KR102543203B1 - 홍수 대응을 위한 홍수 시뮬레이터 장치 - Google Patents

홍수 대응을 위한 홍수 시뮬레이터 장치 Download PDF

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KR102543203B1
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박형근
김의환
박인성
이동섭
이승욱
서성철
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주식회사 홍익기술단
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Abstract

치수기시 도심 지역의 홍수를 시뮬레이션하기 위한 시뮬레이터 장치는, 강우정보, DEM 과 DEM으로부터 구축된 삼각망을 포함하는 지형정보, 토지피복도와 토양도를 포함하는 토양정보, 유역정보, 및 노드와 링크로 구성된 관망정보 중 적어도 하나를 포함하는 입력 데이터를 입력받기 위한 입력부, 과거 발생된 강우 기록과 침수 기록들, IDF 곡선 산정을 위한 테이블, 허프 강우분포를 위한 구조 설계를 위한 테이블, 장기강우 구조에 대한 설계를 위한 테이블을 데이터베이스, 유출 모형과 침수 모형에 상기 입력 데이터를 적용하여 시뮬레이션 결과를 획득하기 위한 프로세서, 및 상기 시뮬레이션 결과를 GIS 상에 표시하기 위한 디스플레이를 포함하고, 상기 입력부는 상기 지형정보와 상기 토양정보를 쉐입(Shape) 파일로 입력받고, 상기 프로세서는 상기 쉐입 파일에 기반하여 유출모의에 필요한 지형 분석 정보를 획득하여 상기 유출 모형과 상기 침수 모형의 입력 자료로 변환하고, 상기 시뮬레이션 결과는 시뮬레이팅 대상지역의 유출량, 상기 대상지역의 침수 구역, 침수흔적도, 및 지역별 침수심을 포함할 수 있다.

Description

홍수 대응을 위한 홍수 시뮬레이터 장치{APPARATUS FOR SIMULATING FLOOD FOR FLOOD RESPONSE}
본 발명은 홍수 대응을 위한 홍수 시뮬레이팅 방법 및 시스템에 관한 것이다.
21세기에 들어 홍수 규모는 대형화 되어가고 있고, 발생빈도 및 발생강도도 증가하고 있다. 또한 최근에는 지구온난화가 지속화되면서 전 세계적으로 높은 기상이변들이 속출하고 있다. 우리나라도 예외는 아니어서 지 난 100년동안 기온이 약 1.5℃ 가량 상승하였고, 집중호우나 태풍과 같은 극단적인 기상 현상들로 인한 피해가 날이 갈수록 심해지고 있다.
우리나라는 연 평균 강수량 변화폭이 크고 국토 지형 특성상 하천의 경사가 급하고 홍수에도 취약하다. 여름철에 집중 호우가 내리므로 호우가 하천 유역에 집중할 수 있고 도시에서는 침수가 발생될 수 있다.
하천지역과 도시에서 발생하는 홍수 대응을 위해 보다 정확한 홍수 예측과 시뮬레이팅이 필요하고 그것을 기반으로 홍수 방책을 세우는 것이 필요하지만 그러한 장치나 방법이 전무한 실정이다.
한국등록특허 10-2129881 한국등록특허 10-2343736 한국공개특허 10-2021-0123974
강우량과 수위 등의 정보를 입력하면 홍수를 발생시키는 유량, 기준 수위로의 도달 시간 등을 예측할 수 있는 홍수 시뮬레이팅 시스템 및 방법이 제공될 수 있다.
본 실시 예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 이하의 실시 예들로부터 또 다른 기술적 과제들이 유추될 수 있다.
치수기시 도심 지역의 홍수를 시뮬레이션하기 위한 시뮬레이터 장치는, 강우정보, DEM 과 DEM으로부터 구축된 삼각망을 포함하는 지형정보, 토지피복도와 토양도를 포함하는 토양정보, 유역정보, 및 노드와 링크로 구성된 관망정보 중 적어도 하나를 포함하는 입력 데이터를 입력받기 위한 입력부, 과거 발생된 강우 기록과 침수 기록들, IDF 곡선 산정을 위한 테이블, 허프 강우분포를 위한 구조 설계를 위한 테이블, 장기강우 구조에 대한 설계를 위한 테이블을 저장하기 위한 데이터베이스, 유출 모형에 상기 입력 데이터를 적용하여 시뮬레이션 결과를 획득하기 위한 프로세서, 및 상기 시뮬레이션 결과를 GIS 상에 표시하기 위한 디스플레이를 포함하고, 상기 입력부는 상기 지형정보와 상기 토양정보를 쉐입(Shape) 파일로 입력받고, 상기 프로세서는 상기 쉐입 파일에 기반하여 유출모의에 필요한 지형 분석 정보를 획득하여 상기 유출 모형의 입력 자료로 변환하고, 상기 시뮬레이션 결과는 시뮬레이팅 대상지역의 유출량, 상기 대상지역의 침수 구역, 침수흔적도, 및 지역별 침수심을 포함할 수 있다.
상기 관망정보는 관거이름, 상류측 맨홀 이름, 하류측 맨홀이름, 관경, 관거 길이, 관거 경사, 조도계수를 포함할 수 있다.
