• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2017.05a
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• pp.366-366
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• 2017

하천의 유량관측 자료는 지표수자원의 확보와 수공구조물의 설계를 위해 가장 기초적인 수문자료로써 정밀하고 지속적인 관측을 요구한다. 최근 유량 관측법은 접촉식 유속측정 방법의 단점을 보완한 전자파 표면유속계나 영상분석기법을 적용한 표면영상유속계(SIV)가 활용되고 있다. 이들 관측장비는 표면유속 관측법에 의해 유량을 측정하므로 보다 정밀한 유량자료를 확보하기 위해서는 측정 영역의 표면유속과 단면의 평균유속에 대한 해석이 필요하다. 이 연구에서는 제주도 남부지역에 위치한 강정천을 대상으로 2011년 7월부터 2015년 6월 까지 월 1~2회 현장관측한 ADCP 자료를 활용하여 Chiu(1987)가 제안한 2차원 유속분포식의 매개변수를 추정하여 정밀한 유량을 산정하였다. 또한 표면영상유속계(SIV)로 산정된 표면유속을 Chiu-2 차원 유속분포식에서 평균유속으로 환산하여 기존의 표면유속을 일률적으로 적용한 수심평균유속 환산계수인 0.85의 적용 값과 비교 분석하였다. 대상하천의 현장에서 72회 관측된 ADCP 자료를 활용하여 각각의 최대유속과 평균유속을 분석하고 엔트로피 계수(M)를 산정한 결과와 유속의 공간적 분포를 모델링하기 위해 제시되는 $_{urf}$를 산정하였으며, 산정된 계수 값을 이용하여 표면유속을 계산한 결과와 ADCP의 관측된 표면유속의 $^2$는 0.874로 나타났다. 이러한 결과는 Chiu-2차원 유속분포식을 연구대상하천에 적용하는 과정에서 추정되는 매개변수의 평균값 사용에 대한 타당성을 보여준다. 이 후 추정된 하천매개변수를 하천현장에 적용성 확인을 위해 강정천의 동일 관측지점에서 표면영상유속계(SIV)를 사용한 표면유속과 유량을 산정함과 동시에 ADCP에 의한 유속 및 유량과 비교 분석하였다. 표면영상유속계(SIV)로 분석된 유속 벡터를 Chiu-2차원 유속분포식에 적용하여 산정된 유량과 기존의 수심평균유속환산계수 0.85를 적용한 유량은 각각 $0.7171m^3/s$과 0$0.5758m^3/s$였다. ADCP 평균유량 $0.6664m^3/s$과의 오차율은 각각 7.63%, 13.64%로 나타나 Chiu-2차원 유속분포식을 적용한 유량이 수심평균유속환산계수 0.85를 적용한 유량에 비해 작은 오차율을 보였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2009.05a
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• pp.415-420
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• 2009

공학 분야에 있어서 수치 해석적 연구가 많은 주목을 받고 있다. 경제적 측면을 비롯한 다양한 측면에 있어서 모의의 간편성으로 인해 하천에서의 수리학적 거동모의에 수치해석 모의 분석법이 쓰이고 있는데 모의결과의 비교 및 검증을 위해서는 현장 실험 혹은 모형실험이 선행되어야만 한다. 본 연구에서는 강재로 제작된 S자 형태의 만곡부를 두 개 갖고 있는 사행수로 실험 장치를 제작하여 두 가지 유량조건 (30, 60 ${\ell}$/sec.)과 두 가지 하류단 수위조건 (30, 40 cm)에 대하여 수평 2차원 유속분포 자료를 이용하였다. 유속장의 자료는 Sontek사에의 3차원 micro-ADV(Acoustic Doppler Velocimeter)를 이용하여 측정하였다. 주 흐름은 직선구간에서는 중앙에서 최대 유속을 나타내며, 좌우대칭적인 유속분포의 모습을 보이고, 만곡부에서는 수로안쪽을 따라 최대유속이 발생하였다. 이는 만곡부의 정점부분에서의 이차류 발생 및 소멸에 의한 연직방향 유속분포를 통해 발생되는 현상이라 사료된다. 또한 본 연구에서는 2차원 하천해석 상용프로그램인 RAMS (베타버젼)와 SMS를 이용하여 흐름해석을 수행하였다. 실험 자료와의 비교를 통하여 두 가지 상용프로그램의 경우 모두 다소 과대 산정되는 것을 알 수 있었고, 만곡부와 직선부의 유속분포에 대한 모의결과는 RAMS (RAM2)의 결과가 보다 실험결과와 잘 일치하는 것으로 분석되었다. 위와 같은 유속분포의 분석을 통하여 각각의 상용소프트웨어의 적용성을 비교해 보았으며 향후 오염물질 거동해석 모형을 실험수로에 적용하여 그 결과를 비교할 수 있을 것으로 예상한다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2016.05a
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• pp.68-68
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• 2016

