본 연구에서는 상류단 경계조건으로 입력되는 본류 유량에 생성과 소멸로 작용하는 지천유입량과 취수량을 포함하여 취수장에서의 취수가 하천흐름 및 수질에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 팔당댐 직하류부터 잠실수중보 구간에 RMA-2 모형과 RMA-4 모형을 적용하였다. 수치모의 결과, 잠실수중보 상류에 위치해 있는 5개 취수장에서의 취수는 해당 하천 구간의 유량을 변화시키게 되며, 이는 하천의 수위, 유속 등 수리학적 인자를 변화시키는 것으로 밝혀졌다. 이러한 취수량 반영에 따른 수위 및 유속 변화는 해당 하천 구간의 수질의 변화를 초래하는 것으로 나타났다. 취수장에서 빠져나가는 유량을 포함하여 모의한 경우, 구의, 자양, 풍납취수장 부근에서 취수에 의한 유량 손실로 인하여 유속구조가 심하게 교란되었으며, 취수를 고려하지 않은 경우에 비해 유속은 평균 25% 낮게, 수위는 1.5 cm 높게 나타났다. 취수를 고려하지 않은 경우 전 구간에 걸쳐 농도분포가 평행하게 나타났으나, 취수의 영향을 고려한 경우 구의, 암사 및 자양 취수장 부근에서의 농도분포가 크게 변화함을 확인할 수 있었다. 또한 취수를 고려한 경우 취수에 의한 유랑소멸로 하류구간에서 취수를 고려하지 않은 경우에 비해 BOD 농도가 높게 나타났다. 따라서 자연하천의 동수역학적 흐름 및 오염물질 혼합거동을 보다 정확히 해석하기 위해서는 지천 합류량 뿐만 아니라 취수장으로부터 유출되어 빠져나가는 취수량을 동시에 고려해야 하는 것으로 판단된다.
본 연구에서는 상류단 경계조건으로 입력되는 본류 유량에 생성과 소멸로 작용하는 지천유입량과 취수량을 포함하여 취수장에서의 취수가 하천흐름 및 수질에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 팔당댐 직하류부터 잠실수중보 구간에 RMA-2 모형과 RMA-4 모형을 적용하였다. 수치모의 결과, 잠실수중보 상류에 위치해 있는 5개 취수장에서의 취수는 해당 하천 구간의 유량을 변화시키게 되며, 이는 하천의 수위, 유속 등 수리학적 인자를 변화시키는 것으로 밝혀졌다. 이러한 취수량 반영에 따른 수위 및 유속 변화는 해당 하천 구간의 수질의 변화를 초래하는 것으로 나타났다. 취수장에서 빠져나가는 유량을 포함하여 모의한 경우, 구의, 자양, 풍납취수장 부근에서 취수에 의한 유량 손실로 인하여 유속구조가 심하게 교란되었으며, 취수를 고려하지 않은 경우에 비해 유속은 평균 25% 낮게, 수위는 1.5 cm 높게 나타났다. 취수를 고려하지 않은 경우 전 구간에 걸쳐 농도분포가 평행하게 나타났으나, 취수의 영향을 고려한 경우 구의, 암사 및 자양 취수장 부근에서의 농도분포가 크게 변화함을 확인할 수 있었다. 또한 취수를 고려한 경우 취수에 의한 유랑소멸로 하류구간에서 취수를 고려하지 않은 경우에 비해 BOD 농도가 높게 나타났다. 따라서 자연하천의 동수역학적 흐름 및 오염물질 혼합거동을 보다 정확히 해석하기 위해서는 지천 합류량 뿐만 아니라 취수장으로부터 유출되어 빠져나가는 취수량을 동시에 고려해야 하는 것으로 판단된다.
The water quantity by intake station as well as the tributary flow discharge acting as sink or source were added to the main flow rate in the present study and RMA-2 and RMA-4 models were applied to the reach from Pal-dang dam to Jam-sil submerged weir to investigate the influence of water supply wi...
