• Review Article

    Ecohydraulics – the significance and research trends

    생태수리학의 의의와 전망

    Woo, Hyoseop

    우효섭

    Ecohydraulics is a newly born discipline in the early 1990s by the interdisciplinary approach combined with aquatic ecology in one discipline and ...

    생태수리학은 수생생태학을 한 축으로, 지형학, 수문학, 유체동력학 등을 또 다른 한 축으로 1990년대 초 탄생한 다학제간 연구분야이다. 생태수리학을 흐름, 유사이송, 지형, 동식물 ...

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    Ecohydraulics is a newly born discipline in the early 1990s by the interdisciplinary approach combined with aquatic ecology in one discipline and geomorphology, hydrology, and fluid hydrodynamics in another. Major areas of ecohydraulics can be delineated as habitat hydraulics (including environmental flow), vegetation hydraulics, eco-corridor hydraulics, eutrophication hydraulics, and ecological restoration hydraulics. Reviews of relevant international journals and literature reveal that ecohydraulics has remained in the limited areas of fish response, hydraulic modeling, and physical habitat response. It has not reached a truly interdisciplinary stage. Literature reviews in Korea reveal that only 3% of the total number of the papers listed in the Journal of KWRA during the last 24 years is related to ecohydraulics. It is about 20% of the total listed in the Journal of Ecology and Resilient Infrastructure. Most of those related to ecohydraulics in Korea concern vegetation hydraulics, habitat hydraulics, and ecological restoration hydraulics. In contrast, dynamic flow modeling areas, including turbulence, fauna motion simulation, and eutrophication hydraulics, are not found. Areas of further research in ecohydraulics in Korea may be specified as follows: 1) environmental flows adapted to the traits of the rivers in Korea, 2) development of the dynamic floodplain vegetation models (DFVM) to assess the changes from the white river to green river, 3) development of the eutrophication hydraulic model to predict the freshwater algal blooms, and 4) development of the models to evaluate the physical, chemical, and biological impacts of the stream restoration, decommissioning and removal of old weirs or small dams.


    생태수리학은 수생생태학을 한 축으로, 지형학, 수문학, 유체동력학 등을 또 다른 한 축으로 1990년대 초 탄생한 다학제간 연구분야이다. 생태수리학을 흐름, 유사이송, 지형, 동식물, 수리구조물 등 5가지 주요인자 간 상호 관계나 작용을 기준으로 구분하면 서식처수리( 환경유량 포함), 식생수리, 생태통로수리, 부영양화수리, 생태복원수리의 5개로 나눌 수 있다. 지난 20여 년간 관련 국제논문집에 게재된 생태수리학 관련연구는 물고기반응, 수리모델링, 물리서식처반응 분야에 치우쳤으며, 이는 아직 진정한 학제 간 상호반응적 연구단계로 진입하지 못했음을 의미한다. 한편 1997년 이후 한국수자원학회 논문집에 게재된 생태수리학 관련논문 수는 전체의 3% 수준에 불과하며, 생태수리학과 더 밀접한 응용생태공학회 논문집에 게재된 논문 수도 20% 수준에 머물렀다. 이 두 논문집에 게재된 논문들은 주로 서식처수리, 식생수리, 생태복원수리 분야이었으며, 난류모의를 포함한 동적 흐름모의, 동물유영모의, 부영양화수리 분야는 사실상 없는 것으로 나타났다. 국내의 하천특성 및 생태수리학의 사회적 수요를 고려하여 앞으로 연구개발이 시급한 분야는 1) 국내하천 여건에 맞는 환경유량의 평가기법, 2) 화이트리버의 그린리버 변화현상을 평가할 수 있는 동적 홍수터식생모형(DFVM)의 개발, 3) 정수역 및 유수역에서 수리조건 중심으로 조류생성을 평가할 수 있는 모형개발, 4) 하천지형복원이나 소형 보/댐의 가동정지(decommissioning) 및 철거에 따른 물리/화학/생물적 영향을 평가할 수 있는 모형개발 등이다.

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    October 2020
  • Research Article

    A standardized procedure on building spectral library for hazardous chemicals mixed in river flow using hyperspectral image

    초분광 영상을 활용한 하천수 혼합 유해화학물질 표준 분광라이브러리 구축 방안

    Gwon, Yeonghwa,Kim, Dongsu,You, Hojun

    권영화,김동수,유호준

    Climate change and recent heat waves have drawn public attention toward other environmental issues, such as water pollution in the form of ...

