수문자료가 Neuro-Fuzzy 기법 결과에 미치는 영향 분석

지정원,최창원,이재응,Ji, Jungwon,Choi, Changwon,Yi, Jaeeung 대한토목학회 2013 대한토목학회논문집 Vol.33 No.4

최근 우리나라에는 집중호우의 발생 빈도가 잦아지고 있다. 집중호우는 단시간에 발생하여 인명과 재산에 직접적인 피해를 주는 특징이 있다. 이러한 이유로 치수에 대한 관심은 점점 높아지고 있으며 정확한 유량 예측을 바탕으로 홍수에 대비할 수 있는 시스템 개발에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 지금까지 홍수 예보에는 주로 물리적 모형이 사용되어 왔다. 물리적 모형은 매개변수 결정을 위해 많은 자료를 필요로 하고 또 매개변수의 결정 과정에서 많은 불확실성을 포함하고 있기 때문에 계산과정을 거치는 동안 다양한 오차가 반복하여 누적되는 단점이 있다. ANFIS는 인공신경회로망과 퍼지기법을 사용한 자료 지향형 모형으로 기존의 물리적 모형에서 사용한 방대한 양의 물리적 자료를 배제하고 유역의 강우자료와 유량자료만을 사용하여 모형을 구축하고 수위를 예측할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 자료 지향형 모형은 입력 자료와 결과 사이의 논리적 상관성을 찾을 수 없다는 단점이 있다. 본 연구에서는 ANFIS 모형에 사용되는 함수의 옵션과 입력자료의 특성의 제한적인 변화에 따른 결과자료 분석을 통해 자료 지향형 모형의 특성을 분석하였다. 또한 일반적으로 많이 사용하는 물리적 모형 중 하나인 HEC-HMS의 유출량 산정 결과와의 비교를 통해 ANFIS의 적용성을 평가하였다. 본 연구는 남한강 상류에 위치한 청미천 유역의 2007년부터 2011년까지의 관측 강우자료와 유량자료를 사용하여 수행하였다. Recently, the frequency of severe storms increases in Korea. Severe storms occurring in a short time cause huge losses of both life and property. A considerable research has been performed for the flood control system development based on an accurate stream discharge prediction. A physical model is mainly used for flood forecasting and warning. Physical rainfall-runoff models used for the conventional flood forecasting process require extensive information and data, and include uncertainties which can possibly accumulate errors during modelling processes. ANFIS, a data driven model combining neural network and fuzzy technique, can decrease the amount of physical data required for the construction of a conventional physical models and easily construct and evaluate a flood forecasting model by utilizing only rainfall and water level data. A data driven model, however, has a disadvantage that it does not provide the mathematical and physical correlations between input and output data of the model. The characteristics of a data driven model according to functional options and input data such as the change of clustering radius and training data length used in the ANFIS model were analyzed in this study. In addition, the applicability of ANFIS was evaluated through comparison with the results of HEC-HMS which is widely used for rainfall-runoff model in Korea. The neuro-fuzzy technique was applied to a Cheongmicheon Basin in the South Han River using the observed precipitation and stream level data from 2007 to 2011.

