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지형자료의 해상도와 공간보간기법에 따른 다차원 수리모형의 유출 특성 평가
An Assessment on the Hydraulic Characteristics of a Multi-dimensional Model in Response to Measurement Resolution and Spatial Interpolation Methods 원문보기

한국지형공간정보학회지 = Journal of the korean society for geospatial information science, v.20 no.1, 2012년, pp.43 - 51  

안정민 (한국수자원공사 물관리센터) ,  박인혁 (한국수자원공사 물관리센터)

초록
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수변공간 및 수자원에 대한 효율적 활용 요구가 증대됨에 따라 하천의 수리적인 특성을 보다 정밀하게 모의하고 이를 활용한 의사결정이 필요하다. EFDC 모형은 이러한 의사결정을 지원하기 위한 다차원 수리모형으로 3차원 정밀지형을 활용하여 수체의 수리적인 특성을 분석할 수 있다. 그러나 EFDC 모형의 입력자료로 활용되는 3차원 정밀지형의 경우, 측량간격과 지형보간기법에 의해 많은 영향을 받게 되며 3차원 정밀지형의 변화에 따라 대상 수체의 수리적인 특성이 영향을 받게 된다. 이에 본 연구에서는 다른 측량간격 및 지형보간기법에 따라 도출된 3차원 정밀지형이 EFDC 모형의 모의결과에 미치는 영향을 검토하였다. 연구 대상지역은 낙동강 금호강 유입구간이며, 검토 사상은 2006년 강우사상에 대한 수치모의를 수행하고, 면적-고도 곡선, 수위 및 유속의 모의결과를 비교 분석하였다. 분석결과, 동일한 측량 간격에서는 지형보간기법에 따른 면적고도곡선의 차이는 크지 않았으나, 측량 간격이 160m에서 모든 보간기법에서 차이가 발생하였고 측량간격이 80m 이상이 되면 하상단면의 변화가 발생하였다. 또한, 수위의 경우에 Kriging을 제외한 나머지 기법은 해상도에 따른 차이가 크지 않았고, Kriging은 160m 측량간격에서 다른 기법에 비해 차이가 크게 나타났다. 유속의 경우, 80m 측량간격이상에서 각 보간기법별 차이가 나타나기 시작했으며 160m 측량간격에서 Kriging은 다른 보간기법과 큰 차이를 보이는 것으로 나타났다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Due to the increasing demand to utilize water fronts and water resource effectively, a multi-dimensional model that provides detailed hydraulic characteristics is required in order to improve the decision making process. An EFDC model is a kind of multi-dimension model, and it requires detailed 3D (...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 측량에서 얻어진 원시자료를 바탕으로 자체 프로그램을 통해 20m 간격으로 자료를 생성하였다. 본 연구에서는 20m 간격으로 가공된 지형자료를 원시자료로 가정하여 보간법에 따른 수리학적 특성을 분석하였고 지형자료 해상도에 따른 영향을 평가하기 위해 하천의 흐름방향에 따라 20m 간격으로 측량된 자료를 기설정한 해상도(40m, 80m, 160m 간격)에 맞도록 측량자료를 삭제하여 모의하였다. 한편 3차원 정밀지형 구축을 위한 공간보간기법에 따른 수치모의 결과의 영향을 분석하기 위해 Linear, Inverse Distance Weight(IDW), Kriging 기법을 적용하고 그 결과를 분석하였다.
  • 경계별 분할 기법과 직교계산을 할 경우 종횡비를 수정하는 보간법이 포함되어 있고, 경계선에서 이동경계조건 기법이 적용되어 있어 만곡 또는 급축, 급확이 반복되는 형태의 하천이라도 직교성이 높은 격자망 작성이 가능하다. 본 연구에서는 Qmesh를 활용하여 종방향의 격자분할은 하천의 종방향 형상이 고려되도록 분할하였으며 횡방향의 격자분할은 유수의 흐름방향과 평행하게 분할하여 수치해석의 정확도 및 안정성을 높이고자 하였다. 횡단방향과 종단방향의 개수는 각각 20개와 420개로 분할하여 전체 7,524개의 격자로 구성하였다(그림 2).
  • 본 연구에서는 측량간격 및 지형보간기법에 따라 생성된 물리적 3차원 정밀지형의 재현성을 평가하고 EFDC 모형에 적용하여 3차원 정밀지형 변화가 하도의 수리특성 분석에 미치는 영향을 분석하였다. 측량간격 및 보간기법에 따른 면적고도곡선을 산정한 결과, 동일한 측량 간격에서는 지형보간기법에 따른 면적고도곡선의 차이는 크지 않았으나, 측량 간격이 160m에서 모든 보간기법에서 차이가 발생하였다.
  • Li와 Heap(2011)은 약 50여편의 문헌 고찰을 통해 주로 활용되는 지형보간기법을 검토한 결과, Kriging(36회), IDW(16회), Linear(10회), IDS(14회) 등이 주로 활용되고 있는 것으로 보고하였다. 이에 본 연구에서는 지형보간을 위한 기법으로 Linear, IDW, Kriging를 선정하고 지형자료를 보간하였다.
  • 이에 본 연구에서는 하도 내 흐름 모의에 있어서 지형정보의 해상도 및 지형자료의 보간기법이 다차원 모형의 모의결과의 재현성에 미치는 영향을 평가하고자 하였다. 이를 위하여 낙동강수계의 금호강 합류부의 평면 직교곡선격자망을 작성하고 측량 간격과 보간 기법에 따라 정밀 3차원 지형자료를 생산한 후 각 지형자료별 모의결과의 재현성을 검토하였다.

