[논문]조석-해일 결합모형의 범람 적용성

박선중; 강주환; 윤종태; 정태성

조석-해일 결합모형의 범람 적용성
Applicability of Inundation Simulation with the Coupled Tide-Surge Model 원문보기

한국해양환경공학회지 = Journal of the Korean society for marine environmental engineering, v.13 no.4, 2010년, pp.270 - 278

박선중 ((주)혜인이엔씨 기술연구소) , 강주환 (목포대학교 건설공학부 토목공학) , 윤종태 (경성대학교 건설) , 정태성 (한남대학교 건설시스템공학과)

초록
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선행연구에서 우리나라 남해안을 대상으로 상용모형인 MIKE21 모형을 사용하여 실시간 조석 및 조석-해일 결합모형을 수립하였다. 본 연구에서는 이를 토대로 마산해역에서 범람모의에 대한 적용성을 검토하였다. 실제 적용에 앞서 가상적인 인공구조물의 범람에 대한 영향성 분석을 시행하였다. 범람 모의에 인공구조물을 포함시킨 결과 침수속도가 지체되어 침수면적이 감소하고 있는 반면 침수심은 별 차이를 보이지 않고 있다. 한편 실해역에 대한 결합모형과 폭풍해일모형의 범람 적용을 비교한 결과, 침수면적과 침수심은 유사한 결과를 보이고 있는 반면 최대 범람에 이르는 시간은 결합모형이 보다 타당한 결과를 나타내고 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Applicability of the MIKE21 model as a real time coupled tide-surge model had been examined at the previous study. In this study, another applicability of the model as an inundation model is also examined. Prior to real cases, effect of artificial structures on the inundation is analyzed. The results show that inundation depth is not altered, while inundation area is lessened as a result of decreased inundation speed. Comparative study between the coupled model and an uncoupled storm surge model is also carried out at the Masan coastal zone, which shows the coupled model is considered to be plausible at the time to maximum inundation, while both models show similar results at the inundation area and inundation depth.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 선행연구인 MIKE21 모형의 실시간 조석 및 조석-해일 결합모의를 토대로 마산해역에서 범람모의에 대한 적용성을 검토하였다. 최대 격자간격 21,870 m에서 최소 격자간격 10m까지의 총 8단계 계산영역으로 설정하였으며, 수심 및 지형자료가 정확히 구현될 수 없는 큰 격자의 수심을 작은 격자의 상세수심으로 보정하는 과정을 전 영역에 대해 수행함으로써 보다 정도 높은 범람모의 결과를 기대할 수 있도록 하였다.
본 연구는 MIKE21 모형의 조석과 해일이 결합된 실시간 모의 적용성 검토(박선중 등[2010])에 이어 범람모의에 대한 적용성 및 효용성을 검토한 연속 논문으로, 적용성이 검증된 조석-해일 결합 모형을 이용해 조석과 해일의 비선형 효과를 감안할 수 있는 동적결합된 정밀격자의 범람모형을 수립하였다. 이를 통해 마산해역을 대상으로 태풍 MAEMI 내습당시 발생된 해일범람 현상을 재현하였고 인공구조물 고려 여부가 범람 재현에 미치는 영향성을 파악하였다.
현재 대부분의 범람모의는 1/1,000 및 1/5,000 수치지도에서 확보한 등고선 및 표고값을 추출하여 활용하고 있으나, 이는 건물 등과 같이 지형상에 존재하는 인공구조물 및 수목과 같은 자연지물 객체의 표고정보를 포함하지 않는다. 이에 본 연구에서는 1/1,000 수치지도 내에 포함된 건물 정보로부터 취득한 가상의 표고자료를 활용해 인공구조물이 고려된 마산만 범람모형을 구축하고, 이를 활용해 인공구조물 고려 여부에 따른 범람양상을 검토하였다.

