• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
• /
• 2022.05a
• /
• pp.242-242
• /
• 2022

실제 자연하천은 하천의 만곡, 사행 정도와 교각 및 암거와 같은 구조물로 인하여 발생하는 복잡한 흐름현상이 빈번하게 발생하며, 이를 반영하기 위해서는 2차원 흐름해석 모형의 적용이 필요하다. 이러한 필요성이 있음에도 현재 하천흐름해석 분야 실무에서 사용되는 모형은 1차원 모형이 주를 이루고 있으며, 그 이유는 현재 제공되고 있는 하천 단면 자료와의 높은 적용성 때문이라고 할 수 있다. 현행 제공되고 있는 하천 단면 자료는 인력 위주의 측량 자료로서 하천 연장의 일정구간 간격으로 단면 자료를 제공하고 있기 때문에 2차원 흐름해석 모형에 적용하기 위해서는 보간 작업이 필수적이며, 정확성 또한 낮아 적용성이 떨어지는 문제점이 있다. 하지만 최근 드론을 이용한 측량 기술의 발전으로 LiDAR, 초분광을 활용한 양질의 2차원 하천 하상 자료를 산출하기 시작하였으며, 하천흐름해석 분야에서 2차원 흐름해석 모형의 적용성이 높아지고 있다. 본 연구에서는 기존에 적용하기 어려웠던 사행도가 높은 하천에 대하여 드론 측량 자료를 활용한 2차원 흐름해석 모형 결과와 기존의 측량 방식을 적용한 2차원 흐름해석 모형 결과 비교를 통하여 드론 측량 자료를 활용한 2차원 흐름해석 모형의 적용성 평가를 수행하고자 한다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
• /
• 2010.05a
• /
• pp.194-197
• /
• 2010

국내 외에서 범용으로 사용되는 2차원 흐름모형은 모든 하천의 흐름을 자연스럽게 모의할 수 있는 것은 아니다. 하천의 수위가 수량의 변화와 함께 상 하로 변하면서도 동시에 단면의 형상에 따라 좌 우 물가의 경계도 변하게 되지만, 수치모의를 위한 2차원 고정망의 사용으로 흐름영역에 대한 정확한 반영이 어렵게 된다. 그러나 최근 흐름경계의 변화를 반영하기 위한 마름/젖음 해석기법에 관한 연구를 통해 이러한 문제를 극복할 수 있다. 2차원 유한요소모형이 가지는 또 다른 문제는 하천흐름에 대한 수치모의를 수행하기 위해 필요한 초기조건으로 인한 문제이다. 모형에 사용되는 초기수위는 일반적으로 일정한 수위를 사용하게 되는데, 이와 같은 초기수위 값의 사용은 하류단의 경계수위가 하천의 상류구간 하상고보다 낮을 경우 원활한 모형의 모의를 위해 초기수위를 모든 하상고보다 높게 주어야 한다. 실제 흐름상태가 그대로 반영되지 않는 비물리적인 상태에서 모형의 계산이 수행되게 된다. 본 논문에서는 2차원 유한요소모형의 초기수위를 고정값이 아니라 실제 하상고로 인해 발생 가능한 하천의 수면을 초기수위 자료로 사용하고자 하며, 이를 위해 2차원 하도망에서 1차원 하도자료를 추출할 수 있는 연계모듈을 개발하였다. 이를 통해 구축된 1차원 하도자료로부터 1차원 모의를 수행하여 그 결과를 2차원 모형의 초기수위로 사용하였다. 이에 대한 적용성을 살펴보기 위해 직사각형 가상하도에 적용하여 모형의 결과를 검토하였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
• /
• 2021.06a
• /
• pp.247-247
• /
• 2021

국내외적으로 하도 내의 흐름을 해석하기 위해 다양한 2차원 흐름해석 모형이 적용되고 있다. 2차원 흐름해석 모형은 기존의 1차원 흐름 해석 모형에서 해석하기 어려운 확산형 홍수파 해석에 강점을 가지고 있어 도심 하천의 외수 범람 예측 등에도 사용되고 있다. 하지만 복잡한 지형 형상을 어떻게 격자로 구성하는가에 따라 해석의 효율성과 정확성이 크게 좌우된다. 초기의 2차원 흐름해석 모형은 주로 정형격자 기반의 단순한 셀을 제작하여 구동되었다. 하지만 매우 빠른 유속과 복잡한 형상을 반영하기 위해서는 전체 격자를 조밀하게 구성할 필요가 있으므로 계산 효율이 떨어지는 문제점이 있다. 그렇기 때문에 대안으로 삼각망과 혼합망 등 비정형 격자를 사용하여 필요한 구역만 격자를 조밀하게 구성하는 방법을 사용하고 있지만 이 방법 또한 추가적인 계산 과정에 따른 계산 시간의 증가가 필연적이다. 따라서 최근에는 정형격자와 비정형격자에 대하여 wet-dry front matrix 최적화, 절점제거법 등 다양한 기법을 통하여 계산 효율을 향상시키고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 HLLC Rimann solver와 2차 정확도 기법인 MUSCL-Hancock Method를 적용한 유한체적기반 천수방정식을 기반으로 다양한 격자 구성에 따른 2차원 흐름해석 모형의 효율성 분석을 수행하고, 이를 통해 최적의 흐름해석 방안을 제시하고자 한다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
• /
• 2005.05b
• /
• pp.953-958
• /
• 2005

