집수평면의 신장도에 대한 정량적 평가

김주철,이상진,노준우,Kim, Joo-Cheol,Lee, Sang-Jin,Noh, Joon-Woo 한국공간정보시스템학회 2009 한국공간정보시스템학회 논문지 Vol.11 No.3

본 연구에서는 집수평면의 신장도와 밀집도 그리고 등가타원에 대한 개념을 이론적인 고려와 함께 실제 유역에 적용하여 보았다. GIS를 기반으로 산정된 대상유역들에 대한 집수평면과 등가타원을 상류로부터 하류방향으로 진행하면서 변화 양상을 관찰해 본 결과 현재 논의되고 있는 Hack의 법칙에 대한 두 가설이 무작위적으로 상호작용을 할 경우 나타날 수 있는 유역 형상들에 대한 모집단처럼 보여졌다. 또한 집수평면의 최대 및 최소관성적률의 비 $R_i$가 유로연장과 집수평면에 대한 등적원(等積圓)의 직경 사이의 비 E보다 유역형상의 신장도를 보다 민감하게 평가하는 것으로 나타났다. 집수평면에 대한 밀집도는 정의별로 상이한 양상을 보였다. 이러한 결과는 형상의 정량화가 갖는 난점에 기인하는 것으로 2개 이상의 밀집도들에 대한 복합적 고려를 통한 평가나 프랙탈 이론의 적용 등이 앞으로 수행되어야 할 것으로 보인다. In this study the concepts on the elongation, compactness and equivalent ellipse of catchment plan-forms are applied to the real basins considering their theoretical frameworks. The catchment plan-forms and corresponding equivalent ellipses, obtained from GIS, are inspected on downstream directions. As a result the catchment plan-forms seem to be the population of the basin shapes which come from the random interaction between two conjectures on Hack's law being controversial recently. The ratio of the maximum and minimum inertia moments of the catchment plan-form Ri is more sensitive to evaluate the elongation of the basin shapes than the ratio of the main channel length and diameter of circle which has the same area as the catchment plan-form E. The catchment plan-forms compactness measures show distinct aspects according to their different definitions. These results are caused by the difficulties to quantification of the shapes and the composite consideration with more than two compactness measures and the fractal analysis are therefore required to recover them.

Fractal 나무의 개념을 기반으로 한 설마천 시험유역의 Fractal 차원 추정

김주철,정관수,Kim, Joo-Cheol,Jung, Kwan Sue 한국수자원학회 2021 한국수자원학회논문집 Vol.54 No.1

This study presents a methodology to estimate two distinct fractal dimensions of natural river basin by using fractal tree concept. To this end, an analysis is performed on fractal features of a complete drainage network which consists of all possible drainage paths within a river basin based on the growth process of fractal tree. The growth process of fractal tree would occur only within the limited drainage paths possessing stream flow features in a river basin. In the case of small river basin, the bifurcation process of network is more sensitive to the growth step of fractal tree than the meandering process of stream segment, so that various bifurcation structures could be generated in a single network. Therefore, fractal dimension of network structure for small river basin should be estimated in the form of a range not a single figure. Furthermore, the network structures with fractal tree from this study might be more useful information than stream networks from a topographic or digital map for analysis of drainage structure on small river basin.

멱함수 법칙분포를 기반으로 한 유역의 배수구조에 대한 해석

김주철,강희승,정관수,Kim, Joo-Cheol,Kang, Heeseung,Jung, Kwansue 한국수자원학회 2016 한국수자원학회논문집 Vol.49 No.6

