[국내논문]농촌 유역 저수지 상·하류 통합 홍수 모의 시스템 구축 및 적용 An Integrated Flood Simulation System for Upstream and Downstream of the Agricultural Reservoir Watershed원문보기
To utilize the hydraulic and hydrological models when simulating floods in agricultural watersheds, it is necessary to consider agricultural reservoirs, farmland, and farmland drainage system, which are characteristics of agricultural watersheds. However, most of them are developed individually by d...
To utilize the hydraulic and hydrological models when simulating floods in agricultural watersheds, it is necessary to consider agricultural reservoirs, farmland, and farmland drainage system, which are characteristics of agricultural watersheds. However, most of them are developed individually by different researchers, also, each model has a different simulation scope, so it is hard to use them integrally. As a result, there is a need to link each hydraulic and hydrological model. Therefore, this study established an integrated flood simulation system for the comprehensive flood simulation of agricultural reservoir watersheds. The system can be applied easily to various watersheds because historical weather data and the SSP (Shared Socio-economic Pathways) climate change scenario database of ninety weather stations were built-in. Individual hydraulic and hydrological models were coded and coupled through Python. The system consists of multiplicative random cascade model, Clark unit hydrograph model, frequency analysis model, HEC-5 (Hydrologic Engineering Center-5), HEC-RAS (Hydrologic Engineering Center-River Analysis System), and farmland drainage simulation model. In the case of external models with limitations in conceptualization, such as HEC-5 and HEC-RAS, the python interpreter approaches the operating system and gives commands to run the models. All models except two are built based on the logical concept.
To utilize the hydraulic and hydrological models when simulating floods in agricultural watersheds, it is necessary to consider agricultural reservoirs, farmland, and farmland drainage system, which are characteristics of agricultural watersheds. However, most of them are developed individually by different researchers, also, each model has a different simulation scope, so it is hard to use them integrally. As a result, there is a need to link each hydraulic and hydrological model. Therefore, this study established an integrated flood simulation system for the comprehensive flood simulation of agricultural reservoir watersheds. The system can be applied easily to various watersheds because historical weather data and the SSP (Shared Socio-economic Pathways) climate change scenario database of ninety weather stations were built-in. Individual hydraulic and hydrological models were coded and coupled through Python. The system consists of multiplicative random cascade model, Clark unit hydrograph model, frequency analysis model, HEC-5 (Hydrologic Engineering Center-5), HEC-RAS (Hydrologic Engineering Center-River Analysis System), and farmland drainage simulation model. In the case of external models with limitations in conceptualization, such as HEC-5 and HEC-RAS, the python interpreter approaches the operating system and gives commands to run the models. All models except two are built based on the logical concept.
본 연구의 목적은 다양한 수리⋅수문 해석 모형을 연계함으로써 기후변화를 고려한 농촌 유역의 저수지 상⋅하류 통합 홍수 모의 시스템을 개발하고, 본 연구에서 개발한 통합 홍수 모의 시스템을 농촌 유역에 적용함으로써 모의 시스템의 적용성을 평가하는 데에 있다.
본 연구에서는 농촌 유역의 종합적인 홍수 모의를 위하여 농촌 유역 저수지 상⋅하류 통합 홍수 모의 시스템을 구축하였다
본 연구는 농촌 유역의 저수지 상⋅하류 통합 홍수 모의 시스템을 구축하는 것을 목적으로 한다
제안 방법
1) 전국 종관관측소의 강수량 데이터베이스 (DB) (1973-2100), 2) 시스템 구동에 필요한 대상지구의 측량 자료 입력 폴더, 3) 사용자 기반 초기 조건 설정 파일, 4) 시스템을 이루는 수리⋅수문 모형 모듈들의 입출력 파일 구조 및 지배방정식을 다루는 라이브러리 폴더, 5) 수리⋅수문 모형 모듈들의 실질적인 구동을 다루는 작업 (task) 폴더, 6) 수리⋅수문 모형 모듈의 결과 출력 폴더의 순서로 시스템이 구성된다. 시스템은 Python 기반으로 구축되었다. Fig.
먼저, 사용자가 SSP 기후변화 시나리오를 활용하여 홍수 모의를 진행하기를 원하는 경우, 24시간 단위의 SSP 기후변화 시나리오의 기상산출물을 홍수 모의 자료로 활용하기 위하여 MRC (Multiplicative Random Cascade) 모형을 통해 1시간 단위 강우 자료로 시간 상세화를 수행한다. 기후변화 시나리오를 활용하지 않는 경우, 강수량 DB에 존재하는 종관 기상관측소별 1시간 단위 강우 자료를 활용하여 모의를 진행한다.
