최근 기후변화로 인해 강우강도와 홍수 발생빈도가 증가하고 있으며 여름철 태풍으로 인한 침수피해의 가능성이 높아지고 있다. 대하천 사업 이후 하천의 홍수터를 활용하여 생태공원이나 체육시설 등과 같은 다양한 친수시설들이 조성되었으나 태풍으로 인한 하천의 홍수위 상승은 이와 같은 친수시설들에 대한 직접적인 침수피해를 야기할 수 있다. 이러한 홍수터 친수시설에 대한 수리학적 영향 분석이나 안정성 평가를 위해서는 수치해석이 선행되어야 하며, 수위의 상승 및 하강에 의해 발생하는 마름/젖음 현상에 대한 처리가 매우 중요하다. 본 연구에서는 마름/젖음 해석이 가능한 Nays2D 모형을 이용하여 마름/젖음이 발생하는 단순 지형에 대한 적용성을 분석하고, 마름이 발생하는 자연하천에 적용하였다. 실제 태풍 사상에 대한 모형의 현장 적용결과를 수위관측소에서 실측된 실측수위와 비교했으며, 그 결과 $R^2$, AME, RMSE 값이 각각 0.988, 0.208, 0.239로 통계적으로 높은 상관관계를 보였다. 또한, 모형의 결과를 이용하여 홍수위험도 지수를 산정하였으며, 연구결과를 통해 홍수터 친수시설 홍수위험도 평가를 실시하였다.
최근 기후변화로 인해 강우강도와 홍수 발생빈도가 증가하고 있으며 여름철 태풍으로 인한 침수피해의 가능성이 높아지고 있다. 대하천 사업 이후 하천의 홍수터를 활용하여 생태공원이나 체육시설 등과 같은 다양한 친수시설들이 조성되었으나 태풍으로 인한 하천의 홍수위 상승은 이와 같은 친수시설들에 대한 직접적인 침수피해를 야기할 수 있다. 이러한 홍수터 친수시설에 대한 수리학적 영향 분석이나 안정성 평가를 위해서는 수치해석이 선행되어야 하며, 수위의 상승 및 하강에 의해 발생하는 마름/젖음 현상에 대한 처리가 매우 중요하다. 본 연구에서는 마름/젖음 해석이 가능한 Nays2D 모형을 이용하여 마름/젖음이 발생하는 단순 지형에 대한 적용성을 분석하고, 마름이 발생하는 자연하천에 적용하였다. 실제 태풍 사상에 대한 모형의 현장 적용결과를 수위관측소에서 실측된 실측수위와 비교했으며, 그 결과 $R^2$, AME, RMSE 값이 각각 0.988, 0.208, 0.239로 통계적으로 높은 상관관계를 보였다. 또한, 모형의 결과를 이용하여 홍수위험도 지수를 산정하였으며, 연구결과를 통해 홍수터 친수시설 홍수위험도 평가를 실시하였다.
Recent climage changes have resulted in increases in rainfall intensity and flood frequency as well as the risk of flood damage due to typhoons during the summer season. Water-friendly facilities such as ecological parks and sports facilities have been established on floodplains of rivers since the ...
Recent climage changes have resulted in increases in rainfall intensity and flood frequency as well as the risk of flood damage due to typhoons during the summer season. Water-friendly facilities such as ecological parks and sports facilities have been established on floodplains of rivers since the river improvement project was implemented and increases in the flood levels of rivers due to typhoons can lead to direct flood damage to such facilities. To analyze the hydraulic influence of these water-friendly facilities on floodplains or to evaluate their stability, numerical analysis should be performed in advance. In addition, it is crucial to address the drying and wetting processes generated by water level fluctuations. This study uses a Nays2D model, which analyzes drying and wetting, to examine its applicability to simple terrain in which such fluctuations occur and to natural rivers in which drying occurs. The results of applying this model to sites of actual typhoon events are compared with values measured at water level observatories. Through this comparison, it is determined that values of coefficient of determination ($R^2$), mean absolute error (MAE), and root-mean-square error (RMSE) are 0.988, 0.208, and 0.239, respectively, thus showing a statistically high correlation. In addition, the results are used to calculate flood risk indices for evaluation of such risk for water-friendly facilities constructed on floodplains.
