KR101492323B1 - 다차원 수리모형을 이용한 하천흐름 연계모의 gui장치 - Google Patents

다차원 수리모형을 이용한 하천흐름 연계모의 gui장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다차원 수리모형을 이용한 하천흐름 연계모의 GUI장치에 관한 것으로서, 1차원 수문 관측자료를 EFDC와 CCHE2D의 다차원 수리모형의 모의결과와 연계하여 하천흐름 분석에 이용하는 연계모의 GUI장치에 있어서, 상기 다차원 수리모형으로 사용되는 EFDC와 CCHE2D는 상기 1차원 수문 관측자료와 모의결과 정보를 저장하고 관리하는 데이터베이스(DB)와 상기 데이터베이스(DB)의 정보를 받아 처리할 수 있는 GUI를 포함하되, 상기 1차원 수문 관측자료 정보의 데이터 모델을 전처리 과정을 통해 변환하여 다차원 수리모형의 EFDC와 CCHE2D에 입력하고, 상기 다차원 수리모형에서 입력받은 정보와 상기 데이터베이스(DB)의 다차원 수리모형의 모의결과의 데이터 모델을 함께 후처리 과정을 통해 처리하고 분석하여 하천흐름을 분석하는 것이며, 홍수기와 같은 시기에 하천흐름을 정확한 분석을 통해 홍수의 예방을 적극적으로 할 수 있는 효과가 있다.

Description

다차원 수리모형을 이용한 하천흐름 연계모의 GUI장치{GUI Apparatus for Coupling of Multi-Dimensional Hydraulic Models}
본 발명은 다차원 수리모형을 이용한 하천흐름 연계모의 GUI장치에 관한 것으로서, 상세히는 1차원 수문 관측자료 또는 1차 수리, 수문모형에 의해 제공받던 결과데이터인 선단위, 지점단위 정보를 다차원 수리모형에 의해 제공받는 공간, 격자단위 정보와 함께 연계하여 GUI를 통해 하천흐름의 양상을 분석하고 결과를 도출하도록 한 다차원 수리모형을 이용한 하천흐름 연계모의 GUI장치에 관한 것이다.
최근 들어 자주 언급되고 있는 이상기후는 과거와는 다른 기후변화의 양상으로 전개되고 있으며, 주로 지구온난화에 기인하는 것으로 알려져 있다. 또한 이상기후에 의한 기상현상은 홍수, 가뭄, 태풍, 폭설 등과 같은 자연재해를 발생시키는 대표적인 원인이기도 하다. 세계보건기구(WHO) 통계에 따르면 전 세계적으로 자연재해는 매년 6%씩 증가하는 추세를 보이고 있다. 자연재해 중 홍수는 매년 피해 복구에만 4조 2천억원이 넘는 비용이 들어가기 때문에 홍수로부터 국민의 생명과 재산을 보호하기 위해 많은 연구와 사업이 수행되고 있다.
현재 추진되고 있는 4대강 살리기 사업은 홍수피해 방지를 위해 하도준설을 실시하고, 확보된 통수능을 바탕으로 홍수위 저감 효과를 얻고 준설로 인해 야기되는 지하수위 저감을 상쇄시키기 위해 다기능보를 건설하고 있다. 자연하천의 준설이나 수리구조물 건설은 하도 내 흐름을 변화시킬 뿐 아니라 유황 변화에 의해 홍수터 생태환경에도 많은 영향을 미칠 수 있다. 또한, 단기간의 하천공사 시행으로 급격한 하천단면 변화로 홍수분석 신뢰도가 저하되어 홍수재해 위험성이 증가된다.
따라서, 단기간에 걸쳐 이루어지는 수리구조물 건설과 하도준설에 의한 통수 단면적의 감소, 그로 인한 지형변화로 발생할 수 있는 침수피해를 감소시키기 위해 하천환경 변화를 적절히 반영한 수위-유량 곡선식 및 홍수분석시스템의 개선이 필요하다.
이러한 수위-유량 곡선식 및 홍수분석시스템의 개선을 위해 기존의 수문학적 모형은 하천구조물에 의한 배수영향 등을 고려하지 못하기 때문에 수리해석 모형의 병행 구축이 불가피하다고 판단하고, 이를 보완하기 위해 국토해양부와 한국수자원공사는 1차원 수리모형인 FLDWAV(Flood Wave Dynamic Model)를 채택하고 홍수예보시스템에 적용하여 원할한 홍수예보가 될 수 있도록 추진하고 있다.
