* 정회원 ․ 단국대학교 토목환경공학과 석사과정 (Dankook University ․ geunsoo87@dankook.ac.kr) ** 단국대학교 토목환경공학과 박사과정 (Dankook University ․ yhj87@dankook.ac.kr)
*** 정회원 ․ 교신저자 ․ 단국대학교 토목환경공학과 조교수 (Corresponding Author ․ Dankook University ․ dongsu-kim@dankook.ac.kr) Received December 10, 2013/ revised April 22, 2014/ accepted October 22, 2014
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사행하천의 2차원 유속분포 모의를 위한 FaSTMECH 모형의 적용성 검토
손근수*ㆍ유호준**ㆍ김동수***
Son, Geunsoo*, You, Hojun**, Kim, Dongsu***
Feasibility Calculation of FaSTMECH for 2D Velocity Distribution Simulation in Meandering Channel
ABSTRACT
Numerical flow simulation models in the riverine environments have been widely utilized for analyzing flow dynamics in various degrees in researches and practical applications. However, most of the simulated results have been validated based on the data from indoor experimental models or very limited in-situ measurements. Therefore, it has been required to more accurately validate the performance of the numerical models in terms of the detailed field observations. In particular, it was also hard to validate the performances of the existing numerical models in the real meandered river channels that encompass more sophisticated flow and geometric structures. Recently, advancements of the modern flow measuring instrumentations such as acoustic Doppler current profilers (ADCPs) enabled us to efficiently acquire the detailed flow field in the broad range of river channels, thus that it became to be possible to accurately validate any numerical models with the field observations. In this study, based on the detailed flow measurements in a actual meandered river channel using ADCP, we validated FaSTMECH model in iRIC in terms of water surface elevation, which is relatively new but began to get highlighted in the research areas. As the validation site, a meandering channel in River Experiment Center of KICT was chosen, which has 6.5 m of width, 0.38m of flow depth, 1.54 m3/s of flow discharge, 0.61 m/s of mean flow velocity, and 1.2 of sinuosity. As results, whereas the FaSTMECH precisely simulated water surface elevation, simulated velocity field in the bend did not match well with ADCP dataset.
Key words : Meandering river, FaSTMECH, ADCP, Flow validation 초 록
하천의 흐름장을 모의하는 수치모형들은 연구 및 실무에서 다양한 목적의 유동해석에 광범위하게 활용되어오고 있다. 그러나, 수치모의 결과에 대한 검증은 현장 실측자료의 한계로 수리모형실험이나 매우 제한된 현장자료를 기반으로 수행되어 보다 정밀한 검증이 요구되어 왔다. 특히, 사행하천과 같이 기하학적 구조 및 흐름이 복잡한 형태를 갖는 경우는 수치모형이 얼마나 정확한 유속분포 모의를 할 수 있는지 알기 힘들었다.
최근, 초음파도플러유속계(ADCP) 등 최신 현장 계측기기의 발달로 하천 흐름의 정밀한 유속 및 하상 자료를 매우 효율적으로 측정 가능하게 되었다. 따라서, 기존 수치모형들을 실제 하천에서 공간적으로 정밀하게 측정된 유속자료를 기반으로 성능을 검증할 수 있는 기술적인 기반이 마련되었다고 할 수 있다. 이에 본 연구에서는 사행하천에서 정밀하게 측정된 ADCP 유속 자료를 기반으로 최근 국내에 도입된 FaSTMECH 모형을 대상으로 사행하천의 수위와 유속 분포 모의 결과를 검증하였다. 적용 구간은 한국건설기술연구원 하천실험센터의 폭 6.5
, 평균수심
Water Engineering
수공학0.38
, 유량 1.54
, 평균유속 0.61
, 만곡도 1.2의 실규모 사행하천이다. FaSTMECH 모형의 적용성을 검토한 결과, 사행수로에 대 한 수위 모의는 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났으나, 만곡부에서 편향되는 횡방향 유속 분포를 잘 모의하지 못하는 것으로 나타났다.
