KR20200005271A - 해안도시지역 내 범람 모의방법 및 그를 위한 컴퓨터 프로그램 - Google Patents

해안도시지역 내 범람 모의방법 및 그를 위한 컴퓨터 프로그램 Download PDF

Info

Publication number
KR20200005271A
KR20200005271A KR1020180078794A KR20180078794A KR20200005271A KR 20200005271 A KR20200005271 A KR 20200005271A KR 1020180078794 A KR1020180078794 A KR 1020180078794A KR 20180078794 A KR20180078794 A KR 20180078794A KR 20200005271 A KR20200005271 A KR 20200005271A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
simulation
information
flood
target region
immersion
Prior art date
Application number
KR1020180078794A
Other languages
English (en)
Inventor
손광익
Original Assignee
영남대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 영남대학교 산학협력단 filed Critical 영남대학교 산학협력단
Priority to KR1020180078794A priority Critical patent/KR20200005271A/ko
Publication of KR20200005271A publication Critical patent/KR20200005271A/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G06Q50/00—Information and communication technology [ICT] specially adapted for implementation of business processes of specific business sectors, e.g. utilities or tourism
    • G06Q50/10—Services
    • G06Q50/26—Government or public services
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G06Q50/00—Information and communication technology [ICT] specially adapted for implementation of business processes of specific business sectors, e.g. utilities or tourism
    • G06Q50/10—Services
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A10/00—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE at coastal zones; at river basins
    • Y02A10/40—Controlling or monitoring, e.g. of flood or hurricane; Forecasting, e.g. risk assessment or mapping

Landscapes

  • Business, Economics & Management (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Tourism & Hospitality (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Economics (AREA)
  • Human Resources & Organizations (AREA)
  • Marketing (AREA)
  • Primary Health Care (AREA)
  • Strategic Management (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Business, Economics & Management (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Development Economics (AREA)
  • Educational Administration (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Databases & Information Systems (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Alarm Systems (AREA)
  • Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)

Abstract

본 실시예는 천수방정식을 지배방정식으로 하고, 유한체적법과 Well-balanced 기법의 적용을 통해 해일 내습에 따른 해안도시 지역 내 범람현상을 수치적으로 모형화하여 제공함으로써 해안 및 내륙 도시지역에서 발생하는 홍수재해에 대한 평가와 예측이 보다 효율적으로 이루어질 수 있도록 하는 해안도시지역 내 범람 모의방법 및 그를 위한 컴퓨터 프로그램에 관한 것이다.