상기 프로세서는 상기 유역정보, 상기 지형정보, 상기 강우정보를 획득하고, 맨홀별 유출 수문곡선을 SWMM 을 이용하여 산정하는 단계, 관로의 통수능 범위내라면 우수관의 토출구의 수리 계산을 수행하여 하천수위보다 관로동수위가 높거나 같으면 하천유출량은 없는 것으로 판단하고, 하천수위가 관로동수위보다 낮으면 하천 유출량을 산정하고 관로의 통수능을 초과하면 역류량을 산정하고 TIN 모형 내 역류량을 축적하여 범람면적을 산출할 수 있다.
강우량과 수위 등의 정보를 입력하면 홍수를 발생시키는 유량, 소정 수위로의 도달 시간 등을 예측하기 위한 시스템 및 방법이 제공될 수 있다. 도시나 하천 유역의 공무원이 가상의 홍수에 신속히 대응할 수 있는 능력을 향상시킬 수 있다.
도1은 일 실시 예에 따라, 다양한 정보를 입력 받아 도심이나 하천 유역의 침수를 예측하기 위한 홍수 시뮬레이터를 나타낸다.
도2는 일 실시 예에 따라, 치수기의 도심 지역에서 홍수를 시뮬레이팅하기 위한 방법의 흐름도를 나타낸다.
도3은 일 실시 예에 따라, 하천 유역에서의 제내지와 제외지를 나타낸다.
도4는 일 실시 예에 따라, 하천 지역의 데이터에 기반하여 제내지 침수를 예측하기 위한 방법의 흐름도를 나타낸다.
도5 내지 8은 일 실시 예에 따라, 홍수 시뮬레이터의 사용자 인터페이스를 나타낸다.
도9a 내지 9c는 일 실시 예에 따라, 구역1(A1), 구역 2(A2), 구역 3(A3)에 대한 입력자료를 나타낸다.
아래에서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자들(이하, 통상의 기술자들)이 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록, 첨부되는 도면들을 참조하여 몇몇 실시 예가 명확하고 상세하게 설명될 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
EPA SWMM(Environmental Protection Agency Storm Water Management Model)은　미국 환경보호청에서 만든 강우-유출-지표면 유출　시뮬레이션 모델이다. 시가지/비시가지의 단일 호우 사상부터 연속적인 장기 호우 사상까지 수질,　수문　모델링까지 가능하다. 도로·초지·도랑·관로 등에 대한 강우-유출, 증발,　침투, 지하수 흐름을 모의할 수 있다. SWMM의 수문 모델링은　투수/불투수, 지면저류 유무에 따라 소유역의 유출량, 강우로 인한 오염물 부하, 증발 및 침투로 인한 손실량을 예측할 수 있다.　
도1은 일 실시 예에 따라, 다양한 정보를 입력받아 도심이나 하천 유역의 침수를 예측하기 위한 홍수 시뮬레이터를 나타낸다.
시스템(1000)은 홍수 시뮬레이터(120)에 기반하여 (치수기시) 하천이나 도시 유역에서 강우로 인해 발생하는 하천범람 및 내수침수 현상을 재현하기 위해 강우손실을 통한 유효우량의 발생, 지표면을 통한 흐름, 유출량의 하수관로 유입 후 관내 수리현상, 내수침수 발생 등과 관련된 강우발생-지표유출-관로흐름-홍수발생 등의 일련의 과정을 시뮬레이션을 수행할 수 있다.
홍수 시뮬레이터(120)는 XP-SWMM 모형을 이용할 수 있다. XP-SWMM 은 미국 XP Software 사에서 개발한 모형으로 1 차원 내수침수 프로그램인 EPA-SWMM 엔진을 기반으로 하여 상류 및 하류 흐름을 위한 1D 계산과 2 차원 TUFLOW 엔진을 기반으로 하는 2D 지표 유출 계산을 통합한 수리 · 수문 모델링 소프트웨어로 1차원 SWMM 모형을 통해 맨홀로 들어가고 나오는 유량을 모의하고, 이 유량을 2 차원 모형인 TUFLOW 로 모의하여 하수네트워크 윗부분의 지표에서의 물의 흐름을 모의한다. XP-SWMM은 Rnf(Runoff), San(Sanitary), Hdr(Hydraulics) 세 가지 모드를 지원하고 있다. Rnf 모드는 강우 및 유역 특성(면적, 유출계수, 유역폭, 유역경사 등) 수문학 계산을 수행하는 데 사용되며, San 모드는 운동파에 의한 수리학적 홍수 추적 및 하수구에서의 세굴과 퇴적 등을 수행하는 데 사용된다. Hdr 모드는 관망내의 운동파 추적을 사용하여 물의 흐름을 시뮬레이션 하는데 사용되며, 관망을 도식하고 관망의 자료를 입력한다.
