[국내논문]FLO-2D에서 댐붕괴 모형 매개변수의 침수 범위 민감도 분석 Sensitivity Analysis of Model Parameters used in a Coupled Dam-Break/FLO-2D Model to Simulate Flood Inundation원문보기
댐붕괴로 인하여 빚어지는 홍수위험지도 작성에서 물리적 현상을 재현해내기 위하여 수치모형이 사용되는 것이 일반적이다. 이때 모형의 정확도는 저수지의 수량과 댐붕괴 형성 및 진행을 포함한 모형의 물리적 구조, 입력인자 및 매개변수의 신뢰도에 의하여 결정되기 마련이다. 특히 입력인자 및 매개변수는 모형을 이용하기 이전에 미리 결정하여 입력하게 되며 사용자의 판단과 주관에 의지하므로 주의가 요구된다. 이 연구에서는 댐붕괴 모형을 FLO-2D와 연동하여 홍수 침수모의를 실시할 때에 댐붕괴 모형에서 세 개의 매개변수(붕괴각도 ${\theta}$, 저수지 형상계수 P, 붕괴율 k가 FLO-2D의 침수모의(침수범위, 침수깊이 등)에 어떻게 영향을 미치는 가를 살펴보았다. 붕괴각도 ${\theta}$는 FLO-2D의 침수모의에 있어 낮은 영향을 미치나 저수지 형상계수 P와 붕괴율 k는 중대한 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이 연구는 향후 댐붕괴에 의한 홍수 위험의 피해를 저감하는데 기여할 것이다.
댐붕괴로 인하여 빚어지는 홍수위험지도 작성에서 물리적 현상을 재현해내기 위하여 수치모형이 사용되는 것이 일반적이다. 이때 모형의 정확도는 저수지의 수량과 댐붕괴 형성 및 진행을 포함한 모형의 물리적 구조, 입력인자 및 매개변수의 신뢰도에 의하여 결정되기 마련이다. 특히 입력인자 및 매개변수는 모형을 이용하기 이전에 미리 결정하여 입력하게 되며 사용자의 판단과 주관에 의지하므로 주의가 요구된다. 이 연구에서는 댐붕괴 모형을 FLO-2D와 연동하여 홍수 침수모의를 실시할 때에 댐붕괴 모형에서 세 개의 매개변수(붕괴각도 ${\theta}$, 저수지 형상계수 P, 붕괴율 k가 FLO-2D의 침수모의(침수범위, 침수깊이 등)에 어떻게 영향을 미치는 가를 살펴보았다. 붕괴각도 ${\theta}$는 FLO-2D의 침수모의에 있어 낮은 영향을 미치나 저수지 형상계수 P와 붕괴율 k는 중대한 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이 연구는 향후 댐붕괴에 의한 홍수 위험의 피해를 저감하는데 기여할 것이다.
Numerical modeling is commonly used to reproduce the physical phenomena of dam-break and to compile resulting flood hazard maps. The accuracy of a dam-break model depends on the physical structure that describes the volume of storage, breach formation and progress, input variables, and model paramet...
Numerical modeling is commonly used to reproduce the physical phenomena of dam-break and to compile resulting flood hazard maps. The accuracy of a dam-break model depends on the physical structure that describes the volume of storage, breach formation and progress, input variables, and model parameters. Model input and parameters are subjective in that they are prescribed; hence, caution is needed when interpreting the results. This study focuses on three parameters (breach degree ${\theta}$, shape factor P, and collapse rate k) used when the dam-break model is coupled with FLO-2D (a two-dimensional flood simulation model) to estimate flood coverage and depth etc. The results show that the simulation is sensitive to the shape factor P and the collapse rate k but not to the breach degree ${\theta}$. This study will contribute to reducing flood damage from dam-break disasters in the future.
Numerical modeling is commonly used to reproduce the physical phenomena of dam-break and to compile resulting flood hazard maps. The accuracy of a dam-break model depends on the physical structure that describes the volume of storage, breach formation and progress, input variables, and model parameters. Model input and parameters are subjective in that they are prescribed; hence, caution is needed when interpreting the results. This study focuses on three parameters (breach degree ${\theta}$, shape factor P, and collapse rate k) used when the dam-break model is coupled with FLO-2D (a two-dimensional flood simulation model) to estimate flood coverage and depth etc. The results show that the simulation is sensitive to the shape factor P and the collapse rate k but not to the breach degree ${\theta}$. This study will contribute to reducing flood damage from dam-break disasters in the future.
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문제 정의
, 2013). 이 연구는 예비적 연구로서 산대저수지 댐의 붕괴 위험성을 인식하고 산대저수지의 붕괴 모형을 재분석하기에 앞서 붕괴 모형의 매개변수가 2차원 수치모형 FLO-2D의 홍수 범람 모의에 어떻게 영향을 미치는 정도를 분석하였다. 수치모형에 따른 피해범위는 노후한 저주지 붕괴로 인한 주변의 위험 지역을 사전에 제시하고 홍수의 예경보를 위한 위험지도 작성 시 중요한 정보를 제공할 것이다(Fig.
