충주댐 유역의 유출량에 대한 SWAT 모형의 예측 불확실성 분석 기법 비교

조형경,박종윤,장철희,김성준,Joh, Hyung-Kyung,Park, Jong-Yoon,Jang, Cheol-Hee,Kim, Seong-Joon 한국수자원학회 2012 한국수자원학회논문집 Vol.45 No.9

SWAT(Soil and Water Assessment Tool) 모형의 적용성 검증을 위해서는 매개변수 민감도 분석 및 검 보정, 예측 불확실성 분석을 필요로 한다. 최근 SWAT 모형의 불확실성을 분석하기 위한 다양한 기법들이 개발되었는데, 본 연구는 충주댐 유역(6,581.1 $km^2$)을대상으로유역출구점의 실측 일 유출량자료(1998~2003)를 바탕으로 SWAT 모형의 유출관련 매개변수에 대한 불확실성 분석을 실시하였다. 이때 사용된 분석 기법으로는 SUFI2 (Sequential Uncertainty FItting algorithm ver.2), GLUE(Generalized Likelihood Uncertainty Estimation), ParaSol (Parameter Solution) 등을 적용하였다. 이러한 기법은 모두 SWAT-CUP (SWAT-Calibration Uncertainty Program; Abbaspour et al., 2007) 모형에 탑재되어있으며, 모형의 결과로써 검 보정, 매개변수의 민감도 분석, 각종 목적 함수 및 불확실성의 범위 등이 자동으로 산출되므로 모형의 사용자가 불확실성 평가 기법의 분석 및 비교를 손쉽게 할 수 있다. 그 결과 대표적인 목적 함수인 결정 계수($R^2$; Legates and McCabe, 1999)와 NS (Nash and Sutcliffe, 1970) 모형효율은 모두 0.67에서 0.92 사이의 값을 나타내어 대체적으로 모의가 잘 이루어졌음을 알 수 있었다. 그러나 불확실성의 범위를 나타내는 지표인 p-factor 및 r-factor에서는 평가 기법 별로 그 차이가 확연하게 드러났다. 여기서 p-factor는 불확실성 범위에 실측치가 포함되는 비율이며, r-factor는 불확실성의 상대적인 범위로 각각 1과 0에 가까울수록 모의기법의 성능이 우수함을 의미한다. 세가지 알고리듬 중에서 SUFI2의 p-factor가 약 0.79로 가장 높게 나타났으며, ParaSol의 r-factor가 0.03으로 가장 작게 나타났다. 본 연구의 결과는 SWAT 모형을 이용한 수문 모의에서 수문분석에 따른 예측결과의 불확실성을 정량적으로 평가함으로서, 모형의 적용성 평가 및 모의결과의 신뢰성 확보에 근거자료로 활용이 가능할 것으로 판단된다. To fulfill applicability of Soil and Water Assessment Tool (SWAT) model, it is important that this model passes through a careful calibration and uncertainty analysis. In recent years, many researchers have come up with various uncertainty analysis techniques for SWAT model. To determine the differences and similarities of typical techniques, we applied three uncertainty analysis procedures to Chungju Dam watershed (6,581.1 $km^2$) of South Korea included in SWAT-Calibration Uncertainty Program (SWAT-CUP): Sequential Uncertainty FItting algorithm ver.2 (SUFI2), Generalized Likelihood Uncertainty Estimation (GLUE), Parameter Solution (ParaSol). As a result, there was no significant difference in the objective function values between SUFI2 and GLUE algorithms. However, ParaSol algorithm shows the worst objective functions, and considerable divergence was also showed in 95PPU bands with each other. The p-factor and r-factor appeared from 0.02 to 0.79 and 0.03 to 0.52 differences in streamflow respectively. In general, the ParaSol algorithm showed the lowest p-factor and r-factor, SUFI2 algorithm was the highest in the p-factor and r-factor. Therefore, in the SWAT model calibration and uncertainty analysis of the automatic methods, we suggest the calibration methods considering p-factor and r-factor. The p-factor means the percentage of observations covered by 95PPU (95 Percent Prediction Uncertainty) band, and r-factor is the average thickness of the 95PPU band.

