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.

조도계수와 유량의 불확실성을 고려한 청미천 유역의 홍수위 해석

신샛별,박지훈,송정헌,강문성,Shin, Sat-Byeol,Park, Jihoon,Song, Jung-Hun,Kang, Moon Seong 한국수자원학회 2017 한국수자원학회논문집 Vol.50 No.10

본 연구의 목적은 하천의 조도계수와 유량의 불확실성을 고려하여, 부정류 흐름에서 홍수위 해석에 미치는 영향을 정량적으로 분석하는 데 있다. 본 연구에서는 GLUE (Generalized Likelihood Uncertainty Estimation) 기법을 적용하여 조도계수와 유량의 불확실성이 홍수위 해석에 미치는 영향을 분석하고, 강우사상의 크기와 불확실성과의 관계를 분석하였다. 조도계수의 불확실성은 하천기본계획을 참고하여 0.025~0.040의 범위에서 분석하였다. 유량의 불확실성은 수위 h일 때의 유량을 Q라고 할 때, $Q=A(h-B)^C$로 표현되는 수위-유량관계식의 회귀계수 A, B, C를 통해 분석하였다. 수위-유량관계식의 회귀계수를 비선형 회귀분석을 통해 추정하였으며, 회귀계수는 t 분포를 가정하여 95% 신뢰도로 상한과 하한의 범위를 산정하였다. 산정된 회귀계수의 범위는 A는 5.138~18.442, B는 -0.524~0.104, C는 2.427~2.924로 산정되었다. 범위 내에서 10,000개의 매개변수 세트를 추출하여 HEC-RAS (Hydrologic Engineering Center's River Analysis System)에 적용하여 Monte Carlo 모의를 수행하였다. 강우사상 1~3에서 모의된 홍수위의 95% 신뢰구간의 평균적인 범위는 각각 0.39 m, 0.83 m, 0.96 m이며, 첨두 홍수위가 발생했을 때의 범위는 각각 0.52 m, 1.36 m, 1.75 m로 산정되었다. 또한 이천관측소의 1986~2015년의 일 강우에 대한 빈도해석을 수행하였으며, 수행 결과 GEV (Generalized Extreme Vlaue) 분포일 때 강우사상 1~3의 재현기간은 각각 1년, 10년, 25년 빈도에 해당되었다. 본 연구를 통해 강우사상의 크기와 불확실성의 관계를 분석하였으며, 향후 다양한 강우사상에 적용하여 검증한다면 홍수위의 불확실성을 예측하여, 하천관리 등을 위한 구조물의 계획 및 설계 시 의사 결정에 실질적인 도움이 될 수 있을 것으로 사료된다. The objective of this study was to analyze the flood stage considering the uncertainty caused by the river roughness coefficients and discharge. The methodology of this study involved the GLUE (Generalized Likelihood Uncertainty Estimation) to quantify the uncertainty bounds applying three different storm events. The uncertainty range of the roughness was 0.025~0.040. In case of discharge, the uncertainty stemmed from parameters in stage-discharge rating curve, if h represents stage for discharge Q, which can be written as $Q=A(h-B)^C$. Parameters in rating curve (A, B and C) were estimated by non-linear regression model and assumed by t distribution. The range of parameters in rating curve was 5.138~18.442 for A, -0.524~0.104 for B and 2.427~2.924 for C. By sampling 10,000 parameter sets, Monte Carlo simulations were performed. The simulated stage value was represented by 95% confidence interval. In storm event 1~3, the average bound was 0.39 m, 0.83 m and 0.96 m, respectively. The peak bound was 0.52 m, 1.36 m and 1.75 m, respectively. The recurrence year of each storm event applying the frequency analysis was 1-year, 10-year and 25-year, respectively.

홍수위 해석을 위한 미측정 하천 단면 추정

신샛별,강문성,전상민,송정헌,김계웅,류정훈,박지훈,이도길,이경도,Shin, Sat Byeol,Kang, Moon Seong,Jun, Sang Min,Song, Jung Hun,Kim, Kyeung,Ryu, Jeong Hoon,Park, Jihoon,Lee, Do Gil,Lee, Kyeong-Do 한국농공학회 2016 한국농공학회논문집 Vol.58 No.5

The objective of this study was to develop the simple method to estimate ungauged river section for flood stage analysis. Damage prediction should be prioritized using hydrological modeling to reduce flood risk. Mostly, the geographical data using hydrological modeling depends on national river cross-section survey. However because of the lack of measured data, it is difficult to apply to many local streams or small watersheds. For this reason, this study suggest the method to estimate unguaged river cross-section. Simple regression equations were derived and used to estimate river cross-section by analyzing the correlation between the river cross-sectional characteristics (width, height and area). The estimated cross-sections were used to simulate flood level by HEC-RAS (Hydrologic Engineering Center's River Analysis System). The applicability of this method was verified by comparing simulated flood level between measured and estimated cross-section. The water surface elevation of the flood stage analysis was 6.56-7.24 m, 5.33-5.95 m and 6.12-6.75 m for measured cross section, for estimated cross section and for estimated cross section based on DEM elevation, respectively. Further study should consider other factors for more accurate flood stage analysis. This study might be used one of the guidelines to estimate ungauged river section for flood stage analysis.

