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조도계수와 유량의 불확실성이 홍수범람도 구축에 미치는 영향
The Effect of Uncertainty in Roughness and Discharge on Flood Inundation Mapping 원문보기

대한토목학회논문집 = Journal of the Korean Society of Civil Engineers, v.33 no.3, 2013년, pp.937 - 945  

정영훈 (인하대학교 수자원시스템연구소) ,  여규동 (인하대학교 수자원시스템연구소) ,  김수영 (홍익대학교 토목공학과) ,  이승오 (홍익대학교 토목공학과)

초록
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홍수범람도의 정확성은 입력자료, 모형변수, 모델접근방법 등을 포함한 전반적인 구축과정에 포함된 모든 변수들로부터 전달되는 불확실성에 의해 결정된다. 본 연구의 목적은 미국 Missouri주 Boonville시에 위치한 Missouri 강에 대한 홍수범람도 구축과정에서 모델 변수들 가운데 주 요소 (흐름조건, 조도계수)로부터 발생하는 불확실성을 조사하는 것이다. 본 연구를 수행하기 위하여 홍수범람면적의 불확실성 구간을 정량화하기 위한 GLUE (generalized likelihood uncertainty estimation)를 이용하였다. GLUE 수행과정에서 불확실성 구간은 두 개의 우도함수를 선택함으로 산정되었는데 선택된 우도함수는 제곱오차 합의 역 (1/SSE)과 절대오차 합의 역 (1/SAE)이다. GLUE의 결과는 제곱오차 합의 역에 의한 우도측정이 절대오차 합의 역에 의한 우도측정보다 관측 자료에 더 민감하였고, 두 개의 변수에 포함된 불확실성은 관측 자료의 약 2 %에 해당하는 홍수범람면적의 불확실성 구간에 전달되었다. 이러한 결과를 토대로, 본 연구는 홍수의 특성을 알아내는데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The accuracy of flood inundation maps is determined by the uncertainty propagated from all variables involved in the overall process including input data, model parameters and modeling approaches. This study investigated the uncertainty arising from key variables (flow condition and Manning's n) amo...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • GLUE를 이용한 불확실성 산정에 있어 Aronica 외(2002)와 Mason 외(2009)는 주하도와 범람원의 조도계수의 조합을 이용하였고, Horritt(2006)은 상류와 하류의 조도계수의 조합을 이용하였다. 따라서, 본 연구는 홍수범람도 구축에서 발생할 수 있는 불확실성 요소들 가운데 조도계수 외에, 수위-유량관계식에서 발생하는 불확실성까지 고려하여 홍수범람 도에 미치는 영향을 GLUE를 이용하여 산정하고자 한다. 이 목적을 수행하기 위하여 미국 Missouri주 Boonville 근처 Missouri 강 (Boonville 하도)의 홍수위를 추정하는데 HEC-RAS모형과 홍수 범람의 공간적 분포를 추정하는데 역거리 가중치(Inverse distance weight: IDW)보간법이 사용되었다.
  • 본 연구에서는 미국 Missouri주 Boonville 근처 Missouri 강 (Boonville 하도)와 2007년 5월 13일에 발생한 홍수사상에 대하여 홍수범람도 구축에 있어 조도계수와 유량의 불확실성을 GLUE를 이용하여 정량적으로 산정하였다. 본 연구를 통해 얻어진 결론은 다음과 같다.

