• Research Article

    Identification of shear layer at river confluence using (RGB) aerial imagery

    RGB 항공 영상을 이용한 하천 합류부 전단층 추출법

    Noh, Hyoseob, Park, Yong Sung

    노효섭, 박용성

    River confluence is often characterized by shear layer and the associated strong mixing. In natural rivers, the main channel and its tributary ...

    하천 합류부는 두 개의 수체가 만나 전단층을 이루고 전단층을 따라 강한 혼합양상을 보이는 특징이 있다. 자연하천에서 합류하는 대비되는 두 하천의 색은 전단층을 ...

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    River confluence is often characterized by shear layer and the associated strong mixing. In natural rivers, the main channel and its tributary can be separated by the shear layer using contrasting colors. The shear layer can be easily observed using aerial images from satellite or unmanned aerial vehicles. This study proposes a low-cost identification method extracting geographic features of the shear layer using RGB aerial image. The method consists of three stages. At first, in order to identify the shear layer, it performs image segmentation using a Gaussian mixture model and extracts the water bodies of the main channel and tributary. Next, the self-organizing map simplifies the flow line of the water bodies into the 1-dimensional curve grid. After that, the curvilinear coordinate transformation is performed using the water body pixels and the curve grid. As a result, the shear layer identification method was successfully applied to the confluence between Nakdong River and Nam River to extract geometric shear layer features (confluence angle, upstream- and downstream- channel widths, shear layer length, maximum shear layer thickness).


    하천 합류부는 두 개의 수체가 만나 전단층을 이루고 전단층을 따라 강한 혼합양상을 보이는 특징이 있다. 자연하천에서 합류하는 대비되는 두 하천의 색은 전단층을 따라 구분될 수 있는데, 이는 위성 또는 무인항공체를 이용해 촬영된 항공영상을 통해 쉽게 관측할 수 있다. 본 연구에서는 취득 비용이 저렴한 RGB 항공 영상을 이용해 합류부에서 발생하는 전단층을 추출하고 전단층 주변의 기하학적 특성을 정량적으로 산정하는 방법을 제시한다. 본 방법은 네 단계로 구분된다. 첫 번째로, 합류부 흐름에서 전단층 추출을 위해 가우시안 혼합 모형을 바탕으로 한 영상 분할을 수행하여 본류와 지류가 포함된 픽셀을 추출해낸다. 다음으로 추출된 하천 수역에 자기조직화지도를 적용해 하천의유선을 1차원 곡선으로 단순화한다. 추출된 수체 영역과 1차원 곡선들을 이용해 본류와 지류의 수역을 이미지상 직교좌표계에서 곡선좌표계로 투영한 뒤, 마지막으로 전단층의 기하학적 특성을 산정한다. 결과적으로 개발된 전단층 추출법을 경상남도의 낙동강과 남강의 합류부가 촬영된 위성 영상에 적용하여 자연하천 합류부의 기하학적 특성인 합류각, 합류하는 두 하천의 상하류 하천 폭, 전단층의 길이, 그리고 전단층의 최대 두께를 각각 정량적으로 추출하는 데에 성공하였다.

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    August 2021
  • Research Article

    Classification of hydropower dam in North-han River based on water storage characteristics

    저류특성을 고려한 북한강수계 발전용댐의 유형 구분방안 제시

    Choi, Jeongwook, Jeong, Gimoon, Kang, Doosunc, Ahn, Jeonghwan, Kim, Taesoon

    최정욱, 정기문, 강두선, 안정환, 김태순

    Climate change threatens the security of domestic water resources in South Korea. To overcome the potential water shortage, various approaches are being ...

    최근 국내에서는 기후변화로 인해 수자원의 안정적인 확보가 위협받고 있으며, 그 대안으로 기존 수공시설물을 활용한 추가 수자원 확보를 추진하고 있다. 그러나, 이를 위한 ...

