• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2021년도 학술발표회
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• pp.389-389
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• 2021

불투수면의 증가는 유량변화 및 지하수위와 기저유출의 감소로 이어질 수 있으며 기저유량의 감소는 건기 시 하천의 유량공급까지 영향을 줄 수 있다. 이런 이유로 기저유량에 대한 정확한 분석 및 검증은 반드시 필요하지만 지표수-지하수를 고려한 통합적 해석의 어려움과 기저유출 분석에 대한 불확실성 및 기술적 한계로 분석이 어려운 실정이다. 따라서 본 연구에서는 SWAT 해석을 통해 획득한 모의유량과 관측유량을 비교하여 R²값을 계산하였으며 SWAT-CUP을 이용하여 검보정을 실시한 후 기저유출량을 정량적으로 산정하고 비교하였다. 연구지역 모의기간은 실측 유량자료가 있는 4개년을 대상으로 모의 하였으며 SWAT-CUP을 이용한 검보정 시 모의 횟수는 연구자에 따라 다양한 기준을 제시하고 있지만 모의 시간 대비 최대 효율인 1,000회 수행하였다. 또한 관측유량에 대하여 SPE(Swat Parameter Estimator) 알고리즘으로 모의유량을 최적화하였다. 실측유량과 모의유량을 비교한 결과 SWAT 분석에 의한 R²값보다 SWAT-CUP을 이용하여 검보정을 수행한 R²값이 높게 나타나 검보정 효과를 확인하였다. 또한 검보정 전후에 대한 기저유량을 비교하기 위하여 SWAT Output Data를 이용하여 유역에 대한 지표수유출, 중간유출, 지하수유출 등을 추출하였다. 추출한 단위면적당 데이터를 단위환산을 통해 유출량으로 산정하였으며 검보전 전과 데이터를 비교하였다. 지표수-지하수를 고려한 통합적 해석의 어려움과 실측치의 부족, 분석에 대한 불확실성 등으로 기저유량에 대한 해석은 어렵지만 SWAT-CUP을 이용하여 검보정 및 불확실성 개선이 수행되면 좀더 정확한 유량을 계산할 수 있으며 이는 향후 연구지역 지표수-지하수 연계해석을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

• 한국물환경학회지
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• 제28권4호
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• pp.595-600
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• 2012

This study is to assess the application of SWAT-CUP(Soil and Water Assessment Tool-Calibration Uncertainty Programs) and to extend daily flow data from 8-day interval flow data which has been measured by Korean Ministry of Environment(MOE). Model sensitivity analysis and calibration were performed with sequential uncertainty fitting(SUIF-2), which is one of the programs interfaced with SWAT, in the package SWAT-CUP. The most sensitive parameters were SOL_K.sol, CH_N2.rte, CN2.mgt, SOL_BD.sol, ALPHA_BF.gw, ALPHA_BNK.rte, SOL_AWC.sol, CH_K2.rte, SFTMP.bsn, GW_DELAY.gw. Following the sensitivity analysis, SWAT-CUP calibration was carried out using 8-day interval flow data from January 2008 to December 2010. The results were then assessed based on the visual agreement and simulated flow plots and the performance statistics generated $R^2$ and NSE which are 0.71 and 0.61 respectively. Results of these statistics indicated that there was a good agreement between the observed and simulated flow. To extend daily flow data from 8-day interval flow data, parameters, which were estimated by SWAT-CUP, re-entered for SWAT model. As a result, the observed flow data were found to reflect the trend of simulated flow data. From these results, it is thought that this method could be used to provide daily flow data using 8-day interval flow data.

• Ecology and Resilient Infrastructure
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• 제3권1호
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• pp.35-45
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• 2016

섬강 시험유역의 지형학적 특성 매개변수와 SWAT-CUP의 SUFI-2 알고리즘을 이용한 SWAT 모형 매개변수와의 상관관계와 이들의 관계식을 개발하였다. 개발한 상관 관계식을 이용하여 속사천 유역의 SWAT 모형의 매개변수를 추정하였다. 아울러, 속사천 유역의 2000 - 2007년의 강우-유출 자료를 대상으로 SWAT-CUP의 SUFI-2 알고리즘을 이용하여 SWAT 모형의 매개변수를 추정하였다. 개발한 식에 의해 산정한 각 매개변수의 적용성을 검토하기 위해 2000 - 2007년의 속사천 시험유역 자료를 이용하여 SWAT 모형의 유출모의를 실시하였다. 실측자료와 지형학적 특성 매개변수의 상관관계 분석으로 산정된 매개변수를 이용하여 속사천에 적용한 유출 모의결과와의 RMSE (root mean square error)는 $1.09m^3/s$이고, SWAT-CUP의 SUFI-2 최적 매개변수를 적용한 유출 모의결과와의 RMSE는 $0.93m^3/s$으로 나타났다. 따라서 지형학적 특성 매개변수를 이용한 SWAT 모형의 매개변수 추정이 적용성이 있다고 판단된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2020년도 학술발표회
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• pp.314-314
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• 2020

