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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 확산파 기반의 2차원 침수해석 모형을 이용하여 울산광역시 태화강 유역에 대하여 침수시 건물 안으로의 흐름은 없다는 가정 하에서 건물로 인한 흐름의 양상, 침수심, 침수위 등을 분석하는 연구를 수행하였다. 본 연구에서 제시한 건물영향을 고려한 2차원 침수해석 결과를 바탕으로 대상유역의 실제지형을 최대한 반영할 수 있는 지형자료를 구축하고, 침수해석을 위한 자료구축 및 실행, 결과분석을 위한 자동화를 구현하여 침수해석 모형의 적용성 및 안정성을 보다 향상 시킨다면, 침수상황의 시간별 진행과정에 대한 시각적인 분석시스템을 통한 GIS기반에서 운용되는 도시지역 침수해석 시스템의 구축이 가능하게 되어 도시지역의 홍수와 관련된 재난에 대비한 위험지역의 파악 및 홍수피해 경감대책을 수립하기 위한 효율적인 판단자료로 활용될 수있을 것으로 기대된다.
- 본 연구에서는 울산광역시를 가로지르는 태화강의 우측 부분인 울산광역시 남구 부분에 대하여 파제에 따른 가상의 시나리오를 생성하여 외수범람에 대한 2차원 침수해석을 실시하였다. 건물영향 고려하지 않은 경우와 고려한 경우로 구분하여 2차원 침수해석를 실시함으로써 건물영향에 따른 침수면적, 침수심, 침수위 등을 분석하였다.
- 또한, 동일한 범람구역에서 파제지점의 선정에 따라 범람양상의 차이를 보일 가능성이 있다고 판단되는 구역에 대해서는 복수의 파제지점을 선정하였고, 범람구역 중 산지로 형성되어 파제에 대한 범람위험이 고려되지 않는 구역에 대해서는 예상 파제지점의 선정을 배재하였다. 본 연구에서는 울산지역에 제시된 7개의 파제지점 가운데 파제 1지점에 대하여 외수범람에 의한 침수해석을 실시하여 건물의 유무가 2차원 침수해석에 미치는 영향을 분석하였다. FLDWAV 모형을 적용한 1차원 하천해석에 포함되는 하도는 태화강 본류 No.
가설 설정
- 운동량 방정식을 간단히 나타내는데 있어서, 운동파 근사법은 하상경사와 마찰경사를 제외한 모든 항을 무시할 수 있다고 가정한다. 특히 가파른 수로바닥경사에 적합한 이 가정은 많은 강우-유출 모델의 기초가 되어왔다.
제안 방법
- (1) 본 연구에서는 2차원 침수해석의 정확성과 효율성을 고려하여 1m 간격의 LiDAR 자료를 10m 간격으로 자료를 추출하여 지형자료를 구축하였다. 건물에 대한 정보를 가지고 있지 않는 지형자료와 수치지형도에서 추출된 건물자료를 합성하여 2차원 침수해석을 위한 지형자료를 구축하였다.
- 2차원 침수해석이 수행된 제내지에서의 조도계수는 홍수지도 제작지침(2001)의 범람 모형 매개변수 산정절차에 의거 토지이용에 따른 점유면적을 바탕으로 조도계수를 산출하는 합성등가조도계수 방법을 채택하였으며, 홍수위험지도 기본계획 보완 보고서(2008)에 제시된 n=0.106과 n=0.075를 대상유역과 비교하여 적용하였다. 1차원 하천해석에 적용된 조도계수는 홍수위험지도 기본계획보완 보고서(2008)에 제시된 값을 적용하였다.
- LiDAR 자료를 바탕으로 구축된 지형자료와 수치지형도에서 추출된 건물자료를 합성하여 2차원 침수해석을 위한 지형자료를 구축하였다. 두 자료의 합성은 GIS tool인 ArcView를 활용하여 수행하였으며, 이러한 과정에서 발생할 수 있는 두 자료의 좌표 비매칭 현상을 방지하기 위하여 동일한 범위의 자료를 추출하였다.
- (1) 본 연구에서는 2차원 침수해석의 정확성과 효율성을 고려하여 1m 간격의 LiDAR 자료를 10m 간격으로 자료를 추출하여 지형자료를 구축하였다. 건물에 대한 정보를 가지고 있지 않는 지형자료와 수치지형도에서 추출된 건물자료를 합성하여 2차원 침수해석을 위한 지형자료를 구축하였다. 두 자료의 합성은 GIS tool인 ArcView를 활용하여 수행하였으며, 이러한 과정에서 발생 할 수 있는 두 자료의 좌표 비매칭 현상을 방지하기 위하여 동일한 범위의 자료를 추출하였다.
