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요약문

Executive Summary

목차

제1장 서론 19

1. 연구 필요성 19

2. 연구개발 목표 및 내용 22

3. 세부기술 개요 30

3.1. 자연 공생 하천수리 해석/설계 기술 30

3.2. 구조적 자연형 하천설계기술 31

3.3. 하도 변화 예측 기술 개발 32

3.4. 자연공생 하천 구조물 설계기술 33

제2장 실규모 실험수로 능력평가 35

1. 다기능 하천실험장 실규모 실험수로 개요 35

1.1. A1 수로 36

1.2. A2 수로 39

1.3. A3 수로 42

2. A1 수로 수리능력 평가 45

3. A3 수로 방류 실험 67

4. 실험 수로 하상계측 시스템 73

4.1. 측정 및 후처리 74

제3장 호안 수리안정성 평가기법 94

1. 미국의 호안 블록 수리안정성 평가기법 94

1.1. 블록 시험체의 시공 방법 94

1.2. 시험 절차 97

1.3. 시험 결과 97

1.4. 시험결과의 분석 98

2. 일본의 호안 블록 수리 안정성 평가기법 106

2.1. 호안 구조 모델의 분류 106

2.2. 호안 구조 모델 별 수리 검토 기법 112

2.3. 호안 블록 수리특성 시험 기법 122

3. 호안 수리특성 평가 기초 시험 126

4. 항력 및 양력 측정 장치 검토 132

4.1. 스트레인 게이지(Strain Gage)와 로드 셀(Load Cell) 132

제4장 국내 고유 식생 흐름 저항 평가 139

1. 서론 139

2. 조도계수 141

3. 식생조도 145

3.1. 이론적 배경 145

3.2. 국내 연구 현황 151

4. 국내 대표 초본 조도 산정 155

4.1. 실험 대상 선정 155

4.2. 실험 시설 및 조건 155

4.3. 실험 결과 및 분석 158

5. 항력 측정에 의한 조도계수 산정 167

5.1. 연구 목적 167

5.2. 연구 동향 168

5.3. 기초 실험 181

제5장 실규모 목본류 흐름저항 평가 191

1. 국내외 사례 191

1.1. 모의 식생을 이용한 실험 연구 191

1.2. 원형 식생을 이용한 실험적 연구 202

1.3. 식생의 항력 측정 방법 조사 207

2. 실험계획 209

2.1. 실험대상 수목 및 식재 방법 209

2.2. 측정 방법 211

3. 실험 현황 213

제6장 실험하천 물리구조와 생태학적 특성 상관성 214

1. 연구개요 214

1.1. 배경 214

1.2. 실험수로 214

1.3. 분석항목 및 조사일정 215

1.4. 분석방법 216

2. 실험하천의 생태모니터링을 위한 기초조사 216

2.1. 하천의 물리적 구조에 따른 서식처 특성 변화 216

2.2. 실험하천의 물리적 구조와 생태적 특성간 영향 인자 도출 222

2.3. 현재 적용 중인 하천 서식처 적합성 평가방안 223

3. 실험하천의 생태 모니터링 항목 및 측정방법 229

3.1. 모니터링 범위 및 내용 229

4. 실험하천의 생태 모니터링 결과 239

4.1. 실험하천의 물질순환 특성 조사 239

4.2. 생태수로 내 동ㆍ식물상 247

5. 결론 및 향후계획 262

5.1. 결론 262

5.2. 향후계획 264

제7장 결론 265

참고문헌 267

판권기 280

표 1.1. 실험의 유형별 특성과 한계 27

표 1.2. 현장실험, 수리모형실험, 실규모 하천실험 특징 비교 28

표 1.3. 연차별 연구 목표 및 내용 29

표 2.1. 1톤 펌프 가동 시 유량 측정 결과 51

표 2.2. 2톤 펌프 가동 시 유량 측정 결과 51

표 2.3. 설계 유량에 대한 설정 유량 52

표 2.4. A1 수로 수리 계산 결과 (Q=1.26 m3/sec) 53

