지형 데이터 분석을 통한 조도계수 산정 및 수치모델 보정 기법 연구

Abstract

학위논문(박사) -- 서울대학교 대학원 : 공과대학 건설환경공학부, 2024. 8. 박용성.본 학위논문에서는 해안 및 하천의 주요 거칠기 요소에 대한 조도계수 산정 방법과 이를 수치모델에 적용하는 방법을 연구하였다. 이를 위해 실험, 현장조사, 수치해석을 활용한 세 가지 연구를 수행하였다. 첫 번째 연구에서는 해안 지역의 굴암초에 대한 조도계수 식 개발을 위한 실험 연구를 수행하였다. 굴암초는 갯벌에서 주로 발달하기 때문에, 조석 흐름과 파랑 흐름의 영향을 고려하여 단방향 흐름과 왕복 흐름 조건에서의 실험을 통해 각 조건에서의 조도계수 특성을 이해하고자 하였다. 굴암초 표면 형상을 모사하기 위해 실제 굴암초 표면 자료를 바탕으로 3D 프린터로 제작한 굴암초 모형을 실험에 사용하였다. 실험을 통해 산정한 조도계수와 굴암초의 특성 길이 간의 상관성을 분석하여 조도계수 식을 제안하였고, 이 식은 측정된 유속과 log-law로 추정된 유속 분포를 비교하여 검증하였다. 첫 번째 연구 결과는 굴암초가 해안 흐름 및 하상 변동에 미치는 영향을 이해하는 데 필수적인 요소인 조도계수를 산정하는 데 활용될 수 있다. 두 번째 연구에서는 모래하천에서 주요 거칠기 요소인 형상조도계수와 베드폼의 영향을 고려한 마찰계수 산정에 대해 연구하였다. 하천 구간에서 다양한 크기로 발달한 베드폼은 하상의 조도계수와 마찰계수의 공간적 변화를 유발한다. 이를 효과적으로 이해하기 위해 하천 횡방향 데이터를 이용한 조도계수 및 마찰계수를 추정 방법을 제안하였다. 제안한 방법을 통해 산정한 조도계수와 마찰계수의 타당성은 흐름방향 데이터 분석 결과와의 비교를 통해 검증하였다. 또한, 형상조도계수가 바닥전단력에 미치는 영향 분석을 통해 형상조도계수 산정의 중요성을 입증하였다. 세 번째 연구에서는 수치모델 검 · 보정에 있어 주요 매개변수인 마찰계수를 하상 자료 분석을 통해 산정하고 적용하는 방법을 연구하였다. 본 연구에서는 첫 번째와 두 번째 연구에서 활용한 표면 분석 방법을 활용하여 조도계수 및 마찰계수를 산정하였다. 다만, 형상 마찰계수를 산정하고 수치모델에 적용하는 과정에서 세 가지 민감도 요인 (1) 마찰계수 분포로부터 마찰계수 결정 과정에서의 최종 결정된 마찰계수의 차이 (2) 베드폼 분석 과정에서의 평활화 정도에 따른 베드폼 크기 변화 (3) 형상조도계수 식에 따른 마찰 계수 분포의 변화가 있었다. 이 세 가지 요인이 수치모델 결과에 미치는 영향을 분석하여, 하상 자료 분석을 통한 마찰계수의 수치모델 적용성을 평가하였다. 분석 결과, 세 가지 민감도 요인과 관계없이 강건한 수치해석 결과를 얻었으며, 수치모델 결과의 민감도도 크지 않음을 검증하였다. 세 번째 연구에서 제시한 방법을 수치모델 보정에 활용하면 매개변수 선정을 위한 수치모델 보정 시간을 단축할 수 있을 것으로 기대된다. 위의 세 연구는, 해안 및 하천에서의 주요 거칠기 요소에 대한 조도계수 및 마찰계수를 추정하고, 그 결과를 수치모델에 적용하는 방법 개발하여 해안 및 하천의 표면 특성이 고려된 수치모델 구축에 기여할 수 있다.The methods to estimate the roughness height and their application in numerical model are studied, focusing on the rough elements larger than several centimeters, measurable via image analysis and ultrasonic devices. The study consists of three parts, and to achieve the research objective of each part, experiments, field investigation, and numerical analysis were conducted. In the first part, experiments were conducted to develop a roughness predictor for oyster reefs in coastal regions, which have not been previously studied for roughness height estimation methods. By examining the correlation between the geometric variables of oyster reefs and the roughness height through unidirectional and oscillatory flow experiments, the roughness predictor is proposed. The proposed roughness predictor is validated by comparing the estimated logarithmic velocity profile using the calculated roughness coefficients with experimentally measured velocities and is applicable under both unidirectional and oscillatory flow conditions. The results of this study enable the estimation of the appropriate roughness height for the oyster reefs, which is crucial for understanding their hydraulic characteristics, and their roles in coastal protection. In the second part, a study focuses on estimating the roughness height of bedforms, one of the primary rough elements in sandy rivers. Bedforms develop heterogeneously in river segments, causing spatial variations in roughness height and friction factor. To effectively