• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2021.06a
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• pp.424-424
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• 2021

서울시 전역의 하수관로는 4개의 처리구역, 16개의 배수구역, 163개의 배수분구, 748개의 소구역으로 분할하여 관리되고 있다. 하지만 지선관로와 간선관로가 상이한 설계빈도로 계획되어 가장 작은 관리단위인 소구역에서도 일정한 방재성능을 기대하기 어려운 실정이다. 따라서 본 연구에서는 소구역을 동일한 토출구를 갖는 유역으로 재정의하여 서울시 전역을 799개의 소구역으로 재분할한 후, 소구역 단위로 하수관로 방재성능을 분석하였다. 서울시 하수관로 방재성능 분석을 위해 도시유출모형은 SWMM, 도시침수모형은 2DIS를 활용하였다. 도시유출모형에서는 113,286개의 관로와 106,097개의 맨홀을 적용하였으며, 수리시설물은 서울시 관내에 위치한 31개의 모든 빗물저류조와 121개의 빗물펌프장 중 가용 가능한 117개의 빗물펌프장을 적용하였다. 하수관로의 외수위 경계조건은 하천기본계획에서 제시한 방류하천의 기점홍수위를 반영하였다. 도시침수모형에서는 5m 단위의 고해상도 지형자료와 토지피복도를 적용하여 2차원 침수모의를 수행하였으며, 799개의 소구역에 대한 방재성능 분석을 수행하여 이를 시스템에 적용하였다. 서울시 하수관로 방재성능 분석 시스템에서는 799개의 소구역을 대상으로 소구역 정보, 하수관로 정보, 수방시설물 정보, 방재성능 정보를 제공하고 있다. 소구역 정보는 해당 소구역에 대한 기본 정보 및 해당 소구역에 위치한 수리시설물에 대한 기본 정보를 제공한다. 하수관로 정보에서는 관로 및 맨홀을 선택하여 상세정보를 확인할 수 있다. 수방시설물 정보에서는 빗물펌프장, 빗물저류조, 강우관측소, 하천수위관측소, 관로수위관측소에 대한 상세정보를 제공한다. 마지막으로 방재성능 정보에서는 시나리오별 침수결과를 제공하며, 포인트 단위 침수취약지역을 표출한다. 서울시 하수관로 방재성능 분석 시스템은 하수도 정책 입안과 하수도 관련 사업 추진 시 데이터 기반의 신속하고 효율적인 의사결정 업무를 지원할 수 있을 것으로 기대된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2021.06a
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• pp.200-200
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• 2021

하천은 용수공급, 관개, 친수활동, 산업활동 등 인간의 활동에 중요한 역할을 한다. 이에 따라 수질관리는 필수적이며 유기물, 중금속, 화학물질 등의 용존물질들은 수질문제에 직접적으로 영향을 미친다. 따라서 하천에서의 용존물질의 혼합 거동을 파악하기 위한 연구가 지난 수십년간 이루어지고 있다. 하천 흐름에 따른 오염물질의 이동 및 확산 거동을 예측하기 위하여 1차원 추적모형이 활용되는데, 그 중 하천저장대 모형(Transient Storage Model, TSM)은 자연하천의 복잡하고 불규칙한 수리·지형적인 특성을 단순하게 반영할 수 있다는 장점때문에 가장 많이 사용된다. 하지만 TSM은 매개변수에 대한 의존성과 불확도가 크며, TSM의 저장대에서의 농도분포에 대한 지수함수형태의 모델링이 하상간극수역(Hyporheic zone)에서의 저장대 특성을 반영하기에 구조적으로 부정확하다는 단점이 제기되고 있다. 최근 이러한 TSM의 단점을 보완하고 하천에서의 저장대 메커니즘을 보다 정확하게 구현하고자 체류시간분포(residence time distribution)를 이용한 확률론적 저장대 모델링 프레임워크가 등장하고 있다. 