최근 집중호우로 인한 홍수발생 빈도와 그 규모가 커지고 있다. 이러한 현상을 반영하여 많은 국가에서는 향후 발생가능한 홍수로 발생할 수 있는 피해에 대한 위험성에 대한 인식을 국민에게 제고할 수 있는 홍수위험지도가 제작되고 있다. 홍수위험지도는 다양한 홍수범람해석모형을 통해 작성되는 데 침수원인에 따라 외수범람해석모형과 내수범람해석모형으로 구분할 수 있다. 국내 외적으로 다양한 홍수범람해석모형이 사용되고 있지만 미육군공병단에서 개발된 HEC-RAS 모형을 제외한 대부분은 고가의 상용 프로그램으로써 그 사용성이 제한되어 있는 것이 사실이다. 이러한 상황에서 현재 미육군공병단에서는 기존 1차원 모형인 HEC-RAS 모형과 연계 가능한 2차원 모형을 개발 중에 있다. 이 모형은 HEC-RAS 5.0이라는 명칭으로 베타버전이 공개되었다. 본 연구에서는 곡교천을 대상으로 선공개된 HEC-RAS 5.0 모형 베타버전과 국내 홍수위험지도 작성 시 사용되는 FLUMEN 모형과의 비교를 통해 모형의 특징, 사용성, 적용성, 결과의 정확성 등을 평가하였다. 본 연구를 통해 얻은 결과는 향후 HEC-RAS 5.0 모형이 안정되어 서비스 되면 외수침수범람해석과 관련된 사업과 연구 등 다방면에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
최근 집중호우로 인한 홍수발생 빈도와 그 규모가 커지고 있다. 이러한 현상을 반영하여 많은 국가에서는 향후 발생가능한 홍수로 발생할 수 있는 피해에 대한 위험성에 대한 인식을 국민에게 제고할 수 있는 홍수위험지도가 제작되고 있다. 홍수위험지도는 다양한 홍수범람해석모형을 통해 작성되는 데 침수원인에 따라 외수범람해석모형과 내수범람해석모형으로 구분할 수 있다. 국내 외적으로 다양한 홍수범람해석모형이 사용되고 있지만 미육군공병단에서 개발된 HEC-RAS 모형을 제외한 대부분은 고가의 상용 프로그램으로써 그 사용성이 제한되어 있는 것이 사실이다. 이러한 상황에서 현재 미육군공병단에서는 기존 1차원 모형인 HEC-RAS 모형과 연계 가능한 2차원 모형을 개발 중에 있다. 이 모형은 HEC-RAS 5.0이라는 명칭으로 베타버전이 공개되었다. 본 연구에서는 곡교천을 대상으로 선공개된 HEC-RAS 5.0 모형 베타버전과 국내 홍수위험지도 작성 시 사용되는 FLUMEN 모형과의 비교를 통해 모형의 특징, 사용성, 적용성, 결과의 정확성 등을 평가하였다. 본 연구를 통해 얻은 결과는 향후 HEC-RAS 5.0 모형이 안정되어 서비스 되면 외수침수범람해석과 관련된 사업과 연구 등 다방면에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
Recently, the flood frequency and magnitude have increased due to heavy rainfall. Considering the present condition, a flood risk map has been published in many countries to raise awareness about flood damage to people. A flood inundation analysis model, which is used to publish the flood risk map, ...
Recently, the flood frequency and magnitude have increased due to heavy rainfall. Considering the present condition, a flood risk map has been published in many countries to raise awareness about flood damage to people. A flood inundation analysis model, which is used to publish the flood risk map, can be classified as river and inland inundation models according to the inundation cause. Although a variety of flood inundation analysis models are utilized both domestically and overseas, their usability is limited by the expensive price, except for the HEC-RAS model developed by U.S. Army Corps of Engineers (USACE). In the situation, the USACE has developed a 2-D HEC-RAS model that can be linked to the existing 1-D model. This model has been released as a beta version under the name, HEC-RAS 5.0. In this study, the HEC-RAS 5.0 model's features, usability, applicability, and accuracy were evaluated by comparing the performances on Gokgyo-cheon with the FLUMEN model, which is used for domestic flood risk mapping. The results of this study will contribute to river inundation analysis in many different ways after the HEC-RAS 5.0 model is stabilized.
