[논문]운동파법의 변환에 의한 2항 저류함수법의 적용

김창완; 제갈선동

doi:10.3741/jkwra.2019.52.12.1057

운동파법의 변환에 의한 2항 저류함수법의 적용
Application of two-term storage function method converted from kinematic wave method 원문보기

Journal of Korea Water Resources Association = 한국수자원학회논문집, v.52 no.12, 2019년, pp.1057 - 1066

김창완 (주식회사 에이치투알) , 제갈선동 (주식회사 에이치투알)

초록
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저류함수법은 비선형성을 가지는 실제 강우-유출 관계를 해석하기 위한 방법으로 우리나라 4개 홍수통제소의 홍수예측모형으로 이용되고 있다. 정확한 유출해석을 위해서는 정확한 저류함수의 매개변수 산정이 중요하나, 현재 사용되고 있는 저류함수법의 매개변수는 제한된 수문사상 분석에 의해 작성된 2012년도 경험식에 의해 추정된 것으로 정확도가 낮은 실정이다. 운동파법은 유역 및 하도의 물리변수에 기초한 방법으로 강우-유출 해석에 많이 이용되고 있다. 운동파법의 변환에 의한 2항 저류함수법을 채택하면 물리변수를 기반으로 매개변수를 추정할 수 있어 유출계산의 정확도가 증가할 수 있다. 유역유출에서 중요한 물리변수인 등가조도는 토지이용 및 토지피복을 이용하여 쉽게 구할 수 있으며, 하도유출의 물리변수는 하천기본계획 보고서 및 지형도 등에서 쉽게 구할 수 있어 매개변수의 추정이 매우 용이한 장점이 있다. 본 연구에서는 2항 저류함수법의 운동파법 재현성을 검토하였고, 한강권역 홍천강의 지류인 내촌천을 대상으로 2항 저류함수법의 적용 가능성을 검토한 바, 경험식에 의한 매개변수를 이용한 기존 1항 저류함수법보다 정확한 유출계산 결과를 얻을 수 있었다. 미계측 유역 및 하도에서도 물리변수를 이용하여 매개변수를 용이하게 추정할 수 있기 때문에 저류함수법의 활용도가 증가될 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The storage function method is used as a flood prediction model for four flood control offices in Korea as a method to analyze the actual rainfall-runoff relationship with non-linearity. It is essential to accurately estimate the parameters of the storage function method for accurate runoff analysis. However, the parameters of the storage function method currently in use are estimated by the empirical formula developed by the limited hydrological analysis in 2012; therefore, they are somewhat inaccurate. The kinematic wave method is a method based on physical variables of watershed and channel and is widely used for rainfall-runoff analysis. By adopting the two-term storage function method by the conversion of the kinematic wave method, parameters can be estimated based on physical variables, which can increase the accuracy of runoff calculation. In this research, the reproducibility of the kinematic wave method by the two-term storage function method was investigated. It is very easy to estimate the parameters because equivalent roughness, which is an important physical variable in watershed runoff, can be easily obtained by using land use and land cover, and the physical variable of channel runoff can be easily obtained from the basic river planning report or topographic map. In addition, this research examined the applicability of the two-term storage function method to runoff simulation of Naechon Stream, a tributary of the Hongcheon River in the Han River basin. As a result, it is considered that more accurate runoff calculation results could be obtained than the existing one-term storage function method. It is expected that the utilization of the storage function method can be increased because the parameters can be easily estimated using physical variables even in unmeasured watersheds and channels.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Schematic of the overland flow in a constant slope
그림 Fig. 2. Schematic of rectangular basin
그림 Fig. 3. Basin parameters of 2-term storage function method derived from kinematic wave method
그림 Fig. 4. Schematic of the channel flow in a constant slope
그림 Fig. 5. Conversion to non-dimensional form of inflow
그림 Fig. 6. Optimal non-dimensional channel parameters of 2-term storage function method derived from kinematic wave method
그림 Fig. 7. Comparison of the basin routing results between kinematic wave and 2-term storage function method
그림 Fig. 8. Comparison of the channel routing results between kinematic wave and 2-term storage function method
그림 Fig. 9. Location map of the target basin
그림 Fig. 10. Schematic of runoff diagram
표 Table 1. Equivalent roughness by land use and land cover
그림 Fig. 11. Simulation results of two flood events