SWAT (Soil and Water Assessment Tool)은 미국 농무성 농업연구소에서 개발된 준분포형(semi-distributed) 수문 모형으로 복합토지이용유역에서 장기간에 걸친 다양한 종류의 토양, 토지이용 및 토지관리 상태의 변화에 따른 유역의 유출량, 유사량 및 영양물질의 영향을 예측하기 위해 개발되었다. SWAT은 기본적으로 다양한 매개변수에 대한 수동 보정 기능을 제공하고 있지만 매개변수 보정에 따른 모의결과의 불확실성을 수반하게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 자동보정 기능을 제공하는 SWAT-CUP (Calibration and Uncertainty Program)이 개발되었다. SWAT-CUP에서 제공하는 매개변수의 최적화 과정에서 유사한 모의 결과를 산출하는 수천 개의 매개변수조합이 존재하기 때문에 보정기법의 선택에 따라 최종 매개변수의 값이 달라질 수 있다. 불확실성을 발생시키는 요인으로 (1) 매개변수의 선택, (2) 보정 기법, (3) 목적함수, (4) 매개변수의 초기 범위, (5) 모의(simulation)의 실행(run) 및 반복(iteration) 횟수, (6) 위치, 개수 등 보정 자료의 선택 등이 주로 지목된다. 이러한 요인으로 발생하는 불확실성은 SWAT 모형의 구조 및 입력 자료에서 기인하는 것으로, 사용자의 설정에 따라 크게 좌우된다. 본 연구에서는 SWAT 매개변수 보정 과정에서 발생할 수 있는 불확실성을 평가하고, 효율적인 보정 방안을 제시하기 위해 수행되었다. 낙동강 권역의 내성천 유역을 대상으로 SWAT 모형을 구축하였으며, 내성천 본류에 위치한 수위(유량) 관측소의 자료를 활용하여 검·보정을 수행하였다. 모의 결과는 유량의 크기 뿐 아니라 유량의 발생 시기, 유역의 반응 및 증가·감소 경향성을 함께 고려하여 평가하였다. 그 결과 모형 구조에 따른 불확실성의 전이과정을 정확하게 파악하는 것은 불가능하지만 SWAT 모형의 비고유성(non-uniqueness)에 의한 불확실성을 정량화하여 나타내었다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제44권9호
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• pp.711-720
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• 2011

본 연구에서는 용담댐 하류부터 대청댐상류까지 총 유역면적 3108.29 $km^2$ 유역을 대상으로 SWAT 모델을 적용하여 유출유량모의를 실시하는데 있어서최적의매개변수를추정하는방법을보고하고있다. SWAT 모델의 모의를 위해서는 방대한 양의 매개변수가 요구되며 이러한 매개변수의 최적값을 산정하는 것은 어려운 실정이다. 본 연구에서는 SWAT-CUP에서 제공하는 4가지 통계 알고리즘 중에서 GLUE와 SUFI-2의 2가지 내부 프로그램을 이용하여 각각 2,000회의 반복계산 결과를 통해 SWAT 모델을 최적으로 보정하기 위한 매개변수를 산정하고자 하였다. SUFI-2 및 GLUE 적용결과 선정된 매개변수 값에 의한 유출 결과는 실측 유량값과 비교하였을 때, NS (Nash-Sutcliffe) 값과 $R^2$값은 각각, 0.87 및 0.89 범위로 거의 같으며 두 가지 방법 모두 매우 우수한 모의결과를 나타내었다. RMSE, MSE 값 또한 거의 유사한 값을 나타내어 두 프로그램의 성능은 차이를 나타내지 않은 것으로 판단된다. SWAT-CUP 프로그램은 국내에서 현재까지 적용사례가 많지 않으나, 방대한 매개변수를 필요로 하고, 보정시 많은 시간과 반복 작업을 필요로 하는 모델을 보정하는 경우에 특히 효과적으로 사용될 수 있을 것으로 판단되며, 모델 사용이 익숙하지 않는 경우에도 유용하게 사용될 수 있을 것으로 보인다.

