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대곡.사연댐 유역의 HEC-HMS를 이용한 매개변수 최적화 연구
Study on Parameter Optimization in Daegok & Sayun Dam Basins Using HEC-HMS 원문보기

한국수자원학회 2009년도 학술발표회 초록집, 2009 May 21, 2009년, pp.1103 - 1107  

윤국희 (한국수자원공사 설계사업처) ,  박명기 (한국수자원공사 설계사업처) ,  최병만 (한국수자원공사 설계사업처) ,  김영진 (한국수자원공사 설계사업처)

초록
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최근 기상이변에 따른 국지성 호우 등으로 인하여 지역별로 홍수량 차이가 많이 나고 있는 상황으로 유역내 중요시설물 및 인명의 보호를 위해서는 유역의 특성을 정확하게 반영한 홍수분석이 필수적인 실정이다. 유역 주요지점의 정확한 홍수량을 산정하기 위해서는 지역특성이 반영된 호우를 선정하고, 유출모의를 위한 유역특성이 잘 구현되어야 한다. 이를 위해서는 홍수량산정에 영향을 주는 매개변수의 정확한 산정이 필요하며 본 연구에서는 미공병단(US Army Corps)에서 개발하여 배포한 차세대 프로그램인 HEC-HMS(v3.3)를 이용하여 집중시간, 저류상수, Curved Number, 감수상수, 초기손실, 초기기저유량, Threshold 등 7가지 매개변수에 대한 최적화를 수행하였다. 종래에는 첨두홍수량을 중시하여 집중시간과 저류상수는 최적화하고 나머지 변수들은 실측치 및 계산값을 적용하였으나, 금번 연구에서는 첨두홍수량 및 총유출량 모두 관측값에 최대한 일치하도록 7가지 매개변수를 최적화하는 방안 및 최적화시 초기값 선정이 매개변수 최적화에 미치는 영향을 연구하였다. 매개변수 최적화 순서는 먼저 전체적인 평균유출량 또는 평균유출고가 실측치와 모의치 간에 일치하도록 CN, RC를 보정하고 다음 단계로 첨두발생시간이 일치하도록 Tc, K를 보정하고, 마지막으로 홍수 수문곡선의 형태를 결정하는 나머지 매개변수를 조정하여 전체적인 수문곡선의 형태와 첨두홍수량이 일치하도록 수행하였으며, Tc, K, CN 등의 중요 매개변수는 신뢰구간(계산치의 0.8${\sim}$1.2)을 설정하여 목적함수의 수렴을 유도하였다. 위를 이용하여 수렴된 매개변수들로 강우-유출 모의를 분석한 결과를 기존 홍수사상과 비교한 결과 상당히 근접한 결과를 도출할 수 있어, 매개변수는 7가지 모두에 대한 최적화를 가능한 것으로 연구되었으나 목적함수들의 수렴되는 과정에 대해서는 좀 더 심도있는 고찰이 필요할 것으로 판단된다.