유역모형과 호소모형을 이용한 저수지 유사량 추정

신샛별 ( Sat-byeol Shin ),황순호 ( Soonho Hwang ),강문성 ( Moon Seong Kang ) 한국농공학회 2017 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2017 No.-

강우 발생으로 인한 토양의 침식은 상류 하천에 유사를 발생시켜, 하류의 농경지, 하천 및 저수지 등에 유입되어 퇴적된다. 저수지 내에 오염된 퇴적토의 유입은 과도한 오염 물질의 축척으로 인한 부영양화 및 각종 수질 오염 문제를 초래하며, 유사 퇴적으로 인한 하상 변동은 용수 공급량의 감소 등의 문제를 발생시킨다. 따라서 본 연구의 목적은 효율적인 저수지 관리를 위해 상류 하천으로부터의 유사 유입에 따른 저수지 내의 유사 퇴적량의 시·공간적 분포 및 하상 변동을 예측하는 것이다. 이를 위해 유역 모형을 이용해 저수지 유입수의 유사량을 모의하고, 3차원 수리해석이 가능한 호소 모형을 이용해 유사의 이송, 침식, 퇴적 현상을 모의하였다. 호소 모형의 경계조건으로 유입량은 유역모형의 모의결과를 이용하였으며, 유출량은 물수지 기반의 저수지 운영 모형의 모의결과를 이용하였다. 유역 모형과 호소 모형은 각각 SWAT (Soil and Water Assessment Tool) 모형과 EFDC (Environmental Fluid Dynamics Code) 모형으로 선정하였다. 본 연구를 통해 저수지 내 퇴적토의 거동 및 분포 등을 분석하여, 효율적인 저수지 운영 및 관리를 위해 기초 자료로 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

FLOW-3D를 이용한 논에서의 유출 모의

신샛별 ( Sat-byeol Shin ),전상민 ( Sang Min Jun ),강문성 ( Moon Seong Kang ) 한국농공학회 2016 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2016 No.-

우리나라의 기후적 특성 상 연강수량의 대부분이 여름철에 집중되어 있으며, 이러한 집중호우의 영향으로 인해 해마다 농경지의 침수, 유실, 매몰 등의 피해가 발생하고 있는 실정으로 농경지의 홍수 피해를 예방하기 위해서는 단일 필지에서의 흐름 특성에 대한 정밀한 분석이 필요하다. 논은 물꼬와 둑, 배수로 등으로 이루어진 단순한 구조이지만 논에서의 배수특성을 분석하기 위해서는 일반적인 홍수량 산정을 위한 수문학적 방법의 적용이 어렵고, 현장 실험을 통한 논에서의 유출 모의는 다양한 크기로 구획을 나누거나 물꼬 크기, 개수 등을 임의로 조절할 수 없어 비용 및 시간상의 한계를 가진다. 따라서 논의 유출 특성을 분석하기 위해서는 수리학적 방법으로의 접근이 필요하며, 3차원 수치해석 기법을 적용할 경우 1차원과 2차원에서 볼 수 없는 유동 특성 등을 파악할 수 있으며, 정확한 유출 모의가 가능할 것으로 기대된다. 이에 본 연구에서는 유체의 흐름특성을 해석에 적합한 3차원 수치해석 모형인 FLOW-3D를 이용하여 논에서의 유출을 모의하고, 적용성을 평가하고자 한다. 모의 대상으로 30m × 110m의 논 포장을 구성하고, 강우에 따른 유출을 모의하였으며, 모의 결과를 실측치 및 기존 연구의 결과와 비교하여 적용성을 평가하였다. 본 연구를 통해 논에서의 유출 모의의 정확성을 향상시켜, 홍수 발생 시 농경지의 침수 대책 마련에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

EFDC-WASP 연계모형을 이용한 소규모 농업용 저수지 비소 농도 모의

황순호 ( Hwang Soonho ),신샛별 ( Shin Sat Byeol ),송정헌 ( Song Jung-hun ),윤광식 ( Yoon Kwang Sik ),강문성 ( Kang Moon Seong ) 한국농공학회 2018 한국농공학회논문집 Vol.60 No.5