설계홍수량 산정을 위한 강우-유출 빈도해석에 관한 연구

최종인,지정원,이재응 한국수자원학회 2015 한국수자원학회논문집 Vol.48 No.8

본연구는치수구조물의규모를결정하는가장기초가되는분석과정인설계홍수량산정방법중실측홍수량을바탕으로 산정하는 홍수량 빈도해석방법과 설계강우법, 강우-유출해석 후 연최대 첨두홍수량 빈도해석방법을 비교 분석하는데 그 목적이있다. 이를위하여기존의설계홍수량 산정방법인설계강우법과강우량을이용하여유출을모의하고최대유출량을 빈도해석하는 방법을 비교·분석하였다. 대상 유역은 상대적으로 강우량과 유출량 자료의 기록이 오래된 7개 유역(남강댐 유역, 소양강댐 유역, 안동댐 유역, 임하댐 유역, 섬진강댐 유역, 충주댐 유역, 합천댐 유역)을 선정하였다. 실측 유출량 빈도해석자료를참값으로가정하여분석한결과섬진강댐유역, 합천댐유역, 임하댐유역, 안동댐유역에서는본연구에서 제시한강우-유출해석후연최대첨두홍수량빈도해석방법이상대적으로홍수량빈도해석값에가까운결과를나타내었고, 남강댐유역, 소양강댐유역, 충주댐유역에서는기존의설계강우법이실측유출량빈도해석값에더가까운결과를나타냈 다. 이러한결과로볼때지금까지사용되어온설계강우법이최선의방법은아니며상대적으로유역면적이작은지역에서는 금회 연구에서 제안하는 강우-유출해석 후 연최대 첨두홍수량 빈도해석방법이 좋은 결과를 나타냈다고 볼 수 있다. The purpose of this study is to compare and analyze design flood estimation methods which are the basis for determining the size of a flood control structure. The result from a flood frequency analysis which is considered as the best way for estimating design flood was assumed as a true value, and a method of simulating runoff and performing frequency analysis of the maximum discharge data were compared with a design storm method. For a comparative analysis of design flood estimation, seven basins (Namgang reservoir basin, Soyanggang reservoir basin, Andong reservoir basin, Seomjingang reservoir basin, Imha reservoir basin, Chungju reservoir basin, Hapcheon reservoir basin) were selected. For the Seomjingang, Hapcheon, and Imha reservoir basins, the method proposed in this study showed better results, whereas the conventional method showed better results for the Namgang, Soyanggang, and Chungju reservoir basins. The results show that the conventional method (the design storm method) is not the best way for estimating design flood and the proposed method can be used as an alternative for small basins.

Fuzzy 회귀분석기법을 이용한 평창강 유역의 설계홍수량 산정

이재응,김승주,이태근,지정원 한국수자원학회 2012 한국수자원학회논문집 Vol.45 No.10

선형회귀분석기법은 오랫동안 수공학분야뿐만 아니라 경제학, 통계학 등 여러 분야에서 널리 이용되어 왔다. Fuzzy 회귀분석기법은 자료의 불확실성이 높을 때 이를 정량화하여 회귀분석 모형에 반영할 수 있다. 본 연구에서는 평창강 유역의 임의 지점에서 설계홍수량을 산정하기 위해 fuzzy 회귀분석모형을 개발하였다. 평창강 유역과 같은 산지하천 유역은 관측소의 부재로 홍수유출해석에 필요한 자료의 습득이 어려운 경우가 많이 있다. 본 연구에서는 지리정보시스템을 이용하여 유역특성인자를 공간적으로 분석하고, 그 결과를 바탕으로 미계측 산지유역에서 설계홍수량을 산정할 수 있는 기법을 검토하였다. Fuzzy 회귀분석기법을 산지하천 유역의 특성을 가지고 있으며 IHP 시험유역 운영을 통하여 비교적 강우와 유량자료가 잘 수집되어 있는 평창강 유역에 적용하였다. 평창강 유역에 대해서 유역특성인자를 이용하여 fuzzy 설계홍수량 산정식을 개발하였고, 유역의 본류를 따라 위치하고 있는 9개의 지점에서 산정된 빈도홍수량과 비교하여 개발된 산정식의 적합성을 검토하였다. Fuzzy 회귀분석을 사용하여 지역회귀분석을 수행한다면 자료 관측에서 발생하는 빈도홍수량의 불확실성을 정량화하고, 불확실성의 전파를 파악할 수 있다. Linear regression technique has been used widely in water resources field as well as various fields such as economics and statistics, and so on. Using fuzzy regression technique, it is possible to quantify uncertainty and reflect them to the regression model. In this study, fuzzy regression model is developed to compute design floods in any place in Pyeongchang River basin. In ungaged basins, it is usually difficult to obtain data required for flood discharge analysis. In this study, basin characteristics elements are analyzed spatially using GIS and the technique of estimating design flood in ungaged mountainous basin is studied based on the result. Fuzzy regression technique is applied to Pyeongchang River basin which has mountainous basin characteristics and well collected rainfall and runoff data through IHP test basin project. Fuzzy design flood estimation equations are developed using the basin characteristics elements for Pyeongchang River basin. The suitability of developed fuzzy equations are examined by comparing the results with design floods computed in 9 locations along the river. Using regional regression method and fuzzy regression analysis, the uncertainties of the design floods occurred from the data monitoring can be quantified.

