• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2021.06a
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• pp.247-247
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• 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
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• 2010.05a
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• pp.248-252
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• 2010

홍수기 호우로 인한 피해는 대부분 하천구역에서 발생되며, 이러한 피해는 인간에게 직 간접적으로 영향을 미치게 된다. 자연 상태의 하천형상은 대부분 호우로 인한 홍수로 인해 자연스럽게 만들어지게 되며, 대부분 사행하천의 형태를 띠게 된다. 사행하천에서의 흐름의 기하학적 특성은 성장이나 사멸, 또는 두 가지 모두의 형태를 보인다. 사행하천에서의 흐름 및 유속 분포는 하천제방 보호, 주운, 취수, 그리고 유사 이동 및 퇴적 패턴과 관련하여 실용적인 관점에서 연구하여야 하는 하천수리학에서는 매우 중요한 주제이다. 그리고 사행하천은 특히 만곡부가 교호적으로 나타나는 곳에서의 흐름구조가 매우 복잡하다. 이러한 사행하천에서는 회전방향이 교호적으로 바뀌는 나선형의 흐름(2차류)이 3차원적으로 발생하는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 사행하천이 많은 국내 하천특성을 고려하여, 하천 만곡부에서의 흐름특성을 분석하고자 하였으며 2차원 CCHE2D 와 3차원 FLOW3D 모형을 적용하였으며 가상 하도에 대하여 수리모형 실험의 실측치와 비교하여 모형의 정확성과 안정성을 검증하였다. 그리고 남강댐 하류에 대하여 만곡부의 흐름특성(유속 분포 및 최대유속경로, 수위분포, 2차류 거동, 편수위, 전단응력 분포 등)을 분석함으로써, 하천 만곡부에서의 수리적 특성을 보다 정확하게 제시하고자 한다. 모의 분석결과 동일 하도에 대하여 유량을 변동시킬 경우, 유량이 증가할수록 만곡부에서의 수리영향이 더욱 뚜렷해짐을 알 수 있었고 2차원 모형보다 3차원모형의 결과의 정확도가 더 높은 것으로 분석되었다. 곡률반경이 1,300~1,600 정도인 실제하천에 적용한 결과, 수위의 경우 2차원 결과가 3차원 결과보다 최대 3%정도 수위가 높은 것으로 나타났으며, 또한, 상관계수가 평균 0.91의 값을 보이고 있어 2차원모형과 3차원모형의 결과가 비교적 잘 일치하는 것으로 분석되었다. 흐름 분석을 통해서 만곡부에서의 최대유속은 최정점(apex)에서 보다는 오히려 최정점 이전 하도의 내측에서 발생하였으며, 정점에서의 종단유속은 감소하지만 횡단유속은 오히려 크게 증가하는 경향을 보이고 있었다. 따라서 하천설계시 사행하천의 제방 안정성 확보를 위하여 종단유속 뿐만 아니라 횡단유속 또한 고려할 필요가 있음을 확인하였다. 또한 남강댐 하류 만곡부에서의 내측 및 외측의 수위를 분석한 결과, 제방 외측의 수위가 평균수위에 비해 최대 약 37cm정도 증가하는 것으로 분석되었다. 따라서 만곡부에 대한 하천제방설계시 좌, 우안의 여유고를 일률적으로 적용하기 보다는 만곡에 따른 흐름특성을 분석하여 설계에 적용하여야 안정성 및 경제성을 동시에 확보할 수 있을 것으로 사료된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2017.05a
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• pp.477-477
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• 2017

