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다중 강우유출자료를 이용한 Clark 단위도의 Bayesian 매개변수 추정
Bayesian parameter estimation of Clark unit hydrograph using multiple rainfall-runoff data 원문보기

Journal of Korea Water Resources Association = 한국수자원학회논문집, v.53 no.5, 2020년, pp.383 - 393  

김진영 (세종대학교 건설환경공학과) ,  권덕순 ((주)이산 수자원부) ,  배덕효 (세종대학교 건설환경공학과) ,  권현한 (세종대학교 건설환경공학과)

초록
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본 연구에서는 소양강댐 유역에서의 실측 단일사상 강우-유출 자료를 활용하여 Clark 단위도 방법의 매개변수최적화 하였으며, 그 결과를 제시하였다. 일반적으로 국내에서는 유역특성인자 최적화 분석시 미육군공병단의 HEC-1, HEC-HMS 등의 모형을 사용하고 있다. 그러나 해당 모형의 경우 유출수문곡선의 형상, 크기 등의 재현에만 초점이 맞춰져 있으며, 산정된 매개변수들의 평균을 사용하고 있어 실제 강우-유출 관계를 묘사하는데 어려움이 존재하고 있다. 이러한 점에서 본 연구에서는 기존 Clark 합성단위도법과 계층적 Bayesian 기법을 결합하여 수집된 강우-유출 자료를 동시에 활용하여 매개변수를 산정할 수 있는 모형을 개발하였다. 본 연구에서 개발된 모형을 적용한 결과 개별 단일사상 기반의 최적화 기법에 비해 다중 강우-유출 자료를 Pooling하여 매개변수를 산정하는 계층적 Bayesian 모형에서 BIC 결과 및 다수의 통계적 지표를 통해 모형의 우수성을 확인할 수 있었다. 더불어 홍수량에 따른 유역특성인자 매개변수 반응에 대한 관계규명을 기반으로 향후 댐 설계 또는 PMF 산정시 본 연구의 결과가 활용이 가능할 것으로 판단된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The main objective of this study is to provide a robust model for estimating parameters of the Clark unit hydrograph (UH) using the observed rainfall-runoff data in the Soyangang dam basin. In general, HEC-1 and HEC-HMS models, developed by the Hydrologic Engineering Center, have been widely used to...

주제어

표/그림 (9)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 단일 강우-유출 모형의 매개변수 추정 시 2가지 방법론을 제시하였다. 첫째, 개별 강우-유출 사상을 대상으로 매개변수를 추정하는 방법으로 기존 최적화 방식과 같지만 Bayesian 기법을 이용하여 매개변수의 사후분포를 추정하게 된다.
  • 본 연구에서는강우-유량 정보가 존재하는 소양강댐 유역을 하나의 단일유역으로 가정하여 매개변수의 최적화를 수행하였다. 최적화 관점에서 소유역별로 강우-유출 자료가 없는 경우 소유역을 분할하여 매개변수를 추정하는 것은 큰 의미를 찾기 어렵다.
  • 그러나 국내외 많은 연구에서는 단일사상 강우-유출 매개변수 산정보다는 장기유출에 초점이 맞춰져있어 단일사상에 대한 연구는 상대적으로 미진하였다. 이러한 점에서 본 연구에서는 앞서 제시된 문제점을 극복하고, 기존 Clark 합성단위도법과 계층적 Bayesian 모형을 도입하여 최적의 매개변수 산정이 가능한 모형을 개발하였다. 더불어 산정된 결과는 홍수량에 따라 유역특성인자의 반응 관계 규명이 가능하였으며, 본 연구에서 도입하여 제안하고자 하는 모형의 연구내용을 요약하면 다음과 같다.
  • 이러한 경우 개별 강우-유출 자료만이 매개변수 추정에 활용되므로 표본오차(samplingerror)로 인한 매개변수의 불확실성 증가와 더불어 추정된 매개변수의 신뢰성이 결여되는 문제점이 있다. 이러한 점에서 본 연구의 목적은 단일 강우-유출 모형의 최적화 시 나타나는 문제점을 개선하는 것이다. 이를 위하여 Clark 합성단위도법을 기반으로 다수의 강우-유출 자료를 동시에 활용하여 매개변수를 추정할 수 있는 기법을 제안하고자 한다.

