• Research Article

    The development of water circulation model based on quasi-realtime hydrological data for drought monitoring

    수문학적 가뭄 모니터링을 위한 실적자료 기반 물순환 모델 개발

    Kim, Jin-Young, Kim, Jin-Guk, Kim, Jang-Gyeng, Chun, Gun-il, Kang, Shin-uk, Lee Jeong-Ju, Nam, Woo-Sung, Kwon, Hyun-Han

    김진영, 김진국, 김장경, 전근일, 강신욱, 이정주, 남우성, 권현한

    Recently, Korea has faced a change in the pattern of water use due to urbanization, which has caused difficulties in understanding the ...

    최근 우리나라는 도시화로 인해 수자원이용 환경이 급격한 변화를 맞이하였으며, 이로 인해 유출현상을 정량적으로 규명하여 가용수자원을 최적배분 하는데 어려움이 발생하고 있다. 이를 대비하기 ...

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    Recently, Korea has faced a change in the pattern of water use due to urbanization, which has caused difficulties in understanding the rainfall-runoff process and optimizing the allocation of available water resources. In this perspective, spatially downscaled analysis of the water balance is required for the efficient operation of water resources in the National Water Management Plan and the River Basin Water Resource Management Plan. However, the existing water balance analysis does not fully consider water circulation and availability in the basin, thus, the obtained results provide limited information in terms of decision making. This study aims at developing a novel water circulation analysis model that is designed to support a quasi-real-time assessment of water availability along the river. The water circulation model proposed in this study improved the problems that appear in the existing water balance analysis. More importantly, the results showed a significant improvement over the existing model, especially in the low flow simulation. The proposed modeling framework is expected to provide primary information for more realistic hydrological drought monitoring and drought countermeasures by providing streamflow information in quasi-real-time through a more accurate natural flow estimation approach with highly complex network.


    최근 우리나라는 도시화로 인해 수자원이용 환경이 급격한 변화를 맞이하였으며, 이로 인해 유출현상을 정량적으로 규명하여 가용수자원을 최적배분 하는데 어려움이 발생하고 있다. 이를 대비하기 위하여 국가물관리계획, 하천유역수자원관리계획 등이 제안되고 있으며, 효율적인 수자원 운영 계획 수립을 위해서는 정확하며 상세한 물수지 분석이 요구되고 있다. 그러나 기존에 수행되는 물수지 분석은 유역의 물순환 상황을 충분히 반영하지 못하며, 이러한 결과는 의사결정 측면에서 활용이 어려운 실정이다. 이러한 점에서 본 연구에서는 유역을 공간적으로 상세화하여 하천을 네트워크 형태로 재구성, 실적기반 자료를 반영한 물순환 모델을 개발하였으며, 하천을 중심으로 모니터링 지점의 유량정보가 준실시간으로 제공될 수 있는 체계를 마련하였다. 본 연구에서 개발된 물순환 모델은 기존 물수지 분석에서 나타나는 문제점을 개선하는데 목적이 있으며, 계측유역을 대상으로 모형의 적합성을 평가한 결과 특히 저유량 부분에서 기존 모형에 비해 크게 개선된 효과를 확인할 수 있었다. 본 연구에서 개발된 물순환 모델은 보다 정확한 자연유량 보정기법 적용과 유역 내 상세화된 유역네트워크를 통해 유량정보를 준실시간으로 제공함으로써 보다 현실적인 가뭄 모니터링 및 가뭄대책을 마련하기 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

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    August 2020
  • Research Article

    Runoff analysis according to LID facilities in climate change scenario - focusing on Cheonggyecheon basin

    기후변화 시나리오에서의 LID 요소기술 적용에 따른 유출량 분석 - 청계천 유역을 대상으로

    Yoon, EuiHyeok, Jang, Chang-Lae, Lee, KyungSu

    윤의혁, 장창래, 이경수

    In this study, using the RCP scenario for Hyoja Drainage subbasin of Cheonggyecheon, we analyzed the change with the Historical and Future ...

    본 연구에서는 청계천 효자배수분구 유역을 대상으로 RCP 시나리오를 이용하여 Historical 강수량 및 5개의 GCMs 모델로 부터 산정된 Future 강수량과의 변화를 분석하였다. 각 ...