국내 4대강사업 이후의 하천환경의 변화를 고려한 보 구간 별 도달시간 재산정이 필요하며, 더욱이 다기능 보의 영향을 고려한 도달시간에 대한 연구도 필요한 실정이다. 또한 4대강사업 이후 설치된 다기능 보의 기존 방류를 이용한 보 운영은 관리수위를 유지하기 위해 유입된 수량만을 방류시켜 수온차가 있는 성층파괴에는 한계가 있었다. 이러한 문제점으로 펄스 방류는 수질개선을 위하여 제시된 인위적 반복적 방법으로 하천의 유량 및 유속을 증대시켜 하천 상 하층을 혼합하여 성층을 파괴함으로써 조류의 성장을 억제하기 위한 목적으로 적용될 수 있으며, 실제 하천에 적용하기에 앞서 보 방류조건에 따른 흐름전달특성의 분석과 검증이 필요하다. 이에 본 연구에서는 4대강사업 이후의 하도에 대한 지형자료와 상세한 보주변의 지형자료를 이용하여 수리학적 모형을 위한 하도자료를 구축하였으며, 보 운영을 고려하여 2차원 수리해석을 실시하였다. 보 방류조건에 따른 흐름전달특성 분석에 앞서 각 보 구간별 거리를 산정하였다. 또한 일정 방류 시나리오 유량조건을 이용하여 각 보 구간별 도달시간을 산정하였으며, 산정된 도달시간은 HEC-RAS를 통해 모의된 계산결과와 비교 및 한국수문조사연보 유량편의 평균유속과의 비교 및 검증을 실시하였다. 또한 펄스 방류에 따른 흐름의 전달특성을 분석을 하였으며, 분석한 결과와 보 하류 주요지점에서의 수위 관측결과를 2차원 수리모형에서 확인 할 수 있었다. 또한 2차원 수리모형 내에서 입자를 적용하여 입자추적을 통한 보 하류부의 흐름전달 양상을 해석하였다. 본 연구를 통하여 유량 규모 및 등급별 방류량을 고려하여 적용 가능한 간편 도달시간을 제안 및 산정하여 현장에서 실무적으로 사용가능한 자료를 제공함으로써 하천 유지 및 관리에 이용이 가능할 것이라 판단된다. 또한 펄스 방류에 따른 흐름의 전달특성을 분석함으로써, 특정 방류량에 따른 흐름특성을 이해하고 후에 수질개선 효과 분석 및 다양한 방류시나리오에 따른 보의 운영 지침에 기초자료를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2021.06a
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• pp.24-24
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• 2021

자연하천 바닥 경계층 내에서는 복잡한 난류 구조가 형성되며 이들은 하상에 강한 모멘텀을 전달한다. 바닥 부근에 분포하는 유사 입자들은 경계층 내에서 발생한 난류 흐름으로부터 모멘텀을 전달받아 소류사 혹은 부유사 형태로 이송되게 되며, 이러한 유사 이송 과정을 역학적으로 설명하기 위해서는 경계층 내 유체 흐름에 대한 이해가 선행되어야한다. 경계층 내 난류 흐름 특성이 유사 입자의 움직임에 미치는 영향에 대해 분석하기 위해서는 바닥 경계층 내 고해상도 유속 자료와 유사 움직임을 동시에 포착할 수 있는 기술이 요구된다. 하지만 현재까지 수행된 대부분의 선행 연구들은 점 유속을 측정할 수 있는 음파 도플러 유속계 (Acoustic Doppler Velocimetry) 혹은 2차원 입자 영상 유속계를 활용하였으며, 이들은 복잡한 3차원 난류 흐름 특성을 분석하기에는 한계가 있다. 본 연구의 목적은 실험실 실험을 통해 바닥 경계층 내 3차원 난류 흐름이 유사 이송에 미치는 영향에 대해 조사하는 것이다. 본 연구에서는 유사 주변에서의 고해상도 3차원 흐름 유동장 및 순간적인 유사 움직임에 대해서는 합성 개구 (synthetic aperture) 기반의 3차원 입자 영상 유속계 및 입자 추적 유속계를 활용하여 취득하였다. 취득된 흐름 유동장을 기반으로 레이놀즈 전단응력을 산정하였으며 이를 통해 유체가 하상에 미치는 모멘텀의 크기를 파악하였다. 복잡한 난류 흐름 구조에 대해서는 팔분원 분석 (octant analysis)을 통해 구분했으며, 유사가 움직이는 순간의 유속장을 기반으로 유사 이송을 발생시키는 지배적인 난류 흐름 특성에 대해 규명하였다. 본 연구는 바닥 경계층 내 복잡한 3차원 난류 흐름과 유사 입자의 움직임을 동시에 분석함으로써 기존에 수행되어왔던 선행 연구들의 한계점을 극복하고 보다 명확한 유사 이송의 발생 원인에 대해 분석했다는 점에 의의가 있다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2010.05a
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• pp.194-197
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• 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
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• 2008.05a
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• pp.1594-1598
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• 2008

