기상해일 발생시 우수관거를 통한 연안지역의 이차 범람 특성에 관한 수치해석 = Numerical Analysis of the likelihood of secondary flooding characteristics of coastal areas by the stormsurge via a drainage system.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In 2012, a considerable flood damage caused by a counter current of seawater via the drainage system at the waterfront area had been occurred by typhoon SANBA(1216) in Jinhae, Gyeongsangnam-do, Korea, and hurricane SANDY in New Jersey, the United States in October.
Most of the flood damage are caused by a directed overflow phenomenon, but there are not a few places where the counter current of seawater via the drainage system bring the considerable flood damage to the downtown area.
The breakwater, shore protection and others is located at the water front area to prepare for the high waves, storm surge and so on.
But, such structures exist for the purpose of preventing primary flooding like the overflow.
Therefore, the plan of disaster prevention about secondary flooding like the counter current via the drainage system is insufficient.
In case of storm surge, the waves have a long period from a few hours to a few days, so the sea level rises continually.
Consequently, if the typhoon and a high tides occurs at the same time, the sea level will exceed the design water level for a long time and it would have an bad effect on the discharge capacity of drainage system located in the waterfront area.
In this study, the propagation characteristic occurred in the drainage system when the storm surge hit the waterfront area was analyzed by the numerical simulation and the effect of Tsunami, one of the long period waves, was also analyzed.
Tsunami used in the numerical simulation was expressed with solitary wave which is well to represent the tsunami. The solitary wave was made on the basis of Goring's theory(1979).
The period of storm surge was chosen to 3600 s and the heights of storm surge and tsunami was chosen to 2 m, 4 m, 7 m respectively to analyze the hydraulic characteristics of counter current in the drainage system.
According to the result of numerical simulation, when the waves have 7m height, the water level was lasted longer time than the solitary wave, and because of the difference of water level, the seawater was flown backwardly.
When the storm surge occurs and the rainfall of typhoon was considered, a considerable seawater was entered in drainage system backwardly while the high water level was remaining.
And then, secondary flooding will be also proceeded via the manhole and the drainage system when even the waves have 2 m, 4 m heights.
In the case of solitary wave, it has a faster celerity than storm surge and it propagates to drainage system remaining higher wave height.
As a result, the seawater entered into drainage system at the entrance owing to the pressure of solitary wave.
Also, the higher wave height is, the faster wave celerity is. Therefore, the flow rate in drainage system is faster and the max flow rate increased significantly too.
The fast propagation velocity made direct primary flooding caused from runup at waterfront area.
Based on the results of numerical simulations, when the waves have a 7 m height, the secondary flooding occurring due to the counter current via drainage system may occur. If the storm surge and high tide occurs at the same time, the secondary flooding may occur even though the wave heights is less than 7 m.

Keywords : Storm surge, SANBA, SANDY, Solitary wave, drainage system, primary flooding, secondary flooding

국문 초록 (Abstract)

2012년 경상남도 진해에 태풍 SANBA(1216), 같은 해 10월 미국의 뉴저지에 발생한 허리케인 SANDY에 의해 해안가 일대에 바닷물이 역류하여 상당한 침수 피해를 발생시켰다. 침수피해 중 대부분은 바닷물의 직접적인 월류 현상도 있었지만 적지 않은 곳에서는 해안가 우수관을 통해 바닷물이 역류하여 도심지까지 전파되어 상당량의 침수피해가 발생하였다. 해안가 일대에는 고파랑 및 기상해일에 대비하여 방파제 및 방파호안 등의 구조물이 설치되어 있으나 구조물의 대분은 월파를 저지하는 일차 범람에 중점을 두고 있어 앞서 서술한 우수시스템을 통한 이차 범람에 대해서는 방재 계획이 부족한 상황이다. 기상해일의 경우 수 시간에서 수 일정도의 주기를 지니고 있어 해수면 상승이 지속적으로 이루어지며, 기상이변에 따른 대형태풍 발생과 만조 시가 겹쳐질 경우 설계조위를 초과하는 이상조위가 상당 시간 유지되어 해안가에 위치한 우수시스템의 통수 능력에 막대한 영향을 미칠 것으로 판단된다.
본 논문에서는 연안지역 일대에 설치된 우수관을 대상으로 기상해일 내습 시 우수관내에서 발생하는 전파특성을 수치모의를 통해 분석하였다. 장 주기성 파랑 중 하나인 지진해일의 영향에 대한 분석도 함께 진행 하였다. 수치모의에 사용된 지진해일은 자연에서 발생하는 지진해일에 가장 근접한 고립파로 재현하였다. 고립파는 Goring(1979)의 조파 이론에 기초하여 조파하였다. 기상해일은 주기 3,600 이며, 기상해일과 고립파의 경우 파고의 높이를 각각 2 , 4 , 7 로 재현하여 우수관내에서 역류하는 해수의 이송특성을 분석하였다.
모의 결과 7 의 파고를 지닌 기상해일의 경우 고립파에 비해 파마루가 우수관의 입구보다 높은 수위를 오랫동안 지속하면서 이로 인한 수위차로 해수가 역류하였다.
기상해일 발생 시 동반된 태풍의 강우량을 고려하는 경우, 고수위의 배수가 배수능력이 저하된 우수관내로 역류되고, 이어 맨홀과 우수받이를 통한 이차 범람이 파고 2 , 4 에서도 진행 될 것으로 판단된다.
고립파의 경우 기상해일 보다 빠른 속도로 높은 파고를 유지한 체 우수관으로 진행하였고 그 결과 우수관 입구에서는 고립파의 파압에 의해 해수가 급격하게 유입 하였다.
이로 인해 파고가 높을수록 고립파의 전파속도가 빨라짐에 따라 우수관내에서 발생하는 유속도 빠르게 진행하였고, 최대 유속도 급격하게 증가 하였다. 또한 초기 빠른 전파속도로 호안에서 처 오름으로 인한 일차 범람이 발생하였다. 이는 본 논문에서 수치모의 하고자 했던 우수 시스템을 통한 이차 범람 현상을 비교하기에는 다소 거리가 있었다. 수치모의 결과 기상해일의 경우 본 모의에서 7 파고 일 때 우수시스템을 통한 역류로 연안지역으로 이차 범람할 수 있음을 확인 하였고, 기상해일 발생 시 만조 시기와 겹쳐질 경우 본 모의에서 가장 큰 7 의 파고보다 낮은 파고에서도 우수시스템을 통한 역류로 연안지역이 침수 될 것으로 판단된다.


핵심용어: 기상해일, SANBA, SANDY, 고립파, 우수관, 일차 범람, 이차 범람

목차 (Table of Contents)

• 1. 서 론 1
• 2. 서해안 기상해일의 수리특성
• 2.1 기상해일의 생성기작 5
• 2.2 서해안 기상해일의 수리특성 6
• 3. 수치모형
• 3.1 기본방정식 9
• 4. 수치모의 및 결과
• 4.1 수치모형 검증 11
• 4.1.1 고립파(Solitary wave)론 11
• 4.1.2 수치모형 검증 및 결과 14
• 4.2 기상해일 재현 및 배수시스템 수치모의 17
• 4.2.1 송도운하 유출특성과 배수시스템 17
• 4.2.2 기상해일 및 고립파 조파 20
• 4.3 수치모의 결과 24
• 4.3.1 기상해일 수치모의 결과 24
• 4.3.2 고립파 수치모의 결과 35
• 5. 결 론 46
• 참고문헌 49
• Abstract 52
• 감사의 글 55