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    Climate change threatens the security of domestic water resources in South Korea. To overcome the potential water shortage, various approaches are being studied by alterning the operation of dams or by integrated operation of multiple dams and reservoirs. However, most of the related researches were developed and applied for multi-purpose dams, and few studies were conducted for the hydropower dams. The main purpose of the hydropower dam is to generate electric energy; however, the potential water shortage due to prolonged droughts brings the idea to supply water from the hydropower dam in the basin. To that end, it is required to estimate the water supply ability of the hydropower dams. In this study, we proposed a methodology to classify the hydropower dam into a “storage-type” and “run-of-river type” dam. The proposed approach was demonstrated using the hydropower dams located in North-han River basin. The results of this study are expected to contribute for further analysis of the hydropower dams, such as evaluation of water supply capacity and drought mitigation purpose operation of the hydropower dams.


    최근 국내에서는 기후변화로 인해 수자원의 안정적인 확보가 위협받고 있으며, 그 대안으로 기존 수공시설물을 활용한 추가 수자원 확보를 추진하고 있다. 그러나, 이를 위한 댐 시설물의 재평가 및 연계운영을 통한 용수공급능력 확보는 대부분 다목적댐 및 용수공급댐을 중심으로 검토되어 발전용댐을 대상으로 한 분석 연구는 상대적으로 미흡하다. 특히 발전용댐의 특성을 고려한 정확한 용수공급능력 산정 기법이 요구되고 있으나, 그에 앞서 수력발전에 목적을 둔 발전용댐의 저류특성을 먼저 파악할 필요가 있다. 본 연구에서는 발전용댐의 저류용량, 저류활동빈도, 용수공급기여도 등의 저류특성을 고려하여 발전용댐의 유형을 구분하는 방안과 판단 기준을 제안하고, 북한강수계 발전용댐을 대상으로 그 적용 결과를 도출하였다. 본 연구 결과는 발전용댐의 정확한 저류특성 파악과 함께, 향후 발전용댐 특성에 적합한 용수공급능력 평가 체계 및 운영방안 마련에 기여할 것으로 기대된다.

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    August 2021
  • Research Article

    Detection of flash drought using evaporative stress index in South Korea

    증발스트레스지수를 활용한 국내 돌발가뭄 감지

    Lee, Hee-Jin, Nam, Won-Ho, Yoon, Dong-Hyun, Mark, D. Svoboda, Brian, D. Wardlow

    이희진, 남원호, 윤동현, MarkD.Svoboda, BrianD.Wardlow

    Drought is generally considered to be a natural disaster caused by accumulated water shortages over a long period of time, taking months ...

    가뭄은 수개월, 수년 이상에 걸쳐 서서히 발생 및 지속되며, 식생에 대한 피해가 발생할 때까지 확실한 인식이 어렵다. 최근에는 기후변화에 따른 기상이변 및 ...

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    Drought is generally considered to be a natural disaster caused by accumulated water shortages over a long period of time, taking months or years and slowly occurring. However, climate change has led to rapid changes in weather and environmental factors that directly affect agriculture, and extreme weather conditions have led to an increase in the frequency of rapidly developing droughts within weeks to months. This phenomenon is defined as ‘Flash Drought’, which is caused by an increase in surface temperature over a relatively short period of time and abnormally low and rapidly decreasing soil moisture. The detection and analysis of flash drought is essential because it has a significant impact on agriculture and natural ecosystems, and its impacts are associated with agricultural drought impacts. In South Korea, there is no clear definition of flash drought, so the purpose of this study is to identify and analyze its characteristics. In this study, flash drought detection condition was presented based on the satellite-derived drought index Evaporative Stress Index (ESI) from 2014 to 2018. ESI is used as an early warning indicator for rapidly-occurring flash drought a short period of time due to its similar relationship with reduced soil moisture content, lack of precipitation, increased evaporative demand due to low humidity, high temperature, and strong winds. The flash droughts were analyzed using hydrometeorological characteristics by comparing Standardized Precipitation Index (SPI), soil moisture, maximum temperature, relative humidity, wind speed, and precipitation. The correlation was analyzed based on the 8 weeks prior to the occurrence of the flash drought, and in most cases, a high correlation of 0.8(-0.8) or higher(lower) was expressed for ESI and SPI, soil moisture, and maximum temperature.