검색어 : 사행하천, FaSTMECH, 초음파도플러 유속계, 흐름 검증
1. 서 론
최근 자연 친화적이고 친수성이 높은 하천 조성에 대한 요구가 증대됨에 따라 사행하천에 대한 관심이 높아지고 있다. 사행하천은 직선하천에 비해 다양한 유속이 발생하기 때문에 하천 생태계의 다양성 측면에서는 바람직하다고 할 수 있다. 하지만 사행하천의 경우 직선하천에 비해 흐름특성 예측이 어려워 현재 하천 설계에 주로 사용하고 있는 1차원 수치모의만으로는 흐름특성을 정확하게 검토할 수 없다. 따라서 사행하천 내 단면 설계와 수공구조물 설계와 같은 경우 하도 내 수위와 유속 분포의 변화를 검토하기 위해서는 수리모형실험 또는 2차원 이상의 수치모형을 이용한 흐름 검토가 필요하다. 그러나 수리모형실험을 실시하는 것은 경제적으로 어려 움이 많기 때문에 흐름이 복잡한 사행하천의 설계에 있어 대부분 2 차원 수치모의를 이용하고 있다. 주로 오랜 기간 동안 적용성이 검증된 RMA-2나 River2D 및 CCHE-2D와 같은 2차원 수치모형 을 이용하여 흐름이 복잡한 만곡부에 대한 흐름해석을 수행하고 있다. 최근에는 미국의 USGS (미국지질조사국)와 일본의 RIC ( 훗카이도 하천 방재센터)에서 공동 개발한 iRIC 내에 탑재된 2차원 흐름해석 모형인 FaSTMECH를 이용한 연구도 수행되고 있다(Ku et al., 2013).
사행하천의 흐름특성 분석에 2차원 수치모형을 적용할 때에는 매개변수 보정을 통한 검증이 중요하다. 하지만 수치모형에 대한 정확한 보정이 잘 이루어지지 못하고 있는 실정이다. 우선 이동상 형태의 실제 사행하천에 대한 흐름특성 결과를 이용한 보정이 어렵기 때문에 대부분의 수치모형 보정에 고정상 형태의 실험 결과들을 사용하여 보정하는 경우가 많다. 예를 들어 Yong (2003) 은 고정상 수리모형실험 결과를 이용하여 RMA-2 모형을 보정한 후 사행하천을 포함한 복잡한 자연지형이나 흐름이 급변하는 지역 에 대한 흐름특성을 분석하였고, Song et al. (2011)은 수리실험의 수심과 유속 측정 자료를 이용하여 CCHE-2D 모형과 Flow-3D 모형을 보정한 후 사행하천의 만곡부 특성을 분석하였다. 하지만 수치모형의 보정에 사용된 고정상 수리실험 결과들은 직사각형 횡단면에 대한 유속 측정 결과가 대부분이며, 그나마도 유속 측정 지점간의 간격이 촘촘하지 못하여 정확도 높은 보정 및 사행하천의 흐름특성 분석이 어렵다는 한계가 있다. 또한 현장 계측 자료를 이용하여 수치모형을 보정하고 싶어도 하천의 유속 계측 자료가 부족하고 계측도 쉽지 않기 때문에 관측 유량과 수위 자료를 이용하 여 수치모의 결과 중에서 수위분포만을 이용하여 보정하는 경우가
대부분이다. 예를 들어 Ahn et al. (2012)은 대상구간 내 관측유량과 수위 자료를 이용하여 RMA-2 모형을 보정한 후 유량 사상별로 만곡부의 유속 및 편수위를 포함한 수리학적 분석을 수행하였고, Ku et al. (2013) 은 2차원 부정류 모형인 FaSTMECH의 수위 모의 결과를 실측 수위 자료와 비교하여 보정한 후 하천 둔치의 수리특성 분석 연구를 수행하였다. 하지만 만곡이 포함된 사행하천 의 경우 만곡 내측과 외측의 유속분포가 다양하게 나타나기 때문에 수위분포 자료만을 이용한 검증은 높은 신뢰도를 갖는다고 보기 어렵다. 특히 흐름이 복잡한 사행하천의 경우는 만곡에 따른 영향으 로 만곡부 내측과 외측의 유속분포가 복잡하기 때문에 측정 수위만 으로 매개변수의 보정을 실시하게 되면 유속분포 계산 정확도에 한계가 있을 것이다. 또한 만곡부의 흐름특성 모의는 수치모의 모형 별로 사용된 운동방정식에 따라 상이한 결과가 도출되는 경향을 보여 실측 자료를 기반으로 성능을 평가할 필요가 있다(Seo et al., 2011). 따라서 사행하천의 유속분포를 측정한 결과를 이용하 여 수치모형의 매개변수들을 보정한 후 흐름특성 모의를 수행함이 바람직할 것이다.