하지만, 다기능보 주변에는 생태광장, 문화광장, 수중광장과 같은 친수공간이 마련되고 있기 때문에 이러한 천변공간에 대한 수리 안정성 검토를 위해서는 선단위 1차원 수리해석뿐만 아니라 다차원 수리해석을 통한 면과 공간적 개념의 수리정보가 필요하다. 4대강 사업 후 객관적이고 합리적인 다기능보 운영을 위해서는 국토해양부와 한국수자원공사에서 제공하고 있는 다양한 1차원 수문자료를 바탕으로 공간적 개념을 포함하여 주요 하천에 대한 적절한 수리 해석을 수행하고, 다기능보를 포함한 수리구조물들에 대한 적절한 운영기준을 결정해야 한다.
한국 등록특허공보 제10-1094221호
본 발명은 상기한 바와 같은 제반 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 기존의 1차원 모의를 통한 하천관리의 한계를 극복하기 위하여, 선단위, 지점단위 정보를 제공하여 만들어지는 수문 관측자료 또는 1차원 수문 및 수리모형에 의한 모의 결과를 공간단위, 격자단위 정보를 제공하여 만들어지는 다차원 수리모형의 모의 결과와 연계하여 하천흐름을 분석함으로써 합리적인 하천관리를 위한 기초자료롤 활용할 수 있도록 한 다차원 수리모형을 이용한 하천흐름 연계모의 GUI장치를 제공함에 있다.
이와 같이 일반적으로 다차원 모형을 이용한 모의는 상당한 수준의 숙련도와 시간과 노력을 필요로 하며, 관련 매개변수들과 사용자 결정요소의 선택에 따라 모의결과도 차이를 보이게 된다. 따라서 본 연구에서 개발한 시스템을 통하여 실시간 수문자료 또는 1차원 수리, 수문 모의결과를 입력자료로 활용하는 2, 3차원 수리모형의 연계모의를 일괄적으로 수행함으로써 하천에서의 물리적 현상을 적절히 고려한 공간적 수리특성을 반영한 하천관리가 가능할 것이다. 이를 통해 급격한 지형변화 및 수리구조물에 의한 홍수에 대비하고 각 격자별 유량의 전달에 의한 홍수파의 전파양상을 공간단위 정보로 얻을 수 있기 때문에 상기한 바와 같이 합리적인 하천관리를 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 다차원 수리모형을 이용한 하천흐름 연계모의 GUI장치는, 1차원 수문 관측자료를 EFDC와 CCHE2D의 다차원 수리모형의 모의결과와 연계하여 하천흐름 분석에 이용하는 연계모의 GUI장치에 있어서, 상기 다차원 수리모형으로 사용되는 EFDC와 CCHE2D는 상기 1차원 수문 관측자료와 모의결과 정보를 저장하고 관리하는 데이터베이스(DB)와 상기 데이터베이스(DB)의 정보를 받아 처리할 수 있는 GUI를 포함하되, 상기 1차원 수문 관측자료 정보의 데이터 모델을 전처리 과정을 통해 변환하여 다차원 수리모형의 EFDC와 CCHE2D에 입력하고, 상기 다차원 수리모형에서 입력받은 정보와 상기 데이터베이스(DB)의 다차원 수리모형의 모의결과의 데이터 모델을 함께 후처리 과정을 통해 처리하고 분석하여 하천흐름을 분석하는 것을 특징으로 하고 있다.
또, 상기 1차원 수문 관측자료는 1차원 수문모형(COSFIM)과 1차원 수리모형(FLDWAV)의 연계를 통해 계산된 결과데이터일 수도 있다.
또, 상기 데이터 모델은 연계모의 시스템에 필요한 1차원 수문 관측자료 정보와 다차원 수리모형의 모의결과 정보를 검토하고 절차별 입,출력 정보를 고려하여 분석모듈을 설계한 것이고, 상기 전처리 과정은 다차원 수리모형의 입력자료 생성을 위한 상기 1차원 수문 관측자료 또는 1차원 수문모형(COSFIM)과 1차원 수리모형(FLDWAV)의 연계를 통해 계산된 결과데이터인 기초자료를 처리하여 모형수행에 필요한 정보가 자동으로 추출되도록 한 것이며, 상기 후처리 과정은 모형수행 결과를 GUI의 도식화 모듈에 의해 출력하도록 하는 것이 바람직하다.
또, 상기 후처리 과정의 도식화 모듈인 GUI는 다차원 수리모형의 모형수행 조건들을 간략하게 표현하여 상기 다차원 수리모형의 구동에 필요한 데이터를 추출, 연산 및 저장하여 입력자료를 생성하고, 이 입력자료에 의해 상기 수리모형을 구동하여 얻어진 계산결과를 도식화하여 표현하도록 하며, 상기 GUI는 초기수위 보간, 조도 및 조고계수, Wet/Dry, Monitor Point Node, 계산시간간격(Time Step) 등의 모형 수행조건들을 표현하고 수정할 수 있는 기본 GUI와, 계산 시간의 적용, 모형 구동을 위한 계산 인자 조정, 출력관련 옵션과 더불어 난류변수, 격자구성, 경계조건, 유사해석을 위한 매개변수, 계산 옵션 등 다양한 세부조건들을 표현하고 수정할 수 있는 상세 GUI로 구분되는 것이 바람직하다.
