1. 서 론
수제는 주로 호안 또는 하안 전면부에 설치하는 구조물로써 기존의 수제 설치는 하안 및 제방의 보호, 유로제어 및 주운 등의 목적에 의해 이루어졌다. 오랜 역사를 지닌 하천구조물인 수제는 현재까지 설치가 되고 있으며 국내에도 다양하게 분포되어 있다. 2000년 대 중반에서는 수제의 효용성이 부곽되며 많은 연구가 이루어지고 있으며 수제의 활용성에 대한 재검토가 이루어지고 있다. 수제는 특정한 경우를 제외하고 독립적으로 설치는 되지 않으며 큰영역을 보호할 수 있는 여러개의 집합체로 이루어진 군수제 형태로 설치되어지는 것이 일반적이다(Fig. 1). 이러한 수제를 설치하기 위해서는 수제의 설계인자를 고려하여야 하는데 수제의 주요 설계인자로는 수제간격, 수제의 방향(설치각도), 수제높이, 수제길이 등이 있으며 이는 대상 하천의 하도조건과 유황 등이 고려되어야 한다. 군수제의 경우에는 수제의 설치간격에 따라 수제역과 유심선이 발달하는 주흐름영역에서 흐름특성이 다양하게 변화하며, 이러한 수제역의 재순환흐름과 역류 흐름 및 하류수제 선단유속의 특성이 수제부의 유동변화와 하상변화 및 하안 침식에 큰 영향을 미치기 때문에 수제간격은 군수제 설계에 있어서 가장 중요한 설계인자라 할 수 있다. 따라서 군수제 설계를 위한 수제간격에 따른 수제주변 흐름 및 수제역내 재순환흐름에 대한 분석이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 수제의 다양한 설계인자 중 수제의 각도와 설치간격을 대상으로 재순환영역에서 발생하는 흐름형태와 역유속에 대한 영향을 검토하고자 하였다. 이러한 목적에 부합하는 수제를 설계하기 위해서는 수제간격에 따른 수제주변 흐름 및 수제역내 재순환흐름에 대한 분석이 필요하다.
2. 연구동향
수제간격에 대한 기존연구의 견해는 ｢수제간격은 적절한 하안 보호를 제공할 수 있는 가능한 최대이어야 한다｣고 제안하고 있으며 간격 
은 수제길이 
에 대한 무차원 값(
)으로 제안하고 있다. Acheson (1968)은 곡선 곡률의 각도에 대해 
= 2~4의 간격을 제안하였으나 수제 간격과 수제 투과율과 그리고 곡선부 만곡의 정도 사이의 관계에서의 명확한 표준을 제공하지는 못하였다. Richardson and Simons (1974)는 설치조건에 따라 
= 1.5~2.0과 
= 3~6의 값을 제안하였는데 직선 또는 큰 반경을 가지는 곡선수로에서는 4~6, 작은 반경을 갖는 곡선수로에서는 3~4의 값을 제안하였다. Jansen et al. (1979)은 수리실험결과를 기초로 설치간격을 다음과 같이 에너지방정식의 형태로 표현하여 제시하였다. Copeland (1983)는 하안 보호목적에 대해 간격을 제안했는데 수제의 침식되는 길이를 이용하여 
= 3 이상으로서 제시하였다. FHWA (1985)는 제방보호 목적에서 수제의 간격은 수제길이, 각도, 그리고 투과율, 뿐만 아니라 만곡수로의 곡률반경 등의 영향을 고려할 것을 제시하고 있는데 일반적으로 수제 간격은 수제설치 목적에 따라 
= 1~6의 범위를 제안하였다. FHWA의 연구결과들은 개개의 수제에 의해 보호되는 수로제방의 길이를 흐름 확장각에 의해 제시하였는데 흐름 확장각은 수제 선단부에서 재순환영역이 끝나는 제방선을 연결한 각이다. 확장각은 불투과 수제에서 17도로 제시하였고 투과수제에서는 투과율이 증가할수록 증가된 확장각을 제시하였다. HR Wallingford (1997)에서는 군수제설치에 따른 고려사항으로 수제선단부에서 하류부 수제까지의 입사각과 주흐름유속, 수제선단부 유속 그리고 제방유속에 대하여 검토하였다. 이들은 군수제의 설치간격에 대한 경제성을 중요시하며 적절한 수제간격은 6배 이하로 설치되어야 한다고 제시하였다. 국내의 연구로는 Kang et al. (2006)이 직각수제를 대상으로 1~12배의 수제간격에 대한 실험을 수행하여 수제 주변에서 발생하는 흐름에 대해 최대유속 및 제방부 유속분포에 대해 검토하여 정성적인 흐름특성에 대한 수제간격을 제시하였다. Kim et al. (2014)은 상향 군수제의 적정 설치간격 제시를 위하여 간격 변화에 따른 수제주변 흐름특성을 수리실험을 통해 분석하고 4~6배의 적정 설치간격을 제시하였다.
