Journal of Korea Water Resources Association ISSN:2799-8746(Print) 2799-8754(Online) 한국수자원학회 논문집

RANS 기반의 CFD 해석은 계산 효율성이 높아 실무 수리해석을 포함한 다양한 공학 분야에서 널리 적용되고 있으나 자유수면과 같이 이상유체흐름 해석에서 비물리적인 거동이 나타나는 문제가 오랫동안 제기되어 왔다. 일반적인 RANS 기반의 해석에서 적용되는 2 방정식 난류 모형은 단상 유체를 대상으로 개발되어 유체 밀도의 급격한 변화가 발생하는 이상유체에서는 경계면에서 실제와 다른 높은 난류 에너지 생성을 모의한다. 최근 이를 해결하기 위해 개발된 방법 중의 하나인 부력 수정 난류 모형은 해안 분야에 적용되어 일부 적합성이 검증되었으나 개수로 흐름에 적용된 사례는 없다. 본 연구에서는 오픈 소스 프로그램인 OpenFoam의 VOF 기법을 기반으로 부력 수정 난류 모형의 적용성을 평가하였다. 등류 흐름 적용 결과에 의하면 부력 수정 k - ϵ 모형과 부력 수정 k - ω SST 모형이 자유수면 부근에서의 난류 에너지 저감 현상을 잘 모의함을 확인하였으며, 특히 부력 수정 k - ω SST 모형은 연직 유속 분포를 잘 모의함을 확인하였다. 또한 댐 붕괴 흐름에 적용하여 수면형의 변동이 크고 공동이 형성되는 경우에 대해 검토하였다. 모의 결과 부력 수정 난류 모형은 VOF 기법에 따라 상이한 결과를 나타내며 실험결과와 다른 비물리적인 거동을 나타내었다. 부력 수정 난류 모형이 수면이 안정적인 형태인 경우에는 적용성이 있으나 자유 수면의 급격한 변화가 발생하는 경우에 범용적으로 적용하기에는 여전히 한계가 있는 것으로 나타났다. 수면형이 급격하게 변화하거나 공동이 형성되는 흐름의 경우에는 난류 모형에 대한 적절한 보정이 필요한 것으로 판단된다.

돌발가뭄(Flash drought)은 급격한 기상 및 환경요인의 변화를 통해 단기간 급속하게 발생하는(rapid-onset) 가뭄으로 정의된다. 최근에는 전 세계적인 기상이상으로 인해 돌발가뭄의 발생빈도가 증가하고 있으며, 폭염 및 강수부족 등의 선행원인을 중심으로 다양한 연구가 수행되고 있다. 돌발가뭄과 같은 극단적인 수문현상은 사전에 대비하지 않으면 농업, 식량 및 도시 상수도 안보에 극심한 피해가 발생할 수 있다. 특히, 북한은 자연재해에 취약한 국가 중 하나로, 자연재해에 대해 대응할 수 있는 사회기반시설 부족으로 인해 사회적, 경제적으로 어려움을 겪고 있으며, 2014~2015년에 걸쳐 발생한 100년 빈도의 극심한 가뭄으로 인해 식량난, 전력난 등의 심각한 피해를 보았다. 본 연구에서는 토양수분 관측위성인 Advanced Microwave Scanning Radiometer-2(AMSR2) ascending X-band 토양수분 자료의 백분위수를 활용하여 주 단위 Flash Drought Intensity Index (FDII)를 산정하였으며, 2013년부터 2022년까지 10년간 한반도의 돌발가뭄 특성을 분석하였다. 한반도 전역의 관개기를 대상으로 월별 공간분포를 분석한 결과, 북한 지역에서는 토양수분의 급격한 감소로 인해 가뭄 심화율(FD_INT)이 크게 나타났으며, 남한 지역은 가뭄 심각도(DRO_SEV)가 크게 나타났다. 또한, 지역별 시계열 분석을 통해 남북한의 강원도 지역에서 FD_INT, DRO_SEV가 모두 크게 나타났다. 지역별 확률 밀도 추정 결과, 남북한의 FD_INT 차이가 뚜렷하게 나타났으며, 남한 지역은 DRO_SEV의 높은 값이 주로 분포하여 심각한 가뭄의 발생확률이 높게 나타났다. 북한 지역의 FDII가 큰 값에서 높은 밀도를 보이면서 북한 지역의 돌발가뭄 발생 횟수, 피해 등이 남한 지역보다 높은 것으로 분석되었다. DRO_SEV와 증발스트레스지수(Evaporative Stress Index, ESI)의 한반도 전역에 대한 상관성을 분석하여 0.4~0.6 수준의 강한 양의 상관관계를 확인하였다. 본 연구에서 제시하는 토양수분 백분위수 활용 방법을 통해 남한보다 북한 지역이 돌발가뭄에 취약한 환경으로 판단되며, 돌발가뭄은 토양수분의 지속적인 결핍보다 급격한 감소가 더 큰 영향이 있는 것으로 분석되었다. 본 연구의 결과는 향후 돌발가뭄 감지 및 예측 기술 개발에 활용하여 재해 예방 및 대응에 대한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