가설 설정

  • HEC-GeoRAS는 ArcGIS에서 사용가능하도록 만들어진 하나의 도구로써, HEC-RAS의 정보를 ArcGIS로 내보낼 수 있고, 그 반대로 ArcGIS에서 생성된 자료를 HEC-RAS로 불러들여 기본 자료로 이용할 수 있는 기능을 가지고 있다. 본 연구에서 HEC-RAS의 하류의 경계 조건은 등류수심으로 설정하였다.
  • HEC-RAS는 범람원을 포함한 하천하도에 대한 정상류와 비정상류 흐름조건에 대하여 수위를 모의할수 있는 1차원 모형이다. 본 연구에서는 정상류흐름조건의 가정으로 홍수위 모의를 수행하였다. 범람원이 저류지로서 역할을 한다면 2차원 모형을 사용하는 것이 더 적절할 수 있으나, 본 연구에서는 주하도와 범람원이 하나의 하도로 가정될 수 있는 흐름조건을 가질 수 있는 홍수량 때문에 1차원 수리모형인 HEC-RAS을 사용하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
홍수범람도의 정확성은 무엇으로 결정되는가? 홍수범람도의 정확성은 입력자료, 모형변수, 모델접근방법 등을 포함한 전반적인 구축과정에 포함된 모든 변수들로부터 전달되는 불확실성에 의해 결정된다. 본 연구의 목적은 미국 Missouri주 Boonville시에 위치한 Missouri 강에 대한 홍수범람도 구축과정에서 모델 변수들 가운데 주 요소 (흐름조건, 조도계수)로부터 발생하는 불확실성을 조사하는 것이다.
홍수범람도구축에 있어 GLUE가 많이 사용되고 있는 이유는 무엇인가? Baysesian forecasting system(Krzysztofowicz 1999), generalized likelihood uncertainty estimation(GLUE) (Beven과 Binley, 1992), 그리고 fuzzy extension principle(Maskey 외, 2004)은 홍수범람도 구축에서 불확실성을 정량적으로 산정하는 대표적인 방법들이다. 이러한 방법들 가운데, GLUE는 Beven과 Binley(1992)에 의해 수리학적 모델에서 불확실성을 예측하는 최초의 방법들 가운데 하나이며, 그 과정이 단순하고 다수의 변수에 대한 불확실성을 산정할 수 있는 전역적 방법이라 홍수범람구축에서 발생하는 다양한 불확실성 요소들을 평가하는데 많이 사용되고 있다(Werner 2004; Pappenberger 외 2005). GLUE를 이용한 불확실성 산정에 있어 Aronica 외(2002)와 Mason 외(2009)는 주하도와 범람원의 조도계수의 조합을 이용하였고, Horritt(2006)은 상류와 하류의 조도계수의 조합을 이용하였다.
홍수범람도 구축과정에서 발생한느 불확실성요소는 무엇인가? 홍수범람도의 정확성을 개선하기위하여 홍수범람도 구축과정에서 발생하는 불확실성 요소들을 통합적으로 고려하는 것이 중요하다. 홍수범람도 구축과정에 불확실성요소는 1) 수문모형이나 수위유량 관계곡선으로부터 산정된 흐름조건(flow condition); 2) 수문, 수리, 지형분석등에 사용되는 기상자료, 지형도와 토지이용도와 같은 입력자료; 3)수리모형 종류(예. 1차원 혹은 2차원); 4) 모형 변수들(예. Manning의 조도계수); 5) 모형 흐름 가정(예. 정상류 혹은 비정상류); 6) 조수의 영향 ; 7) 수리 모형의 경계조건 (예. 등류수심 혹은 고정수심); 8) 관측 자료의 부족(예. 관측홍수범람도); 그리고 9) 홍수범람도 구축방법 등에서 발생한다(Merwade 외 2008).
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참고문헌 (22)

  1. Aronica, G., Bates, P. D., and Horritt, M. S. (2002). "Assessing the uncertainty in distributed model predictions using observed binary pattern information within GLUE." Hydrological Processes, Vol. 16, pp. 2001-2016. 

  2. Beven, K. J., and Binley, A. M. (1992). "The future of distributed models: Model Calibration and Uncertainty Prediction." Hydrol. Process., Vol. 6, pp. 279-298. 

  3. Blasone, R. S., Vrugt, J. A., Madsen, H., Rosbjerg, D., Robinson, B. A., and Zyvoloski, G. A. (2008). "Generalized likelihood uncertainty estimation (GLUE) using adaptive Markov chain Monte Carlo sampling." Adv. Water Resour., Vol. 31, No. 4, pp. 630-648. 

