2차원 부정류 해석 모형과 Topology 모델을 적용한 홍수지도 상호운영성 개선에 관한 연구
Improving the Interoperability for Flood Inundation Mapping Using Two-Dimensional Flood Inundation Analysis and Topology Model
초록/요약
과거 우리나라의 홍수방어대책은 전국단위의 호우 피해 예측에 대한 기반이 미흡하여 종합적인 수해 예방 및 복구 역량이 부족하였으며 대책수립의 기본 요소로서 기왕 호우 피해 사례를 주로 활용하고 있다. 최근에는 다양한 시나리오 기반의 내·외수 침수해석 기술이 논의되고 하천규모, 침수원인, 활용목적 등에 맞는 적정 홍수범람 해석 기술개발 연구가 진행됨에 따라 강우 시나리오 기반 호우피해 예측 기술 적용을 통한 전국단위 홍수위험지도 제작이 수행되고 있다. 현재 홍수지도 제작에 따른 홍수범람 해석기법은 표준적인 절차로 정립되어 각 기관마다 별도의 지침으로 제공하고 있으며 이러한 홍수지도 제작지침에 따라 국가하천, 지방 하천, 소하천 등의 대부분의 구간에 대한 홍수지도가 제작되어 다양한 분야에 활용되고 있다. 현재 홍수지도 제작 시 하천 기본계획 수립을 통한 측점별 계획홍수위를 제내지(제방선을 기준으로 토지이용 및 인구가 거주하는 지역) 방향으로 연장하여, 그 연장선과 지형이 교차하는 지점까지를 실제 계획빈도의 강우 발생 시 홍수범람이 예상되는 범위로 추정하여 홍수지도를 제작하는 방법(이하 GIS 홍수범람 해석)이 분석의 신속성, 경제성 등의 장점으로 인해 가장 광범위하게 사용하고 있다. GIS 홍수범람 해석 방법은 에 2008년 「풍수해보험지도 작성방안 연구(소방방재청: 11-1660000-000196-01)」에 반영되기도 하였으며 2017년 홍수통제소에서는 「홍수위험지도 기본계획 보완용역」을 통해 2차원 홍수범람 해석과 GIS 홍수범람 해석의 결과를 비교분석하여 지역의 중요도에 따른 홍수해석 기법의 적용 범위를 구체적으로 명시하였다. 이러한 홍수지도의 제작방법은 환경부의 홍수위험지도 제작 및 행정안전부의 풍수해보험지도, 홍수범람지도 등의 전국 단위 홍수지도 제작에 다양하게 적용되고 있다. 현재 작성되거나 향후 제작 예정인 홍수위험지도는 다음과 같이 두 가지 문제점이 있다. 첫째, GIS 홍수범람 해석에 의한 홍수범람 경계는 제방 월류 및 완전파제 등 최악의 홍수범람시나리오를 고려한 홍수범위로서 이는 실제 자연현상에서 나타나는 홍수범람 범위에 비해 과도하게 산정되는 경향이 있다. 이러한 과도한 홍수범람 범위 산정은 풍수해 보험요율에 대한 홍수위험도 평가 시 과도한 보험료 분담의 원인이 되고 있으며 홍수방어 실시간 대응 시 불필요한 대책수립의 원인이 되기도 한다. 둘째, 기존 홍수위험지도 작성 지침 및 재해지도 작성 지침 등에서는 홍수지도 제작에 대한 세부방법만 명시되어 있고 하천기본계획의 재수립에 따른 홍수지도의 자동갱신 및 보완에 대해서는 구체적인 방안이 제시되어 있지 않다. 또한 홍수지도의 갱신 및 홍수제작 기관간의 상호운영성에 대한 선행 연구도 매우 미흡한 실정이다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 다음과 같은 절차로 연구를 수행하였다. 첫째, GIS 홍수범람 해석에 의한 홍수범람 결과 중 하천의 형상이 비교적 직선형이고 제내지의 특성이 저류형인 범람경계를 선정하여 월류체적, 제내지 지반고, 구간연장, 계획홍수위, 비유량 등의 특성인자를 목록화 하였다. 둘째, 동일한 위치의 범람경계에 대해 편안 무제부 조건에 의한 2차원 홍수범람 해석을 실시하여 이를 GIS 홍수범람 해석에 의한 월류체적과 비교하여 그 변화율(이하 월류체적 감소율)을 비교하였다. 셋째, 각 범람경계별로 상하류의 수위차, 조도계수, 월류단면적 비, 홍수량, 비유량 등을 독립변수로 월류체적 감소율을 종속변수로 하는 통계분석(다중선형회귀분석)을 수행하였다. 이러한 방법을 통해 기존 GIS 홍수범람 해석의 범람경계 조정 시 2차원 홍수범람 해석을 직접수행하지 않고서도 기본계획에 제공되어 있는 특성인자 만으로도 월류체적 감소율을 추정 할 수 있는 방법을 제시하였다. 넷째, 기존 제작된 홍수지도의 작성현황 및 홍수지도와 연관된 공간정보모델을 조사하여 홍수지도 Topology 모델을 구축하기 위한 요소(측점별 횡단도, 측선연장선, 계획홍수위, 지형 DEM(Digital Elevation Model)등을 결정하였으며 이런 요소들을 기하학적으로 연계하여 홍수범람범위 자동갱신을 위한 홍수지도 Topology 모델을 개발하였다. 다섯째, 홍수지도 Topology 모델을 통한 홍수지도의 자동갱신을 구현하기 위해 3가지 유형의 홍수지도 자동갱신 알고리즘 및 별도의 테스트 프로그램을 개발하였다. 여섯째, 홍수지도 Topology 모델의 실제 운영성을 검증하기 위해 우리나라 전체 홍수지도의 홍수범람 범위에 해당되는 홍수지도 Topology의 격자정보를 가상으로 구축하여 그 성능을 평가하였다. 성능평가 결과 본 연구에서 제안한 홍수지도 Topology Model을 최고의 공간해상도로 구축 할 경우 상용 DBMS(Data Base Management System)에 충분히 운영이 가능함을 실증하였다.
