[논문]하천범람과 내수침수의 개별적·복합적 고려에 따른 흐름 특성의 수치적 비교

최상도; 엄태수; 신은택; 송창근

doi:10.22156/cs4smb.2020.10.10.115

초록
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기후변화에 의해 전례없는 폭우가 빈번하게 내려 도심지에서는 인명 및 재산 손실 등의 침수피해를 반복적으로 겪고 있다. 도심지 침수의 두가지 주요 인자는 하천범람과 내수침수이다. 그러나, 기존 대부분의 연구에서는 침수의 두가지 주요 인자에 의한 복합적인 기작을 무시하고 각 결과를 단순 선형합으로 침수 영향을 산정하여 부정확한 결과를 도출하였다. 본 연구에서는 내수침수와 하천범람을 동시에 모의하여 분석하였다. 하천범람 해석을 위해 Petrov 안정화 기법을 적용하여 충격파의 전달을 정확하게 포착할 수 있도록 하였으며, Flux-blocking 알고리즘을 탑재하여 마름/젖음을 안정적으로 모의하였다. 또한 EGR 기법에 의한 생성/소멸항을 천수방정식에 추가하여 내수침수 해석 모듈을 반영하였다. 내수침수와 하천범람을 동시에 모의하는 경우 침수와 범람에 의한 흐름의 상쇄효과와 중첩효과를 보다 정밀하게 반영할 수 있으므로, 개별합으로 산정한 결과에 비해 정확한 결과를 도출할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Due to the climate change, torrential rain downpours unprecedentedly, and urban areas repeatedly suffer from the inundation damages, which cause miserable loss of property and life by flooding. Two major reasons of urban flooding are river inundation and inland submergence. However, most of previous...

Due to the climate change, torrential rain downpours unprecedentedly, and urban areas repeatedly suffer from the inundation damages, which cause miserable loss of property and life by flooding. Two major reasons of urban flooding are river inundation and inland submergence. However, most of previous studies ignored the comprehensive mechanism of those two factors, and showed discrepancy and inadequacy due to the linear summation of each analysis result. In this study, river inundation and inland flooding were analyzed at the same time. Petrov-stabilizing scheme was adopted to capture the shock wave accurately by which river inundation can be modularized. In addition, flux-blocking alrotithm was introduced to handle the wet and dry phenomena. Sink/source terms with EGR (Exponentially Growth Rate) concept were incorporated to the shallow water equations to consider inland flooding. Comprehensive simulation implementing inland flooding and river inundation at the same time produced satisfactory results because it can reflect the counterbalancing and superposition effects, which provided accurate prediction in flooding analysis.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. River inundation and inland flooding in urban area
그림 Fig. 2. Flooded area induced by river inundation and inland flooding
그림 Fig. 3. Significant design factors for river inundation and inland flooding
그림 Fig. 4. Velocity vectors configured by inundation and flooding (left: t=3 s, right: t=7 s)
그림 Fig. 5. Comparison of velocity and depth results according to individual sum and comprehensive simulation at specific point (20, 23)
그림 Fig. 6. Comparison of velocity and depth results according to individual sum and comprehensive simulation at specific time (t=7 s)

AI 본문요약
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문제 정의

HDM-2D[1] 모형의 하천범람과 내수침수 모의성능을 검증하기 위해 다양한 흐름조건 하에서 안정적이고 정확한 해를 도출함을 제시한 기존 연구를 다음과 같이 정리하였다.

