저층수 배출관에 유입된 사석의 배제 한계조건

정석일,이승오,Jeong, Seokil,Lee, Seung Oh 한국방재안전학회 2019 한국방재안전학회 논문집 Vol.12 No.1

국내 중소하천에 설치된 콘트리트 보에서 발생하는 많은 문제 중에서 상류로부터 유입되는 유사가 보 직상류에 퇴적되는 문제가 심각하다. 이로 인해 하류에 유사공급이 원활치 못하게 되며, 퇴적된 유사가 오염물과 흡착될 경우, 하상 오염뿐만 아니라 하천 생태계에 치명적인 피해를 유발할 수 있다. 보 직상류의 유사 퇴적문제를 해결하는 방안 중 하상에 배사관을 매설하여 퇴적되는 유사를 하류로 배출하고 있다. 그러나 배사관에 적정크기 이상의 사석 등이 유입될 경우, 배사효율은 현격하게 낮아지므로, 이에 대한 가이드라인 내지는 한계조건 제시가 필요하다. 본 연구에서는 상하류 수위차, 사석의 직경 등을 주요변수로 선정한 후, 3차원 수치모의 결과를 활용하여 사석 배제 능력에 대한 한계 조건을 도출하였다. 상류흐름은 정류된 상태로 가정하였고, 배사관을 포함하여 상 하류간 검사체적에서 에너지 개념을 적용하여 분석을 수행하였다. 그 결과 수위차와 사석지름의 비로 나타낸 무차원 변수가 약 1.2인 경우, 배사관 내 사석의 배출유뮤를 명확히 결정할 수 있었다. 본 연구결과는 향후 점성이 높은 유사나 흡착성 유사 등의 특성을 고려한다면 배사관이 있는 고정보의 운영관리방안에 활용될 수 있을 것이라 기대한다. One of the most serious problems with concrete small dams or barriers installed in small/median rivers is the deposit of sediments, especially, in Korea. An effective way to discharge such sediments to downstream is to construct a bypass pipe under the river bed. However, efficiency may become lowered if ripraps are entered into the bypass pipe. Therefore, in this study, we derived the threshold condition for the exclusion of ripraps from the bypass pipe using 3D numerical analysis. Upstream flow of the small dam was assumed to be stationary, and the energy concept was applied to the control volume containing the bypass pipe and its periphery. As a result, when the ratio of the water level difference between upstream and downstream to the diameter of the riprap was approximately equal to 1.2, the threshold condition for exclusion of the stones or riprap from the bypass pipe was affirmatively determined. If the characteristics of the adsorptive sediment adversely affecting the river environment in the future would be taken into account, results from this study are expected to put to practical use in the management of concrete small dam with bypass pipe system.

3차원 수치모의를 이용한 보 접속부 세굴 특성 분석

정석일,여창건,윤광석,이승오,Jung,Suk Il,Yeo,Chang Geon,Yoon,Gwang Seok,Lee,Seung Oh 한국방재학회 2011 한국방재학회 학술발표대회논문집 Vol.2011 No.1

