ADCSWAN과 FLOW-3D 모델을 이용한 태풍 차바 내습 시 부산 마린시티의 침수범람 재현 Reproduction of Flood Inundation in Marine City, Busan During the Typhoon Chaba Invasion Using ADCSWAN and FLOW-3D Models원문보기
최근 연안지역의 대규모 개발로 인해 고파랑 내습과 강한 태풍으로 발생된 월파는 연안지역의 많은 인명 및 재산피해를 발생시켰으나 연안지역의 특성을 고려한 침수·범람 연구는 미비한 실정이다. 본 연구는 ADCSWAN(ADCIRC+SWAN) 모델과 FLOW-3D 모델을 적용하여 해일 및 파랑의 복합요소에 대한 침수범람을 재현하기 위한 방법론에 대한 연구이다. 본 연구에서는 ADCSWAN(ADCIRC+SWAN) 모델을 이용하여 FLOW-3D 모델의 경계자료(해수위, 파랑)를 추출하고, FLOW-3D 모델 입력값으로 적용하여 태풍 차바 통과시 부산 마린시티를 대상으로 해일과 월파에 의한 침수범람을 재현하였다. 또한 기존 월파량 경험식과 FLOW-3D 모델로 계산된 월파량을 비교하였으며, 침수범람은 한국국토정보공사의 침수흔적도를 활용하여 정성적인 검증을 수행하여, 본 연구의 유효성을 검토하였다.
최근 연안지역의 대규모 개발로 인해 고파랑 내습과 강한 태풍으로 발생된 월파는 연안지역의 많은 인명 및 재산피해를 발생시켰으나 연안지역의 특성을 고려한 침수·범람 연구는 미비한 실정이다. 본 연구는 ADCSWAN(ADCIRC+SWAN) 모델과 FLOW-3D 모델을 적용하여 해일 및 파랑의 복합요소에 대한 침수범람을 재현하기 위한 방법론에 대한 연구이다. 본 연구에서는 ADCSWAN(ADCIRC+SWAN) 모델을 이용하여 FLOW-3D 모델의 경계자료(해수위, 파랑)를 추출하고, FLOW-3D 모델 입력값으로 적용하여 태풍 차바 통과시 부산 마린시티를 대상으로 해일과 월파에 의한 침수범람을 재현하였다. 또한 기존 월파량 경험식과 FLOW-3D 모델로 계산된 월파량을 비교하였으며, 침수범람은 한국국토정보공사의 침수흔적도를 활용하여 정성적인 검증을 수행하여, 본 연구의 유효성을 검토하였다.
In recent years, large-scale development of coastal areas has caused the loss of many lives and extensive property damage in coastal areas, due to wave overtopping caused by high-wave invasion and strong typhoons. However, coastal inundation studies considering the characteristics of domestic coasta...
In recent years, large-scale development of coastal areas has caused the loss of many lives and extensive property damage in coastal areas, due to wave overtopping caused by high-wave invasion and strong typhoons. However, coastal inundation studies considering the characteristics of domestic coastal areas are insufficient. This study is a methodology study that aimed to reproduce inundation of surge and wave complex elements by applying the ADCSWAN (ADCIRC+SWAN) and FLOW-3D models. In this study, the boundary data (sea level, wave) of the FLOW-3D model was extracted using the ADCSWAN (ADCIRC+SWAN) model and applied as the input value of the FLOW-3D model and a reproduction was created of the Flooding due to surge and overtopping in Busan Marine City when the typhoon Chaba passed. In addition, the existing overtopping empirical equation and the overtopping calculated by the FLOW-3D model were compared, and for coastal inundation, a qualitative verification was performed using the Inundation Trace Map of Land and Geospatial Informatrix Corporation, and the effectiveness of this study was reviewed.
In recent years, large-scale development of coastal areas has caused the loss of many lives and extensive property damage in coastal areas, due to wave overtopping caused by high-wave invasion and strong typhoons. However, coastal inundation studies considering the characteristics of domestic coastal areas are insufficient. This study is a methodology study that aimed to reproduce inundation of surge and wave complex elements by applying the ADCSWAN (ADCIRC+SWAN) and FLOW-3D models. In this study, the boundary data (sea level, wave) of the FLOW-3D model was extracted using the ADCSWAN (ADCIRC+SWAN) model and applied as the input value of the FLOW-3D model and a reproduction was created of the Flooding due to surge and overtopping in Busan Marine City when the typhoon Chaba passed. In addition, the existing overtopping empirical equation and the overtopping calculated by the FLOW-3D model were compared, and for coastal inundation, a qualitative verification was performed using the Inundation Trace Map of Land and Geospatial Informatrix Corporation, and the effectiveness of this study was reviewed.
본 연구에서는 태풍 차바 내습시 폭풍해일 ADCSWAN (coupled model of ADCIRC and SWAN)모델과 FLOW-3D 수치모형 결합을 통해 월파 특성을 재현하고 경험식을 통한 월파량을 비교·검토하였다.