한편, 전통적인 지점 측정 방식의 유속 측정으로 광범위한 영역의 유속 자료를 확보하는 데 어려움이 있었던 것에 반해, 최근 유속 계측 기법의 발달로 인해 매우 효율적으로 하천의 유속장의 확보가 가능해졌다. 하천의 유속장 측정 기법 중에서 대표적인 방식으로 초음파도플러유속계(ADCP)가 있다. ADCP는 3차원 유속자료 및 수심자료를 동시에 측정할 수 있으며 선박에 장착해 운영하여 광범위한 하천 구역에서의 신속한 유속 측정이 가능하다. 따라서 실제 사행하천의 유속분포를 ADCP를 이용하여 조밀하게 측정한 후 수심평균하고 공간보간 할 경우, 2차원 수치모형의 검증 자료로 활용이 가능하다.
이에 본 연구에서는 일정한 만곡을 갖는 사행하천에서 측정한
수위 자료를 이용하여 FaSTMECH 모형의 매개변수들을 보정한
후 ADCP로 측정한 유속분포와 FaSTMECH 모형으로 계산한
유속분포를 비교하여 적용성을 검토하고자 한다. 이를 위해 우선
실하천 규모의 사행수로에 대하여 ADCP를 이용하여 하상 측량과
수위 및 유속 분포를 측정하였고, 이를 수심 평균 및 공간보간
하여 사행수로 내 흐름특성을 분석하였다. 또한 FaSTMECH 모형
의 적용성 평가를 위해 만곡부 유입부, 정점 및 유출부의 수위
분포와 유속 분포 및 최대유속선을 ADCP 측정 결과와 비교하여
분석하였다.
Fig. 2. The Meandering Channel in River Experiment Center of KICT Fig. 1. Schematic of the Channel-Fitted Coordinate System
2. FaSTMECH 모형 개요
FaSTMECH (Flow and Sediment Transport with Mechanical Evolution of Channels) 모형은 미국 USGS와 일본 RIC에서 공동 개발한 iRIC에 탑재된 2차원 흐름해석 모형이다. FaSTMECH 모형은 Fig. 1과 같이 흐름방향( ), 흐름방향의 직각방향( ) 그리고 수심방향( ) 의 곡선좌표계를 이용하고, 각 방향에 대한 지배방정식 은 Eqs. (1)~(4)와 같다(Nelson et al., 1996).
(1)
(2)
(3)
(4)
여기서, , , 는 각각 하류방향, 횡방향, 연직방향 유속성분이다.
는 수면높이, 은 수로 중심선의 곡률반경이다.
은 곡선좌표계로 조합된 하류부 거리이다.
은 각각 편향응력텐서(deviatoric stress tensors)의 요소 성분이다.
