• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2012년도 학술발표회
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• pp.717-721
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• 2012

유속(혹은 난류강도) 증감에 따른 floc 특성의 변화를 파악하기 위하여, 현재 연안 개발이 활발히 수행되고 있는 목포해역을 대상으로 ADCP를 이용한 층별 유속 및 부유사 농도의 연속관측이 수행되었다. 목포해역 내 대표정점에서 층별로 유속 유향 및 음파 intensity와 함께 전체 수심데이터가 5분 간격으로 측정되었으며, ADCP 음파의 intensity와 부유사 농도의 상관관계 분석을 위하여 동일 시간동안 채수기를 이용하여 water sampling(30분 간격) 또한 동시에 수행되었다. 관측시간 동안의 목포해역은 낙조류의 흐름특성을 가지며, 표층에서의 최강유속은 24.5cm/s, 유향은 대체적으로 NW~N향 사이에 분포하는 것으로 나타났다. 또한 층별 부유사 농도는 그 차이가 매우 미미한 것으로 나타났다. 본 연구를 통하여 관측된 자료들은 퇴적물의 제반 이송특성 연구를 위한 기초자료로 활용될 수 있을 뿐만 아니라, 향후 퇴적물 이송 및 수질 예측/평가를 위한 수치모형 적용시 입력자료로 유용하게 사용될 수 있을 것이다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2008년도 학술발표회 논문집
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• pp.1779-1783
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• 2008

영상해석을 통한 흐름해석의 방법인 Large-Scale Particle Image Velocimetry (LSPIV)는 실험실내의 소규모 흐름해석에 이용하던 Particle Image Velocimetry (PIV)를 자연하천이나 실험실에서 넓은 영역($4m^2{\sim}45,000m^2$)에 적용할 수 있도록 확장시킨 것으로 지난 10여년전부터 세계적으로 널리 이에 대한 연구가 진행되고 있다. PIV는 seeding, illumination, recording 그리고 image processing으로 구성된다. LSPIV(Large Scale PIV)는 PIV의 기본원리를 근거로 하여 기존의 PIV에 비하여 실험실 내에서의 수리모형실험이나 일반 하천에서의 유속측정과 같은 큰 규모의 흐름해석을 할 수 있도록 seeding, illumination에 대한 조정이 필요 하고, 촬영된 image에 대한 왜곡을 없애는 작업이 필요하다. LSPIV는 PIV의 네 가지 단계를 포함하여 seeding, illumination, recording, image transformation, image processing 및 post-processing의 여섯 단계로 구성되어진다 (Li, 2002). LSPIV의 적용시 각 단계마다 유속계산시 오차를 발생시키는 27가지의 요인들이 존재하고 있는바 (Kim, 2006), 본 연구에서는 이들 중 실내의 실험실에서 파악이 가능한 인자들에 대해 그들 각각의 인자들이 유속 측정에 미치는 오차의 정도를 파악하고자 하였다. 본 연구에서는 LSPIV의 적용시 이용되는 이미지의 개수와 이미지 촬영시 적용된 이미지의 해상도에 따른 오차의 발생 정도를 조사하였다. 이미지 촬영에 있어서 비디오카메라를 이용할 경우 촬영시간에 따라 많은 수의 이미지를 취득할 수 있은바 이미지의 수에 따른 유속계산오차를 파악하고자 하였다. 또한 디지털 카메라를 이용할 경우 여러 가지 이미지 해상도를 이용할 수 있으므로 적용한 이미지 해상도에 따른 유속계산에 미치는 오차의 크기를 파악하고자 하였다. 이미지의 갯수가 유속계산시 미치는 오차의 영향의 정도를 조사하기 위해서 초당 30 frame을 촬영할 수 있는 비디오카메라를 이용하여 91초 동안 촬영된 이미지로부터 매 5번째의 이미지를 추출하여 455개의 이미지를 준비하였고 이로부터 이미지수를 10, 50, 100, 200, 300, 400의 순서로 증가시키면서 이미지 개수로부터 나타나는 유속계산 오차를 조사한 결과 이미지의 개수가 50매 이상인 경우는 이로 인한 오차가 1% 이하로 감소함을 파악하였다. 촬영된 이미지의 해상도가 유속계산시 미치는 영향을 조사하기 위해 디지털카메라를 적용하여 세가지 이미지 해상도(640*480, 1280*960, 2048*1536 pixel)로 변화시키면서 유속측정 오차를 분석한 결과 저해상도의 이미지를 이용한 경우 고해상도 이미지를 이용한 경우와 비교하여 3% 가량의 차이를 나타내었다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2010년도 학술발표회
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• pp.483-487
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• 2010