The water quantity by intake station as well as the tributary flow discharge acting as sink or source were added to the main flow rate in the present study and RMA-2 and RMA-4 models were applied to the reach from Pal-dang dam to Jam-sil submerged weir to investigate the influence of water supply withdrawal on the river flow and water quality. The numerical results revealed that the water supply withdrawal from 5 intake stations located upstream of Jam-sil submerged weir changed the total flow rate and therby induced different hydraulic characteristics in terms of water surface elevation and velocity. The changed flow field by the inclusion of water intake quantity led to the variation of water quality. By the consideration of the water supply withdrawal, the velocity structure was significantly disturbed by the outflowing flow condition nearby Gu-ui, Ja-yang, and Pung-nap intake stations. Furthermore, the mean velocity was lowered by 25% and the stage upstream of Gu-ui station rose upto 1.5 cm compared with the result by exclusion of water intake. In case of no water withdrawal, the distribution of BOD concentration was parallel throughout the domain. However, when the water withdrawal is considered, the distribution of BOD concentration nearby the Gu-ui, Am-sa, and Ja-yang station was signifiantly changed. In addition, the BOD concentration including the intake stations showed higher value at the downstream of the reach due to the loss of the discharge by water withdrawal effect. It is concluded that both the inflow and outflow discharges from tributaries and water intake stations should be included in the numerical simulation to analyze the hydrodynamic behaviors and mixing characteristics more accurately.
The water quantity by intake station as well as the tributary flow discharge acting as sink or source were added to the main flow rate in the present study and RMA-2 and RMA-4 models were applied to the reach from Pal-dang dam to Jam-sil submerged weir to investigate the influence of water supply withdrawal on the river flow and water quality. The numerical results revealed that the water supply withdrawal from 5 intake stations located upstream of Jam-sil submerged weir changed the total flow rate and therby induced different hydraulic characteristics in terms of water surface elevation and velocity. The changed flow field by the inclusion of water intake quantity led to the variation of water quality. By the consideration of the water supply withdrawal, the velocity structure was significantly disturbed by the outflowing flow condition nearby Gu-ui, Ja-yang, and Pung-nap intake stations. Furthermore, the mean velocity was lowered by 25% and the stage upstream of Gu-ui station rose upto 1.5 cm compared with the result by exclusion of water intake. In case of no water withdrawal, the distribution of BOD concentration was parallel throughout the domain. However, when the water withdrawal is considered, the distribution of BOD concentration nearby the Gu-ui, Am-sa, and Ja-yang station was signifiantly changed. In addition, the BOD concentration including the intake stations showed higher value at the downstream of the reach due to the loss of the discharge by water withdrawal effect. It is concluded that both the inflow and outflow discharges from tributaries and water intake stations should be included in the numerical simulation to analyze the hydrodynamic behaviors and mixing characteristics more accurately.
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문제 정의
본 연구에서는 도시하천에서의 정확한 흐름 및 수질 해석을 위하여 상류단 경계조건으로 입력되는 본류 유량과 더불어서 생성(source)으로 작용하는 지천유입량과 소멸(sink)로 작용하는 취수량을 포함하였다. 지천유입량 및 취수량이 하천흐름 유속분포 및 수질에 미치는 영향을 RMA-2 모형과 RMA-4 모형을 이용하여 분석하였다.
자연하천에서의 동수역학적 흐름 및 오염확산에 대한 기존의 해석은 본류유량과 지천 합류량만을 포함하여 모의하는 경우가 대부분이었으나, 수자원의 60% 이상을 지표수로부터 충당해야 하는 국내 여건 상 하천으로부터의 직접적인 취수가 불가피하므로 취수장으로부터 유출되어 빠져나가는 취수량을 함께 고려해야 한다. 본 연구에서는 하천 취수가 하천의 흐름 및 수질에 미치는 영향을 분석하기 위해 팔당댐 직 하류부터 잠실수중보까지 총 22.4 km에 이르는 구간에 대한 수리 및 수질 해석을 수행하였다. 적용한 수치모형은 2차원 하천수리해석모형인 RMA-2와 2차원 하천수질해석모형인 RMA-4이며, 취수장에서의 취수에 의한 유량 소멸의 유무에 따른 등수위도, 유속분포도, 유속벡터도, 등농도도 등의 결과를 도시하고 비교, 분석하였다.
제안 방법
030을 채택하였다. 그리고 난류점성계수의 경우 Peclet 수 조절에 따른 자동생성값을 이용하여 격자망과 유속에 따라 요소 별로 차등적으로 적용되도록 하였다.
