• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2017.05a
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• pp.92-92
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• 2017

본 연구에서는 수치모델을 이용하여 대하천서 발생되는 조류의 공간적 농도 분포를 예측하였고, 현장실험을 통해 모델을 검증하였다. 국내하천은 다수의 지류가 본류로 유입됨에 따라 오염물질의 생산과 공급이 지속적으로 발생하고, 하천의 유로연장과 하폭에 비해 수심이 낮은 지형학적 특성을 지닌다. 따라서 지류 유입 이후 발생되는 조류의 거동 특성을 분석하기 위해 수심 적분된 2차원 이송-확산 모델을 사용하였다. 광합성 성장을 이루는 조류의 성장속도 계산을 위해 영양염류, 수온, 일사량과 수심 등을 변수로 하는 성장속도 함수들을 위의 모델과 결합하였다. 본 연구의 대상구간은 낙동강과 금호강 합류부를 포함한 강정고령보 하류 약 9.2 km 구간으로 모델 검증을 위한 현장실험을 수행하였다. 2차원 이송-확산 모델의 입력 값인 유속 및 수심을 계산하는 수리동역학 모델 검증을 위해 미국 Sontek사의 M9을 이용하여 낙동강과 금호강 각각 32개, 12개 측선에 대하여 수리량을 측정하였다. 수리량 측정결과, 금호강과 낙동강의 평균 유량은 각각 $240m^3/s$, $60m^3/s$로 측정되었고 측정된 유량을 모델의 상류단 경계조건으로 사용하여 측정 유속 및 수심과 유사한 결과를 모델로부터 취득할 수 있었다. 조류 농도 측정을 위해 독일 bbe사의 AlgaeTorch 10을 사용하였으며, 수리량 측정과 동일한 측선서 총 조류 세포수(cells/ml)를 측정하였다. 농도 측정결과, 하류로 내려감에 따라 조류의 농도가 증가하는 경향이 나타났고 금호강 합류 후 최대농도는 측정구간 최하류 우안서 4,460 cells/ml로 나타났다. 주 흐름이 발생하는 하천 중앙부에 비해 유속이 느린 하안서 상대적으로 높은 농도가 측정되었으며, 이와 같은 경향은 하류로 내려감에 따라 강하게 나타났다. 측정된 조류 농도를 이용한 2차원 이송-확산 모델 검증결과, 합류부 최상류 측선서 MAPE = 10.5 %의 최대오차가 발생하였고 최하류 측선서 MAPE = 6.7 %의 최소오차가 발생하였다. 인과 질소와 같은 영양염류의 농도가 높고 횡 방향 수온 분포가 균일한 대상구간의 특성상 영양염류 함수와 수온 함수로부터 계산된 성장속도 가중치 범위는 각각 0.8~1.0, 0.91~1.09로 공간적 변동성이 크게 나타나지 않은 반면, 수심을 변수로 하는 일사량 함수의 성장속도 가중치 범위는 0.05~1.00으로 상대적으로 매우 높은 공간적 변동성이 나타났다. 수심이 4 m 이하인 하천 양안서 0.8 이상의 가중치가 나타났으며, 수심이 7 m 이상인 하천 중앙서 0.4 이하의 가중치가 나타났다. 본 연구의 수치모의 결과, 수리동역학 모델로부터 계산된 수심이 모델 결과 값에 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다.

• KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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• v.32 no.6C
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• pp.267-274
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• 2012

The conventional approach to evaluate the contaminant transport in soils adopts the macro-scale implementation while the pore configuration and network is a dominant factor to determine the fate of contaminant. However, the observation of fate and transport at pore scale may not be readily approachable because of the computational expenses to solve Navier-Stokes equation. We herein present the 2D Lattice-Boltzmann method that enables to assess the local fluid velocity and density efficiently for the case of single phase and multi-components. The solute fate spatio-temperal space is explicitly determined by the advection of fluid flow. Two different types of idealized pore space provides the path of fluid. Also, solute transport, the velocity field and average concentration of solute are computed in steady state. Results show that the pore geometry such as tortuosity mainly affect the solute fate. It highlights the significance of the pore configuration and shape in granular soils and rock discontinuity in spite of the equivalent porosity.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2015.05a
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• pp.75-75
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• 2015