본 연구에서는 본류대와 저장대에서의 오염물질의 체류시간분포를 분리하여 해석하고 이를 전달함수(transfer function)를 이용한 합성곱으로 결합한 형태의 프레임워크를 적용하여 모델링하였다. 상기의 모형을 검증하기 위하여 2019년 감천의 4.85km 구간에서 추적자 실험을 실시하였다. 실험 당시 유량은 12.9 m³/s로 풍수기에 해당되며 평균 유속은 약 0.6 m/s로 측정되었다. 모형의 매개변수는 추적자 실험으로부터 최적화 기법을 통해 역모델링기법으로 결정하였다. 제안된 모형에 의한 모의 결과를 추적자 실험에서의 농도측정자료와 비교한 결과, 평균 0.988의 결정계수를 보여 매우 높은 정확도를 보이고 있음을 알 수 있었다. 저장대특성을 나타내는 농도곡선의 꼬리부에 대하여 같은 조건에서 1차원 이송-분산(ADE) 모형, TSM의 모의결과와도 비교한 결과 본 모형은 추적자 실험 농도측정 결과와 평균 0.195의 오차율을 보이며, 이는 ADE 모형과 TSM의 오차율인 14.03과 1.866에 비해 매우 정확한 것으로 나타났다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2020.06a
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• pp.414-414
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• 2020

고전 천수방정식을 적용한 2차원 도시홍수 모델링에서는 지형의 정확한 반영을 위해 고해상도 격자가 요구되며 이는 많은 계산시간과 노력을 필요로 한다. 최근에는 다공성 천수방정식을 적용한 도시홍수해석으로 많은 계산 노력이 요구되는 도시홍수모델링의 한계를 극복한 연구가 많이 이루어지지고 있다. 이러한 연구는 도시 홍수에서 흐름이 공간적으로 변화할 때 불균일 공극이 존재하므로 격자의 크기를 다르게 하여 이러한 불균일성을 해결하고자 하는 등방성 천수모형의 적용에서 시작되었다. 하지만, 등방성 공극을 고려한 도시홍수 해석모형은 대표요소체적(REV)보다 더 큰 격자의 적용을 해야 하는 제한성을 가진다. 반면, 비등방성 공극은 대표요소체적의 적용이 필요하지 않아 불균일 공극의 크기에 관계없이 이론상으로는 동일한 해상도의 격자가 사용가능하긴 하지만, 실제 도시홍수 해석에서 중요하면서도 도전적인 연구이다. 본 연구에서는 도시홍수의 효율적 계산을 위해 비등방성 공극을 고려한 적분형 다공성 천수방정식을 기반으로 하는 2차원 도시홍수 해석모형을 개발하였다. 모형의 개발을 위해, 적용 격자내에서 도시지역의 건물이 차지하는 길이 및 면적을 산정하고 그 값을 2차원 천수방정식에 적용 가능하도록 체적공극(𝜙_j)와 면적공극(𝜓_k)을 2차원 고전 천수방정식에 추가하였다. 개발모형은 고전 천수방정식, 등방성 공극 고려(미분형 다공성) 천수방정식 및 비등방성 공극 고려(적분형 다공성) 천수방정식의 적용이 가능하여, 각 모형에 적합한 2차원 격자 생성, 각 모형의 매개변수를 보정 그리고 정확성, 효율성, 적용성이 비교 가능하다. 각 모형의 정확성과 효율성 비교를 위해 3가지의 오차 비교 (구조적 오차, 격자크기 오차, 공극 모형 오차), 계산시간 비교, 공간 변동성 검증을 위한 수심 종단형상 비교하였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2020.06a
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• pp.148-148
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• 2020