AI 본문요약
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제안 방법

  • HEC-HMS 모형에는 여러 가지 강우손실, 강우-유출, 하도추적, 기저유량 산정 모형 등을 포함하고 있으며, 각 모형의 매개변수를 최적화할 수 있는 기능을 가지고 있다. 2005년부터 본격 운영된 대곡댐의 운영환경을 고려하여 금번 분석에서는 대곡댐 및 사연댐의 2005～2007년의 3개년 중 각 댐별로 각기 7개 실측 홍수사상을 선정하여 이에 대한 매개변수를 추정하였다.
  • HEC-HMS를 이용하여 제시된 7개의 매개변수 모두에 대하여 각 호우사상별로 매개변수 최적화를 수행한다. 최적화 모듈 중 목적함수에 가장 안정적인 해를 제시하는 첨두가중 평균제곱근오차(Peak-weighted Root Mean Square Error, PRMSE)를 사용한다.
  • 대곡댐에 대한 실측 강우량 및 유입량 자료가 확보되어 이를 이용하여 강우-유출모형에 단위도를 유도하였다. HEC-HMS에는 단위도 산정방법으로 Clark 유역추적법, Snyder 합성단위도법 및 SCS 무차원 단위도법 등이 있으며, 우리나라에서도 주로 이 3가지 유출모형을 이용하여 홍수량을 산정하고 있다.
  • 매개변수의 최적화 순서는 먼저 전체적인 평균유출량 또는 평균유출고가 실측치와 모의치 간에 일치하도록 CN, RC를 보정하고 다음 단계로 첨두발생시간이 일치하도록 Tc, K를 보정하고, 마지막으로 홍수수문 곡선의 형태를 결정하는 나머지 매개변수를 조정하여 전체적인 수문곡선의 형태와 첨두홍수량이 일치하도록 수행하였다.
  • 대곡댐의 PMF 및 빈도별 확률홍수량을 산정하기 위해서는 적합한 홍수유출모형의 선정 및 올바른 매개변수 산정이 필수적이다. 본 연구에서는 미공병단 HEC(Hydrologic Engineering Center)에서 개발한 HEC-HMS(HEC Hydrologic Modeling System) 모형을 이용하여 대곡댐지점의 매개변수의 최적화를 통하여 홍수량을 산정하였다. HEC-HMS 모형은 HEC-1모형의 GUI(Graphic User Interface)를 개선시키고 매개변수 최적화 기능을 보강한 홍수분석용 모형으로써 현재 version 3.
  • HEC-HMS에서는 초기손실-일정손실률법을 추천하고 있으며, 국내에서는 미 농무부 산하 NRCS의 유출곡선지수(Runoff Curve Number: CN)를 이용한 NRCS방법이 가장 많이 적용되고 있다. 이 방법은 유역의 토양형, 식생 피복형 및 처리상태 등의 유출특성과 선행토양 함수조건 등을 고려하는 방법으로, 이러한 지형의 피복 및 식생상황에 유출곡선지수(CN)를 선정하고 이에 따라 제시된 경험공식 및 유출관계에 따른 초기 손실율(Ia)을 산정해 매개변수의 초기조건으로 적용하였다.

대상 데이터

  • 강우-유출모형의 원활한 모의운영을 위해 장기간의 관측자료 중 유역의 특성을 가장 잘 나타낼 수 있는 호우사상을 5개이상 선정하여 매개변수를 최적화함이 타당하나, 2005년부터 대곡댐이 운영되어 주요지점에서의 유량 관측 자료가 4개년(2005～2008)임을 감안하여 유역의 특성을 가장 잘 나타낼 수 있도록 총 7가지의 호우사상 및 주요지점별 유량관측치를 선정하였다.

데이터처리

  • HEC-HMS를 이용하여 제시된 7개의 매개변수 모두에 대하여 각 호우사상별로 매개변수 최적화를 수행한다. 최적화 모듈 중 목적함수에 가장 안정적인 해를 제시하는 첨두가중 평균제곱근오차(Peak-weighted Root Mean Square Error, PRMSE)를 사용한다. 최적화기법으로는 발산율이 적고 최적화되도록 선택된 여러 가지 매개변수 중 하나를 제외한 모든 매개변수를 고정시킨 상태에서 하나의 매개변수를 변화시키는 단일 변량증감법(Univerated-gradient Method)를 적용하였다.

이론/모형

  • 최적화 모듈 중 목적함수에 가장 안정적인 해를 제시하는 첨두가중 평균제곱근오차(Peak-weighted Root Mean Square Error, PRMSE)를 사용한다. 최적화기법으로는 발산율이 적고 최적화되도록 선택된 여러 가지 매개변수 중 하나를 제외한 모든 매개변수를 고정시킨 상태에서 하나의 매개변수를 변화시키는 단일 변량증감법(Univerated-gradient Method)를 적용하였다. 최대개념(PMF 산정) 구성을 위한 매개변수는 <표 4>와 같이 선정한다.
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