Recent climage changes have resulted in increases in rainfall intensity and flood frequency as well as the risk of flood damage due to typhoons during the summer season. Water-friendly facilities such as ecological parks and sports facilities have been established on floodplains of rivers since the river improvement project was implemented and increases in the flood levels of rivers due to typhoons can lead to direct flood damage to such facilities. To analyze the hydraulic influence of these water-friendly facilities on floodplains or to evaluate their stability, numerical analysis should be performed in advance. In addition, it is crucial to address the drying and wetting processes generated by water level fluctuations. This study uses a Nays2D model, which analyzes drying and wetting, to examine its applicability to simple terrain in which such fluctuations occur and to natural rivers in which drying occurs. The results of applying this model to sites of actual typhoon events are compared with values measured at water level observatories. Through this comparison, it is determined that values of coefficient of determination ($R^2$), mean absolute error (MAE), and root-mean-square error (RMSE) are 0.988, 0.208, and 0.239, respectively, thus showing a statistically high correlation. In addition, the results are used to calculate flood risk indices for evaluation of such risk for water-friendly facilities constructed on floodplains.
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제안 방법
(1) Nays2D 모형의 마름/젖음 현상에 대한 적용성을 분석하기 위해 조위에 의한 마름 발생 영역에 적용하였고, 기존 연구결과와 비교하였다. 그 결과 Nays2D 모형이 수위가 상승 및 하강함에 따라 발생하는 젖음과 마름에 대한 현상을 적절하게 구현하는 것으로 판단된다.
(3) 낙동강 강정고령보-달성보 구간에서 태풍 산바 사상에 의해 발생하는 홍수터의 마름/젖음 및 침수피해를 해석하기 위해 42시간 동안 부정류 모의를 실시하였으며, 모의결과를 고령교 수위관측소에서의 실측수위와 비교하였다. 그 결과 R2, AME, RMSE 값이 각각 0.
(5) 실제 현장에 적용한 Nays2D 모형의 결과를 이용하여 기존 연구에서 제안한 FII와 FHR을 산정하여 친수시설 홍수위험도를 평가하였다. 모의구간 내 홍수위험도 지수는 대부분 저수호안 부근에서 높게 나타나고 있으며, 홍수터 구간에서는 일부를 제외하고는 대부분 낮은 값을 보이고 있다.
(6) 본 연구에서는 Nays2D 모형의 마름/젖음이 발생하는 자연하천에 대한 적용성을 분석하였으며, 그 결과를 이용하여 친수시설 홍수위험도 지수를 산정하고 평가하였다. 본 연구결과는 여름철 갑작스런 집중호우로 인한 홍수위험도를 사전에 예측하여 홍수에 대한 피해를 저감하는데 활용될 수 있을 것이며, 향후 연구를 통해 홍수위험도 지수에 침식 및 퇴적에 대한 인자까지 고려된다면 홍수터에 설치된 친수시설의 효율적 유지 및 관리를 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
Nays2D 모형의 현장적용을 위해 사용한 홍수사상은 2012년 9월에 내습한 태풍 산바 때의 홍수사상을 이용하였고, 모형의 상류단 경계조건은 낙동강 홍수통제소에서 제공하는 화원수위관측소 지점의 유량 값을 사용하였으며, 하류단 경계조건은 선행연구(Ku et al., 2013)에서 검증된 달성보 직상류에서의 HEC-RAS 수위결과를 사용하여 2012년 9월 17일 11시에서 2012년 9월 19일 5시까지 첨두홍수량이 발생한 전·후로 하여 총 42시간 동안 부정류 모의를 실시하였다(Fig. 9).
검증된 Nays2D 모형을 이용하여 태풍 사상 시 모의구간에 대한 모의를 실시하였고, 시간에 따른 등수심도와 유속 결과를 Figs. 11 and 12에 나타내었다.
본 연구에서는 2차원 흐름해석모형인 Nays2D를 조위에 의해 마름이 발생하는 선형경사수로와 마름/젖음 조건을 가지는 실험 수로에 적용하여 모형의 적용성을 검증하고 낙동강 강정고령보-달성보 구간에 적용하여 태풍 사상에 의한 홍수터구간에서의 수리학적 영향을 분석하였다. 또한, 모형의 현장적용 결과를 이용하여 친수시설 홍수위험도를 평가하였다. 본 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.