기후변화 시나리오를 이용한 미래의 강설량 예측

조형경 ( Hyung Kyung Joh ),김샛별 ( Saet Byul Kim ),정혁 ( Hyuk Cheong ),신형진 ( Hyung Jin Shin ),김성준 ( Seong Joon Kim ) 한국지리정보학회 2011 한국지리정보학회지 Vol.14 No.3

화석연료의 사용 증가로 인한 온실가스의 배출로 인하여 지구의 이상기후가 감지되고 있으며, 이러한 현상은 국내의 온도 변화 및 강수량의 변화에도 큰 영향을 줄 것이다. 특히 기후 변화에 따른 온도 상승은 겨울철 강설량 변동에 많은 영향을 줄 것이다. 본 연구는 이러한 변화를 평가 하고자, 중권역별로 상세화 된 GCM (general circulation model) 자료를 이용하여 미래의 강설 가능성과 지역별 강설량을 예측하였다. 강설이 발생하는 원인은 매우 다양하지만, GCM에서 제공하는 정보는 최고·최저 온도, 강우량, 일사량의 네 가지 이므로, 본 연구에서는 강설가능성을 일 최저 온도와의 상관성에 초점을 맞추어 예측하였다. 먼저 각 기상관측소별 신적설심을 기상청에서 제공받아 분석하여 강설이 내리는 온도의 조건을 추정하였으며, 추정 된 온도의 조건을 IDW(inverse distance weight)기법을 이용하여 공간 분포시켜 지역별 온도 조건 분포도를 작성하였다. 이렇게 산정된 최고·최저온도별 경계값을 중권역별로 GCM자료에 적용시켜 미래의 강설 가능성을 예측 하였다. 연구에 적용된 기후변화 시나리오는 총 13개 이며, 각 시나리오별 편차는 다양하게 나타났으나 미래로 갈수록 강설량이 줄어드는 패턴을 나타내었다. 지구 온난화에 의한 기온 상승의 효과를 여실히 보여주었으며, 이러한 융설 기작의 시공간적 변동은 봄철 수자원에 영향을 줄 것으로 사료 된다. Due to emissions of greenhouse gases caused by increased use of fossil fuels, the climate change has been detected and this phenomenon would affect even larger changes in temperature and precipitation of South Korea. Especially, the increase of temperature by climate change can affect the amount and pattern of snowfall. Accordingly, we tried to predict future snowfall and the snowfall pattern changes by using the downscaled GCM (general circulation model) scenarios. Causes of snow varies greatly, but the information provided by GCM are maximum / minimum temperature, rainfall, solar radiation. In this study, the possibility of snow was focused on correlation between minimum temperatures and future precipitation. First, we collected the newest fresh snow depth offered by KMA (Korea meteorological administration), then we estimate the temperature of snow falling conditions. These estimated temperature conditions were distributed spatially and regionally by IDW (Inverse Distance Weight) interpolation. Finally, the distributed temperature conditions (or boundaries) were applied to GCM, and the future snowfall was predicted. The results showed a wide range of variation for each scenario. Our models predict that snowfall will decrease in the study region. This may be caused by global warming. Temperature rise caused by global warming highlights the effectiveness of these mechanisms that concerned with the temporal and spatial changes in snow, and would affect the spring water resources.

기후변화에 따른 우리나라 미래 토양유실 취약 지역 전망

조형경 ( Hyung-kyung Joh ),안소라 ( So-ra Ahn ),이용관 ( Yong-gwan Lee ),김성준 ( Seong-joon Kim ) 한국농공학회 2014 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2014 No.-

본 연구는 남한 전지역을 대상으로, 현재와 미래의 강우자료와 환경부 토지이용정보를 이용하여 수정범용토양손실공식(RUSLE)에 의한 토양유실을 분석 및 예측함으로써 토양침식에 취약한 지역의 공간적인 분포 및 시간에 따른 장기적인 토양유실 분포 변화 지도를 제공하고자 하였다. 과거 30년간(1980~2010)의 평균 강우를 이용하여 기존에 발생한 토양유실량 평가와 더불어 먼저 과거 30년간(1980~2010)의 평균 강우를 이용하여 기존에 발생한 토양유실량 평가를 실시하였고, 다음으로 IPCC의 SRES (Special Report on Emission Scenarios)와 RCP (Representative Concentration Pathway)를 각각 상세화(downscaling)시켜 2040년, 2080년의 토양유실량을 예측하였다. 수정범용토양손실공식에 의하면, 강우의 강도와 토지이용요인 중 나지에 가중치가 크게 부여되기 떄문에 복잡한 계산과정을 거치지 않더라도 토양유실의 대략적인 공간적 예상은 가능하다. 그러나 본 연구를 통해 공간적으로 생성된 미래의 토양유실 지도를 각종 이·치수 및 토양 관련 응용연구 분야(수문순환, 하천건천화, 가뭄, 농업용수, 생태용수 등)에 기초자료로 활용한다면, 토양유실에 의해 발생할 수 있는 현상을 수월하게 추정할 수 있을 것이다.

