Estimation of design floods for ungauged watersheds using a scaling-based regionalization approach

Kim Jin-Guk,Kim Jin-Young,Choi Hong-Geun,Kwon Hyun-Han 한국수자원학회 2018 한국수자원학회논문집 Vol.51 No.9

설계홍수량 산정은 일반적으로 수자원설계 목적을 위해 요구되며 수자원 관련 계획, 안정성 그리고 수공구조물의 위험도를 평가하기 위해 추정된다. 그러나 설계목적을 위한 국내의 유량자료는 매우 제한적이며, 강우자료와 비교해 봤을 때 상대적으로 관측년수가 상당히 적은 실정이다. 이러한 점에서 본 연구에서는 기 수립된 하천의 재현기간에 따른 설계홍수량 및 유역특성인자(면적, 유역경사)로부터, 설계홍수량을 멱함수 형태로 지역화하여 미계측 유역에서 설계홍수량 산정이 가능한 모형을 개발하였다. 제안된 설계홍수량 지역화 모형의 매개변수 산정과 불확실성을 정량적으로 평가하기 위해 계층적 Bayesian 모형을 활용하였으며, 최종적으로 교차검증 관점에서 모형의 적합성을 검정하였다. 모형 적용 결과, 기존 면적기반의 홍수량 산정식에 비해 약 0.3 이상 높은 상관성을 가지며 홍수량을 추정하는 결과를 확인하였다. 본 연구를 통해 제안된 모형은 검증과 정과 도출된 결과를 통해 유역특성에 따른 재현기간별 설계홍수량을 효과적으로 재현하는데 유리할 뿐만 아니라, 동시에 모형의 매개변수 및 결과에 대한 불확실성 정보를 제공함으로써 미계측 유역의 홍수량을 평가하는 기초자료로써 활용 가능할 것으로 판단된다. Estimation of design floods is typically required for hydrologic design purpose. Design floods are routinely estimated for water resources planning, safety and risk of the existing water-related structures. However, the hydrologic data, especially streamflow data for the design purposes in South Korea are still very limited, and additionally the length of streamflow data is relatively short compared to the rainfall data. Therefore, this study collected a large number design flood data and watershed characteristics (e.g. area, slope and altitude) from the national river database. We further explored to formulate a scaling approach for the estimation of design flood, which is a function of the watershed characteristics. Then, this study adopted a Hierarchical Bayesian model for evaluating both parameters and their uncertainties in the regionalization approach, which models the hydrologic response of ungauged basins using regression relationships between watershed structure and model. The proposed modeling framework was validated through ungauged watersheds. The proposed approach have better performance in terms of correlation coefficient than the existing approach which is solely based on area as a predictor. Moreover, the proposed approach can provide uncertainty associated with the model parameters to better characterize design floods at ungauged watersheds.

목감천 복원설계를 위한 비정상성을 고려한 설계홍수량의 산정

이길성,오진호,박기두,성장현,Lee, Kil Seong,Oh, Jin-Ho,Park, Kidoo,Sung, Jang-Hyun 대한토목학회 2013 대한토목학회논문집 Vol.33 No.4

Lee et al. (2011)이 제시한 목감천 유역의 하천복원 설계절차에 근거하여 수리구조물의 설계와 관련 있는 설계홍수량을 산정에 있어 비정상성을 고려하여 산정하였다. 본 연구의 목적은 목감천 유역에서 비정상성을 고려한 새로운 설계홍수량을 제안하기 위함이다. 설계홍수량 산정방법인 설계-호우단위도법과 직접 홍수빈도해석법을 적용하였으며, 각각의 방법에 사용되는 빈도분석은 NCAR (National Center for Atmospheric Research)에서 개발된 extRemes 모형을 통하여 비정상성을 고려하였다. 직접 홍수빈도해석의 방법은 유량으로부터 직접 빈도해석을 수행한다는 점에서 신뢰성이 기대되지만, 설계-호우단위도법보다 다소 과소 추정되었다. 따라서 가장 크게 산정된 설계호우-단위도법의 100년 빈도 설계홍수량을 목감천 유역의 설계홍수량으로 결정하였다. The design flow considering nonstationarity is estimated to determine the design flood related to hydraulic structure quantitatively based on the design process for stream restoration in the Mokgamcheon watershed proposed by Lee et al. (2011). The purpose of this research is to suggest new ways that the design flood was calculated considering nonstationarity at the Mokgamcheon watershed. Storm-unit hydrograph method to calculate design flood and direct frequency analysis were applied and nonstationarity was considered for the frequency analysis through extRemes toolkit developed at NCAR (National Center for Atmospheric Research). Although the method of direct flood frequency analysis due to dealing with flowrates directly has a more reliable than strom-unit hydrograph method, as a result, the method of direct flood frequency analysis underestimated the design flood than strom-unit hydrograph method due to the characteristics of the flow data. Therefore, the flood of storm-unit hydrograph method (100 years frequency) was determined as the design flood in the Mokgamcheon watershed.