- 본 연구에서는 울산광역시를 가로지르는 태화강의 우측 부분인 울산광역시 남구 부분에 대하여 파제에 따른 가상의 시나리오를 생성하여 외수범람에 대한 2차원 침수해석을 실시하였다. 건물영향 고려하지 않은 경우와 고려한 경우로 구분하여 2차원 침수해석를 실시함으로써 건물영향에 따른 침수면적, 침수심, 침수위 등을 분석하였다. 본 연구의 주요 결과들을 요약하면 다음과 같다.
- 본 연구에서는 침수면적 자료를 바탕으로 식(4)와 같은 적합도 공식을 적용하여 건물영향을 고려한 경우와 건물영향을 고려하지 않은 경우에 대한 침수면적을 비교하였다. 건물영향을 고려한 침수해석에 따른 침수면적인 Awith 와 건물영향을 고려하지 않은 침수해석에 따른 침수면적인 Awithout를 이용하여 적합도를 계산하였다.
- 구축된 지형자료와 파제에 따른 제내지 유입유량을 바탕으로 대상유역에 대한 2차원 침수해석을 실시하였다. 2차원 침수해석에는 건물영향을 고려한 경우와 건물영향을 고려하지 않은 경우에 동일하게 90,895개의 계산격자가 적용되었다.
- 두 경우에 대한 침수면적의 교집합, 합집합및 적합도를 계산하였다. 침수면적의 교집합과 합집합의 계산은 GIS Tool을 활용하였으며, 두 경우에 대한 교집합은 5,915,912.
- LiDAR 자료를 바탕으로 구축된 지형자료와 수치지형도에서 추출된 건물자료를 합성하여 2차원 침수해석을 위한 지형자료를 구축하였다. 두 자료의 합성은 GIS tool인 ArcView를 활용하여 수행하였으며, 이러한 과정에서 발생할 수 있는 두 자료의 좌표 비매칭 현상을 방지하기 위하여 동일한 범위의 자료를 추출하였다. FIGURE 9는 지형자료의 건물자료의 합성 과정을 보여준다.
- LiDAR 자료를 바탕으로 구축된 지형자료와 수치지형도에서 추출된 건물자료를 합성하여 2차원 침수해석을 위한 지형자료를 구축하였다. 두 자료의 합성은 GIS tool인 ArcView를 활용하여 수행하였으며, 이러한 과정에서 발생할 수 있는 두 자료의 좌표 비매칭 현상을 방지하기 위하여 동일한 범위의 자료를 추출하였다. FIGURE 9는 지형자료의 건물자료의 합성 과정을 보여준다.
- 본 연구에서 적용한 확산파 기반의 2차원 침수해석 모형은 하도에서의 1차원 수리해석 모형인 FLDWAV 모형과 연계를 통하여 하천제방의 월류 및 붕괴에 따른 외수범람을 해석할 수 있도록 구성하였다. 또한 제내지에서의 2차원 침수해석을 위한 지형자료는 최근 대도시를 중심으로 구축되고 있는 1m 간격으로 수집된 LiDAR 자료를 바탕으로 10m 간격의 정형격자를 통하여 지형자료를 생성하였으며, 수 치지도로부터 추출된 건물을 ArcView 등의 GIS Tool을 활용하여 LiDAR 자료와 합성하여 2차원 침수해석에 적용되는 지형자료를 구성하였고, 이를 ASCII 파일로 변환하여 직접 입력자료로 사용할 수 있도록 함으로써, 입력 자료 구성에 대한 복잡한 문제들을 쉽고 편리하게 해결할 수 있도록 하였다.
- 홍수위험지도 기본계획 보완 보고서(2008)에서는 예상 파제지점 선정을 위해 제방 구간의 측 점별 초기침수빈도, 제방 소류력, 주변에 위치한 구조물 현황에 대해 가중치를 이용하여 파제위험성을 상대적으로 비교하고, 흐름양상을 나타내는 하천 내 속도벡터 값과 과거 홍수피해 실적을 참고하여 선정하였다. 또한, 동일한 범람구역에서 파제지점의 선정에 따라 범람양상의 차이를 보일 가능성이 있다고 판단되는 구역에 대해서는 복수의 파제지점을 선정하였고, 범람구역 중 산지로 형성되어 파제에 대한 범람위험이 고려되지 않는 구역에 대해서는 예상 파제지점의 선정을 배재하였다. 본 연구에서는 울산지역에 제시된 7개의 파제지점 가운데 파제 1지점에 대하여 외수범람에 의한 침수해석을 실시하여 건물의 유무가 2차원 침수해석에 미치는 영향을 분석하였다.
