초록

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홍수피해를 예방할 수 있는 대책에는 여러 가지 방법이 있으나 비구조물적인 방법 중에서 대표적인 것이 홍수예경보이다. 이에 합리적인 설계홍수량 산정을 위해 하천유역에서 강우-유출과정의 정확한 해석과 유출예측은 수자원의 효율적인 활용과 하천의 이수, 치수를 위한 수문학적 해석에 있어서 매우 중요하며, 이를 위해서는 강우로부터 정도 높은 유출량 예측이 요구된다. 뿐만 아니라 하천범람 등의 재해로부터 인명과 재산을 보호하기 위한 홍수예경보 시스템의 구축이 필요하다. 홍수예경보 시스템의 효율적인 관리를 위해서는 실시간 홍수예측(Real-time Flood Prediction)기법의 개발이 필요하다. 홍수유출모형에 있어 공간적 변화특성과 평균 강우량의 공간분포를 반영할 수 있는 분포형 매개변수 모형(Distributed-Parameter Model)인 분포형 모델을 대상으로 앙상블 칼만필터(Ensemble Kalman Filter, EnKF) 이론을 적용하여 비선형시스템에서 오차를 포함한 반응을 실시간으로 처리하여 불확실성을 정량적으로 감소시켜 홍수유출을 예측하는데 그 목적이 있다. 하천유역특성을 이용한 홍수유출예측을 위하여 비선형시스템에서의 앙상블 칼만필터 기법을 적용한 분포형 모형을 이용하여 더욱 정밀한 홍수유출을 예측하게 되고 향후 홍수예경보모형으로서 적정 유역분할 규모를 결정해주는 근거를 제시할 수 있을 것으로 기대된다.

홍수피해를 예방할 수 있는 대책에는 여러 가지 방법이 있으나 비구조물적인 방법 중에서 대표적인 것이 홍수예경보이다. 이에 합리적인 설계홍수량 산정을 위해 하천유역에서 강우-유출과정의 정확한 해석과 유출예측은 수자원의 효율적인 활용과 하천의 이수, 치수를 위한 수문학적 해석에 있어서 매우 중요하며, 이를 위해서는 강우로부터 정도 높은 유출량 예측이 요구된다. 뿐만 아니라 하천범람 등의 재해로부터 인명과 재산을 보호하기 위한 홍수예경보 시스템의 구축이 필요하다. 홍수예경보 시스템의 효율적인 관리를 위해서는 실시간 홍수예측(Real-time Flood Prediction)기법의 개발이 필요하다. 홍수유출모형에 있어 공간적 변화특성과 평균 강우량의 공간분포를 반영할 수 있는 분포형 매개변수 모형(Distributed-Parameter Model)인 분포형 모델을 대상으로 앙상블 칼만필터(Ensemble Kalman Filter, EnKF) 이론을 적용하여 비선형시스템에서 오차를 포함한 반응을 실시간으로 처리하여 불확실성을 정량적으로 감소시켜 홍수유출을 예측하는데 그 목적이 있다. 하천유역특성을 이용한 홍수유출예측을 위하여 비선형시스템에서의 앙상블 칼만필터 기법을 적용한 분포형 모형을 이용하여 더욱 정밀한 홍수유출을 예측하게 되고 향후 홍수예경보모형으로서 적정 유역분할 규모를 결정해주는 근거를 제시할 수 있을 것으로 기대된다.

AI 본문요약

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• 연구 주제
• 연구 방법
• 연구 결과

문제 정의

• 본 연구에서는 하천유역특성을 이용한 홍수유출예측을 위하여 비선형시스템에서의 EnKF 기법을 이용한 분포형 모형을 이용하여 국제수문개발계획 대표유역으로 산정되어 관리되고 있는 위천유역의 무성수위 관측소를 출구점으로 유출모의를 적용하여 고찰한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
• 본 연구에서는 홍수유출예측을 위한 분포형모델에 EnKF를 적용함으로써 수문순환과정의 불확실성으로 인한 모형과 관측치의 오차를 최적화할 수 있는 가능성을 분석토록 하였다.

가설 설정

• 가능한 확률적 등가 필드들의 집합인 앙상블 내의 공분산을 사용하여 효과적으로 비선형성이 강한 시스템에 적용할 수 있는 EnKF은 데이터 동화(Data Assimilation) 기법의 하나로 수문학적 모델과 관측치의 오차를 정량화하여 실측값과 측정값을 최적화하는 방법으로 모델의 상태를 갱신시킨다. EnKF에서는 주어진 문제의 비선형성으로 인하여 참값을 알 수 없기 때문에 앙상블 평균을 참이라고 가정하고 앙상블 평균과 상태벡터의 차이로 추정오차를 결정한다. 그리고 예측과정에서 관측값을 획득할 때마다 상태를 교정한 후 다시 예측과정을 수행함으로써, 예측과정과 교정과정을 반복적으로 수행하여 참값에 가깝게 수렴한 추정값을 제시한다.
• 유역유출과정을 추적하는데 있어서 분포형모델로 이용되고 있는 TOPMODEL은 유출현상을 개념적으로 단순화하였으며, 기본 가정은 포화층의 흐름은 정상상태(Steady State)이고, 유역내 특정지점의 포화층 동수경사는 그 지점의 지표면 경사와 동일하며, 토양깊이에 따른 전도계수(Transmissivity)의 변화는 지수감소곡선을 갖는다는 것이다. 이와 같은 세 가지 기본가정으로부터 특정지점의 지하수면 깊이는 다음 식 (2.

