전 세계적으로 기후변화 등의 원인으로 산림화재가 대형화되고 있다. 산림이 국토의 약 63.7 %를 차치하며, 산림에 인접해서 산업시설 등의 주요시설들이 많은 국내의 경우에는 산림화재가 대형재난으로 확산될 가능성이 매우 높다. 이에 본 연구에서는 수관화로 발달한 산림화재에서 화염의 복사열이 미치는 피해영향거리를 풍속의 변화에 따라 분석하였다. 또한, 영향거리를 분석하기 위하여 주변시설에 미칠 수 있는 복사열의 안전기준을 조사하였으며, 기준 복사열로 $5kW/m^2$와 $12.5kW/m^2$, $37.5kW/m^2$를 제시하였다. 산림화재 피해영향평가를 위해 FDS의 산림화재 확장 프로그램인 WFDS를 활용하였고, 해석조건으로 국내에 일반적으로 분포가 높은 산림조건에 대해 조사하여 이를 적용하였다. 그 결과는 풍속에 따른 복사열 최대영향거리로 제시하였다. 풍속 0~10 m/s에 있어서 풍속의 증가에 따라 영향거리도 증가하는 경향이 있으며, 풍속 8 m/s에서 영향거리가 최대가 되었다. 또한, 최대 영향거리는 수목 연료의 함수율 증가에 따라 크게 감소하는 것을 확인하였다. 본 연구는 산림화재로 인한 주변시설의 피해영향을 정량적으로 평가하는데 기여할 수 있다.
전 세계적으로 기후변화 등의 원인으로 산림화재가 대형화되고 있다. 산림이 국토의 약 63.7 %를 차치하며, 산림에 인접해서 산업시설 등의 주요시설들이 많은 국내의 경우에는 산림화재가 대형재난으로 확산될 가능성이 매우 높다. 이에 본 연구에서는 수관화로 발달한 산림화재에서 화염의 복사열이 미치는 피해영향거리를 풍속의 변화에 따라 분석하였다. 또한, 영향거리를 분석하기 위하여 주변시설에 미칠 수 있는 복사열의 안전기준을 조사하였으며, 기준 복사열로 $5kW/m^2$와 $12.5kW/m^2$, $37.5kW/m^2$를 제시하였다. 산림화재 피해영향평가를 위해 FDS의 산림화재 확장 프로그램인 WFDS를 활용하였고, 해석조건으로 국내에 일반적으로 분포가 높은 산림조건에 대해 조사하여 이를 적용하였다. 그 결과는 풍속에 따른 복사열 최대영향거리로 제시하였다. 풍속 0~10 m/s에 있어서 풍속의 증가에 따라 영향거리도 증가하는 경향이 있으며, 풍속 8 m/s에서 영향거리가 최대가 되었다. 또한, 최대 영향거리는 수목 연료의 함수율 증가에 따라 크게 감소하는 것을 확인하였다. 본 연구는 산림화재로 인한 주변시설의 피해영향을 정량적으로 평가하는데 기여할 수 있다.
The wildland fire intensity and scale are getting bigger owing to climate change in the world. In the case of domestic, the forest is distributed over approximately 63.7 % of country and the main facilities like a industrial facility or gas facility abuts onto it. Therefore there is potential that t...
The wildland fire intensity and scale are getting bigger owing to climate change in the world. In the case of domestic, the forest is distributed over approximately 63.7 % of country and the main facilities like a industrial facility or gas facility abuts onto it. Therefore there is potential that the wildland fire is developed to a large-scale disaster. In this study, the effect distances of the radiant heat flux from the crown fire are analysed according to the change of wind velocity. The safety criteria concerning the radiant heat flux to influence on the surrounding were researched to analyse the effect distances. The criteria of radiant heat flux were chosen $5kW/m^2$, $12.5kW/m^2$, $37.5kW/m^2$. WFDS, which is an extension of NIST's Fire Dynamics Simulator, was used to consequence analysis of the forest fire. In order to apply the analysis conditions, it is researched the forest conditions that is generally distributed in domestic region. As the result, the maximum effect distances by radiant heat were showed at the horizontal and vertical direction. When the wind velocity varied from 0 to 10 m/s, the maximum effect distance increased as the wind velocity increases. Interesting point is that the maximum effect distance were shown at the wind velocity of 8 m/s. The maximum effect distance was decreased according as the fuel moisture of trees increase. This study can contribute to analyse quantitative risk about the damage effect of the surrounding facilities caused by wildland fire.
