• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2021.06a
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• pp.3-3
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• 2021

하천의 식생은 생태서식처 제공, 강턱이나 하안 경사의 안정, 영양염류나 오염물 차단에 의한 수질 개선 등의 다양한 생태서비스를 제공하는 반면, 과도하고 편중된 식생 분포로 인해 흐름저항이 증가하고 이로 인한 홍수위 상승과 홍수피해 위험이 가중될 수 있다. 기후변화 영향과 토지이용 변화에 따른 수리수문 특성 변화와 유역으로부터 영양염류의 유입은 하천내 식생이 과도하게 퍼지는 직접적인 원인이 될 수 있다. 과도한 식생분포로 인한 흐름저항과 홍수위 상승을 평가하기 위해 식생하도의 흐름저항과 관련된 매개변수의 다양성과 복잡성에 따른 해석상의 한계에도 불구하고 이에 대한 이론적 해석과 수학모형의 개발, 실험실 수로와 하천현장조사, 수치모형을 이용한 예측 등의 다양한 연구가 수행되고 있다. 본 연구에서는 소규모 실험실 수로에서 단순화된 식생 구조와 배열이 적용되는 한계성과 상류에서 유입되는 유량과 유속 등의 수리조건을 통제할 수 없는 현장실험의 한계성을 보완하고자 목본류 형태의 식생패치를 실규모 하천실험 수로에 조성하여 통제된 수리조건에서의 식생하도의 구간 흐름저항을 추정하기 위한 계측 실험을 수행하였다. 실규모 실험에서는 피에조미터 형식의 정밀 압력식 센서를 이용하여 수위와 수면경사를 계측하였으며, 실험구간의 접근 수로에서 ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler)를 이용하여 유입 유량에 대한 정보를 수집하였다. 전체 수로 길이 약 600 m, 하폭 11 m, 깊이 2 m 규모의 실규모 하도 일부 80 m 완경사 구간에 식생패치를 설치하고 구간 수면경사를 실측함으로써 식생하도의 흐름저항을 직접 산정하였다. 이러한 실규모 식생하도의 실험을 통해 식생패치의 밀도, 횡적 차단면적, 구간 차단부피, 목본 식생의 물리적 특성, 식생패치의 배열 등의 다양한 식생분포 조건에 따른 수리조건별 흐름저항 값의 변화를 분석할 수 있다. 식생하도에 대한 정확한 흐름저항 추정과 홍수위 변화에 대한 해석은 하천 식생의 생태서비스와 홍수방어의 하천 치수효과의 최적 솔루션을 제시하기 위한 하도관리의 다양한 방안을 제시하는데 필수적인 정보로 활용될 수 있다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2020.06a
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• pp.310-310
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• 2020

자연하천에서 식생의 성장은 유속 및 수위 변화에 중요한 영향을 미치며, 따라서 식생으로 인한 흐름저항은 흐름과 유사이송 모델링을 위한 중요 매개 변수가 된다. 즉, 수치 모델을 활용함에 있어 식생의 흐름 저항을 정확하게 추정하는 것이 매우 중요하며, 보다 정확한 추정을 위해 실험 혹은 현장 데이터를 활용한 보정과정이 필수적으로 요구된다. 본 연구에서는 식생 패치를 포함한 인공 수로의 흐름 모의를 위해 실규모 실험 수로에서 측정된 유속 및 수위 데이터를 활용하여 모델보정을 수행하고자 한다. 이를 위해 공간 분포 별로 각기 다른 흐름 저항식의 적용이 가능하며, 식생 저항 공식을 포함하고 있는 Delft3D 모델을 활용하였다. 또한 실규모 수로에서의 유속 및 수위 데이터 수집을 위해 한국건설기술연구원 하천연구센터에서 실험을 수행하였다. 실험 구간의 길이는 약 120 m이고 하폭은 11 m이며, 국내 하천에서 보이는 식생패치의 유사한 형태를 재현하기 위해 하천 내 가장 많이 활착되어있는 버드나무와 유사한 형태의 인공식생을 제작하였다. 인공 식생은 지그재그로 배치되었으며, 식생의 전체 높이는 1.1 m이고, 각 패치 당 23그루의 인공 식생이 총 8개 패치에 식재되었다. 모의 조건은 상류단 유입 유량 2.805 ㎥/s, 하류단수위 98.764 m의 정류 조건을 적용하였다. 또한 식생 패치 구간에서의 흐름 저항 추정을 위해 Delft3D 모델 내에서 선택가능 한 Baptist의 비침수(Non-submerged)식을 적용하였으며, 항력계수 결정을 위해 1과 1.5를 적용하여 측정 수위와 비교하였다. Delft3D의 흐름 모의 결과, 항력계수 1.5를 적용했을 때, 측정 수위와 거의 일치하는 것으로 나타났으며, 항력계수 1.0을 적용했을 경우, 측정 수위에 비해 다소 낮게 모의되는 것으로 나타났다. 또한 항력계수 1.5인 경우 식생 패치 구간에서 평균 0.65 m/s의 유속이 발생하였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2019.05a
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• pp.291-291
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• 2019

