• Research Article

    Analysis of bifurcation characteristics for the Seolmacheon experimental catchment based on variable scale of source basin

    수원 유역의 변동성 규모를 기반으로 한 설마천 시험유역의 분기 특성 해석

    Kim, Joo-Cheol, Jung, Kwan Sue

    김주철, 정관수

    This study analyzes bifurcation characteristics of the Seolmacheon experimental catchment by extracting the shape variation of channel network due to variable scale ...

    본 연구에서는 수원 유역 혹은 한계지지면적의 변동성 규모에 따른 하천망의 형상 변화를 추출하여 설마천 시험유역의 분기 특성에 대한 해석을 수행하였다. 수원 유역의 ...

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    This study analyzes bifurcation characteristics of the Seolmacheon experimental catchment by extracting the shape variation of channel network due to variable scale of source basin or threshold area. As the area of source basin decreases, a bifurcation process of channel network occurs within the basin of interest, resulting in the elongation of channel network (increase of total channel length) as well as the expansion of channel network (increase of the source number). In the former case, the elongation of channel reaches overwhelms the generation of sources, whereas, in the latter case, the drainage path network tends to fulfill the inner space of the basin of interest reflecting the opposite trend. Therefore, scale invariance of natural channel network could be expressed to be a balanced geomorphologic feature between the elongation of channel network and the expansion of channel network due to decrease of source basin scale. The bifurcation structure of the Seolmacheon experimental catchment can be characterized by the coexistence of the elongation and scale invariance of channel network, and thus a further study is required to find out which factor is more crucial to rainfall transformation into runoff.


    본 연구에서는 수원 유역 혹은 한계지지면적의 변동성 규모에 따른 하천망의 형상 변화를 추출하여 설마천 시험유역의 분기 특성에 대한 해석을 수행하였다. 수원 유역의 면적이 감소함에 따라 대상 유역의 내부에는 하천망의 분기 현상이 발생하며, 그 결과로서 하천망의 신장(총 하천 길이의 증가)과 함께 하천망의 확장(수원의 개수 증가)이 동시에 나타남을 볼 수 있었다. 하천망이 신장되는 경우 하천 구간의 길이가 증가하는 경향이 새로운 수원이 생성되는 경향보다 우세하게 나타나는 반면, 하천망이 확장되는 경우 반대 거동에 따라 배수망이 유역 내부의 공간을 채워가는 과정으로 나타남을 확인할 수 있었다. 이로부터 자연 유역의 하천망들이 가지는 규모 불변성은 수원 유역의 규모가 감소함에 따라 나타나는 하천망의 신장 특성과 하천망의 확장 특성이 상호 균형을 이루면서 발현되는 지형학적 특성으로 기술될 수 있었다. 설마천 시험유역의 분기 구조는 하천망의 신장 특성과 규모 불변성이 공존하는 형태로 판단되며 강우로 인한 유출 현상에 보다 지배적인 역할을 하는 요인에 대한 후속 연구가 필요한 것으로 판단된다.

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    May 2021
  • Research Article

    Radar rainfall prediction based on deep learning considering temporal consistency

    시간 연속성을 고려한 딥러닝 기반 레이더 강우예측

    Shin, Hongjoon, Yoon, Seongsim, Choi, Jaemin

    신홍준, 윤성심, 최재민

    In this study, we tried to improve the performance of the existing U-net-based deep learning rainfall prediction model, which can weaken the ...

    본 연구에서는 시계열 순서의 의미가 희석될 수 있는 기존의 U-net 기반 딥러닝 강우예측 모델의 성능을 개선하고자 하였다. 이를 위해서 데이터의 연속성을 고려한 ...

