• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.38 no.10 s.159
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• pp.871-883
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• 2005

This paper investigates the impacts of turbulent anisotropy on the mean flow and turbulence structures in vegetated open-channel flows. The Reynolds stress model, which is an anisotropic turbulence model, is used for the turbulence closure. Plain open-channel flows and vegetated flows with emergent and submerged plants are simulated. Computed profiles of the mean velocity and turbulence structures are compared with measured data available in the literature. Comparisons are also made with the predictions by the k-$\epsilon$ model and by the algebraic stress model. For plain open-channel flows and open-channel flows with emergent vegetation, the mean velocity and Reynolds stress profiles by isotropic and anisotropic turbulence models were hardly distinguished and they agreed well with measured data. This means that the mean flow and Reynolds stress is hardly affected by anisotropy of turbulence. However, anisotropy of turbulence due to the damping effect near the bottom and free surface is successfully simulated only by the Reynolds stress model. In open-channel flows with submerged vegetation, anisotropy of turbulence is strengthenednear the vegetation height. The Reynolds stress model predicts the mean velocity and turbulence intensity better than the algebraic stress model or the k-$\epsilon$ model. However, above the vegetation height, the k-$\epsilon$ model overestimates the mean velocity and underestimates turbulence intensity Sediment transport capacity of vegetated open-channel flows is also investigated by using the computed profiles. It is shown that the isotropic turbulence model underestimates seriously suspended load.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2015.05a
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• pp.395-395
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• 2015

하천 내 식생은 수리학, 지형학 및 생태학적으로 매우 중요하다. 식생은 하천 수생물들의 서식처를 제공할 뿐만 아니라 필터와 같은 역할을 함으로써 부유사에 의한 하천오염물의 퇴적을 유발하여 하천의 수질을 개선시킨다. 더욱이, 하천 내 흐름 및 난류구조를 변경시킴으로써 식생주변의 유사 퇴적량 및 분포에 크게 영향을 미치고, 결국 하천의 지형을 변화시킨다. 개수로의 식생에 대한 영향은 주로 실험 및 수치모델을 이용하여 연구되었고 전단면이 식재된 조건에서 식생의 항력계수, 식생역내의 부유사 및 확산에 관한 연구가 진행되어왔다. 이러한 연구를 통해 식생역 내의 전단력이 감소하여 부유사퇴적이 증가하고 식생역과 비식생역 사이의 운동량 교환에 의해 부유사 퇴적이 증가함을 보였다. 그러나 개수로에서 존재하는 유한한 크기의 식생에 의한 흐름 및 유사분포에 관한 연구는 아직 미흡하다. 이에 본 연구에서는 침수하지 않은 원형 식생 주변에서 발생하는 흐름특성을 수치모의 하였다. 침수하지 않은 원형식생 하류에서 발생하는 흐름을 계산하기 위해 2차원 수치모형을 적용하였다. 식생에 의한 저항을 고려하기 위해 운동량 방정식에 식생항을 추가하였고 $k-{\varepsilon}$ 난류모형을 적용하였다. 수치모의 조건은 Zong and Nepf (2012)의 수리실험을 참고하여 수로의 길이는 12 m, 폭은 1.2 m로 설정하였다. 0.13 m 수심을 갖는 개수로에 0.22 m 지름을 갖는 원형식생을 상류경계로부터 1.0 m 떨어진 곳에 설정하였다. 식생의 밀도($6{\sim}77m^{-1}$)를 변화시키면서 원형식생 하류의 흐름거동을 분석하였다. 식생밀도가 높은 경우에는 원형식생 양 측면에서 유발된 전단층들의 상호작용에 의해 하류에서 와류가 발생하였다. 와류가 발생하는 위치에서 난류강도가 가장 크게 나타났다. 그러나 식생밀도가 일정 값보다 낮아지면 와류가 발생하지 않는 것으로 나타났다.

• Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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• v.16 no.9
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• pp.6305-6314
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• 2015

This study presents numerical simulations of mean flow and turbulence structure of an open channel with submerged vegetation. Filtered Navier-Stokes equations are solved using large-eddy simulation (LES). The immersed boundary method (IBM) is employed based on a Cartesian grid. The numerical result is compared with experimental data of Liu et al. (2008) and shows that simulated results coincided reasonably with experimental data within the average error of 10%. Strong vortices are generated at the interface between vegetated and non-vegetated regions with spanwise extent. The generation of turbulence induced by shear at the interface is interfered with wake turbulence, resulting turbulence intensity maximum. Turbulence produced by shear affects the flow in vegetated region and the penetration depth increases with an increase in the submergence ratio. This result can be used to understand sediment transport mechanisms in the vegetated region.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.43 no.6
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• pp.517-524
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• 2010

In this study, the 1D apparent shear stress model for vegetated compound open-channel flows was suggested. To consider the effect of momentum exchange between main channel and floodplain, the eddy viscosity concept was used in the present model. The interfacial eddy viscosity in the interface of main channel and floodplain was determined from the 3D Reynolds stress model. The evaluated interfacial eddy viscosity appears to be good agreement with those proposed previously. To investigate the effect of interfacial eddy viscosity, sensitive analysis was carried out. the computed backwater profiles are nearly identical with respect to the value of the interfacial eddy viscosity. However, the discharge conveyed by the floodplain changes is proportional to the interfacial eddy viscosity. Finally, the changes of the interfacial eddy viscosity due to the vegetation density and vegetation height were examined. The computed results of interfacial eddy viscosity are in proportion to the vegetation density and vegetation height, and the interfacial eddy viscosity has a range of $(2-5)\;{\times}\;10^{-4}$.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.33 no.5
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• pp.581-592
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• 2000