보는 하천에서 취수나 하상유지를 위한 하천횡단구조물로 일반적으로 본체, 물받이, 바닥보호공 등으로 구성되며 제방 연결부 호안 및 밑다짐 등에 대한 설계기준이 하천설계기준에 제시되어 있다. 그러나 태풍 루사나 매미에 의한 피해사례를 보면 하천 횡단 구조물 본체가 파괴되는 피해 뿐만 아니라, 구조물과 제방과의 연결부가 세굴이 발생되어 붕괴되는 사례가 많이 발생하고 있다. 하천설계기준 해설(2009)에는 이러한 보와 제방의 연결부 부분을 연결호안이라하여 관련 기준을 제시하고 있으나, 설치구간의 길이를 정할 때 하천의 규모나 하도의 특성을 고려하지 못하고 일률적으로 결정하도록 하고 있다. 이에 건설기술연구원의 `보 및 낙차공 설계기술 개발 연구보고서`(윤광석 등, 2006)에서는 고정상 실험을 통해 연결호안 설치구간에 대한 실험식을 제시하였다. 본 연구에서는 3차원 수치모의를 통하여 건설기술연구원에서 수행하였던 실험을 재현하고, 제방을 이동상으로 하여 인자들 간의 상호 관계를 밝히며, 그 특성을 분석하고자 한다. 그리고 윤광석 등(2006)에 의해 제시된 실험식에 적용하여 검증하였다. 수치모의는 유량을 <TEX>$0.7{\sim}2.8m^3/sec$</TEX>까지 변화하며 수행하였으며, 유사의 대표입경은 0.63mm로, 상류수심은 1.0m로 일정하게 유지하였다. 수치모의는 평형세굴 발생 후, 최소 모의시간의 10%정도 지난 시간까지 하였다. 수치모의 결과는 다음과 같다. (1) 유량이 증가함에 따라 유속 및 Froude 수가 증가하여 상 하류부 세굴 발생 범위와 폭은 증가하였다. (2) 상류는 하류에 비해 유량에 따른 세굴발생 범위가 상대적으로 작게 나타났으며, 이는 하류단에 비해 상류단의 유속 및 Froude 수의 차이가 작았기 때문인 것으로 판단된다. (3) 세굴의 폭을 측정함으로써 세굴에 가장 취약한 부분을 짐작할 수 있으며, 설계에 반영되어 호안이나 옹벽의 두께결정에 적용한다면 세굴에 대해 좀 더 안전한 설계가 될 수 있을 것이다. (4) 건설기술연구원(2006)에서 제시한 식(1)과의 비교를 통해 수치모의 결과가 식(1)로부터 계산된 값보다 작음을 알 수 있으며, 그 이유는 식(1)의 범위는 와류영역구간을 나타내서 연결호안 설치구간 길이를 제시하고 있는 반면, 본 연구의 수치모의 결과는 세굴이 발생한 범위를 제시하였기 때문이다. 향후 보 높이와 좀 더 다양한 유량에 대한 경우를 수치모의하고, 이동상 제방에 대한 실험을 통해 명확한 식을 제안 할 것이다.

상·하류 수위차를 고려한 보 주변 연결호안 길이 산정

정석일,김수영,윤광석,이승오 한국방재학회 2012 한국방재학회논문집 Vol.12 No.3

Hydraulic characteristics of scour upstream and downstream of a barrier were analyzed to estimate the length of connecting revetment. In laboratory experiments of this study, inflow rate, height of barrier and downstream water depth were selected as primary variables. All experiments were conducted under movable bed conditions to propound the scour regime around a barrier based on adequate explanation. We decided the balance of total head between upstream and downstream of a barrier as a significant parameter when presenting the relationship with scour length around a barrier, which could be interpreted that turbulent energy conversion due to a barrier might contribute to scour mechanism. 본 연구에서는 보 주변 연결호안의 길이를 예측하기 위하여 보 상·하류부 연결부 세굴의 특성을 분석하였다. 유량, 보의 높이, 하류부 수위를 주요변수로 하여 보 연결부 세굴에 대한 수리실험을 수행하였다. 세굴특성을 반영하기 위해 이동상 수리실험으로 수행하였으며, 실험결과를 바탕으로 세굴 형상에 대한 분류기준을 제시하였고, 그에 대한 적합한 설명을 기술하였다. 또한상·하류 전수두차를 주요 영향인자로 결정하여 세굴길이와의 관계를 규명하였다. 본 연구에서 제안된 식은 수두차라는 에너지개념을 도입함으로써 기존의 보 연결부에 관한 기존의 식들이 반영하지 못한 상·하류 수위차를 고려하였으며, 난류 에너지의변환이 세굴 현상에 기여함을 설명하였다.

수리실험을 통한 보 연결부 제방 세굴 특성 분석

정석일,이승오,Jeong, Seok Il,Lee, Seung Oh 한국안전학회 2017 한국안전학회지 Vol.32 No.4

Typical flow regime of overflow at barrier or weir constructed in mid and small streams becomes as the submerged flow during most flood events. One of major causes of barrier failure has been reported as the levee-scour near the conjuction node between barrier and levee. However, most related design guidelines in Korea have not mentioned about the protection of levee around barrier or weir in detail. Furthermore, most previous researches have focused on the flow characteristics of overflow around several types of weirs but they did not have considered the material properties of levee itself. In this study, local scour near barrier was investigated with different material properties of levee under the submerged overflow condition which is assumed to reenact a flood event. Based on results from Fritz et al. and Mavis et al., a theoretical formula was also proposed in initial stage of laboratory experiments. And hydraulic experiments were carried out for the verification of the proposed formula. Levee was installed in the prismetic trapezoidal open channel and most parts were made of concrete except for movable section in which scour was expected to occur for the efficiency of experimental procedure. Each compaction of movable section in levee was followed by the basis of the KS F 2312. Further, after performing the experiments to find the optimum water content for each sediment, the specific amount of water was injected before flowing water. The difference between the proposed theoretical formula and experiment results was not much but considerable, which might be caused by the effect of compaction. For theoretical approach, it seemed that the formula did not take into account the compaction of levee, thus the correction coefficient for levee compaction determined in the literature was considered. Finally, the formula for the length of scour around barrier or weir was proposed, which can be useful to predict a levee in the reference design of revetment in mid and small streams. As shortly future study, scour length of levee around barrier or weir under different flow conditions such as perfect overflow condition will be studied and it will be able to contribute to suggest the design formula or criteria under all overflow conditions near barrier or weir.