제안 방법

강태욱 등[3]은 FLUMEN과 SWMM 모형을 적용하여 도심지 침수를 모의하였다. SWMM을 이용하여 우수관거 내 홍수 수문곡선을 산정하고 관거 용량을 초과하여 범람한 유량은 FLUMEN을 이용하여 침수 분석을 하였다. 김태형[4]은 하천범람과 내수침수의 영향을 고려한 침수해석을 실시하였다.
또한 내수침수 양상을 해석함에 있어 SWMM 모형에 근간한 2차원 침수해석을 수행하였으며, 빈도 강우량에 대하여 침수심과 침수면적을 계산하였다.
Song and Oh[10]은 충격파가 방사형으로 전파될 때 대칭성이 잘 보존됨을 제시하였다. 또한 천이류 발생 시 모의결과의 우수성을 검증하였다. Song et al.
하천범람과 내수침수의 개별적·복합적 고려에 따른 흐름 특성을 분석하기 위해서는 영향 인자들을 규정해야 한다. 본 연구에서는 Fig. 3과 같이 수로의 폭(W)과 길이(L)를 포함한 지형정보와 하천범람을 고려하기 위한 월류수위(h)와 제방의 경사(S)를 고려하였으며, 맨홀의 위치(x,y)도 영향인자로 반영하였다. Fig.
이상으로 기존의 다양한 모의 사례를 통해 안정성‧ 정확성‧질량보존성‧진행파 및 역행파 전파의 포착성 등이 입증된 HDM-2D 모형을 하천범람과 내수침수 해석에 적용하였다.
그러나 기존 대부분의 연구는 내수침수와 하천범람을 각각 해석하여 중첩에 의한 선형합으로 침수범위를 산정하므로, 내수침수와 하천범람을 동시에 복합적으로 모의했을 때의 가중효과를 반영하지 못하는 한계점이 있었다. 이에 본 연구에서는 HDM-2D(송창근, 2011)[1]모형을 근간으로 한 내수침수 및 하천범람 통합형 침수해석 모형을 이용하여 내수침수와 하천범람의 개별모의의 선형합과 복합적인 모의를 비교 분석하였다. 두 침수원을 선형적으로 합한 경우 유속을 최대 2배 이상 과대산정하였으며, 침수심의 경우도 시간이 지남에 따라 선형합한 경우가 과대산정하는 경향을 보였다.
기존 대부분의 연구는 내수침수와 하천범람을 각각 해석하여 중첩에 의한 선형합으로 침수범위를 산정하므로, 내수침수와 하천범람을 동시에 복합적으로 모의했을 때의 가중효과를 반영하지 못하는 한계점이 있었다. 이에 본 연구에서는 HDM-2D[1] 모형을 근간으로 한 내수침수 및 하천범람 통합형 침수해석 모형을 이용하여 내수침수와 하천범람의 개별모의의 선형합과 복합적인 모의를 비교 분석하였다.

이론/모형

본 연구에서는 복합적인 침수해석을 위해 통합형 침수해석 모형을 이용하였다. 통합형 침수해석에 사용된 모형은 흐름 해석모듈과 하천범람 해석모듈, 내수침수 해석모듈이 통합된 2차원 동수역학 모형이다.
조완희 등[5]은 내수침수와 하천범람을 고려한 침수해석을 실시하여 도심지에서의 침수심, 침수범위, 침수시간 등을 예측하고 홍수피해를 저감하기 위한 방법을 제시하였다. 홍수량은 HEC-HMS 모형으로 산정하고, 이 값을 FLDWAV 모형의 입력조건으로 이용하여 하천범람을 해석하였다.

성능/효과

또한 수심은 통합모의 결과와 선형합의 두 결과가 유사한 패턴을 보였지만 내수침수원 인접 영영에서는 ‘Linear sum’이, 내수침수와 하천범람이 만나는 곳에서는 ‘Comprehensive simulation’ 결과가 높게 나타났다. 내수침수와 하천범람의 통합모의는 두 침수원이 만나는 부분에서 속도는 급격히 감소하고 수심은 증가하는 것을 확인할 수 있다.
5 s 까지는 (20, 23) 지점에 물이 도달하지 않아 유속과 침수심이 0이었으나 이후 급격하게 유속과 수심이 증가하였다. 두 침수원을 선형적으로 합한 경우 유속을 최대 2배 이상 과대산정하였으며, 침수심의 경우도 시간이 지남에 따라 선형합한 경우가 과대산정하는 경향을 보였다. 내수침수와 하천범람을 동시에 모의하는 경우 침수와 범람에 의한 흐름의 상쇄효과와 중첩효과를 보다 정밀하게 반영할 수 있으므로, 개별합에 비해 정확한 결과를 도출할 수 있으므로 단순선형합으로 흐름을 예측하는 경우 과다설계될 우려가 높은 것으로 판단된다.
[9]은 사류 모의 시 해가 발산하지 않고 벽면 반사 효과를 잘 재현함을 제시하였다. 또한 단면 급팽창부를 통과하는 흐름모의 시 순환 구간을 정확하게 예측함을 보였다. Song and Oh[10]은 충격파가 방사형으로 전파될 때 대칭성이 잘 보존됨을 제시하였다.
또한 수심은 통합모의 결과와 선형합의 두 결과가 유사한 패턴을 보였지만 내수침수원 인접 영영에서는 ‘Linear sum’이, 내수침수와 하천범람이 만나는 곳에서는 ‘Comprehensive simulation’ 결과가 높게 나타났다.
백형조 등[2]은 하천범람, 하천범람‧내수침수, 하천범람‧내수침수‧배수펌프 작용에 따른 세 경우의 침수심을 비교하였다. 하천범람만을 경계조건으로 하여 모형을 실행하였을 때, 침수피해는 심각하지 않은 것으로 나타났으나, 내수침수를 고려한 경우 상당한 범위까지 피해가 발생하였으며, 배수펌프의 기능을 고려하는 경우 침수심이 얕아지는 것으로 분석하였다. 강태욱 등[3]은 FLUMEN과 SWMM 모형을 적용하여 도심지 침수를 모의하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	도심지 침수의 두가지 주요 인자는 무엇인가?	기후변화에 의해 전례없는 폭우가 빈번하게 내려 도심지에서는 인명 및 재산 손실 등의 침수피해를 반복적으로 겪고 있다. 도심지 침수의 두가지 주요 인자는 하천범람과 내수침수이다. 그러나, 기존 대부분의 연구에서는 침수의 두가지 주요 인자에 의한 복합적인 기작을 무시하고 각 결과를 단순 선형합으로 침수 영향을 산정하여 부정확한 결과를 도출하였다.
	침수의 요인인 내수침수와 하천범람을 각각 해석한 뒤 중첩하는 침수범위 산정방식의 한계점은?	기존 대부분의 연구는 내수침수와 하천범람을 각각 해석하여 중첩에 의한 선형합으로 침수범위를 산정하므로, 내수침수와 하천범람을 동시에 복합적으로 모의했을 때의 가중효과를 반영하지 못하는 한계점이 있었다. 이에 본 연구에서는 HDM-2D[1] 모형을 근간으로 한 내수침수 및 하천범람 통합형 침수해석 모형을 이용하여 내수침수와 하천범람의 개별모의의 선형합과 복합적인 모의를 비교 분석하였다.
	내수침수는 어떠한 때에 발생하는가?	침수의 요인으로는 하천범람(river inundation)과 내수침수(inland flooding)가 존재한다. 내수침수는 우수관망의 통수용량을 초과하는 비가 내려 제내지 내의 빗물이 원활하게 하천으로 배수 되지 못했을 때 발생하게 되고, 하천범람은 호우로 하천 수위가 높아져 하천수가 제방을 월류할 때 발생한다.