    최근 기후변화와 여름철 고온 등으로 인한 녹조현상, 사고발생으로 인한 화학물질 및 유류 유출 등 수질오염과 관련된 사회적 관심이 높아지고 있다. 수질오염 사례 ...

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    Climate change and recent heat waves have drawn public attention toward other environmental issues, such as water pollution in the form of algal blooms, chemical leaks, and oil spills. Water pollution by the leakage of chemicals may severely affect human health as well as contaminate the air, water, and soil and cause discoloration or death of crops that come in contact with these chemicals. Chemicals that may spill into water streams are often colorless and water-soluble, which makes it difficult to determine whether the water is polluted using the naked eye. When a chemical spill occurs, it is usually detected through a simple contact detection device by installing sensors at locations where leakage is likely to occur. The drawback with the approach using contact detection sensors is that it relies heavily on the skill of field workers. Moreover, these sensors are installed at a limited number of locations, so spill detection is not possible in areas where they are not installed. Recently hyperspectral images have been used to identify land cover and vegetation and to determine water quality by analyzing the inherent spectral characteristics of these materials. While hyperspectral sensors can potentially be used to detect chemical substances, there is currently a lack of research on the detection of chemicals in water streams using hyperspectral sensors. Therefore, this study utilized remote sensing techniques and the latest sensor technology to overcome the limitations of contact detection technology in detecting the leakage of hazardous chemical into aquatic systems. In this study, we aimed to determine whether 18 types of hazardous chemicals could be individually classified using hyperspectral image. To this end, we obtained hyperspectral images of each chemical to establish a spectral library. We expect that future studies will expand the spectral library database for hazardous chemicals and that verification of its application in water streams will be conducted so that it can be applied to real-time monitoring to facilitate rapid detection and response when a chemical spill has occurred.


    최근 기후변화와 여름철 고온 등으로 인한 녹조현상, 사고발생으로 인한 화학물질 및 유류 유출 등 수질오염과 관련된 사회적 관심이 높아지고 있다. 수질오염 사례 중 화학사고로 인한 유해화학물질 유출은 인체에 접촉시 인체에 악영향을 끼치며, 대기·수질·토양을 오염시키고 주변 농작물의 변색이나 괴사를 유발하는 등 생태환경에 직접적인 피해가 발생한다. 하천으로 유출가능성이 있는 화학물질은 무색의 수용성인 경우가 많아 육안으로 유출 사실을 확인하기가 어렵다. 화학사고 발생시 화학물질의 탐지는 간이접촉식탐지장비를 이용하거나 화학물질의 유출이 우려되는 곳에 검출센서를 설치해 사고를 감시하고 있다. 이러한 접촉식 센서는 현장인력에 의존적이고, 설치식 검출센서 또한 제한적으로 설치되어 미설치 지역에 대한 능동적 탐지가 어렵다는 한계가 있다. 한편 최근 초분광 영상을 활용하여 물질 고유의 분광특성을 분석함으로써 토지피복, 식생, 수질 등의 식별에 활용되고 있다. 따라서 초분광 센서를 활용한 화학물질 감지 가능성도 보여주고 있지만 연구는 미비한 실정이다. 본 연구에서는 수계로 유출되는 유해화학물질을 식별하기 위하여 접촉식 탐지 기술의 한계를 극복할 수 있는 원격탐사기법과 최신 센서기술을 활용하였다. 유해화학물질 18종을 대상으로 초분광 영상을 이용한 상호 구분이 가능한 지 확인하고자 해당 유해화학물질의 초분광 영상을 촬영하여 분광라이브러리를 구축하였다. 향후 연구를 통해 유해화학물질 분광라이브러리 데이터베이스를 확대하고, 하천 적용에 대한 검증을 실시한 후 실시간 모니터링에 적용할 경우 신속한 화학사고 발생여부 감지 및 대응에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

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    October 2020
  • Research Article

    Experimental study on non-linear throughflow characteristics of rockfill gabion weir

    돌망태 보 통과류의 비선형적 흐름 특성에 관한 실험적연구

    Han, Ilyeong,Lee, Jaejoung,Kim, Gyoo bum

    한일영,이재정,김규범

    As the flow velocity and Reynolds number increase in rockfill porous media, the flow deviates from Darcy conditions. In this study, the ...

