본 연구에서는 2차원 수치모형을 이용하여 수제의 설치간격과 길이변화에 따라 흐름특성과 하도의 변화 특성을 파악하였다. 최상류에 설치된 수제는 흐름의 영향을 직접 받으며, 단독 수제와 같은 특성이 있다. 또한 시간이 증가할수록 국부세굴은 흐름과 수제의 외측 가장자리가 만나는 지점에서 발생하며, 수제 상류로 이동한다. 하상토 퇴적은 통수초기에 수제 후면에서 발생하지만 시간이 지날수록 하류 전체에 걸쳐 나타난다. 최상류단 수제에서 무차원 수제 간격(L/b)이 클수록 세굴공 깊이는 작으나, 동적평형상태에 도달하였을 경우에 세굴공 깊이는 일정하게 유지되었다. L/b이 클수록 무차원 세굴심($y_s/H$)은 증가하지만, L/b이 10이상인 경우에는 독립성이 강해지면서 하류에 위치한 수제는 단독 수제와 같은 특성을 보였다. 그러나 L/b이 4이하인 경우에는 하류에 설치된 수제의 간섭을 받아 하류에 설치된 수제 상류에서 퇴적이 발생하였다. 따라서, 무차원 수제 간격이 4~10인 경우에 군수제의 역할이 감소되었다.
본 연구에서는 2차원 수치모형을 이용하여 수제의 설치간격과 길이변화에 따라 흐름특성과 하도의 변화 특성을 파악하였다. 최상류에 설치된 수제는 흐름의 영향을 직접 받으며, 단독 수제와 같은 특성이 있다. 또한 시간이 증가할수록 국부세굴은 흐름과 수제의 외측 가장자리가 만나는 지점에서 발생하며, 수제 상류로 이동한다. 하상토 퇴적은 통수초기에 수제 후면에서 발생하지만 시간이 지날수록 하류 전체에 걸쳐 나타난다. 최상류단 수제에서 무차원 수제 간격(L/b)이 클수록 세굴공 깊이는 작으나, 동적평형상태에 도달하였을 경우에 세굴공 깊이는 일정하게 유지되었다. L/b이 클수록 무차원 세굴심($y_s/H$)은 증가하지만, L/b이 10이상인 경우에는 독립성이 강해지면서 하류에 위치한 수제는 단독 수제와 같은 특성을 보였다. 그러나 L/b이 4이하인 경우에는 하류에 설치된 수제의 간섭을 받아 하류에 설치된 수제 상류에서 퇴적이 발생하였다. 따라서, 무차원 수제 간격이 4~10인 경우에 군수제의 역할이 감소되었다.
In this study, the characteristics of flow and bed changes with variation of space and length of serial spur dikes were investigated with 2 dimensional numerical simulation. Upstream spur dike was affected by flow and made a role as a single spur dike. As time increased, local scouring was developed...
In this study, the characteristics of flow and bed changes with variation of space and length of serial spur dikes were investigated with 2 dimensional numerical simulation. Upstream spur dike was affected by flow and made a role as a single spur dike. As time increased, local scouring was developed around outside of spur dike, and migrated upstream. The aggradation of the bed at the back of spur-dike was made at the initial stage of experiment and numerical modelling. However, the aggradation of the bed was increased in the downstream area. The scour whole around a spur dike upstream was not deep as the Dimensionless spur-dike interval (b) of the dike increased. The depth of scour hole was nearly constant at the dynamic equilibrium state. The dimensionless scour depth ($y_s/H$) increased with L/b. The spur dike downstream had the characteristics of single spur dike as the L/b was larger than 10. However, the spur dike downstream was affected by the dike upstream as the L/b was less than 4, and the bed of the upstream in the spur dike was aggradated and the effects of the serial spur dikes on the bed decreased.
In this study, the characteristics of flow and bed changes with variation of space and length of serial spur dikes were investigated with 2 dimensional numerical simulation. Upstream spur dike was affected by flow and made a role as a single spur dike. As time increased, local scouring was developed around outside of spur dike, and migrated upstream. The aggradation of the bed at the back of spur-dike was made at the initial stage of experiment and numerical modelling. However, the aggradation of the bed was increased in the downstream area. The scour whole around a spur dike upstream was not deep as the Dimensionless spur-dike interval (b) of the dike increased. The depth of scour hole was nearly constant at the dynamic equilibrium state. The dimensionless scour depth ($y_s/H$) increased with L/b. The spur dike downstream had the characteristics of single spur dike as the L/b was larger than 10. However, the spur dike downstream was affected by the dike upstream as the L/b was less than 4, and the bed of the upstream in the spur dike was aggradated and the effects of the serial spur dikes on the bed decreased.
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문제 정의
수제와 수제 사이의 변화를 정량적으로 파악하는 것은 생태 서식공간 확보와 치수적 안정성을 확보하는 매우 중요하다. 따라서 본 연구에서는 2차원 수치모형인 Nays2D를 이용하여 직선수로에서 수제의 설치간격에 따른 세굴 영향을 분석하였다.