하천에서 물이 비교적 빠른 속도로 흘러가면 압력 변동, 하상의 조도, 하천내 구조물 등의 영향에 의해 수면이 끊임없이 변형을 일으키며 수면에 작은 물결(수면 파문)이 생긴다. 이러한 수면 파문은 유수에 의해 유수의 평균 유속으로 이류되며, 이 때문에 인간이 유수의 흐름을 시각적으로 인식할 수 있다. 이러한 표면 파문은 적절한 영상 분석을 하면 표면 유속 측정의 추적자로 이용할 수 있다. 본 연구는 유수 표면을 연속된 영상을 촬영하고, 일련의 영상을 시공간 영상(space-time image)으로 만든 뒤, 휘도 경사법(graylevel gradient method)으로 유속 벡터를 추출하는 새로운 방법을 제시하였다. 이 분석 과정은 기존의 입자 영상 유속계(PIV, Particle Image Velocimetry) 기법을 이용하는 방법보다 훨씬 간단하고 분석 시간도 크게 절약할 수 있다. 또한, 수면 파문의 전파에 따른 중력파의 영향을 시공간 영상의 처리 과정에서 잡음으로 간주하여 처리할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 개발된 루틴을 표면 영상 유속계(SIV, Surface Image Velocimtery)에 구현하여 새로운 영상 유속계를 개발하였다. 시공간 영상 분속을 이용하는 새로운 영상 유속계를 실험실 수로의 영상 자료에 적용하여 그 정확도, 적용성, 장단점 등을 분석하였다. 제안된 방법에 의한 평균류 산정 결과는 물리적으로 타당하며, 저속 또는 저휘도에서의 분석 성능이 뛰어난 것으로 밝혀졌다. 다만, 이방향 흐름의 분석에서는 문제가 있는 것이 밝혀졌다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2005년도 학술발표회 논문집
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• pp.970-975
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• 2005