    자갈 입자로 구성된 다공성매질에서는 유속이 증가하여 레이놀즈수가 커지게 되면 흐름은 Darcy의 영역을 벗어나게 된다. 본 연구는 인공함양 유역의 소하천에 설치예정인 돌망태 보의 ...

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    As the flow velocity and Reynolds number increase in rockfill porous media, the flow deviates from Darcy conditions. In this study, the permeability tests of rock column specimen and laboratory gabion weir model were carried out to investigate a head loss behaviour of flow through rockfill deposition in small river artificial recharge. Through column test, the nonlinear relationships between flow velocity and hydraulic gradient and coefficients were determined and the correlation formula of hydraulic mean radius and coefficients was proposed. The flow velocities and discharges in voids estimated by proposed equations were well matched with the measured values of laboratory gabion weir model.


    자갈 입자로 구성된 다공성매질에서는 유속이 증가하여 레이놀즈수가 커지게 되면 흐름은 Darcy의 영역을 벗어나게 된다. 본 연구는 인공함양 유역의 소하천에 설치예정인 돌망태 보의 채움재를 통과하는 비선형적인 흐름특성을 규명하기 위하여 자갈칼럼과 돌망태모형을 이용한 투수실험을 수행하였다. 칼럼실험을 통하여 공극유속과 수리경사의 관계식과 계수를 결정하고, 수리평균반경과의 상관관계식을 제안하였다. 제안식으로 부터 계산된 공극유속과 공극유량은 돌망태모형 투수실험의 측정치와 잘 일치하였다.

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    October 2020
  • Research Article

    Water wave reflection over shear currents and dredged multi-arrayed trenches

    외부 흐름과 준설된 다열 함몰지형에 의한 파랑의 반사

    Cho, Yong-Sik,Lee, Kwang-Jun,Lee, Jun-Whan

    조용식,이광준,이준환

    Understanding the wave characteristics near the outlet of coastal power plants for cooling water in the vicinity of the dredged areas is ...

    임해발전소의 냉각수 배출구 인근과 준설된 해역을 전파하는 파랑의 특성을 이해하는 것은 임해발전소 건설과 운영에 매우 중요하다. 본 연구에서는 (1) 배출구 주변 외부 ...

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    Understanding the wave characteristics near the outlet of coastal power plants for cooling water in the vicinity of the dredged areas is critically important for the construction and operation of the plants. By Employing the eigenfunction expansion method, in this study, we analyzed the reflection of monochromatic water waves over (1) shear currents near the outlet and (2) multi-arrayed trenches representing dredged areas. We firstly optimized the number of grids expressing shear currents and the number of evanescent modes based on a convergence test. We then analyzed the sensitivity of the reflection coefficients depending on (1) magnitude of shear currents, (2) width of shear currents, (3) a distance between adjacent trenches, and (4) a number of trenches. The results showed that the reflection coefficient was more sensitive to the number of trenches and the distance between trenches than the velocity of shear currents and the width of shear currents. We also found that even the effect of shear currents is relatively small, the effect is not negligible in a relative water depth from shallow to near shallow water waves (0.01 < kh ≤ 0.70).


    임해발전소의 냉각수 배출구 인근과 준설된 해역을 전파하는 파랑의 특성을 이해하는 것은 임해발전소 건설과 운영에 매우 중요하다. 본 연구에서는 (1) 배출구 주변 외부 흐름과 (2) 준설된 해저지형을 나타내는 함몰지형에 의한 파랑의 반사율을 고유함수전개법을 이용하여 해석하였다. 먼저, 외부흐름을 나타내기 위한 격자수와 소멸파수의 최적값을 수렴 테스트를 통해 산정하였다. 그리고 1)외부흐름의 속도, 2)외부흐름의 폭, 3)함몰지형간 거리, 4)함몰지형의 개수에 따른 반사율 변화 정도를 분석하였다. 분석결과, 함몰지형 수와 거리에 따른 반사율이 외부흐름의 속도와 폭에 따른 반사율보다 더 민감한 결과를 보였다. 또한, 외부흐름의 영향이 작을지라도 천해와 천해부근 상대수심 (0.01 < kh ≤ 0.70)에서는 외부흐름의 영향을 무시할 수 없다는 것을 확인하였다.

