수문인자추출에서의 SRTM DEM (Shuttle Radar Topography Mission Digital Elevation Model) 적용성 평가: 대동강 및 금강 지역 사례연구

허용구,유승환,Her, Younggu,Yoo, Seung-Hwan 한국농공학회 2013 한국농공학회논문집 Vol.55 No.6

Shuttle Radar Topography Mission Digital Elevation Model (SRTM DEM) offers opportunities to make advances in many research areas including hydrology by providing near-global scale elevation measurements at a uniform resolution. Its wide coverage and complimentary online access especially benefits researchers requiring topographic information of hard-to-access areas. However, SRTM DEM also contains inherent errors, which are subject to propagation with its manipulation into analysis outputs. Sensitivity of hydrologic analysis to the errors has not been fully understood yet. This study investigated their impact on estimation of hydrologic derivatives such as slope, stream network, and watershed boundary using Monte Carlo simulation and spatial moving average techniques. Different amount of the errors and their spatial auto-correlation structure were considered in the study. Two sub-watersheds of Geum and Deadong River areas located in South and North Korea, respectively, were selected as the study areas. The results demonstrated that the spatial presentations of stream networks and watershed boundaries and their length and area estimations could be greatly affected by the SRTM DEM errors, in particular relatively flat areas. In the Deadong River area, artifacts of the SRTM DEM created sinks even after the filling process and then closed drainage basin and short stream lines, which are not the case in the reality. These findings provided an evidence that SRTM DEM alone may not enough to accurately figure out the hydrologic feature of a watershed, suggesting need of local knowledge and complementary data.

Evaluating Hydrologic Behavior of Hydrology Simulation using Time Area (HYSTAR) Model through Sensitivity Analysis

허용구,Her, Younggu The Korean Society of Agricultural Engineers 2015 한국농공학회논문집 Vol.57 No.3

시간-면적 기법을 이용해 유역의 수문과정을 묘사하는 분산형 (distributed) 연속 (continuous) 강우유출모형인 HYSTAR의 거동특성과 주요 매개변수에 대한 민감도를 분석하였다. 유역의 수문조건에 따른 모형거동의 변화를 분석하기 위해 연속되는 4개의 개별 강우사상에 대한 민감도를 조사하고 비교하였다. 또한, 매개변수의 상호작용이 민감도 분석결과에 미치는 영향을 파악하기 위해 두 가지 서로 다른 기법 (one-factor-at-a-time 과 all-factor-at-a-time 방법)을 이용하여 산정된 민감도를 비교하였다. 분석결과, 모형의 직접유출량, 첨두유량 및 도달시간 모의결과는 유출곡선번호 (curve number)에 가장 민감하게 반응하는 것으로 나타났으며, 토양의 깊이, van Genuchten 식의 매개변수, 작물계수에 큰 영향을 받았다. 한편, 모의된 기저유출량은 토양의 깊이를 비롯하여 van Genuchten 식의 매개변수, 작물계수 (crop coefficient), 이방성계수 (anisotropic coefficient), 유출곡선번호의 변화에 민감하였다. 매개변수에 대한 민감도는 분석에 이용된 강우사상에 따라 다르게 나타났으며, 유역의 토양수분조건에 따라 다르게 거동하는 모형의 중요한 특성을 잘 반영하였다. 두 가지 서로 다른 기법을 이용한 민감도 분석결과는 모의된 직접유출량 및 기저유출량의 변화가 매개변수의 상호작용에 의해 제한될 수 있음을 보여 주었다. 본 연구는 HYSTAR 모형의 매개변수에 대한 민감도 분석을 통해서 해당 모형의 거동을 정량적으로 보여주었고, 이를 통해 모형의 건전성 (soundness)을 입증할 수 있는 하나의 근거를 제시하였다. 본 연구결과는 향후 HYSTAR 모형을 이용한 수문분석 시 보정을 위한 매개변수 선정에 활용될 수 있을 것으로 사료된다. 또한, 본 연구결과에서 나타난 민감도의 수문조건 (또는 선정된 강우사상)에 대한 의존성은 연속유출 모형의 민감도 분석을 위한 강우 사상 선정 및 민감도 분석결과의 해석에 유용한 정보를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

Evaluating Applicability of Sediment Transport Capacity Equations through Sensitivity Analysis

허용구,황세운,Her, Younggu,Hwang, Syewoon The Korean Society of Agricultural Engineers 2015 한국농공학회논문집 Vol.57 No.6

