Stochastic Continuous Storage Function Model with Ensemble Kalman Filtering (I) : Model Development

앙상블 칼만필터를 연계한 추계학적 연속형 저류함수모형 (I) : - 모형 개발 -

  • Bae, Deg-Hyo (Dept. of Civil and Environmental Engrg., Sejong Univ) ;
  • Lee, Byong-Ju (Dept. of Civil and Environmental Engrg., Sejong Univ) ;
  • Georgakakos, Konstantine P. (Hydrologic Research Center)
  • 배덕효 (세종대학교 물자원연구소.토목환경공학과) ;
  • 이병주 (세종대학교 토목환경공학과) ;
  • Published : 2009.11.30


The objective of this study is to develop a stochastic continuous storage function model for enhancement of an event-oriented watershed and channel storage function models which have been used as an official flood forecast model in Korea. For this study, soil moisture accounting component is added to the original storage function model and each hydrologic component, such as surface flow, subsurface flow, groundwater flow and actual evaportranspiration, is simulated as a function of soil water content. And also, ensemble Kalman filtering technique is used for real-time assimilation of measured streamflow from various stream locations in the watershed. Therefore the enhanced model will be able to simulate hydrologic components for long-term period without additional estimation of model parameters and to give more accurate and reliable results than those from the existing deterministic model due to the assimilation of measured streamflow data.

본 연구의 목적은 현재 국내 홍수예경보 시스템의 유출해석모형으로 이용되고 있으며 단일 호우사상에 대해 적용이 가능한 유역 및 하도 저류함수모형을 추계학적 연속형 저류함수모형으로 개발하고자 하는데 있다. 이를 위해 기존 저류함수모형에 토양수분 산정 컴포넌트를 추가하고 지표면유출, 중간유출, 지하수유출 및 실제증발산량을 토양수분의 함수로 나타내어 각 수문성분에 대한 연속적인 모의가 가능하도록 하였다. 또한 실시간 관측유량자료 동화를 위해 앙상블 칼만 필터 기법을 도입하여 확정론적 모형을 추계학적 모형으로 개선하였다. 따라서 본 연구에서 개발된 추계학적 연속형 저류함수모형은 장기간의 연속적인 유출해석이 가능할 뿐만 아니라 관측자료 동화를 통해 기존 저류함수 모형보다 신뢰성 있는 결과를 제시할 수 있을 것으로 판단된다.



  1. 건설부 한강홍수통제소 (1988). 한강홍수예경보
  2. 김상호 (2003). 'Kalman Filtering 기법을 이용한 수리학적 홍수예측.' 대한토목학회논문집, 대한토목학회, 제23권, 제6B호, pp. 541-549
  3. 배덕효 (1997). '저류함수법을 이용한 추계학적 실시간 홍수예측모형 개발.' 한국수자원학회논문집, 한국수자원학회, 제30권, 제5호, pp. 449-457
  4. 배덕효, 김진훈 (2007). '한국형 돌발홍수 예경보시스템 개발: (I) 이론 및 시스템 설계.' 대한토목학회논문집, 대한토목학회, 제27권, 제3B호, pp. 237-243
  5. 배덕효, 정일문 (2000). '저류함수법에 의한 추계동역학적 하도홍수추적모형의 개발.' 한국수자원학회논문집, 한국수자원학회, 제33권, 제3호, pp. 341-350
  6. 배덕효, 조원철 (1995). '물리적.개념적 연속 유출모형에 의한 유출해석.' 한국수자원학회지, 한국수자원학회, 제28권, 제6호, pp. 193-202
  7. 안상진, 이재경, 한양수, 전계원 (2002). '유출예측모형을 이용한 홍수유출해석.' 대한토목학회논문집, 대한토목학회, 제22권, 제3-B호, pp. 311-319
  8. 윤용남 (2001). 공업수문학, 청문각
  9. 한건연, 손인호, 이재영 (2000). '실시간 범람위험도 예측을 위한 수리학적 모형의 개발.' 한국수자원학회논문집, 한국수자원학회, 제33권, 제3호, pp. 331-340
  10. Brooks R.H., Corey A.T. (1964). 'Hydraulic properties of porous media.' Hydrology Paper, Colorado State University, pp. 24
  11. Clark M.P., Rupp D.E., Woods R.A., Zheng X., Ibbitt R.P., Slater A.G., Schmidt J., Uddstrom M.J. (2008). 'Hydrological data assimilation with the ensemble Kalman filter: Use of streamflow observation to update states in a distributed hydrological model.' Advances in Water Resources, Vol. 31, pp. 1309- 1324
  12. Evensen, G. (1992). 'Using the extended Kalman filter with a multilayer quasi-geostrophic ocean model.' Journal of Geophysical Research-Oceans, Vol. 97, No. C11, pp. 17905-17924
  13. Evensen, G. (1994). 'Sequential data assimilation with a nonlinear quasi-geostrophic model using Monte Carlo methods to forecast error statistics.' Journal of Geophysical Research, Vol. 99, No. C5, pp. 10143 -10162
  14. Georgakakos K.P. (2008). Formulation of a System for Flood Forecasting in Korea based on the Storage Function Method and Distributed Filtering Technique, HRC Technical Note, No. 32
  15. Kalman R. (1960). 'New approach to linear filtering and prediction problems.' Trans AMSE, Journal of Basic Engineering, Vol. 82D, pp. 35-45
  16. Kite, G.W. (1978). 'Development of a hydrological model for a Canadian watershed.' Canadian Journal of Civil Engineering, Vol. 5, No. 1, pp. 126-134
  17. Leavesley, G.H., Lichty R.W., Troutman B.M., Saindon L.G., (1983). Precipitation-Runoff Modeling System : User's manual, Water- Resources Investigations, pp. 83-4238
  18. Liang X., Lettenmaier D.P., Wood E.F., Burges S.J. (1994). 'A simple hydrologically based model of land surface water and energy fluxes for general circulation models.' Journal of Geophys. Res., Vol. 99, No. D7, pp. 14415-14428
  19. Maybeck, P.S. (1979). Stochastic models, estimation and control, 1. Academic Press, New York
  20. Mohseni O., Stefan H. G. (1998). 'A monthly steramflow model.' Water Resources Research, Vol. 34, No. 5, pp. 1287-1298
  21. Moradkhani H., Sorooshian S., Gupta HV., Houser P.R. (2005). 'Duel state parameter estimation of hydrological models using ensemble Kalman filter.' Advances in Water Resources, Vol. 28, pp. 135-147
  22. Neitsch, S.L., Arnord, J.G., Kiniry, J.R., Williams, J.R., (2001). Soil and Water Assessment Tool - Theoretical Documentation(version 2000)

Cited by

  1. Using Extended Kalman Filter for Real-time Decision of Parameters of Z-R Relationship vol.47, pp.2, 2014,
  2. Modification of the Fixed Coefficient Method for the Parameter Estimation of Storage Function Method vol.46, pp.1, 2013,
  3. Determination and Evaluation of Optimal Parameters in Storage Function Method using SCE-UA vol.45, pp.11, 2012,
  4. Leakage Detection of Water Distribution System using Adaptive Kalman Filter vol.46, pp.10, 2013,
  5. Development of Comprehensive Flood Forecasting Models for Main Tributaries in the Han River and Parameter Optimization vol.13, pp.6, 2013,