와점성계수를 이용한 토석류 퇴적 형상 수치해석

정석일,송창근,이승오 한국방재학회 2019 한국방재학회논문집 Vol.19 No.4

Recently, the increase in heavy rainfall has led to an increase in damage due to debris flow, and thus, interest in accurate debris-flow prediction has increased. In this regard, understanding the behavior of debris flow is necessary. Whereas many studies have been carried out to improve the prediction accuracy of debris-flow movements, relatively few studies have focused on debris-flow deposits. Therefore, investigating the possibility of accurate numerical simulation is necessary, and we performed simulation of deposits using Urban Debris Simulator (UDS). Before the simulation of the deposits, the optimum conditions were derived from the sensitivity analysis of the time step and grid size of the United States Geological Survey debris flume. Because the deposit shape of a debris flow is asymmetrical and irregular, reproducing it using the rheological models whose viscosity is in the scalar form is difficult. The deposit experiments performed in USGS debris flume were reproduced in UDS, which had a tensor-type eddy viscosity, and numerical simulations were carried out under varying eddy viscosity values. As a result, the optimal eddy viscosity was obtained, and we confirmed that the accurate deposit shape of the debris flow can be simulated using eddy viscosity. 최근 집중호우의 증가는 토석류에 대한 피해 증가로 이어졌으며, 이에 따라 정확한 토석류 예측에 대한 필요성이 증가하고 있다. 이를 위해서는 토석류 거동 특성에 대한 이해가 선행되어야 한다. 토석류의 이동에 대한 예측 정확도 향상을 위한 연구는 많이 수행된 반면, 상대적으로 퇴적에 대한 연구는 적게 수행되었다. 이에 Urban Debris Simulator (UDS)를 이용하여 토석류 퇴적형상에 대한 정확한 수치해석 가능성을 검토하였다. 수치해석 전 과정으로 USGS 토석류 수로를 대상으로 시간간격과 격자크기에 대한 민감도 분석을 통해 최적 조건을 도출하였다. 토석류의 퇴적은 비대칭적이고 불규칙하기 때문에, 단일 점성계수를 갖는 유동 모델로 구현하는 것은 쉽지 않다. 천수방정식 기반의 UDS는 텐서형태의 와점성계수를 갖고 있으며, 이를 이용하여 불규칙한 토석류 퇴적형상을 모의할 수 있다고 판단하였다. 이에 USGS 토석류 실험수로에서 수행한 실험을 UDS로 재현하였으며, UDS의 와점성계수를 변화시켜가며 퇴적에 대한 수치모의를 수행하였다. 그 결과, 최적의 와점성계수가 제시되었으며, 정확하게 토석류 퇴적 형상이 모의될 수 있음을 확인하였다.

급확대 구간에서 준설영향으로 인한 상류 수리특성 변화에 대한 민감도 분석

정석일,류광현,이승오,Jeong, Seok Il,Ryu, Kwang Hyun,Lee, Seung Oh 한국안전학회 2017 한국안전학회지 Vol.32 No.4

Sediment exchange in river has been affected by artificial changes such as dredging and abnormal climate changes like intense rainfall. Over last decades in Korea, there were many constructions, restoration or rehabilitation in rivers. Therefore, deposition and erosion become more actively occurred than before, which may threaten the river safety such as flood defense. For safety's sake, the dredging of river bed, which is considered as the most typical measure, has been increased to extend hydraulic conveyance compared with previous conditions. However, since it might change the sediment mechanism, there would be another risk at which unexpected side effects such as headward erosion could be occurred. Particularly, sedimentation at abrupt expansion region is able to lead to hydraulic characteristics like water elevation in the upstream region in the beginning of dredging, which, however, has been barely studied in this field. Therefore in this study, the relationship between sediment mechanism at dredging section and hydraulic characteristics in upstream region were presented through numerical simulations in the idealized abruptly widen channel using Delft3D. The ideal channel of 2,000 m length with each side angle of 45 degrees at abruptly widen expansion region was employed to consider the sediment angle of repose. The sensitivity analysis was performed on the dimensionless factors consisted of upstream and downstream depths($h_u$, $h_d$), width($w_u$, $w_d$), water level(H), flow rate(Q) and discharge of sediment($Q_s$). And the sedimentation amount at dredging and the upstream hydraulic characteristics were investigated through that analysis. It showed that $h_d/h_u$, $H/h_u$ and $w_d/w_u$ were more influential in sequence of effect on sedimentation amount, while $h_d/h_u$, $w_d/w_u$ and $H/h_u$ on upstream region. It means that $h_d/h_u$ was revealed as the most significant factors on sedimentation, also it would most highly affect the rising of water level upstream.