Turbulence structure and suspended sediment transport capacity in vegetated open-channel flows are investigated numerically in the present paper. The $\textsc{k}-\;\varepsilon$ model is employed for the turbulence closure. Mean velocity and turbulence characteristics including turbulence intensity, Reynolds stress, and production and dissipation of turbulence kinetic energy are evaluated and compared with measurement data available in the literature. The numerical results show that mean velocity is diminished due to the drag provided by vegetation, which results in the reduction of turbulence intensity and Reynolds stress. For submerged vegetation, the shear at the top of vegetation dominates turbulence production, and the turbulence production within vegetation is characterized by wakes. For emergent condition, it is observed that the turbulence generation is dominated by wakes within vegetation. In general, simulated profiles compares favorably to measured data. Computed values of eddy viscosity are used to solve the conservation equation for suspended sediment, yielding sediment concentration more uniform over the depth compared with the one in the plain channel. The simulation reveals that the suspended load decreases as the vegetation density increases and the suspended load increases as the particle diameter decreases for the same vegetation density.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2006.05a
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• pp.1291-1294
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• 2006

최근 자연형 하천에 대한 인식이 개선됨에 따라 식생은 하천 환경 개선과 하천 복원을 위해 가장 중요하게 여겨지는 요소이다. 제방 및 호안에 사용된 식생은 하천의 심미적 가치와 환경적인 가치를 증가시키며, 다른 재료와 복합적으로 사용되는 식생의 경우, 예를 들어 사석 갯버들 호안 등은 상당히 우수한 치수 안정성을 가지는 것으로 알려져 있다. 하지만 이러한 식생의 활용은 홍수 시 흐름 저항을 증가시켜 수위를 증가시키기 때문에 하천 설계 시 식생의 조도 계수를 정확히 평가하여 사용하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 이러한 식생 조도 계수 산정에 관한 연구의 일환으로 일반 개수로에서 현재 제방에 널리 사용되고 있는 한국 잔디(금잔디) 및 양잔디(Perennial Ryegrass)를 선정하여 실험하였다. 두 식생 모두 완전 침수(fully submerged) 상태에서 실험을 수행하였으며, 유사한 유량 범위에 대하여 실험을 수행한 후 그 결과를 비교 분석하였다. 실험 결과 단위 폭 당 유량이 증가함에 따라 한국 잔디에 대해서는 매닝 조도 계수가 0.03 부근에 수렴하는 것으로 나타났으며, 양잔디에 대해서는 마찬가지로 단위 폭 당 유량이 증가함에 따라 0.06 부근으로 수렴하는 것으로 나타났다. 특히 한국 잔디에 대한 실험 결과는 기존 매닝 조도 계수 연구 결과 중 '홍수터-초지(작은 풀)' 조건에 대하여 설계 제안치로 제시되는 수치와 유사한 결과를 나타내는 것 을 확인할 수 있었다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2008.05a
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• pp.1985-1990
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• 2008

1970년대 이후의 고도경제성장기에 치수대책과 동시에 건설골재로서 하상이 굴착된 하천이 많으며, 국가하천 지정구간외에서는 평균하상고가 1.0m 이상 저하한 하천구간도 많다. 또한 국가하천은 상류의 사방공사나 댐건설에 의한 영향이 복합적으로 하도에 나타나고 있어 하상굴착이 하도특성에 어떤 영향을 미치는가를 실증적(實證的)으로 검증하는 것은 어려운 과제이다. 하천에서의 골재채취는 제방부의 침식에 의한 호안파괴, 하상저하에 따른 교량이나 취수보 등 구조물의 기초 노출이 치수적인 문제를 야기할 뿐만 아니라, 단시간내에 하도의 지형구조를 급격하게 변화시켜 여울 소의 하상구조 교란이나 수중 및 하천변의 서식처 파괴 등으로 하천의 물리적 환경에 큰 영향을 미침으로써 생태계를 교란하거나 파괴하는 결과를 초래하게 된다. 본 연구에서는 골재채취로 인하여 교란된 하천의 복원 및 적응관리 계획수립의 전단계에 필요한 교란평가기법을 개발하기 위하여 황강, 남강 및 감천을 대상으로 하여 대조구간과 교란구간을 선정하고 조사 분석하였다. 하천골재 채취가 없거나 경미한 대조구간에서는 홍수량이 변하지 않으면 terrace 모양의 하안부 재료가 하상재료와 거의 같기 때문에 홍수가 있으면 침식된 원래의 하폭으로 회복되는 방향으로 변하지는 않는 경향이 나타났다. 반면에 골재채취가 많은 경우 큰 홍수시의 저수로부의 수심을 증가시키기 때문에 수충부 등의 최심하상고가 크게 되는 경향이 있었으며, 고수부는 침수되는 빈도와 수심이 감소하기 때문에 토사의 퇴적속도(고수부의 상승속도)의 감소, 퇴적물의 세립화 경향이 나타나서 모래, 실트가 퇴적하지 않는 고수부상에 모래, 실트가 퇴적되는 경우가 있고, 반대로 고수부의 퇴적속도가 상승하는 경우도 있었다. 골재채취로 횡단방향의 평탄화가 초래되어 여울 소의 하상구조가 교란됨과 동시에 구간별로 종단경사가 완만해지며, 대부분 교량부에 하상유지공을 설치해야 할 정도로 하상경사가 급변하는 구간이 다수 조사되었다. 또한 선행연구에서 개발된 하상서식환경, 하상재료, 유속/수심상황, 유사퇴적, 하도흐름상태, 하도개수, 여울출현 빈도, 하안 안정성, 식생피복 및 하반림 등 10개의 교란평가항목을 적용하여 대조구간과 비교 평가하였다.