SWAT 모형을 이용한 대유역 강우-유출해석: 메콩강 유역을 중심으로

이대업,유완식,이기하 한국농공학회 2018 한국농공학회논문집 Vol.60 No.1

This study implemented the rainfall-runoff analysis of the Mekong River basin using the SWAT (Soil and Water Assessment Tool). The runoff analysis was simulated for 2000~2007, and 11 parameters were calibrated using the SUFI-2 (Sequential Uncertainty Fitting-version 2) algorithm of SWAT-CUP (Calibration and Uncertainty Program). As a result of analyzing optimal parameters and sensitivity analysis for 6 cases, the parameter ALPHA_BF was found to be the most sensitive. The reproducibility of the rainfall-runoff results decreased with increasing number of stations used for parameter calibration. The rainfall-runoff simulation results of Case 6 showed that the RMSE of Nong Khai and Kratie stations were 0.97 and 0.9, respectively, and the runoff patterns were relatively accurately simulated. The runoff patterns of Mukdahan and Khong Chaim stations were underestimated during the flood season from 2004 to 2005 but it was acceptable in terms of the overall runoff pattern. These results suggest that the combination of SWAT and SWAT-CUP models is applicable to very large watersheds such as the Mekong for rainfall-runoff simulation, but further studies are needed to reduce the range of modeling uncertainty.

쿼드트리 격자기반 모형의 홍수범람해석 적용성 평가

이대업,안현욱,이기하,정관수 한국수자원학회 2013 한국수자원학회논문집 Vol.46 No.6

최근 이상기후로 인해 홍수 등 자연재해의 강도 및 빈도가 증가하고 있다. 2002년 태풍 루사, 2003년 태풍 매미 등 집중호우에 따른 대규모 홍수로 인해 인명 및 재산피해의 급격한 증가가 나타났으며, 이는 불규칙한 기상변화에 대한 기존의 방재대책과 홍수예측시스템의 한계를 보여주고 있다. 이러한 이상홍수에 효율적으로 대응하기 위해서는 홍수범람 양상을 정확하게 모의할 수 있는 범람모형을 통해 효과적인 대응방안 마련하는 것이 중요하지만 기존의 홍수범람해석모형은 해석시간의 과다소요 및 해석결과의 정확성 등의 문제가 존재한다. 따라서 본 연구에서는 2002년 8월 집중호우로 인해 붕괴된 낙동강 유역의 백산제를 대상으로 쿼드트리격자를 사용하는 Gerris모형을 이용하여 홍수범람해석을 수행하였으며, 기존의 홍수범람모형 중 비구조격자를 사용하는 FLUMEN모형 및 실제 범람지역과의 비교를 통해 쿼드트리 격자기반 홍수범람모형의 적용성 및 효율성을 판단하였다. Lately, intensity and frequency of natural disasters such as flood are increasing because of abnormal climate. Casualties and property damages due to large-scale floods such as Typhoon Rusa in 2002 and Typhoon Maemi in 2003 rapidly increased, and these show the limits of the existing disaster prevention measures and flood forecasting systems regarding irregular climate changes. In order to efficiently respond to extraordinary flood, it is important to provide effective countermeasures through an inundation model that can accurately simulate flood inundation patterns. However, the existing flood inundation analysis model has problems such as excessive take of analysis time and accuracy of the analyzed results. Therefore, this study conducted a flood inundation analysis by using the Gerris flow solver that uses quadtree grid, targeting the Baeksan Levee in the Nakdong River Basin that collapsed because of a concentrated torrential rainfall in August, 2002. Through comparisons with the FLUMEN model that uses unstructured grid among the existing flood inundation models and the actual flooded areas, it determined the applicability and efficiency of the quadtree grid-based flood inundation model of the Gerris flow solver.

