IHACRES모형을 이용한 관측유량의 평가 및 보완

유철상(Yoo Chulsang),박용희(Park yong hee) 대한토목학회 2006 대한토목학회 학술대회 Vol.2006 No.10

우리나라는 강우의 대부분이 여름에(6월~8월)에 집중되는 계절적인 특징을 가지고 있어 수자원을 효율적으로 관리하기위해 장기간의 관측자료가 필요하다. 하지만 유출량을 측정할 수 있는 관측소가 제한적으로 분포하고 있고 장기간 관측된 자료가 많지 않다는 문제점을 가지고 있다. 이러한 이유로 강우-유출모형을 이용하여 과거의 유출량자료에 대한 평가 및 보완, 정도의 개선 등에 사용하고 있으며 장래의 유출예측에도 모형을 사용하고 있다. 본 연구에서는 호주에서 개발된 강우-유출모형인 IHACRES 모형을 소개하고 기존연구를 심층적으로 분석하여 모형 매개변수의 특성을 파악하였다. 특히, 기후특성을 반영하는 매개변수는 기후특성을 이용하여 정도있는 추정이 가능한 것으로 확인되었다. 기타 지형과 관련된 매개변수는 유역 및 하천의 지형특성 자료를 이용하여 추정할 수 있도록 회귀분석법을 이용하여 회귀식을 제안하였으며 상대적으로 관측자료의 정도가 높은 충주댐 유입량 자료를 이용하여 검증 및 평가 하였다.

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.

IHACRES 모형을 이용한 평창강 유역 내 관측 유량자료의 평가

박용희,유철상 한국방재학회 2008 한국방재학회논문집 Vol.08 No.04

This study evaluated the runoff data collected at 12 stream gauge stations of the Chungjoo dam basin using the IHACRES model. Especially, the geomorphology-related parameters of the IHACRES model could be quantified base on the regionalization technique, which have also been applied many stream gauge stations of the Chungjoo dam basin. Summarizing the results is as follows. (1) The climate-related parameters of the IHACRES model , , and are found to be estimated and used uniformly over the basin. (2) The geomorphology-related parameters of the IHACRES model , , and are found to be estimated by considering the geomorphological parameters like the basin area, channel length, channel slope, basin slope through the regionalization based on the regression analysis. (3) Using the climate-related parameters applied uniformly over the basin and the geomorphology-related parameters estimated based on the regionalization procedure for each stream gauge station, a total of 12 stream gauge stations have been evaluated with their stream flow measurements. As results, the Sanganmi and Youngwal 1 stream gauge stations have been found to make high quality flow data, but Youngwal, Baekokpo, and Panwoon stations low quality flow data. On the whole, 12 stream gauge stations considered show large differences with their data quality, so a plan for securing more consistent data quality should be prepared imminently. 본 연구에서는 IHACRES 모형을 이용하여 충주댐 유역 내 12개 지점에 대한 관측유량자료에 대한 평가를 수행하였다. 특히, IHACRES 모형의 매개변수 중 지형특성 관련 매개변수를 지역화 기법을 이용하여 정량화하고, 이를 대상유역인 충주댐 유역의 여러 수위 관측지점에 적용하는 과정을 함께 수행하였다. 본 연구의 결과를 정리하면 다음과 같다. (1) IHACRES 모형의 매개변수 중 기후특성을 반영하는 매개변수인 , , 는 유역 전체에 동일하게 결정하여 사용할 수 있음을 확인하였다. (2) IHACRES 모형의 지형특성 매개변수인 , , 는 지형특성인자인 유역면적, 유로연장, 하천경사, 유역경사와의 회귀분석을 통한 지역화를 통해 적절히 추정할 수 있음을 확인하였다. (3) 유역에 대해 일관되게 적용된 기후특성 매개변수와 지역화 과정을 통해 추정된 지형특성 매개변수를 이용하여 충주댐 유역 내 12개 수위관측지점에 대한 관측유량을 평가하였다. 그 결과 상안미, 영월 1 지점의 유량 자료가 상대적으로 정도가 높은 것으로 확인되었고, 영월, 백옥포, 판운 지점의 경우는 유출자료의 품질이 상대적으로 낮은 것으로 파악되었다. 전체적으로 보면 고려된 12개 지점의 관측품질에 많은 차이가 확인되며, 따라서 보다 일관된 관측품질의 확보를 위한 방안의 마련이 시급함을 판단할 수 있었다.

