초록 ▼

지속적이고 친환경적인 하천 지표수 개발을 위해서는 실제하천에서의 수리, 유사, 수질 거동을 정확하게 해석하는 것이 필수적이므로, 본 과제에서는 하천의 흐름, 유사, 오염물 확산거동 해석을 위한 2차원 수치모형을 개발하고 이를 하천에서 실측한 현장자료 및 수리실험에서 취득한 실험치 등을 이용하여 체계적으로 검증함으로써 국내 하천 및 유역의 수리학적 특성을 적절하게 반영한 모형을 확립하고자 한다.
본 세부과제는 5개의 소과제로 구분하여 수행하며 각 소과제별 연구내용은 다음과 같다.
$\bigcirc$ 하천

지속적이고 친환경적인 하천 지표수 개발을 위해서는 실제하천에서의 수리, 유사, 수질 거동을 정확하게 해석하는 것이 필수적이므로, 본 과제에서는 하천의 흐름, 유사, 오염물 확산거동 해석을 위한 2차원 수치모형을 개발하고 이를 하천에서 실측한 현장자료 및 수리실험에서 취득한 실험치 등을 이용하여 체계적으로 검증함으로써 국내 하천 및 유역의 수리학적 특성을 적절하게 반영한 모형을 확립하고자 한다.
본 세부과제는 5개의 소과제로 구분하여 수행하며 각 소과제별 연구내용은 다음과 같다.
$\bigcirc$ 하천흐름해석 : 흐름해석 분야에서는 하천구조물 및 난류영향을 고려한 2차원 흐름해석을 위하여 Petrov-Galerkin 기법에 의한 2차원 흐름해석 유한요소 모형을 개발하여 유사 및 오염확산 수치모형과 연계한다.
$\bigcirc$ 유사이동 및 하상변동 해석 : 국내하천의 특성을 고려한 부정류에 의한 유사이동 및 하상변동의 계산을 위한 1차원 모형 및 2차원 유한요소 모형을 개발하며, 나아가서 식생 및 오염 토사의 영향을 모형에 고려한다.
$\bigcirc$ 하천오염확산 해석 : 하천오염확산 해석을 위해서 자연하천의 확산특성을 모의할 수 있는 2차원 오염확산 수치모형을 개발하며, 하천오염확산에 대한 실험을 수행하여 사행 등을 고려한 종?횡분산계수 추정식을 개발한다.
$\bigcirc$ 하천수리모형실험 : 하천흐름, 유사이동 및 하상변동, 오염확산 해석 모형의 검증 자료를 제공하기 위한 고정상, 이동상 실험을 수행한다.
$\bigcirc$ 하천현장조사 및 실험 : 실제하천에서 현장조사 및 실험을 실시하여, 하천 수리, 유사 및 하상퇴적물, 오염확산 자료를 수집한다.
본 과제에서 개발한 2차원 하천 흐름, 유사 및 하상변동, 오염확산 해석기술은 지속적이고 친환경적인 하천 지표수 개발을 위한 계획수립 및 영향평가에 필수적으로 활용될 것이며, 나아가서 일반적인 하천 개발 및 관리 실무에 광범위하게 활용될 것으로 기대된다.

Abstract ▼

This research consists of five subjects, and the summary of each subject is as follows.
1) Analysis and Modeling of River Flow
This research proposes a SU/PG(Streamline-Upwind/Petrov-Galerkin) finite element technique considering characteristic directions of disturbances. The upwinding matrice

