폭풍해일과 강우에 의한 해안 도시 범람 수치모의를 위한 우수관망 수치모형의 개발 Development of Storm Sewer Numerical Model for Simulation of Coastal Urban Inundation due to Storm Surge and Rainfall원문보기
기존의 태풍에 의한 해안 범람 수치모의 연구의 대부분은 폭풍해일만을 고려하였으므로 강우에 의한 추가적인 침수는 배제되어 왔다. 일반적으로 태풍은 강우를 동반한 자연재해이므로 폭풍해일에 의한 해안 도시범람을 수치모의 하는 데 있어 반드시 강우의 영향이 고려되어야 한다. 또한 강우는 도시 우수 관망을 통해 바다로 배출되므로 강우를 동반하는 폭풍해일 수치모의 시 우수관망 시스템이 고려되어야 타당한 결과를 얻을 수 있다. 본 연구에서는 기존의 폭풍해일 수치모형에 강우와 우수관망을 해석할 수 있는 알고리즘을 추가하여 수치모형을 개발하였다. 개발된 수치모형을 단순화된 지형에 적용하여 강우에 의한 범람과 우수의 배수, 해수의 역류현상, 우수의 배수에 따른 해수면 상승 등 기본적인 수치모형의 기능을 검사하였다. 그 결과 다양한 조건에서 수치모형이 정상적으로 작동되는 것을 확인하였다.
기존의 태풍에 의한 해안 범람 수치모의 연구의 대부분은 폭풍해일만을 고려하였으므로 강우에 의한 추가적인 침수는 배제되어 왔다. 일반적으로 태풍은 강우를 동반한 자연재해이므로 폭풍해일에 의한 해안 도시범람을 수치모의 하는 데 있어 반드시 강우의 영향이 고려되어야 한다. 또한 강우는 도시 우수 관망을 통해 바다로 배출되므로 강우를 동반하는 폭풍해일 수치모의 시 우수관망 시스템이 고려되어야 타당한 결과를 얻을 수 있다. 본 연구에서는 기존의 폭풍해일 수치모형에 강우와 우수관망을 해석할 수 있는 알고리즘을 추가하여 수치모형을 개발하였다. 개발된 수치모형을 단순화된 지형에 적용하여 강우에 의한 범람과 우수의 배수, 해수의 역류현상, 우수의 배수에 따른 해수면 상승 등 기본적인 수치모형의 기능을 검사하였다. 그 결과 다양한 조건에서 수치모형이 정상적으로 작동되는 것을 확인하였다.
Since most of the researches on the coastal inundation due to typhoons have considered only storm surges, an additional inundation due to rainfall has been neglected. In general, typhoons are natural disasters being accompanied by the rainfall. Thus, it is essential to consider the effect of rainfal...
Since most of the researches on the coastal inundation due to typhoons have considered only storm surges, an additional inundation due to rainfall has been neglected. In general, typhoons are natural disasters being accompanied by the rainfall. Thus, it is essential to consider the effect of rainfall in the numerical simulation of coastal inundation due to storm surges. Because the rainwater is discharged to the sea through the storm sewer system, it should be included in the numerical simulation of storm surges to obtain reasonable results. In this study an algorithm that can deal with the effects of rainfall and sewer system is developed and combined with a conventional storm surge numerical model. To test the present numerical model various numerical simulations are conducted using the simplified topography for the cases including the inundation due to rainfall, the drainage of rainwater, the backflow of sea water, and the increase of sea water level due to drainage of rainwater. As a result, it is confirmed that the basic performance of the present model is satisfactory for various flow situations.
Since most of the researches on the coastal inundation due to typhoons have considered only storm surges, an additional inundation due to rainfall has been neglected. In general, typhoons are natural disasters being accompanied by the rainfall. Thus, it is essential to consider the effect of rainfall in the numerical simulation of coastal inundation due to storm surges. Because the rainwater is discharged to the sea through the storm sewer system, it should be included in the numerical simulation of storm surges to obtain reasonable results. In this study an algorithm that can deal with the effects of rainfall and sewer system is developed and combined with a conventional storm surge numerical model. To test the present numerical model various numerical simulations are conducted using the simplified topography for the cases including the inundation due to rainfall, the drainage of rainwater, the backflow of sea water, and the increase of sea water level due to drainage of rainwater. As a result, it is confirmed that the basic performance of the present model is satisfactory for various flow situations.
