본 연구는 국가 치수계획의 효과적 수립에 필요한 각종 홍수정보의 효율적인 획득을 위한 것으로 최근 효율성과 정확성이 입증되고 있는 항공 LiDAR데이터를 이용하여 대상지역에 대한 지형정보를 구축하고 유역조건, 홍수사상의 빈도규모 그리고 홍수방어시설의 붕괴의 조건을 설정하여 범람 발생형태에 따른 가상홍수 시나리오를 작성하였으며 이에 따른 시간대별 침수심 및 최대 침수심의 분석과 특정 지점에 대한 시간대별 수심/수위 변화를 측정하여 홍수 발생시 범람의 진행과정을 모니터링 하였다. 또한 홍수범람 분석 결과와 연구대상지역의 홍수방어 구조물, 취약지점 및 파제예상지점등의 자료를 이용하여 홍수지도를 작성하였다. 본 연구의 결과는 홍수의 원인과 범람의 과정의 파악과 홍수로 인한 대피 및 방재 등 홍수재난관리 목적에 이용될 수 있을 것이며 유역치수계획수립, 홍수예·경보 그리고 홍수예상지역의 토지이용계획 및 도시계획수립의 기초자료로서 활용 가능하리라 사료된다.
본 연구는 국가 치수계획의 효과적 수립에 필요한 각종 홍수정보의 효율적인 획득을 위한 것으로 최근 효율성과 정확성이 입증되고 있는 항공 LiDAR데이터를 이용하여 대상지역에 대한 지형정보를 구축하고 유역조건, 홍수사상의 빈도규모 그리고 홍수방어시설의 붕괴의 조건을 설정하여 범람 발생형태에 따른 가상홍수 시나리오를 작성하였으며 이에 따른 시간대별 침수심 및 최대 침수심의 분석과 특정 지점에 대한 시간대별 수심/수위 변화를 측정하여 홍수 발생시 범람의 진행과정을 모니터링 하였다. 또한 홍수범람 분석 결과와 연구대상지역의 홍수방어 구조물, 취약지점 및 파제예상지점등의 자료를 이용하여 홍수지도를 작성하였다. 본 연구의 결과는 홍수의 원인과 범람의 과정의 파악과 홍수로 인한 대피 및 방재 등 홍수재난관리 목적에 이용될 수 있을 것이며 유역치수계획수립, 홍수예·경보 그리고 홍수예상지역의 토지이용계획 및 도시계획수립의 기초자료로서 활용 가능하리라 사료된다.
A virtual flood scenario has been constructed to investigate the overflowing process in the flooding area. The topography is constructed using the airborne LIDAR data. In addition, the frequency and scale of the flooding and the destruction condition of the flooding defensive structure are used as i...
A virtual flood scenario has been constructed to investigate the overflowing process in the flooding area. The topography is constructed using the airborne LIDAR data. In addition, the frequency and scale of the flooding and the destruction condition of the flooding defensive structure are used as input to the scenarios. Through the scenario, the inundation depth with respect to time and maximum depth has been analyzed. This analysis shows the water level variation with time which show the flooding process. Moreover, a flooding map is drawn using the results from the scenario, distribution of the defensive structure, vulnerable area, and expected destruction points in the study area. It is expected that this study can be effectively used to examine the flooding process and flood disaster management. Furthermore, it could provide important basic information for the land development and the city planning of a possible flooding area.
A virtual flood scenario has been constructed to investigate the overflowing process in the flooding area. The topography is constructed using the airborne LIDAR data. In addition, the frequency and scale of the flooding and the destruction condition of the flooding defensive structure are used as input to the scenarios. Through the scenario, the inundation depth with respect to time and maximum depth has been analyzed. This analysis shows the water level variation with time which show the flooding process. Moreover, a flooding map is drawn using the results from the scenario, distribution of the defensive structure, vulnerable area, and expected destruction points in the study area. It is expected that this study can be effectively used to examine the flooding process and flood disaster management. Furthermore, it could provide important basic information for the land development and the city planning of a possible flooding area.