3. 군수제 흐름특성 실험
3.1 실험방법 및 조건
군수제 실험에 사용된 실험 수로는 2.0 m(
) × 0.8 m(
) × 40.0 m(
)의 제원을 가지고 있는 직선수로를 이용하였다. 유량공급 장치는 0.012~0.4 m3/s를 공급할 수 있는 폭 1.2 m 위어를 사용하였다. 실험에 사용된 수제는 연직형태의 아크릴판을 사용하여 수로폭(
)대 수제길이(
)의 비가 0.15에 맞춰지도록 제작하였다. 여기서 수제길이는 투영길이(
)로 가정하여 수로폭방향을 기준으로 동일한 길이로 제작하였다. 수제의 배치형태는 목적에 따라 다양한 형태로 제시될 수는 있으나 대표적인 배치형태는 상향, 직각, 하향으로 제시되어진다. 따라서 본 실험에서는 3가지 방향에 대한 실험을 계획하였으며 실험에 적용된 수제의 각도는 상향(
= 45°), 직각(
= 90°) 및 하향(
= 135°)의 3가지 조건이다. Fig. 2는 수로 및 설치된 수제의 제원에 대해 간략하게 나타낸 것이다. 수제의 간격은 수제길이에 대한 비(
)로 결정되어 지며 수제길이의 2~8배로 설정하였다. 흐름조건은 0.25 m/s, 0.30 m/s와 0.40 m/s의 3가지 유속조건을 적용하였으며, 수심에 대한 영향을 최소화하기 위해 0.15 m의 동일한 수심조건을 설정하여 실험을 수행하였다. Table 1은 실험조건을 나타낸 것이다.
수제주변 유속장 측정은 LSPIV (Large Scale Particle Image Velocimetry)기법을 사용하였다. LSPIV 기법은 실험실에서 영상해석기술을 이용하여 미소 영역의 유속을 측정하기 위해 개발된 입자영상유속계(Particle Image Velocimetry, PIV)를 비교적 규모가 큰 영역에 적용함으로써 표면유속을 측정하기 위한 영상측정기법의 하나이다. LSPIV는 LDV (Laser Doppler Velocimetry)와 ADV같은 측정기기가 갖는 한계를 극복하여 대상 영역 전체의 순간 유속장을 획득할 수 있다는 장점이 있기 때문에 수제와 같은 구조물 주변의 국부적인 흐름장을 측정하는데 많이 이용된다(Ettema and Muste, 2004; Weitbrecht et al, 2002). LSPIV 기법은 영상을 이용하여 유속을 측정한다는 기본개념을 바탕으로 시간차를 이용하여 촬영된 이미지를 이용하여 Fig. 3과 같이 입자간의 변위를 계산함으로써 순간적인 유속자료를 획득할 수 있는 기법이다. 하지만 영상획득시 비스듬한 각도로 수표면의 영상을 기록하므로 카메라 촬영각도에 따른 원근상의 왜곡 수정을 필요로 한다. 2차원 평면 영상에 대한 왜곡수정은 왜곡된 영상의 특정좌표를 일정한 보정비율로 평면상의 실제좌표로 계산함으로써 이루어진다. 영상왜곡은 유동장의 규격과 대응되는 스크린상 픽셀좌표의 관계로 보정할 수 있다. 2개의 좌표계 즉 물리좌표계와 CRT좌표계를 설정하고 다음과 같은 이차사영변환식을 적용하여 계수를 구한다.