이 연구는 우리나라 농업용 댐(저수지) 노후화로 인한 붕괴 위험성을 인식하고 예비연구로서 댐붕괴 시 FLO-2D를 이용하여 붕괴 모형의 매개 변수별 침수 면적과 최대 침수 높이에 대해 민감도 분석을 실시하였다. 매개 변수로는 세 가지 유형으로 나누었는데, 첫 번째로 저수지 붕괴각도 θ, 두 번째로 저수지의 형상계수 P, 세번째로 저수지 붕괴율 k이다.
가설 설정
최종 바닥상태에서 유출입구의 바닥까지의 높이를 b로 나타내면 다음과 같다. 이때 유출구의 모양은 파괴가 진행되는 과정에서 일정하게 유지된다고 가정한다.
제안 방법
이 연구에서는 식 (7)의 붕괴 모형에서 3개의 매개변수, 즉 저수지 붕괴 시 붕괴 기울기 각도 θ, 저수지 형상계수 P, 저수지 붕괴율 k의 변화에 따라 홍수 흐름 모형인 FLO-2D가 어떻게 반응하는가를 살펴보았다.
FLO-2D 모형에서 댐붕괴 모의가 여타 댐붕괴모형보다 우수하다는 근거는 없다. 그러나 FLO-2D는 토석류 흐름의 모의가 가능하고 그래픽 기능이 뛰어나 침수구역 파악과 분석에 유리하므로 선정하였다.
FLO-2D를 이용하여 저수지 붕괴에 대한 매개 변수별 민감도 분석을 상류, 중류, 하류 지점으로 구분하여 실시하였다. 3개의 지점은 상류, 중류, 하류 지역을 대표하여 임의로 선정하였으며 Fig.
붕괴각도 θ에 대한 민감도 분석은 θ가 22o-40o까지 각 2o씩 증가하면서 10가지의 다른 케이스로 12시간 동안의 흐름에 대하여 실시하였다.
저수지 형상계수 P에 대한 민감도 분석은 P가 1.2-3.0까지 각 0.2씩 증가하면서 10가지의 다른 케이스로 12시간 동안의 흐름에 대하여 실시하였다. 이때 다른 매개변수, 즉 θ=30o, k=10 m/hr으로 고정시켰다.
저수지 붕괴율 k에 대한 민감도 분석은 P가 4 m/hr24 m/hr까지 각 4 m/hr씩 증가하면서 6가지의 다른 케이스로 12시간 동안의 흐름에 대하여 실시하였다. 이때 다른 매개변수인 붕괴 각도(θ)와 형상계수(P)는 P=1.
대상 데이터
산대 저수지는 농업용 저수지로 경북 경주시 안강읍 산대리에 위치하며(Fig. 1), 농업용수 공급과 홍수 조절을 목적으로 1964년 12월 30일 준공되었다. 유역면적은 210 ha, 수혜면적 25.
FLO-2D를 이용하여 저수지 붕괴에 대한 매개 변수별 민감도 분석을 상류, 중류, 하류 지점으로 구분하여 실시하였다. 3개의 지점은 상류, 중류, 하류 지역을 대표하여 임의로 선정하였으며 Fig. 4에서 위치를 제시하였다. 매개변수의 설정은 기존의 문헌(Waythomas et al.
이론/모형
는 저수지에서 흘러나가는 유량을 나타내며, t는 시간간격을 나타낸다. 댐붕괴 유출구(breach) 형상이 사다리꼴이라고 가정하여 사다리꼴형의 웨어(trapezoidal weir, French, 1986)공식을 적용하여 유량을 산정하면 다음과 같다.
식 (7)에서 보여준 비선형 상미분방정식으로 유한차분법과 Newton-Raphson 방법을 이용하여 최적 해를 구하기 위하여 포트란 프로그램화 하였다. 식 (7)의 결과로 계산되어지는 유량 곡선은 FLO-2D를 이용하여 침수를 모의할 때에 유출구에서 경계조건 역할을 하게 된다.
4에서 위치를 제시하였다. 매개변수의 설정은 기존의 문헌(Waythomas et al., 1996)을 참조하여 결정하였다.
성능/효과
FLO-2D의 모의에서 저수지 붕괴 시 붕괴각도(θ)에 따른 침수 면적 및 최대 침수 높이를 살펴본 결과 침수면적과 최대 침수 높이가 θ에 따라 다소 차이는 보이고 있으나, 미미하게 변화하는 것으로 보아, 저수지 붕괴 시 침수 면적 및 최대 침수 높이는 θ에 민감하지 않은 것으로 판단된다.
붕괴각도 θ가 22o-40o로 변화하는 동안 침수 면적은 Case 1을 기준으로 증감률이 1.30%~5.64%나타났으며, 최대 침수 높이는 상류부는 증감률이 -0.67이며, 분석결과 수면적은 246,500 m2~260,400 m2으로 +0.67%, 중류부에서는 +2.08%, 하류부는 증감이 없이 일정하게 분석되었다.
