Journal of the Korean Society of Safety, Vol. 30, No. 6, pp. 78-84, December 2015 Copyright@2015 by The Korean Society of Safety (pissn 1738-3803, eissn 2383-9953) All right reserved. http://dx.doi.org/10.14346/jkosos.2015.30.6.78 지하공간침수해석을위한 2 차원흐름모형의적용성검토 곽성현 이경수 이동섭 * 류시완 창원대학교토목공학과 * 한국건설기술연구원수자원 하천연구소 (2015. 11. 5. 접수 / 2015. 12. 3. 수정 / 2015. 12. 8. 채택 ) A Study on Application of 2-Dimensional Flow Models to Inundation on Underground Space System Sunghyun Kwak Kyungsu Lee Dong Sop Rhee * Siwan Lyu Department of Civil Engineering, Changwon National University * Hydro Science and Engineering Research Institute, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology (Received November 5, 2015 / Revised December 3, 2015 / Accepted December 8, 2015) Abstract : In order to increase the utilization of limited space in urban area, it can be a good solution to make use of underground space. For the last few decades, underground space systems, such as underground passages, subway stations, and underground shopping arcades, have been constructed in many cities all over the country. Despite of the advantages on the utilization of space in urban area, underground space systems have always been exposed to the risk of inundations resulted from severe rain storms. In this study, it has been examined to apply 2-D flow models (TUFLOW and FLUMEN) to establishing the preventive measures to the risk of flood. For the part with relatively complex configuration, such as a corridor junction, 2-D flow models present the detailed information about the effect of geometry on the inundation events and the temporal and spatial distribution of inundation over the space. From the result, it can be concluded that the 2-D flow model can be the effective implement for establishing the proper measure to the inundation on underground space systems, which generally have relatively long and narrow geometry with complex inner configuration. Key Words : underground space system, inundation, 2-D flow model, TUFLOW, FLUMEN 1. 서론 최근지구온난화및각종환경의변화로국내의강우패턴의변화가몇년간꾸준히이어져오고있다. 이로인해매년우기에찾아오는국지성집중호우및태풍으로인해도시및비도시지역구분없이다양한형태로피해가발생하고있다. 그중인구가집중된도심지역에서는불투수면적의증가로침수피해의규모가날로증가하고있으며, 이러한침수피해는동일지역이라할지라도지상보다는배수조건이불리한지하공간에서더욱큰피해를야기하게된다. 