3. ADCP를 이용한 사행하천의 흐름 측정
3.1 대상구간 현황
본 연구에서는 Fig. 2와 같은 한국건설기술연구원 안동하천실험 센터의 실규모 사행수로 내 만곡도가 1.2인 구간을 대상으로 ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler)를 이용한 수심 및 유속 측정 과 FaSTMECH를 이용한 2차원 흐름모의를 수행하였다. 사행수로 의 총 연장은 682.2 (만곡도 1.2 = 115.0 , 만곡도 1.5 = 139.3
, 만곡도 1.7 = 155.3 )이고, 하상경사는 약 1/800, 깊이는
약 2 , 하폭은 약 11 이다. 하상 재료는 주로 사질토이며 호안은
식생이 활착되어 있다. 최대 공급유량은 10
이다. 한편 연구
대상구간인 만곡도 1.2인 구간에 대하여 ADCP를 이용하여 측정한
수심 자료를 공간 보간하여 Fig. 3과 같이 하상 분포를 측정한
결과 일반적인 자연하천에서와 같이 전반적으로 만곡부 외측이
내측에 비해 하상고가 낮은 것으로 보아 비교적 자연 상태의 사행하
천을 대표할 수 있을 것으로 판단하였다.
Fig. 3. Spatially Interpolated Bed Surface in the Meandering Channel
(a) Riversurveyor M9 of SonTek (b) Measurement using ADCP Mounted on a Small Boat Fig. 4. Field Observation using ADCP
3.2 흐름 측정 방법 및 결과
사행하천의 흐름특성 분석을 위한 FaSTMECH 모형의 유속 계산의 적용성을 검토하기 위해 사행수로 흐름특성 계측에 ADCP 를 사용하였다. 전통적인 유속 측정 방법인 프로펠러메터와 자기식 유속계 등의 유속계가 하천의 한 지점에서의 유속을 제한적으로 측정하는 반면에 ADCP는 하천 단면에서 수심방향의 각 셀마다 3 차원 유속을 매우 신속하고 조밀하게 측정하여 제공할 수 있다는 장점이 있다(Yang et al., 2011). ADCP는 일반적으로 20°~30°
정도 기울어진 3~4개의 빔을 기하학적으로 위치시키고, 약 200 kHz~3 MHz 분포의 초음파를 발사하여 하천의 부유물질에 반사된 음파의 도플러 편차를 이용하여 유속을 측정하고 각각의 빔에서의 유속을 수학적으로 계산하여 3차원 유속을 측정할 수 있다(RDI,
1996; SonTek, 2010). 수심은 ADCP의 Vertical beam과 Bottom Tracking 모드를 이용하여 측정할 수 있다.
본 연구에서 사용한 ADCP는 Fig. 4(a)와 같은 RiverSurveyor
M9으로 최저수심 0.3 이상에서 운용 가능하고, 저수심에서는
Pulse-to-Pulse Coherent 방식을 채택하여 매우 조밀한 측정이
가능하다(SonTek, 2010). 또한 ADCP를 이용한 측정을 위해 본
연구에서는 Fig. 4(b)와 같이 소형 선박에 탑재한 상태에서 하천의
양안을 횡단하면서 Fig. 5와 같이 횡단면내 유속 및 수심을 측정하였
다. 이 때 보트의 이동속도는 평균 0.05m/s의 속도로 이동시키면서
측정 정확도를 높이도록 하였다. 이와 같은 방법으로 ADCP를
이용하여 만곡부의 하상 측량 결과와 수위 및 유속측정 결과를
살펴보면 외측으로 침식이 진행되어 단면이 비대칭으로 나타났고,
Fig. 5. 3D Velocity and Bathymetry Distribution in the Top and Beginning of the Meandering Channel Resulted from ADCP
Fig. 6. Depth-Averaged Velocity Vectors for the Consecutive Cross-Sections in the Given Meandering Channel using ADCP
유속분포도 복잡하게 나타났다.
