실내실험에 의한 혼합사 식생하도의 지형변화와 하상토 분급 특성 연구 Experimental study on the sediment sorting processes of the bed surface by geomorphic changes in the vegetated channels원문보기
본 연구에서는 식생에 의한 하도 변화와 하상토 분급특성을 파악하였다. 유사의 유출 특성은 불규칙하며, 식생 밀도가 증가함에 따라 유출되는 유사량은 감소하였다. 하상고는 불규칙하게 변하며, 하상토 표층에서 유사 입경은 작아졌다. 식생 밀도가 증가함에 따라 하상 표층에서 무차원 중 앙입경의 비는 감소하였다. 식생대에서 유사가 포착되거나, 식생대와 주흐름 사이에 경계층 흐름이 발생하여 유사가 퇴적되며, 식생대에서 흐름의 방향이 변화되어 표층에서 하상토 입도는 불규칙하게 분포하였다. 무차원 하상토 입경이 감소함에 따라, 차폐효과는 일정하게 감소하였다. 식생밀도가 증가함에 따라 하상 표층에서 차폐효과가 증가하며, 이것은 실험 수로 하류단에서 유사 유출량이 감소하는 것과 일치한다. 식생 밀도가 $0.5stems/cm^2$에서 저수로 이동은 감소하고 안정적인 특성을 보여주었으나, $0.7stems/cm^2$에서 저수로 이동은 증가하였다. 이것은 식생 밀도가 증가하면서 저수로 사행도가 증가하고, 식생대에서 유사가 퇴적되어 새로운 저수로가 형성되었기 때문이다.
본 연구에서는 식생에 의한 하도 변화와 하상토 분급특성을 파악하였다. 유사의 유출 특성은 불규칙하며, 식생 밀도가 증가함에 따라 유출되는 유사량은 감소하였다. 하상고는 불규칙하게 변하며, 하상토 표층에서 유사 입경은 작아졌다. 식생 밀도가 증가함에 따라 하상 표층에서 무차원 중 앙입경의 비는 감소하였다. 식생대에서 유사가 포착되거나, 식생대와 주흐름 사이에 경계층 흐름이 발생하여 유사가 퇴적되며, 식생대에서 흐름의 방향이 변화되어 표층에서 하상토 입도는 불규칙하게 분포하였다. 무차원 하상토 입경이 감소함에 따라, 차폐효과는 일정하게 감소하였다. 식생밀도가 증가함에 따라 하상 표층에서 차폐효과가 증가하며, 이것은 실험 수로 하류단에서 유사 유출량이 감소하는 것과 일치한다. 식생 밀도가 $0.5stems/cm^2$에서 저수로 이동은 감소하고 안정적인 특성을 보여주었으나, $0.7stems/cm^2$에서 저수로 이동은 증가하였다. 이것은 식생 밀도가 증가하면서 저수로 사행도가 증가하고, 식생대에서 유사가 퇴적되어 새로운 저수로가 형성되었기 때문이다.
This study investigates the development of lower channels and sediment sorting processes in the vegetated channels with the mixed sediment. The sediment discharges fluctuate with time and decrease with vegetation density. The bed changes with irregular patterns, and the sediment particles in the veg...
This study investigates the development of lower channels and sediment sorting processes in the vegetated channels with the mixed sediment. The sediment discharges fluctuate with time and decrease with vegetation density. The bed changes with irregular patterns, and the sediment particles in the vegetated zone at the surface of bed are fine. The dimensionless geometric mean decreases with vegetation density. The fine sediment particles are trapped by vegetation, and the bed between main steam and vegetated zone increases. Moreover, the particle sizes are distributed irregularly near the zone. The hiding functions decrease with dimensionless particle size. However, the functions increase with vegetation density, which is confirmed by decreasing sediment discharge with vegetation. The lower channel is stable and the migration decreases in the condition of $0.5tems/cm^2$. However, the migration of the lower channel in the condition of $0.7stems/cm^2$ increases due to the increased sinuosity and new generated channels in the sedimentated vegetation zone.
