Hydraulic Model for Real Time Forecasting of Inundation Risk

실시간 범람위험도 예측을 위한 수리학적 모형의 개발

  • Han, Geon-Yeon (Dept. of Civil Engineering, Engineering, Kyungpook National Univ.) ;
  • Son, In-Ho (Dept. of Civil Engineering, Engineering, Kyungpook National Univ.) ;
  • Lee, Jae-Yeong (Dept.of Civil Engineering, Graduate School of Kyungpook National Univ.)
  • 한건연 (경북대학교 공과대학 토목공학과) ;
  • 손인호 (경북대학교 대학원 토목공학과) ;
  • 이재영 (경북대학교 대학원 토목공학과)
  • Published : 2000.06.01

Abstract

This study aims to develop a methodology of real time forecasting of mundation risk based on DAMBRK model and Kalman filter. The model is based on implicit, nonlinear finite difference approximatIons of the one-dimensional dynamic wave equations. The stochastic estimator uses on extended Kalman filter to provide optimal updating estimates. These are accomplished by combining the predictions of the determurustic model with real time observauons modified by the Kalman filter gain ractor. Inundation risks are also estimated by applying Monte Carlo simulation to consider the variability in cross section geometry and Manning's roughness coefficient. The model calibrated by applying to the floods ot South Han River on September, 1990 and August, 1995. The Kalman tilter model indicates that significant improvement compared to deteriministic analysis in flood routing predictions in the river. Overtopping risk of levee is also presented by comparing levee height with simulated flood level. level.

본 연구의 목적은 하천에서의 실시간 범람위험도 해석을 위해서 DAMBRK 모형과 Kalman filter를 연계한 수치모형을 개발하는데 있다. 본 모형은 1차원 동역학 방정식의 비선형 유한차분 근사해인 음해법을 기본으로 하고 있다. 추계학적 추정법으로서 최적의 갱신 예측치를 얻기 위해 확장된 Kalman filter 기법을 사용하였다. 이 과정은 확정론적 모형에 의한 예측치를 Kalman filter gain factor에 의해 보정된 실시간 관측치와 조합함으로써 수행되었다. 홍수범람위험도는 하도단면의 기하형상과 Manning 조도계수의 변동성을 고려하여 Monte Carlo 모의를 적용하여 예측되었다. 본 모형은 1990년 9월과 1995년 8월의 남한강 홍수에 적용하여 검증하였다. Kalman filter에 의한 해석은 이 기간 동안에 확정론적 해석결과와 비교하여 실측자료와 잘 일치되는 양상이 나타났으며, 이에 따라 제방의 월류위험도를 모의된 홍수위와 제방고를 비교함으로써 얻을 수 있었다.