ADCP 횡단면 계측을 통해 흐름방향 약 2 간격으로 총 27개의 단면에 대하여 유속과 수심을 계측하였다. 우선 27개 단면에서 ADCP 로 계측한 유속, 수심 및 유량 결과 사행수로의 흐름조건은 ADCP 횡단면 계측 결과 평균 유량은 1.54
이었고, 횡단면 폭은 약 6.5 , 평균수심은 0.38 , 단면 평균유속은 약 0.61
로 나타났다. 또한 FaSTMECH 모형의 적용성 검토를 위해 3차원 유속 자료를 수심 평균하여 Fig. 6과 같이 2차원 유속장을 산정하였 고, 단면별 수심 평균된 유속자료를 이용하여 만곡도 1.2 구간에 대하여 공간 보간을 통해 수치해석의 결과와 검증하기 위한 격자크 기의 유속자료로 변환하였다. 계측한 유속 자료의 공간 보간은 흐름의 만곡 방향으로 공간 참조의 비대칭성을 고려하였고, You (2013)에서 제시한 공간보간기법으로 역거리가중법(IDW)을 사용 하였다. ADCP 계측 유속을 일정한 격자 단위로 공간 보간한 결과는 Fig. 6과 같았다. 또한 FaSTMECH 모형의 적용성을 검토하 기 위해 만곡부 유입부와 출입부까지 총 6개 단면의 수심평균 유속분포는 Table 1과 같았다. 수심평균 유속분포는 좌안을 기준으 로부터 횡방향으로 0.2 간격으로 측정하였다.
ADCP로 측정한 각 단면별 유속분포(Table 1)에서 좌안측
0~0.8 와 우안측 5.6~6.6 는 수심이 낮아서 ADCP로 측정이 어려운 구간은 You (2013)에서 제시한 공간보간기법으로 역거리 가중법(IDW)을 사용 보간한 결과이다. 본 연구에서는 FaSTMECH 모형의 성능 평가는 보간 결과를 제외하고 수행하도록 하였다.
4. ADCP 실측자료를 이용한 FaSTMECH 모형 보정
FaSTMECH 모의를 위한 상류 유량과 하류 수위 경계조건 및 매개변수는 ADCP로 계측한 수위측정 결과를 이용하여 보정을 수행하여 Table 2와 같이 결정하였다.
FaSTMECH 모형에서는 하도 내 조도계수의 영향을 반영하기 위해 Eq. (5)과 같이 Froehlich (1989)에서 제시한 항력계수(
) 식을 이용한다.
(5)
여기서, 는 중력가속도, 은 Manning의 조도계수, 는 수심
이다.
Table 1. Depth-Averaged Velocity for the Cross Sections Distance () Section 1 Section 2 Section 3 Section 4 Section 5 Section 6
0 0 0 0 0 0 0
0.2 0.104 0.06 0.27 0.009 0.018 0.044 0.4 0.202 0.137 0.36 0.021 0.052 0.085 0.6 0.605 0.599 0.404 0.12 0.182 0.285 0.8 0.753 0.726 0.451 0.336 0.233 0.396 1.0 0.833 0.787 0.49 0.443 0.276 0.428 1.2 0.841 0.807 0.553 0.506 0.315 0.454 1.4 0.848 0.825 0.63 0.545 0.376 0.475 1.6 0.851 0.842 0.682 0.573 0.431 0.507 1.8 0.85 0.856 0.744 0.606 0.498 0.545 2.0 0.83 0.864 0.772 0.633 0.582 0.593 2.2 0.807 0.867 0.783 0.651 0.636 0.649 2.4 0.783 0.857 0.774 0.667 0.678 0.686 2.6 0.759 0.836 0.745 0.677 0.698 0.723 2.8 0.738 0.814 0.726 0.684 0.712 0.751 3.0 0.717 0.789 0.705 0.69 0.719 0.763 3.2 0.706 0.757 0.709 0.704 0.722 0.771 3.4 0.698 0.726 0.705 0.718 0.729 0.778 3.6 0.698 0.696 0.697 0.737 0.74 0.795 3.8 0.692 0.665 0.664 0.766 0.769 0.819 4.0 0.684 0.634 0.629 0.788 0.794 