- 본 연구에서 적용한 확산파 기반의 2차원 침수해석 모형은 하도에서의 1차원 수리해석 모형인 FLDWAV 모형과 연계를 통하여 하천제방의 월류 및 붕괴에 따른 외수범람을 해석할 수 있도록 구성하였다. 또한 제내지에서의 2차원 침수해석을 위한 지형자료는 최근 대도시를 중심으로 구축되고 있는 1m 간격으로 수집된 LiDAR 자료를 바탕으로 10m 간격의 정형격자를 통하여 지형자료를 생성하였으며, 수 치지도로부터 추출된 건물을 ArcView 등의 GIS Tool을 활용하여 LiDAR 자료와 합성하여 2차원 침수해석에 적용되는 지형자료를 구성하였고, 이를 ASCII 파일로 변환하여 직접 입력자료로 사용할 수 있도록 함으로써, 입력 자료 구성에 대한 복잡한 문제들을 쉽고 편리하게 해결할 수 있도록 하였다.
- 지형자료의 구축은 1m 간격을 이루고 있는 고해상도 LiDAR 자료를 활용하였으며, 홍수 시나리오는 200년 빈도의 확률강우에 대한 파제 시나리오를 생성하여 적용하였다. 본 연구에서는 200년 빈도의 확률강우에 대한 유출해석 결과를 이용하여 FLDWAV 모형을 적용한 태화강에 대한 1차원 하천해석을 실시하였고, 제방파제에 대한 가상의 시나리오를 생성하여 파제에 따른 외수범람에 대한 2차원 침수해석을 실시하였다. FIGURE 1은 대상유역의 위치를 보여주고 있다.
- 본 연구에서는 LiDAR 자료의 중첩부분에 대한 제거 및 수정 과정을 통하여 1m 간격의 LiDAR 자료의 추출하였다. 그러나 1m 간격의 자료는 매우 정밀하기는 하지만 지형 자료의 구축과 모의에서 많은 시간을 소비하게 되며, 구축된 지형일지라도 대상유역과 같은 커다란 유역은 2차원 침수해석 모형의 계산격자 제한으로 인하여 모의가 불가능하게 되는 경우도 나타난다.
- 따라서 건물에 대한 자료를 입력할 필요가 있다. 본 연구에서는 수치지형도를 활용하여 건물의 위치와 면적을 추출하였고, FIGURE 8은 이와 같은 작업과정을 보여준다.
- 본 연구에서는 침수면적 자료를 바탕으로 식(4)와 같은 적합도 공식을 적용하여 건물영향을 고려한 경우와 건물영향을 고려하지 않은 경우에 대한 침수면적을 비교하였다. 건물영향을 고려한 침수해석에 따른 침수면적인 Awith 와 건물영향을 고려하지 않은 침수해석에 따른 침수면적인 Awithout를 이용하여 적합도를 계산하였다.
- 하창용 등(2010)은 LiDAR 자료의 밀도에 따른 2차원 침수해석을 통하여 10m×10m 해상도의 침수면적 범위는 1m×1m 해상도의 침수면적과 비교하여 98%의 적합도를 갖는 것을 확인하였고, 지형자료의 구축시간은 1m×1m 해상도 대비 상당히 적은 시간이 소요되는 것에 기초하여, 정확성과 효율성의 측면에서 10m×10m 해상도를 사용하는 것을 제안하였다. 본 연구에서도 지형 자료의 구축을 위하여 1m 간격의 자료를 10m 간격으로 자료를 추출하여 지형자료를 수정하였다. FIGURE 7은 10m 간격의 LiDAR 자료를 바탕으로 구축된 대상유역의 불규칙삼각망 (TIN)을 보여준다.
- 본 연구의 대상유역은 울산광역시 남구 부분이며 울산광역시를 가로지르는 태화강의 우측 부분에 위치하고, 대상유역 대부분이 제방고보다 낮은 지표고를 가지고 있다. 지형자료의 구축은 1m 간격을 이루고 있는 고해상도 LiDAR 자료를 활용하였으며, 홍수 시나리오는 200년 빈도의 확률강우에 대한 파제 시나리오를 생성하여 적용하였다. 본 연구에서는 200년 빈도의 확률강우에 대한 유출해석 결과를 이용하여 FLDWAV 모형을 적용한 태화강에 대한 1차원 하천해석을 실시하였고, 제방파제에 대한 가상의 시나리오를 생성하여 파제에 따른 외수범람에 대한 2차원 침수해석을 실시하였다.