온․ 오프라인 매개변수 보정기법에 따른 강우-유출해석 적용성 평가

이대업,김연수,유완식,이기하 한국수자원학회 2017 한국수자원학회논문집 Vol.50 No.4

본 연구에서는 오프라인 및 온라인 매개변수 자동보정기법을 이용하여 개념적 집중형 수문모형의 매개변수를 보정한 후, 각 보정기법에 따른 강 우-유출 해석 결과를 비교·분석하여 기법별 적용성을 평가하였다. 이를 위해 용담댐 상류 천천 유역을 대상으로 9개의 단기 강우사상을 선정하고, 강우-유출 모의를 위한 수문모형으로 저류함수모형을 선택하였다. 또한 저류함수모형의 매개변수 보정을 위한 자동보정기법으로 오프라인 기법 으로는 SCE-UA, 온라인 기법으로는 파티클 필터를 선정하여 해석을 수행하였다. 각 기법에 따른 유출 해석결과의 재현성 평가를 위해 관측수문곡 선의 평균유량을 근거로 하여 저수부(평균유량 이하)와 고수부(평균유량 초과)로 구분하여 모의결과를 비교․ 검토하였다. 그 결과, 매 시간 입력자 료를 이용하여 매개변수를 실시간으로 업데이트하는 파티클 필터의 경우, 저수부와 고수부에 구분없이 전반적으로 우수한 재현성을 보여주었다. 반면에 SCE-UA의 경우, 대상 사상에 대한 전체기간의 정보를 활용하여 선택된 목적함수 RMSE와 HMLE를 최소로 하는 최적 매개변수를 추정함 에 따라 일정규모 이상의 홍수사상에서는 목적함수에 따라 매개변수의 변동성이 나타났으며, 고수부에서는 RMSE, 저수부에서는 HMLE가 비교 적 우수한 유출모의 결과를 나타내는 것으로 분석되었다. This study aims to evaluate applicability of both online and offline parameter calibration techniques on rainfall-runoff modeling using a conceptual lumped hydrologic model. To achieve the goal, the storage function model was selected and then two different automatic calibration techniques: SCE-UA (offline method) and particle filter (online method) were applied to calibrate the optimal parameter sets for 9 rainfall events in the Cheoncheon catchment, upper area of the Yongdam multi-purpose dam. In order to assess reproducibility of hydrographs from the parameter sets of both techniques, the observed discharge of each event was divided into low flow (below average flow) and high flow (over average flow). The results show that the particle filter method, updating the parameters in real-time, provides more stable reproducibility than the SCE-UA method regardless of low and high flow. The optimal parameters estimated by SCE-UA are very sensitive to the selected objective functions used in this study: RMSE and HMLE. In particular, the parameter sets from RMSE and HMLE demonstrate superior goodness-of-fit values for high flow and low flow periods, respectively.

수문분야에서의 딥러닝 적용 사례

정성호,이대업,연민호,이기하,Jeong, Seong-Ho,Lee, Dae-Eop,Hien, Le Xuan,Yeon, Min-Ho,Lee, Gi-Ha 한국수자원학회 2021 물과 미래(한국수자원학회지) Vol.54 No.6

지형학적 인자를 이용한 광역 홍수범람 위험지역 분석

이경상,이대업,정성호,이기하,Lee, Kyoungsang,Lee, Daeeop,Jung, Sungho,Lee, Giha 한국수자원학회 2018 한국수자원학회논문집 Vol.51 No.6