하천의 사행 및 합류 형상은 복잡한 나선 흐름을 발생시킨다. 그 중 이차류는 사행에 의한 편수위 형성과 횡단 압력의 불균형, 그리고 수심에 따라서 변화하는 원심력에 의하여 형성된다. 이러한 흐름은 주로 3차원 모형으로 재현할 수 있으며 이에 관련된 연구는 계속 이루어졌으나 3차원 모형의 구성과 사용에는 상당한 시간 및 노력이 요구된다. 본 연구에서는 이러한 이차류의 영향을 수심적분된 2차원 모형으로 구현하고자 하였으며 이를 위해 이차류 연직 분포에 대한 기존 연구를 확인하고, 이러한 연직 분포를 표현할 수 있는 경험식을 3차원 모형인 FLOW3D를 통해 모의하고 개발하였다. 3차원 모형을 다양한 사행반경을 갖는 실험 사행수로에 적용하여 사행도에 따른 민감도를 분석하고 경험식을 개발하였다. 개발된 식은 2차원 수리해석 모형인 RAMS(River Analysis and Modeling System)에 적용되었다. RAMS는 수심 적분된 2차원 천수 방정식을 지배방정식으로 사용하는 수리해석모형인 HDM-2D를 해석엔진으로 사용하며, 이차류의 영향을 반영하기 위하여 개발한 수직분포 경험식을 분산 응력항 형태로 적용하였다. 모형의 적용성 확인을 위하여 사행 실험수로 및 합류수로에 모의를 수행하였다. 사행수로 및 합류수로는 실험 경계조건과 동일한 상류 입력 유량과 하류 경계조건을 사용하여 결과를 비교하였다. 사행수로 모의 결과 유속분포의 거동이 실험수로의 사행으로 인하여 2차류 효과로 주 흐름이 바깥쪽으로 기울어짐을 일부 재현하였다. 합류수로의 경우 기존 모형에 비하여 분산 응력항이 포함된 본 모형이 실측값에 근접하였는데 이는 이차류가 발생하는 영향으로 하류에 유속편차가 줄어드는 영향을 더 정확히 묘사한 것으로 판단된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2007.05a
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• pp.916-920
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• 2007

ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler)는 유수의 흐름을 방해하지 않으면서 물 속으로 일정 주파수의 초음파를 전송하고, 부유하는 입자들에 의해 산란되어 돌아오는 반향을 수집, 도플러효과를 이용하여 유속을 측정하는 장비이다. ADCP는 하천을 횡단하면서 순간적인 유속을 측정하므로 시간평균한 평균유속과의 차이가 발생하지만 1초에 1회 이상의 빠른 속도로 연직유속분포를 수집하면서 이를 공간적으로 평균함으로써 순간유속이 갖는 변동성을 완화시키는 특징을 갖는다. 본 연구에서는 ADCP를 활용하여 사행하천에서 수평방향 2차원 유속분포를 측정하고자 하였다. 만곡부가 교호적으로 나타나는 사행하천의 흐름구조는 매우 복잡하다. 특히 주 흐름의 수직인 단면에 나선형의 2차류가 관찰되는데, 이는 원심력과 횡방향의 수면경사 및 난류의 상호작용으로 발생된다. 주 흐름의 유속과 다른 분포를 나타낸다. 본 연구에서는 이찬주 등(2005)이 제시한 공간평균기법과 이동경로 수정을 통하여 측선별 2차원 유속분포를 측정하여 기 개발된 RAMS(서울대학교, 2007)를 적용하고 이를 검증하기 위한 자료를 확보하고자 하였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2012.05a
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• pp.614-614
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• 2012