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    In this study, using the RCP scenario for Hyoja Drainage subbasin of Cheonggyecheon, we analyzed the change with the Historical and Future rainfall calculated from five GCMs models. As a result of analyzing the average rainfall by each GCMs model, the future rainfall increased by 35.30 to 208.65 mm from the historical rainfall. Future rainfall increased 1.73~16.84% than historical rainfall. In addition, the applicability of LID element technologies such as porous pavement, infiltration trench and green roof was analyzed using the SWMM model. And the applied weight and runoff for each LID element technology are analyzed. As a result of the analysis, although there was a difference for each GCMs model, the runoff increased by 2.58 to 28.78%. However, when single porous pavement and Infiltration trench were applied, Future rainfall decreased by 3.48% and 2.74%, 8.04% and 7.16% in INM-CM4 and MRI-CGCM3 models, respectively. Also, when the two types of LID element technologies were combined, the rainfall decreased by 2.74% and 2.89%, 7.16% and 7.31%, respectively. This is less than or similar to the historical rainfall runoff. As a result of applying the LID elemental technology, it was found that applying a green roof area of about 1/3 of the urban area is the most effective to secure the lag time of runoff. Moreover, when applying the LID method to the old downtown area, it is desirable to consider the priority order in the order of economic cost, maintenance, and cityscape.


    본 연구에서는 청계천 효자배수분구 유역을 대상으로 RCP 시나리오를 이용하여 Historical 강수량 및 5개의 GCMs 모델로 부터 산정된 Future 강수량과의 변화를 분석하였다. 각 GCMs 모델별 Historical 대비 Future 연 평균 강수량은 최소 35.30 mm에서 최대 208.65 mm 증가하였다. 그리고 Historical 대비 Future 변화율은 1.73%~16.84% 증가하였다. SWMM 모형을 이용하여 투수성포장, 침투도랑, 옥상녹화 3가지의 LID 요소기술을 이용하였다. 그리고 LID 요소기술별 적용된 가중치 변화에 따른 유출량을 분석하였다. 그 결과 각 GCMs 모델별 차이는 있으나 최소 2.58%, 최대 28.78% 유출량이 증가하였다. 그러나 투수성포장 및 침투도랑의 단일 적용시 INM-CM4와 MRI-CGCM3 모델에서 Historical 유출량 대비 각각 3.48%와 2.74%, 8.04%와 7.16% 감소되었다. 또한 두 가지의 LID 요소기술을 조합한 경우에도 유출량이 2.74%와 2.89%, 7.16%와 7.31% 감소되었다. 이것은 기존 Historical의 유출량보다 적거나 유사한 수준인 것으로 분석되었다. LID 요소기술의 적용 결과, 옥상녹화가 도심유역 면적의 1/3정도 적용되는 것이 유출량에 대한 지체시간을 확보하는데 가장 효과적인 것으로 나타났다. 또한 구도심 지역에 LID 기법을 적용할 경우 경제적 비용, 유지관리, 도심경관의 순서로 우선순위를 고려하는 것이 바람직하다.

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    August 2020
  • Research Article

    Application of exponential bandwidth harmony search with centralized global search for advanced nonlinear Muskingum model incorporating lateral flow

    Advanced nonlinear Muskingum model incorporating lateral flow를 위한 exponential bandwidth harmony search with centralized global search의 적용

    Kim, Young Nam,Lee, Eui Hoon

    김영남,이의훈

    Muskingum, a hydrologic channel flood routing, is a method of predicting outflow by using the relationship between inflow, outflow, and storage. As ...

    하도홍수추적을 위한 수문학적 방법인 머스킹검 방법은 유입량, 유출량 그리고 저류량의 관계를 활용하여 유출량을 예측하는 방법이다. 머스킹검 방법에 관한 많은 연구가 진행되면서 필요한 ...

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    Muskingum, a hydrologic channel flood routing, is a method of predicting outflow by using the relationship between inflow, outflow, and storage. As many studies for Muskingum model were suggested, parameters were gradually increased and the calculation process was complicated by many parameters. To solve this problem, an optimization algorithm was applied to the parameter estimation of Muskingum model. This study applied the Advanced Nonlinear Muskingum Model considering continuous flow (ANLMM-L) to Wilson flood data and Sutculer flood data and compared results of the Linear Nonsingum Model incorporating Lateral flow (LMM-L), and Kinematic Wave Model (KWM). The Sum of Squares (SSQ) was used as an index for comparing simulated and observed results. Exponential Bandwidth Harmony Search with Centralized Global Search (EBHS-CGS) was applied to the parameter estimation of ANLMM-L. In Wilson flood data, ANLMM-L showed more accurate results than LMM-L. In the Sutculer flood data, ANLMM-L showed better results than KWM, but SSQ was larger than in the case of Wilson flood data because the flow rate of Sutculer flood data is large. EBHS-CGS could be appplied to be appplicable to various water resources engineering problems as well as Muskingum flood routing in this study.