, 
(1)
LSPIV 기법은 영상처리 전에 이러한 왜곡 보정작업을 수행한 후 상관관계 분석을 거쳐야 하므로 기존 PIV 기법에 비해 정확도가 저하되는 단점이 있지만 이러한 단점에도 불구하고 LSPIV 기법이 주목받는 것은 간단한 장치구성과 영상 처리 및 분석을 위한 소프트웨어만으로 대규모의 실내실험이나 현장 적용이 가능하며 기존 장비와 인력의 활용에 비해 훨씬 적은 비용과 수고로 짧은 시간 내에 전체 유속장의 측정이 가능하기 때문이다. Fig. 4는 수제 설치각도에 따라 촬영된 이미지와 LSPIV분석을 위한 왜곡보정후의 이미지를 나타낸다. LSPIV 흐름분석을 위해 사용된 입자는 쌀튀밥을 사용하였다. 쌀튀밥은 각각의 입자가 코팅이 되어 있어 주변 입자들간에 서로 점착되는 현상을 최소화 할 수 있어 유동장을 측정하는데 문제가 발생하지 않는다. 영상에 사용된 계측장비는 초당 30프레임을 담을 수 있는 비디오 캠코더를 이용하였으며 60초 촬영을 통해 획득한 1,800 (60초 × 30프레임)장의 이미지를 사용하여 유속장 분석을 수행하였다.
3.2 LSPIV 기법을 이용한 흐름분석
LSPIV 기법을 이용하여 분석된 흐름영역은 Fig. 5와 같다. Fig. 5는 수제로 인해 변화되는 흐름영역을 나타낸 것으로 설치각도 및 간격에 따라 수제역내 형성되는 와의 크기 및 위치변화를 관측할 수 있다. 모든 설치각도에서의 수제역내에서는 1개의 커다란 재순환흐름이 발생하고 있는 것으로 확인되나 설치간격이 2배일 경우 수제역내에서는 흐름이 정체된 흐름을 파악할 수 있다. 상향수제의 경우 수제끝단부에서 흐름이 분리각이 커지는 것으로 확인되며 형성되는 와의 크기도 하향수제에 비해 넓은 면적에서 발생하는 것을 알 수 있다. Figs. 6~8은 LSPIV 기법을 통해 분석된 수제부근에서의 유속벡터를 나타낸 그림으로 분석된 유속자료를 통해 수제역내 유속자료를 이용할 수 있다. 군수제 대상 흐름특성은 수제설치각도와 간격에 대한 연구로써 실험분석은 재순환흐름에서 발생하는 흐름특성인 와형성과 제방부 근처에서의 유속에 대해 검토하였다.
4. 실험결과 분석
군수제 수리실험은 주흐름영역과 재순환영역 그리고 수제역내 제방부 주변 흐름에 대하여 분석하였다. 주흐름영역은 수제설치로 인해 하도축소로 의한 흐름이 집중되어 변화되는 구간으로서 주변흐름에 비해 고유속이 발생하는 구간이다. 재순환영역은 수제의 설치간격과 설치각에 따른 유속변화가 발생하여 하상변화가 발생하는 지역이다. 본 연구에서는 군수제 설치에 따라 수제역내 발생하는 와의 형태에 대한 검토를 목적으로 하고 있어 재순환영역 흐름변화를 중심으로 분석하고 수제간격과 설치각도에 따른 영향을 분석하였다.
LSPIV기법을 이용하여 분석된 자료를 기반으로 결과분석을 위해 설정한 주요변수는 Fig. 9에 나타내었다. 각 주요인자에 대한 정의 및 표현방법은 다음과 같다. 수제길이는 흐름투영 길이 
으로 정의하였다. 수제의 간격은 설치거리(
)에 대한 수제길이비로 나타내었으며, 재순환흐름의 높이비는 흐름분리높이(
)를 수로폭(
)으로 무차원화 하였다. 재순환흐름의 와형성위치와 관련된 수평길이(
) 및 수직길이(
)는 수제길이와 수로폭에 대하여 비교하였다. 제방근처에서의 최대유속비는 간격에 따른 측선에서의 최대유속(
)을 유입부유속(
)로 무차원 하였다. 여기서 제방부 최대유속은 역류흐름이 발생하므로 절대값으로 환산하여 검토하였다. 와의 발생거리 검토를 위한 수치들은 수제와 제방이 연결되는 접합부를 기준으로 거리를 산정하였으며 도출된 분석 결과는 Table 2와 같다.