최근 기후변화와 이상기후의 영향으로 인한 홍수재해의 시 공간적 패턴의 변화가 복잡해짐에 따라 홍수범람 예측은 점점 어려워지고 있다. 이러한 기상이변에 따른 홍수피해를 예방하고 대응하기 위한 비구조적 대책으로 홍수위험등급 및 범람범위 등의 정보를 포함하고 있는 홍수위험지도의 작성이 필요하다. 실제로 고정밀도 홍수위험지도를 작성하기 위해서는 1차적으로 지형, 지질, 토지피복, 기상 등의 자료를 기반으로 강우-유출-범람해석을 통해 침수면적 및 침수깊이 등 범람 정보를 획득해야 되며, 2차적으로 피해액 산정을 위해 사회 경제와 관련된 다양한 DB를 필요로 한다. 하지만 개발도상국에서는 이러한 자료가 부족하고, 일부지역에서는 자료자체를 획득할 수가 없어 홍수위험지도 제작이 불가능하거나 그 정확도가 매우 낮은 실정이다. 본 연구에서는 ASTER 또는 SRTM과 같은 범용 지형자료로부터 주요 지형학적 인자를 선정하고, 선형이진분류법(Liner binary classifiers)과 ROC분석(Receiver Operation Characteristics)을 사용하여 실제 홍수유역을 유사하게 모의하는 최적 지형학적 인자를 도출하고, 이를 기반으로 광역 홍수범람지도를 작성하는 방안을 제시한다. 본 연구에서 제시하는 방법론의 정확도 검증을 위해 북한(2007), 방글라데시(2007), 인도네시아(2010), 태국(2011), 미얀마(2015) 5개국의 대규모 홍수범람에 대해 적용하였다. 실제 홍수범람 영상정보에서 획득된 침수면적과의 공간적 비교 검토 결과, 최저(38%, 방글라데시), 최고(78%)으로 평균적으로 약 60%의 정확도를 나타내는 것으로 분석되었다. 본 연구에서 제시하는 지형학적 인자 기반의 홍수범람지도 작성방법은 미계측유역에 대해서도 DEM만을 사용하여 홍수위험 지역을 쉽게 구분할 수 있다는 장점을 가지고 있어 1 2차원 범람해석 모형의 적용이 어려운 대유역에 대해 홍수범람 우려지역에 대한 공간정보를 제공해줄 수 있을 것으로 판단된다. Recently, the spatiotemporal patterns of flood disasters have become more complex and unpredictable due to climate change. Flood hazard map including information on flood risk level has been widely used as an unstructured measure against flooding damages. In order to product a high-precision flood hazard map by combination of hydrologic and hydraulic modeling, huge digital information such as topography, geology, climate, landuse and various database related to social economic are required. However, in some areas, especially in developing countries, flood hazard mapping is difficult or impossible and its accuracy is insufficient because such data is lacking or inaccessible. Therefore, this study suggests a method to delineate large scale flood-prone area based on topographic factors produced by linear binary classifier and ROC (Receiver Operation Characteristics) using globally-available geographic data such as ASTER or SRTM. We applied the proposed methodology to five different countries: North Korea Bangladesh, Indonesia, Thailand and Myanmar. The results show that model performances on flood area detection ranges from 38% (Bangladesh) to 78% (Thailand). The flood-prone area detection based on the topographical factors has a great advantage in order to easily distinguish the large-scale inundation-potent area using only digital elevation model (DEM) for ungauged watersheds.

개도국 도시개발과 물문제 해결방안

이기하,이대업,정성호,연민호,Lee, Gi-Ha,Lee, Dae-Eop,Jeong, Seong-Ho,Yeon, Min-Ho 한국수자원학회 2021 물과 미래(한국수자원학회지) Vol.54 No.2

CAE 알고리즘을 이용한 레이더 강우 보정 평가

정성호,오성렬,이대업,레수안히엔,이기하,Jung, Sungho,Oh, Sungryul,Lee, Daeeop,Le, Xuan Hien,Lee, Giha 한국수자원학회 2021 한국수자원학회논문집 Vol.54 No.7