    하도홍수추적을 위한 수문학적 방법인 머스킹검 방법은 유입량, 유출량 그리고 저류량의 관계를 활용하여 유출량을 예측하는 방법이다. 머스킹검 방법에 관한 많은 연구가 진행되면서 필요한 매개변수들은 점점 늘어나게 되었고, 많은 매개변수로 인해 계산과정이 복잡해졌다. 이러한 문제를 해결하기 위해 최적화 알고리즘을 머스킹검 방법의 매개변수 산정에 적용하였다. 본 연구는 Advanced Nonlinear Muskingum Model considering continuous flow (ANLMM-L)를 Wilson 홍수자료와 Sutculer 홍수자료에 적용하여 Linear Munsingum Model incorporating Lateral flow (LMM-L)과 Kinematic Wave Model (KWM)의 결과와 비교하였다. 관측 유출량과 모의 유출량과의 비교를 위한 지표로 Sum of Squares (SSQ)를 사용하였다. Exponential Bandwidth Harmony Search with Centralized Global Search (EBHS-CGS)가 ANLMM-L의 매개변수 산정에 적용되었다. Wilson 홍수자료에 적용한 결과 LMM-L보다 ANLMM-L이 정확한 결과를 나타냈다. Sutculer 홍수자료에서는 ANLMM-L이 KWM보다 좋은 결과를 보이긴 했으나, Sutculer 홍수자료의 유량이 크기 때문에 Wilson 홍수자료의 경우에 비해 SSQ가 크게 나타났다. EBHS-CGS는 본 연구에서 적용한 머스킹검 홍수추적뿐만 아니라 다양한 수자원 공학 문제에 적용할 수 있을 것이다.

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    August 2020
  • Research Article

    Assessment of future stream flow and water quality of Man-gyeong river watershed based on extreme climate change scenarios and inter-basin water transfer change using SWAT

    SWAT을 이용한 극한 기후변화 시나리오와 유역간 물이동 변화를 고려한 만경강 유역의 미래 수문 및 수질 평가

    Woo, So-Young, Lee, Ji-Wan, Kim, Yong-Won, Kim, Seong-Joon

    우소영, 이지완, 김용원, 김성준

    The purpose of this study is to assess the future hydrological and water quality change of Man-gyeong river basin (1,602 km2 ...

    본 연구에서는 만경강유역(1,602 km2)을 대상으로 SWAT(Soil and Water Assessment Tool)을 이용하여 미래 극한 기후변화 시나리오와 유역간 물이동 ...

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    The purpose of this study is to assess the future hydrological and water quality change of Man-gyeong river basin (1,602 km2) based on future extreme climate change scenarios and reduction of inter-basin water transfer amount using SWAT (Soil and Water Assessment Tool). The SWAT was calibrated (2012~2014) and validated (2016~2018) at 2 water level observation stations (DC, JJ) and 2 water quality observation stations (SR, GJ) considering inter-basin water transfer amount, stream water withdrawal, and point source data. For the streamflow, the coefficient of determination (R2) was 0.70 and the average Nash-Sutcliffe efficiency (NSE) was 0.51 respectively. For the water quality of SS, T-N, and T-P, the R2 was 0.72, 0.80 and 0.72 respectively. The future average streamflow under climate change scenarios increased up to 459 mm/yr, and average SS, T-N and T-P yields also increased up to 19,548 ton/yr, 68,748 kg/yr, and 13,728 kg/yr respectively. When the amount of inter basin water transfer decreased, the streamflow especially decreased in spring and winter periods, and the future water quality yields increased under the influence of precipitation. In order to solve the deterioration of water quality due to decrease in the flow rate and an increase in the load, the amount of inter basin water transfer should be maintained to a certain level.