Description

해안도시지역 내 범람 모의방법 및 그를 위한 컴퓨터 프로그램{Method for Providing Inundation Simulation In Coastal Urban Area and Computer Program Therefore}
본 실시예는 해안도시지역 내 범람 모의방법 및 그를 위한 컴퓨터 프로그램에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 2차원 수치모형을 이용하여 폭풍해일고에 따른 해안도시 지역 내 침수모의 및 분석을 수행하는 해안도시지역 내 범람 모의방법 및 그를 위한 컴퓨터 프로그램에 관한 것이다.
이하에 기술되는 내용은 단순히 본 발명에 따른 일 실시예와 관련되는 배경 정보만을 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것이 아니다.
최근 지구온난화로 인해 많은 기상이변이 속출하고 있는 실정이다. 2007년도에 발표된 유엔 기후변화에 관한 4차 보고서에 따르면 21세기 말까지 최대 6.4도까지 상승할 것으로 예측되었으며(IPCC, 2007), 해수면도 지금보다 28 ~ 43 cm까지 상승하게 될 것이라고 발표하였다.
3면이 바다로 둘러싸인 우리나라는 서해안을 중심으로 백중사리, 태풍 및 폭풍 등으로 인한 기상피해가 빈번하게 발생하고 있으며 해수범람 및 해안침식, 해안구조물 파괴 등의 큰 피해를 경험하고 있다. 특히 남해안은 태풍으로 인한 막대한 연안재해가 지속적으로 발생되고 있는 실정이다. 일예로, 1959년 14호 태풍 “사라”, 1987년 5호 태풍 “셀마” 및 2003년 14호 태풍“매미”등은 남해 연안역에 해수 범람으로 인한 엄청난 물적 및 인적 피해를 초래하였다.
이로 인해 연안재해의 체계적 조사의 필요성이 대두되면서 서해안 해수범람의 흔적조사와 종합대책 수립을 위한 분석이 이루어진 바 있으며, 해일발생 및 범람에 관한 이론적 연구와 각종 연안재해 방지시스템 구축 등과 같은 연구가 진행된 바 있다. 또한, 이를 토대로 연안역에서의 폭풍해일고에 의한 범람 모의 및 분석 등이 수행된 바가 있다.
그러나 이러한 연구의 대부분은 호안을 불투과 벽체로 가정하여 해역 내에서의 폭풍해일고만 추정하거나 검조소에서 관측된 폭풍해일고를 이용하여 호안 배후역에 대한 침수해석만을 수행하였으며, 아직까지 폭풍해일 내습에 따른 해안도시지역 내 건물영향 등에 의한 침수모의 및 분석에 대한 연구는 거의 없는 실정이다.
본 실시예는 천수방정식을 지배방정식으로 하고, 유한체적법과 Well-balanced 기법의 적용을 통해 해일 내습에 따른 해안도시 지역 내 범람현상을 수치적으로 모형화하여 제공함으로써 해안 및 내륙 도시지역에서 발생하는 홍수재해에 대한 평가와 예측이 보다 효율적으로 이루어질 수 있도록 하는 해안도시지역 내 범람 모의방법 및 그를 위한 컴퓨터 프로그램을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 실시예는, 범람 모의 프로그램이 범람 모의장치의 하드웨어와 결합되어, 모의 대상지역에 대한 지형정보, 경계조건을 위한 관측입력정보 및 상기 모의 대상지역 토지별 조도계수정보를 포함하는 상기 모의 대상지역 관련정보를 입력받는 과정; 총 모의 시간 및 모의 시간 간격정보를 포함하는 모의 수행 설정정보를 입력받는 과정; 및 상기 모의 대상지역 관련정보 및 상기 모의 수행 설정정보를 기반으로, 상기 모의 대상지역에 상응하는 계산영역 내 공간 격자망을 구성하고 상기 계산영역을 구성하는 검사체적 또는 요소 경계를 통한 흐름률을 유한체적법에 근간하여 산출하여 해일 내습에 따른 상기 모의 대상지역 내 침수모의를 수행하는 과정을 실행시키기 위하여 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 저장된 범람 모의 프로그램을 제공한다.
또한, 본 실시예의 다른 측면에 의하면, 모의 대상지역에 대한 지형정보, 경계조건을 위한 관측입력정보 및 상기 모의 대상지역 토지별 조도계수정보를 포함하는 상기 모의 대상지역 관련정보를 입력받는 대상지역 정보 수집부; 총 모의 시간 및 모의 시간 간격정보를 포함하는 모의 수행 설정정보를 입력받는 설정정보 수집부; 및 상기 모의 대상지역 관련정보 및 상기 모의 수행 설정정보를 기반으로, 상기 모의 대상지역에 상응하는 계산영역 내 공간 격자망을 구성하고 상기 계산영역을 구성하는 검사체적 또는 요소 경계를 통한 흐름률을 유한체적법에 근간하여 산출하여 해일 내습에 따른 상기 모의 대상지역 내 침수모의를 수행하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 범람 모의장치를 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 천수방정식을 지배방정식으로 하고, 유한체적법과 Well-balanced 기법의 적용을 통해 해일 내습에 따른 해안도시 지역 내 범람현상을 수치적으로 모형화하여 제공함으로써 해안 및 내륙 도시지역에서 발생하는 홍수재해에 대한 평가와 예측이 보다 효율적으로 이루어질 수 있도록 하는 효과가 있다.
도 1은 본 실시예에 따른 범람 모의장치를 개략적으로 나타낸 블록 구성도이다.