본 연구의 주목적은 유역의 유출응집구조를 분석하고 이를 기반으로 멱함수 법칙분포의 대표적 특성인 보편성을 수문학적 관점에서 입증해 보고자 하는 것이다. 이를 위하여 최우법에 따라 집수면적의 누가분포에 대한 멱함수 법칙분포의 적합을 수행하였으며 이로부터 도출된 멱함수 법칙분포의 지수를 집수평면의 형상을 기반으로 평가하여 보았다. 주요한 결과로서 본 연구의 대상 유역들은 집수평면의 규모에 대하여 거의 모두 동일한 형태의 분포를 취하고 있음을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 얻은 멱함수 법칙분포의 지수는 선행연구에서 제시된 값에 비하여 다소 큰 수치로 나타났는데 이는 본 연구의 대상유역들이 가진 자기상사성의 특징을 반영하는 것으로 판단된다. 향후 DEM을 기반으로 보다 더 실제에 가까운 흐름방향모의를 통한 집수평면의 멱함수 법칙분포의 보편성에 대한 연구가 반드시 수행되어야 할 것이다. This study aims at hydrologically demonstrating the universality of power law distribution by analyzing runoff aggregation structures of river basins. Power law distribution is fitted to cumulative drainage area of basins of interest by maximum likelihood, which results in the power law exponents. And then those exponents are assessed in terms of the shape of catchment plan-form. As a main result all of the basins in this study have similar distributions of catchment area. The exponents from this study tend to be higher than the ones from previous researches reflecting self-similar property of the catchment plan-forms of interest. Further study is required about the universality of power law distribution by means of the more realistic flow routing scheme within the framework of DEM.

멱함수 법칙분포를 기반으로 한 조양하 유역의 유출응집구조와 에너지소비 양상에 대한 해석

김주철,최봉학,정관수,Kim, Joo-Cheol,Cui, Feng Xue,Jung, Kwan Sue 한국수자원학회 2017 한국수자원학회논문집 Vol.50 No.11

The main purpose of this study is to analyze runoff aggregation structure and energy expenditure pattern of Choyang creek basin within the framework of power law distribution. To this end geomorphologic factors of every point in the basin of interest, which define tractive force and stream power as well as drainage area, are extracted based on GIS, and their complementary cumulative distributions are graphically analyzed through fitting them to power law distribution. The results indicate that three distinct behavioral regimes are observed from the complementary cumulative distributions of three geomorphogic factors. Based on the parameter estimation of power law distribution by maximum likelihood drainage area and stream power can be judged as scale invariance factor without finite scale while tractive force as scale dependence factor with finite scale. Furthermore, it is judged that tractive force would not follow power law distribution because it shows limited complex system behaviors only within the small extent of scale. The exponent of power law distribution for drainage area obtained in this study by maximum likelihood is larger than the previous researches due to the difference of parameter estimation methodologies. And the exponent for stream power is smaller than the previous researches due to the scaling property of channel slope for the basin of interest. 본 연구의 주목적은 조양하 유역의 유출응집구조와 에너지소비 양상을 멱함수 법칙분포의 틀 내에서 해석하는 것이다. 이를 위하여 GIS를 기반으로 대상유역 내 지점별 배수면적과 함께 소류력 및 수류력을 정의하는 지형학적 인자를 추출하고 해당 인자들의 여누가 분포에 대한 도해적 해석과 함께 멱함수 법칙분포의 적합을 수행하였다. 주요한 결과로서 세 가지 지형학적 인자들의 여누가 분포는 세 개의 개별적인 거동특성 구간으로 구분할 수 있었다. 멱함수 법칙분포 확률밀도함수의 매개변수를 최우도법을 이용하여 추정해 본 결과 배수면적과 수류력은 대표적인 규모를 유한하게 결정할 수 없는 규모 불변성 지형인자이지만 소류력은 유한한 규모를 갖는 규모 종속성 지형학적 인자로 판단할 수 있었다. 또한 소류력의 경우 제한된 범위 내에서만 복잡계 거동을 보여 멱함수 법칙분포를 따르지 않는 것으로 판단되었다. 최우도법을 적용하여 추정한 배수면적의 멱함수 법칙분포 지수는 선행연구에 비하여 큰 수치로서 해당 지수의 추정에 사용된 방법론의 차이에 기인하는 것임을 확인할 수 있었다. 또한 수류력의 멱함수 법칙분포 지수는 선행연구에 비하여 다소 작은 수치로서 대상유역의 규모에 따른 수로경사의 특성에 기인하는 것으로 판단되었다.

