[논문]2차원 침수해석과 BIM 기술을 활용한 홍수재난 대피지도 작성

정창삼

doi:10.21729/ksds.2020.13.2.53

2차원 침수해석과 BIM 기술을 활용한 홍수재난 대피지도 작성
Development of a Flood Disaster Evacuation Map Using Two-dimensional Flood Analysis and BIM Technology 원문보기

한국방재안전학회논문집 = Journal of Korean Society of Disaster and Security, v.13 no.2, 2020년, pp.53 - 63

초록
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본 연구에서는 2차원 흐름 해석 모형인 Hydro_AS-2D 모형을 이용하여 해수면 상승과 극한 홍수 발생 시 창원시 성산구 및 의창구 일대의 침수피해 상황을 모의하고, 그 결과를 3차원 지형 상에 표출한 후 BIM 기술을 이용하여 최적 대피경로를 도출하였다. 기후변화는 홍수재해 측면에서 크게 두 가지 요소에 영향을 미치는데 해수면 상승과 극한 강우사상의 증가이다. 해수면 상승은 그 자체만으로 연안지역에 해수가 범람하여 침수현상을 유발하는 영향을 미칠 수 있을 뿐 아니라 하천의 기점 홍수위를 상승시켜 하천 전체에 걸쳐 홍수위 상승을 유발한다. 본 연구에서는 기후변화에 의한 해수위 상승과 태풍에 의한 폭풍해일에 의한 해수위 상승, 그리고 태풍에 의한 극한 강우사상을 모의조건으로 설정하였다. 창원시의 지형공간정보와 하천정비기본계획의 하천횡단 정보를 이용하여 유역전체의 3차원 공간정보로 구성하고 이를 수치모형화 하였다. 연구대상지역은 BIM 기술을 이용하여 3차원 지형정보 상에 건물의 층고, 대피소 위치 등의 정보를 가지고 있는 3차원 도시정보모델로 구축하였으며, 수치모의 결과를 이 모델 상에 표출하고 대피계획을 위한 분석에 사용하였다. 침수발생 시 대피경로는 시간에 따른 침수 범위의 변화에 따라 대피소로의 경로를 설정하는 알고리즘에 의해 결정되며, 설정된 경로는 직관적인 3차원 공간정보 상에 표출되어 사용자에게 제공된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the two-dimensional flow analysis model Hydro_AS-2D model was used to simulate the situation of flooding in Seongsangu and Uichang-gu in Changwon in the event of rising sea levels and extreme flooding, and the results were expressed on three-dimensional topography and the optimal evacuation path was derived using BIM technology. Climate change significantly affects two factors in terms of flood damage: rising sea levels and increasing extreme rainfall ideas. The rise in sea level itself can not only have the effect of flooding coastal areas and causing flooding, but it also raises the base flood level of the stream, causing the rise of the flood level throughout the stream. In this study, the rise of sea level by climate change, the rise of sea level by storm tidal wave by typhoon, and the extreme rainfall by typhoon were set as simulated conditions. The three-dimensional spatial information of the entire basin was constructed using the information of topographical space in Changwon and the information of the river crossing in the basic plan for river refurbishment. Using BIM technology, the target area was constructed as a three-dimensional urban information model that had information such as the building's height and location of the shelter on top of the three-dimensional topographical information, and the results of the numerical model were expressed on this model and used for analysis for evacuation planning. In the event of flooding, the escape route is determined by an algorithm that sets the path to the shelter according to changes in the inundation range over time, and the set path is expressed on intuitive three-dimensional spatial information and provided to the user.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Status of flood damage on the site of research
그림 Fig. 2. Rivers and flow directions in the site of research
표 Table 1. Geometric characteristics of the rivers in the site of research
그림 Fig. 3. 1:5,000 Digital map
그림 Fig. 4. Digital elevation map (DEM)
그림 Fig. 5. Hydro_AS-2D model configured with SMS
그림 Fig. 6. Rain and sea level rise conditions utilized in combination of disaster scenarios (MOIS, 2018)
그림 Fig. 7. Results of two-dimensional flow numerical models for the combined scenarios
그림 Fig. 8. Results of flood simulation on 3-dimensional urban information model
그림 Fig. 9. Optimal evacuation route by flood progress