도1을 참조하면, 홍수 시뮬레이터(120)는 입력부(I), 프로세서(P), 데이터베이스(DB), 및 디스플레이(D)를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따라, 홍수 시뮬레이터(120)의 입력부(I)로 강우정보, 지형정보, 토양정보, 유역정보, 및 관망정보 중 적어도 하나를 포함하는 입력 데이터(이하, 입력 자료 또는 입력 정보라고도 함)가 입력될 수 있다. 다만, 강우정보, 지형정보, 토양정보, 유역정보, 및 관망정보는 사용자에 의해 입력되는 것 아니라 입력 데이터의 적어도 일부가 데이터베이스(DB)로부터 획득되거나 프로세서(P)를 통해 가공되어 획득될 수 있다. 예로서, 입력 데이터 중 일부가 입력부(I)를 통해 입력되고 입력된 정보에 기반하여 나머지 정보가 홍수 시뮬레이터(120)에 의해 가공 및 생성될 수도 있다.
강우정보는 일 강수량 또는 시간 강수량을 포함할 수 있다. 예를 들어, 홍수 시뮬레이터(120)에 소정 시간 구간 동안(예를 들어, 2017년 7월 16일 오전 6시~오후12시까지)의 강우 정보가 입력될 수 있다. 예를 들어, AWS(지역별 상세 관측자료) 강수자료를 이용하여 홍수 시뮬레이터(120)에 10분 단위로 강우자료가 입력될 수 있다.
지형정보는 DEM(Digital Elevation Model)과 DEM으로부터 구축된 삼각망(TIN : Triangulated Irregular Network)을 포함할 수 있다.
토양정보는 토양도, 토지이용도, 토지피복도 등을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따라, 토양정보로부터 CN(Curve Number, 유출곡선지수) 값이 산출될 수 있고 유출곡선지수를 이용하여 유효 우량이 산정될 수 있다. 토지이용도와 항공위성 등을 분석하여 유역의 유출곡선지수를 산정하여 모형의 입력자료로 구성될 수 있다. 유출곡선지수는 AMC(Ⅲ)92로 분석될 수 있으며 최근 배포된 "설계홍수량 산정요령(2012, 국토해양부)"의 우리나라 토지이용 분류기준에 따른 유출곡선지수 기준을 이용하여 산정될 수 있다.
유역정보는 유역 면적, 유역폭, 유역평균경사, 조도계수, 커브 넘버(Curve Number)를 포함할 수 있다. 유역은 하천의 임의 단면을 통과하는 유량에 직접적인 공헌을 하는 지역의 한계를 의미할 수 있다. 유역 면적의 산출은 하천과 수공구조물의 유출량 산정을 위한 기본작업이다. 유역면적은 배수시설 설치지점의 유역 경계를 따라 결정될 수 있으며 도심지와 같은 우수하수도 관망 구역은 관망을 통해 유입되는 전체 구역을 배수유역으로 결정할 수 있다.
관망정보에서, 관로는 XP-SWMM모형에서 링크(Link)로 구성되며, 링크는 노드(Node)와 노드 사이를 연결하며 유량을 통과시키는 통로(conduit)이다. 지표면 유출해석과 관련된 입력자료는 맨홀이름, 유역면적, 도달시간, 강우 등이 있으며 관거 유출해석과 관련된 입력자료는 관거이름, 상류측 맨홀 이름, 하류측 맨홀이름, 관경, 관거 길이, 관거 경사, 조도계수 등이다. 조도계수는 원형관의 경우 0.013, BOX의 경우 0.015를 적용할 수 있다. 노드는 맨홀 또는 접합점과 같은 요소이며, 입력인자로는 지반고 등이 있으며, 노드의 중요한 종속변수는 수심(H)이 있다.
입력부(I)는 지형정보, 토지피복도, 토양도를 쉐입(Shape) 파일로 입력받을 수 있다. 홍수 시뮬레이터(120)는 배수관 정보를 INP 파일로 입력받을 수 있다. 홍수 시뮬레이터(120)는 유출 모의설정 정보를 INI 파일로 입력받을 수 있다. 유출모의 설정은 모형을 구동하기 위한 조건, 즉 강우량, 강우패턴, 토양습윤상태, CN 값 등이 유출 모의 결과에 영향을 미치는데 모의 결과가 실제 상황과 유사하게 모의되도록 하는 상기 강우량, 강우패턴, 토양습윤상태, CN 값 등의 최종 값을 설정하는 것을 의미할 수 있다.
홍수 시뮬레이터(120)는 방재시설설정을 엑셀(Excel) 파일로 입력받을 수 있다. 홍수 시뮬레이터(120)는 지점강우정보를 엑셀 파일로 입력받을 수 있다.
데이터베이스(DB)는 홍수 시뮬레이터(120)에 필요한 정보를 저장하되 파일들로 구성될 수 있다. 데이터베이스(DB)는 과거의 강우 기록들을 저장할 수 있고, 입력 정보가 데이터베이스(DB)로부터 획득될 수 있다. 데이터베이스(DB)는 과거 기록된 자료를 모아두는 장치(예로서, 메모리)임과 동시에 현재 시뮬레이션하는 조건인 입력자료를 불러와서 시뮬레이션한 후, 그 결과가 데이터베이스(DB)에 추가로 저장될 수 있다.
과거의 다양한 자료들이 기록된 데이터베이스(DB) 내 자료들은 시뮬레이션하는 입력자료로 불러들여 결과를 도출 후 그 결과를 데이터베이스에 신규 갱신 저장하는 역할을 수행할 수 있다.
