• 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 2019년도 학술발표회
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• pp.135-135
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• 2019

수제는 만곡부의 유로 조정이나 하상보호와 같은 하천공학적인 목적을 가진 수공구조물이다. 본 연구에서는 개수로 만곡부에 수제 설치 시 외측벽과 수제 사이의 거리에 따라 하상변동이 어떤 차이가 있는지를 파악하기 위해 이동상 수리실험을 했다. 본 연구에서는 폭 1.45 m, 길이 24 m인 $90^{\circ}$ 만곡수로에 $4.2{\times}8.4cm$의 직사각형 단면 수제를 외측으로부터 이격하여 2열로 설치하였다. 하상재료는 $d_{50}$이 3.3 mm인 잔자갈을 사용했고 하상경사는 1/300로 하였다. 실험은 평균 유량 163 l/s를 3시간 동안 공급했고, 종료 후 만곡부의 주요횡단면별 하상고를 측정했다. 여기서 실험별 이격거리는 8.4 cm, 14 cm, 19.6 cm로 하였다. 실험 결과 외측벽과 수제 사이의 거리가 멀어질수록 만곡부의 최대세굴심은 커지고 그 발생 위치는 하류로 이동하는 경향을 보였다. 만곡부 최대세굴이 발생한 횡단면 형상은 만곡 내측에서 외측방향으로 무차원 위치 $y_1$(=내측에서의거리/폭)가 0.27보다 작으면 퇴적에 의해 하상이 상승하고, 0.35보다 클 때는 세굴에 따른 하상저하가 나타났다. 만곡 외측벽 부근 하상은 이격거리가 짧을수록 수제 설치에 의한 하상고 변화가 작았다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2005년도 학술발표회 논문집
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• pp.976-980
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• 2005

자연하천과 같은 사행수로에서 발생하는 이차류는 흐름 분포를 왜곡시킴으로써, 유사이동, 하상과 제방침식, 하천의 지형변형 등에 매우 큰 영향을 미치게 된다. 또한, 이차류는 주 흐름방향에 수직으로 발생하기 때문에 자연하천에 유입된 오염물의 횡방향 혼합에도 지대한 역할을 한다. 따라서, 본 연구에서는 사행수로에서 이차류의 특성을 정량적으로 분석하고자 중심각이 $120^{\circ}$인 두 개의 만곡부로 이루어진 사행수로에서 실험을 수행하였다. 실험수로는 직사각형 단면과 자연형 단면 두 가지 형태로 제작하였으며, 자연형 단면 하상은 베타함수를 이용하여 제작하였다. 이차류의 정확한 측정을 위해 3차원 유속측정 장치인 micro-ADV를 이용하였다. 실험조건으로는 직사각형 단면과 자연형 단면에서 평균수심과 유량을 달리하여 실험을 총 12회 수행하였다. 실험결과, 직사각형 단면수로에서의 주 흐름의 최대유속선은 수로의 가장 짧은 경로를 따라 발생하였는데, 이는 Shiono와 Muto (1998)의 결과와 일치한다. 자연형 단면 수로에서의 주 흐름은 직사각형 단면 수로에서의 주 흐름 거동과 비슷한 양상을 보였다. 이것은 실제 자연하천 만곡부에서의 주흐름 거동(최대유속선이 최심선을 따라 발생)과는 상이한 결과였다. 그 첫째 원인은 실험수로의 조도가 일반적인 실제하천의 조도를 상사법칙에 맞게 계산한 값보다 작았기 때문이다. 그리고 두 번째 원인은 실험수로의 하폭대 수심비율은 실제하천의 하폭대 수심비율보다 컸기 때문인 것으로 사료된다. 이차류의 정량적인 분석을 위해 각 측정지점별로 횡방향, 수심방향 유속을 그려본 결과, 직사각형 단면에서는 하나의 셀이 존재하는 반면에 자연형 단면에서는 셀이 두개 존재함을 알 수 있었다. 이는 자연하천에서도 발견되는 현상이다. 실제 자연하천에서는 주 셀이 바깥제방 셀보다 큰 형태를 보이지만, 실험수의에서의 셀의 형태는 주 셀보다 바깥제방 셀이 더 크게 발생하는 것으로 밝혀졌다. 이는 앞서 언급한 바와 같이 조도가 작음으로 인한 것으로 판단된다. 이차류 강도를 계산한 결과, 직사각형 단면 수로의 최대값은 두 번째 만곡 유입부지점(U2)에서 가장 크게 나타났으며. 자연형 단면 수로에서 최대값은 두 번째 만곡을 조금 지난 (U4)지점에서 가장 크게 나타났다. 자연형 단면에서는 하폭 대 수심비가 커질수록 이차류강도가 크게 나왔으나, 직사각형 단면에서는 반대로 나왔다. 그리고, 자연형 단면의 이차류 강도는 직사각형 단면보다 크게 나타났다. 특히, 직사각형 단면의 이차류강도는 첫 번째 만곡부분보다 두 번째 만곡부분이 더 크게 나타나는 현상만 보였지만, 자연형 단면의 이차류 강도는 앞서 언급한 특징 외에 만곡부에서 증가하고, 직선부에서 감소하는 주기적인 형태를 보였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2009년도 학술발표회 초록집
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• pp.943-947
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• 2009