This study investigates the development of lower channels and sediment sorting processes in the vegetated channels with the mixed sediment. The sediment discharges fluctuate with time and decrease with vegetation density. The bed changes with irregular patterns, and the sediment particles in the vegetated zone at the surface of bed are fine. The dimensionless geometric mean decreases with vegetation density. The fine sediment particles are trapped by vegetation, and the bed between main steam and vegetated zone increases. Moreover, the particle sizes are distributed irregularly near the zone. The hiding functions decrease with dimensionless particle size. However, the functions increase with vegetation density, which is confirmed by decreasing sediment discharge with vegetation. The lower channel is stable and the migration decreases in the condition of $0.5tems/cm^2$. However, the migration of the lower channel in the condition of $0.7stems/cm^2$ increases due to the increased sinuosity and new generated channels in the sedimentated vegetation zone.
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문제 정의
그러나 국내외에서 이에 대한 연구가 부족하며, 기존에 수행된 연구는 혼합사로 구성된 식생하천에서 유사 분급과 하도 지형변화를 파악하는데 많은 한계가 있다. 따라서 본 연구는 실내실험을 통하여 식생의 밀도 변화에 대한 하도의 지형변화와 하상토 입도분급 특성을 정량적으로 분석하고 그 특성을 파악하였다. 기존 에는 식생에 의한 하도 변화를 파악하기 위하여 주로 인공식생을 사용하였지만, 본 연구에서는 실내 실험수로에서 실제식생(알팔파)을 성장시켜서 실험을 수행하여 분석하였다.
하상 표층에서 하상토가 굵어지면 무차원 소류력이 작아져서 유사 이송량이 감소하고, 하상토 표층 입경이 작아지면 무차원 소류력이 커져서 유사 이송량이 증가하는 것을 의미한다. 본 연구에서는 무차원 하상토 입경이 감소함에 따라, 차폐효과가 일정하게 감소하는 특성을 보여주고 있다. 또한 식생 밀도가 증가함에 따라, 무차원 소류력의 비가 증가 하며, 식생 밀도가 증가함에 따라 하상 표층에서 차폐효과가 증가하는 것을 의미한다.
본 연구에서는 식생에 의한 하도 변화와 유사 분급특성을 파악하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
가설 설정
Fig. 9에서 b)의 2) 지점은 흐름이 집중되는 저수로에서 하상토가 굵어지는 특성을 보여 주고 있다. 그러나 3) 지점은 유사 이송이 활발한 하류에서 저 수로의 하상토 입경은 상대적으로 가는 특성을 보여주고 있다.
제안 방법
각 실험 결과에 대하여 시간의 변화에 대한 하도 변화를 정량적으로 파악하고 저수로 이동 특성을 파악하기 위하여, 모든 횡단면에 대한 시계열 자료를 통계 처리하여 지형변화의 상관관계를 분석하였다(Jang and Shimizu, 2007).
1(b)), 수로 경사는 1/80로 설정하였다. 고가수조 안에서 발생한 와류를 정류시키기 위하여, 수조 안에 있는 스크린에 플라스틱 격자망을 부착하였다. 고가수조에서 모래로 채워진 이동상 경사 수로에 물이 유입될 때, 유입구에서 국부세굴이 발생하므로, 고가수조의 물을 이동상 초기 수로로 유도하고, 유입구에서 국부세굴이 발생하지 않도록 길이가 0.
고가수조 안에서 발생한 와류를 정류시키기 위하여, 수조 안에 있는 스크린에 플라스틱 격자망을 부착하였다. 고가수조에서 모래로 채워진 이동상 경사 수로에 물이 유입될 때, 유입구에서 국부세굴이 발생하므로, 고가수조의 물을 이동상 초기 수로로 유도하고, 유입구에서 국부세굴이 발생하지 않도록 길이가 0.6 m 이고, 폭이 0.8 m 인 고정상 수로를 목재로 제작하고 수밀성을 확보하여 설치하였다(Fig. 1(a)).
따라서 본 연구는 실내실험을 통하여 식생의 밀도 변화에 대한 하도의 지형변화와 하상토 입도분급 특성을 정량적으로 분석하고 그 특성을 파악하였다. 기존 에는 식생에 의한 하도 변화를 파악하기 위하여 주로 인공식생을 사용하였지만, 본 연구에서는 실내 실험수로에서 실제식생(알팔파)을 성장시켜서 실험을 수행하여 분석하였다. 본 연구는 식생에 의한 하도의 변화, 유사 유출량의 특성, 하상토의 입도분포와 분급 특성, 저수로의 안정화를 분석한 내용으로 구성되어 있다.