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    In this study, we tried to improve the performance of the existing U-net-based deep learning rainfall prediction model, which can weaken the meaning of time series order. For this, ConvLSTM2D U-Net structure model considering temporal consistency of data was applied, and we evaluated accuracy of the ConvLSTM2D U-Net model using a RainNet model and an extrapolation-based advection model. In addition, we tried to improve the uncertainty in the model training process by performing learning not only with a single model but also with 10 ensemble models. The trained neural network rainfall prediction model was optimized to generate 10-minute advance prediction data using four consecutive data of the past 30 minutes from the present. The results of deep learning rainfall prediction models are difficult to identify schematically distinct differences, but with ConvLSTM2D U-Net, the magnitude of the prediction error is the smallest and the location of rainfall is relatively accurate. In particular, the ensemble ConvLSTM2D U-Net showed high CSI, low MAE, and a narrow error range, and predicted rainfall more accurately and stable prediction performance than other models. However, the prediction performance for a specific point was very low compared to the prediction performance for the entire area, and the deep learning rainfall prediction model also had limitations. Through this study, it was confirmed that the ConvLSTM2D U-Net neural network structure to account for the change of time could increase the prediction accuracy, but there is still a limitation of the convolution deep neural network model due to spatial smoothing in the strong rainfall region or detailed rainfall prediction.


    본 연구에서는 시계열 순서의 의미가 희석될 수 있는 기존의 U-net 기반 딥러닝 강우예측 모델의 성능을 개선하고자 하였다. 이를 위해서 데이터의 연속성을 고려한 ConvLSTM2D U-Net 신경망 구조를 갖는 모델을 적용하고, RainNet 모델 및 외삽 기반의 이류모델을 이용하여 예측정확도 개선 정도를 평가하였다. 또한 신경망 기반 모델 학습과정에서의 불확실성을 개선하기 위해 단일 모델뿐만 아니라 10개의 앙상블 모델로 학습을 수행하였다. 학습된 신경망 강우예측모델은 현재를 기준으로 과거 30분 전까지의 연속된 4개의 자료를 이용하여 10분 선행 예측자료를 생성하는데 최적화되었다. 최적화된 딥러닝 강우예측모델을 이용하여 강우예측을 수행한 결과, ConvLSTM2D U-Net을 사용하였을 때 예측 오차의 크기가 가장 작고, 강우 이동 위치를 상대적으로 정확히 구현하였다. 특히, 앙상블 ConvLSTM2D U-Net이 타 예측모델에 비해 높은 CSI와 낮은 MAE를 보이며, 상대적으로 정확하게 강우를 예측하였으며, 좁은 오차범위로 안정적인 예측성능을 보여주었다. 다만, 특정 지점만을 대상으로 한 예측성능은 전체 강우 영역에 대한 예측성능에 비해 낮게 나타나, 상세한 영역의 강우예측에 대한 딥러닝 강우예측모델의 한계도 확인하였다. 본 연구를 통해 시간의 변화를 고려하기 위한 ConvLSTM2D U-Net 신경망 구조가 예측정확도를 높일 수 있었으나, 여전히 강한 강우영역이나 상세한 강우예측에는 공간평활로 인한 합성곱 신경망 모델의 한계가 있음을 확인하였다.

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    May 2021
  • Research Article

    A study on estimation of agricultural water usage in river consider hydrological condition

    수문상황을 고려한 하천에서의 농업용수 사용량추정 연구

    Kwak, Jaewon

    곽재원

    The agricultural water, which occupy about 61% of total water usage in the South Korea, is significantly objective to archieve effecitive water ...

    농업용수는 우리나라의 용수사용량 중에 61%를 차지하고 있으며, 효율적인 수자원관리를 달성하기 위한 핵심적인 관리목표 중 하나이다. 본 연구에서는 댐과 저수지 등을 관리하는 ...

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    The agricultural water, which occupy about 61% of total water usage in the South Korea, is significantly objective to archieve effecitive water resources management. The objective of the study is to suggest a simple method in actual practice that could be used to estimate agricultural water usage in river considering hydrological condition. Historical record of agricultural water usage and runoff, which take account for hydrological condition of the basin, were obtained for totally 27 river basins. As the result, the high threshold value of the agricultural water usage rates compared to maximum usage amount has a particular correlations to the percent of normal year runoff for last 2 month, and threshold line of agricultural water usage rates was derived using the quantile regressions. Finally, two dimensionless threshold line and empirical formulas that described the correlation between the percent of normal year runoff for last 2 month and the agricultural water usage rate compared to maximum usage amount were derived. Also, the simple criteria to select which line and formula based on the characteristics of the basins was suggested but it need further studies. The result of the study could be used as an elemantary data in actual practice for water resoureces management.


