• 한국지리정보학회지
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• 제12권3호
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• pp.88-100
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• 2009

본 연구에서는 GIS와 연계한 2차원 확산파 침수해석 모형을 개발하여 2002년 8월 집중호우로 인하여 침수피해가 발생했던 낙동강의 지류인 화포천유역에 대하여 하천제방의 월류 및 붕괴에 따른 침수해석을 실시하였다. 당시의 침수흔적도 및 FLUMEN 모형의 침수해석 결과와 시간별 침수심 및 최대 침수면적의 비교를 통해 모형의 적용성을 평가해 보았다. 침수흔적도와의 비교를 통해 침수면적에 대한 적합도를 분석한 결과 88.61%의 적합도를 갖는 것으로 확인되었으며, FLUMEN 모형과의 비교를 통하여 최대 침수면적 및 침수지역의 공간적 분포가 상당부분 일치하는 것으로 확인되었다. 따라서 2차원 확산파 침수해석 모형의 적용으로 계산된 시간별 침수구역 및 최대 침수면적 등은 홍수에 대비한 위험지역의 파악 및 재난저감 대책을 수립하기 위한 판단자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2010년도 학술발표회
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• pp.739-743
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• 2010

본 연구에서는 확산파 기반의 2차원 침수해석 모형을 이용하여 울산광역시 태화강 유역에 대하여 침수시 건물 안으로의 흐름은 없다는 가정 하에서 건물로 인한 흐름의 양상, 침수심, 침수위등을 분석하였다. 지형자료는 최근 대도시를 중심으로 구축되고 있는 1m 간격으로 수집된 LiDAR 자료를 바탕으로 10m간격의 정형격자를 통하여 지형자료를 생성하였으며, 수치지도로부터 추출된 건물을 ArcView 등의 GIS Tool을 활용하여 LiDAR 자료와 합성하여 2차원 침수해석에 적용되는 지형자료를 구성하였다. 200년 빈도의 확률강우에 대한 유출해석 결과를 이용하여 FLDWAV 모형을 적용한 태화강에 대한 1차원 하천해석을 실시하였고, 제방파제에 대한 가상의 시나리오를 생성하여 파제에 따른 외수범람에 대한 2차원 침수해석을 실시하였으며, 침수해석 결과를 각 시간별로 가시화함으로써 효율적이며 정확한 침수해석 방법을 제안하고자 하였다. 침수해석 결과에 대한 분석을 통하여 침수면적에 따른 적합도가 건물의 영향을 고려한 경우와 그렇지 않은 경우를 비교한 결과 90%이하로 떨어지는 것을 확인하였고, 침수심과 침수위에 대한 분석을 통하여 침수심은 건물 영향 고려시 낮게 산정되나 침수위로 고려시 높은 수위 값을 나타내는 것을 확인하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2017년도 학술발표회
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• pp.296-296
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• 2017

본 연구에서는 대규모 유역에서 발생하는 침수 현상을 모의하기 위한 강력하고 정확하며 연산효율이 뛰어난 수치해석 모형을 개발하는 데 있다. 개발된 모형은 확산파 모형을 기본으로 하였고 다수의 코어를 동시적으로 해석하는 병렬연산 기법을 부가하였다. 홍수로 인한 대규모 유역에서의 침수해석은 오랜 시간의 연산 비용을 필요로 한다. 특히 수치화된 지형정보의 이용이나 고정밀 사진 측량 등의 방법을 이용하여 정밀하고 넓은 유역의 디지털 지형자료를 이용한 2 차원 침수해석은 연산 연산의 문제를 더욱 어렵게 할 수 있다. 그러므로 본 연구에서는 제내지나 하류 유역에 발생하는 홍수로 발생된 빠른 침수모의를 위해 병렬화된 침수 해석 모형을 이용하여 병렬 해석 모형의 적용성을 검토하고자 하였다. 연구를 위해 MPI 및 OpenMP 기법을 이용하여 2 차원 침수해석 프로그램의 원시코드를 개선하고 실제 제내지 및 실제 댐 하류유역에 적용하였다. 개발된 모형은 실제 제내지에 적용한 결과를 MPI, OpenMP 병렬해석 기법과 기존의 순차적 모형의 결과를 비교하였다. 모형들의 결과를 제내지의 침수양상, 침수 속도벡터의 방향 및 크기 등의 계산 결과 순차적 모형, MPI 및 OpenMP 모형과의 비교하여 연산 시간은 병렬 해석 모형이 우월함을 보였다.