본 연구에서는 2차원 수치모형을 이용하여 수제군이 설치되었을 때, 수제의 설치간격과 길이변화에 따라 흐름특성과 하도의 변화 과정을 파악하였으며. 그 결과는 다음과 같다.
가설 설정
경계조건으로는 상류에서 흐름을 부여하고, 하류에서 등류수심을 적용하였다. 측벽에서는 측벽에 수직으로 유속이 없는 것으로 가정하였으며, 흐름 방향으로는 활동(slip) 조건으로 가정하였다.
제안 방법
수치해석 기법으로는 엇갈림 격자(staggered grid) 상에서 이류항에는 CIP (Cubic Interpolated Pseudoparticle)법을 적용하였으며, 확산항에는 중앙차분법을 적용하였다. 경계조건으로는 상류에서 흐름을 부여하고, 하류에서 등류수심을 적용하였다. 측벽에서는 측벽에 수직으로 유속이 없는 것으로 가정하였으며, 흐름 방향으로는 활동(slip) 조건으로 가정하였다.
수제에 의한 하상 세굴은 하상과 하안의 안정성에 큰 영향을 미치므로 이를 예측하는 것은 중요하다. 수제 설계요소에 따른 하상변동 특성을 분석하기 위하여 단일수제와 연속수제 간격 조건 변화에 따른 최대세굴심( )과 수심( )의 비인 무차원 세굴심(ys/H)을 분석하였다(Figs. 11 and 12). 초기상태(t = 60 초)에서 ys/H은 0.
수제와 수제 사이의 변화를 정량적으로 파악하는 것은 치수적 안정성 및 생태 서식공간을 확보하는데 중요하며, 직선수로에서 수제의 설치간격에 따른 세굴 영향을 분석하였다. 수치모의를 하기 위한 계산조건은 Michiue and Hinokidani (1992)이 수행한 실내실험 조건과 같이 설정하였다.
수치모형의 적용성을 검토하기 위하여 Michiue and Hinokidani (1992)의 실험결과와 수치모의 결과를 비교하였다. 실험조건은 폭 0.
여기서, ξr과 ηr은 일반좌표계에서 격자의 크기와 국소적인 격자의 크기 비를 나타내며, 와 동 점성계수 vt는 k-ε model을 이용하여 해석하였다.
1과 같다. 여기서, 수치모형의 적용성을 검증하기 위한 실험조건과 같이 단일수제(single dike)로 하였다. 수치모의를 위한 계산된 격자망 수는 10(J)×150(I)=1,500개이며, 계산은 2,000초까지 수행하였다.
직선수로 또는 반경이 큰 만곡부에서는 L/b=4.0∼6.0, 반경이 작거나 비교적 급한 만곡부에서는 L/b=3.0∼4.0을 제안하였다.
하천에서 주 흐름 방향에 대한 횡단 방향으로의 소류사 이송률을 계산하기 위하여, 원심력에 의한 이차류 및 횡방향 경사를 고려하였다. ξ와 η방향에서 유사량은 Watanabe et al.
대상 데이터
수치모형의 적용성을 검토하기 위하여 Michiue and Hinokidani (1992)의 실험결과와 수치모의 결과를 비교하였다. 실험조건은 폭 0.4 m, 길이 3.0 m의 직사각형 수로에 길이 0.1 m의 수제를 설치하고, 수로바닥은 평균 입경이 0.6 mm인 균일사를 포설하였다. 수로경사는 1/300이며, 유량은 0.
이론/모형
ξ와 η방향에서 유사량은 Watanabe et al. (2001)이 제시한 방법을 사용하였으며, 다음과 같이 계산된다.
난류모델은 k-ε모델을 적용하였다.
Nays2D 모형은 2009년에 개발된 iRIC 모형에 탑재되어 있으며, Hokkaido University의 Shimizu 교수에 의해 개발되었다. 본 모형은 직교좌표계를 변환하여 형상이 복잡한 하천에도 적용할 수 있도록 경계적합좌표계(boundary fitted coordinates)를 사용하였으며, 수리구조물을 포함한 2차원 흐름특성을 계산하고, 하상변동을 모의할 수 있다.
본 모형은 평면 2차원 흐름 거동을 모의하기 위하여 흐름의 지배 방정식은 수심 적분된 2차원 연속 방정식과 운동량 방정식을 이용하였다. 직교좌표계에서 경계적합좌표계로 좌표변환한 지배방정식은 다음과 같다.
수제와 수제 사이의 변화를 정량적으로 파악하는 것은 치수적 안정성 및 생태 서식공간을 확보하는데 중요하며, 직선수로에서 수제의 설치간격에 따른 세굴 영향을 분석하였다. 수치모의를 하기 위한 계산조건은 Michiue and Hinokidani (1992)이 수행한 실내실험 조건과 같이 설정하였다. Table 3은 수제간격( )과 수제길이( )의 비인 무차원 수제 간격(L/b)의 변화에 따른 최상류단 수제 주변에서 발생하는 국부세굴을 특성과 영향을 파악하기 위한 수리학적 조건을 보여주고 있다.
