A Study on the Application of FLO-2D Model for Analysis of Debris Flow Damage Area

Hang-Il Jo; Kye-Won Jun

doi:10.21729/ksds.2022.15.2.37

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Original Article

Journal of Korean Society of Disaster and Security. 30 June 2022. 37-44
https://doi.org/10.21729/ksds.2022.15.2.37

A Study on the Application of FLO-2D Model for Analysis of Debris Flow Damage Area

토석류 피해지역 분석을 위한 FLO-2D 모형의 적용에 관한 연구

Hang-Il Jo¹

Kye-Won Jun²^*

조 항일¹

전 계원²^*

¹Master Course, Graduate School of Disaster Prevention, Kangwon National University

²Professor, Graduate School of Disaster Prevention, Kangwon National Unoversity

¹강원대학교 방재전문대학원 석사과정

²강원대학교 방재전문대학원 교수

^{*Corresponding Author}

ABSTRACT

As the frequency of torrential rains and typhoons increases due to climate change, the frequency of occurrence of debris flow is also increasing. In particular, in the case of Kangwon-do, the occurrence of damage caused by mountain disasters is increasing as it has a topographical characteristic where the mountains and the coast are in contact. In order to analyze the flow characteristics in the sedimentary part of the debris flow, input data were constructed through numerical maps and field data, and a two-dimensional model, FLO-2D, was simulated. The damaged area was divided into the inflow part of the debris flow, the village center, and the vicinity of the port, and the flow center and flow velocity of the debris flow were simulated and compared with field survey data. As a result, the maximum flow depth was found to be 2.4 m at the debris flow inlet, 2.7 m at the center of the village, and 1.4 m at the port adjacent to the port so the results were similar when compared to the field survey. And in the case of the maximum flow velocity, it was calculated as 3.6 m/s at the debris flow inlet, 4.9 m/s in the center of the village and 1.2 m/s in the vicinity of the port, so It was confirmed that the maximum flow center occurred in the section where the maximum flow rate appeared.

Keywords

Debris flow

FLO-2D

Flow depth

Flow velocity

기후변화로 인해 집중호우와 태풍의 빈도가 늘어면서 토석류의 발생 빈도가 늘어나고 있다. 특히 강원도의 경우 산지와 해안이 접하는 지형적 특성을 가지고있어 산지재해에 의한 피해발생이 늘어나고 있다. 본 연구에서는 태풍 미탁으로 인해 발생한 강원도 삼척시를 대상으로 토석류 피해지역 분석을 위해 모델링을 수행하였다. 토석류 퇴적부분에서의 유동특성을 분석하기 위해 수치지도와 현장자료를 통해 입력자료를 구축하고 2차원 모델인 FLO-2D를 모의하였다. 피해지역을 토석류 유입부, 마을 중심부, 항구 인접부로 나누어서 토석류의 유동심과 유속을 모의하여 현장 조사한 자료와 비교분석하였다. 그 결과 최대유동심의 경우 토석류 유입부에서는 2.4m 마을 중심부에서는 2.7m, 항구 인접부에서는 1.4m로 나왔으며 현장조사와 비교분석 하였을 때 유사하게 나타났다. 그리고 최대유속의 경우 토석류 유입부에서는 3.6m/s 마을 중심부에서는 4.9m/s, 항구 인접부에서는 1.2m/s로 산정되었으며 최대유속이 나타난 구간에서 최대유동심이 발생하는 것을 확인하였다.