AI 본문요약
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문제 정의

운동파법의 변환에 의한 2항 저류함수법을 채택하면 물리변수를 기반으로 매개변수를 추정할 수 있어 매개변수의 추정이 용이하며, 유출계산의 정확도가 향상될 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구에서는 2항 저류함수법의 운동파 방법 재현성을 가상 유역 및 하도에 대하여 검토한다. 또한 실제 유역 및 하도에 대한 2항 저류함수법의 매개변수를 물리적 인자로부터 도출한 후, 실제 홍수사상에 적용하여 2항 저류함수법의 현업화 가능성에 대하여 검토한다.
운동파법은 유역 및 하도의 물리변수에 기초한 방법으로 강우-유출 해석에 많이 이용되고 있다. 본 연구에서는 운동파법을 변환하여 구한 2항 저류함수법의 매개변수의 물리적 추정 방법을 제시하였다. 운동파법을 직접 적용하여 구한 모의결과와 2항 저류함수법을 적용하여 구한 모의결과는 서로 잘 일치함을 알 수 있다.

가설 설정

상류단 경계조건은 Fig. 5와 같이 삼각형 유량수문곡선으로 가정하였으며, 기저시간은 t_r[h]이며 첨두 발생시간은 t_a[h]이다.

제안 방법

Fig. 7에 보인 바와 같이 무차원 시간으로 2시간 동안 1의 무차원 강우가 발생한 경우에 대하여 운동파법과 2항 저류함수법으로 모의하였다. 두 방법에 의한 유량수문곡선 및 유량-저류량 관계곡선은 매우 유사함을 알 수 있으며, 유량-저류량 관계곡선이 고리형태를 보이고 있어 강우-유출의 비선성을 확인할 수 있다.
Fig. 8에 보인 바와 같이 상류단 유입수문곡선이 단일 첨두인 경우와 이중 첨두인 경우에 대하여 운동파법과 2항 저류함수법으로 하류단 유입수문곡선을 모의하였다. 하도 길이 L = 19.
저류함수법은 크게 1항과 2항 저류함수법으로 나눌 수 있다. 각각 선형과 비선형 형태가 있으나, 실제 자연현상에서는 유출량과 저류량의 관계가 비선형이기 때문에 본 연구에서는 비선형 방정식만을 다루었다.
본 연구에서는 2항 저류함수법의 운동파 방법 재현성을 가상 유역 및 하도에 대하여 검토한다. 또한 실제 유역 및 하도에 대한 2항 저류함수법의 매개변수를 물리적 인자로부터 도출한 후, 실제 홍수사상에 적용하여 2항 저류함수법의 현업화 가능성에 대하여 검토한다.
유역 저류함수법의 매개변수를 추정하기 위하여 1초(약 30m) DEM과 환경부 중분류 토지피복지도를 이용하였다. 토지이용 및 토지피복별 등가조도(Hashimoto, 1978)는 Table 1에 보인 바와 같다.
그러나 분할유역 및 분할하도에서 실측자료가 가용한 경우는 그리 많지 않다. 이러한 상황을 극복하기 위하여 실측자료가 가용한 유역 및 하도에 대해서 저류함수 매개변수를 구하고, 구해진 매개변수와 유역 및 하도의 특성인자(경사, 길이 등)를 회귀 분석하여 경험식을 도출하고 이를 이용하여 타 분할유역 및 분할하도의 매개변수 초기치를 추정하게 된다. 경험식의 결정계수가 높지 않은 경우에는 추정된 매개변수의 정확도가 높지 않을 수 있다는 단점이 있다.
5를 적용하여 무차원 매개변수를 구한 후, 하도의 조도계수 n, 하도의 경사 i와 하폭 b를 적용하여 실제 영역의 매개변수로 변환하였다. 하도 관련변수는 해당 하천의 하천기본계획 또는 구글어스(Google Earth)를 이용하여 구하였다.
하도의 매개변수는 m = 0.6, t_a/t_r = 0.5를 적용하여 무차원 매개변수를 구한 후, 하도의 조도계수 n, 하도의 경사 i와 하폭 b를 적용하여 실제 영역의 매개변수로 변환하였다. 하도 관련변수는 해당 하천의 하천기본계획 또는 구글어스(Google Earth)를 이용하여 구하였다.

