[논문]실내실험에 의한 기능을 상실한 보 철거로 인한 하도의 적응과정 분석

장창래; 이경수

doi:10.3741/jkwra.2020.53.11.951

실내실험에 의한 기능을 상실한 보 철거로 인한 하도의 적응과정 분석
Experimental analysis on the channel adjustment processes by weir removal 원문보기

Journal of Korea Water Resources Association = 한국수자원학회논문집, v.53 no.11, 2020년, pp.951 - 960

장창래 (한국교통대학교 토목공학과) , 이경수 (행정안전부 국립재난안전연구원)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 실내실험을 통하여 기능을 상실한 보 철거로 인하여, 급경사가 형성된 짧은 구간에서 두부침식과 천급점 변화, 그리고 교호사주의 거동을 고려한 하도의 적응과정을 정량적으로 분석하였다. 보 상류에서 두부침식이 발생하여 천급점은 상류로 이동하였다. 실험초기에 빠르게 이동하지만, 시간이 증가하면서 이동속도가 감소하였다. 교호사주가 발달한 조건에서 이동속도는 사주가 발생하지 않은 조건에서보다 빨랐다. 세굴심은 교호사주가 발생하지 않는 조건에서 보다 발생하는 조건에서 더 깊었다. 시간이 증가할수록 최대세굴심은 하류로 이동하며, 최대세굴심의 깊이와 이동속도는 감소하였다. 무차원 최대세굴심은 상류에서 유입되는 유사가 포착되고 되메우기가 진행되면서 이동속도가 감소하였다. 무차원 되메우기 속도가 증가할수록 무차원 최대세굴심은 감소하였다. 초기에 최대세굴심이 깊은 곳에서 되메우기가 빠르게 진행되며, 최대세굴심이 얕은 곳에서는 되메우기가 느리게 진행되었다. 특히, 무차원 되메우기 속도가 5이하에서는 무차원 최대세굴심이 급격하게 감소하며, 그 이후에서는 완만하게 감소하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigates the adjustment processes of the rivers after weir removal through laboratory experiments. Delta upstream eroded rapidly by flow at the initial stage of the experiments and the knickpoint migrates upward. Moreover, the knickpoint moves fast upward on the condition of alternate bars. The head cutting in the bed is developed fast at the initial stage. However, the erosion speed in the bed decreases with time. The well developed alternate bars migrates with keeping their shape downstream, and the bars affect the channel downstream to adjust new environments after weir removal. Maximum scouring depth downstream and the migration speed decrease over time after removing the weir. The scouring depth in the channel without alternate bars migrates with speed. However, the depth in the channel with alternate bars migrates slow downstream. The channel with alternate bars, in turn, is adjusted well to the new equilibrium states. The maximum scouring depth migrates downstream with time, and the scouring depth and its migration speed decreases with time. The dimensionless maximum scouring depth decreases with the migration speed of dimensionless maximum scouring depth because the deeply scoured places capture the sediments from upstream and the migration speed is slow as the places are filled with them. The dimensionless maximum scouring depth is shallow as the dimensionless backfilling speed is high. The dimensionless maximum scouring depth decreases rapidly less than 5 of dimensionless backfilling speed. However, the depth decreases slow more than 5 of it.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1. Sketch of a knickpoint and transient flow in the oversteepened reach (Cui and Wilcox, 2008; Jang, 2012)
그림 Fig. 2. Flume with a transverse plate partially disturbing the inflow to trigger the alternate bar upstream
표 Table 1. Hydraulic conditions for laboratory experiments
그림 Fig. 3. Knickpoint migration with time for Run-1; (a) Initial bed, (b) and (c) Headcutting and knickpoint migration upstream, (d) bar migration downstream
그림 Fig. 4. Longitudinal bed elevations at the center of the channel for each run (← : ① Knickpoint erosion and retreat, → : ② Moving downstream)
그림 Fig. 5. Morphological changes with time for each run. ▼ indicates the location of the knickpoint upstream and ▲ states the location of maximum erosion downstream with time. Flow is from left to right
그림 Fig. 6. Location of Knickpoint from upstream with time for each run
그림 Fig. 7. Knickpoint migration celerity with time for each run
그림 Fig. 8. Location of maximum scour depth from upstream with time downstream for each run
그림 Fig. 9. Celerity of maximum scour depth(C_s) with time for each run
그림 Fig. 10. Location of maximum scour depth with distance from up-stream for each run
그림 Fig. 11. Scour depth at 4.2 m (D_4.2m) with time for each run
그림 Fig. 12. Plot of C_b versus time for each run
그림 Fig. 13. Plot of C_s versus C_b for each run
$Fig. 14. Plot of <TEX>$D^*_{max}$</TEX> versus <TEX>$C^*_s$</TEX> for each run$ 그림 Fig. 14. Plot of $D^*_{max}$ versus $C^*_s$ for each run
$Fig. 15. Plot of <TEX>$D^*_{max}$</TEX> versus <TEX>$C^*_b$</TEX> for each run$ 그림 Fig. 15. Plot of $D^*_{max}$ versus $C^*_b$ for each run