Keywords

References

  1. 배덕효, 조원철, 허준행 (1995). '실시간 유량예측을 위한 추계동력학적 모형에 관한 연구.' 대한토목학회논문집, 대한토목학회, 제15권, 제2호, pp. 433-442
  2. 배덕효 (1997), '저류함수법을 이용한 추계학적 실시간 홍수예측모형의 개발.' 한국수자원학회논문집, 한국수자원학회, 제30권, 제5호, pp. 449-457
  3. 이홍래, 한건연, 조원철 (1998a). '댐 붕괴 홍수모의에 대한 불확실도 해석.' 한국수자원학회논문집, 한국수자원학회, 제31권, 제3호, pp.337-345
  4. 이홍래, 한건연, 김상호, 최현상 (1998b). '하천홍수 범람해석을 위한 수치모형의 개발: I. GIS와의 연계해석', 한국수자원학회논문집, 한국수자원학회, 제31권, 제4호, pp.415-427
  5. 이홍래, 한건연, 김상호 (1998c). '하천홍수 범람해석을 위한 수치모형의 개발(II) : 불확실도 해석.' 한국수자원학회논문집, 한국수자원학회, 제31권, 제4호, pp. 429-437
  6. 조원철, 배덕효, 이종설 (1996). '실제하천에서의 추계학적 상태.공간형태의 Muskingum-Cunge 모형 개발.' 대한토목학회논문집, 대학토목학회, 제16권, 제II-6호, pp. 533-542
  7. 한건연, 이종석, 김상호 (1997a). '댐 및 하천제방에 대한 위험도 해석기법의 개발 : I 모형 및 이론', 한국수자원학회논문집, 한국수자원학회, 제30권, 제6호, pp. 679-690
  8. 한건연, 이종석, 김상호 (1997b). '댐 및 하천제방에 대한 위험도 해석기법의 개발 : II. 적용 예', 한국수자원학회논문집, 한국수자원학회, 제30권, 제6호, pp. 681-698
  9. Bras, R.L., and Rodriguez-Iturbe, I. (1985). Random Function and Hydrology. Addison-Wesley, Messachusetts
  10. Cooper, D.M. (1982). 'Adaptive Parameter Estimation for Non-Linear Hydrological Models with General Loss Functions.' J. of Hydrology, Vol. 58, pp. 29-45 https://doi.org/10.1016/0022-1694(82)90067-1
  11. Cooper D.M., and E.F. (1982a). 'Identification of Multivariate Time Series and Multivariate Input - Output Models.' Water Resources Research, Vol. 18, No. 4, pp. 937-946
  12. Cooper D.M., and Wood, E.F. (1982b). 'Parameter Estimation of Multiple Input-Output Time Series Models: Application to Rainfall-Runoff Processes.' Water Resources Research, Vol. 10, No. 5, pp. 1352-1364
  13. Duong, N., Win, C.B., and Johnson, G.R. (1975). 'Modern Control Concepts in Hydrology.' IEEE Trans. Syst. Man. Cybern., Vol. 5, No. 1, pp. 46-53
  14. Fread, D.L. (1990). DAMBRK Users Manual, Hydrologic Research Laboratory, National Weather Service, Silver Springs, MD
  15. Kalman, R.E. (1960). 'A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problems.' J. of Basic Eng. (Trans. ASME Ser. D). Vol. 82, No. 1, pp. 35-45
  16. Kitanidis, P.K., and Bras, R.L. (1980a). 'Real-Time Forecasting with a Conceptual Hydrologic Model: 1 Analysis of Uncertainty.' Water Resources Research, Vol. 16, No. 6, pp. 1025-1033
  17. Kitanidis, P.K., and Bras, R.L. (1980b). 'Real-Time Forecasting with a Conceptual Hydrologic Model: 2. Application and Results.' Water Resources Research, Vol. 16, No. 6, pp. 1034-1044
  18. Kitanidis, P.K., Lara, O.G., and Lane, R.W. (1984). 'Evaluation of Streamflow Data Collection Strategies for Alluvial Rivers.' J. of Hydrology, Vol. 72, pp.85-103 https://doi.org/10.1016/0022-1694(84)90186-0
  19. O'Connell, P.E. (1980). 'Real-Time Hydrologic Forecasting and Control.' Proc. of Third International Workshop, Institute of Hydrology, Wallingford, England
  20. Szollosi-Nagy, A. (1976). 'An Adaptive Identification and Prediction Algorithm for the Real-Time Forecasting of Hydrological Time Series' Hydro. Sci. Bull. Vol. 21, No. 1, pp. 163-176
  21. Szollosi-Nagy, A., and Mekis, E. (1988). 'Comparative Analysis of Three Recursive Real - Time River Flow Forecasting Models: Deterministic, Stochastic and Coupled Deterministic-Shastic.' Stochastic Hydrol. and Hydraul, Vol. 2, pp. 17-38 https://doi.org/10.1007/BF01544191
  22. Wood, E.F., and Szollosi-Nagy, A. (1978). 'An Adaptive Algorithm for Analyzing Short-Term Structural and Parameter Changes in Hydrologic Prediction Models.' Water Resources Research, Vol. 14, No. 4, pp. 577-581
  23. Young, P. (1989). Recursive Estimation and Forecasting of Hydrological Time Series, NATO Summer School, Peniscola, Spain