    농업용수는 우리나라의 용수사용량 중에 61%를 차지하고 있으며, 효율적인 수자원관리를 달성하기 위한 핵심적인 관리목표 중 하나이다. 본 연구에서는 댐과 저수지 등을 관리하는 실무자가 수문상황에 따른 하천에서의 농업용수 임계사용량을 간편하게 추정하기 위한 방법론을 제안하고자 하였다. 이를 위하여, 4대강 권역의 주요 27개 하천유역을 대상으로 하여 유역의 유출량과 하천수 사용실적을 수집하였다. 하천에서의 농업용수 사용과 예년대비 유출율이 유의미한 상관관계가 있음을 나타내었으며, 분위회귀를 이용하여 농업용수 최대사용을 대표하는 임계곡선으로 제시하고 27개 하천유역에 적용하였다. 최종적으로 예년대비 2개월 유출율에 따른 농업용수 최대사용량대비 사용률로 표현되는 두 가지 임계곡선과 식을 제시하였다. 또한, 유역특성을 비교하여 삼림면적 대비 농지면적의 비를 기준으로 임계곡선 유형을 결정할 수 있도록 하였으나, 추가적인 자료수집과 분석이 필요할 것으로 판단된다. 본 연구에서 제시한 방법은 하천 농업용수 임계사용량을 간편하게 추정하고 활용할 수 있으므로 수자원관리 실무에서 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

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    May 2021
  • Research Article

    Estimation of reflectivity-rainfall relationship parameters and uncertainty assessment for high resolution rainfall information

    고해상도 강수정보 생산을 위한 레이더 반사도-강수량 관계식 매개변수 보정 및 불확실성 평가

    Kim, Tae-Jeong, Kim, Jang-Gyeong, Kim, Jin-Guk, Kwon, Hyun-Han

    김태정, 김장경, 김진국, 권현한

    A fixed reflectivity-rainfall relationship approach, such as the Marshall-Palmer relationship, for an entire year and different seasons, can be problematic in cases ...

    일반적으로 레이더 강수량 추정에 활용되는 Marshall-Palmer 관계식은 강수현상의 계절적 변동성을 고려하지 않고 선별된 강수사상에 대하여 시공간적으로 고정된 매개변수를 적용하여 레이더 강수량을 추정하므로 ...

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    A fixed reflectivity-rainfall relationship approach, such as the Marshall-Palmer relationship, for an entire year and different seasons, can be problematic in cases where the relationship varies spatially and temporally throughout a region. From this perspective, this study explores the use of long-term radar reflectivity for South Korea to obtain a nationwide calibrated Z-R relationship and the associated uncertainties within a Bayesian inference framework. A calibrated spatially structured pattern in the parameters exists, particularly for the wet season and parameter for the dry season. A pronounced region of high values during the wet and dry seasons may be partially associated with storm movements in that season. Overall, the radar rainfall fields based on the proposed modeling procedure are similar to the observed rainfall fields. In contrast, the radar rainfall fields obtained from the existing Marshall-Palmer relationship show a systematic underestimation. In the event of high impact weather, it is expected that the value of national radar resources can be improved by establishing an active watershed-level hydrological analysis system.


