지표-토양 내 물질 거동 모형의 구축

안현욱 ( Hyunuk An ) 한국농공학회 2013 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2013 No.-

토양내의 물질 거동 모형은 오염물질의 이동현상을 모의하기 위해서 널리 사용되고 있다. 하지만 토양의 오염물질은 토양 내부에서만 이동하는 것이 아니라 종종 강이나 저수지 또는 호수와 같은 지표수와 만나서 유출이 되거나 유입이 되기도 한다. 이와 같은 오염물질의 유입, 유출은 지표수와 토양 내부의 오염물질 농도에 따라서 복잡하게 거동하고, 이와 같은 현상을 재현/예측 하기 위해서는 지표에서의 물질거동과 토양에서의 물질거동을 함께 해석할 수 있는 모형이 필요하다. 본 연구에서는 지표수-지하수 통합연계 모형을 기초로 모형상에서 물질거동을 모의할 수 있도록 모형을 확장하였다. 지하수의 해석에는 3D Richards 방정식을, 지표수의 해석에는 2D Diffusion wave 방정식을 사용하였으며 물질거동은 3D 이송-확산(advection-diffusion) 방정식을 사용하여 모형을 구축하였다. 좌표변환법(coordinate transformation method)을 이용하여 유한체적모형을 구축함으로서 복잡한 형상의 지형을 비직교격자상에서 효율적으로 모의할 수 있도록 하였다. 기본적인 벤치마크 테스트를 실시하여 모형을 검증하였다. 향후 실제 오염물질 거동을 모의하여 모형의 추가적인 검증을 실시할 예정이다. 본 연구에서 구축된 모형은 지표수와 토양내 오염물질의 상호작용이 있는 복잡한 현상을 모의하는 데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

산사태 발생 예측을 위한 시변 사면안정해석 모형의 개발

안현욱 ( Hyunuk An ),노재경 ( Jaekyoung Noh ) 한국농공학회 2015 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2015 No.-

산사태 발생 예측은 재해를 예방하고 대처하기 위한 가장 근본적이며 효과적인 방법이나, 급격한 과학기술의 발전에도 불구하고 아직 산사태의 발생 장소와 시기를 예측하는 것은 매우 어려운 상태이다. 산사태 발생 예측 기법은 크게 경험론적 지수기법, 통계적 해석기법, 물리적 해석기법으로 나뉠 수 있다. 이 세 방법은 각기 장단점이 있으나 일반적으로 후자로 갈수록 많은 데이터가 요구되고, 해석에 시간이 필요하며, 보다 신뢰할만한 결과를 도출할 수 있다. 경험론적 지수기법은 국내에서 실무적으로 널리 활용되고 있으며, 통계적 해석기법에 관한 연구도 다수 수행되었다. 하지만 이 두 방법론은 일정량 또는 일정강도 이상의 강우 발생 시 산사태의 발생 위험도를 공간적으로 예측할 수 있으나, 산사태의 발생 시점과 연속적인 강우량 또는 강우강도의 관계를 정량적으로 분석하기 힘든 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 최근 무한사면안정모형과 토양수분침투 모형을 결합한 시변 사면안정모형들이 활용되기 시작하였다. 대표적으로는 TRIGRS가 있으며, 침투현상을 1차원적으로 단순화하여 해석한 후 토양수분량을 무한사면안정모형에 반영하여 시변적인 사면안정도를 해석하고 있다. 본 연구에서는 지형의 영향을 반영하고 장기간 사면안정예측을 위해, 준3차원 토양수분모형과 무한사면안정해석 모형을 결합한 시변 사면안정해석모형을 개발하였다. 개발한 모형은 2011년 우면산 산사태에 적용되었고, 산사태 발생 위치 및 시점이 실제 사상과 유사하게 모의되었다.

