• 대한토목학회논문집
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• 제12권2호
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• pp.101-108
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• 1992

평형하상(平衡河床) 개념의 하천 실무에의 적용성 및 우리나라에서 평형하상경사를 추정하기 위해 널리 사용되어온 '안예(安藝)공식' 및 '물부(物部)공식'의 타당성에 대해 재고찰한다. 평형하천이란 장기간에 걸쳐 하천의 지배적인 수리(水理) 특성하에서 상류에서 공급되는 유사의 이송에 꼭 필요한 만큼의 유속이 생기도록 자연적으로 하상경사가 조정되어 실질적인 하상의 퇴적이나 침식이 없는 하천을 말하며, 평형하상이란 바로 그러한 하천의 하상상태를 지칭한다. 자연 상태에 있는 하천에 소위 '평형하상공식(平衡河床公式)'을 적용하여 그 하천의 하상상태를 분석하는 현재의 하천 실무는 지양되어야 할 것이다. 또한, 하천에서 안정하상 경사를 결정하기 위한 '안예(安藝)공식' 이나 '물부(物部)공식' 같은 소위 '평형하상공식'들은 그 타당성이 의심스러우며, 따라서 이러한 공식들의 하천 실무에의 적용은 지양되어야 할 것이다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2006년도 학술발표회 논문집
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• pp.1535-1540
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• 2006

하천의 평형상태를 판단하기위해 필요한 두가지 관점은 첫째, 대상 하천이 현재 평형상태에 있는 가이고 둘째, 하천에 하상변동을 일으킬 수 있는 인위적인 영향을 가한 후에 하천반응을 통해 궁극적으로 결정되는 평형상태를 예측하는 것이다. 따라서 본 연구는 하도의 특성을 토대로 하여 현 하도의 평형상태를 정성적인 측면에서 검토하고, 흐름과 유사 이송에 관련된 수학모형을 수치적으로 해석하는 하상변동모형의 분석을 통한 현하도의 안정성 및 하상변동 양상을 파악하는데 그 목적이 있다. 본 연구는 임진강 유역의 충적하천인 문산천을 대상으로 지배유량을 산정한 후 지배유량 유하시의 마찰속도와 무차원 소류력 등의 하도특성량을 산정하여 토사이송이 크게 발생하는 구간을 정성적으로 예측하였다. 예측된 구간의 현장조사결과 $No.29{\sim}No.35$ 구간의 하상의 상승은 개수공사와 수해복구공사로 인한 인위적인 굴착에 대한 퇴적으로 하천이 평형상태로 환원하고자 하는 것으로 판단되었고, $No.41{\sim}No.54$ 구간의 하상저하는 문산천 상류구간의 큰 하상경사와 보의 영향인 것으로 조사되었다. 또한 1, 2차원 모형에 의한 장 단기 하상변동 분석결과 하도특성량을 이용한 하도의 안정성 평가와 유사한 결과를 보였다. 따라서 문산천의 경우 하상변동의 양상 파악 및 하도의 안정성 판단을 하는데 있어 하도특성량을 근거로 판단하는 방법의 적용가능성을 파악할 수 있었다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2006년도 학술발표회 논문집
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• pp.588-593
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• 2006