도 2 내지 도 3은 본 실시예에 따른 범람 모의방법 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 본 실시예에 따른 범람 모의방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5 내지 도 7은 본 실시예에 따른 범람 모의방법에 의한 해안도시지역 내 범람모의 및 분석결과를 예시한 예시도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 실시예는 천수방정식을 지배방정식으로 하고, 유한체적법과 Well-balanced 기법의 적용을 통해 해일 내습에 따른 해안도시 지역 내 범람현상을 수치적으로 모형화하여 제공함으로써 해안 및 내륙 도시지역에서 발생하는 홍수재해에 대한 평가와 예측이 보다 효율적으로 이루어질 수 있도록 하는 해안도시지역 내 범람 모의방법 및 그를 위한 컴퓨터 프로그램을 제안한다.
도 1은 본 실시예에 따른 범람 모의장치를 개략적으로 나타낸 블록 구성도이며, 도 2 내지 도 3은 본 실시예에 따른 범람 모의방법 설명하기 위한 예시도이다. 이하, 도 1, 도 2 및 도 3을 함께 참조하며, 본 실시예에 따른 범람 모의장치(100)의 구조 및 동작에 대해 설명하도록 한다.
범람 모의장치(100)는 사용자의 키 조작에 따라 네트워크 등을 경유하여 각종 데이터를 송수신할 수 있는 단말기를 말하는 것이며, 태블릿 PC(Tablet PC), 랩톱(Laptop), 개인용 컴퓨터(PC: Personal Computer), 스마트폰(Smart Phone), 개인휴대용 정보단말기(PDA: Personal Digital Assistant) 및 이동통신 단말기(Mobile Communication Terminal) 등 중 어느 하나일 수 있다.
본 실시예에 따른 범람 모의장치(100)는 범람 모의 프로그램(이하, 범람 모의 애플리케이션으로 명시하여 설명하도록 한다)을 탑재하여 폭풍해일고에 따른 해안도시지역 내에서의 범람모의 및 분석 기능을 제공한다. 범람 모의장치(100)는 사용자의 조작 또는 명령에 의해 범람 모의 프로그램을 구동하며, 범람 모의 프로그램을 통해 폭풍해일고에 따른 해안도시지역 내에서의 범람모의 및 분석 기능을 제공할 수 있다.
도 1의 범람 모의장치(100)는 실질적으로 범람 모의 프로그램을 탑재한 단말기의 내부 도면을 나타내고 있으나, 이러한, 범람 모의 프로그램을 탑재한 단말기는 별도의 장치인 범람 모의 장치(100)로 구현될 수 있으며, 범람 모의장치(100)에 포함된 구성 요소는 각각 소프트웨어 또는 하드웨어적인 요소로 구현될 수 있다
즉, 도 1에 도시된 범람 모의 장치(100)는 범람 모의 프로그램이 별도의 장치로 구현된 실시예로서, 본 실시예에 따른 범람 모의 장치(100)는 대상지역 정보 수집부(110), 설정정보 수집부(120), 저장부(130), 제어부(140) 및 출력부(150)를 포함한다. 여기서, 범람 모의 장치(100)의 구성요소는 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 대상지역 정보 수집부(110) 및 설정정보 수집부(120)는 별개의 구성요소가 아닌 하나의 구성요소로 구현될 수 있다.
한편, 도 1에 도시된 범람 모의장치(100)의 기능 모듈들은 중앙 처리 장치 예컨대, CPU에서 범람 모의 프로그램이 구동되는 경우 실현된다. 중앙 처리 장치는 범람 모의 프로그램을 구동하여 상기에 명시된 기능 모듈들을 순차적으로 불러와 동작시키는 기능을 실현하며, 이를 통해 폭풍해일고에 따른 해안도시지역 내에서의 범람모의 및 분석 기능을 제공한다.
대상지역 정보 수집부(110)는 범람모의 대상이 되는 모의 대상지역과 관련한 정보를 수집하는 기능을 수행한다.
대상지역 정보 수집부(110)는 사용자와의 사이에 데이터 송수신을 위한 인터페이스를 제공하며, 이를 통해 사용자로부터 모의 대상지역과 관련한 입력신호를 수신한다. 즉, 대상지역 정보 수집부(110)는 모의 대상지역 관련 정보를 입력 및 셋팅할 수 있는 기능 또는 수단 등을 제공하며, 사용자는 이를 통해, 범람모의 대상이 되는 대상지역 및 그에 상응하는 조건을 자유롭게 설정할 수 있다.
본 실시예에 따른 대상지역 정보 수집부(110)는 모의 대상지역에 대한 지형정보, 경계조건을 위한 관측입력정보 및 모의 대상지역 토지별 조도계수정보를 포함하는 모의 대상지역 관련정보를 입력받는다.
예컨대, 모의 대상지역에 대한 지형정보로는 특정 지역에 상응하는 사진정보 및 수치지형 모델 등과 같은 지형 자료 등이 포함될 수 있다.
또한, 경계조건을 위한 관측입력정보로는 모의 대상지역 상에 위치하는 하천의 수심 및 바다의 조위와 같은 초기 조건정보, 해당 하천 및 바다로 유입되는 빗물의 유속 및 유입량 등과 같은 수위 조건정보 등의 자료가 포함될 수 있다.
또한, 모의 대상지역 토지별 조도계수정보로는 모의 대상지역 토지 바닥에 대한 거칠기 정보 등이 포함될 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 대상지역 정보 수집부(110)를 통해 입력되는 모의 대상지역 관련정보의 종류 및 이의 세부사항에 대하여 특정 정보로서 한정하지는 않는다.
설정정보 수집부(120)는 모의 수행과 관련한 설정정보를 입력받는 기능을 수행한다.
마찬가지로, 설정정보 수집부(120)는 사용자와의 사이에 데이터 송수신을 위한 인터페이스를 제공하며, 이를 통해 사용자로부터 모의 수행과 관련한 설정정보를 입력받는다. 실시예에 따라 대상지역 정보 수집부(110)와 설정정보 수집부(120)는 하나의 장치(ex: 정보 수집부)로 구현될 수 있으며, 이 경우 정보 수집부는 상기의 기능을 통합적으로 지원 가능한 통합 인터페이스를 제공할 수 있다.
본 실시예에 따른 설정정보 수집부(120)는 모의 수행과 관련한 설정정보로서 총 모의 시간 및 모의 시간 간격정보 등과 같은 모의 시간 설정정보를 입력받을 수 있다.