유사는 오염물질을 저장 또는 운반하는 매개체로 하류 수체의 물리적, 화학적, 생물학적 과정에 큰 영향을 미친다. 따라서 유사 발생 및 운송 양의 추정은 수질개선을 위한 유역관리계획을 수립하는데 중요한 자료가 된다. 이러한 유사량 및 운송과정은 주로 모형에 의해 계산되고 모의되는데, 많은 유사운송모형들이 유사이송용량 (sediment transport capacity)식을 이용하여 유사 발생량, 이송량 및 퇴적량을 산정한다. 유출에 의한 유사이송용량을 산정하기 위한 기존의 식들은 각기 다른 목적과 환경에서 개발되어 보편적으로 적용할 수 있는 식은 전무한 실정이다. 이에 본 연구는 유사이송용량을 계산하기 위해 사용되는 식들의 개발 목적과 환경을 검토하고, 경사, 유량, 유사입경 및 토성에 따른 민감도를 조사하여 각 식의 적용성을 평가하였다. 본 연구에서 적용한 8개의 유사이송용량 산정식은 모두 경사도에 가장 민감하게 변화하는 것으로 나타났다. Abraham과 Yalin식 이외의 산정식을 이용하여 계산된 유사이송용량은 경사도가 0.1 % 보다 작을 때는 0 mg/l, 경사도가 100 % 보다 클 때는 이론최대치인 2,650 mg/l 을 넘는 것으로 나타나, 이들 산정식의 적용 가능한 경사도 범위를 0.1 %-100 %로 추정할 수 있었다. Abrahams식은 유량에, Bagnold식은 유사입경 및 토성에 민감한 것으로 나타났다. Low, Rickenmann, 및 Schoklitsch식은 유량에 민감하게 반응하지 않았고, Low와 Schoklitsch식은 토성에도 민감하지 않은 것으로 나타나, 이들 식의 제한된 적용성을 확인하였다. 한편, Yang식은 계산식에 포함된 로그항으로 인해 그 적용범위가 제한되는 경우가 있었다. Abrahams과 Yalin식을 이용하여 산정된 유사운송용량은 모든 인자들에 민감하게 반응하는 것으로 나타났으며, Yalin과 Low식의 경우, silt와 clay에 적용되었을 때 유량이 클수록 유사운송용량이 다소 작아지는 경향을 보임에 따라, 전체적으로 Abraham식의 적용성이 가장 높은 것으로 평가되었다. 본 연구결과는 향후 모형을 이용한 유사량 모의 시 적용대상 지역의 특성에 가장 적합한 유사운송용량 산정식을 선정하는데 유용한 정보를 제공할 것으로 기대된다.

Assessing Applicability of SWAT Calibrated at Multiple Spatial Scales from Field to Stream

조재필,허용구,보쉬 데이비드,Cho, Jaepil,Her, Younggu,Bosch, David The Korean Society of Agricultural Engineers 2015 한국농공학회논문집 Vol.57 No.3

유역 내부의 수문과정에 대한 관측치를 이용한 모형의 보정은 분산형 수문수질 모형의 적용성을 높이는 방법으로 권장되지만, 관측치가 충분하지 않은 경우가 많아 적용사례가 드문 실정이다. 본 연구는 경지에서 유역의 출구까지 여러 단계의 수문과정을 고려하여 분산형 수문수질모형을 보정하는 방법을 제시하고, 이와 같은 방법으로 보정된 모형의 적용성을 검토하고자 하였다. 이를 위해 본 연구는 SWAT 모형을 이용하여 미국 조지아의 South Atlantic Coastal Plain에 있는 한 농업유역의 수문과정을 모의하였다. 또한, 유사와 영양물질의 구체적인 하천운송과정을 모의하기 위해 SWAT모형의 QUAL2E 모듈을 이용하였다. 모형보정은 유역의 유출량 및 유사와 영양물질의 양 뿐만 아니라 경지에서 관측된 바이오매스, 토양 침식량 및 영양물질 발생량, 수변지역 (riparian buffer)에서 발생하는 유사와 영양물질 감소, 하천운송과정 등을 고려하여 수행되었다. 모형의 보정 및 검증기간은 자료기간과 토양보전농법의 시행기간을 고려하여 선정되었으며, 보정된 모형의 적용성은 복수의 통계치 (NSE, RE, RSR 등)를 이용하여 분석되었다. 보정된 모형은 유역의 출구에서 하천유량과 총질소량을 각각 NSE 0.93 및 0.59의 정확도로 모의하였다. 그러나 유사 (NSE: 0.40)와 총인량 (NSE: 0.45)모의에서는 상대적으로 낮은 정확도를 보였다. SWAT의 QUAL2E 모듈을 이용하여 하천에서의 유사 및 영양물질 운송과정을 고려하는 것은 총인과 총질소 모의결과의 정확도를 향상시킬 수 있는 것으로 나타났다. 본 연구에서 다단계 수문과정을 고려하여 보정된 SWAT모형은 유역 내부에서 발생하는 수문과정을 모의하는데 적용성이 있는 것으로 나타났다. 하지만, 계측방법 및 계측된 자료의 분석방법의 변화에 따른 오차와 토지이용의 시공간적 변화를 모의에서 고려하지 못해서 발생한 오차를 감안하더라도, 보정된 모형은 유역출구에서 관측되는 유사와 영양물질 양을 정확하게 모의하는데 실패 (NSE < 0.5)하였다고 평가할 수 있으며, 이는 SWAT 모형의 보정에서 다단계 또는 유역내부의 수문과정을 고려하는 것이 유역출구에서 높은 모의 정확도를 얻는데 기여하지 못할 수도 있음을 보여주었다.