  4. Dawdy, D. R., Lichty, R. W. and Bergmann, J. M. (1972). A rainfall ­.runoff simulation model for estimation of flood peaks from small drainage basis, U.S. Geol. Surv. Prof. Pap., 506-.B. 

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  6. Horritt, M. S. (2006). "A methodology for the validation of uncertain flood inundation models." Journal of Hydrology, Vol. 326, pp. 153-165. 

  7. Hossain, F., Anagnostou, E. N., Dinku, T., and Borga, M. (2004). "Hydrological model sensitivity to parameter and radar rainfall estimation uncertainty." Hydrol. Processes, Vol. 18, No. 17, pp. 3277-3291. 

  8. Hydrologic Engineering Center (1998). HEC-RAS, Hydraulic Reference Manual. Davis: California. 

  9. Koivumaki, L., Alho, P., Lotsari, E., Kayhko, J., Saari, A., and Hyyppa, H. (2010). "Uncertainties in flood risk mapping: A Case Study on Estimating Building Damages for a River Flood in Finland." J. Flood Risk Manage., Vol. 3, No. 2, pp. 166-183 

  10. Krzysztofowicz, R. (1999). "Bayesian theory of probabilistic forecasting via deterministic hydrologic model." Water Resources Research, Vol. 35, No. 9, pp. 2739-2750. 

  11. Maskey, S., Guinot, V. and Price, R. K. (2004). "Treatment of precipitation uncertainty in rainfall-runoff modelling: A Fuzzy Set Approach." Advances in Water Resources, Vol. 27, No. 9, pp. 889-898 

  12. Mason, D. C., Bates, P. D., and Dall' Amico, J. T. (2009). "Calibration of uncertain flood inundation models using remotely sensed water levels." Journal of Hydrology, Vol. 368, pp. 224-236. 

  13. Merwade, V., Olivera, F., Arabi, M., and Edleman, S. (2008). "Uncertainty in flood inundation mapping-current issues and future directions." J. Hydrol. Eng., Vol. 13, No. 7, pp. 608-620. 

  14. Merz, R., and Bloschl, G. (2008a). "Flood frequency hydrology: 1. Temporal, Spatial, and Causal Expansion of Information." Water Resour. Res., Vol. 44, W08432, doi:10.1029/2007WR006744. 

  15. Merz, R., and Bloschl, G. (2008b). "Flood frequency hydrology: 2. Combining Data Evidence." Water Resour. Res., Vol. 44, W08433, doi:10.1029/2007 WR006745. 

  16. Moore, M. R. (2011). Development of a high-resolution 1D/2D coupled flood simulation of Charles City, Master's thesis, University of Iowa. 

  17. Morin, E., Grodek, T., and Dahan, O. (2009). "Flood routing and alluvial aquifer recharge along the ephemeral arid Kuiseb River, Namibia." J. Hydrol., Vol. 368, pp. 262-275. 

  18. Paul D. Bates., Stuart N. Lane., Robert I. Ferguson. (2005). Computational fluid dynamics applications in environmental hydraulics, Wiley, USA, pp. 329-355. 

  19. Pappenberger, F., Beven, K., Horritt, M., and Blazkova, S. (2005). "Uncertainty in the calibration of effective roughness parameters in HEC-RAS using inundation and downstream level observations." Journal of Hydrology, Vol. 302, No. 1-4, pp. 46-69. 

  20. Pappenberger, F., Beven, K. J., Frodsham, K., Romanovicz, R., Matgen, P. (2006). "Grasping the unavoidable subjectivity in calibration of flood inundation models: A Vulnerability Weighted Approach." J. Hydrol. Vol. 333, pp. 275-287. 

  21. Weichel, T., Pappenberger, F., and Schulz, K. (2007). "Sensitivity and uncertainty in flood inundation modelling - Concept of an analysis framework." Adv. Geosci., Vol. 11, pp. 31-36. 

  22. Werner, M. (2004). Spatial flood extent modelling: A Performancebased Comparison, Ph.D Thesis. Delft University of Technology, Netherlands. 

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