본 실시예의 경우, 설정정보 수집부(120)는 모의 수행과 관련한 설정정보로서 하상지형경사 조건정보 및 흐름률의 계산시간 간격 구성과 관련하여 수심 정보에 근간한 제약 조건을 추가로 입력받을 수 있다. 바람직하게는, 본 실시예에 있어서 하상지형경사 조건정보로는 Well-Balanced 기법 적용을 위한 Alpha_hllc 정보가 입력될 수 있다. 또한, 상기의 제약 조건으로는 수치해의 안정성 조건인 CFL(Courant-Friedrichs-Lewy) 조건 정보가 입력될 수 있다.
한편, 본 실시예에 있어서, 설정정보 수집부(120)를 통해 추가로 입력되는 정보들은 하상이 급변하는 하천흐름을 해석하는 과정에서 적용될 수 있으며, 생성항과 흐름률항의 수치적 불균형으로 인해 야기될 수 있는 수치진동 발생 문제를 해결함에 따라 보다 효율적인 모의결과가 도출될 수 있도록 한다. 이에 대한 자세한 설명은 제어부(140)를 설명하는 과정에서 후술토록 한다.
저장부(130)는 범람 모의를 수행하는 데 있어서 필요한 정보들을 저장한다. 예컨대, 본 실시예에 따른 저장부(130)는 모의 대상지역에 대한 지형정보 등을 기 수집하여 저장할 수 있다. 또한, 저장부(220)는 범람 모의를 수행하는 과정에서 사용되는 각종 프로그램 등을 저장하여 제공할 수 있다.
제어부(140)는 해일 내습에 따른 모의 대상지역 내 침수모의를 수행하는 과정에서 필요한 전반적인 절차들을 수행하는 장치를 의미한다.
본 실시예에 따른 제어부(140)는 대상지역 정보 수집부(110)를 통해 입력받은 모의 대상지역 관련정보 및 설정정보 수집부(120)를 통해 입력받은 모의 수행 설정정보를 기반으로 해일 내습에 따른 모의 대상지역 내 침수모의를 수행한다.
보다 자세하게는, 제어부(140)는 모의 대상지역 관련정보 및 모의 수행 설정정보를 기반으로, 모의 대상지역에 상응하는 계산영역 내 공간 격자망을 구성하고, 계산영역을 구성하는 검사체적 또는 요소 경계를 통한 흐름률을 유한체적법에 근거하여 산출하여 해일 내습에 따른 모의 대상지역 내 침수모의를 수행한다.
본 실시예에 있어서, 제어부(140)는 침수모의에 대한 수행결과로서, 해일 내습에 따른 해안도시 지역 내 범람현상을 수치적으로 모의한 2차원 수치모형을 생성하여 제공한다. 예컨대, 제어부(140)에서 생성한 2차원 수치모형에는 모의 대상지역 관련정보, 모의 수행 설정정보 및 흐름률을 기반으로 산출된 해안도시 지역 내 침수심 분포, 유속장, 침수표고 및 절대유속 정보가 포함될 수 있다. 또한, 본 실시예의 경우, 2차원 수치모형에는 앞서 산출된 각각의 정보들의 조합을 통해 산출된침수면적, 침수체적 및 프로드 수(Froude Number) 정보가 추가로 포함될 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 제어부(140)는 천수방정식을 지배방정식으로 하고, 유한체적법과 Well-balanced 기법의 적용을 통해 해일 내습에 따른 해안도시 지역 내 범람현상을 수치적으로 모형화하여 제공한다.
제어부(140)는 계산영역을 구성하는 검사체적 또는 요소 경계를 통한 흐름률을 산출하는 과정에서 HLLC Riemann 근사해법을 이용하여 지배방정식을 이산화한다.
제어부(140)는 HLLC Riemann 근사해법을 이용하여 흐름해석 시 설정정보 수집부(120)를 통해 입력받은 하상지형경사 조건정보를 고려한다. 예컨대, 제어부(140)는 HLLC Riemann 근사해법을 이용하여 흐름해석 시 하상지형경사 조건 정보에 근거하여 기 정의된 불규칙한 하상지형에 대해서는 흐름률 산출을 위한 격자 셀 간격을 적응적으로 조정한다.
마찬가지로, 제어부(140)는 침수모의를 수행하는 과정에서, 설정정보 수집부(120)를 통해 입력받은 제약 조건을 만족하는 범위에서 흐름률의 계산시간 간격을 적응적으로 조정할 수 있다.
이하, 본 실시예에 따른 제어부(140)가 해일 내습에 따른 모의 대상지역 내 침수모의를 수행하는 과정에서 적용한 기법들에 대하여 설명하도록 한다.
본 실시예에서 적용된 지배방정식은 2차원 천수방정식(Shallow Water Equation, SWE)으로 벡터형태로 표현하면 수학식 1과 같다.
Figure pat00001
여기서 h는 수심, u와 v는 각각 x와 y 방향으로의 유속, g는 중력가속도이며, Sox와 Soy는 각각 x와 y 방향으로의 하상지형경사 그리고 Sfx와 Sfy는 각각 x와 y 방향으로의 마찰항이다.
Figure pat00002
여기서 n은 Manning의 조도계수이다.
본 실시예에서 적용된 수치기법은 계산영역을 구성하는 검사체적(Control Volume) 또는 요소(Elenent) 경계를 통한 흐름률(Flux)를 계산하는 유한체적법이며, 도 2에서처럼 삼각형 또는 사각형 형태를 가진 임의의 요소 Ai에 대해 수학식 1을 적분하면 다음과 같은 식으로 표현될 수 있다.
Figure pat00003
여기서, F=(E, H)T이며, ∂Ai는 요소 A의 경계 그리고 ni는 outward 단위수직벡터이다.
수학식 3을 요소 Ai에 대해 이산화 시키면 다음과 같이 쓸 수 있다.
Figure pat00004
여기서 |Ai|는 Ai의 면적, m은 Ai를 구성하는 변의 수(삼각형 요소에 대해서는 3 그리고 사각형 요소에 대해서는 4), Lij는 변 j의 길이, nij는 Ai를 구성하는 변 j로부터의 outward 단위수직벡터이다. 본 실시예에서 적용된 모형은 격자망 구성 시 변의 수를 입력값으로 하여 삼각형과 사각형이 혼합된 요소에서도 적용될 수 있다.