MLP기법을 적용한 천수흐름의 수치모의

안현욱(An Hyunuk),유순영(Yu Soonyoung) 대한토목학회 2012 대한토목학회논문집 B Vol.32 No.2B

천수방정식의 수치모형에 MLP(Multi-dimensional Limiting Process)기법을 적용한 후 수치모의를 통해 MLP의 수치진동 제어 성능을 검증하였다. MLP기법은 2,3차원에서 기존의 TVD 제어자(limiter)들보다 안정적이며 정확한 수치모의를 가능하게 한다. 다차원에서 정확하고 안정적이니 수치모의가 가능하도록 개발된 MLP기법은 압축성 유체를 표현하는 2,3차원 오일러 방정식에 적용되어 기종의 제어자들에 비해 그 뛰어난 성능이 검증된 바 있다. 하지만 천수방정식에 적용된 예는 없으며, 이데 본 연구는 천수방정식에 MLP를 적용하고 천수방정식 수치모형 검증에 주로 사용되는 수치모의를 통해 MLP의 진동 제어 성능을 검증하였다. 모의 결과, MLP는 2차원 천수방정식에 있었어도 기존의 제어자들과 비교하여 수치진동을 보다 잘 제어하는 것으로 판단된다. MLP사용으로 인해 불연속면 근처에서 정확도가 향상되었고 수치진동이 발생하지 않아 보다 안정적인 모의가 하게 되었다. MLP(Multi-dimensional Limiting Process)is implemented to simulate shallow water flows, and its performance over conventional TVD limiters in multidimensional flows is verified through several numerical simulation. MLP was developed to control oscillations for multi-dimensional compressible flows and proved to improve accuracy, efficiency and robustness in compressible flows. In this study, we applies MLP to modeling shallow water equations(SWEs)given that the SWEs are amenable to be solved using the large range of numerical methods developed to deal with compressible flows and MLP has been yet used for SWEs. Simulation results through the benchmark tests show that MLP has favorable features such as numerical oscillation control and convergence behaviors comparable to the conventional limiters. Both numerical accuracy and stability are improved in multi-dimensional discontinuous flows.

산사태 모형 TiVaSS의 지진모듈 개발

안현욱 ( Hyunuk An ),김민석 ( Minseok Kim ),이기하 ( Giha Lee ),김연수 ( Yeonsu Kim ) 한국농공학회 2017 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2017 No.-

산사태의 주요 발생 원인은 크게 강우와 지진으로 분류될 수 있다. 그 중 강우에 의한 산사태 발생예측은 널리 이루어지고 있으나 지진에 의한 산사태 발생 예측 및 분석은 거의 이루어지지 않고 있다. 그 이유로는 국내에 산사태를 발생시킬만한 큰 규모의 지진이 거의 발생하지 않고 있었다는 점을 들 수 있다. 하지만 2016년에 경주지역에 강도 5.8의 지진이 발생하면서 국내에서도 지진에 대한 대비책을 마련해 두어야 할 필요성이 커지고 있다. 그 중 본 연구에서는 산사태 모형에 지진의 영향을 반영할 수 있는 모듈을 개발하고자 하였다. 산사태 발생 예측은 재해를 예방하고 대처하기 위한 가장 근본적이며 효과적인 방법 중 하나이다. 산사태 발생 예측 기법은 크게 경험론적 지수기법, 통계적 해석기법, 물리적 해석기법으로 나뉠 수 있다. 이 세 방법은 각기 장단점이 있으나 일반적으로 후자로 갈수록 많은 데이터가 요구되고, 해석에 시간이 필요하며, 보다 신뢰할만한 결과를 도출할 수 있다. 본 연구진에서는 지형의 영향을 반영한 사면안정예측을 위해, 근래에 3차원 토양수분모형과 무한사면안정해석 모형을 결합한 시변 사면안정해석모형 TiVaSS(Time-varient Slope Stability Model)를 개발하였다. TiVaSS는 현재 국내외 여러 지역에 성공적으로 적용되고 있으며 본 연구에서는 지진의 영향을 고려할 수 있는 모듈을 추가하였다. 지진에 의한 산사태 발생 예측 방법은 크게 두 분류로 나눌 수 있다. 첫 번째 방법은 사면에 대한 역학적인 분석을 기초로 한 정적인 방법이며 넓은 범위의 분석에 적합한 방법이다. 두 번째 방법은 특정 사면을 탄성체로 보고 동적인 역학분석을 수행하는 방법이다. 본 연구에서는 TiVaSS 모형과의 연계를 위해 첫 번째 방법을 사용하여 지진의 영향을 반영하였다.