Figs. 10 and 11은 수제간격에 따른 흐름방향 와형성 위치와의 관계를 나타낸 그림으로서 수제의 설치각도에 따라 분류하였다. 와의 형성위치는 상향, 하향수제에서 수제간격이 증가함에 따라 첫 번째 수제에서 점차적으로 후퇴하는 것으로 나타났으나 
≤ 6일 경우 와 형성 위치의 변동은 미미한 변화를 갖는 형태로 나타나는데 이는 LSPIV 유속장 분석으로 검토하였을 시 
> 6이 되면 수제역내 재순환흐름은 하나의 구심점을 갖는 회전류가 좌우로 넓게 펼쳐지는 현상이 발생한다.
and groyne spacing (x-direction)
and groyne spacing (y-direction)각도에 대한 와형성위치는 하향 ＞ 직각 ＞ 상향 순으로 수제설치지점으로부터 멀리 이격되어 발생하고 있는데 와형성과 관련된 재순환흐름은 수제선단부의 흐름분리에 의해 발생되는 현상이므로 설치지점으로 비교하였을 시 그 차이를 뚜렷이 확인할 수 있다.
폭방향 와형성 위치(
)는 하향 ＞ 직각 ＞ 상향 순으로 크게 발생하고 있는데 
≥ 4 일 경우 폭방향 위치변화의 폭이 완만한 곡선을 이룬다. 상향수제의 2~3배 간격을 제외하고는 수제길이비(
= 0.15)보다 작은 위치 즉, 수제역내에서 와가 형성됨을 알 수 있다. 이와 같은 결과로 볼 때 수제간격이 
≤ 3 일 경우 주흐름에 의한 수제선단부 흐름분리에 의한 영향이 지배적으로 발생하고 있음을 알 수 있다.
수제역내의 재순환흐름으로 인한 유속저감은 제방주변의 유속을 완화시켜 제방을 보호하는 역할을 하게 되므로 수제간격 및 설치각에 따른 제방주변에서의 흐름에 대한 검토가 필요하다. 수제간격에 대한 제방부 흐름분석은 수제간격에 따라 하안선(제방)을 따라 형성되는 역류 흐름에 대하여 분석하였다. 하안을 따라 형성되는 역방향 유속에 대해서는 제방의 근접 부분(y = 2 cm)인 측선에 대해 분석하였고 역유속에 대해 절대값으로 변환하였다. 제방부유속은(
)는 상류 접근유속(
)으로 무차원화한 수치를 적용하였으며 최대제방유속이 발생하는 거리(
)는 수제길이(
)로 무차원화 하였다.
Fig. 12는 설치간격에 따른 제방근처 최대유속비(
)를 설치각도에 대해 비교한 그림으로서 설치간격이 증가할수록 제방부 유속은 증가하는 경향을 나타내고 있다. 기존 연구에 의하면 Kang et al. (2006)은 2개의 직각수제에서 제방부 최대유속비는 0.78로 관측된다고 하였다. 본 연구결과에서는 직각 및 하향수제의 경우 설치간격이 
≥ 5일 경우 제방부 유속의 증가폭이 완만해지는 경향을 보이고 있으나 상향수제의 경우 간격에 관계없이 역유속은 선형적으로 증가하고 있으며 최대유속비(
)는 0.59로 발생하고 있었다. 직각수제일 경우 제방부 최대유속(
)은 
= 8 일 때 0.38의 값을 갖는 것으로 관측되었으며, 하향수제에서도 0.31의 값을 나타나는 것으로 확인되었다.
and groyne spacingFig. 13에서는 제방부 최대유속 발생위치(
)에 대하여 수제간격과 설치각에 대해 비교하여 보았다. 상향수제를 제외하고는 직각 및 하향수제에서는 선형적으로 증가하고 있었다. 제방부 최대유속발생위치 또한 
≥ 6일 경우 최대유속 발생위치의 증가폭이 완만해 지는 것으로 나타났다. 직각수제일 경우 제방부 최대유속 발생위치(
)는 
= 8 일 때 4.54 로 관측되었으며, 하향수제에서는 5.01의 값으로 관측되었다. 그러나 상향수제에서는 수제간격이 
= 6~8 일 경우 최대유속 발생위치(
)는 3.79에서 최대유속이 발생하는 것으로 나타났다.
