水 工 學
大 韓 土 木 學 會 論 文 集第30卷 第2B 號·2010年 3月 pp. 169 ~ 177
FLUMEN 모형을 적용한 홍수위험지도의 작성
Flood Risk Mapping with FLUMEN model Application
조완희*·한건연**·안기홍***
Cho, Wan Hee·Han, Kun Yeun·Ahn, Ki Hong
···
Abstract
Recently due to the typhoon and extreme rainfall induced by abnormal weather and climate change, the probability of severe damage to human life and property is rapidly increasing. Thus it is necessary to create adequate and reliable flood risk map in preparation for those natural disasters. The study area is Seo-gu in Daegu which is located near Geumho river, one of the trib- utaries of Nakdong river. Inundation depth and velocity at each time were calculated by applying FLUMEN model to the tar- get area of interest, Seo-gu in Daegu. And the research of creating flood risk map was conducted according to the Downstream Hazard Classification Guidelines of USBR. The 2-dimensional inundation analysis for channels and protected lowland with FLUMEN model was carried out with the basic assumption that there's no levee failure against 100 year precipatation and inflow comes only through the overflowing to the protected lowland. The occurrence of overflowing was identified at the levee of Bisan-dong located in Geumho watershed. The level of risk was displayed for house/building residents, drivers and pedes- trians using information about depth and velocity of each node computed from the inundation analysis. Once inundation depth map and flood risk map for each region is created with this research method, emergency action guidelines for residents can be systemized and it would be very useful in establishing specified emergency evacuation plans in case of levee failure and over- flowing resulting from a flood.
Keywords :
FLUMEN, 2-D inundation analysis, USBR, flood risk map···
요 지
본 연구에서는 이상기후 및 기후변화에 따른 태풍
,집중호우 등으로 발생할 수 있는 피해들을 대비하고 상황에 맞는 대응 을 위한 홍수위험지도의 작성을 위하여
,낙동강의 지류인 금호강 유역에 위치하는 대구광역시 서구 지역에 대하여 국·내외 홍수위험지도 작성에 널리 이용되고 있는
FLUMEN모형을 적용한 하도 및 제내지의
2차원 침수해석을 실시하여 대상유역 에 대한 시간별 침수심과 유속을 계산하고
, USBR의
Downstream Hazard Classification Guidelines에 제시된 홍수위험 분 류기준에 의거하여 홍수위험지도를 작성하는 연구를 수행하였다
. FLUMEN모형을 적용한 하도 및 제내지의
2차원 침수해
석은
100년 빈도 강우에 대하여 제방의 붕괴가 발생하지 않고
,월류를 통한 제내지로의 유입만 발생한다는 가정 하에 모의 을 실시하였고
,대상유역에서는
100년 빈도 강우에 대하여 금호강유역에 위치한 비산동 지역의 제방에서 월류를 통한 홍수 가 발생하는 것으로 확인되었으며
,하도 및 제내지에서의
2차원 침수해석 결과로 얻어진 각
Node에 대한 매시간별 수심과 유속에 관한 정보를 이용하여 홍수위험정도를 분류하였다
.본 연구방법을 통한 지역별 침수심도 및 홍수위험지도가 구축된다
면 홍수로 인한 제방붕괴 또는 월류 시 지역 주민들의 비상대처 행동양식을 시스템화 할 수 있을 것이며
,고위험지역의 인 명을 우선적으로 대피시키고
,차량 및 도로를 통제하는 등의 세분화된 비상대처계획을 수립하는데 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다
.핵심용어 :
FLUMEN, 2차원 침수해석
, USBR,홍수위험지도
···
1. 서 론
최근 들어 지구온난화 및 이상기후가 지속화되면서 전 세 계적으로 강도가 높은 기상이변들이 속출하고 있다 . 우리나
라도 예외는 아니어서 지난 100 년 동안 기온이 약 1.5°C
가량 상승하였고 , 집중호우나 태풍과 같은 극단적인 기상현
상들로 인한 피해는 그 규모가 대형화 되고 , 발생빈도 역시
상당히 증가하고 있는 실정이다 . 우리나라의 피해는 태풍
루사 , 매미 등 2000 년대 들어 더욱 심각해지고 있는 실정
이며 , 태풍에 의한 홍수 이외에도 2006 년 6 월 14 일 제주
도에서부터 시작하여 7 월 29 일에 종료된 여름 장마는 장마
기간 중 총 강수량 758.0 mm 로 평년 346.2 mm 보다 2 배
*정회원·경북대학교공과대학건축·토목공학부박사과정
(E-mail : [email protected])
**정회원·경북대학교공과대학건축·토목공학부교수
(E-mail : [email protected])
***교신저자·한국수자원공사댐·유역관리처공동연구원
(E-mail : [email protected])
이상 많은 강수량을 보여 역대 장마 기간 중 가장 많은 비를 내리는 등 여러 가지 기상 기록을 경신하였다 . 이러 한 이상기후 및 기후변화에 따른 태풍 , 집중호우 등의 대 규모 호우로 인해 댐 및 제방 등의 수공구조물 붕괴와 같 은 비상상황이 초래될 수 있다 . 실제로 국내에서는 2002
년 태풍 루사로 인해 낙동강 유역 및 낙동강 연변 제방이 붕괴되는 피해가 발생했으며 , 2006 년 집중 호우시 강원도 지역 및 남강 지역의 제방붕괴가 발생하였고 , 충주댐 수위 가 계획홍수위까지 이르러 댐 월류 직전의 위험한 상황을 맞기도 하였다 . 이와 같은 피해들을 대비하고 상황에 맞는 대응을 위한 침수 범위의 예측 , 분석을 통한 홍수위험 및 다양한 홍수위험지도 작성의 필요성이 대두되고 있는 실정 이다 .