키워드

토석류

FLO-2D

유동심

유속

MAIN

1. 서 론
2. 연구방법
2.1 연구대상지역
2.2 FLO-2D 모형이론
3. 결과 및 분석
3.1 FLO-2D 모형분석
3.2 유동심 분석
3.3 유속 분석
4. 결 론

1. 서 론

기후변화로 인하여 태풍, 집중호우의 발생빈도가 늘어나면서 자연재해로 인한 피해가 늘어나고 있다. 특히 우리나라의 경우 국토의 64%가 산지로 구성되어 있으며 연평균 강수량의 54%가 여름철에 집중이 되고 있다. 이러한 태풍과 집중호우의 발생으로 산사태나 토석류와 같은 산지재해의 발생 빈도가 늘어나고 있다. 토석류는 산지 사면이나 급경사지에서 붕괴된 토사와 계곡에 퇴적된 흙, 자갈, 등이 유수와 함께 계곡을 따라 하류부로 유출되어 인접 시설물에 피해를 입힌다. 이러한 토석류 피해 사례로는 2003년 매미, 2006년 에위니아, 2019년 미탁 등에 의해 많은 인명 피해가 발생했고 2011년에는 집중호우로 인해 서울시 우면산과 춘천시 마적산 등에서 인명피해가 발생하였다. 따라서 산지재해의 피해를 저감하기 위해서 재해 발생 예상 지역과 피해 정도 및 규모에 대한 예측이 필요하다. 많은 연구자들이 토석류를 해석하기 위해 다양한 해석프로그램을 이용하여 토석류 수치모의를 하였다. 토석류의 수치 모형으로 KANAKO(Kim, 2017; Kim, 2021; Kang, 2022), RAMMS (Christen et al., 2010; Tak, 2015)와 FLO-2D(Kim et al., 2013; Peng and Lu, 2013; Choi, 2018)를 이용해 토석류의 이동, 퇴적, 유동 특성 등에 대해 많은 연구를 하였다. 본 연구에서는 O’Brien et al.(1993)이 2차원으로 토석류 거동을 해석한 연구를 수행하여 개발한 FLO-2D라는 홍수 및 토석류 해석 프로그램을 이용하였다.

본 연구에서는 태풍 미탁으로 인해 토석류 피해가 발생한 강원도 삼척시 원덕읍을 대상지역으로 선정하여 토석류의 유동특성을 분석하였다. 피해지역에 대한 현장조사 자료를 활용하여 수치지도를 구축하였으며 FLO-2D 모형을 적용하여 토석류가 퇴적되는 지역에서의 유동심과 유속 등을 분석하여 피해지역의 현장자료와 비교‧분석하였다.

2. 연구방법

2.1 연구대상지역

본 연구의 대상지역은 2019년 태풍 미탁의 영향으로 토석류가 발생하였던 강원도 삼척시 원덕읍을 연구대상지로 선정하였다. 토석류 피해 발생 당시의 누적강우량은 487 mm, 최대시우량은 110 mm로 강우를 동반한 태풍으로서 토석류가 발생하였다. 토석류의 퇴적부에 미치는 유동특성을 분석하기 위해 구역을 토석류 유입부, 마을 중심부, 항구 인접부 3가지로 나누었다. 연구 대상지역의 현황 및 특성은 Fig. 1과 Table 1과 같습니다.

https://static.apub.kr/journalsite/sites/ksds/2022-015-02/N0240150204/images/ksds_15_02_04_F1.jpg

Fig. 1.

Study area

Table 1.

Characteristics of study area

Study Areas	Rainfall observation staion	Area (km²)	Elevation (m)			Slope (°)	I (mm/hr)
			min	avg	max
Wondeok-eup	Gungchon Wondeok	0.84	12	163	317	17.0	110.5

2.2 FLO-2D 모형이론

미국 콜로라도 주 대학에서 개발된 FLO-2D모델(O’Brien et al., 1993)은 유한차분법을 기반으로 한 물리적 모델로써 지표면과 하도내의 강우-유출과 홍수-수문곡선을 추적할 수 있다(Oh and Jun, 2019). 이 모델은 범람, 홍수, 해일, 토석류 등을 포함하는 홍수위험을 예측하여 관련지도를 작성하여 2차원 해석 프로그램으로 토석류 해석에 있어 우수한 결과가 나와 많은 곳에서 사용화되어있는 프로그램이다.