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 2차원 흐름해석 모형인 Hydro_AS-2D를 이용하여 폭풍해일 및 기후변화로 인한 해수면 상승과 거대강우를 조합한 시나리오를 수치모의하여 3차원 지형공간 상에 구축한 BIM 기반 도시정보모델에 그 결과를 표출하고 최적의 대피경로를 선정한 연구이다. 하천 제방, 하구 방조제 등 다양한 수방시설물 조건에 따른 피해 규모와 범위를 정밀하게 산정하여 그 결과를 3차원 공간에 시간별로 제공할 수 있었으며, 시설물별 침수피해 발생 조건에 따라 연구대상지역 내 모든 시설물의 침수피해 발생 현황을 직관적으로 표출할 수 있었다.
본 연구는 도시 유역에 홍수와 해수면 상승이 복합적으로 영향을 미치는 시나리오를 구성하고 각 시나리오에 의한 홍수피해를 모의한 후 그에 대응하는 대피경로를 설정하는 것을 목적으로 하므로, 연구목적에 적합한 연구대상지 선정을 위해 다음과 같이 3가지 조건을 설정하였다. 1) 해안에 위치한 충분히 발달된 도시유역, 2) 해수면 상승 및 호우에 의한 피해이력이 있는 유역, 3) 대하천이 유역을 관통하지 않는 독립된 유역.
대상지 내 유출은 창원천, 남천, 내동천을 통해 마산만으로 이루어지는데, 유역 내 유일한 출구부인 마산만의 수위가 상승할 경우 하구부에서 합류하는 세 하천의 수위 상승이 불가피할 것으로 판단된다. 이러한 조건을 시나리오 설정의 주요 인자로 활용하여 창원시 성산구 및 의창구 일대에 대하여 재난 시나리오의 조합을 구성하고 이에 대한 수치모의를 수행하였다. 강우 및 해수면 조건은 MOIS(2018)의 연구성과(Fig.

가설 설정

본 연구는 도시 유역에 홍수와 해수면 상승이 복합적으로 영향을 미치는 시나리오를 구성하고 각 시나리오에 의한 홍수피해를 모의한 후 그에 대응하는 대피경로를 설정하는 것을 목적으로 하므로, 연구목적에 적합한 연구대상지 선정을 위해 다음과 같이 3가지 조건을 설정하였다. 1) 해안에 위치한 충분히 발달된 도시유역, 2) 해수면 상승 및 호우에 의한 피해이력이 있는 유역, 3) 대하천이 유역을 관통하지 않는 독립된 유역. 이러한 3가지 조건에 따라 창원시 성산구 및 의창구 일대 유역을 연구대상지로 선정하였다.