미국의 경우 NWS(National Weather Service) 는 NWSRFS (National Weather Service River Forecast System) 라는 홍 수재해 통합프로그램을 구축하여 운영하고 있을 뿐만 아니 라 돌발홍수에 대응할 수 있는 시스템을 구축하여 현업에 운영 중에 있다 . 또한 USGS(United States Geological
Survey) 를 통해 수문관측의 대부분을 전담 관리하도록 하고
있으며 , 이에 따라 관측정도의 향상 , 첨단 관측기기의 개발 ,
관측망의 최적화 및 효율적 유지관리 등이 가능하게 되었고 ,
관측된 기상 및 수문자료도 NCDC(National Climatic Data
Center) 및 USGS 에서 통합관리하고 있으며 인터넷을 통해
사용자에게 무료로 제공하고 있다 . EU 국가들은 홍수 예·
경보의 기술 개발을 위해 EFFS(European Flood Forecasting
System) 를 구축하여 실시간 홍수 예·경보를 위한 Prototype
를 개발하였고 , 이에 대한 불확실도를 정량화하며 유럽전역
에 대한 홍수정보를 생산하고 있다 . 영국의 Institute of
Hydrology 에서는 홍수예보 , 유역홍수추적 , 홍수위험도 평가 ,
홍수위험지도 작성을 위해 RFFS(River Flow Forecasting System) 을 운영하고 있으며 , 네덜란드의 Delft Hydraulics 에
서는 레이더 자료구축 , 유역 및 하천 홍수추적 , 범람해석 , EAP 구축 등에 의한 통합 홍수 예·경보시스템을 구축하여 운영하고 있다 . 일본의 경우 하천제방 붕괴에 따른 홍수위험 지도를 제작하여 일선행정관서에서 이를 일반주민에게 보급 하고 있으며 , 사전에 홍수위험지도에 따른 모의 대피훈련도 실시하고 있다 .
국내의 홍수위험지도 제작은 1999 년 수해방지대책 기획단 에서 비구조적 홍수대책의 일환으로 홍수범람 위험지도 제
작방침을 결정한 뒤 2000 년부터 건설교통부가 한국수자원공
사를 홍수범람 위험지도 사업 주관기관으로 선정하여 국가 하천을 대상으로 홍수위험지도를 제작하고 , 기존 홍수 정보
DB 의 지속적인 보완 및 하천관리지리정보시스템과의 연계를 추진하고 있지만 현재의 홍수위험지도 제작은 침수심만을 고 려하는 단순한 방법에만 국한하고 있고 , 정교한 수치해석결 과를 재해취약도 및 노출도 등과 연계한 홍수위험지도 제작 은 이루어지고 있지 않은 실정이다 .
홍수위험지도 제작에 관한 국내연구는 1990 년대 후반부터 다양한 방법론에 의하여 많은 연구가 진행되어 왔고 , 현재까 지 홍수위험지도 제작에 대한 최적의 방법론과 관련한 많은
연구가 진행 중이다 . 이홍래 등 (1998a, 1998b) 은 DWOPER
모형에 제방월류 및 붕괴에 따른 홍수해석 , 제내지에서의 범
람 등을 처리할 수 있는 프로그램과 ARC/Info 를 연계 처리 하여 홍수범람지도를 작성하였고 , HEC-RAS, HEC-HMS,
SWMM, Arc/View 등을 이용한 하천범람 및 내수침수 분석
에 의한 홍수범람 해석에 대한 연구가 수행되었다 ( 신현석 등 , 2000; 박홍균과 이상일 , 2002; 황태하 등 , 2004; 신현석 등 ,
2005). 또한 수공구조물 신뢰도 평가를 위해 한건연과 박재
홍 (1995) 은 댐 및 하천제방에 대한 위험도 평가모형에 대하
여 Monte Carlo 기법을 적용하여 해석한 바 있고 , 김종해
등 (2003) 은 하천에서의 홍수범람모의를 위하여 불확실도 해
석기법을 적용하는 모형을 개발하였으며 , 한건연과 이종석
(2006a, 2006b, 2006c) 은 댐 및 제방 등에 대한 수공구조
물 설계시 Risk Analysis 의 도입방안을 제시하였다 . 김정엽
등 (2006) 과 한건연 등 (2007) 은 홍수위험지도 제작에 있어 위
험도 (Risk) 개념을 정량적으로 적용하여 홍수위험지표 및 홍
수위험강도 등에 의해 Flood Hazard Mapping 개념에서
Flood Risk Mapping 개념의 홍수위험지도 제작 기법을 제
안한바 있으나 , 위험지표 및 위험도 산정 기법에 대한 방법 론적인 면에서 다소 단순하며 , 연구기간 및 적용성에 대한 한계 등으로 장기적인 안목에 의한 집중적 연구가 이루어져 야 할 것으로 판단된다 .
