교량과 도로 네트워크를 고려한 도시침수 피해 분석 및 회복탄력성 평가기술 = Urban flood damage analysis and recovery resilience assessment considering bridge and road network

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The frequency and intensity of natural disasters caused by climate change have been increasing, with floods and typhoons accounting for the majority of such damage. Road facilities are major targets of flood damage, where flooding and bridge collapse cause significant structural damage, leading to the functional deterioration of road facility networks and additional economic losses such as traffic congestion and logistical delays. This study proposes a comprehensive framework to systematically analyze the performance degradation of road facility networks due to flooding, quantitatively evaluating the functional and structural performance degradation of individual road facilities and comprehensively analyzing network-level performance changes.
The study was conducted with three main objectives: establishing performance assessment models for each type of road facility, creating a network model that reflects flood damage, and analyzing network performance degradation and economic losses. Models were proposed based on the specific characteristics of roads and bridges, and a road facility network was built using flood simulation results. This network served as a basis for evaluating the residual performance and economic losses of road facilities, as well as for assessing temporal performance recovery through resilience curves.
The proposed framework was validated using a virtual road facility network. A 2 km × 2 km virtual network was generated using fractal noise-based DEM data, and a 2D flood analysis method was applied to analyze flood areas and depths. The analysis showed a proportional increase in inundation area with flood depth. The bridge damage model was used to quantitatively evaluate the impact of structural damage. Network topology analysis derived the relative importance of road facilities within the road network, enabling the classification of economic losses into functional and structural categories for evaluation.
Subsequently, the framework was applied to a real-world road facility network in Samsan-dong, Bupyeong-gu, Incheon. The actual network, being more complex and having a higher number of bridges than the virtual network, showed a greater impact of structural damage. Flood analysis results revealed significant differences in maximum flood depth and inundation area compared to the virtual network. Resilience analysis indicated greater initial performance loss and longer recovery periods for the real-world network. This underscores the importance of network structural characteristics and road network complexity in recovery processes.
This study presents a systematic and comprehensive framework for quantifying the performance degradation of road facility networks under flood conditions. The proposed methodology integrates flood and damage data with network performance evaluations, providing a quantitative approach to analyzing flood impacts. It offers valuable foundational insights for disaster recovery planning and management.

국문 초록 (Abstract)