표 2.5. A1 수로 수리 계산 결과 (Q=2.52 m3/sec) 54

표 2.6. A1 수로 수리 계산 결과 (Q=3.78 m3/sec) 55

표 2.7. A1 수로 수리 계산 결과 (Q=5.04 m3/sec) 56

표 2.8. A1 수로 수리 계산 결과 (Q=6.30 m3/sec) 57

표 2.9. A1 수로 수리 계산 결과 (Q=7.56 m3/sec) 58

표 2.10. A1 수로 수리 계산 결과 (Q=8.82 m3/sec) 59

표 2.11. A1 수로 수리 계산 결과 (Q=10.08 m3/sec) 60

표 2.12. A1 수로 유량 규모별 수리실험 능력 64

표 2.13. A1 수로 개선안 수리 계산 결과 (Q=10.08 m3/sec) 66

표 2.14. A3 수문 1% 개방시 수위-유량 표 72

표 2.15. 하상계측 시스템 제원 73

표 3.1. 블록 시험 측정 결과 예 103

표 3.2. 비탈덮기공 구조모델 106

표 4.1. 식생에 의한 흐름 변화(일반적인 예) 145

표 4.2. US SCS 적용 식생군 구분(US SCS, 1954) 147

표 4.3. US SCS 식생 구분에 따른 식생 조도 산정식 제안(Green과 Garton, 1983) 148

표 4.4. USGS 적용 식생 그룹 구분(홍수터 식생) 149

표 4.5. 국내 하천 대표 식생 155

표 4.6. 실험 조건 156

표 4.7. 식생 도복 조건에 따른 계수 a, b의 결정(Kouwen, 1988) 169

표 4.8. Freeman 등(2000)의 실험 조건 171

표 5.1. 휴류 유속 계산을 위한 경험상수(Thompson과 Roberson, 1976) 193

표 5.2. 식 (5.53)의 경험매개변수 a, b 204

표 5.3. 조도계수 결정을 위한 매개변수(Freeman 등, 2000) 207

표 5.4. 실험에 적용할 식생 조건 212

표 6.1. 인도 서부 가트의 물리적 서식처 인자 및 생물학적 인자 간 상관관계 219

표 6.2. 부착조류 생물지표종 등급 및 서식지 특성표 223

표 6.3. 저서성 대형무척추동물을 이용한 주요 수질평가지수 225

표 6.4. 어류 생물지수 모델 메트릭의 구간 설정 227

표 6.5. 하천식생의 자연도 평가 기준 228

표 6.6/표 6.7. 생태수로 내 모니터링지점 230

표 6.7/표 6.8. 동식물상 조사 시기 233

표 6.8/표 6.9. 피도와 군도의 판정기준(Braun-Blanquet, 1964) 237

표 6.9/표 6.10. 상대풍부도 및 군집분석 산출 방법 238

표 6.10/표 6.11. 유하량에 따른 하천수 특성 변화 241

표 6.11/표 6.12. 각 분야별 조사결과(요약) 247

표 6.12/표 6.13. 조사지역의 출현식물 조성 248

표 6.13/표 6.14. 조사지점 1의 식생현황 및 대표식생 단면도(1.2구간) 250

표 6.14/표 6.15. 조사지점 2의 식생현황 및 대표식생 단면도(1.5구간) 251

표 6.15/표 6.16. 조사지점 3의 식생현황 및 대표식생 단면도(1.8구간) 252

표 6.16/표 6.17. 조사지점 4의 식생현황 및 대표식생 단면도(직선화구간) 253

표 6.17/표 6.18. 조사시기별 현황(사행도 1.2~1.5) 255

표 6.18/표 6.19. 조사시기별 현황(사행도 1.2~1.5) 257

표 6.19/표 6.20. 조사지점별 어류상 260

그림 1.1. 국내 하천기술의 현황 및 문제점 22

그림 1.2. 기술개발 로드맵 23

그림 1.3. 자연공생 하천기술의 기술 구성 24

그림 1.4. 하천 구성요소 간의 상호 작용 25

그림 1.5. 다기능 하천실험장의 필요성 27

그림 1.6. 홍수위 평가의 구성요소 30

그림 1.7. 하천 작용과 서식처 31