AI 본문요약
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문제 정의

보 상류에 유사가 퇴적된 후, 보를 철거하였으며, 이때, 상류와 하류의 하상고가 크게 차이가 나는 단차가 형성된다. 이때부터, 본 연구의 목적인 보 철거 후, 하도의 적응과정을 파악하기 위한 실험을 하였다. 실험이 진행되는 동안에 수로 유입구에서 국부적인 세굴이 발생하지 않도록 유사를 공급하였다.

제안 방법

두부침식에 의하여 유입되는 유사에 의해 하류에서 하상이 되메워지는 과정을 분석하기 위하여 실험시작 전 최대세굴심이 발생하였던 4.2 m지점에서 하상고 변화, 되메우기 속도를 분석하였다. 또한 단차가 형성된 구간에 대한 하도의 적응 과정을 의미하는 무차원 최대세굴심(#), 무차원 되메우기 속도(#), 무차원 최대세굴심 이동속도(#)를 분석하였다.
보에 의해서 단차가 발생한 지점에서 하류로 하상고와 사주의 변화를 파악하여 하도의 적응과정을 분석하였다.
본 연구에서는 실내실험을 통하여 기능을 상실한 보 철거로 인하여, 급경사가 형성된 짧은 구간에서 두부침식과 천급점 변화, 그리고 교호사주의 거동을 고려한 하도의 적응과정을 정량적으로 분석하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
0045 m³/s로 결정하였다. 수로경사(i)는 주어진 유량 조건에 대하여 소류사는 발생하지만, 부유사는 발생하지 않은 조건이 되도록 예비실험을 통해 1/100으로 결정하였다. 유사의 이동을 결정하기 위한 매개변수는 무차원소류력(dimensionless tractive force)이며 다음과 같다
보에 의해서 단차가 발생한 지점에서 하류로 하상고와 사주의 변화를 파악하여 하도의 적응과정을 분석하였다. 실험 초기 하류에서 하상고의 변화 과정을 분석하기 위하여 교호사주에 의해 흐름이 집중되어 하상이 침식된 세굴심의 위치, 세굴심의 이동속도, 세굴깊이 등을 분석하였다. Figs.
, 2019). 실험조건은 수로의 유입구에서 돌출부의 길이 변화에 따른 교란정도에 따라 교호사주의 발달이 없을 조건(Run-1), 교호사주의 파고가 작은 조건(Run-2)과 교호사주의 파고가 상대적으로 큰 조건(Run-3)에 대하여 실험을 하였다(Table 1). 교호사주는 하류로 이동하여 수로 중간에 설치한 보까지 도달하고, 유사가 퇴적되었으며, 이러한 과정은 Lee et al.
하상고는 실험초기에 통수 2 ~ 3 min 간격으로 측정하고, 10 min 후부터 하상고는 5 min 간격으로 측정하였다. 이 때 상류에서 유입되는 흐름을 중단시키고 흐름이 없는 상태에서 레이저 프로파일러를 이용하여 하상 단면을 측정하였다. 측정범위는 흐름 및 하상의 교란이 발생할 수 있는 수로의 입구부분과 출구부분 각 1 m씩을 제외하고, 1 m지점부터 9 m지점까지 8 m를 측정하였다.
이와 같이, 기존 연구는 수리구조물 철거로 인한 흐름특성 분석과 상류 천급점의 거동 등 종방향 하상고의 변화에 대한 연구가 주로 수행되어 왔으나, 보 철거 후에 하도의 적응과정에서 사주가 하천의 평면변화에 어떻게 영향을 미치는지를 정량적으로 분석한 연구가 없는 실정이다. 이러한 하천의 평면변화는 치수적 안정성뿐만 아니라, 서식처 형성 등 하천환경에 중요한 영향을 주기 때문에, 본 연구에서는 실내실험을 통하여 기능을 상실한 보 철거로 인하여, 급경사가 형성된 짧은 구간에서 천급점 변화와 교호사주의 거동을 고려한 하도의 적응과정을 정량적으로 분석하였다.
이 때 상류에서 유입되는 흐름을 중단시키고 흐름이 없는 상태에서 레이저 프로파일러를 이용하여 하상 단면을 측정하였다. 측정범위는 흐름 및 하상의 교란이 발생할 수 있는 수로의 입구부분과 출구부분 각 1 m씩을 제외하고, 1 m지점부터 9 m지점까지 8 m를 측정하였다. 측정간격은 실험수로 종방향으로 0.