0.847 4.2 0.671 0.599 0.593 0.808 0.825 0.897 4.4 0.646 0.558 0.566 0.818 0.857 0.92 4.6 0.616 0.508 0.537 0.812 0.868 0.942 4.8 0.565 0.446 0.503 0.797 0.864 0.949 5.0 0.513 0.386 0.467 0.769 0.853 0.937 5.2 0.474 0.333 0.438 0.745 0.84 0.921 5.4 0.428 0.283 0.397 0.715 0.823 0.894 5.6 0.4 0.235 0.406 0.674 0.809 0.881 5.8 0.355 0.183 0.381 0.588 0.749 0.867 6.0 0.302 0.132 0.366 0.45 0.662 0.808 6.2 0.097 0.058 0.12 0.162 0.241 0.42
6.4 0.046 0.019 0.034 0.079 0 0
6.6 0 0 0 0
Table 2. Boundary Conditions and Flow Parameters used in FaSTMECH Simulation
Parameter Value
Upstream stream discharge () 1.54 Downstream stage height () 99.9
Drag coefficient 0.0077
Lateral Eddy Viscosity () LEV = 0.1×0.38×0.61 = 0.023
Table 3. RMSE According to the Variation of Manning’ s Coefficient of Roughness
Manning’s coefficient of roughness 0.020 0.025 0.030 0.035 RMSE Depth() 0.0368 0.0305 0.0215 0.0194 Velocity() 0.151 0.150 0.151 0.155
본 연구에서는 FaSTMECH 모형의 수위 보정을 위해 Manning 의 조도계수를 0.020, 0.025, 0.030 및 0.035로 변화시키면서 모의한 후 ADCP의 수위 계측 결과와 비교하여 RMSE(Root Mean Square Error) 를 계산하였다(Table 3). FaSTMECH 모형의 수위 계산 결과에 대한 RMSE를 계산한 결과 전반적으로 RMSE의 차이는 크지 않았으나 Manning의 조도계수가 커짐에 따라 RMSE 가 약간씩 감소하는 것으로 나타났다. 이에 본 연구에서는 ADCP 유속 측정 결과의 단면 평균유속을 이용하여 Manning의 조도계수 를 좀 더 정확하게 결정하고자 하였다. 단면 평균유속에 대한 RMSE 는 Manning의 조도계수가 0.020에서 0.035까지의 범위에서는 차이를 거의 보이지 않는 것으로 나타났다. 따라서 단면 평균수위와 평균유속에 대한 RMSE를 기준으로 Manning의 조도계수를 0.030 으로 결정하였다.
또한 FaSTMECH 모형의 매개변수 중에서 와점성계수(eddy viscosity)는 Eq. (6)을 이용하여 산정하였다. Eq. (6)의 값은 ADCP 를 이용하여 측정한 단면 평균수심과 단면 평균유속 결과를 사용하였다.
× × (6)
최종적으로 결정한 경계조건과 매개변수들을 이용하여 대상구 간에 대한 수심 평균유속을 FaSTMECH 모형으로 계산한 결과 Fig. 7 과 같이 계산되었다. FaSTMECH 모형의 계산 결과와 ADCP 측정 결과의 수심 및 유속 분포를 비교한 결과, 수심의 경우 RMSE 가 약 0.0215 로 비교적 정확하게 모의하였으나, 유속의 경우는 RMSE가 약 0.151 로 대상구간 평균유속이 0.61 인 것을 고려하면 정확도가 많이 떨어지는 것으로 나타났다.
5. ADCP 실측자료와 FaSTMECH 모의 결과 비교
5.1 수위 모의 결과 비교
사행하천의 만곡도 1.2 구간에 대하여 ADCP로 측정한 수위 결과와 FaSTMECH 모형으로 계산한 수위 결과를 비교하였다.
이를 위해 만곡부의 유입부와 유출부로 나누어 총 6개 단면을 정하고, FaSTMECH 모형으로 계산한 횡방향 수위 분포를 Fig.
