• 한국수자원학회논문집
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• 제49권6호
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• pp.529-536
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• 2016

본 연구는 급경사 자갈하상 만곡수로의 이동상 수리실험을 이용하여 만곡부 최대세굴심 산정공식들의 적용성을 평가하였다. 평균입경 43mm의 하천자갈을 $90^{\circ}$ 만곡 급경사 개수로에 포설하고 유량과 하상경사에 따른 만곡부의 최대세굴심을 조사하고 세굴심 공식으로 산정한 최대세굴심과 비교하였다. 자갈하상 만곡부 국부세굴은 유입부의 하상경사 0.02이상 $F_r$ 0.95이상에서 발생하였다. 이 수로에서 Lacey공식과 Zeller공식을 제외한 기존 세굴심 산정공식들은 최대세굴심을 과대 추정하는 것으로 나타났다. 하상재료를 고려한 Lacey공식과 접근경사와 만곡도를 반영한 Zeller공식은 급경사 자갈하상 만곡부의 최대세굴심 평가에 적용될 수 있는 것으로 판단된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2016년도 학술발표회
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• pp.393-393
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• 2016

자갈하천 만곡부에서 하상의 세굴심을 파악하는 것은 하천의 수공구조물 안전설계를 위해 고려할 중요한 요소이다. 모래하천에서 만곡부의 국부세굴에 대한 연구는 활발하게 이루어지고 있으나 자갈하천 만곡부의 세굴심에 대한 연구는 부족한 실정이다. 만곡부 세굴심은 하천경사, 하상재료, 유로형태 등에 따라서 다르다. 따라서 하천 만곡부의 세굴심을 산정하기 위한 공식들은 지배적인 독립변수로 사용되고 있는 유량, 유속 또는 Froude수, 수심, 하상재료의 직경 등에 따라 분류할 수 있다. 세굴심과 단위폭당 유량의 관계는 Lacey (1930), Abbott (1963), Blench (1969), Neill (1973)의 공식이 있다. 만곡부에 접근하는 상류부에서 Froude 수와 만곡부의 세굴심의 관계는 Liu et. al (1961), Zeller (1981), Mussetter (1994)의 공식이 있다. 또한 만곡부의 수심-세굴심 또는 하상재료의 직경과 세굴심의 관계를 나타내는 공식이 USBR, USACE, FHA 등에서 사용되고 있다. 하상재료와 세굴의 관계공식은 하천 만곡부에서 세굴심은 하상재료에 따라 발생될 수 있는 최대 크기가 정해져 있다고 본 것이다. 하상재료는 하천의 유사이송능력과 유역의 유사공급능력을 반영하기 때문에 하천의 수리특성을 나타낼 수 있는 변수이나 하상재료의 평균입경 특성에 영향을 미치는 수리학적인 요인들이 너무 많고 간접적이라는 한계가 있다. 자갈하상 하천에서 Mussetter, Liu, Abbott 공식은 세굴발생에 대한 한계조건을 반영하지 못하고 대부분 세굴심을 과대 추정한다. 자갈하천에서 Zeller 및 Lacey 공식과 USACE 방법에 의한 세굴심은 적용성이 있다고 볼 수 있는 유량조건이 있다. 이같이 대부분 세굴심 공식이 모래하천에서 개발되었기 때문에 자갈하천의 만곡부 세굴심을 산정하기 위해서는 하상재료의 특성이 반영되어야 한다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2010년도 학술발표회
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• pp.494-498
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• 2010

