• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2015.05a
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• pp.380-380
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• 2015

국내 소하천에 설치된 대표적인 수공구조물은 교량, 보, 암거 등이 있으며 소교량은 전체 소하천 구조물의 56%를 차지하고 있어 태풍 및 집중호우로 인한 피해사례가 다양하게 보고되고 있다. 소교량에서의 대표적인 피해는 교각기초의 세굴, 여유고 부족으로 인한 파괴 등이 대표적인 피해사례로 알려져 있다. 이와 더불어 유송잡물 집적으로 인한 피해사례가 발생하고 있는데 교량에서의 유송잡물에 대한 피해는 유송잡물 집적으로 인한 교량전도, 수위상승으로 인한 제방월류, 압력흐름 증가로 인한 하상세굴 등의 피해 등 다양한 피해가 발생하는 것으로 보고되고 있다. 이러한 유송잡물로 인한 피해를 저감하기 방법으로는 유송잡물 차단, 우회시설을 설치하거나 충분한 교량의 여유고를 확보하는 방법 등이 있다. 여유고 확보를 위해서는 유송잡물로 인한 교각에서의 수위변동 특성을 검토할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 유송잡물의 크기변화에 따른 교각주변에서의 수위변동을 실규모-모형실험으로 연계하여 영향을 검토하고자 하였다. 수리실험은 소교량 대상 실규모 유송잡물 집적실험과 집적형태를 반영한 수리특성실험으로 구성하였다. 이를 위해 1/1 규모의 실규모 소교량 교각모형을 대상으로 유송잡물(목본류, 초본+목본류)에 대한 집적실험을 수행하고 집적형태를 파악하였다. 집적형태를 반영한 수리실험은 실규모 실험결과를 토대로 유송잡물 모형을 제작하였으며 잡물의 크기변화에 따른 수위변동 영향을 검토하였다. 실험결과 유송잡물의 집적형태는 전반적으로 직사각형 형태로 집적이 이루어지고 있는 것으로 나타났다. 이러한 형태를 반영한 수리실험결과 유송잡물의 높이가 교각두께의 1배 미만일 경우 상류단에서의 수위변동이 미미한 것으로 나타났다. 폭비와 길이비 변화에 따른 수위변동은 폭비변화에 비해 높이비 변화에 민감하게 영향을 받는 것으로 나타났다. Fr에 따른 수리실험에서도 높이비가 1이상일 경우 상류단에서의 수위상승이 발생하는 것으로 확인되었다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2019.05a
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• pp.96-97
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• 2019

최근 홍수파 또는 댐 및 보 등의 하천구조물과, 본류와 지류의 합류로 인해 발생하는 배수영향 등으로 하천에 고리형 수위-유량관계가 나타나 수위-유량관계식의 신뢰도가 저하된다고 판단되는 대하천 본류와 합류부 인근 지류에서 초음파유속계 측정결과를 지표로 활용하는 자동유량장치가 현재 58개소에 도입되어 운용되고 있다. 그러나, 최근 4대강 사업으로 다기능보 설치 등 하천의 수리적 특성이 변동하였고, 지류에서 주로 운용되는 수위-유량관계 기반 유량관측소에 본류-지류합류로 인한 배수영향으로 고리형 수위-유량관계가 형성될 경우, 지류 수위관측소를 자동유량관측소로 대체할 필요성이 제기되고 있다. 또한, 기존 자동유량관측소의 경우 홍수량이 기준이하로 나타날 경우 수위-유량 관계식으로 대체하는 경우도 있는데 적용기준이 명확하지 않다. 본 연구에서는 신규 자동유량장치 설치, 기존 수위관측소의 자동유량관측소대체, 자동유량관측소에서 수위-유량관계곡선의 활용 기준 마련 등을 명확하게 판단하기 위해 고리형 수위-유량관계 패턴을 분석하고 배수영향구간을 산정하여 제시하고 지류 수위관측소의 존속여부, 유량자료의 적절성을 판단할 수 있는 방법론을 제시 하고자한다. 이를 위해, 다기능보 설치 및 지류-본류로 인한 지류하천의 배수영향과 홍수파에 의한 고리형 수위-유량관계의 양상을 다양한 수문사상에 대해 분석하였다. 분석방법으로는 대상유역을 선정하고, 대상유역에 대한 부정류 모형을 구축하기 위해 HEC-RAS 모형을 사용하고, 대상유역에 대한 HEC-RAS 지형자료와 유량입력자료를 구축한다. HEC-RAS 부정류 모형 구축 후 다양한 본류와 지류의 유량을 가정하여 고리형 수위-유량 발생 패턴을 분석한다. 지류-본류 합류 영향의 경우, 본류영향의 유무를 고려하여 상승된 수위의 비율로부터 일정 유의수준을 두어 배수영향구간을 산정한다. 다기능보의 영향은 다기능보 설치 전후를 가정하여 영향을 분석한다. 본 연구에서는 시범구역으로 하류에 창녕함안보가 위치한 낙동강과 합류하는 남강과 하류에 달성보가 위치한 낙동강과 합류하는 금호강을 대상하천으로 하여 위 분석방법을 적용하였다. 분석결과 남강의 경우 지류 유량이 작은 경우에도 본류 유량이 상대적으로 큰 경우 배수영향에 의한 고리형이 나타났고, 다기능보에 의한 배수영향은 매우 적은 것으로 나타났다. 또한, 지류의 유량이 큰 경우 홍수파에 의한 고리형 관계도 발생함을 알 수 있었다. 금호강의 경우 또한 마찬가지로 본류의 유량에 의해 발생하는 고려형 관계가 지배적임을 알 수 있었다. 따라서 이러한 결과를 바탕으로 95%의 유의 수준을 기반으로 고리형 발생 여부를 확일할 수 있는 모노그래프를 남강, 금호강에 대해 작성하여 수위-유량관계 기반 유량 산정의 적절성을 판단하는 기준으로 제안하였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2019.05a
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• pp.258-258
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• 2019