개수로에서 혹은 수리구조물 주변에서의 흐름 및 난류 특성을 파악하기 위해서는 연직유속분포 및 수심별 평면유속분포의 측정이 필요하다. 유속분포를 측정하기 위한 방법은 음파 도플러 유속계(ADV:Acoustic Doppler Velocimetry)를 사용하는 방법과 PIV 기법을 이용하는 방법이 있다. 일반적으로 ADV는 한 지점의 유속을 시간변화에 따라 연속적으로 측정할 수 있어 난류특성의 정량적인 해석에 장점이 있으나 동시간에 여러 지점을 측정할 수 없기 때문에 난류의 공간적인 문제를 해석함에 있어서 한계가 있다. 그러나, 입자영상유속계(PIV:Particle Image Velocity)는 측정하고자 하는 단면에서 연직 횡단면의 유속분포 및 수심별 평면 유속분포 흐름장 측정이 가능하여 난류흐름의 공간적인 문제를 해석하는데 효과적일 뿐만 아니라 영상간의 시간간격을 짧게 하고, 촬영시간을 충분히 길게 한다면 개수로 내 난류특성 분석도 가능하다. 이에 본 연구의 목적은 PIV 기법을 이용하여 매끄러운 하상의 개수로에서 연직유속분포를 측정하고 그 특성을 정량적으로 분석하고자 한다. 본 연구에서는 첫째, PIV 기법을 이용하여 측정한 연직유속분포와 3차원 전자식 유속계를 이용하여 측정한 연직유속분포를 비교 분석하였다. 둘째, 후류법칙에 의해 계산된 연직유속분포와 PIV 기법을 이용하여 측정한 연직유속분포의 비교를 위해 각각의 무차원 유속분포(지점 유속/지점 마찰속도)를 계산하고 비교하였다. 마지막으로 각 흐름 조건에 따라 수심의 변화를 주어 연직유속분포를 PIV 기법으로 측정한 후 개수로의 수심변화에 따른 연직유속의 특성을 분석하였다. 분석 결과, PIV 기법을 이용하여 측정한 연직유속 성분에 비해 3차원 전자식 유속계로 측정한 연직유속 성분이 작게 나타났고 바닥에서부터 0.2h 지점까지는 무차원 유속분포(지점 유속/지점 마찰속도)가 후류법칙과 잘 맞는 경향을 보였으나 0.2h 지점부터 수표면까지는 유속이 감소하는 현상이 나타났다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2018.05a
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• pp.140-140
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• 2018

다수의 자연 하천은 사행의 형태를 가지고 있으며 자연 상태에서의 직선 하천 형태는 비율이 20% 이하이다. 이러한 하천의 사행 형상으로 인하여 편수위 발달, 횡방향 압력의 불균형, 그리고 수심차에 의한 원심력이 발생하여 이차류 흐름이 발생된다. 정확한 이차류 구현을 위해서는 3차원 모형을 사용하는 것이 바람직하나, 3차원 모형의 격자 구성과 사용에서는 상당한 시간 및 노력이 요구되기 때문에 수심적분 2차원 모형을 사용하면서도 이차류의 영향을 구현하기 위한 연구들이 이루어졌다. 본 연구에서는 이러한 이차류의 영향을 2차원 모형으로 구현하고자 하였으며 이를 위해 이차류 연직 분포에 대한 기존 연구를 검토하여 새로운 이차류 공식을 개발하였다. 그리고 한국건설기술연구원 하천실험센터의 실규모 실험을 통해서 이차류 공식에 사용되는 계수를 보정하였다. 이처럼 개발된 식은 이차원 수리해석 모형인 HDM-2D에 적용되었다. HDM-2D는 수심 적분된 2차원 운동량 방정식을 지배방정식으로 사용하는 수리해석모형으로서, 이차류의 영향을 반영하기 위하여 개발한 황방향 유속의 연직분포식을 분산 응력항에 대입하여 이차류에 의한 전단 효과를 구현하였다. HDM-2D 흐름 모의 수행 결과와 하천실험센터 실험결과와 비교하여 이차류 효과가 주 흐름 유속의 분포에 미치는 영향을 확인하였다. 분석 결과, 모의 결과는 실험에서 발생하는 유속의 주 흐름 분포가 바깥쪽으로 편중되는 현상을 적절하게 재현함을 알 수 있었다. 모의 결과를 통해 HDM-2D 모형이 이러한 이차류 영향을 구현할 수 있음을 확인하였으며, 사행수로에서 주 흐름분포의 재분배는 하천 환경에서 유사 이동 및 오염물 이동에 큰 영향을 미칠 것으로 판단된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2008.05a
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• pp.1609-1613
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• 2008

