랜덤포레스트 회귀모형을 적용한 도시지역에서의 실시간 침수 예측

김현일,이연수,김병현 한국수자원학회 2021 한국수자원학회논문집 Vol.54 No.12S

Urban flooding caused by localized heavy rainfall with unstable climate is constantly occurring, but a system that can predict spatial flood information with weather forecast has not been prepared yet. The worst flood situation in urban area can be occurred with difficulties of structural measures such as river levees, discharge capacity of urban sewage, storage basin of storm water, and pump facilities. However, identifying in advance the spatial flood information can have a decisive effect on minimizing flood damage. Therefore, this study presents a methodology that can predict the urban flood map in real-time by using rainfall data of the Korea Meteorological Administration (KMA), the results of two-dimensional flood analysis and random forest (RF) regression model. The Ujeong district in Ulsan metropolitan city, which the flood is frequently occurred, was selected for the study area. The RF regression model predicted the flood map corresponding to the 50 mm, 80 mm, and 110 mm rainfall events with 6-hours duration. And, the predicted results showed 63%, 80%, and 67% goodness of fit compared to the results of two-dimensional flood analysis model. It is judged that the suggested results of this study can be utilized as basic data for evacuation and response to urban flooding that occurs suddenly. 불안정한 기후와 함께 나타나는 국지적 집중호우로 인한 도시 침수는 끊임없이 발생하고 있으나, 강우량을 포함한 기상정보 현황 또는 예보정보를 활용하여 공간적인 도시홍수 예측정보를 제공할 수 있는 체계는 아직 마련되지 못한 상황이다. 공간적인 홍수정보는 하천의 제방, 도시 하수관거의 통수능, 저류지, 펌프시설과 같은 구조물적 대책에 어려움이 있을 시 발생할 수 있는 최악의 홍수상황을 미리 파악함으로써 피해를 최소화하는데 직접적인 영향을 미칠 수 있다. 이에 본 연구에서는 기상청에서 제공되는 강수량, 도시 유역에 대한 2차원 침수해석 결과, 그리고 기계학습 모형 중 하나인 랜덤포레스트 회귀모형을 활용하여 실시간으로 도시유역에 대한 침수지도를 예측할 수 있는 방법론을 제시하고자 한다. 연구유역은 내수침수가 빈번하게 발생하는 울산시 우정태화지구로 선정하였다. 지속시간 6시간의 총강우량 50 mm, 80 mm 그리고 110 mm 대한 랜덤포레스트 회귀분석 예측 침수면적과 검보정된 2차원 물리모형의 침수해석 결과 비교시 각각 63%, 80%, 그리고 67%의 적합도를 보여주어, 빠른 시간안에 발생하는 도시 침수에 대한 대응, 대피를 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

