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FLO-2D하도 흐름, 자유지표유출(unconfined overland flow)및 시가지유출에 대하여 모의하는 동역학적 홍수 추적 모형입니다.

 

복잡한 지형과 조도(roughness)하에서 홍수를 모의함과 동시에 정확한 홍수분포에 대한 핵심인 체적보존을 리포팅해줍니다.

정방격자요소 체계하에서 홍수수문곡선의 진행을 예측하기 위해, 이 모형은 완전 동력학파 운동방정식과 중심유한차분 체계(8개의 포텐셜 흐름방향들을 제공하는)를 사용합니다.

FLO-2D는 통합된 수문학과 수리학 모형으로, 강우-유출과 하도추적(channel routing)을 분리할 필요가 없습니다.

FLO-2D는 아래와 같은 복잡한 홍수문제를 포함하는 다양한 영역에 대한 모의를 적용할 수 있습니다:

• 하천제방범람(River overbank flooding)

• 충적하천의 하구와 홍수터에서의 흐름(floodplain flows)

• 시가지 흐름, 흐름 방해와 손실 저류(storage loss) 등의 도시 홍수

• 해일 및 태풍 해일의 진행

• 토사 및 토석류 흐름(Mud and debris flows)

• 유역 강우 및 유출

• 홍수 대비 연구(Flood insurance studies)

• 홍수 경감 설계(Flood mitigation design)

FLO-2D는 하도-홍수터 흐름 교환, 건물로 인한 저류 손실/흐름 방해, 수리제방 및 제방 붕괴, 침전 토사 이송(Sediment transport) 구조의 시뮬레이션, 고농도 토사흐름(mudflows), 세류 및 협곡 흐름(Rill & gully flow), 강우 및 침투 등을 포함하여 상세한 홍수 추적에 필요한 많은 기능들을 갖추고 있습니다. FLO-2D는 FEMA(미연방긴급사태관리국)이 승인한 하천 연구와 자유 홍수 분석(unconfined flood analyses)을 위한 수리학 모형입니다. 다음은 모형의 개요를 설명한 것입니다.

유출면 데이터베이스 생성

FLO-2D는 어떤 홍수 모의를 하기 위해서는 2종류의 데이터 즉, 수치지형모형(DTM Points) 그리고 유입 수문곡선 또는 분리된 개별 강우 사상이 필요합니다. 지형 지표면의 잠재 유동은 정방 격자 체계에 의해서 표현됩니다. 격자 요소들은 DTM 포인트들의 보간법으로부터 높이를 할당 받습니다. 프로세서 프로그램 GDS(Grid Developer System)이 격자 체계를 생성하여 높이를 할당합니다. 이 GDS는 DTM 포인트들 위에서 격자 체계를 중첩하고 DTM포인트 필터들을 이용하여 격자 요소 높이를 내삽합니다. 그후 FLO-2D 홍수터와 다른 데이터 파일들을 자동적으로 생성하여 간단한 지표 유출 홍수 모의를 시작합니다. 이미지들을 GDS로 가져와서 그래픽 편집에 보조적으로 사용할 수 있습니다. 모형에 사용하는 격자 요소들은 크기에 관계없이 사용할 수 있지만, 시간간격(timesteps)은 파속(wave Celerity)에 의해 결정되며, 격자가 작아질 수록 작은 시간간격과 긴 실행시간을 필요로 합니다. 전형적인 정방 격자 요소 크기의 범위는 10ft(3m)에서 500ft(150m)입니다. 격자 요소의 수에는 제한이 없습니다.

유입 수문곡선(Inflow Hydrographs) 또는 강우(RainFall)

유입수문곡선은 하도 또는 홍수터 노드에 주어질 수 있습니다. 유입수문곡선 노드의 갯수는 제한이 없습니다. HMS로부터 만들어 지거나 또는 다른 유역 강우/유출 모형으로부터 생성되는 ASCII 데이터 형식의 수문곡선은 하천 또는 지표유출 FLO-2D 홍수 모형의 입력자료로 사용할 수 있습니다. FLO-2D는 또한 수문학적 모형으로 실행할 수 있으며, 면적감소계수를 사용하지 않고 공간적으로 가변적인 강우데이터(예: NEXRAD 데이터)나 이동호우사상을 사용할 수 있습니다.  강우는 주하도(main channel)에 이르기 전까지 지표의 박층류(sheet flow) 또는 세류와 협곡 흐름(rill & gully flow)을 갖습니다. 홍수추적은 수문/수리 연계모형모형내에서 하도를 따라 진행될 수 있습니다.

침투와 증발 손실(Infiltration & Evaporation Losses)

FLO-2D는 상류 유역에서의 유역강우-유출 모형으로 적용할 수 있습니다.  또는, 강우는 홍수 모의의 이전 또는 모의 동안에 잠재 하천 홍수터(floodplain) 표면에 대해 모의할 수 있습니다. 유출 손실은 침투 누출 또는 증발로 계산될 수 있습니다. 하도나 홍수터 침투는 Green-Ampt 침투 모형으로 모의할 수 있고 공간적으로 가변적일 수 있습니다. 개방 수역의 증발(Open water surface evaporation)은 일변화에 기반한 홍수터와 하도 흐름 모두에 대해 계산된다.

