[논문]도시지역을 관통하는 홍수파의 특성에 관한 수치적 연구 (2) : 적용 및 분석

정우창; 조용식; 이진우

도시지역을 관통하는 홍수파의 특성에 관한 수치적 연구 (2) : 적용 및 분석
A Numerical Study on Characteristics of Flood Wave Passing through Urban Areas (2) : Application and Analysis 원문보기

한국방재학회논문집 = Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation, v.10 no.1, 2010년, pp.65 - 72

정우창 (경남대학교 공과대학 토목공학과) , 조용식 (한양대학교 공과대학 건설환경공학과) , 이진우 (한양대학교 대학원 건설환경공학과)

초록
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본 연구에서는 댐 붕괴로 인한 홍수파에 영향을 미치는 도시지역의 효과에 대해 두 가지 수리모형실험에 근거하여 수치적으로 분석되었으며, 계산된 지점별 수심은 측정결과와 비교적 잘 일치하였다. 첫 번째 수리모형실험에 대해 도시지역 전반부에서 상대적으로 높은 수심영역과 흐름의 지체현상이 발생하였으며, 홍수파의 원활한 전파에 큰 장애요소가 됨을 알 수 있었다. 두번째 수리모형실험에 대해서는 유입량의 증가에 따라 도시지역의 전반부에서 후반부로 전파될 때 수심은 급격히 감소하는 구간과 느리게 감소하는 구간으로 구별되며, 도시지역 전반부에 도달하는 홍수파의 최초시간은 유입량이 증가함에 따라 감소되는 경향을 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the effects of urban areas against flood waves due to a dam failure were numerically investigated based on the two laboratory experiments and the predicted water surface elevations at specific points showed good agreement with available measurements. In the first experiment, a relatively high water depth and the delay effect of flow at the front of urban areas are observed. The urban areas may become a large obstacle against smooth propagation of flood wave. In the second one, as the inflow increases, moreover, the water surface elevations can be classified into abruptly decreasing portion and slowly decreasing portion, and the first arrival time to the front of urban area is decreasing with the increasing inflow.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

Toce valley river 수리모형실험은 유럽연합이 주관한 IMPACT 프로젝트의 일환으로 댐 붕괴 시 도시지역으로 유입되는 홍수파의 전파특성을 파악하고, 기존에 개발된 다양한 수치모형들의 정확도를 평가하기 위해 수행되었다(Testa et al., 2007). 수리모형실험은 Toce valley river를 1:100으로축소시킨 길이 50 m의 콘크리트 모형에서 수행되었으며, 도시지역은 모서리 길이가 15 cm인 정육면체 블록들을 사각형 배열(aligned layout)과 지그재그형 배열(staggered layout) 로구성하여 구축하였다.
본 연구에서는 선행연구(정 등, 2009)에서 개발된 수치모형을 이용하여 두 가지 서로 다른 수리모형실험에 대해 도시지역을 통과하는 홍수파의 전파특성을 수치적으로 분석하였다. 수리모형실험 Ie Soares Frazao와 Zech(2008)에 의해 수행된 평탄하상에서의 도시지역을 통과하는 홍수파에 대한 실내 수리 모_형실험으로 건물과 건물 사이로 전파되는 홍수파의 변화양상을 분석하기 위한 것이다.
본 연구에서는 선행연구(정 등, 2009)에서 개발한 천수 방정식과 well-balanced HLLC 기법을 적용한 2차원 유한체적모형을 이용하여 도시지역 내를 관통하는 댐 붕괴로 인한 홍수 파의 전파특성에 대한 수치적 분석을 두 가지 서로 다른 수리모형실험 자료를 근거로 하여 수행하였다. 적용된 수치모형으로부터 계산된 지점별 수심은 수리모형실험을 통해 측정된 수심과 비교적 잘 일치하였으며, 본 연구에서 적용된 모형은 타당한 것으로 나타났다.
분석하였다. 수리모형실험 Ie Soares Frazao와 Zech(2008)에 의해 수행된 평탄하상에서의 도시지역을 통과하는 홍수파에 대한 실내 수리 모_형실험으로 건물과 건물 사이로 전파되는 홍수파의 변화양상을 분석하기 위한 것이다. 수리모형실험 Ⅱ는 가상의 도시지역을 포함하고 있는 자연하천에서 홍수파의 특성을 분석하기 위해 유럽 연합이 주관한 IMPACT 프로젝트의 일환으로 수행된 Toce valley river 수리모형실험이다(Testa et al.

가설 설정

60 m이다. 수로의 좌측 경계로부터 6.75m에 위치한 댐의 폭은 0.80 m이며, 댐의 중앙에 폭 1.00 m의 수문이 설치되어 있다고 가정하였다. 도시지역은 댐으로부터 5.