자연하천은 일반적으로 만곡수로나 사행수로 형태를 보이고 있으며, 직선수로에서와 달리 원심력에 기인한 이차류 영향을 받게 된다. 이차류에 의해서 수면에서는 만곡부 바깥쪽으로, 하상에서는 만곡부 안쪽으로의 흐름특성을 보이게 된다. 만곡부 안쪽으로 가해지는 하상 전단응력에 기인하여 하상에서의 입자가 만곡부 안쪽으로 이송되며, 결과적으로 만곡부 안쪽에는 점사주가, 바깥쪽에는 소(pool)가 생성된다. 또한 지형경사의 생성으로 입자에 가해지는 중력효과도 변화된다. 따라서 이와 같은 자연하천의 흐름과 하상변동을 수치모의 하기 위해서는 만곡부 이차류 특성을 고려한 모형이 필요하다. 본 연구에서는 수심 적분된 흐름방정식과 하상토 보존방정식 (Exner equation)을 이용한 하상변동을 위한 비연계 수치모형을 위해서 하상토 보존방정식의 유한요소 알고리즘을 개발하였다. 하상토 보존방정식은 흐름 특성에 따른 평형 유사량의 공간변화율을 이용하여 일정 기간 동안의 하상 변화량을 계산한다. 이 때 이차류에 의한 하상 전단응력의 편각 및 지형경사 변화에 따른 실제 입자의 이송방향을 보정하여 평형 유사량이 계산된다. 이러한 보정식을 적용시키기 위해서는 유속성분의 공간변화량 및 지형경사의 공간성분이 필요하다. 유한요소법은 연속성 변수를 이산화시켜 근사해를 구하는 수치기법의 일종이기 때문에, 요소망이 불규칙적으로 구성되었을 경우 임의의 절점에서 연속성을 지닌 변수의 공간변화율을 계산하는데 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 평형 유사량 계산 시에 절점이 아닌 요소 내부에서 평형 유사량을 계산하는, 하상토 보존방정식의 새로운 유한요소 알고리즘을 개발하고, 새로운 알고리즘을 적용시킨 수치모형의 검증을 행하였다. 경계조건 알고리즘의 검증으로 위해서 Soni 등 (1980)이 행한 상류 유입 유사량에 따른 하상변동을 수치 모의하고 실험치와 비교하였으며, Sutmuller와 Glerum (1980)이 수행한 만곡수로에서의 하상변동을 모의하고 실험과 비교하였다. 새로운 알고리즘을 적용시킨 하상토 보존방정식의 유한요소 수치모형의 결과는 매우 안정적이며, 실험과 매우 유사한 결과를 얻을 수 있었다. 본 수치모델은 현재 균일한 입자의 하상토만을 고려하므로, 입자분급이나 하상 장갑화 현상 등은 무시한다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2015년도 학술발표회
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• pp.317-317
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• 2015

강이나 하천에 이수 및 치수의 목적으로 소규모 댐이나 보 등의 수리구조물을 설치한다. 수리구조물의 상하류부에는 하천 하상의 극심한 침식인 국부세굴현상을 방지하여 수리구조물의 안정성을 확보하기 위해 하상보호구조물을 설치하는데, 특히 하류부에 설치하는 하상보호구조물에는 크게, 다양한 형식과 크기의 물받이공, 에너지 감세공, 그리고 끝턱구조물 등이 이에 속한다. 지금까지 국내 외 수리구조물 설계지침에서는 하상보호공의 적절한 길이규모를 산정하기 위한 다양한 공식이 개발 및 적용되었지만, 최근 들어 다양한 목적을 위해 복잡해진 수리구조물의 형식과 다양한 운영방식에 따른 수리학적 분석내용이 적절하게 반영되지 않은 경험공식이 대부분 적용되었다. 따라서 예상보다 매우 큰 하상유실이 발생 하여, 하상보호구조물의 설치역할을 제대로 수행하지 못하고 오히려 수리구조물의 안정성에 위협을 주는 주요한 요인이 되었다. 그리고 최근 국내에는 4 대강 유역에 16개 중 대규모의 다목적 보가 설치되었으나 앞서 언급한 바와 같이 미흡한 설계지침을 기반으로 설치된 보 및 하상보호구조물의 기능이 저하되어 극심한 세굴현상이 발생하였다. 또한 이를 보강하기 위한 추가적인 공사 등으로 경제적인 손실을 야기하였다. 반면 외국의 최근 설계지침에는 하상보호구조물 하류부에서 발생하는 평형최대세굴심의 규모를 고려하거나 흐름 및 난류분포를 고려한 수리학적 분석이 반영되어 있지만 국내 설계지침에는 전무한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 기존 국내 설계지침의 한계를 조사하고 현재 외국에서 적절하게 제안되어 적용 중인 하상보호구조물 설계지침을 검토하였다. 특히 수리학적 거동특성과 유사분포 특성이 고려된 최대세굴심 산정공식과 설계지침을 검토하였고, 평형상태에 도달한 세굴공 내에서의 수리학적 특성을 고려하여 하상보호구조물의 길이를 적절히 산정할 수 있는 기존 연구결과를 토대로, 하상보호구조물 길이 산정공식을 제안하였다. 본 연구에서 검토된 외국 설계지침과 함께 수리학적 거동특성이 고려된 하상보호구조물의 길이 산정공식은, 향후 수리구조물의 안정성 확보를 위한 하상보호구조물의 설계에 반영될 필요가 있으며, 이를 통해 수리구조물의 효율적이고 경제적인 유지관리를 위해 적절히 활용될 수 있다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2018년도 학술발표회
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• pp.76-76
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• 2018