최근 몇 년 동안 국지성 집중호우의 빈도가 증가함에 따라 고해상도 레이더 자료의 중요성 및 활용성이 증가하고 있다. 하지만 여전히 레이더 자료의 경우 시·공간적 편의가 존재하고 이를 보정하는 것이 매우 중요하며 많은 연구에서 레이더 강우의 편의 보정을 위해 다양한 통계적 기법이 시도되었다. 본 연구에서는 시·공간적으로 강우를 추정할 수 있는 이중편파레이더의 편의를 지점 강우와 비교하여 보정하는 것을 목표로 한다. 환경부의 수자원관리 및 홍수 예측에 사용되는 S-밴드 이중편파레이더의 편의 보정을 위하여 합성곱신경망(Convolutional Neural Network, CNN)기반의 Convolutional Autoencoder (CAE) 알고리즘을 구축하여 편의 보정을 수행하였다. CAE 모델의 입력자료는 환경부의 10분 단위 레이더 합성 강우자료와 같은 공간해상도로 보간된 지점 관측 강우자료를 사용하였으며, 자료의 기간은 미호천 유역에 홍수 경보가 발령된 2017년 7월 16일 00시부터 13시까지의 10분 단위 자료를 사용하였다. 그 결과로 지점 강우 대비 원시 레이더 강우의 편의가 줄어듦을 확인할 수 있으며 시·공간적으로 개선된 결과를 보여주고 있다. 따라서 각 인접한 격자 간의 공간 관계를 학습하는 CAE 모델은 레이더 및 위성에서 추정되는 격자형 기후 자료의 실시간 편의 보정에 사용할 수 있을 것으로 분석되었다.

Application of nightlight satellite imagery for assessing flooding potential area in the Mekong river basin

트라이 소팔,이대업,이기하,Try, Sophal,Lee, Daeup,Lee, Giha Korea Water Resources Association 2018 한국수자원학회논문집 Vol.51 No.7

아시아 지역의 인구증가와 하천주변 및 삼각주 평야 저지대의 인구밀도 집중으로 인해 우기 시 아시아의 많은 지역에서 홍수로 인한 대규모 인명 및 재산 피해가 발생하고 있다. 본 연구에서는 NOAA에서 제공하는 1992년부터 2003년까지의 나이트라이트 위성영상자료를 수집하여 인명 및 재산피해 정보와의 상호 공간분석을 통해 메콩강 유역의 홍수피해에 대한 분석을 실시하였다. 인명 및 재산피해 자료는 EM-DAT에서 제공하는 지역 공간분포자료를 활용하였으며, 메콩강 주하천 격자로 부터 모든 임의 격자의 떨어진 거리를 계산하여 해당 격자에서의 나이트라이트 강도와 인명 및 재산피해와의 상관분석을 수행하였다. 그 결과, 나이트라이트 강도가 클수록 홍수피해가 큰 것으로 분석되었으며, 특히, 하천으로부터 가까운 거리에서 나이트라이트 강도가 높게 나타났다. 이는 높은 나이트라이트 강도를 갖는 격자, 즉 인구밀집도가 상대적으로 높은 격자가 메콩강 하천주변으로 분포되어 있으며, 홍수피해와 양의 상관관계를 갖고 있음을 의미한다. 이와 같이 나이트라이트 위성영상정보는 에너지소비, 재해 등 다양한 공간분석을 통해 사회경제적 영향성 평가를 위한 대리변수로 사용이 가능할 것으로 판단된다. High population density in deltaic settings, especially in Asia, tends to increase and causes coastal flood risk because of lower elevations and significant subsidence. Large flood annually causes numerous deaths and huge economic losses. In this paper, an innovative technology of spatial satellite imagery has been used as tool to analyze the socio-economic flood-related damage in Mekong river basin. The relationship between nightlight intensity and flood damages has been determined for the period of 1992-2013 with a spatial resolution of 30 arc sec ($0.0083^{\circ}$), which is nearly one kilometer at the equator. Flow path distance was calculated to identify the distance of each cell to river network and to examine how nightlight intensity correlate to the area close to and far from river network. Statistical analysis results highlight the significant correlation between nocturnal luminosity intensity and flood-related damages in countries along the Mekong river (i.e., Cambodia, China, Lao PDR, Thailand, and Vietnam). This result reveals that the areas close to the river network correspond to high human distribution and causes huge damage during flooding. The result may provide key information to the region with respect to decisions, attentions, and mitigation strategies.