계산 격자에 기반하여 천수 흐름을 모의할 때, 그 격자에 담긴 물의 양을 정확하게 파악할 필요가 있다. 예를 들어, 초기조건으로 수위가 부여된다면 계산격자의 기하 특성에 맞추어 흐름 변수인 수심이나 흐름 단면적으로 바꾸어야하기 때문이다. 필요에 따라서는 모의 결과를 수위로 보이거나 격자 속 수심을 계산에 사용할 수도 있으므로 그 역변환도 고려되어야 한다. 2차원의 삼각형 계산격자에 대해서는 물의 부피와 수위 관계(volume/free-surface relationship)가 이미 정확(exact)하게 구명되어 있다(Hwang, 2017, J. KWRA). 그런데 1차원 문제의 횡단면에서 흐름 단면적과 수위의 관계(area/free-surface relationship)는 수위로부터 면적 환산에 대해서는 정확하나 그 역변환은 그렇지 않다. 매 시간 단계에서 갱신된 흐름 단면적으로부터 수위를 환산하기 위해 미리 작성된 면적-수위 자료를 이용한 선형 보간이 적용된다(Goodell, 2011, The RAS Solution). 이때, 환산 정확도는 자료의 해상도에 의존된다. 다행히 하천 횡단면 대부분을 채워 흐르는 홍수모의에서는 이 문제가 그리 심각하지는 않다. 심지어 수위가 복단면 저수로 턱에 걸쳐있어 흐름단면적이 급변하는 경우에도 환산 수위의 정확도는 크게 훼손되지 않는다. 그러나 미미한 환산 오차일지라도 그로 인해 수위가 저수로 턱을 넘거나 그보다 작을 수 있다. 이 경우, 홍수터의 잠김여부에 따라 수면폭(top width)이 실제 계산 결과에 비해 크게 달라질 수밖에 없다. 수면폭 오차는 그것을 이용하여 결정되는 수리 수심(hydraulic depth)이나 평균 하상고(mean bed level)의 산정에도 전파된다. 이 연구에서는 하천 횡단면에서 수위와 흐름 단면적 사이의 환산 정확도를 크게 높일 수 있는 기법을 제시하였다. 먼저 하천 횡단면에서 주어진 수위에 대해 흐름 단면적을 산정할 수 있는 알고리듬을 보였다. 또한, 횡단면에서 수위와 흐름 단면적의 관계가 단조 증가 함수(monotonically increasing function)임에 착안하여 그 역변환에 대해 해 찾기(root finding) 방법의 하나인 Brent 기법을 적용하였다. 이 기법은 주어진 구간에서 도함수가 알려져 있지 않은 경우에 대해서도 효과적으로 해를 찾을 수 있는 것으로 알려져 있다(Press et al., 2002, Numerical Recipes in C, 2nd Ed.). 내성천 하류 수계의 333개 단면에서 수면폭에 대한 상대 오차를 살펴보면, 선형 보간에 의한 기존 방법으로는 면적-수위 자료의 수가 1,000개가 되어도 그 최대치가 1% 이내에 들지 않은 반면, 이 연구에서 제시한 기법으로 면적-수위 자료 없이도 1% 이내로 줄어드는 것을 확인하였다. 다만, 반복 계산에 의한 계산 시간의 증대를 피할 수 없다. 미리 작성된 면적-수위 자료를 이용하면 계산 비용을 줄일 수 있으며, 약 35개의 구간으로 나누었을 때 비용 대비오차가 적절하였다. 이 연구는 한국건설기술연구원(주요사업 과제번호: 20190116-001)의 지원에 의한 것이다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2021.06a
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• pp.314-314
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• 2021