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문제 정의
이에 본 연구에서는 국가 치수계획의 효과적 수립에 필요한 각종 홍수정보의 효율적인 획득 방법을 제시하고자 한다. 이를 위해 우선 정밀 지형정보의 효율적 구축을 위해 최근 효율성과 정확성이 입증되고 있는 항공 LiDAR(Light Detection and Ranging) 데이터를 이용하여 대상 지역에 대한 지형정보를 획득하고 과거 침수면적, 침수원인, 유역 조건, 빈도규모 등을 토대로 범람 발생형태에 따른 가상홍수 시나리오를 작성하여 시나리오에 따른 시간대별 침수 심도 및 최대 침수심을 GIS와의 연계 분석 및 모니터링 함으로써 홍수범람 해석, 범람가능지역 예측 및 파제 예상 지점 도출 등 홍수발생과 범람에 대한 다양한 정보의 제공 가능성을 검증하고 홍수 지도를 시범적으로 제작하고자 한다.
유역 조건 시나리오는 과거와 현재 그리고 미래로 구분하여 유역 내 각종 개발로 인한 홍수피해 위험도의 증가 영향과 이에 대응한 제방구축, 배수시설, 배수장 설치로 인한 홍수 경감도의 추이변화를 평가할 수 있게 하기 위하여 작성한다. 즉 유역 내 토지이용정보, 지형정보 등 수문 관련 정보 및 홍수방어 시설에 대한 정보 등 홍수사상 및 범람 과정에 영향을 미치는 제반 조건에 대한 설정을 위한 시나리오로서 시간을 기준으로 작성하도록 한다.
빈도 규모 시나리오는 대상지역에 적용되는 홍수 사상의 빈도로서 표현할 수 있으며 홍수 사상의 규모를 나타내기 위한 목적으로 작성한다. 설계 빈도를 포함하는 여러 빈도의 홍수 사상에 대해 침수심과 홍수위험 정보를 포함하는 홍수지도를 작성함으로써 홍수방어 시설의 붕괴나 홍수방어시설이 부재할 경우 홍수에 대한 다양한 정보를 제공하도록 한다.
홍수방어시설의 붕괴 시나리오는 홍수방어시설의 붕괴를 가정하여 극한 상황에서의 범람 위험도를 평가하기 위한 목적으로 작성한다. 연구 대상 지역의 과거 침수 실적과 원인을 파악하고, 현재의 홍수방어 시설 현황 및 취약성을 파악하여 붕괴 시나리오를 작성하도록 한다.
본 지역 내에는 한강 본류와 지류인 왕숙천에 각각 계획홍수 사상이 발생하여 각 하천이 계획 홍수위에 도달하였을 경우 자연 배수가 가능한 지역은 없으므로 강제 배수 조건 하에서 현재의 내수 배제시설(우수·하수 관거) 및 펌프장 시설과 이에 대한 운영을 기본 조건으로 하였다. 강우의 빈도는 범람시나리오상의 빈도를 그대로 적용하되 강우의 지속 시간은 하천 시설 기준에 따라 해당 소유역의 집중 시간을 그대로 설계강우의 지속시간으로 적용하도록 하며 이 보다 작을 경우 2시간으로 설정하도록 하였다.
제안 방법
이를 위해 우선 정밀 지형정보의 효율적 구축을 위해 최근 효율성과 정확성이 입증되고 있는 항공 LiDAR(Light Detection and Ranging) 데이터를 이용하여 대상 지역에 대한 지형정보를 획득하고 과거 침수면적, 침수원인, 유역 조건, 빈도규모 등을 토대로 범람 발생형태에 따른 가상홍수 시나리오를 작성하여 시나리오에 따른 시간대별 침수 심도 및 최대 침수심을 GIS와의 연계 분석 및 모니터링 함으로써 홍수범람 해석, 범람가능지역 예측 및 파제 예상 지점 도출 등 홍수발생과 범람에 대한 다양한 정보의 제공 가능성을 검증하고 홍수 지도를 시범적으로 제작하고자 한다. 본 연구 성과는 홍수를 방어하기 위한 구조물의 제원 및 위치, 홍수 취약지점 및 범람 가능 지역 예측, 홍수의 발생시 파제가 예상되는 지점 등 홍수발생과 범람에 대한 다양한 정보를 제공할 수 있을 것으로 기대되며 홍수지도가 제공하는 다양한 정보는 유역종합치수계획과 홍수예·경보 홍수조절 편익 산정 그리고 GIS를 이용한 홍수정보의 관리를 위한 기초자료로서 매우 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 기 대된다.
