하천 증발 손실량 산정을 위한 경험식 계수 보정 및 KDE-Copula 기반 불확실성 정량화 = Probabilistic Calibration of the Empirical Function and KDE-Copula-Based Uncertainty Assessment for Estimating In-Stream Evaporative Losses

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As distortion of the hydrologic cycle intensifies, the importance of water resource management has increased; however, quantitative evaluation criteria and analytical frameworks for water loss factors remain insufficient. In particular, existing studies on water loss mainly rely on reservoir-based empirical equations or limited observations, which restrict their applicability to river conditions and introduce uncertainty in estimation.
This study aims to establish a methodology to quantitatively evaluate water loss occurring within river flow systems. Evaporation and infiltration are defined as the dominant components of water loss. Evaporation is estimated using the Penman Combination Equation （PCE） and the Penman Wind Function （PWF）. To account for parameter uncertainty, a statistical ensemble framework is constructed by combining Kernel Density Estimation （KDE） and Copula. Infiltration is estimated using a water balance approach based on upstream–downstream discharge differences within a defined control volume along a river reach. This approach provides a practical way to quantify infiltration losses directly from observations without explicitly modeling groundwater flow or saturated–unsaturated processes. The methodology is applied using reservoir observations, surface evaporation data, and full-scale channel experiment data.
The proposed framework has several distinguishing features. First, parameter calibration and uncertainty quantification are treated separately, allowing structural representation of parameter uncertainty. Second, the “reservoir-to-river transfer problem” is explicitly addressed by evaluating the applicability of empirical equations derived under still-water conditions to flowing river systems. Third, the framework is designed to be extensible under varying hydrometeorological conditions.
The results demonstrate that （1） reservoir-based empirical equations can be applied to river conditions when parameter uncertainty is properly considered, and （2） the combined physical–statistical approach improves the reliability of water loss estimation. In particular, representing water loss as a probabilistic range rather than a single deterministic value provides a basis for quantifying uncertainty in interpretation.
The proposed methodology can be applied as a practical framework for quantifying water loss in rivers with limited observations. It can also support basin-scale water balance analysis and water resource management by providing quantitative decision-making criteria that incorporate uncertainty. Furthermore, the approach is expected to contribute to the advancement of hydrological modeling and integrated water cycle analysis.

국문 초록 (Abstract)

물순환 왜곡이 심화되면서 수자원 관리의 중요성이 커지고 있으나 물손실 인자에 대한 정량적 평가 기준과 분석 체계는 미흡한 실정이다. 특히, 기존 물손실 연구는 저수지 기반 경험식에 의존하거나 제한된 관측자료에 기반하여 수행되어 실제 하천 조건에 대한 적용성 및 불확실성 평가에 한계가 존재한다.
본 연구에서는 하천 흐름 내 발생하는 물손실을 정량적으로 평가하기 위한 방법론을 구축하는 것을 목적으로 한다. 이에 증발과 침투를 주요 물손실 지배 인자로 정의하고, Penman Combination Equation （PCE） 과 Penman Wind Function （PWF）를 기반으로 증발량을 산정하였다. 또한, 경험계수의 불확실성을 반영하기 위해 Kernel Density Estimation과 Copula 결합을 통한 통계적 앙상블 모형을 구축하였다. 침투는 하천의 특정 연속된 구간을 검사 체적으로 설정하여 상·하류 유량 차이를 기반 물수지 접근을 적용하였다. 이는 지하수 흐름과 포화–비포화 과정을 모의하지 않고 관측자료 기반으로 침투 손실을 정량화할 수 있는 실용적 방법이다. 연구는 저수지 기반 관측자료와 수면 및 실규모 하천 실험을 통해 수행하였다. 본 연구에서 제시한 방법론은 다음과 같은 차별성을 갖는다. 첫째, 경험계수 보정과 불확실성 평가를 분리하여 해석함으로써 매개변수 불확실성을 구조적으로 반영하였다. 둘째, 저수지에서 도출된 경험식을 하천에 적용하는 과정에서 발생하는 전이 문제를 명시적으로 고려하여 적용성을 평가하였다. 셋째, 다양한 수문·기상 조건을 반영할 수 있는 확장가능한 분석 체계를 제시하였다. 이를 통해 본 연구에서는 （1） 저수지 기반 경험식은 매개변수 불확실성을 고려할 경우 하천 조건에서도 적용가능함을 확인하였으며, （2） 물리–통계 결합 접근법이 물손실 추정의 신뢰성을 향상시키는 데 기여할 수 있음을 검증하였다. 특히, 물손실을 단일 값이 아닌 확률적 범위로 제시함으로써 해석의 불확실성을 정량적으로 반영할 수 있는 기반을 마련하였다.
본 연구에서 제시한 방법론은 관측자료가 제한된 하천 환경에서 물손실을 정량적으로 평가할 수 있는 실용적인 분석 체계로 활용할 수 있다. 또한, 유역 단위 물수지 해석 및 수자원 관리 의사결정 과정에서 불확실성을 고려한 정량적 판단 기준을 제공할 수 있으며, 향후 수문학적 모델링 및 물순환 분석 체계의 확장에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 필요성 1
• 1.2 연구 동향 4
• 1.3 연구 내용 및 범위 8
• 제 2 장 자료 및 방법론 11
• 2.1 대상 유역 및 연구 자료 11
• 2.2 방법론 개요 15
• 제 3 장 관측 및 경험식 기반 손실량 산정 46
• 3.1 상·하류 유량 차이 기반 손실량 산정 47
• 3.2 육지 기반 손실량 산정 66
• 3.3 수면 기반 손실량 산정 77
• 제 4 장 실험을 통한 손실량 산정 실증접근법 85
• 4.1 실험 기반 손실량 산정 86
• 4.2 경험식 기반 손실량 산정 및 검증 97
• 4.3 하천 흐름 내 손실률 검토 113
• 제 5 장 결론 및 고찰 115
• 참고문헌 119