분포형 모델링 기법을 활용한 하천건천화 추적 및 평가 연구 소개

조형경 ( Hyung-kyung Joh ),정충길 ( Chung-gil Jung ),장선숙 ( Sun-sook Jang ),김성준 ( Seong-joon Kim ) 한국농공학회 2014 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2014 No.-

최근 급격한 산업화와 개발, 인간활동 등으로 인해 충분한 강수량이 발생함에도 불구하고, 지방의 소하천에서 유출량이 감소하는 이른바 하천건천화 현상이 감지되고 있다. 하천건천화란 하천으로부터 필요수량을 지속적으로 확보할 수 없거나 바닥이 보일 정도로 거의 메말라 있는 현상을 뜻하며, 주요원인으로 하천수 및 지하수 사용량의 증가, 하천 시설물 증가, 불투수층의 증가 등으로 구분할 수 있다. 특히, 한국전쟁이후 파괴되었던 삼림의 회복, 경작용수를 위한 지하수 개발, 경제발전에 의한 도시·산업화, 기온상승으로 인한 증발산량 증가, 토양 유실로 인한 토양수분 감소 등으로 인해 우리나라의 하천용수량이 점차적으로 감소하고 있는 실정이다. 미래의 기후변화는 이러한 양상을 더욱 가속화 할 것이므로, 본 논문에서는 시계열적으로 변화하는 지형공간자료 및 기상자료를 활용하여 수문학적으로 하천건천화를 해석하고 원인을 규명하는 연구를 소개하고자 한다. 전국을 대상으로 분포형 모형을 활용하여 하천 건천화의 시공간적 분포양상을 파악할 것이며, 향후 미래기후변화 시나리오에 따른 하천건천화 영향평가도 진행하게 될 것이다.

설마천유역 혼효림에서 실측된 증발산과 토양수분을 이용한 SWAT모형의 적용성 평가

조형경 ( Hyung Kyung Joh ),이지완 ( Ji Wan Lee ),신형진 ( Hyung Jin Shin ),박근애 ( Geun Ae Park ),김성준 ( Seong Joon Kim ) 한국농림기상학회 2010 한국농림기상학회지 Vol.12 No.4

