유수(流水)와 점토, 모래, 자갈과 만나는 하상(河床, 강바닥)은 중요한 생태지대이지만 최근 발표된 유체역학연구에 따르면 자갈층의 강에서 물이 흐르는 방식은 모래층을 시뮬레이션하는 전통적인 모델과 매우 다른 것으로 나타났다. 이 발견은 새로운 매개변수를 강 모델링에 도입함으로 더욱 정확하며 현장 연구자와 수자원관리자들에게도 영향을 미칠 것이다.

일리노이 대학교(University of Illinois) 지질, 지리 및 지리정보과학 교수인 짐 베스트(Jim Best)는 “수면 아래에서 상호작용을 하는 얕은 지대는 환경적으로 중요하지만 과거의 모델링 방법은 현실과는 기본적으로 다를지도 모른다”고 말했다. 이어 그는 “퇴적물 전달이 언제, 어느 곳에서 발생하는 지를 예측하는 것은 강 엔지니어, 지형학자, 담수생물학자에게 매우 중요하다”면서 “이번 연구는 환경을 관찰하고 잠재적으로 관리하는데 매우 다른 한 쌍의 조건을 알려 줄 것”이라고 전했다.

베스트 교수와 박사후 연구원인 기안루카 블로이스(Gianluca Blois)는 일리노이 대학교에서 연구를 지도했으며 영국의 동료들도 참여했다. 연구결과는 저널 지구물리학연구레터(Geophysical Research Letters)에 최근 발표됐다.

연구자들은 일리노이 대학교 벤테쵸 하이드로시스템(Ven Te Chow Hydrosystems)에서 특별하게 제조된 수로를 이용해 실험을 통해 시나리오를 비교했다. 시나리오의 범위는 불침투성 강바닥을 시뮬레이션하는 전통 모델부터 구형 자갈이 있는 완전 침투성의 강바닥 모델이다.

입자영상유속계(PIV, particle image velocimetry)가 연구에 이용됐는데, 1980년대 일리노이 대학교에서 개척된 이 기법은 물이 모델화한 강바닥을 어떻게 흐르는지를 정량화하는데 널리 사용됐다. 베스트 교수와 블로이스는 입자영상유속계를 내시경처럼 이용해 자갈사이의 작은 공간 내에서 유체흐름을 최초로 연구하는 기법을 개발했다. 이를 통해 연구자들은 하상에서 흐름을 정량화하고 하상 위의 흐름을 연결시켰다.

자갈층을 시뮬레이션한 연구자들은 하상 상부의 유속패턴과 하상의 힘 분포는 모든 과거 연구에 기반을 모델과는 극적으로 다르다는 것을 발견했다, 또한 그들의 실험 시나리오는 모래 언덕 같은 베드 지형의 형성을 현장에서 관찰한 것과 전통 모델 사이의 차이를 설명하면서 한 인기 있는 이론을 논박하고 있다.

블로이스는 “미세한 퇴적물에서 형성되는 하상지형은 자갈층에 형성되는 것과는 사실상 다르지만 그 이유는 모르고 있다”면서 “이전 연구에서는 이 차이가 모래알의 조도(거칠기) 때문이라고 제안했지만 우리는 실제 강처럼 하상 투수성을 도입했다”고 말했다. 또한 “우리의 새로운 측정 기법을 통해 대부분의 응력변화가 조도라기보다는 침투성 하상에서 오는 유체로 부티 비롯됨을 증명했다”고 덧붙였다.

실험에서 만들어진 유수(流水)지도는 실험을 통해 더욱 예측가능한 모델을 개발하도록 유도하기 때문에 연구자들은 더욱 정밀하게 예측할 수 있고 영양물질과 오염물질이 어떻게 이동하고 강에 축적되는지를 연구할 수 있다. 또한 모델은 강물과 하상이 만나는 곳의 폭이 좁은 지대에서 번성하는 유기물의 성장과 거동에 대해서도 통찰력을 제공할 수 있다.

