• 제목/요약/키워드: Flood Runoff Analysis

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분포형 모형을 이용한 소유역 연계 낙동강 홍수해석시스템 구축 (Construction of a Sub-catchment Connected Nakdong-gang Flood Analysis System Using Distributed Model)

  • 최윤석;원영진;김경탁
    • 한국수자원학회:학술대회논문집
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    • 한국수자원학회 2018년도 학술발표회
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    • pp.202-202
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    • 2018
  • 본 논문에서는 분포형 강우-유출 모형인 GRM(Grid based Rainfall-runoff Model)(최윤석, 김경탁, 2017)을 이용해서 낙동강 유역을 대상으로 대유역 홍수해석시스템을 구축하고, 유출해석을 위한 실행시간을 평가하였다. 유출모형은 낙동강의 주요 지류와 본류를 소유역으로 구분하여 모형을 구축하고, 각 소유역의 유출해석 결과를 실시간으로 연계할 수 있도록 하여 낙동강 전체 유역의 유출모형을 구축하였다. 이와 같이 하나의 대유역을 다수의 소유역시스템으로 분할하여 모형을 구축할 경우, 유출해석시스템 구성이 복잡해지는 단점이 있으나, 소유역별로 각기 다른 자료를 이용하여 다양한 해상도로 유출해석을 할 수 있으므로, 소유역별 특성에 맞는 유출모형 구축이 가능한 장점이 있다. 또한 각 소유역시스템은 별도의 프로세스로 계산이 진행되므로, 대유역을 고해상도로 해석하는 경우에도 계산시간을 단축할 수 있다. 본 연구에서는 낙동강 유역을 20개(본류 구간 3개, 1차 지류 13개, 댐상류 4개)의 소유역으로 분할하여 계산 시간을 검토하였으며, 최종적으로 21개(본류 구간 3개, 1차 지류 13개, 댐상류 5개)의 소유역으로 분할하여 유출해석시스템을 구축하였다. 댐 상류 유역은 댐하류와 유량전달이 없이 독립적으로 모의되고, 댐과 연결된 하류 유역은 관측 방류량을 상류단 하천의 경계조건으로 적용한다. 지류 유역은 본류 구간과 연결되고, 지류의 계산 유량은 본류와의 연결지점에 유량조건으로 실시간으로 입력된다. 이때 본류와 지류의 유량 연계는 데이터베이스를 매개로 하였다. 유출해석시스템의 성능을 평가하기 위해서 Microsoft 클라우드 서비스인 Azure를 이용하였다. 낙동강 유역을 20개 소유역으로 구성한 경우에서의 유출해석시스템의 속도 평가 결과 Azure virtual machine instance DS15 v2(OS : Windows Server 2012 R2, CPU : 2.4 GHz Intel $Xeon^{(R)}$ E5-2673 v3 20 cores)에서 1.5분이 소요 되었다. 계산시간 평가시 GRM은 'IsParallel=false' 옵션을 적용하였으며, 모의 기간은 24시간을 기준으로 하였다. 연구결과 분포형 모형을 이용한 대유역 유출해석시스템 구축이 가능했으며, 계산시간도 충분히 단축할 수 있었다. 또한 추가적인 CPU와 병렬계산을 적용할 경우, 계산시간은 더 단축될 수 있으며, 이러한 기법들은 분포형 모형을 이용한 대유역 유출해석시스템 구축시 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

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SWAT 모형을 이용한 토양수분지수 산정과 가뭄감시 (The Estimation of Soil Moisture Index by SWAT Model and Drought Monitoring)