표토침식에 따른 내륙습지 훼손 가능성 평가

김성원,정안철,이대업,이기하 한국수자원학회 2020 한국수자원학회논문집 Vol.53 No.7

The purpose of this study is to suggest a quantitative assessment of wetland damage considering the effects of topsoil erosion and deposition from rainfall. In the Cheoncheon Basin located upstream of the Yongdam Dam, 16 wetlands are located, but the lacustrine and small palustrine wetland were analyzed for possible damage to erosion and deposition. As a result of applying typhoon events in 2002 and 2003, the sediment load from the upper basin was the highest at 2.30% (22,548 m3) of low water capacity. The average sediment load in the mountain areas was found to be 0.03% of the low water capacity, and it was analyzed to be less damaging than the lacustrine with relatively large watershed. as a result of the model, the lacustrine wetland, where a large area is used as agricultural land, shows a high probability of sediment yield, so it is highly likely to damage the wetland by topsoil erosion. 본 연구는 강우로부터 나타나는 표토침식과 퇴적의 영향을 고려하여 습지 훼손에 대한 정량적인 평가가 가능한 방안을 제시하고자 하였다. 용담댐 상류에 위치하고 있는 천천유역은 16개의 습지가 존재하며, 습지훼손 가능성에 대한 평가는 호수형습지와 소택지를 대상으로 이뤄졌다. 2002년, 2003년에 발생한 태풍사상을 적용한 결과, 벽남제습지의 경우 상류유역에서 유입되는 토사량은 저수용량의 2.30%(22,548 m3)로 가장 높았다. 산지영역에 위치하고 있는 소택지의 평균 유입토사량은 저수용량의 0.03%로 나타났으며 비교적 넓은 유역을 가지는 호수형습지보다 훼손가능성이 낮은 것으로 분석되었다. 넓은 면적이 농경지로 사용되고 있는 호수형습지는 모형의 결과에서 토사유입량이 높은 것으로 나타나 토양침식에 의한 습지훼손 가능성이 높을 것으로 판단된다.

수자원시설물의 유지관리 체계 선진화를 위한 입법 및 정책과제

이기하,연민호,이대업,김성원,김진수 한국수자원학회 2020 한국수자원학회논문집 Vol.53 No.S-1

In this study, legislative and policy issues related to advancing the maintenance system of water resource facilities were presented by investigating and analyzing the degree of aging and management status of water resource facilities. Data from the comprehensive Facility Management System (FMS) operated by the Korea Infrastructure Safety Corporation were collected and used to analyze the aging of water resource facilities. Using safety grade data categorized by facility, type, local area, and grade, the ratio of dangerous facilities and the aging rate were calculated to analyze the status of water resource facilities and guidelines and manuals related to water resource facilities were investigated. Through this, four required actions to address legislative and policy issues were presented: 1) Readjusting the scope of water resource facilities and supplementing guidelines and manuals, 2) Establishing a maintenance system considering changes in disaster conditions, 3) Improving the FMS and activating standard linkage services, and 4) Establishing a facility asset management system. 본 연구에서는 수자원시설물의 노후화 정도와 관리현황 등을 조사・분석함으로써, 수자원시설물의 유지관리 체계 선진화를 위한 입법 및 정책과제를 제시하였다. 수자원시설물의 노후화를 분석하기 위해 한국시설안전공단에서 운영하는 시설물통합정보관리시스템의 자료를 수집하여 분석에 활용하였다. 시설물별, 종별, 시도별, 등급별로 구축된 안전등급 자료를 이용하여 위험시설물 비율과 고령화율을 산정하여 수자원시설물의 현황을 분석하고 수자원시설 관련 지침 및 매뉴얼을 조사하였다. 이를 통해 1) 수자원시설물 범위의 재조정 및 지침・매뉴얼의 보완, 2) 재해여건 변화를 고려한 유지관리 체계의 구축, 3) 시설물통합정보시스템의 개선 및 표준연계서비스 활성화, 4) 시설물의 자산관리체계 구축의 네 가지 입법 및 정책과제를 제시하였다.