and groyne spacing주흐름구간과 재순환흐름에 대한 상관성을 검토하기 위해 본 연구에서는 수제역내 발생하는 재순환흐름의 와(vortex)형성위치를 중심으로 비교 분석하였다. 재순환흐름의 분석은 수제의 설치각도에 대한 주흐름 최대유속발생거리(
)와 제방부 최대유속발생지점(
)에 대하여 재순환흐름에서 와의 형성위치(
) 와 비교하였다. 여기서 주흐름의 최대유속발생거리(
)는 수제설치지점으로부터 주흐름영역에서 최대유속(
)이 발생하는 지점간의 거리를 의미한다. Fig. 14는 앞서 설명한 주흐름 및 제방부 최대유속 발생거리, 와형성 거리를 통합하여 
라 명명하고 설치각도에 따라 표현한 그림으로 설치간격에 따라 주흐름 최대유속 및 제방부 최대유속 발생지점은 
= 2일 경우를 제외하고 와의 중심점이 위치하는 수로방향 거리와 높은 연관성을 보이고 있는 것으로 나타났다. 이는 수제역내 재순환흐름이 수로중심부에서 발생하는 강한 주흐름에 기인하여 와의 세기를 증가시키는 에너지 공급원이기 때문이다. 이와 같은 결과를 반대로 고려한다면 회전류 중심점의 형성 위치는 최대유속 발생위치를 가늠할 수 있는 주요지표로 이용할 수 있을 것으로 판단된다.
and groyne spacing5. 결 론
일반적으로 수제는 단일구조물로 설치되는 경우보다는 군수제의 형태로 설치되어 지는데 군수제의 경우 설치간격에 따라 주수로에서 발생되는 흐름과 수제역내 흐름이 다양하게 변화하기 때문에 수제간격은 군수제 설계에 있어서 가장 중요한 설계인자라 할 수 있다. 본 연구에서는 수제간격과 설치각에 따라 변화되는 재순환영역에서의 와의 형성 특성과 관련하여 발생위치 및 제방부 유속변화에 대한 검토를 수행함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다.
1)수제역내 재순환흐름은 수제설치로 인해 발생하는 재순환흐름내 와 크기와 위치에 대하여 분석하였다. 흐름분리높이비(
)는 직각 및 상향수제의 경우 
= 7에서 수로폭(B)의 23% 정도까지 영향이 미치는 것으로 나타났으며, 하향수제에서는 수로폭의 19% 이내로 재순환흐름이 발생하는 것으로 나타났다.
2)수제역내 발생되는 와(vortex)는 제방근처의 유속을 증가시키며 수제역내 하상변동의 원인을 제공한다. 폭방향 와형성 위치(
)는 
= 2~6일 경우 위치가 하류단방향으로 이동하다가 
> 6일 경우 변화폭이 둔감해지는 것으로 나타났다. 폭방향 와형성 위치(
)는 하향 ＞ 직각 ＞ 상향 순으로 크게 발생하고 있는데 
≥ 4 일 경우 폭방향 위치변화는 비교적 일정한 위치에서 발생하고 있음을 알 수 있다.
3)수제역내의 재순환흐름으로 인한 유속저감은 제방주변의 유속을 완화시켜 제방을 보호하는 역할을 한다. 설치간격에 따른 제방근처 최대유속비(
)는 설치간격이 증가할수록 제방부 유속은 증가하는 경향을 나타내고 있다. 직각 및 하향수제의 경우 
≥ 5일 경우 제방부 유속의 증가폭이 완만해지는 경향을 보이고 있으나 상향수제의 경우 간격에 관계없이 역유속은 선형적으로 증가하고 있으며 유입부 유속의 최대 59% 이내로 역유속이 발생하고 있었다. 직각수제일 경우 제방부 최대유속은 
= 8일 때 유입부 유속의 38%로 관측되었으며, 하향수제에서도 0.31%의 역유속이 발생하는 것으로 나타났다.
4)제방부 최대유속 발생위치(
)는 직각수제일 경우 제방부 최대유속 발생위치는 
= 8 일 때 
= 4.54에서 관측되었으며, 하향수제에서는 
= 5.01에서 관측되었다. 그러나 상향수제에서는 
= 6~8 일 때 
= 3.79에서 최대유속이 발생하는 것으로 나타났다.
군수제의 설치간격과 설치각에 따른 결과를 보았을 때 이러한 결과는 수제역내 재순환흐름에서의 와 중심점의 위치는 주흐름구간의 최대유속 및 제방근처의 최대유속 발생지점을 가늠할 수 있는 주요 지표로 이용할 수 있을 것으로 판단되며, 수제설치에 따른 하상안정성확보와 재순환영역에의 재순환흐름에 의해 보호되는 제방안정성 고려를 위한 기초자료로서 중요한 기초자료가 될 것으로 판단된다.