more초록/요약
In the past, the Korean government had utilized the history data of flood damage to establish the Flood Prevention Measures because of the lack of rainfall prediction infra and comprehensive flood prevention capacity. Recently, the various scenario-based urban flood inundation and river flood inundation analysis technologies considering inundation cause, utilization of the flood inundation map, etc., have been introduced and developed in Korea. The Flood Inundation Mapping based on the rainfall scenario and the latest inundation analysis technologies has been conducted all over Korea. The flood inundation analysis methods for the flood inundation mapping have been prepared as the standard guideline. Based on this guideline, relevant government agencies have prepared the inundation map for the national and domestic rivers. The flood inundation mapping have been utilized in various field. The flood inundation mapping using the GIS technique, which is the method mainly utilizes cross-section line extended from the levee to the inland with the design flood water level, widely used because of the economics, promptness, etc. Flood Inundation Mapping method using the GIS technique was applied for the research project of 「A Study on the Development of a Natural Disaster Insurance Map(National Emergency Management Agency: 11-1660000-000196-01)」. Also, the acceptable range to apply the GIS technique was presented by comparing the result of the Flood Inundation model and the GIS technique in the basic plan for preparing the Flood Inundation Mapping by the Han River Flood Control Office. The method of the Flood Inundation Mapping using the GIS technique has been applied for the various purpose, such as the Flood Inundation Mapping(Ministry of Environment), the Strom and Flood Insurance Rate Mapping(Ministry of the Interior and Safet), etc. There are two improvements in the preparation of the Flood Inundation Mapping in Korea as follows: First, The overestimation of the flood inundation mapping result using the GIS technique should be improved. The main cause of overestimation is that the Flood Inundation Mapping using the GIS technique can not reflect the natural phenomenon such as levee breaches, over flooding, etc. Overestimated Flood Inundation Mapping result might cause a secondary problem. For instance, If the overestimated results are applied to the Strom and Flood Insurance rate`s estimation, the rate might also be overestimated. Also, unnecessary measures for real-time flood response might be performed. Second, The procedure and methodology for preparing Flood Inundation Mapping are specifically presented in the guideline. However, the contents related to the update of the Flood Inundation Map are not explicitly explained in the guideline. Therefore, this research mainly handled the solutions to improve the problems of the Flood Inundation Mapping as mentioned above. First, the Flood Inundation Map with a relatively straight stream shape and a reservoir type is selected among the results of the Flood Inundation Mapping using the GIS technique. Also, characteristic factors such as overflow volume, ground height, section extension, and planned flood level are listed. Second, a two-dimensional flood inundation analysis was performed on the same location under the condition without a levee. And the rate of change (hereinafter referred to as the rate of decrease in overflow volume) was compared with the overflow volume estimated by Flood Inundation Mapping using the GIS technique. Third, statistical analysis (Multilinear Regression Analysis) was performed using the difference in water level, roughness coefficient, and cross-sectional area ratio of the overflow as independent variables and the rate of overflow volume decrease as the dependent variable for each flood inundation area. When the flood inundation area estimated through the Flood Inundation Mapping using the GIS technique is needed to be adjusted, a method using the rate of overflow volume reduction from only the characteristic factors provided in the basic plan on a river without directly performing the flood inundation analysis model was presented. Fourth, factors for constructing a topology model for the flood inundation map such as crossing by station, lateral line extension, planned flood level, topography DEM(Digital Elevation Model) etc. by examining the existing production status of flood inundation maps and geospatial information models were determined. And a flood map topology model was developed for the automatic update of the flood inundation map by linking these factors geometrically. Fifth, three types of automatic update algorithms and a separate test program were developed for the automatic update of the flood inundation map using the flood map topology model Sixth, the grid information of the topology of the flood inundation map corresponding to the flood inundation area of the entire flood map in Korea was constructed virtually to verify the actual ability of the topology model for the preparation of the Flood Inundation Map. As a result of the performance evaluation, it was demonstrated that it is possible to sufficiently operate it in a commercial DBMS (Data Base Management System) through the flood inundation map topology constructed with the highest spatial resolution.