수학식 3의 F(U)를 구성하는 E와 H 사이에 rotational invariance 특성을 적용할 때, 흐름률 계산은 요소 규모에서 1차원 문제로 축소되며, 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00005
여기서 Tnij는 변환행렬이며, 다음과 같다.
Figure pat00006
수학식 5를 수학식 4에 대입하고 정리하면 요소 Ai에 대하여 다음과 같은 식이 얻어진다.
Figure pat00007
여기서, G(TnijUi, TnijUj)=
Figure pat00008
는 요소 경계에서의 흐름률이며, Riemann 문제의 근사해법을 통해 계산된다. UL과 UR은 각각 요소 L과 R에 대한 상태변수 이다.
수학식 7의 흐름률항을 계산하기 위해 본 실시예에서는 HLLC 기법이 적용되었다. HLLC 기법은 도 3에서 나타난 바와 같이 파속 SL과 SR 사이의 wendrks파소(Intermediate Wave Speed)에 해당되는 S*를 고려하는 것으로 HLL 기법을 개선한 것이다. HLL 기법에서는 수학식 7의 흐름률항은 다음과 같이 표현된다.
Figure pat00009
여기서, G*(UL, UR)은 다음과 같은 식을 통해 계산된다.
Figure pat00010
파속 SL과 SR은 다음과 같은 식을 통해 계산된다.
Figure pat00011
여기서,
Figure pat00012
또는
Figure pat00013
로 표현되는 전파속도(Wave Celerity), hL과 hR은 각각 요소 L과 R에서의 수심 그리고 pL 및 pR은 다음과 같은 조건식을 통해 결정된다.
Figure pat00014
여기서, h*는 요소 L과 R 사이의 경계면에서의 수심이다. h*를 결정하기 위해서는 먼저 rarefraction wave 또는 shock wave에 해당되는지를 결정할 필요가 있다.
HLLC 기법에서는 중간파속인 S*의 조건을 고려하며, HLL 기법에서 단지 흐름률의 세 번째 성분(huv)에 대해 다음과 같은 형태로 변환시킨다.
Figure pat00015
HLLC 기법을 하상이 급변하는 하천흐름의 해석에 적용하였을 때 생성항과 흐름률항의 수치적 불균형으로 인해 수치진동이 발생하여 흐름해석에 대한 정확한 결과를 얻기 어렵다. 이러한, 문제를 해결하기 위해 수학식 8의 G(UR)을 계산할 때 하상지형경사를 직접 고려하며, 이를 식으로 표현하면 다음과 같다.
Figure pat00016
여기서, zb,R과 zb,L은 각각 요소 L과 R에서의 하상고를 나타낸다.
수학식 13은 수학식 8과 수학식 9에 G(UR)을 대신하여 적용된다. 따라서, 수학식 13과 같은 하상지형경사를 고려한 Well-Balanced HLLC 기법이 적용될 때, 수학식 7에 대해 다음과 같은 식으로 표현된다.
Figure pat00017
여기서, Si f(U)는 수학식 1의 생성항에서 Well-Balanced HLLC 기법 적용에 따라 하상지형경사에 대한 항은 존재하지 않고, 수학식 15와 같은 단지 마찰항만 존재한다.
Figure pat00018
시간에 따라 변화하는 수심 및 유속을 계산하기 위해 본 실시예에서는 Simple Explicit Euler 기법을 적용하였으며, 적용결과는 수학식 16과 같다.
Figure pat00019
여기서, Un과 Un+1은 각각 시간 tn과 tn+1에서 계산된 U의 근사값이며, Sf,n(U)은 시간 tn에서 Sf(U)를 계산한 값이 된다. Simple Explicit Euler 기법은 비선형 방정식계에서 수반되는 반복적인 계산에 매우 효율적인 것으로 알려져 있으나 수치적 안정성을 확보하기 위해서는 CFL(Courant-Friedriched-Lewy) 조건을 만족시킬 필요가 있다.
Figure pat00020
여기서, DL,LR은 요소 L의 중심과 요소 L과 R을 분리하는 경계면의 중심 사이의 거리이다.
본 실시예에서는 젖은/마른 하상 조건을 처리하기 위해 다음과 같은 해석적 기법을 적용하였다.
Figure pat00021
Figure pat00022
위의 식은 하상지형경사인 ∇zb의 항이 존재하지 않을 때 매우 유용하나 만약 존재할 경우 수치적으로 매우 불안정해진다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 실시예에서는 0보다 큰 최소 수심인 hε을 적용하였다. 만약 어떤 요소의 수심이 hε 보다 작을 경우 마른 하상 조건과 유속이 0인 조건이 부여된다. 일반적으로 hε의 적용 범위는 1.0 × 10-3 ~ 1.0 × 10-6m 이며, 본 실시예에서는 평탄하지 않은 불규칙한 하상에 대해 1.0 × 10-3m를 적용하였다.
제어부(140)는 앞서 산출한 2차원 수치모형에 대한 분석결과를 도출하고, 분석결과에 근거하여 피해 규모 정보, 도피 경로 정보 및 재난방지 대책 정보 중 일부 또는 전부를 포함하는 수재해 저감 대책에 대한 모의 기법을 제공할 수 있다.
출력부(150)는 제어부(140)를 통해 수행된 범람 모의에 대한 수행결과를 사용자에게 인지 가능한 형태로 출력한다.
도 4는 본 실시예에 따른 범람 모의방법을 설명하기 위한 순서도이다.
범람 모의장치(100)는 모의 대상지역에 대한 관련정보를 입력받는다(S402). 단계 S402에서 범람 모의장치(100)는 모의 대상지역에 대한 지형정보, 경계조건을 위한 관측입력정보 및 모의 대상지역 토지별 조도계수정보를 포함하는 모의 대상지역 관련정보를 입력받는다.
범람 모의장치(100)는 모의 수행 설정정보를 입력받는다(S404). 단계 S404에서 범람 모의장치(100)는 모의 수행과 관련한 설정정보로서 총 모의 시간 및 모의 시간 간격정보 등과 같은 모의 시간 설정정보를 입력받을 수 있다.