  • 황태하;김병식;김형수;서병하
    • 대한토목학회논문집
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    • 제26권4B호
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    • pp.345-354
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    • 2006
  • 가뭄은 홍수와는 달리 장기적이고 지속적인 피해를 유발하고, 지역의 경제에 타격을 주며, 생태계 및 환경을 파괴하는 자연재해로서 인간에게 오랫동안 고통을 준다. 이와 같은 가뭄에 대비하고 가뭄을 관리하기 위해 가뭄의 정도를 정량화하고자 하는 연구가 꾸준히 이루어져 왔다. 그 결과 다양한 가뭄지수들이 개발되었으며 이들을 이용해 가뭄감시를 수행하고 있다. 그중 Palmer의 가뭄심도(PDSI)가 가뭄감시와 관리를 위하여 가장 널리 사용되고 있음에도 불구하고, 물순환의 고려없이 기후적인 조건만을 이용하는 단점과 한계성이 여러 학자들에 의해 지적되어 오고 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 단점을 극복하기 위해 토양, 토지이용, 기후자료를 입력자료로 하는 준 분포형 장기유출모형인 SWAT모형을 이용하였다. 즉, SWAT 모형을 이용해 토양수(soil water, SW)를 추정하고, 이로부터 계산된 토양수분결핍을 근거로 토양수분지수(soil moisture index, SMI)를 산정하였다. 본 연구에서는 소양강댐 유역에 대해 SWAT 모형을 적용해 구한 토양수분지수와 PDSI를 비교 분석하였다. 즉, 소양강댐 지점의 일유입량 자료를 이용해 SWAT모형을 보정하고 검정하여, 장기 일 토양수를 추정하고, SWAT모형을 통해 모의된 토양수로부터 계산된 토양수분 결핍을 근거로 토양수분지수를 산정하였다. 본 연구를 통해 SWAT 모형의 적용성을 검토한 결과, 결정계수가 0.651로서 비교적 좋은 결과를 보였고, GIS를 이용함으로서 보다 향상된 해상도를 가지고 가뭄감시를 할 수 있었다. 따라서 본 연구에서 제안한 토양수분결핍에 기초한 토양수분지수는 가뭄감시와 관리를 위해 적용이 가능하리라 판단된다.

집중형 모형 IHACRES와 GR4J를 이용한 강수 및 기온 변동성에 대한 유출 해석 민감도 평가 (Assessing the Sensitivity of Runoff Projections Under Precipitation and Temperature Variability Using IHACRES and GR4J Lumped Runoff-Rainfall Models)

  • 우동국;조지현;강부식;이송희;이가림;노성진
    • 대한토목학회논문집
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    • 제43권1호
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    • pp.43-54
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    • 2023
  • 기후변화가 고착화되면서 강수와 기온 변동으로 인한 가뭄 및 홍수 발생이 증가하고 있다. 유역 단위의 유출량 예측은 기후변화로 인한 자연재해에 대비하기 위한 수자원 관리의 시작이라 할 수 있다. 하지만, 기후변화와 유출모형의 불확실성은 정확한 유출 분석을 어렵게 한다. 본 연구에서는 이러한 불확실성을 완화하기 위하여 기후 스트레스 시나리오에 따른 두 개의 집중형 수문모형, 즉 IHACRES와 GR4J를 이용하여 강수 및 기온 변화에 따른 유출량 변화를 비교, 분석하였다. 연구 대상 지역은 합천댐과 섬진강댐 유역이며, Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE) 및 Kling Gupta Efficiency (KGE)를 목적함수로 하여 각 모형의 매개변수를 최적화하였다. 모형의 보정과 검정은 20년(1995년-2014년)의 유출자료를 활용하였으며, 보정 및 검정 기간은 각각 7:3 비율로 설정하였다. 두 모형 모두 보정과 검정 기간에 비교적 높은 신뢰도(NSE>0.74, KGE>0.75)를 보여, 모형이 과거 사상을 재현하기에 적합하고, 모의 결과가 비교적 유사함을 확인하였다. 다음으로, 기후변동이 유출에 미치는 영향을 평가하기 위해 동일한 모의 기간에 대해 강수는 -50 %에서 +50 %의 범위를 1 %씩, 기온은 0 ℃에서 8 ℃까지 0.1 ℃씩 구분하여 총 8,181개의 기후조건 시나리오를 구축하였다. 이후, 기후 스트레스 시나리오에 따른 두 모형의 최대유량, 풍수량, 평수량을 비교 및 분석하였다. 기후 스트레스 영향을 반영한 연최대유량과 풍수량의 경우, 강수 감소에 따른 유출 패턴은 두 모형에서 비슷하였으나, 강수와 기온이 증가할수록 상이한 결과를 얻었다. 이와 반대로, 풍수량의 경우 강수와 기온 변화의 차이가 커질수록 두 모형은 유사한 결과를 얻었다. 즉, 유역의 탄력적 기후변화 대응을 위해서는 모형의 불확실성에 대한 정량적 평가가 필요하다는 것을 시사한다.

