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문제 정의
- 이에 반하여 SCHISM 모형의 경우 FLOW-3D 모형과 Delft3D 모형의 한계점인 부분이 MPI(Message Passing Interface)사용을 통하여 해결이 가능하며, DELFT 3D 모형과 같이 시간에 따라 지형이 수직방향으로 변화가 가능하여 제방붕괴를 재현할 수 있다는 장점이 있다. 따라서 본고에서는 새만금 유역내 전주천 팔복동 지역을 대상으로, 제방붕괴로 인한 제내지 범람모의를 SCHISM 모형을 통하여 수행하였으며, 빈도에 따른 범람피해 영향을 검토하였다.
제안 방법
- SCHISM 모형의 흐름(Hydrodynamic) 모듈과 범람(Inundation) 모듈의 타당성을 검토하기 위하여 다음과 같이 Table 1에 Case를 설정하였다. Case 1은 단면 급 확대부분을 가지고 있는 이상화 수로에서의 유속분포에 대한 해석해(Analytical Solution)와 SCHISM 모의 결과를 비교하였다.
- 연구 대상지인 팔복동의 경우, 만경강 유역종합치수계획 보고서(2008, 국토해양부)에 따르면 상습 침수구역으로 분류되어 있으며, 빈도별 홍수위 검토 시, 제방고보다 홍수위가 높아 모의 대상지로 선정하게 되었다. 따라서 본고에서는 전주천 팔복동지역에 대하여 빈도별 (100년, 200년, 500년 빈도) 홍수량에 따른 제내지 범람 피해 양상(침수심, 전파면적)을 비교하였다. 또한 실제지형에 적용 전에 이상화수로에서 제방붕괴 재현여부에 따른 범람 양상에 대하여 검토하였다.
- 따라서 본고에서는 전주천 팔복동지역에 대하여 빈도별 (100년, 200년, 500년 빈도) 홍수량에 따른 제내지 범람 피해 양상(침수심, 전파면적)을 비교하였다. 또한 실제지형에 적용 전에 이상화수로에서 제방붕괴 재현여부에 따른 범람 양상에 대하여 검토하였다.
- 실제 지형에 모형을 적용하기 전 SCHISM 모형의 타당성을 판단하기 위하여 속도분포 해석해(Analytical Solution)를 수치 모의결과와 비교하였으며, 2 % 이내의 오차를 보여 SCHISM 모형이 비교적 정확한 모의를 수행한다는 것을 확인하였고 본 연구에 사용된 SCHISM 모형은 제방붕괴로 인한 제내지 범람모의에 적합한 모형이라고 판단되었다. 모형 검증 후, 이상화 수로에서 제방붕괴 재현여부에 따른 범람피해 양상을 확인하였고, 실제 범람피해 사례가 있는 새만금 유역 전주천의 팔복동 지역에 빈도별 (100년, 200년, 500년 빈도) 범람모의를 수행하였다. 이상화 수로에서 제방붕괴 재현여부에 따른 범람 모의의 경우, 제방붕괴 과정을 재현하지 않을 경우, 침수면적은 제방붕괴과정을 재현하였을 때보다 25 ~ 40 배 과대산정 되는 것을 확인하였고 이에 반하여 침수심은 과소 산정되는 것으로 확인되어, 제방붕괴 과정을 재현하는 것이 보다 정확한 범람모의를 수행한다고 판단하였다.
- 범람 모의 대상지인 전주천 및 팔복동의 지형을 구축하기 위하여, 전주천 유역에 존재하는 수공구조물(보)을 고려하였으며, 수공구조물의 경우, 직접 전주천 현장 방문을 통하여 제원을 실측하였다. 제내지인 팔복동의 경우, 국토지리정보원에서 제공하는 건물 정보를 활용하였다.
- 실제 지형에서 범람모의 수행 시 제방붕괴 과정(Levee Breach Process)을 재현해야만 되는 타당성을 판단하기 위하여, 이상화 수로에서 제방붕괴재현 여부에 따른 제내지 범람피해 양상을 비교하였다. 이상화 수로는 실제 전주천 지형의 제원을 참고하여 하천 폭 200 m, 길이 2,000 m인 이상화 수로를 구축하였으며 제방경사는 1: 3이며, 제방고는 18 m, 제방 붕괴 단면 폭은 100 m, 제방붕괴 시간은 3시간으로 설정하였다.
- 제방 붕괴에 대한 정보는 기존연구(‘제방붕괴 형상의 비대칭성에 따른 붕괴 흐름의 영향 분석’, 2016, 김수영)를 참고하여, 붕괴단면은 직사각형 모양으로 설정하였고, 붕괴 폭 및 붕괴시간은 각각 100 m , 9 hour로 설정하였다.