본 연구의 목적은 국내·외 홍수위험지도 작성에 널리 이
용되고 있는 FLUMEN 모형을 적용한 침수해석을 통하여
기존 침수심과 범람범위의 1 차적인 정보에서 수립할 수 있 었던 계획의 한계를 극복하고 , 좀 더 효율적이고 체계적인 치수·방재 계획 수립을 위한 새로운 홍수위험지도를 작성 하는데 있다 . 먼저 대상유역에 대한 2 차원 침수해석을 통하 여 시간별 침수심과 유속을 계산하고 , 미국 내무부 개척국인 USBR(U.S. Department of the Interior-Bureau Reclamation) 의
Downstream Hazard Classification Guidelines(1988) 에 제시된 홍수위험 분류기준에 의거하여 가옥 / 빌딩 거주자 , 차량이용 자 , 보행자 ( 성인 , 아동 ) 의 위험정도를 도출하고 , 이 자료들을
근간으로 하여 침수심과 범람범위 및 유속의 정보를 포함하 고 있던 범람지도와 홍수위험 분류기준에 의거하여 구분된
홍수위험 정보를 GIS Tool 을 이용하여 표출함으로써 좀 더
효율적이고 체계적인 홍수위험지도를 작성하고자 한다 . 본
연구방법을 통한 지역별 침수심도 및 홍수위험지도가 구축 된다면 홍수로 인한 제방붕괴 또는 월류 시 지역 주민들의 비상대처 행동양식을 시스템화 할 수 있을 것이며 , 고위험 지역의 인명을 우선적으로 대피시키고 , 차량 및 도로를 통 제하는 등의 세분화된 비상대처계획을 수립하는데 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다 .
2. 홍수위험 분류(Flood Hazard Classification)
본 연구에서는 대상지역의 침수로 인해 발생하는 인명 및 재산에 미치는 위험정도를 분류하기 위하여 미국 내무부 개
척국인 USBR 에서 제안한 바 있는 Downstream Hazard
Classification Guidelines(1988) 의 홍수위험 분류 기준을 이 용하였다 . 수심과 유속을 연계한 홍수위험 수준은 저위험영 역 (Low Danger Zone), 중간영역 (Judgement Zone), 고위험
영역 (High Danger Zone) 의 세 가지로 구분할 수 있다 . 각
각의 영역에 대한 설명은 다음과 같다 .
●
저위험영역 (Low Danger Zone) : 대상지역에 대해 평가된
수심 - 유속 관계가 이 영역에 속한다면 , 하류부에서의 위 험과 관련된 인명의 위험은 작게 나타난다 .
●
중간영역 (Judgement Zone) : 저위험영역과 고위험영역은
각각 인명의 위험이 없을 것인가와 인명의 위험이 있을 것인가에 관한 두 가지의 극단적인 상황을 나타낸다 . 이 러한 두 가지 극단의 중앙에 존재하는 영역이 판단을 필 요로 하는 중간영역이다 . 모든 홍수사상은 독특한 특성을 가질 뿐 아니라 , 인명의 위험을 초래할 수 있는 모든 인 자들을 이해하는 것은 불가능하기 때문에 이러한 사상은 중간영역에 포함될 것이다 . 그러므로 이러한 경우에 인명 에 대한 위험 여부를 결정하는 것은 기술자의 판단에 맡 겨진다 . 가능한 몇 가지의 의견과 일반적 합의 사이에서 위험분석 전문가들은 의사결정을 해야 할 것이다 .
●
고위험영역 (High Danger Zone) : 대상지역에 대해 평가 된 수심 - 유속 관계가 이 영역에 속한다면 , 가능한 모든 하류지역의 인명은 상당히 위험하다는 것을 의미한다 .
2.1 가옥/빌딩 거주자에 대한 위험분류
위험분류에 있어서 가옥은 지반에 기초를 두고 건축된 영 구적 구조물로 간주된다 . 주거지역에서 범람이 발생한 경우 ,
가옥의 붕괴나 유실로 인한 거주자의 인명피해는 홍수 수심 과 유속의 조합으로 그림 1 의 저위험영역 (Low Danger
Zone) 보다 위 부분에 표시되는 모든 지역 , 범람 경계 내에
위치한 주거지역에서 발생가능하다 . 위험분석 전문가들이 명 확히 정당성을 설명할 수 있는 특수한 경우를 제외하고는 항상 수심과 유속의 조합이 고위험영역 (High Danger Zone)
보다 상위에 위치한 지역의 거주자들에게 있어서 인명피해 의 발생 가능성이 있다고 할 수 있다 . 만약 수심과 유속을 합리적인 신뢰수준에서 예견할 수 없다면 , 가옥 / 빌딩 거주자 에 대한 위험수준은 유속이나 수심과 무관히 침수경계내의 모든 거주자들을 포함해야 할 것이다 .
2.2 차량/도로에 의한 인명의 위험분류
만약 댐 / 제방 붕괴 홍수파로 인해 도로에 침수가 발생한다 면 , 운전자와 보행자의 인명 손실 및 차량 , 도로의 손실 가
능성이 평가되어야 한다 . 댐 / 제방 붕괴의 결과로 도로에서의 차량 및 도로 그리고 인명에 대한 손실이 가능한 몇 가지 이유가 있다 .
●
자동차가 홍수로 인해 떠내려가는 경우
●
범람 홍수의 충격으로 인한 자동차의 연속적인 충돌과
통제력 상실
●
홍수침수발생 후 도로의 파손으로 인한 차량의 충돌 그러나 홍수위험분류가 댐 / 제방 붕괴로 인한 직접적인 영 향에 기반을 둔 것이므로 , 홍수침수 후 도로의 파손으로 인 해 발생하는 차량의 충돌로 인한 손실은 제외되었다 . 그림
2 는 차량 이용자에 대한 위험분류 기준을 나타내고 있다 .
2.3 보행자에 대한 위험분류
보행자들은 인도 , 자전거도로 , 산책로 등을 통해 이동한다 .