형상계수 P가 1.2-3.0로 변화하는 동안 Case 1을 기준으로 침수면적은 335,300 m2~604,900 m2으로 증감률이 4.95∼91.11%로 나타났으며, 최대 침수 높이는 상류부는 증감률이 +2.82~+17.61%, 중류부에서는 +4.44~24.44%, 하류부에서는 +15.38~72.03%의 증감률이 나타났다.
3. 저수지 붕괴 시 붕괴율 k에 대하여 모의한 결과 침수 면적에 대한 증감률이 3.90~41.80%로 나타났으며, 최대 침수 높이는 상류부는 증감률이 +27.00~+79.00%, 중류부에서는 +39.29~117.86%, 하류부에서는 +2.69∼19.35%의 증감률이 나타났으며, 중류 > 상류 > 하류 순으로 크게 증가 하였다.
2. 저수지 붕괴 시 형상계수 P에 대하여 모의한 결과 침수 면적에 대한 증감률이 4.95~91.11%로 나타났으며, 최대 침수 높이는 상류부는 증감률이 +2.82~+17.61%, 중류부에서는 +4.44~24.44%, 하류부에서는 +15.38~72.03%의 증감률이 나타났으며, 상류 > 중류 >하류 순으로 크게 증가 하였다.
1. 저수지 붕괴 시 붕괴각도 θ에 대해여 모의한 결과 침수 면적에 대한 증감률이 1.30∼5.64%로 나타났으며, 최대 침수 높이는 상류부는 증감률이 -0.67~+0.67%, 중류부에서는 +2.08%, 하류부는 증감이 없이 일정하였다.
FLO-2D의 모의에서 저수지 붕괴 시 붕괴율 k에 따른 침수 면적과 최대 침수 높이를 살펴본 결과 침수 면적은 크게 증가하는 것을 볼 수 있으며, 침수 높이 또한 중류 > 상류 > 하류 순으로 크게 증가 하였다.
13에서 변화추이를 볼 수 있다. 붕괴율 k가 4 m/hr에서 24 m/hr로 변화하는 동안 Case 1을 기준으로 침수 면적은 328,000 m2~465,200 m2으로 증감률이 3.90~41.80% 나타났으며, 최대 침수 높이는 상류부는 증감률이 +27.00~+79.00%, 중류부에서는 +39.29~117.86%, 하류부에서는 +2.69~19.35%의 증감률이 나타났다.
FLO-2D의 모의에서 저수지 붕괴 시 형상계수 P에 따른 침수 면적과 최대 침수 높이를 살펴본 결과 침수면적은 크게 증가하는 것을 볼 수 있으며, 침수 높이 또한 상류 > 중류 > 하류 순으로 증가하는 것을 볼 수 있다.
후속연구
국내에 산재하는 저수지의 상당수는 전문 인력이 부족한 시·군에서 관리하고 있는 실정이다. 댐과 저수지 등의 수변구조물의 피해 저감을 위해서 발생 가능한 시나리오를 만들고 그에 따른 대비책과 대응 매뉴얼을 미리 작성하여 일련의 조처를 취하면 효과적일 것이다.
2013년도 농업생산기반정비사업 통계연보에 의하면 우리나라 농업용저수지 총 17,477개소 중 설치된 지 50년 이상 경과된 저수지가 12,148개소로 전체의 69.5%를 차지하는 현실에서 이 연구는 앞으로 우리나라에서 노후화된 저수지를 파괴 유형별로 분석 연구하여 저수지 유실로 인한 주변의 위험지역을 파악하여 홍수 위험 지도를 작성할 시 인명피해와 침수로 인한 재산피해가 최소화 되도록 하는데 기여할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
농업용 저수지의 역할은 무엇인가?
주변에 산재하는 농업용 저수지는 대부분 필댐 형식의 흙댐이며, 주로 가뭄 시 농업용 댐의 역할을 하고 있다. 댐이 붕괴되어 홍수가 발생하면 막대한 인명과 재산에 피해를 발생하며 환경과 생태계에 변화를 일으켜 인간의 생활에 직간접적으로 영향을 미친다.
농업용 저수지는 어떤 형식의 흙댐인가?
주변에 산재하는 농업용 저수지는 대부분 필댐 형식의 흙댐이며, 주로 가뭄 시 농업용 댐의 역할을 하고 있다. 댐이 붕괴되어 홍수가 발생하면 막대한 인명과 재산에 피해를 발생하며 환경과 생태계에 변화를 일으켜 인간의 생활에 직간접적으로 영향을 미친다.
산대 저수지의 유역 면적은?
1), 농업용수 공급과 홍수 조절을 목적으로 1964년 12월 30일 준공되었다. 유역면적은 210 ha, 수혜면적 25.5 ha, 유효저수량 24만 5,000 t이다.
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