하천에서의 유사이송과 하상변동을 분석하는 대표적인 방법으로는 현장에서 유사량이나 하상고를 측정하여 분석하는 실측에 의한 방법, 수리모형 실험과 수치모형을 이용하는 방법이 있다. 이 중에서 실측에 의한 방법은 시간과 비용의 한계로 수치해석모형을 이용한 연구가 많이 이루어 지고 있다. 현재까지 개발된 다양한 하상변동 수치모형들은 유사이송 상태를 평형 유사이송 상태를 가정하고 개발되어 왔다. 평형 유사이송은 흐름과 하상재료 등의 조건이 발생시킬 수 있는 유사이송능력과 실제 유사이송률이 동일하다고 가정하는 것이다. 그러나, 실제 유사이송에서는 흐름 및 지형 등의 변화에 따라서 지속적으로 새롭게 형성되는 유사이송능력에 실제 유사이송률이 빠르게 도달하지 못하면서 유사이송능력과 유사이송률 사이에 시 공간의 격차가 발생하게 된다. 이러한 상황을 비평형 유사이송이라고 하며 지속적인 하상 상승 및 저하가 발생하는 구간, 댐과 같은 구조물에 의해서 유사의 연속성이 차단되는 구간, 하상재료가 불연속한 구간 등에서 주로 발생하는 것으로 알려져 있다. 비평형 유사이송을 수학적으로 모의하기 위한 대표적인 방법에는 적응거리계수와 회복계수를 이용하는 방법이 있다. 위의 계수들은 흐름 및 하상 특성을 이용하여 공간에 대한 유사이송의 지체현상을 고려하는 방법으로 이를 산정하기 위한 다양한 공식들이 제시되고 있다. 그러나, 각 공식들에 의해서 제시되는 값에 많은 차이가 있는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 실내실험과 수치실험을 통해서 평형/비평형 유사이송 및 집중형/분포형 적응거리계수를 고려한 모의 결과를 비교하였으며, 적응거리계수 산정공식에 따른 비평형 유사이송 모의 결과를 비교하였다. 본 연구에서 적용한 실내실험에 대해서는 평형 유사이송보다는 비평형 유사이송을 고려한 경우와 비평형 유사이송 공식을 이용하여 적응거리계수를 분포형 매개변수로 이용하는 경우가 실제 하상변동 모의 결과에 더 근접한 수치실험 결과를 제공하는 것으로 나타났다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2007년도 학술발표회 논문집
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• pp.1701-1705
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• 2007