이러한 보행자들이 이동하는 통로가 고립되거나 홍수로 인 해 영향을 받을 경우 인명에 대한 위험은 그림 3 및 그림
4 를 이용하여 산정될 수 있다 . 그림 3 과 그림 4 는 각각 성
인과 아동의 위험도를 나타내고 있다 . 보행자에 대한 위험을 성인과 아동의 경우로 분리하여 산정하는 것이 보행자에 미 치는 위험 정도를 분류하는데 더욱 효율적이다 . 여기서 성인
이란 키 150 cm 이상 , 몸무게 50 kg 이상의 모든 사람을 기준
으로 한다 . 홍수범람지역의 사람에 대한 위험도를 그림 3 을 이용할 것인가 그림 4 를 이용할 것인가를 판단하는 것은 전 그림 1. 가옥/빌딩 거주자에 대한 홍수위험분류 관계도(유속-수심) 그림 2. 차량 이용자에 대한 홍수위험분류 관계도(유속-수심)
그림 3. 보행자(성인)에 대한 홍수위험분류 관계도(유속-수심)
그림 4. 보행자(어린이)에 대한 홍수위험분류 관계도(유속-수심)
문가가 해당지역의 인구에 대한 지식에 기반을 두고 해야 할 것이다 . 그러나 인구가 성인 , 아동이 고루 상주하는 지역의 경 우 다소 보수적으로 그림 4 를 사용하여 분류하는 것이 바람직 하다 . 유아에 대해서는 따로 분류하지 않았는데 , 이는 유아들 은 성인에 의해 안전히 보호된다고 판단되기 때문이다 .
3. 2차원 침수해석 모형본 연구에서는 스위스의 Beffa 에 의해 개발되어 스위스 ,
독일 , 오스트리아 등의 홍수범람해석에 사용되고 있는
FLUMEN(FLUvial Modeling ENgine) 모형을 적용하여 침
수해석을 실시하였다 . FLUMEN 모형은 수심적분한 천수방 정식을 불규칙한 격자구조에서 해석하기 때문에 하천의 합 류지점이나 만곡부분과 같이 수리학적으로 복잡한 해석에 적 합한 모형이다 . 특히 , 다양한 지형에서의 wet/dry 해석이 가 능하고 , 상류 및 사류의 해석이 가능하며 도수에 대해 수치 적으로 안정하다 . 또한 , 하천과 제내지를 구분하여 계산하지 않고 하나의 계산격자로 구성하여 일체화된 침수해석을 실 시하기 때문에 , 제방의 월류나 파제로 인하여 발생하는 외수
침수와 관련된 모의가 가능한 수치해석 모형이다 .
FLUMEN 모형이 적용된 2 차원 침수해석과 관련한 연구를
살펴보면 , 신영호 등 (2003) 은 홍수지도 제작 연구에서 유한
체적법을 이용한 2 차원 수리모형인 FLUMEN 모형을 적용 하였고 , 이렇게 작성된 홍수지도는 방재 세부집행 계획 수립 등의 기초자료로 활용될 수 있음을 제시한 바 있으며 , 배용
훈 등 (2005) 은 하상경사의 급변화 및 복합적인 하도변화에
따른 급변류 해석 , 원형섬에서의 고립파 처오름 해석 등을
통해 FLUMEN 모형의 정확성을 검증하였다 . 또한 유재홍과
조용식 (2005) 은 FLUMEN 모형의 적용을 판단하기 위해 홍
수범람시 중요하게 고려되어야 하는 불연속 흐름과 이동경 계조건에 관한 이상적인 문제에 적용하여 모형의 정확성을 검증한 후 , 실제지형에서의 홍수범람 해석을 수행하였고 , 강
수만 등 (2007) 은 진위천 구간에서 FLUMEN 모형의 적용성
을 검증한 후 200 년 빈도의 홍수량에 대한 홍수피해 저감방 안을 제시하는 연구를 수행하는 등 모형의 정확성을 검증하 고 적용성을 높이기 위한 많은 연구가 수행되었다 .
FLUMEN 모형의 지배방정식은 수심 적분된 비선형 천수
방정식으로서 보존형으로 나타내면 식 (1) 과 같으며 , 보존형 변수 벡터 U는 수심 h와 비유량 q와 r의 항으로 다음과 같이 나타낼 수 있다 .
(1)
(2)
한편 , 축 및 x축의 flux 벡터 E, G와 생성항 벡터 S는
각각 다음과 같다 .
(3)
여기서 , z
b: 하상고도 τ
b: 하상전단력
이 방정식은 레이놀즈 방정식에 정수압분포를 가정함으로 써 얻을 수 있다 . 지배방정식이 보존형으로 구성되어 있기 때문에 , 도수현상과 같이 흐름이 불연속적으로 변화하는 흐 름에도 적용가능하며 하상전단력을 평균흐름속도로 나타내면 식 (4) 와 같다 .
(4)
마찰계수 c
f는 Manning-Strickler 의 경험적인 마찰공식에
의해서 다음과 같이 정의된다 .
(5)
여기서 , n : Manning 조도계수 k
st: k-Strickler 계수
FLUMEN 모형은 전체 계산영역에서 불규칙 삼각망을 적
용하며 지배방정식인 임의의 i번째 삼각망에 대하여 아래와 같이 적분하여 유한체적법을 이용할 수 있다 .
(6)
여기서 , A
i: 삼각형의 면적
중앙차분기법에서는 셀표면에서의 플럭스는 셀중앙값에 의 해 산정되는데 , 주변지점의 산술평균값을 사용하게 되면 수
치진동을 야기할 수 있다 . 이러한 수치진동을 감쇠시키기 위
해 FLUMEN 모형에서는 상향가중법을 사용한 플럭스차분
분할기법 (FDS) 을 사용하였으며 , FDS 기법을 사용하여 셀표면
의 플럭스를 표현하면 다음과 같다 .
(7)
여기서 , U
R과 U
L: 셀표면에서의 변수 A : 플럭스 벡터의 Jacobian 행렬
FLUMEN 모형에는 시간차분을 위해 다음과 같은 양해적
Euler 기법을 사용한다 .
