2차원 유속장(flow field)은 하천흐름의 특성을 이해하기 위한 중요한 수리학적 자료 중 하나로서, 수공구조물 위치선정 및 설계, 하천에서의 이송-확산 예측, 하천 의 수리학적 거동을 예측하기 위한 중요한 기본 자료로 사용된다. 지금까지 이러한 하천흐름 특성을 예측하기 위해 제한적인 현장조건과 적절한 계측방법, 계측기기 의 기술적 한계로 인해 현장실험 보다는 다양한 수치모형을 이용하여 왔다. 하지만 최근에는 계측기기의 발달로 과거보다 정확하고 정밀한 현장계측이 가능하여 졌 으며, 현장 계측자료의 질적이고 양적인 수요를 만족시키고 있다. 대표적으로 초음파도플러유속계(ADCPs; Acoustic Doppler Current Profilers)는 유량을 정확하 게 측정하는 것으로 유명하며, 2차원 뿐만 아니라 3차원 유속장 등 자세한 유속자료를 제공한다. 하지만 이러한 측정 능력에도 불구하고, ADCP를 활용한 유속 측정 은 주로 횡단면 측정을 기본으로 수행하기 때문에, 수치모형의 결과와 같이 높은 밀도의 유속장을 얻기 위해서 공간보간기법이 활용되고 있다. 하지만 만곡이 존재하 는 자연하천은 하도형상에 따라 유속이 지속적으로 변화하기 때문에 일반적인 공간보간기법을 적용하기 어렵다. 즉, 자연하천의 만곡에 따른 비등방성을 고려하지 않 는다면, 역거리가중법(IDW)과 크리깅(Kriging)과 같은 일반적인 공간보간기법으로는 잘못된 결과를 초래할 수 있다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하고자 만곡이 존재하는 사행하천을 대상으로 방향성을 고려하기 위한 곡선좌표계와 비등방성을 고려하기 위한 비등방적 참 조범위를 적용한 공간보간기법을 개발하였다. 본 연구에서 제시한 기법을 한국건설기술연구원 하천실험센터에 존재하는 3개의 사행수로가 포함된 실규모의 실험수 로를 대상으로 적용한 결과, 평균제곱근오차와 상관계수는 기존의 공간보간기법과 비교하여 각각 41.5% 감소, 40.0%가 증가하여 정확성과 상관성이 개선되었다.

제방은 홍수가 발생했을 때 하천의 범람을 막아 제내지의 인명, 가옥, 재산 등을 보호하는 중요한 기능을 하는 하천구조물이다. 제방의 붕괴원인은 크게 월류에 의한 붕괴, 침투에 의한 붕괴, 침식에 의한 붕괴로 분류되며, 침식에 의한 붕괴를 방지하기 위하여 호안을 설치한다. 따라서, 이러한 호안의 안정성은 제방 전체의 안정성과 직결되는 중요한 요소이다. 특히, 흐름의 강도가 증가하는 만곡부와 같은 수충부에서는 호안의 안정성이 급격히 저하되므로 이에 대한 연구가 필요한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 경질성 호안의 수리실험을 통해 만곡수로에 설치된 호안의 취약지점을 파악하였으며 주요 지점의 유속과 수위를 측정하였다. 또한, 동일한 조건으로 3차원 수치해석을 수행하여 실험에서 계측장비의 한계로 확인하기 어려운 흐름특성을 분석하였다. 그 결과 제방사면의 전단응력이 크게 산정된 부분과 사석호안이 붕괴된 위치가 거의 일치하는 것으로 나타났으며 전단응력은 작으나 붕괴가 발생한 지점에서는 만곡의 영향으로 발생한 2차류에 의해 순환흐름이 발생되어 호안의 붕괴를 유발하는 것으로 나타났다. 기존의 사석산정공식을 이용하여 사석호안의 규모를 결정하였으며 하도의 평균유속보다 국부적인 최대유속으로 산정하였을 때, 1.5～4.7배 크게 산정되었다. 본 연구를 통해 만곡수로에서는 직선수로에서와는 사석의 규모를 산정하는 방법을 달리해야하는 것을 알 수 있었으며, 추후 곡률반경 및 구조물에 대한 영향을 고려하고 대표형상에 대한 가중치를 부여 할 수 있으면 보다 합리적이고 정확한 호안사석의 규모를 결정할 수 있을 것으로 예상된다.