Recently, the flood frequency and magnitude have increased due to heavy rainfall. Considering the present condition, a flood risk map has been published in many countries to raise awareness about flood damage to people. A flood inundation analysis model, which is used to publish the flood risk map, can be classified as river and inland inundation models according to the inundation cause. Although a variety of flood inundation analysis models are utilized both domestically and overseas, their usability is limited by the expensive price, except for the HEC-RAS model developed by U.S. Army Corps of Engineers (USACE). In the situation, the USACE has developed a 2-D HEC-RAS model that can be linked to the existing 1-D model. This model has been released as a beta version under the name, HEC-RAS 5.0. In this study, the HEC-RAS 5.0 model's features, usability, applicability, and accuracy were evaluated by comparing the performances on Gokgyo-cheon with the FLUMEN model, which is used for domestic flood risk mapping. The results of this study will contribute to river inundation analysis in many different ways after the HEC-RAS 5.0 model is stabilized.
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문제 정의
0 모형에 대한 사용성, 결과에 대한 정확성 등에 대한 평가가 완료된 후 서비스 된다면 향후 다양한 연구가 진행되는 데 많은 기여할 수 있을 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 이러한 목적을 달성하기 위해 선공개된 HEC-RAS 5.0 베타버전을 대상으로 국내 홍수위험지도 작성 시 사용되는 FLUMEN 모형과의 비교를 통해 모형의 특징, 사용성, 적용성, 결과의 정확성 등을 평가하였다. 이 때 평가를 위한 시범지역은 삽교천으로 유입되는 곡교천으로 선정하였다.
본 연구에서는 국내 홍수위험지도 제작 사업에서 2차원 모의를 위해 사용되는 FLUMEN 모형과 미육군공병단에서 2차원 모의 모듈을 추가하여 새롭게 개발한 HEC-RAS 5.0 모형을 이용하여 곡교천 아산지구에 대한 500년 빈도 파제 시나리오를 모의하였다. 도출된 결과를 활용하여 정확성을 비교하고, 모의 과정에서 얻은 사용성과 적용성 등을 평가하였다.
가설 설정
본 연구에서 대상구간으로 선정한 지역은 이미 홍수에 대비한 치수대책으로 제방이 설치되어 있는 곳으로 외수범람을 모의하기 위해 제방이 파괴되는 파제 시나리오를 가정하였다. 파제 시나리오를 적용하기 위한 파제지점은 금강 홍수위험지도 제작 보고서(국토교통부, 2015)에서 곡교천 아산지구 홍수위험지도 작성을 위해 선정한 파제지점 중 BP4 지점과 동일하게 선정하였다.
제안 방법
또한 2차원 구간에 직접 경계조건을 입력할 수 있으며, 조건의 형태는 수위-유량곡선, 수위곡선, 등류 수심 등이 있다. HEC-RAS 5.0 모형은 1.5-D의 개념으로 하도 내 홍수위만을1차원으로 모의하고, 파제 시나리오는 FLUMEN 모형과 동일한 조건으로 파제지점으로 유입되는 홍수량은 2차원으로 모의하였다.
HEC은 기존 HEC-RAS의 1차원 부정류해석에 2차원 유체유동흐름해석 수행 기능을 추가하였다. 사용자는 Full Saint-Venant 방정식 또는 Diffusion Wave 방정식 기반의 2차원 부정류 해석 기능을 1차원 기능과 함께 사용할 수 있게 되었다.
육안으로 확인할 경우 침수범위가 대동소이한 것으로 판단된다. 다음으로 침수심을 0.5m 단위로 구분하여 침수심별 침수면적 결과를 산정하고 두 모형간의 값을 비교하였다. 각 외수범람해석모형의 정량적 결과분석을 위해 침수심별 침수면적과 차이를 다음 Table 3와 Fig.
0 모형을 이용하여 곡교천 아산지구에 대한 500년 빈도 파제 시나리오를 모의하였다. 도출된 결과를 활용하여 정확성을 비교하고, 모의 과정에서 얻은 사용성과 적용성 등을 평가하였다. 본 연구를 수행하여 도출한 결론은 아래와 같다.
외수범람모의를 위해 적용한 홍수사상은 우리나라 홍수위험지도 제작 시 적용되는 조건인 100년 빈도 홍수량, 200년 빈도 홍수량, 500년 빈도 홍수량, 하도할당량 중 가장 큰 값인 500년 빈도를 적용하였다. 외수범람해석모형에 경계조건으로 적용한 상·하류단 경계조건은 아래 Fig.
대상 데이터
7m)에서 발원하여 산지협곡사이를 북서류 또는 북동류를 반복한 후 세종특별자치시 전의면 유천리 행정교 지점에서 북북서류한 후 계속하여 흐르다가 천안시 풍세면 용정리에서 좌안측으로 유입하는 풍서천과 합류하여 유향을 서측으로 전환하여 흐르면서 여러개의 지류들과 합류하고 아산시 인주면 대음리와 선장면 신문리경계지에서 본류인 삽교천 우안측으로 유입한다. 곡교천 중 본 연구에서 대상구간으로 선정한 곳은 곡교천 상류인 하천기본계획 기준 측점 No. 35 ~ 39 지점으로 하천연장 2km를 선정하였다(삽교천수계(무한천, 곡교천) 하천기본계획(국토해양부 대전지방국토관리청, 2012))[7].
