• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2022.05a
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• pp.436-436
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• 2022

셀룰러 오토마타(Cellular Automata; CA)는 격자(cell)에 대해 사전 정의된 규칙을 바탕으로 이웃 격자 간 상호작용을 해석하여 복잡한 동력학적 현상을 효과적으로 재현할 수 있는 이산형(discrete) 모의 기법이다. CA 기법은 격자 구조에 수치표고 자료 및 토양수분 정보 등을 직접 매칭 후 상호관계를 해석하기 때문에 공간정보를 최대한 활용하여 불균질성을 나타내는 것이 가능하다. 따라서, 도시 유출해석에 있어서 높은 정확도와 빠른 계산속도를 기대할 수 있다. 본 연구에서는 CA 기반 고해상도 물순환·침수 연계 해석 framework 개발 방향 및 CA 기반 prototype 모형의 사면유출 적용 사례를 소개한다. 개발 중인 CA 모형에서는 격자별 침수 깊이, 침투, 토양수분 저류, 지표 유출 등의 물순환 요소를 모의할 수 있다. 기존의 집중형(lumped) 모형은 지표-지표하 유출에 대한 routing algorithm이 없고 각 셀의 물수지 모형 내 파라미터가 많은 단점이 있다. 따라서 개발 중인 CA 모형에서는 cell state 내 fast reservoir와 slow reservoir를 통해 지표-지표하 상태를 구현하고 단순화된 물수지 모형 및 흐름 방향 알고리즘을 적용함으로써 실제 현장에서 발생하는 다중 피크 형태의 지표 유출을 모사한다. 최적의 지표수 흐름 방향 알고리즘 선정을 위해 3개의 다중 흐름 방향 알고리즘(D4, D8, 4+4N)을 정량적으로 비교·분석한다. 이번 발표에서는 CA 모형을 소규모 산지 사면과 도심지 등 다양한 규모의 테스트베드에 적용하여 모형의 장단점을 평가한다.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.45 no.1
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• pp.39-52
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• 2012

Surface-subsurface interactions are an intrinsic component of the hydrologic response within a watershed. In general, these interactions are considered to be one of the most difficult areas of the discipline, particularly for the modeler who intends simulate the dynamic relations between these two major domains of the hydrological cycle. In essence, one major complexity is the spatial and temporal variations in the dynamically interacting system behavior. The proper simulation of these variations requires the need for providing an appropriate coupling mechanism between the surface and subsurface components of the system. In this study, an approach for modelling surface-subsurface flow and transport in a fully intergrated way is presented. The model uses the 2-dimensional diffusion wave equation for sheet surface water flow, and the Boussinesq equation with the Darcy's law and Dupuit-Forchheimer's assumption for variably saturated subsurface water flow. The coupled system of equations governing surface and subsurface flows is discretized using the finite volume method with central differencing in space and the Crank-Nicolson method in time. The interactions between surface and subsurface flows are considered mass balance based on the continuity conditions of pressure head and exchange flux. The major module consists of four sub-module (SUBFA, SFA, IA and NS module) is developed.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2018.05a
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• pp.113-113
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• 2018

본 연구는 다목적 입자군집최적화(Particle Swarm Optimization, PSO) 알고리즘을 SWAT(Soil and Water Assessment Tool) 모형에 적용하여 자동보정 알고리즘의 적용 가능성을 평가하고자 한다. PSO 알고리즘은 Python을 활용해 다목적 함수를 고려할 수 있도록 새롭게 개발되었다. SWAT 모형의 유출 해석은 안성천의 공도 수위 관측소 상류유역($366.5km^2$)을 대상으로 하였으며, 공도 지점의 2000년부터 2017년까지의 일 유량 자료를 이용하여 검보정하였다. 모형을 위한 기상자료는 공도유역 주변 3개 기상관측소(수원, 천안, 이천)의 일별 강수량, 최고 및 최저기온, 평균 풍속, 상대습도 및 일사량을 구축하였다. SWAT 모형의 유출 해석은 결정계수(Coefficient of determination, $R^2$), RMSE(Root mean square error), Nash-Sutcliffe 모형효율계수(NSE) 및 IOA(index of agreement) 등을 활용하여, 기존 연구 결과와 PSO 알고리즘을 활용한 결과를 비교 분석하고자 한다. 본 연구에서 개발한 다목적 PSO 알고리즘을 활용한 SWAT모형의 유출 해석은 보다 높은 정확도를 얻을 수 있을 것으로 예상되며, Python으로 개발되어 SWAT모형 이외에도 널리 적용될 수 있을 것으로 판단된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2020.06a
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• pp.242-242
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• 2020