대상 데이터

보 철거에 의한 하류 하천의 적응과정 분석을 위하여, 길이 10 m, 폭 0.6 m, 높이 0.5 m인 가변형 경사수로를 이용하였다 (Fig. 2). 수로 유입구에서 국부세굴이 발생하지 않도록 길이 0.
4 m의 고정상 하상을 설치하였다. 하상토는 중앙입경 1.5 mm의 균일사를 사용하였다. 수로의 유입구에 흐름을 교란시켜서 교호사주(alternate bars)가 발달하도록 흐름의 횡방향으로 판(transverse plate)을 설치하였다(Crosato et al.

성능/효과

1) 보 상류에서 발달한 삼각주는 보 철거 직후 흐름에 의하여 급격하게 하류로 유실되고, 천급점은 상류로 전파되었다. 상류에서 교호사주가 발달한 조건에서 천급점의 이동속 도는 사주가 발생하지 않은 조건에서보다 빨랐다.
2) 보 철거 후에서 최대세굴심의 깊이는 시간이 증가할수록 감소하고, 최대세굴심의 이동속도도 감소하였다. 상류에서 사주의 발생이 없는 Run-1에서 세굴심의 이동속도는 가장 빠르며, 상류에서 교호사주가 크게 발생하는 Run-3 에서 세굴심의 이동속도가 가장 느렸다.
3) 하류에서는 시간이 증가할수록 최대세굴심(Dmax)은 하류로 이동하며, 최대세굴심 깊이와 이동속도(C_s)는 시간이 지날수록 감소하였다. 하상의 되메우기 속도(C_b)는 실험초기에 빠르게 진행되었지만, 하상의 되메우기가 끝난 후부터 급격하게 감소하지만, 시간이 증가하면서 0.
4) 무차원 최대세굴심의 이동속도(C^*_s)가 증가할수록 무차원 최대세굴심(# )은 감소하였다. 이는 상류에서 유입되는 유사가 깊게 세굴된 곳에 포착되고 되메우기가 진행되면서 세굴심이 상대적으로 느리게 이동하기 때문이다.
5) 무차원 되메우기 속도(# )가 증가할수록 무차원 최대세굴심(# )은 감소하였다. 초기에 최대세굴심이 깊은 곳에서 되메우기가 빠르게 진행되며, 최대세굴심이 얕은 곳에서는 되메우기가 느리게 진행되었다.
이곳에서 실험 초기에 모든 실험조건에서 하상고는 급격하게 상승하였다. 그러나 Run-1에서 최대세굴심은 20 min이 지나서야 일정하게 유지되었으며, Runs-2와 3에서 최대세굴심은 5 min 후 거의 일정하게 유지되며 하상고와 수면이 거의 평행한 상태에 도달하였다. Run-1에서 실험초기에 하상고가 -4.
상류에서 교호사주가 발생하는 Runs-2와 3은 천급점이 15 min 후에 상류에서 이동이 정지되었다. 따라서, 상류에서 교호사주가 발달한 조건에서 사주가 발생하지 않은 조건에서보다 천급점의 이동속도가 빠른 것을 알 수 있다(Fig. 7).