FCSR 방법을 활용한 부연저수지의 설계 홍수량 검토

강현모,이효상 위기관리 이론과 실천 2015 Crisisonomy Vol.11 No.1

<P> 최근 이상기후 및 기후변화 등으로 인하여 자연재해의 위험성이 증대되고 있으며, 특히 농촌지역의 홍수 및 가뭄의 위험성이 커지고 있다. 특히 농촌 지역의 저수지는 1960년대 후반 대부분 시공되어 , 최근 급증하는 강우량 증가에 부족한 실정이며, 많은 저수지들이 집중호우나 시설물 노후로 인하여 붕괴되고 있는 실정이다. 따라서 농업용 저수지에 대한 체계적인 설계홍수량 분석이 필요하며, 이를 최근의 한국농어촌공사에서 확용하고 있는 FCSR(Flood Control System for Reservoir) 방법과 검증된 설계홍수량 산정 방법에 따라 평가한다. 본 연구는 충청북도 북이면 부연리에 소재한 농업용 저수지인 부연저수지를 대상으로 한국농어촌공사 저수지 치수관리시스템(FCSR) 방법과 국토교통부의 설계홍수량 산정요령에 따라 설계홍수량을 산정한다. 이를 부연저수지의 최초 준공 당시의 설계 홍수량과 비교하여, 저수지의 허용배제능력을 평가한다. 부연 저수지는 1960년도 준공되어 100년 빈도 37.10 m3/sec의 용량에 안전하도록 설계 및 시공되었다. 본 연구의 FCSR 방법에 의한 설계홍수량은 50.6m3/sec 으로 산정되어 계획 당시 홍수량에 대하여 약 13.5m3/sec의 용량을 초과한다. 본 연구는 농촌지역의 노후화된 소규모 저수지의 안정성을 계획당시의 설계홍수량을 최근의 개선된 설계홍수량 산정 기법으로 재평가 하여 안정성을 검토하여 농촌지역의 안전한 사회기반 조성에 기초자료를 제공한다. </P>

청주 무심천 유역의 2017년 7월 16일 홍수사상을 반영한 설계홍수량의 산정

장형준,이호진,황명규,천호권,이효상 위기관리 이론과 실천 2018 Crisisonomy Vol.14 No.6

This study aims to evaluate the effect of the 2017 flood on design flood estimation at Mushim River in Cheongju. The design floods were estimated in two cases (CASE 1 and CASE 2) and compared to each other using hydrological data from 1967 to 2016 and 1967 to 2017, respectively. The FARD model was used to estimate the probable rainfall, and the HEC-HMS model was calibrated based on 15 flood events. All calibrated parameter sets were applied to the two cases to estimate the design flood. The range of the design flood was estimated from 364.9 to 1,231.6 m3/s for Case 1, while from 431.0 to 1,455.0 m3/s for CASE 2. The finding that the design flood of CASE 2 was approximately 18% greater than that of CASE 1 indicates that the flood event on July 16th, 2017 increased the design flood in this river by 66.1 ~ 412.4 m3/s. The observed peak discharge on July 16th 2017 (1,028.5 m3/s) was below the current target design flood (1,355 m3/s) but the maximum estimated design flood in CASE 2 was greater than the current target, which confirmed an increase of flood risk. 본 연구의 목적은 2017년 7월 16일 홍수사상이 청주 무심천 유역의 설계홍수량 산정에 미치는 영향을 확인하는 것이다. 설계홍수량은 1967 ~ 2016년까지의 수문자료를 바탕으로 한 Case 1 및 1967 ~ 2017년 7월까지의 수문자료를 바탕으로 한 Case 2로 구분하여 산정되었다. 본 연구에서는 FARD 모형을 활용하여 확률강우량이 산정되었으며, 2000년 이후 15개 관측 홍수사상을 바탕으로 HEC-HMS 모형을 검정하였다. 검정된 모든 HEC-HMS 모형의 매개변수는 설계홍수량 산정 과정에 적용되었다. 그결과, Case 1의 설계홍수량 모의 결과는 364.9 ~ 1,231.6 m3/s이고, Case 2의 결과는 Case 1과 비교하여66.1 ~ 412.4 m3/s(약 18%) 증가된 431.0 ~ 1,455.0 m3/s를 나타내고 있다. 이를 통하여 2017년 7월 16일홍수사상이 설계홍수량 증가에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 2017년 7월 16일 홍수사상의 최대관측 유량은 1,028.5 m3/s로, 현재 적용되고 있는 설계홍수량인 1,355 m3/s보다 낮은 수치를 보이고있다. 그러나 Case 2에서 모의된 최대 설계홍수량은 설계홍수량보다 큰 수치를 나타내고 있어, 홍수에 대한 청주 무심천 유역의 위험성이 증가하는 것으로 판단할 수 있다.