또, 상기 다차원 수리모형인 EFDC와 CCHE2D의 모의 결과를 발산하기 위한 계산시간간격(Time Step)은 EFDC의 경우 3초 이상이고, 상기 CCHE2D의 경우 30초 이상인 것이 바람직하다.
또, 상기 수문 관측자료 또는 1차원 수문모형(COSFIM)과 1차원 수리모형(FLDWAV)의 연계를 통해 계산된 결과데이터는 하천의 선단위와 지점단위 정보이고, 상기 다차원 수리모형에 의해 하천의 공간과 격자단위 정보도 제공받도록 하며, 상기 공간 정보는 하천의 특정지점 사이의 공간이고, 상기 격자 정보는 상기 공간을 사방 20m로 구획하여 구분한 격자망인 것이 바람직하다.
본 발명의 다차원 수리모형을 이용한 하천흐름 연계모의 GUI장치에 의하면, 다양한 응용 프로그램을 이용하여 여러 단계를 거쳐야 했던 각종 공간정보 및 수위, 유량 정보 등의 산출과 수리, 수문한적 개변수를 GUI에서 하나의 프로그램에서 처리하고 상황에 맞게 처리할 수 있도록 하고, 이를 통합된 데이터베이스(DB)에서 관리함으로써 효율적인 데이터의 관리 및 빠른 모형 구동이 가능한 효과가 있다.
또 정보 분석과 표준화된 분석절차로 전술한 모의 결과의 객관성 결여와 효율적인 시간적, 금전적인 노력의 활용 문제가 근본적으로 해소될 수 있을 것으로 기대되는 효과가 있고, 심미적 기능이 강화되도록 UI를 재구성하고 모형의 자동 보정 기법 등을 추가함으로써 사용자 편의성을 극대화한 효과가 있다.
또한 본 발명의 연계시스템을 이용하여 모의한 결과, EFDC와 CCHE2D 모형은 HEC-RAS 모형과 유속 및 수위 추세가 비슷하게 나타나며, 수위 상승, 하강구간에서 재연성이 높은 것으로 나타났기 때문에 공간단위 수리분석모형으로 활용할 수 있는 효과가 있다.
또한 향후, 건설이 완료된 각 다기능보 지점에서 관측되는 방류량 및 수위 데이터를 활용하거나 기존 홍수분석 모형의 수리, 수문모형에서 계산되는 값을 컴퓨터로 불러오는 기능(Import)을 활용하여, 기존 홍수분석모형의 수문 및 수리모형에서 계산되는 값을 연계할 경우, 기상에서 예측되는 강우량에 따른 다기능보 주변 구간의 유량 및 수위 값을 예측할 수 있기 때문에 다양한 의사결정을 위한 정보를 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 다차원 수리모형을 이용한 하천흐름 연계모의 GUI장치의 연계절차 흐름도
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 다차원 수리모형을 이용한 하천흐름 연계모의 GUI장치의 GUI
도 3은 본 발명에 따른 다차원 수리모형을 이용한 하천흐름 연계모의 GUI장치를 적용하기 위한 대상인 하천의 지형도
도 4는 본 발명에 따른 다차원 수리모형을 이용한 하천흐름 연계모의 GUI장치를 적용하기 위한 대상인 하천의 수평의 곡선-직교 격자망 구성도
도 5는 본 발명에 따른 다차원 수리모형(CCHE2D)의 계산시간간격(Time Step)에 따른 계산결과 그래프
도 6은 본 발명에 따른 다차원 수리모형을 이용한 하천흐름 연계모의 GUI장치의 RMSE와 NSEC의 오차에 따른 RMSE ratio와 NSEC ratio 그래프
도 7은 본 발명에 따른 다차원 수리모형을 이용한 하천흐름 연계모의 GUI장치의 시뮬레이트 된 수위의 비교 그래프
도 8a는 본 발명에 따른 다차원 수리모형을 이용한 하천흐름 연계모의 GUI장치가 적용되는 수위 관측소 지점의 하천 도면
도 8b는 본 발명에 따른 다차원 수리모형을 이용한 하천흐름 연계모의 GUI장치가 적용되는 다기능보와 다기능보 사이의 하천 도면
이하, 본 발명에 따른 다차원 수리모형을 이용한 하천흐름 연계모의 GUI장치의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
4대강 살리기 사업에 따른 하천의 급격한 환경변화는 수리, 수질, 생태에 대한 잠재적인 위험성을 증가시켰다. 이러한 위험성에 의한 예측 불가능한 피해를 최소화하기 위해서는 하천에서의 흐름특성에 대한 정확한 조사 및 분석과 정밀한 수리특성분석이 필요하다. 본 발명에서는 실시간으로 관측되는 수문데이터를 이용하거나 1차원 수문모형 COSFIM(Coordinated Operation System for Flood control In Multi-reservoirs)과 1차원 수리모형 FLDWAV(Flood Wave Dynamic Model)의 연계를 통해 계산된 결과데이터를 이용하여 2차원 또는 3차원 수리검토가 가능한 연계모의시스템을 개발한 것이다.