데이터베이스(DB)는 강우강도-지속시간-발생빈도 곡선(intensity-duration-frequency, IDF 곡선) 산정을 위한 테이블을 포함할 수 있다.
IDF의 구조는 지역, 빈도, 7개의 추정 매개변수로 정의하며, 테이블 구조는 표1과 같으며, 매개변수(a~g)는 강우강도를 참조하기 위한 정보이다. 표1은 IDF 곡선에 대한 데이터 구조를 설계를 나타낸다.
테이블ID IDF_CURVE_PARAM 테이블명 IDF곡선
No. 컬럼ID 컬럼명 타입 길이 NULL 여부 KEY DEFAULT
1 AREA 지역 TEXT - NOT NULL PK -
2 PERIOD 빈도 TEXT - NOT NULL PK -
3 COL_A 매개변수_A NUMERIC 32 NOT NULL - -
4 COL_B 매개변수_B NUMERIC 32 NOT NULL - -
5 COL_C 매개변수_C NUMERIC 32 NOT NULL - -
6 COL_D 매개변수_D NUMERIC 32 NOT NULL - -
7 COL_E 매개변수_E NUMERIC 32 NOT NULL - -
8 COL_F 매개변수_F NUMERIC 32 NOT NULL - -
9 COL_G 매개변수_G NUMERIC 32 NOT NULL - -
Foregin Key Name Reference Table Reference Column 비고
- - - -
Index Name Index Type Database Name 비고
PK_IDF_AREA Unique pid_rwmm -
데이터베이스(DB)는 허프(Huff) 강우분포를 위한 구조 설계를 위한 테이블을 포함할 수 있다. Huff의 구조는 1~4분위까지의 지속시간별 분포 정보를 저장하고 강우량에 분포 정보를 계산하여 시계열 강우정보를 생성하며, Huff의 확률분포 10% ~ 100%의 정보 중에서는 50%의 확률을 활용할 수 있다.
표2는 Huff 분위에 대한 데이터 구조 설계를 나타낸다.
테이블ID INFO_HUFF 테이블명 HUFF 분포
No. 컬럼ID 컬럼명 타입 길이 NULL 여부 KEY DEFAULT
1 AREA 지역 TEXT - NOT NULL PK -
2 LEVEL 분위 NUMERIC 32 NOT NULL PK -
3 PERCENT 확률분포 NUMERIC 32 NOT NULL PK -
4 COL_0 0% 누적강우확률 NUMERIC 32 NOT NULL - -
5 COL_10 10% 누적강우확률 NUMERIC 32 NOT NULL - -
6 COL_20 20% 누적강우확률 NUMERIC 32 NOT NULL - -
7 COL_30 30% 누적강우확률 NUMERIC 32 NOT NULL - -
8 COL_40 40% 누적강우확률 NUMERIC 32 NOT NULL - -
9 COL_50 50% 누적강우확률 NUMERIC 32 NOT NULL - -
10 COL_60 60% 누적강우확률 NUMERIC 32 NOT NULL - -
11 COL_70 70% 누적강우확률 NUMERIC 32 NOT NULL - -
12 COL_80 80% 누적강우확률 NUMERIC 32 NOT NULL - -
13 COL_90 90% 누적강우확률 NUMERIC 32 NOT NULL - -
14 COL_100 100% 누적강우확률 NUMERIC 32 NOT NULL - -
Foregin Key Name Reference Table Reference Column 비고
- - - -
Index Name Index Type Database Name 비고
PK_HUFF_INFO Unique pid_rwmm -
데이터베이스(DB)는 장기강우 구조에 대한 설계를 위한 테이블을 포함할 수 있다. 표3은 장기일강우에 대한 데이터 구조 설계를 나타낸다.
테이블ID INFO_DAY_RAIN 테이블명 장기일강우
No. 컬럼ID 컬럼명 타입 길이 NULL 여부 KEY DEFAULT
1 AREA 지역 TEXT - NOT NULL FK -
2 DATE 일자 TEXT - NOT NULL - -
3 MIN_TEMP 최저기온 NUMERIC 32 NOT NULL - -
4 MAX_TEMP 최고기온 NUMERIC 32 NOT NULL - -
5 RAINFALL 강우량 NUMERIC 32 NOT NULL - -
6 WIND_SPEED 평균풍속 NUMERIC 32 NOT NULL - -
7 RH_MIN 최소상대습도 NUMERIC 32 NOT NULL - -
8 RH_MAX 최대상대습도 NUMERIC 32 NOT NULL - -
Foregin Key Name Reference Table Reference Column 비고
- AREA_KET_LATITUDE NUMBER -
Index Name Index Type Database Name 비고
PK_DAY_RAIN Unique pid_rwmm -
디스플레이(D)는 액정 디스플레이(liquid crystal display), LED, 유기 발광 표시 장치(organic light emitting diode display), 플렉시블 디스플레이(flexible display) 및 3차원 디스플레이(3D display) 중에서 적어도 하나의 표시 장치를 포함할 수 있다. 디스플레이(D)는 터치스크린일 수 있다. 디스플레이(D)는 프로세서(P)가 입력 데이터를 활용하여 도출한 시뮬레이팅 결과를 표시할 수 있다. 디스플레이(D)를 통해 사용자로부터 설정 값이 입력되거나 데이터를 수신할 수 있다. 디스플레이(D)는 GIS(Geographic Information System) 상에 시뮬레이팅 결과를 표시할 수 있다.