    일반적으로 레이더 강수량 추정에 활용되는 Marshall-Palmer 관계식은 강수현상의 계절적 변동성을 고려하지 않고 선별된 강수사상에 대하여 시공간적으로 고정된 매개변수를 적용하여 레이더 강수량을 추정하므로 실제 강수량과 추정된 레이더 강수량은 정량적인 오차가 발생할 수 있다. 이러한 제약성을 극복하고자 본 연구는 장기간 레이더 반사도 인자를 가용하여 레이더 반사도-강수량 관계식 매개변수를 Bayesian 추론기법으로 보정하고 불확실성을 정량화하여 레이더 강수량의 편의 보정을 수행하였다. Bayesian 추론기법 기반으로 추정된 레이더 반사도-강수량 관계식의 보정 매개변수는 계절성이 규명되었으며 지역적 특성이 존재하였다. Bayesian 추론기법을 통하여 산정된 레이더 강수량은 Marshall-Palmer 관계식의 과소추정 문제를 극복하고 지상 강수특성을 정량적으로 현실성 있게 재현하였다. 본 연구결과는 집중호우 발생 시 능동적인 유역단위 수자원해석 시스템을 구축하여 국가적 레이더 자원의 가치를 향상할 수 있을 것으로 판단된다.

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    May 2021
  • Research Article

    Analysis of solute transport in rivers using a stochastic storage model

    확률론적 저장대모형을 이용한 하천에서의 물질혼합거동 해석

    Kim, Byunguk, Seo, Il Won, Kwon, Siyoon, Jung, Sung Hyun, Yun, Se Hun

    김병욱, 서일원, 권시윤, 정성현, 윤세훈

    The one-dimensional solute transport models have been developed for recent decades to predict behavior and fate of solutes in rivers. Transient storage ...

    하천에서의 용존물질의 혼합거동을 신속하게 예측하기 해석하기 위하여 1차원 추적모형이 개발되어 왔다. 그 중 저장대모형(Transient Storage Model, TSM)은 자연하천의 복잡하고 불규칙한 ...

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    The one-dimensional solute transport models have been developed for recent decades to predict behavior and fate of solutes in rivers. Transient storage model (TSM) is the most popular model because of its simple conceptualization to consider the complexity of natural rivers. However, the TSM is highly dependent on its parameters which cannot be directly measured. In addition, the TSM interprets the late-time behavior of concentration curves in the shape of an exponential function, which has been evaluated as not suitable for actual solute behavior in natural rivers. In this study, we suggested a stochastic approach to the solute transport analysis. We delineated the model development and model application to a natural river, and compared the results of the proposed model to those of the TSM. To validate the proposed model, a tracer test was carried out in the 4.85 km reach of Gam Creek, one of the first-order tributaries of Nakdong River, South Korea. As a result of comparing the power-law slope of the tail of breakthrough curves, the simulation results from the stochastic storage model yielded the average error rate of 0.24, which is more accurate than the 14.03 and 1.87 from advection-dispersion model and TSM, respectively. This study demonstrated the appropriateness of the power-law residence time distribution to the hyporheic zone of the Gam Creek.


    하천에서의 용존물질의 혼합거동을 신속하게 예측하기 해석하기 위하여 1차원 추적모형이 개발되어 왔다. 그 중 저장대모형(Transient Storage Model, TSM)은 자연하천의 복잡하고 불규칙한 수리·지형적인 특성을 단순하게 반영할 수 있다는 장점때문에 가장 많이 사용되는 1차원 추적모형이다. 하지만 TSM의 정확도는 본류대 및 저장대의 면적, 물질교환계수 등 모형의 매개변수에 의존하며 이들은 직접적으로 측정될 수 없다는 단점이 있다. 또한 TSM은 농도곡선의 꼬리에 나타나는 저장대특성의 형태를 지수함수형태로 반영하는데 이는 실제 추적자실험을 통해 관측되는 꼬리는 형태와 다르다는 평가가 제기되고 있다. 이에 따라 본 연구에서는 1차원 확률론적 저장대모형에 대한 수치모형을 개발하여 자연하천에 적용하고 그 결과를 TSM의 모의결과와 비교하였다. 상기의 모형을 검증하기 위하여 낙동강의 1차 지류 중 하나인 감천의 4.85 km의 구간에서 추적자 실험을 실시하였다. 본 추적자 실험을 통해 측정한 농도곡선과 본 연구에서 제시된 확률론적 저장대모형의 모의 곡선의 꼬리부 멱함수 기울기를 비교해본 결과, 오차율은 평균 0.24으로 나타났는데, 이는 1차원 이송-분산 모형과 TSM로부터의 오차율인 14.03과 1.87에 비해 보다 정확한 값이다. 본 연구 결과, 감천에서의 저장대 특성을 나타내는 하상의 체류시간분포는 지수함수분포보다는 멱함수 분포에 가까운 것으로 밝혀졌다.