    가뭄은 수개월, 수년 이상에 걸쳐 서서히 발생 및 지속되며, 식생에 대한 피해가 발생할 때까지 확실한 인식이 어렵다. 최근에는 기후변화에 따른 기상이변 및 기온상승 등으로 인하여 가뭄의 발생빈도가 증가하고 있으며, 기상 이상으로 몇 주 또는 몇 달 이내 빠르게 발전하는 가뭄을 확인할 수 있다. ‘돌발가뭄(Flash Drought)은 일반적인 가뭄과 달리 비교적 짧은 기간 동안 표면온도의 상승과 비정상적으로 낮고 빠르게 감소하는 토양수분으로 인하여 식생에 대한 극심한 스트레스를 유발하면서 광범위한 작물 손실 및 용수공급 감소 등에 대한 피해를 야기하는 가뭄으로 정의된다. 짧은 기간의 급속하게 발생하는 (rapid-onset) 돌발가뭄은 발생원인인 토양수분함량의 감소와 강수의 부족, 낮은 습도, 고온 및 강풍 등으로 인한 증발 수요의 증가 등과 유사한 관계가 있기 때문에 농업 및 자연 생태계에 미치는 영향이 크며, 발생원인 또한 농업가뭄의 범주에 속하기 때문에 이에 대한 모니터링이 필수적이다. 본 연구에서는 증발산량을 활용한 위성영상 기반 가뭄지수인 증발스트레스지수(Evaporative Stress Index, ESI)를 활용하여 국내의 돌발가뭄 감지 조건을 제시하였으며, 표준강수지수, 토양수분, 최고기온, 상대습도, 풍속, 강수량 등과 비교를 통하여 돌발가뭄사상의 수문기상학적 특성에 대하여 분석하였다. 돌발가뭄 발생 이전 8주간을 기준으로 상관분석하였으며, ESI와 표준강수지수, 토양수분, 최고기온에 대하여 0.8(-0.8) 이상의 높은 상관관계를 보였다. 본 연구를 통하여 아직 명확하게 정의되지 않은 돌발가뭄에 대한 유형별 분석 및 국내 돌발가뭄의 수문기상학적 특성을 파악하였으며, 위성영상 기반 가뭄지수인 증발스트레스지수는 돌발가뭄사상의 모니터링에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

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    August 2021
  • Research Article

    Safety analysis and deterioration evaluation of water pipe for improvement according to service year

    상수도관의 개량을 위한 시간에 따른 노후도 및 안전성 분석

    Kwon, Hyuk Jae, Lee, Kyung Je

    권혁재, 이경제

    In this study, corrosion depth equation was suggested according to real measured corrosion data, and then management indexes of pipe network which ...

    본 논문에서는 부식깊이의 실측 데이터를 통해 부식깊이 예측식을 수립하고 상수관망의 노후도 및 안전도 등을 결정할 수 있는 운영인자를 수립하여 실제 관망에 적용하였다 ...

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    In this study, corrosion depth equation was suggested according to real measured corrosion data, and then management indexes of pipe network which can determine the deterioration rate and safety rate has been established and applied to real pipe networks. Furthermore, reliability analysis and management index analysis have been conducted to estimate and compare the deterioration rate. From the results of reliability analysis, it was found that probability of failure of 200 mm steel pipe can be increased from 4.36% at present time to 8.23% after 20years at Gaduk and from 7.35% to 12.99% at Nami. From the results of management index analysis, it was found that deterioration rates of Gaduk and Nami are 1.009 and 1.174, respectively. Priority of improvement and replacement of water pipe can be determined by results of reliability analysis and management index analysis.


    본 논문에서는 부식깊이의 실측 데이터를 통해 부식깊이 예측식을 수립하고 상수관망의 노후도 및 안전도 등을 결정할 수 있는 운영인자를 수립하여 실제 관망에 적용하였다. 신뢰성해석과 운영인자 분석을 통해 노후도를 비교·분석 하였다. 신뢰성해석결과 가덕의 직경 200 mm 관의 경우 시간이 경과함에 따라 4.36%, 6.18%, 8.23%로 증가하는 것으로 나타났고 남이의 직경 200 mm 관의 경우 시간이 경과함에 따라 7.35%, 9.51%, 12.99%로 증가하는 것으로 나타났다. 운영인자를 결정하여 방사형 차트 면적을 통해 노후도를 비교한 결과 가덕은 1.009, 남이는 1.174로 남이 지역이 노후도가 큰 것으로 나타났다. 신뢰성해석과 운영인자를 통해 교체 우선순위를 결정할 수 있었다.