• 한국지리정보학회지
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• 제13권2호
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• pp.119-132
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• 2010

본 연구에서는 울산광역시 태화강 유역에 대하여 건물영향을 고려한 2차원 침수해석을 실시하여 건물영향에 따른 흐름의 양상, 침수심, 침수위 등을 분석하였다. 지형자료는 최근 대도시를 중심으로 구축되고 있는 1m 간격으로 수집된 LiDAR 자료를 바탕으로 10m 간격의 자료를 추출하여 지형자료를 생성하였으며, 수치지형도로부터 추출된 건물자료를 GIS Tool을 활용하여 구축된 지형자료와 합성하여 2차원 침수해석에 적용되는 지형자료를 구성하였다. 파제에 대한 가상의 시나리오를 생성하여 건물영향을 고려한 2차원 침수해석을 실시하였으며, 침수해석 결과에 대한 분석을 통하여 효율적이고 정확한 침수해석 방법을 제안하고자 하였다. 침수면적에 따른 적합도는 건물영향을 고려한 경우와 고려하지 않은 경우를 비교한 결과 90%이하로 떨어지는 것을 확인하였고, 최대 침수심은 건물영향을 고려하지 않은 경우가 건물영향을 고려한 침수해석 결과보다 0.29m 높게 계산되는 것으로 나타났으며, 침수위의 경우 침수심과는 반대로 건물영향을 고려한 경우의 침수해석 결과가 0.49m 높게 나타나는 것으로 분석되었다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2016년도 학술발표회
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• pp.74-74
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• 2016

복잡한 지형에서 컴퓨터를 이용한 물리적 기반 수치모의는 합리적인 시간내에 연산을 완료하기 위해 대개 큰 연산장비 들을 요구한다. 더욱이 모의되는 현상이 시간단계마다 갱신되어지는 동역학적 현상에 기반된 비정상상태일 때 연산성능은 고려되어지는 가장 중요한 주제가 될 수 있다. 연산 시간을 줄이기 위한 가장 널리 이용되는 전략중의 하나는 적절한 수의 프로세서를 이용하는 병렬 기법이다. 최근 들어 연산속도를 가속화하기 위해 다수의 코어를 이용한 OpenMP 와 MPI 기법들이 병렬해석기법으로 대두되었고 그래픽 연산장치를 이용한 병렬처리 해석기법도 소개되고 있다. 본 연구에서는 중앙연산장치를 이용한 병렬 해석기법을 이용하여 제내지 침수해석의 적용성을 검토하고 그 결과을 비교하였다. 본 연구를 위해 OpenMP 병렬기법을 이용하여 확산파 침수해석 프로그램의 원시코드를 재작성하여 가상 및 실제 유역에 적용하였다. 해석결과는 분산메모리 병렬해석 기법인 MPI를 도입한 모형의 결과와 비교되었다. OpenMP를 도입한 모형과 MPI를 도입한 경우 유량 및 수심의 경우 오차 허용 한계내에 수렴되어 만족되었으나 그러나 연산 속도의 경우 두 기법간의 자료의 저장 방법 차이로 인해 차이를 나타내었다. 가상 유역에 적용된 결과로 검토된 각 기법의 증속(speedup) 효과는 MPI의 경우 4 코어를 이용하였을 때 최고 2.62 배 정도에 도달하는 것으로 나타났다. OpenMP 를 적용한 경우 2.87 배 정도로 나타나 OpenMP 를 이용하였을 때 증속효과가 조금 더 뛰어났다. 이는 두 기법의 메모리 저장방식의 차이로 인해 자료의 전송량과 전송 시간이 적은 OpenMP 를 도입한 모형에서 MPI 모형 보다 상대적으로 뛰어난 결과를 나타내었다. 실제 유역의 적용을 위해 상대적으로 우수한 증속결과를 나타낸 OpenMP를 도입한 모형을 Malpasset 댐 붕괴 유역에 적용하였다. 적용된 요소의 수는 각각 45254, 11352 개로 비교적 많은 요소를 가진 하류지역에 적용하여 병렬효과를 극대화하고자 하였다. 적용결과 두 경우 모두 병렬 해석 기법을 도입한 모형에서 유속과 침수심 등은 순차적 모형과 동일한 값을 나타내었으나 증속효과로 인한 연산시간은 순차적 모형에서 8.57 배로 나타나 병렬 모형의 상대적으로 빠른 연산속도를 판단할 있었다. 위의 적용결과를 통해 계산 요소들이 많은 2 차원 해석의 경우 기존의 단일 코어를 이용한 순차적 해석은 장시간에 걸치 연산시간으로 인해 작업효율이 낮아지는 결과를 발생시킬 수 있으며 병렬 해석을 도입할 경우 주어진 컴퓨터 자원를 효율적으로 이용가능하여 합리적인 연산시간으로 연산결과를 얻는 것이 가능하여 반복적 통계 기법/Ensemble 해석 등을 이용한 종합적 해석이 좀 더 실용적으로 이루어 질 수 있을 것이라고 판단되었다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제47권11호
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• pp.1051-1060
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• 2014

