• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2009년도 학술발표회 초록집
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• pp.815-821
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• 2009

하천의 2차원 흐름 및 하상변동, 오염확산 해석을 위한 유체의 수치해석법에는 유한요소법, 유한차분법, 유한차분법의 변형인 유한체적법, 경계적분법 등이 있으며, 국내의 경우 비구조적 요소망(unstructured mesh)을 이용하여 복잡한 형상을 표현하기가 상대적으로 용이한 유한요소법이 널리 사용되고 있다. 하천을 유한 요소화 하는 전처리 과정은 전체 해석 과정을 자동화 하는데 있어 필수적인 요소이며, 주로 삼각 요소망 또는 사각 요소망을 이용하여 해석을 수행하게 된다. 삼각 요소망의 경우 상대적으로 자동화하기 쉬운 반면 사각 요소망의 생성은 절점 생성 자체가 삼각 요소망 보다 더 많은 기하학적 제한 요소를 가지고 있기 때문에 상대적으로 완성도 높은 알고리즘을 구현하기가 어렵다 할 수 있다. 이에 따라 본 연구에서는 2차원 상에서 사각 요소망(quadrilateral elements)을 생성할 수 있는 Paving method를 중심으로 한 요소망 생성 알고리즘에 대해 고찰하고, 국내 최초의 범용 수치해석 모형인 RAMS(River Analysis and Modeling System)에 적용하였다. Paving method는 1990년에 Blacker and Stephenson에 의해 제안되었으며, Sandia National Laboratories에 의해 완성되었다. Paving Method는 advancing front style의 요소망을 생성하게 되고, 바깥쪽에서 안쪽으로 element layer를 생성하면서 채워나간다. 본 연구에서는 기존의 요소망 생성 프로세스에서 element 삽입 전의 검증 기능을 강화한 새로운 버전의 paving method를 적용하엿다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2012년도 학술발표회
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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.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2008년도 학술발표회 논문집
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• pp.1742-1746
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• 2008

지금까지의 대부분의 2차원 수리해석 모형은 상류와 사류가 혼재된 불연속적인 천이류 흐름을 해석하기에 계산의 정확도 및 현실성에서 많은 문제를 보이고 있으며, 특히 계산과정에서 나타날 수 있는 마른하도의 처리에 있어서 많은 어려움을 겪고 있다. 본 연구의 목적은 유한체적기법을 사용하여 상류와 사류가 혼재하는 불연속적인 하천 천이류를 안정적으로 해석하기 위해 개발된 고정확도 수치모형의 자연하도 적용에 있으며, 또한 마른 하도로 전파되는 흐름 모의 및 계산과정에서 나타날 수 있는 마른하도 처리의 어려움을 해결함으로써 모형의 정확도와 안정성을 검증하여 실제 하천에서의 모형 적용성을 검토함에 있다. 이를 위해 본 연구에서는 흐름의 전파양상을 정확하게 반영할 수 있는 상류이송기법인 Godunov 기법과 관심격자의 좌우 격자 정보를 모두 사용하는 대표적 중앙차분기법인 Beam-Warming 기법의 장점을 모두 반영한 가중평균흐름률 (Weighted Average Flux) 기법을 사용하여 사각격자망의 구성을 통해 자연하도에 적용시킬 수 있는 2차원 유한체적모형을 개발하고자 하였고, 개발된 모형의 안정성, 정확도, 적용성을 검증하기 위해 직사각형 수로, 큰 사행비를 가진 만곡수로에 적용하고, 그 결과를 수리모형 실험결과와 비교, 분석하였다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제52권spc2호
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• pp.855-863
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• 2019

어류의 어도 이용효율평가를 위해서는 유인효율과 통과효율로 분리하여 분석할 때, 각각의 효율을 증대시킬 수 있는 방향으로 어도 설치 및 관리 계획이 수립될 수 있다. 기 설치된 어도는 어류 모니터링을 통해 보다 직접적으로 각각의 효율을 평가할 수 있다. 반면 어도를 계획할 때, 또는 여건상 어류 모니터링이 어려운 경우, 수리해석을 통해 간접적으로 어도 효율을 평가할 수 있다. 본 연구에서는 어도의 효율평가가 가능한 수리해석 기법을 제시하였다. 유인효율 분석에는 어류 물리서식처 모듈이 장착된 River-2D모형을 사용하였고, 효율의 지표로 가중가용면적을 제안하였다. 통과효율 분석에는 자유 수면을 가지고 수리구조물상의 유체거동을 해석할 수 있는 3차원 모형(Flow-3D)을 해석 도구로 이용하였다. 그리고 덕천강 백곡보에 설치된 아이스하버 어도를 선택하여 어도 효율을 가늠해 보았고, 실제 어류 모니터링자료와 비교해 보았다. 그 결과 수리해석 자료를 정량적으로 어도 효율로 치환하기는 어렵지만, 대체적인 경향성 파악에는 도움을 줄 수 있었다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2018년도 학술발표회
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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.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2006년도 학술발표회 논문집
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• pp.992-996
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• 2006