그림 1.8. 굴착 후 하상 변화 32

그림 2.1. 다기능 하천실험장 전경 35

그림 2.2. A1 수로 종평면도 36

그림 2.3. A1 수로 횡단면도 36

그림 2.4. A1 수로 호안공 시험구간 직선부 전경 37

그림 2.5. A1 수로 호안공 시험구간 만곡부 전경 38

그림 2.6. A1 수로 조도계수 시험구간 전경 38

그림 2.7. A2 수로 종평면도 39

그림 2.8. A2 수로 단단면 구간 횡단면도 39

그림 2.9. A2 수로 복단면 구간 횡단면도 39

그림 2.10. A2 단단면 시험구간 전경 41

그림 2.11. A2 수로 복단면 시험구간 전경 41

그림 2.12. A3 수로 종평면도 42

그림 2.13. A3 수로 단단편 구간 횡당도 42

그림 2.14. A3 수로 복단면 구간 횡단면도 42

그림 2.15. A3 수로 사행구간 전경 44

그림 2.16. A3 수로 복단면 구간 전경 44

그림 2.17. A1 수로 펌프 용량 12.5% 가동 실험 측선 45

그림 2.18. 측선 No.1 유속분포 45

그림 2.19. 측선 No.2 유속분포 45

그림 2.20. 측선 No.3 유속분포 45

그림 2.21. 측선 No.4 유속분포 45

그림 2.22. 측선 No.5 유속분포 46

그림 2.23. 측선 No.6 유속분포 46

그림 2.24. 측선 No.7 유속분포 46

그림 2.25. A1 수로 펌프용량 12.5% 방류 실험 전경(호안실험구간) 46

그림 2.26. A1 수로 펌프용량 12.5% 방류 실험 전경(조도계수구간) 47

그림 2.27. ADCP에 의한 A1 수로 유량 측정 48

그림 2.28. 1톤 펌프 가동시 A1 수로 상류 교량 ADCP 1차 측정 결과(Q = 1.37 m3/sec) 48

그림 2.29. 1톤 펌프 가동시 A1 수로 상류 교량 ADCP 1차 측정 결과(Q = 1.35 m3/sec) 48

그림 2.30. 1톤 펌프 가동시 A1 수로 상류 교량 ADCP 1차 측정 결과(Q = 1.39 m3/sec) 49

그림 2.31. 1톤 펌프 가동시 A1 수로 상류 교량 ADCP 1차 측정 결과(Q = 1.45 m3/sec) 49

그림 2.32. 펌프 2톤 가동시 A1 수로 하류 교량 ADCP 1차 측정 결과(Q = 2.39 m3/sec) 49

그림 2.33. 펌프 2톤 가동시 A1 수로 하류 교량 ADCP 2차 측정 결과(Q = 2.49 m3/sec) 49

그림 2.34. 펌프 2톤 가동시 A1 수로 하류 교량 ADCP 3차 측정 결과(Q = 2.46 m3/sec) 50

그림 2.35. 펌프 2톤 가동시 A1 수로 하류 교량 ADCP 4차 측정 결과(Q = 2.22 m3/sec) 50

그림 2.36. 펌프 2톤 가동시 A1 수로 하류 교량 ADCP 5차 측정 결과(Q = 2.43 m3/sec) 50

그림 2.37. 프로펠러 유속계 측정 지점 50

그림 2.38. 2톤 펌프 가동시 유량 측정 전경 52

그림 2.39. A1 수로 유량규모 별 수위 계산 결과 62

그림 2.40. A1 수로 유량규모 별 평균 유속 계산 결과 63

그림 2.41. A1 수로 유량규모 별 평균 소류력 계산 결과 63

그림 2.42. 유량규모에 따른 소류력 변화(No. 29 단면) 64

그림 2.43. A1 수로 수리실험 능력 개선안 65

그림 2.44. A3 수로 수문 1% 방류 실험 전경 67

그림 2.45. A3 수로 방류에 따른 저수조 수위 변화 모니터링 68

그림 2.46. A3 수로 수문 3% 개방 방류 실험 전경 69

그림 2.47. 유입수조 및 고수조 전경 69

그림 2.48. 유입수조 및 고수조 평면도 70

그림 2.49. A3 수로 수문 1% 방류시 수위 변화 곡선 71

그림 2.50. A3 수문 1% 개방시 수위-유량 관계 72