Even if a small amount of arsenic (As) is entering to small agricultural reservoir from upper streams, small agricultural reservoir becomes sensitive to changes in arsenic concentration depending on the water level in case of accumulation continuously because of its scale. If we want to manage arsenic concentration in small agricultural reservoir, it is very important to understand arsenic changes in agricultural reservoir. In spite of the fact that modeling is the most accurate method for analyzing arsenic concentration changes in small agricultural reservoirs, but, it is difficult to monitor arsenic change everyday. So, if data is prepared for modeling arsenic changes, water quality modeling is more effective than monitoring. Therefore, in this study, arsenic concentration changes was simulated and arsenic concentration change mechanism in small reservoir was analyzed using hydrological and water quality monitoring data and by conducting EFDC (Environment Fluid Dynamics Code)-WASP (Water Quality Analysis Simulation Program) linkage. EFDC-WASP coupling technique was very useful for modeling arsenic changes because EFDC can consider hydrodynamic and WASP can perform arsenic concentration simulation, separately. As a results of this study, during dry season, As concentration was maintained relatively high arsenic concentrations. Therefore, water level control will be needed for managing As concentration of reservoir.

소규모 저수지에서의 유사 포착 효율 추정

황순호 ( Soonho Hwang ),강문성 ( Moon Seong Kang ),신샛별 ( Sat-byeol Shin ) 한국농공학회 2017 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2017 No.-

Brune curve에서 보면 저수지 규모에 비해 상대적으로 배후 유역이 큰 경우, 저수지 유사 포착 효율이 상당히 높게 나타난다. 특히, 소규모 저수지의 경우 저수 용량이 크지 않기 때문에 배후 유역이 상대적으로 클 경우 저수지 내에 퇴적되는 유사량에 영향을 많이 받게 되고, 장기적으로 유사 퇴적에 따른 용수공급 능력이 취약하게 된다. 그러므로 소규모 저수지의 저수량을 늘이기 위해서는 정기적인 저수지 준설이 필요하다. 하지만 저수지 준설의 경우 시간적, 금전적 비용이 크기 때문에 유입 부유사에 대한 유사 포착 효율 (Sediment Trap Efficiency)을 고려하여 저수지 준설 계획을 수립하는 것이 중요하다고 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 소규모 저수지의 상류에서 유입되는 유사 포착 효율을 산정하기 위해 모니터링 및 모델링을 수행하였다. 상류에서 유입되는 부유사량을 추정하기 위하여 하천의 유량 및 부유사량 모니터링을 수행하였으며, 모형의 입력자료로 활용하였다. 또한 모니터링 및 모델링 결과를 통해 Churchill Curve를 이용한 유사 포착 효율 추정에 필요한 인자들을 추출하였으며, Brune curve를 이용한 결과와 비교 검토하였다.

미측정 하천 횡단면적 추정 회귀식 개발

전상민 ( Sang Min Jun ),강문성 ( Moon Seong Kang ),신샛별 ( Sat Byeol Shin ),류정훈 ( Jeong Hoon Ryu ),이경도 ( Kyungdo Lee ) 한국농공학회 2015 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2015 No.-

수리·수문 모델링의 정확성 향상을 위해서는 실제지형에 가까운 하천단면 자료의 입력이 필요하다. 하지만 지방하천, 농촌 소하천의 경우 하천단면 측량 자료가 존재하지 않는 경우가 많아, 해당지역의 홍수해석 및 침수 모의에 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 하천 폭을 이용하여 미측정 하천 횡단면적을 추정할 수 있는 회귀식을 개발하고자 한다. 이를 위해, 하천기본계획 등의 하천단면 측량 자료를 수집하였으며, 하천 폭과 하천 형상 사이의 상관관계를 분석하여 회귀식을 개발하였다. 또한, 하천단면 자료가 존재하는 하천을 대상으로 회귀식의 적용성을 평가하였다. 먼저, 위성사진 등을 이용해 하천 폭을 조사하고, GIS의 수치표고모델을 이용해 하천의 표고를 결정하였다. 회귀식을 통해 하천의 횡단면적을 추정하였으며, 이를 실제 하천 측량 자료와 비교 및 분석하였다. 본 연구에서 개발한 회귀식은 추가적인 검증과 보완을 통해 정확성을 향상시킨다면, 하천 단면 자료가 존재하지 않는 지역의 수리·수문 모델링에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

배수지연을 고려한 논의 수위 모의

전상민 ( Sang Min Jun ),강문성 ( Moon Seong Kang ),송정헌 ( Jeong Hun Song ),신샛별 ( Sat Byeol Shin ),이경도 ( Kyungdo Lee ) 한국농공학회 2016 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2016 No.-