대상 데이터

환경부 한강홍수통제소는 홍수특보 지점을 확대하기 위한 노력을 기울이고 있다. 본 연구의 적용 대상 지역은 이들 지점 중의 하나인 한강 수계 홍천강 상류유역으로 Fig. 9에 보인 바와 같다.
분석 대상 홍수사상의 기간은 ‘2017/07/02~07/04’와 ‘2018/08/28~08/30’이다.
적용 대상 유역은 Fig. 10에 보인 바와 같이 표준유역 101401-101406으로 구성되며, 분할하도는 4개이며, 유출량 계산 지점은 홍천군(굴운교) 지점으로 수위관측소 코드는 1014060이다. 이는 현업 홍수예측모형에서 사용되는 유출모식도와 동일하다.

이론/모형

는 표층토의 투수계수, λ는 표층토의 유효공극이다. 본 연구에서는 Manning 공식을 적용하였다. Manning 공식에서 마찰계수는 f_c = (1/α)^1/m = #과 같이 정의된다.
운동파법의 변환에 의한 2항 저류함수법을 채택하면 물리변수를 기반으로 매개변수를 추정할 수 있는 장점이 있다. 운동파법에서 2항 저류함수법으로 변환하는 절차는 Foundation of Hokkaido River Disaster Prevention Research Center (2006)의 연구에 나타나 있으며, 본 연구에는 여기에 제시되어 있는 절차를 따랐다.

성능/효과

7에 보인 바와 같이 무차원 시간으로 2시간 동안 1의 무차원 강우가 발생한 경우에 대하여 운동파법과 2항 저류함수법으로 모의하였다. 두 방법에 의한 유량수문곡선 및 유량-저류량 관계곡선은 매우 유사함을 알 수 있으며, 유량-저류량 관계곡선이 고리형태를 보이고 있어 강우-유출의 비선성을 확인할 수 있다.
1항 저류함법은 홍수통제소 현업 홍수예측모형에 탑재된 것이다. 모의 결과를 살펴보면 두 홍수사상 모두에서 RMSE와 NSE (Nash-Sutcliffe Efficiency)가 개선되었음을 알 수 있다.
특히 유역유출에서 중요한 물리변수인 등가조도는 토지이용 및 토지피복을 이용하여 쉽게 구할 수 있으며, 하도유출의 물리변수는 하천기본계획 보고서 및 지형도 등에서 쉽게 구할 수 있어 매개변수의 추정이 매우 용이한 장점이 있다. 현업 홍수예측모형인 1항 저류함수법(경험식에 의한 매개변수 추정)과 비교한 결과에서도 2항 저류함수법이 더 정확한 해를 제시하는 것으로 나타났다. 미계측 유역 및 하도에서도 물리변수를 이용하여 매개변수를 용이하게 추정할 수 있기 때문에 저류함수법의 활용도가 증가될 수 있을 것으로 기대된다.