실험은 최대 유효 파고가 발생한 시점을 기준으로 총 4시간동안 실험을 수행하였으며, 파랑과 폭풍해일에 대한 FLOW-3D 모델의 입력 경계를 3개의 구역으로 구분하여 ADCSWAN 모델의 파고, 주기, 해수위를 1시간 간격으로 입력되도록 경계조건을 설정하였다(Fig. 4, Table 3). 파랑과 폭풍해일 경계 데이터는 남쪽(S)과 동쪽(E) 방향 모두에서 고려되어야하지만, 목표 지역에서 월파가 발생하기 전후의 관측을 분석한 결과파의 진행이 방향이 남쪽으로 전파되어, 경계 값은 남쪽 (S) 방향에만 적용하였다.
유량을 월파량으로 결정하였으며, 해당 형상은 총 32개로 마린 시티 앞 방파제를 따라 30m 간격으로 구성하였다. Fig.
(2010)에서 확인가능하다. 이렇게 ADCSWAN(ADCIRC+SWAN)결합모형에서계산되어진 폭풍해일과 파랑의 산출결과는 FLOW-3D의 입력자료로 활용하였다.
4, Table 3). 파랑과 폭풍해일 경계 데이터는 남쪽(S)과 동쪽(E) 방향 모두에서 고려되어야하지만, 목표 지역에서 월파가 발생하기 전후의 관측을 분석한 결과파의 진행이 방향이 남쪽으로 전파되어, 경계 값은 남쪽 (S) 방향에만 적용하였다. 태풍으로 인한 월파 산정은 마린시티전면 3D 형상을 구현하여 해당 형상을 통과하는 유체 통과
jsp)의 정보를 사용하였다. 해상풍의 경우 Holland Gradient Wind vortex 알고리즘을 적용하고태풍의 영향을 고려하여 계산 면적을 충분히 넓게 설정하였다. 모델 해상도는 최소 30m, 최대 30km의 삼각형 격자로구성하였다.
대상 데이터
FLOW-3D 모델 구축은 태풍시 수위-파랑-흐름의 비선형 상호작용에 의한 방파제에서의 처오름 특성을 재현하기 위해 부산 마린시티 일대를 중심으로 남북 4.8km, 동서 4.0km 영역을 격자해상도 1.0m로 구성하고 연구 대상(마린시티 전면)에서는 0.5m의 고해상도 격자로 구성하였다(Fig. 5, Table 2).
모델 해상도는 최소 30m, 최대 30km의 삼각형 격자로구성하였다. Fig. 3은 ADCSWAN 모델로 구성된 폭풍해일 모델의 격자 및 수심을 도시하였으며, 부산 조위 관측소, 해운대 부이 관측 데이터를 수집하여 검증에 활용하였다.
해상풍의 경우 Holland Gradient Wind vortex 알고리즘을 적용하고태풍의 영향을 고려하여 계산 면적을 충분히 넓게 설정하였다. 모델 해상도는 최소 30m, 최대 30km의 삼각형 격자로구성하였다. Fig.
본 연구에서는 폭풍해일 모델과 3차원 전산유체 모델 연계를 통해 태풍 차바 통과시 마린시티를 대상으로 침수 범람을 재현하였다.
본 연구의 대상지역은 대한민국 부산 해안가에 위치한 수변도시로, 수영만 매립지 일부에 조성된 주거형 타운 지역이다. 주요 건물이 해안선에 인접해 있으며, 지역 주민의 바다를 볼 수 있는 조망권 확보를 위해 월파로 인한 방지대책이 제한적으로 설치되어 있다.
실험에 사용된 모델 수심은 KHOA(국립해양조사원, http://www.khoa.go.kr/eng/) 및 GEBCO(해양 종합 수심도) 데이터를 사용했으며, 기압과 바람 및 태풍 정보는 KMA(기상청, http://www.kma.go.kr/eng/index.jsp)의 정보를 사용하였다. 해상풍의 경우 Holland Gradient Wind vortex 알고리즘을 적용하고태풍의 영향을 고려하여 계산 면적을 충분히 넓게 설정하였다.
데이터처리
Fig. 6과 Fig. 7은 차바 태풍시 ADCSWAN 모델을 통해 계산된 조위 및 해일고, 유의파고 상황을 재현 및 검증하였으며, 검증에 활용된 관측정점은 부산 조위 관측소, 해운대 부이 관측 데이터를 수집하여 모델결과와 비교하였다. 해일고검증 결과 부산 조위관측소의 최대해일고는 88.
경험식에 사용된 파랑조건은 태풍 차바시 ADCSWAN (coupled model of ADCIRC and SWAN)으로 계산된 값을 활용하였으며, 해당값은 마린시티 방파제 전면의 평균값을 산출하여 계산하였다.
이론/모형
3. Mesh and depth map for the storm surge model of ADCSWAN model.
기존 월파량 추정은 경험식을 적용하여 산정하였으나, 본연구에서는 동적모델(FLOW-3D)을 적용하여 월파량을 산정하였다. 동적모델을 적용할 경우 해당지역의 보다 정확한 형상을 구현할 수 있다는 점에서 기존 경험식에 비하여 정도 높은 월파량 재현이 가능한 것으로 판단된다.
