도시화에 따른 물순환 영향 평가 모형의 개발 및 적용(I) - 모형 개발 -

김현준,장철희,노성진,Kim, Hyeon-Jun,Jang, Cheol-Hee,Noh, Seong-Jin 한국수자원학회 2012 한국수자원학회논문집 Vol.45 No.2

본 연구의 목적은 도시개발의 영향을 평가하고 물순환 개선시설의 적절한 배치를 설계하기 위한 물순환 해석 모형을 개발하는 것이다. 개념적 매개변수를 사용하는 기존의 집중형 수문모형으로는 도시개발로 인한 토지이용 변화 등의 유역 특성 변화를 적절히 모의하는데 한계가 있으며, 최근 활발히 연구되고 있는 분포형 수문모형은 입력자료 구축 및 모형 구동에 많은 시간과 노력이 필요하여 다양한 도시설계 대안을 평가하기에는 적절하지 못하다. 유역 물순환 해석 모형(Catchment hydrologic cycle Analysis Tool, 이하 CAT)은 이러한 배경을 토대로 개발된 물리적 매개변수 기반의 링크-노드 방식의 물순환 정량화 모형이다. CAT은 기존 개념적 매개변수 기반의 집중형 수문모형과 물리적 매개변수 기반의 분포형 수문모형의 장단점을 최대한 보완하여, 도시유역 개발 전 후의 장 단기적인 물순환 변화 특성을 정량적으로 평가하고 물순환 개선시설의 효과적인 설계를 지원하기 위한 물순환 해석 모형이다. 개발된 모형의 평가를 위하여 설마천 유역을 대상으로 모의를 수행하였으며 출구점인 전적비교의 6개년(2002~2007) 동안의 시간별 하천 유출량 자료를 이용하여 모형의 보정(2002~2004)과 검정(2005~2007)을 실시한 결과, 보정과 검정기간의 Nash-Sutcliffe 모형효율계수는 각각 0.75와 0.89로 나타났다. The objective of this study is to develop a catchment hydrologic cycle assessment model which can assess the impact of urban development and designing water cycle improvement facilities. Developed model might contribute to minimize the damage caused by urban development and to establish sustainableurban environments. The existing conceptual lumped models have a potential limitation in their capacity to simulate the hydrologic impacts of land use changes and assess diverse urban design. The distributed physics-based models under active study are data demanding; and much time is required to gather and check input data; and the cost of setting up a simulation and computational demand are required. The Catchment Hydrologic Cycle Assessment Tool (hereinafter the CAT) is a water cycle analysis model based on physical parameters and it has a link-node model structure. The CAT model can assess the characteristics of the short/long-term changes in water cycles before and after urbanization in the catchment. It supports the effective design of water cycle improvement facilities by supplementing the strengths and weaknesses of existing conceptual parameter-based lumped hydrologic models and physical parameter-based distributed hydrologic models. the model was applied to Seolma-cheon catchment, also calibrated and validated using 6 years (2002~2007) hourly streamflow data in Jeonjeokbigyo station, and the Nash-Sutcliffe model efficiencies were 0.75 (2002~2004) and 0.89 (2005~2007).

도시화에 따른 물순환 영향 평가 모형의 개발 및 적용(I) - 모형 개발 -

김현준,장철희,노성진 한국수자원학회 2012 한국수자원학회논문집 Vol.45 No.2

본 연구의 목적은 도시개발의 영향을 평가하고 물순환 개선시설의 적절한 배치를 설계하기 위한 물순환 해석 모형을 개발하는 것이다. 개념적 매개변수를 사용하는 기존의 집중형 수문모형으로는 도시개발로 인한 토지이용 변화 등의 유역 특성 변화를 적절히 모의하는데 한계가 있으며, 최근 활발히 연구되고 있는 분포형 수문모형은 입력자료 구축 및 모형구동에 많은 시간과 노력이 필요하여 다양한 도시설계 대안을 평가하기에는적절하지못하다. 유역 물순환 해석 모형(Catchment hydrologic cycle Analysis Tool, 이하 CAT)은 이러한 배경을 토대로 개발된 물리적 매개변수 기반의 링크-노드 방식의 물순환 정량화 모형이다. CAT은 기존 개념적 매개변수 기반의 집중형 수문모형과 물리적 매개변수 기반의 분포형 수문모형의 장단점을 최대한 보완하여, 도시유역 개발 전 후의 장 단기적인 물순환 변화 특성을 정량적으로 평가하고 물순환 개선시설의 효과적인 설계를 지원하기 위한 물순환 해석 모형이다. 개발된 모형의 평가를 위하여 설마천 유역을 대상으로 모의를 수행하였으며 출구점인 전적비교의 6개년(2002~2007) 동안의 시간별 하천 유출량 자료를 이용하여 모형의 보정(2002~2004)과 검정(2005~2007)을 실시한 결과, 보정과 검정기간의 Nash-Sutcliffe 모형효율계수는 각각 0.75와 0.89로 나타났다. The objective of this study is to develop a catchment hydrologic cycle assessment model which can assess the impact of urban development and designing water cycle improvement facilities. Developed model might contribute to minimize the damage caused by urban development and to establish sustainable urban environments. The existing conceptual lumped models have a potential limitation in their capacity to simulate the hydrologic impacts of land use changes and assess diverse urban design. The distributed physics-based models under active study are data demanding; and much time is required to gather and check input data; and the cost of setting up a simulation and computational demand are required. The Catchment Hydrologic Cycle Assessment Tool (hereinafter the CAT) is a water cycle analysis model based on physical parameters and it has a link-node model structure. The CAT model can assess the characteristics of the short/long-term changes in water cycles before and after urbanization in the catchment. It supports the effective design of water cycle improvement facilities by supplementing the strengths and weaknesses of existing conceptual parameter-based lumped hydrologic models and physical parameterbased distributed hydrologic models. the model was applied to Seolma-cheon catchment, also calibrated and validated using 6 years (2002~2007) hourly streamflow data in Jeonjeokbigyo station, and the Nash-Sutcliffe model efficiencies were 0.75 (2002~2004) and 0.89 (2005~2007).