SWAT-EFDC 연계 모델링을 통한 입장저수지의 유사 해석

신샛별,황순호,허용구,송정헌,김학관,강문성,Shin, Sat Byeol,Hwang, Soon-Ho,Her, Younggu,Song, Jung Hun,Kim, Hak Kwan,Kang, Moon Seong 한국농공학회 2018 한국농공학회논문집 Vol.60 No.3

Reservoir sedimentation is a major environmental issue, and various sediment load controls and plans have been proposed to secure clean and safe water resources. The objectives of this study were to estimate soil loss in the upper basins and predict sediment deposition in Ipjang reservoir using hydrologic and hydraulic model. To do so, SWAT (Soil and Water Assessment Tool) and EFDC (Environmental Fluid Dynamics Code) was used to estimate soil loss in two upper basins and to predict spatial distribution and amount of sediment deposition in the Ipjang reservoir, respectively. The hydrologic modeling results showed that annual average soil loss from the upper basins was 500 ton. The hydraulic modeling results demonstrated that sediment particles transported to the reservoir were mostly trapped in the vicinity of the reservoir inlet and then moved toward the bank over time. If long-term water quality monitoring and sediment survey are performed, this study can be used as a tool for predicting the dredging amount, dredging location and proper dredging cycle in the reservoir. The study findings are expected to be used as a basis to establish management solutions for sediment reduction.

기후 변화에 대한 다중 매개변수 및 모델 앙상블 수문 분석의 불확실성 비교

황세운 ( Syewoon Hwang ),허용구 ( Younggu Her ),유승환 ( Seunghwan Yoo ),박찬우 ( Chanwoo Park ) 한국농공학회 2017 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2017 No.-

Quantification of uncertainty in ensemble-based predictions of climate change and the corresponding hydrologic impact is necessary for the development of robust climate change adaptation plans. Although equifinality of hydrological modeling has been discussed for a long time, its impact on hydrologic analysis of climate change has not been studied enough to provide clear ideas that represent the relative contributions of uncertainty contained in both multi-GCM (general circulation model, hereafter multi-model) and multi-parameter ensembles toward the projections of hydrologic components. This study demonstrated that the uncertainty in multi-GCM ensembles could be an order of magnitude larger than that of multi-parameter ensembles for predictions of direct runoff, suggesting that selection of appropriate GCMs should be much more emphasized than calibration of hydrological model parameters when projecting direct runoff. When simulating soil moisture and groundwater, on the other hand, equifinality in hydrologic modeling was more influential than uncertainty in multi-GCM ensemble. In addition, the uncertainty in a hydrologic simulation of climate change impact was much more closely associated with the uncertainty in ensemble projections of precipitation than that in projected temperature, indicating a need to pay closer attention to precipitation data for the improvement of the reliability of hydrologic predictions. The uncertainty in the ensemble projections of the individual hydrologic components showed unique responses to the uncertainty in the precipitation and temperature ensembles. From among 35 GCMs incorporated, this study identified GCMs that contribute the most and least to uncertainty in an assessment of climate change impacts regarding hydrology of 61 Ohio River watersheds, thereby exhibiting a framework to quantify contributions of individual GCMs to the overall uncertainty in climate change modeling uncertainty.