홍수(floods)는 인간의 생명과 재산에 큰 피해를 발생시키는 자연재해 중 하나로 최근 지구 온난화와 기후 변화로 인하여 홍수 발생 빈도와 강도가 증가하고 있다. 때문에, 홍수 발생 시 정확한 홍수량 산정을 위하여 유역 내 지표수 및 지하수 흐름 분석을 통하여 전반적인 물 순환의 이해가 필수적이다. 이에 본 연구는 지표수-지하수 연계 모형을 활용하여 홍수 발생 시 미호천 유역에서 지하수가 하천 유량에 미치는 영향을 분석한다. 본 연구는 Hydrological-Ecological Integrated watershed-scale Flow (HEIFLOW) 모형을 적용하여, 국내 유역 특성을 고려하여 시간단위 홍수 사상 분석을 수행한다. 모형 구축을 위하여 2013년과 2014년도의 미호천내의 7개 기상 및 강우관측소, 1개의 수위 관측소의 정보를 활용하여 지표수 모형을 구축하며, 같은 기간의 지하수 모형 구축을 위해 7개의 국가 지하수 관측망의 지하수 수위 자료와 유역의 수문지질도(Hydrogeological map)의 정보를 활용한다. 미호천 유역 내 HEIFLOW 모형의 홍수 모의 결과 산정된 하천 유량은 관측 유량과 0.79 R²의 우수한 모의 성능을 나타내고 있으며, 지하 수위 모의 역시 지하수 수위 변동을 적절하게 모의한다. 또한, 미호천 유역의 하류 지역은 하천으로 유출되는 지하수가 하천의 기저 유량에 상당한 영향을 미치는 것으로 나타나며 홍수 시에는 지하수 유출의 증가로 인한 급격한 첨두 홍수량의 상승을 보인다. 이와 같은 결과는 홍수 모의 시 지표면 유출 분석에 초점을 두고 있는 홍수 국내의 홍수량 산정 방법에 지하수의 거동 및 하천 유량에 미치는 영향을 정량적인 정보를 제공할 수 있을 것으로 판단되며, 추후 국내 홍수량 산정의 새로운 방법의 하나로 활용될 가능성을 보여준다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2021.06a
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• pp.23-23
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• 2021