본 연구에서는 분산 메모리환경 병렬프로그래밍 모델의 표준인 MPI (Message Passing Interface) 기법과 침수해석 모형인 DHM(Diffusion Hydrodynamic Model) 모형을 연계하여 침수모형을 병렬화하고 기존의 기법으로 복잡하고 장시간의 계산시간을 요구하였던 계산에 대해 향상된 계산 성능을 구현하고자 하였다. 개발된 모형을 다양한 침수 시나리오를 바탕으로 가상유역과 실제유역에 대하여 코어 개수별로 모의함으로써 제내지 침수에 따른 침수범위 및 침수위의 추정, 및 계산시간 단축 효과를 입증 하고 병렬기법에 대한 홍수해석 분야의 적용성을 입증하고자 하였다. 본 연구에서 개발된 모형의 검증을 위하여 2차원 가상 제내지 및 실제 침수 사례에 대하여 적용하였고, 적용결과 동일한 정확도를 기준으로 계산시간 면에서 단일 코어와 비교하여 멀티코어를 사용한 경우 약 41~48%의 개선효과가 나타나는 것을 확인하였다. 본 연구에서 개발된 병렬해석 기법을 이용한 침수해석 모형은 멀티코어를 적용하여 짧은 계산시간으로 침수심, 침수구역, 홍수파 전달속도 등이 계산 가능하여, 실제 홍수 발생 시 침수지역에서의 신속한 예측 및 대처, 홍수위험지도 구축 등에 유용하게 이용될 수 있을 것으로 기대된다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제57권3호
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• pp.165-179
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• 2024

도시 지역의 홍수 위험을 완화하고 지속 가능한 수자원을 관리하기 위해서는 도시 홍수와 물순환의 연계 해석이 필수적이다. 본 연구는 간단한 전환 규칙을 통해 침수의 시공간적 변화를 모의하는 셀룰러 오토마타 기법을 이용하여 고해상도 도시침수 및 물순환 해석 모형 CAW (Cellular Automata-based integrated Water cycle model)를 개발하고, 그 적용성을 평가하였다. 개발된 모형을 미국 포틀랜드 도심지 유역에 적용하고, 물리 기반 모형 및 기존 셀룰러 오토마타 기반 모형의 침수 해석 결과와 비교하여 도시침수 재현의 적절성을 평가하였다. 연구 결과, 침수 검증 대상 지점에 대한 CAW 모형의 최대 침수심 분포는 확산파 방정식을 모사하는 WCA2D (Weighted Cellular Automata 2 Dimension) 모형과 평균오차 값이 1.3 cm로 유사하게 모의되었고, 이진 패턴 유사도 검증에서 HR 0.91, FAR 0.02, CSI 0.90으로 비교적 높은 유사성을 나타내며 모형의 침수 해석 적용성을 검증하였다. 또한, 토지피복 및 토양 조건이 침수, 침투에 미치는 영향을 시험 평가한 결과, 불투수율이 41% 더 높은 지역에서의 침투와 최대 침수심이 각각 54%(4.16 mm/m²) 감소 및 10%(2.19 mm/m²) 증가하였다. CAW 모형을 이용하여 도시 유역의 다양한 토지피복 및 토양 특성을 고려한 고해상도 물순환 및 도시침수 연계 모의 해석이 가능할 것으로 기대된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2019년도 학술발표회
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• pp.254-254
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• 2019