more목차
제 1 장 서 론 1
1.1 연구배경 및 목적 1
1.2 연구내용 및 범위 4
제 2 장 연구 동향 7
2.1 수리학적 모형 연구동향 7
2.2 홍수지도 연구동향 9
2.3 공간정보 모델 연구동향 12
제 3 장 기본 이론 14
3.1 주요 홍수범람 해석 모형 특징 14
3.2 홍수범람 해석 모형 15
3.2.1 홍수범람 해석 모형 개요 15
3.2.2 1차원 홍수범람 해석 모형(부등류) 16
3.2.3 2차원 홍수범람 해석 모형(부정류) 19
제 4 장 홍수지도 일반현황 28
4.1 홍수지도 개요 28
4.1.1 홍수지도 특징 28
4.1.2 홍수지도의 법적 정의 29
4.1.3 홍수지도 활용분야 30
4.2 홍수지도 제작 방법 31
4.2.1 1차원 홍수범람 해석에 의한 홍수지도 제작 33
4.2.2 GIS 홍수범람 해석에 의한 홍수지도 제작 36
4.2.3 2차원 홍수범람 해석에 의한 홍수지도 제작 39
4.3. 홍수지도 작성 현황 42
4.3.1 홍수지도 사업 개요 42
4.3.2 홍수지도 사업별 주요추진 현황 43
제 5 장 홍수지도 범람경계 개선 53
5.1 홍수지도 범람경계 개선 방안 53
5.2 홍수지도 범람경계 개선 절차 55
5.3 홍수범람 경계개선 특성인자 분석 56
5.3.1 특성인자의 정의 56
5.3.2 특성인자의 회귀분석 모형 정립 59
5.4 홍수범람 경계 개선 61
5.4.1 기존 범람해석 결과 비교 61
5.4.2 2차원 홍수범람 해석 대상지 선정 63
5.4.3 2차원 홍수범람 해석(부정류 해석) 65
5.4.4 홍수범람 해석 결과 정리 66
5.5 홍수범람 해석 결과 분석 92
5.5.1 홍수 범람해석 통계분석 92
5.5.2 분석결과 검증 98
5.5.3 분석결과의 공학적 해석 100
제 6 장 홍수지도 자동갱신 데이타 모델 개발 102
6.1 홍수지도 자동갱신 개요 102
6.2 홍수지도 데이타 모델 연구 절차 104
6.2.1 Topology 모델 개요 104
6.2.2 홍수지도 데이타 모델 개선 105
6.3 하천 데이타 모델 현황 106
6.3.1 홍수지도 데이타 모델 개선 모형 106
6.3.2 하천지리정보(RIMGIS) 체계 108
6.3.3 홍수위험지도 데이타 모델 110
6.3.4 기본 공간정보 표준 데이타 모델 114
6.3.5 주요 데이타 모델 비교 분석 117
6.4 GRID 기반 좌표체계 119
6.4.1 행정안전부 격자 기반 국가지점 번호체계 119
6.4.2 국토지리정보원 한반도 GRID 좌표계 121
6.4.3 국내 GRID 좌표계 사례 비교 126
6.4.4 국내 GRID 좌표계 홍수지도 연계방안 127
6.5 홍수지도 Topology 모델 개발 130
6.5.1 홍수지도 Topology 모델 연계구성 130
6.5.2 논리객체 구성도 131
6.5.3 공간 객체 구성 방안 134
6.5.4 알고리즘 구성 139
6.6 홍수지도 관리 테스트 프로그램 개발 144
6.6.1 개발환경 144
6.6.2 테스트 프로그램 구성도 145
6.6.3 테스트 프로그램 기능구현 146
6.7 홍수지도 Topology 모델 운영평가 151
6.7.1 운영평가 개요 151
6.7.2 데이타 규모 평가 151
6.7.3 Topology 검색 속도 평가 162
6.7.4 데이타 모델 평가 결과 164
제 7 장 결 론 165
참 고 문 헌 169