빈도해석을 마친 후에는 수정 Huff 분포 (ME, 2019)를 활용하여 강우를 1분 단위로 분해한다. 본 연구에서 Python 코드로 구현한 유역 유입량 산정 모형 (Clark 모형), 저수지 수위 및 방류량 산정 모형 (HEC-5 모형), 하천 유량 모의 모형 (HEC-RAS 모형), 농경지 배수 모의 모형이 연계되어 구동된다. 이 중 저수지 수위 및 방류량 산정 모형과 하천 유량 모의 모형은 통합 홍수 모의 시스템이 Python 환경에서 입력 파일을 HEC-5 및 HEC-RAS 모형에 전달하고 구동을 명령하면 아웃소싱하여 모형이 구동되는 구조이다.
첨두유출량의 특성에 영향을 주는 주요 매개변수로는 도달시간과 저류상수가 있으며, 자연 하천 유역, 저수지 상류 유역의 경우에는 경험식을 통해 도달시간과 저류상수를 산정한다. 도달시간 및 저류상수를 산정하기 위한 다양한 경험식들이 존재하므로 본 연구에서는 Sabol 공식, 수정 Sabol 공식, 서경대 공식, Kirpich 공식, Kraven 공식, 연속 Kraven 공식 등 다양한 공식들을 활용할 수 있도록 코드로 구현하였다.
HEC-5 모형을 통해 산출된 상류 유역의 저수지 방류량과 Clark 단위도 모형을 통해 산출된 하류 유역의 측방유입량, 그리고 하천 단면자료를 입력자료로 활용하여 HEC-RAS 모형을 구동하며, HEC-RAS 모의 결과를 통해 예당저수지 하류 유역의 하천 유량 및 수위를 모의하였다.
HEC-RAS 모형에서 모의한 하천 유량 및 수위를 농경지 배수 모의 모형에 입력하여 농경지 침수를 모의한다. 한국농어촌공사의 배수갑문 능력검토 시스템 모형 알고리즘을 바탕으로 Python 환경에 모형을 구현하였다.
이에 농촌 유역 저수지 상⋅하류 통합 홍수 모의 시스템은 병렬화를 통한 반복 작업이 가능하도록 설계되었으며 MRC 모형을 통해 확률론적인 시간 상세화를 수행할 수 있도록 구축되었다
본 연구에서는 농촌 유역의 종합적인 홍수 모의를 위하여 농촌 유역 저수지 상⋅하류 통합 홍수 모의 시스템을 구축하였다. 기후변화를 고려한 농촌 유역의 통합 홍수 모의 시스템 마련을 위하여 시스템 내 SSP 기후변화 시나리오 데이터베이스를 구축하였다. 또한, 본 연구에서 개발한 통합 홍수 모의 시스템을 예당저수지 유역에 적용하였다.
기후변화를 고려한 농촌 유역의 통합 홍수 모의 시스템 마련을 위하여 시스템 내 SSP 기후변화 시나리오 데이터베이스를 구축하였다. 또한, 본 연구에서 개발한 통합 홍수 모의 시스템을 예당저수지 유역에 적용하였다. 그 결과, 저수지 상류에서 발생한 100년 빈도의 유입량이 저수지 수위 및 방류량 관점에서 저수지에 의해 성공적으로 통제되고 있음이 확인되었다.
강우 빈도 해석 모형은 연 최대치 강우량을 확률분포 매개변수 추정 식에 입력하여 빈도별 확률강우량을 산정한다. 본 연구에서는 Python의 lmoments3 package를 활용하여 Gamma 분포, GEV 분포, Exponential 분포 등의 다양한 확률분포 매개변수 추정식을 마련하였으며, 이를 강우 빈도 해석 모형에 연결하여 확률강우량을 산정하도록 강우 빈도 해석 모형을 구축하였다.
대상 데이터
강수량 데이터베이스는 과거 자료 (1973-2021)와 미래 자료 (2022-2100)으로 이루어진다. 미래 자료는 SSP (Shared Socio-economic Pathways) 기후변화 시나리오의 일 강수 자료 추출물을 의미한다.
Table 1은 본 연구의 홍수 모의 시스템에서 선택가능한 GCM의 종류를 나타내고 있다. 시스템 내 강우 데이터베이스를 통해 총 12개 기관의 16개 GCM 일별 기상자료가 홍수 모의 및 수문 분석에 활용될 수 있다. 구축된 16개 GCM 일별 기상자료는 CMIP6 홈페이지를 통해 다운로드 가능한 전체 GCM 자료에 해당한다.
시스템 내 강우 데이터베이스를 통해 총 12개 기관의 16개 GCM 일별 기상자료가 홍수 모의 및 수문 분석에 활용될 수 있다. 구축된 16개 GCM 일별 기상자료는 CMIP6 홈페이지를 통해 다운로드 가능한 전체 GCM 자료에 해당한다.