#와 #는 ξ와 η방향에서 각각 단위 폭당 소류사량(m3/s/m)이다. 하상에서 소류사량은 Ashida and Michiue (1972)의 공식으로 계산하였다.
성능/효과
1) 최상류에 설치된 수제는 흐름의 영향을 직접 받으며, 단독 수제와 같은 특성이 있다. 또한 시간이 증가할수록 국부세굴은 흐름과 수제의 외측 가장자리가 만나는 지점에서 발생하며, 수제 상류로 이동한다.
2) 최상류단 수제에서 세굴공 깊이는 수제간격에 영향을 받지 않았다. 또한 최상류단 수제에서 무차원 수제 간격( b)이 클수록 세굴공 깊이는 작으나, 동적평형상태에 도달하였을 경우에 세굴공 깊이는 일정하게 유지되었다.
3) 하류단에 위치한 2번째 수제에서 수제의 간격이 좁은 경우에 하류의 위치한 수제의 간섭을 받아 퇴적 된다. 그러나 상류단 수제의 영향을 받지 않을 만큼 충분히 떨어진 수제는 독립적인 특성을 보여주었다.
4) L/b이 클수록 무차원 세굴심(y / H)은 증가하지만, L/b이 10이상인 경우에는 독립성이 강해지면서 하류에 위치한 수제는 단독 수제와 같은 특성을 보였다. 그러나 L/b이 4이하인 경우에는 상류단 수제의 영향과 하류에 설치된 수제의 간섭을 받아 하류에서 퇴적이 발생하였다.
37로 시간이 지날수록 L/b에 따른 변화가 없는 것으로 나타났다. 따라서 L/b이 작을수록 ys/H와 Fr는 증가하며, 시간이 증가할수록 ys/H는 점차 증가하였다. 또한 동적평형상태를 유지하면서 Fr는 0.
082 m까지 발달하였다. 따라서, 무차원 수제간격 조건이 4 이하인 경우에는 최상류단 수제의 영향을 받아 하상이 상승하고, 4 이상일수록 수제의 영향을 받지 않고 세굴공이 발달하는 것으로 나타났다.
그러나 Run-4에서 세굴공은 발달하지만 동적평형상태에 도달하면서 하상이 안정화되는 특성을 보였다. 따라서, 최상류단 수제에서 발달된 사주와 무차원 평균세굴심(ys/H0)의 변화를 분석한 결과 무차원 수제간격(L/b)이 4 이하인 경우에 최상류단 수제의 영향과 하류단 수제의 간섭을 받아 하류에서 하상이 상승한다. 그러나 무차원 수제 간격이 10 이상인 경우에는 수제의 독립성이 강하게 나타나며, 단독수제와 같은 특성을 보였다.
2). 재결합길이는 수제 길이의 10.8배, 재순환 영역의 최대 폭은 수제 길이의 1.4배로 나타났으며(Fig. 2), Table 2에서 보여주고 있는 것처럼, 기존의 연구자들에 의하여 제시된 연구결과와 일치하였다. Fig.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
수제의 역할은?
수제는 하천에서 흐름방향을 제어하고 하안 침식을 억제하기 위하여 설치한다. 또한 주수로에 흐름을 집중시키고 유속과 유사이송능력을 증가시켜서, 주수로에서 지형변화를 억제하고 유심선을 유지한다.
일반적으로 하천에 수제를 설치시 수제군으로 설치되는 이유는 무엇인가?
(2009)은 경사수제 주변의 흐름특성을 수리실험을 통해 분석하여 흐름중심선과 수제길이의 관계를 분석하였다. 일반적으로 하천에 수제를 설치할 때, 수제의 수가 많아질수록 흐름을 제어할 수 있는 능력이 증대되기 때문에 단독수제가 아닌 수제군으로 설치되고 있다. 수제의 설치 간격은 하류흐름과 재순환구역(return flow zone)의 특성이 다양하게 변화하며, 하상변화 및 하안침식에 큰 영향을 미치기 때문에 수제의 길이와 밀접한 관계가 있다.
수제의 최근 설치 목적은?
또한 주수로에 흐름을 집중시키고 유속과 유사이송능력을 증가시켜서, 주수로에서 지형변화를 억제하고 유심선을 유지한다. 최근에는 수생태계 생물 서식지 복원을 위하여 설치되고 있으며(Shields et al., 2000), 치수뿐만 아니라, 하천환경을 복원하는데도 적용되고 있다. 또한 수제에 의한 흐름 및 세굴심의 변화에 대한 현장조사, 실험 및 수치모의를 통하여 다양하게 연구되어 왔다.
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