또 본 발명에서는 지금까지 국내에서 널리 적용되어 왔고 하천에서의 물리적 현상을 적절히 반영하는 것으로 검증이 이루어진 대표적 다차원 모형들을 연계하여 모의할 수 있는 시스템을 개발한 것이다. 따라서 본 발명에서는 다차원 수리동역학모형으로 EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code)와 CCHE2D(Center for Computational Hydroscience and Engineering-2D)를 채택한다.
이와 같이 본 발명에 의해 개발한 시스템은 실시간 관측수문자료 또는 수리,수문모형을 통해 계산된 결과 자료가 모형에 적합하게 자동적으로 변환될 수 있도록 구조화하였고, 지형자료 구축 및 수리, 수문학적 매개변수 처리를 간편하게 할 수 있는 GUI를 설계하여 관측수문자료 데이터베이스(DB)나 1차원 수리, 수문모의 결과와 모델 구동이 효과적으로 연동되도록 하여 기초자료 수집, 분석 및 전처리에 소요되는 시간을 최소화할 수 있도록 한다.
한편, 본 발명의 시스템을 통해 모의되는 EFDC 모형은 양해법으로 흐름을 해석하고 있기 때문에 계산시간간격(Time Step)의 영향을 받지 않지만 CCHE2D 모형의 경우 음해법으로 해석하기 때문에 계산시간간격(Time Step)의 영향을 받을 것으로 판단되므로, 두 모형에 대한 적정한 계산시간간격(Time Step)을 결정하여 모의를 수행한다.
상기 EFDC(Hamrick, 1996)와 CCHE2D(Jia and Wang, 2001) 모형은 각각 USEPA(The U.S. Environmental Protection Agency)와 NCCHE(National Center for Computational Hydroscience and Engineering)에서 개발된 다차원 수리동력학 모델이다. EFDC 모형은 이론적인 면과 수치해석적인 면에서 Blumberg and Mellor(1987)의 모형과 많은 공통점을 가지며 질량보존기법을 이용하여 천해역에서 조간대 처리가 가능하도록 설계되어져 있어 조간대가 넓게 분포하는 우리나라 연안이나 하천에 용이하게 적용할 수 있는 장점이 있다. CCHE2D 모형은 오랜 연구과정을 통해 많은 연구기관, 대학, 정부기관, 환경단체, 컨설팅 업체에서 이용되고 있다. CCHE2D 모형은 부정류, 난류흐름특성분석, 유사, 수질 등 다양한 모듈을 탑재하고 있으며 편리한 GUI를 갖추고 있다(M.A. Nassar, 2010). 특히 CCHE2D 모형은 수리분석뿐만 아니라 수질, 유사 등의 모듈도 탑재하고 있어 향후 다기능보 운영을 위한 분석기능 확장에도 용이하다. HEC-RAS(USACE, 1997) 모형은 미육군공병단의 HEC(Hydrologic Engineering Center)에서 개발된 1차원 수리 해석 모형으로 국내 많은 연구자들에 의해 검증된 모형이다. 지속적인 개발을 통해 유사뿐만 아니라 수질모듈도 탑재하고 있어 본 연구에서 채택한 EFDC와 CCHE2D 모형과 비교하기 위한 모형으로 적합한 것으로 판단된다.
데이터 베이스(DB)와 다차원 수리분석모형의 연계 시스템의 구현은 크게 데이터 모델 개발, 전처리 과정(Pre-Processing) 개발, 후처리 과정(Post-Processing) 개발의 3부분으로 이루어진다. 데이터 모델 개발은 연계 시스템 수행에 필요한 전반적인 정보를 검토하고, 구조화 분석에 의한 모형 수행절차를 정의한 후, 절차별 입,출력정보를 고려하여 데이터모델 및 분석 모듈을 설계하는 단계이며, 전처리 과정 개발은 EFDC 및 CCHE2D 모형의 입력 자료 생성을 위한 기초자료 처리 기능을 개발하는 단계로 사용자의 간단한 조작으로 모형 수행에 필요한 정보가 자동으로 추출되도록 개발하는데 목적이 있다.
입력 자료 생성 시 분석자의 상당한 주의를 요구하기 때문에 입력 자료를 사용자의 판단과정의 유무를 기준으로 분리하여 구조화 분석을 실시하고, 전처리 과정과 입력 자료 생성을 하나의 GUI에서 처리하도록 설계한다. 후처리 과정 개발은 모형 수행 결과의 도식화 모듈을 개발하는 단계로, 출력파일의 구조화 분석을 통해 도식화 요소를 구분하고 이를 프로그래밍 언어를 이용하여 구현하였다.
