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문제 정의
- 하천실험센터에서는 하천관리에 대한 방향 및 기초기술을 제시하는 기초연구분야와 하천복원 관련 방법론을 개발하는 응용분야 구분하여 연구를 수행하고자 한다. 다음의 그림 2는 센터의 연구수행 분야를 정리한 것이다.
- 호안공구간은 여러 형태의 호안공을 하안에 설치하여 식생의 영향을 연구하는 것이 목적으로 이 구간은 수제구간과 동일한 형태로 구성하였다. 습지구간은 수로 내 고수부지에 하도습지를 조성하여 습지의 특성에 따른 식생의 변화를 연구하는 것이 목적으로 습지는 하천의 좌안 고수부에 상류부터 습지1, 습지 2, 습지3, 습지4, 총 4개가 설계되었고, 하상경사는 1/800이다.
- 현재 식생의 정착과정에 대한 여러 국외 연구사례가 있었으나 국내에서는 아직 전무한 상태로서, 특히 식생의 이입이후 식생이 퇴행되지 않고 지속되었다는 점에서 유식물의 정착 여부가 매우 중요하다. 발아이후 첫해 유식물이 건조조건 및 전단응력을 견디기 위해 뿌리의 성장 속도가 중요한 정착 요인으로서 이 실험은 지하수위 저하에 따른 식생 생장의 임계조건을 구명하기 위하여 수행되었다.
제안 방법
- 하천실험센터를 기획하는 단계에서 국제적인 경쟁력을 갖는 센터를 조성하기 위하여 미국과 일본을 중심으로 해외사례를 조사하였다.
- 유입부 및 흐름안정구간은 유입수조에서 실험수로로 처음 용수가 유입되는 지점이나 각각의 실험항목이 서로 다른 구간 사이에 존재하여 와류 등 제어하기 힘든 흐름요소가 등류상태로 변화할 수 있도록 설계하였다. 호안공 시험구간은 하안 및 바닥면에 시험하고자 하는 호안공을 설치한 후, 3 m/s 이상의 유속이 확보되는 유량을 적용하여 호안공의 파괴실험을 하기 위해 설계하였다.
- 유입부 및 흐름안정구간은 유입수조에서 실험수로로 처음 용수가 유입되는 지점이나 각각의 실험항목이 서로 다른 구간 사이에 존재하여 와류 등 제어하기 힘든 흐름요소가 등류상태로 변화할 수 있도록 설계하였다. 호안공 시험구간은 하안 및 바닥면에 시험하고자 하는 호안공을 설치한 후, 3 m/s 이상의 유속이 확보되는 유량을 적용하여 호안공의 파괴실험을 하기 위해 설계하였다. 호안공 시험구간에는 유수가 하안에 부딪히는 충격을 최대화하기 위해 수충부를 조성하였으며, 각 수충부는 반지름 15 m 사분원 두개를 연결한 형태로 중심선의 연장이 약 47.
- 유입수조로부터 유입되는 물의 흐름을 안정시키기 위해 수로의 가장 상류측에 유입부 40 m, 흐름안정 구간 20 m 두었고, 이후 하류방향으로 수제구간 150 m, 흐름안정구간 20 m, 호안공구간 180 m, 흐름안정구간 20 m, 습지구간 100 m, 유출부 36.8 m를 설계하였다. 수제구간은 각종 형태의 수제 및 횡단구조물을 실험조건에 따라 설치하여 식생의 영향, 침식 및 퇴적 등의 흐름특성을 살피는 것이 목적으로 하상경사는 1/800이며, 하상폭이 구간 전체에서 3 m, 제방고가 2 m, 제방폭이 11 m, 하안경사가 1:2인 단단면하도이다.
- 유입수조로부터 유입되는 물의 흐름을 안정시키기 위해 수로의 최상류측에 유입부 40 m 및 흐름안정구간 20 m를 두었고, 하류방향으로 사행구간 473.9 m, 흐름안정구간 31.2 m, 침수빈도 실험구간 100 m, 유출부 16.8 m로 설계하였다. 사행구간은 총연장 360 m의 곡선수로로 사행에 따른 생태계의 변화, 홍수의 저류효과 등을 연구하기 위한 목적으로 설계하였으며, 수로의 사행도는 0, 1.
- 사행도 구간의 하상경사는 국내의 중류하천에서 많이 나타나는 1/800으로 설계하였고, 횡단면은 직선수로의 단단면 구간과 동일하게 설계하였다. 하안은 자연 상태의 토사로 처리하여 식생의 도입 및 정착, 침식과 퇴적 등이 활발히 진행될 수 있게 하였으며, 하상재료는 중간 모래로 구성하였다.
- 하안은 자연 상태의 토사로 처리하여 식생의 도입 및 정착, 침식과 퇴적 등이 활발히 진행될 수 있게 하였으며, 하상재료는 중간 모래로 구성하였다. 하천이 사행되는 형태는 자연하천의 형상을 비교적 대표적으로 나타낸다는 코사인 생성 곡선(Cosine-Generated Curve)의 형태로 설계하였다(그림 9).