최근 기후변화로 인해 국지성 호우 등 이상기후의 발생이 증가하고 있으며, 이에 따른 농촌 지역의 홍수피해가 발생하고 있다. 농경지 침수에 의한 피해를 최소화하기 위해서는 모델링에 의한 정확한 피해 예측이 선행되어야 한다. 농촌 지역에는 농업용 수리시설이 산재해 있어, 수치해석 등 기존의 침수 모의 방법으로는 농경지의 수문 요소들을 반영하기 어려운 단점이 있다. 특히, 논에서는 논 자체의 저류효과와 비교적 낮은 배수로의 배수능으로 인한 배수지연이 빈번하게 발생하고 있으며, 농경지 침수해석을 위해서는 배수지연 효과를 반드시 고려해야 한다. 하지만 농경지의 용·배수로 등 수리시설은 매우 복잡하며, 이를 일일이 조사하여 모의에 활용하기에는 시간과 비용이 과도하게 소모되는 단점이 있다. 따라서 비교적 간단한 방법으로 농경지의 수문특성을 고려한 침수 모의를 수행할 필요가 있다. 본 연구에서는 농경지의 수문특성에 의한 배수지연을 고려한 농경지 수위 모의를 수행하고자 한다. 연구대상지는 청미천 인근에 위치한 논 구획지구를 선정하였고, 인근에 위치한 이천 기상관측소의 강우자료를 수집하였다. 논 구획지구를 하나의 물꼬를 가지는 단일포장으로 가정하여 강우에 따른 유출량을 산정하였으며, 배수로 설계기준에 의한 배수능과 논의 저류효과 등을 고려하여 농경지 유출량 및 수위를 모의하였다. 모의 결과는 기존연구의 위어공식 및 수치해석 등에 의한 계산 결과와 비교하여 적용성을 분석하였다. 본 연구에서 적용한 배수지연을 고려한 농경지 침수 모의 방법은 향후 하천수위 모의 모형 등과 연계하여 농촌 지역의 침수 해석에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

간단관개 시나리오 적용에 따른 물 절약 효과 분석

류정훈 ( Jeong Hoon Ryu ),강문성 ( Moon Seong Kang ),전상민 ( Sang Min Jun ),김계웅 ( Kyeung Kim ),신샛별 ( Sat-byeol Shin ),이도길 ( Dogil Lee ),이현지 ( Hyunji Lee ) 한국농공학회 2017 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2017 No.-

최근 기후변화에 따라 빈번히 발생하는 극심한 가뭄과 농어촌 지역 수자원 부족현상은 안정적인 농업생산에 어려움을 초래하고 있다. 농업용수의 경우 과학적·체계적 관리에 어려움이 있어 용수의 과잉 사용 및 무효방류에 따른 용수 손실 등이 과다하게 발생하고 있으나, 이를 제어할 최적 물관리 기술은 미비한 상황이다. 간단관개는 논 관개에서 한 번 관개하여 수일간 담수, 수일간 낙수하는 방법으로 관개용수를 절약하고 제한된 수량을 유효하게 이용할 수 있는 장점이 있다. 본 연구에서는 간단관개 적용을 위한 실증 연구를 위하여 (1) 간단관개 시나리오 적용을 위한 시험지구 모니터링 시스템을 구축하고, (2) 문헌조사를 토대로 간단관개 시나리오를 구축하였으며, (3) 관개량, 담수심, 배수량, 침투량, 증발산량 등 수문 모니터링을 수행하고, (4) 수문 모니터링 결과 등을 토대로 논 물수지 및 저수지 물수지 분석을 수행하고, (5) 관개량과 논에서의 총 유입량 절약 효과를 분석하였다. 간단관개 시나리오 적용을 위한 연구 대상지는 경기도 화성시에 위치한 버들저수지 유역으로, 버들저수지 인근에 위치한 6개 논 포장을 시험포장으로 선정하였다. 간단관개 시나리오는 ① 관행구: 관행 관리담수심을 유지 (관리담수심: 20∼80 mm), ② 처리구A: 논바닥에 금이 가면 용수로에서 물을 공급 (관리담수심: -100 mm), ③ 처리구B: 관리담수심 20 mm 유지 등 1개 대조구와 2개 처리구를 구성하였다. 관개량, 담수심, 배수량, 침투량, 증발산량 등 수문 모니터링을 위하여 초음파수위계, 부자식수위계, 물꼬 및 위어, 감수심계 등을 설치하였다. 수문 모니터링 결과를 토대로 물수지 방정식을 이용하여 논 물수지 분석을 수행하였으며, 간단관개 시나리오 적용에 따른 버들저수지 절수량 산정을 위하여 농업용저수지 및 저수지 상·하류 연계 수문모형을 이용하여 저수지 물수지 분석을 수행하였다. 향후 본 연구의 결과는 농업용수 이용효율을 개선하고 농업용수를 체계적으로 관리하기 위한 기초자료로 활용할 수 있을 것으로 사료된다.