낙동강의 횡단면은 복단면 형태를 띄고 있으므로, 여름철 집중호우에 의해서 하천유량이 증가하면 둔치 상부까지 하천수위가 상승하는 특징이 있다. 또한 최근 강우강도 및 홍수 빈도의 증가로 인해 관련 피해가 급증하고 있으며, 이는 홍수터에 설치된 공원과 같은 친수시설들의 침수피해와 직접적으로 연관되므로, 극한강우 시 둔치에서의 수리학적 영향분석이 필요하다고 판단된다. 본 연구에서는 다양한 친수시설들이 조성되어 있는 강정고령보와 달성보 사이를 모의구간으로 선정하여 태풍 산바에 의해 첨두홍수량이 발생한 시점을 전후로 총 42시간에 걸친 수치모의를 실시하였다. 2차원 부정류 모형인 FaSTMECH 모의결과와 수위관측소에서 실측된 실측수위와 비교하여 모형의 적용성을 검토한 결과 $R^2$는 0.990, AME는 0.195, RMSE는 0.252로 높은 상관관계를 보였다. 그리고 검증된 FaSTMECH 모형을 이용하여 태풍 사상 시 홍수터 내에 위치해 있는 캠핑장과 생태공원 등과 같은 친수시설이 침수되는 시간 및 침수심, 침수 유속 및 전단력 등을 분석하였다.
낙동강의 횡단면은 복단면 형태를 띄고 있으므로, 여름철 집중호우에 의해서 하천유량이 증가하면 둔치 상부까지 하천수위가 상승하는 특징이 있다. 또한 최근 강우강도 및 홍수 빈도의 증가로 인해 관련 피해가 급증하고 있으며, 이는 홍수터에 설치된 공원과 같은 친수시설들의 침수피해와 직접적으로 연관되므로, 극한강우 시 둔치에서의 수리학적 영향분석이 필요하다고 판단된다. 본 연구에서는 다양한 친수시설들이 조성되어 있는 강정고령보와 달성보 사이를 모의구간으로 선정하여 태풍 산바에 의해 첨두홍수량이 발생한 시점을 전후로 총 42시간에 걸친 수치모의를 실시하였다. 2차원 부정류 모형인 FaSTMECH 모의결과와 수위관측소에서 실측된 실측수위와 비교하여 모형의 적용성을 검토한 결과 $R^2$는 0.990, AME는 0.195, RMSE는 0.252로 높은 상관관계를 보였다. 그리고 검증된 FaSTMECH 모형을 이용하여 태풍 사상 시 홍수터 내에 위치해 있는 캠핑장과 생태공원 등과 같은 친수시설이 침수되는 시간 및 침수심, 침수 유속 및 전단력 등을 분석하였다.
Since the cross-sectional shape of the Nakdong river is compound type, the water stage rises up to the top of the flood plane, as the flow discharge increases during the extreme rain storm in summer. The recent increase of rainfall intensity and flood frequency results in the immersions of parks and...
Since the cross-sectional shape of the Nakdong river is compound type, the water stage rises up to the top of the flood plane, as the flow discharge increases during the extreme rain storm in summer. The recent increase of rainfall intensity and flood frequency results in the immersions of parks and hydrophilic facilities located in the flood plain. Therefore it is necessary to analyze the hydraulic characteristics evolved by the extreme rain storm in the flood plain. The study reach ranging from the Gangjeong Goryeong Weir and the Dalseong Weir, where several hydraulic facilities are located along the channel, was selected and numerical simulations were conducted for 42 hours including the peak flood of the typhoon Sanba. The 2-D transient model, FaSTMECH was employed and the accuracy of the model was assessed by comparing the water level between the simulation results and the measured ones at a gauging station. It showed a high correlation with $R^2$ of 0.990, AME of 0.195, and RMSE of 0.252. In addition, the inundation time, the inundation depth, the inundation velocity, and the shear stress variation in the flood plain facilities were analyzed.
Since the cross-sectional shape of the Nakdong river is compound type, the water stage rises up to the top of the flood plane, as the flow discharge increases during the extreme rain storm in summer. The recent increase of rainfall intensity and flood frequency results in the immersions of parks and hydrophilic facilities located in the flood plain. Therefore it is necessary to analyze the hydraulic characteristics evolved by the extreme rain storm in the flood plain. The study reach ranging from the Gangjeong Goryeong Weir and the Dalseong Weir, where several hydraulic facilities are located along the channel, was selected and numerical simulations were conducted for 42 hours including the peak flood of the typhoon Sanba. The 2-D transient model, FaSTMECH was employed and the accuracy of the model was assessed by comparing the water level between the simulation results and the measured ones at a gauging station. It showed a high correlation with $R^2$ of 0.990, AME of 0.195, and RMSE of 0.252. In addition, the inundation time, the inundation depth, the inundation velocity, and the shear stress variation in the flood plain facilities were analyzed.