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    August 2021
  • Research Article

    Development of leakage detection model in water distribution networks applying LSTM-based deep learning algorithm

    LSTM 기반 딥러닝 알고리즘을 적용한 상수도시스템 누수인지 모델 개발

    Lee, Chan Wook, Yoo, Do Guen

    이찬욱, 유도근

    Water Distribution Networks, one of the social infrastructures buried underground, has the function of transporting and supplying purified water to customers. In ...

    지하에 매설되어 있는 사회기반시설물 중 하나인 상수도시스템은 정수처리된 물을 수용가에게 수송 및 공급하는 기능을 가지고 있다. 최근들어, 계측능력이 향상됨에 따라 유량데이터에 의한 ...

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    Water Distribution Networks, one of the social infrastructures buried underground, has the function of transporting and supplying purified water to customers. In recent years, as measurement capability is improved, a number of studies related to leak recognition and detection by applying a deep learning technique based on flow rate data have been conducted. In this study, a cognitive model for leak occurrence was developed using an LSTM-based deep learning algorithm that has not been applied to the waterworks field until now. The model was verified based on the assumed data, and it was found that all cases of leaks of 2% or more can be recognized. In the future, based on the proposed model, it is believed that more precise results can be derived in the prediction of flow data.


    지하에 매설되어 있는 사회기반시설물 중 하나인 상수도시스템은 정수처리된 물을 수용가에게 수송 및 공급하는 기능을 가지고 있다. 최근들어, 계측능력이 향상됨에 따라 유량데이터에 의한 딥러닝기법을 적용한 누수 인지 및 탐지와 관련한 연구가 다수 수행되고 있다. 본 연구에서는 현재까지 상수도 분야에 적용되지 않은 LSTM 기반의 딥러닝 알고리즘을 활용하여 누수발생에 대한 인지 모형을 개발하였다. 가정한 데이터를 기반으로 모형에 대한 검증을 수행하였으며 2% 이상의 누수가 발생한 경우에 대하여 모두 인식이 가능한 것으로 나타났다. 향후, 제안된 모형을 토대로 유량데이터 예측부분에 있어서 보다 정밀한 결과가 도출 될 수 있을것으로 판단된다.

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    August 2021
  • Research Article

    Applicability of hiding-exposure effect to suspension simulation of fine sand bed

    가는 모래의 부유 모의시 차폐효과 고려의 영향

    Byun, Jisun, Son, Minwoo

    변지선, 손민우

    The purpose of this study is to simulate the transport of nonuniform sediment considering the hiding-exposure effect numerically. In order to calculate ...

    본 연구는 가는 모래로 이루어진 하상으로부터 침식된 부유사의 농도분포 계산결과에 차폐효과가 미치는 영향을 살펴보는 것을 목적으로 수행되었다. 하상재료의 입도분포를 고려하여 침식율을 산정할 ...

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    The purpose of this study is to simulate the transport of nonuniform sediment considering the hiding-exposure effect numerically. In order to calculate the transport of multi-disperse suspended sediment mixtures, the set of advection-diffusion equations for each particle class is solved. The applicability of the numerical model is examined by comparing the simulation results with experimental data. In this study, we calculate the vertical distribution of total concentration of sediment particles using two approaches: (1) by considering the mixture as represented by a single size; and (2) by combining the concentration of the sediment corresponding to several particle size classes; From the simulation results, it is shown that both approaches calculate reasonable results due to the narrow range of size distribution. Under the condition of nonuniform sediment, the critical shear stress of the sediment particle is influenced by the size-selective entrainment, i.e., hiding-exposure effect. It is shown in this study that the effect of hiding-exposure effect on the erosion rates of fine sand is negligibly small.