(8)
여기서 , U
n: n시간준위에서의 변수 U
n+1: n +1 시간준위에서의 변수 H : 차분에 앞선 미분공간연산자
Euler 기법은 양해적 기법이기 때문에 수치모의의 안정성을
위해 시간간격 ( ∆t ) 의 크기를 제한하는 CFL 조건을 고려해야 한다 . x , y방향의 CFL 수는 다음 식과 같다 .
(9) (10) (11)
∂U ∂t
---+ + +
∂E
---∂x ∂G
---∂y S
=0U h q
⎝ ⎠ r
⎜ ⎟ ⎜ ⎟
⎜ ⎟ ⎛ ⎞
=
E q q
2---
h
+g
2---h
2qr h
---
⎝ ⎠
⎜ ⎟
⎜ ⎟
⎜ ⎟
⎜ ⎟
⎜ ⎟
⎛ ⎞ G ,
r qr h
---
r
2----
h
+g
2---h
2⎝ ⎠
⎜ ⎟
⎜ ⎟
⎜ ⎟
⎜ ⎟
⎜ ⎟
⎛ ⎞ S ,
0
gh ∂z
b---
∂x
+τ
---ρ
bxgh ∂z
b---
∂y
+τ
---ρ
by⎝ ⎠
⎜ ⎟
⎜ ⎟
⎜ ⎟
⎜ ⎟
⎜ ⎟
⎛ ⎞
= = =
τ
bx---
ρ u u
2+v
2c
f---
, τ
---ρ
byv u
2+v
2c
f---
= =
c
fh
1 6⁄n g
---k
sth
1 6⁄ ---g
= =
∂t ∂
----
dU
---d t d Ω
Ai
∫ =–∫Ai
( E
x+G
y) Ω d
+∫AiS U ( ) Ω d
F
ij 12---
[ F U ( ) F U
L +( )
R]
12---
[ ] U A
ij(
R–U
L)
–
=
U
n 1+ =U
n+H
n∆ t
σ
x=( u
+gh ) t ∆
---∆ x
σ
y( v
+gh ) t ∆ y
∆
---=
σ
x2+σ
y2 1 ---2<
4. 모형의 적용
4.1 대상유역
본 연구의 대상유역은 낙동강의 지류인 금호강유역에 위치 하고 있다 . 본 대상유역은 국가하천인 금호강과 접하고 있으 며 , 도심지 가운데 비교적 제내지의 표고가 낮고 , 공단과 주 거시설 등이 복합적으로 존재하고 있으며 인구밀도가 높은 지역으로 내수침수나 외수범람으로 인하여 침수가 발생한다 면 커다란 피해가 발생할 수 있는 지역으로 하도와 제내지 에서의 2 차원 흐름해석에 따른 홍수위험지도의 작성이 요구 되는 지역이다 . 이 지역은 국가하천인 금호강과 지방 1 급 하천인 신천이 흐르고 있고 금호강 하류단에서 지방 2 급 하 천인 팔거천이 합류하는 유역으로 , 다음의 그림 5 는 대상유 역의 위치 및 형상을 보여준다 . 그림 6 은 대상유역에 위치 하는 금호강과 신천 , 팔거천에 대한 모식도이다 .
다음의 그림 7 과 그림 8 은 GIS 분석을 통하여 얻어진 대
상유역의 TIN 및 2 차원 하도 및 침수해석을 위한 계산격자
의 형상을 보여준다 . 대상유역에 대한 2 차원 하도 및 제내 지 침수해석에는 45,184 개의 Node 와 98,167 개의 Element 가
적용되었다 .
대상유역 내 하도구간의 조도계수는 기존 하천정비기본계 획 또는 현재 수립 중인 하천정비기본계획에서 산정된 값에 기초하여 홍수지도 제작 ( 낙동강상류부 ) 보고서 (2007) 에서 제 시한 값을 적용하였다 . 하도에서의 2 차원 수리해석에 적용된 대상구간의 조도계수는 아래의 표 1 과 같다 .
제내지의 조도계수 산정은 과거 침수실적 자료를 사용하여 조도계수를 산정하여야 하지만 , 본 연구의 대상유역에 대한
과거 침수실적 자료의 미비로 인하여 홍수지도 제작지침
(2001) 의 범람모형 매개변수 산정절차에 의거 토지이용에 따
른 점유면적을 조사해 그것을 바탕으로 조도계수를 산출하
는 합성등가조도계수를 적용하였다 . 기존의 조도계수 산정방 법과 달리 합성등가조도계수는 토지이용상태에 따라 농지의
경우는 0.06, 도로의 경우는 0.047, 그 이외의 경우는 0.05
의 값을 사용하여 건물이외의 토지이용에 관한 조도계수를 설정한 후 건물점유율과 조도계수를 합성하는 방법을 채택 하였다 . 다음의 표 2 는 제내지에 대한 2 차원 침수해석을 위 하여 대상유역의 제내지에 적용한 조도계수를 보여준다 .