- 전체적으로 비슷한 양상을 나타내고는 있으나 건물 영향을 고려한 경우가 좀 더 큰 범위로 홍수 파가 확산된 것을 확인할 수 있고, 건물의 영향으로 확산 양상이 달라지는 것을 알 수 있다. 최대 침수범위를 바탕으로 대상유역에 대한 침수면적을 계산하였다. 시각적으로는 건물영향을 고려한 경우가 넓은 침수면적을 갖는 것으로 보이나 건물을 제외한 실제 침수면적을 계산하게 되면 건물영향을 고려하지 않은 경우가 TABLE 2에서 보는 것과 같이 넓은 침수면적을 갖는 것으로 계산되었다.
대상 데이터
- FLDWAV 모형을 적용한 1차원 하천해석에 포함되는 하도는 태화강 본류 No.0-330∼56+70 구간이고, 지류인 동천을 측방유입으로 설정하였다.
- 본 연구에서는 대상유역에 대한 예상 파제지점을 선정함에 있어서 홍수위험지도 기본계획보완 보고서(2008)의 자료를 이용하였다. 홍수위험지도 기본계획 보완 보고서(2008)에서는 예상 파제지점 선정을 위해 제방 구간의 측 점별 초기침수빈도, 제방 소류력, 주변에 위치한 구조물 현황에 대해 가중치를 이용하여 파제위험성을 상대적으로 비교하고, 흐름양상을 나타내는 하천 내 속도벡터 값과 과거 홍수피해 실적을 참고하여 선정하였다.
- 본 연구의 대상유역은 울산광역시 남구 부분이며 울산광역시를 가로지르는 태화강의 우측 부분에 위치하고, 대상유역 대부분이 제방고보다 낮은 지표고를 가지고 있다. 지형자료의 구축은 1m 간격을 이루고 있는 고해상도 LiDAR 자료를 활용하였으며, 홍수 시나리오는 200년 빈도의 확률강우에 대한 파제 시나리오를 생성하여 적용하였다.
- 0-330∼56+70 구간이고, 지류인 동천을 측방유입으로 설정하였다. 파제 지점은 태화강 본류 No.36 우안에 위치하고 예상 파제폭은 약 170m로 적용하였다. FIGURE 5은 본 연구에서 고려한 파제 1지점의 위치를 보여준다.
이론/모형
- 075를 대상유역과 비교하여 적용하였다. 1차원 하천해석에 적용된 조도계수는 홍수위험지도 기본계획보완 보고서(2008)에 제시된 값을 적용하였다. 상류단 경계부에서 동천이 합류하는 지점까지는 n=0.
- FLDWAV 모형을 적용한 1차원 하천해석의 경계조건으로는 태화강 본류 상류단의 유입유량, 지류인 동천의 유입유량과 태화강 하류단의 유출부 수위조건이 필요하다. 200년 빈도의 확률강우에 대한 유입유량 및 수위조건은 홍수 위험지도 기본계획 보완 보고서(2008)에 제시된 값을 적용하였다. 본류와 지류의 최대 유입 유량은 각각 3271.
성능/효과
- (2) 건물영향을 고려한 경우의 침수해석이 건물영향을 고려하지 않은 경우의 침수해석보다 30%정도 Running Time이 적게 소요되는 것으로 확인되었고, 최대 침수범위를 바탕으로 대상유역에 대한 침수면적을 계산한 결과 시각적으로는 건물영향을 고려한 경우가 넓은 침수면적을 갖는 것으로 보이나 건물을 제외한 실제 침수면적을 계산하게 되면 건물영향을 고려하지 않은 경우가 넓은 침수면적을 갖는 것으로 계산되었다. 이는 건물영향을 고려한 경우는 침수면적 계산시 건물의 면적이 침수면적에서 제외되기 때문인 것으로 분석되었다.
- (3) 건물영향을 고려하지 않은 경우가 최대 침수심에서는 건물영향을 고려한 경우보다 0.29m 높은 값을 갖는 것으로 계산되었고, 최대 침수위는 건물영향을 고려한 경우가 건물영향을 고려하지 않은 경우보다 0.49m 높은 값을 갖는 것으로 계산되었다. 건물영향을 고려하지 않은 경우 지형이 굴곡을 가지게 되면 최대 침수심이 발생하게 되는데 이러한 지점에 건물영향이 고려된다면 최대 침수심은 작아지게 된다.