    본 연구는 가는 모래로 이루어진 하상으로부터 침식된 부유사의 농도분포 계산결과에 차폐효과가 미치는 영향을 살펴보는 것을 목적으로 수행되었다. 하상재료의 입도분포를 고려하여 침식율을 산정할 수 있는 유사이동 모형을 개발하였으며, 측정자료와의 비교를 통해 수치모형의 적용가능성을 검토하였다. 수치모의결과로부터 하상재료 입도분포의 기하표준편차가 1.5보다 작은 경우 차폐효과가 부유사 농도의 연직방향 분포 계산결과에 미치는 영향은 매우 작은 것으로 나타났다. 또한 기하표준편차가 1.5이하인 가는 모래로 이루어진 하상으로부터 침식된 유사 농도를 계산하는 경우, 균일사로 가정 후 대표입경을 바탕으로 농도를 산정하여도 합리적인 결과가 얻어지는 것으로 확인되었다.

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    August 2021
  • Research Article

    Evaporative demand drought index forecasting in Busan-Ulsan-Gyeongnam region using machine learning methods

    기계학습기법을 이용한 부산-울산-경남 지역의 증발수요 가뭄지수 예측

    Lee, Okjeong, Won, Jeongeun, Seo, Jiyu, Kim, Sangdan

    이옥정, 원정은, 서지유, 김상단

    Drought is a major natural disaster that causes serious social and economic losses. Local drought forecasts can provide important information for drought ...

    가뭄은 심각한 사회적 경제적 손실을 초래하는 주요 자연재해이다. 지역 가뭄 예측은 가뭄 대비에 중요한 정보를 제공할 수 있다. 본 연구에서는 한반도 동남부 ...

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    Drought is a major natural disaster that causes serious social and economic losses. Local drought forecasts can provide important information for drought preparedness. In this study, we propose a new machine learning model that predicts drought by using historical drought indices and meteorological data from 10 sites from 1981 to 2020 in the southeastern part of the Korean Peninsula, Busan-Ulsan-Gyeongnam. Using Bayesian optimization techniques, a hyper-parameter-tuned Random Forest, XGBoost, and Light GBM model were constructed to predict the evaporative demand drought index on a 6-month time scale after 1-month. The model performance was compared by constructing a single site model and a regional model, respectively. In addition, the possibility of improving the model performance was examined by constructing a fine-tuned model using data from a individual site based on the regional model.


    가뭄은 심각한 사회적 경제적 손실을 초래하는 주요 자연재해이다. 지역 가뭄 예측은 가뭄 대비에 중요한 정보를 제공할 수 있다. 본 연구에서는 한반도 동남부 부산-울산-경남 지역에서 1981년부터 2020년까지 10개 관측소의 과거 가뭄지수 및 기상 관측자료를 사용하여 가뭄을 예측하는 새로운 기계학습모델을 제안한다. 베이지안 최적화기법을 이용하여 하이퍼 파라미터가 튜닝된 Random Forest, XGBoost, Light GBM 모델을 구축하여 1개월 뒤의 6개월 시간 척도의 증발 수요 가뭄지수를 예측하였다. 단일 지점별 모델과 지역 모델을 각각 구성하여 모델 성능을 비교하였다. 또한 지역 모델을 기반으로 개별 지점의 자료에 대해 미세조정된 모델을 구성하여 모델 성능을 높일 가능성을 살펴보았다.

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    August 2021
  • Research Article

    Numerical analysis of morphological changes by opening gates of Sejong Weir

    보 개방에 의한 하도의 지형변화 과정 수치모의 분석(세종보를 중심으로)

    Jang, Chang-Lae, Baek, Tae Hyo, Kang, Taeun, Ock, Giyoung

    장창래, 백태효, 강태운, 옥기영

    In this study, a two-dimensional numerical model (Nays2DH) was applied to analyze the process of morphological changes in the river channel bed ...

    본 연구에서는 2차원 수치모형(Nays2DH)을 적용하여 금강에 건설된 세종보를 중심으로 보 개방 후에 홍수량 변화에 의한 하도의 지형변화 과정을 분석하였다. 이를 ...