이 농도곡선은 각 지천에서 유입된 BOD 오염원이 하류로 이송 및 확산되는 과정을 고려하여 계산된 농도를 도시한 것이다. 본 연구에서는 정상상태에 이르기 위한 충분한 도달시간을 고려하여 주입 후 400시간까지를 모의하였다. 도곡측정소로 시간에 따라 유입되는 BOD 농도를 도시한 그림 11(a)의 경우 취수를 고려하지 않은 RUN1에 비해 취수를 고려한 RUN2의 농도가 약 0.
BOD 감쇠계수를 결정하기 위하여 한강 본류구간의 수질해석에 관한 기존 연구(박무종, 1995; 최남정, 2007; 서일원과 송창근, 2007)를 참고하였다. 서일원과 송창근(2007)은 잠실수중보 상류구간에서의 BOD 감쇠계수를 결정하기 위해 감쇠계수를 0.0, 0.1 및 0.3 /day로 변화시키며 취수장으로 유입되는 수질을 모의한 결과 감쇠계수가 0.1 /day인 경우가 실측치와 가장 잘 일치한다는 결과를 제시하였으므로, 본 연구에서는 이 값을 적용하였다. 이상의 모의조건을 정리하여 표 1에 수록하였다.
그러나 수질 검증을 위하여 물환경정보시스템에서 제공되는 수질측정망 자료는 2004년 1월부터 제공되고 있다. 이에 따라 본 연구에서는 2004년 1월 이후 자료 중 팔당댐 저수량인 194.8 cms와 근사한 2004년 3월에 해당하는 팔당댐 월 평균 방류량인 193.6 cms을 상류단 경계조건으로 채택하였다.
4 km에 이르는 구간에 대한 수리 및 수질 해석을 수행하였다. 적용한 수치모형은 2차원 하천수리해석모형인 RMA-2와 2차원 하천수질해석모형인 RMA-4이며, 취수장에서의 취수에 의한 유량 소멸의 유무에 따른 등수위도, 유속분포도, 유속벡터도, 등농도도 등의 결과를 도시하고 비교, 분석하였다.
대상 데이터
RMA-2의 대표적인 매개변수는 하천(하상 및 하안)의 수리학적 거칠기를 나타내는 조도계수와 난류점성계수이다. 본 연구에서는 2002년 한강하천정비기본계획(건교부, 2002)에서 제시하고 있는 팔당댐-잠실수중보 구간의 조도계수에 해당하는 값인 0.030을 채택하였다. 그리고 난류점성계수의 경우 Peclet 수 조절에 따른 자동생성값을 이용하여 격자망과 유속에 따라 요소 별로 차등적으로 적용되도록 하였다.
는 전단유속, S는 하상경사를 의미한다. 수심은 2002년 한강홍수통제소에서 발간한 한강유역 유량측정 조사보고서에서 해당 모의구간의 평균값인 5.2 m을 이용하였다. 하상경사는 하천정비 기본계획(2002년)에 제시된 잠실수중보부터 팔당댐 구간의 평균값인 S = 0.
수질검증에 이용된 수질측정값은 상류부에 위치한 도곡측정소와 하류부에 위치한 구의측정소에서의 실측치이다. 그림 11은 시간에 따른 도곡측정소와 구의측정소로 유입되는 BOD 농도를 도시한 것이다.
수치모의를 위한 입력자료에는 7개의 지천으로부터 유입되는 유량을 모두 포함하였으며 5개의 취수장에서 취수에 의해 빠져나가는 유량에 의한 유속장 및 농도장 비교를 위해 취수를 배제한 RUN1과 취수에 의한 유량 감소를 반영한 RUN2를 모의 사상으로 하였다. 수치모의를 위한 상류단 경계조건으로 사용되는 팔당댐 방류량은 다음과 같이 결정하였다.
지천유입량 및 취수량이 하천 흐름 유속분포 및 수질거동에 미치는 영향을 분석하기 위해 팔당댐 직하류부터 잠실수중보까지 총 22.4 km에 이르는 구간을 모의구간으로 선정하였다. 그림 1에 모의영역 내에 위치한 산곡천, 덕풍천, 궁촌천, 월문천, 홍릉천, 왕숙천 및 고덕천 등 7개의 지천과 강북취수장, 암사취수장, 구의취수장, 풍납취수장, 자양취수장 등 5개의 취수장을 도시하였다.