최근 이상기후로 인한 자연재해 발생 빈도와 강도가 증가하고 있으며, 특히 홍수와 태풍으로 인한 피해는 전체 재해 피해의 대부분을 차지한다. 도로시설물은 홍수로 인한 주요 피해 대상으로, 침수와 교량 붕괴 등 구조적 손상은 도로망의 기능적 성능 저하를 초래하며, 교통 혼잡과 물류 지체 등 추가적인 경제적 손실로 이어진다. 이에 본 연구는 홍수로 인한 도로시설물 네트워크 성능 저하를 체계적으로 분석하기 위해 포괄적인 연구 프레임워크를 제안하였다. 이를 통해 도로시설물의 기능적 및 구조적 성능 저하를 정량적으로 평가하고, 네트워크 차원의 성능 변화를 종합적으로 분석하였다.
연구는 도로시설물의 형식별 성능 저하 모델 구축, 침수 피해를 반영한 네트워크 모델 생성, 네트워크 성능 저하와 경제적 손실 분석의 세 가지 목표로 진행되었다. 도로와 교량의 형식별 특성을 고려하여 성능 저하 모델을 제시하고, 침수 해석 결과를 기반으로 도로시설물 네트워크를 구축하였다. 이 네트워크는 각 도로시설물의 잔존 성능과 경제적 손실을 분석하는 데 활용되었으며, 회복탄력성 곡선을 통해 네트워크 성능의 시간적 변화를 평가하였다.
연구에서 제안한 프레임워크는 가상의 도로시설물 네트워크를 통해 검증되었다. 2km × 2km 크기의 가상 네트워크는 프랙탈 노이즈 기반의 DEM 데이터를 사용하여 생성되었으며, 2차원 침수 해석 기법을 활용해 침수 면적과 침수심을 분석하였다. 분석 결과, 침수심 증가에 따른 침수 면적 변화가 비례적으로 나타났으며, 교량 손상 모델을 통해 구조적 손상의 영향을 정량적으로 평가할 수 있었다. 네트워크 위상 분석에서는 도로망 내 위치에 따른 도로시설물의 상대적 중요도를 도출하였고, 이를 통해 도로시설물의 손상으로 인한 경제적 손실을 기능적 및 구조적 손상으로 구분하여 평가하였다.
이후 연구는 실측 데이터를 활용하여 인천 부평구 삼산동 일대의 실제 도로시설물 네트워크에 프레임워크를 적용하였다. 실제 네트워크는 가상 네트워크보다 복잡한 구조를 가지며, 교량의 수도 많아 구조적 손상이 더 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 침수 해석 결과, 최고 침수심과 침수 면적 모두 가상 네트워크에 비해 큰 차이를 보였으며, 네트워크 회복탄력성 분석에서는 초기 성능 저하가 더 크고, 회복기간이 길게 나타났다.
본 연구는 홍수로 인한 도로시설물 네트워크의 성능 저하를 정량적으로 평가하기 위한 체계적이고 포괄적인 프레임워크를 제시하였다. 제안된 방법론은 침수 및 손상 데이터를 네트워크 성능 평가와 결합하여 홍수 피해를 정량적으로 분석할 수 있도록 지원하며, 재해 복구와 관리 방안을 수립하는 데 중요한 기초 자료로 활용될 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 목적 4
• 1.3 연구 동향 6
• 1.3.1 개별 도로시설물 성능 분석 연구 6
• 1.3.2 도로시설물 네트워크 성능 분석 연구 7
• 1.4 연구 내용 및 범위 8
• 제 2 장 홍수에 따른 도로시설물 네트워크 분석 기법 개발 9
• 2.1 도로시설물 네트워크 성능 분석 프레임워크 9
• 2.2 도로시설물 네트워크 생성 11
• 2.3 셀 기반 2차원 침수 해석 기법 제안 14
• 2.4 도로시설물 손상 모델 18
• 2.4.1 도로 침수 모델 18
• 2.4.2 교량 손상 모델 21
• 2.5 네트워크 성능 평가 26
• 2.5.1 네트워크 위상 분석 27
• 2.5.2 네트워크 경제성 분석 28
• 2.5.3 네트워크 회복탄력성 분석 32
• 제 3 장 가상 도로시설물 네트워크 기반 제안 분석 기법 수행 34
• 3.1 도로시설물 네트워크 생성 34
• 3.1.1 지형 데이터 34
• 3.1.2 도로시설물 데이터 37
• 3.1.3 강우 시계열 데이터 39
• 3.2 네트워크 홍수 해석 40
• 3.2.1 2차원 침수 해석 결과 40
• 3.2.2 교량 손상 평가 43
• 3.3 네트워크 성능 평가 45
• 3.3.1 네트워크 위상 분석 44
• 3.3.2 네트워크 경제성 분석 48
• 3.3.3 네트워크 회복탄력성 분석 49
• 제 4 장 홍수 피해 분석 기법 실제 지역 적용성 평가 50
• 4.1 실제 지역 기반 도로시설물 네트워크 생성 50
• 4.1.1 연구 대상 지역 50
• 4.1.2 연구 대상 지역 도로망 정보 53
• 4.1.3 실측 강우 데이터 및 강우 시나리오 생성 56
• 4.2 실제 지역 홍수 상황 모사 및 침수 해석 57
• 4.2.1 실제 지역 침수 해석 결과 57
• 4.2.2 개별 교량 상황을 반영한 교량 손상 평가 60
• 4.3 실측 데이터를 활용한 네트워크 성능 지표 분석 62
• 4.3.1 도로망의 위상 특성의 분석과 해석 62
• 4.3.2 네트워크의 특성에 따른 경제성 분석 65
• 4.3.3 네트워크의 특성에 따른 성능 회복 양상 66
• 제 5 장 결론 67
• 참고문헌 69