도시화와 산업화에 따른 유출환경의 변화로 인해 도심지에서 발생하는 대부분의 유출은 도로표면을 따라 이동하고 도로변에 설치된 빗물받이에 의해 배수된다. 이 때 빗물이 원활하게 배수되지 않아 노면수가 정체되고, 이 노면수가 인근 주택지로 유입되어 침수 피해가 발생한다. 이러한 현상은 유출량이 집중되는 도심지 저지대에서 주로 발생하며 설계 한도를 초과하지 않는 정상적인 강우 조건에서도 빈번히 나타나고 있다. 이는 최근의 기후 변화로 인한 집중 호우 등을 고려하여 설계 기준이 지속적으로 조정되어야 함과 동시에 도로 노면수의 배수 능력 평가를 위한 실제적인 연구가 이루어져야 한다는 필요성을 나타내고 있다. 특히 도로 빗물받이의 효율은 주로 종경사 및 횡경사 등의 도로 조건, 표면 유출 우수량, 빗물받이의 형상 등에 의존한다. 그러므로 상향된 설계빈도 및 도로 조건을 고려한 도로 표면 유출에 대한 흐름 분석과 빗물받이 특성을 고려한 실증연구의 분석 및 설계 해석 알고리즘의 개발이 시급한 실정이다. 본 연구에서는 도로 노면수의 배수 능력 증대를 위해 연속 설치된 빗물받이 조건 및 도로 경사조건을 고려하여 도로 배수시설의 표면 유출 모델 설계 알고리즘을 개발하였다. 표면 유출 유량은 도로의 차선(2~4차선), 경사(종경사 2~10% 및 횡경사 2~10%) 및 설계빈도(최대 30년)를 고려하였으며 유량이 노면 진행방향을 따라 연속적으로 증가하는 부등류 흐름 해석 방법을 채택하였다. 또한, 빗물받이 설치간격(L)과 도로의 폭(W)의 곱으로 계산되는 단순 직사각형 형태의 노면 형상이 아닌 도로 종경사 및 횡경사에 따른 유달거리를 산정하여 평행사변형 형태의 노면 형상을 계산하고 이에 따른 면적(A), 도달시간(tc) 및 강우강도(I)를 산정하였다. 이와 같은 1차원 흐름분석을 통해 도로 표면흐름 및 빗물받이 설치 간격을 제시하고 기존의 제시된 빗물받이 설치 간격과 비교하여 본 연구에서 제시한 설계 알고리즘을 검증하였다. 또한, 수리 실험을 통해 측정된 빗물받이 차집효율을 이용하여 연속 구간에서의 도로 표면 유출 모델의 적용성을 제시하였다. 이는 빗물받이 유입구를 통해 모든 유량이 유출된다고 가정하고 단독 구간에서의 수리분석 결과만을 고려하여 이를 확장시켜 개발된 기존의 도로 표면 유출 모델을 보완할 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구에서 제시하고 있는 설계 알고리즘을 적용한다면 도로 전체 구간에서의 흐름 변화 분석과 배수효율의 정량적인 분석이 가능하므로 향후 도로 표면 침수 피해 저감 및 배수능력 증대를 위한 실증적이고 정량적인 분석 방법이 될 것으로 판단된다.

• Journal of Wetlands Research
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• v.10 no.3
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• pp.125-132
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• 2008

Generally, stationary is considered as a basic assumption in frequency analysis. However, rainfall and flood discharge are changing due to the climate change and climate variability. Therefore, there is a new opinion that changing pattern of rainfall and flood discharge must be considered in frequency analysis. This study suggests the flood frequency analysis methodology using SIR algorithm which was developed from bootstrap could be used for considering climate change. Than is, SIR algorithm is selected for resampling method considering changing pattern of flood discharge and it has been used for resampling method with likelihood function. Resampled flood discharge data considering the increase of flood discharge pattern are used for parametric flood frequency analysis and this results are compared with frequency analysis results by Bootstrap and original observations. As the results, SIR algorithm shows the greatest flood discharge than other methods in all frequencies and this may reflect the increasing pattern of flood discharge due to the climate change and climate variability.