산업의 고도화가 진행됨에 따라 화학원료의 사용이 증가하고 있고 독성을 가진 화학물질이 하천으로 유입되는 사고가 빈번하게 발생하고 있다. 수환경으로 유입되는 유해화학물질은 주로 무색무취의 물질들로 사고가 발생하더라도 초기 발견이 어려워 어류폐사를 유발하거나 취수시설에서 용수로 취수되는 경우가 발생하기 때문에 이에 대한 대응책 마련이 필수적이다. 하천에 유입된 오염물질의 거동을 신속하게 예측하기 위해 1차원 오염물질 추적 모형이 활용되는데, Fickian 이송-분산 모형(Fickian Advection-dispersion equation model; FADE)이 주로 사용되고 있다. 하지만 FADE는 오염물질이 하천 저장대에서 지체되는 현상을 반영하지 못하기 때문에 농도곡선의 왜곡도를 구현하지 못하는 단점을 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 하천저장대모형(River Storage Model; RSM)을 개발하고 이를 국가하천인 감천에 적용하였다. 본 연구에서 개발한 RSM은 분산계수, 본류대 면적, 저장대 면적, 저장대 교환계수의 네 가지 매개변수를 통해서 하천의 물질 저장 및 교환 특성를 구현한 non-Fickian 모형으로서, 생화학반응, 휘발, 흡·탈착항을 추가하여 유해화학물질의 혼합 거동을 정확하게 모의할 수 있도록 개발하였다. 저장대 모형의 매개변수를 산정하기 위해서 하천 유량과 지형자료를 기반으로 HEC-RAS를 모의하여 계산된 수리특성을 입력변수로 사용하였다. 저수기, 평수기, 풍수기 유량을 기준으로 세 경우의 시나리오 모의를 수행하였는데, 5ton의 톨루엔이 김천산업단지에서 감천으로 유입된 경우 약 20km 하류에 위치한 취수장에서 톨루엔의 농도변화를 예측했다. 보존성 물질에 대한 모의 결과, 풍수기의 경우 저수기에 비해 유속이 크기 때문에 취수장에서 20.56시간 먼저 기준농도에 도달하고, 7.21시간 더 짧게 머무는 것으로 나타났다. 유해화학물질의 반응특성에 대한 민감도 분석을 시행한 결과, 생화학적 반감기가 18.98시간보다 길고, 옥탄올-물 분배계수가 2.267 이하인 물질은 생분해 및 흡·탈착 반응에 둔감한 것으로 나타났다. 1m 수심 기준 0.114m/s 이하 유속에서의 하천 수리조건에서는 화학물질의 휘발성을 무시할 수 있는 것으로 밝혀졌다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2020.06a
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• pp.20-20
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• 2020

신곡수중보는 한강종합개발사업(1982년~1986년) 중 하도정비로 인하여 상시 수위가 저하됨으로써 조수의 과도한 역류 등으로 발생하는 이수상의 문제점을 해결하고 상류에 설치된 잠실수중 보 사이의 수위유지 및 하천 공간 이용의 극대화, 연안 농경지의 용수공급 및 하천환경 보전을 목적으로 건설되어, 「잠실 및 신곡수중보 관리규정(1986)」 및 「신곡수중보 운영 매뉴얼」에 의해 관리·운영되고 있다. 신곡수중보는 준공된 이래로 한강하류의 흐름 해석에 있어 중요한 기준과 경계로서 이와 관련한 다양한 연구가 진행되었다. 신곡수중보로 인한 흐름의 변화가 하상과 생태에 미치는 영향에 관한 연구와 하구역에서의 조위 및 흐름특성과 밀도류의 거동에 관한 1, 2차원 수치해석연구가 활발히 진행되었다. 본 연구에서는 그동안 1, 2차원 수치해석연구로 한정되었던 신곡수중보 흐름특성에 관련하여 실제 수문 운영 방식을 반영한 3차원 수치해석을 수행하여 구조물의 상·하류에서 발생하는 와류 및 이차류와 같은 3차원적 흐름 구조와 이에 따른 지형의 침식·퇴적 및 구조물에 미치는 영향 등을 구체적으로 분석하였다. 우선, 신곡수중보 운영 매뉴얼과 실제 가동보 운영시스템을 비교하여 수문개방 시기, 유량 기준의 수문 운영 방법, 수위 변화에 따른 수문 운영 방법, 수문개방 순서를 분석하고 신곡수중보 주변 흐름에 대한 3차원 수치해석모형 구축을 위한 경계조건을 산정하였다. 수치해석에는 상용프로그램인 FLOW-3D를 사용하였으며, 경계처리기법 및 난류해석을 위해 FAVOR 기법과 RNG k-ε 모델을 적용하였다. 수문 동시개방 개수, 수문 개방 위치 및 순서, 개방 높이에 대한 조건을 변화시켜 구성한 시나리오에 대해 수치해석 후, 유속, 난류에너지, 이차류 등의 흐름특성을 분석하고 상·하류 수위차에 따른 방류량을 산정하여 시설물의 관리안을 도출하고 운영 매뉴얼의 개정안을 제시하였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2020.06a
