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가설 설정
- 경계조건으로 상류에는 유량과 유사량을 설정하였으며, 하류에는 등류수심을 설정하였다. 측벽에서는 측벽에 유속이 없는 것으로 가정하여 비활동 조건 (no slip)을 적용하였다 (Jang and Shimizu 2005).
제안 방법
- Nays2DH 모형은 iRIC 모형에 탑재되어 있으며, 직교좌표계를 경계적합좌표계로 변환하여 형상이 복잡한 하천을 모의하는데 적합하도록 하였다. 본 모형은 하천의 지형 및 수리구조물을 고려한 2차원 흐름특성을 계산하고, 하안침식과 식생의 영향을 고려한 하도 변화와 유사의 분급 현상을 모의할 수 있다.
- 급만곡부에서 유량의 변화에 의한 하도의 변화와 수리학적 특성을 분석하였다. Fig.
- 그러나 이러한 특성은 소규모 실내실험과 현장조사를 통하여 제시되었으나, 규모가 큰 실제하천에서 조사되지 않았다. 따라서 본 연구에서는 사주의 거동(Jang and Shimizu 2005, Kang et al. 2016), 수리구조물에 의한 하상변동 (Lee and Jang. 2016), 하도식생에 의한 지형 변화(Jang and Shimizu 2005, Iwasaki et al. 2016, Schuurman et al. 2016)를 예측할 수 있는 2차원 수치 모형인 Nasy2DH를 이용하여 모래로 구성된 내성천을 대상으로 급만곡부에서 유량의 변화에 의한 흐름의 공간적인 분포 특성과 하상고의 변화 과정을 분석하였다.
- 만곡부의 유속 분포를 정량적으로 파악하기 위하여 주요지점에서 횡방향 유속 분포와 하상변동에 영향을 미치는 무차원소류력을 파악하였다 (Fig. 7). Fig.
- Nays2DH 모형은 iRIC 모형에 탑재되어 있으며, 직교좌표계를 경계적합좌표계로 변환하여 형상이 복잡한 하천을 모의하는데 적합하도록 하였다. 본 모형은 하천의 지형 및 수리구조물을 고려한 2차원 흐름특성을 계산하고, 하안침식과 식생의 영향을 고려한 하도 변화와 유사의 분급 현상을 모의할 수 있다.
- 일반적으로 격자는 흐름 방향의 격자크기 대 흐름의 횡방향 격자크기의 비가 2 배에서 10배정도 될 때 안정적인 결과를 나타낸다. 본 연구에서는 하상경사가 상대적으로 급하고 사행이 많이 형성된 지형적인 영향을 고려하여 흐름방향의 격자 크기 대 흐름의 횡방향 격자 크기의 비를 2배로 설정하였다. 흐름방향으로 격자 크기 (D x )는 0.
- 유량의 변화에 의한 만곡부에서 하도의 변화를 파악하기 위하여 흐름의 분포와 하상변화를 파악하였다 (Fig. 10). 유량이 증가함에 따라, 전체적으로 유속은 증가하며, 하상이 저하되고 있다.
- 상류에서 유입되는 유량과 유사량의 비는 Table 1에서 제시된 수치모의 시나리오에 따라 결정하였다. 특히, 댐 하류 하천에서 하도의 변화를 파악하기 위해서, 댐에 의한 유사의 포착율을 고려하여 댐 하류 하천에 공급되는 유사량을 변화시켰으며, 지류인 서천의 영향을 고려하기 위해서는 본류의 면적비로 산출된 서천에서 유입되는 유사량과 댐 하류하천에서 유입되는 유사량을 고려하여 분석하였다.
- 031을 적용하였다. 하도의 변화를 파악하기 위하여 강우의 지속시간과 댐하류로 방류할 수 있는 방류량과 댐의 운영 시간을 고려하여 48 시간 동안 모의하였다. 수치모의 계산을 위한 계산 시간 간격은 수치분산을 피하고 안정적인 해를 얻으며, 정교한 하상변동 결과를 도출할 수 있도록 0.