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문제 정의
이상의 수치모의를 통해 지상부가 수평인 지형에 대해 우수관망 수치모형의 기본적인 수량보존 성능을 검토하였다. 그러나 실제로는 지형이 경사진 곳이 대부분이므로 경사진 지형에 대한 강우 시의 우수관망 성능을 검토하였다. 이를 위해 Fig.
본 연구에서는 기존의 폭풍해일 수치모형에 강우에 의한 침수 증대 효과를 고려하기 위한 해일-강우-우수관망 결합 수치모형을 개발하였다. 폭풍해일의 연속방정식에 강우효과를 고려하였고, 동시에 우수관망 수치모형을 개발하여 폭풍해일 수치모형과 결합하였다.
는 해면 및 해저에서의 x, y방향의 전단력을 나타낸다. 본 연구에서는 우수관망 수치모형 개발에 중점을 두어 태풍에 의한 침수는 배제하고 연속방정식에 강우강도 r을 추가하여 강우에 의한 침수를 검토하였다. 폭풍해일에 의한 범람을 동시에 고려할 경우에는 태풍에 의한 바람장과 기압장을 입력하면 쉽게 해결된다.
본 연구에서는 폭풍해일에 의한 해안 도시범람을 수치모의 하는 데 있어 강우의 영향을 고려하기 위해 강우강도를 고려하여 우수관망 수치모형을 개발하고, 이를 폭풍해일 수치모형과 결합하였으며, 이를 단순화된 지형에 적용하여 누적강우량, 우수의 배수 및 해수의 상승에 따른 역류현상 등 결합수치모형의 기본적인 기능을 검토하였다.
이상의 수치모의를 통해 지상부가 수평인 지형에 대해 우수관망 수치모형의 기본적인 수량보존 성능을 검토하였다. 그러나 실제로는 지형이 경사진 곳이 대부분이므로 경사진 지형에 대한 강우 시의 우수관망 성능을 검토하였다.
이와 같이 모든 조건에서 비교한 값이 일치한 것을 확인함으로써 적용된 강우강도 및 우수관망 수치모형의 기본 성능을 검증하였다. 최종적으로 강우강도와 우수관망 시스템을 동시에 적용하였을 때에도 정상적으로 수치모의를 수행하는지 추가적으로 검토하였다. 이때에는 누적강우량, 우수관망을 통해 배수 및 역류되는 물의 양과 내륙지역에 쌓이는 물의 양을 비교하였다.
가설 설정
0 m이다. 해수위는 매우 넓은 바다로 가정하여 0.0 m로 고정하였다. Fig.
제안 방법
먼저 우수 관망 미작동시 강우에 의해 지상영역에 쌓이는 누적우수량이 총 강우량과 일치하는 지를 검토하였다. 다음으로는 강우가 없을 때 우수관망 설치에 따른 우수의 배수, 해수의 역류 및 우수의 배수에 따른 해수면의 변화에 대한 수치모의를 수행하였다. 우수의 배수에서는 우수의 배수량과 지상영역에서의 우수의 감소량을 비교하였고, 해수의 역류에서는 해수면의 상승에 따른 해수의 역류량과 내륙지역 쌓이는 해수의 증가량을 비교하였다.
폭풍해일은 그 주기가 수 분으로부터 수 시간에 달하는 경우가 많기 때문에 장주기파에 속하며 해안 도시지역의 범람을 수치모의 하는 경우 비선형 효과와 바닥마찰은 물론 이동경계 기능이 필수적이다. 따라서 본 연구에서는 이러한 점을 고려하여 수치모의를 수행할 수 있는 2차원 비선형 천수방정식을 지배방정식으로 하였다. 이는 다음 식(1)∼(3)과 같이 연속방정식과 운동방정식으로 구성된다.
수치모형을 검증하기 위해 이를 단순화된 지형을 이용하여 수치모의를 수행하였다. 먼저 우수 관망 미작동시 강우에 의해 지상영역에 쌓이는 누적우수량이 총 강우량과 일치하는 지를 검토하였다. 다음으로는 강우가 없을 때 우수관망 설치에 따른 우수의 배수, 해수의 역류 및 우수의 배수에 따른 해수면의 변화에 대한 수치모의를 수행하였다.
본 연구에서 구축된 수치모형의 타당성을 확인하기 위해 Fig. 5에 보인 단순화된 지형을 이용하여 강우강도의 적용, 우수의 배수, 해수의 역류에 대한 수치모의를 수행하여 결과를 검토하였다. Fig.