국내 수문관측자료의 부족으로SWAT(Soil Water Assessment Tool) 모형의 적용성 평가는 대부분 유출 자료만을 사용하여 이루어진다. 본 연구는 실측된 여러 수문자료가 SWAT수문모형의 불확실성 및 오차의 감소를 위해 어떻게 이용될 수 있는 지에 대하여 알아보고자 하였다. 이를 위해 전형적인 산지 유역인 설마천 유역을 대상으로 준분포형 장기강우유출모형인 SWAT 모형을 적용하여 수문성분의 특성을 살펴보았다. 먼저 모형의 입력자료인 기상자료 및 지형자료를 획득하여 구축하였고, 모형의 검·보정 위하여 유출, 증발산, 토양수분 실측자료를 획득하였다. SWAT 모형은 유출량, 증발산, 토양수분 자료가 동시에 측정된 2007년 자료를 사용하여 보정된 후, SWAT 모형의 모의값은 유출량은 2003~2008년, 증발산과 토양수분은 2008년의 관측값과 비교, 분석한 뒤 전체적인 검증을 통해 모형의 적용성 평가를 실시하였다. 유출량의 검·보정 이용한 모의결과보다 다른 실측자료를 이용한 모의결과가 신뢰성이 높게 나타났다(결정계수(R(2)) 상향: 유출량은 0.72에서 0.76, 토양수분은 0.49에서 0.59, 증발산은 0.52에서 0.59). 유역의 실제적인 상황을 근접하게 모의하기 위해서는 다른 수문성분의 정확하고 신뢰성 있는 자료의 구축과 적용이 매우 중요하다고 판단된다. Common practice of Soil Water Assessment Tool (SWAT) model validation is to use a single variable (i.e., streamlfow) to calibrate SWAT model due to the paucity of actual hydrological measurement data in Korea. This approach, however, often causes errors in the simulated results because of numerous sources of uncertainty and complexity of SWAT model. We employed multi-variables (i.e., streamflow, evapotranspiration, and soil moisture), which were measured at mixed forest in Seolmacheon catchment (8.54 km(2)), in order to assess the performance and reduce the uncertainties of SWAT model output. Meteorological and surface topographical data of the catchment were obtained as basic input variables and SWAT model was calibrated using daily data of streamflow (Jan. - Dec.), evapotranspiration (Sep. - Dec.), and soil moisture (Jun. - Dec.) collected in 2007. The model performance was assessed by comparing its results with the observation (i.e., streamflow of 2003 to 2008 and evapotranspiration and soil moisture of 2008). When the multi-variable measurements were used to calibrate the SWAT model, the model results showed better agreement with the measurements compared to those using a single variable measurement by showing increases in coefficient of determination (R(2)) from 0.72 to 0.76 for streamflow, from 0.49 to 0.59 for soil moisture, and from 0.52 to 0.59 for evapotranspiration. The findings highlight the importance of reliable and accurate collective observation data for improving performance of SWAT model and promote its facilitation for estimating more realistic hydrological cycles at catchment scale.

SWAT 모형을 이용한 두 인접 하천유역간의 비점오염 유출특성 비교연구

정충길,조형경,박종윤,김성준,Jung, Chung-Gil,Joh, Hyung-Kyung,Park, Jong-Yoon,Kim, Seong-Joon 한국농공학회 2012 한국농공학회논문집 Vol.54 No.3

This study is to assess the runoff characteristics of nonpoint source pollution loads for Jecheon and Jangpyeong stream watersheds located in the upstream of Chungju lake. The SWAT (Soil and Water Assessment Tool), a physically based distributed hydrological model was calibrated and verified using 5 years (2006 to 2010) streamflow and water quality data. The Nash-Sutcliffe model efficiency for streamflow was 0.60~0.92 and the determination coefficients for sediment, Total Nitrogen (T-N), and Total Phosphorous (T-P) were 0.53~0.71, 0.51~0.91 and 0.38~0.85 respectively. The results showed that the Sediment, T-N, and T-P of Jangpyeong stream were 40.0~60.9 %, 34.8~64.1 % and 76.5~83.9 % higher than Jecheon stream watershed during wet days. The results evaluated high NPS loads at Jangpyeong stream because the percentage of urban and upland crop cultivation area Jangpyeong stream watershed was higher than Jecheon stream watershed.

SWAT 및 HEC-RAS 모형의 수문-수리 연계모델링을 통한 곤지암천 유역의 하천범람 및 토사유출 피해저감 연구 - 2011년 7월 27일 국지성 폭우를 대상으로 -

정충길,조형경,유영석,박종윤,김성준,Jung, Chung-Gil,Joh, Hyung-Kyung,Yu, Yeong-Seok,Park, Jong-Yoon,Kim, Seong-Joon 한국농공학회 2012 한국농공학회논문집 Vol.54 No.2

This study is to evaluate flood inundation and to recommend measures of damage reduction on sediment by concentrated torrential rainfall at Gonjiamcheon Watershed (183.4 $km^2$). Firstly, the SWAT (Soil and Water Assessment Tool) was simulated streamflow and sediment at upstream. Then, we produced a map of floodplain boundary by using HEC-RAS (Hydrologic Engineering Centers River Analysis System) at downstream. The SWAT model was calibrated with 2 years (2008~2009) daily streamflow and validated for another years (2010~2011. 7. 31). The SWAT model was simulated with 3 years (2008~2010) by monthly water quality (Sediment) at Gonjiamcheon water quality station. The streamflow and sediment from SWAT model were input as boundary conditions to HEC-RAS. The results of HEC-RAS indicated that mapping of floodplain boundary was Jiwol and Jiwol 2 district. Additionally, inundation area and depth were assessed and applied BMPs scenario for managing the sediment yield.