또한, 본 실시예의 경우, 범람 모의장치(100)는 모의 수행과 관련한 설정정보로서 하상지형경사 조건정보 및 흐름률의 계산시간 간격 구성과 관련하여 수심 정보에 근간한 제약 조건을 추가로 입력받을 수 있다.
범람 모의장치(100)는 단계 S402에서 수신한 모의 대상지역 관련정보 및 단계 S404에서 수신한 모의 수행 설정정보를 기반으로 모의 대상지역에 상응하는 계산영역 내 공간 격자망을 구성하고(S406), 계산영역을 구성하는 검사체적 또는 요소 경계를 통한 흐름률을 유한체적법에 근건하여 산출하여 해일 내습에 따른 모의 대상지역 내 침수모의를 수행한다(S408). 단계 S404 및 단계 S406에서 범람 모의장치(100)는 천수방정식을 지배방정식으로 하고, 유한체적법과 Well-balanced 기법의 적용을 통해 해일 내습에 따른 해안도시 지역 내 범람현상을 수치적으로 모형화하여 제공한다.
범람 모의장치(100)는 계산영역을 구성하는 검사체적 또는 요소 경계를 통한 흐름률을 산출하는 과정에서 HLLC Riemann 근사해법을 이용하여 지배방정식을 이산화한다.
범람 모의장치(100)는 HLLC Riemann 근사해법을 이용하여 흐름해석 시 설정정보 수집부(120)를 통해 입력받은 하상지형경사 조건정보를 고려한다.
범람 모의장치(100)는 침수모의를 수행하는 과정에서, 단계 S404를 통해 입력받은 제약 조건을 만족하는 범위에서 흐름률의 계산시간 간격을 적응적으로 조정할 수 있다.
범람 모의장치(100)는 단계 S408에서 사누ㅊㄹ한 2차원 수치모형에 대한 분석결과를 도출하고, 분석결과에 근거하여 피해 규모 정보, 도피 경로 정보 및 재난방지 대책 정보 중 일부 또는 전부를 포함하는 수재해 저감 대책에 대한 모의 기법을 제공한다(S410).
여기서, 단계 S402 내지 S410은 앞서 설명된 범람 모의장치(100)의 각 구성요소의 동작에 대응되므로 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.
도 4에서는 각각의 과정을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 다시 말해, 도 4에 기재된 과정을 변경하여 실행하거나 하나 이상의 과정을 병렬적으로 실행하는 것으로 적용 가능할 것이므로, 도 4는 시계열적인 순서로 한정되는 것은 아니다.
한편, 도 4에 기재된 범람 모의방법은 프로그램으로 구현되고 컴퓨터의 소프트웨어를 이용하여 읽을 수 있는 기록매체(CD-ROM, RAM, ROM, 메모리 카드, 하드 디스크, 광자기 디스크, 스토리지 디바이스 등)에 기록될 수 있다.
도 5 내지 도 7은 본 실시예에 따른 범람 모의방법에 의한 해안도시지역 내 범람모의 및 분석결과를 예시한 예시도이다.
본 실시예에서 적용된 대상도시지역은 태풍 "매미"시 가장 피해가 컸던 지역인 구마산 신도시의 일부이며, 도 5의 (a)에서 굵은 선으로 표시된 영역이다. 침수 흔적 기록이 남아 있는 주요 지점은 A 지점, B 지점, C 지점 그리고 D 지점으로 4개이며, 각 지점은 해안으로부터 660, 569, 394 그리고 173m 떨어져 있다.
도 5의 (b)는 도 5의 (a)에서 A-B 선을 따른 개략적인 단면도이며, 주요지점에 대한 실제 당시 조사된 침수흔적의 범위가 나타나 있다. 해안과 가장 가까운 D지점의 경우 1.0 ~ 1.5m 정도 침수되었으며, C 지점에서는 1.5 ~ 1.7m 그리고 A와 B 지점의 경우 0.2 ~ 0.5m 정도 침수된 것으로 기록되었다.
도 6은 2003년 태풍 "매미" 발생 기간 동안 국립해양 조사원 마산만 검조소에서 2003년 9월 12일부터 13일까지 관측된 해일고의 시간적 변화를 나타낸 것이다. 본 실시예에서는 최대 해일고가 포함된 기간인 2003년 9월 12일 16:00부터 23:까지 420분에 대해 모의를 수행하였다.
본 실시예에서는 해일 규모에 따른 해안도시지역 내의 범람특성을 분석하기 위해 해일고에 따른 3개의 Case를 고려하였다. 이중 Case 1은 태풍 "매미"시 관측된 해일고와 월류랑을 나타낸 것으로서 최대 해일고인 2.10m에 대해 월류량은 486.01m3/sec이다.
도 7은 Case 1에 대한 모의 결과로서 태풍 "매미" 기간 동안 시간에 따라 변화되는 침수심의 공간적 분포를 나타낸 것이다.
도 7을 참고하면, 해안으로부터 유입되기 시작하는 해일은 도시지역 내 건물과 건물 사이의 도로를 통해 이동하다가 E 광장 부근부터는 높은 지형경사로 인해 계속 이동하지 못하고 상대적으로 낮은 경사를 가진 도로를 통해 이동하는 것을 알 수 있다. 해안과 가까이 평행하게 배치되어 있는 건물들의 전반부에서 급격한 수심증가 현상이 발생되었으며, 이는 도시지역 내 건물들이 해안으로부터 유입된 해일의 이동을 지체시키는 장애적인 요인이 됨을 알 수 있다. 시간에 따른 최대 침수심은 모의시작 이후 5,000초(1 h 23m)에서 0.84m, 10,000초(2 h 47m)에서는 1.07m, 15,000초(4 h 10m)에서는 1.40m 그리고 21,000초(5 h 50m)에서는 2.09m까지 상승되다가 이후부터는 감소되기 시작하며, 25,000초(6 h 57m)에서의 최대 침수심은 1.25m까지 감소되었다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 범람 모의장치 110: 대상지역 정보 수집부
120: 설정정보 수집부 130: 저장부
140: 제어부 150: 출력부

