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비선형 강우-유출량 자료에 대한 카오스 특성 분석
A Chaos Characteristic Analysis of Nonlinear Rainfall-Runoff Data 원문보기

한국수자원학회 2005년도 학술발표회 논문집, 2005 May 01, 2005년, pp.614 - 618  

박성천 (동신대학교 토목공학과) ,  진영훈 (스웨덴 룬드대학교) ,  오창열 (동신대학교 토목공학과)

초록
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수문시계열 분석과 예측은 대부분 ARMA(AutoRegressive Moving Average) 형태의 선형적인 추계학적인 모형을 이용하였으나 자현현상이 복잡해지고 비선형적인 특성을 가짐에 따라 선형적인 해석은 수문시계열의 분석과 예측에 있어서 많은 오류를 내포하고 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위한 시도로 Chaos이론이란 개념이 사용되기 시작하였으며, 수자원분야에서는 1980년대 후반부터 물수지 방정식 및 강우유출에 대한 카오스적 특성분석 등 많은 연구가 진행되었다. 본 연구에서는 영산강유역의 본류를 대표하는 나주지점을 대상으로 2003년 1월 1일 00시부터 2004년 12월 31일 23시까지 17,544개의 시수위 자료에 대하여 해당 년도의 Rating-Curve식을 적용 환산한 유출량자료에 데한 카오스적 특성을 분석하였다. 카오스적 특성을 분석하기에 앞서 원자료에 대하여 이동평균법과 Savitzky-Golay Filter를 적용하여 잡음을 제거하였으며, 1차원의 단일변량의 자료에 대한 상태공간(Phase Space)의 재건을 통하여 비교검토 하였다. 이러한 일련의 과정을 거친 자료에 대하여 상관차원법을 이용하여 영산강 유역의 나주지점의 시유출량 자료에 대한 카오스적 특성을 분석한 결과 저차원의 수렴으로 카오스 특성을 가졌다.

AI 본문요약
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제안 방법

  • 본 연구에서는 지체시간 결정에 있어서 첫 번째 방법을 사용하였으며, 결정된 지체시간은 3으로 나타났다.
  • 자기상관함수에 의하여 지체시간(t)을 17Hr로 결정하였고, 이동평균법 및 Savitzky-Golay Filter 를 이용하여 노이즈를 저감하여 위상공간에 재건한 결과, 일관성 있는 어트랙터 구조를 발견하였다.
  • 카오스적 특성을 분석하기에 앞서 지체시간(t)을 결정하기 위하여 자기상관함수의 지체시간 값을 1부터 100까지 분석한 결과 처음으로 0.5가 되는 점의 값은 17Hr로 나타났으며 그림 3과 같으며, 지체시간이 지나치게 크면 상태공간에서 좌표 사이의 상관이 존재하지 않게 되어 실제계에서 일어나는 정보의 손실을 가져오게 되므로 본 연구에서는 자기상관 함수에서 처음으로 0이 되는 점을 배제하고 0.5(Schuster, 1998)일 때의 17Hr를 지체시간으로 취하였다. 또한, 이동평균법에 지체시간을 적용하여 변환된 자료는 그림 4와 같고 지체시간을 이용하여 위상공간에 재건한 결과 이동평균법이 적용된 data에서는 일관성 있는 어트랙터 구조를 발견하였으며 그림 5와 같다.

대상 데이터

  • 본 연구에서는 영산강 유역의 본류를 대표하는 나주지점으로 대상으로 2003년 1월 1일0시 부터 2004년 12월 31일 23시까지의 17, 544개의 시유출량 자료를 이용하였으며 그림 2와 같다.
  • 본 연구의 대상지점인 나주지점의 유역면적은 약 2, 059km2로 전체 영산강 유역면적의 약 60%에 해당되며 유로연장이 65.5 km인 영산강 본류의 중류부를 대표하는 지점으로 2003년 1월 1일 00시부터 2004년 12월 31일 23 시까지 17, 544개의 시수위 자료를 해당 년도의 Rating- Curve식에 대입하여 유출량자료로 환산한 자료를 이용하여 카오스적 특성을 분석하였으며, 유역도는 그림 1과 같다.

이론/모형

  • 5사이의 낮은 상관차원값을 얻 었다. Porporato와 Ridolfi(2001)는 카오스 특성을 가지는 이탈리아의 Dora Baltea 강의 일유출량 자료에 Farmer와 Sidorowich에 의해 제안된 비선형 시계열분석기법을 개선하여, 유출량 뿐만 아니라 다른 시계열자료도 고려된 다변량 비선형 예측기법을 적용하였다.
  • 본 연구에서는 영산강 본류를 대표하는 나주지점의 카오스 특성을 파악하기 위하여 잡음저감 기법인 Savitzky -Golay Filter법을 이용하여 잡음을 제거하고 상관차원(Correlation Dimension)법 을 이용하여 카오스 특성을 분석하였다.
  • 본 연구에서는 영산강 본류를 대표하는 나주지점의 카오스 특성을 파악하기 위하여 잡음저감 기법인 이동평균법과Savitzky -Golay Filter법을 이용하여 잡음을 제거하고 상 Embedding Dimension 관차원(Correlation Dimension)법을 이용하여 카오스 특성을 분석하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
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