8과 같이 비교하였다. 6개 단면에 대한 수위 모의 결과와 ADCP
Fig. 7. Depth-Averaged Velocity Vectors for the Consecutive Cross-Sections in the Given Meandering Channel using FaSTMECH Simulation
Fig. 8. Comparison of Water Surface Elevation from ADCP and FaSTMECH of the Meandered Channel
측정 결과의 RMSE를 계산한 결과 1단면에서는 0.00687 , 2 단면 에서는 0.00973 , 3단면에서는 0.00958 , 4단면에서는 0.0114 , 5 단면에서는 0.0149 , 6 단면에서는 0.0176 로 나타나 비교적 정확하게 모의하는 것으로 나타났다. 또한 수위 분포 경향을 비교하 였을 때 ADCP 측정 결과에서는 내측과 외측의 수위 차이는 거의 나타나지 않았고, FaSTMECH 모의 결과에서도 내측의 수위가 외측에 비해 최대 0.01 차이로 나타나 계측 결과와 거의 일치하는 것으로 확인되었다. 따라서 대상 구간의 수위 계산에 있어서는 단면 평균수위를 측정한 자료를 이용하여 FaSTMECH 모형의 보정작업이 잘 이루어진다면 사행하천의 수위 계산에 대한 적용성 은 높다고 판단된다.
5.2 유속 모의 결과 비교
사행수로의 만곡부에서는 하상 및 흐름이 만곡의 영향을 받아 편향되는 경향이 있으며 최대유속선이 만곡의 곡률과 약간 상이한
경향을 보인다(Jang and Jung, 2006). 따라서 만곡의 정점을 전후 로 해서 FaSTMECH 수치모의 결과가 하천 중심선을 기준으로 최대 유속의 편향이 존재하는 횡방향 유속 분포를 적절히 모의하는 지에 대한 검토가 필요하다. 이를 위해, 본 연구에서는 수위 분포 비교와 마찬가지로 만곡부의 유입부와 유출부 내 6개 단면에 대하여 FaSTMECH 모형으로 계산한 횡방향 수심평균 유속 분포와 ADCP 측정 결과를 비교하여 적절성 여부를 상세히 검토하였다 (Figs. 9~10). 만곡의 정점을 기준으로 Fig. 9에서는 유입부(단면 1~ 단면 3) 유속분포를 비교하였고, Fig. 10에서는 유출부(단면 4~단면 6) 유속 분포를 비교하여 분석하였다.
우선 Fig. 9와 같이 만곡부 유입부 흐름을 살펴보면 단면 1에서
ADCP의 횡방향 유속분포는 최대 유속 발생 지점이 좌안으로
편향되어 있음을 알 수 있다. 이는 단면 1 이전의 흐름이 직선부의
운동량을 유지하면서 유입되어 수충부의 형태가 발생한 것으로
판단된다. 따라서 하상은 좌우 균형이 무너지고 좌안 부분에서
Fig. 9. Comparison of Depth-Averaged Velocity Profiles from ADCP and FaSTMECH for the Incoming Part of the Meandered Channel
침식이 발생하여 최대 수심도 좌안으로 편향되어 나타났다. 그런데, 흥미로운 점은 단면 2에서는 ADCP의 유속선은 여전히 좌안으로 편향되었으나 하천단면은 비교적 좌우균형을 이루는 형태를 유지 하고 있다는 것이다. 그 이유는 하상변동에 영향을 미치는 2차류나 소류력의 크기가 만곡의 경로에 따라 상이한 형태를 나타났기 때문으로 추정된다. 추후 2차류나 소류력에 대한 보다 정밀한 분석 을 통해 규명이 필요할 것으로 판단된다. 단면 3에서는 만곡의 정점 직전에 해당되며 횡방향 유속분포는 최대유속점이 단면 중앙 에 위치하여 좌우 균형을 이루는 횡방향 유속분포를 나타냈다.
반면에, 하상은 우안으로 편향되는 양상을 보였다. 이러한 계측 결과는 사행하천의 경우 그 규모와 만곡도에 따라 매우 복잡한 3차원 흐름 형상과 하상 분포를 가진다는 것을 의미한다.