강원지역은 산지가 89%를 차지하고 있어 도로의 대부분이 하천을 끼고 발달되어 있어서 집중호우 시 하천 만곡 수충부에서 급격한 홍수위 상승과 하상세굴이 발생되고 산지의 수로나 계곡 등에서 토석류가 발생되기 때문에 극심한 도로피해가 빈발하고 있다. 산지하천은 지형 및 지질적인 요인으로 경사가 급하고 만곡 수충부가 많이 발달되어 있기 때문에 홍수시 유속이 매우 빠르고 만곡 수충부에서 수위상승과 횡방향 수위 변동이 심하다. 따라서 산지유역의 하천과 도로의 방재설계를 위해 평창 속사천 시험유역의 운영을 통하여 신뢰성 있는 고품질의 산간유역 수문자료를 지속적으로 확보하고자 한다. 강우-유출구조 규명을 위한 강우관측소와 수위 관측소 등의 계측시스템을 설치와 실시간 수문관측 자료의 전송 및 정기적인 현장 방문으로 수집된 수리수문자료에대해 DB를 구축을 필요하다. 또한 홍수시 하천으로 유입되는 토석류의 수리특성자료인 조도계수 산정, 분석, 평가를 통해 하천유역내의 수리 구조물의 설계 및 유지관리. 하천개수 및 하도의 안정 등을 할수 있을 것이다. 수자원개발 및 관리를 위한 하천계획에 필요한 요소 중 유사량을 측정할 수 있는 부유사량 및 소류사량 측정기기를 도입하여 유역의 수문특성에 대한 보다 정확한 규명과 관측된 자료를 이용한 장/단기 수문순환모형의 개발을 위한 검정 및 검증자료의 제공할 것으로 기대된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2011년도 학술발표회
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• pp.398-398
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• 2011