최근 가속화되는 온난화와 이상기후 현상으로 인하여 전 세계적으로 홍수 및 가뭄의 발생빈도가 증가하고 있다. 우리나라에서도 기상이변으로 인한 집중호우 및 이상강우 발생이 증가하고 있는 실정이며 이러한 이유로 하천 제방월류 및 댐 구조물의 붕괴 등 다양한 홍수피해가 발생하고 있다. 댐 구조물의 경우 붕괴 시하류에 직접적인 재산 및 인명피해가 발생할 수 있으며 이에 따른 정확한 해석이 필요하다. 기존의 댐 붕괴로 인한 하류하천 영향 및 홍수범람해석의 경우 하류하천 지형 및 기하학적 환경을 고려하지 못한 1차원적 해석에 그치고 있는 것이 사실이다. 본 연구에서는 전남 영광군에 위치한 불갑저수지를 대상으로 1:5000 DEM 및 하천측량 자료를 적용하여 GIS Tool인 HEC-RAS Mapper를 구성하기 위한 하류지역의 기하학적 자료(Terrain MAP)를 추출하였으며, 미국 공병단에서 개발한 HEC-RAS 2D 모형을 이용하여 댐 구조물 붕괴 시 하류영향 및 홍수범람도를 작성하였다. 댐 붕괴에 따른 유출수문곡선을 유도하기 위해서 도면과 보고서를 참고하여 붕괴지속기간, 붕괴부 평균폭의 변화에 따른 다양한 모의를 수행하였으며, 각각의 조건들이 붕괴파 형성에 미치는 영향을 분석하였다. 분석결과 댐 직하류를 포함함 전 구간에서 범람현상이 발생되었으며 하도의 특성 및 구조물의 영향으로 구간별 침수심이 다르게 분포되었다(3.0~5.1m). 또한 하류로 진행되며 홍수파 및 침수심의 영향은 감소하는 것으로 확인되었다. 이는 댐 직하류에 유입된 붕괴유출량이 제내지로 확산되어 하류지역의 홍수파 에너지가 감소되는 것으로 이러한 결과는 실제하천에서 일어날 수 있는 현상이며 제내지의 홍수범람을 양상이 반영된 결과로 판단된다. 향후 이러한 2D 범람해석 결과를 토대로 보다 더 세밀한 유역특성을 고려할 수 있는 홍수 범람해석 연구가 수행되어야 할 것이다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2017년도 학술발표회
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• pp.147-147
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• 2017

