• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2022.05a
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• pp.242-242
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• 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
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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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• 2005.05b
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• pp.953-958
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• 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
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• 2008.05a
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• pp.2100-2104
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• 2008

현재 전국적으로 하천을 횡단하는 보에 어도시설이 되어 있는 곳은 4.6%에 불과하고, 기존에 설치된 어도의 경우에도 설계단계에서부터 회유성 어류의 통로로 부적합하거나, 시공 후 관리부실로 하상이 세굴되거나 퇴적되어 어도로서의 기능을 상실한 경우가 많은 실정이다. 또한 어도의 위치는 통수장애 및 퇴적을 고려하여 하천의 유심(流心)과 연결되는 위치에 설치해야 함에도 불구하고 엄밀한 수리계산 없이 어도의 설계가 이루어지는 경우가 많다. 따라서 본 연구에서는 1차원 및 2차원 흐름해석을 통해 어도 효율을 높일 수 있는 방안을 강구하였다. 흐름해석 대상구간은 왕숙천의 퇴계원 수위표 지점부터 상류 약 4km 구간이며, 이 구간에 3개의 보가 존재한다. 상하류 연속성 확보를 위해 어도 설치시 고려 대상 종으로 왕숙천 중류에만 출현하는 긴몰개를 삼았다. 보에 어도가 없는 상태에서 흐름 및 하상변동 해석을 수행하여 이를 바탕으로 어도를 설치하기에 적정한 위치를 도출하였다. 2차원 흐름모형의 하나인 RMA-2를 사용하여 유심선을 파악하였으며, 하상변동 해석 모형인 SED-2D를 이용하여 홍수시 어도 입,출구에 예상되는 세굴 및 퇴적양상을 확인하였다. 갈수시 설치된 어도에 충분한 유량이 확보되는가를 확인하기 위해 HEC-RAS를 이용하여 1차원 흐름해석도 병행하였다. 2차원 흐름해석 결과 대상구간의 좌안쪽으로 유심선이 발생하므로 어도는 이를 따라 보체의 좌안쪽에 설치함이 타당하다. 그러나 홍수시 하상변동해석 결과, 좌안쪽에 상당량의 퇴적이 발생하는 경우에는 퇴적이 진행되지 않는 보의 중앙부에 어도를 설치함이 타당하다고 사료된다.

• 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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• 2004.05b
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• pp.589-594
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• 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
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• 2022.05a
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• pp.244-244
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• 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.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2021.06a
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• pp.248-248
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• 2021

본 연구에서 개발한 하천흐름해석모형 HDM-2Di는 2차원 추적모형에 필요한 격자생성기(RAMS-G) 및 GUI (RAMS+)와 연계하여 요소망 생성기능 및 요소망 처리기능을 통해 실제 지형을 반영할 수 있는 전처리 과정을 수행할 수 있다. 장구간 하천에서 신속하고 정확하게 모의결과를 도출할 수 있도록 입출력 체계를 구조화하다. 또한 하천의 복잡한 지형과 자연 하천구조의 동역학적인 흐름환경을 효과적으로 재현할 수 있으며 흐름해석모의 결과인 2차원 평면상의 유속과 수심을 2차원 유해화학물질 추적모형(CTM-2D-TX)의 입력자료로 활용할 수 있도록 개발하였다. HDM-2Di 모형의 성능 검증을 위하여 정상류 및 준부정류, 부정류 조건 흐름해석 성능 테스트를 진행하였으며, 실제 자연하천의 물리적 구조를 재현한 사행수로 추적자 실험 결과와 모형 결과를 비교분석하였다. 또한 자연하천 적용을 위하여 구미보와 칠곡보 구간을 대상으로 ADCP 실측 결과와 상용모형인 Nays-2DH 모의 결과와의 비교를 통해 HDM-2Di 흐름해석모형의 정확성 및 적용성을 평가하였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2021.06a
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• pp.335-335
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• 2021