본 연구에서 대상지역으로 선정한 곡교천은 삽교천의 제1지류로서 유역면적 542.14km², 유로연장 49.47km로 삽교천 본류 유역면적 (A=1,645.09km²)의 약 33%를 하고 있으며 삽교천 유역의 북동쪽에 위치해 있다.
불칙 삼각격자망 구성이 완료되면 Manning-Strickler식을 통해 산정한 토지특성별 조도계수를 부여하고, 특정 조도계수를 부여하려는 영역의 꼭지점 좌표를 텍스트 형태로 구축한다. 본 연구의 대상지역인 아산지구를 불규칙 삼각격자망으로 구성한 그림과 토지특성별 조도계수를 부여한 그림은 각각 Fig. 3와 Fig. 4이다.
0 베타버전을 대상으로 국내 홍수위험지도 작성 시 사용되는 FLUMEN 모형과의 비교를 통해 모형의 특징, 사용성, 적용성, 결과의 정확성 등을 평가하였다. 이 때 평가를 위한 시범지역은 삽교천으로 유입되는 곡교천으로 선정하였다.
본 연구에서 대상구간으로 선정한 지역은 이미 홍수에 대비한 치수대책으로 제방이 설치되어 있는 곳으로 외수범람을 모의하기 위해 제방이 파괴되는 파제 시나리오를 가정하였다. 파제 시나리오를 적용하기 위한 파제지점은 금강 홍수위험지도 제작 보고서(국토교통부, 2015)에서 곡교천 아산지구 홍수위험지도 작성을 위해 선정한 파제지점 중 BP4 지점과 동일하게 선정하였다. 금강 홍수위험지도 제작에서 곡교천 아산지구 홍수위험지도 작성을 위해 선정한 파제지점은 아래 Fig.
이론/모형
FLUMEN 모형은 시간에 대하여 양해법으로 계산하며 Roe 기법(1차 정확도)에 의한 플럭스 차분 분할 기법을 활용한 불규칙 삼각격자망을 사용하여 범람해석을 수행한다. 바닥마찰은 Manning-Strickler 공식 또는 logarithmic friction law (대수법칙)을 이용해서 계산되며 유사의 퇴적/침식 및 제방붕괴를 해석하기 위한 이동상 모듈을 포함하고 있다.
각 외수범람해석모형 결과를 비교하기 위해 격자별로 산정된 침수심 결과를 홍수위험지도 기본계획(국토해양부, 2008)[9]에 준하여 구간별로 나누어 그림으로 나타내었다. 본 연구의 대상지역의 파제 조건 시 500년 빈도홍수량일 경우를 가정하여 모의한 결과는 아래 Fig.
Tayefi 등(2007)은 HEC-RAS와 확산파 방정식 기반의 2차원 모델링을 통해 영국 Wharfe 강에 대한 모의 및 결과를 비교 분석하였다[2]. 강수만 등(2007)이 진위천을 대상으로 FLUMEN 모형을 이용하여 외수범람해석을 수행하였고, 실제 침수실적과 비교하였다[3]. 이기하 등(2010)은 지형데이터의 전처리 과정을 간략화하고, 모의수행시간을 단축할 수 있는 Raster 기반의 2차원 홍수범람해석모형을 개발하였으며 FLUMEN 모형을 이용해 분석한 결과와 비교하였다[4].
FLUMEN 모형은 시간에 대하여 양해법으로 계산하며 Roe 기법(1차 정확도)에 의한 플럭스 차분 분할 기법을 활용한 불규칙 삼각격자망을 사용하여 범람해석을 수행한다. 바닥마찰은 Manning-Strickler 공식 또는 logarithmic friction law (대수법칙)을 이용해서 계산되며 유사의 퇴적/침식 및 제방붕괴를 해석하기 위한 이동상 모듈을 포함하고 있다. 수심 적분된 천수방정식의 보존형태는 아래의 식과 같으며, x와 y에 대한 플럭스 벡터와 소스벡터는 식(1), (2), (3)과 같다.
HEC은 기존 HEC-RAS의 1차원 부정류해석에 2차원 유체유동흐름해석 수행 기능을 추가하였다. 사용자는 Full Saint-Venant 방정식 또는 Diffusion Wave 방정식 기반의 2차원 부정류 해석 기능을 1차원 기능과 함께 사용할 수 있게 되었다. 아래 식(7)은 연속방정식, 식(8),(9)는 각각 x,y 방향의 모멘트 방정식으로 표시되는 2DSaint-Venant 방정식이다.