그림 5. 대상유역의 위치 및 형상
그림 6. 대상유역의 하천모식도
표 1. 대상구간별 조도계수(하도)
Classification Station Roughness
(
n
) Downstream boundary ~Palgeocheon confluence No. 23 ~ No. 28 0.025 Palgeocheon confluence ~
Shincheon confluence No. 29 ~ No. 37 0.027 Shincheon confluence ~
Upstream boundary No. 37 ~ No. 50 0.031
표 2. 대상구간별 조도계수(제내지)
Classification Building occupancy rate
(%)
Roughness except for building (
n
o)Composite equivalent roughness
(
n
)Urban area 31.03 0.015 0.125
Road - 0.015 0.015
Hillslope and
farmland - 0.060 0.060
그림 7. 대상유역의 TIN
그림 8. 계산격자의 형상
4.2 하도에서의 조도계수 검증
하도 및 제내지에서의 흐름해석에 영향을 미치는 중요한 인자는 하도 및 제내지의 지형자료와 조도계수이다 . 지형자 료는 측량을 통하여 구축할 수 있으나 , 하도 및 제내지의 조도계수는 수학적인 결과에 따른 절대적인 값이 아니라 하 도 및 제내지의 특성에 따른 값이기 때문에 조도계수의 산 정은 중요하면서도 어려운 작업이라 할 수 있다 . 본 연구에 서는 앞서 언급한 바와 같이 하도구간의 조도계수는 홍수지 도 제작 ( 낙동강상류부 ) 보고서 (2007) 에서 제시한 값을 적용 하였고 , 제내지의 조도계수는 홍수지도 제작지침 (2001) 의 범 람모형 매개변수 산정절차에 의거 토지이용에 따른 점유면 적을 조사해 그것을 바탕으로 조도계수를 산출하는 합성등 가조도계수를 적용하였다 .
하도 및 제내지에서의 정확한 흐름해석을 위해서는 흐름해 석에 적용되는 조도계수에 대한 검증이 요구된다 . 2 차원 침수 해석에 적용된 하도에서의 조도계수에 대한 검증을 위하여 본 연구에서는 FLDWAV 모형을 이용하여 금호강의 금호 ~ 성서 구간에 대하여 부정류 해석을 실시하였다 . 단면자료는 금호강 하천정비기본계획 ( 보완 ) 보고서 (1997) 의 자료를 이용하였고 ,
수문자료는 2006 년 태풍 ‘ 에위니아 (7 월 10 일 ~7 월 13 일 )’ 의 홍수사상을 이용하였다 . 하류단 경계조건은 성서수위표 지점 에서 관측된 수위수문곡선을 이용하였고 , 상류단 경계조건은 금호수위표 지점의 수위자료에 수위 - 유량관계곡선식을 적용한 유량수문곡선을 이용하였으며 , 금호 ~ 성서구간에 위치하는 동 촌수위표 지점에서 관측된 수위자료와 1 차원 부정류해석을 통 하여 계산된 수위 값에 대한 비교를 통하여 조도계수에 대한 검증을 실시하였다 . 그러나 제내지의 조도계수는 과거 침수실
적 자료를 사용하여 흐름해석에 적용된 조도계수를 검증하여 야 하지만 , 본 연구의 대상유역에 대한 과거 침수실적 자료의 미비로 인하여 검증을 실시하지 못했기 때문에 토지이용에 따 른 점유면적을 조사해 그것을 바탕으로 조도계수를 산출하는 합성등가조도계수를 적용하였다 . 그림 9 는 동촌수위표 지점에 서 관측된 수위자료와 1 차원 부정류해석을 통하여 계산된 수
위 값을 비교한 것이다 . 2006 년 당시의 동촌수위표에서 관측
된 첨두수위는 31.16 m 로 나타났으며 , FLDWAV 모형을 적
용한 1 차원 부정류해석에서는 31.08 m 의 첨두수위가 계산되 었다 . 또한 , 2006 년 7 월 10 일 12:00~7 월 13 일 12:00 의 관측 수위와 계산수위에 대한 비교를 통하여 L1 오차는 5.32E-03, L2 오차는 9.10E-03, L ∞오차는 4.28E-02, RMSE 는 2.83E- 01, ME 는 1.70E-01 로 계산되었다 .
4.3 하도 및 제내지에서의 2차원 침수해석
본 연구에서는 스위스의 Beffa 에 의해 개발되어 국내·외 홍수지도 작성에 널리 이용되고 있는 상용모형인 FLUMEN
모형을 적용하여 하천 및 제내지에서의 침수해석을 실시하 였고 , 홍수범람 시나리오는 제방의 파제없이 홍수류가 월류 하여 제내지로 범람하는 경우만을 고려하는 월류범람 시나 리오를 선정하였으며 , 제방에 대한 불확실도 및 취약도 해석 을 수행하여 예상되는 파제구간을 선정하는 파제범람 시나 리오는 고려하지 않았다 .
대상유역에 포함되는 하도는 금호강 본류 No. 23~50 구간 과 , 지류인 팔거천 No. 0~55, 신천 No. 0~46, 동화천 No.
0~17, 그리고 달서천 No. 0~8+162 구간이 있다 . 상·하류단
경계는 각각 금호강 본류 No. 50, No. 23 지점이고 , 팔거천
No. 55 지점과 신천 No. 46 지점을 지류유입경계로 설정하
였다 . 유입유량은 100 년 빈도의 강우에 대한 유역의 수문분 석을 통하여 얻어진 유량수문곡선을 적용하였으며 , 하류단
경계인 No. 23 지점에서의 경계조건으로 적용될 수위 수문곡
선을 산정하기 위하여 No. 0~28 사이구간에 대한 부정류 해
석을 실시한 자료를 이용하였다 . No. 0 지점에서의 수위조건
을 입력하기 위해 금호강 합류점을 포함하는 낙동강 본류 구간에 대해 부정류해석을 실시하였으며 , 낙동강의 계획빈도
그림 9. 조도계수의 검증(동촌수위표)
그림 10. 상류단 경계조건
그림 11. 지류 유입유량(신천)
그림 12. 지류 유입유량(팔거천)
에 해당되는 수위곡선을 금호강 No. 0 지점의 하류단 경계 조건으로 적용하였다 . 홍수량 및 경계조건의 산정에 적용된 설계강우량 , 강우의 시간분포 , 유효우량 , 도달시간 , 저류상수 ,
임계지속시간 등의 모든 조건은 낙동강 유역종합치수계획
(2004) 에 제시된 값을 동일하게 적용하였다 . 다음의 그림
10~ 그림 13 은 상류단 경계조건 및 신천과 팔거천의 지류 유
입유량 그리고 하류단 경계조건을 나타낸 것이다 .
