홍수위험지도를 작성하기 위하여 수치모형을 이용한 잠재적 피해 대상 지역 파악이 선행되어야 한다. 댐 붕괴로 인하여 빚어지는 홍수위험지도 작성에서도 시나리오 별로 댐 붕괴를 모의하기 위한 댐 붕괴 수치 모의가 필요하다. 댐 붕괴 시 첨두 유량은 결정 인자인 댐 붕괴(breach)나 저수지의 수량과 댐 붕괴 형성 및 진행에 민감하므로 이런 요소를 포함하는 물리적 모형이 필요하다. 댐 붕괴 메커니즘과 수리학적 현상이 모든 댐 붕괴에 같다고 가정하고 하나의 물리적 댐 붕괴 수치 모형을 구축하였다. 댐 붕괴지점에서 수문곡선을 추정하는데 초점을 두어 댐 하류의 하도 추적 시 상류부의 경계조건 역할을 하도록 하는 것이며, 연구에서 하류부의 하도 추적은 다루지 않았다. 물리적 모형은 댐 붕괴 형성과정에 필요한 역할과 댐 붕괴를 통한 흐름의 수리학적 설명을 담고 있다. 2008년 중국의 장지산(Tangjishan) 댐 붕괴 시 관측된 현장 자료를 이용하여 모형의 수행능력을 검정하였다. 모의 결과는 만족할만한 수준의 정확도를 가지는 것으로 나타났으며 결정계수는 0.974, NSC는 0.94, RMSE는 $610m^3/sec$ 정도로 나타났다. 이로 미루어보아 연구에서 구축된 댐 붕괴 모형은 실제 댐 붕괴 관측 자료를 현실적으로 잘 재현해내는 것으로 확인되었으며, 댐 붕괴로 인한 홍수위험지도 구축 시 상류부 경계조건으로서 활용성이 높은 것으로 나타났다.
홍수위험지도를 작성하기 위하여 수치모형을 이용한 잠재적 피해 대상 지역 파악이 선행되어야 한다. 댐 붕괴로 인하여 빚어지는 홍수위험지도 작성에서도 시나리오 별로 댐 붕괴를 모의하기 위한 댐 붕괴 수치 모의가 필요하다. 댐 붕괴 시 첨두 유량은 결정 인자인 댐 붕괴(breach)나 저수지의 수량과 댐 붕괴 형성 및 진행에 민감하므로 이런 요소를 포함하는 물리적 모형이 필요하다. 댐 붕괴 메커니즘과 수리학적 현상이 모든 댐 붕괴에 같다고 가정하고 하나의 물리적 댐 붕괴 수치 모형을 구축하였다. 댐 붕괴지점에서 수문곡선을 추정하는데 초점을 두어 댐 하류의 하도 추적 시 상류부의 경계조건 역할을 하도록 하는 것이며, 연구에서 하류부의 하도 추적은 다루지 않았다. 물리적 모형은 댐 붕괴 형성과정에 필요한 역할과 댐 붕괴를 통한 흐름의 수리학적 설명을 담고 있다. 2008년 중국의 장지산(Tangjishan) 댐 붕괴 시 관측된 현장 자료를 이용하여 모형의 수행능력을 검정하였다. 모의 결과는 만족할만한 수준의 정확도를 가지는 것으로 나타났으며 결정계수는 0.974, NSC는 0.94, RMSE는 $610m^3/sec$ 정도로 나타났다. 이로 미루어보아 연구에서 구축된 댐 붕괴 모형은 실제 댐 붕괴 관측 자료를 현실적으로 잘 재현해내는 것으로 확인되었으며, 댐 붕괴로 인한 홍수위험지도 구축 시 상류부 경계조건으로서 활용성이 높은 것으로 나타났다.
In compiling flood hazard maps for the case of dam-failure, a scenario-based numerical modeling approach is commonly used, involving the modeling of important parameters that capture peak discharge, such as breach formation and progress. In this study, an earth-dam-break model is constructed assumin...
In compiling flood hazard maps for the case of dam-failure, a scenario-based numerical modeling approach is commonly used, involving the modeling of important parameters that capture peak discharge, such as breach formation and progress. In this study, an earth-dam-break model is constructed assuming an identical mechanism and hydraulic process for all dam-break processes. A focus of the analysis is estimation of the hydrograph at the outlet as a function of time. The constructed hydrograph then serves as an upper boundary condition in running the flood routing model downstream, although flood routing is not considered here. Validation was performed using the record of the Tangjishan dam-break in China. The results were satisfactory, with a coefficient of determination of 0.974, Nash-Sutcliffe Coefficient of Efficiency (NSC) of 0.94, and Root Mean Square Error (RMSE) of $610m^3/sec$. The proposed model will contribute to assessments of potential flood hazards caused by dam-break.