• 대한토목학회논문집
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• 제33권2호
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• pp.529-536
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• 2013

본 연구는 준분포형 강우-유출 모델인 SWAT 모형을 섬강시험유역에 적용하였다. 대상기간 강우-유출모의에 앞선 선행모의 기간에 따른 유출량의 변화는 나타났지만 선행모의 기간에 따른 총 유출량의 변화는 크지 않았다. 선행모의의 필요성은 없는 것으로 판단된다. 토양이용도 사용층의 개수에 따른 총 유출량의 변화가 다소 있었지만, 층수의 사용개수에 따른 총 유출량의 변화는 크지 않았다. 유출량을 지배하는 7가지 매개변수(CANMX, $CN_2$, ESCO, GW_REVAP, SOL_ALB, SOL_AWC, SOL_K)의 확인과 민감도 분석을 실시하였다. SWAT-CUP 모형의 SUFI-2 알고리즘을 이용하여 SWAT 모형의 최적매개변수를 도출하였다. 모의값과 실측값과의 비교분석결과 NS, $R^2$은 각각 0.92, 0.98로 잘 일치하는 것으로 나타났다. 모형의 불확실도를 나타내는 지표 P-factor와 R-factor는 각각 0.85, 0.06으로 모형의 신뢰성이 높게 나타났다. SWAT-CUP의 SUFI-2에 의해 산정한 매개변수의 적용결과에서 RMSE의 개선이 있어 모형의 적용성이 높은 것으로 판단된다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제53권12호
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• pp.1143-1157
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• 2020

본 연구에서는 SWAT-CUP을 이용한 SWAT 모형의 검·보정 과정에서 다중 관측 지점 및 변수를 고려한 분석의 기준을 제시하였으며, 이의 적용을 위해 용담시험유역에서 장기 관측된 유량, 토양수분량, 그리고 증발산량을 활용한 모의수행 및 유역의 수문 유출특성과 물순환 관점의 물수지를 검토하였다. 모형은 유역 내 다중 관측 자료의 특성을 반영할 수 있도록 순차적 보정 방법과 SWAT-CUP에서의 최적 매개변수 값 산정을 위한 모의 실행 및 반복 횟수 설정(초기 1,000회 모의 실행, 이후 500회 모의 반복), 그리고 전체 및 부분 수행 등을 통해 소유역별 각기 다른 매개변수 값으로 보정하였으며(유역출구 유량 ENS 0.85, R2 0.87, 그리고 PBIAS -7.6%), 이를 유역출구 지점에 대해 순차적이 아닌 일괄 적용한 분석결과(ENS 0.52, R2 0.54, 그리고 PBIAS -22.4%)와 비교하여 그 방법상의 우위를 확인하였다. 총 15개년의 모의 결과로부터 용담댐 유역의 직접유출은 35%, 기저 및 중간유출과 회귀유량을 합한 값은 65%로 전체 유출률은 53%이며, 증발산량은 전체 강우의 39%에 상당하는 양이 발생하는 것을 파악할 수 있었으며, 아울러 소유역별 연간 총 유출량(일평균 21.8 m3/sec) 등을 포함한 물이용 가능 수량은 연간 총 6.96억 m3으로 소유역별로는 약 540 ~ 900 mm로 분석되었다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제53권1호
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• pp.45-56
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• 2020

본 연구는 SWAT-CUP을 이용한 SWAT 모형 매개변수 보정을 수행할 때, 목적함수로 인해 발생할 수 있는 불확실성을 정량화하는 것을 목표로 수행되었다. 먼저 낙동강 권역의 내성천 유역을 대상으로 유출량 산정을 위한 SWAT 모형을 구축한 후, SWAT-CUP을 이용하여 8개 목적함수(R², bR², NS, MNS, KGE, PBIAS, RSR 및 SSQR)를 기준으로 자동 보정을 수행하였다. 최종 매개변수는 목적함수에 따라 서로 다른 범위를 나타내었으며, 모의 결과의 수문특성 또한 상이하게 도출되는 것을 확인하였다. 이것은 각각의 목적함수가 특정 수문특성에 대하여 민감하게 반응하여 서로 다른 모의 성능을 평가하기 때문이다. 즉, 특정 목적함수는 극치값의 잔차에 대해 민감하게 반응하여 첨두값을 잘 모의하는 반면, 저유량 또는 평균유량에 대한 모의 성능이 떨어질 수 있다. 따라서 본 연구에서는 최적 목적함수를 선정하기 위해 8개의 목적함수에 따라 산정된 모의값과 관측값 사이의 수문학적 유사성을 평가하였다. 단순히 유량의 크기 비교 뿐 아니라 유량의 발생 시기, 유역의 반응 및 증가·감소 경향성을 함께 고려하기 위해 수문곡선의 증수부 및 감수부 유지시간 비율을 수문특성으로 정의하여 SWAT 모형을 평가하였으며, 평가 결과를 점수로 정량화하여 나타냈다. 그 결과 최종적으로 SWAT 매개변수 보정을 위한 최적 목적함수는 총점이 높은 MNS (342.48) 및 SSQR (346.45)로 선정되었다.

