입자들도 움직이게 되고 더욱 커지면 결국 모든 입자들이 움직인다. 이렇게 흐름에 의해 하상과 제방을 구성하는 사립자들이 움직이기 시작하는 상태를 한계운동이라 하며, 이때의 흐름조건을 한계조건이라 한다. 한계조건은 이동상 수리학의 시작으로, 이때부터 흐름은 물과 유사의 혼합이라는 이상류가 되어 순수한 물의 흐름보다 더 복잡하게 된다. 개수로는 관수로와 달리 반드시 자유수면이 있으며, 따라서 물과 공기와의 마찰은 상대적으로 매우 작으므로 개수로의 전단응력 분포는 관수로와 달리 근본적으로 비대칭이다. 따라서 전단응력은 수로 바닥이나 측벽에서만 작용하게 된다. 한계조건은 이러한 추상적인 의미에 앞서 바닥이 침식되지 않는 하도나 수로의 설계 등에 기본적인 자료가 된다. 개수로에서 경계면의 전단응력을 힘으로 표시하는 것을 통상 소류력이라 하며, 개수로 경계면에서 전단응력의 분포도; 이른바 단면의 평균 전단응력의 개념을 도입하여 해석하고 설계기준으로 제시되고 있다. 본 연구에서는 자연하천과 유사한 조건의 건설기술연구원 하천실험센터의 급경사수로에서 연구를 진행하였으며, 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 측정하고자 연구를 진행하였고, 연구결과를 기존의 소류력 산정방법과 비교하였다. 본 연구에 사용된 장치는 실규모 실험을 위해 제작되었으며, 실규모 적용성 검토를 위해 실험실에서 충분한 검증실험을 거친 후 실규모 실험에 적용하였다.