In compiling flood hazard maps for the case of dam-failure, a scenario-based numerical modeling approach is commonly used, involving the modeling of important parameters that capture peak discharge, such as breach formation and progress. In this study, an earth-dam-break model is constructed assuming an identical mechanism and hydraulic process for all dam-break processes. A focus of the analysis is estimation of the hydrograph at the outlet as a function of time. The constructed hydrograph then serves as an upper boundary condition in running the flood routing model downstream, although flood routing is not considered here. Validation was performed using the record of the Tangjishan dam-break in China. The results were satisfactory, with a coefficient of determination of 0.974, Nash-Sutcliffe Coefficient of Efficiency (NSC) of 0.94, and Root Mean Square Error (RMSE) of $610m^3/sec$. The proposed model will contribute to assessments of potential flood hazards caused by dam-break.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
가설 설정
물리적 모형은 붕괴 형성 과정에 필요한 역할과 붕괴를 통한 흐름의 수리학적 설명을 담고 있다. 댐 붕괴 메커니즘과 수리학적 현상이 모든 댐 붕괴에서 같다고 가정하였다.
제안 방법
전국적으로 많은 댐이 존재하고 있으며 댐 붕괴에 대한 예비 분석과 대비가 필요하나 기존의 상용 수치모형은 다방면의 분석용으로 사용하기에는 한계가 있어 보이며, 특히 비선형 붕괴율을 고려할 때 그러하다. 그래서 여기에서는 하나의 물리적 이론에 바탕을 둔 댐 붕괴 수치 모형을 수치해석으로 재현하고 현장 관측 자료를 이용하여 검증하였다. 댐 붕괴지점에서 one-point 수문곡선을 추정하는데 초점을 두어 기존에 개발된 모형(Waythomas et al.
그래서 여기에서는 하나의 물리적 이론에 바탕을 둔 댐 붕괴 수치 모형을 수치해석으로 재현하고 현장 관측 자료를 이용하여 검증하였다. 댐 붕괴지점에서 one-point 수문곡선을 추정하는데 초점을 두어 기존에 개발된 모형(Waythomas et al., 1996)을 포트란 프로그램으로 재현하여 댐 하류의 하도 추적 시 상류부의 경계조건 역할을 하도록 하는 것이다. 따라서 하류부의 하도 추적은 여기에서는 다루지 않았다.
이 Landslide 댐은 쓰촨 성(Sichuan province)에서 두 번째로 큰 명양(Mianyang)시에서 상류부로 85 km 떨어진 위치에 있다. 현장조사 결과 위험하다고 판단하여 2008년 5월 31일 댐 상부에 가배수로(diversion channel)를 인공적으로 만들어 수위를 낮추어 주었다. 깊이 12 m에 폭 25 m의 가배수로 (diversion channel)가 만들어지기 전에는 저류량이 316 × 106 m3이었다가 수로를 만든 후에는 247 × 106 m3으로 줄어들었다.
유량산정의 시간은 30초 간격으로 18시간에 걸쳐 충분히 수렴하도록하여 총 2,160의 격자에 대하여 계산을 수행하였다.
물리적 이론을 바탕으로 하나의 댐 붕괴 모형을 구축해 보았다. 입력 자료의 신뢰도와 매개변수의 불확실성은 뒷전으로 하고라도 우선 모형의 정확도와 거동에 대한 확인이 필요하였다.
입력 자료의 신뢰도와 매개변수의 불확실성은 뒷전으로 하고라도 우선 모형의 정확도와 거동에 대한 확인이 필요하였다. 이를 위해서는 중국 쓰촨 성의 장지산 댐 붕괴 자료를 사용하여 새로이 구축된 댐 붕괴 모형을 검증해 보았다. 모든 매개변수와 초기자료를 관측 자료를 바탕으로 설정하였다.
대상 데이터
그러나 우리나라에서는 댐 붕괴와 관련하여 현장에서 관측한 실측 자료가 연구용으로 사용하기에는 불가능해 보인다. 연구에서 모형의 검증하시 위해 중국의 장지산(Tangjishan)의 댐 붕괴 시 관측된 현장 실측 자료를 이용하였다(Wang et al., 2008; Cui et al., 2009; Hu et al., 2009; Xu and Zhang, 2009; Chang and Zhang, 2010; Liu et al., 2010; Chang et al., 2011; Liu et al., 2012; Wu et al., 2012; Xu et al, 2012).