추적 알고리즘 안정성(Routing Algorithm Stability)과 체적 보존(Volume Conservation)

계산 시간간격(timesteps)은 일반적으로 1에서 30초 사이입니다. 시간간격은 엄격한 홍수 추적 수치안정기준에 따라서 증가하거나 감소합니다. 수치적 안정은 체적 보존(volume conservation)과 관련됩니다. 성공적인 홍수추적 모형의 핵심은 체적 보존입니다. 모형이 체적을 정확하게 보존할 때 모형은 좀 더 빠르게 실행됩니다. 시뮬레이션하는 동안 그리고 요약파일들에 체적 보존을 추적하여 기록합니다.

지표와 하도의 흐름 – 하도와 홍수터 유량(Floodplain Discharge)의 교환

자유지표면유출은 8방향(4나침반 방향과 4 대각선 방향)으로 모의 됩니다. 1차원 수로 흐름은 직사각형, 사다리꼴의 또는 자연 형태의 횡단면과 실제 수로 횡단면 조사 데이터를 모델에 사용하여 모의합니다. 수로 폭은 보다 상세한 홍수터 모의를 고려하는 격자 요소보다 더 클 수 있습니다.

유량이 수로 용량을 초과할 경우, FLO-2D의 양방향 루틴은 홍수터로에 대한 범람유량 또는 격자 기반의 환원수(return flow)계산을 수행합니다. 도시 홍수의 경우, 모형은 도로에서의 흐름과 장애물 주변의 흐름을 통해 주거지역을 관통하는 수로범람흐름(overbank flow) 그리고 하도의 하류 방향으로 돌아가는 흐름을 모의 할 수 있습니다.

지류 유입(Tributary inflow)은 제한이 없습니다. GDS는 HECRAS 횡단면을 FLO-2D에 사용할 수 있는 데이터 형식으로 변환할 수 있습니다.

 

시가지 유출(Street Flow)

시가지 유출은 도시 홍수터의 유출 분포에 있어 중요하고 침수 영역에 크게 영향을 미칠 수 있습니다. 시가지는 폭과 연석 높이(curb height)을 갖는 얕은 직사각형 수로로 모의됩니다. 시가지는 하천의 하도와 유사한 홍수터의 흐름을 교차하고 교환될 수 있습니다. 시가지에 할당된 작은 조도 계수는 시가지 흐름을 침수 영역으로 확장할 수 있습니다. 시가지는 하천 및 강우를 포함하여 다른 모형 요소들 어느 것과도 함께 모의될 수 있습니다.

수리구조물(Hydraulic Structures)

수리구조물은 교량, 배수구(culvert), 둑(weir), 또는 다른 제방 구조물들 등이라 할 수 있습니다. 수리구조물들은 사용자가 지정한 수위-유량관계곡선 또는 하도나 홍수터 요소에 할당된 관계 테이블에 의해 모의됩니다.

배수구(Culvert) 흐름은 인접하지 않는 격자 요소들 사이에 발생하며 긴 배수구에서의 흐름 경로를 예측합니다. 상류수 깊이(Headwater depth)와 방류수(tailwater) 영향에 대한 참조 높이를 고려할 수 있습니다. 흐름은 교량과 배수구(culverts)에서 방향이 바뀔 수 있습니다.

제방(Levees)

제방(Levees) 또는 제방의 가장자리(Berms)는 8개 격자 요소 흐름 방향의 어떤 조합이든 최고 표고(Crest elevation)를 지정하여 모의할 수 있습니다. 제방의 가장자리, 도로 제방(embankments) 또는 작은 댐들은 제방요소로 모의할 수 있습니다.

제방 붕괴는 일정 지속 기간 동안 제방 높이에서 범람이나 전도(overtopping)에 의해 발생할 수 있습니다. 제방유실(breach)은 규정된 비율에 의해 수직 및 수평으로 커질 수 있습니다. 제방여유고부족은 여유고의 최대 손실 또는 전도된 제방 요소들을 열거해 줍니다. 이 결과를 MAXPLOT과 Mapper에서 그래픽으로 확인할 수 있습니다.

건물과 흐름 방해물(Buildings & Flow Obstructions)

격자 요소를 기반으로 건물, 지형 또는 심지어 큰 나무로 인한 홍수터(floodplain) 저장 손실을 면적 감소계수를 이용하여 홍수모형에 포함시킬 수 있습니다. 격자요소의 한 부분 또는 전체 요소를 홍수 모의하는 동안 잠재범람으로부터 제거할 수 있습니다. 감소된 홍수저류는 더욱 하류로 흐르게 합니다. 격자 요소들 사이의 흐름 교환은 8방향 흐름 모두 또는 한 방향에 대한 흐름 폭 감소 계수(flow width reduction factor)에 의해 부분적으로 또는 전체적으로 방해 받을 수 있습니다.