제안 방법

배열되어 있는 경우이다. Triangle mesh generator (Shewchuk, 1996)를 이용하여 도시지역 주위에 대해 두 가지 서로 다른 격자시스템을 구축하였으며, 첫 번째는 10326 개의 절점과 19759개의 셀을 나타낸 비구조적 삼각형 격자 시스템(T1)이며, 두 번째는 첫 번째에 비해 약 10배 정도 조밀한 97642개의 절점과 193281개의 셀로 이루어진 격자 시스템 (T2)이다.
본 모의에서는 유입량의 크기에 따른 도시지역 내 홍수 파의 전파양상을 분석하기 위해 3가지 서로 다른 크기의 유입 수문곡선을 적용하였다. 그림 9에서처럼 Case 1은 실제 수리모형실험에 적용된 유입수문곡선이며, Case 2와 3은 각각 Case 1에 비해 2배 그리고 3배로 증가시킨 것이다.
본 연구에서는 Soares-Frazao와 Zech(2008)에 의해 수행된 수리 모_형실험에 근거하여 흐름방향을 따라 댐 하류부에 5x5 개의 건물군으로 이루어진 정방형의 도시지역을 통과하는 댐 붕괴로 인한 홍수파에 대한 수치모의를 수행하였다. 모 형수로의 길이는 그림 1에서와 같이 35.
수리모형실험은 Toce valley river를 1:100으로축소시킨 길이 50 m의 콘크리트 모형에서 수행되었으며, 도시지역은 모서리 길이가 15 cm인 정육면체 블록들을 사각형 배열(aligned layout)과 지그재그형 배열(staggered layout) 로구성하여 구축하였다. 본 연구에서는 사각형 배열에 대해서만 모의 및 분석을 수행하였다.
, 2007). 수리모형실험은 Toce valley river를 1:100으로축소시킨 길이 50 m의 콘크리트 모형에서 수행되었으며, 도시지역은 모서리 길이가 15 cm인 정육면체 블록들을 사각형 배열(aligned layout)과 지그재그형 배열(staggered layout) 로구성하여 구축하였다. 본 연구에서는 사각형 배열에 대해서만 모의 및 분석을 수행하였다.
홍수 파는 y=2.0 m에 위치하고 있는 거리의 중심을 관통하고 있으며, T1과 T2 격자시스템 각각에 대해 관측결과와 비교하였다. 비교 결과 두 가지 격자시스템에 대해 모의결과와 관측결과는 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났으나, T2의 격자 시스템에 의한 모의결과가 T1 격자시스템에 의한 모의결과보다 전반적으로 관측결과에 더 잘 부합하는 것으로 나타났다.

대상 데이터

모 형수로의 길이는 그림 1에서와 같이 35.80 m이며, 폭은 3.60 m이다. 수로의 좌측 경계로부터 6.
5。로 기울어져 배열된 도시지역을 통과하는 홍수파의 전파양상에 대해 수치모의를 수행한 것이다. 사용된 격자시스템은 97965개의 절점과 193774 개의 셀로 이루어져 있으며, Case 1의 T2 격자시스템에 해당된다.

데이터처리

그림 8(b)에서처럼 좌측경계에는 유입경계조건 그리고 우측경계에는 개경계조건을 부여하였으며, 초기조건으로 마른하상조건을 부여하였다. 계산된 시간에 따른 수심변화 결과는 P3, P5, P9 그리고 P10지점에서 관즉된 결과와의 비교를 통해 검증을 수행하였다. 총모의시간은 60초이며, Manning 조도계수는 0.