제안 방법

조석-해일범람모의를 위해서는 태풍의 생성 및 이동 등을 구현할 수 있도록 우리나라 및 주변해역의 광범위한 해역을 포함한 광역의 구축이 필요하며, 동시에 범람모의를 위해서는 수 m 격자간격의 상세역의 모의를 위한 정밀역이 구축되어야 한다. 범람모형의 수립을 위해 앞서 본 연구에서는 MIKE21 모형의 둥지형 격자망 구축시 공간상 해석능력의 도약이 ∆x_Coarse=3∆x_Fine인 것을 감안해 격자간격을 1/3씩 감소시켜 Table 1과 같이 최대 격자간격 21,870 m에서 최소 격자간격 10 m까지의 총 8단계 계산영역으로 설정하였다. 특히 둥지형 격자망 구축시 각 영역별 접합경계부근의 수심을 동일하게 보정하고, 수심 및 지형자료가 정확히 구현될 수 없는 큰 격자의 수심을 작은 격자의 상세수심으로 보정하는 과정을 전 영역에 대해 수행함으로써 보다 정도 높은 범람모의 결과를 기대할 수 있도록 하였다.
본 연구는 MIKE21 모형의 조석과 해일이 결합된 실시간 모의 적용성 검토(박선중 등[2010])에 이어 범람모의에 대한 적용성 및 효용성을 검토한 연속 논문으로, 적용성이 검증된 조석-해일 결합 모형을 이용해 조석과 해일의 비선형 효과를 감안할 수 있는 동적결합된 정밀격자의 범람모형을 수립하였다. 이를 통해 마산해역을 대상으로 태풍 MAEMI 내습당시 발생된 해일범람 현상을 재현하였고 인공구조물 고려 여부가 범람 재현에 미치는 영향성을 파악하였다.
전술한 조석-해일 결합모형을 사용하여 태풍 MAEMI의 영향 기간을 포함해 총 7일간(2003년 9월 8일~14일) 조석과 해일을 동시에 고려해 범람모의를 수행하였다. Fig.
이때 노출격자, 즉 전체 수심이 0보다 작은 격자의 자유수면변위는 계속 0을 유지하게 되며, 다음으로 연속방정식에서 새로이 계산한 자유수면변위를 이용하여 노출격자를 수정한다. 즉, 해안선 경계(침수격자)의 전체수심이 육지방향의 노출격자로 이동이 가능한지를 검사하며, 운동방정식을 이용하여 x, y 양방향의 유량을 계산하게 된다. 이때 연속방정식은 노출된 지점의 수심이 저장되며 다시 침수되었을 때 재사용되어 침수/노출 과정동안 만족시키게 된다.
본 논문에서는 선행연구인 MIKE21 모형의 실시간 조석 및 조석-해일 결합모의를 토대로 마산해역에서 범람모의에 대한 적용성을 검토하였다. 최대 격자간격 21,870 m에서 최소 격자간격 10m까지의 총 8단계 계산영역으로 설정하였으며, 수심 및 지형자료가 정확히 구현될 수 없는 큰 격자의 수심을 작은 격자의 상세수심으로 보정하는 과정을 전 영역에 대해 수행함으로써 보다 정도 높은 범람모의 결과를 기대할 수 있도록 하였다.
범람모형의 수립을 위해 앞서 본 연구에서는 MIKE21 모형의 둥지형 격자망 구축시 공간상 해석능력의 도약이 ∆x_Coarse=3∆x_Fine인 것을 감안해 격자간격을 1/3씩 감소시켜 Table 1과 같이 최대 격자간격 21,870 m에서 최소 격자간격 10 m까지의 총 8단계 계산영역으로 설정하였다. 특히 둥지형 격자망 구축시 각 영역별 접합경계부근의 수심을 동일하게 보정하고, 수심 및 지형자료가 정확히 구현될 수 없는 큰 격자의 수심을 작은 격자의 상세수심으로 보정하는 과정을 전 영역에 대해 수행함으로써 보다 정도 높은 범람모의 결과를 기대할 수 있도록 하였다. 광역 격자망인 Area-1은 태풍의 발생 및 진행경로의 재현을 충분히 반영하기 위해 우리나라, 일본, 대만 등이 포함되도록 설정하였으며, Area-3은 제주도 및 우리나라 해안을 충분히 포함하여 향후 여러 대상해역에 대한 모의에 활용토록 구성하였다(Fig.

