FLOW-3D를 이용한 댐 붕괴 시 인명 구조 시뮬레이션 – 어퍼 고트반드 댐 사례 연구
연구 배경 및 목적
문제 정의
- 대형 댐의 붕괴는 하류 지역에 심각한 홍수 피해를 초래하며, 인명 및 재산 손실이 발생할 위험이 큼.
- 기존 댐 붕괴 분석은 주로 1차원 모델을 사용하였으나, 복잡한 수리학적 특성을 반영하기 어려움.
- FLOW-3D를 이용한 2차원 및 3차원 수치 모델링을 통해 홍수 흐름을 보다 정확히 예측하는 것이 필요함.
연구 목적
- FLOW-3D를 이용하여 어퍼 고트반드 댐(Upper Gotvand Dam) 붕괴 시 홍수 시뮬레이션 수행.
- 홍수 진행 속도 및 침수 영향 범위를 분석하여, 인명 피해를 최소화할 수 있는 비상 대응 계획(EAP) 수립.
- 기존 수리 실험 및 다른 수치 모델과 비교하여 FLOW-3D 모델의 신뢰성을 검증.
연구 방법
대상 댐: 어퍼 고트반드 댐 (Upper Gotvand Dam)
- 이란 카룬(Karun) 강에 위치한 높이 182m의 대형 암석 및 토석 댐.
- 총 저수 용량 5.1 billion m³, 평균 연간 유량 13.3 billion m³.
- 하류 지역에는 고트반드(Gotvand) 및 쇼슈타르(Shushtar) 도시가 위치하여 홍수 위험성이 높음.
FLOW-3D 모델 설정
- VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
- Navier-Stokes 방정식 기반 유동 해석 적용.
- 격자 크기: 1000m × 159m 도메인에 대해 비균일 격자 적용.
- 경계 조건:
- 상류: 초기 저수지 용량(5.1 billion m³) 설정.
- 하류: 자유 방출 조건 적용 (dry bed).
- 벽면: No-slip 조건 적용.
시뮬레이션 수행
- 붕괴 시나리오: 댐이 순간적으로 완전 붕괴하는 조건으로 설정.
- 타임 스텝: 0.5초 간격으로 22.1초 동안 시뮬레이션 진행.
주요 결과
홍수 전파 속도 분석
- 붕괴 후 2.2초: 저수지 전면 수축 시작.
- 붕괴 후 9.5초: 홍수 흐름이 1km 하류까지 도달.
- 붕괴 후 10분 이내: 쇼슈타르(Shushtar) 도시까지 홍수 도달 예상.
유속 변화 분석
- 초기 저수지 내 유속: 0.002 ~ 0.361 m/s.
- 붕괴 후 홍수 흐름 속도 증가: 최대 41.8 m/s.
- 고트반드(Gotvand) 도시에 6분 이내 홍수가 도달할 것으로 예상됨.
비상 대응 계획(Emergency Action Plan, EAP) 수립
- 고트반드 및 쇼슈타르 지역에 대한 즉각적인 대피 명령 필요.
- 홍수 위험 지역 식별 및 대피 경로 설정.
- 홍수 도달 예상 시간을 고려한 경고 시스템 도입.
결론 및 향후 연구
결론
- FLOW-3D 기반 시뮬레이션을 통해 댐 붕괴 시 홍수 확산 및 유속 변화를 정량적으로 분석 가능.
- 홍수 전파 속도를 기반으로 실질적인 비상 대응 계획(EAP) 수립이 가능함.
- 하류 지역에 미치는 영향을 고려하여 방재 인프라 구축 필요.
향후 연구 방향
- 다양한 붕괴 시나리오(부분 붕괴, 점진적 붕괴) 분석.
- LES(Large Eddy Simulation) 적용을 통한 난류 해석 정밀도 향상.
- 다른 홍수 모델(HEC-RAS, TELEMAC)과의 비교 연구 수행.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D를 이용하여 대형 댐 붕괴 시 홍수 흐름을 예측하고, 인명 피해를 최소화하기 위한 비상 대응 계획을 수립한 연구로, 향후 댐 안전 관리 및 홍수 대비 시스템 구축에 기여할 수 있는 실질적 데이터를 제공하였다.
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