, 2014a, 2014b). 본 연구에서는 태풍에 의해 발생 가능한 현상에 대해 기존의 다양한 연구에서 적용 및 활용성이 확보된 폭풍해일 ADCIRC(ADvanced CIRCulation) 모델과 SWAN(Simulating WAves Nearshore) 파랑모델이 결합된 ADCSWAN(coupled model of ADCIRC and SWAN) 모델을 이용하였다(Dietrich et al., 2011; Suh et al., 2015; Xie et al., 2016; Deb and Ferreira, 2018). 사용한 ADCIRC 모델은 유한요소 유체역학모델로, 수직적으로 통합된 일반파 연속방정식(generalised wave continuity equation: GWCE)과 운동량 방정식(각각 식(1)과 (2))을 적용하는 2D 버전(Luettich and Westerink, 2004)을 사용하였다.
, 2016; Deb and Ferreira, 2018). 사용한 ADCIRC 모델은 유한요소 유체역학모델로, 수직적으로 통합된 일반파 연속방정식(generalised wave continuity equation: GWCE)과 운동량 방정식(각각 식(1)과 (2))을 적용하는 2D 버전(Luettich and Westerink, 2004)을 사용하였다.
있다. 지배방정식으로 다음과 같은 파작용 평형방정식을 사용한다(Hasselmann et al., 1973).
태풍으로 인한 월파량를 기존 경험식(EurOtop, 2016)을 이용하여 Table 4 조건에서 산정하였다. 경험식 산정시 전면호안은 테트라포드가 거치되었으므로, EurOtop의 월파량 산정시 피복재가 거치된 경사식 단면으로 계산하였으며, 평균값 접근에 따른 산정식은 아래와 같다.
폭풍해일 및 파랑 모델은 ADCSWAN 모델을 사용하여구축하였으며, Table 1은 ADCSWAN 모델의 개요를 제시하였다. 실험에 사용된 모델 수심은 KHOA(국립해양조사원, http://www.
성능/효과
모델 결과, 태풍으로 인한 침수깊이는 마린시티 전면에서최대 4m 이상이 발생되었으며, 월파된 해수는 대상해역의도로를 따라 북쪽으로 전파되는 것으로 나타났으며, 북쪽으로 갈수록 0.3m 이하로 낮아졌다. 한국국토정보공사에서 제공하는 침수흔적도는 주요 도로를 중심으로 침수발생 여부만을 제시하고 있어, 침수면적, 침수심 등에 대한 정량적인비교는 불가하다.
한국국토정보공사에서 제공하는 침수흔적도는 주요 도로를 중심으로 침수발생 여부만을 제시하고 있어, 침수면적, 침수심 등에 대한 정량적인비교는 불가하다. 모델로 재현된 침수지역 및 범위를 정성적으로 비교하였을 때 유사한 침수분포를 보였다.
산정된 월파량을 비교하였으며. 비교결과 경험식으로 산정된 월파량은 2.237m³/m/s이며, FLOW-3D로 계산된 월파량은 6.438m³/m/s로 약 2.8배의 차이를 보였다. 이는 경험식이고파랑에 의한 처오름 등 실제 현상재현에 한계점을 가지고있기 때문으로 사료된다.
비교하였다. 비교결과 모델 평균값은 6.438m³/m/s로 EurOtop(2016) 경험식과 비교하여 대략 2.8배 정도 크게 산정되었으며, 이는 경계에서의 다른 파동전파와 중첩으로 인한파의 증폭과 방파제 전면 처오름에 의한 월파 재현성이 경험식에 비해 높게 나타난 것으로 판단된다(Fig. 8). Table 5에 EurOtop(2016)과 FLOW-3D 모델로 계산된 최대 및 평균값을제시하였다.
태풍 차바로 인한 수위상승과 폭풍해일 등의 복합적 피해가 발생한 부산 마린시티 적용결과 현장조사(침수흔적도)와정량적 비교는 불가능하지만 침수범람 범위의 경우 현장조사와 비교하여 유효한 결과를 도출할 수 있었다.
7은 차바 태풍시 ADCSWAN 모델을 통해 계산된 조위 및 해일고, 유의파고 상황을 재현 및 검증하였으며, 검증에 활용된 관측정점은 부산 조위 관측소, 해운대 부이 관측 데이터를 수집하여 모델결과와 비교하였다. 해일고검증 결과 부산 조위관측소의 최대해일고는 88.7cm로 관측되었으며, 모델로 계산된 최대해일고는 93.0cm로 계산과 관측치의 오차는 4.3cm, 절대상대오차는 4.8%로 나타났으며, 유의파고 검증의 경우 관측된 최대 유의파고는 6.3m, 모델최대유의파고는 6.45m로 계산과 관측치의 오차는 0.25m로절대상대오차는 2.38%로 유의미한 시계열 결과를 확인하였다.
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