대상 데이터
- 제내지인 팔복동의 경우, 국토지리정보원에서 제공하는 건물 정보를 활용하였다. 격자는 삼각, 사각 혼합격자로, 전주천은 20 m 간격으로 제내지인 팔복동은 2 m 간격으로 구성하여 총 18만개의 격자를 구축하였다. 제방 붕괴에 대한 정보는 기존연구(‘제방붕괴 형상의 비대칭성에 따른 붕괴 흐름의 영향 분석’, 2016, 김수영)를 참고하여, 붕괴단면은 직사각형 모양으로 설정하였고, 붕괴 폭 및 붕괴시간은 각각 100 m , 9 hour로 설정하였다.
- 팔복동 수치모의 Case는 빈도별 홍수량 (100년, 200년, 500년 빈도)에 따라 총 3 Case로 구성하였다. 빈도별 홍수량은 만경강 하천기본계획(2012, 국토교통부)에 제시된 전주천 빈도 홍수량 자료를 이용하였으며, 하류 수위 조건의 경우 빈도 별 홍수위 자료를 참고하여 설정하였다. Fig.
- 실제 지형에서 범람모의 수행 시 제방붕괴 과정(Levee Breach Process)을 재현해야만 되는 타당성을 판단하기 위하여, 이상화 수로에서 제방붕괴재현 여부에 따른 제내지 범람피해 양상을 비교하였다. 이상화 수로는 실제 전주천 지형의 제원을 참고하여 하천 폭 200 m, 길이 2,000 m인 이상화 수로를 구축하였으며 제방경사는 1: 3이며, 제방고는 18 m, 제방 붕괴 단면 폭은 100 m, 제방붕괴 시간은 3시간으로 설정하였다. 수치모의 Case는 제방붕괴 재현 여부에 따라 다음 Table 4와 같이 두 가지 Case로 설정하였다.
- 범람 모의 대상지인 전주천 및 팔복동의 지형을 구축하기 위하여, 전주천 유역에 존재하는 수공구조물(보)을 고려하였으며, 수공구조물의 경우, 직접 전주천 현장 방문을 통하여 제원을 실측하였다. 제내지인 팔복동의 경우, 국토지리정보원에서 제공하는 건물 정보를 활용하였다. 격자는 삼각, 사각 혼합격자로, 전주천은 20 m 간격으로 제내지인 팔복동은 2 m 간격으로 구성하여 총 18만개의 격자를 구축하였다.
데이터처리
- 초기 조건에 관한 사항은 다음 Table 2와 같으며 이 1.0 ~ 2.0 까지 에 따른 유속분포에 대하여 SCHISM 모형 수치 모의결과와 해석해(Analytical Solution)를 비교하였다. Fig.
이론/모형
- 난류 모형은 Umlauf 와 Burchard (2003) 의 Generic Length-Scale (GLS) 모형을 사용하며 이외에도 k-ε, k-w, Mellor and Yamada 모형을 사용 할 수 있다.
- 본 연구에서는 3차원 수치모형인 SCHISM 모형을 이용하여 제방붕괴로 인한 범람모의를 수행하였다. 기존 1,2차원 수치모형을 이용한 범람모의는 제방의 붕괴과정을 재현할 수 없어서 수치모의 정확도 측면에서 한계가 있으며, 3차원 수치모형의 경우, 수치모의 시간이 많이 소요되어 적용 범위가 국부적인 한계가 있지만 SCHISM 모형은 수직지형 변화 및 MPI 사용으로 기존 모형의 한계점을 보완하였다.
- 새만금 유역 내 전주천 팔복동에 대하여 제방붕괴로 인한 범람모의를 SCHISM 모형을 적용하여 수행하였다. 연구 대상지인 팔복동의 경우, 만경강 유역종합치수계획 보고서(2008, 국토해양부)에 따르면 상습 침수구역으로 분류되어 있으며, 빈도별 홍수위 검토 시, 제방고보다 홍수위가 높아 모의 대상지로 선정하게 되었다.
성능/효과
- 반면 최대 침수심의 경우 제방붕괴과정을 고려하지 않을 경우, 제방붕괴 과정을 고려한 것보다 과소 산정되었다. 따라서 범람 모의 시 결과 값으로 얻을 수 있는 침수심 및 침수면적은 비상대처계획(EAP) 수립 및 피해액 산정 시 매우 중요한 요소이기 때문에 실제 지형에 범람모의 수행 시 제방 붕괴 과정을 고려해야한다고 판단하였다.
- 범람 모의 결과 빈도별 홍수량이 증가함에 따라, 전파면적은 약 2배씩 증가하였으며, 최대 침수심은 약 1.1 배씩 증가하였다.