기존 에는 식생에 의한 하도 변화를 파악하기 위하여 주로 인공식생을 사용하였지만, 본 연구에서는 실내 실험수로에서 실제식생(알팔파)을 성장시켜서 실험을 수행하여 분석하였다. 본 연구는 식생에 의한 하도의 변화, 유사 유출량의 특성, 하상토의 입도분포와 분급 특성, 저수로의 안정화를 분석한 내용으로 구성되어 있다.
식생하도를 형성하기 위하여 알팔파(alfalfa seed) 씨앗을 손으로 균일 하게 뿌린다. 이때 식생의 밀도는 씨앗의 무게와 수를 미리 측정하여, 전체 개수를 추정하였다. 그 후에 0.
식생하도 실험을 위하여 하도에서 식생을 성장시키는 것이 중요하다. 초기하도에서 60분 동안 일정한 유량을 공급하여 망상하도(braided channel)를 형성한 후에 수로에 유입되는 유량을 정지시켰다. 식생하도를 형성하기 위하여 알팔파(alfalfa seed) 씨앗을 손으로 균일 하게 뿌린다.
또한 고정상 하상과 이동상 하상 경계에서 국부세굴을 방지하기 위하여, 상류 유입구에서 일정하게 유사를 공급하였다. 하도 지형은 각 실험 단계에서 상류로부터 2~12 m 구간에서 종방향으로 0.2 m, 횡방향으로는 0.01 m 간격으로 레이저 profiler를 이용하여 측정하였다. 실험을 위한 수리학적 조건은 Table 1에 자세히 나타내었다.
혼합사로 구성된 하도에서 식생에 의한 하도변화와 하상토 분급특성을 파악하기 위하여 실내실험을 수행하였으며, 시간의 변화에 따른 하도 변화 과정을 Figs. 3과 4에 나타나 있다.
대상 데이터
본 실험을 위하여 적용된 수리학적 조건은 유사가 부유되지 않고 소류사 상태로 이동하며, 복렬사주가 발생할 조건이다. 실내실험에 사용된 혼합사는 누가입경 분포에서 통과중량 50%에 해당하는 D50은 0.85 mm 이다. 하상토 입도분포의 표준편차가 3.
실내실험은 주문 제작된 수로인 길이 12 m, 폭 2 m 수로에서 수행하였다(Fig. 1(a)).
이것은 자연 하천 저수로에서 식생이 성장하지 않은 현상을 재현하는 것과 같다(Jang, 2013). 표층에서 하상토 변화를 파악하기 위하여 시료를 채취하였으며, 가로 10 cm, 세로 20 cm, 높이 30 cm인 하상토 표층 채취기를 제작하여 사용하였다. 하상토는 실험이 완전히 종료된 후에 흐름 방향으로 0.
이론/모형
혼합사로 구성된 하상에서 소류사 이송과 표층에서 하상토 입도변화를 정량적으로 파악하기 위하여 Wilcock and Crowe (2003) 공식을 적용하였다(Viparelli et al., 2011). 단위 폭 당 총 소류사 이송량 는 개별 입자의 이송량 qbi의 합으로 정의된다.
성능/효과
1) 유사 유출 특성은 불규칙하며, 식생 밀도가 증가함에 따라 유출되는 유사량은 감소하였다. 하상고의 변화가 불규칙하며, 하상토 표층에서 유사의 입경이 작아졌다.
8의 1) 지점과 3) 지점, Fig. 9의 1) 지점은 하상고가 높지만, 하상토가 굵은 특성을 보여주고 있다. 이것은 식생대에서 유속이 느리고, 유사 이동이 거의 없으며, 식생이 성장하기 이전에 형성된 것이다.
2) 식생 밀도가 증가함에 따라 하상 표층에서 무차원 중앙입경의 비는 감소하였다. 식생에 의하여 유사가 포착되거나, 식생대와 주흐름 사이에서 경계층 흐름이 발생하여 유사가 퇴적되며, 식생대에서 흐름의 방향이 변화되어 표층에서 하상토 입도분포는 불규칙하였다.