, 2009) 결과와 비교하여 Nays2D 모형의 마름/젖음 현상에 대한 적용성을 분석한 후, 낙동강 강정고령보-달성보 구간에 적용하여 태풍 사상에 대한 홍수터구간에서의 수리학적 영향을 분석하였다. 또한, 유속과 수심 모의결과를 이용하여 Beffa(1998)가 제안한 홍수강도지수(Flood Intensity Index, FII)와 HR Wallingford(2006)의 홍수위험도를 산정하고 이를 통해 친수시설 홍수위험도 평가를 실시하였다.
본 연구에서는 2차원 흐름해석모형인 Nays2D를 조위에 의해 마름이 발생하는 선형경사수로와 마름/젖음 조건을 가지는 실험 수로에 적용하여 모형의 적용성을 검증하고 낙동강 강정고령보-달성보 구간에 적용하여 태풍 사상에 의한 홍수터구간에서의 수리학적 영향을 분석하였다. 또한, 모형의 현장적용 결과를 이용하여 친수시설 홍수위험도를 평가하였다.
본 연구에서는 일본 훗카이도 대학에서 개발한 iRIC(International River Interface Cooperative) software package에 포함되어 있는 2차원 유한차분모형인 Nays2D를 이용하여 단순 지형에서의 마름/젖음에 대한 모의결과를 선행연구(Shi et al., 2013; Kim et al., 2009) 결과와 비교하여 Nays2D 모형의 마름/젖음 현상에 대한 적용성을 분석한 후, 낙동강 강정고령보-달성보 구간에 적용하여 태풍 사상에 대한 홍수터구간에서의 수리학적 영향을 분석하였다. 또한, 유속과 수심 모의결과를 이용하여 Beffa(1998)가 제안한 홍수강도지수(Flood Intensity Index, FII)와 HR Wallingford(2006)의 홍수위험도를 산정하고 이를 통해 친수시설 홍수위험도 평가를 실시하였다.
본 절에서는 Nays2D 모형의 결과를 이용하여 홍수터 구간에서의 홍수위험도 지표를 산정하여 친수시설 홍수위험도 평가를 실시하였다. Table 7은 Beffa(1998)가 제안한 홍수강도지수(Flood Intensity Index, FII)로서 유속이 1 m/s 미만일 경우 FI는 수심과 같고, 유속이 1 m/s 이상일 경우 FI는 유속과 수심의 곱으로 계산하여 홍수위험도를 산정하였다.
, 2009). 실험수로에서의 실측지점은 종방향으로 2.2 m, 3.1 m 그리고 3.8 m 지점에서 각 구간마다 횡방향으로 0.1 m 간격으로 실측하였다.
8은 Nays2D 모형의 격자망과 모형의 검증위치를 나타낸 것이다. 주수로와 둔치를 포함한 총 23,550개의 격자를 구성하여 해가 수렴하는 범위 내에서 최대한 많은 영역을 이산화하였으며, 낙동강 홍수통제소에서 제공하는 고령교 수위관측소 지점의 수위측정결과를 이용하여 모형의 검증을 실시하였다. 모형의 정확성을 평가하기 위해 결정계수(R2), 절대평균오차(AME), 평균제곱오차의 평방근(RMSE)를 사용하였다(Table 4).
대상 데이터
Nays2D 모형은 사각격자만을 이용하기 때문에 Kim et al.(2009)에서 사용한 격자와는 다르게 총 256개의 사각격자망으로 조밀하게 구성하였으며, 경계조건은 상류단 유량 0.016 m3/s, 하류단 수위 0.29 m로 부여하였다. Nays2D 모형의 모의 결과와 3개 지점에서 측정한 결과 및 Kim et al.
6에 나타내었다. 선정된 구간은 금호강 합류지점 하류에 위치한 화원수위관측소로부터 달성보 직상류까지 약 15 km에 이르는 구간이다. 모의구간 내의 홍수터에는 수변데크, 인공습지 및 공원과 같은 다양한 친수시설들이 위치하고 있다.
