[논문]다방향 흐름 분배와 실시간 보정 알고리듬을 이용한 분포형 강우-유출 모형 개발(I) - 이론 -

김극수; 한건연; 김광섭

doi:10.3741/jkwra.2009.42.3.247

다방향 흐름 분배와 실시간 보정 알고리듬을 이용한 분포형 강우-유출 모형 개발(I) - 이론 -
Development of Distributed Rainfall-Runoff Model Using Multi-Directional Flow Allocation and Real-Time Updating Algorithm (I) - Theory - 원문보기

韓國水資源學會論文集 = Journal of Korea Water Resources Association, v.42 no.3, 2009년, pp.247 - 257

김극수 (한국건설기술연구원 하천해안항만연구실) , 한건연 (경북대학교 공과대학 토목공학과) , 김광섭 (경북대학교 공과대학 토목공학과)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 다방향 흐름 분배 알고리듬과 실시간 보정 알고리듬을 개발하여 분포형 강우-유출 모형에 적용하였다. 개발된 알고리듬의 적용과 분포형 모형 적용상의 약점인 계산시간 개선을 위해 비교적 간단한 수문과정 지배 방정식들을 이용하여 분포형 강우-유출 모형을 작성하였다. DEM(Digital Elevation Model)를 이용하여 공간해상도 변화에 따른 지형정보와 흐름정보의 변동성을 파악하였다. 모의수행 전처리 과정으로 가용한 고해상도 DEM 자료를 사용하여 공간해상도 변화에 따른 흐름정보의 손실을 최소화하고 상세흐름정보를 저해상도 흐름정보에 반영시키는 다방향 흐름분배 알고리듬을 개발하였다. 또한 실시간으로 유역상태량을 보정하는 실시간 보정 알고리듬을 개발하다. 개발된 모형은 저해상도 모의에서 유출 과정의 실제적 거동 정보를 유지할 수 있다. 그러므로 예측 정확도 향상 및 계산시간의 개선이 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a distributed rainfall-runoff model is developed using a multi-directional flow allocation algorithm and the real-time runoff updating algorithm. The developed model consists of relatively simple governing equations of hydrologic processes in order to apply developed algorithms and to enhance the efficiency of computational time which is drawback of distributed model application. The variability of topographic characteristics and flow direction according to various spatial resolution were analyzed using DEM(Digital Elevation Model) data. As a preliminary process using fine resolution DEM data, a multi-directional flow allocation algorithm was developed to maintain detail flow information in distributed rainfall-runoff simulation which has strong advantage in computation efficiency and accuracy. Also, a real-time updating algorithm was developed to update current watershed condition. The developed model is able to hold the information of actual behavior of runoff process in low resolution simulation. Therefore it is expected the improvement of forecasting accuracy and computational efficiency.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

고해상도">것이다. 고해상도 지형정보로 부터 취득할 수 있는 상세흐름정보를 상대적으로 저해상도 지형에서 발생하는 흐름에 전파시키는 다방향 흐름분배 알고리듬을 개발하여 분포형 모형의 해상도에 관련한 문제와 유출 보정 알고리듬의 개발을 통해 매개 변수 보정에 관련한 문제를 개선하고자 한다.
그러므로 현재 상태에서 분포형 강우-유출 과정의 보정을 위해서는 집중화된 관계의 적용이 필수적이다. 그러므로 본 연구에서는 유출구에서 계산된 유량비를 이용하여 적정 수심 분포를 반복법에 의해 도출함으로써 좀 더 향상된 강우-유출 반응을 묘사할 수 있도록 하는 실시간 유출 보정 알고리듬을 개발하였다. 이 알고리듬을 후)1995).본">본 연구에서는 모형화 해상도를 기상 실무에서 제공 하고 있는 분포형 레이더 강우의 해상도에 적합시키고 지형정보의 평활화로 인해 손실될 수 있는 흐름정보를 반영할 수 있는 방법론을 제시하였다.
후)모형에">모형에 Monte Carlo 기법과 몇 가지 다른 기법을 이용한 Kalman Filter를 적용하여 향상된 유출 반응의 결과를 도출한 바 있다. 본 연구의 목적은 유역에서의 홍수량 해석을 위해서 다방향 흐름분배 알고리듬과 실시간 보정 알고리듬을 개발하여 분포형 강우-유출 모형에 적용하여 수문반응 재현의 향상을 도모하는 것이다. 고해상도
가설 설정
- 다음으로 지표면 흐름 추적을 위해서 운동파 추적에 대한 개념을 적용하였다. 운동파는 중력과 마찰력이 중요하고 가속도항의 관성력과 압력은 중요하지 않다고 가정하는 흐름이다. 중력과 마찰력이 서로 평형을
  제안 방법
  
  후)보정기법의">보정 기법의 개발을 위해 Kim et al.(2007)의 연구에서 제안한 유출구에서의 유량비를 이용하는 유역 상태량 갱신 방법을 채택 하였으며 반복법에 의해 최적 유역 상태량을 추정하는 방법을 제안하였다. Fig.
  