하천에서 식생은 자연적으로 존재하는 수생식물의 집단을 의미하기도 하지만 자연 저항체로서 하천의 평균 흐름을 교란하고 변화시킨다. 식생의 성장은 흐름 저항을 발생시켜 일시적으로 수위유량관계의 전이(shift)를 유발한다. 이러한 수위-유량관계의 전이는 식생의 성장 및 전도와 소멸로 발생하는 식생의 구조변화에 따라 측정 단면에 대한 평균유속의 변화를 발생시킨다. 본 연구에서는 식생의 구조변화에 따른 평균유속 특성의 변화를 사례를 통해 살펴보았다. 고령군(귀원교) 지점은 하천 좌우안 식생의 흐름 저항을 받아 측정 평균유속의 영향을 받는 지점으로, 식생 변화에 대한 모니터링 결과를 토대로 수리특성을 분석하여, 식생의 활착 및 전도에 따른 평균유속의 변화를 분석하였다. 고령군(귀원교) 지점의 수위-평균유속 관계는 식생의 활착 또는 전도에 따라 서로 다른 형태의 고리형태(loop)를 보이는 것으로 확인되었다. 식생이 활착 후 전도되면서 측정된 유속성과는 수위하강시 유속이 증가하는 역 고리형태(loop)를 보이는 것으로 관찰되었다. 식생이 전도된 이후의 측정성과는 수위가 상승함에 따라 유속이 증가하는 정상적인 수위-유속의 고리형태(loop)를 보인다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2023.05a
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• pp.524-524
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• 2023

하천 내 식생의 분포는 흐름저항의 증가와 수위상승에 큰 영향을 미치는 요소 중 하나이다. 동일한 단면정보를 가졌더라도 식생이 분포하는 하도는 식생이 없는 하도에 비해 흐름저항으로 인해 유속이 현저히 느려져 홍수위 상승을 유발하기 때문이다. 따라서 식생의 종류, 크기, 분포 형태, 잎의 밀도 등에 따라 흐름저항계수를 정량화하며 흐름을 정확히 예측하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 2019년 한국건설기술연구원 하천실험센터에서 진행된 식생하도에 대한 실규모 실험의 조건과 지형정보를 HEC-RAS(Hydrologic Engineering Center's River Analysis System) 1차원 수치모형에 입력하고, 식생 패치의 분포를 고려한 Manning's n의 공간적 분포 및 적용방식에 따른 수면 경사 재현 정확도에 대한 민감도 분석을 수행하였다. 실험은 상단 폭 11 m, 경사 1:2(V:H)의 사다리꼴 단면을 가진 실규모 수로에서 70 m 길이의 구간을 대상으로 진행되었다. 실험 구간 내 6개의 압력식 수위계를 설치해 수위 측정 및 수면 경사 산정을 실행하였다. 실험 조건으로 적용된 인공 식생패치의 분포 및 밀도 조건은 3가지로 큰 패치와 작은 패치로 구성된 조밀한 조건, 단일 패치로 구성된 조밀한 조건, 단일 패치로 구성된 성긴 조건이었으며, 모두 정수(emergent)상태로 진행되었다. 적용된 패치의 형상은 내성천에서 조사된 자연 형태의 식생패치 형태를 참고하였으며, 버드나무 종을 모사하였다. 실험 조건에 따라 유량은 각각 평균 1.5 cms와 2.7 cms로 공급하였으며, 평균 수심은 약 1 m로 측정되었다. 위 실험 내용을 바탕으로 수치모의를 위한 경계조건과 지형정보를 수립하였으며 모의 케이스는 크게 두 가지로, 수로 내 식생의 분포를 종방향으로 고려한 케이스와 횡방향으로 고려하여 조도계수를 적용한 케이스로 분류하였다. 모의에 적용된 조도계수는 실험에서 획득한 데이터와 베르누이 방정식을 활용하여 산정되었으며, 두 케이스에 대한 모의 결과는 실험에서 관측된 수위와 비교하였다. 본 연구에 따르면 여러 개의 식생패치가 정수상태로 존재하는 하천에 대한 1차원 수치모의 시 식생의 분포를 종방향으로 고려하여 하나의 구간조도계수를 적용하는 방식이 종횡단면의 식생패치 위치를 고려한 조도계수를 세분화하여 적용하는 방식에 비해 수위 계산 정확도가 상대적으로 높은 것으로 나타났다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2012.05a
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• pp.145-145
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• 2012