도 1은 본 발명에 따른 다차원 수리모형을 이용한 하천흐름 연계모의 GUI장치의 연계절차를 나타낸 것이고, 도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 다차원 수리모형을 이용한 하천흐름 연계모의 GUI장치의 GUI이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 각 수문관측소에서 관측된 데이터는 데이터베이스(DB)를 통해 테이터 관리가 되고 있다. 관측된 수문데이터를 시스템에서 데이터 천이과정 없이 모형 구동에 필요한 데이터를 추출, 연산, 저장하여 ASCII 형태의 입력자료를 생성하고 모형을 구동하여 계산 결과의 도식화가 가능하도록 GUI를 설계한다. 각 분석 모듈은 데이터베이스(DB)를 경유하여 데이터의 입,출력을 수행하기 때문에 일관적인 자료 관리가 가능하고 다른 모형으로 확장 등이 용이할 것으로 판단된다. 또한, 실시간 관측 데이터를 이용한 분석뿐 아니라 1차원 수리, 수문 모형의 모의 결과를 입력 자료로 컴퓨터에 의해 불러올 수 있도록(Import) 모듈을 추가하여 데이터 활용에 있어 유연한 시스템을 구축하고자 한다.
안정된 수치모의에는 많은 초기 조건 및 매개변수 설정이 필요하지만 도 2a 내지 도 2c와 같이 모형 수행 조건들을 간략화하여 표현한 기본 GUI에서 편리하게 기수위 보간, 조도 및 조고 계수, Wet/Dry 조건, Monitor Point Node, 계산시간간격(Time Step) 등을 수정할 수 있게 한다. 특히 초기수위 및 Wet/Dry 조건은 모형의 안정적인 수행을 위해서 중요한 부분이다. 매개변수 세부조정이 필요하거나 유사부분의 수정과 구동을 위해서 모형 적용을 위한 상세 GUI도 팝업 가능하게 설계한다. 상기 상세 GUI는 계산 시간의 적용, 모형 구동을 위한 계산인자 조정, 출력 관련 옵션과 더불어 난류변수, 격자구성, 경계조건, 유사해석을 위한 매개변수, 계산 옵션 등 다양한 세부조건들의 수정이 가능하다.
상기 다차원 수리모형에 의해 제공되는 공간, 격자단위 정보의 대상으로 도 3에 도시한 낙동강에서 금호강이 합류하는 구간으로 선정한다. 내부 주요지점으로는 대상구간 중간 지점에 금호강이 합류하고 있고 금호강 합류 후 화원수위표가 위치하고 있어 관측수위와 계산수위 비교를 통한 수리특성 검토가 용이하다. 상류단에 성주수위표가 위치하며 하류단에 고령교수위표가 위치한다. 성주수위표에서 고령교수위표 까지의 거리는 대략 25km이며 성주수위표에서 화원수위표까지는 12km이고 화원수위표에서 고령교수위표 지점까지는 13km이다.
수치모형은 일반적으로 하류 경계조건에 많은 지배를 받지만 대상구간에서 검토하고자 하는 화원수위표 지점은 상, 하류 구간거리를 충분히 확보하였기 때문에 수리검토를 위한 지점으로 화원수위표를 채택한다. 최심부를 연결한 하도선형은 매우 만곡한 형태를 나타내며 복잡한 지형특성을 나타내고 있다. HEC-RAS 모형은 낙동강 하천정비기본계획(국토해양부, 2009)의 단면번호 387에서 332에 해당하는 4대강 건설 전 측량된 단면을 이용하여 구축하였다.
다차원 모형을 구축하기 위한 자료 중 가장 중요한 것은 물리적 실제 지형을 정확히 재현할 수 있는 3차원 지형도이다. 특히, 하천의 경우 주수로와 홍수터가 존재하여 두 구간 내 큰 표고차가 발생하는 등 지형의 급격한 변화가 존재한다. 또한, 하도 내에 존재하는 섬인 하중도와 각종 수리구조물은 유수의 흐름을 크게 바꿔놓을 수 있기 때문에 지형구축시에는 이러한 특징들을 종합적으로 고려해야 한다. 실제 지형을 정확히 재현하기 위해 종방향 20m 간격으로 측량된 자료를 이용하여 주수로를 고려한 3차원 정밀 지형을 구축한다. 또한 지형자료의 해상도와 공간보간기법에 따른 다차원 수리모형의 유출특성을 평가하였으며 본 발명에서 채택한 20m 간격의 측량 자료는 수치모의를 위한 지형자료로 타당할 것으로 판단된다.