데이터처리
Table 5는 모의에 사용한 모형의 매개변수를 나타낸 것이며, △t를 1 s로 하여 총 42 hr동안 모의하였다. 모형의 검증은 Fig. 10과 같이 고령교 수위관측소에서 측정된 수위 값과 같은 지점에서의 모의 값을 통계분석을 이용하여 비교하였으며, 그 결과 AME, RMSE 그리고 R2 값이 각각 0.208, 0.239, 0.988의 상관성을 보였다. 모형을 현장에 적용하기 위한 통계분석 결과 오차허용범위 내의 값을 보이고 있지만, 홍수파의 도달시간이 실측값과 다소 차이를 보이는 것은 실제 지형과 모형에 사용된 지형(하천기본계획 단면자료)의 차이에 인한 것으로 판단된다.
주수로와 둔치를 포함한 총 23,550개의 격자를 구성하여 해가 수렴하는 범위 내에서 최대한 많은 영역을 이산화하였으며, 낙동강 홍수통제소에서 제공하는 고령교 수위관측소 지점의 수위측정결과를 이용하여 모형의 검증을 실시하였다. 모형의 정확성을 평가하기 위해 결정계수(R2), 절대평균오차(AME), 평균제곱오차의 평방근(RMSE)를 사용하였다(Table 4).
바닥경사가 선형적으로 변화하는 지형에서 조위조건에 따른 마름/젖음 발생 현상을 모의하기 위해 Nays2D 모형을 적용하고 기존 연구결과와 비교하였다. 모의를 위한 경계조건과 지형 격자는 Table 1 and Fig.
이론/모형
수로의 좌안부 바닥이 돌출되어 있는 수로에서 Kim et al.(2009)이 수행한 수리실험 조건과 동일한 조건에서 Nays2D 모형을 적용하고 모의결과를 비교하였다. 수로의 제원은 전체길이 6.
Nays2D 모형에서는 이송항에 CIP(Cubic Interpolated Pseudo particle) 유한차분 기법을 적용하여 지배방정식을 차분하며, 최소수심(minimum water depth)을 사용자가 입력하여 마름이 발생한 영역에는 이 값이 할당되도록 하는 Eulerian fixed mesh 형태의 박막기법(thin film method)을 이용한다.
성능/효과
(2) 마름/젖음 조건을 가지는 실험 수로에 Nays2D 모형을 적용하여 기존 연구결과(수리실험 및 수치해석 결과)와 비교하였을 때 수심과 유속에 대한 R2 값이 각각 0.995, 0.834 이상의 상관관계를 보였으며, 일부 비교단면에서의 상관성은 다소 낮게 나타났으나 실제 마름/젖음이 발생하는 현장에 적용하기에는 적절하다고 판단된다.
(4) 달성보 상류 좌안에 위치한 홍수터 구간 내 공원에서의 수리학적 영향을 분석한 결과 태풍 산바 시 24시간 이상 침수된 것을 알 수 있었으며, 홍수터 구간에는 주수로에 비해 매우 낮은 유속을 나타내고 있었다.
4 and 5에 나타내었으며, R2 값을 비교하였다(Tables 2 and 3). Nays2D에 의한 유속 및 수심 모의결과가 RMA-2에 비해 실측값에 더욱 근사하여 R2가 0.99 이상의 상관성을 보였다. 그러나 예외적으로 Fig.
(1) Nays2D 모형의 마름/젖음 현상에 대한 적용성을 분석하기 위해 조위에 의한 마름 발생 영역에 적용하였고, 기존 연구결과와 비교하였다. 그 결과 Nays2D 모형이 수위가 상승 및 하강함에 따라 발생하는 젖음과 마름에 대한 현상을 적절하게 구현하는 것으로 판단된다.
(3) 낙동강 강정고령보-달성보 구간에서 태풍 산바 사상에 의해 발생하는 홍수터의 마름/젖음 및 침수피해를 해석하기 위해 42시간 동안 부정류 모의를 실시하였으며, 모의결과를 고령교 수위관측소에서의 실측수위와 비교하였다. 그 결과 R2, AME, RMSE 값이 각각 0.988, 0.208, 0.239로 통계적으로 높은 상관관계를 보이고 있으며, 실제 마름/젖음이 발생하는 자연하천에서 Nays2D 모형의 적용성을 입증하였다.