    본 연구에서는 만경강유역(1,602 km2)을 대상으로 SWAT(Soil and Water Assessment Tool)을 이용하여 미래 극한 기후변화 시나리오와 유역간 물이동 감소에 따른 유역의 수문 수질 변화를 미래기간(S1: 2010~2039, S2: 2040~2069, S3: 2070~2099)로 구분하여 평가하였다. 이를 위해 유역간 물이동량, 유역내 취수량, 점 오염원 등을 고려하여 SWAT 모형을 구축 후 수위 관측소 2지점(대천, 전주), 수질 관측소 2지점(삼례, 김제)에 대하여 유출량과 부하량을 보정(2012~2014년) 및 검증(2016~2018년)하였다. 검보정 결과 유출량의 평균 R2는 0.7, NSE는 0.51이었으며, SS, T-N, T-P의 평균 R2는 0.72, 0.80, 0.72로 분석되었다. 미래 기후변화에 따른 연평균 유출량은 최대 459 mm/yr 증가하였으며, 연평균 SS, T-N, T-P 부하량은 각각 최대 19,548 ton/yr, 68,748 kg/yr, 13,728 kg/yr 증가하였다. 미래 유역간 물 이동량이 감소하였을 때, 봄과 겨울에 유출량이 감소하였으며, 미래 수질 부하량은 강수량의 영향으로 과거 관측 기간보다 증가하였다. 유출량 감소와 부하량 증가로 인한 수질 악화를 개선하기 위해서는 유역간 물이동이 일정 수준으로 지속되어야 할 것으로 판단된다.

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    August 2020
  • Research Article

    Numerical study on flow characteristics at dividing open-channel with changing bifurcation angle using TELEMAC-2D

    TELEMAC-2D모형을 이용한 분류각 변화에 따른 개수로 흐름특성변화 수치모의 연구

    Jung, Daejin, Jang, Chang-Lae, Jung, Kwansue

    정대진, 장창래, 정관수

    This study investigates changes of bifurcation discharge ratio, flow velocity distributions and characteristics of separation zone due to variation of bifurcation angle ...

    본 연구에서는 TELEMAC-2D를 이용하여 개수로 분류부에서 분류각과 분류유량비 변화에 따른 유속분포, 흐름분리구역의 크기, 분류각과 유량비 변화의 상관관계를 파악하였다. 상 ․ 하류단 경계조건의 변화 ...

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    This study investigates changes of bifurcation discharge ratio, flow velocity distributions and characteristics of separation zone due to variation of bifurcation angle by using TELEMAC-2D model. When the bifurcation angle is reduced from 90° to 45° without changing the boundary conditions, the bifurcation discharge ratio increased by 1.5 times from 0.523 to 0.785 because of increasing the radius of curvatures, the inertia force of the downstream flow, and the pressure gradient by the downstream boundary conditions. The bifurcation discharge ratio increases non-linearly whenever the bifurcation angle decreases by 15° intervals from 90° to 45° in flow with the upstream Froude number of 0.45 to 0.74. In flow with a maximum Froude number of 0.74, the rate of increase for bifurcation discharge ratio is 31.1% and the minimum value. When the Froude number is 0.58, the bifurcation discharge ratio is 0.7 or less, and the maximum rate of increase for that ratio is 53.5%. As the upstream Froude number decreases less than 0.58, the bifurcation discharge ratio exceeds 0.7, and the rate of increase decreases. When the upstream Froude number is 0.4 higher, the dimensionless width and length changing ratio of the separation zone are about 2.56 and 5.5 times higher than in 0.4 or less.


    본 연구에서는 TELEMAC-2D를 이용하여 개수로 분류부에서 분류각과 분류유량비 변화에 따른 유속분포, 흐름분리구역의 크기, 분류각과 유량비 변화의 상관관계를 파악하였다. 상 ․ 하류단 경계조건의 변화 없이 분류각만 90°에서 45°로 감소하면 주흐름에서 분리되어 분류수로로 유입되는 흐름의 곡률반경이 증가하고 급격한 흐름방향의 전환에 의한 에너지손실은 감소하며, 주수로와 분류수로 하류방향으로 흐르는 흐름의 관성력과 하류단 경계조건에 의한 압력경사의 영향으로 분류수로에 유입되는 분류유량비가 0.523에서 0.785로 약 1.5배 증가하였다. 분류부 상류 유입흐름의 프루우드 수가 F1 = 0.45~0.74인 흐름에서 분류각을 90°에서 45°로 15° 간격으로 감소할 때마다 분류유량비는 각각 6~10%, 17~30%, 32~54%로 비선형적으로 증가하며, F1가 최대 0.74인 흐름에서 분류유량비 증가율이 31.1%로 최소값을 나타내고 F1 = 0.58 일 때 분류유량비가 0.7 이하이면서 최대 분류유량비 증가율 53.5%을 나타내며, F1이 0.58보다 감소할수록 분류유량비가 0.7을 초과하면서 그 증가율도 함께 감소하게 된다. F1 > 0.4인 흐름은 F1 < 0.4의 흐름보다 무차원 흐름분리구역의 폭(SW/B) 변화율은 약 2.56배 높으며 무차원 흐름분리구역 길이(SL/B) 변화율은 약 5.5배 높게 나타난다.