순간단위도의 왜곡된 형상에 대한 지형학적 접근

김주철,정관수,정동국,Kim, Joo-Cheol,Jung, Kwansue,Jeong, Dong Kug 한국수자원학회 2015 한국수자원학회논문집 Vol.48 No.2

This paper presents the systematic approach to positively skewed shape of instantaneous unit hydrograph (IUH), that is one of the universal features of hydrologic response function. To this end an analytical expression of statistical moments for IUH is derived within the framework of geomorphologic instantaneous unit hydrograph (GIUH) theory and quantified according to the concept of hydrodynamic, geomorphologic and kinematic heterogeneity. There is a big scale difference between hillslope and channel flow path system. Although the former has the much smaller level of scale its variation coefficient tends to be higher and coefficient of skewness has the different trend than the latter. The shape of IUH is likely to be much more affected by kinematic heterogeneity rather than hydrodynamic heterogeneity and its combined effect with geomorphologic heterogeneity is the major cause of skewing hydrologic response function. Statistical features of hillslope and channel flow path can be transferred into hydrologic response function in the form of dimensionless statistics and their relative importance forms the general shape of hydrologic response function. 본 연구에서는 순간단위도의 보편적 특성 중 하나인 왜곡된 형상에 대하여 체계적인 접근을 시도하여 보았다. 이를 위하여 순간단위도의 통계모멘트에 대한 해석적 관계식을 지형학적 순간단위도 이론을 기반으로 유도하고 유역의 동수역학적 이질성, 지형학적 이질성 및 운동학적 이질성의 개념에 따라 정량화하여 수문학적 응답 함수를 왜곡시키는 원인에 접근해 보고자 하였다. 지표면 배수경로와 하천 배수경로 사이에는 큰 규모의 차가 존재하지만 전자는 후자에 비하여 작은 규모임에도 불구하고 오히려 큰 변동계수를 가지며 왜곡계수 역시 다른 경향을 나타냄을 볼 수 있었다. 순간단위도의 형상은 동수역학적 이질성보다는 운동학적 이질성에 지배를 받으며 특히 지형학적 이질성과 결합하여 수문학적 응답함수에 왜도를 발생시키는 주요 원인이 될 수 있음을 알 수 있었다. 지표면과 하천의 배수경로들이 갖는 통계특성은 무차원 통계량의 형태로 수문학적 응답함수에 전달되어 지는데 이들 사이의 상대적 중요도에 따라 수문학적 응답함수의 전반적 형상이 결정되는 것으로 판단할 수 있었다.

중국 연변 조양하 유역의 국부경사와 배수면적의 관계를 이용한 토사유실 우심지역 추출

김주철,최봉학,정관수,Kim, Joo-Cheol,Cui, Feng Xue,Jung, Kwan Sue 한국수자원학회 2018 한국수자원학회논문집 Vol.51 No.3