저수지 수위 자료와 전문가 지식을 연계한 유입량 및 방류량 추정 프레임워크

송정헌 ( Jung-hun Song ),김학관 ( Hakkwan Kim ),허용구 ( Younggu Her ),강문성 ( Moon-seong Kang ) 한국농공학회 2022 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2022 No.-

저수지 유입량과 방류량 산정은 효율적인 저수지 관리를 위한 중요한 요소로 물수지 분석을 기반으로 한 후속 분석의 기초자료로 이용되기 때문에 대상지역의 유역특성을 반영한 정확한 값의 이용이 중요하다. 하지만 저수지 유입량의 산정은 측정으로는 현실적으로 불가능하다. 일부 저수지에서는 저수지 상류에서 흘러들어오는 주요 하천에 대해 유량을 실시간으로 측정하는 경우가 있으나, 모든 저수지를 대상으로 현실적인 한계가 있다. 설령 주요 하천의 유량을 측정했을지라도, 저수지 유입량은 그 저수지로 유입되는 모든 지류에서 수량을 포함하는 개념이기에 오차가 발생할 수밖에 없다. 저수지 방류량은 수자원공사에서 관리하는 대규모 댐의 경우 측정이 이루어지나, 농어촌공사에서 관리하는 중소규모 저수지에서는 측정하지 않는 경우가 대다수이다. 한편, 농어촌공사에서는 유효저수량 10만톤 이상 저수지에 대해 수위 계측기를 설치하여 수위 자료를 관측하고 있으며, 이는 수위-내용적 곡선을 통해 저수량으로 변환할 수 있다. 하지만, 저수지 유입량과 방류량은 여전히 미지수이며, 이는 방정식의 수는 한 개(저수지 물수지 식)이나 미지수의 수는 두 개(유입량과 방류량)인 부정정 문제이다. 저수지 유입량과 방류량 자료가 확보되지 않은 경우, 전문가 지식을 이용하여 저수지 수위의 변화를 분석하면 유입량과 방류량을 예측하기 위한 정보를 제공할 수 있다. 본 연구에서는 국내에서 용이하게 취득할 수 있는 저수지 수위 자료로부터 유입량과 방류량을 예측하는 프레임워크를 개발하였다. 개발된 프레임워크에서는 저수지 운영에 관한 전문가 지식을 이용하여 부정정 방정식을 특정 구간에 대한 정정 방정식으로 변환하였으며, 이와 같이 부분적으로 확보된 유입량 자료를 수문모델링 기술과 연계하여 연속적인 유입량과 방류량 자료로 재구성함으로써 부정정 문제를 해결하였다. 개발된 프레임워크는 실무에서 관행적으로 사용하던 매개변수 지역화식 기반 추정 방법을 대체하여 농업용 저수지 운영에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

다중 선형 회귀 분석과 랜덤 포레스트를 이용한 SS, T-P 대리모니터링 기법 평가

정민혁 ( Jeung Minhyuk ),범진아 ( Beom Jina ),최동호 ( Choi Dongho ),김영주 ( Kim Young-joo ),허용구 ( Her Younggu ),윤광식 ( Yoon Kwangsik ) 한국농공학회 2021 한국농공학회논문집 Vol.63 No.2

Effective nonpoint source (NPS) pollution management requires frequent water quality monitoring, which is, however, often costly to be implemented in practice. Statistical techniques and machine learning methods allow us to identify and focus on fundamental environmental variables that have close relationships with NPS pollutants of interest. This study developed surrogate models to predict the concentrations of suspended sediment (SS) and total phosphorus (T-P) from turbidity and runoff discharge rates using multiple linear regression (MLR) and random forest (RF) methods. The RF models provided acceptable performance in predicting SS and T-P, especially when runoff discharge rates were high. The RF models outperformed the MLR models in all the cases. Such finding highlights the potential of RF techniques and models as a tool to identify fundamental environmental variables that are measured in relatively inexpensive ways or freely available but still able to provide information required to quantify the concentrations of NPS pollutants. The analysis of relative importance rates showed that the temporal variations of SS and T-P concentrations could be more effectively explained by that of turbidity than runoff discharge rate. This study demonstrated that the advanced statistical techniques such as machine learning could help to improve the efficiency of NPS pollutants monitoring.