농업용 소규모 저수지의 붕괴에 따른 하류부 피해예측 모델링

박종윤,조형경,정인균,정관수,이주헌,강부식,윤창진,김성준,Park, Jong-Yoon,Joh, Hyung-Kyung,Jung, In-Kyun,Jung, Kwan-Soo,Lee, Joo-Heon,Kang, Bu-Sik,Yoon, Chang-Jin,Kim, Seong-Joon 한국농공학회 2010 한국농공학회논문집 Vol.52 No.6

This study is to develop a downstream flood damage prediction model for efficient confrontation in case of extreme and flash flood by future probable small agricultural dam break situation. For a Changri reservoir (0.419 million $m^3$) located in Yongin city of Gyeonggi province, a dam break scenario was prepared. With the probable maximum flood (PMF) condition calculated from the probable maximum precipitation (PMP), the flood condition by dam break was generated by using the HEC-HMS (Hydrologic Engineering Center - Hydrologic Modeling System) model. The flood propagation to the 1.12 km section of Hwagok downstream was simulated using HEC-RAS (Hydrologic Engineering Center - River Analysis System) model. The flood damaged areas were generated by overtopping from the levees and the boundaries were extracted for flood damage prediction, and the degree of flood damage was evaluated using IDEM (Inundation Damage Estimation Method) by modifying MD-FDA (Multi-Dimensional Flood Damage Analysis) and regression analysis simple method. The result of flood analysis by dam-break was predicted to occurred flood depth of 0.4m in interior floodplain by overtopping under PMF scenario, and maximum flood depth was predicted up to 1.1 m. Moreover, for the downstream of the Changri reservoir, the total amount of the maximum flood damage by dam-break was calculated nearly 1.2 billion won by IDEM.

전국 기후변화 영향평가를 위한 분포형 수문분석 툴 개발

김성준,김상호,조형경,안소라,Kim, Seong Joon,Kim, Sang Ho,Joh, Hyung Kyung,Ahn, So Ra 한국농공학회 2015 한국농공학회논문집 Vol.57 No.2

The purpose of this paper is to develop a software tool, PGA-CC (Projection of hydrology via Grid-based Assessment for Climate Change) to evaluate the present hydrologic cycle and the future watershed hydrology by climate change. PGA-CC is composed of grid-based input data pre-processing module, hydrologic cycle calculation module, output analysis module, and output data post-processing module. The grid-based hydrological model was coded by Fortran and compiled using Compaq Fortran 6.6c, and the Graphic User Interface was developed by using Visual C#. Other most elements viz. Table and Graph, and GIS functions were implemented by MapWindow. The applicability of PGA-CC was tested by assessing the future hydrology of South Korea by HadCM3 SRES B1 and A2 climate change scenarios. For the whole country, the tool successfully assessed the future hydrological components including input data and evapotranspiration, soil moisture, surface runoff, lateral flow, base flow etc. From the spatial outputs, we could understand the hydrological changes both seasonally and regionally.

분포형 강우-유출모형의 하도자료 구축을 위한 하폭 및 하상경사 산정공식 개발

정인균,박종윤,조형경,이지완,김성준,Jung, In-Kyun,Park, Jong-Yoon,Joh, Hyung-Kyung,Lee, Ji-Wan,Kim, Seong-Joon 한국농공학회 2010 한국농공학회논문집 Vol.52 No.4

In this study, two estimation equations for preparing stream data for distributed storm runoff model were developed by analyzing the nonlinear relation between upstream flow-length and stream width, and between upstream flow-length and stream bed-slope. The equations for stream cell were tested in Chungjudam watershed (6,661 $km^2$) using KIMSTORM. Six storm events occurring between 2003 and 2008 were selected for the model calibration and verification before the test of equations. The average values of the Nash-Sutcliffe model efficiency (ME), the volume conservation index (VCI), the relative error of peak runoff rate (EQp), and the difference of time to peak runoff (DTp) were 0.929, 1.035, 0.037, and -0.406 hr for the calibrated four storm events and 0.956, 0.939, 0.055, and 0.729 hr for the two verified storm events respectively. The estimation equations were tested to the storm events, and compared the flood hydrograph. The test result showed that the estimation equation of stream width reduced the peak runoff and delaying the time to peak runoff, and the estimation equation of stream bed-slope showed the opposite results.