국내에서 하천 정비 사업을 수행할 경우에 HEC-RAS와 같은 1차원 수치모형을 이용하여 개략적으로 홍수위 및 단면평균 유속 분석을 통한 치수안전성을 검토하고 있다. 그러나 1차원 모형은 교량이나 보 등의 하천 횡단구조물에 의한 수위 상승 구간을 정확히 산정하기 어려우며 지류가 유입하는 합류지점이나 하도형상이 급변하는 지점에서의 국부적인 흐름의 변화양상을 계산하기에는 많은 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 감천과 직지사천이 합류하는 구간을 대상으로, 1차원 수치모형인 HEC-RAS와 2차원 모형인 FLUMEN을 이용하여 수위 및 유속분포 등 수리특성을 비교 분석하여 그 특성을 파악하였다. 모형의 적용 결과, 두 모형 모두 김천교 수위국의 실측치에 대해 절대오차율평균이 5% 이내이며 상관계수 및 결정계수가 1에 가까운 값을 보여 비교적 정확한 모의 결과를 보여주었다. 또한 두 모형 모두 교량 직상류부의 수위상승과 직하류부의 수위하강의 양상은 비교적 동일하게 나타났다. 그러나 수리구조물에 대한 영향을 1차원 모형이 잘 반영하지 못하기 때문에 합류부 상류구간의 교량 단면에서 수위 및 유속분포의 차이는 비교적 크게 나타났으며, 특히 합류부 직상류부의 교량단면에서의 수위분포는 $15{\sim}20%$ 정도의 차이가 나타났다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2010.05a
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• pp.704-708
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• 2010

하천에 있어서 저수호안의 수충부는 수리학적 안정성이 요구되는 부분이나 이에 대한 신뢰성있는 자료와 적정 공법의 선정 방안이 마련되어 있지 않고 있으며, 국내 자연형하천 조성을 위하여 하천하안에 적용된 공법들은 대부분 콘크리트블록, 발파석, 강화석, 전석, 잡석 등 견고한 재료를 활용한 공법이었다. 최근 하천의 생태환경 조성으로 인하여 식생에 의한 공법 개발이 활발하게 진행되고 있으나 이의 치수적인 평가는 진행되고 있지 않으며, 이들 각종 공법의 적용여부는 주로 소류력의 평가에 의한 것으로 하천의 생태적 환경보다는 치수적인 관점에서 적용되고 있다. 국내 생태하천의 경우 호안의 경사가 1:2~1:5정도로 매우 완만한 것이 보통이며, 급강하 하천이 아니기 때문에 설계유속은 2~3m/s 정도이다. 본 연구에서는 경사에 따른 호안의 안정성을 검증하기 위하여 3차원 모델인 Flow-3D를 이용하여 길이 20m, 폭 2m, 높이 1m의 개수로 장치를 구성하였으며, 호안의 조도변화에 따른 유량별 2차원 유속분포 및 Froude수를 산정하여 분석하였다.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.40 no.12
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• pp.957-968
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• 2007