설계홍수량 산정을 위한 강우-유출 빈도해석에 관한 연구

최종인,지정원,이재응,Choi, Jongin,Ji, Jungwon,Yi, Jaeeung 한국수자원학회 2015 한국수자원학회논문집 Vol.48 No.8

본 연구는 치수 구조물의 규모를 결정하는 가장 기초가 되는 분석과정인 설계홍수량 산정 방법 중 실측 홍수량을 바탕으로 산정하는 홍수량 빈도해석방법과 설계강우법, 강우-유출해석 후 연최대 첨두홍수량 빈도해석방법을 비교 분석하는데 그 목적이 있다. 이를 위하여 기존의 설계홍수량 산정방법인 설계강우법과 강우량을 이용하여 유출을 모의하고 최대유출량을 빈도해석하는 방법을 비교 분석하였다. 대상 유역은 상대적으로 강우량과 유출량 자료의 기록이 오래된 7개 유역(남강댐 유역, 소양강댐 유역, 안동댐 유역, 임하댐 유역, 섬진강댐 유역, 충주댐 유역, 합천댐 유역)을 선정하였다. 실측 유출량 빈도해석 자료를 참값으로 가정하여 분석한 결과 섬진강댐 유역, 합천댐유역, 임하댐유역, 안동댐 유역에서는 본 연구에서 제시한 강우-유출해석 후 연최대 첨두홍수량 빈도해석방법이 상대적으로 홍수량 빈도해석 값에 가까운 결과를 나타내었고, 남강댐유역, 소양강댐유역, 충주댐유역에서는 기존의 설계강우법이 실측 유출량 빈도해석 값에 더 가까운 결과를 나타냈다. 이러한 결과로 볼 때 지금까지 사용되어온 설계강우법이 최선의 방법은 아니며 상대적으로 유역면적이 작은 지역에서는 금회 연구에서 제안하는 강우-유출해석 후 연최대 첨두홍수량 빈도해석방법이 좋은 결과를 나타냈다고 볼 수 있다. The purpose of this study is to compare and analyze design flood estimation methods which are the basis for determining the size of a flood control structure. The result from a flood frequency analysis which is considered as the best way for estimating design flood was assumed as a true value, and a method of simulating runoff and performing frequency analysis of the maximum discharge data were compared with a design storm method. For a comparative analysis of design flood estimation, seven basins (Namgang reservoir basin, Soyanggang reservoir basin, Andong reservoir basin, Seomjingang reservoir basin, Imha reservoir basin, Chungju reservoir basin, Hapcheon reservoir basin) were selected. For the Seomjingang, Hapcheon, and Imha reservoir basins, the method proposed in this study showed better results, whereas the conventional method showed better results for the Namgang, Soyanggang, and Chungju reservoir basins. The results show that the conventional method (the design storm method) is not the best way for estimating design flood and the proposed method can be used as an alternative for small basins.