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.

중·소규모 도시하천 설계홍수량 추정식 산정에 관한 연구

손희원,김민석,박경미,문영일 한국방재학회 2016 한국방재학회논문집 Vol.16 No.2

수문분석 시, 실측자료의 부족으로 인해 대부분 강우-유출관계 분석을 통해 설계홍수량을 산정하고 있다. 그러나 강우-유출관계 분석은 설계 강우 산정 및 모형 구축을 통한 모의분석으로, 설계홍수량 산정에 많은 시간이 소요되며 적용조건에 따라 홍수량 결과에 큰 차이가 있어 산정된 설계홍수량은 비교검토가 필요하다. 본 연구에서는 기 개발된 홍수량 경험식을 조사하고 입력변수에 따른 문제점을 파악하였다. 또한, 우리나라의 지방하천을 도시화 비율에 따라 도시하천과 자연하천으로 구분하고 유역면적과 설계빈도에 따른 설계홍수량 추정식을 산정하였다. 또한, 기존 홍수량 경험식과 비교 분석을 실시하였다. 분석결과, 금회 산정된 추정식이 기존 경험식보다 상관성, 정밀도 모두 더욱 향상된 것으로 나타났다. 이는 강우-유출모형으로 산정된 설계홍수량에 대한 간략한 평가에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. Design flood has been usually calculated though rainfall-runoff analysis due to shortage of observation data in hydrological analyses. However, the rainfall-runoff analysis which is the simulation analysis by using analysis of design rainfall and modelling takes a lot of time to estimate design flood. Moreover the result of design flood can make a significant difference according to conditions so that it needs comparative study. In this study, the author investigated the empirical formulas of design flood and figured out the problem according to input factor. Besides, the local stream in Korea has distinguished between urban stream and local stream in accordance with urbanization ratio and estimation formula of design flood has been calculated according to watershed area and design frequency. Furthermore, the empirical formula of design flood has also comparative analyzed. After analyzing the result, it showed that estimation formula improved on correlationship and precision better than empirical formula. It is expected that it is used for the short evaluation of design flood calculated from rainfall-runoff model.