그림 1에 모의영역 내에 위치한 산곡천, 덕풍천, 궁촌천, 월문천, 홍릉천, 왕숙천 및 고덕천 등 7개의 지천과 강북취수장, 암사취수장, 구의취수장, 풍납취수장, 자양취수장 등 5개의 취수장을 도시하였다. 한강 본류구간의 지형자료는 한강하천정비기본계획(2002)과 수치지도를 이용하여 실제 하천의 경계와 하상고를 반영하여 구성하였다. 그림 2는 이를 이용하여 제작된 3,570개의 요소와 11,445개의 격자점을 가지는 유한요소망이다.
이론/모형
000018을 적용하였다. BOD 감쇠계수를 결정하기 위하여 한강 본류구간의 수질해석에 관한 기존 연구(박무종, 1995; 최남정, 2007; 서일원과 송창근, 2007)를 참고하였다. 서일원과 송창근(2007)은 잠실수중보 상류구간에서의 BOD 감쇠계수를 결정하기 위해 감쇠계수를 0.
는 난류 확산계수이다. RMA-2 모형의 지배방정식은 Galerkin법에 의한 가중 잔차법(weighted residual method)을 이용하여 이산화된다.
본 연구에서 적용한 수치모형은 2차원 하천수리해석모형인 RMA-2와 2차원 하천수질해석모형인 RMA-4이다. RMA-2의 대표적인 매개변수는 하천(하상 및 하안)의 수리학적 거칠기를 나타내는 조도계수와 난류점성계수이다.
RMA-4의 매개변수는 종·횡분산계수 및 BOD 감쇠계수이다. 종분산계수 및 횡분산계수는 모의구간이 상수원보호구역인 특성 상 현장실측이 매우 어렵기 때문에 널리 사용되는 Elder와 Fischer의 경험식(Fischer 등, 1979)을 이용하여 다음과 같이 산정하였다. 2차원 이송-분산 모델을 사용하는 경우의 종분산계수는 종방향유속의 연직분포만을 고려한 Elder식을 적용하는 것이 타당한 것으로 제시되고 있기 때문에 식 (5)을 이용하여 산정하였다(Fischer 등, 1979; Seo와 Cheong, 1998).
본 연구에서는 도시하천에서의 정확한 흐름 및 수질 해석을 위하여 상류단 경계조건으로 입력되는 본류 유량과 더불어서 생성(source)으로 작용하는 지천유입량과 소멸(sink)로 작용하는 취수량을 포함하였다. 지천유입량 및 취수량이 하천흐름 유속분포 및 수질에 미치는 영향을 RMA-2 모형과 RMA-4 모형을 이용하여 분석하였다.
성능/효과
그림 4는 취수량 반영 유무에 따른 적용구간의 모식도를 나타낸다. 5개의 취수장에서 취수에 의해 빠져나가는 유량은 총 38.174 cms이므로 자양취수장 이후 구간에서는 RUN2에 의한 본류 유량이 156.211 cms로 RUN1에 의한 본류 유량과 큰 차이를 보임을 확인할 수 있다.
이 그림은 정상상태 도달 후의 BOD 농도를 나타낸 것으로 지천으로부터 유입되는 오염부하량의 영향이 확연히 드러남을 알 수 있다. RUN1과 RUN2 모두 궁촌천부터 왕숙천 구간 사이의 4개의 지천에서 유입되는 6 ppm 이상의 비교적 높은 BOD 오염부하량에 의해 이 구간에서의 BOD 농도가 급격히 증가하다가 비교적 맑은 수질이 유입되는 고덕천(1.4 ppm) 이후 구간에서는 약 3.5 ppm 정도의 균일한 수질분포가 나타났다. 구의, 풍납 및 자양취수장 부근에서의 BOD 농도분포를 도시한 그림 13에서 취수를 고려하지 않은 RUN1의 경우 농도분포가 평행하게 나타났으나, RUN2의 경우 구의, 암사 및 자양 취수장 부근에서의 농도분포가 크게 변화함을 확인할 수 있다.