FLUMEN 모형을 적용한 하도 및 제내지의 2 차원 침수해
석을 통하여 대상유역에서는 100 년 빈도 홍수에 대하여 금 호강유역에 위치한 비산동 지역의 제방에서 월류로 인한 범 람이 발생하는 것으로 계산되었다 . 그림 14 는 하천으로부터
월류가 발생하는 지점을 보여주고 있으며 , 그림 15 는 2 차원 침수해석을 통한 최대 침수심도를 나타내고 있다 .
FLUMEN 모형을 적용한 하도 및 제내지에 대한 2 차원
침수해석 결과 대상유역의 최대 침수면적은 4.872 km
2로 계
산되었으며 , 다음의 표 3 과 표 4 는 대상유역에 대한 침수심 별 침수면적과 침수시간별 침수면적을 분석한 것이다 .
4.4 홍수위험지도의 작성
FLUMEN 모형을 적용한 하도 및 제내지에서의 2 차원 침
수해석 결과로 얻어진 수심과 유속에 관한 정보를 이용하여 2
장에서 언급한 USBR 의 Downstream Hazard Classification
Guidelines(1988) 에 제시된 홍수위험 분류기준에 따라 가옥
거주자 , 차량 운전자 , 보행자 ( 성인 , 아동 ) 에 대한 홍수위험정 보를 저위험영역 , 고위험영역 , 중간영역의 3 단계로 구분하여 나타내는 홍수위험지도를 작성하였다 . 먼저 침수해석 결과로 나타나는 제내지에서의 Node 에 대한 시간별 유속 및 수심에 관한 정보를 가지고 그림 1~ 그림 4 의 홍수위험 분류기준에 해당되는 영역에 따라 저위험영역 , 고위험영역 , 중간영역으 로 구분하였고 , 각 Node 에 대한 매시간별 위험영역 가운데 가장 큰 값을 선택하여 홍수위험지도를 작성하였다 . 각
Node 에 대한 최대유속과 최대수심이 나타나는 시간이 동일 하지 않기 때문에 최대유속과 최대수심을 이용하여 홍수위 험지도를 작성하지 않고 , 매시간별 유속과 수심을 이용하여 그 중 가장 큰 값을 선택하여 홍수위험지도를 작성하였다 .
그림 16 은 가옥 / 빌딩 거주자 홍수위험분류지도를 나타내며 ,
그림 17 은 차량 이용자 홍수위험분류 , 그림 18 과 그림 19 는 각각 보행자 성인 및 아동의 홍수위험분류를 나타낸 것이다 .
가옥 거주자 및 차량 이용자에 대한 홍수위험지도는 침수 지역의 인명을 가옥 거주자 및 차량 이용자로 나타낸 것이 므로 주제별로 이용할 수 있으나 , 보행자에 대한 홍수위험지 도의 경우 성인과 아동의 구분을 해 주어야 한다 . 침수지역 의 평균연령 , 산업구조 등의 정보를 활용하여 적절한 보행자 위험분류지도를 선택해야하며 , 작성된 4 가지 홍수위험도의
중간영역에 관한 해석에 있어서는 기술자 또는 전문가의 정 확한 판단이 요구된다 . 작성된 2 가지의 보행자 ( 성인 , 아동 )
위험지도 중에서 대상유역의 특성과 침수 지역의 인구 , 토지 이용 , 가옥 밀집도 등을 기준으로 전문가의 판단 하에 보행
자의 위험을 가장 적절히 나타낼 수 있는 위험지도를 선택 그림 13. 하류단 경계조건
그림 14. 월류 발생지점
그림 15. 최대 침수심도
표 3. 침수심별 침수면적 비교
Inundation depth (m) Inundation area (km2)
0.0~0.5 0.690
0.5~1.0 0.770
1.0~2.0 2.340
2.0~5.0 1.068
5.0~ 0.004
Total 4.872
표 4. 침수시간별 침수면적 비교
Time (hr) Inundation area (km2)
0 0.000
1 0.400
3 3.740
6 4.630
Max 4.872
해야한다 . 본 연구에서는 침수가 예상되는 구역을 둘러싸고 있는 신천대로와 달서천의 제방이 월류를 통하여 유입된 유 량을 가두는 일종의 저류지 역할을 하고 , 배수관망을 통한
배제를 고려하지 않았기 때문에 유역의 저지대에서는 상당 한 침수위의 상승이 나타난 것으로 분석되었다 . 이로 인하여 대상유역에 대한 위험분류를 구분함에 있어서 유속보다는 수 심이 보다 큰 영향을 미치는 것으로 확인되었다 . 또한 전문
가의 판단에 있어서 침수가 예상되는 비산동 일대는 염색공 단과 대구 3 공단이 위치하는 지역으로 홍수 방어대책을 수립 함에 있어서 인명에 대한 피해 이외에도 산업경제적인 피해 도 고려해야 할 것으로 판단된다 .
5. 결 론
본 연구에서는 낙동강의 지류인 금호강 유역에 위치하는 대구광역시 서구 지역에 대하여 국내외 홍수위험지도 작성
에 널리 이용되고 있는 FLUMEN 모형을 적용한 하도 및
제내지의 2 차원 침수해석을 실시하여 대상유역에 대한 시간 별 침수심과 유속을 계산하고 , 미국의 재난관련 주무기관이 라 할 수 있는 USBR 의 Downstream Hazard Classification
Guidelines(1988) 에 제시된 홍수위험 분류기준에 의거하여 가
옥 / 빌딩 거주자 , 차량이용자 , 보행자 ( 성인 , 아동 ) 의 위험정도 를 도출하고 , 이 자료들을 근간으로 하여 침수심과 범람범위 및 유속의 정보를 포함하고 있던 범람지도와 홍수위험 분류
기준에 의거하여 구분된 홍수위험 정보를 GIS Tool 을 이용
하여 홍수위험지도를 작성하였다 . 연구내용의 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다 .