본 연구의 주목적은 조양하 유역의 유출응집구조와 에너지소비 양상을 멱함수 법칙분포의 틀 내에서 해석하고 이를 기반으로 토사유실에 민감한 우심지역을 추출하기 위한 방법론을 제시해 보고자 하는 것이다. 이를 위하여 GIS를 기반으로 대상유역 내 지점별 배수면적과 함께 소류력 및 수류력을 정의하는 지형학적 인자를 추출하여 해당 인자들에 대한 여누가 분포의 도해적 해석과 함께 멱함수 법칙분포의 적합을 수행하였으며 소류력과 수류력의 규모별 특성권역을 기반으로 토양우실 우심지역을 추출하여 보았다. 소류력를 기반으로 한 토사유실 우심지역의 경우 수류력을 기반으로 한 결과에 비하여 우심지역의 범위가 매우 좁게 평가되고 있음을 시각적으로 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 소류력이 멱함수 법칙분포를 따르지 않는 규모종속성 지형학적 인자이기 때문인 것으로 판단된다. 이에 따라 해당 지형학적 인자는 멱함수 법칙분포의 틀 내에서 자연유역의 에너지 규모를 적절하게 반영하지 못하는 것으로 사료되며 본 연구에서 수류력을 기반으로 제시한 지형학적 인자가 토사유실의 평가를 위해 보다 합리적인 것으로 판단된다. 토사유실 우심지역을 도시해 본 결과 국부경사에 종속적인 사면활동 활성구간에서 발생한 토사가 국부경사와 배수면적에 종속적인 지표유동 활성구간을 통하여 계곡으로 이동하는 경로를 시각적으로 확인할 수 있어 본 연구에서 제시한 방법론의 타당성을 판단할 수 있었다. The main purpose of this study is to suggest a methodology for identifying vulnerable region in Choyang creek basin susceptible to soil losses based on runoff aggregation structure and energy expenditure pattern of natural river basin within the framework of power law distribution. To this end geomorphologic factors of every point in the basin of interest are extracted by using GIS, which define tractive force and stream power as well as drainage area, and then their complementary cumulative distributions are graphically analyzed through fitting them to power law distribution to identify the sensitive points within the basin susceptible to soil losses with respect to scaling regimes of tractive force and stream power. It is observed that the range of vulnerable region by scaling regime of tractive force is much narrower than by scaling regime of stream power. This result seems to be due to the tractive force is a kind of scale dependent factor which does not follow power law distribution and does not adequately reflect energy expenditure pattern of river basins. Therefore, stream power is preferred to be a more reasonable factor for the evaluation of soil losses. The methodology proposed in this study can be validated by visualizing the path of soil losses, which is generated from hill-slope process characterized by local slope, to the valley through fluvial process characterized by drainage area as well as local slope.

GIS 기반 유역 배수 밀도의 공간분포도 작성

김주철(Kim Joo Cheol),이상진(Lee Sang Jin) 대한공간정보학회 2010 대한공간정보학회지 Vol.18 No.1

하천에 의하여 지면이 절개되는 정도로 정의되는 배수밀도는 유역의 형태학적 응답을 포괄적으로 반영하는 자연지형의 근본적인 특성으로 알려져 있다. 본 연구에서는 배수밀도에 대한 통계학적 접근방법을 기반으로 해당 지형인자의 공간적 변동성을 분석하고 이로부터 배수밀도의 공간적 변동성을 도시할 수 있는 방법을 제시하였다. 지표면 유하거리의 통계학적 특성을 분석해 본 결과 이 지형인자는 고도의 공간적 변동성으로 대표되는 자연지형의 고유한 특성들 중 하나임을 확인할 수 있었다. 이로부터 본 연구에서 제시한 분포도 형태의 배수밀도는 고전적인 정의의 배수밀도보다 유용한 도구가 될 수 있을 것으로 판단된다. Drainage density, defined as the degree to which a landscape is dissected by streams, is a fundamental property of natural terrain that reflect the comprehensive morphologic response of watershed. In this study the spatial variability of drainage density is analyzed by statistical approach to it and its plotting method is proposed. Overland flow length is confirmed to be a highly variable spatial factor from the result of statistical analysis. Distribution map of drainage density based on spatial autocorrelation length in this study would be a superior tool to the classical definition of drainage density.

찌타룸 유역의 수해 방재를 위한 강우-유출 모의 및 확률론적 예측

김주철(Joo Cheol Kim)(金柱喆),김정곤(Jeong Kon Kim)(金怔,坤),이상진(Sang Jin Lee)(李相晉),맹승진(Seung Jin Maeng)(孟昇辰) 위기관리 이론과 실천 2011 Crisisonomy Vol.7 No.5