FLO-2D는 격자와 시간에 관계없이 유속, 유동심, 압력 산정이 가능하고, GIS 및 기타 응용프로그램들과 연동이 가능하다는 장점이 있다. 그러나 토석류 모의시 하상 침식에 의해 발생한 토석류 체적의 증가는 FLO-2D 모델에서 고려할 수 없어서 토석류의 이동, 퇴적, 확산 등의 토석류 모의에만 사용되어야 하는 단점이 있다(Kim, 2011). FLO-2D는 2차원 수치해석 프로그램으로 8개의 흐름 방향으로 정의되며 지배방정식으로는 연속방정식과 2개의 운동량방정식으로 구성되어 있으며 다음과 같다(FLO-2D, 2009).

(1)

\frac{\partial h}{\partial t} + \frac{\partial (u h)}{\partial x} + \frac{\partial (v h)}{\partial y} = i

(2)

S_{f x} = S_{a x} - \frac{\partial h}{\partial x} - \frac{\partial u}{g \partial t} - u \frac{\partial u}{g \partial x} - v \frac{\partial u}{g \partial y}

(3)

S_{f y} = S_{a y} - \frac{\partial h}{\partial y} - \frac{\partial u}{g \partial t} - u \frac{\partial u}{g \partial x} - v \frac{\partial u}{g \partial y}

여기서 $i$ = 강우강도, h = 토석류의 유동심, $u$ , $v$ = 유동심을 통해 산정된 x, y축 이동속도, $S_{a x}$ , $S_{a y}$ = 바닥 경사, $S_{f x}$ , $S_{f y}$ = 흐름 방향과 흐름직각 방향의 마찰 경사로, 일반 유체와 달리 고밀도인 토석류 전단응력은 다음 식 (4)와 같이 나타낼 수 있다.

(4)

τ = τ_{y} + τ_{v} + τ_{t} + τ_{d} = τ_{y} + η (\frac{\partial u}{\partial y}) + C (\frac{\partial u}{\partial y})^{2}

여기서, $τ$ 는 전단응력, $τ_{d}$ 는 분산(dispersive)전단응력, $τ_{t}$ 는 난류전단응력, $τ_{v}$ 는 점성전단응력, $τ_{y}$ 는 항복전단응력으로 Mohr-Coulomb 전단저항(shear resistance)을 나타내고, $η$ 는 동점성(dynamic viscosity)계수, C는 내부(internal)전단계수를 의미한다. 총 전단응력을 경사형식(gradient form)으로 표현하면 다음 식 (5)과 같다.

(5)

S_{f} = S_{y} + S_{v} + S_{t d} = \frac{τ_{y}}{γ_{m} h} + \frac{K η u}{8 γ_{m} n^{2}} + \frac{n^{2} u^{2}}{n^{4 / 3}}

여기서, $S_{f}$ 는 전체 마찰 경사, $S_{t d}$ 는 난류-분산경사, $S_{v}$ 는 점성경사, $S_{y}$ 는 항복경사, $γ_{m}$ 은 유사혼합물(sediment mixture)의 비중량, K는 저항매개변수, $n$ 은 등가 Manning 계수값을 의미한다.

토석류 해석을 하기 위해 토석류의 유사농도, 점성력, 항복응력, 점성력에 대한 계수를 입력해야한다. 점성력과 항복응력을 산정하기 위한 매개변수 값인 $α_{1}$ , $α_{2}$ , $β_{1}$ 과 $β_{2}$ 는 실험을 통해 결정된 경험계수로 다양한 값을 가지며, 아래와 같은 식 (6)으로 나타낼수 있다.

(6)

τ_{y} = α_{1} e^{β_{1} C} η = α_{2} e^{β_{2} C}

3. 결과 및 분석

3.1 FLO-2D 모형분석

FLO-2D 모형 분석을 위해 토석류 발생에 있어서 강우의 영향이 큰 비중을 차지함으로 해당 지역에서의 강우특성을 분석하기 위해 토석류 발생지 근처에 있는 궁촌관측소에서 얻어진 강우자료를 사용하였다. 토석류 발생 당시의 시간 최대 강우량은 110.5 mm/h였으며, 누적강우량은 486.5 mm였다. 토석류 피해지역의 유역의 면적은 0.89 km²이고 유로의 길이는 1,850 m로 분석되었다.