최근 들어 다양한 산업에서 3차원 수치해석을 이용하는 영역이 넓혀지고 있다. 국내에서도 3차원 수치해석을 이용하여 댐이나 정수처리시설 설계 등 수리분야에 적용하였고, 점점 그 이용이 확대되고 있다. 특히 교량 및 수제 등의 수공구조물로 인한 주변 흐름형상은 2차원 해석이 불가능하여 현재 수리모형실험을 통한 해석이 주를 이루고 있다. 이에 본 연구에서는 현재 3차원 수치해석에 많이 이용되는 상용모델인 FLOW-3D를 이용하여 3차원 흐름에 대한 수치해석을 수행하였으며 수리모형 결과와 비교하여 적용성을 검토하였다. 그 결과 모의 및 실험결과 수리모형과 수치모의 결과는 서로 비슷한 흐름양상을 보이고 있었다. 또한 조도계수(Roughness)를 매개변수로 하여 다양한 상태에서의 FLOW-3D의 민감도를 검토하였으나 실제 흐름과는 상이함을 보였다 또한 다양한 난류모형을 적용하여 그 결과를 실제 흐름과 비교해보았다. 그 결과 3차원모형에서는 교각 후면부와 좌, 우측면부에서의 흐름이 실제 수리 모형과는 상이한 결과를 보이는데 이는 FLOW-3D의 벽 경계 및 와류에 대한 난류모델에 따른 수치해석적인 차이로 사료된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
• /
• 2023.05a
• /
• pp.503-503
• /
• 2023

Hwang(2022; J.KWRA, 55, 10)은 수심 적분 모형으로 불연속 지형을 경사로 완화하지 않고 직접 해석하는 Hwang(2015; J.KSCE, 35, 6)의 기법이 적용된 수치 모형의 정확도를 높이기 위해 지형 전면에 실제로 작용하는 정수압 분포와 차이를 해명하는 흐름률 보정 계수(flux correction coefficient)를 도입하였다. 직각 광정 위어 실험 중에서 널리 알려진 다섯 가지 월류 실험으로부터 218회의 시행을 추려 실험과 모의에서 월류량 값이 서로 잘 일치하는 흐름률 보정 계수를 각각 산정하였는데, 이때 광정 위어를 지나는 흐름을 모의하기 위해 계산 영역을 평면 2차원으로 두고 삼각형 계산 격자로 분할하였다(Hwang, 2022). 실험에 사용된 실험 수로들이 수로의 길이 방향으로 그 폭이 일정하므로 옆벽의 영향이 크지 않다면 수로의 단위 폭에 모형을 적용함으로써 계산 영역의 차원을 한 수준 낮출 수 있다. 실질적으로 1차원 모의가 되어 모의 시간을 획기적으로 줄일 수 있으므로 다양한 분석이 가능하겠으나, 2차원 모의로부터 결정된 흐름률 보정 계수를 수정없이 그대로 적용하는 것이 적절한지 검토할 필요가 있다. 이 연구에서는 Hwang(2022)이 검토한 218회의 직각 광정 위어 실험 시행에 수로의 단위 폭에 불연속 지형을 직접 해석할 수 있는 Hwang(2015)의 1차원 모형을 적용하고 모의와 실험에서 월류량의 차이가 최소가 되는 흐름률 보정 계수를 각각 산정하였다. 결정된 흐름률 보정 계수의 평균값을 별도로 선정된 두 가지 직각 광정 위어 실험에 적용하였으며, 보정에 따른 모형의 성능을 평가하기 위해 Willmott의 일치 지표(index of agreement)를 이용하였다. 흐름률 보정 계수를 적용하였을 때, 한 실험 경우에 대해 모형의 성능이 대폭 개선됨을 확인하였고 성능 개선이 미미한 나머지 실험 경우는 보정 전에 일치 지표가 이미 상당히 높은 편이었다. 2차원 문제에 이어 1차원 모형의 적용에서도 흐름률 보정 계수를 결정함으로써 계단이나 직립 보와 같은 불연속 지형을 넘나드는 천수 흐름의 월류량을 더 쉽고 정확하게 파악할 수 있을 것으로 기대된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
• /
• 2011.05a
• /
• pp.144-149
• /
• 2011