낙동강하구의 어류 이동성 향상을 위한 수문운영 방안 제안

정석일,한정호,이지영,김화영,Jeong, Seokil,Han, Jeong-Ho,Lee, Ji-Young,Kim, Hwa-Young 한국환경생태학회 2022 한국환경생태학회지 Vol.36 No.5

낙동강하굿둑의 건설로 원활한 용수 공급이 이루어졌으나, 하구 수생태계의 종적 연결성을 단절시켰다. 이에 낙동강하굿둑 개방에 대한 사회적 요구가 지속적으로 제기되어 왔으며, 2017년부터 낙동강하구역 기수생태계 복원을 위한 노력이 본격화되었다. 낙동강 하구에는 다양한 어종이 서식해 왔으며, 이들의 서식·이동 특성은 상이하므로 이를 고려한 수문운영은 기수생태계 복원에 필수적이다. 이에 본 연구에서는 낙동강하구에 서식·이동하는 어류를 모니터링을 통해 확인하였으며, 방류 시 수문운영 형태별, 개도별 평균 유속을 산출하여, 어종에 따른 원활한 소상 가능성을 분석하였다. 또한 대상어종을 선정하고, 주 분포 수심에 따른 수문운영 형태를 제시하는 등 낙동강 하구역의 기수생태계 복원을 적극적으로 수행하기 위한 수문운영 방안을 제시하였다. Although the construction of the Nakdong River Estuary Barrage (NEB) improved the water supply in the region, it cut off the longitudinal connectivity of the estuary aquatic ecosystem. Thus, the social demands for opening the NEB have been continuously raised, and the efforts to restore the aquatic ecosystem of the Nakdong River estuary began in 2017. Many fish species have inhabited the Nakdong River estuary. Since their habitat and migration characteristics vary widely, the sluice gate operation considering them is essential for the restoration of the aquatic ecosystem. Therefore, in this study, we monitored the fish species living and migrating in the Nakdong River estuary and analyzed the possibility of smooth movement of for each fish species by calculating the average flow velocity according to the type and the height of the gate opening. Moreover, we selected the target fish species for each month and suggested the sluice gate operation according to the depth of the main habitat to present the measures that are ideal for optimal restoration of the aquatic ecosystem in the Nakdong River estuary area.

해담수 밀도차를 고려한 낙동강하굿둑 해수유입량 산정식 개발

정석일,이상욱,허영택,김영성,김화영,Jeong, Seokil,Lee, Sanguk,Hur, Young Teck,Kim, Youngsung,Kim, Hwa Young 한국수자원학회 2022 한국수자원학회논문집 Vol.55 No.5

The restoration of the Nakdong River estuary is one of the most important projects of the Ministry of Environment, Republic of Korea. A real-scale experiment of gate operation was executed from 2019 to 2020, and a pilot operation was performed in 2021. The gate of Nakdong River Estuary Barrier (NEB) is supposed to be continuously opened based on the experiment results. Many critical decisions should be made immediately during the experiment based on the real-time measured data and numerical analysis considering the seawater inflows. The decision-making sequence was made systematically with the accurate estimation of seawater inflow. The estimation of seawater inflow is the main research objective and the equations of seawater inflow were developed, reflecting the structural characteristics of NEB. The inflow equations were developed in two forms, overflow and underflow. ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler) was used to measure seawater inflow, check the accuracy of the developed equations, and derive the flow coefficient. The comparison error of the developed equations was about 3% compared to the measured data.