그러나 Fig. 8의 2) 지점은 하상고가 상승하면서 하상토가 퇴적되어 하상토 입경이 작아지고 있다.
3) 무차원 하상토 입경이 감소함에 따라, 차폐효과는 일정하게 감소하였다. 식생 밀도가 증가함에 따라 하상 표층에서 차폐효과가 증가하며, 실험 수로 하류단에서 유사 유출량이 감소하는 것과 일치한다.
9에서 b)의 2) 지점은 흐름이 집중되는 저수로에서 하상토가 굵어지는 특성을 보여 주고 있다. 그러나 3) 지점은 유사 이송이 활발한 하류에서 저 수로의 하상토 입경은 상대적으로 가는 특성을 보여주고 있다. 이러한 특성은 식생이 없는 혼합사 하도에서 유사 이송량이 많은 경우에 표층입경이 작아지는 유사의 분급현상과 일치한다(Parker et al.
4) 식생의 밀도가 0.5 stems/cm2인 실험수로에서 저수로 이동은 감소하고 안정적인 특성을 보여주고 있으나, 0.7 stems/cm2인 수로에서는 저수로 이동이 활발하였다. 이것은 식생 밀도가 증가하면서 저수로 사행도가 크게 증가하고, 식생대에서 유사가 퇴적되어 새로운 저수로가 형성되었기 때문이다.
7 tems/cm )에 대한 하도 변화과정을 보여주고 있다. 시간이 증가하면서 상류에서 저수로 폭이 증가하고, 9 m 지점에서 사행도가 증가하였다. 이러한 원인은 식생이 흐름의 방향을 변화시키고, 저수로에 흐름을 집중시키기 때문이다 (Jang and Shimizu, 2007).
식생대에서 흐름에 대한 저항은 크며, 유속은 감소하였다. 시간이 증가하면서 하폭은 증가하고, 사주와 홍수터에서 발달한 식생 주변에서 입경이 가는 입자는 퇴적 되었다(Fig. 3(b)).
후속연구
본 연구는 식생대에서 소류사 이동, 유사 분급, 하도 변화를 분석하였으나, 보다 다양한 실험 조건에 대한 연구가 필요하며, 식생대에서 부유사를 고려한 실험 및 정교한 수치모의 연구가 필요하다. 또한 식생 밀도와 저수로의 이동 한계를 파악하는데 한계가 있으며, 이에 대한 연구가 필요하다.
본 연구는 식생대에서 소류사 이동, 유사 분급, 하도 변화를 분석하였으나, 보다 다양한 실험 조건에 대한 연구가 필요하며, 식생대에서 부유사를 고려한 실험 및 정교한 수치모의 연구가 필요하다. 또한 식생 밀도와 저수로의 이동 한계를 파악하는데 한계가 있으며, 이에 대한 연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
하도 식생은 어떠한 역할을 하는가?
하도 식생은 흐름, 유사이송, 하도 지형변화에 중요한 역할을 하고 있다. 하도 식생대에서 흐름에 대한 저항은 증가하고 유속은 감소하며, 흐름의 방향이 변화된다.
식생이 없는 혼합사로 구성된 하도에서 전단응력이 작아 유사 이송량이 적은 경우에는 어떤 현상이 나타나는가?
하상고가 상승하면 하상토의 입경이 가늘어지고, 하상고가 저하되면 하상토의 입경이 굵어진다. 그러나 전단응력이 작아서 유사 이송량이 적은 경우에, 표층 입경은 기층 입경보다 굵어지며, 하류로 갈수록 하상토 입경이 작아지는 하류 세립화(downstream fining) 현상이 나타난다(Paola and Seal, 1995). 그러나 식생하도에서 흐름과 저수로의 변화에 의하여 유사의 분급 특성은 매우 복잡하다.
식생대에서흐름 특성은 어떤것을 일으키는데 중요한가?
혼합사로 구성된 식생하도에서 하상토 입도분포 특성은 복잡하다.식생대에서흐름 특성은 유사의 거동과 하상토 입도 분급을 일으키는데 매우 중요하다. 초기 하도에서 저수로에 흐름이 집중되면서 유사 이동이 활발하고, 저수로에서 성장한 식생은 뿌리가 뽑히고 하류로 내려간다.
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