자연하천에서의 형상은 직류하천보다는 어느 정도 만곡이 있는 사행하천이다. 이러한 만곡부가 교호적으로 나타나는 사행하천의 흐름구조는 매우 복잡하며, 이차류가 발생하는 만곡부에서 직류하천에서 예상되는 흐름분포를 왜곡시킴으로써, 유사의 이동, 횡방향의 유속분포가 다르게 나타난다. 이러한 만곡부의 흐름 특성은 만곡부 외측에 측방세굴과 수면교란, 그리고 수위를 상승시키며, 에너지 손실을 가져온다. 일반적으로 사행하천의 만곡부 외측에는 소(pool)가 발달되고, 내측에는 이차류에 의해 강턱 퇴적을 유발함으로써 점 사주(point bar)가 형성된다(우효섭, 2001). 본 연구에서는 사행하천이 비교적 발달한 섬진강 상류 덕치지구 구간에 대하여 2차원 수치모형인 RMA-2 모형을 이용하여 만곡부의 흐름특성을 분석하였다. 분석한 결과 유속의 분포는 만곡부 상류부에서 최대 흐름의 구역이 나타났으며, 만곡부에서는 흐름의 편향구역과 정체구역, 그리고 만곡부 하류부에서 에너지 손실이 일어난 후 흐름의 회복구역으로 흐름의 특성을 나타났다. 또한 수위의 분포는 상류부에서 점차적으로 수위가 감소하다가 만곡부에서 수위가 상승하였고 만곡부가 끝나는 하류부에서의 수위는 감소하였다. 만곡부에서의 횡적인 수위 분포는 만곡부의 외측이 내측보다 수위가 상승되는 것으로 나타났다. 본 연구에서 2차원 수치모형인 RMA-2 모형을 이용한 만곡부의 흐름 특성은 만곡부에서의 홍수위 상승에 대한 검토로서 하천의 바람직한 치수관리 방안에 효과적으로 이용될 수 있을 것으로 판단된다.

• 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.

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

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2010.05a
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• pp.664-668
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• 2010

유역 내 효율적 수자원관리 및 이 치수 계획수립을 위해 수계별 혹은 지역별로 다양한 형태의 하천정비 사업이 시행되고 있으며, 사업의 대부분은 통수능 확보를 위한 확폭 및 홍수피해방지를 위한 제방의 보강이 주를 이루고 있다. 그러나 이러한 하천정비사업 계획의 검토를 위하여 횡방향 흐름을 고려할 수 없는 1차원 HEC-RAS 모형이 주로 이용되고 있으며, 이는 만곡부와 같은 복잡한 흐름특성이 발생하는 구간에서의 정비 사업 후 흐름특성 변화 및 하상의 안정성에 대한 평가를 위해 1차원 수치모형의 적용이 제약적임을 의미한다. 본 연구에서는 용담댐 하류부 대유리에 위치한 만곡부를 대상으로 2차원 수치모형인 CCHE2D를 이용하여 정비사업 전 후의 흐름특성 변화에 대한 분석을 수행하였다. 분석결과, 만곡부 정점부의 단면축소로 흐름의 통제가 발생하던 구간에서 정비사업 후 유속과 소류력이 감소되었으며, 상류측으로 수위가 크게 저하하였다. 또한, 정비사업 후 상류측에서 유속과 소류력의 증가가 관측되었으며, 만곡부 내측으로 유속과 소류력의 중심이 이동함에 따라 제방의 안정성에 영향을 줄 수 있음을 확인할 수 있었다. CCHE2D모형은 자연하천의 만곡부와 같은 복잡한 흐름이 발생하는 구간의 분석을 위하여 효율적으로 이용될 수 있으며, 모형 내 하상변동 모듈과의 연계모의를 통해 제방의 안정성 및 하상의 안정성 평가를 위한 수리학적 기초자료를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2010.05a
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• pp.1780-1783
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• 2010

최근 물부족이나 빈번한 홍수와 가뭄을 발생시키는 것으로 예측되는 기후변화에 대응하고 하천을 문화생태공간으로 회복시키기 위해 국가하천에 대한 대규모의 사업이 실시되고 있다. 따라서 하천의 효율적인 이수 및 치수 방안을 수립하고, 그 적용방안을 논의하여 보다 나은 결과를 얻기 위한 논의가 필요하다는 인식이 확산되고 있다. 본 연구에서는 2차원 수리모형인 SMS(Surface Water Modeling System)와 1차원 수리모형인 HEC-RAS를 이용하여 낙동강의 지류인 밀양강에서의 흐름 특성을 분석하였다. 밀양시에서 낙동강 하류 합류점까지의 흐름을 HEC-RAS를 이용하여 1차원 분석을 실시하고, 이를 이용하여 2차원 모형인 RMA2를 모의한 후 대상 유역의 흐름을 분석하여 수리학적 특성을 파악하고 홍수기 시 대상유역에 대한 효과적인 관리방안을 수립하고자 한다.