토석류 수치 소프트웨어의 개발

안현욱(An, Hyunk) 한국지반환경공학회 2016 한국지반환경공학회 학술발표회논문집 Vol.2016 No.9

적응적 격자와 분할격자 기법을 이용한 도시홍수 모의

안현욱 ( Hyunuk An ),노재경 ( Jaekyoung Noh ) 한국농공학회 2015 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2015 No.-

과학기술의 급격한 발전에도 불구하고, 이상기후는 최근 들어 더욱 예측하기 어려운 방향으로 진행되고 있으며, 이로 인한 가뭄 및 홍수 등 수재해의 강도 및 빈도는 뚜렷하게 증가하고 있는 추세이다. 도시유역에서 발생하는 홍수는 배수지체로 인한 내수침수가 대부분이며 이러한 현상을 해석하기 위해서는 우수관망현상과 범람현상을 동시에 해석하여야 한다. 국내에서는 우수관망 모형인 SWMM과 범람해석모형인 FLUMEN을 같이 사용하거나, 두 해석 모듈이 모두 포함된 XP-SWMM이 주로 도시홍수 모의에 활용되고 있다. 본 연구에서는 적응적 격자와 분할격자 기법을 사용하여 범람모형을 개선하고자 하였다. 도시지역의 홍수범람양상은 복잡한 지형과 건물들로 인해 매우 복잡하며 이러한 현상은 일반적으로 도시홍수 모의에서는 무시되고 있다. 건물의 영향을 고려한 격자생성 및 지형처리기법들이 소개되었으나 전처리의 및 격자생성의 어려움으로 인해 손쉽게 활용되기 어렵다는 한계가 존재한다. 본 연구에서는 적응적 격자분할 기법과 분할격자기법을 활용해 폴리곤 또는 폴리라인으로 구성된 다수의 건물이 격자상에 반영될 수 있도록 모듈을 개발하였다. 2011년 사당에서 발생한 도시홍수를 대상으로 모의를 수행하였고 사당유역의 18000여 건물을 격자상에 반영하였다. 이러한 상세한 모형화가 도시홍수범람양상에 얼마나 영향을 미치는 지 분석하였다.

침식을 고려한 토석류 수치모의

안현욱 ( Hyunuk An ) 한국농공학회 2014 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2014 No.-

기후변화가 어떠한 방향으로 일어날 지는 차치하고, 현재 기후변화가 일어나고 있는 것은 분명해 보인다. 특히 우리나라의 경우 강우가 보다 시간적 공간적으로 집중되는 경향이 나타나고 있으며 이로 인해 여름철 도시홍수, 산사태와 같은 재해에 더욱 취약해 질 것으로 예상된다. 산사태는 홍수나 태풍과 같은 재해보다 좁은 범위에 피해가 집중되고 일단 발생하면 인적/물적으로 치명적인 피해가 발생하며, 빠른 시간에 피해가 발생하는 특징이 있다. 따라서 산사태의 발생을 실시간으로 예측하여 주민을 대피시키거나 대응책을 마련하는 것은 거의 불가능하며, 산사태가 자주 발생하는 지역을 대상으로 대응책을 미리 마련해 둘 필요가 있다. 산사태에 관한 연구는 크게 분류하여 어떤 지역에서 산사태가 발생할 지에 관한 연구와 일단 발생한 산사태가 어떻게 토석류로 변하여 흘러갈지에 관한 연구로 구분할 수 있다. 본 연구는 그 중 토석류모의에 관한 연구를 수행하였으며, 국외에서 널리 사용되고 있는 천수방정식 타입의 모형을 기초로 토석류에 의한 침식효과를 추가적으로 고려하였다. 초기에 상단부에서 발생한 토석류는 침식에 의해 중하류로 갈수록 점점 그 양과 속도가 커지며 하류로 전파된다. 따라서 침식은 토석류의 피해예측 시 반드시 고려해야할 중요한 과정이나 현재 국내외에서 널리 사용되고 있는 수치 모형들 중 침식효과를 고려하고 있는 모형은 극소수이다. 본 연구에서는 침식효과를 고려해서 보다 물리적인 토석류 모형을 구축하고자 하였으며, 유한체적법을 통하여 시공간 2차 정확도를 유지할 수 있도록 무형을 구축하였다. 모형의 기초적인 성능검증을 위해서 실내실험과 2011년 우면산 산사태를 모의하였으며 양호한 모의결과를 얻을 수 있었다.