제안 방법

강우 및 해수면 상승 시나리오의 시계열 조합은 최악의 경우를 상정하기 위해 강우의 첨두치와 폭풍해일의 첨두치가 비슷한 시각에 발생할 수 있도록 설정하였다. 강우가 유출로 전환되는 유역의 반응 시간을 고려하여 강우의 첨두 발생시각이 폭풍해일의 첨두 발생시각보다 약 2시간 이르게 두 조건의 시계열을 조합하였다.
강우 및 해수면 상승 시나리오의 시계열 조합은 최악의 경우를 상정하기 위해 강우의 첨두치와 폭풍해일의 첨두치가 비슷한 시각에 발생할 수 있도록 설정하였다. 강우가 유출로 전환되는 유역의 반응 시간을 고려하여 강우의 첨두 발생시각이 폭풍해일의 첨두 발생시각보다 약 2시간 이르게 두 조건의 시계열을 조합하였다.
거대 태풍에 의한 거대강우와 기후변화에 의해 상승된 해수위 조건에 거대 태풍이 통과하며 발생시킨 폭풍해일 조건을 조합한 시나리오를 대상으로 2차원 침수모의를 수행하였다. Fig.
4는 연속수치지형도를 TIN으로 변형하고, TIN을 DEM으로 변형한 후, 설정된 격자 크기에 따라 격자점의 3차원 좌표를 추출한 결과이다. 본 연구에서는 격자간의 간격을 10 m로 설정하고 격자점의 3차원 좌표를 추출하였다.
HEC-RAS 자료는 하천의 종단 측점별 상대적 횡단 거리와 그에 대응하는 표고로 구성되어있어 2차원 평면상에 위치시켜 하천이 포함된 3차원 지형정보를 생성하기 위해서는 각 종단 측점의 위치를 결정해야 한다. 본 연구에서는 연속수치지형도에 표시된 제방과 HEC-RAS의 제방을 일치시키는 방법으로 지형정보 상에 하천정보를 정합하였다.
본 연구에서는 창원시 의창구 및 성산구를 대상으로 침수 모의결과에 따라 10분단위로 범람구역이 변하는 것을 적용하여 각 지점 별 대피경로를 도출하였다. 재해지도 작성 기준 등에 관한 지침(MOIS, 2013)에 따르면 대피경로는 홍수범람지역을 2, 3개 권역으로 구분하여, 각 권역별로 대피소요 시간이 30분 이내인 곳에 대피소를 설치하도록 되어있다.
재해지도 작성 기준 등에 관한 지침(MOIS, 2013)에 따르면 대피경로는 홍수범람지역을 2, 3개 권역으로 구분하여, 각 권역별로 대피소요 시간이 30분 이내인 곳에 대피소를 설치하도록 되어있다. 이를 준수하기 위하여 본 연구에서는 침수모의 결과에 따라 범람이 발생하지 않는 초‧중‧고 교육시설을 대피소로 선정하고 대피경로의 종착점으로 선택하였다. 대피시작점은 침수모의 시 최종적으로 침수가 발생하는 지점으로 하였으며, 해안이나 방파제, 교량 등 침수발생 직후 침수되는 지역은 침수 발생 시 즉각적으로 침수되거나 대피할 수 있는 경로가 제한되므로 배제하였다.
5는 SMS로 구성한 모의대상 지역이다. 제내지 및 하천의 조도계수는 토지이용도를 기반으로 설정하였다.

대상 데이터

격자는 사각망을 기본으로 필요한 경우 삼각망으로 구성하였다. 모형 구성에 사용한 총 element 수는 495,027개, 총 node 수는 493,877개이다. Fig.
본 대상지는 완벽한 단일 유역으로 대상지를 둘러싸고 있는 산지로 인해 다른 지역과 구분된다. 대상지 내 유출은 창원천, 남천, 내동천을 통해 마산만으로 이루어지는데, 유역 내 유일한 출구부인 마산만의 수위가 상승할 경우 하구부에서 합류하는 세 하천의 수위 상승이 불가피할 것으로 판단된다.
연구대상지인 창원시는 창원시, 마산시, 진해시가 2010년 7월 1일 통합‧출범되어 의창구, 성산구, 마산합포구, 마산회원구, 진해구로 개편되었다. 지리적으로 한반도의 동남단 해안에 접해 있으며, 산업적으로는 동남인해 중화학공업지역에 속한 대규모 기계공업단지가 위치해 있다.
1) 해안에 위치한 충분히 발달된 도시유역, 2) 해수면 상승 및 호우에 의한 피해이력이 있는 유역, 3) 대하천이 유역을 관통하지 않는 독립된 유역. 이러한 3가지 조건에 따라 창원시 성산구 및 의창구 일대 유역을 연구대상지로 선정하였다.
2차원 흐름해석 모형을 구성하기 위해서는 하천의 종횡단 정보와 함께 하천 범람으로 인해 흐름이 발생할 것으로 예상되는 모든 지형의 3차원 공간정보가 요구된다. 하천의 3차원 공간정보는 창원천 하천정비기본계획(Changwon, 2000)의 하천 종횡단자료로 구성된 HEC-RAS 자료를 활용하여 구성하였으며, 제내지의 3차원 공간정보는 국토지리정보원의 1:5,000 연속수치지형도(Fig. 3)를 활용하여 구성하였다.

