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강우 및 강우-유출 모형의 불확실성을 고려한 홍수빈도곡선 유도
Derivation of Flood Frequency Curve with Uncertainty of Rainfall and Rainfall-Runoff Model 원문보기

Journal of Korea Water Resources Association = 한국수자원학회논문집, v.46 no.1, 2013년, pp.59 - 71  

권현한 (전북대학교 토목공학과, 방재연구센터) ,  김장경 (전북대학교 토목공학과, 방재연구센터) ,  박세훈 (한국시설안전공단 상하수도팀)

초록
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신뢰성 있는 홍수빈도해석을 수행하기 위해서는 충분한 홍수량 및 강우자료가 필요하다. 강우자료의 경우 우리나라 대부분 지역에서 30년 이상의 극치자료가 활용이 가능한 반면 홍수량 자료는 상대적으로 충분한 자료가 확보되지 않아 신뢰성 있는 빈도해석이 어려운 실정이다. 이에 따라 강우모의 기법에 근거한 홍수빈도곡선 유도방안연구가 몇몇 연구에서 제안된 바 있으나, 기본적으로 입력된 강우의 빈도와 홍수의 빈도가 동일하다고 가정함으로 인하여 발생하는 불확실성이 상당부분 내포되어 있다. 이러한 점에서 본 연구의 목적은 강우모의기법과 불확실성 분석이 고려된 홍수빈도곡선 유도방법을 개발하는 것으로 홍수빈도곡선을 유도하는데 있어서의 핵심은 미래에 발생 가능한 극치강수량을 효과적으로 재현할 수 있는 강수량 모의발생 기법과 강우-유출관계의 불확실성 분석에 있다. 본 연구에서는 극치강수량 모의를 위해 불연속 Kernel Pareto 분포를이용한 다지점 강수모의기법과 Bayesian HEC-1 (BHEC-1) 모형을 연계하여 본연구의 대상유역인 대청댐 유역의 강우-유출 관계의 불확실성을 고려한 홍수빈도곡선을 개발하고 모형의 적합성을 평가하였다. 최종적으로 기존 홍수빈도결정방법과 비교를 통해서 모형의 적합성을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The lack of sufficient flood data being kept across Korea has made it difficult to assess reliable estimates of the design flood while relatively sufficient rainfall data are available. In this regard, a rainfall simulation based derivation technique of flood frequency curve has been proposed in som...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 앞서 언급한 바와 같이 홍수빈도곡선을 유도하는데 핵심은 극치강수량의 재현 및 강우-유출 모형의 불확실성 분석이다. 따라서 본 연구에서는 극치강수량 재현에 유리한 PKPD 기반의 강우량 모의발생기법, 불확실성 분석이 가능한 Bayesian Markov Chain Monte Carlo (MCMC) 기반의 Bayesian HEC-1 (BHEC-1) 강우-유출모형을 연동해서 홍수빈도곡선을 유도할 수 있는 모형을 개발하는 것이다. 본 연구는 대청댐 유역을 대상으로 하였으며 논문의 진행 절차는 다음과 같다.
  • 즉, 강우-유출모형이 시간에 따라 계속적으로 변하게 되므로 매번 매개변수를 새로 추정해야할 필요가 생긴다. 따라서 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해서 2003년부터 2010년까지 8개 강우사상에 대한 각각 연속 100시간 수문곡선을 연계시켜 연속 800시간에 해당하는 강우사상에 대한 강우-유출모형의 매개변수를 추정하였다. 단, 독립된 강우-유출 사상간의 간섭효과를 없애기 위해서 각 강우-유출 사상 사이에 상당부분을 무강우-무유출구간으로 처리하였다.
  • , 2008) 등이 있으며, 다양한 수리수문학적 불확실성 정량화를 위한 대안으로서 적용되고 있다. 본 연구에서는 단일사상 강우-유출 모형 구축을 위한 매개변수 추정 및 불확실성 분석을 수행하기 위해 목적함수를 설정하고 각 사상별로 10,000회 이상 모의하여 다양한 표본공간으로부터 매개변수들이 추출될 수 있도록 하였다.
  • 본 연구에서는 홍수빈도곡선 유도과정에서 강우-유출 모형의 불확실성을 평가하기 위해서 국내외에서 범용되고 있는 대표적인 단일강우사상모형인 미공병단의 HEC1 FLOOD Package Code를 수정하여 연구를 진행하였다(Hydrologic Engineering Center, 1990). 강우-유출분석에는 SCS 유출곡선지수 방법과 Clark 순간단위도법을 사용하여 강우-유출 모형을 구축하였으며, HEC-1 모형 매개변수의 불확실성을 정량화하기 위해서 BHEC-1 모형을 적용하여 매개변수의 사후분포를 추정하였다.
  • 특히, Bayesian 방법은 매개변수의 추정과 불확실성을 동시에 수행할 수 있는 방법으로서 추정되는 매개변수들이 사후분포(posterior distribution)로 귀결되어 최종적으로 확률분포형의 형태를 갖게 된다. 이러한 점에서 본 연구의 목적은 앞서 언급된 극치강수량 재현기법, Bayesian 강우-유출 모형 기반의 불확실성 평가기법 등을 연계한 홍수빈도곡선 유도 기법을 개발하고자 한다.
  • 이밖에도 강우의 모의발생시 관측 범위 내에 존재하는 강우의 내삽(interpolation) 시에는 큰 문제가 발생하지 않으나 관측 범위를 벗어나는 극치값에 대해서는 과소 또는 과대 추정되는 문제점이 존재한다. 이러한 점에서 본 연구의 주요 목적은 불확실성을 포괄적으로 고려한 홍수빈도곡선 유도 방안을 수립하는 것이며 이를 위하여 극치강우량 재현에 유리한 강우모의기법과 강우-유출모형 매개변수의 불확실성을 고려할 수 있는 방안을 수립하고자 한다.