Fig. 2는 본 연구에서 구축 완료 및 구축 예정인 20개의 대상지구의 위치 및 대상지구명을 나타내고 있다.
농업용 저수지 측량 자료로는 저수지 수위-내용적 자료와 수위-방류량 자료가 있으며, 하천 측량 자료로는 하천 단면자료 및 단면 특성 자료가 있다. 농경지 및 배수 지구 측량 자료로는 농경지 표고-내용적 자료 및 배수시설물 특성 자료가 있다.
농업용 저수지 측량 자료로는 저수지 수위-내용적 자료와 수위-방류량 자료가 있으며, 하천 측량 자료로는 하천 단면자료 및 단면 특성 자료가 있다. 농경지 및 배수 지구 측량 자료로는 농경지 표고-내용적 자료 및 배수시설물 특성 자료가 있다.
이론/모형
따라서, 과거 관측자료를 바탕으로 기후변화 자료의 상세화 및 편의 보정이 이루어져야 한다. 본 연구에서는 Cho (2013)에서 적용된 방법을 통해 관측소 지점별 상세화 및 편의 보정이 완료된 기후변화 자료를 강수량 DB에 탑재하였다.
유역특성에는 면적, 유로장, 평균 경사 (%), 최고점과 최하점의 표고차, 저수지 존재 여부가 있다. 본 연구에서는 시간 단위 강우를 1분 단위 강우로 분해하기 위하여 홍수량 산정 표준지침 (ME, 2019)에 따라 수정 Huff 분포를 활용하였으며 지역 빈도 해석을 기준으로 수정 Huff 분포가 산정되었으므로 지역 코드로 대상지구별 수정 Huff 분포를 분류하여 적용하였다.
Clark 단위도 모형을 통해 산정한 저수지 배후 유역의 유입량을 바탕으로 저수지의 방류량을 산정하기 위하여 HEC-5 모형을 활용하였다. HEC-5 모형은 저수지의 홍수 조절 능력을 평가하기 위해 미 육군 공병단 수문공학 연구소 (Hydrologic Engineering Center, HEC)에서 개발된 프로그램으로, 유역 내에서 발생한 홍수량의 시간적 변화에 의한 저수지의 수위 및 방류량을 모의할 수 있다.
HEC-RAS 모형에서 모의한 하천 유량 및 수위를 농경지 배수 모의 모형에 입력하여 농경지 침수를 모의한다. 한국농어촌공사의 배수갑문 능력검토 시스템 모형 알고리즘을 바탕으로 Python 환경에 모형을 구현하였다.
MRC 모형의 적용 시마다 과거 강우의 패턴에 따라 확률적으로 강우 형태가 변경되며 매번 다른 값의 확률강수량이 산정된다. 본 연구에서는 Lisniak et al. (2013), Müller and Haberlandt (2015), Kim et al.
(2013), Müller and Haberlandt (2015), Kim et al. (2016) 및 Lee (2019)의 연구에서 채택한 Microcanonical cascade model의 개념을 코드로 구현하였다.
성능/효과
따라서 농촌 유역의 홍수 모의를 진행할 때는 저수지 특성 및 운영기법을 고려해 저수지 상류와 하류를 연계하여 순차적으로 모의하면서도, 상⋅하류에 걸쳐 분포하는 농업 수리구조물들의 특성을 반영하여야 한다.
따라서 농촌 유역의 저수지 상⋅하류 통합 홍수 모의를 위한 시스템의 구축이 필요하며, 시스템은 다수의 모의 모형을 독립적으로 모듈화하여 연계한 수리⋅수문 연계 모형을 기반으로 이루어져야 한다.
시스템은 수리⋅수문 모형 간 연계 및 모형 구동 병렬화 작업으로 인해 다양한 강우 지속시간 및 강우 빈도에 대하여 반복적으로 모형을 구동하는 것이 가능하다.
시스템의 구동 전에 모의 기간, 사용하고자 하는 GCM, 강수 지속시간 및 재현기간, 대상지구의 수정 Huff 분포 적용을 위한 지역 코드, 유역 내 총 소유역 개수 및 소유역별 유역특성, 저수지 및 하천 그리고 배수장의 초기 수위와 흐름 특성 지정이 가능하다. 유역특성에는 면적, 유로장, 평균 경사 (%), 최고점과 최하점의 표고차, 저수지 존재 여부가 있다.