• 한국물환경학회지
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• 제28권3호
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• pp.347-358
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• 2012

The SWAT (Soil and Water Assessment Tool) should be calibrated and validated with observed data to secure accuracy of model prediction. Recently, the SWAT-CUP (Calibration and Uncertainty Program for SWAT) software, which can calibrate SWAT using various algorithms, were developed to help SWAT users calibrate model efficiently. In this study, three algorithms (GLUE: Generalized Likelihood Uncertainty Estimation, PARASOL: Parameter solution, SUFI-2: Sequential Uncertainty Fitting ver. 2) in the SWAT-CUP were applied for the Soyang-gang dam watershed to evaluate these algorithms. Simulated total streamflow and 0~75% percentile streamflow were compared with observed data, respectively. The NSE (Nash-Sutcliffe Efficiency) and $R^2$ (Coefficient of Determination) values were the same from three algorithms but the P-factor for confidence of calibration ranged from 0.27 to 0.81 . the PARASOL shows the lowest p-factor (0.27), SUFI-2 gives the greatest P-factor (0.81) among these three algorithms. Based on calibration results, the SUFI-2 was found to be suitable for calibration in Soyang-gang dam watershed. Although the NSE and $R^2$ values were satisfactory for total streamflow estimation, the SWAT simulated values for low flow regime were not satisfactory (negative NSE values) in this study. This is because of limitations in semi-distributed SWAT modeling structure, which cannot simulated effects of spatial locations of HRUs (Hydrologic Response Unit) within subwatersheds in SWAT. To solve this problem, a module capable of simulating groundwater/baseflow should be developed and added to the SWAT system. With this enhancement in SWAT/SWAT-CUP, the SWAT estimated streamflow values could be used in determining standard flow rate in TMDLs (Total Maximum Daily Load) application at a watershed.

• 한국수자원학회논문집
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• 제53권5호
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• pp.347-356
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• 2020

본 연구에서는 SWAT-CUP 프로그램을 이용한 SWAT 모형 매개변수 검·보정 수행 시 적은 계산 소요시간으로 모의 성능을 극대화할 수 있는 매개변수 보정 방안을 결정하기 위해 모의 실행 횟수에 따라 Case1~3(250, 500, 1,000번) 및 Case4(초기 1,000번, 이후 500번)로 구분하고, 이들 모의의 반복에 따른 보정 결과를 비교하였다. 선정한 목적함수에 대하여 모의 성능을 평가한 결과 각 모의 수행의 4번째 반복 이후 Case2와 Case3의 목적함수가 같은 값(MNS 0.64)에 도달했으며, 8번째 이후부터는 Case1의 목적함수도 유사한 값에 도달하는 것을 확인하였다. 그러나 매개변수의 최종 산정 값은 Case1~3이 모두 상이하게 나타났으며, Case3과 Case4의 결과만 유사하게 수렴되는 것을 확인하였다. 이의 분석을 통해 보정 결과는 매개변수 값 산정을 위한 초기 모의 실행 횟수에 큰 영향을 받는다는 것을 알 수 있었다. 반면, 초기의 매개변수 변화 폭과는 다르게 이의 반복을 통한 SWAT 모의 수행 결과는 크게 달라지지 않았다. 이와 같은 결과를 종합하여 Case4와 같이 1,000번 이상의 충분한 모의 실행 횟수 설정 후 초기 1-2회 정도 반복 수행하고, 그 이후는 모의 횟수를 줄여서 반복하는 것을 가장 효율적인 SWAT-CUP을 이용한 SWAT 모형 검·보정 방안으로 제시할 수 있었다.