영상유속계는 영상을 이용한 비접촉식 유속계로 하천과 같은 넓은 범위의 유속 및 유량을 쉽고 간편하게 측정할 수 있다는 장점이 있어 최근 국내외에서 영상유속계의 실용화 연구가 다양하게 수행되고 있다. 특히 영상유속계는 별도의 고가의 장비 없이 카메라만을 이용하기 때문에 비교적 경제적이고 간편하며 비접촉식 유속 측정 방법이기 때문에 안전하게 홍수기 하천 유속 및 유량을 측정할 수 있다. 또한 넓은 범위의 유속을 순간적으로 측정할 수 있기 때문에 시간에 따라 수위가 급변하는 중규모 이하의 하천 유량을 측정하는데 적합하다. 하지만 영상유속계로 측정한 유속은 표면유속이기 때문에 하천 유량을 산정하기 위해서는 표면유속에 환산계수를 곱해 평균유속으로 환산하는 과정이 필요하다. 환산계수는 이전 연구에서 실험을 통해 0.84~0.90의 값을 갖는다고 하였고 일반적으로 0.85를 사용하지만, 하상, 수심 및 단면에서의 측정 위치에 따라 달라지므로 확실하게 결정하기 어렵다(Turnipseed and Sauer, 2010). 특히 국내의 많은 하천은 산책로를 포함한 복잡한 복단면으로 이루어져 있어 환산계수를 일률적으로 0.85로 사용하면 유량 측정 정확도가 낮아질 수 있다. 이에 본 연구에서는 서울시 탄천 대곡교에서 영상유속계를 이용하여 홍수기 유량 측정을 수행하여 흐름 특성에 따른 수위변화에 따라 적정 환산계수를 산정하였다. 탄천 대곡교 지점은 환경부의 자동유량계측 장비가 설치되어 있고 다년간의 검증된 유량 자료를 확보할 수 있기 때문에 환경부 유량측정 결과와 영상유속계로 산정한 유량을 비교하며 환산계수 변화를 분석하였다. 분석 결과 수위에 따라 환산계수는 0.7~1.3의 범위를 갖으며 둔치수위 이하에서는 0.85와 유사한 경향을 보였고, 둔치를 넘는 수위에서는 1 이상으로 환산계수가 증가하였다가 둔치가 완전히 잠기는 수위에서는 다시 0.85 정도로 변화하는 경향을 확인하였다. 향후 영상유속계를 이용한 다양한 홍수기 계측을 통해 복단면에서의 적정 환산계수 검토가 필요할 것으로 생각한다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2009.05a
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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.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2016.05a
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• pp.264-264
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• 2016

홍수위험의 정도를 표시하기 위한 연구는 다양한 방법으로 진행되어 왔으나, 많은 지역에 수리 및 수문모형을 적용하여 홍수위험을 평가하기에는 매개변수 보정이나 모형의 검정에 한계가 있을 수밖에 없다. 특히, 많은 지역에 대하여 행정구역별로 홍수위험을 평가한다던지, 기후변화에 따른 홍수위험 변화양상을 평가하기 위하여는 더욱 그러하다. 이에 본 연구에서는 기존의 수위관측소에서 관측되어진 유량 자료를 적극 활용하여 시강우량과의 다중회귀분석을 통하여 첨두유량을 예측할 수 있는 회귀방정식을 구축하고 홍수위험을 평가할 수 있도록 시도하였다. 홍수피해는 하천의 유량 증가가 가장 직접적인 원인이 될 수 있으며, 비교적 하천정비가 잘 이루어진 우리나라의 경우는 하천정비 시 설정한 계획홍수량과 호우에 따라 발생되는 첨두유량을 비교하여 홍수피해 발생여부를 판단할 수 있을 것이다. 하천의 첨두유량 값은 복잡한 유역특성이나 수문특성에 의하여 결정되지만, 결국은 시간별 순간 최대강우량의 조합에 의하여 크게 좌우 되는 것으로 판단된다. 본 연구에서는 수도권의 일부 행정구역별 대표 수위관측소를 정하고, 각 지점의 최근 10년 동안의 하천유량 관측자료를 이용하여 단일 호우사상의 1시간, 2시간, 3시간, 5시간, 10시간, 1일, 2일, 3일, 5일, 10일 순간최대강우량과 첨두유량 사이의 다중회귀분석을 실시하여 유의한 통계값을 보이는 자료끼리 회귀방정식을 구성하도록 하였다. 다중회귀분석은 각 하천 지점별로 해당 하천의 수리특성이 일정하게 유지되어진 기간 동안만을 선정하여 분석하였으며, 유량자료 가운데 각 지점에서 관심수위 이상으로 유량이 크게 증가하였던 호우사상만을 사용하였다. 회귀분석 결과, 매우 의미 있는 회귀방정식의 도출이 가능하였는데, 의정부시 신곡교의 경우는 1시간, 10시간, 1일 강우량으로부터, 광주시 경안교 지점의 경우는 3시간, 1일, 10일 강우량으로부터, 양평군 흑천교 지점의 경우는 10시간, 3일 강우량으로부터 각각 첨두유량을 예측할 수 있는 회귀방정식이 높은 유의성을 보이는 것으로 나타나, 유역면적이나 도달시간 등의 유역특성을 어느 정도 반영하고 있는 회귀방정식이 도출된 것으로 판단되었다. 이와 같은 회귀방정식에 의하여 예상되어지는 시간별 강우량 자료를 적용하면 첨두유량을 예측할 수 있으며, 이를 기존 계획홍수량과 비교하여 홍수위험 정도를 적절하게 평가할 수 있을 것으로 판단된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2022.05a
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• pp.104-104
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• 2022