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문제 정의
태풍 사상 시 둔치의 수리학적 영향을 분석하기에 앞서 본 연구에서 모의를 위해 선정한 FaSTMECH 모형과 1차원 HEC-RAS 모형을 실제유역에 대하여 수치모의를 수행하고, 홍수 시 수위변화에 대한 실측치와 비교함으로써 FaSTMECH 모형의 적용성을 검토하고자 하였다. 본 연구에서 수치모형의 검증을 위해 선정한 대상유역은 대구 달성군 화원읍에 위치한 화원수위관측소부터 대구 달성군 현풍면에 위치한 현풍수위관측소까지 약 18 km에 이르는 구간이다.
가설 설정
5867에 의해 산정된 값)을 이용하였으며, 하류단 경계조건은 현풍수위관측소의 실측수위 값을 이용하였다. 하천기본계획의 단면 자료를 통해 달성보 구조물을 반영하였으며, 모의기간 동안 가동보를 통한 월류가 계속 진행된다는 가정 하에 모의를 수행하였다. 조도계수는 낙동강하천정비기본계획서에서 제시된 0.
제안 방법
(1) 모의구간에 대한 FaSTMECH 모형의 적용에 앞서 모형의 하류단 경계조건을 부여하기 위해 1차원 상용모형인 HEC-RAS의 수위결과를 고령교 수위관측소의 실측수위와 비교하였다. 그 결과 R2 값은 0.
(2) 2차원 모형의 검증을 위해 태풍 산바에 의해 첨두홍수량이 발생한 시점을 전후로 하여 총 42시간에 걸쳐 부정류 모의를 실시하였으며, 하류단 경계조건은 앞서 사용한 HEC-RAS의 수위결과를 이용하였다. 모의결과를 고령교 수위관측소의 실측 수위와 비교하였으며, 그 결과 R2 값은 0.
2차원 모형의 모의 수행결과를 검증하기 위해 대상구간내의 고령교 수위관측소의 실측 수위를 이용하여 검증을 실시하였다. Fig.
하지만 하류단 경계조건 선정을 위한 실측값이 존재하지 않기 때문에 검증된 HEC-RAS의 수위결과를 하류단 경계조건으로 사용하였다. FastMECH 모형에서는 부정류 모의를 수행함에 있어서 일정 시간마다 정상상태를 가정하여 수치해를 수렴시키며, 본 연구에서는 3시간 30분마다 준부정류 모의를 수행하여 총 42시간을 모의하였다. 또한, 조도계수는 낙동강 하천기본계획에서 제시된 0.
검증된 2차원 수치모형을 이용하여 태풍 사상 시 강정고령보 하류에서 달성보 직상류 구간까지 부정류 모의를 실시하였다. 시간에 따른 등수위도 변화를 나타낸 Fig.
본 연구에서는 미국의 USGS(미국지질조사국)와 일본의 RIC(훗카이도 하천 방재센터)에서 공동 개발한 iRIC 내에 탑재된 마름/젖음 처리가 가능한 2차원 부정류 흐름해석모형인 FaSTMECH를 이용하여 홍수터에서의 수리학적 영향을 분석하였다. 다양한 친수시설들이 조성되어 있는 강정고령보와 달성보 사이를 모의구간으로 선정하여 태풍 산바에 의해 첨두 홍수량이 발생한 시점을 전후로 총 42시간에 걸친 수치모의를 실시하였다. 이를 통해 홍수시 둔치 내에 위치한 친수시설이 침수되는 시간 및 침수심, 그리고 이에 따른 유속 및 전단력 등을 분석하였다.
(3) 태풍 사상시 둔치에서의 수리학적 영향을 분석하기 위해 검증된 2차원 모형을 적용하였다. 모의구간 상류 우안에 위치한 은행나무캠핑장과 달성보 상류 좌안에 위치한 공원을 선정하여, 두 지점에서의 시간에 따른 수위, 유속 및 전단응력의 변화를 분석하였다. 그 결과 두 지점 모두 태풍 산바 때 24시간 이상 침수된 것을 알 수 있었다.
모의된 결과를 이용하여 Fig. 9와 같이 둔치에서의 수리학적 영향을 분석하기 위해 모의구간 상류 우안에 위치한 은행나무캠핑장과 달성보 상류 좌안에 위치한 공원을 선정하여, 두 지점에서의 태풍 사상시 시간에 따른 수위변화와 유속변화 및 전단응력을 분석하였다.
