[논문]보 상류 교호사주의 거동에 따른 하류 지형변화에 대한 실험적 분석

이경수; 장창래; 김기정

doi:10.3741/jkwra.2019.52.s-2.801

보 상류 교호사주의 거동에 따른 하류 지형변화에 대한 실험적 분석
Experimental analysis of geomorphic changes in weir downstream by behavior of alternate bar upstream 원문보기

Journal of Korea Water Resources Association = 한국수자원학회논문집, v.52 no.10 suppl., 2019년, pp.801 - 810

이경수 (행정안전부 국립재난안전연구원) , 장창래 (한국교통대학교 토목공학과) , 김기정 (한국교통대학교 토목공학과)

초록
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본 연구에서는 실내실험을 통해 하천횡단 수리구조물인 보에 의하여 상류에서 형성된 사주가 하류 지형변화에 미치는 영향을 분석하였다. 통수초기 수로의 유입구에서 흐름 교란에 의하여 강제효과가 발생하면서 상류에서부터 교호사주가 발달하고 일정한 형상을 유지한 상태로 하류로 이동하였다. 상류에서 발생한 사주가 보를 통과하는 순간, 보 하류에 세굴되었던 하상은 퇴적이 진행되고 사주의 위상이 변화되었다. 우안에서 발달한 세굴심은 하류로 이동하지만, 사주의 위상이 변화되면서 좌안으로 이동하였다. 상류에서 발생되는 교호사주의 형태가 뚜렷할수록 하류에서 발생한 교호사주의 위상변화는 빠르게 진행되었다. 또한 강제효과가 클수록, 상류에서 교호사주의 형태는 뚜렷하게 나타났다. 사주의 위상이 바뀌면서 하류의 사주는 이동속도가 점차 감소하여 이동이 정지되는 것으로 나타났다. 교호사주의 발달이 빠를수록 하류에서 형성된 사주의 파고는 크고 파장은 짧았다. 이것은 사주의 강제효과가 클수록 사주의 이동에 영향을 주는 것을 의미한다. 또한, 시간이 증가하면서 교호사주의 크기는 증가하지만 하류로 이동하지 않고 정지되어 고정사주가 형성되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study analyzes the impact on geomorphic changes downstream due to alternate bars developed weir upstream through laboratory experiments. The disturbance, such as a spur in the side wall, of the flow at the inlet of the channel triggers the development of alternate bar upstream at the beginning of the experiment, and gradually moved downstream with keeping their shapes over time. The bed in the downstream of weir in the mid of channel scoured due to the scarcity of sediment inflow because weir upstream traps it. Moreover, bar migration speed decreases as the bars approaches to the weir with time. However, as time increases, the alternate bars upstream migrate over the weir, and sediment in the eroded bed of the weir downstream are deposited. The phase of the bar upstream changes oppositely after passing through the weir. The phase of the bar downstream changes rapidly as the shape of alternate bar is clear upstream, which is affected by the strong disturbance. The phase of bar changes, and the bar migration speed decreases gradually with time, and finally stopped due to forcing effects on the bar by the disturbance. The faster the reaction of alternate bar with a long spur, the larger the bar height formed downstream and the shorter the bar length. This means that the larger the forcing effect of bar, the more it affects the bar migration. In addition, although the size of the alternate bar increases over time, the bar doesn't migrate downstream and a forced bar is generated.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1. Plan of experimental equipment
표 Table 1. Experimental hydraulic conditions
그림 Fig. 2. Schematics for typical structure and development mechanism of bar
그림 Fig. 3. Bar migration with time for Run-3
그림 Fig. 4. Longitudinal bed elevations at the center of the channel for each run
그림 Fig. 5. Relationship between bar migration celerity (C_B) and time for each run
그림 Fig. 6. Relationship between bar height (H_B) and time for each run
그림 Fig. 7. Relationship between bar height (H_B) and bar migration celerity (C_B) for each run
그림 Fig. 8. Dimensionless location (X_B/X) of alternate bar with time for each run
그림 Fig. 9. Morphological changes with time for each run. ▲ The symbole indicates the bar front at the left and right bank with time. Flow is from left to right
그림 Fig. 10. Location of bar front at the left and right banks with time at the weir downstream
그림 Fig. 11. Bar migration speed with time at the weir upstream
그림 Fig. 12. Schematic diagram of sediment bar (Jang and Kim, 2017)
그림 Fig. 13. Relationship between dimensionless bar height (H_B*) and time for each run in the weir downstream
그림 Fig. 14. Relationship between dimensionless bar length (L_B*) and time for each run at the weir downstream
그림 Fig. 15. Relationship between dimensionless bar length (L_B*) and dimensionless bar height (H_B*) for each run at the weir downstream