The wildland fire intensity and scale are getting bigger owing to climate change in the world. In the case of domestic, the forest is distributed over approximately 63.7 % of country and the main facilities like a industrial facility or gas facility abuts onto it. Therefore there is potential that the wildland fire is developed to a large-scale disaster. In this study, the effect distances of the radiant heat flux from the crown fire are analysed according to the change of wind velocity. The safety criteria concerning the radiant heat flux to influence on the surrounding were researched to analyse the effect distances. The criteria of radiant heat flux were chosen $5kW/m^2$, $12.5kW/m^2$, $37.5kW/m^2$. WFDS, which is an extension of NIST's Fire Dynamics Simulator, was used to consequence analysis of the forest fire. In order to apply the analysis conditions, it is researched the forest conditions that is generally distributed in domestic region. As the result, the maximum effect distances by radiant heat were showed at the horizontal and vertical direction. When the wind velocity varied from 0 to 10 m/s, the maximum effect distance increased as the wind velocity increases. Interesting point is that the maximum effect distance were shown at the wind velocity of 8 m/s. The maximum effect distance was decreased according as the fuel moisture of trees increase. This study can contribute to analyse quantitative risk about the damage effect of the surrounding facilities caused by wildland fire.
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문제 정의
. 그러나 최근 컴퓨터 계산능력의 향상으로 인해 계산시간이 단축되고 있으므로, 본 연구에서는 적절한 격자크기를 선택하기 위해 격자크기에 따른 열방출량의 변화를 검토하였다. 다양한 D*/δx에 있어서의 열방출량의 변화를 Figure 1에 나타낸다.
본 연구에서 산림화재로부터 인명, 설비 등에 피해를 줄 수 있는 영향거리를 제시하기 위해서 복사열로 인한 영향 기준을 조사하여 적용하였다. 피해영향평가를 위한 복사열에 대한 기준은 여러 기관에서 제시하고 있다.
풍속 변수에 대해서 H가 0 m 이상의 고도에서 최대 10 m/s까지 2 m/s씩 증가시키면서 풍속의 변화에 따른 복사열의 영향거리의 변화를 살펴보았다. 본 연구에서 풍속에 대한 변수 입력은 대기 상에서 고도에 따른 풍속변화를 고려하였다.
또한, 복사열은 수관화의 크기에 의존하며, 수관화의 크기는 산림의 연소특성에 의해 결정되어진다. 본 연구에서는 연소특성에 크게 영향을 미칠 것이라 생각되어지는 나무의 함수율에 따른 피해영향범위의 의존성도 함께 검토하였다.
본 연구의 주요 관심은 산림화재가 지표면을 따라 수관화로 발달한 상황을 가정하였을 때 주변 환경에 미칠 수 있는 피해영향범위를 예측하는 것이다.
가설 설정
또한 강원도 영동지역에서 자생하는 주요 교목류, 관목류, 초본류에 대한 화재전파특성 실험 결과, 소나무가 연소 시 가장 많은 열량을 방출하였기 때문에 평가 대상을 소나무로 선정하였다(14). Figure 2에서 확인되는 것과 같이 본 계산에서는 소나무는 높이 10 m, 폭 2 m, 나무 간격은 2m 로 가정하였다.
산림화재에 대한 연료조건은 산림지역 별로 매우 다양하기 때문에 피해영향평가 시 대상의 지역의 특성에 맞는 조건을 고려하여야 한다. 본 연구에서는 국내에 일반적으로 분포가 높은 소나무를 가정하여 적용하였다. 국내 임상분포에서는 침엽수림이 40.