본 연구의 목적은 한강유역 중랑천 상류유역(118.2 km²)을 대상으로 건천화에 대한 실태조사를 수행하고, 건천화 회복 기준유량이 될 수 있는 환경생태유량을 산정하는 것이다. 건천화 실태조사를 위해 위성영상을 활용하여 과거와 현재를 비교하고, 어류조사를 포함한 현장조사를 수행하였다. 위성영상 분석 결과, 주거지역과 상업지역이 많이 증가하여 불투수 면적이 크게 증가한 것으로 분석되었다. 중랑천 한내교에서 갈수기시 유량과 수질을 조사한 결과, 갈수기 최저 유량은 평균 1.39 m³/sec로 조사되었고 이 시기에서 T-P와 TOC가 약간 나쁨, 나쁨으로 조사되어 갈수기시 수질이 안 좋은 것으로 조사되었다. 대상유역의 대표어종은 돌고기(P.herzi)로 조사되었고 최적 HSI는 수심, 유속, 그리고 하상재료에서 각각 0.3~ 0.5 m, 0.1~0.3 m/sec, 모래로 조사되었다. PHABSIM을 이용하여 대상유역에 대한 환경생태유량을 산정하였고, 최적 환경생태유량은 1.00 m³/sec로 산정되었다. 산정된 환경생태유량은 건천화 대응방안에 대한 기준유량으로 활용될 수 있다.

최근 기후변화와 이상기후로 인해 지금까지 경험하지 못했던 극한 강우의 발생이 빈번해지고 있다. 홍수 피해 자체를 완벽히 예측하거나 제거하는 것은 한계가 존재하여 기존의 예방 중심의 대응보다는 신속히 이전의 상태로 복구하거나 더 나은 상태로 개선하는 능력을 의미하는 ‘회복력(Resilience)’ 개념이 중시되고 있다. 본 연구에서는 1) 4R (가외성(Redundancy), 내구성(Robustness), 신속성(Rapidity), 자원부존성(Resourcefulness))을 기반으로 국내 홍수회복력 지표를 개발하였다. 특별재난지역을 대상으로 적용성 평가를 수행하였으며 개발된 홍수회복력 지표의 적합성을 확인하기 위해 다중공선성 분석을 수행하였다. 분석 결과 20개 지표 모두 공차 한계 0.1 이상, VIF (Variance Inflation Factor) 10 미만으로 다중공선성이 존재하지 않아 인자로서의 적합성을 갖는 것으로 판단하였다. 또한 각 지표의 상대적 중요도를 판단하기 위해 AHP 분석 방법을 활용하였다. 분석 결과, 지표별 중요도는 내구성 0.46, 신속성 0.22, 가외성 0.17, 자원동원력이 0.16으로 내구성이 가장 큰 중요도를 나타냈다. 4R의 항목별로 가장 큰 영향을 미친 세부 지표의 경우 내구성은 하천제방 정비, 신속성은 보건의료서비스, 자원동원력은 지방자치단체 재정자립도, 가외성은 배수시설로 나타났다. 본 연구는 특별재난지역을 대상으로 회복력에 영향을 미치는 요인을 분석함으로써 국가에서 홍수의 예방 및 대응을 전략적으로 관리할 수 있는 기초를 마련하였다는 점에서 의의가 있다.

본 연구에서는 수중에서 방출되는 기포의 유동특성 분석 및 거동을 해석을 위해 이용하는 영상분석기법의 적용성을 검토하기 위하여 실내실험을 수행하고 기포유동장 해석을 위한 격자의 민감도 분석을 하였다. 실내실험 수로 내에 정지유체 상태에서 여러 개의 노즐을 이용하여 기포를 발생시켜 기포장벽을 만들고 유동특성을 검토함으로써 분석방법의 적절성과 해석격자의 민감도를 분석하였다. 수리실험을 통한 기포의 유동특성을 분석하기 위해 해석격자에 대한 기포의 평균투영면적의 비인 투영면적비, 해석영역의 중심부 수심과 총수심과의 비인 수심비 등 매개변수를 정의하고, 각각의 변수간의 관계를 파악하기 위하여 상관분석 및 회귀분석을 수행하였다. 8가지 수심비에 따른 기포투영면적, 기포상승속도와의 관계를 분석한 결과, 수심비가 증가할수록 압력의 영향으로 인해 수면으로 상승할수록 기포의 크기는 높은 상관성을 가지며 선형적으로 증가하였다. 영상분석기법 적용을 위한 8가지 해석격자의 크기별 민감도 영향에서 투영면적비(0.09~0.96)에 따른 격자크기에 대한 민감도는 크지 않은 것으로 확인되었다. 이러한 결과를 통해 영상분석기법이 기포의 유동특성을 관측할 수 있는 적절한 기법이 될 수 있을 것으로 판단된다.

본 연구에서는 상수도관망의 시간에 따른 누적피해도를 정량적으로 산정하기 위해 추계학적 방법으로 상수도관망의 누적피해도 산정모형을 개발하였으며 이를 실제 도시에 적용하여 사용연수 증가에 따른 상수도관망의 누적피해도 변화를 분석하였다. 상수도관망 전체 피해율을 분석하기 위해 개별 관로의 누적피해도 평가모형을 수립하였고 누적피해도에 직접적인 영향을 미치는 노후지수는 MCS (Monte Carlo Simulation)을 사용하여 분석하였으며 부식으로 인한 두께변화 예측을 위해 Romanoff의 실측데이터를 사용하였다. 또한 단위관망(중블럭, 소블럭)별 상수도관망의 피해도를 분석하기 위한 누적피해도 모형을 수립하고 이를 통해 최대 50년 동안의 단위관망의 누적피해도를 예측할 수 있었다. 분석결과, 대상 지역인 청주시 내덕 1동 상수도관망의 경우 사용연수가 20년, 30년, 50년으로 증가함에 따라 누적피해도가 7%, 43%, 79%로 증가하는 것을 확인할 수 있었다.