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유출곡선지수의 선행토양함수조건 선정 기준 연구
A Study on the Selection of AMC of Curve Number 원문보기

한국습지학회지 = Journal of wetlands research, v.14 no.4, 2012년, pp.519 - 535  

김지상 (서경대학교 토목건축공학과) ,  안재현 (서경대학교 토목건축공학과)

초록
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하천유역의 수문현상 분석 및 예측에서 강우-유출 모형의 신뢰성 제고를 위해 대상유역에 적합한 매개변수의 선정은 매우 중요하다. 특히 단위도 이론을 이용한 유역의 홍수량 결정인자 중 하나는 유효우량이며, 이를 계산하기 위해 NRCS의 유출곡선지수방법이 주로 사용된다. 여기서 유효우량에 직접적인 영향을 미치는 인자는 선행토양함수조건(AMC 조건)이다. 본 연구에서는 국내 상황에 적합한 선행토양함수의 선정기준을 찾고자 하였다. 이를 위해 홍수량 실측자료가 양호한 댐 유입량을 이용하였으며, 유역면적을 고려해서 보령댐, 합천댐, 남강댐 등이 선정되었다. 홍수량 산정모형의 홍수사상별 적정 매개변수 검정을 위해 최적화 기법을 적용했으며, 목적함수와 매개변수에 따른 CN의 변동성을 살펴보았다. 이를 통해 SCS에서 제안한 CN이 유역의 물리적인 특성에 따른 결정론적 변수지만 실제로는 강우의 사상에 따라 달라질 수 있으며, 매개변수의 최적화 수행시에 꼭 포함되어야 함을 알 수 있었다. 강우사상별 CN의 변동성은 매우 크게 나타났지만 대부분의 상한값이 AMC-III 조건의 범위 내에 위치하였다. 이는 설계 홍수량의 산정을 위한 선행토양함수조건은 AMC-III가 적절한 기준임을 의미하는 것으로 판단되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In order to establish a rainfall-runoff model, calibration of hydrological parameters for the model is very important. Especially, Curve Number(CN), estimated by NRCS method, is a main factor to apply unit hydrograph theory to calculation of peak discharge. For using NRCS method, it is needed select...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서, 본 연구에서는 유출곡선지수(CN)의 매개변수 검정(calibration) 과정이 필요한지를 검토하고, 매개변수 검정을 위한 최적화 기법 적용 시 이용되는 목적함수들의 성능을 평가하였다. 이를 통해 최종적으로는 설계홍수량의 산정시 적용되는 선행토양함수조건의 기준을 제시하고자 한다.
  • 목적함수의 차이는 가중치를 어디에 두느냐의 차이로 구분되는데, 선택된 목적함수는 오차에 대한 가중치 비중을 다르게 주며 매개변수에 따라 홍수량이 산정된다. 본 연구에서는 각 목적함수에 따라 단위도의 형태나 기저시간 등의 변화 형태를 검토하고, 첨두홍수량의 관측치와 모의치의 오차를 확인하면서 적합한 목적함수를 선정하였다. 각 사상은 단일유역에 적용하였고, 탐색방법은 단일변량증감법(Univariate Gradient Method, UG)과 Nelder-Mead법(N&M)을 사용하였다.
  • 본 연구에서는 유출곡선지수(CN)의 매개변수 검정(calibration) 과정이 필요한지에 대한 검토를 수행하고, 유출곡선지수 매개변수 검정의 최적화 기법 수행 시에 이용되는 목적함수들을 평가하였다. 이를 통해 설계홍수량의 산정시 적용되는 선행토양함수조건의 기준을 제시하고자 하였으며, 주요 결과를 정리하면 다음과 같다.
  • 본 연구에서는 유출곡선지수(CN)의 매개변수 검정(calibration) 과정이 필요한지에 대한 검토를 수행하고, 유출곡선지수 매개변수 검정의 최적화 기법 수행 시에 이용되는 목적함수들을 평가하였다. 이를 통해 설계홍수량의 산정시 적용되는 선행토양함수조건의 기준을 제시하고자 하였으며, 주요 결과를 정리하면 다음과 같다.
  • 따라서, 본 연구에서는 유출곡선지수(CN)의 매개변수 검정(calibration) 과정이 필요한지를 검토하고, 매개변수 검정을 위한 최적화 기법 적용 시 이용되는 목적함수들의 성능을 평가하였다. 이를 통해 최종적으로는 설계홍수량의 산정시 적용되는 선행토양함수조건의 기준을 제시하고자 한다.