데이터처리
모형을 이용한 추정의 정확도를 파악하기 위하여 Nash-Sutcliffe coefficient of Efficiency (NSC, Nash and Sutcliffe, 1970) 값과 RMSE 오차를 이용하여 계산하였다.
이론/모형
식 (7)에서 제시된 미분 방정식은 유한차분법(Finite Difference Method)을 이용하여 FORTRAN 프로그램으로 작성하였으며 초기 수위와 붕괴 시간은 자유롭게 조절할 수 있도록 프로그램화 하였다. 유량산정의 시간은 30초 간격으로 18시간에 걸쳐 충분히 수렴하도록하여 총 2,160의 격자에 대하여 계산을 수행하였다.
성능/효과
94이며, RMSE는 610 m3/sec로 나타났다. 이로 미루어보아 여기에서 구축된 댐 붕괴 모형은 실제 댐 붕괴 관측 자료를 정확하게 잘 재현해내는 것으로 확인되었다.
후속연구
댐 붕괴는 대부분의 저수지가 위치하는 농촌 시설의 파괴를 가져옴으로써 생산성을 저하시키고 이는 인간의 사회, 경제, 문화, 건강, 복지 등의 문제로 연결되어 재해 전문가뿐만 아니라 환경 정책 결정권자에게도 중요한 문제로 대두될 것이다. 따라서 댐 붕괴로 인한 홍수 재해와 환경 변화를 분석하고 평가하여 대비책을 마련하는 것이 필요할 것이다.
댐 붕괴로 인한 잠재 피해 정도를 추정하기에 앞서 먼저 피해지역을 파악할 필요가 있는데, 이를 위하여 홍수위험지도를 제작하면 여러 가지 측면에서 유용할 것이다(Fig. 1). 댐, 저수지, 제방, 홍수 조절지 등의 축조, 하천정비, 배수시설 등 구조적인 홍수 방어에 실패하면 계획 규모를 상회하는 홍수에 의한 하천범람 및 내수침수 등의 홍수 피해를 입게 되는데 이를 최소화하기 위해 비구조적 대책을 병행할 필요가 있으며 홍수위험지도가 하나의 대안이 될 수 있다.
비록 모형 검증이 자연 댐이면서도 흙 댐에서 이루어졌다고는 하나, 구축 된 댐 붕괴 모형은 매개변수를 조절함으로써, 인공적으로 구축 된 콘크리트 댐이나 보에서도 적용가능 할 것이다. 모형의 결과는 댐 지역에서 수문 곡선을 제공함으로써 HEC-RAS 같은 하도추적모형 구동에 앞서 상류 경계조건의 역할을 할 것이다. 구축된 댐 붕괴모형은 콘크리트 댐이나 보가 붕괴될 경우에 대비하여 홍수위험지도를 구축 하는데 사용할 수 있으며, 정책입안자로 하여금 향후 가이드라인을 제시할 수 있을 것이다.
모형의 결과는 댐 지역에서 수문 곡선을 제공함으로써 HEC-RAS 같은 하도추적모형 구동에 앞서 상류 경계조건의 역할을 할 것이다. 구축된 댐 붕괴모형은 콘크리트 댐이나 보가 붕괴될 경우에 대비하여 홍수위험지도를 구축 하는데 사용할 수 있으며, 정책입안자로 하여금 향후 가이드라인을 제시할 수 있을 것이다.
비록 관측 자료가 있다고 하더라도 관측 자료를 매개변수와 연결시키는 과정이 매우 주관적이며, 특히 매개변수가 추정결과에 매우 민감한 경우 모형에 적합한 매개변수를 산정하기가 매우 어렵다. 향후 구축된 모형의 검정과 아울러 모형의 매개변수를산정하는 알고리즘과 관계식이 더 많이 연구됨이 바람직할 것이다.
이 연구에서 구축된 댐붕괴 모형의 계산 결과는 장지산댐의 현장 관측 결과와 잘 부합한다. 모형의 결과를 댐 붕괴에 대한 예비 분석과 수변구조물 일원의 개발 및 재해경감 시설투자의 우선 순위 결정 등에 이용함으로써 홍수 재해에 대한 피해를 저감하는데 일조할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
잠재적인 댐 붕괴로 인한 침투 유량을 추정하는 두 가지 방법은?
잠재적인 댐 붕괴로 인한 침투 유량을 추정하는 방법은 크게 두 가지로 구분할 수 있다. 첫째는 관측 유량과 관련된 수문인자(물의 부피, 수심 등)를 이용하여 관계식을 미리 구성한 후 수문인자를 입력변수로 이용하여 첨두 유량을 추정하는 방법이다. 둘째는 붕괴 형성 과정과 유출과정을 물리적 이론에 바탕을 두고 수학적 모형(예, 미분방정식)을 구성한 후 수치해석 기법을 이용하여 추정치를 산정하는 방법이다(Evans, 1986; Costa, 1988; Fread, 1989; Singh et al., 1996).
