[논문 리뷰] Urban Flood Drifters (UFDs): identification, classification and characterisation

Arnau Bayón, Daniel Valero외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 04.

Flood Risk Assessment and ManagementEnvironmental Science인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 홍수 시 배수로를 막고 침수를 악화시키는 이동성 도시 물체인 도시 홍수 떠도는 물체(UFDs)를 도입한다. 1999~2023년 사이 63개의 세계적 홍수에서 확보한 270장의 홍수 후 사진을 분석하여 UFD를 유형, 재질, 안정성 기준으로 분류한 결과, 플라스틱, 건설 폐기물, 나무가 각각 50~60%를 차지하며 지배적임을 밝혀냈다. 자동차는 31.5%의 사진에 등장했다. 새로운 안정성 다이어그램은 부력과 항력에 의해 주도되는 이동성 특성을 규명하여, 이전에 간과되었던 고위험 물체인 캠핑카와 가구의 위험성을 드러냈다.

ABSTRACT

Extreme floods threaten lives, assets and ecosystems, with the largest impacts occurring in urbanised areas. However, flood mitigation schemes generally neglect the fact that urban floods carry a considerable amount of solid load. In this study, we define Urban Flood Drifters (UFDs) as loose objects present in the urban landscape that can become mobile under certain flow conditions, thereafter blocking drainage infrastructure and endangering both downstream and upstream communities. Based on 270 post-flood photographic records from 63 major inundations of the past quarter-century across 46 countries, we provide a comprehensive analysis of UFDs and their flood-hazard implications. We show that a variety of vehicles, furniture and a heterogeneous mixture of drifters are present in post-flooding scenarios. Plastic, construction debris and wood (natural or anthropogenic) dominate the statistics of transported drifters in urban floods (with frequencies of roughly 50-60% each), followed by cars (present in 31.5% of post-flood images). Other heavy vehicles are readily observed in post-flood imagery and furniture such as bins, garden sheds or water tanks also appear occasionally, therefore suggesting that they can play a relevant role in extreme floods.

연구 동기 및 목표

• 홍수 기간 동안 이동성이 발생하는 도시 물체, 즉 도시 홍수 떠도는 물체(UFDs)를 그 물리적 및 기능적 특성에 기반해 식별하고 분류하는 것.
• 다양한 세계적 도시 환경에서 홍수 후 상황에서 UFD의 퍼짐과 재질 조성을 정량화하는 것.
• 유속 조건이 다양할 때 UFD의 유체역학적 안정성 특성을 평가하여 부력과 항력에 의해 주도되는 이동성의 차이를 구분하는 것.
• 도시 계획자가 높은 위험도를 가진 UFD를 우선적으로 대응할 수 있도록 도와주는 안정성 다이어그램을 개발하는 것.
• 가구, 나무, 플라스틱 폐기물 등 차량 외의 UFD가 홍수 위험과 인프라 차단을 증가시키는 데 간과된 역할을 하는 것을 부각하는 것.

제안 방법

• 1999년부터 2023년까지 46개 국가에서 발생한 63건의 주요 도시 홍수에서 공공 미디어 및 재난 보고서를 통해 확보한 270장의 홍수 후 사진 기록을 수집함.
• 기능, 재질, 기하학적 형태를 기준으로 10개 범주로 UFD를 분류하였으며, 표준화된 분류 체계(표 2)를 사용함.
• 각 UFD 유형의 빈도와 확산도를 사진 기반으로 정량화하여 발생 빈도율(예: 31.5%의 사진에 자동차 포함)을 계산함.
• 항력과 부력을 고려한 유체역학적 안정성 분석을 적용함: F_drag = 0.5 × ρ × C_D × A × v² 및 F_buoy = ρ × g × V_displaced이며, 단순화를 위해 C_D = 1 및 φ1 = φ2 = 1을 사용함.
• 비상 유속 조건(예: h = 0.2–0.5 m, v = 1–3 m/s)을 기반으로 안정성 다이어그램(그림 7)을 생성함.
• 유속 깊이, 유속, 기하학적 요소(φ1, φ2)에 대한 민감도 분석을 수행하여 다양한 UFD 유형에 대한 안정성 예측의 탄력성 평가함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 홍수 시 가장 자주 이동성이 발생하는 도시 물체의 유형과 재질은 무엇이며, 홍수 후 사진에서 얼마나 퍼져 있는가?
• RQ2 특히 부력과 항력에 의해 주도되는 UFD의 유체역학적 안정성 특성은 자동차와 비교해 다른 물체 유형에서 어떻게 다를까?
• RQ3 크기, 질량, 끼움 경향성 측면에서 인프라 차단 가능성이 가장 높은 UFD 유형은 무엇인가?
• RQ4 일반적인 홍수 조건에서 가구, 플라스틱, 나무와 같은 비차량 UFD는 자동차보다 얼마나 더 불안정한가?
• RQ5 모든 UFD를 주로 작용하는 불안정성 힘(부력 대 항력) 기반으로 분류할 수 있는 통합 안정성 다이어그램을 개발할 수 있는가? 이는 도시 홍수 위험 계획에 도움이 될 수 있는가?

주요 결과

• 플라스틱 폐기물, 건설 자재, 나무(자연적 또는 인위적)가 가장 흔한 UFD로, 전체 사진의 50~60%에 등장하였으며, 90%의 사진에서 이들 재질 중 최소 하나 이상이 포함되어 있었다.
• 자동차는 홍수 후 사진의 31.5%에서 관찰되었으며, 가장 자주 기록된 UFD 유형이었지만, 대형 차량(밴, 캠핑카, RV 등)과 중량 차량은 자동차의 41% 수준의 빈도로 나타나며 더 높은 차단 가능성을 지녔다.
• 도시 및 주거용 가구(예: 쓰레기통, 정원 창고, 물탱크 등)는 무시할 수 없는 수준의 사진에 등장하여, 중요한 위험 기여 요소임에도 불구하고 여전히 연구가 부족한 것으로 나타났다.
• 캠핑카와 RV는 자동차보다 부력에 더 민감하여 낮은 수심에서 불안정해져 이동성 위험이 더 높게 나타났다.
• 대부분의 UFD, 특히 가구와 대형 차량은 자동차보다 항력에 더 민감하거나 부력에 의해 떠오르기 쉬운 경향이 있어, 이전에 간과되었던 고위험 물체의 광범위한 군집임을 시사했다.
• 안정성 다이어그램(그림 7)은 임계 유속 조건(예: h = 0.3 m, v = 2 m/s)에서 부력에 의해 주도되는 불안정성이 많은 UFD, 특히 부피 대 질량 비율이 높은 물체들이 중간 수준의 홍수에서도 조기에 이동할 수 있음을 드러내어, 중간 수준 홍수 상황에서의 조기 이동 가능성에 대한 경고를 제공했다.