기후변화를 설계홍수량 산정에 반영하는 방법의 개선

정종호(Jongho Jeong),김종천(JongChun Kim) 한국방재학회 2022 한국방재학회논문집 Vol.22 No.6

기후변화를 설계홍수량 산정에 고려하기 위하여 확률강우량을 임의로 증가시키거나 설계빈도를 상향하는 방법이 주로 사용되고 있다. 하지만 현재의 강우 분석 방법에서는 산정된 확률강우량의 경향성이 없는 것으로 분석되므로 확률강우량을 임의로 증가시키는 방법은 통계학적으로 적절하지 않다. 또한, 설계홍수량을 증가시키기 위한 목적으로 설계빈도만을 상향하는 방법도 여러가지 문제를 야기하므로 이에 대한 대안이 필요한 상황이다. 기후변화로 인한 이상기후를 인식하게 되는 계기는 도시의 침수피해가 증가하는 현상을 체감하기 때문이며, 이와 같은 침수피해의 증가는 일반적으로 확률강우량이 증가하는 것이 주요 원인이 아니라 도시화로 인한 홍수 집중 및 재산피해액 증가 등에 주로 기인하는 것이다. 따라서 본 연구에서는 기후변화를 고려하기 위하여 확률강우량을 증가시키는 방법 대신에 홍수량 산정 방법 중에서 설계강우의 시간분포를 조정하거나, 단위도의 매개변수를 조정함으로써 설계홍수량을 증가시키는 현실적인 방안을 제안하였다. 추가로 여유고 기준을 상향하는 방법도 기후변화에 대응하는 하나의 방안으로 제안하였다. In practice, methods arbitrarily increasing probable design rainfall or return periods have been adopted to derive design flood increases due to climate change. However, the method of arbitrarily increasing probable design rainfall is inadequate because probable rainfall estimated by the common frequency analysis method usually cannot be accepted in trend tests, meaning there is no increasing trend due to climate change. In addition, the method of increasing return periods to increase design flood is problematic. Rising flood damages—an opportunity to recognize climate change—are caused by concentrated flooding due to urbanization rather than increased probable rainfall. Thus, we proposed new methods for considering climate change in design flood estimation, by changing the temporal distribution of design rainfall or adjusting parameters in the rainfall-runoff process. Furthermore, the method of raising the freeboard criteria is proposed as an alternative for considering climate change.

Fuzzy 회귀분석기법을 이용한 산지하천유역 설계홍수량 산정 시스템 개발

이재응,이태근 한국방재학회 2013 한국방재학회논문집 Vol.13 No.6

Recently, enormous human and property damages have occurred frequently by flood and debris-flow in mountainous riverbasin. In order to minimize these damages, the reliable estimation of flood runoff is required. However, when analyzing flood runoffin small streams in mountainous river basin, this process is difficult to perform properly due to the complication of the processand data requirement. Besides, for floods occurring in mountainous river basin, it is difficult to calculate accurate flood runoffsince flow velocity is fast and concentration time is short. In order to resolve these difficulties, the method which can estimateflood runoff at arbitrary point in the mountainous river is developed with relatively high accuracy by using fuzzy regression analysistechniques with the basin area and the channel slope as input data. In this study, the previously developed methods areimproved to reduce uncertainty and to estimate flood runoff with enhanced accuracy by adding a new variable that representshydrologic characteristics at a arbitrary point in a basin in addition to both basin area and channel slope. Accuracy analysis resultshowed improved accuracy than conventional method and uncertainty was reduced to approximately 1/2~1/3. The a flood estimationprogram is developed for mountainous river so that general users can easily estimate flood runoff in practice. 최근 산지하천유역에서 발생하는 홍수와 이를 동반한 토석류에 의해 많은 인적, 물적 자원의 피해가 빈번하게 발생하고 있다. 이러한 피해를 최소화하기 위해서는 정확한 설계홍수량 산정이 동반되어야 한다. 하지만 산지하천유역 내 소규모 하천에서 설계홍수량 산정이 필요할 때 그 과정이 복잡하고, 필요한 자료의 양이 방대하기 때문에 이러한 일련의 과정이 제대로 수행되지않고 있는 실정이다. 또한 산지하천유역에서는 홍수 발생 시 유속이 빠르고, 도달시간이 짧은 특징을 가지기 때문에 정확한 유출량 산정이 어렵다. 이러한 어려움을 해소하기 위해 유역면적과 하도경사를 입력 자료로 하는 fuzzy 회귀분석기법을 이용하여산지하천유역 내 임의지점의 설계홍수량을 산정할 수 있는 방법을 개발하였고, 비교적 정확도가 높은 홍수유출량을 산정할 수있었다. 본 연구에서는 유역면적과 하도경사 이외에 해당지점의 수문특성을 대표할 수 있는 인자를 새롭게 추가하여 기 개발된방법보다 향상된 설계홍수량을 산정하고, 불확실성을 감소시킬 수 있도록 개선하였다. 정확도 분석결과 기존의 방법보다 향상된정확도를 나타내었으며, 불확실도는 약 1/2~1/3정도로 감소하였다. 이러한 결과를 바탕으로 실무에서 일반사용자들도 손쉽게 설계홍수량을 산정할 수 있도록 산지하천 설계홍수량 산정 시스템을 개발하였다.