- 침수빈도 실험구간은 다양한 침수빈도에 따라 식생의 교란 및 활착 상태의 변화를 연구하는 것이 목적으로 복단면 하도이며 좌우안 3개씩, 총 6개의 서로 다른 침수빈도를 나타내는 고수부 표고로 설계하였다. 고수부의 폭은 구간 전체에서 1 m이며, 하안의 경사는 모두 1:2이며, 하상경사는 1/800으로 동일하다.
- 실험유량은 1.3, 2.5, 3.8 m³/sec 등의 세가지 조건에서 수행하였으며 유하 시간은 각 케이스 별로 2시간으로 설정하였으며, 실험 수행 후의 블록의 변화 유무를 검토하였다.
- 8 m로 설계하였다. 사행구간은 총연장 360 m의 곡선수로로 사행에 따른 생태계의 변화, 홍수의 저류효과 등을 연구하기 위한 목적으로 설계하였으며, 수로의 사행도는 0, 1.2, 1.5, 1.7로, 상류측부터 사행도 1.2 구간 115.0 m, 1.5 구간 139.3 m, 1.7 구간 155.3 m를 두었고, 각 사행구간 사이에는 30 m 정도의 천이구간을 두었다.
대상 데이터
- 하천실험센터는 면적 약 23.3만 m²로서 초당 8 m³의 유량공급이 가능한 펌프시설을 확보하고 있으며, 길이 약 500 ~ 600 m, 바닥과 수면 폭 각 3 m와 11 m, 높이 2 m의 수로 3개가 설치되어 있다(그림 1).
- 한국건설기술연구원(이하 건기연)에서는 이러한 국내외 요구와 추세를 반영하기 위해서 2004년에 “한국형 다기능 하천실험장 건설사업”을 기획하였다. 이후 설계기간을 거쳐 2008년 4월 17일에 기공식을 하였으며, 2009년 12월, 경상북도 안동시 남후면에 하천실험센터를 준공하였다.
- 여울은 5∼15 cm 직경의 석회암, 소는 저수지 유사로 하상을 구성하였다.
- 여울은 2∼5 cm 직경의 자갈, 소는 진흙으로 하상을 구성하였다.
- Minnesota 주의 Monticello에 위치한 실외 인공수로를 이용한 대형실험시설로 520 m에 길이 30.5 m, 폭 2.4 m, 깊이 0.1∼0.2 m의 여울 6개와 길이 30.5 m, 폭 3.6 m, 깊이 0.8∼0.9 m의 소를 9개를 포함하며, Mississippi 강에서 용수를 공급하고 있다.
- 이 구간의 하상경사는 8 m³/s라는 한정된 유량 내에서 3 m/s 이상의 유속과 충분한 수심의 확보를 고려하여 1/70로 결정되었으며, 하상재료는 입경 30 cm 정도의 사석으로 구성하였다(그림 5).
- 50 m로, 단단면 하도로 구성되어 있다. 실험 구간은 흐름안정구간, 호안공 시험구간, 조도계수 시험구간 등으로 구성되어 있다. 유입수로로부터 실험수로에 유입되는 최상류측에 흐름을 안정시키기 위해 유입부 40 m와 흐름안정구간 30 m를 설치하였으며, 하류 방향으로 호안공 시험구간이 204 m, 호안공 시험구간과 조도계수 시험구간 사이에 흐름안정구간 50 m가 있으며, 조도계수 시험구간은 150 m이다.
- 실험 구간은 흐름안정구간, 호안공 시험구간, 조도계수 시험구간 등으로 구성되어 있다. 유입수로로부터 실험수로에 유입되는 최상류측에 흐름을 안정시키기 위해 유입부 40 m와 흐름안정구간 30 m를 설치하였으며, 하류 방향으로 호안공 시험구간이 204 m, 호안공 시험구간과 조도계수 시험구간 사이에 흐름안정구간 50 m가 있으며, 조도계수 시험구간은 150 m이다.
- 호안공 시험구간은 하안 및 바닥면에 시험하고자 하는 호안공을 설치한 후, 3 m/s 이상의 유속이 확보되는 유량을 적용하여 호안공의 파괴실험을 하기 위해 설계하였다. 호안공 시험구간에는 유수가 하안에 부딪히는 충격을 최대화하기 위해 수충부를 조성하였으며, 각 수충부는 반지름 15 m 사분원 두개를 연결한 형태로 중심선의 연장이 약 47.18 m로 호안공 시험구간 내에는 네 개 지점에서 수충부가 발생하도록 구성하였다. 이 구간의 하상경사는 8 m³/s라는 한정된 유량 내에서 3 m/s 이상의 유속과 충분한 수심의 확보를 고려하여 1/70로 결정되었으며, 하상재료는 입경 30 cm 정도의 사석으로 구성하였다(그림 5).