가설 설정

  • 2S)는 초기손실량(mm), F는 Iα를 제외한 침투량(mm), S는 최대잠재보유수량(mm), 그리고 λ는 초기손실계수이다. SCS 방법에서는 강우시점부터 어떤 시각까지의 총 유량 P에 대한 유효우량 Q의 비는 토양의 최대잠재보류수량 S에 대한 실제 보유수량 F의 비와 같다고 가정하였다. Eq.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
유출곡선지수 CN의 한계점은 무엇인가? 이러한 유출곡선지수의 이용시 토지이용도와 토양도의 축척에 따라 자료의 특성이 변하게 되며 강우-유출모형에 적용시 오차를 발생하게 된다(Hawkins, 1978). 이의 원인으로 조홍제 등(2001)은 “CN은 그 이론적 배경으로 볼 때 토지이용도와 토양도로부터 추출된 값을 주요 매개변수로 두고 있으므로 실제 국내 지형에서 고려되어져야 할 그 이외의 인자들이 고려되지 않은 한계성을 지니고 있다”고 언급한 바 있다.
하천유역의 수문현상 분석 및 예측에서 매우 중요한 것은 무엇인가? 하천유역의 수문현상 분석 및 예측에서 강우-유출 모형의 신뢰성 제고를 위해 대상유역에 적합한 매개변수의 선정은 매우 중요하다. 특히 단위도 이론을 이용한 유역의 홍수량 결정인자 중 하나는 유효우량이며, 이를 계산하기 위해 NRCS의 유출곡선지수방법이 주로 사용된다.
본 논문에서 수행한, 유출곡선지수(CN)의 매개변수 검정(calibration) 과정이 필요한지에 대한 검토 후, 유출곡선지수 매개변수 검정의 최적화 기법 수행 시에 이용되는 목적함수들을 평가를 통해 얻은 결론은 무엇인가? 1) Tc와 K는 유역의 물리적인 인자로부터 계산한 후, CN에 대해서만 최적화를 수행하였을 때 목적함수들 중 PWRMSE만 적절한 결과를 도출하는 것으로 나타났다. 또한, 최적화시 매개변수를 CN만으로는 설정하였을 경우에는 홍수량 오차가 크게 발생하여 최적 매개변수가 추정되지 못함을 알 수 있다. 2) 정확한 홍수량 산정을 위해 매개변수는 CN, Tc, K를 모두 최적화 시키는 것이 가장 적합한 방법이며 특히 매개변수 CN과 K가 홍수량 산정에 많은 영향을 끼치는 것으로 판단된다. 따라서 CN은 유역의 여러 인자를 하나의 지표로 표현한 물리적인 특성값이라고 할지라도 최적화기법을 이용한 홍수량 산정대상 매개변수에 포함되어야 할 것으로 판단된다. 3) 매개변수 최적화를 위한 목적함수를 검토하기 위해 매개변수 CN, Tc, K를 모두 포함한 최적화를 실행한 결과 오차의 범위가 가장 적은 PWRMSE가 적합한 목적함수로 선정되었다. 따라서 HEC-HMS 프로그램을 이용한 매개변수 최적화 수행시에는 PWRMSE를 목적함수로 사용하는 것이 효율적임을 알 수 있었다. 4) 같은 유역이라 할지라도 강우사상 및 매개변수들로 인해 CN이 달라질 수 있다. 그러나, 여러 조건별로 CN의 분포를 분석했을 때 대부분이 AMC-Ⅲ 조건에 수렴하는 것으로 나타났으며, 안정적인 설계홍수량의 산정을 위한 CN의 선행토양함수조건으로 AMC-Ⅲ를 적용하는 것이 타당할 것으로 판단된다. 5) 이상의 연구과제는 보령, 합천, 남강 유역을 대상으로 유도한 결과로서 한정된 자료와 한정된 조건으로 분석된 결과를 모든 설계 홍수량 산정의 기준을 하기에는 한계가 있다. 따라서 보다 많은 유역을 대상으로 한 추가연구가 필요하며, 강우분포의 선정과 소유역 분할에 따른 영향을 고려하는 부분을 연계해서 연구한다면 보다 객관적인 결과의 도출이 가능할 것으로 판단된다.
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