Claims (10)

  1. 범람 모의 프로그램이 범람 모의장치의 하드웨어와 결합되어,
    모의 대상지역에 대한 지형정보, 경계조건을 위한 관측입력정보 및 상기 모의 대상지역 토지별 조도계수정보를 포함하는 상기 모의 대상지역 관련정보를 입력받는 과정;
    총 모의 시간 및 모의 시간 간격정보를 포함하는 모의 수행 설정정보를 입력받는 과정; 및
    상기 모의 대상지역 관련정보 및 상기 모의 수행 설정정보를 기반으로, 상기 모의 대상지역에 상응하는 계산영역 내 공간 격자망을 구성하고 상기 계산영역을 구성하는 검사체적 또는 요소 경계를 통한 흐름률을 유한체적법에 근간하여 산출하여 해일 내습에 따른 상기 모의 대상지역 내 침수모의를 수행하는 과정
    을 실행시키기 위하여 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 저장된 범람 모의 프로그램.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 침수모의를 수행하는 과정은,
    상기 침수모의에 대한 수행결과로서, 상기 해일 내습에 따른 해안도시 지역 내 범람현상을 수치적으로 모의한 2차원 수치모형을 생성하여 제공하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 저장된 범람 모의 프로그램.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 2차원 수치모형은,
    상기 모의 대상지역 관련정보, 상기 모의 수행 설정정보 및 상기 흐름률를 기반으로 산출된 상기 해안도시 지역 내 침수심 분포, 유속장, 침수표고 및 절대유속 정보와 각각의 정보들의 조합을 통해 산출된 침수면적, 침수체적 및 프로드 수(Froude Number) 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 저장된 범람 모의 프로그램.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 2차원 수치모형에 대한 분석결과를 도출하고, 상기 분석결과에 근거하여 피해 규모정보, 도피 경로 정보 및 재난방지 대책 정보 중 일부 또는 전부를 포함하는 수재해 저감 대책에 대한 모의 기법을 제공하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 저장된 범람 모의 프로그램.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 침수모의를 수행하는 과정은,
    상기 흐름률을 산출하는 과정에서 HLLC Riemann 근사해법을 이용하여 지배방정식을 이산화하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 저장된 범람 모의 프로그램.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 모의 수행 설정정보를 입력받는 과정은, 하상지형경사 조건정보를 상기 모의 대상지역 관련정보로서 추가 입력받으며,
    상기 침수모의를 수행하는 과정은, 상기 HLLC Riemann 근사해법을 이용한 흐름해석 시 상기 하상지형경사 조건정보를 고려하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 저장된 범람 모의 프로그램.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 침수모의를 수행하는 과정은,
    상기 HLLC Riemann 근사해법을 이용한 흐름해석 시 상기 하상지형경사 조건정보에 근거하여 기 정의된 불규칙한 하상지형에 대해서는 상기 흐름률 산출을 위한 격자 셀 간격을 적응적으로 조정하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 저장된 범람 모의 프로그램.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 모의 수행 설정정보를 입력받는 과정은, 상기 흐름률의 계산시간 간격 구성과 관련하여 수심 정보에 근간한 제약 조건을 상기 모의 대상지역 관련정보로서 추가 입력받으며,
    상기 침수모의를 수행하는 과정은, 상기 제약 조건을 만족하는 범위에서 상기 계산시간 간격을 적응적으로 조정하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 저장된 범람 모의 프로그램.
  9. 모의 대상지역에 대한 지형정보, 경계조건을 위한 관측입력정보 및 상기 모의 대상지역 토지별 조도계수정보를 포함하는 상기 모의 대상지역 관련정보를 입력받는 대상지역 정보 수집부;
    총 모의 시간 및 모의 시간 간격정보를 포함하는 모의 수행 설정정보를 입력받는 설정정보 수집부; 및
    상기 모의 대상지역 관련정보 및 상기 모의 수행 설정정보를 기반으로, 상기 모의 대상지역에 상응하는 계산영역 내 공간 격자망을 구성하고 상기 계산영역을 구성하는 검사체적 또는 요소 경계를 통한 흐름률을 유한체적법에 근간하여 산출하여 해일 내습에 따른 상기 모의 대상지역 내 침수모의를 수행하는 제어부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 범람 모의장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 흐름률을 산출하는 과정에서 HLLC Riemann 근사해법을 이용하여 지배방정식을 이산화하며, 상기 HLLC Riemann 근사해법을 이용한 흐름해석 시 하상지형경사 조건정보에 따라 기 정의된 불규칙한 하상지형에 대해서는 상기 흐름률 산출을 위한 격자 셀 간격을 적응적으로 조정하는 것을 특징으로 하는 범람 모의장치.
KR1020180078794A 2018-07-06 2018-07-06 해안도시지역 내 범람 모의방법 및 그를 위한 컴퓨터 프로그램 KR20200005271A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180078794A KR20200005271A (ko) 2018-07-06 2018-07-06 해안도시지역 내 범람 모의방법 및 그를 위한 컴퓨터 프로그램