오염원과 취수장이 동일 구간 내에 공존하는 국내하천의 특성상, 하천 평면 내에서 오염물의 거동 및 혼합 특성을 보다 정확하게 해석하기 위해서는 2차원 이송-분산 모형의 적용이 필요하다. 이를 위해서는 2차원 모형의 주요 매개변수인 종분산계수와 횡분산계수의 적절한 입력이 매우 중요하다. 하지만 국내외적으로 횡분산계수에 대한 연구는 많이 진행된 반면, 현재까지 종분산계수에 대한 연구는 충분히 이루어지지 않은 실정이다. 분산계수를 결정하는 방법에는 실측된 농도 자료의 유무에 따라 크게 두 가지로 분류된다. 실측된 농도 자료가 없는 경우, 이론식이나 경험식을 이용하는 방법이 있다. 반면에 추적자 실험 등을 수행하여 실측된 농도 자료가 있는 경우, 모멘트법 또는 추적법을 적용하여 농도-시간 분포 곡선으로부터 분산계수를 계산하는 것이다. 모멘트법은 임의 지점에서 농도의 횡분포를 통해 얻을 수 있는 2차 모멘트의 종방향 변화율이 횡분산계수와 비례한다는 원리를 이용한 것이며, 추적법은 상류부의 관측된 농도를 입력자료로 하여 하류부의 농도를 계산한 후 계산된 농도와 실측된 하류부 농도의 비교를 통해 분산계수를 산정하는 방법이다. 본 연구에서는 불규칙한 단면 형상을 가지는 자연하천에서의 2차원 종 횡분산계수를 산정하기 위해서 Baek & Seo(2010)가 제안한 2차원 유관추적법(2D Stream-tube Routing Procedure)을 적용하였다. 본 연구에서는 국내 자연하천 중 다양한 사행형태를 갖으며 수질오염 사고의 위험이 높은 구간을 선정하고, 추적자로서 Rhodamine WT를 이용하여 현장실험을 수행하였다. 실험에서 수집된 수리량 및 농도자료로부터 추적자의 2차원적 거동을 분석하였으며, 2차원 유관추적법을 적용하여 종분산계수를 산정하였다. 그 결과 하폭 대 수심비(W/H)와 마찰손실관련 무차원변수(U/U*)의 증가에 따라 종분산계수가 증가됨을 확인 할 수 있었다. 본 연구에서 산출된 종분산계수와 선행 연구에서 수집된 자료를 이용하여 추정식을 개발하였다. 차원해석을 통해 무차원 종분산계수에 영향을 미치는 무차원 인자를 선별하고 회귀분석을 이용하여 종분산계수 추정식을 유도하였다. 추정식을 이용하여 산정한 종분산계수의 범위는 Elder (1959)가 제안한 이론값보다 약 10배 정도로 크게 나타났다. 혼합 특성이 밝혀지지 않은 자연하천에 2차원 확산모형을 적용하고자 할 때 본 연구에서 개발된 추정식으로부터 계산된 종분산계수를 사용할 수 있을 것이다.

• KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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• v.29 no.6B
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• pp.551-560
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• 2009

This paper describes a newly developed pollutant transport model named ARPTM which was designed to simulate the transport and characteristics of pollutant materials after an accidental spill in upstream of river system up to a given position in the downstream. In particular, the ARPTM incorporated ADCP data to compute longitudinal dispersion coefficient and advection velocity which are necessary to apply one-dimensional advection-dispersion equation. ARPTM was built on top of the geographic information system platforms to take advantage of the technology's capabilities to track geo-referenced processes and visualize the simulated results in conjunction with associated geographic layers such as digital maps. The ARPTM computes travel distance, time, and concentration of the pollutant cloud in the given flow path from the river network, after quickly finding path between the spill of the pollutant material and any concerned points in the downstream. ARPTM is closely connected with a recently developed GIS-based Arc River database that stores inputs and outputs of ARPTM. ARPTM thereby assembles measurements, modeling, and cyberinfrastructure components to create a useful cyber-tool for determining and visualizing the dynamics of the clouds of pollutants while dispersing in space and time. ARPTM is expected to be potentially used for building warning system for the transport of pollutant materials in a large basin.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.31 no.1
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• pp.85-93
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• 1998

This study is to analyze and predict the contaminant transport based on the hydrauli characteristics using 2-dimensional finite element model. The dynamic wate quality model. RMA-4. is used to predict the contaminant transport using the hydrulic characteristics obtained from RMA-2v model. The study region is from downstream of Cham-sil weir to upstream of Shin-Kok weir. From the results of contaminant transport analysis. it is shown that the variations of discharge and velocity give quite large effect to the transport and dispersion of contaminant material. and that the water qualities of Joong-Rang and Tan streams play an important role to the downstream also. when the incidental contaminant accident occurs and contaminant material moves to the downstream. it is resulted the decreasing of the maximum COD and the increasing of the duration time to be affected by contaminant. Finally. 2-dimensional analysis is required in the case of large river like Han River. since the large difference of contaminant concentration has been investigated in the left and right bank.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2017.05a
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• pp.100-100
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• 2017