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    October 2020
  • Research Article

    Analysis of influence on water quality and harmful algal blooms due to weir gate control in the Nakdong River, Geum River, and Yeongsan River

    낙동강, 금강 및 영산강 가동보 운영이 수질 및 녹조현상에 미치는 영향 분석

    Seo, Dongil,Kim, Jaeyoung,Kim, Jinsoo

    서동일,김재영,김진수

    A 3-Dimensional hydrodynamic and water quality model was applied to evaluate the effects of weir gate operations on water quality and harmful ...

    우리나라 4대강 사업에 의해 건설된 낙동강의 달성보와 함안보, 금강의 세종보와 백제보, 영산강의 송촌보와 죽산보를 대상으로 3차원 수리-수질 모델을 이용하여 가동보 운영에 따른 ...

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    A 3-Dimensional hydrodynamic and water quality model was applied to evaluate the effects of weir gate operations on water quality and harmful algal bloom (HAB) occurrences at selected locations in the Nakdong River, Geum River, and Yeongsan River. For the Geum River and Yeongsan River, when the gates are left open, annual and summer Chl-a and HABs were decreased at upstream locations, Sejong Weir and Seungchon Weir, but summer average concentrations of Chl-a and HABs were increased at downstream locations, Baekje Weir and Juksan Weir. For the open scenario, the reduced hydraulic residence time in the upper stream areas of the Geum River and Yeongsan River would allow less available time for nutrient consumption that would result in higher dissolved inorganic phosphorus concentrations followed by higher algal growth in the downstream areas. However, in the case of the Nakdong River, both annual and summer Chl-a and HABs were increased in all locations for the open scenario. This condition seems to be resulted in due to increased light availability by reduced water depths. Changes in Chl-a and HABs occurrences due to the water gate control in the study sites are different due to differences in physical, chemical, and biological conditions in each location.


    우리나라 4대강 사업에 의해 건설된 낙동강의 달성보와 함안보, 금강의 세종보와 백제보, 영산강의 송촌보와 죽산보를 대상으로 3차원 수리-수질 모델을 이용하여 가동보 운영에 따른 수질 및 녹조 현상 예측 결과를 비교 분석하였다. 가동보를 전면 개방하였을 때, 금강과 영산강에서는 상류에 위치한 세종보와 승촌보에서 연중 및 하절기 Chl-a 농도와 남조류 농도가 감소되는 것으로 예측되었으나, 하류에 위치하는 백제보와 죽산보에서는 하절기에 모두 증가되는 것으로 나타났다. 금강과 영산강에서 수문이 닫힌 경우, 상류에서는 체류시간이 증가하여 조류가 성장에 필요한 용존성 무기인을 충분히 섭취하면서 조류 농도가 증가하지만, 하류에서는 용존성 무기인이 고갈되어 상대적으로 조류의 성장이 제한되는 현상이 발생하는 것으로 분석된다. 반면 낙동강의 달성보 및 함안보에서는 연평균과 하절기 평균 농도가 모두 증가하는 것으로 나타났다. 낙동강에서는 금강과 영산강과 같이 용존성 무기인의 농도가 심각하게 증가하지 않은 반면 수문 개방으로 수심이 감소함에 따라 조류가 이용하는 평균 광량이 증가하면서, 조류의 성장이 증가한 것으로 분석된다. 결과적으로 수문을 전면 개방 또는 폐쇄하였을 경우, 녹조현상 발생 특성은 위치에 따라 수리학적 체류시간, 용존성 무기인 농도 및 수위변화에 따른 광량의 변화 등에 의해 서로 다르게 나타나는 것으로 분석된다.

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    October 2020
  • Research Article

    Adequacy evaluation of the GLDAS and GLEAM evapotranspiration by eddy covariance method

    에디공분산 방법에 의한 GLDAS와 GLEAM 증발산량의 적정성 평가

    Lee, Yeongil,Im, Baeseok,Kim, Kiyoung,Rhee, Kyounghoon

    이연길,임배석,김기영,이경훈

    This study was performed in Seolmacheon basin to evaluate the adequacy of GLDAS (Global Land Data Assimilation System) and GLEAM (Global Land ...