도6 내지 8은 일 실시 예에 따라, 홍수 시뮬레이터의 디스플레이(D) 상에 표시되는 사용자 인터페이스를 나타낸다. 도6은 일 실시 예에 따라, 시뮬레이터에 지형정보와 강우정보가 입력되는 사용자 인터페이스를 나타낸다. 도7은 일 실시 예에 따라, 유출정보가 표출되는 사용자 인터페이스를 나타낸다. 도8은 일 실시 예에 따라, 침수정보가 표출되는 사용자 인터페이스를 나타낸다. 도9는 일 실시 예에 따라, 도심 지역의 관망정보가 지도상에 나타난 사용자 인터페이스를 나타낸다.
다시 도1을 참조하면, 프로세서(P)는 중앙 처리 장치(CPU), 마이크로프로세서(Microprocessor), GPU(Graphic Processing Unit), DSP(Digital Signal Processor), 어플리케이션 프로세서(Application Processor), 또는 MCU(Micro Controller Unit)를 포함할 수 있다.
프로세서(P)는 입력 데이터를 활용하여 홍수를 시뮬레이션할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(P)는 유출 모형에 입력 데이터를 적용하여 침수 시뮬레이션을 수행할 수 있다. 프로세서(P)는 시뮬레이팅 대상지역의 공간적인 식별을 수행하고 대상 유역의 속성을 식별할 수 있다. 프로세서(P)는 유출 및 침수 분석을 수행할 수 있다.
일 실시 예에 따라, 프로세서(P)는 Shape 파일로 입력받은 지형정보, 토지이용도, 토양도를 기반으로 유출 및 침수모의의 입력 데이터로 변환할 수 있다. 예로서, 프로세서(P)는 Shape 파일로 입력받은 지형정보, 토지이용도, 토양도를 기반으로 유출모의에 필요한 지형 분석 정보를 생성하고 유출 및 침수모의의 입력자료로 변환할 수 있다. 예로서, 유출 및 침수모의의 입력자료는 유출 모형의 입력자료(INP 파일), 유출 모의 설정 자료(INI 파일), 또는 유출 모형의 입력자료(EXCEL 파일)를 포함할 수 있다. 유출 모형은 하천유역을 대상으로 강우량,　토지 피복,　토양수분상태 등 유역의 수리 및 수문학적 특성을 고려하여 물의 순환과정을 수치모형화하여 유역의 특정지점에 대한 유출을 모의하기 위한 것이다. 수치 모형은 물의 순환과정을 물리적 공식에 의해 전산 프로그램화한 것이다.
아래 표4는 유출 모의에 필요한 입력 자료 내지 유출 모형의 입력 자료의 예시를 나타낸다. 유출 모의에 필요한 입력 자료 내지 유출 모형의 입력 자료는 홍수 시뮬레이팅을 위한 최초의 입력 데이터 내지 최초의 입력 데이터로부터 가공된 중간 산출물을 포함할 수 있다.
No 항목 데이터 타입 형태
1 지형자료 FILE Shape
2 토지피복도 FILE Shape
3 토양도 FILE Shape
4 배수관 FILE INP
5 유출모의설정 FILE INI
6 방재시설설정 FILE Excel
7 지점강우정보 FILE Excel
이후, 프로세서(P)는 모의 및 침수를 위한 대상 면적을 계산하고 배수망을 구분하고 연결 속성의 결정 및 분석을 수행할 수 있다. 예로서, 배수관망의 노드 구성과 방재시설의 구성 및 설정 자료가 획득될 수 있다.
프로세서(P)는 배수관망 정보, 대상지역 유출 모의 설정정보, 방재시설 설정 자료와 강우정보(예로서, 시계열 강우량)에 기반하여 유출 및 침수 시뮬레이션을 수행하고 시뮬레이션 결과를 디스플레이(D)로 출력할 수 있다. 시뮬레이션 결과는 시뮬레이팅 대상지역의 유출량, 대상지역의 침수 구역 및 침수흔적도, 및 지역별 침수심 등 분석 그래프를 포함할 수 있다.
도2는 일 실시 예에 따라, 치수기의 도심 지역에서 홍수를 시뮬레이팅하기 위한 방법의 흐름도를 나타낸다. 도2의 흐름도는 도1의 홍수 시뮬레이터(120) 또는 프로세서(P)에 의해 수행될 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
단계 S2100에서, 홍수 시뮬레이터는 유역 정보, 지형 정보, 강우 정보를 획득할 수 있다. 유역 자료 구축은 배수구역 분할과 CN(Curve Number) 값 산정을 포함하고, 지형 구축은 DEM 자료 구축 및 TIN 구축을 포함할 수 있다. 강우 자료 구축은 강우자료 조사와 확률강우량 산정을 포함할 수 있다.
단계 S2200에서, 홍수 시뮬레이터는 맨홀별 유출 수문곡선을 선정할 수 있다. 도시이기 때문에 아주 작은 소유역으로 구분되어 맨홀(도시에서 흔히 볼수 있는 맨홀)별로 유출수문곡선이 산정될 수 있다. 맨홀별 유출 수문곡선은 SWMM을 활용하여 산정될 수 있다.