2005년부터 홍수기 유입된 탁수를 조기방류함에 있어서 안동댐과의 연계운영을 통한 탁도저감 대책이 수립되었으며, 이와 더불어 하류하천의 탁도관리 시스템 구축이 요구되는 실정이다. 본 연구에서는 이러한 하류하천의 탁도관리를 지원하는 모형을 구축함으로써 안동 및 임하댐의 연계운영을 통한 하류하천 탁도관리방안을 수립하고자 한다. 기본적으로 시간적인 변동이 심한 댐 방류시나리오를 입력자료로 구성하여 탁도자료와 함께 하류하천의 영향거리를 분석하고 자연흐름에 의한 탁도저감을 평가하고자 함이 연구의 골자가 된다. 본 연구에서는 임하 및 안동댐의 호내 탁도분포를 조사하고 하류하천의 지점별 탁도를 측정함과 동시에 동적수질모형인 KoRiv1-win 모형을 사용하여 하류단 탁도를 계산할 수 있도록 구성하였으며 댐직하류 구간에 대해서는 2차원 유한요소 흐름해석 모형인 SMS모형을 사용해서 모의를 수행하였다. 2차원 및 1차원 수리해석 및 수질해석결과를 바탕으로 탁수전파 거리 및 탁도도달 시간을 산정함하고 하류단 탁도저감을 위한 저수지 연계운영에 활용할 수 있도록 하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2011년도 학술발표회
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• pp.411-415
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• 2011

홍수 및 침수 등의 재해로부터 사전예방 및 신속한 대응을 위한 기초자료로서 홍수위험지도 및 재해지도는 반드시 필요하고, 이러한 위험지도 제작에 있어 가장 핵심적인 내용은 시나리오별 홍수범람해석이다. 현재 우리나라는 국가하천 규모 및 지방하천 중 침수피해가 큰 구간에 대해 제한적 범위내에 2차원 해석을 적용하여 위험지도 제작을 하고 있지만 지방하천 및 소하천의 경우 각종 기본계획 및 종합계획에서 일부 1차원 수리 해석 후 GIS와 연계를 통해 홍수범람해석이 이루어지거나 대부분 수치지도의 등고선과 홍수위를 이용하여 수작업으로 범람구역을 표기하고 있는 실정이다. 따라서 본 연구는 홍수범람해석시 수작업의 동반으로 인한 가장 많은 시간과 인력적 비용이 요구되고 GIS의 고급기능 등을 반드시 숙지해야하므로 인해 범람해석의 걸림돌이었던 하천지형 구축부분에 대해 기존의 방법인 1:5,000 수치지형도부터 DEM 생성 및 적용과 WMS를 통해 전 세계 수치지형을 신속하고 편리하면서 무료로 제공받을 수 있는 ASTE과, SRTM DEM을 각각 적용하여 각각의 하천지형을 구축하여 HEC-RAS 및 HEC-GeoRAS를 이용하여 수리해석 및 범람해석을 수행하였으며 그 결과를 비교 분석하였다. 본 연구의 결과는 WMS에서 제공되는 Online DEM을 적용하여 신속하고 편리하게 하천지형을 구축함으로서 시간 및 인력적 비용을 절감하고 비교적 적절한 홍수범람해석 결과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2023년도 학술발표회
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• pp.474-474
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• 2023

최근 기후변화로 강우량이 증가하면서 복잡한 수위, 소류력, 유속이 나타나는 하천의 만곡에서 여유고를 초과하여 호안의 유실 및 제방의 파괴가 발생하고 있다. 이러한 현상을 예방하기 위해 1차원 홍수유출 모형을 이용하여 직선하도의 수위와 유속 등을 계산하고 분석할 수 있으나, 주로 만곡부가 나타나는 사행하도의 편수위와 소류력, 유속을 고려하지 못한다. 따라서 만곡부의 수리 특성을 해석하기 위해서는 2차원의 수위, 유속의 급격한 흐름변화를 효과적으로 계산할 수 있는 홍수유출 모형이 필요한 실정이다. 본 연구에서는 강원도 삼척시에 위치한 오십천을 연구대상 지역으로 하여 2차원의 수리특성 분석이 가능한 Iber 모형을 적용하였다. 연구대상 하천을 5m 간격의 유한요소망으로 구성하고 DEM의 고도 값을 입력 하였으며, 하천정비기본계획에서 제시한 빈도별 홍수량을 적용하여 편수위, 소류력, 유속 등의 수리특성을 분석하였다. 그 결과 만곡부에서 최대 1.7m의 편수위가 발생해 여유고를 초과하는 결과가 나타났다. 유속과 소류력은 비례하는 경향을 나타내면서 만곡의 중앙보다는 외측에 집중되는 특징이 나타났다. 향후 하천의 만곡부에서 범람이 발생하면 하천 인근 지역의 피해를 예방하는 방안으로 2차원 모형이 도입되면 피해를 저감 할 수 있을 것으로 기대된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2009년도 학술발표회 초록집
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• pp.764-769
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• 2009