지하공간에서의침수피해는다양한경로로발생하며, 그중지표수의포화및범람으로인한발생이대표적이며그피해규모도가장크게나타난다. 이러한침수피해를줄이기위해서는지표수의빠른배출이필 요하며, 이를위해서는 1 하천준설을통한하천용량증대, 2 지하저류조설치, 3 도쿄대심도터널과같은도시저류시설설치등의방안을도입할수있다. 도쿄대심도터널의경우지름 13.5 m 의대규모도심지지하저류시설로 80 년대들어시가지 96% 이상이불투수화되어폭우시하천범람으로인한피해를저감하기위해서건설되었으며, 건설전인 1993 년시간당최대 47 mm 의강우발생시주택 3,117 채 ( 약 85 ha ) 가침수됐지만 1 단계공사가끝난뒤 2004 년시간당최대 57 mm 의강우에도주택 46 채 ( 약 4 ha ) 만침수되어피해가확연히줄었으며 1) 그효과는현재도진행중이다. 이러한사례를참고로현재우리나라에서도도시하천의준설및도시저류지계획이추진중이다. 그러나아직까지우리나라에는도쿄대심도터널과같은도시저류지운영사례가없는상황이며, 그에반해불투수면적은 Corresponding Author : Siwan Lyu, Tel : +82-55-213-3776, E-mail : siwan@changwon.ac.kr Department of Civil Engineering, Changwon National University, 20, Changwon Daehak-ro, Euichang-gu, Changwon, Gyeongnam 51140, Korea 78
지하공간침수해석을위한 2 차원흐름모형의적용성검토 포화상태에이르러침수피해가반복 확산되고있다. 또한, 침수피해는그특성상동일지역에서반복적으로발생하는경향이있으며, 피해지역주민들은태풍또는집중호우발생시침수피해와복구를반복되는악순환에고통받고있다. 그럼에도불구하고, 인구집중에따른토지의고도이용이불가피한실정이며이에따른복잡한지하공간이다수개발되어여러용도로활용되고있다. 그러나지하공간은다양한공간활용성을제공하지만방재측면에서비상상황발생시지상보다불리한조건을안고있어, 이에대한조건을고려한공간설계가필수적인요소로자리잡고있다 2). 지금까지수행된지하공간에대한침수원인및대책연구로는우리나라지하공간내수침수피해원인및대책 3), 지하공간침수해석모형과연계한도시침수해석통합모형 4), 지하공간의침수방지대책에관한연구 5) 등이있다. 한편소방방재청에서고시한 지하공간침수방지를위한수방기준 6) 이있으나개략적인내용일뿐지하공간침수에대한전반적인대책마련은되어있지않다 7). 또한, 지금까지지하공간의침수해석에주로적용되어온지표면에서의수문학적현상에근거한해석으로는복잡한배치를가지는지하공간내에서의침수양상을제대로파악하기에는한계가있다. 지하공간의침수해석은지하공간의규모, 형상, 그리고배출시스템구성에따라적절한모의기법을선정해야한다. 특히지하공간에서의수체흐름은중력흐름과압력흐름이공존하며침수수위가높아지면수직방향의흐름도발생하는매우복잡한수리학적특성을보이고있어 1 차원수리해석으로는정확한결과를기대하기어렵다. 한편지하공간내의복잡한흐름양상을모의하기위하여 3 차원모형적용이가능하다. 그러나지표면으로부터유입된수체의지하공간내부에서의확산및전파양상은깊이방향이평면방향에비해상대적으로규모가작은 2 차원적특성이지배적인흐름이므로, 계단이나출입구등의복잡한기하학적형상을가지는부분이나압력흐름과중력흐름이혼재하는일부구역을제외한지하공간전반에대한침수양상모의를위해서는 2 차원모형이더효과적이다. 본연구에서는기존의지표중심의수문학적해석을바탕으로하는지하공간설계의한계를극복할수있도록지하공간에서의침수해석및대책수립에대한 2 차원흐름모형을이용한수리해석의적용성을검토하고자한다. 지하공간에서의침수양상모의를위해서는기본적으로상류 (tranquil flow) 와사류 (rapid flow) 모의와마름 / 젖음에대한모의가가능해야하며, 본연구에서는이러한조건을만족하는모형으로 Windows 계열 의 TUFLOW 와 Linux 계열의 FLUMEN 을대상모형으로선정하였다. 2.1 TUFLOW 2. 이론적배경 TUFLOW 는유한차분법을이용한 2 차원모형으로독립모형이아닌 XP-SWMM 모형의내부 2 차원모형으로구성되며사류, 웨어, 교량, 암거등을모두고려할수있어유역침수해석에널리활용되고있다. TUFLOW 모형에서는수평면에서 2 차원천수방정식을 X 및 Y 방향의연속방정식과운동량방정식의편미분에의해다음과같이표현된다. (1) 여기서, ζ= 수면높이 (Elevation), u, v= 수심평균된 X, Y 방향유속인자, H= 수심, t= 시간, x, y= X, Y 방향으로의거리, c f = 코리올리계수 (Coriolis force coefficient), n= 매닝계수, f 1 = 에너지손실계수, μ= 수평방향운동량확산계수, p= 대기압, ρ= 물의밀도, F x, F y = X, Y 방향으로의각종외력의합 ( 예, 바람 ). 2.2 FLUMEN 하도의침수범람해석및도심지침수해석모형으로실무에서널리사용되고있는 FLUMEN 은홍수범람에의한충격파를모의하기에적합한 Roe 의 FDS(Flux Difference Scheme) 8) 를사용하고있으며, 이는수치해의진동을크게완화한다. FDS 는원래 Euler 방정식에적용되었으며쌍곡선형천수방정식에도적용이가능하다 9). 특히, 충격파나점성이있는흐름의계산에서기존의방법들과비교하여뛰어난모의결과를제공하는것으로알려져있다 10). (2) (3) 한국안전학회지, 제 30 권제 6 호, 2015 년 79