FaSTMECH 모형으로 계산한 횡방향 수심평균 유속 분포의
적절성을 검토한 결과 만곡이 시작되는 단면 1과 단면 2에서는
좌안으로 편향되는 유속을 모의하지 못하는 것으로 나타났다. 예를
들어 ADCP 측정 결과를 기준으로 단면 1에서는 만곡부 외측에서
최대 0.320m/s 정도 작게 계산되어 약 162% 과소 산정하였고,
단면 2에서도 마찬가지로 만곡부 외측에서 최대 0.295m/s 정도
작게 계산되어 약 175% 과소 산정하였다. 또한 만곡부 정점부(단면
3)에서는 우안측 가장자리에서 최대 0.212m/s 정도 작게 산정되어
약 238 % 과소 산정하였으나 대체적으로 유속분포 경향은 잘
모의하는 것으로 나타났다. 전반적으로 FaSTMECH의 모의 결과
는 ADCP 측정결과와 비교해 볼 때 횡방향 유속분포가 좌안측으로
편향되는 것을 잘 모의하지 못하는 것으로 나타났다. 즉, FaSTMECH
Fig. 10. Comparison of Depth-Averaged Velocity Profiles from ADCP and FaSTMECH for the Outgoing Part of the Meandered Channel
모형은 사행하천의 만곡 유입부에서 최대 유속이 발생하는 만곡부 외측의 유속을 과소 산정하는 한계가 있음을 확인하였다.
한편 Fig. 10과 같이 만곡부 유출부 흐름을 살펴보면 만곡부 정점을 지나게 되면 단면 4에서는 앞서 단면 3과 같이 좌안측에서는 일반적인 횡방향 유속분포를 보였으나 우안측에서는 유속이 빠르 게 나타나는 것으로 나타났다. 즉, 만곡부 정점을 지나는 시점에서 최대유속이 우안측으로 편향되는 흐름을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 또한 단면 5와 단면 6에서는 우편향된 유속분포를 보였다.
이는 만곡의 바깥쪽(우안)으로 2차류가 활발하게 작용하고 소류력 도 상대적으로 강하게 작용했음을 알 수 있다. 다만, 단면 5에 비해 하류에 위치한 단면 6에서 최대유속 지점이 상대적으로 우안측 으로 좀 더 이동되는 것으로 나타났다. 즉, 단면 2에서와 같이
또 다른 만곡부 정점에 근접하면서 최대유속 발생 위치가 좀 더 외측으로 편향되는 것을 확인할 수 있었다.
FaSTMECH 모형으로 계산한 횡방향 수심평균 유속 분포의 적절성을 검토한 결과, 만곡의 정점을 지난 후의 단면 4에서는 전반적으로 우안측 유속 편향을 적절히 모의하지 못하는 것으로 나타났다. 예를 들어 ADCP 측정 결과를 기준으로 단면 4에서는 만곡부 외측인 우안측에서 0.294m/s 정도 작게 계산되어 약 177%
차이를 보였고, 단면 5에서도 마찬가지로 우안측에서 0.496 m/s
정도 작게 계산되어 약 324% 작게 계산되었으며, 단면 6에서도
0.617m/s 정도 작게 산정되어 약 622% 정도 유속을 작게 모의
하는 것으로 나타났다. 즉, 사행수로 내 흐름 분석에 있어서
FaSTMECH 모형이 만곡부 외측으로 편향되는 유속을 잘 모의하
Table 4. Maximum and Mean Velocity from ADCP and FaSTMECH in Terms of the Given Consecutive Cross-Sections
Section Mean velocity (m/s) Maximum velocity (m/s)
ADCP FaSTMECH Error (%) ADCP FaSTMECH Error (%)
1 0.462 0.789 14.5 0.493 0.753 16.2
2 0.458 0.891 10.5 0.547 0.758 13.5
3 0.467 0.809 11.8 0.495 0.707 14.8
4 0.487 0.793 12.1 0.513 0.724 14.6
5 0.514 0.852 6.5 0.568 0.798 10.1
6 0.516 0.902 20.3 0.533 0.765 17.3
Fig. 11. Comparison of Maximum Depth-Averaged Velocity Lines from ADCP and FaSTMECH of the Meandered Channel