본 연구에서는 2차원 모형의 수치모의 결과를 실측수위와 비교하여 모형의 적용성을 입증하였으며, 검증된 모형을 모의구간에 적용하여 태풍 사상시 둔치에서의 수리학적 영향을 분석하였다. 본 연구의 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.
본 연구에서는 미국의 USGS(미국지질조사국)와 일본의 RIC(훗카이도 하천 방재센터)에서 공동 개발한 iRIC 내에 탑재된 마름/젖음 처리가 가능한 2차원 부정류 흐름해석모형인 FaSTMECH를 이용하여 홍수터에서의 수리학적 영향을 분석하였다. 다양한 친수시설들이 조성되어 있는 강정고령보와 달성보 사이를 모의구간으로 선정하여 태풍 산바에 의해 첨두 홍수량이 발생한 시점을 전후로 총 42시간에 걸친 수치모의를 실시하였다.
수치모형의 검증을 위하여 2012년 9월 17일 11시에서 2012년 9월 19일 05시까지 첨두홍수량이 발생한 전후로 하여 총 42시간에 걸쳐 HEC-RAS 부정류모의를 실시하였다. 상류단 경계조건은 낙동강 홍수통제소에서 제공하는 화원수위관측소 지점의 유량 값(낙동강수계 본류 유량측정조사 보고서(2003)에서 제시된 수위유량 관계곡선식 Q = 1706.
다양한 친수시설들이 조성되어 있는 강정고령보와 달성보 사이를 모의구간으로 선정하여 태풍 산바에 의해 첨두 홍수량이 발생한 시점을 전후로 총 42시간에 걸친 수치모의를 실시하였다. 이를 통해 홍수시 둔치 내에 위치한 친수시설이 침수되는 시간 및 침수심, 그리고 이에 따른 유속 및 전단력 등을 분석하였다.
모형의 상류단 경계조건은 앞선 모의와 동일한 시간대에 낙동강 홍수통제소에서 제공하는 화원수위관측소 지점의 유량 값을 이용하였다. 하지만 하류단 경계조건 선정을 위한 실측값이 존재하지 않기 때문에 검증된 HEC-RAS의 수위결과를 하류단 경계조건으로 사용하였다. FastMECH 모형에서는 부정류 모의를 수행함에 있어서 일정 시간마다 정상상태를 가정하여 수치해를 수렴시키며, 본 연구에서는 3시간 30분마다 준부정류 모의를 수행하여 총 42시간을 모의하였다.
대상 데이터
2차원 모형의 검증을 위해 강정고령보 하류에 위치한 화원수위관측소에서부터 달성보 직상류구간까지 약 15 km를 선정하였다. Fig.
5에 적용 대상유역의 평면도와 수치지형도의 측량자료를 이용하여 구성한 2차원 유한요소망을 나타내었다. FaSTMECH 모형은 사각격자망으로만 모의가 가능하기 때문에 유한요소망은 총 23,550개의 사각격자로 구성하였다.
검증을 위한 적용 사상으로 태풍 ‘산바’ 내습 시의 홍수를 선정하였다.
모형의 상류단 경계조건은 앞선 모의와 동일한 시간대에 낙동강 홍수통제소에서 제공하는 화원수위관측소 지점의 유량 값을 이용하였다. 하지만 하류단 경계조건 선정을 위한 실측값이 존재하지 않기 때문에 검증된 HEC-RAS의 수위결과를 하류단 경계조건으로 사용하였다.
태풍 사상 시 둔치의 수리학적 영향을 분석하기에 앞서 본 연구에서 모의를 위해 선정한 FaSTMECH 모형과 1차원 HEC-RAS 모형을 실제유역에 대하여 수치모의를 수행하고, 홍수 시 수위변화에 대한 실측치와 비교함으로써 FaSTMECH 모형의 적용성을 검토하고자 하였다. 본 연구에서 수치모형의 검증을 위해 선정한 대상유역은 대구 달성군 화원읍에 위치한 화원수위관측소부터 대구 달성군 현풍면에 위치한 현풍수위관측소까지 약 18 km에 이르는 구간이다. Fig.