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• pp.398-398
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• 2020

대도시 상류부에 위치한 댐의 과도한 방류 또는 급작스러운 붕괴는 대규모의 인명 또는 재산피해를 야기할 수 있으며, 다양한 댐 유입량 조건에 따른 침수양상을 파악하는 것은 수재해 대응능력 향상에 필수적이다. 그러나 다양한 과다한 댐 방류 또는 붕괴유량에 따른 침수 범위는 도시의 내수침수와 달리 매우 넓은 지형조건을 고려하며 침수 범위가 광범위하게 나타날 수 있다. 이는 다양한 댐 유입량 조건에 따른 침수 지도를 생성 및 파악하는데 어려움을 가중시키며, 특히 댐 운영에 따른 침수양상을 실시간으로 파악하는데 어려움을 가중시킨다. 본 연구에서는 저빈도부터 PMF(Probable Maximum Flood) 조건까지의 다양한 댐 유입량자료를 바탕으로, 1차원 하천홍수해석을 실시하였다. 연구 대상으로 팔당댐에 대한 댐 해석을 실시하였으며, 팔당댐 하류에 위치한 서울시에 대한 영향을 분석하였다. 1차원 해석 결과로 산정되는 각하도 단면 별 홍수위자료와 GIS을 연계하여 다양한 발생빈도를 나타내는 유입량에 대한 침수지도를 생성하였으며, 기존에 제시된 발생빈도에 따른 침수지도 외에 임의 빈도의 침수지도를 실시간으로 생성할 수 있는 랜덤포레스트 회귀 모형을 구축하였다. 위의 과정들을 통해 다양한 유입량 조건에 따른 연구대상 지역에서의 침수예상도를 분석할 수 있었으며, 서울시 전반적으로 나타날 수 있는 침수심의 공간적 분포를 파악할 수 있었다. 주어진 침수 지도를 이용하여 서울시에 대한 인구 및 건축물의 경제적 가치 자료를 이용하여 추가적인 홍수 위험도 분석이 가능할 것으로 보이며, 임의 빈도에 대하여 실시간으로 침수를 예측할 수 있는 랜덤포레스트와 연계할 수 있다. 제시된 방법론은 댐의 과다한 방류량과 붕괴 현상을 재현하며, 도시의 수재해 대응능력 향상을 위한 기초자료를 제공할 수 있을 것으로 보인다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2020.06a
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• pp.75-75
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• 2020

하천법에 의거하여 국내 하천들에는 상당한 국가예산으로 하천정비기본계획이 5-10년 주기로 수립되고 있으며, 홍수위 계산을 위한 HEC-RAS 모의에 필요한 하천단면 등 다양한 하천측량이 실시되고 있다. 그러나, 하천측량자료들은 하천관리지리정보시스템(RIMGIS)에 pdf 보고서 형태로만 제공되고, 원자료는 CAD 형식으로 하천정비계획을 수행한 설계사 등이 분산 소유하고 있어 관리부재로 망실의 우려도 있어, 다른 용도로의 활용성이 상당히 저하되어 있는 실정이다. 그리고, 측량된 CAD 형식의 단면자료 등을 HEC-RAS에 활용할 때, 'Dream'과 같은 툴을 활용하나 거의 수작업에 가까운 시간과 비용이 소요되는 현실에 있다. 본 연구에서는 이러한 문제들을 해결할 수 있는 툴인 RAUT(River information Auto Upload Tool)를 개발하였다., RAUT 툴은 첫째, 실무에서 하천기본계획 수립 시 활용되는 HEC-RAS 1차원 모형의 입력자료를 CAD 측량자료를 직접수기로 입력 및 모의를 실시하는 복잡한 단계를 자동화시키고자 하였다. 