SWAT과 STARDEX를 이용한 극한 기후변화 사상에 따른 금강유역의 수문 및 유황분석 (Analysis of extreme cases of climate change impact on watershed hydrology and flow duration in Geum river basin using SWAT and STARDEX)

  • 김용원;이지완;김성준
    • 한국수자원학회논문집
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    • 제51권10호
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    • pp.905-916
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    • 2018
  • 본 연구의 목적은 금강유역($9,645.5km^2$)을 대상으로 극한 기후변화 사상에 따른 수문 및 유황의 변동을 평가하는 것이다. 본 연구에서는 객관적인 극한 기후변화 사상을 평가하기 위해 강우관련 극한지수(STARDEX)를 적용하고, GCM 10개의 RCP 8.5 기후변화 시나리오에 대해 4개의 평가기간별(Historical: 1975~2005, 2020s: 2011~2040, 2050s: 2041~2070, 2080s: 2071~2100)로 분석하였다. 분석 결과 5개의 습윤(CESM1-BGC, HadGEM2-ES), 중간(MPI-ESM-MR) 건조(INM-CM4, FGOALS-s2) 극한 기후변화 사상 시나리오를 선정하여 SWAT 모형에 적용하였다. 2080s 기간에서 중간시나리오 대비 2080s의 증발산은 -3.2~+3.1 mm로 변화하였고, 2080s의 총 유출량은 $+5.5{\sim}+128.4m^3/s$ 변화하였다. 건조한 시나리오의 경우 2020s 중간시나리오대비 큰 변화를 보였다. 건조한 시나리오에서의 2020s의 증발산량은 -16.8~-13.3 mm의 변화를 보였고, 총 유출량은 $-264.0{\sim}132.3m^3/s$의 변화를 보였다. 유황 변동의 경우, 2080s 기간의 습윤한 시나리오에서 CFR은 +4.2~+10.5, 2020s 기간의 건조한 시나리오에서는 +1.7~2.6으로 변화 하였다. 극한 기후변화 시나리오를 적용한 금강유역의 수문인자의 변화에 따라 유황분석을 실시한 결과, INM-CM4는 극한 건조상태를 나타내기에 적절한 시나리오로 나타났고 FGOALS-s2는 유황변동이 큰 가뭄 상태 분석에 적절한 시나리오로 나타났다. HadGEM2-ES는 유황변동이 작게 나타났기 때문에 최대유량 분석 시 활용 가능한 시나리오로 평가되었고, CESM1-BGC의 경우 유황변동이 큰 것으로 나타나 극한 홍수 분석 시 적용할 수 있는 시나리오로 평가되었다.

유역특성에 의한 합성단위도의 유도에 관한 연구 (Derivation of the Synthetic Unit Hydrograph Based on the Watershed Characteristics)