후속연구

현업 홍수예측모형인 1항 저류함수법(경험식에 의한 매개변수 추정)과 비교한 결과에서도 2항 저류함수법이 더 정확한 해를 제시하는 것으로 나타났다. 미계측 유역 및 하도에서도 물리변수를 이용하여 매개변수를 용이하게 추정할 수 있기 때문에 저류함수법의 활용도가 증가될 수 있을 것으로 기대된다.
운동파법은 유역 및 하도의 물리변수에 기초한 방법으로 강우-유출 해석에 많이 이용되고 있다. 운동파법의 변환에 의한 2항 저류함수법을 채택하면 물리변수를 기반으로 매개변수를 추정할 수 있어 매개변수의 추정이 용이하며, 유출계산의 정확도가 향상될 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구에서는 2항 저류함수법의 운동파 방법 재현성을 가상 유역 및 하도에 대하여 검토한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	저류함수법이란?	저류함수법은 비선형성을 가지는 실제 강우-유출 관계를 해석하기 위한 방법으로 우리나라 4개 홍수통제소의 홍수예측모형으로 이용되고 있다. 정확한 유출해석을 위해서는 정확한 저류함수의 매개변수 산정이 중요하나, 현재 사용되고 있는 저류함수법의 매개변수는 제한된 수문사상 분석에 의해 작성된 2012년도 경험식에 의해 추정된 것으로 정확도가 낮은 실정이다.
	정확한 강우-유출 해석을 위해 중요한 것은?	정확한 강우-유출 해석을 위해서는 정확한 저류함수 매개변수 산정이 매우 중요하다. 저류함수의 매개변수를 산정하는 가장 정확한 방법은 유역의 경우 실측 강우량과 유출량, 하도의 경우 실측 유입량과 유출량을 분석하여 매개변수를 구하는 것이다(HRFCO, 1991; Chung and Park, 2013).
	유역 및 하도에 대한 분포형(distributed) 격자망을 작성하여야 하고 계산시간도 오래 소요되는 불편함을 해소하기 위해 적용하는 것은?	운동파법을 홍수예측에 적용하기 위해서는 유역 및 하도에 대한 분포형(distributed) 격자망을 작성하여야 하고 계산시간도 오래 소요되는 불편함이 따른다. 그러나 2항저류함수법을 적용하면 기존의 집체형(lumped) 유출모식도를 그대로 이용하고도 운동파법의 정확도를 유지할 수 있는 장점이 있다. 특히 유역유출에서 중요한 물리변수인 등가조도는 토지이용 및 토지피복을 이용하여 쉽게 구할 수 있으며, 하도유출의 물리변수는 하천기본계획 보고서 및 지형도등에서 쉽게 구할 수 있어 매개변수의 추정이 매우 용이한 장점이 있다.

참고문헌 (28)

Choi, J.N., Ahn, W.S., Kim, H., and Park, M. (2010a). "Evaluation of parameter characteristics of the storage function model using the kinematic wave model." Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation, KSHM, Vol. 10, No. 4, pp. 95-104.
Choi, J.N., Ahn, W.S., Kim, H., and Park, M. (2010b). "Parameter estimation of the storage function model: 1. development of the universal model for the parameter estimation." Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation, KSHM, Vol. 10, No. 6, pp. 119-130.
Choi, J.N., Ahn, W.S., Kim, H., and Park, M. (2010c). "Parameter estimation of the storage function model: 2. applicability of the universal model." Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation, KSHM, Vol. 10, No. 6, pp. 131-138.
Chung, G., and Park, H.-S. (2013). "Modification of the fixed coefficient method for the parameter estimation of storage function method." Journal of Korea Water Resources Association, KWRA, Vol. 46, No. 1, pp. 73-85.