  1) 본 연구에서 개발한 알고리듬들을 적용하기 위해서 단기 유출을 모의할 수 있도록 분포형 강우유출 모형을 작성하였다. 모형화에 고려한 3) 본 연구에서는 일방향 방향성을 갖는 저해상도 흐름정보에 상세 흐름정보를 반영하여 다방향 흐름으로 유도하는 다방향 흐름 분배 알고리듬을 개발하였다. 이 알고리듬을 분포형 강우-유출 후)실시간">실시간 보정 알고리듬의 절차를 나타내는 모식도이다. 관측량이 참 값이라는 가정의 보완을 위해서, 허용 유량비와 허용 유량차를 적용하여 신뢰구간을 설정하였다. 후)자연">자연 하천의 부정류는 확산이 존재하며 운동파 방법의 경우는 수문곡선의 확산에 관한 계산이 불가능하다. 그러므로 본 연구에서는 확산파 개념을 이용하여 이러한 수문곡선의 확산에 관한 계산이 가능하도록 하도흐름 추적에 확산파 모형을 적용하였다. 그리고 하도흐름 추적을 위해서는 확산파 흐름의 개념을 적용하였다. 운동파 방법은 지표류나 급경사 다음으로 지표면 흐름 추적을 위해서 운동파 추적에 대한 개념을 적용하였다. 운동파는 중력과 마찰력이 중요하고 후)관측 유량과">관측유량과 유역의 상태량인 총 저류량을 연관시키기 위해서 모형으로부터 계산된 유량-저류량 관계곡선을 이용하였다. 또한 계산된 저류량과 관측된 저류량의 비를 곱하여 유역 셀들의 공간적으로 분포된 수심을 갱신하였다. 이 연구에서는 Tachikawa et al.
  
  후)다 방향">다방향 흐름 분배 알고리듬과 실시간 유출 보정 알고리듬의 적용을 위해 단기 분포형 강우유출 모형을 작성하였으며 비교적 간단한 이론들을 적용하여 모형화에 적용하였다. 모형화를 위해서 침투, 지표면흐름, 하도흐름, 기저유출의 4가지 수문과정이 고려되었다.
  
  본 연구에서 다방향 흐름 분배 알고리듬과 실시간 유출 보정 알고리듬의 적용을 위해 단기 분포형 강우유출 모형을 작성하였으며 비교적 간단한 이론들을 적용하여 모형화에 적용하였다. 모형화를 위해서 침투, 본 연구에서는 향상된 강우-유출 반응의 재현을 위해 다방향 흐름 분배 알고리듬과 실시간 보정 알고리듬을 개발하여 모형화에 적용할 수 있도록 분포형 강우유출 모형을 구성하였다. 본 연구의 주요 내용을 후)상태 변수를">상태변수를 S로 처리함으로써 SCS-CN 방법에서 모든 시간 단계에서 일정하게 유지 되는 S가 갱신 시간 단계별로 변화하도록 하였다. 후)수평직선 분리법은">수평직선분리법은 적용과정이 타 기법들(주지하수 감수곡선법, N-day 법, 수정 N-day 법 등)에 비해 매우 간단하며, 홍수시의 유출을 고려함에 있어서 기저유량은 홍수 유출량에 비해 상대적으로 작기 때문에 어떠한 방법을 이용하더라도 홍수유출량 예측에는 큰 영향을 미치지 않기 때문에 본 연구에서는 수평직선 분리법을 선정하여 모형화에 적용하였다.
  
  전 절에서 언급한 바와 같이 공간해상도의 변화에 따라 지형정보의 손실이 크게 발생되기 때문에 이러한 지형정보의 손실을 최소화하면서 효율적인 흐름추적을 실시하기 위하여 다음과 같은 다방향 흐름 분배 알고리듬을 개발하였다.
  이론/모형
  
  후)유한차분양해법이">유한 차분양해법이 사용되었으며 Chow et al.(1988)과 Julien and Saghafian(1991)의 연구를 참고하였다.
  
  이 연구에서는 Tachikawa et al.(2004)이 개발한 지표면 흐름과 지표하 흐름을 통합한 유역내 셀에서의 수위-유량 관계식을 이용하는 CDRMV3 모형이 실시간 강우-유출 모의에 적용되었다. 그러나 이 마지막으로 기저유출의 고려를 위해 수평직선분리법 의 개념이 적용되었다. 먼저 강우에 의한 지표면으로의 수량 공급 중 지표면 유출에 기여하는 수량의 분리를 위해서 이용된 침투 과정식은 Green-Ampt(1911) 식이며 지배방정식은 다음과 같다.
  
  후)강우 유출">강우유출 모형을 작성하였다. 모형화에 고려한 수문과 정들은 침투, 지표면흐름, 하도흐름, 기저유량을 고려하였으며, 각각 Green-Ampt 방법, 운동파 기법, 확산파 기법, 수평직선분리법을 적용하였다.