강우-유출 모의 및 예측의 목적은, 가뭄과 홍수와 같은 수해 방지를 위해 통합수자원관리의 효율적인 구현을 실시하여야 한다. 따라서 신뢰성 있는 하천유출량을 제공함으로써 수량, 수질, 환경, 생태 등을 망라한 종합적인 유역관리 수행을 위한 의사결정과정(Decision Support System, DSS)의 토대를 구축하고자 하는 것이다. 일단위 강우-유출을 연속적으로 모의할 수 있는 수문학적 강우-유출모형인 RRFS(Rainfall-Runoff Forecasting System)를 활용하여 농업용수 등 유역내 용수수요량과 3개 저수지를 고려한 인도네시아 찌타룸 유역을 대상으로 장기 유출모형을 구축하고 ESP 기법을 활용하여 확률 유량 예측 모의를 수행하여 그 적용성을 검토하였다. The main purposes of rainfall-runoff simulation and prediction are to provide the reliable stream flow discharges with DSS(the decision support system) for performing the integrated watershed management considering water quantity, water quality and aquatic environment and ecology. In this study the long-term hydrological rainfall-runoff model, so called RRFS which is able to continuously simulate the daily runoff, is set to the Citarum river basin in Indonesia taking into account the water uses, especially irrigation, and the three reservoirs operation. The probabilistic runoff prediction is also performed by ESP(the ensemble stream-flow prediction) within the framework of RRFS and the results are validated.

수문학적 응답함수의 지형학적 왜곡도

김주철(Kim, Joo-Cheol),이현노(Lee, Hyeon-No),정관수(Jung, Kwansue) 대한토목학회 2013 대한토목학회 학술대회 Vol.2013 No.10

유역의 동수역학적 특성을 고려한 합성단위도 기법의 제시

김주철(Kim Joo Cheol),최용준(Choi Yong Joon),정동국(Jeong Dong Kug) 대한토목학회 2011 대한토목학회논문집 B Vol.31 No.1B

본 연구에서는 유역의 동수역학적 특성을 고려할 수 있는 합성단위도 방법을 제시하였다. 제시된 방법은 폭함수 GIUH 이론을 기반으로 하였으며 적용절차는 다음과 같다. 1) GIS에 의해 유역 각 격자 중심에서 유역출구점까지의 유하거리 분포도(폭함수) 산정, 2) 유역의 동수역학적 매개변수에 의한 유하시간 유하시간 분포도(재조정된 폭함수) 작성, 3) 재조정된 폭함수로 부터 순간단위도 및 지속시간 단위도 유도, 4) 기존 합성단위도와의 비교, 대상유역은 보청천 유역의 이평 및 탄부 유역을 선정하였다. 두 유역은 유사한 유역규모(유역면적)를 가지나, 배수구조(배수밀도 등)는 상이한 형태를 나타낸다. 따라서 두 유역은 동수역학적 특성에 따라 상이한 수문학적 응답함수를 나타낼 것으로 예상된다. 단위도 유도결과 기존 합성 단위도법은 두 유역에서 비슷한 형태의 형상을 나타낸 반면 제시된 방법은 상이한 형상의 수문학적 응답을 보였다. 실제사상의 적용결과 제시된 기법의 첨두유량은 기존 합성단위도법과 유사한 모의 양상을 나타냈으나, 첨두시간은 본 연구방법이 우수하게 모의되었다. 따라서 본 연구에서 제시된 방법과 합리적인 유속산정 방법이 결합된다면 미계측 유역의 단위도 합성에 유용한 도구가 될 것으로 기대된다. This study suggests new synthetic unit hydrograph method considering hydrodynamic characteristic on the basin. The suggested method based on width function GIUH, and the procedure is summarized as follows; 1) Draw up a travel distance distribution map (width function) which is raster of length between from center of individual cells to the outlet by GIS. 2) Calculation of travel time distribution map (rescaled width function) by hydrodynamic parameters and travel distance distribution map. 3) Derivation of IUH and Duration UH from rescaled width function. 4) Comparison of shape of UH between suggested method and existing synthetic unit hydrograph methods. The target basins are selected Ipyeong and Tanbu subwatershed in the Bocheong Basin. The target basins are similar scale (watershed area), but different drainage structure (drainage density et al.). Therefore we anticipate that there are different hydrologic response functions because different hydrodynamic characteristics. As a result of derivation of UH, existing synthetic unit hydrograph methods are similar shape of UHs about Ipyeong and Tanbu watersheds, but the suggested method is different shape of ones. As a result of application to observed data, the peak discharge by suggested method is similar to existing synthetic unit hydrograph methods, but the peak time is well correspondence between those. Henceforth, if the suggested method combines with the rational velocity estimation method, it is useful method for synthetic of UH in ungauged watershed.