일반적으로 식생하도에서는 다양한 흐름저항 발생으로 인해 통수능은 감소하고 홍수위는 증가할 수 있다. 식생하도 흐름해석을 위해서는 복합적으로 발생하는 흐름저항이 합리적으로 산정되어야 한다. 하도 흐름에 식생을 고려하는 중요한 관점 중 하나는 식생높이에 대한 수심의 비이다. 본 연구에서는 수심이 식생높이보다 큰 즉, 침수식생 조건에서 식생층의 평균유속 산정식을 제시하고자 하였다. 문헌조사 결과 식생층의 평균유속 산정 방법은 크게 두 가지로 구분되었다. 첫 번째는 흐름을 정상, 등류로 가정하고 전 수심에 대한 힘의 평형을 해석하는 것이고(Stone and Shen, 2002), 두 번째는 2층 구조로 분리하여 식생층과 표면층사이에서 발생하는 전단력을 힘의 평형에 포함시키는 것이다(Baptist et al., 2007; Huthoff et al., 2007; Yang and Choi, 2010). Stone and Shen(2002)의 경우 일부 유속을 과대 산정하는 결과를 보였고, 이는 층간 전단력이 무시되었기 때문이다. 따라서 본 연구에서도 2층 구조론을 이용하였다. 그러나 식생의 밀도가 증가하게 되는 경우 식생이 차지하는 부피는 증가하는 반면, 바닥 전단력의 영향은 감소하게 되므로 식생의 부피는 고려하되 바닥 전단력은 무시하였다. 본 연구를 통해 제시한 식생층 평균유속식을 기존 연구의 수리모형실험 결과와 비교한 것은 <그림 1>과 같다. 비교적 일치하는 결과를 보였지만 Dunn et al.(1996), Rowinski et al.(2002)의 실험결과에 대해서는 유속을 과대 산정하는 것으로 나타났다. 이 들 실험조건의 특징은 침수비가 모두 2.0보다 작다는 것이다. 따라서 침수비 조건에 따라 전단력 ${\tau}_i$의 영향이 있는 것으로 판단된다. 본 연구에서는 침수비 2.0을 기준으로 이보다 낮은 침수비에서는 전단력 ${\tau}_i$를 무시하고, 2.0이상에서는 ${\tau}_i$를 고려한 침수식생하도 식생층 평균유속 산정식을 제시하였고 수리실험결과와 비교한 결과 <그림 2>와 같이 수용할 만한 결과를 얻었다.

• Proceedings of the Korea Contents Association Conference
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• 2011.05a
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• pp.461-462
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• 2011

하천에 침입한 식생이 흐름에 미치는 영향은 현장조사와 수리모형실험을 통해 다양한 연구가 진행되고 있지만 하천의 흐름이 식생에 미치는 영향이나 상호작용에 대해서는 아직 초보적인 수준에 머물러 있다. 국내의 하천에서 버드나무는 일열로 흐름방향에 평행하게 이입되어 활착되는 현상이 두드러지게 나타나고 있고 있으며, 이 연구는 실험실 개수로에 모형 나무를 일렬로 배열하여 식생이 완전히 잠긴 경우와 부분적으로 잠긴 경우에 대하여 수리모형실험을 수행하였다. 수리모형 실험결과 나무의 개수에 따라 수위의 변화가 나타남을 확인할 수 있으며, 빈 공간의 존재를 나타내는 나무의 간격에 따라서도 영향을 받음을 알 수 있었다. 이 연구는 수리모형실험을 통하여 식생의 개수, 잠긴 정도, 흐름 상태에 따른 유속과 수위 분포의 변화를 분석하고자 연구를 수행하였으며 이 결과는 식생저항모형 개발과 이차원 흐름모형의 검보정에 활용할 수 있다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2006.05a
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• pp.1275-1280
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• 2006

자연 저항체인 식생은 유체역학적으로 하천의 평균흐름과 난류량을 변화시키며, 이와 관련하여 유사, 영양 물질, 용존 산소, 그리고 서식 동물 등에 많은 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 과거에는 식생된 수로의 흐름을 식생에 의해 항력이 증가된 경계층 흐름으로 단순하게 보아 왔으나, 근래의 실험유체역학적 연구는 식생된 하천 흐름에 대한 미시적인 구조를 규명하였다. 본 연구는 식생수로에서 평균흐름 및 난류량에 관한 수리특성을 분석하고자 하며, 부유사의 퇴적, 유입, 이송 등의 거동에 큰 영향을 미치는 것으로 알려진 고유구조를 파악하였다. 식생된 개수로 흐름의 일반적인 평균흐름 및 난류구조는 기존의 연구결과와 동일하였으며, 본 연구에서 중점을 둔 고유구조의 경우, 식생높이를 기준으로 하여 상 하부의 흐름특성이 서로 상이한 것을 확인하였다. 식생높이 상부에서는 유속이 수면방향을 향하는 분출현상이 지배적으로 나타났으며, 식생높이 하부에서는 이와는 반대로 유속의 변동성분이 하상으로 향하는 쓸기현상이 지배적으로 나타났다. 이는 개수로에 식생이 존재할 경우 부유사의 농도분포가 수심에 따라 일정해지는 것에 대한 물리적인 근거로 파악된다.