대상지역에 대하여 LiDAR System을 이용하여 스캐닝을 한 후 데이터 프로세싱 과정을 거쳐 DEM을 제작하였다, LiDAR 자료의 획득에 이용한 시스템은 ALTM 2050 이며 항공기용을 포함하여 총 5대의 GPS를 이용하였다. 표 1과 표 2는 LiDAR시스템의 하드웨어 구성과 데이터 처리를 위한 소프트웨어의 구성을 나타낸 것이다.
홍수범람의 해석에 필요한 DEM 격자의 크기는 최소 5m 이하이어야 하며, 30cm 정도의 수직 정확도가 필요하므로 요구되어지는 격자 간격으로 보간하여 샘플링 함으로서 DEM을 제작하였다.
즉 유역 내 토지이용정보, 지형정보 등 수문 관련 정보 및 홍수방어 시설에 대한 정보 등 홍수사상 및 범람 과정에 영향을 미치는 제반 조건에 대한 설정을 위한 시나리오로서 시간을 기준으로 작성하도록 한다. 유역 내에 급속히 도시화가 이루어지고 있는 지역, 토지이용에 현격한 변화가 현재 진행되고 있는 지역, 치수대책이 근래에 마련될 지역에 대해서는 도시계획에 의한 도시화의 정도 토지 이용의 변화와 같이 미래의 조건을 시나리오에 포함하도록한다(CASE I 10년 전, CASE II 현재, CASE II 5년 후, CASE III 10년 후…).
목적으로 작성한다. 설계 빈도를 포함하는 여러 빈도의 홍수 사상에 대해 침수심과 홍수위험 정보를 포함하는 홍수지도를 작성함으로써 홍수방어 시설의 붕괴나 홍수방어시설이 부재할 경우 홍수에 대한 다양한 정보를 제공하도록 한다. 빈도 규모 시나리오는 대상 지역에 대해 5개 CASE를 상정하도록 하며 빈도를 추가하여 내수 범람 검토가 요구되는 경우 1~2개 CASE를 추가하도록 한다.
설계 빈도를 포함하는 여러 빈도의 홍수 사상에 대해 침수심과 홍수위험 정보를 포함하는 홍수지도를 작성함으로써 홍수방어 시설의 붕괴나 홍수방어시설이 부재할 경우 홍수에 대한 다양한 정보를 제공하도록 한다. 빈도 규모 시나리오는 대상 지역에 대해 5개 CASE를 상정하도록 하며 빈도를 추가하여 내수 범람 검토가 요구되는 경우 1~2개 CASE를 추가하도록 한다. 각 CASE는 재현 기간으로 나타내도록 한다(CASE I 30년 빈도, CASE II 50년 빈도, CASE III 80년 빈도, CASE IV 100년 빈도…).
목적으로 작성한다. 연구 대상 지역의 과거 침수 실적과 원인을 파악하고, 현재의 홍수방어 시설 현황 및 취약성을 파악하여 붕괴 시나리오를 작성하도록 한다. 홍수 방어 시설의 붕괴는 크게 내수와 외수에 의한 붕괴로 나누어 내수 범람과 외수 범람의 유형을 각각 CASE별로 작성하도록 한다.
한다. 강우 빈도는 한강의 계획빈도가 200년이고 왕숙천 하구의 계획빈도가 100년인 점을 감안하여 30년, 50년, 80년, 100년, 200년, 500년의 여섯 가지의 시나리오를 적용하였다.
강우의 빈도는 범람시나리오상의 빈도를 그대로 적용하되 강우의 지속 시간은 하천 시설 기준에 따라 해당 소유역의 집중 시간을 그대로 설계강우의 지속시간으로 적용하도록 하며 이 보다 작을 경우 2시간으로 설정하도록 하였다.