AI 본문요약
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문제 정의

Ikeda (1984)는 일본에서 교호사주로 인하여 제방 측면의 침식이 나타나고, 많은 지역에 재난과 같은 다양한 문제를 일으킨다고 하였다. 따라서 교호사주로 인해 발생한 문제들에 대해서 분석하고자 실험과 현장조사, 이론을 이용해 교호사주에 대해 연구하였다. 특히, 교호사주의 이동과 파고, 파장에 대한 경험식을 제안하여 교호사주를 분석할 수 있는 기반을 마련하였다.
이것은 하천환경을 고려한 하천복원 및 관리에 중요하다. 따라서 본 연구에서는 실내실험을 통하여 상류에 설치된 하천횡단 수리구조물에 의해 흐름에 교란(disturbance)을 발생하게 하여 상류에서 형성된 사주가 하류 지형변화에 미치는 영향을 분석하였다.
본 연구에서는 실내실험을 통해 하천횡단 수리구조물인 보에 의하여 상류에서 형성된 사주가 하류 지형변화에 미치는 영향을 분석하였으며, 그 결과는 다음과 같다.

제안 방법

5 m인가변형 경사수로를 이용하였다. 고가수조에서 모래로 채워진 이동상 경사 수로에 물이 유입될 때, 유입구에서 국부세굴이 발생하지 않도록 폭 0.6 m, 길이 0.4 m의 목재로 제작된 광정위어를 설치하고 수밀성을 확보하였다(Fig. 1). 이때 하상토 입경(d_m)은 중앙입경 1.
15 m (Run-2)와 구조물이 없는 조건(Run-1)으로 구분하여 교호사주의 발달이 빠를 때, 느릴 때, 반응이 없을 때의 조건으로 실험을 수행하였다. 고정상 하상과 이동상 하상의 경계에서 국부세굴이 발생하는 것을 방지하기 위하여 실험시작부터 실험이 종료될 때까지 상류 유입구에서 일정하게 유사(sediment)를 공급하였다(Table 1). 실험을 위한 유량(Q)은 유사가 이동하여 사주가 형성될 수 있는 조건을 갖추고, Kuroki and Kishi (1984)가 제안한 영역구분의 기준에 따라 하폭 대 수심의 비에 의하여 교호사주가 발생할 수 있는 조건인 0.
, 2011). 또한 충적하천에서 하폭의 변화나 수제 등에 의해 발생한 국부적인 교란에 의하여 사주의 강제효과(forcing effects)가 발생하며, 이로 인하여 교호사주의 이동이 정지된 고정사주가 발생할 수 있음을 실내실험과 수치실험 결과를 분석하여 제시하였다. Jang and Song (2016)은 상류에서 수제의 길이 변화로 인한 국부적인 교란 강도의 변화가 사주의 파장, 사주의 이동속도 등 사주의 발달에 미치는 영향을 실내실험을 통하여 분석하였다.
Kim and Jang (2016)은 2차원 수치모형을 이용하여 복단면 하도에서 낙차공을 고려하여 하도 변화와 사주의 거동 특성을 분석하였다. 이를 위해 Ikeda and McEwan (2009)가 수행한 복단면 수로의 실내실험 결과와 비교·분석하고 Kuroki and Kishi (1984)가 제시한 사주의 영역구분에서 교호사주, 중앙사주, 복렬사주가 발생하는 수리조건과 발달과정을 정량적으로 분석하였다.
하도의 변화를 파악하기 위하여 하상의 계측은 각 실험마다 통수 15 min 이후, 30 min 간격으로 상류에서 유입되는 흐름을 중단시키고 흐름이 없는 상태에서 레이저 프로파일러를 이용해 하상 단면을 측정하였다. 측정범위는 흐름 및 하상의 교란이 발생할 수 있는 수로의 입구부분과 출구부분 각 1 m씩을 제외하고, 1 m지점부터 9 m지점까지 8 m구간을 측정하였다(Fig. 1). 측정간격은 실험수로 종방향으로 0.
02 m이다. 하도의 변화를 파악하기 위하여 통수 30 min 간격으로 실험이 진행되는 동안, 수로 하단에서 유출되는 유사를 15 min 간격으로 채집하여 유출되는 유사량을 분석하였다. 실험은 동적 평형상태(Dynamic equilibrium stage)가 될 때까지 240 min 동안 수행하였다.
하도의 변화를 파악하기 위하여 하상의 계측은 각 실험마다 통수 15 min 이후, 30 min 간격으로 상류에서 유입되는 흐름을 중단시키고 흐름이 없는 상태에서 레이저 프로파일러를 이용해 하상 단면을 측정하였다. 측정범위는 흐름 및 하상의 교란이 발생할 수 있는 수로의 입구부분과 출구부분 각 1 m씩을 제외하고, 1 m지점부터 9 m지점까지 8 m구간을 측정하였다(Fig.
상류에는 Table 1에서 보여주고 있는 구조물 설치를 통해 흐름에 교란(disturbance)을 발생하게 하여 교호사주(alternatebars)가 발달하도록 하였다. 흐름에 교란을 발생시키는 구조 물의 길이를 0.3 m (Run-3), 0.15 m (Run-2)와 구조물이 없는 조건(Run-1)으로 구분하여 교호사주의 발달이 빠를 때, 느릴 때, 반응이 없을 때의 조건으로 실험을 수행하였다. 고정상 하상과 이동상 하상의 경계에서 국부세굴이 발생하는 것을 방지하기 위하여 실험시작부터 실험이 종료될 때까지 상류 유입구에서 일정하게 유사(sediment)를 공급하였다(Table 1).