• Ecology and Resilient Infrastructure
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• v.8 no.4
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• pp.223-232
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• 2021

In general, stormwater flows to the road surface, especially in urban areas, and it is discharged through the drainage grate inlets on roads. The appropriate evaluation of the road drainage capacity is essential not only in the design of roads and inlets but also in the design of sewer systems. However, the method of road surface flow analysis that reflects the topographical and hydraulic conditions might not be fully developed. Therefore, the enhanced method of road surface flow analysis should be presented by investigating the existing analysis method such as the flow analysis module (uniform; varied) and the flow travel time (critical; fixed). In this study, the algorithm based on varied and uniform flow analysis was developed to analyze the flow pattern of road surface. The numerical analysis applied the uniform and varied flow analysis module and travel time as parameters were conducted to estimate the characteristics of rainfall-runoff in various road conditions using the developed algorithm. The width of the road (two-lane (6 m)) and the slope of the road (longitudinal slope of road 1 - 10%, transverse slope of road 2%, and transverse slope of gutter 2 - 10%) was considered. In addition, the flow of the road surface is collected from the gutter along the road slope and drained through the gutter in the downstream part, and the width of the gutter was selected to be 0.5 m. The simulation results were revealed that the runoff characteristics were affected by the road slope conditions, and it was found that the varied flow analysis module adequately reflected the gutter flow which is changed along the downstream caused by collecting of road surface flow at the gutter. The varied flow analysis module simulated 11.80% longer flow travel time on average (max. 23.66%) and 4.73% larger total road surface discharge on average (max. 9.50%) than the uniform flow analysis module. In order to accurately estimate the amount of runoff from the road, it was appropriate to perform flow analysis by applying the critical duration and the varied flow analysis module. The developed algorithm was expected to be able to be used in the design of road drainage because it was accurately simulated the runoff characteristics on the road surface.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2012.05a
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• pp.195-195
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• 2012

인공신경망 모형은 복잡하고 비선형의 입력과 출력 관계를 잘 반영할 수 있어서 유출 모델링에 널리 적용되어 왔다. 그러나 인공신경망 모형은 강우나 유역특성의 공간적 분포를 반영하는 것이 어려우며 물리적 개념이 결여되어 있는 단점이 있다. 본 연구에서는 유역특성과 물리적 개념을 반영할 수 있는 물리기반 모형과 인공신경망 모형의 장점들을 조합하여 물리기반 모형의 일 유출량 해석 능력을 향상하기 위하여 SWAT 모형과 인공신경망(ANN)을 연계하였다. SWAT-ANN 연계모형은 두 단계로 구성되어 진다. 첫 번째 단계에서는 관측 자료를 이용하여 SWAT 모형을 보정한다. 두 번째 단계에서는 첫 번째 단계에서 계산한 소유역별 SWAT 모형의 유출결과를 ANN의 입력자료로 이용하여 SWAT-ANN 연계모형을 구축한다. SCE-UA 최적화 방법을 적용하여 SWAT 모형의 매개변수들을 보정하였고, ANN 학습은 3층의 feed-forward 역전파 알고리즘에 기초한 Bayesian Regularization 방법을 적용하였다. ANN 은닉층의 뉴런 및 전달함수는 시행착오를 통하여 적절한 ANN 구조를 설정하여 SWAT-ANN 연계모형의 일유출량을 모의하였다. 여러 가지 통계적 오차기준을 이용하여 보청천 유역에서 SWAT-ANN 연계모형의 결과와 SWAT 단독 모형의 결과를 비교하였다. SWAT-ANN 연계모형이 SWAT 단독 모형보다 더 우수한 결과를 나타내어 일 유출량 해석을 위한 SWAT-ANN 연계모형의 유용성을 확인할 수 있었다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2018.05a
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• pp.34-34
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• 2018