도시홍수예보 골든타임확보를 위한 SWMM유출모형 단순화 연구 –대림배수분구를 중심으로-

이정환,김민석,육지문,문영일 한국수자원학회 2018 한국수자원학회논문집 Vol.51 No.1

The rainfall-runoff model made of sewer networks in the urban area is vast and complex, making it unsuitable for real-time urban flood forecasting. Therefore, the rainfall-runoff model is constructed and simplified using the sewer network of Daerim baisn. The network simplification process was composed of 5 steps based on cumulative drainage area and all parameters of SWMM were calculated using weighted area. Also, in order to estimate the optimal simplification range of the sewage network, runoff and flood analysis was carried out by 5 simplification ranges. As a result, the number of nodes, conduits and the simulation time were constantly reduced to 50~90% according to the simplification ranges. The runoff results of simplified models show the same result before the simplification. In the 2D flood analysis, as the simplification range increases by cumulative drainage area, the number of overflow nodes significantly decreased and the positions were changed, but similar flooding pattern was appeared. However, in the case of more than 6 ha cumulative drainage area, some inundation areas could not be occurred because of deleted nodes from upstream. As a result of comparing flood area and flood depth, it was analyzed that the flood result based on simplification range of 1 ha cumulative drainage area is most similar to the analysis result before simplification. It is expected that this study can be used as reliable data suitable for real-time urban flood forecasting by simplifying sewer network considering SWMM parameters. 도시지역의 모든 하수관망을 사용하여 구축된 강우-유출모형은 그 규모가 방대하고 복잡하여 실시간 도시홍수예보에 적합하지 않다. 따라서 본 연구에서는 상대적으로 도시화가 많이 진행된 서울시의 상습침수지역인 도림천 대림배수분구의 하수관망도를 이용하여 강우-유출모형을 구축하고 이를 단순화하였다. 하수관망 단순화는 노드의 누가유역면적을 단순화의 범위 산정을 위한 기준으로 설정하고 총 5단계의 과정으로 나누었으며 단순화 과정에서 SWMM의 모든 매개변수들을 면적가중치를 적용하여 계산하였다. 또한 하수관망의 적정 단순화 범위를 산정하기 위하여 유출모형에 5가지 단순화 범위를 설정하고 유출분석과 침수분석을 실시하였다. 그 결과, 유출모형의 노드와 관망의 개수 그리고 모의시간 모두 단순화 범위에 따라 50~90%까지 일정하게 감소하였으며 단순화 이전과 동일한 유출량 결과를 나타내었다. 2차원 침수분석의 경우, 누가유역면적별로 단순화의 범위가 커질수록 월류지점의 개수가 크게 감소하고 위치가 바뀌었으나 비슷한 침수양상을 나타내었다. 다만 누가유역면적을 기준으로 6 ha 이상에서는 상류부터 삭제되는 노드에 의해 나타내지 못하는 침수지역이 발생하였다. 2차원 침수면적, 주요침수구간, 침수심 등을 비교 ․ 분석한 결과, 누가유역면적을 기준으로 1 ha의 단순화 범위가 단순화 이전의 분석결과와 가장 유사함을 나타내었다. 본 연구는 SWMM 매개변수를 모두 고려한 하수관망 단순화를 실시함으로써 실시간 도시홍수예보를 위한 신속하고 정확한 유출자료 생성에 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

A study on simplification of SWMM for prime time of urban flood forecasting -a case study of Daerim basin-

Lee, Jung-Hwan,Kim, Min-Seok,Yuk, Gi-Moon,Moon, Young-Il 한국수자원학회 2018 한국수자원학회논문집 Vol.51 No.1

도시지역의 모든 하수관망을 사용하여 구축된 강우-유출모형은 그 규모가 방대하고 복잡하여 실시간 도시홍수예보에 적합하지 않다. 따라서 본 연구에서는 상대적으로 도시화가 많이 진행된 서울시의 상습침수지역인 도림천 대림배수분구의 하수관망도를 이용하여 강우-유출모형을 구축하고 이를 단순화하였다. 하수관망 단순화는 노드의 누가유역면적을 단순화의 범위 산정을 위한 기준으로 설정하고 총 5단계의 과정으로 나누었으며 단순화 과정에서 SWMM의 모든 매개변수들을 면적가중치를 적용하여 계산하였다. 또한 하수관망의 적정 단순화 범위를 산정하기 위하여 유출모형에 5가지 단순화 범위를 설정하고 유출분석과 침수분석을 실시하였다. 그 결과, 유출모형의 노드와 관망의 개수 그리고 모의시간 모두 단순화 범위에 따라 50~90%까지 일정하게 감소하였으며 단순화 이전과 동일한 유출량 결과를 나타내었다. 2차원 침수분석의 경우, 누가유역면적별로 단순화의 범위가 커질수록 월류지점의 개수가 크게 감소하고 위치가 바뀌었으나 비슷한 침수양상을 나타내었다. 다만 누가유역면적을 기준으로 6 ha 이상에서는 상류부터 삭제되는 노드에 의해 나타내지 못하는 침수지역이 발생하였다. 2차원 침수면적, 주요침수구간, 침수심 등을 비교 ․ 분석한 결과, 누가유역면적을 기준으로 1 ha의 단순화 범위가 단순화 이전의 분석결과와 가장 유사함을 나타내었다. 본 연구는 SWMM 매개변수를 모두 고려한 하수관망 단순화를 실시함으로써 실시간 도시홍수예보를 위한 신속하고 정확한 유출자료 생성에 활용될 수 있을 것으로 기대한다. The rainfall-runoff model made of sewer networks in the urban area is vast and complex, making it unsuitable for real-time urban flood forecasting. Therefore, the rainfall-runoff model is constructed and simplified using the sewer network of Daerim baisn. The network simplification process was composed of 5 steps based on cumulative drainage area and all parameters of SWMM were calculated using weighted area. Also, in order to estimate the optimal simplification range of the sewage network, runoff and flood analysis was carried out by 5 simplification ranges. As a result, the number of nodes, conduits and the simulation time were constantly reduced to 50~90% according to the simplification ranges. The runoff results of simplified models show the same result before the simplification. In the 2D flood analysis, as the simplification range increases by cumulative drainage area, the number of overflow nodes significantly decreased and the positions were changed, but similar flooding pattern was appeared. However, in the case of more than 6 ha cumulative drainage area, some inundation areas could not be occurred because of deleted nodes from upstream. As a result of comparing flood area and flood depth, it was analyzed that the flood result based on simplification range of 1 ha cumulative drainage area is most similar to the analysis result before simplification. It is expected that this study can be used as reliable data suitable for real-time urban flood forecasting by simplifying sewer network considering SWMM parameters.

