• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2007.05a
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• pp.883-888
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• 2007

일반적인 하천의 흐름방향으로 발생하는 주흐름(primary flow)에 중첩하여 주흐름 방향의 수직단면에 이차류(secondary flow)가 발생하게 되며 이러한 이차류의 발달은 투입된 오염물질의 횡혼합을 증대시킨다. 오염물질의 혼합은 이송(advection)과 확산(diffusion) 또는 분산(dispersion)의 과정으로 설명되며 본 연구에서는 수로전체의 혼합과정을 설명하기 위해서 이송 확산 방정식을 적용하였다. 본 연구에서는 실험수조를 $150^{\circ}$의 중심각을 갖는 S자 형태의 만곡수로를 제작하여 유량조건은 15, 30, $60\;{\ell}l/sec$의 세 가지 경우로, 수심은 15, 20, 30, 40 cm의 경우로 총 12 케이스의 실험을 수행하였다. 유속장의 측정은 Sontek사의 3차원 micro-ADV(Acoustic Doppler Velocimeter)를 이용하였다. 오염물질 확산실험은 소금물 용액에 주변수와의 밀도차를 없애기 위해서 메탄올 용액을 첨가하여 추적자로 이용하여 농도장의 분석을 일본 KENEK사의 전기전도도계(conductivity meter)와 Gartner사의 DAS(data acquisition system)를 이용하여 횡방향 유속장의 분포와 오염운의 거동을 비교하여 다음과 같은 결론을 얻게 되었다. 주 흐름은 직선구간에서는 중앙에서 최대 유속을 나타내며, 좌우대칭적인 유속분포의 모습을 보이고, 만곡부에서는 수로안쪽을 따라 최대유속이 발생하였다. 수로의 직선구간에서는 최대유속이 발생하는 즉, 중앙에서의 오염물질의 분산이 가장 활발하게 이뤄졌으며 농도의 퍼짐형상인 오염운 역시 만곡부에서는 수로만곡부의 안쪽을 따라 확산 이동함을 알 수 있었다. 만곡부 외측에서는 오염물질의 정체현상이 일시적으로 발생하며, 유속구조의 횡방향 비대칭구조로 인한 종 횡방향의 분리현상이 발생하고, 오염운의 중첩현상이 종방향으로 연속되게 나타난다. 향후 수심방향 거동을 포함한 3차원적 분석이 요구되며 이 연구결과는 2차원적 수치해석의 적용 및 분석 자료로써 이용이 가능하다.

• KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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• v.29 no.1B
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• pp.35-45
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• 2009

In this study, a laboratory experiment has been performed on a S-curved channel with two curved sections. In the experiments, effects of 3-D velocity structures on mixing characteristics of tracer material were investigated. As a result, it was clearly noticed that the primary flow travels taking the shortest course of the meandering channel and has a very ununiform distribution at the bends. The secondary cell which was developing at the first bend disappears at the crossover, and then, at the next bend, secondary cell is re-developing in the opposite direction. The experimental results show that mixing of tracer is significantly affected by the combined action of ununiform primary flow and secondary cell. The ununiform primary flow separates the tracer cloud in the longitudinal direction, and the secondary cell further separates the retarding tracer cloud mainly in the transverse direction. As a result, these complex flow structures cause separation and spreading of tracer cloud both in the longitudinal and in the transverse directions. The measured dimensionless transverse dispersion coefficients calculated using 2-D routing procedure ranges 0.012-0.875, and is generally proportional to width to depth ratio (W/h). The predicted values calculated by the theoretical equation overestimate slightly the measured transverse dispersion coefficients.

• 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.

• KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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• v.26 no.2B
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• pp.161-170
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• 2006

A tracer test technique using a radioisotope was proposed to investigate pollutant mixing characteristics in rivers. The main advantages of radioisotope as a tracer in field tests are that it can be detected easily, and that its detection range is quite large. Also, using the radioisotope, the amount sorbed by the bed material and the biota may be a minimum. Field tracer tests were conducted at seven different sites in natural rivers with various meandering pattern. Based on the acquired data, the behavior of the tracer cloud in the intermediate-field was examined two-dimensionally, and dispersion coefficients were calculated using several evaluation methods. Results revealed that the tracer cloud was transported skewed to the outer bank and dispersion coefficients in bends were larger than those in straight reaches.

• KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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• v.26 no.2B
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• pp.171-178
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• 2006

The finite element model based on the 2-D advection-dispersion equation incorporating the dispersion tensor that is calculated using velocity field data was developed in order to analyze more accurately 2-D mixing of pollutants for meandering streams. The proposed model was tested using the straight channel that inclined at 45o in the Cartesian coordinate system. The simulation results showed that dispersion tensor model using velocity field data gives an accurate solution. The suitability of the proposed model in analyzing actual pollutant mixing in meandering channels was demonstrated by comparing the simulation results with experimental data obtained from the tracer tests in the laboratory flume. Comparison results showed that the proposed model with dispersion tensor can represents more accurately the mixing phenomena of the pollutants in the meandering channels in which the direction of the primary flow is varying periodically along the channel.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.37 no.12
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• pp.979-991
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• 2004

In this study, RMA2 and RMA4, the 2-D depth-averaged models, were employed to simulate the two-dimensional mixing characteristics of the pollutants in the natural streams. The velocity and depth were first calculated using RMA2, 2-D hydrodynamic model, and then the resulting flow field was inputted to RMA4, 2-D water quality model, to compute the concentration field. RMA models were verified using the velocity and concentration data measured in S-curved meandering channel. The results showed that the RMA2 model simulated well the phenomenon that the maximum velocity line is located at the Inner bank of meandering channel, and the RMA4 model was well adapted to reproduce the general mixing behavior and the separation of tracer clouds. Comparing model simulations with measured data in the field experiments, RMA2 model simulated well general flow field and tendency that the maximum velocity line skewed toward the outer bank which were found in field experiments. The simulations of RMA4 model showed that the center of the tracer cloud tends to follow the path in which the maximum velocity occurs. In this study, the dispersion coefficients are fine-tuned based on the measured coefficients calculated using field concentration data, and the results show reasonable agreement with predictive equations.