참고문헌 (13)

E. T. Shin, J. H. Shin, D. S. Rhee, Kim & H. J. Song, C. G. (2019). Integrated inundation modeling of flooded water in coastal cities. Applied Sciences, 9(7), DOI : 10.3390/app9071313.
H. J. Baek, H. S. Lee, Y.K. Yi & D,K. Koh. (2006). Inundation Analysis by the Occurrence of Rivers Flood and the Inland Flood. Proceeding of The Korean Society of Civil Engieerers, 2072-2075
T. U. Kang, S. H. Lee, T. H. Jung, J. H. Oh. (2010). Inundation Analysis of Suyoung . Mangmi Lowland Area Using SWMM and FLUMEN. The Korean Society of Hazard Mitigation, 2010(5), 149-158
T. H. Kim. (2013). Flood Risk Mapping Based on the Fuzzy MCDM by Combining Inland and River Inundations with Basin Runoff. Kyungpook National University Ph.D. Thesis.
W. H. Cho, Han, Y. A. Kun, K. H. Ahn. (2010). Flood Risk Mapping with FLUMEN model Application. The korean society of civil engineers, 30(2), 169-177
S. McDougall, (2006). A new continuum dynamic model for the analysis of extremely rapid landslide motion across complex 3D terrain. University of British Columbia. DOI : 10.14288/1.0052928
T.Takahashi & H. Nakagawa. (1991). Prediction of stony debris flow induced by severe rainfall. The Japan Society of Erosion Control Engineering, 44(3), 12-19
I. W. Seo, Y. D. Kim, C. G. Song. (2014). Validation of depth-averaged flow model using flat-bottomed benchmark problems. The Scientific World Journal, 2014(18) pages DOI : 10.1155/2014/197539.
I. H. Park, I. W. Seo, Y. D. Kim, C. G. Song. (2016) Flow and dispersion analysis of shallow water problems with Froude number variation. Environmental Earth Sciences, 75(120) DOI : 10.1007/s12665-015-4928-z
C. G. Song & T. K. Oh (2016). Transient SU/PG modeling of discontinuous wave propagation, Progress in Computational Fluid Dynamics, An International Journal, 16(3), 146-162 DOI : 10.1504/PCFD.2016.076221
C. G. Song, Y. H. Ku, Y. D. Kim, Y. S. Park. (2018) Stability analysis of riverfront facility on inundated floodplain based on flow characteristics, Journal of Flood Risk Management, 11(1) s455-s467 DOI : 10.1111/jfr3.12233
I. H. Park, C. G. Song. (2018) Analysis of twodimensional flow and pollutant transport induced by tidal currents in the Han River, Journal of Hydroinformatics, 20(3), 551-563 DOI: 10.2166/hydro.2017.118

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S. O. Lee, C. G. Song. (2018) Influence of flow resistance stresses on debris flow runout, Environmental Earth Sciences, 77, 426 DOI: 10.1007/s12665-018-7604-2

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