합류부에서의 수공구조물의 설치는 수리학적으로는 매우 불리하며, 최근 심각해지고 있는 국지성 집중호우로 인한 과중한 유량이 합류부에 집적되어 홍수위를 상승시킴으로써 하천 범람 피해의 주원인이 된다. 본 연구에서는 1차원 HEC-RAS 및 2차원 수치모형 CCH2D을 이용하여 합류부에서의 교각설치에 따른 하천흐름 변화를 분석하고 각 모형의 성과를 비교 검토한다. 또한 2차원 모형인 CCHE2D 모형의 원형교각 배치에 대한 단점을 보완하고자 2차원 수리해석 모형인 FLUMEN모형과 함께 비교 분석하여 실제 교각의 배치, 형상 및 제원이 고려된 격자망을 이용하여 합류부 주변에 위치한 교량에 의한 흐름 유동특성을 평가한다.

• Journal of Korea Water Resources Association
• /
• v.31 no.5
• /
• pp.515-528
• /
• 1998

A quasi-two-dimensional model for simulating the flood plain flow is developed. The model consists, in general, of a multiply-connected network which combines the main channel and two-dimensional flood plain cells. The main channel flow is described by the Saint Venant equations for one-dimensional unsteady flow, and the flood plain flow by the cell continuity and river-or weir-type stage-discharge relations between flood plain cells. The implicit algorithm for unsteady flow in looped channel network is extended to incorporate the flood plain flow. To verify the performance of the model, it is applied to three test problems, and sensitivities to various model parameters are analyzed. It turns out that the present model gives more accurate result than that by Cunge (1975) as the shape of cross section becomes more complex and irregular. Not only the inundation of water from the main channel but the return flow from the flood plain is successfully simulated.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
• /
• 2011.05a
• /
• pp.164-164
• /
• 2011

우리나라는 하상의 평균경사가 급하고 하상계수가 크게 나타나며, 소하천에서의 돌발홍수가 빈발하게 일어나 국내 실정에 적합한 하천 해석 기술을 이용한 바람직한 하천 거동해석이 매우 중요하다고 할 수 있다. 홍수 시 하천의 만곡부나 협착부에서의 흐름은 기본적으로 2차원 흐름으로 서 이 경우 하천 흐름의 수위와 유속 분포는 1차원 하천 모형으로 모의할 수 없다. 특히 우리나라와 같이 하천에 하구둑, 보, 기타 하천 구조물이 많은 경우에는 2차원적인 흐름 해석은 경우에 따라 필수적이다. 본 연구에서는 개발모형인 RAM2 모형을 4대강 살리기 사업이 진행되고 있는 실제유역인 낙동강유역에 적용하여 모형의 적용성을 검증을 위해 그 결과를 실측치와 기존의 법용 프로그램인 RMA-2 모형과 비교하여 모형의 적용성을 입증하였다. 또한 보와 교각과 같은 수공구조물의 설치에 따른 하천흐름의 양상을 파악하기 위하여 RAM2 모형을 달성보 구간에 적용하여 보의 설치 전 후에 대하여 모의를 실시함으로써 모형의 적용성을 입증하였다. 본 연구에 적용된 달성보 구간은 낙동강 살리기 22공구 사업구간으로 중심부에 다기능보가 위치하고 있다. 하천 준설 후, 대상구간 내 보를 설치함으로 인하여 보설치 전 후의 대상구간의 상 하류 하도의 홍수위와 유속분포 등 하천흐름의 양상을 검토하였다. 4대강 살리기 사업에 따라 실제하천의 준설 후 구간내의 전체하도 및 주요 시설물 주위의 하천 흐름을 정확하게 재현하기 위하여 요소망을 조밀하게 구성하고, 안정적인 해를 구하기 위하여 사각형과 삼각형의 복합망으로 낙동강하천정비계획의 측량자료와 GIS프로그램과 SMS를 이용하여 수치모형을 위한 2차원 유한요소망을 구성하였다. 본 연구에서는 보설치 전 후의 대상구간의 상 하류의 홍수위 영향과 유속분포 등 하천흐름의 양상을 연구하기 위하여 대상구간에 대하여 100년 빈도, 500년 빈도의 홍수사상에 대하여 모의를 실시하고 결과를 분석하였다. 하천에서의 흐름, 유사, 오염물 해석을 위한 2차원 유한요소모형은 수자원의 지속적 확보기술의 초석이 될 뿐만 아니라, 필요에 따라서는 하천생태계 보존 및 관리를 위해서도 적용될 수 있어, 수생태계 개선과 친수환경 조성에 크게 기여할 수 있겠다. 또한 하천에서의 흐름, 유사, 오염물 해석을 위한 2차원 유한요소모형을 활용하여 적절한 하천개발 및 관리가 이루어질 경우, 하천의 홍수, 갈수, 환경오염에 따른 사회적인 손실을 방지할 수 있을 것이다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
• /
• 2004.05b
• /
• pp.589-594
• /
• 2004