폭풍해일의 연속방정식에 강우효과를 고려하였고, 동시에 우수관망 수치모형을 개발하여 폭풍해일 수치모형과 결합하였다. 수치모형을 검증하기 위해 이를 단순화된 지형을 이용하여 수치모의를 수행하였다. 먼저 우수 관망 미작동시 강우에 의해 지상영역에 쌓이는 누적우수량이 총 강우량과 일치하는 지를 검토하였다.
다음으로는 강우가 없을 때 우수관망 설치에 따른 우수의 배수, 해수의 역류 및 우수의 배수에 따른 해수면의 변화에 대한 수치모의를 수행하였다. 우수의 배수에서는 우수의 배수량과 지상영역에서의 우수의 감소량을 비교하였고, 해수의 역류에서는 해수면의 상승에 따른 해수의 역류량과 내륙지역 쌓이는 해수의 증가량을 비교하였다. 그 결과 각 조건에서 비교한 값이 일치하는 것을 확인하였다.
최종적으로 강우강도와 우수관망 시스템을 동시에 적용하였을 때에도 정상적으로 수치모의를 수행하는지 추가적으로 검토하였다. 이때에는 누적강우량, 우수관망을 통해 배수 및 역류되는 물의 양과 내륙지역에 쌓이는 물의 양을 비교하였다. 그 결과 누적강우량, 우수관망을 통과하는 우수 및 해수의 양과 내륙지역에 쌓이는 물의 양을 더한 것과 일치하는 것을 확인함으로써 본 연구에서 구축된 우수 관망 수치모형의 실효성을 검증할 수 있었다.
그러나 실제로는 지형이 경사진 곳이 대부분이므로 경사진 지형에 대한 강우 시의 우수관망 성능을 검토하였다. 이를 위해 Fig. 10에 보인 바와 같은 경사지를 대상으로 지상영역에 80 mm/hr의 강우강도를 적용하였고, 개방된 바다의 해수면의 높이는 각각 0.5 m, 1.5 m, 2.0 m, 2.5 m로 적용하여 수치모의를 수행하였다. Fig.
이를 통해 개발된 우수관망 수치모형은 Fig. 2와 같이 비선형천수방정식의 연속방정식과 운동방정식 사이에 적용하여 수치모의를 수행하도록 구성하였다.
또한 우수의 배수로 인한 해수면의 높이가 변하는 경우에는 우수의 배수량, 내륙지역에 적용된 우수의 감소량 및 해수의 증가량을 비교한 결과 일치하는 것을 확인하였다. 이와 같이 모든 조건에서 비교한 값이 일치한 것을 확인함으로써 적용된 강우강도 및 우수관망 수치모형의 기본 성능을 검증하였다. 최종적으로 강우강도와 우수관망 시스템을 동시에 적용하였을 때에도 정상적으로 수치모의를 수행하는지 추가적으로 검토하였다.
본 연구에서는 기존의 폭풍해일 수치모형에 강우에 의한 침수 증대 효과를 고려하기 위한 해일-강우-우수관망 결합 수치모형을 개발하였다. 폭풍해일의 연속방정식에 강우효과를 고려하였고, 동시에 우수관망 수치모형을 개발하여 폭풍해일 수치모형과 결합하였다. 수치모형을 검증하기 위해 이를 단순화된 지형을 이용하여 수치모의를 수행하였다.
이론/모형
우수관망 수치모형은 Yoon et al.(1997a, 1997b)이 개발한 관수로에서의 비압축성 부정류 해석 모형을 이용하였다. 이 수치모형은 관수로에 적용되는 모형이므로 유량이 작아 개수로로 흐르는 강우 초기에는 적용할 수 없으나, 강우가 어느 정도 진행되어 본격적으로 흐름이 발생되면 곧 관수로로 전환되므로 실용적인 문제에 적용하기에는 무리가 없을 것으로 판단된다.
성능/효과
우수의 배수에서는 우수의 배수량과 지상영역에서의 우수의 감소량을 비교하였고, 해수의 역류에서는 해수면의 상승에 따른 해수의 역류량과 내륙지역 쌓이는 해수의 증가량을 비교하였다. 그 결과 각 조건에서 비교한 값이 일치하는 것을 확인하였다. 또한 우수의 배수로 인한 해수면의 높이가 변하는 경우에는 우수의 배수량, 내륙지역에 적용된 우수의 감소량 및 해수의 증가량을 비교한 결과 일치하는 것을 확인하였다.