가설 설정

  • 대청댐 유역의 경우 총 7개 유역으로서 유역마다 3개의 매개변수가 최적화 대상이므로 총 21개의 매개변수를 최적화 하였다. 본 연구에서는 21개의 매개변수를 정규분포로 가정하였으며, 21개의 매개변수에 대한 결합확률은 Eq. (9)와 같다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
Bayesian 방법이란? 그러나 불확실성을 정량화하는 것은 통계학에서도 쉽지 않은 연구 분야로서 가장 진보된 불확실성 해석 방법으로는 Bayesian 방법이 컴퓨터의 발전과 더불어 많은 학문 분야에서 이용되고 있다. 특히, Bayesian 방법은 매개변수의 추정과 불확실성을 동시에 수행할 수 있는 방법으로서 추정되는 매개변수들이 사후분포(posterior distribution)로 귀결되어 최종적으로 확률분포형의 형태를 갖게 된다. 이러한 점에서 본 연구의 목적은 앞서 언급된 극치강수량 재현기법, Bayesian 강우유출 모형 기반의 불확실성 평가기법 등을 연계한 홍수빈도곡선 유도 기법을 개발하고자 한다.
Monte-Carlo Simulation 기법의 단점은? , 2002). 이러한 경우 강우-유출 관계에 대한 불확실성을 효과적으로 고려하지 못하는 단점이 있다. 이밖에도 강우의 모의발생시 관측 범위 내에 존재하는 강우의 내삽 (interpolation) 시에는 큰 문제가 발생하지 않으나 관측 범위를 벗어나는 극치값에 대해서는 과소 또는 과대 추정되는 문제점이 존재한다.
홍수량은 불확실성 분석을 고려한 해석이 필요한 이유는? 이는 입력된 강우의 빈도와 홍수의 빈도가 동일하다고 가정하는 것으로서 불확실성이 상당히 내포되어 있다. 즉, 홍수량은 다양한 수문학적 과정에 의해서 이루어지며 동일한 강우량일지라도 토양함수, 강우강도 등에 따라서 상당히 다른 유출 특성을 나타내기 때문에 불확실성 분석을 고려한 해석이 필요하다.
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