측면웨어(side weir)는 본류의 수위가 한계수위 이상으로 상승할 경우 본류로부터 저류지나 분수로(distributary channel)로 흐름을 전환하기 위하여 사용하는 수공구조물이다. 최근 들어 치수와 관련된 계획에서 본류의 홍수량 중 일부를 저류지나 홍수 우회수로로 전환시키는 시설에 대한 관심이 높아지고 있다. 측면웨어가 하천에 설치되는 경우, 측면웨어 부근 표층부의 흐름은 측면웨어의 영향을 크게 받으며, 수의바닥이나 측면웨어에서 떨어진 지점의 흐름은 측면웨어의 영향을 작게 받는 등 측면웨어 주변부는 3차원적인 흐름특성을 보인다. 또한 측면웨어를 월류하는 흐름이 일반 웨어와 같이 웨어 마루부에 대하여 직각방향으로 흐르지 않고 본류의 유속에 따라 비스듬하게 흐르게 된다. 이러한 흐름특성으로 인해 측면웨어를 통과하는 유량은 본류의 하폭, 본류의 흐름특성, 측면웨어의 길이 및 설치위치 등에 따라 각기 다르게 산정되는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 기존 측면웨에에 관한 연구를 정리하고 상용 프로그램인 FLOW-3D를 이용하여 측면웨어가 설치된 경우의 흐름을 해석하였다. 해석결과는 기존 실험연구에 바탕을 둔 이론식과 비교하였다. 계산격자는 구조물 부근의 흐름이 급변하는 곳은 격자크기를 작게, 흐름의 변화가 완만한 곳은 격자크기를 크게 하였다. 경계조건으로 상류는 유량, 하류는 수위경계를 입력하였다. 본 수치모의결과와 이론식을 이용하여 산정한 월류량을 비교한 결과 약 $10-30\% 내외의 오차가 발생하는 것으로 나타났다. 본류의 흐름은 웨어의 길이가 짧을수록 상$\cdot$하류단의 수위차가 작아지며 유속의 경우 웨어길이가 길고, 높이가 낮을수록 빨라진다. 측면웨어 주변부 흐름의 경우, 웨어의 길이가 짧을수록 방류강도가 강하고 횡방향의 수면변위가 급하게 형성되고 있음을 알 수 있다 또한, 웨어의 길이가 상대적으로 길어질 경우에는 3차원적 흐름특성에 의하여 유속의 분포가 다양하여 이론식과 결과의 오차가 점점 더 커짐을 알 수 있다. 본 연구는 사각형수로에 측면웨어가 설치된 경우, 월류량과 수리학적 거동을 해석할 때 수치모형실험이 수리모형실험과 더불어 유용한 해석도구로 이용될 수 있음을 보인 깃으로 이후 관련 구조물의 설계와 해석 시 참고자료로 이용 가능할 것으로 판단된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2023년도 학술발표회
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• pp.127-127
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• 2023

지표수와 하상 경계층에서 발생하는 흐름 교환은 하천, 호소, 연안, 해안 등 자연계에 존재하는 수환경시스템에서 일반적으로 나타나는 수리학적 특성으로서, 흐름 교환이 발생하는 경계층 아래 하상층 영역을 혼합대(hyporheic zone)라 부른다. 수질오염사고 등에 의해 외부의 오염물질이 하천 내 유입될 경우, 혼합대 흐름에 의해 하상층으로 침투되고 지표수 대비 유속이 느린 하상 내 공극 흐름에 의해 거동함에 따라 이들의 하천 내 체류시간이 증가하게 된다. 따라서, 본 연구에서는 지표수와 하상 흐름을 연계한 수치해석 방법을 적용하여 혼합대가 지표수 내 용질 체류시간에 미치는 영향을 분석하였다. 먼저 연직 2차원 Reynolds 평균 Navier-Stokes(RANS) 방정식과 Darcy 방정식을 연계하여 지표수와 하상 내 흐름을 해석하였다. 지표수 영역은 RANS 방정식을 이용하여 모의하였고, 지표수 흐름해석에서 얻어진 하상의 압력장을 경계조건으로 하여 Darcy 방정식과 함께 하상 내 흐름을 모의하였다. 여기서 하상의 형태는 자연계 하천에서 일반적으로 관찰되는 사련하상(Ripple bed)으로 모사하였다. 이후, 지표수-하상 연계모의를 통해 얻어진 흐름 결과를 바탕으로 지표수-하상 경계층에서 용질거동을 모의하였다. 흐름 모의결과를 과거 실험자료와 비교한 결과, 지표수 영역 내연직흐름 분포를 정확하게 재현하였고, 동시에 혼합대 흐름 구조에 큰 영향을 미치는 지표수-하상 경계층 압력 분포 역시 관측값과 유사하게 나타났다. 용질거동 해석을 통해 얻어진 용질의 체류시간을 분석한 결과, 혼합대 흐름이 고려된 경우(투수성 하상)와 고려되지 않은 경우(불투수성 하상)를 비교했을 때 전자에서 체류시간 분포의 감수곡선이 길어지고 첨두농도가 감소하는 것으로 나타났다. 아울러, 지표수 영역의 유입부 경계의 평균 유속이 증가함에 따라 최대 체류시간이 감소하는 것으로 나타났는데, 이는 지표수-하상 경계층에서의 압력 경사가 커져 혼합대 내 유속이 증가함에 기인하는 것으로 분석되었다.