단계 S2300에서, 단계 S2200에서 선정된 유출수문곡선에 따른 강우 유출량이 도심의 우수관으로 유입되기 때문에 관로에 대한 수리학적 분석이 수행될 수 있다. 관로의 통수능의 범위내라면 우수관의 토출구의 수리 계산을 수행(단계 S2500)하여 하천수위가 관로동수위보다 높거나 같으면 하천유출량은 없고, 하천수위가 관로동수위보다 낮으면 하천 유출량을 산정한다(단계 S2600). 관로의 통수능을 초과한다면 역류량을 산정하고 TIN 모형내 역류량을 축적하여 범람면적을 산출할 수 있다(단계 S2400).
도3은 일 실시 예에 따라, 농촌 지역에서의 제내지와 제외지를 나타낸다. 도3을 참조하면, 제내지는 제외지인 하천으로 물을 흘려보내거나 물을 저수할 수 있다. 제내지는 저수지나 유수지이고 물을 저류하고 치수기에는 홍수량의 일부를 일시에 저류하고 하류의 최대 유량을 저감시킴으로써 홍수를 예방할 수 있다. 배수문은 제내지에서 제외지로 물을 유출시키기 위한 게이트이다.
도4는 일 실시 예에 따라, 하천 지역의 데이터에 기반하여 제내지 침수를 예측하기 위한 방법의 흐름도를 나타낸다.
홍수 시뮬레이터는 제내지 배수로와 유입부 특성을 반영하여 내수위(내수위 2)를 가정할 수 있다.
홍수 시뮬레이터는 가정된 내수위(내수위2)와 외수위를 비교할 수 있다.
내수위와 외수위의 비교에 기반하여 내수 배제량(배제량2)을 결정할 수 있다.
홍수 시뮬레이터는 기존의 내용적(old 내용적2)에 펌핌량(펌핑량2)과 배제량(배제량2)을 빼고 유입량(유입량2)을 더하여 새로운 내용적(new내용적2)으로 업데이트할 수 있다.
홍수 시뮬레이터는 새로운 내용적(new 내용적2)에 기반하여 새로운 내수위(내수위2)를 결정할 수 있다.
GATE2018은 배수개선사업 계획지구 내 기존시설물의 능력을 검토하거나 새로운 시설물의 규모를 결정하기 위해 개발되었으며, 사업지구 내 침수형태를 분석하고 이에 적합한 시설물(배수문, 배수장 등)의 규모를 결정하는데 이용되고 있다. GATE2018의 메뉴는 파일, 자료입력 및 분석으로 구성된다. 파일 메뉴에서는 일반적인 프로그램과 같이 파일 열기, 저장 및 끝내기 등을 수행할 수 있다. 자료입력 메뉴에서는 침수 분석에 필요한 내용적, 외수위, 홍수량, 구조물 및 구역 모델링의 특성을 입력할 수 있다.
일 실시 예에 따라, GATE 2018 입력자료가 구축될 수 있다.
일 실시 예에 따라, 2017년 7월 16일에 발생한 집중호우로 인하여 오송 제2생명과학단지 남쪽 정중3리, 봉산3리 및 서평2리의 홍수피해 자료를 바탕으로 홍수피해 지역의 분석을 위하여 피해 지역을 3개 구역으로 나누어 각각 입력자료를 구축한다. 도9a 내지 9c는 일 실시 예에 따라, 구역1(A1), 구역 2(A2), 구역 3(A3)에 대한 입력자료를 나타낸다.
일 실시 예에 따라, 침수피해 지역내 유입량이 산정될 수 있다.
침수피해 분석을 위하여 조건을 ① 구역별 자체 유입량에 따른 서평양배수장이 실제 가동되었을 경우와 미가동시의 경우로 구분하였고, ② 서평양수장이 실제 가동되는 상태에서, 사업지내 발생유량이 구역 1과 구역 2로 유입되는 유량 조건을 9가지로 달리한 경우(Case)로 구분하였다. ① 조건의 2가지 경우와 ② 조건의 9가지 경우, 즉 총 11가지의 경우를 대상으로 침수분석을 수행하기 위해서는 최우선적으로 7월 16일 강수량에 의해 발생된 구역별 유출량을 산정하였다.
침수피해 분석을 위해 서평양배수장의 수혜면적인 구역 1, 구역 2 및 구역 3에서 7월 16일 강우량에 의해 발생한 구역별 평균유출량(이후 자체유입량이라 칭함)은 전절의 강우-유출 분석에 의해 아래 표5와 같이 산정되었다.
구역 1 구역 2 구역 3
55.1㎥/s 97.6㎥/s 13.2㎥/s
일 실시 예에 따라, 구역내 유입된 유량 및 분석 조건 결정될 수 있다.
산업단지에서 구역 1로 유입되는 물량을 산정하기 위하여 폭 4m, 수심이 0.44m로 유입되는 유량의 유속을 달리하여 분석 Case를 구성하였다. 분석의 객관성을 확보하기 위해 유입 유속을 기록된 동영상보다 큰 유속을 포함하여 1.0m/s, 2.0m/s, 3.0m/s로 구분하여 분석하였다.