금강수계에서 2007년 10월부터 2009년 10월까지 17개 지점을 대상으로 어류 모니터링과 하상재료를 조사하였다. 하상재료는 사립자 크기에 따라 6단계(실트, 모래, 가는자갈, 굵은자갈, 호박돌 및 전석)로 나누었으며, 각각 3개 지점씩 선정하여 조사하였다. 조사결과 모든 지점에서 채집된 어류는 10과 49종 7,316개체였다. 하상재료 중 실트~굵은자갈에서 피라미(Zacco platypus)가 가장 높은 출현율을 보였으며, 호박돌~전석에서는 참갈겨니(Zacco koreanus)가 우점하는 것으로 나타났다. 생물다양도 및 우점도는 가는자갈~굵은자갈에서 최적 상태를 보였으며, 정량적서식지평가(QHEI)와 생물보전지수(IBI)는 하상재료가 커짐에 따라 점수가 증가하여 최적 상태를 나타내었다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2017년도 학술발표회
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• pp.464-464
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• 2017

경사가 급한 산지하천은 대부분 전석이 산재한 자갈하상으로 되어 있다. 전석은 계곡이나 사면에서 발생한 토석류의 일부로 하천에 유입하여 하류로 이송되는 중에 하상에 퇴적된다. 이후 발생하는 홍수에 따라서 거대 전석은 단속적 이동하기 때문에 하천 흐름을 방해하는 돌출장애물로서 기능하는 경우가 많다. 본 연구에서는 개수로 흐름의 장애를 유발하는 돌출물이 경계층 높이에 어떤 영향을 미치는 지를 파악하기 위하여 장애물 돌출높이의 변화가 경계층고에 미치는 영향을 수리실험으로 조사하였다. 본 연구인 경계층분포 실험은 폭 0.6m, 길이 9m인 순환식 유량공급 개수로에서 진행하였으며 실제 경계층 측정 길이는 폭 0.6m, 최대 길이 1.2m, 수심 0.2m이다. 개수로에 돌출장애물을 부착 후 3차원 유속계를 이용하여 유속을 측정하였다. 유속계의 측정간격은 수로 방향, 폭 방향, 수심방향으로 각각 1cm씩 이동하며 유속 u, v, w를 측정하였으며 이때 흐름의 평균유속은 0.51m/s이다. 실험에 사용된 돌출 장애물의 크기는 가로와 세로는 6cm, 길이 6~10cm인 직육면체 콘크리트이다. 포설된 하상재료의 평균입경은 20.5mm의 강자갈이며 포설된 높이는 평균 20.5mm이다. 실험방법은 개수로 바닥에 돌출장애물을 부착 후 그 하류에서 수심, 유량, 유속, 수온을 측정한다. 또한 하상재료를 포설하고 위와 같은 방법으로 실험을 진행 후 결과를 비교, 분석한다. 본 연구는 결과를 정리하면, 동일한 높이의 돌출장애물이 있을 경우 개수로 유속분포는 자갈하상에서 기울기가 더 급하였다. 돌출 장애물에서 하류로 갈수록 무차원 경계층 두께는 감소하는 경향을 보였으나 자갈하상인 경우에는 진동을 나타내고 있어서 하상의 조도가 경계층 안정에 영향을 미치는 것으로 판단된다. 따라서 자갈하상과 같이 하상의 조도고가 클 때 경계층 변화에 미치는 기구를 파악하는 연구가 필요하다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2015년도 학술발표회
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• pp.64-64
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• 2015

