본 연구에서는 실내실험을 통하여 식생의 변화에 따른 하도의 수리학적특성, 저수로의 변화, 사주의 거동, 하안의 안정성 등을 정량적으로 파악하였다. 실내실험은 기존에 인공식생 대신에 수로에서 실제식생인 알팔파를 성장시켜서 수행하였다. 식생대에서는 유속이 매우 느리며, 저수로의 이동이 감소하였다. 2중 퓨리에 해석 결과, 교호사주의 특성을 나타낸 1-1모드의 진폭이 지배적이지만, 시간이 증가하면서 복렬사주의 특성을 나타내는 2-2와 2-3모드의 진폭이 증가하였다. 식생에 의하여 저수로가 고착화 되어 하도의 안정성이 증가하고, 하도 내 사주의 이동속도는 감소하지만, 하상이 불규칙하게 변하면서, 사주의 수는 증가하였다. 식생의 밀도가 증감함에 따라 하안의 안정성은 증가하였다. 식생의 밀도가 증가함에 따라 유사의 유출량과 유출량의 변동성이 감소하였다. 또한 망상화 강도는 감소하지만, 하도의 상관계수와 하상의 기복지수(BRI)는 증가하는 특성을 보여주었다.
본 연구에서는 실내실험을 통하여 식생의 변화에 따른 하도의 수리학적특성, 저수로의 변화, 사주의 거동, 하안의 안정성 등을 정량적으로 파악하였다. 실내실험은 기존에 인공식생 대신에 수로에서 실제식생인 알팔파를 성장시켜서 수행하였다. 식생대에서는 유속이 매우 느리며, 저수로의 이동이 감소하였다. 2중 퓨리에 해석 결과, 교호사주의 특성을 나타낸 1-1모드의 진폭이 지배적이지만, 시간이 증가하면서 복렬사주의 특성을 나타내는 2-2와 2-3모드의 진폭이 증가하였다. 식생에 의하여 저수로가 고착화 되어 하도의 안정성이 증가하고, 하도 내 사주의 이동속도는 감소하지만, 하상이 불규칙하게 변하면서, 사주의 수는 증가하였다. 식생의 밀도가 증감함에 따라 하안의 안정성은 증가하였다. 식생의 밀도가 증가함에 따라 유사의 유출량과 유출량의 변동성이 감소하였다. 또한 망상화 강도는 감소하지만, 하도의 상관계수와 하상의 기복지수(BRI)는 증가하는 특성을 보여주었다.
This study examines the hydraulic characteristics, the channel changes, the behavior of bars, and bank stability by means of laboratory experiments. Three sets of laboratory experiments are conducted to elucidate the influence of riparian vegetation of the channels with erodible banks. Flow velocity...
This study examines the hydraulic characteristics, the channel changes, the behavior of bars, and bank stability by means of laboratory experiments. Three sets of laboratory experiments are conducted to elucidate the influence of riparian vegetation of the channels with erodible banks. Flow velocity is decreased in the vegetated zone, the mobility of lower channels is decreased. The double Fourier analysis of the bed waves shows that 1-1 mode (alternate bar) is dominant at the initial stage of the channel development. As time increases, 2-2 and 2-3 modes (central or multiple bars) are dominant due to the increased width to depth ratio. As the vegetation density is increased, the number of bars are increased, bank stability increases. The variation of sediment discharges is affected by vegetation density. The braided intensity is decreased with vegetation density. As the vegetation density is increased, the correlation coefficient of bed topography and bed relief index is increased.
This study examines the hydraulic characteristics, the channel changes, the behavior of bars, and bank stability by means of laboratory experiments. Three sets of laboratory experiments are conducted to elucidate the influence of riparian vegetation of the channels with erodible banks. Flow velocity is decreased in the vegetated zone, the mobility of lower channels is decreased. The double Fourier analysis of the bed waves shows that 1-1 mode (alternate bar) is dominant at the initial stage of the channel development. As time increases, 2-2 and 2-3 modes (central or multiple bars) are dominant due to the increased width to depth ratio. As the vegetation density is increased, the number of bars are increased, bank stability increases. The variation of sediment discharges is affected by vegetation density. The braided intensity is decreased with vegetation density. As the vegetation density is increased, the correlation coefficient of bed topography and bed relief index is increased.
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문제 정의
기존에 식생대에서 하도의 변화를 파악하기 위하여 주로 인공식생을 사용하였지만, 본 연구에서는 실내 실험수로에서 실제식생(알팔파)을 성장시켜서 실험을 수행하여 그 특성을 분석하였다.