성능/효과
1) FLUMEN 모형을 이용하여 대상지역의 외수침수를 모의한 결과 0.958km²가 침수되었고, HEC-RAS 5.0모형을 이용하여 모의한 결과 0.844km²가 침수되는 것으로 분석되었다.
2) 두 모형을 이용하여 모의한 침수심 결과를 0.5m간격으로 구분하고, 침수심별 침수면적을 비교하였을 때 침수심별 침수면적의 양상은 비슷하였으나 침수심 2.0∼2.5m, 2.5∼3.0m, 3.0∼3.5m 구간에서 비교적 큰 면적차를 보였다.
3) 침수심별 면적차를 비교 결과를 보면 FLUMEN모형이 HEC-RAS 5.0 모형보다 침수심이 크게 산정되었고, 침수면적 또한 HEC-RAS 5.0 모형에 비해 넓게 산정되는 경향이 있는 것으로 판단된다. 두 모형간 오차가 발생하는 원인은 HEC-RAS 5.
후속연구
5) 본 연구를 통해 얻은 결과는 향후 HEC-RAS 5.0모형이 안정되어 서비스 되면 외수침수범람해석과 관련된 사업과 연구 등 다방면에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
0이라는 명칭으로 2014년 1월 베타버전이 1차 공개되었고, 2015년 2월 개선된 2차 베타버전이 공개되었다. 만약 HEC-RAS 5.0 모형에 대한 사용성, 결과에 대한 정확성 등에 대한 평가가 완료된 후 서비스 된다면 향후 다양한 연구가 진행되는 데 많은 기여할 수 있을 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 이러한 목적을 달성하기 위해 선공개된 HEC-RAS 5.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
FLUMEN 모형을 사용하기 적합한 곳은 어디인가요?
FLUMEN(FLUvial Modelling ENgine) 모형은 천수방정식(shallow water equation)을 지배방정식을 사용하는 비정형 격자형태의 홍수범람해석모형이다. 하천의 합류지점이나 만곡 부분과 같이 수리학적으로 복잡한 해석에 적합한 모형이다. 국내에서는 홍수위험지도 제작에 2차원 범람해석모형으로 활용되고 있다.
FLUMEN 모형은 어떤 모형인가요?
FLUMEN(FLUvial Modelling ENgine) 모형은 천수방정식(shallow water equation)을 지배방정식을 사용하는 비정형 격자형태의 홍수범람해석모형이다. 하천의 합류지점이나 만곡 부분과 같이 수리학적으로 복잡한 해석에 적합한 모형이다.
HEC는 기존의 해석에 어떤 기능을 추가했나요?
HEC은 기존 HEC-RAS의 1차원 부정류해석에 2차원 유체유동흐름해석 수행 기능을 추가하였다. 사용자는 Full Saint-Venant 방정식 또는 Diffusion Wave 방정식 기반의 2차원 부정류 해석 기능을 1차원 기능과 함께 사용할 수 있게 되었다.
참고문헌 (9)
M. S. Horritt, P. D. Bates, "Evaluation of 1D and 2D Numerical Models for Predicting River Flood Inundation", Journal of Hydrology, Vol.268, No.1, pp. 87-99. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/s0022-1694(02)00121-x
V. Tayefi, S. N. Lane, R. J. Hardy, D. Yu, "A Comparison of One and Two-dimensional Approaches to Modelling Flood Inundation Over Complex Upland Floodplains", Hydrological Processes, Vol.21, No.23, pp. 3190-3202. DOI: http://dx.doi.org/10.1002/hyp.6523
S. M. Kang, M. J. Park, S. H. Kim, S. J. Kim, "A Study on the Mitigation of Inundation Damage Using Flood Inundation Analysis Model FLUMEN - For the Part of Jinwicheon Reach", Journal of Korean Society of Civil Engineers, Vol.27, No.6, pp. 583-590, 2007.
W. H. Cho, K. Y. Han, K. H. Ahn, "Flood Risk Mapping with FLUMEN Model Application", Journal of Korean Society of Civil Engineers, Vol.30, No.2, pp. 169-177, 2010.
K. H. Lee, S. S. Lee, G. S. Jung, "Development of a Raster-based Two-dimensional Flood Inundation Model", Journal of Korean Society of Hazard Mitigation, Vol.10, No.6, pp. 155-163, 2010.
C. G. Choi, Y. S. Choi, G. T. Kim, "Comparison and Evaluation of the Inundation Areas by Levee Breaching using LISFLOOD", Journal of Korean Wetlands Society, Vol.16, No.3, pp. 383-392, 2014. DOI: http://dx.doi.org/10.17663/jwr.2014.16.3.383
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