하천에서 토사유출, 하상변동, 제방유실 등과 같은 현상은 유사 이송과정에 관련되어 있다. 하천에 대한 다양한 공학적 문제들을 해결하기 위한 첫 단계로서 유사이송의 특성을 파악하는 것은 중요하다. 유수에 의한 하상재료 이송과정은 핵심 기작에 따라 부유사와 소류사로 구분할 수 있으며 이들의 합이 총유사량이다. 하천에서 유사이송을 정량적으로 이해하기 위해서는 부유사량과 소류사량을 측정할 필요가 있다. 소류사가 부유사에 비하여 측정이 어렵고 많은 시간이 소요되기 때문에 소류사량은 현장실측 자료의 수가 매우 부족하나 부유사량 자료의 수는 상대적으로 많은 실정이다. 홍수 시 하천에서 부유사량은 측정하고 소류사량은 기존 유사량 공식을 이용해 산정하여 총유사량을 추정하기도 한다. 이 같은 총유사량의 신뢰한계는 소류사량 추정 공식에 의존될 수밖에 없다. 본 연구에서는 자갈하상 하천에서 측정한 총유사량 중에 소류사량이 차지하는 정도를 조사하였다. 일반적으로 자갈하천은 모래하천에 비하여 경사가 급하고 유속이 빠르며 산지하천이 이 경우에 속한다. 산지하천에서 부유사량의 변동은 하상조건보다는 유역에서 공급되는 토사유출량의 크기에 좌우되나 소류사량은 주로 하상조건에 영향을 받는다. 양양남대천의 실측 유사량에 대한 유사량-유량의 관계곡선 기울기를 보면 부유사보다 소류사의 경우가 더 크며 서로 교차하는 유량조건, 즉 유사량비(=소류사량/부유사량)가 1인 한계유량이 존재한다. 유량이 적을 때는 소류사가 이동하지 않더라도 부유사량이 존재하였으나 유량이 한계유량보다 크면 소류사량이 더 많았다. 소규모 자갈하천인 Oak Creek (Milhous, 1973)에서 조사한 총유사량에서도 한계유량이 확인되고 있다. 모래로 된 대하천에서 유사량비는 현저히 작으며 한계유량도 확인되지 않고 있으나 경사가 급한 자갈하천에서는 한계유량이 존재한다. 이는 하천에서 유량이 증가하고 하상재료가 커지면 총유사량에서 소류사량의 중요성이 증가한다는 것을 의미한다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2011년도 학술발표회
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• pp.196-196
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• 2011

본 연구에서는 일본 다마천 자갈사주의 식생 이입 과정을 조사하고, 과도한 식생 이입에 영향을 미치는 하상토의 특성과 수리적 특성을 분석하여 자갈사주의 복원을 위한 방안에 관하여 조사하였다. 다마천 자갈사주는 넓게 분포하였던 자갈하천(white river)에 버드나무 등의 식생이 과다하게 성장하여(green river), 이를 억제하기 위한 대책을 수립하여 시행하였다. 또한 이곳에 서식하는 고유종(야생 국화)를 복원하기 위한 연구도 진행되었다. 다마천 자갈사주 식생번무의 원인으로, 자갈과 모래 채취, 하천 개수, 상류의 댐과 보의 축조를 들 수 있으며, 자갈사주를 복원하기 위한 종합적인 연구계획이 수립되어 사업이 시행되었다. 복원 대책으로 홍수터를 파고 모래톱 복원, 상류로부터 자갈과 모래 공급, 저수로 확장, 과다 성장한 버드나무나 아카시아 벌목, 표토 제거를 계획하였으며 이를 시행하였다. 모래톱은 성긴 조약돌로 포설하였으며, 다양한 높이로 조성하여 침수 빈도를 다양하게 변화시켰다. 가장 높은 모래톱은 5년 빈도로 하였다. 자갈사주의 복원 및 관리를 위한 모니터링 그룹도 발족하여 현재 자갈사주의 복원 모니터링이 진행 중이며, 이를 바탕으로 체계적이고 계획적인 복원 사업이 진행되고 있다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2011년도 학술발표회
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• pp.210-210
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• 2011