그러나 홍수소통을 원활히 하고 하천환경을 유지하기 위한 하도의 식생관리 기준이 아직 정립되어 있지 않으며, 이를 위해서는 하도의 식생에 의한 수리학적 특성과 하도의 지형 변화 관계를 명확하게 파악해야 한다. 따라서 본 연구에서는 실내실험을 통하여 식생의 변화에 따른 균일사로 구성된 하도의 수리학적 특성, 저수로의 변화, 사주의 거동, 하안의 안정성 등을 정량적으로 파악하였다. 기존에 식생대에서 하도의 변화를 파악하기 위하여 주로 인공식생을 사용하였지만, 본 연구에서는 실내 실험수로에서 실제식생(알팔파)을 성장시켜서 실험을 수행하여 그 특성을 분석하였다.
가설 설정
2중 퓨리에 해석을 통하여 얻은 각 파의 진폭 성분을 분석하여 모드 특성을 이해하게 된다. 2중 퓨리에 변환을 할 때에 종횡단 방향에 1 파장의 자료를 계산하며, 횡단방향에서는 유로의 반파장 자료를 반대방향으로 굴절시키고, 하폭을 B라면 2B까지 자료가 있다고 가정하여 계산을 한다(Hasegawa, 1984; Jang, 2013).
제안 방법
1). 고가수조 안에서 발생한 와류를 정류시키기 위하여, 수조안에 있는 스크린에 플라스틱 메쉬를 부착하여 흐름이 안정적인 상태를 유지하도록 하였다. 고가수조에서 모래로 채워진 이동상 경사 수로에 물이 유입될 때, 유입구에서 국부세굴이 발생하므로, 고가수조의 물이 이동상 초기 수로로 물을 유도하고, 국부세굴을 방지하기 위하여 길이가 0.
고가수조 안에서 발생한 와류를 정류시키기 위하여, 수조안에 있는 스크린에 플라스틱 메쉬를 부착하여 흐름이 안정적인 상태를 유지하도록 하였다. 고가수조에서 모래로 채워진 이동상 경사 수로에 물이 유입될 때, 유입구에서 국부세굴이 발생하므로, 고가수조의 물이 이동상 초기 수로로 물을 유도하고, 국부세굴을 방지하기 위하여 길이가 0.6 m이고, 폭이 0.8 m인 고정상 수로를 제작하여 설치하였으며, 상류 유입구에서 일정하게 유사를 공급하였다.
하상형태가 복잡한 복렬사주를 대상으로 하여 판단할 경우에, 모드의 판단 기준은 명확하지 않아 사람마다 달리 해석하는 경우가 있다. 따라서 본 연구에서는 복렬사주의 모드를 객관적으로 판단할 수 있는 2중 퓨리에 해석에 의하여 실험 결과를 분석하였다.
하도의 망상화 강도는 망상하천에서 하도망의 복잡한 정도를 나타내며, 하도망에서 저수로의 수를 나타내었다(Egozi and Ashmore, 2008). 망상화 강도는 하도의 종방향으로 2 m에서 10 m 구간에서 1 m 간격으로 하도의 횡단면에서 저수로의 수를 평균하여 산정하였다. 식생이 없는 Run-1에서는 BI는 3.
하도의 변화를 파악하기 위하여 유사의 유출 특성을 파악하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 실험이 진행되는 동안 실험수로의 하류단에서 매 5분 간격으로 유사를 수집하여, 유사량을 측정하였다. Fig.
본 연구에서는 하도의 식생이 하도내 형성된 사주의 변화와 이동, 저수로의 변화, 하도의 안정성 등을 실제식생인 알팔파(alfalfa)를 이용하여 실내실험을 수행하여 파악하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
식생의 변화에 따른 하상고의 변화를 정량적으로 파악하기 위하여 무차원 하상 기복지수(bed relief index, BRI)를 각 단면에 대하여 산정하였다. 하상 기복지수는 평균 하상고에 대한 각 단면의 표준편차를 나타내며, 다음 식으로 정의된다(Hoey and Sutherland, 1991).
망상하천의 사주, 양안, 홍수터는 식생으로 덮여 있으며, 저수로에는 식생이 거의 없는 상태로 유지되고 있다. 실내 실험실은 알팔파가 자라는 필요한 빛이 매우 제한되어 있으므로, 150 watts 전구를 10개 설치하여 식생이 자라는 데 필요한 빛을 공급하였다. 실내 실험을 하기 위한 알팔파의 줄기 길이는 4.