외수 침수를 위한 파제 조건으로는 선정한 파제 지점 4 곳(그림 9)을 대상으로 제내지와 제외지를 아우르는 2차원 모의를 각각 실시하였다(한강 2곳, 왕숙천 2곳). 파제 지점 1 과 2는 한강 토평제를 대상으로 선정하였으며, 파제 지점 3과 4는 왕숙천 토평제를 대상으로 선정하였다.
제방이 순간적으로 제거되어 하천수가 제내지로 유입되는 상황을 금번 해석의 홍수 시나리오로 설정하였다. 제방 붕괴 후 약 20시간 동안의 제내지 및 하천에서의 수심, 유속 변화를 수치 모의 하였다.
제방 붕괴 후 약 20시간 동안의 제내지 및 하천에서의 수심, 유속 변화를 수치 모의 하였다. 그림 11~15는 파제 지점 ①에 대한 시간대별 침수심을 나타낸 것으로 200년 빈도 홍수의 채택 경우를 나타낸 것이며 그림 16은 이 경우 최대 침수심을 나타낸 것이다.
또한, 특정지점에 대한 물리량의 변화를 관측하기 위하여 임의의 지점 A(213030, 452995)의 시간에 따른 물리량 변화를 관측해 보았다. A점의 위치는 그림 19에 나타난 바와 같으며 제방 파괴 지점 ②에서 300m정도 떨어진 곳에 위치하고 있다.
본 연구는 최근 여러 분야에 이용되고 있는 항공 레이져측량 시스템과 홍수 시나리오를 이용하여 가상 홍수 범람을 분석하고 이를 이용하여 홍수 지도를 작성한 것으로 다음과 같은 결과를 얻었다.
대상 데이터
본 연구를 위한 대상지로는 2001년 건설교통부의 「홍수범람위험구역 보고서」에서 과거 침수면적, 침수원인 등을 토대로 선정하였으며 대상지의 선정에 있어 하천과 인접한 저지대 지역의 유무, 주택 및 도시기반시설의 밀집도, 도시화율 그리고 급속한 도시화에 따른 하수관거의 용량 부족 등에 의해 내수침수가 예상되며 과거 대규모의 침수피해 연역을 가진 지역을 고려하여 선정하였다.
이러한 조건을 만족하는 지역으로 본 연구에서는 구리지역의 한강 본류와 지방2급 하천인 왕숙천 하구 우안부에 위치한 지역을 대상지로 선정하였다. 이 지역은 과거 1984년, 1998년 침수실적을 가지고 있으며 매년 내수 침수피해가 발생하고 있다(김영환, 1999).
각각 실시하였다(한강 2곳, 왕숙천 2곳). 파제 지점 1 과 2는 한강 토평제를 대상으로 선정하였으며, 파제 지점 3과 4는 왕숙천 토평제를 대상으로 선정하였다. 이상의 연구 대상지에 대한 홍수 시나리오는 표 4와 깉다
홍수범람 해석을 위한 본 연구 대상지의 구간은 한강 No.130~No.140구간으로서 계획홍수빈도는 200년과 500년을 채택하였다. 상류 경계 조건으로는 수문해석을 통해 계산된 유량 수문 곡선을 사용하였으며, 하류 경계 조건으로는 No.
이론/모형
따라서 보다 경제적이고 효율적이며 정확한 DEM의 제작이 필수적이다. DEM의 제작을 위해서는 현재 여러 가지 방법들이 이용되고 있으나, 본 연구에서는 대상 지역에 대한 DEM을 획득하기 위한 방법으로 LiDAR System을 이용하였다.
성능/효과
1. LiDAR측량에 의해 연구 대상 지역에 대한 DEM을 제작하였으며 홍수 범람 해석을 위한 범람구역의 지형 모델을 효율적으로 획득할 수 있었다.
2. 유역 조건, 홍수사상의 빈도 규모 그리고 홍수방어 시설의 붕괴의 조건을 설정하고 이를 이용하여 가상홍수 시나리오를 작성하였으며 내수 및 외수 범람을 포함한 홍수 범람의 특성과 침수 지역을 예측할 수 있었다.