IHACRES 모형을 이용한 평창강 유역 내 관측 유량자료의 평가

박용희,유철상,Park,Yong-Hee,Yoo,Chul-Sang 한국방재학회 2008 한국방재학회논문집 Vol.8 No.4

본 연구에서는 IHACRES 모형을 이용하여 충주댐 유역 내 12개 지점에 대한 관측유량자료에 대한 평가를 수행하였다. 특히, IHACRES 모형의 매개변수 중 지형특성 관련 매개변수를 지역화 기법을 이용하여 정량화하고, 이를 대상유역인 충주댐 유역의 여러 수위 관측지점에 적용하는 과정을 함께 수행하였다. 본 연구의 결과를 정리하면 다음과 같다. (1) IHACRES 모형의 매개변수 중 기후특성을 반영하는 매개변수인 c, <TEX>$\tau_w{^0}$</TEX>, f는 유역 전체에 동일하게 결정하여 사용할 수 있음을 확인하였다. (2) IHACRES 모형의 지형특성 매개변수인 <TEX>$t_q,\;t_s,\;v_s$</TEX>는 지형특성인자인 유역면적, 유로연장, 하천경사, 유역경사와의 회귀분석을 통한 지역화를 통해 적절히 추정할 수 있음을 확인하였다. (3) 유역에 대해 일관되게 적용된 기후특성 매개변수와 지역화 과정을 통해 추정된 지형특성 매개변수를 이용하여 충주댐 유역 내 12개 수위관측지점에 대한 관측유량을 평가하였다. 그 결과 상안미, 영월 1 지점의 유량 자료가 상대적으로 정도가 높은 것으로 확인되었고, 영월, 백옥포, 판운 지점의 경우는 유출자료의 품질이 상대적으로 낮은 것으로 파악되었다. 전체적으로 보면 고려된 12개 지점의 관측품질에 많은 차이가 확인되며, 따라서 보다 일관된 관측품질의 확보를 위한 방안의 마련이 시급함을 판단할 수 있었다. This study evaluated the runoff data collected at 12 stream gauge stations of the Chungjoo dam basin using the IHACRES model. Especially, the geomorphology-related parameters of the IHACRES model could be quantified base on the regionalization technique, which have also been applied many stream gauge stations of the Chungjoo dam basin. Summarizing the results is as follows. (1) The climate-related parameters of the IHACRES model c, <TEX>$\tau_w{^0}$</TEX>, and f are found to be estimated and used uniformly over the basin. (2) The geomorphology-related parameters of the IHACRES model <TEX>$t_q,\;t_s,\;and\;v_s$</TEX> are found to be estimated by considering the geomorphological parameters like the basin area, channel length, channel slope, basin slope through the regionalization based on the regression analysis. (3) Using the climate-related parameters applied uniformly over the basin and the geomorphology-related parameters estimated based on the regionalization procedure for each stream gauge station, a total of 12 stream gauge stations have been evaluated with their stream flow measurements. As results, the Sanganmi and Youngwal 1 stream gauge stations have been found to make high quality flow data, but Youngwal, Baekokpo, and Panwoon stations low quality flow data. On the whole, 12 stream gauge stations considered show large differences with their data quality, so a plan for securing more consistent data quality should be prepared imminently.