곽성현 이경수 이동섭 류시완 FLUMEN 은수심적분된천수방정식을해석하는프로그램으로써, 방정식의보존형태는다음과같다. (4) 여기서 x 와 y 는수평방향, t 는시간, U=(h, p, q) T, h 는수심, p 와 q 는각각 x, y 방향의단위폭당유량이며 x, y 방향의플럭스벡터및소스벡터는다음과같다. 여기서 g 는중력가속도, ρ 는유체의밀도, z b 는하상고, τ b 는바닥전단응력이다. 이방정식은레이놀즈방정식에정수압분포를가정함으로써얻을수있다. 지배방정식이보존형으로구성되어있기때문에, 도수현상과같이흐름이불연속적으로변화하는흐름에도적용가능하다. 3. 수치해석모형의구성 도심지지하공간은규모를기준으로구분하였을때 1 지하상가, 2 대규모지하주차장, 3 각종건물의지하층등으로크게나눌수있다. 그중가장규모가큰지하상가의경우도로의선형에따라상가내각종매장및지하상가출입구들이나열되며상가규모에따라각종편의시설및조경시설의배치로인해점점복잡 다양해지는경향을띠고있다. 본연구에서는경상남도창원시에위치하는지하상가 (Fig. 1) 를대상으로 Fig. 2 에제시된바와같이모형 (5) Fig. 2. Schematic view of study area. 을구축하고침수를대비한배수구 2 개소의위치및운영상황에따른침수심분석을수치해석을통해수행하였다. 침수를대비한배수구는각각 O1, O2 로표시하였다 (Fig. 2). 실제모의대상에는 Fig. 1 과같이강우발생시계단으로유입되는빗물이지하상가내부로유입되는것을방지하기위해출입구에배수구가설치되어있다. 또한매장마다인테리어를다르게하여매장입구를오픈상태로유지한곳이있는반면유리벽과같은가벽을설치하여공간을활용한매장들도있다. 이러한가벽설치는침수발생시매장면적만큼침수면적의축소효과를가져와침수높이의증대를야기한다. 따라서본연구에서는상가출입구에위치한배수구의기능상실및모든매장입구에가벽이설치되어있다고가정한, 악조건발생시지하공간에서의침수심분석을수행하였다. 모의조건은총 4 가지로 14 개의출입구에서각각 0.02 m3 /s 의유량이일정하게 30 분동안유입한다고가정하고 1 분간격으로대상구간에서침수심을파악하였으며, 각모의케이스에대한모의조건은 Table 1 에제시된바와같다. 또한침수발생시배출시스템운영조건에따른영향을판단하기위해특정수위측정지점을두어침수심변화를살펴보았다 (Fig. 2). 3.1 수치해석모형별구성 지하공간 2 차원침수심해석을위해모형별로격자 Table 1. Summary of simulation cases Fig. 1. Study site (Hapseong underground arcade, Changwon). CASE Flow condition Outlet condition C1 none C2 0.02 m 3 /s/inlet 14 inlets O1 C3 Total : 0.28 m 3/s O2 C4 O1, O2 80 Journal of the KOSOS, Vol. 30, No. 6, 2015
지하공간침수해석을위한 2 차원흐름모형의적용성검토 (a) TUFLOW (a) FLUMEN Fig. 3. 2-D grid formations for computational domain. Table 2. Summary of grid configurations Fig. 6. Simulated results from TUFLOW (Case3). 구분 TUFLOW FLUMEN Type quadratic triangular Size ( mm ) 200 200~500 Number of grid cells Total : 208,250 Active area : 116,612 Inactive area : 91,638 46,496 를구성하였으며, 구성된격자는다음 Fig. 3 및 Table 2 에정리하였다. TUFLOW 는모형의특성상대상영역전체에대한격자를구성한후실제대상영역에해당하는격자만활성화시키는방식으로모의가된다. 따라서생성된격자중 Fig. 3(a) 와같이모의영역경계를기준으로침수심해석을수행하는영역은 Active Area 로, 그렇지않은영역은 Inactive Area 로구분된다. Fig. 7. Simulated results from TUFLOW (Case4). Inflectionc Inflection 4. 