하도에서의 하천정비 및 안전하도 유지를 위해서는 하상변동 특성을 면밀히 파악하는 것이 중요하다. 상류유역에서 하천으로 내려온 유사(流砂)는 하천의 흐름과 생태환경에 영향을 미친다. 이중 하천흐름은 사련(ripple)이나 사구(dune)의 형성에 영향을 미쳐, 하천의 지형변동인 사주에 영향을 주고 하천 식생의 성장과 발달에 직 간접적으로 간섭하게 된다. 또한, 교량, 취수장의 취수장애, 호안블럭의 침식 등과 같이 수리구조물의 안정에 영향을 주게 된다. 하천의 유사량 변화에 따라 생태계의 서식환경이 변하게 된다. 또한, 저수지에서 유입 유사량의 변화에 따라 저수지의 용적이 변하게 되어 댐의 설계 및 운영에 많은 영향을 끼치게 되며 특히 저수지 탁수관리에 매우 중요하다. 본 연구에는 4개 대권역의 주요지천 및 댐 직 하류하천 지점 중 적정구간을 선택하여 하상재료조사를 실시하였다. 하상재료 조사는 하도를 구성하는 모래와 자갈의 물리적 성질 중 유사의 이동량 및 하상의 변동, 하도설계 등에 관련 있는 입도분포, 비중 등을 측정하며 자갈하천은 표층 하상재료를 조사하고, 모래 재료는 체분석, 실트이하 재료는 BW관 등을 이용한 침강속도 분석을 실시한다. 주요지점의 중 남강의 안의 수위 우량관측소 지점의 상 하류 2km 구간을 200m마다 21개 지점의 하상재료를 채취하여 입도분석을 실시하였다. 분석결과 남강 안의지점의 표층은 여느 하천과 마찬가지로 상 하류 굵은 자갈로 구성되어 있으며 전형적인 자갈하천의 특성을 보었다. 상류200m(2000m)에서는 최소 50mm(10mm), 최대 440mm(75mm), 평균입경은 174mm(34.7mm) 이었고, 하류200m(2000m)에서의 표층입경은 최소 8mm(25mm), 최대 50mm(110mm)이며 평균입경은 27.3mm(62.5mm)로 구성되어 있었다. 전체적으로 상류지역의 입경이 하류지역보다 큰 것을 관찰할 수 있었으며 유수 흐름의 일시적인 저항이 발생하는 안의교 지점의 자갈 입경이 인근 부근보다 큰 것을 확인할 수 있었다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2011년도 학술발표회
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• pp.115-115
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• 2011

본 연구에서는 자갈사주의 식생 이입 과정을 밝히고, 식생 이입에 영향을 미치는 수리적 특성을 규명하기 위한 현지조사 방안을 제시하였다. 자갈사주의 식생이입은 조절 하천과 비조절 하천에서의 이입 과정이 다르며, 본 연구에서는 비조절 하천을 대상으로 하였다. 따라서 상류에 댐이나 저수지가 없는 자연에 가까운 하천을 고려하였으며, 장기적으로는 조절 하천의 식생이입 과정과의 비교를 위해 임하댐의 반변천과 가까운 길안천의 중류 구간을 선정하였다. 자갈사주의 식생이입 과정을 모니터링하기 위해, 자갈사주를 전구역과 세부구역으로 나누어 같은 지점에서 같은 배율로 사진을 촬영하였다. 전자는 자갈사주 전체를 대상으로 촬영하며, 이를 위한 view point 선정이 중요하고 선정에 적절한 지점을 제시하였다. 후자의 경우 식생의 이입 정도를 왕성, 보통, 미약, 없음(4단계)로 구분하기 위해 대상 지점을 matrix가 50% 이상인 지점 ; 식생이입 왕성 (2개 지점), matrix가 50% 이하인 지점 ; 식생이입 보통, 또는 미약 (2개 지점), matrix가 없는 자갈만의 지점 ; 식생이입 없음 (1개 지점)을 선정하였다. 식생이입에 영향을 미치는 변수로는 하상토의 입경과 흐름의 특성(수심, 유속, 하상 소류력 등)을 들 수 있으며, 이들 조사를 위한 방법을 제시하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2021년도 학술발표회
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• pp.388-388
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• 2021