연구자들은 침투성이 하상위의 난류에 영향을 미치는 방법과 이 현상이 기공에서 성장하는 유기물에 영향을 미치는 방법, 작은 입자와 용존물질이 기공성 하상층에서 어떻게 축적되는지를 연구하게 하기 위해 세계의 협력자들과 작업하고 있다.

영국의 자연환경연구회(Natural Environmental Research Council)가 이번 연구를 후원했다.

[출처 =  KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 10월 24일]

River beds, where flowing water meets silt, sand and gravel, are critical ecological zones. Yet how water flows in a river with a gravel bed is very different from the traditional model of a sandy river bed, according to a new study that compares their fluid dynamics.

 

The findings establish new parameters for river modeling that better represent reality, with implications for field researchers and water resource managers.

 

"The shallow zones where water in rivers interacts with the subsurface are critical environmentally, and how we have modeled those in the past may be radically different from reality," said Jim Best, a professor of geology, geography and geographic information science at the University of Illinois. "If you're a river engineer or a geomorphologist or a freshwater biologist, predicting where and when sediment transport is going to occur is very important. This study provides us with a very different set of conditions to look at those environments and potentially manage them."

 

Best and postdoctoral researcher Gianluca Blois led the study at the U. of I., in collaboration with colleagues in the United Kingdom. The team published its findings in the journal Geophysical Research Letters.

 

The researchers used a specially constructed flume in the Ven Te Chow Hydrosystems Laboratory at Illinois to experimentally compare scenarios ranging from the traditional model of an impermeable river bottom to a completely permeable river bed -- a collection of spheres that simulate gravel.

 

The researchers used a technique called particle image velocimetry (PIV), a widely used method for quantifying how water flows over a model river bed, pioneered at the U. of I. in the 1980s. Best and Blois developed a method to use PIV endoscopically to study, for the first time, fluid flow within the small spaces between the gravel. This allowed them to quantify flow within the river bed and link it to the stream flow above.

 

They found that, in the scenario that simulates a gravel bed, the patterns of flow velocity above the bed and the distribution of forces on the river bed were dramatically different from the models on which all previous work has been based. Their experimental scenarios also disproved one popular theory that explained the difference between classic models and field observations for the formation of bed topography, such as dunes.

 

"Bedforms formed in fine sediments are known to be substantially different from those formed in gravel beds, but we just didn't know why," Blois said. "People before us suggested that those differences were due to the roughness of the grains. But we introduced the bed permeability, just like real rivers. This, with our new measurement technique, allowed us to demonstrate that most of the stress variation is actually coming from fluid emerging from the permeable bed, rather than roughness."

 

The maps of water flow that the experiments produced could lead to better predictive models, so that researchers can more accurately predict and study how nutrients and pollutants travel and accumulate in rivers. These new models also could provide insight into the growth and behavior of organisms that thrive in the narrow zone where river flow meets the river bed.

 

"For example, when salmon spawn in gravel-bed rivers, they basically make a depression in the gravel, into which they lay their eggs," Best said. "By doing that, not only do they protect the eggs, but they create a bump in the sediment that creates a pressure distribution that would keep fine grains from going into the bed, which would be detrimental to the eggs. It's fascinating that fish actually take advantage of these flow dynamics."

 

The researchers are working with collaborators around the world to study how permeability affects turbulence above the bed, how this affects the organisms that grow in the pore spaces, and how tiny particles and dissolved substances accumulate in porous riverbeds.

 

"It's going to change the way we conceptualize these systems and model them," Blois said. "We're trying to raise awareness of the fact that we are now able to measure the complex flow dynamics in these challenging environments, and that's going to open up a new paradigm for river research."

The UK Natural Environmental Research Council supported this work.

 

[원문출처 : http://www.sciencedaily.com/releases/2014/10/141016085902.htm]