본 연구에서는 하도 내 수제 형 수리구조물을 설치하였을 때, 만곡수로와 수충부에서의 흐름 양상 변화를 3차원 유속 측정을 통해 확인하였다. 연구를 위해 길이 24.4m, 폭 1.5m, 하상경사 2%의 만곡수로에서 실험을 수행하였다. 실험은 단일 수제의 설치 여부에 따라 크게 두 가지 경우로 나누어 수행하였다. 유속의 측정에는 3차원 초음파 유속계(Acoustic Doppler velocimeter, ADV)를 사용하였으며 각 단면 당 약60개의 측점을선정하여 일정한시간 동안측정하였다. 측정된 유속들은시간평균하였으며, 각단면에서의측정결과를연결하여만곡수로의수면유속을파악하였다. 그결과, 수제설치로 인해구조물하류에위치한만곡부외측에서의유속이현저하게감소하였고제방을향했던흐름의방향이내측으로변화하 였음을 확인할 수 있었다.

수충부란 하천형상의 영향으로 유수가 제방에 부딪혀 유속이 상대적으로 상승하는 구간을 말한다. 특히 만곡의 수충부에서는 만곡부 외측에 빠른 유속이 발생하여 제방의 침식을 야기하므로 유속의 흐름 방향을 적절히 조절하여 피해를 줄이는 수리구조물의 설계가 필요하며 대표적으로 수제를 들 수 있다. 수제는 유속을 제어하여 제방이나 하안의 침식으로부터 보호하는 기능 외에도 수생 생물들의 서식처를 제공하고 수제역 내의 재순환 영역이 하천생태 개선의 도움을 주는 등 다양한 기능들로 국내 및 국외에서 활발히 연구되고 있다. 국내에서는 직선 수로에서 수제의 방향, 투과율 변화에 따른 흐름 분리 영역, 선단유속과 선단흐름각에 대한 연구가 수행되었다. 하지만 만곡 수로의 경우, 만곡부 내 이차류 거동에 초점을 맞춘 연구가 진행되었을 뿐, 만곡 하천에서의 수제 설치로 인해 생기는 흐름 변화를 파악하고 그 효용성을 판단하기에는 부족한 실정이다. 국외의 경우, 만곡부에서 변형된 수제(vane, barb)을 설치하여 하상 형상의 변화와 3차원 흐름 패턴과 난류 특성에 대하여 정량적인 수치로 제시하였지만 변형된 수제를 설치하였다는 점에서 한계를 지니고 있다. 따라서 본 연구에서는 만곡수로에서 수리구조물의 설치로 인한 유속의 변화와 그에 따른 난류 인자들의 변화 파악하여 수충보를 보호하는 데 그 목적이 있다. 본 연구에서는 수로 길이 24.4m 주수로폭 0.5m 비탈면경사 1:2, 수로경사 2%의 사행수로에서 실험을 수행하였다. 단일수제의 설치 여부에 따라 두 가지 실험으로 나누어 수행하였으며, 하류수위 0.25m, 유량 0.13m3/sec로 흐름조건을 동일하게 하였다. 평균수심을 특성길이로 산정한 Reynolds 수는 1.35×105으로 수로 내 흐름이 난류 특성을 띄기에 충분히 큰 값을 보였다. 유속의 흐름 특성을 파악하기 위해서 Acoustic Doppler velocimeter(ADV)를 사용하였으며 흐름방향의 수직 단면에 대하여 횡방향과 수심방향에 따라 등간격으로 나누어진 65지점에서 3차원 유속을 측정하였다. 측정된 유속은 이차류와 Reynolds 전단강도와 난류운동에너지를 파악하는 데 이용되었다. 실험결과, 수리구조물 설치로 인해 만곡부 외측에서의 유속이 감소하는 것을 확인할 수 있었고, 주수로에서 제방을 향했던 유속 벡터 또한 그 편각이 감소함을 확인할 수 있었다.

다중 만곡부에서의 주흐름과 이차류의 흐름 특성을 분석하기 위하여 중심각 120인 두 개의 만곡부로 이루어진 사행수로에서 실험을 수행하였다. 실험수로의 횡단면은 직사각형과 곡선형 두 가지 형태로 제작하였으며, 곡선형 단면 형상 결정에는 베타함수를 이용하였다. 3차원 유속장의 측정은 micro-ADV를 이용하였다. 실험결과, 직사각형 수로에서 주흐름은 수로의 가장 짧은 경로를 따라 발생하였으며, 이는 기존 연구자들의 결과와 일치한다. 곡선형 수로에서도 주흐