비선형 유역습윤지수를 이용한 평갈수기 유출모의개선

현석훈,강부식,김진겸 대한토목학회 2016 대한토목학회논문집 Vol.36 No.5

The effective rainfall is calculated considering the soil moisture. It utilizes observed data directly in order to incorporate the soilmoisture into the rainfall-runoff model, or it calculates indirectly within the model. The rainfall-runoff model, IHACRES, used in thisstudy computes the catchment wetness index (CWI) first varying with temperature and utilize it for estimating precipitation loss. Thenonlinear relationship between the CWI and the effective rainfall in the Hapcheondam watershed was derived and utilized for thelong-term runoff calculation. The effects of variable and constant CWI during calibration and validation were suggested by flow regime. The results show the variable CWI is generally more effective than the constant CWI. The R2during high flow period shows relatively higher than the ones during normal or low flow period, but the difference between cases of the variable and constant CWI was insignificant. The results indicates that the high flow is relatively less sensitive to the evaporation and soil moisture associated with temperature. On the other hand, the variable CWI gives more desirable results during normal and low flow periods which means that it is crucial to incorporate evaporation and soil moisture depending on temperature into long-term continuous runoff simulation. The NSE tends to decrease during high flow period with high variability which could be natural because NSE index is largely influenced by outliers of underlying variable. Nevertheless overall NSE shows satisfactory range higher than 0.9. The utilization of variable CWI during normal and low flow period would improve the computation of long-term rainfall-runoff simulation. 강우-유출 모의 과정에서 유효강우는 토양수분을 고려하여 산정되며, 이러한 토양수분을 강우-유출 모형에 반영하기 위해서는 직접 관측된 자료를 활용하거나, 모형 내부에서 간접적으로 산정한다. 본 연구에서 사용한 강우-유출 모형은 유역의 기온에 따른 유역습윤지수(Catchment Wetness Index, CWI)를 산정하고, CWI와 강수량의 조합을 통해 산정되는 토양수분지수(Soil Moisture Index, SMI)를 직접 활용하여 유효강우 및 유출량을 계산하는 IHACRES 모형을 사용하여 연구를 수행했다. 합천댐 유역을 대상으로 CWI와 유효강우 간의 관계가 장기 유출 산정에 미치는 영향에 대해 연구한 결과, CWI와 유효강우는 비선형적인 관계를 가짐을 확인하였으며 이러한 비선형 관계는 장기 유출 모의에 있어 홍수기 보다 비홍수기에서 더 많은 영향을 미침을 확인하였다. CWI가 장기 유출에 미치는 영향을 자세히 분석하고자, 보정기간(2002~2004년)과 검정기간(2005~2007년)으로 나누어 가변 CWI와 일정 CWI 조건하에서 유황에 따른 유출모의성능을 분석하였다. 분석결과 전반적으로 가변 CWI의 결과가 일정 CWI의 결과에 비하여 우수하게 나타났다. 풍수기에서 결정계수는 평수기나 갈수기에 비하여 높은 값을 보이고 있으나 가변 CWI와 일정 CWI간에 차이는 크지 않았다. 이는 강수량이 많은 시기의 유출의 경우 기온에 따른 증발 및 토양수분에 대한 민감도가 상대적으로 작다는 것을 의미한다. 반면, 풍수기에 비해 유출량이 적은 평수기와 갈수기에서는 가변 CWI의 평가지표가 더 우수한 결과를 보이고 있어, 평갈수량을 포함한 장기유출모의시 기온을 고려한 증발과 이에따른 토양수분의 고려가 유출량 산정에 상당한 영향을 미침을 확인할 수 있다. NSE의 경우 풍수기가 평갈수기보다 다소 떨어지는 경향을 볼 수 있으나 NSE가 이상치의 영향을 크게 받는 지표이므로 유량 절대값이 큰풍수기에서는 당연한 결과라 볼 수 있으며, 그럼에도 전체적으로는 0.9이상의 양호한 수치를 보여주고 있다. 풍수기에는 기온에 따른 CWI가크게 영향을 미치지 못하지만, 유출량이 적은 평·갈수기에서 CWI의 활용이 장기 유출 모의 정확도를 개선할 수 있을 것이라 사료된다.

미계측 유역의 저수지 유입량 산정을 위한 연속 강우-유출모형의 지역화에 관한 연구

정가인,정일원,권현한 한국방재학회 2015 한국방재학회 학술발표대회논문집 Vol.14 No.-

우리나라는 기후변화로 인해 강우의 변동성이 커지며 강우관측시스템이 지역적으로 불균형하고 시험유역을 제외한 대부분의 저수지 상류 유역이 미계측유역인 관계로 강우량, 유출량, 증발량 및 신뢰성 있는 관측 유입량이 절대적으로 부족하다. 이로 인해 유역의 특성을 반영한 강우-유출 관계를 유도하는데 문제점이 초래되고 있으며, 댐 및 저수지의 계획 및 설계 운영에 필요한 유입량 예측이 어려운 실정이다. 본 연구는 미계측유역 유입량의 정량적ㆍ정성적 분석방안을 수립하기 위해서 기존에 개발된 모형 IHACRES 모형, Sacramento 모형 및 Tank 모형을 이용하여 저수지의 유입량을 산정하고 각 모형의 매개변수를 지역화 하고자 한다. 지역화를 위해서 대상유역의 지형특성인자인 유역면적, 유로연장, 유역평균표고, 유역평균경사 및 단일형상계수와 회귀 분석하여 지역화시키고, 지역화를 통하여 산정된 매개변수를 각 모형에 적용하여 대상유역의 유입량을 재산정하여 처음에 산정한 유입량 값과 비교하여 각 모형의 지역화 가능성을 비교하였다.

Decision-Scaling방법 기반 국내 다목적댐 유입량의 민감도 분석

김태형(Kim, Tae Hyeong),강부식(Kang, Bu Sik) 대한토목학회 2022 대한토목학회 학술대회 Vol.2022 No.10

국내 다목적댐 유입량의 계절별 기후 스트레스 분석

김태형(Kim, Tae Hyeong),강부식(Kang, Boo Sik) 대한토목학회 2023 대한토목학회 학술대회 Vol.2023 No.10