적응적 격자기반 토석류 모형 개발

안현욱 ( Hyunuk An ) 한국농공학회 2016 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2016 No.-

국내의 토석류는 대부분 강우로 인해 촉발되며, 기후변화로 인해 점점 더 극한강우가 늘어날 전망으로 토석류의 빈도도 증가할 것으로 예상되고 있다. 국내의 경우 토석류가 발생할 수 있는 산지지역이 서울, 부산, 대구 등 대도시 또는 주거지인근에 분포하고 있는 경우가 많아 재산피해 뿐만 아니라 인명피해도 발생할 수 있으므로 토석류에 대한 지속적인 연구개발이 필요하다. 토석류 모형의 해석격자는 모형의 정확도에 큰 영향을 미치며 특히 직교격자는 건물 및 구조물의 표현에 한계가 존재하나 현재 구축된 대부분의 토석류 수치모형은 직교격자기반으로 구축되었다. 일반적으로 FDM 기반의 수치모형은 직교격자를 사용하며, 이러한 모형은 모형을 구축하기 쉽다는 장점이 있는 반면, 복잡한 지형을 표현하기 어려우며, 계산효율이 떨어지는 단점 존재한다. FEM 또는 FVM 기반의 수치모형은 삼각형 격자를 사용할 수 있으며, 이러한 경우 복잡한 지형을 효율적으로 표현할 수 있으나 지형이 복잡해질수록 격자 생성에 많은 시간과 노력이 필요하다는 단점이 있다. 직교격자와 삼각형 격자의 장단점을 고려하여 직교격자상에서 보다 효율적으로 격자생성을 하는 적응적 메쉬세분화기법(adaptive mesh refinement method)과 분할격자기법(cut cell method)이 존재한다. 1990년대 주목받기 시작하여 2000년대 이르러 천수방정식에 적용되기 시작한 이 방법은 고정 확도 수치기법들을 비교적 용이하게 모형에 적용할 수 있는 직교격자의 장점을 가지면서, 비구조격자 및 구조곡선격자와 비교하여 복잡한 지형의 격자를 쉽게 생성가능하다. 또한 모의 중에 격자를 재구성하여 정밀한 해상도가 필요한 영역만을 고해상도로 표현하는 동적 적응적 메쉬세분화기법을 활용하여 매우 효율적인 계산이 가능하다. 본 연구에서는 이러한 적응적 메쉬세분화기법을 도입하여 효율적이며 정확한 적응적격자를 기반으로 한 토석류 수치모형을 개발하고자 한다.

시변 사면안정해석 모형 TiVaSS의 GUI 개발

안현욱 ( Hyunuk An ) 한국농공학회 2016 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2016 No.-

산사태 발생 예측은 재해를 예방하고 대처하기 위한 가장 근본적이며 효과적인 방법이나, 급격한 과학기술의 발전에도 불구하고 아직 산사태의 발생 장소와 시기를 예측하는 것은 매우 어려운 상태이다. 산사태 발생 예측 기법은 크게 경험론적 지수기법, 통계적 해석기법, 물리적 해석기법으로 나뉠 수 있다. 이 세 방법은 각기 장단점이 있으나 일반적으로 후자로 갈수록 많은 데이터가 요구되고, 해석에 시간이 필요하며, 보다 신뢰할만한 결과를 도출할 수 있다. 경험론적 지수기법과 통계적 해석기법에 관한 다수의 연구가 수행되었으나 이 두 방법론은 산사태의 발생 시점과 연속적인 강우량 또는 강우강도의 관계를 정량적으로 분석하기 힘든 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 최근 무한사면안정모형과 토양수분침투 모형을 결합한 시변 사면안정모형들이 활용되기 시작하였다. 본 연구에서는 지형의 영향을 반영하고 장기간 사면안정예측을 위해, 준3차원 토양수분모형과 무한사면안정해석 모형을 결합한 시변 사면안정해석모형 TiVaSS(Time-varient Slope Stability Model)를 개발하였다. 그리고 이를 원활히 활용할 수 있도록 Qt 라이브러리를 기반으로 GUI를 개발하였다. Windows 시스템에서 동작하도록 하였고 데이터의 1차원 및 2차원 가시화 기능을 추가하였다. 개발한 모형은 2011년 우면산 산사태에 적용하여 검증하였다.

낙동강 하굿둑 운영 고도화를 위한 강우유출-하천수리해석 연계모형 개발

안현욱(An, Hyun Uk),강한솔(Kang, Han Sol),허영택(Hur, Young Taek),김태우(Kim, Tae Woo) 대한토목학회 2023 대한토목학회 학술대회 Vol.2023 No.10