This research consists of five subjects, and the summary of each subject is as follows.
1) Analysis and Modeling of River Flow
This research proposes a SU/PG(Streamline-Upwind/Petrov-Galerkin) finite element technique considering characteristic directions of disturbances. The upwinding matrices have the property of reducing correctly to the optimal one-dimensional system case, thus overcoming the problem of crosswind diffusion. And fixed boundary method and Wetted Area Method are developed to analyze inundatation and evacuation process. SU/PG model is modified using the two method and inundation problem is analyzed. Numerical experiments showed that the proposed method is able to accurately simulate complex flow feature such as shock wave, dam-break wave, transcritical flow between supercritical and subcritical flows and inundation problem. Simulation results agree with those of observed and those by previous researchers. It was concluded that SU/PG scheme can successfully model river hydrodynamics without significant parameter variations. It was due to its consideration of the fundamental role of the characteristics in quantifying the upwind weighting.
2) Analysis and Modeling of Sediment Transport and Bed Elevation Change
Two dimensional finite element model for the simulation of flow and bed
evolution is developed and analyzed. To consider the complex geometry of natural river, two dimensional and finite element method is adopted to the model. The Streamline upwind Petrov-Galerkin finite element method is used to solve the system that exhibits highly selective damping characteristics. The choice of this scheme will extend the application range of the model such as hydraulic jump or surge. In order to increase the accuracy and the applicability, the bend and the vegetation effect is inserted into the model. In order to demonstrate the model's capability of predicting both flow and bed evolution, we applied the developed model to various cases. The comparison of prediction with measured data shows that the results simulated by this model are resonable. By the verification of the present developed model, the numerical experiment is performed and the results are compared with the observed data. The developed two dimensional model ensures the accuracy like one dimensional model and produces the resonable results.
3) Analysis and Modeling of River Pollutant Transport
In order to achieve the objective, there was constructed the numerical model on the 2-D transport equation by means of the finite element method. In the laboratory experiments, 3-D flow field and concentration field were observed to investigate hydraulic and mixing characteristics in the meandering channel. Also, fields tests were performed at meandering natural streams where have various meader patterns. The developed numerical model was verified using experimental results which were obtained by tracer tests in the laboratory S-curved channel, and was compared with commercial software RMA4. The results of RMA4 failed to analyse mixing phenomena exactly in a meandering channel, whereas those of the developed numerical model showed exact mixing phenomena in a meandering channel as well as a straight channel. In the results of laboratory experiments, the primary flow occurred taking the shortest course, and secondary flow repeated creation and decay along the meandering channel. Through the field tests, meaningful concentration data could be obtained. After review of evaluating method on the dispersion coefficient, the longitudinal and transverse dispersion coefficients could be determined by the simulation and the moment method using concentration data.
4) Hydraulic Model Tests and Field Tests
Establishment of basic techniques for both the hydraulic model and field tests are performed in order to obtained meaningful data which will be used for the verification on the 2-D numerical model. The laboratory experiments were conducted in the compound meandering channels after review of literature for the previous laboratory and numerical studies on meandering channels, and analyzed results of experiments comparison with 3-D numerical simulation. Also, field tests were conducted at the meandering natural streams where are tributaries of the South Han River. Through the laboratory experiments and the field tests, available data could be obtained and characteristics of flow in a meandering channel could be observed.
5) Investigation of River Bottom Sediments
A river bottom sediments investigation system has been developed by using Ground Penetrating Radar(GPR) and Geographical Positioning System(GPS). GPR and GPS data were combined either by synchronizing separate readings or by combined reading via NMEA0183 format of GPS. Water surface, top of water bottom sediments, base rocks and multiples were usually visible on GPR sections. It was possible to identify rocks, sand and mud from their different reflection patterns and amplitude. A survey on Han river in Korea showed data under water depth of 15 meters were interpretable.

목차 Contents

• 표지...1
• 제출문...2
• 초록...3
• 요약문...4
• SUMMARY...9
• 목차...12
• 제1장 연구개발과제의 개요...14
• 제1절 연구개발 과제의 목적...14
• 제2절 연구개발의 필요성...17
• 제3절 연구개발의 범위...20
• 제2장 국내외 기술개발 현황...24
• 제1절 하천흐름 해석모형 개발...24
• 제2절 유사이동 및 하상변동 해석모형 개발...26
• 제3절 하천오염확산 해석모형 개발...35
• 제4절 하천수리모형실험 및 현장실험...37
• 제5절 하상지형 및 퇴적물 조사...47
• 제3장 연구개발 수행 내용과 결과...49
• 제1절 하천 흐름 해석모형 개발...49
• 제2절 유사이동 및 하상변동 해석모형 개발...142
• 제3절 하천오염 확산 해석 모형 개발...233
• 제4절 하천수리모형실험 및 현장조사...433
• 제5절 하상지형 및 퇴적물 조사...572
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도...607
• 제1절 하천흐름 해석모형 개발...607
• 제2절 유사이동 및 하상변동 해석 모형 개발...608
• 제3절 하천오염확산 해석모형 개발...609
• 제4절 하천수리모형실험 및 현장실험...610
• 제5절 하상 지형 및 퇴적물 조사...613
• 제5장 연구개발결과의 활용계획...615
• 제1절 하천흐름 해석모형 개발...615
• 제2절 유사이동 및 하상변동 해석모형 개발...615
• 제3절 하천오염확산 해석모형 개발...616
• 제4절 하천수리모형실험 및 현장실험...617
• 제5절 하상지형 및 퇴적물 조사...618
• 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보...619
• 제1절 하천흐름 해석모형 개발...619
• 제2절 유사이동 및 하상변동 해석모형 개발...619
• 제3절 하천오염확산 해석모형 개발...622
• 제4절 하천수리모형실험 및 현장실험...623
• 제5절 하상지형 및 퇴적물 조사...626
• 제7장 참고문헌...627
• [첨부 1] 연구결과활용계획서...649
• [첨부 2] 기술요약서...655