하천에 유입된 오염물질의 2차원 혼합거동은 하천 주흐름에 의한 이송현상과 유속 성분의 수심평균 값에 대한 공간적 편차로부터 야기되는 분산현상으로 설명 할 수 있다. 이는 3차원 이송확산 방정식으로부터 수심 적분된 2차원 이송-분산 방정식으로 수학적 유도가 가능하며, 수심방향으로 적분하는 과정에서 발생되는 농도의 분산항은 Taylor Dispersion 개념에 기초하여 종방향 및 횡방향의 2차원 분산계수로 표현된다. Fischer(1978)는 연직방향 유속분포로부터 2차원 분산계수를 추정하는 해석해를 수학적으로 유도하였으나, 실제 하천에서 정밀한 연직방향 유속분포를 계측하는 것은 많은 비용 및 노동력을 초래한다. 따라서 선행 연구자들은 2차원 혼합모형의 분산계수를 산정하고자 실험적 방법으로써 추적자실험을 수행하였다. 추적자실험은 추적자 물질을 수체에 주입한 후 농도의 변화를 관측함으로써 추적자물질이 하천에서 이송 및 분산되는 과정을 이해하는데 유용하다. 기존의 추적자실험은 고정된 위치에서 농도를 계측하여 시계열적인 농도의 변화를 관측한 후, 오염운 동결가정을 통해 종,횡방향 분산계수의 산정이 가능하지만, 오염물질 농도의 공간적 분포를 얻기에는 한계가 있다. 본 연구에서는 기존의 추적자실험법의 한계를 극복하고자 형광물질을 이용한 추적자실험을 수행함과 동시에 드론에 장착된 디지털카메라를 이용하여 항공영상을 취득 및 분석하여, 하천에 주입된 형광물질의 농도분포를 시공간적으로 추출하는 기법을 개발하고, 이를 바탕으로 오염물질의 2차원 혼합거동을 분석하였다. 본 실험은 한국건설기술연구원의 안동하천실험센터의 A3실험수로에서 수행되었으며, 실험수로는 평균 하폭 5 m, 평균 수심 0.44 m, 유량 $0.96m^3/s$의 실제 소규모 하천과 유사한 축척을 가지고 있다. 추적자물질은 Rhodamine WT 용액이 사용되었으며, 실험수로 내 설치된 15개의 형광광도계(YSI-600OMS)를 이용하여 농도를 측정하였다. 항공영상의 취득을 위해 이용된 드론은 DJI-Phantom 3 Professional 이며, 3840x2160의 해상도로 초당 30 frame의 동영상으로 취득되었다. 영상의 정합 및 좌표화를 위해 RTK-GPS를 이용하여 12개의 지상 기준점의 좌표를 취득한 후, 사영변환을 통해 영상좌표를 지상좌표로 변환하였다. 영상의 픽셀값을 농도장으로 변환하기 위해 각 RGB 밴드의 픽셀값을 통계적으로 분석하여 농도장으로 변환하였으며, 영상으로부터 얻은 농도장은 형광광도계에 의해 실측된 농도와 결정계수 0.9이상의 수준으로 정확도를 나타냈다.

• 한국방재학회:학술대회논문집
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• 2008.02a
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• pp.795-798
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• 2008

An estuary is very important that the seawater and the freshwater meet and they formed wide foreshore and estuarine which is used as the habitat of various living thing and spawning bed of fish. Masan bay is typical closing bay in Korea. It is located 9 km from the open sea and most inside of Jinhae bay. The width of bay entrance is less than 1 km, where the flow velocity is very low. The large scale industrial complex of Masan bay is located in near Masan and Changwon city whose population is about 100 million. Because of low tidal velocity, the pollutants from the land are accumulated, which makes the water quality worse in Masan bay. The purpose of this study is to analyze the various hydraulic characteristics using RMA-2 model. The advection and diffusion of pollutant is also simulated using RMA-4 model according to the inflow of Changwon-stream and Nam-stream. The hydraulic simulations include the effect of tide which can be characterized by the tide data of Masan bay tide observatory.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.42 no.10
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• pp.891-896
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• 2009

The puff models have been developed to simulate the advection-diffusion processes of dredging suspended solids, either alone or in combination with Eulerian models. Computational efficiency and accuracy are of prime importance in designing these hybrid approaches to simulate a pollutant discharge, and we characterize two relatively simple Lagrangian techniques in this regard: forward Gaussian puff tracking (FGPT), and backward Gaussian puff tracking (BGPT). FGPT and BGPT offer dramatic savings in computational expense, but their applicability is limited by accuracy concerns in the presence of spatially variable flow or diffusivity fields or complex no-flux or open boundary conditions. For long simulations, particle and/or puff methods can transition to an Eulerian model if appropriate, since the relative computational expense of Lagrangian methods increases with time for continuous sources. Although we focus on simple Lagrangian models that are not suitable to all environmental applications, many of the implementation and computational efficiency concerns outlined herein would also be relevant to using higher order particle and puff methods to extend the near field.