식생하도를 형성하기 위하여 알팔파(alfalfa seed) 씨앗을 균일하게 하도 전체에 뿌린다. 알팔파 식생의 밀도는 하도에 파종하기 전에 10g 당 씨앗의 개수를 10회 정도 반복하여 세고, 평균한 후에 전체 무게를 측정하고, 씨앗 회사에서 제시한 발아율(70%)과 손실률(1%)을 고려하여 추정하였다. 그 후에 0.
대상 데이터
5인 균일사로 10 cm의 두께로 균등하게 채웠다. 가변형 경사수로에서 실험을 위한 초기 수로는 자체 제작한 모래 포설기를 이용하여, 밑변이 80 cm, 깊이가 3 cm, 하안의 경사가 40도인 저수로를 만들었으며, 수로의 경사는 1/100로 설정하였다(Fig. 1). 고가수조 안에서 발생한 와류를 정류시키기 위하여, 수조안에 있는 스크린에 플라스틱 메쉬를 부착하여 흐름이 안정적인 상태를 유지하도록 하였다.
실내 실험실은 알팔파가 자라는 필요한 빛이 매우 제한되어 있으므로, 150 watts 전구를 10개 설치하여 식생이 자라는 데 필요한 빛을 공급하였다. 실내 실험을 하기 위한 알팔파의 줄기 길이는 4.8 cm이고, 뿌리의 길이는 2.0 cm이며, 총 길이는 6.8 cm이었다. 잎은 평균 3～4장이었으며, 지름이 약 1 mm이었다.
실내실험은 주문 제작된 길이 12 m, 폭 2 m인 가변형 경사 수로에서 수행하였다. 실험 수로는 평균입경이 0.
실내실험은 주문 제작된 길이 12 m, 폭 2 m인 가변형 경사 수로에서 수행하였다. 실험 수로는 평균입경이 0.76 mm이고 , 표준편차가 1.5인 균일사로 10 cm의 두께로 균등하게 채웠다. 가변형 경사수로에서 실험을 위한 초기 수로는 자체 제작한 모래 포설기를 이용하여, 밑변이 80 cm, 깊이가 3 cm, 하안의 경사가 40도인 저수로를 만들었으며, 수로의 경사는 1/100로 설정하였다(Fig.
성능/효과
1) 식생대에서는 유속이 매우 느리며, 식생에 의하여 흐름이 방향이 변하여, 수충부가 형성되어 하안침식이 발생하며, 저수로의 이동이 고착화 되었다.
2) 2중 퓨리에 해석 결과, 교호사주의 특성을 나타낸 1-1모드의 진폭이 지배적이지만, 시간이 증가하면서 복렬사주의 특성을 나타내는 2-2와 2-3모드의 진폭이 증가하였다.
3) 식생에 의하여 저수고의 이동의 고착화 되고, 하도내 사주의 이동이 느려지고, 하상의 형상이 불규칙하게 변하면서, 사주의 수가 증가한다. 식생의 밀도가 증가함에 따라 하안의 안정성이 증가한다.
4) 식생이 없는 하도에서는 사주가 증가하여 하안이 침식되고, 저수로의 수가 증가하거나 세굴공의 변화와 이동에 의하여 하도의 역동성이 크게 증가하여 유사의 유출량이 강한 변동성을 보여주었다.
5) 식생하도에서는 식생의 밀도가 증가함에 따라 흐름의 특성이 변하고, 식생대에서 유사의 포착이 증가하고, 사주 및 저수로의 변화가 감소되어 하도의 역동성이 둔화되기 때문에 유사의 유출량이 감소되고 변동성이 작은 특성을 보여 주었다.
6) 식생의 밀도가 증가하면서 망상화 강도(BI)는 감소하지만, 하도의 상관계수와 하상의 기복지수(BRI)는 증가하는 특성을 보여주었다.
84 stems/cm2인 Run3에서 1-1 모드인 교호사주가 지배적이고, 1-3 모드가 두번째로 지배적인 특성을 보여주고 있다. 시간이 증가함에 따라, 교호사주인 1-1 모드는 감소하고, 한 단면에서 3개의 사주가 형성되는 1-3 모드가 지배적인 것으로 나타났다. 이러한 원인은 식생의 밀도가 증가함에 따라 한 단면에서 횡방향으로 3개의 모드가 나타나는 것은 저수로에서 하상의 기복(bed relief)이 증가하는 것을 의미한다.