국부세굴은 수공구조물 주변에서의 국부적인 흐름변화가 그 원인이라 할 수 있으며 이러한 변화는 교각 또는 교대의 하상재료를 굴착하여 이동시키는 침식작용의 결과이다. 이러한 교량의 교각 또는 교대, 그리고 교각을 지지하는 구조물에서 발생하는 국부세굴은 교량의 수명과 안정성에 좋지 않은 영향을 미쳐 재산상의 피해를 줄뿐만 아니라 교량 붕괴 사태 등으로 인한 대형 인명사고를 초래하는 원인이 될 수도 있다. 따라서 국부세굴의 경향을 예측하고 분석하는 것은 교량 구조물이나 수중 구조물의 설계에 있어서 매우 중요한 과업이다. 이러한 국부세굴을 예측하고 분석하는데 있어서 국내에서는 일정한 흐름조건에 대한 최종세굴심을 예측하는데 초점이 맞추어져 있다. 하지만 국부세굴은 하상재료에 따라 세굴이 진행되는 속도가 다르며 세굴의 진행은 시간 의존적인데 반해 국내에서의 국부세굴의 예측과 분석은 최종세굴심 산정에 초점이 맞추어져 있다. 이에 본 연구에서는 보다 실질적이고 경제적인 국부세굴 경향을 예측할 수 있도록 다양한 하상재료에 대한 시간에 따른 세굴 변화의 특성을 파악하고 분석하였다. 이를 위해 하상재료에 따라 수리실험을 실시하였고, 이를 통해 하상재료에 따른 세굴심의 시간적 변화 곡선을 구하였다. 이렇게 구한 하상재료에 따른 세굴심의 시간적 변화 곡선을 통해 하상재료별 평형세굴심 산정하였고, 산정한 평형세굴심과 기존 세굴심 산정공식을 이용하여 입자별 세굴심을 산정하여 비교 분석하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2009년도 학술발표회 초록집
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• pp.683-687
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• 2009

하천의 하상은 장기간에 걸친 교란으로 변화를 겪으며 자연 평형상태에 이르게 된다. 하천에서의 교란은 자연적인 교란과 인위적인 교란으로 나눌 수 있다. 자연적인 교란은 홍수, 태풍, 지진, 해충, 질병, 사태, 극고 저온, 한발 등을 포함하며 생태계의 안정성, 저항성 및 복원성에 의하여 자연 복원되는 경우이며, 인위적인 교란은 댐건설, 하도정비, 골재채취 기타 다른 하천 구조물의 축조 등으로 인해 생태계의 구조와 기능에 막대한 변화가 초래되는 경우이다. 따라서 이러한 교란된 하천의 하상변동 경향을 분석하고 예측하여 이 치수 구조물 축조에 반영하고 하천 생태계 교란의 영향을 최소화 시키는 것이 하천 환경적 측면에서 매우 중요하다고 할 수 있다. 본 연구에서는 경상북도 안동시 임하면 임하리에 위치한 반변천의 임하 역조정지댐 직하류부터 낙동강 합류점까지 10.92km 지역을 연구대상지역으로 선정하여, 미공병단에서 개발된 하상변동 수치모형인 HEC-6를 이용하여 댐 건설전과 건설 후에 대하여 하상변동을 모의하였다. 그 결과 처음 5년간은 하상이 $0.5{\sim}1.0m$정도 저하되었으나 10년이 지났을 때, 댐 건설전의 경우에는 $-0.4{\sim}2.2m$, 댐 건설 후에는 $-0.2{\sim}1.3m$정도로 하상이 변화되었다. 이는 댐이 없을 경우에는 처음 5년간은 하상이 심하게 저하되었다가 10년이 지나면서 하상 저하율이 감소되면서 평형상태를 이루는데 댐이 있을 경우에는 하상이 저하되는 감소율이 더 적어지면서 댐이 있을 때보다 하상저하가 적게 이루어진 것 때문으로 사료된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2008년도 학술발표회 논문집
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• pp.1703-1707
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• 2008

유역 토지이용의 변화와 골재 채취, 댐과 저수지의 건설등과 같은 인위적인 요인들은 하천의 평형 상태를 파괴하고 유사이송 문제 및 하상변화등과 같은 문제점을 야기 시킨다. 본연구의 대상하천인 낙동강 하류에는 낙동강 하구둑 건설로 인해 상류로부터 유입되는 유사가 하구둑 상류에 퇴적되는 문제가 발생하고 있으며 매년 상류 수로의 홍수 통수력을 확보하기 위해 준설 작업이 수행되고 있다. 한편 다른 대상하천인 탄천은 최근 들어 분당 신도시를 중심으로 주변의 수지, 구성, 죽전지구 등 상류유역에 대규모 택지지구가 건설됨에 따라 유역의 지형학적, 수문학적 변화가 많이 발생하고 있으며 이러한 변화는 평형상태인 자연하천에서의 하상변동 및 지형학적 변화에 많은 영향을 끼칠 것으로 사료된다. 본 연구에서는 이러한 대표적인 두 대상하천에 대해 HEC-6 모형을 이용하여 하상변동과 지형학적 변화를 예측하고 분석하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2016년도 학술발표회
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• pp.62-62
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• 2016