농촌 유역 저수지 상⋅하류 통합 홍수 모의 시스템은 기존의 개별적인 수문 모의 모형을 하나로 통합함으로써 유역의 수문 모의를 연속적으로 수행할 수 있다는 의의가 있다
또한, 본 연구에서 개발한 통합 홍수 모의 시스템을 예당저수지 유역에 적용하였다. 그 결과, 저수지 상류에서 발생한 100년 빈도의 유입량이 저수지 수위 및 방류량 관점에서 저수지에 의해 성공적으로 통제되고 있음이 확인되었다. 그러나 저수지 하류부 하천의 경우 모든 지속시간에서 설계 홍수량을 초과한 유량이 발생하는 것으로 나타났으며, 농경지 또한 허용 담수심 및 관수심을 초과한 수위가 나타났다.
그 결과, 저수지 상류에서 발생한 100년 빈도의 유입량이 저수지 수위 및 방류량 관점에서 저수지에 의해 성공적으로 통제되고 있음이 확인되었다. 그러나 저수지 하류부 하천의 경우 모든 지속시간에서 설계 홍수량을 초과한 유량이 발생하는 것으로 나타났으며, 농경지 또한 허용 담수심 및 관수심을 초과한 수위가 나타났다. 따라서 미래 기후변화 고려 시 하류 하천 제방 및 농경지 배수시설의 정비가 필요할 것으로 사료된다.
이에 농촌 유역 저수지 상⋅하류 통합 홍수 모의 시스템은 병렬화를 통한 반복 작업이 가능하도록 설계되었으며 MRC 모형을 통해 확률론적인 시간 상세화를 수행할 수 있도록 구축되었다. 따라서 기존의 수문 모의 모형들이 수행하던 단발적인 홍수 모의에서 벗어나 확률로서 홍수 모의 결과를 도출할 수 있다는 의의가 있다. 본고에서는 연구의 목적이 농촌 유역의 저수지 상⋅하류 모의 시스템의 구축에 있음에 따라 간결한 단일 홍수 모의 적용 결과를 나타내고 있으나, 추후 연구에서는 시스템을 활용해 농촌 유역에 내재되어 있는 홍수 위험도 평가를 정량적으로 진행하고자 한다.
후속연구
농촌 유역에는 치수 및 이수를 위한 다양한 수리구조물이 존재하고, 농경지가 큰 비중을 차지한다는 특징이 있다. 따라서 저수지, 하천 제방, 농경지 배수시설물 등의 수리구조물 및 농경지의 측량 자료 데이터베이스가 구축될 필요가 있다. Fig.
본고에서는 연구의 목적이 농촌 유역의 저수지 상⋅하류 모의 시스템의 구축에 있음에 따라 간결한 단일 홍수 모의 적용 결과를 나타내고 있으나, 추후 연구에서는 시스템을 활용해 농촌 유역에 내재되어 있는 홍수 위험도 평가를 정량적으로 진행하고자 한다.
그러나 저수지 하류부 하천의 경우 모든 지속시간에서 설계 홍수량을 초과한 유량이 발생하는 것으로 나타났으며, 농경지 또한 허용 담수심 및 관수심을 초과한 수위가 나타났다. 따라서 미래 기후변화 고려 시 하류 하천 제방 및 농경지 배수시설의 정비가 필요할 것으로 사료된다.
농촌 유역 저수지 상⋅하류 통합 홍수 모의 시스템은 기존의 개별적인 수문 모의 모형을 하나로 통합함으로써 유역의 수문 모의를 연속적으로 수행할 수 있다는 의의가 있다. 또한, 기존 모형들이 코드에 접근할 수 없거나 접근할 수 있다 하더라도 수정이 어려운 환경에서 개발된 것과 달리 Python 환경에서 개발되어 접근성과 활용성이 높다. 동시에 기후변화를 고려한 홍수 모의가 가능하다는 장점이 있다.
동시에 기후변화를 고려한 홍수 모의가 가능하다는 장점이 있다. 그러나 기후변화 시나리오 산출물의 특성상 미래에 확정적으로 일어난다는 보장이 없으며, 홍수 모의 시 기후변화 시나리오의 불확실성을 고려하여야 한다. 이에 농촌 유역 저수지 상⋅하류 통합 홍수 모의 시스템은 병렬화를 통한 반복 작업이 가능하도록 설계되었으며 MRC 모형을 통해 확률론적인 시간 상세화를 수행할 수 있도록 구축되었다.
본 연구의 결과는 기존의 개별 수리구조물 단위로 이루어졌던 홍수 모의에서 벗어나 유역에 분포한 유역 구성 요소들을 연계하여 홍수 모의를 진행할 수 있는 통합 홍수 모의 시스템을 구축하여 활용함으로써 추후 기후변화에 따른 유역의 홍수 안전성 평가 및 홍수 방재 대책 마련에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
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