그림 2.51. 3D 스캐너 구조와 기능 74

그림 2.52. 3D스캐너 장착 75

그림 2.53. 3D스캔 실행 75

그림 2.54. 3D 스캔 후 데이터 저장 75

그림 2.55. 레지스트레이션 76

그림 2.56. MSA 좌표값 계산 76

그림 2.57. Analyse 계산 77

그림 2.58. 한 개의 폴리데이터로 병합 77

그림 2.59. All date, Combine 클릭 77

그림 2.60. 카메라 시점변경 78

그림 2.61. 식생제거를 위한 플랜생성 78

그림 2.62. 플랜 선택 78

그림 2.63. 단면 식생 및 오류 데이터 제거(전) 79

그림 2.64. 단면 식생 및 오류 데이터 제거(후) 79

그림 2.65. A1 수로 최상류 80

그림 2.66. A1 수로 사행시작 80

그림 2.67. A1수로 사행 종료 81

그림 2.68. A1수로 목교사이 81

그림 2.69. A2 수로 최상류 81

그림 2.70. A2 수로 자연형 돌 낙차공 #1 82

그림 2.71. A2 수로 자연형 돌 낙차공 #2 82

그림 2.72. A2 수로 수제 82

그림 2.73. A2 수로 최하류 83

그림 2.74. A3 수로 최상류 83

그림 2.75. A3 수로 1.2 사행 83

그림 2.76. A3 수로 1.5 사행 84

그림 2.77. A3 수로 1.8 사행 84

그림 2.78. A3 수로 최하류 84

그림 2.79. A1 상류 85

그림 2.80. A1수로 사행시작 85

그림 2.81. A1수로 사행종료 86

그림 2.82. A1수로 콘크리트 교량 하류 86

그림 2.83. A1수로 최하류 87

그림 2.84. A2수로 상류 87

그림 2.85. A2수로 자연형 낙차공 부근 88

그림 2.86. A2수로 낮은 바닥막이 부근 88

그림 2.87. A2수로 국가RND 시험공법 시작부 89

그림 2.88. A2수로 최하류 89

그림 2.89. A3수로 최상류 90

그림 2.90. A3수로 1.2 사행구간 90

그림 2.91. A3수로 1차 변곡부 91

그림 2.92. A3수로 1.5 사행구간 91

그림 2.93. A3수로 2차 변곡부 92

그림 2.94. A3수로 1.8 사행구간 92

그림 2.95. A3수로 최하류 93

그림 3.1. 블록 실험수로 개념도 95

그림 3.2. 측벽에서의 블록 설치 방법 96

그림 3.3. 실험 수로 사면 첨단부 설치 방법 96

그림 3.4. 시험결과 분석을 위한 변수의 정의 99

그림 3.5. 시험결과 계산 절차 101

그림 3.6. 블록 시험 측정 결과 도시 예 104

그림 3.7. 수위 및 수두 계산 예(단위 : ft.) 104

그림 3.8. 조도계수 증가에 따른 목적 함수 계산 예 105

그림 3.9. 유속 및 소류력 계산 예 105

그림 3.10. 활동에 의한 파괴 108

그림 3.11. 박리에 의한 파괴 108

그림 3.12. 소류에 의한 파괴 108

그림 3.13. 활동 및 전도에 의한 파괴 109

그림 3.14. 수평변위에 의한 파괴 109

그림 3.15. 끝단 보호가 없는 상태 110

그림 3.16. 끝단 보호가 있는 상태 110

그림 3.17. 일체성이 약한 상태 111

그림 3.18. 일체성이 강한 상태 111

그림 3.19. 망태 채움 상태 111

그림 3.20. 단일 블록의 작용력 113

그림 3.21. 블록의 투영면적 114

그림 3.22. 지지두께 td의 정의 115

그림 3.23. 스케일비 S에서 지지두께 tb를 계산하는 방법 116

그림 3.24. 단체 블록의 항력계수 및 양력계수 측정 결과 예 117

그림 3.25. 군체 블록의 투영면적 118

그림 3.26. 단체 블록의 항력계수 및 양력계수 측정 결과 예 120