수치해석결과분석 4.1 TUFLOW 모의결과 TUFLOW 를사용한침수심해석결과는 Fig. 4~7 에도시된바와같다. Fig. 8. Simulated results of inundation depth change (TUFLOW). 각케이스별측정지점에대한분석결과, 배출구에의한영향은전체 4 개소의측정지점에서유체유입 30 분이후침수심이약 115 mm 정도로나타났으며, 30 분이후로도계속증가하는추세를보였다 (Fig. 8). Fig. 4. Simulated Results from TUFLOW (Case1). 4.2 FLUMEN 모의결과 FLUMEN 을이용한침수심해석결과는 Fig. 9~12 에도시된바와같다. 각케이스별측정지점에대한분석결과배출구에의한영향은전체 4 개소의측정지점에서유체유입 30 분이후침수심이약 113 mm 정도로나타났으며, 30 분이후로도계속증가하는추세를보였다 (Fig. 13). Fig. 5. Simulated results from TUFLOW (Case2). 한국안전학회지, 제 30 권제 6 호, 2015 년 81
곽성현 이경수 이동섭 류시완 5. 모의결과분석 Fig. 9. Simulated results from FLUMEN (Case1). Fig. 10. Simulated results from FLUMEN (Case2). Fig. 11. Simulated results from FLUMEN (Case3). 수치해석모형을대상구간에적용할경우실측값에의한검 보정이필요하나, 침수상황에대한실측값이거의존재하지않는실정이다. 따라서본연구에서는적용된두모형내부의각종매개변수들을동일하게설정하여상호간의비교를통해모형의적용성을살펴보았으며, 실제지하공간에대한수리학적비교 분석을실시하여다음과같은결과를도출하였다. 1 침수시작시점은두모형간에 1~2 분가량미미한차이를보이고있으며, 케이스별차이는없는것으로나타났다. 침수시점의차이는두모형간격자의차이및마름 / 젖음인식에따른차이에기인한것으로판단된다. 또한두모형모두모든케이스에서침수시점이유사하게모의되었는데, 이는수심측점 (P1~P4) 에유체가먼저도달한후배수구로유입되기때문으로판단된다 (Table 3). 2 2 차원수리해석결과, 배출구의위치와개수에따른측정지점별수심은 105~115 mm 로모의되어침수심차이는미미하고양상또한유사하게모의되는것을통해, 적절한침수심모의가이루어졌다고판단된다 (Fig. 14). 또한, 이러한결과를바탕으로사용자의편의에따라두모형중어떤것을사용하여도무방할것 Table 3. Comparison of simulated onsets and their depths Fig. 12. Simulated results from FLUMEN (Case4). Onset time/depth (min)/(mm) TUFLOW FLUMEN P1 P2 P3 P4 P1 P2 P3 P4 CASE1 4/12 2/14 5/12 2/2 6/28 3/22 6/22 3/28 CASE2 4/12 2/14 5/12 2/2 6/28 3/22 6/22 3/28 CASE3 4/12 2/14 5/12 2/2 6/28 3/22 6/22 3/28 CASE4 4/12 2/14 5/12 2/2 6/28 3/22 6/22 3/28 Inflection Inflection Fig. 13. Simulated results of inundation depth change (FLUMEN). Fig. 14. Comparison of simulated results from TUFLOW and FLUMEN (CASE 1). 82 Journal of the KOSOS, Vol. 30, No. 6, 2015
지하공간침수해석을위한 2 차원흐름모형의적용성검토 으로판단된다. 3 두모형모두에서배수구의위치및운영에따른침수저감효과는미미한것으로나타났다 (Fig. 8 과 Fig. 13). 이는배수용량및위치와같은배수시스템과관련한변수들이매우제한적으로설정됨에따른결과로판단된다. 4 Fig. 8 과 Fig. 13 에도시된시간경과에따른침수심변화모의결과에서적용모형의종류에관계없이 P1 과 P2 에서는특정시각에서침수심증가율의변화 ( 변곡점 ) 가나타나는것을관찰할수있다. 이는지하상가내부의복잡한공간구성및구획특성에따른유입수의침수전파특성에기인하는것으로판단된다. P1 의경우, Gate1~2, Gate11~12 에서유입된유체가 SA1 구역침수에영향을미치게되며 Gate13~14 로유입된유체는상대적으로넓은주차장 (PA 구역 ) 을먼저침수시킨후 SA1 구역으로유입되게된다. 즉유입수가 PA 구역전체를완전히침수시킨 SA1 구역으로유입됨에따라침수심증가율변화가발생하는것으로판단된다. P2 의경우에는 Gate3~4, Gate9~10 으로유입된유체가먼저 SA2 구역을침수시키며, 이후 P1 과같은양상으로침수심증가율의변화가발생하게된다. 