가설 설정

  • EFDC 모형을 이용하여 2006년 태풍 “에위니아” 호우사상을 대상으로 실제 관측 유입량에 대한 모형의 수리학적 재현성을 검토하였다. 모의기간은 2006년 7월17일부터 21일이며 초기 수위는 거리에 따라 선형적으로 분포한다고 가정하여 각 격자에 적용하였다. 조고(roughness height) 값은 0.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
하천의 수리적인 특성을 보다 정밀하게 모의하고 이를 활용한 의사결정이 필요한 이유는 무엇인가? 수변공간 및 수자원에 대한 효율적 활용 요구가 증대됨에 따라 하천의 수리적인 특성을 보다 정밀하게 모의하고 이를 활용한 의사결정이 필요하다. EFDC 모형은 이러한 의사결정을 지원하기 위한 다차원 수리모형으로 3차원 정밀지형을 활용하여 수체의 수리적인 특성을 분석할 수 있다.
EFDC 모형은 어떤 역할을 하는가? 수변공간 및 수자원에 대한 효율적 활용 요구가 증대됨에 따라 하천의 수리적인 특성을 보다 정밀하게 모의하고 이를 활용한 의사결정이 필요하다. EFDC 모형은 이러한 의사결정을 지원하기 위한 다차원 수리모형으로 3차원 정밀지형을 활용하여 수체의 수리적인 특성을 분석할 수 있다. 그러나 EFDC 모형의 입력자료로 활용되는 3차원 정밀지형의 경우, 측량간격과 지형보간기법에 의해 많은 영향을 받게 되며 3차원 정밀지형의 변화에 따라 대상 수체의 수리적인 특성이 영향을 받게 된다.
지형정보의 해상도에 따른 수치모의 결과의 변화를 살펴봄으로써 모의과정에 있어서의 물리적 지형의 재현성 및 그에 따른 하도 수리특성 분석에 대한 영향을 정량적으로 평가할 필요성이 있는 이유는? 특히 하천구역 내에는 주수로와 홍수터가 존재하고 두 구간 사이에는 큰 표고차가 발생하는 등 지형의 급격한 변화가 존재하고 하도 내에 존재하는 하중도와 각종 수리구조물은 흐름에 큰 영향을 미치기에 수치모형을 활용한 모의에서는 이러한 특징들을 종합적으로 고려하여 지형정보를 구축해야만 한다. 그러나 수치모의에 필요한 지형자료를 모든 공간에 대해 취득하는 것은 현실적으로 불가능하므로, 하천의 표석을 따라 대표되는 지점에서 필요로 하는 횡단자료를 수집한 후 이를 미관측 지역까지 확장하여 사용하는 것이 일반적이다. 관측된 자료를 이용한 미관측 지점 값을 추정하는 과정에서는 보간기법이 사용되는데, 제한된 해상도를 가지는 원 자료로 부터 보간 과정을 통해 도출되는 지형자료의 정확도 및 해상도는 모의결과에 큰 영향을 미치게 된다. 따라서 지형정보의 해상도에 따른 수치모의 결과의 변화를 살펴봄으로써 모의과정에 있어서의 물리적 지형의 재현성 및 그에 따른 하도 수리특성 분석에 대한 영향을 정량적으로 평가할 필요성이 있다.
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참고문헌 (19)