5 ppm 정도의 균일한 수질분포가 나타났다. 구의, 풍납 및 자양취수장 부근에서의 BOD 농도분포를 도시한 그림 13에서 취수를 고려하지 않은 RUN1의 경우 농도분포가 평행하게 나타났으나, RUN2의 경우 구의, 암사 및 자양 취수장 부근에서의 농도분포가 크게 변화함을 확인할 수 있다. 또한 RUN2의 경우 취수에 의한 유량소멸로 인해 RUN1에 비해서 BOD 농도가 약간 높게 나타났다.
71 ppm 낮게 나타났다. 도곡측정소는 강북취수장에 인접하여 위치해 있고 직하류부의 궁촌천은 지천유량이 0.024 cms로 7개의 지천 중 가장 작은 반면 유입 BOD 농도는 7.5 ppm으로 지천 중 2번째로 높은 수치이므로, 강북취수장의 취수유무에 따라 도곡측정소에서의 BOD 농도는 큰 영향을 받는 것으로 나타났다. 도곡측정소의 경우 좌안에 위치해 있는 산곡천, 덕풍천 및 직하류에 위치한 궁촌천 및 월문천과 근접하여 위치해 있으므로 모의 시점으로부터 약 24시간 이후부터 유입수질이 정상상태에 도달함을 확인할 수 있다.
취수를 고려하지 않은 경우 전 구간에 걸쳐 농도분포가 평행하게 나타났으나, 취수의 영향을 고려한 경우 구의, 암사 및 자양 취수장 부근에서의 농도분포가 크게 변화하였다. 또한 취수를 고려한 경우 취수에 의한 유량소멸로 잠실수중보 상류구간에서 취수를 고려하지 않은 경우에 비해 BOD 농도가 높게 나타났다. 수자원의 60% 이상을 지표수로부터 충당해야 하는 국내 여건 상 하천수로부터의 취수가 불가피하므로, 자연하천에서의 동수역학적 흐름 및 혼합거동해석은 지천 합류량 뿐만 아니라 취수장으로부터 유출되어 빠져나가는 취수량을 함께 고려하여야 할 것으로 판단된다.
04)와 일치하는 값이었다. 암사취수장과 풍납취수장 구간에서는 취수에 의해 RUN2의 유속이 RUN1에 비해 평균 25% 낮게 나타났으나 구의취수장 부근에서는 지형적 특성에 따라 취수에 의해 국부적으로 유속이 급격히 증가하였다. 그림 10(b)는 하천 중심선을 따른 수위분포를 나타낸다.
또한 RUN2의 경우 취수에 의한 유량소멸로 인해 RUN1에 비해서 BOD 농도가 약간 높게 나타났다. 이상의 수치모의 결과, 잠실수중보 상류에 위치해 있는 5개 취수장에서의 취수는 해당 하천 구간의 유량을 변화시키게 되며, 이는 하천의 수위, 유속 등 수리학적 인자를 변화시키는 것으로 밝혀졌다. 이러한 취수량 반영에 따른 수위 및 유속 변화는 해당 하천구간의 수질의 변화를 야기하는 것으로 밝혀졌다.
그림 11로부터 수질측정망의 실측값과 RUN2에 의한 모의값이 잘 일치하고 있음을 알 수 있다. 이에 따라 본 연구에서 채택한 표 1의 입력자료(분산계수, 감쇠계수 등)가 타당함을 알 수 있으며, 취수에 의한 소멸 유량을 고려한 RUN2의 경우가 고려하지 않은 RUN1에 비해 실측치에 더 근사함을 알 수 있다.
취수장에서 빠져나가는 유량을 포함하여 모의한 경우 구의, 자양, 풍납취수장 부근에서 취수에 의한 유량 손실로 인하여 유속구조가 심하게 교란되었으며, 취수를 고려하지 않은 경우에 비해 유속은 평균 25% 낮게, 수위는 1.5 cm 높게 나타났다. 취수를 고려하지 않은 경우 전 구간에 걸쳐 농도분포가 평행하게 나타났으나, 취수의 영향을 고려한 경우 구의, 암사 및 자양 취수장 부근에서의 농도분포가 크게 변화하였다.