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    August 2020
  • Research Article

    Debris flow characteristics and sabo dam function in urban steep slopes

    도심지 급경사지에서 토석류 범람 특성 및 사방댐 기능

    Kim, Yeonjoong, Kim, Taewoo, Kim, Dongkyum, Yoon, Jongsung

    김연중, 김태우, 김동겸, 윤종성

    Debris flow disasters primarily occur in mountainous terrains far from cities. As such, they have been underestimated to cause relatively less damage ...

    과거의 토석류 재해는 도시로부터 멀리 떨어진 산지지형에서 주로 발생하여 다른 자연재해 보다 비교적 피해가 적은 재해로 저평가 되었다. 하지만 도시화가 진행됨에 따라 ...

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    Debris flow disasters primarily occur in mountainous terrains far from cities. As such, they have been underestimated to cause relatively less damage compared with other natural disasters. However, owing to urbanization, several residential areas and major facilities have been built in mountainous regions, and the frequency of debris flow disasters is steadily increasing owing to the increase in rainfall with environmental and climate changes. Thus, the risk of debris flow is on the rise. However, only a few studies have explored the characteristics of flooding and reduction measures for debris flow in areas designated as steep slopes. In this regard, it is necessary to conduct research on securing independent disaster prevention technology, suitable for the environment in South Korea and reflective of the topographical characteristics thereof, and update and improve disaster prevention information. Accordingly, this study aimed to calculate the amount of debris flow, depending on disaster prevention performance targets for regions designated as steep slopes in South Korea, and develop an independent model to not only evaluate the impact of debris flow but also identify debris barriers that are optimal for mitigating damage. To validate the reliability of the two-dimensional debris flow model developed for the evaluation of debris barriers, the model’s performance was compared with that of the hydraulic model. Furthermore, a 2-D debris model was constructed in consideration of the regional characteristics around the steep slopes to analyze the flow characteristics of the debris that directly reaches the damaged area. The flow characteristics of the debris delivered downstream were further analyzed, depending on the specifications (height) and installation locations of the debris barriers employed to reduce the damage. The experimental results showed that the reliability of the developed model is satisfactory; further, this study confirmed significant performance degradation of debris barriers in areas where the barriers were installed at a slope of 20° or more, which is the slope at which debris flows occur.


    과거의 토석류 재해는 도시로부터 멀리 떨어진 산지지형에서 주로 발생하여 다른 자연재해 보다 비교적 피해가 적은 재해로 저평가 되었다. 하지만 도시화가 진행됨에 따라 도심속 산지지형에 많은 주거지 및 주요 시설물 등이 건설되면서 많은 환경적 변화와 기후변화에 따른 강우량의 증가로 토사재해의 발생 빈도가 꾸준히 증가 하고 있어 토석류에 대한 위험 리스크가 고조되고 있다. 특히 급경사지로 지정된 지역에서 토석류 범람 특성 및 저감대책에 관한 연구는 아직 미비하다. 따라서 우리나라 환경에 적합한 독자적인 방재 기술을 확보하기 위한 연구와 여러 방재 정보의 업데이트 및 개량이 요구되며 우리나라 지형 특성을 고려할 수 있는 독자적인 기술이 필요하다. 본 연구에서는 우리나라 급경사지로 지정된 지역을 대상으로 방재성능목표에 따른 토사 유출량을 산정하고 그에 따른 독자적인 모델을 개발하여 토석류 영향평가와 피해저감에 탁월한 사방댐의 기능 평가를 목적으로 한다. 사방댐 평가를 위해 개발한 2차원 토석류 모델의 신뢰성 확보를 위해 수리모형실험과의 비교 검증 결과 잘 일치하는 것으로 나타났으며 이 결과로부터 모델의 신뢰성을 확인하였다. 또한, 급경사지 주변의 지역적 특징을 고려하기 위해 평면 2차원 토석류 모델을 구축하여 직접 피해지역에 도달하는 토석류의 흐름 특성을 분석하였고, 피해저감을 위해 설치한 사방댐의 제원(높이) 및 설치장소에 따라 토석류가 하류로 전달되는 흐름 특성을 분석하였다. 특히 사방댐 설치장소가 토석류의 흐름이 발생하는 약 20° 이상의 지역에서는 사방댐의 기능이 현저히 떨어지는 것을 확인하였다.

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    August 2020