하수관망 규모에 따른 단순화 SWMM에 대한 2차원 침수분석결과의 정확성 평가

이정환,강성규,육지문,문영일,Lee, Jung-Hwan,Kang, Seong-gyu,Yuk, Gi-Moon,Moon, Young-Il 한국수자원학회 2019 한국수자원학회논문집 Vol.52 No.8

최근 발생하는 반복적인 홍수피해를 최소화하기 위한 실시간 도시홍수예보 연구에서는 정확한 유출, 침수결과를 나타내는 모형과 그 모형의 모의시간 단축이 중요한 핵심요소이다. 서울특별시를 비롯한 주요 도시지역의 하수관망은 그 개수는 많고 복잡하여 실시간 도시홍수예보에 적합하지 않아 강우-유출모형의 단순화를 진행한다. 하지만 하수관망의 단순화는 연구자의 주관과 단순화 방식에 따라 유출결과가 크게 달라질 수 있으며 2차원 침수분석에서는 그 차이가 더욱 크게 발생한다. 따라서 본 연구에서는 하수관망의 개수 및 분포가 각각 다른 여러 도시지역의 하수관망을 일정 기준으로 단순화하고 2차원 침수분석을 통해 하수관망 규모에 따른 단순화 모형의 정확성을 평가하고자 한다. 하수관망의 단순화 분석은 서울시의 주요 상습침수구역인 신림, 관악, 도림천 유역을 대상으로 진행하였으며 구축한 SWMM에서 노드의 누가유역면적을 4가지 범위로 나누어 단순화를 위한 범위산정 기준으로 설정하였다. 이를 통해 산정된 단순화 모형의 침수결과는 실시간 도수홍수예보에 적합한 정확도 높은 유출모형 구축에 기여할 수 있을 것으로 기대한다. Constructing a reliable runoff model and reducing model runtime are important in research of real-time urban flood forecasting to reduce the repetitive flood damage. Sewer networks in the major urban basin such as Seoul are vast and complex so that it is not suitable for real-time urban flood forecasting. Therefore, the rainfall-runoff model should be simplified. However, the runoff results due to the simplification of sewer networks can vary depending on the subjectivity and simplification method of the researcher and there is a significant difference especially in 2-D inundation analysis. In this study, the sewer networks in various urban basins with different numbers and distributions of sewer networks were simplified to certain criteria. The accuracy of the simplification model according to the sewer network scale is evaluated by 2-D inundation analysis. The runoff models of Gwanak, Sillim, and Dorimcheon, frequently inundated basins were simplified based on four simplification ranges due to the cumulative drainage area set as a criterion for calculating the simplification range. This study will be expected that the inundation result of simplification models estimated through the analysis can contribute to the construction of a reasonable and accurate runoff model suitable for real-time flood forecasting.