제안 방법

• EnKF를 이용한 분포형모델에서의 홍수유출 비교분석을 위해 위천유역을 대상으로 TOPMODEL 및 EnKF를 이용한 TOPMODEL 모델의 홍수유출(TOP_EnKF)을 비교분석하였다. 호우사상 1997년, 2000년 및 2003년을 대상으로 각 모델에 대해 분석한 홍수유출모의결과를 바탕으로 표 1과 같이 각 호우사상별로 각 모델에 대한 첨두유량과 유출용적을 비교하였으며, 또한 모델의 효용성을 비교할 수 있는 첨두유량오차율, 첨두시간오차, 유출용적오차율 및 모델 효율성 계수를 산정하여 함께 비교하였다.
• EnKF에서는 주어진 문제의 비선형성으로 인하여 참값을 알 수 없기 때문에 앙상블 평균을 참이라고 가정하고 앙상블 평균과 상태벡터의 차이로 추정오차를 결정한다. 그리고 예측과정에서 관측값을 획득할 때마다 상태를 교정한 후 다시 예측과정을 수행함으로써, 예측과정과 교정과정을 반복적으로 수행하여 참값에 가깝게 수렴한 추정값을 제시한다.
• EnKF를 이용한 분포형모델에서의 홍수유출 비교분석을 위해 위천유역을 대상으로 TOPMODEL 및 EnKF를 이용한 TOPMODEL 모델의 홍수유출(TOP_EnKF)을 비교분석하였다. 호우사상 1997년, 2000년 및 2003년을 대상으로 각 모델에 대해 분석한 홍수유출모의결과를 바탕으로 표 1과 같이 각 호우사상별로 각 모델에 대한 첨두유량과 유출용적을 비교하였으며, 또한 모델의 효용성을 비교할 수 있는 첨두유량오차율, 첨두시간오차, 유출용적오차율 및 모델 효율성 계수를 산정하여 함께 비교하였다.

대상 데이터

• 318이다. 본 연구에 적용된 EnKF의 상태벡터는 강우량, 증발량, 유효포화투수율 및 유량 관측치로 구성된다.
• 본 연구에서는 국제수문개발계획(IHP) 대표유역으로 산정되어 관리되고 있는 위천유역의 무성수위 관측소를 출구점으로 하여 그 상류유역을 연구 대상으로 선택하였다. 위천유역은 수문 기상학적 자료의 입수가 용이할 뿐만 아니라 산악지형이기 때문에 타 지역에 비하여 산업화, 도시화 등에 따른 지형의 변동이 거의 없는 지역이고 유역면적은 472.

성능/효과

• 1) 홍수유출모델에 대한 첨두유량오차율, 첨두시간오차, 유출용적오차율 및 모델 효율성 계수를 비교한 결과를 정리하면, TOPMODEL보다 EnKF 기법을 적용했을 때 더욱 우수한 모의결과를 나타났다.
• TOPMODEL 및 TOP_EnKF 모델의 첨두유량오차율을 살펴보면, TOPMODEL은 -16.54%∼-5.24%이며, TOP_EnKF은 -0.67%∼-0.33%로 TOP_EnKF를 이용하는 것이 첨두유량의 모의결과가 우수한 것으로 나타났다.
• 또한 유출용적오차율은 TOPMODEL은 1.98%∼19.59%이며, TOP_EnKF은 1.02%∼9.74%로 각 호우사상에 대해 TOPMODEL이 TOP_EnKF보다 약 2배 이상 큰 것으로 나타났다.
• 모델효율성계수에서는 TOPMODEL의 경우 0.90∼0.96의 범위를 나타내고 있으며, TOP_EnKF 모델의 경우는 0.96∼0.99의 범위를 나타내고 있어 상대적으로 TOP_EnKF모델이 더 효율성이 큰 것으로 나타났다.

후속연구

• 2) 비선형시스템에서의 EnKF 기법을 이용한 분포형 모형의 적용은 정밀한 홍수유출을 예측하게되고 향후 홍수예경보모형으로서 적정 유역분할 규모를 결정해주는 근거를 제시할 수 있을 것으로 기대된다.

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