대상 데이터

보에 의한 하천횡단 수리구조물 상류와 하류의 지형변화 분석을 위한 실험장치는 길이 10 m, 폭 0.6 m, 높이 0.5 m인가변형 경사수로를 이용하였다. 고가수조에서 모래로 채워진 이동상 경사 수로에 물이 유입될 때, 유입구에서 국부세굴이 발생하지 않도록 폭 0.
5 mm의 주문진 균일사를 사용하였다. 수로바닥에는 흐름에 의해 발생하는 하상 세굴로 수로 바닥이 노출되지 않도록 0.11 m 두께로 모래를 포설하였다. 상류에는 Table 1에서 보여주고 있는 구조물 설치를 통해 흐름에 교란(disturbance)을 발생하게 하여 교호사주(alternatebars)가 발달하도록 하였다.

이론/모형

018 m이었다. 유속 (V)은 0.367 m/s이며, Manning의 평균유속 공식을 이용하여 산정하였다. 프루드 수(F _r)는 0.

성능/효과

2) 상류에서 발생한 사주가 보를 통과하는 순간, 보 하류에 세굴되었던 하상은 퇴적이 진행되고 사주의 위상이 변화되었다. 우안에서 발달한 세굴심은 하류로 이동하지만 사주의 위상이 변화되면서 좌안으로 이동하였다.
3) 보 하류에서는 시간이 증가함에 따라 무차원 사주의 파고(H_B*)는 증가하였으며, 210 min 이후부터는 일정하게 유지되었다. 무차원 사주의 파장(L_B*)은 시간이 증가함에 따라 증가하지만 Run-2에서는 210 min 이후 Run-3에서는 Run-180 min 이후에 일정하게 유지되었다.
4) 상류에서 유사가 지속적으로 공급되었기 때문에 L _B* 가 정지하더라도 H_B*는 발달하였고, L _B* 이 증가함에 따라 H_B* 는 증가하였다. 교호사주의 발달이 빠를수록 하류에서 형성된 사주의 파고는 크고 파장은 짧았다.
5). 강제효과가 가장 큰 조건인 Run-3에서 사주의 이동속도가 가장 빠르고, 교호사주의 형태가 가장 뚜렷하게 나타났다. 강제효과가 없는 조건인 Run-1에서 사주의 이동속도가 가장 느리게 나타났다.
1) 보 상류에서는 유입구에 설치된 구조물에 의해 흐름이 교란(disturbance)되면서 흐름이 수로의 우안에 집중되고 통수 30 min 후에 사주가 형성되기 시작하였다. 교란이 가장 큰 Run-3에서 사주의 이동속도가 가장 빠르고 교호사주의 형태가 가장 뚜렷하게 나타났다. 상류 유입구에서 교란이 없는 Run-1에서 사주의 이동속도가 가장 느리게 나타났다.
는 증가하였다. 교호사주의 발달이 빠를수록 하류에서 형성된 사주의 파고는 크고 파장은 짧았다. 이것은 사주의 강제효과가 클수록 사주의 이동속도, 사주의 길이와 높이 등사주의 발달에 영향을 주는 것을 의미한다.
10). 따라서, 상류에서 발생되는 교호사주의 높이가 커, 형태가 뚜렷할수록 하류에서 발생한 교호사주의 위상변화는 빠르게 진행하는 특징을 보였다(Figs. 9, 10 and 11). 이러한 원인은 보 상류에서 강제효과가 강할수록 흐름이 집중되고 사주의 이동속도가 빠르며 보 하류에서 사주의 위상 변화에 영향을 크게 미치기 때문이다.
시간이 증가하면서 사주의 이동이 정지되면서 세굴 심은 감소되었다. 따라서, 상류에서 사주의 위상변화에 의하여 하류의 지형 변화에 영향을 미치는 것으로 나타났다.