3. 구리지역에 대해 3개소의 파제 지점을 설정하고 내수 범람과 외수 범람을 포함하여 계획홍수빈도를 200년과 500년으로 채택하여 2시간 간격의 시간대별 침수심 및 최대 침수심을 분석하였으며 특정 지점에 대한 시간대별 수심/수위 변화를 측정할 수 있었다. 이로부터 홍수 발생 시 범람의 진행 과정을 모니터링할 수 있었다.
4. 홍수 범람 분석 결과와 구리지역의 홍수 방어 구조물과 취약지점 및 파제 예상지점 등의 데이터를 이용하여 홍수지도를 시범적으로 작성할 수 있었다.
후속연구
본 연구의 결과는 홍수의 원인과 범람의 과정의 파악과 홍수로 인한 대피 및 방재 등 홍수재난 관리 목적에 이용될 수 있을 것이며 유역치수계획 수립, 홍수예·경보 그리고 홍수 예상지역의 토지이용계획 및 도시계획 수립의 기초 자료로서 활용 가능하리라 사료된다.
이와 같은 홍수로 인한 피해를 줄이기 위해서는 우선 홍수에 의한 피해 지역 정보를 사전에 인지하여 범람에 의한 피해를 검증하고 범람원을 효율적으로 관리 할 수 있는 정보의 수집 및 분석을 수행하여 이 분석 결과를 바탕으로 홍수에 의한 범람 발생시 침수지역의 예측을 통해 인적·물적 피해를 최소화하기 위한 각종 치수계획의 수립이 효과적으로 이루어져야 한다. 미국과 일본의 경우 홍수관리와 치수계획의 수립을 위해 홍수범람 위험구역, 침수지역 및 이력정보 대피장소 및 경로 구호 및 복구를 위한 주변 유관기관의 정보 등을 수집하고 수리·수문 분석을 통한 홍수범람을 해석하고 있으며 GIS와의 연계를 통하여 이들 홍수 정보의 수집, 관리 그리고 해석을 통한 홍수 관련 정보를 치수계획에 효과적으로 활용하고 있다(최윤석 등 2000; 이홍래, 1998).
이를 위해 우선 정밀 지형정보의 효율적 구축을 위해 최근 효율성과 정확성이 입증되고 있는 항공 LiDAR(Light Detection and Ranging) 데이터를 이용하여 대상 지역에 대한 지형정보를 획득하고 과거 침수면적, 침수원인, 유역 조건, 빈도규모 등을 토대로 범람 발생형태에 따른 가상홍수 시나리오를 작성하여 시나리오에 따른 시간대별 침수 심도 및 최대 침수심을 GIS와의 연계 분석 및 모니터링 함으로써 홍수범람 해석, 범람가능지역 예측 및 파제 예상 지점 도출 등 홍수발생과 범람에 대한 다양한 정보의 제공 가능성을 검증하고 홍수 지도를 시범적으로 제작하고자 한다. 본 연구 성과는 홍수를 방어하기 위한 구조물의 제원 및 위치, 홍수 취약지점 및 범람 가능 지역 예측, 홍수의 발생시 파제가 예상되는 지점 등 홍수발생과 범람에 대한 다양한 정보를 제공할 수 있을 것으로 기대되며 홍수지도가 제공하는 다양한 정보는 유역종합치수계획과 홍수예·경보 홍수조절 편익 산정 그리고 GIS를 이용한 홍수정보의 관리를 위한 기초자료로서 매우 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 기 대된다. 그림 1은 홍수지도 제작을 위한 연구 흐름도를 나타낸 것이다.
연구 대상지인 구리지역의 과거 침수실적 기록을 살펴보면 1984년 왕숙천 지류인 인장천 미개수구간의 월류 범람을 제외하고는 1998, 2001년의 피해가 모두 내수 침수로 인한 피해로 나타났고 비교적 도시화율이 높은 지역으로 내수 침수로 인한 범람 시나리오 작성이 이루어져야 한다. 강우 빈도는 한강의 계획빈도가 200년이고 왕숙천 하구의 계획빈도가 100년인 점을 감안하여 30년, 50년, 80년, 100년, 200년, 500년의 여섯 가지의 시나리오를 적용하였다.
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