• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2019년도 학술발표회
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• pp.109-109
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• 2019

본 연구에서는 강우-유출 과정 모의를 위한 GPU 기반 확산파 모형을 개발하였다. 확산파 방정식을 풀기위한 수치기법으로는 유한체적법을 이용하였으며, van Leer TVD limiter를 적용한 MUSCL 기법을 이용하여 각 셀의 인터페이스의 물리적 성질을 재구성하여 구하였다. 또한, 침투를 고려하기 위하여 Horton 침투 모형을 이용하였다. 개발된 모형을 이용하여 1D single overland plane과 2D V-shaped overland에서 강우-유출 과정을 모의실험을 하였으며, 각각 해석해와 dynamic wave model을 이용하여 계산된 수치 결과와 비교하여 본 모형의 정확성을 검증하였다. 또한, 1D와 2D의 기복이 심한 지형에 적용하여 강우-유출과정이 본 모형을 통하여 물리적으로 타당한 해석이 가능함을 검증하였다. 마지막으로 복잡한 실제 지형에 적용하였으며, 측정값과의 비교를 통하여 실제 유역에서의 확산파 모형의 적정성을 검증하였다. 또한, 본 연구에서는 NVIDIA사의 GPU인 Geforce GTX 1050과 GPU의 병렬 연산 처리 능력을 활용할 수 있는 NVIDIA사의 CUDA-Fortran을 이용하여 GPU 기반 확산파 모형을 개발하였다. PC windows에서 CPU(Intel i7, 4.70 GHz) 기반 모형 대비 GPU 기반 모형의 계산속도 성능을 비교한 결과, 격자 간격이 증가할수록 CPU 기반 모형 대비 GPU 기반 모형의 연산 효율이 증가하였으며, 격자 간격이 $3200{\times}3200$일 때, CPU 기반 모형 대비 GPU 기반 모형의 연산 효율이 최대 약 150배 증가하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2022년도 학술발표회
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• pp.96-96
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• 2022

가상현실 (Virtual Reality, VR) 기술은 3차원 가상공간 내에서의 높은 몰입감에 기반한 체험을 바탕으로 다양한 분야에서 활용되고 있다. 소방훈련이나 태풍, 지진 등 재해 대응훈련과 같이 인명피해의 위험이 있는 재해에 대한 VR 기술을 활용한 방재교육은 위험성을 동반하지 않으면서도 현장감에 기반한 높은 교육적 효과를 창출할 수 있다. 한국전자통신연구원에서는 VR 기술을 이용하여 소방훈련을 위한 실감 소방훈련 시뮬레이터를 개발한 바 있으며 목동재난체험관에서는 홍수, 태풍, 지진 등 다양한 재해에 대한 안전교육을 위한 자연재해 가상현실체험을 운영하고 있다. 이외에도 전국 지자체 및 교육청에서는 방재교육을 목적으로 VR 기술을 활용하고 있다. 그러나 기존의 VR을 활용한 수재해 방재교육은 범람의 수리학적 특성과 함께 수해지의 지형적 특성을 적절히 반영하지 못하는 단점을 가지고 있다. 이는 방재교육이나 경각심을 부각하는 데엔 효과적이나 실질적인 방재 가이드라인을 제시하는 데엔 한계가 있다. 본 연구는 몰입형 파랑해석모형인 Celeris Base를 기반으로 3차원 가상현실 시각화를 활용한 수리학적 홍수추적 모형을 개발하였다. 3차원 가상현실 시각화는 Unity3D를 이용하여 모의환경 내에 구현되었다. 강우-유출 과정의 수리학적 해석을 위해 동수역학 수치모형의 연속방정식 내에 강우와 침투에 대한 항을 추가하였다. 침투모형으로는 Horton 모형, Green-Ampt 모형과 함께 사면의 기울기를 고려한 Green-Ampt 모형을 적용하였다. 실제 유역에서의 홍수추적 모의결과는 관측값과 비교적 잘 일치함을 확인하였다. 개발된 모형은 VR 방재교육을 통해 일반인의 수재해 대응능력 향상에 기여함과 동시에 정확성 높은 홍수추적 모의결과에 기반한 홍수대책 마련에도 활용 가능할 것으로 기대된다.

• 한국산림과학회지
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• 제83권3호
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• pp.391-399
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• 1994