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180078794A KR20200005271A (ko) 2018-07-06 2018-07-06 해안도시지역 내 범람 모의방법 및 그를 위한 컴퓨터 프로그램

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20200005271A true KR20200005271A (ko) 2020-01-15

Family

ID=69156915

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180078794A KR20200005271A (ko) 2018-07-06 2018-07-06 해안도시지역 내 범람 모의방법 및 그를 위한 컴퓨터 프로그램

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20200005271A (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112650792A (zh) * 2020-12-30 2021-04-13 陕西师范大学 城市水流模拟中要素水流流量自动识别与存储方法及系统
CN116777135B (zh) * 2023-05-12 2023-11-14 大连海事大学 一种基于高效优化算法的水库-蓄滞洪区精细化防洪联合调度方法
CN117150823A (zh) * 2023-10-31 2023-12-01 中国海洋大学 一种滨海城市洪水灾害的高分辨率快速模拟方法

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112650792A (zh) * 2020-12-30 2021-04-13 陕西师范大学 城市水流模拟中要素水流流量自动识别与存储方法及系统
CN112650792B (zh) * 2020-12-30 2023-02-28 陕西师范大学 城市水流模拟中要素水流流量自动识别与存储方法及系统
CN116777135B (zh) * 2023-05-12 2023-11-14 大连海事大学 一种基于高效优化算法的水库-蓄滞洪区精细化防洪联合调度方法
CN117150823A (zh) * 2023-10-31 2023-12-01 中国海洋大学 一种滨海城市洪水灾害的高分辨率快速模拟方法
CN117150823B (zh) * 2023-10-31 2024-02-02 中国海洋大学 一种滨海城市洪水灾害的高分辨率快速模拟方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yin et al. Coupled modeling of storm surge and coastal inundation: A case study in N ew Y ork C ity during H urricane S andy
Kuiry et al. Coupled 1D–Quasi-2D flood inundation model with unstructured grids
KR101942058B1 (ko) 전산유체역학과 해양특성을 이용한 해수면 상승 침수 시뮬레이션 방법
Bilskie et al. Topographic accuracy assessment of bare earth lidar-derived unstructured meshes
Sahin et al. Coastal vulnerability to sea-level rise: a spatial–temporal assessment framework
KR20200005271A (ko) 해안도시지역 내 범람 모의방법 및 그를 위한 컴퓨터 프로그램
Patel et al. Floodplain delineation using HECRAS model—a case study of Surat city
Comer et al. Development of high-resolution multi-scale modelling system for simulation of coastal-fluvial urban flooding
CN115935732A (zh) 一种复杂感潮河网的多源复合灾害淹没风险的模拟方法
Wang et al. The nonlinear response of storm surge to sea-level rise: a modeling approach
Sridharan et al. Local-inertial shallow water model on unstructured triangular grids
Yang et al. The impact of coastal reclamation on tidal and storm surge level in Sanmen Bay, China
Sridharan et al. Explicit expression of weighting factor for improved estimation of numerical flux in Local Inertial models
Ahmad et al. Comparison of one-dimensional and two-dimensional hydrodynamic modeling approaches for Red river basin
Tanaka et al. DEM-based river cross-section extraction and 1-D streamflow simulation for eco-hydrological modeling: a case study in upstream Hiikawa River, Japan
Hou et al. Automatic Extraction of Drainage Networks from DEMs Base on Heuristic Search.
Favaretto et al. A model of coastal flooding using linearized bottom friction and its application to a case study in Caorle, Venice, Italy
KR102564218B1 (ko) 드론 영상과 인공지능을 이용한 침수 범람 예측 시스템
Pln et al. Future projections of storm surges and associated coastal inundation along the east coast of India
Chubarenko et al. Variability of the coastal currents, waves and wind surge along the shore of the South-Eastern Baltic (Kaliningrad Oblast, Russian Federation)
Lončar et al. Numerical modelling of the morphodynamics of the Ploče Gravel Beach in Rijeka
Messaros et al. Assessing the coastal resilience of manasquan inlet to Sea Bright, New Jersey: Regional sediment budget 1992–2003
Karagül et al. Estimation of peak runoff and frequency in an ungauged stream of a forested watershed for flood hazard mapping
Zhang et al. Numerical analysis of the potential effect of wetlands on reducing tidal currents in the Liao River Estuary, China
Hong et al. Towards efficient coastal flood modeling: A comparative assessment of bathtub, extended hydrodynamic, and total water level approaches

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application