가설 설정

  • , K)의 매개변수는 단일사상 강우-유출별 모형의 경우 균등(uniform) 분포로 가정(Eq. (7))하였으며, 계층적 Bayesian 모형의 경우 매개변수의 사전분포를 정규(normal)분포로 가정하였으며, Hyper-parameter는 정규(normal)분포 및 감마(gamma)분포로 가정(Eq. (13))하였다.
  • Clark 방법의 기본 개념은 유역은 선형수로(linear channel)와 유역출구에 위치한 선형저수지(linear reservoir)로 구성되어 있다고 가정한다. 분석대상유역의 시간-면적곡선을 작성하고 순간단위유효우량으로 인한 유역출구에서의 직접유출 수문곡선인 순간단위도(instantaneous unit hydrology)를 산정하는 방법이다.
  • 소양강댐 유역내 유역특성인자(Tc, K)의 매개변수는 단일사상 강우-유출별 모형의 경우 균등(uniform) 분포로 가정(Eq. (7))하였으며, 계층적 Bayesian 모형의 경우 매개변수의 사전분포를 정규(normal)분포로 가정하였으며, Hyper-parameter는 정규(normal)분포 및 감마(gamma)분포로 가정(Eq.
  • 최적화 관점에서 소유역별로 강우-유출 자료가 없는 경우 소유역을 분할하여 매개변수를 추정하는 것은 큰 의미를 찾기 어렵다. 이러한 점에서 본 연구에서는 소양강댐 상류 유역을 단일 유역으로 가정하였으며(Fig. 2), 일반현황은 Table 1과 같다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
단일 강우-유출모형에 적용되는 최적화 방법의 2가지 문제점은 무엇인가? 일반적으로 HEC-1 및 HEC-HMS와 같은 단일 강우-유출모형에 적용되는 최적화 방법은 크게 두 가지 문제점이 존재한다. 첫 번째는 기존 최적화 기법의 경우 첨두홍수량의 형상 및 크기 등을 효과적으로 재현하는 것에 초점이 맞춰져 있어, 최적화 후 홍수량과 유역특성인자간의 반응 관계가 규명되지 못하고 있다. 즉, 홍수량이 증가함에 따라 도달시간 및 저류상수는 줄어드는 특성을 고려하지 못하는 점이 있다. 이러한 문제점은 특히 댐 설계 및 재평가 시 산정되는 가능최대홍수량(probability maximum flood, PMF) 산정에 있어 두드러진다. 즉, PMF는 유역반응에 기반을 두어 홍수량이 가장 큰 상태를 가정하게 되며, 이때 과거 홍수량자료를 기준으로 유역반응이 가장 빠른 매개변수를 활용하게 된다. 그러나 일반적인 최적화 방법의 경우 이러한 경향성을 파악하는데 어려움이 있다. 두 번째는 추정된 매개변수의 결정 방법에 대한 문제점이 있다. 실무에서는 다수의 단일사상 강우-유출 자료가 존재하는 경우 매개변수를 개별적으로 추정하고 이를 평균하여 유역대표 매개변수로 활용하고 있다. 이러한 경우 개별 강우-유출 자료만이 매개변수 추정에 활용되므로 표본오차(samplingerror)로 인한 매개변수의 불확실성 증가와 더불어 추정된 매개변수의 신뢰성이 결여되는 문제점이 있다. 이러한 점에서 본 연구의 목적은 단일 강우-유출 모형의 최적화 시 나타나는 문제점을 개선하는 것이다. 이를 위하여 Clark 합성단위도법을 기반으로 다수의 강우-유출 자료를 동시에 활용하여 매개변수를 추정할 수 있는 기법을 제안하고자 한다.
현재 표준지침과 설계홍수량 산정요령이 개선이 필요한 이유는 무엇인가? 그러나 표준지침과 설계홍수량 산정요령(MLIT, 2012)을 살펴보면 유역특성인자 매개변수의 검정 및 검증 시 명확한 방법이 정해지지 않아 실무자의 혼동을 야기할 위험성이 존재한다. 즉, 확률강우량 산정의 경우 최적의 확률분포 선정, 매개변수 산정방법 등은 다양하고 통계적 기법이 개발되었으며, 실무에서도 적절하게 사용하고 있다.
HEC-1 및 HEC-HMS 모형에서 제공하는 최적화 방법의 문제점은 무엇인가? 기존 HEC-1 및 HEC-HMS 모형에서 제공하는 최적화 방법(Ford et al., 1980)은 매개변수 최적화 시 매개변수의 추정이효과적이지 못하고 특히, 물리적인 범위 내에서 수렴되지 못하는 경우가 자주 발생한다(Kwon et al., 2012).
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