제안 방법
화재에 의해 피해를 미칠 수 있는 주요 요인으로는 전도, 대류, 복사 그리고 비산물(불씨의 비산)에 의한 영향이 있다. 그 중 복사열은 여러 기관에서 피해영향평가를 위한 기준으로 사용하고 있기에 본 연구에서는 화재 시 발생하는 복사열을 조사함으로써 피해영향범위를 예측하였다. 또한, 복사열은 수관화의 크기에 의존하며, 수관화의 크기는 산림의 연소특성에 의해 결정되어진다.
국내 산업안전보건공단의 KOSHA CODE P-31-2001에서는 복사열에 의하여 근로자 또는 주변기기에 미치는 영향을 판단할 수 있는 기준을 5 kW/m2의 복사열이 미치는 거리로 제시하고 있으며, 국외 대부분의 기준에서도 약 5 kW/m2의 복사열에 대한 영향을 안전기준으로 제시하고 있다. 그리고 수분 내에 사상자를 발생시키고 목재의 착화를 유도할 수 있는 12.5 kW/m2, 노출 시 즉시 사망할 수 있으며 장치를 손상시킬 수 있는 37.5 kW/m2의 복사열에 대한 영향을 보았다. 이에 따라 본 연구에서는 복사열 5 kW/m2, 12.
기상조건의 변수로는 바람의 속도, 온도, 습도를 선정하였다. 월별 산림화재 발생현황을 보면 봄철(3월~5월)에 가장 많은 산림화재가 발생하기 때문에 봄철의 온도, 습도를 적용하였고(17), 바람의 속도가 변화함에 따라서 산림화재 확산의 영향을 분석하였다.
둘째, 낙엽, 나뭇가지와 같은 화염의 전파에 큰 영향을 미치는 물질이 존재할 가능성이 있는 수관의 하단부분으로 복사열이 미치는 최대수직거리(Hm.r.)로 영향거리를 평가하였다. 풍속의 증가에 따른 수직방향의 최대영향거리를 그래프로 나타내면 Figure 6과 같다.
수관화로 발달한 산림화재에서 화염의 복사열이 미치는 영향거리를 0~10 m/s로 풍속 변화에 따른 복사열의 영향을 조사하였다. 복사열은 안전기준으로 설정되고 있는 5 kW/m2 , 12.5 kW/m2 , 37.5 kW/m2에 대해 검토하였다. 주변에 영향을 미치는 수평방향 최대영향거리를 검토한 결과, 풍속이 증가 함에 따라 증가하는 경향을 보이고 있으나, 풍속 10 m/s가 아닌 풍속 8 m/s에서 영향거리가 최대가 되었다.
또한, 화재의 성장에 관한 연구에서는 여러 조건에 맞추어 함수율을 6 %부터 90 %까지 다양한 함수율을 제시하고 있다(14-16). 본 연구에서는, 사고의 위험성을 평가할 때 최악의 사고 시나리오를 상정하는 것이 일반적이기 때문에, 최악의 조건, 다시 말해 최대 열방출율을 가정하기 위해 함수율을 6 %로 가정하여 복사열에 의한 피해영향을 평가하였으며, 함수율에 따른 피해영향거리의 변화도 검토하였다.
산림화재 발생 시 화재확산에 따른 복사열이 미치는 거리를 계산하는데 필요한 매개 변수들을 산출하기 위해서, 연료조건, 기상조건 및 지형조건에 대해 시뮬레이션 구동에 사용할 변수를 도출하였다.
월별 산림화재 발생현황을 보면 봄철(3월~5월)에 가장 많은 산림화재가 발생하기 때문에 봄철의 온도, 습도를 적용하였고(17), 바람의 속도가 변화함에 따라서 산림화재 확산의 영향을 분석하였다. 산림화재 발생위험도 분석 결과 평균온도가 6~14 oC에서, 평균습도는 전반적으로 고르게 분포하나 60~67 % 구간에서 60 % 이상에서 산림화재가 발생하였기에(18), 본 연구에서는 평균값을 시뮬레이션에 적용하였다.
산림화재 시 주변시설 및 환경에 피해를 미치는 영향범위를 평가하기 위해 수치해석기법을 활용하였다. 수관화로 발달한 산림화재에서 화염의 복사열이 미치는 영향거리를 0~10 m/s로 풍속 변화에 따른 복사열의 영향을 조사하였다. 복사열은 안전기준으로 설정되고 있는 5 kW/m2 , 12.