이때에는 누적강우량, 우수관망을 통해 배수 및 역류되는 물의 양과 내륙지역에 쌓이는 물의 양을 비교하였다. 그 결과 누적강우량, 우수관망을 통과하는 우수 및 해수의 양과 내륙지역에 쌓이는 물의 양을 더한 것과 일치하는 것을 확인함으로써 본 연구에서 구축된 우수 관망 수치모형의 실효성을 검증할 수 있었다. 향후 이를 실제 지형에 적용하여 2차원 수치모의를 수행함으로써 기존의 폭풍해일에 의한 침수범람 결과보다 더욱 현실성 있는 수치 모의 결과를 산정할 수 있을 것으로 기대된다.
그 결과 각 조건에서 비교한 값이 일치하는 것을 확인하였다. 또한 우수의 배수로 인한 해수면의 높이가 변하는 경우에는 우수의 배수량, 내륙지역에 적용된 우수의 감소량 및 해수의 증가량을 비교한 결과 일치하는 것을 확인하였다. 이와 같이 모든 조건에서 비교한 값이 일치한 것을 확인함으로써 적용된 강우강도 및 우수관망 수치모형의 기본 성능을 검증하였다.
또한 그림에서 우수 관망 시스템을 통해 배수-역류되는 물의 양을 보면 초기에는 음의 값을 나타내는 바, 이는 해수면의 높이가 지상부의 수위보다 높아 해수가 역류하는 현상이 잘 재현되고 있음을 알 수 있다. 우수관로 시스템이 작동한지 800분 이후 누적강우량과 누적배수량은 일정하게 증가하나, 지상부에 쌓인 물의 양은 더 이상 변화가 없어 평형상태에 이른 다음에는 강우로 인한 우수가 모두 우수관로 시스템을 통해 바다로 지속적으로 배수되고 있음을 보여준다.
후속연구
일반적으로 태풍은 강우를 동반하므로 폭풍해일에 의한 해안 도시범람을 수치모의 하는데 있어 강우의 영향이 반드시 고려되어야 한다. 또한 강우에 의한 우수 배제를 위해 우수관망이 설치되어 있는 것이 일반적이므로 우수관망 시스템이 수치모의에 고려되어야 타당한 결과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다. 이와 같은 강우를 고려한 폭풍해일의 국내 연구로는 Park et al.
그 결과 누적강우량, 우수관망을 통과하는 우수 및 해수의 양과 내륙지역에 쌓이는 물의 양을 더한 것과 일치하는 것을 확인함으로써 본 연구에서 구축된 우수 관망 수치모형의 실효성을 검증할 수 있었다. 향후 이를 실제 지형에 적용하여 2차원 수치모의를 수행함으로써 기존의 폭풍해일에 의한 침수범람 결과보다 더욱 현실성 있는 수치 모의 결과를 산정할 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
최근 지구온난화의 영향으로 태풍의 강도가 증가하여 발생한 문제는?
최근 지구온난화의 영향으로 태풍의 강도가 증가하여 폭풍해일에 의한 해안도시의 범람피해도 증가하고 있다. 태풍에 의해 폭풍해일이 발생하면 해수면이 상승하여 해안지역을 직접 범람시키는 것이 일반적이지만, 태풍에 동반된 강우에 의한 우수가 해수면 상승으로 바다로 원활하게 배제되지 못해 범람이 가중되기도 한다.
본 연구에서는 이러한 점을 고려하여 수치모의를 수행할 수 있는 2차원 비선형 천수방정식을 지배방정식으로 한 이유는?
폭풍해일은 그 주기가 수 분으로부터 수 시간에 달하는 경우가 많기 때문에 장주기파에 속하며 해안 도시지역의 범람을 수치모의 하는 경우 비선형 효과와 바닥마찰은 물론 이동경계 기능이 필수적이다. 따라서 본 연구에서는 이러한 점을 고려하여 수치모의를 수행할 수 있는 2차원 비선형 천수방정식을 지배방정식으로 하였다.
태풍에 의해 폭풍해일이 발생하면 일반적으로 어떤 현상이 생기는가?
최근 지구온난화의 영향으로 태풍의 강도가 증가하여 폭풍해일에 의한 해안도시의 범람피해도 증가하고 있다. 태풍에 의해 폭풍해일이 발생하면 해수면이 상승하여 해안지역을 직접 범람시키는 것이 일반적이지만, 태풍에 동반된 강우에 의한 우수가 해수면 상승으로 바다로 원활하게 배제되지 못해 범람이 가중되기도 한다. 우리나라의 경우, 2003년 태풍 Maemi로 인해 132명의 인명피해, 약 5조원의 재산피해가 발생한 것으로 파악되었다 (Kim et al.
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