그림 3.27. 박리 모델의 변수 정의 121

그림 3.28. 블록 최상류단의 항력 및 양력 계수 122

그림 3.29. 단일 블록 시험 123

그림 3.30. 군체 블록 시험 123

그림 3.31. 호안 시험의 종류 123

그림 3.32. 블록 수리 특성 실험 수로 예 124

그림 3.33. 분력계 설치 방법 124

그림 3.34. 식생호안 실험장치 및 개념도 126

그림 3.35. 시험용 식생 호안 127

그림 3.36. 3톤 규모 유량 시험 - 식생 호안 유실 시작 128

그림 3.37. 4톤 규모 유량 시험 - 식생 호안 및 실험틀 유실 128

그림 3.38. 자연형 호안 세굴 실험 시험시공 129

그림 3.39. 돌기형 호안 시험 시공 130

그림 3.40. 자연석형 호안 시험시공 130

그림 3.41. 콘크리트 호안 기본형 3차원 수치모의 131

그림 3.42. 콘크리트 호안 돌기형 3차원 수치모의 131

그림 3.43. Wheatstone Bridge 134

그림 3.44. 로드 셀 작동 알고리즘 134

그림 3.45. 방수 1분력 로드 셀 136

그림 3.46. 방수 1분력 로드셀 도면 136

그림 3.47. 방수 6분력 로드 셀 137

그림 3.48. 방수 6분력 로드 셀 도면 138

그림 4.1. US SCS 적용 식생군별 n-VR 곡선(US SCS, 1954) 147

그림 4.2. n-VR 곡선과 Kouwen 공식 산정 결과 비교(Kouwen, 1992) 150

그림 4.3. 하도 내 하천 대표 식생 선정(Rhee 등, 2008) 152

그림 4.4. 한국 잔디 총 조도 산정 결과(Rhee 등, 2008) 152

그림 4.5. 한국 잔디 순 식생 조도(n4) 산정 결과(Rhee 등, 2008) 153

그림 4.6. 수크령 식생 조도(n4) 산정 결과(Rhee 등, 2008) 153

그림 4.7. 갈대 식생 조도(n4) 산정 결과(Rhee 등, 2008) 154

그림 4.8. 실험 수로 156

그림 4.9. 실험 수행 현황 157

그림 4.10. 달뿌리풀 조도 계수 산정(total roughness) 158

그림 4.11. 달뿌리풀 조도 계수 산정(차단율 고려) 159

그림 4.12. 달뿌리풀 조도 계수 산정(식생 조도 요소 n4) 159

그림 4.13. 물억새 조도 계수 산정(total roughness) 161

그림 4.14. 물억새 조도 계수 산정(차단율 고려) 162

그림 4.15. 물억새 조도 계수 산정(식생 조도 요소 n4) 162

그림 4.16. 갈대 조도 계수 산정(total roughness) 164

그림 4.17. 갈대 조도 계수 산정(차단율 고려) 164

그림 4.18. 갈대 조도 계수 산정(식생 조도 요소 n4) 165

그림 4.19. 부분 침수 상태의 수목 167

그림 4.20. 하중계를 이용한 항력 측정 장치(Freeman 등, 2000) 172

그림 4.21. 수관부 하단에서의 유속 증가(Freeman 등, 2000) 173

그림 4.22. 항력 측정 장치(Armanini 등, 2005) 176

그림 4.23/그림 4.22. 식생 줄기에 대한 자유물체도(free body diagram)에 대한 개요(Duan 등, 2006) 177

그림 4.24/그림 4.23. 항력 측정 장치(Wilson 등, 2005) 180

그림 4.25/그림 4.24. 항력 측정 장치 183

그림 4.26/그림 4.25. 항력 측정 장치 설치 현황(a) 184

그림 4.27/그림 4.26. 항력 측정 장치 설치 현황(b) 184

그림 4.28/그림 4.27. 계측 중인 노트북 185

그림 4.29/그림 4.28. 계측 프로그램 및 시스템 185

그림 4.30/그림 4.29. 실험 수로 현황(a) 186