- 수로의 중앙부분(s=0)에서 유속 값을 비교하였을 때, 해석해와 SCHISM 모의 결과의 오차가 1.6%이내의 차이를 보이는 것을 보아 SCHISM 모형이 정확한 모의를 수행하는 것으로 판단하였다. r에 따른 중앙부분 유속의 SCHISM 모형과 해석해의 오차는 다음 Table 3에 나타내었다.
- 기존 1,2차원 수치모형을 이용한 범람모의는 제방의 붕괴과정을 재현할 수 없어서 수치모의 정확도 측면에서 한계가 있으며, 3차원 수치모형의 경우, 수치모의 시간이 많이 소요되어 적용 범위가 국부적인 한계가 있지만 SCHISM 모형은 수직지형 변화 및 MPI 사용으로 기존 모형의 한계점을 보완하였다. 실제 지형에 모형을 적용하기 전 SCHISM 모형의 타당성을 판단하기 위하여 속도분포 해석해(Analytical Solution)를 수치 모의결과와 비교하였으며, 2 % 이내의 오차를 보여 SCHISM 모형이 비교적 정확한 모의를 수행한다는 것을 확인하였고 본 연구에 사용된 SCHISM 모형은 제방붕괴로 인한 제내지 범람모의에 적합한 모형이라고 판단되었다. 모형 검증 후, 이상화 수로에서 제방붕괴 재현여부에 따른 범람피해 양상을 확인하였고, 실제 범람피해 사례가 있는 새만금 유역 전주천의 팔복동 지역에 빈도별 (100년, 200년, 500년 빈도) 범람모의를 수행하였다.
- 모형 검증 후, 이상화 수로에서 제방붕괴 재현여부에 따른 범람피해 양상을 확인하였고, 실제 범람피해 사례가 있는 새만금 유역 전주천의 팔복동 지역에 빈도별 (100년, 200년, 500년 빈도) 범람모의를 수행하였다. 이상화 수로에서 제방붕괴 재현여부에 따른 범람 모의의 경우, 제방붕괴 과정을 재현하지 않을 경우, 침수면적은 제방붕괴과정을 재현하였을 때보다 25 ~ 40 배 과대산정 되는 것을 확인하였고 이에 반하여 침수심은 과소 산정되는 것으로 확인되어, 제방붕괴 과정을 재현하는 것이 보다 정확한 범람모의를 수행한다고 판단하였다. 팔복동 범람 모의 결과의 경우, 빈도별 홍수량이 증가함에 따라, 전파면적은 약 2배씩 증가하였으며, 최대 침수심은 약 1.
- 이상화 수로에서 제방붕괴 재현여부에 따른 범람 모의의 경우, 제방붕괴 과정을 재현하지 않을 경우, 침수면적은 제방붕괴과정을 재현하였을 때보다 25 ~ 40 배 과대산정 되는 것을 확인하였고 이에 반하여 침수심은 과소 산정되는 것으로 확인되어, 제방붕괴 과정을 재현하는 것이 보다 정확한 범람모의를 수행한다고 판단하였다. 팔복동 범람 모의 결과의 경우, 빈도별 홍수량이 증가함에 따라, 전파면적은 약 2배씩 증가하였으며, 최대 침수심은 약 1.1 배씩 증가하였다. 본 연구의 결과는 제방붕괴에 따른 제내지 침수 위험정도에 대한 기초적인 정보를 제공하는 수준이지만 침수면적, 침수심에 따른 재산피해액 산정기술 개발 등을 통해 연구를 발전시키고, SCHISM 모형 내 하상변동 모듈과 연동하여 제내지로 유입되는 유사량 및 제내지 하상변동 추이를 분석함에 따라, 향후 국내에서 수행되는 홍수지도제작에 자료를 제공할 수 있을 것으로 판단되며, 이를 이용하여 홍수 예·경보 시스템 구축과 홍수방어계획 수립 시 활용될 것으로 기대 된다.
후속연구
- 1 배씩 증가하였다. 본 연구의 결과는 제방붕괴에 따른 제내지 침수 위험정도에 대한 기초적인 정보를 제공하는 수준이지만 침수면적, 침수심에 따른 재산피해액 산정기술 개발 등을 통해 연구를 발전시키고, SCHISM 모형 내 하상변동 모듈과 연동하여 제내지로 유입되는 유사량 및 제내지 하상변동 추이를 분석함에 따라, 향후 국내에서 수행되는 홍수지도제작에 자료를 제공할 수 있을 것으로 판단되며, 이를 이용하여 홍수 예·경보 시스템 구축과 홍수방어계획 수립 시 활용될 것으로 기대 된다.
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