둘째, 하천공간정보인 CAD측량 자료를 직접 읽어 표준 데이터 모델 (Arc River)기반 하천공간정보 DB에 자동 업도드하여 전국단위의 하천정비계획의 하천측량자료 관리가 가능하게 할 수 있다. 즉, 만약 RIMGIS가 RAUT와 같은 툴을 사용하면 하천단면과 같은 전국단위 하천측량 자료를 체계적으로 관리할 수 있게 된다는 의미이다. 개발한 RAUT는 제주도 한천유역을 대상으로 하천정비기본계획의 하천공간정보 CAD자료를 읽어들여 mySQL기반 공간 DB로 구축하고, 구축된 DB로부터 HEC-RAS 1차원 모의 실시하기 위한 지형자료를 자동으로 생성시키는 과정을 시범적으로 구현하였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2020.06a
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• pp.299-299
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• 2020

국내외 발생하는 재난 중 70% 이상이 물과 관련된 재해로 분류되며, 집중호우와 태풍으로 인한 하천범람 및 내수침수 등으로 많은 피해를 발생시키고 있다. 특히 최근 발생하는 피해 양상은 과거에 발생하지 않았던 극한 강우로 인해 돌발적으로 발생하는 경우가 빈번하게 발생하고 있어 이에 따라 사전에 예측하여 미리 대비하는 선제적인 홍수 대비 시스템이 요구되고 있다. 선제적인 홍수 대비 시스템의 구축 여부는 정확한 하천 흐름 예측을 필요로 한다. 하지만 하천의 흐름은 댐붕괴, 제방붕괴, 하천 하상의 변동 등 다양한 상황에서 급격한 흐름의 변동이 발생하며, 이는 하천 흐름 예측에 장애물로 작용하여 정확도를 떨어뜨리는 요인이 된다. 특히 국내에는 산악지형과 수공구조물에 의한 불연속 단면이 다수 존재하고 있어 그 예측 결과에 대한 정확성에 대한 요구가 더욱 부각되고 있다. 그렇기 때문에 해당 문제를 해결하기 위한 다양한 기법들이 개발되어 실무에 적용되고 있으나 어떤 기법이 국내 하천특성에 적합한지 파악할 수 없으며, 그 정확성과 안정성에 측면에서 여전히 많은 문제점을 가지고 있는 실정이다. 본 연구에서는 불연속 흐름이 빈번하게 발생하는 국내 하천 특성에 적합한 수치 기법을 확인하고자 유량보존특성을 만족하는 유한체적기법 중 국내외적으로 다수 사용되었던 기법들을 비교 및 평가하였다. 불연속 흐름의 대표적인 예제로서 'Dam-break problem'과 충격파 해석 및 홍수기와 갈수기에 따른 하천 하상의 마름/젖음에 대한 평가를 할 수 있는 Toro's Riemann problems에 적용하여 비교하였으며 그 결과 값을 정량적인 수치로 나타내었다. 이를 통해 국내 하천 특성에 적합한 수치 기법을 선정하였으며. 향후 국내하천 환경을 만족할 뿐만 아니라 하천 종사자들의 요구에도 부합한 하천흐름해석 모형의 개발 시 많은 기여가 될 것이라 판단된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2020.06a
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• pp.300-300
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• 2020