면적비를 적용한 미계측유역에서의 설계홍수량 산정방안

이지호,박재범,송양호,전환돈,이정호 한국습지학회 2017 한국습지학회지 Vol.19 No.3

본 연구에서는 미계측유역의 설계홍수량을 산정하는 방안으로 유역의 면적비를 적용하는 방안을 제안하였다. 이를 위 해 유역출구에서의 실측자료를 활용하여 유출매개변수를 결정하고 면적비를 적용하여 첨두홍수량을 산정하였다. 위 방 법론을 검증하기 위해 소하천 유역의 관측유량 및 하천정비종합계획의 설계홍수량과의 비교를 통해 면적비 전이 방법 론의 타당성을 검토하였다. 그 결과를 정리하면 다음과 같다. 면적비를 적용한 유출량과 관측유량자료를 비교한 결과 14~25% 정도의 차이를 보였다. 제안된 방법론의 타당성을 재확인하기 위해 하천정비종합계획에서 산정된 첨두유량과 소유역과의 면적비로 계산한 첨두유량을 비교하였다. 이를 위해 31개소의 소하천을 대상으로 설계홍수량을 비교한 결 과, 20% 정도의 홍수량의 차이가 발생하였다. 따라서 면적비를 적용한 미계측지역에서의 첨두유량 산정방법론이 타당 하다고 판단된다. In this study, We proposed a method to estimate the design flood by area ratio in an ungauged basin. For that, the discharge parameters was determined by calibration of observed data at the watershed outlet and then peak flow was estimated by area ratio. In order to verify suggested method, peak flow was compared the observed discharge of the small river basin and the design flood discharge of river implementation projects. The results were summarized as follows. As a result of comparing the discharge by the area ratio and observed discharge, the difference of peak flows were analysed 14 ~ 25%. When the discharge calculated with area ratio of small river was compared with the design flood discharge of river implementation projects, the relative error was analyzed to be less than 20%. It means that suggested method in this study is appropriate.

Huff의 4분위법을 이용한 지속기간별 연 최대치 강우의 시간분포 특성연구

이정규(Lee Jong-Kyu),추현재(Chu Hyun-Jae) 대한토목학회 2006 대한토목학회논문집 B Vol.26 No.5B

수공구조물 설계에서 가장 중요한 일은 설계홍수량을 결정하는 것이다. 따라서 설계홍수량 산정에 영향을 미치는 여러 가지 요소 중 적절한 설계 강우의 시간분포 방법을 선택하는 것은 중요한 일이다. 설계 강우의 시간분포 방법에는 여러 가지 방법 들이 있으며, 그 중에서 최근 첨두홍수량 산정을 위한 설계 강우의 시간분포 방법에 많이 이용하고 있는 Huff의 4분위법은 6시간 이상의 무강우시간을 갖는 강우시장을 자료로 이용, 분석하여 설계 강우의 시간분포 방법을 제시한 방법이다. 본 연구에서는 Huff의 4분위법에서 이용한 자료와 달리 1961년부터 2004년까지 서울지역 강우 관측자료 중 지속기간별 연 최대치 강우 자료를 이용하여 강우의 시간분포 특성을 분석하고 이전의 연구 결과와 비교하였다. 각각의 결과에 대하여 비교한 결과 서울지역의 경우 연 최대치 강우의 지속기간이 짧을 경우 무차원 누기곡선이 Huff의 4분위법 결과에 비하여 비교적 완만하게 나타났으며, 지속기간이 점점 증대될수록 무차원 누가곡선은 Huff의 4분위법 결과와 유사하게 나타났다. In the construction of hydraulic structures deciding a design flood is one of the most important works. It should be especially noted that the time distribution of the design rainfall method makes a significant effect on the results of the design flood. Thus, choosing an appropriate time distribution method for the design rainfall is a very important process. In recent years, Huff's method is usually used in Korea. This method presents dimensionless rainfall-time cumulative curves, which are made through the analyses of storm data. In this study, the annual maximum rainfall data, from 1961 to 2004 were analyzed to make the dimensionless rainfall-time cumulative curves and hyetographs in Seoul. The results were compared with the "Regional Time Distribution of the Design Rainfall", (KICT, 1989 and MCT, 2000). As a result, the dimensionless rainfall-time cumulative curves are smoother than Huff's results when the duration of an annual maximum rainfall is short, In addition, the curves are similar with the Huff's results as the duration is longer.