자연 댐의 특징은?
자연 댐은 산사태, 토석류, 빙하에 의하여 하천의 흐름이 막혀 형성되거나(Costa and Schuster, 1988), 화산분출 후 중력에 의해 화산쇄설물이 침전되어 칼데라호가 형성되는 경우에 생긴다. 인공 댐은 필 댐(fill dam)과 콘크리트 댐으로 분류할 수 있다.
댐 붕괴가 위험한 이유는 무엇인가?
댐 붕괴가 위험한 것은 그 규모 때문만이 아니라 예기치 못한 시기에 갑자기 발생하기 때문에 그 피해에 대한 대응 시간이 충분하지 못하다. 그래서 발생 가능한 시나리오를 만들고 그에 따른 대비책과 대응 매뉴얼을 미리 작성하여 일련의 조처를 취하면 효과적이다.
참고문헌 (20)
ASCE/EWRI Task Committee on Dam/Levee Breaching, 2011, Earthen Embankment Breaching. Journal of Hydraulic Engineering, 137, 1549-1564.
Chang, D. S. and Zhang, L. M., 2010, Simulation of the erosion process of landslide dams due to overtopping considering variations in soil erodibility along depth. NatHazards Earth Syst. Sci. 10, 933-946.
Chang, D. S., Zhang, L. M., Xu, Y., and Huang, R. Q., 2011, Field testing of erodibility of two landslide dams triggered by the 12 May Wenchuan earthquake. Landslides, 8, 321-332.
Costa, J. E., 1988, Floods from dam failures, in Flood Geomorphology, edited by V.R. Baker, R.C. Kochel, and P.C. Patton. John Wiley, NY 439-463.
Costa, J. E. and Schuster, R. L., 1988, The formation and failure of natural dams. Geological Society of American Bulletin, 100, 1054-1068.
Cui, P., Zhu, Y. Y., Han, Y. S., Chen, X. Q., and Zhuang, J. Q., 2009, The 12 May Wenchuan earthquakeinduced landslide lakes: distribution and preliminary risk evaluation. Landslides, 6, 209-223.
Fread, D. L., 1989. National Weather Service models to forecast dam-breach floods, in Hydrology of disasters, edited by O. Starosolszky and O.M. Melder. James and James, London, 192-211.
French, R. H., 1986, Open Channel Hydraulics. McGraw-Hill Book Company, 339-343.
Hu, X. W., Huang, R. Q., Shi, Y. B., Lu, X.P ., Zhu, H. Y., and Wang, X. R., 2009, Analysis of blocking river mechanism of Tangjiashan landslide and dam-breaking mode of its barrier dam. Chin J Rock Mech Eng, 28, 181-189(in Chinese).
Liu, N., Chen, Z. Y., Zhang, J. X., Lin, W., Chen, W. Y., and Xu, W. J., 2010, Draining the Tangjiashan barrier lake. J Hydraul Eng, 136, 914-923.
Liu, F., Fu, X., Wang, G., and Duan, J., 2012, Physically based simulation of dam breach development for Tangjiashan Quake Dam, China. Environmental Earth Science, 65, 1081-1094.
Nash, J. E. and Sutcliffe, J. V., 1970, River flow forecasting through conceptual models, I-A Discussion of principles. Journal of Hydrology. 10, 282-290.
Walder, J. and O'connor, J. E., 1997, Methods for predicting peak discharge of floods caused by failure of natural and constructed earthen dams. Water Resources Research. 33, 2337-2348.
Wang, G., Liu, F., Fu, X., Li, T., 2008, Simulation of dam breach development for emergency treatment of the Tangjiashan Quake Lake in China. Sci China SerETechnolSci, 51(Supp.II), 82-94.
Waythomas, C. F., Walder, J. S., McGimscy, R. G., and Neal, C. A., 1996, A catastrophic flood caused by drainage of a caldera lake at Aniakchak volcano, Alaska, and implications for volcanic hazards assessment. Geological Society of America Bulletin 108(7), 861-871.
Wu, W., Marsooli, R., and He, Z., 2012, Depth-averaged two-dimensional model of unsteady flow and sediment transport due to noncohesive embankment break/breaching. J of Hydraulic Engineering, 138, 503-515.
Xu, F., Zhou, H., Zhou, J., and Yang, X., 2012, A mathematical model for forecasting the dam-break flood routing routing process of a landslide dam. Mathematical Problems in Engineering, 2012, 1-16.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.