강원지역은 산지가 89%로 거의 대부분을 차지하고 있어 도로의 대부분이 하천을 끼고 발달되어 있으며 집중호우시 하천 만곡 수충부에서 급격한 홍수위 상승과 하상세굴이 발생되고 산지의 수로나 계곡 등에서 토석류가 발생하기 때문에 극심한 도로피해가 빈발하고 있다. 산지하천은 지형 및 지질적인 요인으로 경사가 급하고 만곡 수충부가 많이 발달되어 있기 때문에 홍수시 유속이 매우 빠르고 만곡 수충부에서 수위상승과 횡방향 수위변동이 심하다. 본 연구는 한강의 제1지류인 평창강의 상류 속사천에 위치한 시험유역으로 산지유역의 하천과 도로의 방재설계를 위하여 신뢰성 있는 고품질의 산간유역 수문자료를 지속적으로 확보하고자 한다. 강우-유출구조 규명을 위한 강우관측소와 수위관측소 등의 계측시스템을 설치하여 실시간 수문관측 자료의 전송 및 정기적인 현장 방문으로 수집된 수리수문자료에 대한 DB구축을 하였으며, 홍수시 하천으로 유입되는 토석류의 수리특성자료인 조도계수 산정, 분석, 평가를 통해 하천유역 내의 수리 구조물의 설계 및 유지관리, 하천개수 및 하도의 안정 등을 도모 할 수 있다. 수자원개발 및 관리를 위한 하천계획에 필요한 요소 중 유사량을 측정할 수 있는 부유사량 및 소류사량 측정기기를 도입하여 유역의 수문특성에 대한 보다 정확한 규명과 관측된 자료를 이용한 장/단기 수문순환모형의 개발을 위한 검정 및 검증자료의 제공할 것으로 기대된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2010년도 학술발표회
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• pp.1481-1485
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• 2010

강원지역은 산지가 89%를 차지하고 있어 도로의 대부분이 하천을 끼고 발달되어 있어서 집중호우 시 하천 만곡 수충부에서 급격한 홍수위 상승과 하상세굴이 발생되고 산지의 수로나 계곡 등에서 토석류가 발생되기 때문에 극심한 도로피해가 빈발하고 있다. 산지하천은 지형 및 지질적인 요인으로 경사가 급한 만곡 수충부가 많이 발달되어 있기 때문에 홍수시 유속이 매우 빠르고 만곡 수충부에서 수위상승과 횡방향 수위변동이 심하다. 따라서 산지유역의 하천과 도로의 방재설계를 위해 평창 속사천 시험유역의 운영을 통하여 신뢰성 있는 고품질의 산간유역 수문자료를 지속적으로 확보하고자 한다. 강우-유출구조 규명을 위한 강우관측소와 수위관측소 등의 계측시스템을 설치와 실시간 수문관측 자료의 전송 및 정기적인 현장 방문으로 수집된 수리수문자료에 대해 DB를 구축을 실시하였다. 또한 홍수시 하천으로 유입되는 토석류의 조도계수 산정을 통해 하천유역내의 수리 구조물의 설계 및 유지관리, 하천개수 및 하도의 안정 등을 평가할 수 있을 것이다. 하천계획에 필요한 유사량을 측정하여 유역의 수문.수리특성에 대한 보다 정확한 규명과 관측된 자료를 이용한 장/단기 수문순환 및 수리모형의 개발을 위한 검정 및 검증자료의 제공할 것으로 기대된다.

• 한국방재학회 논문집
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• 제10권5호
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• pp.125-133
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• 2010

일반적으로 사행하천의 만곡부에서는 홍수시 월류의 위험성이 높을 뿐만 아니라, 국부적으로 집중되는 흐름분포는 제방의 안정성을 위협한다. 따라서 본 연구는 두 개의 다른 실험수로에 대한 CCHE2D모형의 적용성 검토와 급변만곡의 형태를 갖는 자연하천의 흐름특성분석을 수행하는데 그 목적이 있다. 모의결과 실험에 대한 수위의 백분율 오차는 4.9%이내였으며, 실측치와 근사한 유속분포를 보였다. 실험수로를 통하여 보정된 모형을 이용하여 용담댐 하류 대유리에 위치한 만곡부를 대상으로 흐름특성 분석을 수행하였다. 모의결과는 만곡부의 지형에 의한 영향을 고려하지 못하는 HEC-RAS모형에 비하여 상류부에서 수위가 1.5 m 정도 높게 나타났다. 그러나 모의결과를 기존의 경험식과 비교한 결과 CCHE2D모형이 편수위 모의에 적합함을 알 수 있었으며, 자연하천의 홍수위와 유속산정에도 적합함을 확인할 수 있었다.