  1. 강형식, 장재호, 안종호, 김익재, 2011, 유역 모형과 하천 모형의 연계를 통한 낙동강 본류 흐름 예측, 한국수자원학회논문집, 한국수자원학회, 제44권, 7호, pp.577-590. 

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  3. 국토해양부, 2006, 한국수문조사연보. 

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  5. 김선주, 서동일, 안기홍, 2011, 저수지 수온성층 해석능력 제고를 위한 적정 EFDC 매개변수 선정, 한국수자원학회논문집, 한국수자원학회, 제44권, 9호, pp.741-751. 

  6. 김진혁, 박건형, 김기철, 서경석, 2011, 대산항 해역의 부유사 확산 수치모사, 대한환경공학회지, 대한환경공학회, 제33권, 1호, pp.16-24. 

  7. 이근상, 고덕구, 김우구, 2004, 수치지형도를 활용한 홍수지도 제작용 지형자료의 효과적인 구축방법 연구, 한국지리정보학회지, 한국지리정보학회, 제7권, 1호, pp. 52-61. 

  8. 최내인, 2009, 하천지형 생성을 위한 GIS기반의 공간보간기법 연구, 경북대학교 석사학위논문, 경북대학교. 

  9. 허영택, 류경식, 차기욱, 2010, 이동경계조건을 고려한 직교곡선격자 생성 기법 소개, 대한토목학회 학술대회논문집, 대한토목학회, p.2654. 

  10. 허영택, 박진혁, 2009, EFDC 모형의 낙동강 하류부 수리해석 적용성 평가, 한국수자원학회논문집, 한국수자원학회, 제 42권, 4호, pp.309-317. 

  11. 한국수자원공사, 2009a, 낙동강살리기사업 22공구(달성.고령지구) 실시설계보고서. 

  12. 한국수자원공사, 2009b, 낙동강살리기사업 23공구(달성.고령지구) 실시설계보고서. 

  13. Blumberg, A. F., Mellor, G. L., 1987, A Description of a Three-Dimensional Coastal Ocean Circulation Model. In Three-Dimensional Coastal Ocean Models, Coastal and Estuarine Science, American Geophysical Union, Volume. 4, pp.1-19. 

  14. Gotway, C.A., Ferguson, R.B., Hergert, G.W., Peterson, T.A., 1996. Comparison of Kriging and Inverse-Distance Methods for Mapping Parameters. Soil Science Society of American Journal, Vol.60, pp.1237-1247. 

  15. Jin Li, Andrew D. Heap, 2011, A Review of Comparative Studies of Spatial Interpolation Methods in Environmental Science : Performance and Impact Factors, Ecological Informatics, Vol.6, pp.228-241. 

  16. Schloeder, C.A., Zimmerman, N.E., Jacobs, M.J., 2001. Comparison of Methods for Interpolating Soil Properties using Limited Data. Soil Science Society of American Journal Vol.65, pp.470-479. 

  17. Smagorinsky, J., 1963, General Circulation Experiments with the Primitive Equation, I. The basic experiment, Monthly Weather Review, Vol.91, pp.99-164. 

  18. Venkatesh Merwade, Aaron Cook, Julie Coonrod, 2008, Gis Techniques for Creating River Terrain Models for Hydrodynamic Modeling and Flood Inundation Mapping, Environmental Modeling & Software, Vol.23, pp.1300-1311. 

  19. V. Akcelik, B. Jaramaz, O. Ghattas., 2001, Nearly Orthogonal Two-Dimensional Grid Generation with Aspect Ratio Control. J. Comput. Phys. Vol. 171(2), pp.805-821. 

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