이론/모형

강우 및 해수면 상승 시나리오 조합에 대한 연구대상지의 침수현상을 3차원으로 표출하고 대피경로를 작성하기 위해 Jeong et al.(2017)의 CityGML 기반의 3차원 도시정보모델 구축 기술을 활용하였다. 3차원 도시정보모델은 3차원 지형 공간 상에 실제 형상으로 구성한 3차원 건물 모델과 네트워크로 구성한 도로모델로 구성되며, 각각의 건물과 도로모델에는 침수규모, 피해정도 등을 추정할 수 있는 정보와 대피 등 의사결정을 지원하기위한 속성정보를 포함할 수 있다.
이러한 조건을 시나리오 설정의 주요 인자로 활용하여 창원시 성산구 및 의창구 일대에 대하여 재난 시나리오의 조합을 구성하고 이에 대한 수치모의를 수행하였다. 강우 및 해수면 조건은 MOIS(2018)의 연구성과(Fig. 6, Fig. 7)를 활용하였다.
본 연구에서 2차원 흐름해석에 사용한 Hydro_AS-2D 모형은 모형의 구성(Pre-Process)과 결과의 표출(Post-Process)에 SMS(Surface-water Modeling System)를 이용한다. 격자는 사각망을 기본으로 필요한 경우 삼각망으로 구성하였다.

성능/효과

본 연구는 2차원 흐름해석 모형인 Hydro_AS-2D를 이용하여 폭풍해일 및 기후변화로 인한 해수면 상승과 거대강우를 조합한 시나리오를 수치모의하여 3차원 지형공간 상에 구축한 BIM 기반 도시정보모델에 그 결과를 표출하고 최적의 대피경로를 선정한 연구이다. 하천 제방, 하구 방조제 등 다양한 수방시설물 조건에 따른 피해 규모와 범위를 정밀하게 산정하여 그 결과를 3차원 공간에 시간별로 제공할 수 있었으며, 시설물별 침수피해 발생 조건에 따라 연구대상지역 내 모든 시설물의 침수피해 발생 현황을 직관적으로 표출할 수 있었다. 도시정보모델은 도로망을 네트워크로 구성하고 시설물별 정보를 수록하도록BIM 기반으로 구축하여 침수정도에 따라 시간별 최적의 대피경로를 생성할 수 있었다.