침수분석 결과는 다음과 같다.
조건별 침수분석들 중에서 먼저 서평양배수장의 가동여부에 따른 침수분석을 실시하였다. 배수량은 구역별 면적을 전체 면적으로 나눈 비율에 따라 구역 1은 3.98㎥/s(33%), 구역 2는 7.06㎥/s(59%), 구역 3은 0.96㎥/s(8%)로 설정하였다. 이상의 조건에 따른 결과는 아래 표6과 같다.
침수면적
(㎡) 		침수지속
시간 (hr) 		최고수
(EL.m) 		최저수
(EL.m) 		최저답
(EL.m) 		평균침수심
(m)
구역 1 미가동 303,853 5 25.40 24.02 24.30 0.21
실가동 303,853 5 25.37 24.20 24.30 0.18
구역 2 미가동 779,074 17 23.02 21.70 21.80 0.42
실가동 779,074 17 23.01 21.70 21.80 0.41
구역 3 미가동 58,279 13 22.13 21.70 21.80 0.29
실가동 - - 21.80 21.70 21.80 -
상기 표6에서 보는 바와 같이 구역 1은 양배수장이 미가동시 실가동일 경우보다 3cm가 더 침수되었으며, 구역 2는 1cm, 구역 3은 29cm가 더 침수된 것으로 분석되었다. 침수된 지속시간(hr)은 구역 1과 구역2에서 양배수장의 가동여부에 관계없이 각각 5시간, 17시간으로 분석되었으며, 구역 3은 미가동시 13시간이었으나 실가동시에는 침수되지 않는 것으로 분석되었다.
침수면적은 구역 1과 구역 2에서 미가동, 실가동이 각각 303,853㎡, 779,074㎡로 동일하였으며, 구역 3은 58,279㎡의 면적이 감소한 것으로 분석되었다.
Case 1∼Case 9 까지를 모의한 결과, Case 1, Case 4, Case 7과 Case 2, Case 5, Case 8 그리고 Case 3, Case 6, Case 9의 침수결과가 동일하게 분석되었다.
Case 1, Case 4, Case 7의 경우 구역 1의 최고수는 EL.25.38m, 구역 2는 EL.23.04m, 구역 3은 EL.21.80m으로 나타났으며, Case 2, Case 5, Case 8의 경우에 구역 1의 최고수는 EL.25.38m, 구역 2의 최고수는 EL.23.07m, 구역 3의 최고수는 EL.21.80m이며, 나머지 Case 3, Case 6, Case 9의 경우에는 구역 1의 최고수는 EL.25.38m, 구역 2는 EL.23.10m, 구역 3은 EL.21.80m로 나타났다.
Case 1∼Case 9에서는 구역 1과 구역 3은 최고수, 최저수, 최저답이 동일한 값으로 분석되었으나, 구역 2는 Case 1, Case 4, Case 7의 최고수 EL.23.04m, Case 2, Case 5, Case 8의 최고수는 EL.23.07m, Case 3, Case 6, Case 9의 최고수는 EL.23.10m로서 침수위가 약 3cm씩 증가하는 것으로 나타났다.
침수면적으로는 모든 Case가 구역별로 동일하게 산정되었으며, 구역 1은 303,853㎡, 구역 2는 779,074㎡의 침수면적을 나타내었다.해당구역별 평균 침수심은 Case 1, Case 4, Case 7의 경우 구역 1의 평균 침수심 0.19m, 구역 2는 0.44m, 구역 3은 0.00m으로 나타났으며, Case 2, Case 5, Case 8의 경우에 구역 1의 평균 침수심은 0.19m, 구역 2는 0.47m, 구역 3은 0.00m이며, 나머지 Case 3, Case 6, Case 9의 경우에는 구역 1의 평균 침수심 0.19m, 구역 2는 0.50m, 구역 3은 0.00m로 나타났다.
종합적으로 판단하면 제2오송생명과학단지의 사업지내 발생 유량 부가 구역 1로 유입되어 구역 1의 자체 유입량에 의한 평균 침수심보다 1cm 침수가 더 되었으나 침수면적은 미가동시와 동일하게 산정되었다. 구역 2는 구역 1에서 구역 2로 유입된 유량으로 인한 평균 침수심은 Case에 따라 최소 3cm에서 최대 9cm 침수가 더 되었다. 침수면적은 양배수장 미가동시와 동일하게 산정되었으나 실제 침수면적과는 일부 상이하게 나타났다. Case 별 침수분석 결과는 아래 표7과 같다.