대상 데이터
- 본 연구에서는 낙동강 제 1 지류인 내성천 상류에 위치하고 있는 영주댐에서 4 km 하류인 서천이 합류되는 지점에서부터 하류로 6 km 구간에서 댐에 의한 하류 하천의 변화를 2차원 수치모형을 이용하여 모의 하였다 (Fig. 1). 내성천은 모래하천으로 구성되어 있으며, 댐건설에 의하여 하류로 공급되는 유사가 감소되면, 하상이 저하되고 하상토 크기가 굵어지며, 저수로의 역동성이 감소되는 등 하도의 변화가 예상되고 있으며, 이를 저감시키기 위하여 유사공급 방안 검토되고 있다 (Kang et al.
이론/모형
- Nays2D모형에서는 난류에 대한 문제를 해결하기 위하여 zero 방정식을 적용하였다. 하상마찰속도와 수심 지배적 운동량 이송을 고려한 와동점성계수 νt는 다음과 같다.
- 댐 하류하천에서 하도의 지형변화와 하상보호공의 효과를 검토하기 위하여 2차원수치모형을 적용하였으며, 수치모의를 위한 수리학적 조건은 Table 1에 설명 되어 있다. 상류에서 유입되는 유량과 유사량의 비는 Table 1에서 제시된 수치모의 시나리오에 따라 결정하였다.
- 특히 토사가 공급되는 댐 직하류 만곡부에서 하도 변화 과정과 흐름 특성을 잘 모의하였다. 따라서 사행하천에서 흐름 및 하도변화 과정을 잘 모의한 Nays2DH 모형을 본 연구에서 직접 적용하였다.
- 본 모형은 2차원 흐름 거동을 모의하기 위하여 흐름의 지배방정식은 수심 적분된 연속 방정식 및 운동량 방정식을 이용하였다. 직교좌표계에서 경계적합좌표계로 좌표 변환한 지배방정식은 다음과 같다.
- 본 연구에서 내성천 만곡부에서 유량의 변화에 의한 흐름 및 하도 변화를 2차원 수치모형을 이용하여 분석하였다. 만곡부를 통과 된 후에 하폭이 좁은 구간에서 만곡부 외측으로 수심이 깊게 형성되었다.
- 수치해석 기법으로는 엇갈린 격자 (staggered grid) 상에서 이류항은 CIP (cubic interpolated pseudoparticle) 법을 적용하였으며, 확산항에는 중앙차분법을 적용하였다. 경계조건으로 상류에는 유량과 유사량을 설정하였으며, 하류에는 등류수심을 설정하였다.
- (수식)와 (수식)는 ξ와 η방향에 대한 단위폭당 소류사량이며, J는 Jacobian 이다. 유사량은 Ashida and Michiue (1972)의 공식으로 계산하였으며, 다음과 같다.
성능/효과
- 또한 이 구간에서 저수로의 분열과 합류가 지속적으로 발생하고 있는 것을 보여주고 있다. 본 연구 구간에서 1971년부터 2009년까지 저수로폭 대 하폭의 비는 감소하는 경향을 보여주고 있다 (Fig. 3). 저수로 폭의 감소는 유량의 변화, 하상고의 변화, 유입유사량의 변화, 저수로의 변화 등과 관련이 있으며, 하도의 역동성 영향을 준다.
- 유량이 증가하면 만곡부에서 외측에서 깊게 세굴되었으며, 만곡부 내측에서는 하상고가 많이 상승되었으며 (Fig. 8 (b)), 하상고 저하 및 상승의 변화량이 증가하며, 하상의 기복이 증가하였다.
후속연구
- 이러한 과학적인 사실 이외에, 홍수로부터 하안 침식과 침수 등 피해를 저감하고 자연친화적으로 하천을 관리하기 위하여 이에 대한 연구가 필요하다.
- 향후에는 연속적으로 발달한 사행하천에서 하상전 단응력의 공간적인 분포와 유사의 분급 현상의 상호 관계를 분석하고, 여울과 웅덩이의 형성과정을 정량적으로 해석해야 할 것이다.
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