examine the spatial heterogeneity, a method is proposed for estimating roughness height and friction factor from the transverse bathymetry data, allowing for the estimation of bed shear stress throughout the river. To assess the validity of bedform analysis and estimated form roughness height based on the transverse data, the characteristics of bedform and form roughness height analyzed using the transverse data are compared with those analyzed using the streamwise bathymetry survey data. Furthermore, the importance of considering the form roughness height in estimating bed shear stress is confirmed through a comparison with bed shear stress calculations that considered only grain roughness height. In the third part, a study investigates the method of estimating and applying the friction coefficient, a key parameter in the calibration and validation of numerical models, through the analysis of bathymetry data. In the study, the surface analysis method used in the first and second studies is employed to estimate the roughness height and friction coefficient. During the process of estimating and applying the friction coefficient to the numerical model, three sensitivity factors are identified: (1) random extraction from the probability density function (2) filtering length (3) different form predictors. Therefore, the impacts of these three factors on the results of the numerical model are analyzed to evaluate the applicability of the friction coefficient estimated through bathymetry data analysis to the numerical model. The analysis results verify the robustness of the numerical results regardless of the three sensitivity factors and confirm that the sensitivity of the numerical model results is not significant. The results confirm that incorporating the distribution of friction coefficients effectively enhances numerical model calibration and robustness. Through these three parts, the study develops robust methods for estimating roughness height and applying these estimates in numerical models, improving their accuracy and predictive capabilities.Abstract i Contents iv List of Tables vi List of Figures ix Chapter 1 INTRODUCTION 1 1.1 Introduction 1 1.2 Objectives and scope of the study 3 Chapter 2 THEORETICAL BACKGROUND 6 2.1 Mean velocity profile 6 2.2 Flow resistance in open channel flow 10 2.3 Wave boundary layer flow 15 Chapter 3 EXPERIMENTAL STUDY OF ROUGHNESS HEIGHT OVER IRREGULAR ROUGH BOTTOM 17 3.1 Introduction 17 3.2 Methodology 19 3.3 Results 36 3.4 Discussion 44 3.5 Concluding remarks 62 Chapter 4 ESTIMATION OF FRICTION FACTOR AND BED SHEAR STRESS CONSIDERING BEDFORM EFFECT 64 4.1 Introduction 64 4.2 Field survey 66 4.3 Methodology 74 4.4 Results 84 4.5 Discussion 91 4.6 Concluding remarks 99 Chapter 5 CALIBRATION OF NUMERICAL MODEL USING FRICTION FACTOR DISTRIBUTION 102 5.1 Introduction 102 5.2 Field experiment 103 5.3 Estimation of bedform friction factor 109 5.4 Numerical modeling 120 5.5 Results and discussions 126 5.6 Concluding remarks 140 Chapter 6 Conclusion 141 Bibliography 145 국문초록 165박