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집합체 혼합진화 알고리즘을 이용한 도시유역 홍수유출 모형의 자동 보정에 관한 연구
A Study for an Automatic Calibration of Urban Runoff Model by the SCE-UA 원문보기

韓國水資源學會論文集 = Journal of Korea Water Resources Association, v.45 no.1, 2012년, pp.15 - 27  

강태욱 (부경대학교 대학원 토목공학과) ,  이상호 (부경대학교 공과대학 토목공학과) ,  강신욱 (한국수자원공사 물관리센터) ,  박종표 (주식회사 헥코리아 수자원부)

초록
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SWMM은 도시유역의 홍수유출 해석에 관한 대표적인 모형으로서 국 내외에서 활용도가 높은 반면, 다수의 불명확한 매개변수를 포함하고 있어 사용에 어려움이 있다. 본 연구에서는 SWMM에 집합체 혼합진화(SCE-UA) 알고리즘을 결합하여 자동 보정 모듈을 개발하였다. 최적화 문제는 목적함수에 따라 그 결과가 상이하게 도출될 수 있으므로 연구에서는 5개의 단일 목적함수를 적용하여 가장 적합한 목적함수를 도출하였다. 그리고 홍수유출 해석에는 첨두유량의 정확성이 중요하므로 이를 고려할 수 있는 다목적함수를 구성하였고, 파레토 최적해의 결정을 통해 결과를 도출하였다. 작성된 자동 보정 모듈은 구로1 빗물펌프장 유역에 내린 2009년 3개의 강우사상에 적용되었다. 다목적함수의 구성을 통해 자동 보정된 결과는 단일 목적함수에 의해 도출된 결과보다 첨두유량과 유출체적의 오차를 포함한 대부분의 모형평가 지표에서 우수한 것으로 나타났다. 또한, 다목적함수에 의해 보정된 모형의 검증 결과도 신뢰적인 것으로 분석되었다. 본 연구에서 개발된 SWMM의 자동 보정 프로그램은 도시유역의 다양한 홍수유출 해석 문제에 활용될 수 있을 것으로 전망된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

SWMM (Storm Water Management Model) has been widely used in the world as a typical model for flood runoff analysis of urban areas. However, the calibration of the model is difficult, which is an obstacle to easy application. The purpose of the study is to develop an automatic calibration module of t...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구는 도시 유역의 대표적인 홍수유출 모형인 SWMM의 자동 보정에 목적을 두고 있다. 미 환경보존국(Environmental Protection Agency; EPA)의 지원 아래 개발된 SWMM은 도시유역 내에서 강우사상으로 인해 발생하는 지표면 및 지표하 흐름, 배수관망에 대한 유출량추적, 저류지 모의, 과적(surcharge)흐름, 배수(backwater), 압력류, 오염물질에 대한 처리 등을 모의할 수 있다(Huber and Dickinson, 1988).
  • 본 연구에서는 집합체 혼합진화 알고리즘을 이용하여 SWMM의 홍수유출에 관한 자동 보정을 수행하였다. SWMM의 자동 보정은 도시유역인 서울의 구로1 빗물펌프장 배수유역을 대상으로 하였고, 모형 보정 및 검증에 사용된 유역 유출량은 빗물펌프장의 운영 실적을 이용하여 추정하였다.
  • 본 연구에서는 하나의 배수유역에 대하여 제한된 홍수 사상에 대한 해석만을 수행하여 결과를 도출하였다. 이로 인해 대상유역에 대한 대표 매개변수의 추정을 통한 검증과 개발된 모형의 임의 유역에 대한 범용성은 검토되지 못하였다.
  • 연구에서는 관측 및 계산된 첨두유량의 오차와 수문곡선의 오차를 최소화하는 두 가지의 목적함수를 Eq. (2)와 같이 가중치를 동일하게 적용하여 결합하였고, 최적해를 찾아가는 과정에서 도출된 결과를 비교하여 파레토 최적해를 결정하였다.
  • 최근에는 우리나라에서도 도시유역의 홍수유출 해석에 있어 SWMM을 사용하도록 권장하고 있다(한국수자원학회, 2009; 토지주택연구원, 2010). 이러한 SWMM은 많은 물리적인 매개변수에 기반하고 있어 비교적 신뢰적인 결과를 제공한다. 동시에 불명확한 매개변수도 다수 존재하므로 사용자의 매개변수 추정이 요구된다.
  • 단일 목적함수별 자동 보정 결과는 Table 5와 같다. 자동 보정의 효과를 확인하기 위해 자동 보정 전의 결과도 함께 제시하였다. 자동 보정 전의 결과는 Table 7에 제시된 매개변수의 초기값에 의해 도출된 결과이다.

가설 설정

  • 연구에서 선정한 추정 대상 매개변수는 총 11개이고, 후술되는 Table 7에 제시되어 있다. Table 7에 제시된 매개변수 가운데 불투수지역의 면적비, 유역폭, 불투수 유역 중 지면 저류가 없는 지역의 면적비는 임의로 범위를 가정하였고, 나머지 매개변수들은 여러 문헌을 이용하여 적정 범위를 도출하였다. 이 가운데 불투수지역의 면적비와 유역폭은 지형정보시스템에 의해 유역마다 추정된 고유의 값이 있으므로(Table 4), 해당 유역의 값들을 특정한 비율로 변화시켜 최적해를 찾도록 하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
SWMM은 무엇인가? SWMM은 도시유역의 홍수유출 해석에 관한 대표적인 모형으로서 국 내외에서 활용도가 높은 반면, 다수의 불명확한 매개변수를 포함하고 있어 사용에 어려움이 있다. 본 연구에서는 SWMM에 집합체 혼합진화(SCE-UA) 알고리즘을 결합하여 자동 보정 모듈을 개발하였다.
SWMM은 어떤 어려움이 있는가? SWMM은 도시유역의 홍수유출 해석에 관한 대표적인 모형으로서 국 내외에서 활용도가 높은 반면, 다수의 불명확한 매개변수를 포함하고 있어 사용에 어려움이 있다. 본 연구에서는 SWMM에 집합체 혼합진화(SCE-UA) 알고리즘을 결합하여 자동 보정 모듈을 개발하였다.
단일 목적함수 간의 상충(trade-off) 관계로 인해 여러 목적함수를 동시에 최적의 상태로 만족시킬 수 없는데 이 문제를 해결하기 위한 방법에는 무엇이 있는가? 이는 단일 목적함수 간의 상충(trade-off) 관계로 인해 여러 목적함수를 동시에 최적의 상태로 만족시킬 수 없는데 기인한다. 위의 상충 문제를 해결하기 위한 방법에는 목적함수 간의 중요도를 고려하여 가중치를 적용하는 가중치 방법(weighted sum method), 일부의 목적함수를 제약식으로 변환하는 방법, 목적함수들의 우선순위와 목표를 설정하여 해를 구하는 목표 계획법(goal programming), 파레토 최적해(Pareto optimal solution) 산정 방법 등이 있다. 연구에서는 다목적함수의 파레토 최적해를 결정하여 모형을 자동 보정하였다.
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참고문헌 (28)

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  28. Zaghloul, N.A., and Abu Kiefa, M.A. (2001). "Neural network solution of inverse parameters used in the sensitivity-calibration analyses of the SWMM model simulations." Advances in Engineering Software, Vol. 32, No. 7, pp. 587-595. 

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