1. 대상유역에 포함되는 하도는 금호강 본류 No. 23~50 구간 과 , 지류인 팔거천 No. 0~55, 신천 No. 0~46 구간으로 구성하였으며 , 상·하류단 경계는 각각 금호강 본류 No. 50, No. 23 지점이고 , 팔거천 No. 55 지점과 신천 No. 46 지 점을 지류유입경계로 설정하였다 . 유입유량은 100 년 빈도 의 강우에 대한 유역의 수문분석을 통하여 얻어진 유량수 문곡선을 적용하였으며 , 하류단 경계인 No. 23 지점에서의 경계조건으로 적용될 수위 수문곡선을 산정하기 위하여
No. 0~28 사이구간에 대한 부정류 해석을 실시한 자료를
이용하였다 . 하도구간의 조도계수는 하천정비기본계획에
제시된 값을 적용하였고 , 제내지의 조도계수 토지이용에 따른 점유면적을 조사해 그것을 바탕으로 조도계수를 산 출하는 합성등가조도계수를 적용하였다 . 하도와 제내지에
대한 해석을 동시에 수행하는 일체화된 모형인 FLUMEN
모형을 적용한 대상유역의 침수해석에는 45,184 개의
Node 와 98,167 개의 Element 가 적용되었다 .
2. FLUMEN 모형을 적용한 하도 및 제내지의 2 차원 침수해
석은 100 년 빈도 강우에 대하여 제방의 붕괴가 발생하지
않고 , 월류를 통한 제내지로의 유입만 발생한다는 가정 하 에 모의을 실시하였고 , 대상유역에서는 100 년 빈도 홍수 에 대하여 금호강유역에 위치한 비산동 지역의 제방에서 월류를 통한 홍수가 발생하는 것으로 나타났으며 , 대상유 역의 최대 침수면적은 4.872 km
2로 계산되었다 .
그림 16. 가옥/빌딩 거주자에 대한 홍수위험지도
그림 17. 차량 이용자에 대한 홍수위험지도
그림 18. 보행자(성인)에 대한 홍수위험지도
그림 19. 보행자(어린이)에 대한 홍수위험지도
3. FLUMEN 모형을 적용한 하도 및 제내지에서의 2 차원
침수해석 결과로 얻어진 각 Node 에 대한 매시간별 수심
과 유속에 관한 정보를 이용하여 , USBR 의 Downstream
Hazard Classification Guidelines(1988) 에 제시된 홍수위 험 분류기준에 따라 가옥 거주자 , 차량 운전자 , 보행자 ( 성
인 , 아동 ) 에 대한 각 Node 의 매시간별 위험영역을 산정하
고 , 각 Node 에 대한 시간별 위험영역 가운데 가장 큰 값
을 선택하여 저위험영역 , 중간영역 , 고위험영역의 3 단계로 구분하는 홍수위험지도를 작성하였다 .
4. 작성된 홍수위험지도의 중간영역에 대한 종합적인 판단을 내리는 전문가는 지역의 지형적 특성뿐 아니라 침수심 , 유 속 등에 관한 정보를 기반으로 지역의 인구 및 세대수 ,
산업구조 , 토지이용현황 및 주택현황 등에 관한 정보를 이 용하여 중간영역의 인명손실 가능성과 대피여부 및 우선 순위를 결정해야 하며 , 본 연구방법을 통한 지역별 침수심 도 및 홍수위험지도가 구축된다면 홍수로 인한 제방붕괴 또는 월류 시 지역 주민들의 비상대처 행동양식을 시스템 화 할 수 있을 것이며 , 고위험지역의 인명을 우선적으로 대피시키고 , 차량 및 도로를 통제하는 등의 세분화된 비상
대처계획을 수립하는데 유용하게 활용할 수 있을 것으로 보이며 , 인명 및 재산에 큰 피해를 주는 구간을 개략적으 로 산정하여 표시함으로써 홍수 방어대책을 수립의 우선 순위 결정 , 홍수 취약지역의 선정 , 수공구조물의 설치 방 향을 결정하는데 도움이 되는 자료로 활용 될 수 있을 전망이다 .
5. 홍수방어계획의 수립을 위해서 가장 우선시되는 것이 홍 수위험구역에 대한 파악이며 , 이를 위한 대책이 홍수위험
지도의 제작이다 . 이러한 홍수위험지도의 제작을 위해서는
LiDAR 자료 등 보다 개선된 정밀한 측량자료가 적용되
어야 하고 , 홍수해석의 효율성 및 정확성 증대를 위해 토 지이용 특성을 정확하게 구분하는 것이 필요하며 , 외국의
상황과 대별되는 국내 유역의 수리학적 특성을 반영한 홍 수해석 모형의 지속적인 개발이 요구된다 . 또한 본 연구에 서는 외수범람에 의한 침수영향만을 고려하였으나 , 보다 정확하고 현실적인 침수해석 및 홍수위험지도의 제작을 위 해서는 내수침수와 외수범람 , 지하공간의 침수 등을 고려 한 통합적인 홍수해석이 요구되는 바이다 .
감사의 글
본 연구는 국토해양부가 출연하고 한국건설교통기술평가원 에서 위탁시행한 건설기술혁신사업 (08 기술혁신 F01) 에 의한 차세대홍수방어기술개발연구단의 연구비 지원에 의해 수행되 었습니다 .
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