성능/효과

이는 본 연구에서 적용된 모형은 난류 전단 응력을 모의할 수 있는 모듈이 없어 도시지역 전반부에 위치한 건물과 건물 사이에서 발생하는 흐름의 수축 현상을 제대로 반영하지 못하기 때문인 것으로 판단된다. 4초일 때 수심은 매우 불규칙하게 변화되는 것으로 나타났으나 시간이 경과될수록 이러한 불규칙한 양상은 다소 완화되는 것으로 나타났다. 또한 6초 이후부터 도시지역 전반부에서부터 후반부까지 수심은 약간 감소하는 경향을 나타났으며, Case 1에서와 마찬가지로 후반부 이후부터는 흐름이 가속되어 도수현상이 발생되는 것을 볼 수 있다.
유입량기 증가할수록 전반적으로 수심은 커지며, 그에 따라 최대수심도 증가하는 경향을 나타내었다. P3 지점에서 수심이 급격히 증가하기 시작하는 시간은 Case 1의 경우 약 9.83초, Case 2의 경우 약 9.18초 그리고 Case 3 의 경우 약 8.92이며, 또한 P10 지점에서는 Case 1의 경우 약 11.58초, Case 2의 경우 약 10.19초 그리고 Case 3의 경우 약 9.68초로 전반적으로 유입량이 증가할수록 빨라지는 경향을 나타내었다.
크기는 달라짐을 알 수 있었다. 두 번째 수리모형실험의 경우 홍수파가 도시지역 전반부에서 후반부로 전파되어갈 때 수심은 급격한 감소구간과 느린 감소구간으로 구별되며, 도시지역 전방에서의 최초도달시간은 유입량이 증가함에 따라 감소하는 것으로 나타났다.
4초일 때 수심은 매우 불규칙하게 변화되는 것으로 나타났으나 시간이 경과될수록 이러한 불규칙한 양상은 다소 완화되는 것으로 나타났다. 또한 6초 이후부터 도시지역 전반부에서부터 후반부까지 수심은 약간 감소하는 경향을 나타났으며, Case 1에서와 마찬가지로 후반부 이후부터는 흐름이 가속되어 도수현상이 발생되는 것을 볼 수 있다.
122 m이며, 약 67%가 감소되는 것으로 나타났다. 또한, 시간이 지남에 따라 조도 계수에 따른 수심의 변화폭은 점차적으로 감소하며, 10초가 경과했을 때 조도계수가 0.01 이상에서는 수심의 변화양상이 거의 비슷함을 볼 수 있다. 그림 5는 모의경과시간 6초로 동일한 조건에서 조도계수에 따른 도수지역 전반부에서 의회 전류의 변화를 나타낸 것이다.
4초가 경과되었을 경우 조도 계수에 따라 수심의 변화가 확연하게 차이가 남을 알 수 있으며, 조도계수가 작을수록 도시지역 전반부에서의 수심상승이 보다 빨리 진행되는 것을 볼 수 있다. 본 연구에서 조도계수가 0.01 의 경우 도시지역 전반부에서 최대수심은 0.183 m이며, 0.03의 경우는 0.061m로 최대수심의 차는 0.122 m이며, 약 67%가 감소되는 것으로 나타났다. 또한, 시간이 지남에 따라 조도 계수에 따른 수심의 변화폭은 점차적으로 감소하며, 10초가 경과했을 때 조도계수가 0.
0 m에 위치하고 있는 거리의 중심을 관통하고 있으며, T1과 T2 격자시스템 각각에 대해 관측결과와 비교하였다. 비교 결과 두 가지 격자시스템에 대해 모의결과와 관측결과는 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났으나, T2의 격자 시스템에 의한 모의결과가 T1 격자시스템에 의한 모의결과보다 전반적으로 관측결과에 더 잘 부합하는 것으로 나타났다. 4초일 때 도시지역 후반부에서 도수현상은 발생되지 않으나 시간이 지남에 따라 건물과 건물 사이로 유출되는 흐름이 가속되어 도수현상이 발생되는 것을 볼 수 있다.
비교하였다. 비교결과 모의된 수심변화양상은 관측된 수심변화양상에 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났으며, 유입량의 증가에 따른 각 지점에서의 증가된 수심을 잘 모의하는 것으로 나타났다. 유입량기 증가할수록 전반적으로 수심은 커지며, 그에 따라 최대수심도 증가하는 경향을 나타내었다.
세 가지 Case 모두에서 P3과 P5 지점 사이의 최대수심은 상대적으로 급격히 감소하는 경향을 나타냈으며, P5 와 P9 지점 사이에서는 다소 느리게 감소하는 경향을 나타내었다. 또한 P9 지점부터 P10 지점까지는 다시 최대수심이 급격히 감소하는 경향을 나타내었다.
비교결과 모의된 수심변화양상은 관측된 수심변화양상에 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났으며, 유입량의 증가에 따른 각 지점에서의 증가된 수심을 잘 모의하는 것으로 나타났다. 유입량기 증가할수록 전반적으로 수심은 커지며, 그에 따라 최대수심도 증가하는 경향을 나타내었다. P3 지점에서 수심이 급격히 증가하기 시작하는 시간은 Case 1의 경우 약 9.
자료를 근거로 하여 수행하였다. 적용된 수치모형으로부터 계산된 지점별 수심은 수리모형실험을 통해 측정된 수심과 비교적 잘 일치하였으며, 본 연구에서 적용된 모형은 타당한 것으로 나타났다.
최초도달시간을 나타낸 것이다. 전반적으로 유입량이 클수록 최초도달시간은 감소하는 경향을 나타내었다. Case 3 인 경우 약 8.
첫 번째 수리모형실험에 대한 수치분석결과 도시지역을 구성하는 건물군의 장애효과로 인해 도시지역 전방에 상대적으로 높은 수심영역과 지체현상이 발생되었으며, 도시지역의 배열에 따라 도시지역 유입부에서 발생한 높은 수심영역의 형상과 크기는 달라짐을 알 수 있었다. 두 번째 수리모형실험의 경우 홍수파가 도시지역 전반부에서 후반부로 전파되어갈 때 수심은 급격한 감소구간과 느린 감소구간으로 구별되며, 도시지역 전방에서의 최초도달시간은 유입량이 증가함에 따라 감소하는 것으로 나타났다.

후속연구

향후 하천 주변에 위치하고 있는 실제 도시지역에서의 홍수 파에 대한 시공간적 거동 분석뿐만 아니라 방재적 측면에서 유입량 조건 이외에 건물의 배열에 따른 홍수파의 전파 특성에 대해 분석할 예정이다.

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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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