• Ecology and Resilient Infrastructure
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• v.9 no.3
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• pp.141-153
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• 2022

In this study, a numerical model of debris flow considering driftwood and entrainment erosion is developed. Subsequently, numerical simulations based on the observation data of the 2011 Mt. Umyeon are performed. To develop the debris flow model, the Nays2DFlood model, which is a flooding model based on the shallow water equation, is coupled with the transport diffusion of mixed sediment concentration, debris flow bottom shear stress, and entrainment erosion modules. The simulation closely reproduced the depth, flow velocity, and debris flow volume of Mt. Umyeon. In addition, the reproducibility of the simulation result with driftwood is more accurate than that without driftwood. The results of this study can facilitate in establishing measures to reduce debris disasters, thus alleviating the current increase in debris damage due to climate change.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2015.05a
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• pp.103-103
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• 2015

유류유출사고와 같이 하천 수표면의 흐름에 따라 이동 확산하는 부유성 오염물질의 혼합해석을 위해 많은 연구자들은 입자추적모형을 사용한 혼합모의를 수행해왔다. 입자추적모형에서 오염물질의 혼합은 평균 유속 분포에 의한 결정론적인 이동과 난류유동에 의한 무작위적인 혼합으로 나타내며, 난류혼합에 의한 수평확산은 난류확산계수로 조절한다. 따라서 표면흐름에 의한 난류확산계수의 산정을 위해 많은 연구자들은 부유성 입자를 이용한 실내실험을 수행하여 수평확산계수를 산정했고(Engelund, 1969; Cederwall, 1971), 최근에는 GPS의 발전으로 인해 해양영역에서 GPS를 장착한 표면부자를 활용한 확산실험을 통해 수평확산계수를 산정한 바 있다(Kjellson and $D{\ddot{o}}{\ddot{o}}s$, 2012; Alpers 등, 2013). 하천수질오염사고의 약 43.5%가 유류유출에 의한 것이며(환경부, 2013), 이에 따라 표면흐름에 의한 오염물질 혼합해석이 필요하나, 하천에서 수평확산계수 산정을 위한 현장실험연구는 부족한 상황이다. 따라서 본 연구에서는 낙동강 본류에서 GPS부자를 이용한 입자추적실험을 수행하여 표면흐름에 의한 확산계수를 산정했다. GPS부자를 이용한 입자추적실험은 낙동강의 강정고령보 하류와 구미보 하류의 각각 세 지점에서 수행되었다. GPS부자는 바람에 의한 교란을 최소화하기 위해 지름 10 cm의 구형으로 제작하였으며 시범테스트를 통해 입자의 주 궤적 변화가 크지 않은 지점에 GPS부자를 투입했다. GPS부자는 오염물질의 사고유출을 가정하여 한 지점에 투입했고 GPS부자 사이의 간섭을 최소화하기 위해 25 ~ 35개의 GPS부자를 이용했다. 표면흐름에 의해 이동하는 부자의 위치는 GPS에 시계열로 저장됐고 ADCP를 이용하여 실험당시의 수리량을 측정했다. 입자위치의 시계열자료로부터 GPS부자의 확산범위의 시간변화를 계산했고 단순 모멘트법을 이용하여 종, 횡 방향 확산계수를 계산했다. 그 결과, 종 방향 확산계수는 $0.003{\sim}0.041m^2/s$로 계산되었고 횡 방향 확산 계수는 $0.001{\sim}0.012m^2/s$로 계산되어, 흐름방향의 유속성분에 의한 확산이 지배적인 것으로 나타났다. 지류 합류부에서는 이송이 지배적인 혼합이 발생되었고(Pe>1) Pe의 증가에 따라 수평확산계수가 감소되었다. 25~35개 GPS부자 궤적의 앙상블 평균으로부터 계산한 Integral time scale은 모멘트법으로부터 계산한 종, 횡 방향 확산계수와 비례하는 것으로 나타나, Taylor(1921)의 이론과 일치했다. 또한 실험수로에서 수행된 기존연구결과와 비교한 결과, 하폭 대 수심비, 마찰항의 증가에 따라 수평확산계수가 증가하는 경향을 나타내었다.