FLO-2D 모형에 적용하여 나타난 유동심과 유속에 대한 결과는 ArcGIS 프로그램에 ASCII 형태로 입력이 되었고, 토석류의 유동특성을 분석하기 위해 피해가 발생한 주요지역을 아래 Fig. 2와 같이 3개의 Case로 나누었다. Case 1은 토석류 합류부 Case 2는 마을 중심부 Case 3은 항구와 인접부로 구분하여 나타내었다.

https://static.apub.kr/journalsite/sites/ksds/2022-015-02/N0240150204/images/ksds_15_02_04_F2.jpg

Fig. 2.

Case Division

3.2 유동심 분석

Table 2는 FLO-2D 모형을 모의하여 산정된 Case별 유동심 결과이다. Case 1에서 유동심은 0.1 ~ 2.4 m의 분포를 나타내었으며 최대유동심은 2.4 m로 산정되었다. Case 2의 유동심은 0.2 ~ 2.7 m로 산정 되었으며 Case 3에서는 유동심은 0.7 ~ 1.4 m 최대유동심은 1.4 m로 분석되었다.

Table 2.

Flow Velocity by Case

	Flow Depth (m)	Max Flow Depth (m)
Case 1	0.1 ~ 2.4	2.4
Case 2	0.2 ~ 2.7	2.7
Case 3	0.7 ~ 1.4	1.4

https://static.apub.kr/journalsite/sites/ksds/2022-015-02/N0240150204/images/ksds_15_02_04_F3.jpg

Fig. 3.

Flow Depth by Case 1

Fig. 3의 Case 1은 FLO-2D 모형의 모의 결과로 산정된 유동심과 실제 현장조사 당시 측정된 유동심의 그림을 타나낸다. FLO-2D 모형을 모의한 결과 최대 유동심은 2.4 m로 산정되었으며 현장조사 당시의 최대 유동심은 2.5 m로 조사되어 모의결과와 0.1 m의 차이를 나타내었다.

Fig. 4는 Case 2의 결과로 FLO-2D 모형을 적용하여 산정된 유동심과 현장조사 당시 유동심의 그림이다. FLO-2D 모형의 모의결과 최대 유동심은 2.7 m로 산정되었고 현장조사 당시의 최대 유동심은 2.5 m로 조사되어 오차는 0.2 m로 나타났다.

https://static.apub.kr/journalsite/sites/ksds/2022-015-02/N0240150204/images/ksds_15_02_04_F4.jpg

Fig. 4.

Flow Depth by Case 2

Fig. 5는 FLO-2D 모형을 적용하여 Case 3의 유동심을 산정한 결과와 실제 피해현장 조사시 측정한 유동심에 대한 부분을 나타내고 있다. FLO-2D 모형을 적용하여 모의된 최대 유동심은 1.4 m, 현장조사 결과 측정한 유동심은 1.5 m로 모의결과와 현장조사 결과가 유사한 값을 나타내었다.

https://static.apub.kr/journalsite/sites/ksds/2022-015-02/N0240150204/images/ksds_15_02_04_F5.jpg

Fig. 5.

Flow Depth by Case 3

3.3 유속 분석

Table 3은 모형을 적용하여 나타난 Case별 최대 유속 결과이다. Case 1에서 유속은 0.1 ~ 3.6 m/s이고 최대유속은 3.6 m/s이다. Case 2에서는 유속은 0.3 ~ 4.9 m/s이며 최대 유속은 4.9 m/s이다. Case 3에서는 유속은 0.4 ~ 1.2 m/s이며 최대유속은 1.2 m/s이다.

Table 3.