수치모형의 검증을 위하여 2012년 9월 17일 11시에서 2012년 9월 19일 05시까지 첨두홍수량이 발생한 전후로 하여 총 42시간에 걸쳐 HEC-RAS 부정류모의를 실시하였다. 상류단 경계조건은 낙동강 홍수통제소에서 제공하는 화원수위관측소 지점의 유량 값(낙동강수계 본류 유량측정조사 보고서(2003)에서 제시된 수위유량 관계곡선식 Q = 1706.5554H0.5867에 의해 산정된 값)을 이용하였으며, 하류단 경계조건은 현풍수위관측소의 실측수위 값을 이용하였다. 하천기본계획의 단면 자료를 통해 달성보 구조물을 반영하였으며, 모의기간 동안 가동보를 통한 월류가 계속 진행된다는 가정 하에 모의를 수행하였다.
데이터처리
4는 고령교 수위관측소의 실측 수위값과 HEC-RAS 모형의 모의결과를 비교한 것이다. HEC-RAS 모의수행을 위한 계산시간 간격은 10분, 총 모의 시간은 42시간으로 하였으며, 모형의 정확성을 평가하기 위한 통계지표로 결정계수(R2), 절대평균오차(AME), 평균제곱오차의 평방근(RMSE), 유의확률(P-value)를 사용하였다. 실측값과 관측값의 비교결과 R2는 0.
이론/모형
(3) 태풍 사상시 둔치에서의 수리학적 영향을 분석하기 위해 검증된 2차원 모형을 적용하였다. 모의구간 상류 우안에 위치한 은행나무캠핑장과 달성보 상류 좌안에 위치한 공원을 선정하여, 두 지점에서의 시간에 따른 수위, 유속 및 전단응력의 변화를 분석하였다.
FaSTMECH 모형은 매 계산 시간마다 격자별로 전단력을 τB = ρCd(u2+v2) 식에 의해 계산하여 출력하므로 본 연구에서는 이 값을 이용하였다.
성능/효과
(4) 둔치에서의 최대 유속은 0.4 m/s 내외이고 침수된 대부분의 지점에서는 이보다 훨씬 낮은 유속이 관찰되므로, 두 지점에서 침식보다는 토사퇴적의 발생이 더욱 문제가 될 수 있다고 판단된다.
(1) 모의구간에 대한 FaSTMECH 모형의 적용에 앞서 모형의 하류단 경계조건을 부여하기 위해 1차원 상용모형인 HEC-RAS의 수위결과를 고령교 수위관측소의 실측수위와 비교하였다. 그 결과 R2 값은 0.988, AME는 0.208, RMSE는 0.239의 상관관계를 보였으며, 유의수준 0.01보다 P-value의 값이 낮게 나타나 귀무가설을 기각하게 되므로, 통계적으로 상관관계가 있다고 나타났다. 이를 바탕으로 HEC-RAS의 모의결과를 2차원 모형의 하류단 경계조건으로 사용하기에 적합하다고 판단되었다.
모의구간 상류 우안에 위치한 은행나무캠핑장과 달성보 상류 좌안에 위치한 공원을 선정하여, 두 지점에서의 시간에 따른 수위, 유속 및 전단응력의 변화를 분석하였다. 그 결과 두 지점 모두 태풍 산바 때 24시간 이상 침수된 것을 알 수 있었다. 또한, 두 지점 모두 같은 시간에 가장 높은 침수심과 유속 그리고 전단응력을 나타내었고, 하류구간에 위치한 Point 2에서 침수심에 따른 유속과 전단응력이 Point 1 보다 다소 높은 것으로 나타났다.
42 m/s로 나타났다. 두 지점 모두 침수심의 증가에 따라 유속이 증가했으며, 하류구간인 Point 2에서의 침수심에 따른 유속이 Point 1보다 다소 높은 것으로 나타났다.
그 결과 두 지점 모두 태풍 산바 때 24시간 이상 침수된 것을 알 수 있었다. 또한, 두 지점 모두 같은 시간에 가장 높은 침수심과 유속 그리고 전단응력을 나타내었고, 하류구간에 위치한 Point 2에서 침수심에 따른 유속과 전단응력이 Point 1 보다 다소 높은 것으로 나타났다.
37 N/m2로 나타났으며, 두 지점 모두 침수심이 증가함에 따라 전단응력이 증가하였다. 또한, 하류구간인 Point 2에서의 침수심에 따른 전단응력이 Point 1 지점보다 다소 높은 것으로 나타났으며, Point 1에서 침수심이 낮은 곳에서는 전단응력이 거의 나타나지 않았다.
(2) 2차원 모형의 검증을 위해 태풍 산바에 의해 첨두홍수량이 발생한 시점을 전후로 하여 총 42시간에 걸쳐 부정류 모의를 실시하였으며, 하류단 경계조건은 앞서 사용한 HEC-RAS의 수위결과를 이용하였다. 모의결과를 고령교 수위관측소의 실측 수위와 비교하였으며, 그 결과 R2 값은 0.990, AME는 0.195, RMSE는 0.252의 상관관계를 보였다. 또한, 유의수준 0.