82이었다. 식생에 의하여 하도가 변하는 실험인 통수 후 90분에서는 1-1 모드의 진폭이 1.81로 가장 지배적이지만, 두 번째로 지배적인 것이 1-3모드로써, 0.82이었다. 또한 1-2모드의 진폭은 0.
13은 식생의 밀도에 따른 하도변화의 상관계수를 보여주고 있다. 식생이 없는 Run-1에서 상관계수는 0.69이고, 식생이 많은 Run-3에서 상관계수는 0.86이며, 식생의 밀도가 증가함에 따라 상관계수가 증가하고, 하도의 이동과 변화가 작으며 하도의 안정성이 증가하는 것을 보여주고 있다.
실험 결과를 통하여 얻은 하상형상은 다양한 하상파(wave)를 선형화 하여 2중 퓨리에 해석을 하여 표현하는 것이 가능하다. 2중 퓨리에 해석을 통하여 얻은 각 파의 진폭 성분을 분석하여 모드 특성을 이해하게 된다.
10은 Run-2에 대한 사주의 모드 별 진폭(amplitude)특성을 보여주고 있다. 통수 후 60분에는 교호사주의 특성을 나타내는 1-1 모드의 진폭이 2.19로 가장 지배적이며, 중앙사주의 특성을 나타내는 2-2 모드의 진폭이 0.45이었으며, 2-3 모드의 진폭이 0.37이었다. 식생에 의하여 하도가 변하는 실험인 통수 후 90분에서는 1-1 모드의 진폭이 2.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
식생대 하도의 지형변화는 식생의 밀도가 증가함에 따라 어떻게 변화하는가?
하도의 식생은 항력과 흐름의 저항을 증가시키고 하상에 작용하는 전단응력을 감소시켜서 유사의 이동이 감소하고, 유사의 퇴적이 증가되어 사주가 증가한다(Thorne, 1990). 식생대 하도의 지형변화는 매우 복잡하며, 식생의 밀도가 증가함에 따라 하안침식과 저수로의 이동특성이 감소하고 하도의 안정성이 증가한다(Ikead and Izumi, 1990; Gran and Paola, 2001; Jang and Shimizu, 2007; Tal and Paola, 2010). 하안에 있는 식생은 조도를 증가시켜서 유속을 감소시키고, 국부적으로 경계층 두께(boundary layer thickness)를 증가시키며, 하안에서 전단응력을 감소시킨다(Thorne and Furbish, 1995; Gran and Paola, 2001).
하도의 식생에 의한 흐름의 저항에 영향을 주는 요인은 무엇인가?
유속이 감소되면서, 식생대에서 유사는 쉽게 포착되고 유사의 입경이 분급된다(Tsujimoto, 1999). 하도의 식생에 의하여 흐름의 저항을 정량적으로 예측하기 위하여 많은 연구가 수행되어 왔으며, 식생에 의한 흐름의 저항은 식생의 크기, 식생의 강성, 식생이 물에 잠긴 정도, 식생의 밀도 등에 의하여 영향을 받는다(Kouwen and Li, 1980; Lopez and Garcia, 2001; Nepf and Vivoni, 2000, Defina and Bixio, 2005). 그러나 주수로와 식생대 사이에서 에너지 교환이 발생하며, 난류의 강도가 증가하고 흐름이 집중되어, 주수로에서 하도의 변화가 발생하고, 식생대에서는 유사가 퇴적된다(Tsujimoto, 1999; Lopez and Garcia, 2001; Nepf and Vivoni, 2000).
식생대에 유사의 퇴적이 지속되어 사주가 증가할 경우 하천환경은 어떻게 변화하는가?
식생대에서 유속이 감소되고, 유사가 퇴적되어 사주가 증가하며, 유사의 입경이 가늘어지면서 하천환경이 변화된다(Kondolf and Wolman, 1993). 이렇게 변화된 하천환경은 저수로의 수가 감소되고, 하도의 역동성이 떨어진다(Gran and Paola, 2001; Jang and Shimizu, 2007). 하도의 식생은 홍수의 변화와 상류에서 공급되는 유사량의 변화에 영향을 받으며, 하도의 지형을 변화시키는데 중요한 역할을 한다(Tsujimoto, 1999; Jang and Shimizu, 2010).
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