구분 침수면적(㎡) 침수시간(hr),
7월 16일 		최고수
(EL.m) 		최저수
(EL.m) 		최저답
(EL.m) 		평균침수심
(m)
Case 1 구역 1 303,853 13:00∼18:00(5시간) 25.38 24.20 24.30 0.19
구역 2 779,074 07:00∼24:00(17시간) 23.04 21.70 21.80 0.44
구역 3 - - 21.80 21.70 21.80 -
Case 2 구역 1 303,853 13:00∼18:00(5시간) 25.38 24.20 24.30 0.19
구역 2 779,074 07:00∼24:00(17시간) 23.07 21.70 21.80 0.47
구역 3 - - 21.80 21.70 21.80 -
Case 3 구역 1 303,853 13:00∼18:00(5시간) 25.38 24.20 24.30 0.19
구역 2 779,074 07:00∼24:00(17시간) 23.10 21.70 21.80 0.50
구역 3 - - 21.80 21.70 21.80 -
Case 4 구역 1 303,853 13:00∼18:00(5시간) 25.38 24.20 24.30 0.19
구역 2 779,074 07:00∼24:00(17시간) 23.04 21.70 21.80 0.44
구역 3 - - 21.80 21.70 21.80 -
Case 5 구역 1 303,853 13:00∼18:00(5시간) 25.38 24.20 24.30 0.19
구역 2 779,074 07:00∼24:00(17시간) 23.07 21.70 21.80 0.47
구역 3 - - 21.80 21.70 21.80 -
Case 6 구역 1 303,853 13:00∼18:00(5시간) 25.38 24.20 24.30 0.19
구역 2 779,074 07:00∼24:00(17시간) 23.10 21.70 21.80 0.50
구역 3 - - 21.80 21.70 21.80 -
Case 7 구역 1 303,853 13:00∼18:00(5시간) 25.38 24.20 24.30 0.19
구역 2 779,074 07:00∼24:00(17시간) 23.04 21.70 21.80 0.44
구역 3 - - 21.80 21.70 21.80 -
Case 8 구역 1 303,853 13:00∼18:00(5시간) 25.38 24.20 24.30 0.19
구역 2 779,074 07:00∼24:00(17시간) 23.07 21.70 21.80 0.47
구역 3 - - 21.80 21.70 21.80 -
Case 9 구역 1 303,853 13:00∼18:00(5시간) 25.38 24.20 24.30 0.19
구역 2 779,074 07:00∼24:00(17시간) 23.10 21.70 21.80 0.50
구역 3 - - 21.80 21.70 21.80 -
한편, 상술한 방법들은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽힐 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 인터넷을 통한 전송 등의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 프로세서가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
설명들은 본 발명을 구현하기 위한 예시적인 구성들 및 동작들을 제공하도록 의도된다. 본 발명의 기술 사상은 위에서 설명된 실시 예들뿐만 아니라, 위 실시 예들을 단순하게 변경하거나 수정하여 얻어질 수 있는 구현들도 포함할 것이다. 또한, 본 발명의 기술 사상은 위에서 설명된 실시 예들을 앞으로 용이하게 변경하거나 수정하여 달성될 수 있는 구현들도 포함할 것이다.

Claims (2)

  1. 치수기시 도심 지역의 홍수를 시뮬레이션하기 위한 시뮬레이터 장치에 있어서,
    강우정보, DEM 과 DEM으로부터 구축된 삼각망을 포함하는 지형정보, 토지피복도와 토양도를 포함하는 토양정보, 유역정보, 및 노드와 링크로 구성된 관망정보 중 적어도 하나를 포함하는 입력 데이터를 입력받기 위한 입력부;
    과거 발생된 강우 기록과 침수 기록들, IDF 곡선 산정을 위한 테이블, 허프 강우분포를 위한 구조 설계를 위한 테이블, 장기 강우 구조에 대한 설계를 위한 테이블을 저장하기 위한 데이터베이스;
    유출 모형에 상기 입력 데이터를 적용하여 시뮬레이션 결과를 획득하기 위한 프로세서; 및
    상기 시뮬레이션 결과를 GIS 상에 표시하기 위한 디스플레이를 포함하고,
    상기 입력부는 상기 지형정보와 상기 토양정보를 쉐입(Shape) 파일로 입력받고, 상기 프로세서는 상기 쉐입 파일에 기반하여 유출모의에 필요한 지형 분석 정보를 획득하여 상기 유출 모형의 입력 자료로 변환하고,
    상기 유역정보는 배수시설 설치지점의 유역 경계를 따라 결정된 유역 면적, 유역폭, 유역평균경사, 조도계수, 유출곡선지수를 포함하고,
    상기 토양정보로부터 유출곡선지수 값이 산출되고, 상기 유출곡선지수 값을 이용하여 유효 우량이 산정되고,
    상기 관망정보는 관거이름, 상류측 맨홀 이름, 하류측 맨홀이름, 관경, 관거 길이, 관거 경사, 조도계수를 포함하고,
    상기 조도계수는 원형관은 0.013을 적용하고, 박스관은 0.015를 적용하고,
    상기 시뮬레이션 결과는 시뮬레이팅 대상지역의 유출량, 상기 대상지역의 침수 구역, 침수흔적도, 및 지역별 침수심을 포함하는 시뮬레이터 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 유역정보, 상기 지형정보, 상기 강우정보를 획득하고, 맨홀별 유출 수문곡선을 SWMM 을 이용하여 산정하는 단계, 관로의 통수능 범위내라면 우수관의 토출구의 수리 계산을 수행하여 하천수위보다 관로동수위가 높거나 같으면 하천유출량은 없는 것으로 판단하고, 하천수위가 관로동수위보다 낮으면 하천 유출량을 산정하고 관로의 통수능을 초과하면 역류량을 산정하고 TIN 모형 내 역류량을 축적하여 범람면적을 산출하는 시뮬레이터 장치.
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