격자망 작성은 직교곡선 격자작성 프로그램인 Qmesh를 사용하였다. 상기 Qmesh는 경계선 이동조건을 적용하여 하천망 형상 및 하도의 주수로 방향을 고려할 수 있고, 직교정확도가 높은 고품질의 직교곡선 격자망 작성이 가능하다. 특히 종횡비 및 직교성의 극대화를 위해 다단계 수렴계산 기법을 채용하고 있으며, 대상영역의 특성 및 검토조건에 따라 다양한 크기의 가변 격자망 작성이 가능하다. 격자는 지형을 충분하게 표현 가능하고, 주수로와 홍수터 사이의 경사와 하천흐름방향의 경사 등 급격한 지형변화로 인해 발생되는 수치계산상의 안정성을 확보하였으며, 도 4에 도시한 바와 같이, 종방향의 격자분할은 하천의 종방향 형상을 고려하고 유수의 흐름 방향과 평행하게 분할하였다. 격자 개수가 증가함에 따라 모형수행 시간이 많이 걸리므로 내용과 목적, 계산의 효율성 측면에서 적절한 선택이 필요할 것으로 판단된다. 특히, 홍수기 빠른 의사 결정을 위한 수치모의를 위해서는 적절한 격자해상도가 필요하다. 본 발명에서는 격자해상도 산정방법을 토대로 적절한 수준의 정확도와 계산시간을 확보할 수 있는 격자망을 구성하고, 총 격자개수는 4,210개이며 횡방향 12개, 종방향 422개로 구성한다.
이와 같은 본 발명에 따른 다차원 수리모형을 이용한 하천흐름 연계모의 GUI장치를 실제 태풍의 사상을 대상으로 관측 유입량에 대한 시스템의 수리학적 재현성을 검토한다. 모의기간은 각각 2006년 7월 9일부터 12일, 2006년 7월 17일부터 21일이며 초기 수위는 거리에 따라 선형적으로 분포한다고 가정하여 각 격자에 적용하였다. 2006년 7월 9일부터 12일까지 수문 데이터를 이용하여 적정한 계산시간간격(Time Step)을 산정하였으며 2006년 7월 17일부터 21일까지 수문데이터를 이용하여 HEC-RAS, EFDC 그리고 CCHE2D 모형을 비교한다. 난류해석 모델은 Smagorinski(Smagorinsky, 1963) 방법, Wall slipness 계수는 0.5, Wet/Dry 조건은 0.04m, 중력가속도는 9.8m/sec, von Karman 상수는 0.41, 동점성계수는 1.0×106㎡/sec를 적용하였다. 상류단 경계조건으로는 성주수위표의 관측유량, 하류단 경계조건은 고령교 수위표의 관측수위를 활용하며, 상류단 경계조건 및 금호강 지류유입은 성주와 성서수위표에서 관측된 수위자료를 바탕으로 한국수문조사연보(2006, 국토해양부)에 제시되어 있는 수위-유량 곡선식을 이용하여 유량으로 환산하여 적용한다. EFDC와 CCHE2D 모형의 적정한 계산시간간격(Time Step)을 결정하기 위해 EFDC의 경우 1초 단위로 증가시켜서 모의하였고 CCHE2D의 경우 1초, 2초, 5초, 10초, 30초, 60초, 90초, 120초로 구분하여 각각 모의하였다.
이러한 다차원 수리모형인 EFDC와 CCHE2D 모형에 의한 결과 및 검토는 다음과 같다.
다양한 유량에 대해서 검증하고 유량에 대한 수위 재현성을 평가하기 위해 부정류 흐름으로 수행하고, 적정한 계산시간간격(Time Step)을 결정하기 위해 EFDC와 CCHE2D 모형의 계산시간간격(Time Step)을 구분하여 모의한다. 태풍 사상을 본 발명의 시스템에 적용하여 모의한 결과, EFDC 모형의 경우 계산시간간격(Time Step)을 3초 이상으로 설정할 경우 모형이 불안정해졌으며 큰 유량이 유입되는 2.575Days에 발산하였다. 따라서 EFDC 모형의 계산시간간격(Time Step)은 2초로 채택한다. CCHE2D 모형의 경우 음해법으로 해석하기 때문에 계산시간간격(Time Step)을 1초, 2초, 5초, 10초, 30초, 60초, 90초, 120초로 구분하여 모의하고 각 계산시간간격(Time Step)의 모의 결과는 도 5와 같다.
음해법으로 해석하는 경우 계산시간간격에 따라 계산 결과의 변동이 발생한다. 도 5에 도시된 계산된 결과를 바탕으로 각 계산시간간격(Time Step)별로 통계기법인 평균제곱근오차(Root mean square error, RMSE)와 Nash-sutcliffe효율계수(Nash-sutcliffe efficiency coefficient, NSEC)를 분석하고 계산시간간격(Time Step) 1초로 계산된 결과를 기준으로 RMSE Ratio, NSEC Ratio를 계산한다(표 1과 표 2).