하천에서 호안이나 교량의 교각 등은 홍수 시 주변 하상의 세굴에 의한 피해가 많이 발생한다. 하상보호를 위해서 하천 수공구조물 주변 하상에 자갈, 호박돌, 전석 등을 깔기도 한다. 이 재료들은 다공성 집단을 이루며 유수에 의한 소류력과 항력이 작용한다. 다공성 집단체 공극의 흐름에 의한 항력은 외부 흐름이 가하는 소류력에 비해 작으나 집단의 안정성에 큰 영향을 미칠 수 있다. 집단체에 작용하는 항력은 공극 내의 흐름의 유속과 항력계수를 이용하여 구할 수 있다. 본 연구에서는 다공성 매질 내 흐름에 대한 항력계수를 조사하기 위하여 수리실험을 이용하여 자갈 매질의 공극을 흐르는 물이 일으킨 항력과 동수경사를 측정하였다. 수리실험을 위한 대공극 매질은 상업용 연마 자갈을 사용하여 크기에 따라 작은 자갈(5~10mm), 중간자갈(15~25mm), 큰 자갈(25~50mm)로 구분하였다. 대표입경 D₅₀은 작은 자갈 8.0 mm, 중간 자갈 17.6 mm, 큰 자갈 32.2 mm이고, 형상계수는 각각 0.28~0.74, 0.29~0.58, 0.38~0.68의 범위였다. 자갈 매질의 공극율은 각각 0.405~0.422이었다. 매질 내의 흐름 길이는 24.2cm로 하였다. 실험결과 자갈 매질 내 흐름의 입자 레이놀즈수 Re_p에 따른 내부항력 F_D와 항력계수 C_D는 Fig. 1 및 Fig. 2와 같다. 실험에서 Re_p는 31.5~3,175.4였다. 자갈 매질의 내부항력은 Re_p가 증가하면 비선형적으로 증가하였으며 입자가 클수록 작았다. 항력계수는 작은 자갈과 중간 자갈 매질에 차이가 거의 없었으나 큰 자갈의 경우 작은 것으로 나타났다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2009년도 학술발표회 초록집
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• pp.2053-2057
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• 2009

본 연구에서는 국내하천을 대상으로 하상재료에 따른 조도계수 변화를 분석하였다. 조도계수 분석은 수위, 유량, 하천 단면 등을 직접 측정하여 미지질조사국에서 개발한 ncalc모형을 이용하였고 하상재료 분석은 ISO4364, ISO9195 기준으로 실시하였다. 조사 대상하천은 총 17개 하천으로 거석, 호박돌, 자갈, 모래 등 다양한 하상재료 특성을 반영할 수 있는 지점으로 선정하였다. 하상 재료 크기 $D_{50}$을 기준으로 하여 모래 자갈 혼합 하천이라 할 수 있는 2mm${\sim}$32mm 구간, 자갈 하천인 32mm${\sim}$64mm 구간, 호박돌 하천인 64mm${\sim}$128mm, 거석 하천인 128mm 이상으로 구분하였다. 분석 결과 실측 자료를 이용하여 계산된 조도계수는 유량에 따라 감소하는 경향을 보였으며, 고유량에서 0.04이하로 수렴하는 결과를 보였다. 이를 하상재료 크기에 따라 구분 지을 경우 입경이 커질수록 유량에 따른 변화 폭이 커지는 것으로 나타났다. 하상재료 입경의 크기가 64mm 이하인 하천의 경우 조도계수 변화 범위가 최대 0.02 로 나타난 반면 입경크기가 64mm이상인 하천에서는 최대 0.20 까지 나타나는 결과를 보였다. 조도계수는 일반적으로 수위 증가에 따라 흐름에 저항을 주는 요인들이 침수되면서 감소한다고 보고되었다. 하천의 하상재료 입경이 클 경우 저수위에서 하상재료에 의한 저항요인이 크게 발생되어 수면경사, 흐름 특성 등 조도계수에 영향을 주는 요인들이 생기는 것으로 판단된다.