    본 연구에서는 GLDAS (Global Land Data Assimilation System)와 GLEAM (Global Land Evaporation Amsterdam Model) 증발산량의 적정성을 평가하기 위해 설마천 유역에서 관측된 ...

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    This study was performed in Seolmacheon basin to evaluate the adequacy of GLDAS (Global Land Data Assimilation System) and GLEAM (Global Land Evaporation Amsterdam Model) evapotranspiration data. The verification data necessary for the evaluation of adequacy were calculated after processing the latent heat flux data produced in the Seolmacheon basin with the Koflux program. In order to gap-fill the empty period, alternative evapotranspiration was calculated in three ways: FAO-PM (Food and Agriculture Organization-Penman Monteith), MDV (Mean Diurnal Variation) and Kalman Filter. This study selected Kalman Filter method as the data gap-filling method because it showed the best Bias and RMSE among the three methods. The amount of GLDAS spatial evapotranspiration was calculated as Noah (version 2.1) with a time interval of 3 hours and a spatial resolution of 0.25°. The amount of GLEAM spatial evapotranspiration was calculated using GLEAM (version 3.1a). This study evaluated the spatial evapotranspiration of GLDAS and GLEAM as the evapotranspiration based on eddy covariance. As a result of evaluation, GLDAS spatial evapotranspiration showed better results than GLEAM. Accordingly, in this study, the GLDAS method was proposed as a method for calculating the amount of spatial evapotranspiration in the Seolmacheon basin.


    본 연구에서는 GLDAS (Global Land Data Assimilation System)와 GLEAM (Global Land Evaporation Amsterdam Model) 증발산량의 적정성을 평가하기 위해 설마천 유역에서 관측된 에디공분산 기반의 잠열 플럭스를 검증자료로 활용하였다. 잠열 플럭스로부터 증발산량을 산정하기 위해 Koflux 프로그램으로 자료처리하였으며, 자료처리 후 발생된 빈구간을 보충(Gap-filling)하기 위해 FAO-PM (Food and Agriculture Organization-Penman Monteith), 평균 일변동(Mean Diurnal Variation, MDV), 칼만 필터(Kalman Filter)의 3가지 방법으로 대체 증발산량을 산정하였다. 본 연구에서는 3가지 방법 중 칼만 필터(Kalman Filter) 기반의 증발산량이 우수한 Bias와 RMSE를 보여 자료보충 방법으로 채택하였다. 공간증발산량은 GLDAS의 경우 Noah (version 2.1, 3시간, 공간해상도 0.25°)로 추출하였으며 GLEAM의 경우는 GLEAM(version 3.1a, 1일, 공간해상도 0.25°)를 이용하였다. GLDAS와 GLEAM의 공간증발산량을 에디공분산 기반의 증발산량으로 적정성을 평가한 결과, GLDAS의 증발산량이 에디공분산 기반과 비교적 적정한 결과를 나타내었다.

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    October 2020
  • Research Article

    Optimization of PRISM parameters using the SCEM-UA algorithm for gridded daily time series precipitation

    시계열 강수량 공간화를 위한 SCEM-UA 기반의 PRISM 매개변수 최적화

    Kim, Yong-Tak,Park, Moonhyung,Kwon, Hyun-Han

    김용탁,박문형,권현한

    Long-term high-resolution hydro-meteorological data has been recognized as an essential element in establishing the water resources plan. The increasing demand for spatial ...

    상세한 수문기상자료 구축은 수자원 활용 계획을 수립하고 대응하는 데 있어 필수적인 요소로 인식되고 있다. 기후, 수문, 지리 및 환경 등의 다양한 영역에서 ...