• 한국방재학회 논문집
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• 제11권3호
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• pp.191-200
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• 2011

제방의 붕괴로 인하여 인명 및 재산상의 막대한 피해가 발생한다. 제방의 붕괴는 월류 및 침식에 의한 붕괴가 대부분을 차지하고 있으나 이에 대한 분석이 제대로 이루어지지 않고 있다. 사행하천에서의 흐름특성은 하천제방과 관련하여 실용적인 관점에서 연구하여야 하는 하천 수리학에서는 중요한 주제이다. 사행하천에서는 회전방향이 교호적으로 바뀌는 나선형의 흐름(2차류)이 3차원적으로 발생하는 것으로 알려져 있다.. 이에 본 연구에서는 2차원 CCHE2D모형과 3차원 FLOW3D모형을 이용하여 하천 만곡부에서의 흐름특성을 분석하고자 하였다. 가상 하도에 대하여 수리모형 실험의 실측치와 비교하여 모형의 정확성과 안정성을 검증하였다. 그리고 모형의 적용성 검토를 위해 남강댐 하류에 대하여 만곡부의 흐름특성(유속분포 및 최대유속경로, 수위분포, 2차류 거동, 편수위, 전단응력 분포 등)을 분석하였다. 그 결과 하천 만곡부에서의 수리적 특성을 보다 정확하게 제시할 수 있었으며 하천의 제방 안정성 평가시 사행하천에 관한 수리적 특성을 효율적으로 활용하고자 한다.

• 대한토목학회논문집
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• 제32권6B호
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• pp.373-378
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• 2012

본 연구에서는 이론적 배경을 토대로 사행 하천의 만곡부에 적용하기 용이한 횡분산계수 경험공식을 새롭게 제안하였다. 차원해석을 통한 독립변수들의 선정 대신 이론식을 기반으로 독립변수들과 그들의 함수형태를 우선 결정하였다. 결정된 함수식에서 매개변수를 골라내고 이를 고정하는 대신 회귀계수로 전환하여 실제 하천 만곡부에 적합한 경험식을 비선형회귀분석을 통해 제안하였다. 기존의 횡분산계수식들과 비교해 보면 본 연구에서 개발된 식이 관측 분산계수와 대체적으로 일치하는 경향을 보였다. 개발된 식의 특징을 살펴보면 마찰항에 대한 민감도가 상대적으로 적어 조도가 작은 하천에도 적용하기에 무리가 없어 보인다. 또한 개발된 식은 수심 대비 사행반경의 비가 큰 경우에도 기존의 추정식처럼 이상치를 나타낼 우려가 없어 만곡이 심한 사행하천에 적용하기 적합하다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2007년도 학술발표회 논문집
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• pp.1353-1357
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• 2007

국내에서 홍수 범람과 농지침수 분석에 이용되는 FLUMEN 모형은 원형섬 주변 처오름 현상과 급변류 해석만이 검증되어 소개되었다. 따라서 FLUMEN 모형의 만곡부나 합류부 등 개수로에서 적용가능성을 파악하기 위해서 하상경사 급변화, 원형 교각 주변 흐름변화, $180^{\circ}$ 만곡부 및 $90^{\circ}$ 합류부 실험 결과와 비교 검토를 수행하였다. FLUMEN 모형은 유한 체적법을 이용한 수치 계산으로 천이구간에서 발생하는 불연속점에서도 수치 모의가 잘 이루어지며, 만곡 수로와 합류 수로에서 전체적인 수심 분포가 최대 6%미만의 오차를 보이고 있어 매우 양호한 수치 모의를 할 수 있다. 또한 임의의 기하학적 형상을 원하는 위치에 반영한 지형 격자망 생성이 가능하다. 따라서 FLUMEN은 교각 주변, 만곡부 및 합류부 흐름 특성을 비교적 정확한 모의가 가능하며, 실제 하천에 적용하기에 충분한 수치 모의 능력을 지닌 모형이라 판단된다.