대하천에서의 하도정비 및 보 신설 후 다양한 하천환경변화가 예상됨에 따라 각종 변화에 의해 발생할 수 있는 현상들을 예측하고 환경변화에 의한 재난을 예방하기 위한 대책수립이 절실히 요구되고 있는 실정이다. 하천에서의 하상변동은 경우에 따라 홍수위 상승, 저수 기능 감퇴, 용수와 취수 방해, 유사에 의한 오염원 확산 등의 문제를 발생시킬 수 있다. 기후변화에 따른 강우패턴의 변화로 하천 내 수리적 요소가 변화되고 그로인해 발생하는 하상 변동의 예측이 필요하다. 만일 유역의 특성이 유지된다면 하천의 동적평형상태인 정비 이전의 하천으로 돌아가려고 할 것이다. 하천이 준설로 넓어지고 깊어진 상태로 이전의 동적인 평형상태로 돌아가려고 하도가 좁아지고 얕아질 것이다. 그러나 기후변화로 인해 유역에서의 유량 및 유사량이 달라질 것으로 예상된다. 하지만 하상변동모델과 기후변화를 연계하여 하도의 변화를 비교 분석한 연구는 매우 드물다. 본 연구에서는 기후변화에 의한 유량의 변화에 따른 시나리오를 구성하고 장기간, 장구간에 걸친 하상변동 양상을 예측하였다. 준2차원 수치모형인 GSTARS를 이용하여 낙동강 상류에서 상주보 구간 사이의 기후변화 영향을 분석하고자 장기 기후시나리오를 구성하고 유사량 공식과 수류 튜브 개수에 따른 각각의 시나리오별 하상변동 양상을 예측하고 최심하상고, 횡방향에 따른 모의결과를 분석하였다.

• 대한토목학회논문집
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• 제30권3B호
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• pp.305-313
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• 2010

하천 복원 설계는 하천 수리 및 유사 수리학적, 하천 지형 및 형태학적, 그리고 생태환경적인 측면까지 모두 고려하여 인위적이지 않고 자연 상태에 가까운 평형하천의 형태를 갖도록 안정성을 최대화하면서 유지 관리 작업은 최소화하는 방향으로 수행해야 한다. 이를 위해서는 우선 평형하상 이론을 고려한 복원 하천 및 하도의 안정성에 대한 평가가 선행되어야 한다. 이러한 평형하상 이론 방법은 일반적으로 크게 해석적 방법 또는 경험적 방법의 형태로 발전되어 왔다. 본 논문에서는 청미천 구하도 복원이 실시되는 구간에 대해서 해석적 방법의 대표적인 Copeland 방법을 기본 모듈로 채택하고 있는 SAM 프로그램을 이용하여 안정하도를 설계하였으며 경험적 방법의 평형공식(하류하천 수리기하 공식)들을 이용하여 현재하도의 안정성을 평가하고 분석하였다. 해석적, 경험적 방법들로 분석된 결과들은 구하도 구간의 하도 형태 설계를 위한 자료로 활용하기 위한 것이다. Copeland 방법을 이용한 분석 결과, 청미천 대상구간의 안정하도는 현재하도보다 폭이 좁고 수심이 큰 그리고 경사가 완만한 하도인 것으로 나타났다. 또한 수리기하공식을 이용하여 복원 하천의 하폭 및 경사를 예측한 결과, 예측된 평형하도의 하폭은 현재 하도의 하폭보다 폭이 좁은 것으로 예측되었으며, 특히 Julien and Wargadalam 방법으로 예측한 결과 현재하도가 평형상태에 도달하기 위해서는 경사가 현재상태보다 더 완만해져야 되는 것으로 나타났다.