저층수 배사관 내 유입된 사석 배출능력에 대한 연구

정석일,이승오 대한토목학회 2017 대한토목학회논문집 Vol.37 No.1

There are various transversal structures (small dams or drop structures) in median and small streams in Korea. Most of them are concrete structures and it is so hard to exclude low-level water. Unless drainage valves and/or gates would not be installed near bottom of bed, sediment from upstream should be deposited and also contaminants attached to the sediments would devastatingly threaten the water quality and ecosystem. One of countermeasures for such problem is the bypass pipe installed underneath the transversal structure. However, there is still issued whether it would be workable if the gravels and/or stones would roll into and be not excluded. Therefore, in this study, the conditions to exclude the rip stone which enter into the bypass pipe was reviewed. Based on sediment transport phenomenon, the behavior of stones was investigated with the concepts from the critical shear stress of sediment and d'Alembert principle. As final results, the basis condition (τc*) was derived using the Lagrangian description since the stones are in the moving state, not in the stationary state. From hydraulic experiments the relative velocity could be obtained. In order to minimize the scale effect, the extra wide channel of 5.0 m wide and 1.0 m high was constructed and the experimental stones were fully spherical ones. Experimental results showed that the ratio of flow velocity to spherical particle velocity was measured between 0.5 and 0.7, and this result was substituted into the suggested equation to identify the critical condition wether the stones were excluded. Regimes about theexclusion of stone in bypass pipe were divided into three types according to particle Reynolds number (Rep) and dimensionless critical shear force (τc*) - exclusion section, probabilistic exclusion section, no exclusion section. Results from this study would be useful and essential information for bypass pipe design in transveral structures. 국내 중소하천의 횡단구조물인 보 또는 낙차공은 대부분 고정식 콘크리트 구조물이며, 저층수의 배제가 쉽지 않다. 횡단구조물로 인해 유사가 퇴적되며, 유사에 흡착한 오염물들이 그대로 하천의 바닥을 오염시키고 있다. 이에 저층수 및 퇴적유사에 대한 관심이 증가하고 있는 실정이며, 이러한 대안의 하나로 횡단구조물 상류와 하류를 하상 아래로 연결시키는 구조물로써, 보 상류 저층의 물 및 유사 배제를 목적으로 저층수배출관을 설치하는 방안이 있다. 그러나 사석이 유입되고, 배제 되지 않을 경우 효율성이 크게 저하될 가능성이 있다. 이에 본 연구에서는 저층수 배출관 내 사석을 배제할 수 있는 능력에 대한 연구를 수행하였다. 사석과 거동이 유사한 유사(sediment)의 한계조건(critical condition) 중 한계전단력(critical shear stress) 유도과정과 달랑베르의 원리(d’Alembert principle)를 응용하여 이동 중인 사석이 배제될 수 있는 조건(τc*)을 유도하였다. 그러나 저층수 배출관 내 유입된 사석은 정지상태가 아닌 이동 중이므로, Lagrangian 기법을 활용하여 수리실험에서 도출된 유속으로 상대속도(relative velocity)를 제시하였다. 수리실험은 축척효과(scale effect)를 최소화하기 위해 폭이 5.0 m이고, 높이가 1.0 m인 광폭 개수로를 제작하였으며, 사용된 사석은 가공된 완전 구형을 사용하였다. 실험 결과 유속과 구형 입자 속도와의 비가 0.5~0.7 사이로 나타났으며, 이러한 결과를 유도된 식에 적용하여, 최종적으로 사석이 배제되는 조건을 도출하게 되었다. 구간은 입자레이놀즈수(Rep)와 무차원 한계 전단력(τc*)에 따라 크게 3가지로 구분되었다. 배제 구간(exclusion section), 확률적 배제 구간(probabilistic exclusion section), 비배제 구간(noexclusion section)이다. 본 연구결과는 횡단구조물의 저층수 배출관 설계시 유용한 기초 정보를 제공할 수 있을 것이다

Peroxidase의 부분정제 및 특성에 관한 연구

정석일,이동욱,이희성 중앙대학교 의과대학 의과학연구소 1986 中央醫大誌 Vol.11 No.3

A peroxidase has been purified to about 33 fold from sweet potatos using ammonium sulfate precipitation and DEAE-cellulose batch technique. Some biochemical properties of this partially purified enzyme were observed. The most rapidly oxidized substrate was o-dianisidine. Benzidine, pyrogallol and guaiacol were oxidized with decreasing order of rates, while oxidation of dihydrory-phenols was very slow. This enzyme was remarkably inhibited by 1.OmM of sulfhydryl reagents and cyanide but EDTA and iodoacetamide did not. The thermal inactivation of peroxidase occured above 60℃. After heat treatment at 70℃ for 10min, the reactivation of enzyme by cooling to 4℃ was observed at pH 7.0. Therefore the mechanism of heat inactivation seems to be due to the splitting of prosthetic group from holoenzyme. The purified enzyme was a typical heme and glycoprotein, and activation energy was 5.47kca1/mol.