본 연구는 다목적 유전자 알고리즘 Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm II (NSGA-II)를 활용하여 자동 검보정 알고리즘을 개발하고, 이를 준분포형 수문모형인 SWAT (Soil and Water Assessment Tool) 모형에 적용하여 평가하고자 한다. 집중형 모형과 달리, 분포형 모형은 유역 내 다양한 물리적 변수와 공간 이질성(spatial heterogeneity)을 표현하기 위한 많은 매개변수를 포함하고 있고, 최근에는 기후 변화와 장기 가뭄과 같은 이상 기후에 따른 물 부족, 수질 오염 및 녹조 현상 등을 고려하기 위해 매개변수의 시간적인 변동성을 고려하기 위한 연구도 수행되고 있다. 이에 따라 본 연구에서 개발한 다목적 알고리즘은 다양한 매개변수의 시공간적 특성을 고려할 수 있도록 작성되었으며, Python으로 개발하여 타 모형으로의 확장성 및 범용성을 고려하였다. SWAT 모형의 유출 해석은 결정계수(Coefficient of determination, $R^2$), RMSE(Root mean square error), 모형 효율성 계수(Nash-Sutcliffe efficiency, NSE) 및 IOA(Index of agreement) 등을 활용해 기존 연구 결과와 비교분석할 수 있도록 하였으며, 사용자의 선택에 따라 다른 목적함수 또한 활용할 수 있도록 하였다. NSGA-II를 활용한 SWAT 모형의 유출 해석은 다목적 함수를 고려함에 따라 실측값과 높은 상관성을 보여줄 것으로 판단되며, 이상 기후 기간 설정에 따른 유동적인 매개변수 변화를 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2005.05b
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• pp.749-754
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• 2005

본 연구에서는 한 개의 침투 조절 요소, 두 개의 직렬탱크 및 한 개의 병렬 탱크로 구성된 개선된 형태의 TANK 모형을 제시하였다. 침투는 강우의 형태로 유역에 공급되는 물의 분배를 결정하는 과정으로서, 이를 적절히 고려할 수 있는지의 여부가 강우-유출 모형의 유효성을 판단하는 기준이 된다고 해도 과언이 아니다. 따라서 본 연구에서는 구조가 비교적 단순하고 사용이 간편하여 기존에 널리 사용되어 오던 개념적 모형인 TANK 모형에 침투 조절 요소를 도입하여 보다 합리적으로 강우-침투-유출 과정을 모의하고 해석하고자 노력하였다. 이를 통해 단순히 시간의 함수가 아닌 토양 함수량의 함수로서 침투능의 변화를 고려할 수 있으며, 유역 유출의 각 성분(지표면 유출, 중간 유출, 지하수 유출)에 영향을 미치는 모형의 매개변수에 물리적 의미를 더욱 부여할 수 있다. 또한 침투 조절 요소의 매개변수 산정을 위해 선행 강우 지수(Antecedent Precipitation Index)를 이용하였으며, 이를 통해 토양 선행 함수 상태의 고려가 가능하다. 또한 본 연구에서는 모형의 매개변수 최적화를 위해 실수 코딩 유전 알고리즘(Real Coded Genetic Algorithm)을 사용하였으며, 모형의 적용성과 유효성 검증을 위해 IHP 연구 유역인 평창강 방림 유역을 대상유역으로 하여 이 유역의 실측 호우 사상을 사용하였다. 결과적으로 계산된 수문곡선은 관측치에 비교적 잘 일치하며, 단일 호우와 복합 호우 사상 모두에 대해 비교적 양호한 결과를 나타내었다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2012.05a
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• pp.853-857
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• 2012

진화계열 알고리즘은 무제약 최적화 알고리즘이다. 이러한 진화계열 알고리즘에 제약조건을 반영하기 위해서는 제약조건을 다룰 수 있는 추가적인 방법이 요구된다. 연구에서는 SWMM과 집합체 혼합진화 알고리즘을 연계한 자동 보정 모형에 제약조건을 반영하기 위해 벌칙 함수를 적용하였다. 적용된 벌칙 함수는 홍수 유출 해석 시 중요한 요소인 첨두유량과 관계된 제약사항이다. 벌칙 함수를 포함하여 구성된 자동 보정 모형은 밀양댐의 2009년 7월에 발생한 두 개의 호우사상에 대하여 적용되었다. 그 결과, 첨두유량에 관계된 벌칙 함수를 포함하지 않은 자동 보정의 경우, 첨두유량과 첨두유출 발생시간 모두 계산 결과가 관측자료에 부합하지 못하였다. 반면에 벌칙 함수를 적용할 경우, 계산 및 관측 자료의 첨두유량 오차는 확연히 줄었고, 첨두유량의 발생시간은 정확히 일치하였다. 그리고 계산된 수문곡선의 형상도 관측 수문곡선에 적합되었다. 즉, 벌칙 함수를 이용한 제약조건의 반영을 통해 자동 보정 모형의 기능을 향상 시킬 수 있었다.