하천의 홍수터는 평상시 수면위로 노출되어 국민의 여가생활을 위한 공원, 주차장 등으로 활용되다 홍수기 수위가 상승하면 침수되는 하천공간이다. 홍수범람 면적 또는 홍수위 산정을 위한 수치모의 시, 홍수의 평면적인 변화를 분석하기 위해서는 1차원 모의결과와 지형정보를 연계하여 범람면적을 산정하거나 2차원 수치모형의 격자를 대상공간에 대하여 구축한 후 모의를 수행한다. 1차원 수치모형은 계산효율이 우수하고 지류의 합류에 의한 영향을 다수 반영하거나, 긴 구간의 하천단면 구축을 통하여 경계조건이 수치해석 결과에 미치는 영향을 최소화할 수 있는 장점이 있다. 그러나 지형의 영향으로 발생하는 국부적인 유속변화와 유향의 평면적인 분포에 의해 발생하는 범람면적의 변화를 반영하기 어렵다. 홍수범람을 고려하여 제작하는 홍수위험지도는 2차원 수치모형의 결과를 기반으로 한다. 2차원 수치모형은 하도의 만곡, 제방의 형상 등과 같은 지형에 의한 유속장의 변화, 흐름영역의 수축 및 확대에 의한 유속의 변화 등을 자세히 반영할 수 있는 장점이 있다. 반면에 수치격자 생성 및 계산결과 도출에 소요되는 시간이 길고 계산영역 설정의 한계로 인하여 경계조건이 흐름해석결과에 영향을 미칠 수 있는 문제점이 있다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 국내외적으로 1차원과 2차원 수치해석기법을 연계하여 하나의 모형으로 구축한 1-2차원 수치해석 모형이 개발 또는 적용되고 있다. 1-2차원 연계해석기법은 1차원 해석영역과 2차원 해석영역을 연계함에 있어서 흐름방향 연계와 횡방향 연계로 구분할 수 있다. 본 연구에서는 1차원과 2차원 수치해석을 연계하는 기법에 따라서 발생하는 수치모의결과를 비교하고 적용성을 검토하였다. 수리실험 관측결과가 있는 사례에 모형을 적용한 후, 한강지형에 수치모형을 적용하고 그 결과를 비교한다. 또한, 계산에 소요되는 시간을 비교하기 위하여 2차원 수치격자의 해상도를 다양하게 적용하여 수치실험을 수행한다. 분석결과를 기반으로 홍수위험지도 제작, 홍수위산정 및 홍수예보 등에 새로운 기술의 적용성을 검토한다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2006.05a
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• pp.402-407
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• 2006

본 연구는 곡선좌표계에서 유한차분기법(finite difference method)을 이용하여 2차원 흐름이 모의가능한 수치모형을 개발하는 것이다. 기존의 연구는 대부분 직교좌표계(cartesian coordinate system)에서의 격자망을 대상으로 개발되고 적용되었기 때문에 불규칙한 흐름의 경계 및 형상을 올바로 표현하기 어려웠다. 유한요소법이나 유한체적법같은 수치모의기법들이 개발되어 비구조격자체계를 구성하고 자연현상에 가까운 경계 표현할 수 있도록 개발되었다. 하지만 위의 기법들은 질량과 운동량과 같은 물리량을 보존하기 위해서 매우 조밀한 격자체계를 가져야만 한다. 이에 본 연구에서는 기존의 문제점들을 해결하기 위하여 곡선좌표계(curvilinear coordinate system)를 이용하여 지배방정식을 표현하고 2차원 흐름을 모의할 수 있는 모형을 구축한다. 수치모형은 leap-frog기법과 1차 정확도의 풍상차분기법(upwind scheme)을 사용하여 구성하였다. 본 연구에서 개발된 모형을 사각수조 및 만곡수로흐름에 적용하여 모의결과를 해석해 및 실험관측값과 비교하였다. 이로부터 본 수치모형이 해석해 및 실측치와 잘 일치하고 있음을 알 수 있었다.