후속연구

재난 발생상황을 사전에 모의하고 대처방안을 3차원 형상정보로 가시화하기 위해서는 계측 및 모니터링 데이터와 수방시설물에 대한 속성정보, 그리고 홍수피해 예상지역에 대한 3차원 공간정보의 제공이 필요하다. 따라서 각 요소들의 통합 정보와 3차원 형상정보를 이용하여 구축되는 BIM 모델과 수방시설물에 대한 데이터 계측 및 모니터링을 통해 체계화된 데이터분석, 그리고 비상대처계획에 따른 재해상황 행동조치 시뮬레이션이 연계된 능동형 통합 방재 시스템의 개발이 필요하며, 구축되는 3차원 BIM 기술을 활용한 재난관리 시스템은 수방시설물의 상황관리와 피해 저감에 효과적인 도구로 활용될 수 있다.
본 시스템은 수방 시설물에만 국한되는 것이 아니라 해일과 지진 등의 재난 대비에도 적용이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 또한 지형모델의 3차원 영상 정보는 2차원 공간 피해범위 산정, 범람량 및 붕괴량 등 부피계산 뿐아니라, 구조물 정보와의 연계를 통하여 구조물의 설계 및 시공 시 가상 시뮬레이션 구현에 활용될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	BIM은 어느 분야에서 활용되고 있는가?	BIM 기술은 기존의 2차원적인 설계를 3차원으로 확장하였고 이에 각종 속성을 더하여 4D, 5D, 6D 등으로 확장되고 있다. 기존의 CAD, GIS 등이 설계와 시공분야에서 국한되어 사용되어졌다면, BIM은 설계, 시공, 공정관리, 유지관리, 상황관리 등 여러 분야에서 활용되어지고 있다(Hardin, 2009). 최근까지 재난관리분야에서는 모델링 결과를 표출하고 재난관리를 위한 의사결정 정보 생산에 GIS를 주로 활용하였다(NDMI, 2003; Singh and Fiorentino, 2013; Kim et al.
	BIM 기술은 어떻게 확장되고 있는가?	건축물 설계 및 관리 분야에서 시작된 BIM(Building Information Modeling)기술이 다양한 분야로 확산되어 활용되고 있다(Cerovsek, 2011). BIM 기술은 기존의 2차원적인 설계를 3차원으로 확장하였고 이에 각종 속성을 더하여 4D, 5D, 6D 등으로 확장되고 있다. 기존의 CAD, GIS 등이 설계와 시공분야에서 국한되어 사용되어졌다면, BIM은 설계, 시공, 공정관리, 유지관리, 상황관리 등 여러 분야에서 활용되어지고 있다(Hardin, 2009).
	재난관리분야에서 모델링 결과를 표출하고 재난관리를 위한 의사결정 정보 생산에 활용한 GIS의 장점은 무엇인가?	, 2019). 입력 자료의 구축을 위해서 사용되어진 GIS는 결과의 표출에서도 2차원적인 시각 표출이 가능했고 과거 도면 위주의 표출에 비해 많은 장점을 가지고 있었다(Sarhadi et al., 2012).

참고문헌 (16)

Cerovsek, T. (2011). A Review and Outlook for a 'Building Information Model'(BIM): A Multi-standpoint Framework for Technological Development. Advanced Engineering Informatics. 24(2): 224-244.
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Changwon (2013). Comprehensive Plan for Reducing Feng Shui Sea in Changwon City. Gyeongsangnam-do: Changwon.
de Laat, R. and van Berlo, L. (2011). Integration of BIM and GIS: The development of the CityGML GeoBIM extension. In Advances in 3D Geo-information Sciences. Springer, Berlin, Heidelberg. 211-225.
Groger, G., Kolbe, T. H., Czerwinski, A., and Nagel, C. (2008). OpenGIS City Geography Markup Language (CityGML) Encoding Standard, Open Geospatial Consortium Inc. OGC Document Number 08-007r1.
Hardin, B. (2009) BIM and Construction Management. Wiley.
Jeong, C., Ahn, J., and Ahn, J. (2017). Development of Integrated Disaster Management System and Application for Hydraulic Structure. Journal of the Korean Society of Nazard Mitigation. 17(3): 109-115.
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Kim, Y. I., Kim, D. H., and Lee, S. O. (2019). Shape Similarity Analysis for Verification of Hazard Map for Storm Surge : Shape Criterion. Korean Society of Disaster & Security. 12(3): 13-24.
MOIS (2013). Guidelines for Drawing Up Disaster Maps, Etc. Sejong City: Ministry of the Interior and Safety.
MOIS (2018). Final Report on the Development of the Evaluation Technology for Complex Causes of Inundation Vulnerability and the Response Plans in Coastal Urban Areas for Adaptation to Climate Change. Sejong City: Ministry of the Interior and Safety.
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NDMI (2003). A Study on the Establishment of Disaster Management System Using GIS. Ulsan City: National Disaster Management Research Institute.
Resident Registration Demographics. Changwon City Statistical Information System. https://www.changwon.go.kr/stat/ main.do (accessed 2020.03.20.).
Sarhadi, A., Soltani, S., and Modarres, R. (2012). Probabilistic Flood Inundation Mapping of Ungauged Rivers: Linking GIS Techniques and Frequency Analysis. Journal of Hydrology. 458: 68-86.

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Singh, V. and Fiorentino, M. (Eds.) (2013). Geographical Information Systems in Hydrology, Vol. 26. Springer Science & Business Media.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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