대상 데이터

해일범람을 정도 높게 모의하기 위해서는 태풍의 내습경로와 중심기압, 최대풍속 등 주요 인자의 정확한 자료획득을 통한 해상풍의 생성뿐만 아니라 육상 및 해상의 지형적인 특성을 충분히 반영할 수 있는 수심, 표고 및 해안선 정보의 정확한 수집 및 분석도 매우 중요한 사항이다. 본 연구에서는 지형자료 구축 및 수심도 생성을 위해 2008년도 기준 국토지리정보원(www.ngi.go.kr)의 1:1,000, 1:5,000의 수치지형도로부터 추출한 표고자료와 국립해양조사원(www.nori.go.kr)의 수치해도로부터 추출한 해안선 및 수심 자료를 활용하여 구축하였다.

성능/효과

조석과 인공구조물이 고려된 범람모의결과(Fig. 7(a)), 1.0 m 이상의 침수심별 침수면적은 폭풍해일모형의 결과에 비해 다소 축소되었으며, 봉암동 북부 내륙에서는 침수가 발생되지 않았다. 이를 제외하고 전체적인 침수면적은 두 모형이 거의 일치하고 있음을 알 수 있다.
결합모형을 마산해역의 범람모의에 적용한 결과 조석과 해일의 비선형효과에 의해 최대해일고가 다소 감소함을 보였고, 이 결과를 조석이 포함되지 않은 폭풍해일모형에 의한 결과와 비교하였다. 두 모형의 결과는 침수면적과 침수심에 있어 큰 차이를 보이지 않고 있으나 최대범람에 이르는 시간은 결합모형이 보다 타당한 결과를 나타내고 있다.
0 hr로 인공구조물의 영향으로 침수속도가 다소 지체되고 있음을 알 수 있다. 두 조건 모두 내륙으로 흐름 발생시 일부 유속이 급변하는 지점을 제외하고 0.5 m/s 이하의 유속분포를 보이고 있으나, 인공구조물을 고려할 경우 인공구조물 인근에서 유속변화가 심하게 발생되며, 통과유량이 감소함에 따라 인공구조물이 없는 경우에 비해 전반적으로 유속이 다소 작게 모의됨을 알 수 있다.
반면, 인공구조물이 고려되지 않은 범람모형의 경우, 침수면적이 다소 과대 산정되는 결과를 보이고는 있으나, 최악의 피해에 대비하기 위한 잠재적인 피해 위험지역 선정과 같은 보수적인 관점에서는 충분히 활용도가 높을 것으로 판단된다. 또한 인공구조물이 고려된 범람모형 수준의 세격자 구성이 요구되지 않음으로 계산 소요시간의 단축이 가능하며, 육상부 DEM만을 일정 정도 이상으로 재현할 경우 충분한 정도의 범람모의가 가능하므로 신속한 결과 도출이 요구되는 예측모형으로써의 효용성은 매우 우수할 것으로 판단된다.
이처럼 인공구조물을 고려할 경우 해수 유입량의 감소로 유속이 전반적으로 감소함에 따라 침수속도가 지체되며, 침수면적 또한 해수 유입량 및 유속 감소의 영향으로 최대 11.6%(0.294 km²) 감소하는 것으로 나타났다. 그러나 침수심의 경우 인공구조물 고려 여부에 관계없이 큰 차이가 없는 것으로 나타나 별다른 영향을 받지 않는 것으로 판단된다.
조석과 해일의 비선형 효과가 상호 작용된 결합모의 결과, 계산된 조위에서 조석 효과를 제거할 경우 최대 2.00 m의 수위 상승이 유발된 것으로 나타나, 해일모의 결과에 비해 0.09 m 작게 모의되고 있어 조석과 해일의 비선형효과에 의해 최대해일고가 다소 감소함을 알 수 있다.

