초록 ▼

연구의 목적 및 내용
유역유출 모형은 유역의 장·단기 강우-유출 특성의 해석 도구로서, 전원유역과 도시유역에 대한 정확한 장·단기 유출특성의 해석은 이·치수 측면의 효율적인 수자원관리와 체계적인 수자원개발 계획 수립의 필수적인 요소이다. 하지만 모형 내에는 다수의 불확실성을 포함한 매개변수가 있고, 이러한 매개변수의 불확실성은 합리적인 결과 도출을 저해하는 요소가 된다. 따라서 본 연구에서는 전원유역과 도시유역의 유출특성을 파악할수 있는 모형에 대하여 각각 모형의 정확도 향상 기법을 개발하였다. 구체적으로, 전원유역에서는 매개

연구의 목적 및 내용
유역유출 모형은 유역의 장·단기 강우-유출 특성의 해석 도구로서, 전원유역과 도시유역에 대한 정확한 장·단기 유출특성의 해석은 이·치수 측면의 효율적인 수자원관리와 체계적인 수자원개발 계획 수립의 필수적인 요소이다. 하지만 모형 내에는 다수의 불확실성을 포함한 매개변수가 있고, 이러한 매개변수의 불확실성은 합리적인 결과 도출을 저해하는 요소가 된다. 따라서 본 연구에서는 전원유역과 도시유역의 유출특성을 파악할수 있는 모형에 대하여 각각 모형의 정확도 향상 기법을 개발하였다. 구체적으로, 전원유역에서는 매개변수의 지역화 기법을 적용하여 미 계측 유역의 신뢰성 있는 장기 유출량 산정 기술을 개발하고, 도시유역에서는 국내 • 외에서 활용빈도가 높은 SWMM에 대하여 홍수 유출 모의, 유역유출 연속모의, 수질 모의에 관한 매개변수의 최적화 추정 기술을 개발하였다.
연구결과
본 연구에서는 유역유출 모형의 정확도 향상을 위한 기법을 개발하되, 전원유역과 도시유역의 특성을 감안하여 이원화된 연구를 수행하였다.
① 전원유역 유출모형에 대한 정확도 향상 기법 개발
전원유역의 개념적 유출모형에 대하여 모의의 정확도를 향상시키기 위해 적절한 모형보정 절차와 개선된 모형 보정기법을 개발하여 불확실한 요소(자료, 모형구조 및 매개변수)가 모의 결과값에 미치는 영향을 최소화하도록 하였다. 그리고 이를 활용하여 전원유역내 미 계측 유역에 대한 신뢰성 있는 지역화 기법을 개발하였는데, 구체적인 내용은 다음과 같다. 첫 번째, 다목적 최적화기법을 적용하여 최적 매개변수 추정 시 개념모형에서 발생할 수 있는 등결과성 한계(equifinality problem)를 최소화하였다. 두 번째, 조건별 매개변수화(conditional parameterisation)기법을 적용하여 기간별(년, 계절, 월) 유출특성을 고려한 최적 매개변수를 추정하였다. 세 번째, 매개변수 불확실성을 최소화하기 위해 지역목적함수(regional objective function)를 이용하여 모든 소유역에서 동시에 모형을 보정함으로써 지역에 대한 최적 매개변수를 제시하였다.
② 도시유역 유출모형에 대한 정확도 향상 기법 개발
도시유역 유출모형에 대한 정확도 향상 기법 개발은 전 세계적으로 활용도가 높은 SWMM(storm water management model)을 대상으로 하였다. 본 연구에서는 SWMM의 정확도와 분석의 효율성을 높이기 위해 자동 보정 기술을 개발였는데, 개발 범위는 홍수유출 모의, 유역유출 연속모의, 수질 모의에 관한 매개변수의 최적화 추정 기술이다. 이를 위해 전역최적화 알고리즘인 집합체 혼합진화 알고리즘(shuffled complex evolution-University of Arizona)을 SWMM과 연계하였다. 그리고 모형 보정에 필요한 추정대상 매개변수와 추정범위를 결정하였고, 개발된 자동 보정 모듈은 보정과 검증을 거쳐 적절성을 평가하였다.
연구결과의 활용계획
전원유역 내 미계측유역에 대한 신뢰성 있는 지역화 기법은 기후변화와 토지이용변화에 따른 미계측유역의 유출특성 변화를 정량적으로 분석할 수 있는 도구로 활용되어질 수 있다. 또한 대다수 전형적인 통계적 접근방식에 의존하고 있는 국내 현실에서 벗어나 등 결과성 한계를 기술적으로 극복함으로써 지역화 연구발전에 기여할 것이다.연구에서 개발된 SWMM의 자동 보정 모듈은 도시유역의 다양한 수자원계획 및 분석에 효과적으로 적용될 수 있다. 또한, SWMM의 부가적인 기능인 영구저류지의 계획, 펌프시설의 운영률 결정, 저영향개발(low impact development; LID) 계획 등의 최적설계에 활용될 수 있다. 특히, 적응 벌칙함수를 이용한 제약조건을 고려할 수 있는 집합체 혼합진화 알고리즘의 개발에 따라 보다 다양한 최적화 문제의 해석이 가능할 것으로 판단된다.

Abstract ▼

Purpose&contents
This study aims to improve the accuracy of runoff models through the well designed calibration procedures for regionalization and development of automatic calibration techniques. There are two main specific objectives. The first objective is to develop regionalization methods usi

Purpose&contents
This study aims to improve the accuracy of runoff models through the well designed calibration procedures for regionalization and development of automatic calibration techniques. There are two main specific objectives. The first objective is to develop regionalization methods using a conceptual rainfall-runoff model in order to estimate reliable model parameters in ungauged catchments (particularly, rural catchments). Secondly, the automatic calibration techniques linked to SWMM (storm water management model) are developed to improve the accuracy of hydrological model simulations including water quantity and quality in urban catchments.
Result
The calibration techniques are developed to improve the accuracy of runoff models in rural and urban areas, respectively.
① Development of accuracy improvement technique for watershed runoff model in rural areas
The advanced calibration techniques are implemented in development of reliable regionalization methods in rural areas. The multi-objective optimization technique and the regional calibration method are used to overcome the equifinality problem induced from parameter uncertainty of conceptual rainfall-runoff models. The other calibration subject is to estimate conditional parameters regarding calibration periods(month,season and year).
② Development of accuracy improvement technique for watershed runoff model in urban areas
An automatic calibration module of the SWMM that has been widely used in the world was developed to improve accuracy for watershed runoff simulation in urban catchments. The automatic calibration module deals with watershed runoff event simulation, watershed runoff continuous simulation and water quality simulation. The automatic calibration module was developed by linking the SWMM with the SCE-UA (shuffled complex evolution-University of Arizona) that is a global optimization algorithm. Estimation parameters of the SWMM were selected and search ranges of them were reasonably configured. The module was validated by the calibration and verification.
Expected Contribution
The development of reliable regionalization methods will contribute to the accurate assessment of the impacts of climate and land use changes in ungauged catchments.It can also be used to reduce equifinality problems where traditional statistical approaches are applied to regionalization.The automatic calibration module for the SWMM can be effectively applied to various planning and analyses of water resources field in urban catchments: design of detention ponds; determination of operation rule for pump facilities; and a LID (low impact development) plan. Especially, it can be a solver for various constrained optimization problems by using the SCE-UA with an adaptive penalty function developed in the study.