It is essential to obtain accurate and highly reliable streamflow data for quantitative management for water resources. Thereafter such real-time streamflow gauging methods as ultrasonic flowmeter and index-velocity are introduced recently. Since these methods calculate flowrate through entire cross-section by measuring partial velocities of it, rational and theoretical basis are necessary for accurate estimation of discharge. The purpose of the present study lies in analysis on the applicability of Chiu#s(1987, 1988) two dimensional velocity distribution equations by applying them to natural rivers and by comparing simulated velocity distributions with observed ones obtained with ADCP. Maximum and mean velocities are calculated from observed data to estimate entropy parameter M. Such isovel shape parameters as h and $\beta_i$ are estimated by object function based on least squares criterion. In case optimized parameters are applied, Chiu#s velocity distributions fairly well simulate observed ones. By using 14 simulated data sets which have relatively high correlation coefficients, properties of parameters are analyzed and h, $\beta_i$ are estimated for velocity-unknown river sections. When estimated parameters are adopted for verification, simulated velocity distributions well reproduce real ones. Finally, calculated discharges display rough agreement with measured data. The results of the present study mean that if parameters related are properly estimated, Chiu#s velocity distribution is likely to reproduce the real one of natural rivers.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2012.05a
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• pp.587-587
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• 2012

현재 대부분 하천관리의 흐름해석에서 주가 되었던 1차원 분석은 하천 단면에 따른 횡적인 수면차, 유속분포를 분석할 수 없다는 단점을 가지고 있으며, 특히 유량 및 유속이 급속도로 늘어나는 홍수시에는 그 오차가 더욱 커질 수 있다. 반면에 2차원 모형의 흐름해석은 사행하천의 흐름 특성과 만곡부에서의 종 횡방향 수면경사 및 양안의 수면차와 합류지점의 횡방향 흐름 등의 영향을 고려할 수 있으며 1차원 해석과는 달리 전 단면에 걸쳐 유속 및 수위 분포를 나타낼 수 있어 실제흐름에 가까운 수리량을 얻을 수 있다. 본 연구를 위해 적용된 해석모형인 SMS는 미국 Brigham Young 대학의 환경모형연구실과 미공병단(USACE)의 수로실험국(WES) 등에서 개발한 프로그램으로서 RMA2, RMA4, SED2D 모형 등으로 구성되어 있다. 각각의 모형은 수리 동역학적 해석, 오염물 이송확산 해석, 유사의 이송 및 퇴적 해석이 가능하며 이 중 RMA2를 이용한 2차원 흐름해석을 통하여 보다 적합한 하천관리에 이용가능하도록 하고자 한다. 연구대상 지역은 제주도 한천 하류부로서 제주도 하천 특성상 평상시 건천의 상태를 이루고 있으나 태풍 및 집중호우시 홍수유출이 발생하여 수위가 급격하게 상승하는 양상을 보인다. 대표적인 예로 태풍 '나리'시 최대 일강우량 420mm로 인한 인근 지역에 0.5 ~ 1.5m의 침수흔적을 보이고 있다. 본 연구에서는 2011년 최고수위를 기록한 태풍 '무이파'를 대상으로 하였으며 대상지역의 Kalesto를 이용한 수위-유속 자료를 이용하여 산출된 유량을 경계조건으로 사용하였고 격자망 형성을 위한 지형 데이터는 지형도 및 측량자료를 이용하여 구축하였다. 사용된 대표적인 매개변수는 하상의 조도계수를 나타내는 Manning의 n값과 유체의 밀도, 속도구배, 구조 등 여러 가지의 유체조건에 따라 변하는 성질인 와점성계수(eddy viscosity)로 요약할 수 있으며 Manning의 n값은 하천설계기준에 따른 하천기본계획의 조도계수를 사용하였고 와점성계수는 적합한 흐름 분포를 결정하기 위해 흐름이 안정될 때까지 변화시켜 해석을 시행하였다. 해석결과 만곡부에서는 급한 흐름을 보이고 있으며 최대하폭 구간에서는 완만한 흐름이 나타나 사행하천의 흐름특성과 횡적인 하천단면에 따른 변화, 하상고 차이로 인한 유속분포를 확인할 수 있으며 이는 보다 유용한 하천관리에 이용가능할 것으로 사료된다.