상류에서 교호사주가 발달한 조건에서 천급점의 이동속 도는 사주가 발생하지 않은 조건에서보다 빨랐다. 또한 두 부침식은 실험초기에 빠르게 발생하지만, 시간이 증가하면서 침식속도가 감소하였다. 보 상류에서 교호사주가 잘 발달할수록 보 하류에서 사주의 형상은 잘 유지되며, 이동하였다.
(2019)은 보 상류에서 유사가 퇴적되는 과정과 보 하류에서 발생하는 지형변화를 정량적으로 분석하고, 보 상류에서 발달한 교호사주의 영향이 보 하류에 미치는 영향을 실내 실험을 수행하여 규명하였다. 보 상류와 하류에서 사주의 이동 속도, 사주의 파고, 사주의 파장 등의 특성을 분석하고, 사주의 파고가 클수록 하류에서 미치는 영향이 큰 것을 파악하였다.
여기서 최대세굴심은 보 철거 전에 실험수로 상류에서 교호사주가 형성되어 보 하류에 영향을 주어 발달한 것이며, 보 철거 후에서 사주의 변화과정을 파악하는 데 중요한 인자이다. 시간이 증가할수록 최대세굴심은 하류로 이동하였으며, 최대세굴심의 이동속도(celerity of maximum scour depth, C_S)는 감소하였다.
실험초기에 4.2 m지점에서 발생한 최대세굴심의 되메우기 속도(C_b, backfilling celerity of maximum scour hole)는 Run-1 에서 0.14 ~ 1.30 cm/min로 가장 빨랐으며, Run-2에서 0.11 ~ 0.94 cm/min이고, Run-3에서 0.02 ~ 0.86 cm/min으로 되메우기 속도가 느린 것으로 나타났다(Fig. 12).
3cm/min이었다. 이동속도는 실험시작 후 7 min까지 급격하게 감소하였으나, 이동속도는 상대적으로 완만하게 감소하였다. 이러한 원인은 실험 초기에 상류에서 두부침식에 의하여 유입되는 유사가 하류에서 형성된 세굴심에 공급되고 되메우기가 진행되어, 세굴심은 빠르게 이동하지만, 상류에서 유사공급이 없을 때 세굴심은 느리게 하류로 이동하기 때문으로 판단된다.
2 m지점에서 되메우기 속도(C_b)도 빠른 것으로 나타났다. 하상에 되메우기가 끝난 후 5 min부터 최대세굴심의 이동속도는 급격하게 감소하지만, 4.2 m지점에서 하상의 되메우기 속도는 0.13 cm/min이하로 일정하게 유지되는 것으로 나타났다(Figs. 12 and 13).
)는 시간이 지날수록 감소하였다. 하상의 되메우기 속도(C_b)는 실험초기에 빠르게 진행되었지만, 하상의 되메우기가 끝난 후부터 급격하게 감소하지만, 시간이 증가하면서 0.13 cm/min로 일정하게 유지되었다.