현재까지 하천흐름의 동수역학적 해석을 위해 여러 가지 수치기법들에 대한 연구가 진행되고 발전되어져 왔다. 현재 국내에서는 주로 1차원 점변부정류 해석프로그램인 HEC-RAS 모형을 많이 사용하고 있으며, 대부분의 하천정비 기본계획 수립에 있어서도 1차원 해석모형을 적용하고 있다. 하지만 단순 하천이 아닌 합류부를 가진 하천이나 교량, 보 등의 다양한 수공구조물이 존재하는 경우 보다 정교한 흐름해석을 하기 위해 2차원 해석모형의 적용이 필요하다. 본 연구에서는 강원도 영월지역의 동강과 서강이 합쳐지는 합류부와 그 하류에 대한 영향을 알아보기 위하여 1차원 수치해석 모형인 HEC-RAS의 결과를 이용하여 2차원 수치해석 모형인 SMS의 RMA2 모델의 매개변수를 산정하였다. 2차원 수치모형을 이용하여 본 검토 유역의 빈도별 홍수량을 50년 빈도, 80년 빈도, 150년 빈도로 변화시키면서 대상구역의 유속변화를 검토하였다. 그 결과 합류부 지역에서 동강과 서강의 흐름이 충돌하면서 사수부가 발생하였고 유량이 많아질수록 그 사수부가 작아지는 경향을 보였다. 이를 바탕으로 앞으로 더 많은 CASE의 유량 및 하류수위를 변화시켜 수치모의를 하고 대상구역 내 구조물 설치 시 합류부의 유속 및 수위변화를 수치모의하여 모형실험 실시 시 예측 및 검토자료로서 활용할 것이다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
• /
• 2022.05a
• /
• pp.244-244
• /
• 2022

4차 산업혁명에 따라 유역 및 하천관리 사업, 각종 풍수해 예방사업 분야에 다양한 스마트기술이 도입되고 있으나 건설현장 침수 피해 사고는 지속적으로 발생하고 있다. 굴착공사 현장에서 발생할 수 있는 침수피해를 사전에 예측하기 위해서는 공정별로 변화하는 현장상황을 반영하여 다양한 강우 시나리오를 기반으로 침수 예측 모델링이 선행되어야한다. 따라서 본 연구에서는 2차원 동수역학 모형인 HDM-2D 모형을 기반으로 굴착공사 현장 침수피해 예측 모델을 개발하여 굴착공사현장 침수 예·경보 시스템에 탑재하고자 한다. 침수피해 예측 모델은 천수방정식을 Petrov-Galerkin stabilized scheme 으로 이산화하여 해석하는 수평 2차원 동수역학 흐름해석모델로서 수로 및 지표면 등 다양한 지형 상황에서의 물 흐름을 상세하게 해석할 수 있다. 지형자료 생성 이후 경계조건 부여를 통해 수행되며 침수발생지역의 유속, 수심, 수위를 취득할 수 있다. 배수지나 굴착공사 현장에 2차원 흐름해석을 적용하는 경우 지형의 경사나 배치가 공간에 따라 변화하므로 불연속적인 흐름을 유발하여 모의결과의 계산 오차를 검토해야 한다. 2차원 침수피해 예측 모형의 정확성을 확인하기 위해 지면 돌출부가 있는 흐름 문제와 테스트베드 대상지에 침수해석 모형을 적용하였다. 돌출부 흐름 문제의 경우 돌출부를 지나며 발생하는 유속과 수심 모의 결과를 상용모형과 비교검증 하였으며 테스트베드 대상지역에 침수피해예측모형을 적용했을때 지형 경사에 따른 흐름의 변화와 침수양상을 확인할 수 있었다.