2(c) and (d)에서와 같이 t = 42 min과 t = 54 min에서 수위가 상승함에 따라 마름이 발생하였던 영역이 다시 젖음상태로 바뀌었다. 이상의 결과로부터 Nays2D 모형을 선형 하상경사 지형에서의 조위변화 조건에 적용하였을 때 마름/젖음 현상에 대한 모의가 적절하게 이루어지고 있음을 알 수 있다.
모의구간 내 홍수위험도 지수는 대부분 저수호안 부근에서 높게 나타나고 있으며, 홍수터 구간에서는 일부를 제외하고는 대부분 낮은 값을 보이고 있다. 특히 공원이 위치하고 있는 달성보 상류 홍수터 구간에서는 홍수위험도 지수가 다른 홍수터 구간에 비해 높은 값을 보이고 있어, 태풍으로 인한 홍수위험도가 높을 것으로 예상되었다.
후속연구
(6) 본 연구에서는 Nays2D 모형의 마름/젖음이 발생하는 자연하천에 대한 적용성을 분석하였으며, 그 결과를 이용하여 친수시설 홍수위험도 지수를 산정하고 평가하였다. 본 연구결과는 여름철 갑작스런 집중호우로 인한 홍수위험도를 사전에 예측하여 홍수에 대한 피해를 저감하는데 활용될 수 있을 것이며, 향후 연구를 통해 홍수위험도 지수에 침식 및 퇴적에 대한 인자까지 고려된다면 홍수터에 설치된 친수시설의 효율적 유지 및 관리를 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
특히 공원이 위치하고 있는 달성보 상류 홍수터 구간에서는 홍수위험도 지수가 다른 홍수터 구간에 비해 높은 값을 보이고 있어, 태풍으로 인한 홍수위험도가 높을 것으로 예상된다. 본 연구의 결과는 여름철 갑작스런 집중호우로 인한 홍수위험도를 사전에 예측하여 홍수에 대한 피해를 저감하는데 활용될 수 있을 것이며, 향후 연구를 통해 홍수위험도 지수에 침식 및 퇴적에 대한 인자까지 고려된다면 친수시설 유지 및 관리에도 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Nays2D는 무엇을 기반으로 개발되었는가?
Nays2D는 2차원 흐름해석 모형으로 1990년대 훗카이도 대학에서 2차원 평면 흐름과 하상 변형 계산을 위한 RIC-Nays2 모형을 기반으로 개발되었다. Nays2D 모형은 부정류 해석과 마름/젖음 처리가 가능하며, 2차원 흐름장 계산을 위한 지배방정식은 다음과 같다.
마름/젖음 현상에 의한 모형의 발산문제를 해결하는 방법은 어떻게 나뉘는가?
일반적으로 마름/젖음에 대한 문제를 해결하는 방법은 마름/젖음에 상관없이 모든 부분에서 방정식을 푸는(Kim et al., 2009) 박막(Thin film)기법과 해석영역으로부터 마름 부분을 제거하는 이동경계법으로 나눌 수 있다. 박막기법은 미리 설정된 임계값 이하로 수심이 떨어지면 요소의 경계면에 플럭스 제한 조건을 적용하여 마름이 발생한 것으로 간주해 마름/젖음에 상관없이 모든 부분에서 방정식을 풀기 때문에 수학적으로 정교하지는 않으나 수치적으로 간단하여 복잡한 지형과 더 많은 요소를 이용할 수 있다.
둔치에서의 흐름양상이 본류의 흐름과 많이 차이 나는 이유는?
따라서 이와 같은 홍수피해를 예측하기 위해서는 둔치를 포함한 복단면에서의 흐름해석을 통한 수리학적 영향분석과 이를 결과로한 친수시설 홍수위험도 평가가 필요하다. 둔치에서의 흐름양상은 주수로에 비하여 수심이 얕고 흐름에 대한 저항이 커서 본류의 흐름과는 많은 차이가 있으므로 2차원 수치해석이 바람직한 것으로 제안되고 있다(Sato et al., 1989).
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