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Foundation of Hokkaido River Disaster Prevention Research Center (2006). Practical runoff analysis seminar. Foundation of Hokkaido River Disaster Prevention, Hokkaido, Japan.
Gotoh, A., and Saga, H. (2010). "Generalized storage function method for 10-minute rainfall intensity." Annual Meeting of the Japan Society of Civil Engineers, JSCE, Vol. 65, No. II-274, pp. 547-548.
Hack, J.T. (1957). Studies of longitudinal profiles in Virginia and Maryland. US Geological Survey Professional Paper 294-B, U.S. Government Printing Office, Washington D.C., pp. 45-97.
Han River Flood Control Office (HRFCO) (1978). Improvement and constant analyses of Han River Flood Forecasting and Warning program.
Han River Flood Control Office (HRFCO) (1980). Runoff and constant analyses report of Han River flood forecasting and warning.
Han River Flood Control Office (HRFCO) (1982). Accuracy improvement discussion report of Han River flood forecasting and warning.
Han River Flood Control Office (HRFCO) (1983). Constant discussion report of Han River flood forecasting and warning system.
Han River Flood Control Office (HRFCO) (1991). Final report of Yeongsan River flood forecasting and warning program development.
Han River Flood Control Office (HRFCO) (2012). Establishment and enhancement of flood forecasting system. Publication Number 11-1611492-000087-01.
Hashimoto, I. (1978). Fundamental studies on the equivalent roughness for the hydrograph analysis by characteristic curve computation." Bulletin of Ishikawa Agricultural College, Ishikawa Prefecture, Japan.
Hoshi, K., and Yamaoka, I. (1982). "A relationship between kinematic wave and storage routing model." Proceedings of the Japanese Conference on Hydraulics, Vol. 26, pp. 273-278.
Japan Institute of Country-ology and Engineering, Small and Medium River Planning Study Group (1999). Guide to small and medium river planning (draft). Japan Institute of Country-ology and Engineering (JICE), Tokyo, Japan.
Japan International Cooperation Agency (1977). Survey report of Han River flood forecasting and warning (5th). Japan International Cooperation Agency (JICA), Tokyo, Japan.
Katayama, N., Hoshi, K., and Hashimoto, N. (2005a). "Improvement of flood forecasting system of Hokkaido development bureau." Annual Meeting of the Japan Society of Civil Engineers, JSCE, Vol. 60, No. 2-055, pp. 109-110.
Katayama, N., Hoshi, K., and Hashimoto, N. (2005b). "Improvements of flood forecasting method using the generalized storage routing model." Proceedings of Hokkaido Chapter of the Japan Society of Civil Engineers, JSCE, Vol. 61, No. II-11.
Kimura, T. (1961). Flood runoff routing by storage function. Public Works Research Institute, Japan.
Kuribayashi, M., and Sadamichi, N. (1969). The characteristics and runoff analysis method in a drainage system (in particular, on the method of characteristic curve and the storage function method). Report of Technical Research Association, Ministry of Construction, River Division (Special Feature on Erosion Control and Landslides), pp. 739-743.
Miyahara, M., Hoshi, K., and Hashimoto, K. (1999). "A storage function model for channel routing." Proceedings of Hokkaido Chapter of the Japan Society of Civil Engineers, JSCE, Vol. 55, pp. 18-23.
Nagai, A. (1988). "Land use change and flood runoff model." Journal of the Agricultural Engineering Society, Japanese Society of Irrigation, Drainage and Rural Engineering, Vol. 56, No. 11, pp. 1067-1072.
Nam, K.T., and Kim, K.S. (1996). "Flood runoff analysis by a storage function model." Magazine of the Korean Society of Agricultural Engineers, KSAE, Vol. 38, No. 2, pp. 75-86.
Prasad, R. (1967). "A nonlinear hydrologic system response model." Journal of the Hydraulics Division, Proceedings of the ASCE, Vol. 93, No. HY4, pp. 201-221.
Sugiyama, H, Kadoya, M., and Nagai, A. (1988). "Study on the synthetic storage function model." Transactions of the Japanese Society of Irrigation, Drainage and Reclamation Engineering, Japanese Society of Irrigation, Drainage and Rural Engineering, Vol. 134, pp. 69-75.
Sugiyama, H., and Kadoya, M. (1988). "Discussion on parameters of the storage function model." Transactions of the Japanese Society of Irrigation, Drainage and Reclamation Engineering, Japanese Society of Irrigation, Drainage and Rural Engineering, Vol. 133, pp. 11-18.
Sugiyama, H., Kadoya, M., Nagai, A., and Lansey, K. (1997). "Evaluation of the storage function model parameter characteristics." Journal of Hydrology, Vol. 191, pp. 332-348.

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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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