7에 모델의 시간에 따른 수위결과와 실측값을 나타내었다. 수치 모의결과와 고령교에서의 실측 수위값의 비교결과 R2는 0.990, AME는 0.195, RMSE는 0.252의 상관관계를 보였으며, 유의수준 0.01보다 P-value의 값이 낮게 나타나 귀무가설을 기각하게 되므로, 통계적으로 상관관계가 있다고 나타났다. 따라서 모의구간에 대한 FaSTMECH 모형의 적용성이 높다고 판단되었다.
실측값과 관측값의 비교결과 R2는 0.988, AME는 0.208, RMSE는 0.239의 상관관계를 가지고 있었으며, 유의수준 0.01보다 P-value의 값이 낮게 나타나 귀무가설을 기각하게 되므로, 통계적으로 상관관계가 있다고 나타났다.
01보다 P-value의 값이 낮게 나타나 귀무가설을 기각하게 되므로, 통계적으로 상관관계가 있다고 나타났다. 이를 바탕으로 HEC-RAS의 모의결과를 2차원 모형의 하류단 경계조건으로 사용하기에 적합하다고 판단되었다.
01보다 P-value의 값이 낮게 나타나 귀무가설을 기각하게 되므로, 통계적으로 상관관계가 있다고 나타났다. 이를 바탕으로 HEC-RAS의 모의결과를 둔치에서의 수리학적 영향분석을 위한 2차원 흐름모형의 하류단 경계조건으로 사용하기에 적합하다고 판단하였다.
후속연구
(5) 본 연구에서는 극한 강우 사상 시 홍수터 내에 위치해 있는 캠핑장과 생태공원 등과 같은 친수시설이 침수되는 시간 및 침수심, 침수 유속 및 전단력 등을 2차원 부정류 모형을 이용하여 분석하였으며, 이는 둔치에 설치된 친수시설들의 효율적 유지 및 관리를 위한 수리학적 기초 자료로 활용될 수 있다고 판단된다.
이상에서, 극한 강우 사상 시 홍수터 내에 위치해 있는 캠핑장과 생태공원 등과 같은 친수시설이 침수되는 시간 및 침수심, 침수 유속 및 전단력 등을 2차원 부정류 모형을 이용하여 분석하였으며, 이는 둔치에 설치된 친수시설들의 효율적 유지 및 관리를 위한 수리학적 자료로 활용될 수 있다고 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
낙동강의 횡단면의 특징은?
낙동강의 횡단면은 복단면 형태를 띄고 있으므로, 여름철 집중호우에 의해서 하천유량이 증가하면 둔치 상부까지 하천수위가 상승하는 특징이 있다. 또한 최근 강우강도 및 홍수 빈도의 증가로 인해 관련 피해가 급증하고 있으며, 이는 홍수터에 설치된 공원과 같은 친수시설들의 침수피해와 직접적으로 연관되므로, 극한강우 시 둔치에서의 수리학적 영향분석이 필요하다고 판단된다.
국내에서 2차원 수치모형의 적용에 관한 연구는 대부분 무엇이 주를 이루었는가?
국내에서 2차원 수치모형의 적용에 관한 연구로는 대부분이 RMA-2나 River2D 및 CCHE-2D와 같은 오랜 기간 동안 적용성이 검증된 상용모형의 적용이 주를 이루고 있으며 모형을 개발하여 다양한 실험 수로 및 자연하천에 적용한 연구도 있다. Yoon (1982)이 각각 항만내 토사이동 예측과 단면 급확대에 의한 흐름영향을 분석하기 위해 적용하였고, Lee et al.
2차원 수치모형의 적용에 관한 연구의 한계는?
국외에서는 Adeff와 Wang (1985)이 하도망 해석을 위해서 감쇠형 유한요소기법을 이용하여 해석하였으며, Ali와 Ben (1981)은 차분방정식을 이용한 모델로써 하천의 흐름이 상류흐름 상태에서 합류점이 지류에 미치는 영향에 대하여 연구하였고, Vreugdenhul 과 Wijbenga (1982)는 ADI(Alternating-Direction-Implicit)기법을 유한차분해석법에 적용하여 홍수시 하천의 2차원 흐름해석을 실시하였고, Choi (1991)는 하천에서 합류점에서의 흐름변화를 연구한 바 있다. 이러한 2차원 수치해석은 주로 본류의 흐름해석에 대한 연구가 이루어 졌을 뿐 둔치에서의 수리학적 영향분석에 대한 연구는 미진한 실정이다.
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