본 연구에서는 2003년 태풍 'MAEMI'에 의해 피해를 가장 많이 입은 경남 마산시를 중심으로 폭풍해일 범람도를 작성하였다. 해양과 하천 하류부가 만나는 마산시에서는 해일, 조석, 하천을 동시에 고려해야 하므로 이에 대한 단계적 적용을 통해 범람 중첩효과를 검토하였다. 본 연구에 사용된 수치모델은 네덜란드 Deltares사에서 개발한 준3차원 해수유동 모델 Delft3D이다. Delft3D는 폭풍해일 이외 지진해일, 부유물 이송, 오염물 확산 등 다양한 분야에 적용 가능하며, 파랑, 조석력, 바람에 의한 전단력, 온도, 염도에 의한 밀도류, 대기압 변화, 조간대 모의 등 다양한 영향을 고려할 수 있다. 수치모의시 모델의 안정성과 효율성을 높이기 위해 다중격자기법을 사용(최소 25m 격자)하였으며, 수심 자료는 국토지리정보원 수치지도와 국립해양조사원 수치해도의 수평 수직적 통합을 통해 구성하였다. 태풍 'MAEMI'의 Best Track은 기상청에서 제공하는 3시간 간격의 중심기압, 풍속, 중심위치를 Holland's Model에 적용하여 계산하였다. 조석효과를 고려하기 위해 개방경계에서 TPXO 7.2를 사용한 분조값을 입력하였다. 또한 하천의 흐름을 효과적으로 구현하기 위해 하천 단면에서의 동적 수위경계조건(또는 유량경계조건)을 추가적으로 부여하였다. 수치해석결과, 마산 수위 관측소에서 관측된 태풍 'MAEMI'의 해일고와 유사한 결과가 산출되었다. 범람역 해석결과는 해일, 조석, 하천을 동시적으로 고려하였을 경우에 실제 침수흔적도인 마산시재해침수지도와 가장 유사한 결과를 보였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2012년도 학술발표회
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• pp.587-587
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• 2012

현재 대부분 하천관리의 흐름해석에서 주가 되었던 1차원 분석은 하천 단면에 따른 횡적인 수면차, 유속분포를 분석할 수 없다는 단점을 가지고 있으며, 특히 유량 및 유속이 급속도로 늘어나는 홍수시에는 그 오차가 더욱 커질 수 있다. 반면에 2차원 모형의 흐름해석은 사행하천의 흐름 특성과 만곡부에서의 종 횡방향 수면경사 및 양안의 수면차와 합류지점의 횡방향 흐름 등의 영향을 고려할 수 있으며 1차원 해석과는 달리 전 단면에 걸쳐 유속 및 수위 분포를 나타낼 수 있어 실제흐름에 가까운 수리량을 얻을 수 있다. 본 연구를 위해 적용된 해석모형인 SMS는 미국 Brigham Young 대학의 환경모형연구실과 미공병단(USACE)의 수로실험국(WES) 등에서 개발한 프로그램으로서 RMA2, RMA4, SED2D 모형 등으로 구성되어 있다. 각각의 모형은 수리 동역학적 해석, 오염물 이송확산 해석, 유사의 이송 및 퇴적 해석이 가능하며 이 중 RMA2를 이용한 2차원 흐름해석을 통하여 보다 적합한 하천관리에 이용가능하도록 하고자 한다. 연구대상 지역은 제주도 한천 하류부로서 제주도 하천 특성상 평상시 건천의 상태를 이루고 있으나 태풍 및 집중호우시 홍수유출이 발생하여 수위가 급격하게 상승하는 양상을 보인다. 대표적인 예로 태풍 '나리'시 최대 일강우량 420mm로 인한 인근 지역에 0.5 ~ 1.5m의 침수흔적을 보이고 있다. 본 연구에서는 2011년 최고수위를 기록한 태풍 '무이파'를 대상으로 하였으며 대상지역의 Kalesto를 이용한 수위-유속 자료를 이용하여 산출된 유량을 경계조건으로 사용하였고 격자망 형성을 위한 지형 데이터는 지형도 및 측량자료를 이용하여 구축하였다. 사용된 대표적인 매개변수는 하상의 조도계수를 나타내는 Manning의 n값과 유체의 밀도, 속도구배, 구조 등 여러 가지의 유체조건에 따라 변하는 성질인 와점성계수(eddy viscosity)로 요약할 수 있으며 Manning의 n값은 하천설계기준에 따른 하천기본계획의 조도계수를 사용하였고 와점성계수는 적합한 흐름 분포를 결정하기 위해 흐름이 안정될 때까지 변화시켜 해석을 시행하였다. 해석결과 만곡부에서는 급한 흐름을 보이고 있으며 최대하폭 구간에서는 완만한 흐름이 나타나 사행하천의 흐름특성과 횡적인 하천단면에 따른 변화, 하상고 차이로 인한 유속분포를 확인할 수 있으며 이는 보다 유용한 하천관리에 이용가능할 것으로 사료된다.