계산시간간격(Time Step)에 따른 오차 분석표
Statistics Properties 1 2 5 10 30 60 90 120
RMSE 0.305 0.311 0.312 0.318 0.310 0.304 0.347 0.501
RMSE ratio - 0.044 0.062 0.067 0.073 0.149 0.340 0.591
NSEC 0.992 0.991 0.991 0.991 0.991 0.992 0.989 0.977
NSEC ratio - 1.000 1.000 1.000 1.000 0.998 0.990 0.970
모델에 따른 오차 분석표
Statistics method CCHE2D EFDC HEC - RAS
RMSE (m) 0.252 0.182 0.215
Nash - Sutcliffe Efficiency Coefficient (m) 0.986 0.993 0.990
평가지점은 화원수위표를 대상으로 하였으며 관측 값과 계산 값을 이용하여 통계기법으로 분석하였다. RMSE와 NSEC의 식은 아래와 같다.
Figure 112013033945215-pat00001
Figure 112013033945215-pat00002
여기서, Qⅰ는 관측수위, Xⅰ는 계산수위, N은 데이터 개수, OM은 관측평균값이다.
RMSE는 단위와 무관한 값이며 0일 때 오차가 작은 것을 의미하고 NSEC는 1에 근접할수록 정확성이 높은 것을 의미한다. 분석 결과, RMSE ratio의 경우 계산시간간격(Time Step)이 60초가 될 경우 0.149로 계산되었고 계산시간간격(Time Step) 30초에서 계산된 0.073보다 두 배 증가하였다. NSEC ratio 분석 결과도 60초가 될 경우 변동이 발생하였다. 이와 같은 결과는 도 6에서도 가시적으로 확인할 수 있다. 따라서 본 발명에서는 CCHE2D 모형의 적정한 계산시간간격(Time Step)을 30초로 설정한다. 다차원 수리모형을 적용할 경우 격자구성, 입력자료 기간 그리고 계산시간간격(Time Step)에 따라 모의시간이 상이하기 때문에 본 발명에서 채택한 격자해상도, 입력자료 기간 그리고 계산시간간격(Time Step)을 적용할 경우, EFDC 모형은 15분 25초, CCHE2D 모형은 11분 55초의 모의 시간이 소요되었다. 따라서, 다음과 같이 15분 이내 홍수분석을 수행하고 예보해야 하는 경우에는 1차원 모형을 이용하여 예보하는 것이 타당할 것이나 다음과 같은 시간보다 여유가 있을 경우 본 시스템을 활용하여 다기능보 주변의 추가적인 공간적 수리분석을 수행하여 의사결정을 위한 다양한 정보를 제공받아 하천유지관리를 하는 것이 타당할 것으로 판단된다.
1차원 하천수리해석 모형인 HEC-RAS 모형과 다차원 모형인 EFDC와 CCHE2D 모형의 수위 계산결과를 화원수위표 지점에서 비교한 결과, 다차원 모형인 EFDC와 CCHE2D 모형은 HEC-RAS 모형과 큰 오차 없이 비슷한 결과가 나타나며 수위가 상승 및 하강하는 전체구간에서 HEC-RAS, EFDC 그리고 CCHE2D 모형은 재현성이 높은 것으로 나타났다(표 3과 도 7). 본 발명을 통해 개발된 시스템은 도 8a와 같이 수위 관측소 지점에서 측정되는 자료를 이용하여 모형을 적용하는 것과 더불어 도 8b와 같이 다기능보와 다기능보 사이 구간을 대상으로 각 모형을 구축하여 향후 각 다기능보 지점의 관측 방류량 및 수위를 활용하여 정밀수리분석을 수행할 수 있을 것으로 판단된다.
4대강 수계 16개 다기능보 상,하류 10km 구간에 대해 다기능보 건설 전,후로 구분하여 EFDC와 CCHE2D 모형을 구축하였기 때문에 본 발명에 따른 시스템에 기 구축된 모형을 탑재한다면 다기능보 지점에서 유량과 수위예측이 가능할 것으로 판단된다. 또한, 컴퓨터로 불러올 수 있는 기능(Import)을 활용하여 기존 홍수분석모형의 수문 및 수리모형에서 계산되는 값을 연계할 경우 기상에서 예측되는 강우량에 따른 다기능보 주변 구간의 유량 및 수위 값을 예측할 수 있기 때문에 다양한 의사결정을 위한 정보를 제공할 수 있을 것으로 사료된다.
본 발명에 따른 시스템은 환경부에서 추진하고 있는 수질오염총량제의 성공적 추진과 더불어 4대강 살리기 사업으로 급변한 하천환경에 대한 과학적 물환경 관리체계를 확보하고 기후변화 등 새로운 환경문제에 선제적으로 대응하기 위한 생태적 영향, 다기능보 내 탁수와 조류 발생, 유사침전에 따른 준설시기 결정, 유형별, 규모별 피해예측을 다각도로 검토할 수 있을 것이다.