후속연구

이처럼 마산시의 경우 연안에 위치한 대부분 지역이 해일범람의 위험성에 노출되어 있을 뿐 아니라, 최근에 내습하는 태풍의 강도 및 빈도가 점차 증가하는 추세임을 감안할 경우 태풍 규모에 따른 침수범위 및 침수고 등 범람양상에 관한 지속적인 관심이 필요할 것으로 사료된다.
그러나 신뢰성 있는 정확한 검증자료가 부족한 상황에서 어떠한 모형이 보다 정확한 결과를 도출하였는가에 대한 결론을 내리기는 것은 사실상 어렵지만, 조석과 해일의 비선형 효과가 감안된 동적결합모형의 적용결과가 보다 현실적인 범람양상의 재현이 가능한 것만은 사실이다. 특히 대피시스템 구축시 침수면적, 침수심, 침수지속시간 등 다양한 정보의 획득이 가능해야함을 감안할 때 조석과 해일의 동적결합된 범람모형의 적용은 반드시 필요할 것으로 판단된다.
향후, DSM 자료를 활용한 인공구조물, 도로상황에 대한 상세한 재현과 토지이용현황 등에 따른 육상 조도계수의 설정 등 보다 정밀하게 구축된 범람모형을 활용한 추가적인 검토가 요구되긴 하나, 인공구조물을 고려할 경우 좀 더 사실적인 범람모의가 가능해 과거 사상재현 및 해안침수예상도 작성과 같은 재해예방 측면에서는 효용성이 매우 우수할 것으로 판단된다. 그러나 인공구조물을 고려할 경우 모형수립에 장시간이 소요되며, 특히 인공구조물 및 도로상황을 세밀한 재현을 위해서는 최소 10 m 미만의 세격자 구성이 요구됨에 따라 계산 소요시간의 증가가 불가피하게 된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	해안선 경계에서의 침수/노출을 모의하기 위한 방법은 어떻게 구분되는가?	이를 위해서는 태풍 내습시 조석, 폭풍해일 등 장주기 해수위 변동과 고파랑 등에 의한 수면 상승 뿐 아니라 연안역의 얕은 수심에서의 바닥마찰의 영향, 그리고 계산영역이 지속적 또는 불규칙적으로 변화하는 범람특성 등의 구현이 가능해야 한다. 일반적으로 해안선 경계에서의 침수/노출을 모의하기 위한 방법은 초창기 폭풍해일모형에 널리 적용된 방법(Flather와 Heaps[1975]; Falconer와 Owens[1987])인 해안선을 따라 가상벽(imaginary wall)을 설정하고 해안선을 통한 흐름을 강제로 차단하는 방법과 Leendertse[1967]의 침수/노출 알고리즘을 근간으로 한 이동경계기법(moving boundary scheme)으로 구분할 수 있다(Xie et al.[2004]).
	이동경계기법이 적용된 모형은 무엇을 구현할 수 있는가?	[2004]). 이동경계기법이 적용된 모형의 경우 수치해석과정이 다소 복잡하지만 비교적 정확한 수치해를 얻을 수 있으며, 계산영역이 지속적 또는 불규칙적으로 변화하는 범람특성의 구현이 가능하다. 최근에는 바닥마찰, 압력구배, 비선형 이류항, 질량보존 등을 고려하여 사실적인 범람현상의 재현이 가능해지고 있으나(조용식 등[2001]; Ip et al.
	폭풍해일에 대한 연구를 위해 어떤 특성을 구현해야 하는가?	현재의 폭풍해일에 대한 연구는 개념정립과 기술개발의 단계를 넘어 복합 모의체계 구축을 통한 시뮬레이션 결과를 토대로 재난 대응 및 피해 평가체계 구축을 위한 재해지도(Harzard map) 제작이 주요 연구주제로 떠오르고 있다. 이를 위해서는 태풍 내습시 조석, 폭풍해일 등 장주기 해수위 변동과 고파랑 등에 의한 수면 상승 뿐 아니라 연안역의 얕은 수심에서의 바닥마찰의 영향, 그리고 계산영역이 지속적 또는 불규칙적으로 변화하는 범람특성 등의 구현이 가능해야 한다. 일반적으로 해안선 경계에서의 침수/노출을 모의하기 위한 방법은 초창기 폭풍해일모형에 널리 적용된 방법(Flather와 Heaps[1975]; Falconer와 Owens[1987])인 해안선을 따라 가상벽(imaginary wall)을 설정하고 해안선을 통한 흐름을 강제로 차단하는 방법과 Leendertse[1967]의 침수/노출 알고리즘을 근간으로 한 이동경계기법(moving boundary scheme)으로 구분할 수 있다(Xie et al.