28 kg/min로 나타났다. 따라서,교호사주의 발달이 가장 빠른 조건에서 유출되는 유사량이 많은 특성을 보였다.
상류 유입구에서 교란이 없는 Run-1에서 사주의 이동속도가 가장 느리게 나타났다. 또한 사주가 보에 접근할수록 사주의 높이(H_B )는 증가하였으며 사주의 이동속도(C_B )는 감소하였다.
이것은 사주의 강제효과가 클수록 사주의 이동속도, 사주의 길이와 높이 등사주의 발달에 영향을 주는 것을 의미한다. 또한, 시간이 증가하면서 교호사주의 크기는 증가하지만 하류로 이동하지 않고 정지되어 있으며 고정사주가 형성되면서 지형 변화에 영향을 주었다. 이것은 보 상류에서 유입되는 사주의 특성에 의하여 보 하류에서 사주의 위상, 이동과 정지, 사주의 분열 등 하천 교란에 영향을 미치는 것을 의미한다.
이것은 사주의 강제효과가 클수록 사주의 이동속도, 사주의 길이와 높이 등 사주의 발달에 영향을 주는 것을 의미한다. 또한, 시간이 증가하면서 교호사주의 크기는 증가하지만, 하류로 이동하지 않고 정지되어 있으며 고정사주(fixed bar)로 형성되면서 지형 변화에 영향을 주었다. 따라서 보 상류에서 유입되는 사주의 특성에 의하여 보 하류에서 사주의 위상, 이동과 정지, 사주의 분열 등 하천 교란에 영향을 미치는 것을 의미한다.
Lee and Jang (2018a; 2018b)은 실내실험을 통하여 개량형 공압식 가동보를 대상으로 보의 기립각도 변화와 수로 경사 변화를 고려한 델타의 발달 과정에 대한 수리학적 특성을 다양한 무차원 변수들을 통해 정량적으로 파악하였다. 분석결과 동일한 수리학적 조건일 때 수로경사가 완만할수록, 보의 높이가 클수록 델타의 발달을 억제할 수 있는 효과가 큰 것으로 나타났다. Ikeda et al.
Jang and Song (2016)은 상류에서 수제의 길이 변화로 인한 국부적인 교란 강도의 변화가 사주의 파장, 사주의 이동속도 등 사주의 발달에 미치는 영향을 실내실험을 통하여 분석하였다. 분석결과, 수제의 길이가 길어질수록 사주의 이동거리와 파장은 짧아지고 이동속도는 감소하였다. 수제의 길이가 길수록 사주에 작용하는 강제효과가 강하게 작용하는 것으로 나타났다.
수로의 유입구 부분 좌안 측벽 돌출부에서 흐름이 수로의우안으로 집중되면서 통수 30 min 후에 사주가 형성되기 시작하였다. 사주의 이동속도(C_B , Bar migration celerity)의 변화는 시간이 지날수록 감소하며 사주는 보에 도달하였다. 사주의 형성 초기인 30 min에 C_B는 8.
50 cm/min로 점차 증가하였다. 상류에서 사주가 퇴적된 후 사주의 위상이 변화되면서 C B 는 Run-2와 3에서 각각 평균 2.94, 2.08 cm/min이었으며, Run-2는 240 min에, Run-3은 210 min에 사주의 이동이 완전히 정지 되는 것으로 나타났다(Figs. 11(b) and 11(c)).
분석결과, 수제의 길이가 길어질수록 사주의 이동거리와 파장은 짧아지고 이동속도는 감소하였다. 수제의 길이가 길수록 사주에 작용하는 강제효과가 강하게 작용하는 것으로 나타났다. Jang and Shimizu(2005)는 수치실험을 통하여 하안의 안정성, 사주의 이동과 정지, 파장과 이동속도의 관계를 정립하였다.