- 조도계수 시험구간은 하안 및 하상에 식생(초본 및 목본) 및 콘크리트 블록 등 다양한 재료를 설치한 후 다양한 흐름 조건에서 조도계수 및 흐름저항을 시험하기 위한 구간이다. 총 연장은 150 m이며 횡단면은 호안공 시험구간과 동일하며, 이 구간의 하상경사는 1/1,000이다. 하상재료는 입경 15 cm ~ 30 cm 사이의 사석으로 구성되어 있다(그림 6).
- 호안공구간은 여러 형태의 호안공을 하안에 설치하여 식생의 영향을 연구하는 것이 목적으로 이 구간은 수제구간과 동일한 형태로 구성하였다. 습지구간은 수로 내 고수부지에 하도습지를 조성하여 습지의 특성에 따른 식생의 변화를 연구하는 것이 목적으로 습지는 하천의 좌안 고수부에 상류부터 습지1, 습지 2, 습지3, 습지4, 총 4개가 설계되었고, 하상경사는 1/800이다. 각 습지의 고수부에서 표면적은 장경 8 m, 단경 5 m인 타원으로 동일하지만 수심 및 위치하는 고수부의 표고, 하천수 유입의 형태가 각각 달라 비교실험이 가능하다.
- 사행수로는 총연장 682.2 m, 상류단과 하류단의 표고차는 2.18 m이며, 직선수로와 유사하게 단단면 구간과 복단면 구간으로 구성되어 있다. 실험 수로 연장은 624.
- 18 m이며, 직선수로와 유사하게 단단면 구간과 복단면 구간으로 구성되어 있다. 실험 수로 연장은 624.9 m이고 상류단과 하류단의 표고차는 0.70 m이며, 사행구간 및 침수빈도구간으로 구성되어 있다.
- 이 실험은 고속수로 호안공 시험구간에서 수행되었다. 유공 호안 블록 시험을 위해서 2010년 11월에 시험시공을 완료하였으며 실험은 식생의 활착이 진행된 이후인 2011년 6월에 수행하였다.
- 이 실험은 고속수로 호안공 시험구간에서 수행되었다. 유공 호안 블록 시험을 위해서 2010년 11월에 시험시공을 완료하였으며 실험은 식생의 활착이 진행된 이후인 2011년 6월에 수행하였다. 실험유량은 1.
- 이 실험을 위하여 그림 14과 같은 수위 저하 속도를 조절할 수 있는 장치를 고안하였다. 실험장치의 모래는 내성천의 모래를 사용하였으며, 수위 하강속도 역시 내성천의 연평균 속도를 참조하여 0, 1, 3, 6cm/일로 설정하였다. 대상 식생은 모래하천에서 주로 출현하는 명아자여뀌(1년생 초본), 달뿌리풀(다년생 초본), 왕버들의 1년생 유식물을 사용하였다.
- 실험장치의 모래는 내성천의 모래를 사용하였으며, 수위 하강속도 역시 내성천의 연평균 속도를 참조하여 0, 1, 3, 6cm/일로 설정하였다. 대상 식생은 모래하천에서 주로 출현하는 명아자여뀌(1년생 초본), 달뿌리풀(다년생 초본), 왕버들의 1년생 유식물을 사용하였다. 실험 결과는 그림 15와 같이 명아자여뀌의 뿌리 성장속도가 빨라 그림 6cm/일의 수위저하에도 생장을 유지하였으며, 달뿌리풀은 동일한 조건에서 생장에 어려움이 있는 것으로 나타났다.
- SNARL에 있는 실험수로단지는 하천에서의 수리·수문학, 생태학을 연구하기 위한 9개의 인공사행수로를 가지고 있으며 SNARL을 가로지르며 연중 유량을 확보할 수 있는 Convict Creek에서 실험시설을 운영할 수 있는 용수 및 하천 환경을 확보하고 있으며, 연장 400 m 규모의 수로 9개를 포함하고 있다(그림 3).
성능/효과
- 대상 식생은 모래하천에서 주로 출현하는 명아자여뀌(1년생 초본), 달뿌리풀(다년생 초본), 왕버들의 1년생 유식물을 사용하였다. 실험 결과는 그림 15와 같이 명아자여뀌의 뿌리 성장속도가 빨라 그림 6cm/일의 수위저하에도 생장을 유지하였으며, 달뿌리풀은 동일한 조건에서 생장에 어려움이 있는 것으로 나타났다.
후속연구
- 이러한 실규모 하천실험장은 하천의 물리량에 대한 축척을 사용하지 않는 실물 규모의 실험으로 먼저 수리모형실험의 단점인 모형의 축적 효과를 상당 부분 해소할 수 있으며, 구조물의 파괴 모의가 가능하며 생태과정에 대한 실험도 가능하다. 또한 외부 변수에 대한 정확한 통제가 가능하고, 관측 및 조사의 정밀도를 크게 향상 시킬 수 있을 것으로 기대할 수 있다. 현재 초기 정착단계로서 활발한 실험이 진행되기 위해서는 학계 전문가의 많은 관심과 적극적인 협력이 필요한 시기이다.
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