후속연구
또한 취수를 고려한 경우 취수에 의한 유량소멸로 잠실수중보 상류구간에서 취수를 고려하지 않은 경우에 비해 BOD 농도가 높게 나타났다. 수자원의 60% 이상을 지표수로부터 충당해야 하는 국내 여건 상 하천수로부터의 취수가 불가피하므로, 자연하천에서의 동수역학적 흐름 및 혼합거동해석은 지천 합류량 뿐만 아니라 취수장으로부터 유출되어 빠져나가는 취수량을 함께 고려하여야 할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
국내 하천에 대해, 자연하천의 유속분포, 흐름 및 오염물질의 확산을 2차원으로 해석하기 위해 고려해야 하는 것은?
자연하천의 유속분포, 흐름 및 오염물질의 확산을 2차원으로 해석하기 위해서는 지형자료와 경계조건 및 모의구간의 매개변수가 필요하다. 특히 중소규모의 지천이 본류로 유입되는 구조가 잘 발달되어 있는 국내 하천의 경우에는 지천의 유입량을 고려하여 본류의 흐름을 해석하여야 보다 정확한 수치모의 결과를 얻을 수 있다. 따라서 그 동안 자연하천의 동수역학적 흐름 해석 및 수질해석은 지형자료, 경계조건, 매개변수 및 지천 합류량을 포함하여 모의하는 경우가 대부분이었다.
하천 취수가 하천의 흐름 및 수질에 미치는 영향을 분석하기 위한 본 연구에서 대상으로 한 수리 및 수질 해석 구간은 어느 곳인가?
자연하천에서의 동수역학적 흐름 및 오염확산에 대한 기존의 해석은 본류유량과 지천 합류량만을 포함하여 모의하는 경우가 대부분이었으나, 수자원의 60% 이상을 지표수로부터 충당해야 하는 국내 여건 상 하천으로부터의 직접적인 취수가 불가피하므로 취수장으로부터 유출되어 빠져나가는 취수량을 함께 고려해야 한다. 본 연구에서는 하천 취수가 하천의 흐름 및 수질에 미치는 영향을 분석하기 위해 팔당댐 직 하류부터 잠실수중보까지 총 22.4 km에 이르는 구간에 대한 수리 및 수질 해석을 수행하였다. 적용한 수치모형은 2차원 하천수리해석모형인 RMA-2와 2차원 하천수질해석모형인 RMA-4이며, 취수장에서의 취수에 의한 유량 소멸의 유무에 따른 등수위도, 유속분포도, 유속벡터도, 등농도도 등의 결과를 도시하고 비교, 분석하였다.
팔당댐 직 하류부터 잠실수중보까지의 구간에 대해 RMA-2와 RMA-4를 통한 2차원 하천수질해석을 한 결과, 어떤 결론을 얻을 수 있었는가?
취수장에서 빠져나가는 유량을 포함하여 모의한 경우 구의, 자양, 풍납취수장 부근에서 취수에 의한 유량 손실로 인하여 유속구조가 심하게 교란되었으며, 취수를 고려하지 않은 경우에 비해 유속은 평균 25% 낮게, 수위는 1.5 cm 높게 나타났다. 취수를 고려하지 않은 경우 전 구간에 걸쳐 농도분포가 평행하게 나타났으나, 취수의 영향을 고려한 경우 구의, 암사 및 자양 취수장 부근에서의 농도분포가 크게 변화하였다. 또한 취수를 고려한 경우 취수에 의한 유량소멸로 잠실수중보 상류구간에서 취수를 고려하지 않은 경우에 비해 BOD 농도가 높게 나타났다. 수자원의 60% 이상을 지표수로부터 충당해야 하는 국내 여건 상 하천수로부터의 취수가 불가피하므로, 자연하천에서의 동수역학적 흐름 및 혼합거동해석은 지천 합류량 뿐만 아니라 취수장으로부터 유출되어 빠져나가는 취수량을 함께 고려하여야 할 것으로 판단된다.
물환경정보시스템 홈페이지 http://water.nier.go.kr/weis/ -지천BOD 농도 자료.
박무종(1995) 준 3차원 확산모형을 이용한 감조하천내 오염물질의 거동특성 연구. 박사학위논문, 고려대학교.
서일원, 송창근(2007) 2차원 이송분산모형을 이용한 한강 본류 구간에서 BOD 거동 모의. 대한토목학회 논문집, 대한토목학회, 제27권 제6B호, pp. 573-581.
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