수관화로 발달한 산림화재의 해석조건에서 풍속의 변화에 따라 화염의 복사열이 미치는 영향을 두가지 관점에서 해석하였다. 하나는 수평거리(W)를 분석함으로써 산림화재가 주변시설에 미치는 최대영향거리를 알 수 있고, 또 하나는 하단부로의 수직거리(H)를 분석하여 수관화가 지표의 낙엽에 착화를 유도할 수 있는 영향거리를 검토하였다.
기상조건의 변수로는 바람의 속도, 온도, 습도를 선정하였다. 월별 산림화재 발생현황을 보면 봄철(3월~5월)에 가장 많은 산림화재가 발생하기 때문에 봄철의 온도, 습도를 적용하였고(17), 바람의 속도가 변화함에 따라서 산림화재 확산의 영향을 분석하였다. 산림화재 발생위험도 분석 결과 평균온도가 6~14 oC에서, 평균습도는 전반적으로 고르게 분포하나 60~67 % 구간에서 60 % 이상에서 산림화재가 발생하였기에(18), 본 연구에서는 평균값을 시뮬레이션에 적용하였다.
5 kW/m2의 복사열에 대한 영향을 보았다. 이에 따라 본 연구에서는 복사열 5 kW/m2, 12.5 kW/m2, 37.5 kW/m2에 대한 피해영향 기준을 설정하였다.
본 연구에서 변수로 둔 풍속의 경우에는 산림화재로 인한 화염의 복사열의 거리에 많은 영향을 준다. 이에 따라 풍속이라는 변수의 영향을 분석하기 위하여 풍속에 변화를 주어 해석하였다. 풍속 변수에 대해서 H가 0 m 이상의 고도에서 최대 10 m/s까지 2 m/s씩 증가시키면서 풍속의 변화에 따른 복사열의 영향거리의 변화를 살펴보았다.
직교 육면체 격자 시스템을 사용하여 27 m×8 m×45 m의 계산영역에 0.2 m×0.2 m×0.2 m 크기의 정방형 격자를 생성하여 전체 격자수를 1,215,000개로 분할한 해석영역을 모델링하였다.
이에 따라 풍속이라는 변수의 영향을 분석하기 위하여 풍속에 변화를 주어 해석하였다. 풍속 변수에 대해서 H가 0 m 이상의 고도에서 최대 10 m/s까지 2 m/s씩 증가시키면서 풍속의 변화에 따른 복사열의 영향거리의 변화를 살펴보았다. 본 연구에서 풍속에 대한 변수 입력은 대기 상에서 고도에 따른 풍속변화를 고려하였다.
수관화로 발달한 산림화재의 해석조건에서 풍속의 변화에 따라 화염의 복사열이 미치는 영향을 두가지 관점에서 해석하였다. 하나는 수평거리(W)를 분석함으로써 산림화재가 주변시설에 미치는 최대영향거리를 알 수 있고, 또 하나는 하단부로의 수직거리(H)를 분석하여 수관화가 지표의 낙엽에 착화를 유도할 수 있는 영향거리를 검토하였다. 복사열의 최대영향거리는 Figure 2에서 제시한 수직과 수평방향 0 m 지점으로부터의 거리를 측정하였다.
대상 데이터
5 %로 가장 많은 분포를 차지하고 있으며(12), 2005년 발생한 양양산불 피해 시 피해지의 95 % 이상이 소나무 단순림으로 구성되어 있었다(13). 또한 강원도 영동지역에서 자생하는 주요 교목류, 관목류, 초본류에 대한 화재전파특성 실험 결과, 소나무가 연소 시 가장 많은 열량을 방출하였기 때문에 평가 대상을 소나무로 선정하였다(14). Figure 2에서 확인되는 것과 같이 본 계산에서는 소나무는 높이 10 m, 폭 2 m, 나무 간격은 2m 로 가정하였다.