또한 P2 이 P1 보다 PA 구역으로부터더멀리떨어져있기에주차장을침수시킨이후의유입수가 P2 까지도달하는데더긴시간이소요되며, Gate1~2, Gate11~12 로유입되는유체또한 SA1 구역을지나고난후 SA2 구역으로전파되기때문에변곡점발생이 P1 에비해늦어지는것으로판단된다. 6. 결론 2 차원흐름모형을이용한지하공간에대한침수양상을모의한결과, 일반적으로폭에비해좁고긴형상을가지며복잡한내부공간배치및구획특성을가지는지하공간내부에서의침수양상과시 공간적침수전파양상을파악할수있었다. 이를통해지표수유입에의한복잡한지하공간에서의침수양상을파악하고, 그에따른적절한지하공간배치및구획설계와대피및방재계획수립을위해서 2 차원흐름모형이적용될수있음을확인할수있었다. 한편, 본연구결과를통해기존및향후건설될지하공간에대한수치모형적용을위해서는다음과같은사항에대한고려가필요한것으로사료된다. 1 지하공간설계시발생가능한극한상황고려 2 기존및향후설계될지하공간의배수시스템성능및규모에대한분석및효과검토 3 극한상황발생시대피계획등의구체적방재대책수립에필요한지하공간내시 공간적침수전파양상분석을위한 2 차원혹은 3 차원모의결과의정량적활용방안도출한편, 본연구에서는 2 차원모형의지하공간침수양상모의에대한적용성을검토하면서배수시스템의성능과규모를극히제한적인상황으로가정하고모의를수행하였으므로, 향후실제지하공간및해당공간의배수시스템현황에기반한수문학적분석을포함한유입시나리오를적용함으로써보다현실적이고구체적인연구가가능할것으로기대된다. 감사의글 : 이연구는한국건설기술연구원주요사업도심지홍수예방 (Smart Flood Management) 연구개발의연구비지원에의해수행되었습니다. References 1) J. H. Lee, Tokyo Experience - Virtuous and Vicious Circle of Urban Area, Ecoview, 2011. 2) J. S. Choi, A Study on Guideline for Safetydesign of Underground Multicomplex -Focused on the Egress Induction-, Dept. of Public Design The Graduate School of Design, Konkuk University, 2011. 3) J. W. Cho and W. J. Choi, Cause and Countermeasure of Inundation Damage in Underground Space, Conference of Korea Water Resources Association, pp. 420, 2011. 4) C. H. Lee and K. Y. Han, Integration Model for Urban Flood Inundation Linked with Underground Space Flood Analysis Model, Journal of Korea Water Resources Association, Vol. 40, No. 4, pp.313-324, 2007. 5) S. J. Ahn, B. H. Seo, G. W. Choi and K. H. Park, The Research on Scheme to Prevent Inundation at the Underground Space, Conference of Korea Water Resources Association, pp.883-887, 2004. 6) National Emergency Management Agency, Guideline of Flooding Prevention on Underground Space, National Emergency Management Agency Notification No. 2012-147, 2012. 7) D. S. Shin, J. B. Park, T. S. Shin and D. J. Jo, Preventive Measures Assessment to Prevent Flooding Complex Underground Space through Hydraulic Model Experiment, Korean Society of Hazard Mitigation Paper, p.59-65, 2012. 8) P. L. Roe, Approximate Riemann Solver, Parameter, Vectors and Difference Schemes, Journal of Computational 한국안전학회지, 제 30 권제 6 호, 2015 년 83
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