[논문 리뷰] Use of 3D classified topographic data with FullSWOF for high resolution simulation of a river flood event over a dense urban area

Morgan Abily, Olivier Delestre외 5명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 24.

Flood Risk Assessment and Management참고 문헌 8인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 프랑스 니스에서 2010년에 항공 사진측량을 통해 확보한 고해상도(0.2 m 정밀도) 3차원 분류 지형자료를 활용하여 도심지역의 강홍수 유역홍수를 FullSWOF_2D 유한부피해법으로 시뮬레이션할 수 있음을 입증한다. 이 방법은 상부 구조물의 세부 정보를 통합함으로써 홍수 범람 범위, 수심 및 유속의 정확한 모델링을 가능하게 하며, 분류된 DSM을 사용할 경우 전통적인 2D SWE 모델보다 더 높은 시뮬레이션 정밀도를 보인다.

ABSTRACT

High resolution (infra-metric) topographic data, including photogram-metric born 3D classified data, are becoming commonly available at large range of spatial extend, such as municipality or industrial site scale. This category of dataset is promising for high resolution (HR) Digital Surface Model (DSM) generation, allowing inclusion of fine above-ground structures which might influence overland flow hydrodynamic in urban environment. Nonetheless several categories of technical and numerical challenges arise from this type of data use with standard 2D Shallow Water Equations (SWE) based numerical codes. FullSWOF (Full Shallow Water equations for Overland Flow) is a code based on 2D SWE under conservative form. This code relies on a well-balanced finite volume method over a regular grid using numerical method based on hydrostatic reconstruction scheme. When compared to existing industrial codes used for urban flooding simulations, numerical approach implemented in FullSWOF allows to handle properly flow regime changes, preservation of water depth positivity at wet/dry cells transitions and steady state preservation. FullSWOF has already been tested on analytical solution library (SWASHES) and has been used to simulate runoff and dam-breaks. FullSWOFs above mentioned properties are of good interest for urban overland flow. Objectives of this study are (i) to assess the feasibility and added values of using HR 3D classified topographic data to model river overland flow and (ii) to take advantage of FullSWOF code properties for overland flow simulation in urban environment.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 3차원 분류 지형자료를 활용하여 도시 환경에서 강홍수의 지면홍수를 시뮬레이션하는 데의 가능성과 이점 평가
• 세부 지형 입력 자료를 활용한 복잡한 도시 홍수 역학을 모델링하는 데서 FullSWOF_2D 코드의 성능 평가
• 유압 모델링을 위한 목적에 맞춘 고해상도 디지털 표면모델(DSM)을 분류된 3차원 자료에서 생성하는 방법론 개발
• 특히 자료 정확도, 분류 오류 및 계산 자원 요구량과 관련된, 분류된 3차원 자료를 활용한 도시 홍수 시뮬레이션의 주요 기술적·수치적 과제 규명
• 도시 규모의 정확한 홍수위험도 작성에 있어 세밀하고 분류된 지형자료의 중요성 강조

제안 방법

• 2010년 프랑스 니스에서 항공 사진측량을 통해 확보한 고해상도 3차원 분류 지형자료(0.2 m 정밀도)를 주요 지형 입력 자료로 사용
• 유압 모델링에 적합한 다수의 고해상도 디지털 표면모델(DSM) 카테고리 생성을 위해 자료를 처리
• 보존형 2차원 얕은수방정식 기반의 유한부피해법인 FullSWOF_2D를 강홍수 시뮬레이션에 적응
• 수치 모델은 정규 카르테시안 격자와 수압 재구성 기법을 적용하여 잘 균형 잡힌 해와 습건 전환을 견고하게 처리함
• 1994년 바르 강 홍수 사건을 시뮬레이션하기 위해 피크 유량 3700 m³/s를 갖는 합성 유량곡선 적용
• 지면 유역 영역에서는 맨닝-스트리클러 흐름저항 계수를 공간적으로 균일하게 설정하였으며, 다리 기둥은 명시적으로 모델링하지 않음

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 DSM에 비해 고해상도 3차원 분류 지형자료의 사용이 도시 강홍수 시뮬레이션 정확도에 상당한 향상을 이끌 수 있는가?
• RQ2 세부적인 상부 구조물을 포함한 복잡한 도시 지형에서 FullSWOF_2D 코드는 지면홍수 흐름을 어떻게 시뮬레이션하는가?
• RQ3 도시 규모 이하의 해상도에서 분류된 3차원 지형자료를 활용한 홍수 모델링 시 주요 기술적 및 자료 관련 제약 조건은 무엇인가?
• RQ4 분류 오류 및 자료 처리 오염물이 도시 환경의 홍수 시뮬레이션 결과에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ5 분류된 3차원 자료에서 유압 모델링 목적에 최적화된 고해상도 DSM을 체계적으로 생성할 수 있는 방법론을 수립할 수 있는가?

주요 결과

• 3차원 분류 지형자료의 사용은 건물, 벽, fencing과 같은 미세한 상부 구조물을 포함시켜 지면유량 패턴에 상당한 영향을 미침
• FullSWOF_2D는 습건 전환 지점에서 수심의 양수성과 균형 잡힌 상태를 잘 유지하여 홍수파가 전파되는 동안 수치적 안정성을 확보함
• 시뮬레이션은 최대 수심 및 유속의 세밀한 지ap을 생성하여 고해상도 홍수위험도 평가 능력을 입증함
• 주요 제약 조건은 사진측량 시 수중 존재로 인해 강저 깊이가 과소평가되어 강의 횡단면적에 0.1–0.2 m 감소
• 다리 기둥이 3차원 분류 자료에 포착되지 않아 강의 수용 능력이 과대평가되고 교량 근처 홍수 수위가 낮게 평가될 가능성이 있음
• 흡수 가능한 구조물(예: fencing)이 투과 불가능한 벽으로 잘못 분류되는 오류로 인해 유량 경로 예측에 상당한 불확실성 발생