또한, D*/δx가 30 이상에서 발열량이 약 150 MW로 유사한 경향을 보이고 있다. 이에 따라 본 연구에서는 약 36의 격자해상도를 가지는 0.2 m의 정방형 격자크기를 선택하였다.
이론/모형
. Douglas fir의 입력조건은 국내의 소나무 연료조건과 다소 차이는 있으나 유사한 조건을 입력하기 위하여 활용하였다.
피해영향평가를 위한 복사열에 대한 기준은 여러 기관에서 제시하고 있다. 복사열의 기준을 위해 KOSHA CODE P-31-2001 사고피해예측기법(19), NFPA 59A(20), HSE(Fire and explosion strategy, Issue 1)(22), EN 1473(22), NFPA 921(23) 등을 검토해 보았으며, Table 3은 검토한 복사열 기준을 정리한 것이다. 국내 산업안전보건공단의 KOSHA CODE P-31-2001에서는 복사열에 의하여 근로자 또는 주변기기에 미치는 영향을 판단할 수 있는 기준을 5 kW/m2의 복사열이 미치는 거리로 제시하고 있으며, 국외 대부분의 기준에서도 약 5 kW/m2의 복사열에 대한 영향을 안전기준으로 제시하고 있다.
산림화재 시 주변시설 및 환경에 피해를 미치는 영향범위를 평가하기 위해 수치해석기법을 활용하였다. 수관화로 발달한 산림화재에서 화염의 복사열이 미치는 영향거리를 0~10 m/s로 풍속 변화에 따른 복사열의 영향을 조사하였다.
연소특성으로 연료의 체적당 표면적(VEG SV), 탄화율(VEG CHAR FRACTION), 용적밀도(VEG BULK DENSITY), 최대연소속도(VEG BURNING RATE MAX), 연소열(HEAT OF COMBUSTION) 등은 국외의 Douglas fir 연소실험을 참고로 하였다(15). Douglas fir의 입력조건은 국내의 소나무 연료조건과 다소 차이는 있으나 유사한 조건을 입력하기 위하여 활용하였다.
4 m 크기의 Douglas fir의 연소실험을 통하여 복사열유속 및 질량감소속도의 측정값을 WFDS의 시뮬레이션과 비교한 결과를 제시하고 있다(9). 이에 본 연구에서는 산림화재 영향을 평가하기 위해 WFDS를 활용하였다.
성능/효과
5 kW/m2의 복사열이 도달하는 최대 영향거리를 수평거리(W)와 수직거리(H)로 확인할 수 있도록 등고선으로 나타내고 있다. 기준 복사열이 낮아짐에 따라 영향거리가 멀어지는 것을 알 수 있고, 또한 바람의 증가에 따라 영향거리(W)가 증가하며, 수직방향에서는 상층부는 낮아지고 하단부로의 영향거리가 증가하는 것을 알 수 있다.
하지만 이러한 결과는 입력조건에 따라 차이가 있으며, 특히 연소특성 중 함수율은 열방출율에 큰 영향을 미친다(15). 따라서, 본 연구에서는 함수율이 6%에서 90 %로 증가함에 따른 열방출율의 감소와 최대영향거리를 검토하였다.
이는 화염이 기울어짐에 따라 복사열측정위치에서 보았을 때의 화염면적의 증가를 형성하기 때문에 복사열이 미치는 거리도 증가하는 것으로 볼 수 있다. 또한, 기준 복사열이 낮아짐에 따라 최대영향거리는 증가하지만, 그 증가량은 감소하는 경향이 확인 되었다. 게다가, 풍속 10 m/s에서가 아니라, 8 m/s에서 최대 영향거리를 나타내고 있다.
주변에 영향을 미치는 수평방향 최대영향거리를 검토한 결과, 풍속이 증가 함에 따라 증가하는 경향을 보이고 있으나, 풍속 10 m/s가 아닌 풍속 8 m/s에서 영향거리가 최대가 되었다. 또한, 수 관으로부터 하단부의 수직방향 영향거리를 검토한 결과 풍속이 증가할수록 최대영향거리가 증가하며 일정한 값에서 수렴하는 등 수평방향과 유사한 경향이 확인되었다.