성능/효과

2) 공간 해상도 변화에 따른 지형정보의 변동양상과 흐름정보의 변동양상을 제시함으로써 지형정보의 해상도가 낮아질수록 다량의 흐름정보 손실을 확인하였으며, 지표면 흐름추적에서 상세흐름정보의 반영의 필요성을 제시하였다.
위의 두 그림에서 제시된 바와 같이 고해상도에서 저해상도로 갈수록 DEM은 평활화의 정도가 증가하여 지형의 표현의 간략화가 매우 크게 나타나고 있음을 알 수 있다. Table 1은 그림에서 제시된 해상도 변화에 따른 표고의 변화를
후속연구
- 4) 유출구 유량비를 이용하여 반복법에 의해 최적 유량비를 찾아내는 실시간 보정 알고리듬을 개발 함으로써 분포형 강우-유출 모형의 예측의 정확 성 향상이 기대되며, 강우 예측 기술과의 결합을 통해 진보된 유역홍수관리가 가능할 것으로 판단 된다.
- 후)흐름 정보들이">흐름정보들이 저해상도로 갈수록 크게 손실되고 있음을 알 수 있다. 그러므로 흐름 추적과정에서 손실되는 상세흐름정보의 활용이 필요할 것이다. 그러나 이러한 상세흐름정보를 직접 이용하는 것은 계산 효율성을 저하시키게 될 것이며 특히 대규모 유역에 대한 적용에는 한계가 있을 것이다.
- 후)이용하지">이용 하지 못하는 한계가 있다. 반면 본 연구에서 개발한 흐름분배 알고리듬은 가용한 상세 지형정보로부터 도출된 흐름정보를 유출과정에 전달함으로써 가용 흐름정보의 손실을 최소화하여 물리적으로 향상된 지표면 흐름과정 의 재현이 가능할 것으로 판단된다.
- 본 연구에서 개발하고자 하는 다방향 흐름분배 알고리듬의 언급에 앞서 DEM 해상도에 따른 지형정보의 변동을 살펴 볼 필요가 있다. Fig.
- 위에서 제시된 과정을 통해 지표면 흐름추적에 의해 도출된 일방향 흐름전달 정보가 다방향으로의 흐름정보 로 전환되며 상세 흐름정보의 반영으로 좀 더 물리적인 흐름양상의 구현이 가능해질 것으로 판단된다. Fig.
- 후)강우-유출">강우-유출 반응을 묘사할 수 있도록 하는 실시간 유출 보정 알고리듬을 개발하였다. 이 알고리듬을 매개변수 보정이 실시된 유역에 대해 적용함으로써 좀 더 향상된 유출 반응의 표현이 가능할 것으로 판단된다.
- ">개발하였다. 이 알고리듬을 분포형 강우-유출 모형화에 적용함으로써 저해상도 지형정보를 이용하여 취득할 수 있는 계산 효율성의 향상과 상세 흐름정보의 반영을 통해 좀 더 물리적인 흐름양상의 표출이 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	홍수가 빈번해지는 이유는 무엇인가?	최근 전지구적으로 발생되고 있는 기후변화의 영향 으로 사상 유래 없던 홍수들이 빈발하고 있으며 이에 따른 피해 규모 또한 막대하다. 또한 홍수의 대처능력 과 피해 규모에 대한 차이는 있을 수 있으나 홍수 방어 대책들이 잘 정립된 국가 및 그렇지 않은 국가를 막론 하고 이러한 홍수 발생으로부터 완전하게 안전한 지역 은 있을 수 없다.
	강우-유출 반응의 모형화에 있어 흐름추적 알고리듬인 GIS는 무엇인가?	GIS를 이용한 흐름 추적 알고리듬은 낮은 인접 지점 또는 지역으로 흐름(물, 유사, 유기물)을 전달하는 것이 다(Desmet and Govers, 1996). 그러므로 강우-유출 반 응의 모형화에 있어 흐름추적 알고리듬의 선택은 중요 하며 유역면적 계산, 비유역면적, 흐름 전달 등의 지형 속성에 영향을 미친다.
	현재까지 개발된 분포형 강우-유출 모형의 흐름전달 과정은 무엇이 있는가?	현재까지 개발된 분포형 강우-유출 모형의 흐름전달 과정은 일방향 흐름정보를 이용한 흐름추적(김성준, 1998; Vieux and Vieux, 2002; 신철균 등, 2004; 최윤석 등, 2008)과 2차원 흐름 방정식을 적용하여 4방향 또는 8방향으로의 흐름추적(Julien and Saghafian, 1991; Downer and Ogden, 2002; Rojas, 2002; 최현상과 한건 연, 2004)으로 생각할 수 있으며, 인접셀과의 표고차 또 는 수위차로부터 흐름을 전달하고 있다. 이러한 모형들 을 대규모 유역에 대해 적용할 경우에는 계산소요시간 및 계산기 연산장치의 한계로 인해 지형정보의 평활화 가 수반되고 있으며 가용한 상세 지형정보의 고려는 이 루어지지 않고 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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