Flow Velocity by Case

	Velocity (m/s)	Max Velocity (m/s)
Case 1	0.1 ~ 3.6	3.6
Case 2	0.3 ~ 4.9	4.9
Case 3	0.4 ~ 1.2	1.2

FLO-2D 모형을 적용하여 산정된 Case별 유속과 유동심의 관계를 분석해 보았다. Fig. 6에는 Case 1의 유속과 유동심 모의 결과를 나타내었다. 모형의 적용결과 최대 유속은 3.6 m/s를 나타내었고 최대 유속이 지나는 구간에서의 유동심은 2.5 m로 산정되었다.

https://static.apub.kr/journalsite/sites/ksds/2022-015-02/N0240150204/images/ksds_15_02_04_F6.jpg

Fig. 6.

The relationship between flow velocity and flow depth by Case 1

Fig. 7에는 Case 2의 유속과 유동심 모의결과를 나타내었다. FLO-2D 모형에 의해 산정된 최대 유속은 4.9 m/s로 나타났으며 최대 유속이 지나는 구간에서의 유동심은 2.7 m로 산정되었다.

https://static.apub.kr/journalsite/sites/ksds/2022-015-02/N0240150204/images/ksds_15_02_04_F7.jpg

Fig. 7.

The relationship between flow velocity and flow depth by Case 2

Fig. 8은 FLO-2D 모형을 적용하여 Case 3의 유속과 유동심을 산정한 결과로 최대 유속은 1.2 m/s, 최대유동심은 1.4 m로 산정되었다.

https://static.apub.kr/journalsite/sites/ksds/2022-015-02/N0240150204/images/ksds_15_02_04_F8.jpg

Fig. 8.

The relationship between flow velocity and flow depth by Case 3

4. 결 론

2019년 태풍 미탁으로 인해 삼척시 원덕읍에서 발생한 토석류 피해지역에 대해서 FLO-2D 모형을 적용하였다. 현장조사 자료를 통해 매개변수를 산정하여 토석류가 발생한 지역에 적용하였다. FLO-2D 모형을 모의하여 토석류 피해지역의 유동특성을 분석하기 위해 유속과 유동심을 산정하였으며 유동심의 경우 현장에서 실제조사한 자료와 비교분석하였다.

FLO-2D 모형을 적용하여 토석류 피해지역을 해석한 결과 토석류 유입부에서 최대유동심은 2.4 m 최대유속은 3.6 m/s, 마을 중심부에서는 최대유동심이 2.7 m 최대유속은 4.9 m/s, 항구인접부에서는 최대유동심이 1.4 m 최대유속은 1.2 m/s로 분석되었다. 유동심의 경우 현장조사에서 측정된 유동심과 비교시 현장여건을 고려한 다면 유사한 값을 나타내는 것으로 분석되었다. 또한 최대유속이 발생한 구간에서 최대유동심이 나오는 것을 확인하였다.

추후 연구에서는 현장에서 취득하지 못한 입력자료를 보완하고 정밀한 지형자료 구축을 통해 FLO-2D 모형의 정확도를 높이는 연구를 진행할 예정이다.

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Journal of Korean Society of Disaster and SecurityISSN:2466-1147(Print) 2508-285X(Online)한국방재안전학회

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A Study on the Application of FLO-2D Model for Analysis of Debris Flow Damage Area

ABSTRACT

MAIN

Fig. 1.

Study area

Table 1.

Characteristics of study area

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

Fig. 2.

Case Division

Table 2.

Flow Velocity by Case

Fig. 3.

Flow Depth by Case 1

Fig. 4.

Flow Depth by Case 2

Fig. 5.

Flow Depth by Case 3

Table 3.

Flow Velocity by Case

Fig. 6.

The relationship between flow velocity and flow depth by Case 1

Fig. 7.

The relationship between flow velocity and flow depth by Case 2

Fig. 8.

The relationship between flow velocity and flow depth by Case 3

References

Korean References Translated from the English