• 한국해안해양공학회지
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• 제12권3호
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• pp.130-138
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• 2000

일방향흐름에 의한 해류의 마찰력 계산을 위하여 Prandtl의 혼합길이 이론을 수심 전구간에 적용하고 난류의 세기와 수리조건에 따라 완난류와 전난류로 분류하여 마찰계수를 산정하는 개수로 마찰계수 산정방법을 제시하였다. 파랑과 해류의 합성류에 의한 해저마찰력을 계산하기 위하여 두 유속의 연직분포를 고려한 BYO 모형을 이러한 흐름특성을 반영하여 개선하였다. BYO 모형은 모든 유속의 연직분포가 해저면으로부터의 직선과 접선으로 만나는 점(Bijker point)을 도출하여 파운동 유속과 해류유속의 합성을 이 점에서 시행하여 일주기의 평균갑을 구하는 모형이다. 일방향흐름의 해류나 천해파에 의한 파운동이나 해저면 가까이 경계층흐름은 완난류, 천이난류, 전난류 등 세가지 종류로 대별된다. 그 중 완난류로 대별하여 두 경우에 대한 합성류 마찰력 산정방법을 제시하였다.

• 물과 미래
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• 제23권4호
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• pp.435-444
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• 1990

만곡수로에서의 곡률반경에 대한 하폭비 변화에 따른 흐름특성을 단순화된 수치모형을 이용하여 분석하였다. 각 운동량 방정식과 힘의 평형원리로부터 각가 2차 흐름속도와 횡방향하상경사를 계산하였다. 깊이 방향으로 적분된 연속방정식과 흐름방향의 운동방정식을 양적 유한차분법으로부터 그 해를 구하였다. 곡률반경에 대한 하폭의 비를(Rc/B) 2.7, 5.4 및 8.1로 변화시키면 수치실험을 실행하여, 그 결과로부터 2차 흐름속도, 흐름방향유속, 최대유속의 이동경로, 편의각 및 질량이동유속에 관한 특성을 분석하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2010년도 학술발표회
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• pp.694-698
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• 2010

하천의 만곡부에서는 유량에 따라 흐름특성이 달라지고, 하도의 변화가 끊임없이 일어난다. 만곡부의 흐름변화 현상을 파악하기위해 정형화된 하도를 가정하여 개수로 실험을 하거나 수치모형을 이용하여 연구하고 있다. 하지만 실제 자연 하천에 적용한 사례는 많지 않은 실정이다. 본 연구에서는 만곡 자연하천에 대한 흐름특성을 분석하기위해 2차원 수치모의 모형인 CCHE2D 모형을 이용하여 평창강 본류 청령포 만곡부를 모의하였다. 평창강의 계획빈도인 50년, 100년 및 200년 빈도별 확률 홍수량을 적용하여 대상하천을 분석하였다. 모의 결과 유속분포는 만곡부 외측보다 내측에서 유속이 빠르게 나타나며, 최대 유속선은 최단거리에 근접하는 것을 볼 수 있었다. 만곡부 외측에서는 흐름분리가 발생하였으며 와류의 발생을 볼 수 있었다. 또한 홍수시 청령포의 요곡사주부분이 침수되어 침식을 예상할 수 있었다. 본 연구에서는 기존의 개수로 실험 연구와 비교하여 만곡부에 적용 시 불안정한 해석과 계산 결과를 산정하는 2차원 수치모형의 실제 하천에 적용성을 검증하였고, 평창강의 빈도별 홍수량을 모의하여 비교 분석함으로써 홍수시 사행하천의 흐름특성과 침식에 대한 기초자료를 제시하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2016년도 학술발표회
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• pp.341-341
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• 2016