한강수계 발전용댐 장기 운영계획 수립을 위한 최적화 모형 구축

이은경,지정원,이재응 한국습지학회 2019 한국습지학회지 Vol.21 No.5

In Korea, more than 60% of the whole lands are mountainous area. Since many decades ago, hydroelectric power plants have been constructed and eco-friendly energy has been produced. Hydropower can cope with the rapidly changing energy supply and demand, and produce eco-friendly energy. However, when the reservoir is built, it is often inevitable to damage the environment due to construction of large structure. In this study, the optimal reservoir operation model was developed to maximize power generation by monthly operation for long-term operation planning. The dam operation model was developed using the linear programming which is widely used in the optimal resources allocation problems. And the reservoir operation model can establish monthly operation plan for 1 year. Linear programming requires both object function and constraints to be linear. However, since the power generation equation is nonlinear, it is linearized using the Taylor Expansion technique. The optimization results were compared with the 2009-2018 historical data of five hydropower reservoirs. As a result, the total optimal generation is about 10~37% higher than the historical generation. 우리나라는 60% 이상이 산간지형에 해당하며 수십 년 전부터 이러한 특성을 이용하여 수력발전소를 다수 건설하고 친환경적인 에너지를 생산해왔다. 수력발전은 급변하는 에너지 수급에 대처할 수 있고 낙차를 이용하여 친환경적으로 에너지를 생산한다는 장점이 있으나 댐 설립시 입지 조건에 의해 불가피하게 환경을 훼손해야 하는 경우가 많다. 따라서, 본 연구에서는기존 발전용댐들의 장기 운영계획을 수립하고자 월별 발전량을 최대화하는 최적 저수지 운영 모형을 개발하였다. 댐 운영 모형은 자원 최적화 분야에서 널리 이용되는 선형계획법을 기반으로 월단위로 1년 운영계획을 수립할 수 있는 형태로 구축하였다. 선형계획법은 목적함수와 제약조건 모두 선형식으로 이루어져야 하지만 발전량 산정식은 비선형식이기 때문에 Taylor Expansion 기법을 활용하여 선형화하였다. 개발된 모형을 검토하기 위해 한강수계에 위치하는 5개 발전용댐을 대상으로2009~2018년의 실적자료와 댐 운영 모형의 결과를 비교, 분석하였다. 결과적으로 발전용댐들의 총 최적 발전량은 총 실적발전량보다 약 10~37% 정도 향상된 결과를 나타내었다.

기후변화를 고려한 다목적댐의 적정 예비율 산정 연구

채희찬,지정원,이재응 한국수자원학회 2018 한국수자원학회논문집 Vol.51 No.S-1

According to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), climate change increases the frequency of abnormal weather phenomenon. As the frequency of abnormal weather phenomenon increases, frequency of disasters related to water resources such as floods and droughts also increases. Drought is the main factor that directly affects water supply. Recently, the intensity of drought and the frequency of drought occurrence have increased in Korea. So, there is a need for water resource securing technology for stable water supply. Korean Water Plan mentioned that water reserves concept is necessary for stable water supply. Most multi-purpose reservoirs in Korea have emergency storage in addition to conservation storage used for water supply. However, there is no clear use standard for emergency storage. This study investigated the use of reservoir reserves for stable water supply. In order to consider the climate change impact, the AR5-based hydrological scenario was used as inflow data for the reservoir simulation model. Reservoir simulations were carried out in accordance with the utilization conditions of emergency storage and water supply adjustment standard. The optimal reserves for each multi-purpose reservoirs was estimated using simulation results. 기후변화에 관한 정부 간 협의체의 5차 평가보고서에 기술된 바와 같이 기후변화로 인해 이상기후 현상의 발생빈도가 증가하고 있다. 이에 홍수, 가뭄 등 수자원과 관련된 재해의 발생빈도 또한 증가하고 있다. 이 중 가뭄은 용수공급에 가장 큰 영향을 미치는 재해이다. 최근 우리나라의 가뭄피해 사례를 보면 가뭄의 강도와 발생빈도가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 안정적인 용수공급을 위한 수자원 확보 기술이 필요한 시점이다. 수자원장기종합계획에서는 수자원에도 예비율 개념의 대책 도입이 필요하다고 언급한 바 있다. 현재 국내 대부분의 다목적댐들은 평상시 용수공급에 이용되는 이수용량 외에 비상시 활용 가능한 비상용량을 확보하고 있지만 명확한 활용 기준이 없어 이를 활용하지 못하고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 안정적인 용수공급을 위해 비상용량을 예비량으로 활용하는 방안에 대해 연구하였다. 기후변화의 영향을 고려하기 위해 AR5 기반 수문시나리오를 저수지 모의운영 모형의 유입량 자료로 이용하였다. 비상용량과 용수공급 조정기준의 활용 조건에 따라 저수지 모의 운영을 실시하였고 모의 결과를 이용하여 다목적댐별 적정 예비율을 산정하였다.