참고문헌 (22)

강주환, 문승록, 박선중, 2004, "해수유동모형에서 조간대 모의의 필요성", 대한토목학회논문집, 24(3B), 259-265.
강주환, 문승록, 박선중, 2005, "조석확폭에 수반되는 조간대영역 확대의 영향성", 한국해안해양공학회논문집, 17(1), 47-54.
강주환, 박선중, 김양선, 소재귀, 2009, "해수유동모형의 조간대 모의 특성", 한국해안해양공학회논문집, 21(5), 357-370.

원문보기 상세보기
김도삼, 김지민, 이광호, 이성대, 2007, "연안역에서 고파랑과 폭풍해일을 고려한 침수해석", 한국해안해양공학회지, 21(2), 35-41.
문승록, 강태순, 남수용, 황 준, 2007, "폭풍해일에 의한 해안침수예상도 작성 시나리오 연구", 한국해안해양공학회논문집, 19(5), 492-501.
문승록, 박선중, 강주환, 윤종태, 2006, "MIKE21 모형을 이용한 목포해역 해일/범람모의", 한국해안해양공학회논문집, 18(4), 348-359.
박선중, 강주환, 문승록, 윤종태, 2009, "이동경계기법을 이용한 해수유동모형의 범람 적용성", 한국해안해양공학회논문집, 21(2), 164-173.

원문보기 상세보기
박선중, 강주환, 김양선, 문승록, 2010, "조석-해일 결합모형의 적용성 검토", 한국해안해양공학회논문집, 22(4). (게재예정)
조용식, 서승원, 2001, "이동경계를 이용한 지진해일의 최대 범람구역 추산", 한국해안해양공학회지, 13(2), 100-108.

원문보기 상세보기
조지훈, 2000, 해안범람 수치모의, 석사학위논문, 한양대학교.
천재영, 이광호, 김지민, 김도삼, 2008, "태풍 매미(0314호)에 의한 마산만 주변연안역에서의 범람해석", 한국해안해양공학회논문집, 20(3), 8-17.
Balzano, A., 1998, "Evaluation of methods for numerical simulation of wetting and drying in shallow water flow models", Coastal Engineering, Vol. 34, pp. 83-107.

상세보기
DHI Water and Environment, 2007, "User guide and reference manual", Hydrodynamic Module.
Falconer, R.A. and Owens, P.H., 1987, "Numerical simulation of flooding and drying in a depth-averaged tidal flow model", Proceedings Institution Civil Engineers, Vol. 83, pp. 161-180.

상세보기
Flather, R.A. and Heaps, N.S., 1975, "Tidal computations for Morecambe Bay", Geophysical Journal Royal Astronomical Society, Vol. 42, pp. 489-517.
Hubbert, G.D. and McInnes, K.L., 1999, "A storm surge model for coastal planning and impact studies", Journal of Coastal Research, Vol. 15, No. 1, pp. 168-185.

상세보기
Ip, J.T.C., Lynch, D.R. and Friedrichs, C.T., 1998, "Simulation of estuarine flooding & dewatering with application to Great Bay", New Hampshire. Estuarine, Coastal and Shelf Science, Vol. 47, pp. 119-141.

상세보기
Leendertse, J.J., 1967, Aspects of a computational model for long water wave propagation. Memorandum RH-5299-PR, Rand Corporation, Santa Monica.
Madsen, H. and Jakobsen, F., 2004, "Cyclone induced storm surge and flood forecasting in the northern Bay Bengal", Coastal Engineering, Vol. 51, pp. 277-296.

상세보기
Shibaki, H., Suzuyama, K., Kim, J.I. and Sun, L., 2007, "Numerical simulation of storm surge inundation induced by overflow, overtopping and dike breach", Asian and Pacific Coasts 2007, Nanjing, China.
Stelling, G.S., Kernkamp, H.W.J. and Laguzzi, M.M., 1998, Delft flooding system (FLS): A powerful tool for inundation assessment based upon a positive flow simulation.
Xie, L., Pietrafesa, L.J. and Peng, M., 2004, "Incorporation of a mass-conserving inundation scheme into a three dimensional storm surge model", Journal of Coastal Research, Vol. 20, pp. 1209-1223.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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