그림 4.31/그림 4.30. 실험 수로 현황(b) 186

그림 4.32/그림 4.31. 수목 모형 개념도 187

그림 4.33/그림 4.32. 기초 실험용 수목 모형 187

그림 4.34/그림 4.33. 실험 모형 부착 현황(a) 188

그림 4.35/그림 4.34. 실험 모형 부착 현황(b) 188

그림 4.36/그림 4.35. 모형의 완전 침수 189

그림 4.37/그림 4.36. 완전 침수 조건 테스트(유량 1.0 m3/s) 189

그림 4.38/그림 4.37. 모형의 부분 침수 190

그림 4.39/그림 4.38. 부분 침수 조건 테스트(유량 1.0 m3/s) 190

그림 5.1. 침수식생이 식재된 개수로 흐름의 개념도 201

그림 5.2. 식생의 기호 정의 (Freeman, 2000) 206

그림 5.3. 수로 상단에서 본 항력 측정용 철제 틀(Wunder 등, 2009) 207

그림 5.4. 항력측정기 및 식생 고정 상세도 208

그림 5.5. Gillies 등(2002)의 항력 측정 장치 208

그림 5.6. 안동실험센터 수로 평면도 209

그림 5.7. 하천변 주요 버드나무류의 형태적 특징 209

그림 5.8. 선버들, 왕버들 분포 특징(국토해양부, 2010) 210

그림 5.9. 버드나무 식재 계획평면도 211

그림 5.10. OTT RSL Radar수위계 211

그림 5.11. 항력측정 장치 212

그림 5.12. 버드나무가 식재된 수로전경 213

그림 6.1. 조사지점 위치도 214

그림 6.2. 생물막 형성 모식도(G. O'Toole, H. B. Kaplan, R. Kolter, 2000) 215

그림 6.3. 하천의 여울-소 모식도 217

그림 6.4. 서식처 분류 방법- MEM Method(Hauer et al. 2009) 218

그림 6.5. 6가지 서식처 유형별 흐름특성치의 차이 219

그림 6.6. 여울-소의 결합형태에 따른 하천의 물리적 구조 형태 모식도(Peterson et al., 2009) 220

그림 6.7. 유속에 따른 침식/퇴적/운반 경향성 모식도(selly R, 1982) 221

그림 6.8. 실험하천의 물리적 구조와 생태학적 특성간 상관성 관계도 222

그림 6.9. 한국형 다기능하천 실험장 전경 229

그림 6.10. 조사지역 현황 231

그림 6.11. 하천수 유하후 하상토양 채취지점(좌안 및 우안부) 233

그림 6.12. Biofilm formation bed 237

그림 6.13. 유하전 하상토양의 수분함량 239

그림 6.14. 유하전 하상토양의 유기물함량 239

그림 6.15. 유하전 하상토양의 DOC 239

그림 6.16. 유하전 하상토양의 pH 239

그림 6.17. 하천수 유하전 하상토양의 미생물체외효소활성도 측정결과 240

그림 6.18. 유량에 따른 하상토양의 유기물 함량변화 242

그림 6.19. 하천수 유하량 및 사행도에 따른 하상토양 pH 변화 243

그림 6.20. 저유량 유하시 하상토양의 미생물체외효소활성도 측정결과 244

그림 6.21. 홍수 직후 하상토양의 미생물체외효소활성도 측정결과 244

그림 6.22. 홍수후 저유량 유하시 하상토양의 미생물체외효소활성도 측정결과 245

그림 6.23. 유하량 및 사행도에 따른 하상토양 내 질산성질소량 변화 246

그림 6.24. 유하량에 따른 하상토양의 용존유기탄소(DOC) 변화량 246

그림 6.25. 유하량에 따른 하천수 내 Chl-a 변화량 247

그림 6.26. 조사지역의 Raunkiaer의 생활형 스펙트럼 248

그림 6.27. 조사지역의 출현식물 현황 254

그림 6.28. 생물서식처 조성 방향 예시 261

그림 6.29. 어류서식처 조성 방향 261

그림 6.30. 구간별 피복정도의 차이 262