지역특성을 고려한 홍수방어대안 제시를 위한 공간 다기준의사결정 기법 적용 방안 연구

이은경,지정원,이재응,Lee, Eunkyung,Ji, Jungwon,Yi, Jaeeung 한국수자원학회 2018 한국수자원학회논문집 Vol.51 No.4

지구 온난화가 심화됨에 따라 도시지역에서 집중호우에 의한 침수 피해가 증가하는 추세이다. 이러한 지구온난화에 의한 기후변화의 변동성은 IPCC 5차 보고서(2014)에서도 기술되어 있으며 기후변화에 의한 강수 패턴의 변화, 수문시스템의 변화 등 수자원 불확실성의 증가에 대하여 시사하고 있다. 최근 서울이나 부산과 같은 대도시의 관로의 수용 범위를 초과하는 국지성 호우가 발생하여 큰 피해를 초래하였다. 도시지역의 침수는 1차적으로 우수관거 통수능 부족에 의한 내수범람이 발생하고 방류구와 인접한 하천의 외수범람이 발생한다. 인구가 밀집되어 있는 도시지역에서 발생하는 침수는 인명피해 뿐만 아니라 도로, 교량, 지하공간 침수 및 파괴를 복구하기 위한 사회 경제적 피해를 동반하기 때문에 농촌, 산지 지역에 비해 피해량이 크다. 또한 도시개발에 인한 불투수면적 증가, 강우 유출시 출구부까지의 짧은 도달시간, 배수시설의 통수능부족 등 다양한 원인이 침수피해를 증대시킨다. 본 연구에서는 집중호우에 취약한 지역을 선정하고 XP-SWMM을 이용하여 내수침수 모의를 실시하였다. 또한 시범지역에 관로 개량, 우수저류지 설치, 우수펌프장 설치와 같은 홍수방어대안을 적용하여 각각의 침수모의를 실시하였으며 해당유역을 격자별로 분할하여 대안별 침수데이터를 추출하였다. 또한 격자별로 가장 적합한 구조적 홍수방어대안을 제시하기 위해 침수시간, 최대침수심, 구조물 설치비용을 평가요소로 이용하였으며 MCDM 기법 중 하나인 Compromise Programming 기법을 적용하였다. 본 연구에서는 동일 유역이라도 지리적 여건에 따라 대안의 선호도가 다르다는 점을 반영하고자 하였으며, Spatial Multi-Criteria Decision Making을 적용하여 지역특성을 고려한 홍수방어대안을 선정하는 방법에 대하여 연구하였다. Recently, the flood inundation caused by heavy rainfall in urban area is increasing due to global warming. The variability of climate change is described in the IPCC 5th report (2014). The precipitation pattern and hydrological system is varied by climate change. Since the heavy rainfall surpassed the design capacity of the pipeline, it caused great damage in metropolitan cities such as Seoul and Busan. Inundation in urban area is primarily caused by insufficient sewer capacity and surplus overflow of river. Inundation in urban area with concentrated population is more dangerous than rural and mountains areas, because it is accompanied by human casualties as well as socio-economic damage to recover destruction of roads, brides and underground spaces. In addition, various factors such as an increase in impervious area, a short time of concentration to outlet, and a shortage of sewer capacity's lack increase flooding damage. In this study, flood inundation analysis was conducted for vulnerable areas using XP-SWMM. Also, three structural flood prevention measures such as drainage pipeline construction, detention reservoir construction, and flood pumping station construction are applied as flood damage prevention alternatives. The flood data for each alternative were extracted by dividing the basin by grid. The Spatial Compromise Programming are applied using flood assessment criteria, such as maximum inundation depth, inundation time, and construction cost. The purpose of this study is to reflect the preference of alternatives according to geographical condition even in the same watershed and to select flood defense alternative considering regional characteristics.