  • 서승덕
    • 한국농공학회지
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    • 제17권1호
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    • pp.3642-3654
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    • 1975
  • The purpose of this thesis is to derive a unit hydrograph which may be applied to the ungaged watershed area from the relations between directly measurable unitgraph properties such as peak discharge(qp), time to peak discharge (Tp), and lag time (Lg) and watershed characteristics such as river length(L) from the given station to the upstream limits of the watershed area in km, river length from station to centroid of gravity of the watershed area in km (Lca), and main stream slope in meter per km (S). Other procedure based on routing a time-area diagram through catchment storage named Instantaneous Unit Hydrograph(IUH). Dimensionless unitgraph also analysed in brief. The basic data (1969 to 1973) used in these studies are 9 recording level gages and rating curves, 41 rain gages and pluviographs, and 40 observed unitgraphs through the 9 sub watersheds in Nak Oong River basin. The results summarized in these studies are as follows; 1. Time in hour from start of rise to peak rate (Tp) generally occured at the position of 0.3Tb (time base of hydrograph) with some indication of higher values for larger watershed. The base flow is comparelatively higher than the other small watershed area. 2. Te losses from rainfall were divided into initial loss and continuing loss. Initial loss may be defined as that portion of storm rainfall which is intercepted by vegetation, held in deppression storage or infiltrated at a high rate early in the storm and continuing loss is defined as the loss which continues at a constant rate throughout the duration of the storm after the initial loss has been satisfied. Tis continuing loss approximates the nearly constant rate of infiltration (${\Phi}$-index method). The loss rate from this analysis was estimated 50 Per cent to the rainfall excess approximately during the surface runoff occured. 3. Stream slope seems approximate, as is usual, to consider the mainstreamonly, not giving any specific consideration to tributary. It is desirable to develop a single measure of slope that is representative of the who1e stream. The mean slope of channel increment in 1 meter per 200 meters and 1 meter per 1400 meters were defined at Gazang and Jindong respectively. It is considered that the slopes are low slightly in the light of other river studies. Flood concentration rate might slightly be low in the Nak Dong river basin. 4. It found that the watershed lag (Lg, hrs) could be expressed by Lg=0.253 (L.Lca)0.4171 The product L.Lca is a measure of the size and shape of the watershed. For the logarithms, the correlation coefficient for Lg was 0.97 which defined that Lg is closely related with the watershed characteristics, L and Lca. 5. Expression for basin might be expected to take form containing theslope as {{{{ { L}_{g }=0.545 {( { L. { L}_{ca } } over { SQRT {s} } ) }^{0.346 } }}}} For the logarithms, the correlation coefficient for Lg was 0.97 which defined that Lg is closely related with the basin characteristics too. It should be needed to take care of analysis which relating to the mean slopes 6. Peak discharge per unit area of unitgraph for standard duration tr, ㎥/sec/$\textrm{km}^2$, was given by qp=10-0.52-0.0184Lg with a indication of lower values for watershed contrary to the higher lag time. For the logarithms, the correlation coefficient qp was 0.998 which defined high sign ificance. The peak discharge of the unitgraph for an area could therefore be expected to take the from Qp=qp. A(㎥/sec). 7. Using the unitgraph parameter Lg, the base length of the unitgraph, in days, was adopted as {{{{ {T}_{b } =0.73+2.073( { { L}_{g } } over {24 } )}}}} with high significant correlation coefficient, 0.92. The constant of the above equation are fixed by the procedure used to separate base flow from direct runoff. 8. The width W75 of the unitgraph at discharge equal to 75 per cent of the peak discharge, in hours and the width W50 at discharge equal to 50 Per cent of the peak discharge in hours, can be estimated from {{{{ { W}_{75 }= { 1.61} over { { q}_{b } ^{1.05 } } }}}} and {{{{ { W}_{50 }= { 2.5} over { { q}_{b } ^{1.05 } } }}}} respectively. This provides supplementary guide for sketching the unitgraph. 9. Above equations define the three factors necessary to construct the unitgraph for duration tr. For the duration tR, the lag is LgR=Lg+0.2(tR-tr) and this modified lag, LgRis used in qp and Tb It the tr happens to be equal to or close to tR, further assume qpR=qp. 10. Triangular hydrograph is a dimensionless unitgraph prepared from the 40 unitgraphs. The equation is shown as {{{{ { q}_{p } = { K.A.Q} over { { T}_{p } } }}}} or {{{{ { q}_{p } = { 0.21A.Q} over { { T}_{p } } }}}} The constant 0.21 is defined to Nak Dong River basin. 11. The base length of the time-area diagram for the IUH routing is {{{{C=0.9 {( { L. { L}_{ca } } over { SQRT { s} } ) }^{1/3 } }}}}. Correlation coefficient for C was 0.983 which defined a high significance. The base length of the T-AD was set to equal the time from the midpoint of rain fall excess to the point of contraflexure. The constant K, derived in this studies is K=8.32+0.0213 {{{{ { L} over { SQRT { s} } }}}} with correlation coefficient, 0.964. 12. In the light of the results analysed in these studies, average errors in the peak discharge of the Synthetic unitgraph, Triangular unitgraph, and IUH were estimated as 2.2, 7.7 and 6.4 per cent respectively to the peak of observed average unitgraph. Each ordinate of the Synthetic unitgraph was approached closely to the observed one.

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토지이용 변화에 따른 수문 특성의 변화를 추적하기 위한 Lumped모형의 개발 (Development of lumped model to analyze the hydrological effects landuse change)

  • 손일
    • 대한지리학회지
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    • 제29권3호
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    • pp.233-252
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    • 1994
  • 토지이용수문학을 위한 하나의 대안으로, 모형의 단순성, 모형변형의 용이성, 그리 고 모의된 모형으로부터 지속적인 유량 예측 능력을 지닌 Lumped모형을 이용해 토지이용 변화에 따른 수문특성의 변화를 추적하였다. Blackie(1972)의 모형을 근간으로, R1131(11-parameter, 3-storage, l-input option) 모형을 구축하였다. 연구 대상 유역분지는 케냐에 있는 Kimakia Catchement K11이며, 이곳의 토지이용은 3번 변화하였다. 3단계의 토 지이용 기간에 대해 모형을 보정한 결과, 모형유효도는 96.78%, 97.20%, 94.62%이며, 전체유 량오차는 각각 -1.78%, -3.36%, 5.32% 였다. 보정된 모형을 이용해 각 토지이용 단계별로 확장유출량을 발생시키고, 빈도해석을 시도했다. 홍수 규모가 작은 경우 식생변화에 따라 31.3%와 32.1% 정도로 홍수량이 줄어들었으나, 홍수 규모가 커짐에 따라 홍수량의 감소 정 도는 점차 작아지고 있다. 이와 같은 현상은 갈수량의 변화에서도 발견된다. 또한 식생이 어 느 정도까지 성장한 이후에는 계속된 식생 성장에도 불구하고 홍수량과 갈수량은 큰 변화가 없다.

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