본 연구에서는 Table 2에 제시한 계산 조건에 따른 결과를 분석하여, 풍속에 따른 복사열의 최대영향거리를 확인해 본 결과, 복사열이 5 kW/m2일 때 18 m, 12.5 kW/m2일때 15 m, 37.5 kW/m2일 때 12 m가 산정되었다. 하지만 이러한 결과는 입력조건에 따라 차이가 있으며, 특히 연소특성 중 함수율은 열방출율에 큰 영향을 미친다(15).
5 kW/m2에 대해 검토하였다. 주변에 영향을 미치는 수평방향 최대영향거리를 검토한 결과, 풍속이 증가 함에 따라 증가하는 경향을 보이고 있으나, 풍속 10 m/s가 아닌 풍속 8 m/s에서 영향거리가 최대가 되었다. 또한, 수 관으로부터 하단부의 수직방향 영향거리를 검토한 결과 풍속이 증가할수록 최대영향거리가 증가하며 일정한 값에서 수렴하는 등 수평방향과 유사한 경향이 확인되었다.
Figure 7은 함수율의 증가에 따른 열방출율을 나타내고 있다. 함수율 6%에서 증가함에 따라 초기에는 급격한 감소를 하다가 점차적으로 완만한 감소를 하며, 90 %에서는6 %의 열방출율보다 수분의 일로 감소하는 것이 확인 되 었다. 이러한 경향은 Elisa Schulz Baker(15)의 실험결과에서 지수함수적으로 감쇄한다는 경향과 동일한 경향을 나타내고 있다.
함수율이 6%에서 90%로 증가함에 따른 열방출율과 최대영향거리에 미치는 영향을 검토한 결과, 함수율의 증가로 인해 값이 수분의 일로 감소하는 것이 확인되었다. 함수율은 삼림화재의 피해영향을 예측함에 큰 영향을 미칠수 있음을 확인하였다.
r)을 나타내고 있다. 함수율의 증가에 따라 Wm.r이 감소하고 있음이 확인 되었기에, 산림화재의 피해영향은 산림의 함수율에 크게 의존한다고 결론되어진다.
함수율이 6%에서 90%로 증가함에 따른 열방출율과 최대영향거리에 미치는 영향을 검토한 결과, 함수율의 증가로 인해 값이 수분의 일로 감소하는 것이 확인되었다. 함수율은 삼림화재의 피해영향을 예측함에 큰 영향을 미칠수 있음을 확인하였다.
후속연구
본 연구는 산림화재로 인한 주변시설의 피해영향을 정량적으로 평가하는데 활용할 수 있을 것이다. 하지만 본 연구에서 함수율에 따른 결과값의 차이를 비교한 것처럼 입력값이 결과에 큰 영향을 미치기 때문에 입력값에 대한 신중한 판단이 있어야 하며, 더욱 정확하고 신뢰성 있는 결과를 확보하기 위해서 국내에서 자생하는 다양한 연료에 대한 연료조건과 온도, 습도, 풍속 등의 기상조건및 방위, 고도, 지세 등의 다양한 지형조건을 고려한 산림화재의 위험성에 대한 연구가 지속되어야 할 것으로 사료된다.
이와 같은 연구는 산림과 인접한 지역에 있는 주요시설의 위험을 예측 가능하게 함으로써 산림화재로부터 안전을 확보할 수 있는 방안을 제시하기에 도움이 될 수 있을 것이다.
본 연구는 산림화재로 인한 주변시설의 피해영향을 정량적으로 평가하는데 활용할 수 있을 것이다. 하지만 본 연구에서 함수율에 따른 결과값의 차이를 비교한 것처럼 입력값이 결과에 큰 영향을 미치기 때문에 입력값에 대한 신중한 판단이 있어야 하며, 더욱 정확하고 신뢰성 있는 결과를 확보하기 위해서 국내에서 자생하는 다양한 연료에 대한 연료조건과 온도, 습도, 풍속 등의 기상조건및 방위, 고도, 지세 등의 다양한 지형조건을 고려한 산림화재의 위험성에 대한 연구가 지속되어야 할 것으로 사료된다.
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