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Atkins가 라이게이트의 홍수 위험을 완화하기 위해 InfoWorks ICM에서 서로 다른 토양 유형에 대해 강우 유출을 모델링한 방식

우수, 하수, 홍수

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요약

지난 20년 동안 영국 남부 서리 카운티에 있는 라이게이트의 도심에서는 월리스 브룩 하천 범람, 지표수, 오수 범람이라는 복합적인 원인으로 인해 정기적으로 홍수가 발생했습니다. 이 상황을 해결하는 과정에서 가장 큰 문제는 개천 자체가 토사로 인해 막힌 것이었지만, 그 뿐만 아닌 복합적인 원인들을 모두 해결하길 원했습니다. 따라서, 문제 해결에 올바른 정보를 확보할 수 있도록 개천 안쪽과 주변의 토양뿐만 아니라, 해당 지역 전체의 다양한 종류의 토양에 대해 정확하게 파악할 수 있는 방법이 필요했습니다.

도로 폐쇄 사인이 있는 침수된 거리

[Description.] Photo courtesy of [credit].

하루 만에 한달 강우량의 절반에 해당하는 강우량 기록

2015년 8월 호우 사태로 인해 하루 동안 내린 강우량이 해당 지역 예상 월간 강우량의 거의 절반에 해당하는 37mm에 달하면서 도시 중심부의 상점과 도로가 침수되어 주택과 요양원에 대한 접근이 제한되었습니다. 이 사태로 인해 서리 주의회(SCC)에서는 세계에서 가장 인정받는 설계, 엔지니어링, 프로젝트 관리 컨설턴트 중 하나인 Atkins에 라이게이트에 대한 홍수 완화 연구 수행을 의뢰하게 되었습니다.

Atkins의 엔지니어링, 설계 및 프로젝트 관리 팀의 수압 모델러인 Ruchi Sayal은 InfoWorks ICM을 이용해 지표수 및 오수 구성요소가 포함된 하천의 포괄적 유역 모델을 작성했습니다. Ruchi의 목표는 근처의 연못 및 기타 수로 구조물과 함께 월리스 브룩과 그 지류인 몰 강에 대한 데이터를 취합하는 모델을 작성하는 것이었습니다.

LiDAR 데이터를 사용하여 지표면의 특징을 보여주는 2D 지면 메쉬 모델을 작성하여 기반을 마련했으며, 지표수와 오수 모두를 위한 배수 시스템을 더해 그림을 완성했습니다.

침투 모델 그래프

Green Ampt 침투 모델의 2구역 표현

침투 모델 접근 방식 결정

토양에 빗물이 침투하는 것은 직접적인 강우 유출의 영향을 모델링하는 데 중요한 고려 사항입니다. 토양의 구체적인 특성을 이해하는 것은 빗물이 유역에 어떻게 침투하는지 예측하는 데 중요한 역할을 합니다.

InfoWorks ICM은 Horton, Green Ampt, 고정 침투, 지속 침투 등 여러 침투 모델을 활용하여 유역의 침투를 계산합니다. Ruchi는 Green Ampt를 선택했습니다. "Green Ampt는 폭넓은 범위의 토양 특성을 고려합니다. 이를 통해 유역을 보다 사실적으로 표현할 수 있습니다."라고 Ruchi는 설명하며 다음을 덧붙였습니다. "또한 Green Ampt는 환경청을 위해 건설된 인근 지역의 유역 모델에 사용되었으며, 이는 실제 조건에 맞게 보정되었습니다."

이들은 영국의 광범위한 토양 분포를 파악하는 데 도움이 되는 BGS(British Geological Survey) 웹 사이트의 데이터로 시작했습니다. 그런 다음, 라이게이트의 토양 구성을 확대하여 인접 유역의 지질 상태와 비교했습니다.

추가 정보를 적용하여 모델 조정

수리 전도도는 물이 토양에 침투하는 속도로, 점토와 같은 불투과성 토양 유형은 낮은 숫자를 나타내며 사토질에 가까운 토양일수록 높은 물 전도도를 나타냅니다. Green Ampt 매개변수가 라이게이트 유역의 점토질 양토에 해당하므로 초기에 유역 전체에 이러한 매개변수를 적용했습니다. 시간당 약 2mm의 낮은 수리 전도도가 계산되었습니다.

과거의 홍수 사태를 확인하는 것은 모델의 신뢰도를 확립하는 데 매우 중요했습니다. 하지만 라이게이트 유역에 대한 게이지 데이터가 한정적이었으므로 과거의 홍수 사태를 기반으로 이를 완전히 보정할 수는 없었습니다. 초기 모델 결과를 일반 과거 데이터와 비교할 때 예상 지역이 홍수에 대해 모델링되었습니다. 하지만 홍수 발생 확률이 20%(연간 확률 1/5)인 경우 이 모델에서는 30개가 넘는 건물이 내부적으로 1m 넘게 잠기는 것으로 나타났습니다. 이 광범위하고 주기적이며 심각한 홍수는 비현실적인 것으로 간주되었습니다.

이들은 유역 내부의 여러 토양 유형을 더욱 자세히 조사하기로 결정했습니다. BGS 웹 사이트에서 확인된 현지 천공은 유역의 남쪽 부분에 첫 번째 모델링 분석의 기초를 형성했던 점토질 양토보다 더 사토질에 가까운 토양이 있음을 나타냈습니다. 이 추가 정보로 인해 수리 전도도 값이 점토질 양토에 해당하는 시간당 약 2mm에서 사토질 점투에 해당하는 시간당 약 128mm로 변경되었습니다.