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    In this study, a two-dimensional numerical model (Nays2DH) was applied to analyze the process of morphological changes in the river channel bed depending on the changes in the amount of flooding after fully opening the Sejong weir, which was constructed upstream of the Geum River. For this, numerical simulations were performed by assuming the flow conditions, such as a non-uniform flow (NF), unsteady flows (single flood event, SF), and a continuous flood event (CF). Here, in the cases of the SF and CF, the normalized hydrograph was calculated from real flood events, and then the hydrograph was reconfigured by the peak flow discharge according to the scenario, and then it was employed as the flow discharge at the upstream boundary condition. In this study, to quantitatively evaluate the morphological changes, we analyzed the time changes in the bed deformation the bed relief index (BRI), and we compared the aerial photographs of the study area and the numerical simulation results. As simulation results of the NF, when the steady flow discharge increases, the ratio of lower width to depth decreases and the speed of bar migration increases. The BRI initially increases, but the amount of change decreased with time. In addition, when the steady flow discharge increases, the BRI increased. In the case of SF, the speed of bar migration decreased with the change of the flow discharge. In terms of the morphological response to the peak flood discharge, the time lag also indicated. In other words, in the SF, the change of channel bed indicates a phase lag with respect to the hydraulic condition. In the result of numerical simulation of CF, the speed of bar migration depending on the peak flood discharges decreased exponentially despite the repeated flood occurrences. In addition, as in the result of SF, the phase lag indicated, and the speed of bar migration decreased exponentially. The BRI increased with time changes, but the rate of increase in the BRI was modest despite the continuous peak flooding. Through this study, the morphological changes based on the hydrological characteristics of the river were analyzed numerically, and the methodology suggested that a quantitative prediction for the river bed change according to the flow characteristic can be applied to the field.


    본 연구에서는 2차원 수치모형(Nays2DH)을 적용하여 금강에 건설된 세종보를 중심으로 보 개방 후에 홍수량 변화에 의한 하도의 지형변화 과정을 분석하였다. 이를 위해 부등류, 부정류(단일사상), 연속홍수사상을 수문특성을 반영한 흐름조건으로 수치모의를 수행하였다. 부등류 수치모의 조건은 유황에 따른 정상유량으로 상류단 경계조건을 가정하였다. 부정류와 연속홍수사상의 경우에는 실제 홍수사상들로부터 정규 수문곡선 (normalized hydrograph)을 산정 한 후, 시나리오에 따른 첨두유량으로 정규 수문곡선을 재구성하여 상류단 유량으로 가정하였다. 본 연구에서는 지형학적 변화를 정량적으로 평가하기 위해 하상기복지수(BRI)를 산정하여 시간에 따른 하상변동을 분석하였으며, 연구지역의 항공사진과 수치모의 결과를 정성적으로 비교하였다. 부등류 수치모의 결과, 각 유황별 유량이 증가하면 하폭 대 수심의 비는 감소하고, 사주의 이동속도는 증가하였다. 하상기복지수는 초기에는 증가하지만, 시간이 증가함에 따라 변화량이 작아졌다. 또한 유량이 증가하면 하상기복지수가 증가했다. 부정류 수치모의 결과 사주의 이동속도는 유량의 변화에 따라 감소했다. 또한 첨두홍수에 대한 지형적 반응에서 시간지체(time lag)가 발생했다. 즉, 부정류에서는 하상고의 변화는 수리학적 조건에 대하여 위상지연(Phase lag) 이 나타났다. 연속홍수사상 발생에 의한 부정류 수치모의 결과에서는 각각 첨두홍수 발생에 따른 사주의 이동속도는 홍수발생이 반복됨에도 불구하고 급격하게 감소했다. 또한 부정류 수치모의 결과와 마찬가지로 위상지연이 나타났으며 사주의 이동속도는 지수적으로 감소하는 특성을 보였다. 하상기복지수는 시간경과에 따라 증가하였으나, 첨두홍수가 연속으로 발생하였음에도 불구하고 하상기복지수의 증가율은 완만하였다. 본 연구를 통해 하천의 수문특성을 반영한 지형변화 과정을 수치모의를 수행하여 분석하였으며, 이를 통해 흐름특성에 따른 하상변동의 정량적인 예측모의를 현장에 적용할 수 있는 방법을 제시할 수 있을 것으로 판단된다.

    - COLLAPSE
    August 2021