13은 각 실험 조건별로 보 하류에서 무차원 사주의 파고(H_B* )의 변화를 보여주고 있다. 시간이 증가함에 따라 H_B*는 증가하였으며, 210 min 이후부터는 일정하게 유지되었다. 무차원 사주의 파장(L _B* )의 경우에도 시간이 증가함에 따라 L B_*는 증가하지만 Run-2에서는 210 min 이후 Run-3에서는 Run-180 min 이후에 일정하게 유지되었다(Fig.
이러한 이유는 구조물에 의하여 유입구 부분에서 수로 폭이 좁아지고, 흐름이 집중되면서 강제효과가 크게 반응하여 사주의 이동속도가 빠르게 나타난 것이다. 즉, 강제효과가 클수록 교호사주의 형태가 뚜렷하게 나타났다.
상류에서 유사가 지속적으로 공급되었기 때문에 L _B*가 정지하더라도 H_B* 는 발달하였다. 파장이 증가할수록 파고도 증가하였으며, 교호사주의 발달이 빠를수록 사주의 파고는 크고 파장은 짧았다. 이것은 사주의 강제효과가 클수록 사주의 이동속도, 사주의 길이와 높이 등 사주의 발달에 영향을 주는 것을 의미한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	사주 발생으로 인한 저수로 변화를 위한 연구가 필요한 이유는 무엇인가?	사주의 발생은 하도에서 흐름의 저항과 하도 변화에 영향을 주며, 하안 침식 및 지형변동을 일으키고 있는 것으로 보고되고 있다. 따라서 사주 발생으로 인한 저수로 변화를 위한 연구가 요구되고 있다.
	델타가 발달하면 어떤 문제가 발생하는가?	델타는 댐 및 보와 같은 하천을 횡단하는 수리구조물에 의해 배수 (backwater)의 영향을 받아 수심이 깊고 유속이 느려지는 곳에서 상류 유입유사에 의하여 급격하게 퇴적되어 형성된 지형이나 그 형태를 말한다(Morris and Fan, 1997). 델타의 발달은 홍수 시 하천의 홍수위를 상승시키게 되며 보 하류에서는 상류에서 공급되는 유사(sediment)의 차단과 보를 통과하는 흐름에 의해서 침식과 퇴적이 반복되고 흐름 및 하도의 불안정과 수리구조물의 안정성을 위협하게 된다. 또한 하천의 종방향 연속성을 차단시키고 하도 지형을 변화시켜서 생태계의 물리적 서식처를 교란시킨다(Jang and Kim, 2017).
	델타란 무엇인가?	이러한 수리구조물은 하천의 흐름 및 유사의 이송에 대한 연속성을 차단하고 상, 하류에 델타(delta)의 발달과 사주의 형성과 같은 지형변화를 일으키게 된다. 델타는 댐 및 보와 같은 하천을 횡단하는 수리구조물에 의해 배수 (backwater)의 영향을 받아 수심이 깊고 유속이 느려지는 곳에서 상류 유입유사에 의하여 급격하게 퇴적되어 형성된 지형이나 그 형태를 말한다(Morris and Fan, 1997). 델타의 발달은 홍수 시 하천의 홍수위를 상승시키게 되며 보 하류에서는 상류에서 공급되는 유사(sediment)의 차단과 보를 통과하는 흐름에 의해서 침식과 퇴적이 반복되고 흐름 및 하도의 불안정과 수리구조물의 안정성을 위협하게 된다.

참고문헌 (20)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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