하천과 바다가 만나는 하구는 자연적인 기능 뿐만 아니라 공학적인 측면에서도 매우 중요한 자원이다. 우리나라는 국토의 개발에 따른 용수 사용의 증가, 홍수재해대책 등으로 인해 한강을 제외한 4대강에 하구둑을 건설하였으며 강물과 바닷물을 인위적으로 차단하는 구조물이므로 하천의 생태적인 기능을 손상시키는 것은 불가피 하다. 하지만 이러한 단점에도 불구하고 하구둑이 건설되는 가장 큰 목적 중의 하나는 주변지역의 안정된 용수공급이다. 1987년에 완공된 낙동강 하구둑은 건설 이 후 약 20년 동안 안정된 용수공급과 효율적 운영으로 관리되어 왔지만 그동안 기상 및 수리 수문뿐만 아니라 환경적으로 크고 작은 변화가 있었다. 하천의 기수역인 하구에서 유체는 하구둑이라는 구조물이 존재하지 않을 때도 매우 복잡하게 거동한다. 하천의 유량, 지형학적 요소 그리고 조위의 상태 등 여러 가지 요인으로 인하여 비정상적으로 변화하며 이러한 하구에서 유체의 거동을 보다 더 정확하게 묘사하려면 흐름방향, 수심방향, 하폭방향의 3차원적인 해석이 필요하다. 하지만 하천과 바다를 밀도가 같은 하나의 상으로 가정하고 수행한 수문학적인 분석이나 1 2차원 수치모형을 활용한 수리 분석 결과는 시간적 공간적으로 경제적이고 양호한 결과를 산출해낼 수 있다. 본 연구에서는 낙동강 하구둑의 수리특성을 분석하기 위하여 미국 기상청의 홍수추적모형인 FLDWAV 모형과 미수로국(WES)의 2차원 유한요소 모형인 RMA-2 모형을 활용하였으며 낙동강유역 주요 수위관측소의 실측자료를 토대로 매개변수 검정을 실시하였다. 분석결과 조위가 고려된 2차원 유속장을 구현하였으며 하구둑 유지 관리 개선에 기여코자 하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2007년도 학술발표회 논문집
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• pp.423-427
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• 2007

현재까지 하천의 흐름, 유사이동, 수질해석을 위해서는 외국에서 개발된 소프트웨어를 주로 사용해 오고 있었다. 학술 분야에서는 국내의 모형들이 연구되어졌지만 그에 따른 GUI나 가시화 시스템에 대한 실용화는 거의 이루어지지 못하였다. 본 연구에서는 범용 2차원 하천 흐름, 수질, 유사이동 해석을 위한 GUI 및 가시화 시스템(이하 RAMS, River Analysis and Modeling System)을 개발하여, 하상변동 및 오염물 이송확산에 미치는 수리학적 영향을 규명할 수 있도록 하였다. RAMS는 크게 mesh generator, 해석 모형의 입력 GUI 모듈, 입출력 파일 생성 모듈, 그리고 모의 결과의 가시화 시스템 등으로 이루어져 있다. Mesh generator는 지형자료(이미지 또는 DXF 파일)를 백그라운드 이미지로 가져올 수 있으며, 삼각형 노드와 사각형 노드를 지원한다. 또한 thin triangle들을 제거하는 기능, 선택된 요소(elements)를 제거하는 기능, triangle들을 서로 병합하여 사각형 요소를 만드는 기능, mesh의 renumbering 기능 등을 구현하였다. 특히 사용자가 잘못 생성한 요소들을 바로 이전 상태로 환원하는 undo/redo 기능을 구현하여 능률적인 mesh 생성이 가능하다. 해석 모형의 입력 GUI 모듈에는 각 해석 모형(흐름, 수질, 유사이동)에 특화된 GUI를 설계하여 사용자는 보다 친숙한 환경에서 편리하게 자료를 입력할 수 있다. 입출력 파일 생성 모듈에서는 사용자가 GUI를 통해 입력한 자료를 파일로 변환하여 즉각적으로 모의를 수행하며, 그 출력 파일을 읽어 모의 결과를 자동적으로 가시화한다. 모의 결과의 가시화 시스템에서는 수많은 모의 결과를 체계화하여 등고선 및 화살표 등으로 표현하며, time step 별 결과를 바로 확인할 수 있다. 또한 애니메이션 기능을 구현하여 사용자가 원하는 구간의 time step에서의 모의 결과를 연속적으로 볼 수 있으며, 이 애니메이션을 AVI 파일로 변환하여 다른 동영상 프로그램에서도 재생할 수 있다. 본 연구에서 개발한 RAMS를 이용하여 하천 설계 시 그 공학적 근거를 제시하고, 국내 실정에 맞는 국산 소프트웨어를 제공함으로써 하천의 흐름, 수질, 유사이동 해석에 의한 하천의 수리학적 거동을 보다 편리하고 정확하게 모의할 수 있을 것으로 기대된다.