집중형 모형 IHACRES와 GR4J를 이용한 강수 및 기온 변동성에 대한 유출 해석 민감도 평가

우동국,조지현,강부식,이송희,이가림,노성진 대한토목학회 2023 대한토목학회논문집 Vol.43 No.1

Due to climate change, drought and flood occurrences have been increasing. Accurate projections of watershed discharges are imperative to effectively manage natural disasters caused by climate change. However, climate change and hydrological model uncertainty can lead to imprecise analysis. To address this issues, we used two lumped models, IHACRES and GR4J, to compare and analyze the changes in discharges under climate stress scenarios. The Hapcheon and Seomjingang dam basins were the study site, and the Nash-Sutcliffe efficiency (NSE) and the Kling-Gupta efficiency (KGE) were used for parameter optimizations. Twenty years of discharge, precipitation, and temperature (1995-2014) data were used and divided into training and testing data sets with a 70/30 split. The accuracies of the modeled results were relatively high during the training and testing periods (NSE>0.74, KGE>0.75), indicating that both models could reproduce the previously observed discharges. To explore the impacts of climate change on modeled discharges, we developed climate stress scenarios by changing precipitation from -50 % to +50 % by 1 % and temperature from 0 °C to 8 °C by 0.1 °C based on two decades of weather data, which resulted in 8,181 climate stress scenarios. We analyzed the yearly maximum, abundant, and ordinary discharges projected by the two lumped models. We found that the trends of the maximum and abundant discharges modeled by IHACRES and GR4J became pronounced as changes in precipitation and temperature increased. The opposite was true for the case of ordinary water levels. Our study demonstrated that the quantitative evaluations of the model uncertainty were important to reduce the impacts of climate change on water resources. 기후변화가 고착화되면서 강수와 기온 변동으로 인한 가뭄 및 홍수 발생이 증가하고 있다. 유역 단위의 유출량 예측은 기후변화로 인한 자연재해에 대비하기 위한 수자원 관리의 시작이라 할 수 있다. 하지만, 기후변화와 유출모형의 불확실성은 정확한 유출 분석을 어렵게 한다. 본 연구에서 는 이러한 불확실성을 완화하기 위하여 기후 스트레스 시나리오에 따른 두 개의 집중형 수문모형, 즉 IHACRES와 GR4J를 이용하여 강수 및기온 변화에 따른 유출량 변화를 비교, 분석하였다. 연구 대상 지역은 합천댐과 섬진강댐 유역이며, Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE) 및 KlingGupta Efficiency (KGE)를 목적함수로 하여 각 모형의 매개변수를 최적화하였다. 모형의 보정과 검정은 20년(1995년-2014년)의 유출자료를활용하였으며, 보정 및 검정 기간은 각각 7:3 비율로 설정하였다. 두 모형 모두 보정과 검정 기간에 비교적 높은 신뢰도(NSE>0.74,KGE>0.75)를 보여, 모형이 과거 사상을 재현하기에 적합하고, 모의 결과가 비교적 유사함을 확인하였다. 다음으로, 기후변동이 유출에 미치는영향을 평가하기 위해 동일한 모의 기간에 대해 강수는 –50 %에서 +50 %의 범위를 1 %씩, 기온은 0 °C에서 8 °C까지 0.1 °C씩 구분하여 총8,181개의 기후조건 시나리오를 구축하였다. 이후, 기후 스트레스 시나리오에 따른 두 모형의 최대유량, 풍수량, 평수량을 비교 및 분석하였다. 기후 스트레스 영향을 반영한 연최대유량과 풍수량의 경우, 강수 감소에 따른 유출 패턴은 두 모형에서 비슷하였으나, 강수와 기온이 증가할수록 상이한 결과를 얻었다. 이와 반대로, 풍수량의 경우 강수와 기온 변화의 차이가 커질수록 두 모형은 유사한 결과를 얻었다. 즉, 유역의 탄력적기후변화 대응을 위해서는 모형의 불확실성에 대한 정량적 평가가 필요하다는 것을 시사한다.