업데이트된 모델 결과는 제대로 검증되었으며 예상 지역이 홍수에 대해 모델링되었습니다. 하지만 5%(연간 확률 1/20)의 강우 확률을 적용해도 과거에 라이게이트 중심부에서 관찰되었던 유의미한 흐름 경로가 활성화되지 않았습니다.

"전체 그림을 시각화하는 것은 어려울 수 있지만 ICM은 유역의 홍수 위험을 확인하는 데 매우 유용했습니다. 처음에는 모델이 제대로 실행될지 회의적이었지만 원활히 실행되었습니다. ICM의 안정성이 정말 인상 깊었습니다."

—Ruchi Sayal, Atkins 수압 모델러

'Goldilocks' 솔루션에 대해 토양 유형 심도 분석

이번에는 라이게이트 중심부에 있는 유역의 도시 특성을 참작하기 위해 모델 조정의 세 번째 단계를 수행하기로 결정했습니다. 여기서 토양은 압축되어 침투율에 영향을 미칠 수 있습니다. 유역은 세 부분으로 나뉘었습니다. 맨 위의 북쪽 부분은 점토질 양토였고 하단인 남쪽 부분은 BGS에서 천공으로 확인된 바와 같이 사토질에 더 가까운 토양이었고 중간의 넓은 부분은 도심의 도시 특성을 보여주었습니다.

이 마지막 설정에서는 다양한 토양뿐만 아니라 토양 압축, 시공, 도시화가 수리 전도도에 미치는 영향에 맞게 매개변수에 변화를 주었습니다. 이러한 요인이 침투율을 70~80% 줄일 수 있음을 시사하는 연구를 참고하여 Ruchi는 이 지역 전체의 침투에 영향을 미칠 가능성이 있는 세 가지 토양 유형을 토대로 유역을 모델링했습니다.

토양 유형이 강우 유출 침투에 미치는 영향을 좀 더 자세히 살펴보기로 한 Richi의 결정은 성과가 있었습니다. 수정된 모델의 결과는 제대로 검증되었습니다. 예상 지역이 홍수에 대해 모델링되었고, 침수 깊이는 보고된 홍수 사건으로 검증되었습니다.

유역 전체에 걸쳐 균일한 토양 유형을 활용한 첫 번째 모델에서는 모든 홍수 완화 솔루션에서 전도도가 낮은 토양만 고려했을 것입니다. 토양에 침투하는 유출량이 너무 낮아서 모든 솔루션이 실제로 그런 경우보다 더 많은 물을 처리하도록 과도하게 엔지니어링되었을 것입니다. 과대평가된 위험은 모델의 신뢰성을 저하시키고 계획을 정당화하는 데 사용되는 근거 기반을 약화시킬 수 있어 위험에 처한 지역 사회와의 컨설팅을 더욱 어렵게 할 수 있습니다.

두 번째 모델은 토양 유형을 구분하기는 했지만 중앙의 넓은 부분이 높은 수준의 침투를 나타냈고 이는 현실을 반영하지 않는 것입니다. 이것은 홍수 위험을 과소평가하는 결과로 이어질 수 있고 건물에 대한 잠재적 손상이 뒤따를 수 있습니다.

세 번째 모델 설정인 'Goldilocks' 솔루션은 올바른 것으로 입증되었습니다. 이는 유역 전체의 실질적인 상황을 나타냈으며 홍수 위험 지역과 메커니즘에 대한 더욱 정확한 정보를 제공했습니다. 이에 대해 Ruchi는 다음과 같이 말했습니다. "모델러는 항상 자신이 보유한 데이터를 최대한 활용하는 방법과 탐구할 세부 수준에 대해 결정해야 합니다. 라이게이트 ICM은 확신할 수 있는 결과를 제공하는 모델을 작성하기 위해 충분한 세부 사항을 포함하는 것과 비율을 유지하는 것 사이에서 올바른 균형을 찾아야 한다는 핵심적인 과제를 제시했습니다."

성공적인 모델은 고객 만족으로 이어집니다

Atkins는 InfoWorks ICM의 오랜 사용자이며, Ruchi는 다양한 유형의 소프트웨어에 능숙한 수압 모델러이지만 InfoWorks ICM은 이때 처음으로 사용했습니다. Ruchi는 InfoWorks ICM을 사용하자마자 깊은 인상을 받고는 이렇게 말했습니다. "이러한 대규모 유역은 복잡합니다. 처음에는 모델이 제대로 실행될지 회의적이었지만 원활히 실행되었습니다. ICM의 안정성이 정말 인상 깊었습니다."

모든 것을 한 자리에 모을 수 있다는 것은 큰 도움이 되었습니다. "전체 그림을 시각화하는 것은 어려울 수 있지만 ICM은 홍수 위험을 확인하는 데 매우 유용했습니다. InfoWorks ICM은 유역에서 모든 것의 위치를 보여줍니다."라고 Ruchi는 설명하며 다음과 같이 말했습니다. "ICM에서 스크립트를 사용자화할 수 있는 도구를 통해 작업 속도와 효율성을 높일 수 있었습니다."

Ruchi가 성실히 수행한 작업은 모두 서리 주의회의 호응을 얻었습니다. Ruchi는 "그들은 모델의 결과에 만족했습니다. 우리가 InfoWorks ICM을 이용해 진행한 작업은 최상의 결과를 얻기 위해서는 최상의 모델링 도구를 사용하는 것이 당연하다는 사실을 보여주었습니다."라고 말했습니다.

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