2차류는 주흐름 방향 유속에 비하여 작지만 유속을 재분포 시켜 흐름의 교란을 발생시키는 매우 중요한 인자이다(Woo, 2001). 2차류는 만곡부, 합류부, 분류부에서 흐름분리와 함께 나타나는 흐름특성 중 하나이지만 각 지점별로 2차류의 분포는 서로 상이하다. 하지만 국내에서는 만곡부에서의 2차류에 대한 영향에 대해서만 주로 연구가 이루어졌으며, 합류부와 분류부에 대해서는 연구가 아직 체계적으로 이루어지지 못하고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 합류부와 분류부에서 2차류 영향을 고려한 2차원 수치모형을 적용하여 흐름특성 변화를 수치모의 하였다. 2차류 흐름을 고려한 수치모의를 위해 TELEMAC-2D 수치모형을 이용하였으며, 2차류의 영향을 고려하지 않고 계산한 SUPG기법을 적용한 모의결과에 대하여 Bernard and Schneider(1992)가 제안한 경험계수를 적용 후 그 결과를 실험결과와 비교분석하였다. 합류부(confluence)에서는 본류와 지류의 유량비가 증가할수록 흐름분리구역 길이와 최대폭이 증가하지만, 분류부(Bifurcation)에서는 분류수로 유량비가 증가할수록 흐름분리구역 길이와 최대폭이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 2차류를 제외한 수치모의에서 실내시험에서 제시한 분류유량비와 수심 및 유속분포를 동시에 충족시키기 어렵다. 반면 2차류 영향을 고려시 분기수로내 통수능을 감소시키는 흐름분리구역과 2차류의 상호작용에 의한 흐름정체효과로 분류유량비가 감소하였으며, 2차류 영향을 고려하여 모의한 결과 분류부 수치모의의 안정성과 정확성을 향상되었다. 하지만 본 모형에서 적용한 2차류 흐름관련 매개변수는 흐름특성에 따라 시행착오법에 따라 산출해야 하는 특성 때문에 향후에 추가적인 연구가 필요하다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2022년도 학술발표회
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• pp.260-260
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• 2022

최근 홍수기 유량측정방법은 기존 봉부자를 이용한 접촉식 측정방법에서 영상촬영, 레이더 등 첨단기술을 이용한 비접촉식 표면유속 측정방법으로 변화하고 있다. 비접촉식 측정방법은 각 기술마다 표면유속 측정방법의 차이가 있으나 평균유속환산계수를 적용하여 평균유속을 산정하는 공통적인 과정을 수행한다. 평균유속환산계수는 하천의 각 횡측선 수심-유속분포를 일반적인 분포로 가정하고 표면유속에 0.85를 곱하여 평균유속을 산정한다(Rantz, 1982). 그러나 하천의 측정위치 및 흐름특성에 따라 유속분포가 변화하기 때문에 국내외 많은 연구에서 환산계수의 범위를 0.72에서 1.72까지 제시한 바 있다. 따라서 환산계수 0.85의 일률적인 적용은 실제 유량과 측정 유량의 차이가 발생할 수 있어 측정조건의 적절한 환산계수 산정이 필요하다. 본 연구에서는 20년, 21년 금강의 지류인 봉황천에 위치한 금산군(황풍교) 관측소에서 전자파표면유속계를 이용해 측정한 표면유속과 ADCP를 이용하여 동시 측정한 평균유속의 비교를 통해 환산계수를 산정하였다. 또한 금강 본류의 금산군(제원대교) 관측소에서 저중수위에서 ADCP를 이용하여 측정한 평균유속 분포와 고수위에서 전자파표면유속계로 측정한 표면유속과의 경향성 검토를 통해 평균유속환산계수를 산정하였다. 본 연구에서는 지점의 평균유속환산계수를 단일 값으로 산정하였지만, 추후 하천 흐름특성의 변화를 고려한 평균유속환산계수 산정 기법 개발을 통해 보다 정확한 홍수량을 산정할 수 있을 것으로 판단된다.