세류 및 협곡 흐름(Rill & Gully Flow)

지표 유출은 박층류 대신 작은 세류 및 협곡에서 모의할 수 있습니다. 두 개 격자 요소들이 작은 여러 하도에 배정될 때, 이들 요소 사이의 유량은 작은 사각형 수로에서 지표 박층류(sheet flow)가 아닌 농축된 유출로 발생됩니다. 각 격자 요소의 지표 일부의 강우는 요소 세류(rilly)와 협곡 흐름(Gully Flow)으로 진행됩니다. 하나 이상의 협곡류는 격자 요소 하나에 지정할 수 있습니다. 세류와 협곡류 이동 능력을 초과할 때, 수로는 협곡류를 포함하기 위해 할당된 증분 폭에 의해 확장됩니다. 수문곡선의 하강부에서, 유출심(flow depth)이 1 ft 이하로 감소할 때, 수로 폭은 크게 감소 합니다. 가변적인 세류 및 협곡 수로 특성은 격자체계상에서 공간적으로 묘사할 수 있습니다.

토사류 및 토석류(Mud & debris flows)

고농도 토사 흐름은 정방형 유동학 모형(Quadratic rheological model)을 이용하여 FLo-2D로 시뮬레이션할 수 있는데, 이 모형은 점성력(viscous stress), 발생응력(yield stress), 난류(turbulence) 및 분산 응력(dispersive stress) 조건 등을 토사농도(sediment concentration)의 함수로 포함합니다. 다양한 이류 샘플(Mudflow samples)에 대한 점성과 발생 응력(Viscous & Yield Stress) 관계는 매뉴얼을 참고 하시기 바랍니다. 점성의 이류(mudflow)는 매우 거친 표면이나 경사가 완만한 곳에서는 흐름이 멈출 수 있습니다. 반대로, 이류(muflow)는 강우 유입에 의해 희석될 수 있습니다. FLO-2D는 홍수량으로부터 이탈된 토사량을 추적하고 보고하여 토사와 유역의 용수량(water yield)과의 관계를 파악할 수 있게 해줍니다.

토사 이송(sediment transport)

토사 이송은 7개의 방정식(Zeller-Fullerton, Yang's, Englund and Hansen, Ackers and White, Laursen and Toffaleti, or MPM-Woo (for high concentrations of fine sediment)을 이용하여 수로 및 지표면 유출에 대해 계산합니다. 토사 볼륨은 격자 요소를 기반으로 유지됩니다. 세굴과 퇴적(scour & deposition)은 수로 횡단면에 균일하지 않게 분포되거나 홍수터 요소들에 균일하게 분포됩니다. 일부 작은 크기와 장갑화(armoring)에 의한 토사경로변경을 시뮬레이션할 수 있습니다.

프루드 수 제한(limiting Froude numbers)

최대 수로, 시가지와 지표면 유출 프루드수(Froude numbers)를 홍수 시뮬레이션 목적으로 지정할 수 있습니다. 제한 프루드수가 특정 격자 요소에서 초과할 때, 모형은 적절한 홍수터, 채널 또는 시가지 조도 값을 0.001씩 증가시킵니다. 이 루틴은 alluvial sand bed system에 대한 사류(supercritical flow)를 피하거나 유출충격파(surging)를 제한하는 경우에 효과적입니다. 이것은 또한 수로 만수위 유량(bankfull discharge)에 대한 n-값(n-value)를 보정하는 편리한 방법입니다. 수위도가 떨어지는 지점에서 조도 값들은 원래 조도 값이 도달될 때까지 감소할 것입니다. 최대 계산 n-값(maximum compute n-value)을 파일로 기록하여 증가된 n-값을 다음 단계의 시뮬레이션에서 자동으로 사용할 수 있습니다.

모형 결과, 결과 및 맵핑(mapping)

유출 표면에 대한 홍수파(FloodWave) 진행을 모형이 실행되는 동안 유입 수문곡선을 따라 볼 수 있습니다. 유출심(Flow depth), 속도, 유량수위도 그리고 수면 높이 등을 포함하여 공간적으로 그리고 일시적인 다양한 결과를 파일에 기록합니다. 유량수위도(discharge hydrograph)는 시스템내의 각 수로 요소들에 대해 계산됩니다. 홍수터(Floodplain) 격자 요소들은 유량수위도를 생성하기 위해 횡단면으로 함께 그룹핑할 수 있습니다. 최대심과 유속 파일들은 자동으로 생성되며, 범람 지역을 따라 만들어진 이 결과는 Mapper와 MAXPLOT에서 그래픽으로 볼 수 있습니다. Mapper는 유출심을 색으로 표현, 유속등고선(velocity contours), 애니메이션 그리고 DTM 유출심(flow depth) 내삽 등을 포함하여 결과 디스플레이를 위한 다양한 옵션들을 제공합니다. DTM 포인트 파일을 이용할 경우, DTM 포인트들을 수면격자요소로부터 빼서 DTM 포인트 유출심(Flow depth)을 생성할 수 있고, 칼라 등고선으로 플롯된 결과들을 Mapper에서 범람 지역을 매우 상세한 칼라 지도로 만들 수 있습니다. Mapper는 홍수그래프를 자동 생성하여 shape 파일로 저장하여 ArcGIS에서 읽을 수 있도록 해줍니다.