이상과 같이 본 발명에 따른 다차원 수리모형을 이용한 하천흐름 연계모의 GUI장치에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

Claims (8)

1차원 수문 관측자료를 EFDC와 CCHE2D의 다차원 수리모형의 모의결과와 연계하여 하천흐름 분석에 이용하는 연계모의 GUI장치에 있어서,
상기 다차원 수리모형으로 사용되는 EFDC와 CCHE2D는 상기 1차원 수문 관측자료와 모의결과 정보를 저장하고 관리하는 데이터베이스(DB)와 상기 데이터베이스(DB)의 정보를 받아 처리할 수 있는 GUI를 포함하되,
상기 1차원 수문 관측자료 정보의 데이터 모델을 전처리 과정을 통해 변환하여 다차원 수리모형의 EFDC와 CCHE2D에 입력하고, 상기 다차원 수리모형에서 입력받은 정보와 상기 데이터베이스(DB)의 다차원 수리모형의 모의결과의 데이터 모델을 함께 후처리 과정을 통해 처리하고 분석하여 하천흐름을 분석하는 것을 특징으로 하는 다차원 수리모형을 이용한 하천흐름 연계모의 GUI장치.
제1항에 있어서,
상기 1차원 수문 관측자료는 1차원 수문모형(COSFIM)과 1차원 수리모형(FLDWAV)의 연계를 통해 계산된 결과데이터인 것을 특징으로 하는 다차원 수리모형을 이용한 하천흐름 연계모의 GUI장치.
제2항에 있어서,
상기 데이터 모델은 연계모의 시스템에 필요한 1차원 수문 관측자료 정보와 다차원 수리모형의 모의결과 정보를 검토하고 절차별 입,출력 정보를 고려하여 분석모듈을 설계한 것이고,
상기 전처리 과정은 다차원 수리모형의 입력자료 생성을 위한 상기 1차원 수문 관측자료 또는 1차원 수문모형(COSFIM)과 1차원 수리모형(FLDWAV)의 연계를 통해 계산된 결과데이터인 기초자료를 처리하여 모형수행에 필요한 정보가 자동으로 추출되도록 한 것이며,
상기 후처리 과정은 모형수행 결과를 GUI의 도식화 모듈에 의해 출력하도록 한 것을 특징으로 하는 다차원 수리모형을 이용한 하천흐름 연계모의 GUI장치.
제3항에 있어서,
상기 후처리 과정의 도식화 모듈인 GUI는 다차원 수리모형의 모형수행 조건들을 간략하게 표현하여 상기 다차원 수리모형의 구동에 필요한 데이터를 추출, 연산 및 저장하여 입력자료를 생성하고, 이 입력자료에 의해 상기 수리모형을 구동하여 얻어진 계산결과를 도식화하여 표현하도록 한 것을 특징으로 하는 다차원 수리모형을 이용한 하천흐름 연계모의 GUI장치.
제4항에 있어서,
상기 GUI는 초기수위 보간, 조도 및 조고계수, Wet/Dry, Monitor Point Node, 계산시간간격(Time Step)의 모형 수행조건들을 표현하고 수정할 수 있는 기본 GUI와, 계산 시간의 적용, 모형 구동을 위한 계산 인자 조정, 출력관련 옵션과 더불어 난류변수, 격자구성, 경계조건, 유사해석을 위한 매개변수, 계산 옵션의 다양한 세부조건들을 표현하고 수정할 수 있는 상세 GUI로 구분되는 것을 특징으로 하는 다차원 수리모형을 이용한 하천흐름 연계모의 GUI장치.
제5항에 있어서,
상기 다차원 수리모형인 EFDC와 CCHE2D의 모의 결과를 발산하기 위한 계산시간간격(Time Step)은 EFDC의 경우 3초 이상이고, 상기 CCHE2D의 경우 30초 이상인 것을 특징으로 하는 다차원 수리모형을 이용한 하천흐름 연계모의 GUI장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 1차원 수문 관측자료 또는 1차원 수문모형(COSFIM)과 1차원 수리모형(FLDWAV)의 연계를 통해 계산된 결과데이터는 하천의 선단위와 지점단위 정보이고, 상기 다차원 수리모형에 의해 하천의 공간과 격자단위 정보도 제공받도록 한 것을 특징으로 하는 다차원 수리모형을 이용한 하천흐름 연계모의 GUI장치.
제7항에 있어서,
상기 공간 정보는 하천의 특정지점 사이의 공간이고, 상기 격자단위 정보는 상기 공간을 사방 20m로 구획하여 구분한 격자망인 것을 특징으로 하는 다차원 수리모형을 이용한 하천흐름 연계모의 GUI장치.
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