최근 전체 산업재해율은 계속적으로 감소 추세를 보이는 반면, 건설업의 재해율은 증가하는 추세를 내타내고 있다. 이러한 건설업 공종별 재해유형은 임시구조물과 관련된 가설공, 굴착공, 철근콘크리트공의 재해율이 타 공종에 비해 높게 나타난다. 이는 공종 진행에 따라 변화되는 건설현장의 위험요소를 사전에 인지하여 제어·관리할 수 있는 사고예측 기술 및 대응 기술의 부재로 안전사고가 높게 발생한 것으로 판단된다. 이러한 상황 속에서 건설현장에서 빈번하게 발생하는 다양한 재해 상황에 대하여 공사별, 규모별, 공정별 대응 체계를 마련하고, 굴착공사 중 침수 발생 시 피해를 최소화할 수 있는 실용적인 긴급대응 방안을 확보함으로써 경제적인 손실뿐만 아니라 인명피해를 최소화하는 방안 마련이 필요하다. 공사 현장 재해 상황 중 침수는 태풍 또는 집중호우 시 공사구간이 침수되어 근로자 수몰 등의 피해가 발생하고, 절토면이 붕괴되는 등 2차적인 피해로 이어진다. 이러한 침수의 원인은 공사 현장의 저지대 위치, 집중호우 시 최대 강우량에 대한 대비 소홀, 양수기 부족 및 고장, 인접 배수로 배수기능 불량 등의 복합적인 원인들로 인하여 발생한다. 또한 굴착공사 현장의 침수는 공사기간 동안 개별 공종에 따라 침수발생 양상이 달라질 수 있다. 따라서 각 공종별 발생 가능한 침수 양상에 대한 예방/대응 기술이 필요하다. 본 연구에서 사용되는 HDM-2D 수리 동역학 모델은 2차원 흐름해석 프로그램으로 복잡한 하천지형이나 공사현장과 같은 불연속면에서 유속 및 수심 등을 계산한다. 또한 마름/젖음 현상 등 복잡한 수리현상에 대한 정교한 모의 기능 및 침수해석 등 어떠한 계산영역이나 흐름조건에서도 정확하고 안정적인 모의를 할 수 있다. 본 연구에서는 공사현장과 같은 불연속면에서 각 공종에 따라 발생할 수 있는 침수양상에 대한 모의를 진행하고 각 공종별 침수양상을 비교분석 하였다. 이를 통해서 굴착공사 현장 침수피해 예측 모델을 개발하여 개발된 기술을 사용하여 기후변화에 따른 강우량 증가와 이에 따른 수재해로 인한 건설현장 침수 발생 및 인명, 재산피해를 최소화하고자 한다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2020.06a
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• pp.317-317
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• 2020

수재해는 수자원 인프라의 부족 및 관리 미흡 등 많은 요인들이 있지만 강우의 유무와 크기가 가장 원초적인 요인들 중 하나이다. 정확한 강우량 추정 및 강우발생시간 예측은 수재해로 인한 피해를 예방하고 빠르게 대처할 수 있다. 그러나 강우예측에는 많은 불확실성을 내포하고 있기 때문에 이러한 불확실성을 이해하고 줄여 나가는 것이 필요하다. 최근 컴퓨터의 성능의 발전에 비례해 강우 예측 자료들도 점진적으로 발전을 거듭하고 있다. 이를 강우-유출 모형에 적용시 유출량 예측의 정확성 또한 비례하여 한층 더 발전할 수 있을 것이다. 하지만 신뢰성이 낮은 입력자료를 대상으로 하는 유출해석 모형은 많은 불확실성을 내포할 것이다. 따라서 본 연구에서는 위천 유역에 대해 LENS(Limited area ENsemble prediction System) 강우앙상블 예측자료의 적용성을 검토하고 그리드 기반 강우 유출 모델 GRM(Grid based Rainfall-runoff Model) 에 적용하여 유출예측의 불확실성을 평가하고자 하였다. 또한 강우예측 및 유출예측은 수 많은 매개변수를 포함하며 최종적인 예측은 더 큰 불확실한 범위로 산출될 수 있다. 이에 따라 본 연구에서는 Python3 기반 코딩으로 LENS 자료 구축 및 GRM 모형의 매개변수 보정을 각 2000회 씩에 걸쳐 총 2회 실시하여 수문학적, 지형학적 인자에 따른 불확실성 범위를 보정하고자 하였다. 매개변수의 보정은 비정형우도(Informal likelihood) NSE, 정형우도(Formal likelihood) Lognormal(Log-likelihood function)의 우도에 따른 행위모델을 산정하여 보정하였다. 따라서 본 연구에서는 선행연구들을 참고한 정형, 비정형 우도의 임계치를 이용한 불확실성해석에 적용하였으며 이는 사용자의 행위모델선정 임계치 범위 선정으로 인한 불확실성을 줄여나감에 기여할 수 있을것으로 사료된다.