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    Long-term high-resolution hydro-meteorological data has been recognized as an essential element in establishing the water resources plan. The increasing demand for spatial precipitation in various areas such as climate, hydrology, geography, ecology, and environment is apparent. However, potential limitations of the existing area-weighted and numerical interpolation methods for interpolating precipitation in high altitude areas remains less explored. The proposed PRISM (Precipitation-Elevation Regressions on Independent Slopes Model) model can produce gridded precipitation that can adequately consider topographic characteristics (e.g., slope and altitude), which are not substantially included in the existing interpolation techniques. In this study, the PRISM model was optimized with SCEM-UA (Shuffled Complex Evolution Metropolis-University of Arizona) to produce daily gridded precipitation. As a result, the minimum impact radius was calculated 9.10 km and the maximum 34.99 km. The altitude of coastal weighted was 681.03 m, the minimum and maximum distances from coastal were 9.85 km and 38.05 km. The distance weighting factor was calculated to be about 0.87, confirming that the PRISM result was very sensitive to distance. The results showed that the proposed PRISM model could reproduce the observed statistical properties reasonably well.


    상세한 수문기상자료 구축은 수자원 활용 계획을 수립하고 대응하는 데 있어 필수적인 요소로 인식되고 있다. 기후, 수문, 지리 및 환경 등의 다양한 영역에서 신뢰할 수 있는 공간적 강우량의 요구가 증가하고 있다. 지형의 약 70%가 산악 지형인 우리나라의 경우 기존의 면적가중 및 수치내삽 방법은 고도가 높은 지역의 기상인자를 추정하는 데 한계가 있는 것으로 평가 되고 있다. PRISM 기법은 일반적인 공간보간 방법에 부족한 지형적 특성을 반영한 격자형태의 기상인자를 생산할 수 있는 유용한 모형으로서 본 연구에서는 SCEM-UA 기법을 기반으로 일단위 시계열에서의 PRISM 모형을 최적화 수행하였으며, 그 결과 최소영향반경은 9.10 km, 최대는 34.99 km로 산정되었으며, 해양가중치에서 고도기준은 681.03 m, 최소 및 최대거리는 각각 9.85 km, 38.05 km가 추정되었다. 거리가중치계수는 약 0.87로 산정되어 PRISM 모의 결과가 거리에 매우 민감하다는 것을 확인하였다. 또한, 다양한 통계적 검정을 통해 생산된 강수 시계열이 관측시계열과 비교하여 유사한 특성을 갖는 것을 확인하였다.

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    October 2020
  • Research Article

    Statistical investigation on size distribution of suspended cohesive sediment

    점착성 부유사의 입도분포형 검증

    Park, Byeoungeun,Byun, Jisun,Son, Minwoo

    박병은,변지선,손민우

    The purpose of this study is to find the appropriate probability distribution representing the size distribution of suspended cohesive sediment. Based on ...

    본 연구는 점착성 부유사의 입도분포에 적합한 이론적 확률분포형을 찾는 것을 목적으로 수행되었다. 유의수준 5%에 대해 적합도 검정을 수행한 결과, 실험실 실험자료와 ...

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    The purpose of this study is to find the appropriate probability distribution representing the size distribution of suspended cohesive sediment. Based on goodness-of-fit test for a significance level of 5% using the Kolmogorov-Smirnov test, it is found that the floc size distributions measured in laboratory experiment and field study show different results. In the case of sample data collected from field experiments, the Gamma distribution is the best fitting form. In the case of laboratory experiment results, the sample data shows the positively-skewed distribution and the GEV distribution is the best fitted. The lognormal distribution, which is generally assumed to be a floc size distribution, is not suitable for both field and laboratory results. By using 3-parameter lognormal distribution, it is shown that similar size distribution with floc size distribution can be simulated.


    본 연구는 점착성 부유사의 입도분포에 적합한 이론적 확률분포형을 찾는 것을 목적으로 수행되었다. 유의수준 5%에 대해 적합도 검정을 수행한 결과, 실험실 실험자료와 현장실험 자료에서 측정된 플럭입도분포는 다른 결과를 나타냈다. 현장실험으로부터 얻어진 표본자료의 경우 왼쪽으로 치우친 지수분포의 형태를 나타내며, Gamma 분포가 가장 우수하였다. 실험실실험 자료의 경우 표본자료가 양의 왜도를 가지며 GEV 분포가 가장 적합하였다. 많은 연구에서 점착성 유사의 입도분포로 가정되는 2매개변수 Lognormal 분포의 경우 현장실험 자료와 실험실실험 자료 모두 적합하지 않았으며, 위치매개변수를 추가하여 3매개변수 Lognormal 분포 적용 시 점착성 유사의 입도분포를 모사할 수 있는 것으로 나타났다.

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    October 2020