• Ecology and Resilient Infrastructure
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• v.8 no.4
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• pp.212-222
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• 2021

In this study, the flow resistance coefficient was calculated considering the physical properties and distribution characteristics of floodplain vegetation, and the effect of floodplain vegetation distribution on flow characteristics was analyzed by reflecting it in a two-dimensional numerical simulation. The three-dimensional point clouds of vegetation acquired using ground lidar were analyzed to apply floodplain vegetation's physical properties to the existing formula for vegetation flow resistance calculation. The floodplain vegetation distribution in the modeling was divided into locally distributed and fully distributed conditions in the floodplain. As a result of the simulation of the study site, the flow resistance coefficient of floodplain vegetation was found to have a value of about five times or more compared to the flow resistance coefficient of the main channel bed when the design flood occurs based on Manning's n coefficient. Also, it affected the hydraulic characteristics in the main channel and floodplain.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2016.05a
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• pp.406-410
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• 2016

하도 식생은 흐름 및 유사의 거동에 영향을 미치며, 하도의 지형변화를 일으킨다. 또한 하천에서 생태계 서식처 형성을 하는데 영향을 주며 하천경관을 향상시킨다. 그러나 홍수시에 흐름의 저항을 증가시키고 수위를 상승하여 하천범람을 일으킨다. 따라서 홍수에 안전하고 하천 경관을 유지하면서 하천환경과 조화를 이루는 하도 식생관리 기술이 요구되고 있다. 본 연구에서는 실내실험을 통하여 유량의 변화에 따른 식생대에서 퇴적과정과 하도의 변화 과정을 분석하였다. 실내실험은 길이가 10 m이고, 수로 폭이 0.6 m인 가변형 경사수로에서 수행하였다. 식생패치는 폭이 0.28 m, 길이 1.0 m로 2.0m 간격으로 교대로 3개 설치하였다. 식생패치는 지름이 5 mm이고, 길이는 0.25 cm인 아크릴봉을 이용하여 제작되었으며, 식생 밀도는 $1.76m^{-1}$이었다. 흐름은 식생이 없는 주수로에 집중되었고, 식생대와 주수로 사이에 와류가 형성되면서 하상이 세굴되었다. 식생대에서는 흐름이 감소되면서 유사가 퇴적되었다. 식생대를 따라 교호사주가 형성되었으며, 사행이 형성되었다. 유량이 증가하면서 식생대에서 퇴적 면적은 증가하였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2010.05a
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• pp.184-188
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• 2010

식재된 하도의 흐름 해석을 위하여 많은 연구자들이 모형을 제시하였지만 이들 연구는 주로 균일한 형태를 갖는 수로의 실험자료를 활용하여 검증되었다. 자연하천의 경우 하도는 복잡한 형태를 보이고 동시에 식생위치, 밀도 등이 다양하여 흐름 또한 매우 복잡하다. 이러한 자연하도에서 유량을 정확히 예측하는 것은 매우 어려우며 이러한 이유로 식생이 존재하는 자연하도의 실측자료에 대하여 검증이 필요하다. 본 연구에서는 Mertens와 Nuding의 방법을 활용하여 주수로와 홍수터 그리고 식생구역과 비식생구역 사이의 운동량 교환에 의한 흐름저항을 산정하고, Darcy-Weisbach식을 이용하여 분할단면 별 유속을 계산하였다. 계산된 유속으로부터 분할단면의 유량을 계산하고 이들의 총합으로 전단면의 유량을 산정하였다. 독일의 도시하천인 Enz강 4개 단면에 대하여 두가지 방법에 의해 수위에 따른 유량을 계산하고 실측 유량과 비교하였다. 비교결과 모든 단면에서 Nuding 방법이 Mertens의 방법보다 유량을 크게 산정하고 있음을 확인하였다. 이는 식생구역과 비식생구역 사이에서 운동량 교환이 발생하는 폭이 크면 클수록 경계면에서의 마찰은 증가하게 되는데 Nuding 방법이 Mertens방법보다 운동량 교환 폭을 상대적으로 작게 산정하여 경계면의 마찰 또한 작게 산정한 결과로 판단된다. 복단면의 홍수터에 식생이 존재하는 경우에는 Nuding방법이, 복단면 형태이더라도 식생이 호안에 존재하거나 단단면의 제방에 식생이 존재하는 경우에는 Mertens방법에 의해 계산된 유량이 실측유량과 비교적 일치하는 것으로 나타났다.