부족분 공급방식의 한강수계 저수지 시스템 용수공급능력 평가

최영제,이은경,지정원,이재응 대한토목학회 2020 대한토목학회논문집 Vol.40 No.5

Reservoir operation affects the sustainability of a water supply. However, the increase in the temporal and spatial variability of rainfall,attributed to climate change, has led to severe droughts and increased difficulty in maintaining a sustainable discharge at certain locations in a reservoir system operation. In this study, water yield was evaluated using reservoir simulation with varied water supply. Three reservoir system models were simulated for nine reservoirs in the Han River basin. The time-based reliability, volumetric reliability, and resiliency were used to evaluate the results. Each case was simulated by applying firm supply, deficit supply, and deficitsupply with historical power release of the Hwacheon Reservoir. As a result of the simulation, all indexes were increased when the deficit supply was applied. In particular, the time-based reliability increased by more than 30%, and the supply reliability increased by about 4%. The result showed that the water supply of the entire water system could be increased when all reservoirs in the water system were operated to supply water and maintain sustainable discharge at the same downstream point. The deficit supply was an efficient reservoir operation method for responding to climate change, especially increased rainfall variability. 우리나라의 용수공급은 대부분 저수지 운영에 의존하고 있어 저수지 운영은 안정적인 용수공급에 직접적인 영향을 미치게 된다. 하지만 최근 강우의 시공간적 변동성이 증가함에 따라 심도 깊은 가뭄의 발생이 잦아지고 있으며 동일 유역 내에서도 강우의 공간적 편차가 커지고 있다. 이러한 기후의 변화는 하류 지점의 안정적인 유량을 유지하기 위한 저수지 시스템의 운영에도 어려움을 증가시키고 있다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로 부족분 공급방식의 저수지 운영을 적용하여 저수지 시스템의 용수공급능력을 평가하고자 하였다. 이를 위해 한강유역에 위치한 9개 댐을 대상으로 저수지 모의운영을 실시하고, 분석결과의 평가지표로는 기간신뢰도, 양적신뢰도, 회복도 등을 활용하였다. 저수지 모의운영 모형은 일정량 공급방식 적용, 부족분 공급방식 적용, 부족분 공급 및 화천댐 실측방류량 적용 케이스 등 총 3개 케이스의 모형을 구축하였다. 그 결과 부족분 공급방식을 적용하였을 때 신뢰도와 회복도 등 모든 지표에서 저수지 시스템의 용수공급능력이 증가하는 것으로 분석되었다. 특히 기간신뢰도는 30 % 이상 증가하고 양적신뢰도는 약 4 % 증가하는 효과를 거둘 수 있는 것으로 분석되었다. 따라서 수계 내의 모든저수지가 각각 부여받은 용수공급량 충족이라는 목적과 동시에 하류 동일 지점의 안정적 유량유지를 목적으로 운영될 경우 수계전체의 용수공급능력 증대라는 효과를 얻을 수 있는 것으로 판단되었다. 또한 본 연구를 통해 부족분 공급방식의 저수지 운영이 강우의 공간적 변동성 증가와같은 기후변화에 대응 가능한 효율적인 저수지 운영방안임을 확인할 수 있었다

다목적 활용을 위한 화천댐 용수공급능력 평가 연구

이은경,이선미,지정원,이재응,정순찬,Lee, Eunkyung,Lee, Seonmi,Ji, Jungwon,Yi, Jaeeung,Jung, Soonchan 한국수자원학회 2022 한국수자원학회논문집 Vol.55 No.6

In April 2020, the Korean government decided to operate the Hwacheon reservoir, a hydropower reservoir to supply water, and it is currently under pilot operation. Through the pilot operation, the Hwacheon reservoir is the first among the hydropower reservoirs in Korea to make a constant release for downstream water supply. In this study, the water supply capacity of the Hwacheon reservoir was estimated using the inflow data of the Hwacheon reservoir. A simulation model was developed to calculate the water supply that satisfies both the monthly water supply reliability of 95% and the annual water supply reliability of 95%. An optimization model was also developed to evaluate the water supply capacity of the Hwacheon reservoir. The inflow data used as input data for the model was modified in two ways in consideration of the impact of the Imnam reservoir. Calculating the water supply for the Hwacheon reservoir using the two modified inflows is as follows. The water supply that satisfies 95% of the monthly water supply reliability is 26.9 m³/sec and 24.1 m³/sec. And the water supply that satisfies 95% of the annual water supply reliability is 23.9 m³/sec and 22.2 m³/sec. Hwacheon reservoir has a maximum annual water supply of 777 MCM (Million Cubic Meter) without failure in the water supply. The Hwacheon reservoir can supply 704 MCM of water per year, considering the past monthly power generation and discharge patterns. If the Hwacheon reservoir performs a routine operation utilizing its water supply capacity, it can contribute to stabilizing the water supply during dry seasons in the Han River Basin.

퍼지회귀분석 기법을 이용한 산지하천 홍수유출 산정 시스템 적용 및 평가

이태근(Lee, Taegeun),지정원(Ji, Jungwon),이재응(Yi, Jaeeung) 대한토목학회 2012 대한토목학회 학술대회 Vol.2012 No.10