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    May 2021
  • Technical Note

    Comparison of the flow estimation methods through GIUH rainfall-runoff model for flood warning system on Banseong stream

    반성천 홍수경보 시스템을 위한 GIUH기반 한계홍수량 산정기법 비교연구

    Seong, Kiyoung, Ahn, Yujin, Lee, Taesam

    성기영, 안유진, 이태삼

    In the past few years, various damages have occurred in the vicinity of rivers due to flooding. In order to alleviate such ...

    지난 수년간 하천 인근에서 홍수로 인하여 다양한 피해가 발생하고 있다. 이러한 홍수피해를 경감하기 위해 구조적 비구조적 대책들을 세워 홍수 경감에 노력하고 있으며 ...

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    In the past few years, various damages have occurred in the vicinity of rivers due to flooding. In order to alleviate such flood damage, structural and non-structural measures are being established, and one of the important non-structural measures is to establish a flood warning system. In general, in order to establish a flood warning system, the water level of the flood alarm reference point is set, the critical flow corresponding thereto is calculated, and the warning precipitation amount corresponding to the critical flow is calculated through the Geomorphological Instantaneous Unit Hydrograph (GIUH) rainfall-runoff model. In particular, when calculating the critical flow, various studies have calculated the critical flow through the Manning formula. To compare the adequacy of this, in this study, the critical flow was calculated through the HEC-RAS model and compared with the value obtained from Manning’s equation. As a result of the comparison, it was confirmed that the critical flow calculated by the Manning equation adopted excessive alarm precipitation values ​​and lead a very high flow compared to the existing design precipitation. In contrast, the critical flow of HEC-RAS presented an appropriate alarm precipitation value and was found to be appropriate to the annual average alarm standard. From the results of this study, it seems more appropriate to calculate the critical flow through HEC-RAS, rather than through the existing Manning equation, in a situation where various river projects have been conducted resulting that most of the rivers have been surveyed.


    지난 수년간 하천 인근에서 홍수로 인하여 다양한 피해가 발생하고 있다. 이러한 홍수피해를 경감하기 위해 구조적 비구조적 대책들을 세워 홍수 경감에 노력하고 있으며, 중요한 비구조적 대책 중의 하나가 홍수경보시스템을 구축하는 것이다. 일반적으로 홍수경보시스템을 구축하기 위해서는 홍수경보 기준지점의 수위를 먼저 설정하고 이에 대응하는 한계유량을 산출한다. 그리고, 강우-유출모형(특히, GIUH)을 통하여 한계유량에 대응하는 경보강수량을 산정하는 방식을 택하고 있다. 특히 한계유량을 산출하는 경우, 다양한 연구에서 하천측량이 이루어지지 않은 점 때문에 Manning 공식을 변수로 사용하여 한계유량을 산출하여왔다. 이에 대한 적정성을 비교하기 위해 본 연구에서는 HEC-RAS 모형을 통하여 한계유량을 계산하였고 Manning 공식에서 나온 값과 비교하였다. 비교결과, 한계유량 산정공식(Manning 공식을 변수로 사용)에서 산출된 한계유량은 과다한 경보강수량값을 채택하고 기존 설계강수량에 비해서도 매우 큰 값이 계산됨을 확인할 수 있었다. 이에 비해 HEC-RAS의 한계유량값은 적정한 경보강수량 값을 제시하였고 연평균 알람 기준에도 적정함을 알 수 있었다. 본 연구 결과를 통해, 현재 다양한 하천사업이 이루어져 대부분의 하천의 측량이 이루어진 상황에서 기존의 Manning식에 의한 한계유량 산출보다는 강우-유출모형(GIUH)으로부터 산정된 유량 자료를 입력조건으로 하여 HEC-RAS를 통한 한계유량 및 경계 수위를 산정 해야 하는 것이 보다 적정해 보인다.

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    May 2021