- 건물영향을 고려하지 않은 경우와 건물영향을 고려한 경우에 대한 대상유역에서의 2차원 침수해석 결과로 나타난 최대 침수심과 침수위를 TABLE 3에 제시하였다. 동일한 유입유량에 따른 2차원 침수해석에서 건물영향을 고려한 경우가 건물의 체적으로 인하여 보다 큰 최대 침수심을 가질 것으로 예상되었으나 본 연구에서는 건물영향을 고려하지 않은 경우가 최대 침수심에서는 건물영향을 고려한 경우보다 0.29m 높은 값을 갖는 것으로 계산되었고, 최대 침수위는 건물영향을 고려한 경우가 건물영향을 고려하지 않은 경우보다 0.49m 높은 값을 갖는 것으로 계산되었다.
- 침수해석에 소요된 계산시간을 분석한 결과 건물영향을 고려한 경우의 침수해석이 건물영향을 고려하지 않은 경우의 침수해석보다 30%정도 계산시간이 적게 소요되는 것으로 확인되었다. 본 연구에서 적용한 확산파 기반의 2차원 침수해석 모형에서는 침수가 발생하는 격자의 수가 증가하게 되면 계산시간이 증가하게 되는데, 건물영향을 고려하는 경우 건물이 위치하는 격자에서는 침수가 발생하지 않는 것으로 계산이 이루어지더라도 건물영향을 고려하지 않는 경우는 동일한 격자에서 침수가 발생하는 것으로 나타날 수 있기 때문에 많은 계산시간이 소요되는 것으로 분석되었다.
- TABLE 1은 침수해석에 소요된 계산시간 나타낸다. 침수해석에 소요된 계산시간을 분석한 결과 건물영향을 고려한 경우의 침수해석이 건물영향을 고려하지 않은 경우의 침수해석보다 30%정도 계산시간이 적게 소요되는 것으로 확인되었다. 본 연구에서 적용한 확산파 기반의 2차원 침수해석 모형에서는 침수가 발생하는 격자의 수가 증가하게 되면 계산시간이 증가하게 되는데, 건물영향을 고려하는 경우 건물이 위치하는 격자에서는 침수가 발생하지 않는 것으로 계산이 이루어지더라도 건물영향을 고려하지 않는 경우는 동일한 격자에서 침수가 발생하는 것으로 나타날 수 있기 때문에 많은 계산시간이 소요되는 것으로 분석되었다.
후속연구
- (4) 본 연구와 같이 대상유역의 실제지형을 최대한 반영할 수 있는 지형자료를 구축하고, 침수해석을 위한 자료구축 및 실행, 결과분석을 위한 자동화를 구현하여 침수해석 모형의 적용성 및 안정성을 보다 향상 시킨다면, 침수상황의 시간별 진행과정에 대한 시각적인 분석 시스템을 통한 GIS기반에서 운용되는 도시지역 침수해석 시스템의 구축이 가능하게 되어 도시지역의 홍수와 관련된 재난에 대비한 위험지역의 파악 및 홍수피해 경감대책을 수립하기 위한 효율적인 판단자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 이는 건물영향을 고려한 경우는 침수면적 계산시 건물의 면적이 침수면적에서 제외되기 때문이다. 또한 건물영향을 고려하지 않은 경우에서 침수가 나타나는 것으로 계산되는 지역이라 하더라도 실제로는 건물이 존재하는 경우가 발생할 수 있기 때문에, 제내지에서의 정확한 2차원 침수해석을 위해서는 건물영향을 고려한 침수해석이 필요할 것으로 판단된다.
- 따라서 본 연구에서는 확산파 기반의 2차원 침수해석 모형을 이용하여 울산광역시 태화강 유역에 대하여 침수시 건물 안으로의 흐름은 없다는 가정 하에서 건물로 인한 흐름의 양상, 침수심, 침수위 등을 분석하는 연구를 수행하였다. 본 연구에서 제시한 건물영향을 고려한 2차원 침수해석 결과를 바탕으로 대상유역의 실제지형을 최대한 반영할 수 있는 지형자료를 구축하고, 침수해석을 위한 자료구축 및 실행, 결과분석을 위한 자동화를 구현하여 침수해석 모형의 적용성 및 안정성을 보다 향상 시킨다면, 침수상황의 시간별 진행과정에 대한 시각적인 분석시스템을 통한 GIS기반에서 운용되는 도시지역 침수해석 시스템의 구축이 가능하게 되어 도시지역의 홍수와 관련된 재난에 대비한 위험지역의 파악 및 홍수피해 경감대책을 수립하기 위한 효율적인 판단자료로 활용될 수있을 것으로 기대된다.
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