후속연구

Jang (2012)은 상류와 사류가 혼재한 흐름과 하상고의 급격한 변화를 안정적으로 해석할 수 있는 고정도 수치해석 기법인 CIP 기법을 적용한 2차원 하상변동 수치모형을 적용하여, 두부침식에 의한 천급점의 거동 특성, 하천의 종방향 및 평면 변화 과정을 정량적으로 분석하였다. 그러나 본 연구는 단차가 형성된 구간에서 사주의 거동을 고려한 하도의 적응과정을 파악하는데 한계가 있다.
본 연구에서는 균일사로 이루어진 하상에 소류사 이송만을 고려하여 보 철거 후에 사주의 거동에 의한 하도의 적용과정을 파악 하였으며, 소류사가 지배적인 실제하천에서 하천의 지형 변화를 고려한 적응과정을 파악하는 곳에 본 연구결과가 중요한 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 그러나 본 연구를 수행함에 있어서 실제하천에 대한 보와 사주의 축척(scale), 그리고 정상류의 흐름조건은 실제하천의 상황과 차이가 있으며, 본 연구결과를 실무에 적용하는데 한계가 있다. 따라서, 향후에 이러한 실제하천의 현황, 수리학적 조건, 하상토의 혼합사 특성, 그리고 부유사의 이송확산 특성을 고려한 추가적인 연구가 수행되어야 할 것이다.
그러나 본 연구에서는 상류와 사류가 혼재한 흐름에서 하상고의 급격한 변화 과정을 정교하게 모의하는 것은 한계가 있다. Jang (2012)은 상류와 사류가 혼재한 흐름과 하상고의 급격한 변화를 안정적으로 해석할 수 있는 고정도 수치해석 기법인 CIP 기법을 적용한 2차원 하상변동 수치모형을 적용하여, 두부침식에 의한 천급점의 거동 특성, 하천의 종방향 및 평면 변화 과정을 정량적으로 분석하였다.
댐이나 보의 철거로 하천의 종방향 연속성을 회복하기 위한 복원 사업을 수행할 때, 하천의 지형 변화로 발생하는 일시적인 교란은 하천의 유지·관리에 중요하므로, 이에 대한 연구가 필요하다(KICT, 2008). 더욱이, 하도의 단면적 변화뿐만 아니라, 하상 세굴위치, 세굴심의 변화, 사주의 이동과 변화 등은 하천의 지형변화를 파악하는 중요한 자료이므로, 이에 대한 연구도 필요하다.
그러나 본 연구를 수행함에 있어서 실제하천에 대한 보와 사주의 축척(scale), 그리고 정상류의 흐름조건은 실제하천의 상황과 차이가 있으며, 본 연구결과를 실무에 적용하는데 한계가 있다. 따라서, 향후에 이러한 실제하천의 현황, 수리학적 조건, 하상토의 혼합사 특성, 그리고 부유사의 이송확산 특성을 고려한 추가적인 연구가 수행되어야 할 것이다.
본 연구에서는 균일사로 이루어진 하상에 소류사 이송만을 고려하여 보 철거 후에 사주의 거동에 의한 하도의 적용과정을 파악 하였으며, 소류사가 지배적인 실제하천에서 하천의 지형 변화를 고려한 적응과정을 파악하는 곳에 본 연구결과가 중요한 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 그러나 본 연구를 수행함에 있어서 실제하천에 대한 보와 사주의 축척(scale), 그리고 정상류의 흐름조건은 실제하천의 상황과 차이가 있으며, 본 연구결과를 실무에 적용하는데 한계가 있다.

참고문헌 (11)

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원문보기 상세보기
Jang, C.-L., and Jung, K.S. (2010). "Experimental study on the ad justment processes of minning pit in the dredged channels." Journal of Korea Water Resources Association, KWRA, Vol. 43, No.7, pp. 657-666, doi: 10.3741/JKWRA.2010.43.7.657 (in Korean).

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Jang, C.-L., and Shimizu, Y. (2010). "Numerical simulation of sand bars downstream of Andong Dam." Journal of The Korean Society of Civil Engineers, Vol. 30, No. 4B, pp. 379-388.
Korea Institute of Construction Technology (KICT) (2008). The stream eco-corridor restoration and water quality improvement by weir removal with its function lost.
Lee, K.S., Jang, C.-L., and Kim, G.J. (2019). "Experimental analysis of geomorphic changes in weir downstream by behavior of alternate bar upstream." Journal of Korea Water Resources Association, KWRA, Vol. 52, No. S-2, pp. 801-810.

저자의 다른 논문 :

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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