임진강 수계는 북측 지역이 다수를 차지하는 유역 특성으로 예고 없는 상류 급방류, 강우 등으로 인해 댐 운영에 근본적 어려움이 있으며, 이에 따라 홍수조절지 및 댐 하류 계측 가능 지역의 취득 자료를 고려한 하천 수위 변화에 대한 사전 예측을 필요로 하고 있다. 홍수기 하천 도달시간 및 수위예측 기법으로는 물리 기반 및 데이터 기반 모델들이 다양하게 연구되어 왔으며, 일부 연구성과들은 현업에 활용하고 있다. 물리기반 모델은 하천 지형 변화에 대한 자료 취득 및 분석에 많은 시간을 요하는 단점은 있으나, 설명 가능한 모델을 구현할 수 있을 것으로 사료 된다. 반면, 데이터 기반 인공지능 모델은 짧은 시간 및 비용으로 모델을 개발할 수 있으나, 복잡한 알고리즘구현 시 설명이 불가하여 일관성을 의심 받을 수 있다. 본 논문에서는 홍수 도달시간과 하류 수위 상승에 대하여 설명 가능한 인공지능 알고리즘 및 시뮬레이션 프로그램을 개발하고자 하였다. 홍수 도달시간 예측은 기존 조견표 방식에서 고려하지 않았던 홍수파의 영향을 추가 변수화 하고, 데이터의 전후처리를 통하여 도달시간을 예측하였다. 실시간 하류 수위 예측은 댐 방류량, 주변 강우, 조위 등을 고려하여 도달시간 후 수위를 예측할 수 있도록 구현하였으며, 자료 동화 기술을 일부 적용하였다. 미래 방류조건에 대한 시뮬레이션을 위해서는 미래 방류량, 예상 강우 입력 시 하천 지점별 수위 상승을 예측할 수 있도록 알고리즘 및 프로그램을 개발하였다. 이를 구현하기 위하여 다양한 인공지능 알고리즘을 이용한 학습, 유전자 알고리즘을 이용한 가중치 학습 제한 조건내 최적화, 수위파와 조위파의 중첩의 정리 등을 이용하여 예측 정확도 및 신뢰성을 제고 하였다. 인공지능 분석결과의 현업활용성 제고를 위하여 시뮬레이터 프로그램을 개발하여 현업에 적용하였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2011.05a
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• pp.173-177
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• 2011

만곡도가 높은 하천의 경우 수위가 상승하게 될 때 만곡부에서의 흐름 회전 방향이 나선형 흐름으로 바뀌어 하류방향으로 주 흐름에 중첩하여 발생하는 이차류로 인해 하도가 불안정해지고 내 외측의 수위차가 발생하는 편수위가 발생하면서 하도 바깥쪽으로 수위가 상승하는 현상이 나타나게 된다. 이와 같은 만곡부의 외측부에서 발생하는 수위상승은 제방의 월류 피해와 이차류로 인한 침식 피해를 유발하게 된다. 하천에서의 만곡은 보편적인 현상이며, 흐름의 물리적인 현상으로 인해 발생하는 자연현상이다. 본 연구에서는 만곡수로의 내 외측부에서 발생하는 유속과 편수위 현상과 같은 수리학적 특성을 규명하기 위해 $90^{\circ}$ 하도와 $180^{\circ}$ Sharp 하도와 같은 만곡 실험하도를 대상으로 SMS 모형, RAMS 모형 그리고 CCHE2D 모형과 같은 3개의 2차원 모형을 적용하고 그 결과를 실측자료와 비교함으로써 만곡부에서의 2차원 수리 특성을 살펴보았다. 또한 과거에 개발된 편수위 산정공식들의 적용성을 살펴보기 위해 주요 지점의 실측자료와 2차원 모형의 모의자료를 이용하여 만곡부의 편수위를 산정하여 비교 검토하였다.

• Proceedings of the Korea Contents Association Conference
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• 2011.05a
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• pp.475-476
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• 2011

하천 수리구조물 중 보는 하천 수위를 조절하여 관개용수 등의 취수를 목적으로 설치한다. 보의 설치는 하천 상 하류의 흐름특성을 변화시키고, 홍수시 소통에 지장을 초래하여 피해를 발생시키기도 한다. 따라서 보 설치로 인해 발생 가능한 하천 단면에서의 흐름 특성 변화를 2차원 수치모형을 이용하여 분석하였다.