임지(林地)의 지피상태별(地被狀態別) 침투능(侵透能)을 조사, 분석하여 임지의 수저유(水貯留) 특성(特性)을 밝히고, 임지의 수보전기능(水保全機能)을 계량화(計量化)하기 위해 경북(慶北) 경주군(慶州郡) 내남면(內南面) 용장리(茸長里) 소재(所在) 영남대학교(嶺南大學校) 농축산대학(農畜産大學) 부속(附屬) 연습림(演習林)에서 1993년(年) 6월(月)부터 9월(月)에 걸쳐 수행한 연구결과는 다음과 같다. 1. 지피상태에 따른 임지 표층 (0~20cm)의 침투능은 참나무림지 > $A_o$층을 제거 한 참나무림지 > $A_o$층을 제거한 소나무림지>소나무림지>임간라지(林間裸地)>초지(草地)의 크기 순위였다. 2. 강우강도(降雨强度)의 증대에 따른 지피상대별 침투능의 순향(順向)은 큰 변화가 없었고, 침투능의 절대량(絶對量)은 증가하였다. 3. 침투능과 그 영향인자들과의 상관관계(相關關係)에 있어 서 침투능은 토양경도(土壤硬度) 및 전공극량(全孔隙量)과 고도(高度)의 상관이 있었다. 4. Horton의 침투식(侵透式) 모형(模型)에 근거한 침투방정식(侵透方程式)을 지피상태별로 각각 추정(推定)할 수 있었다. 5. 전공극과 토양경도를 이용하여 나타낸 침투능으로 임지의 수저류량 추정모델을 산출(算出)할 수 있었다. 본 연구에서는 침투능이 산지지피상태에 따라 차이를 보이고 있음을 밝혔고, 침투능에 영향을 미치는 주요인자를 구명함과 동시에 추정식을 산출하였다. 이 결과로 산지의 수원함양기능의 계량화에 접근할 수 있었으며 또한 산지의 효율적인 수자원 관리를 위한 대책수립에 도움을 줄 것으로 기대된다.

• 한국산학기술학회논문지
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• 제20권2호
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• pp.412-424
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• 2019

본 연구에서는 물리적 매개변수 기반의 물 순환 해석 모형인 CAT(Catchment hydrologic cycle Assessment Tool)의 침투해석 방법별 유역 유출 특성의 변화를 분석하였다. 연구대상 유역은 충남지역에 위치한 보령댐 유역으로 최근 몇 년간 심각한 가뭄으로 인해 피해를 입은 바 있으며 금강 하류에서 보령댐 상류를 잇는 도수로를 설치하는 등의 노력을 통하여 현재는 안정을 찾은 상태이다. 이상 기후로 인해 발생하는 잦은 가뭄에 대응하기 위해서 는 유역 내 수문 환경 특성 인자들의 상호작용 규명을 통한 정도 높은 물 순환 해석이 필수적이다. 본 연구에서는 토양 침투 관련 매개변수가 유역 유출 특성에 미치는 영향을 CAT에서 제공하는 Rainfall Excess, Green&Ampt 및 Horton 등의 침투 해석 방법별로 분석하였으며 각 침투해석 방법별 토양 관련 주요 매개변수들의 연도별 변동을 비교하기 위해 CAT과 연계된 매개변수 최적화 및 불확실성 분석 패키지인 PEST(Model-Independent Parameter ESTimation) 내의 전역최적화기법(SCEUA-P)을 이용하여 매개변수 보정을 실시하였다. 또한 매개변수 최적화 수행 시에 각 연도별로 최적화한 결과를 매년 적용하는 경우와 전체 모의기간에 대해 최적화한 결과를 전 기간에 적용하는 경우, 그리고 각 연도별 최적화한 결과의 평균값을 전체 모의기간에 적용하는 세 가지 경우에 대한 유출 특성의 변화를 침투 해석 방법별로 비교 및 분석하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2011년도 학술발표회
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• pp.121-121
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• 2011

도시유역 물순환 해석 모형(Catchment hydrologic cycle Analysis Tool, CAT)은 기존의 개념적 매개변수 기반의 집중형 수문모형과 물리적 매개변수 기반의 분포형 수문모형의 장점을 최대한 집약하여, 도시유역 개발 전/후의 장/단기적 물순환 변화특성을 정량적으로 평가하고 물순환 개선시설의 효과적인 설계를 지원하기 위한 물순환 해석 모형이다. 이 모형은 수문학적으로 균일하게 판단되는 범위를 소유역으로 분할하여 지형학적 요인에 의한 유출 특성을 객관적으로 반영할 수 있으며, 개발 공간 단위별로 침투, 증발, 지하수 흐름 등의 모의가 가능하도록 하는 링크-노드 방식으로 개발되었다. 모형의 UI(User Interface)는 사용자가 손쉽게 모형을 적용/관리하고, 여러 시나리오를 동시에 효과적으로 모의하여 분석할 수 있도록 설계되었다. 또한, 모든 입/출력 자료를 엑셀이나 텍스트 형식과 연동되도록 하여 프로젝트별 매개변수 관리가 용이하도록 개발하였다. 특히 본 모형에서는 사용자의 목적에 맞는 다양한 물순환 개선시설(침투시설, 저류지, 습지, 빗물저장시설, 리사이클 및 외부급수 등)의 구현 및 모의가 가능하도록 개발하였다. CAT은 수자원의지속적확보기술개발사업(2008 ~ 2011)의 연구 성과로서 한국건설기술연구원에서 개발하였다. 2008년 말에 모형의 기본구조가 개발되었고, 2009년에는 세부 알고리즘인 증발산, 침투, 유역 유출, 지하수 유거, 하도추적 등의 모듈과 사용자 편의시스템이 개발되었다. 2010년에는 우리나라 논의 특성을 반영한 논 유출 해석 모듈 및 저류지, 침투시설, 습지, 빗물이용시설 및 하천에서의 취수와 도수 등과 같은 물순환 개선시설을 평가할 수 있는 모듈을 추가하여 개발하였으며 2010년 3월에 도시유역 물순환 해석 모형 1.0 베타 버전을 출시하였다. 2010년 12월 에는 1.0 베타 버전에 침투해석모듈(Green&Ampt, Horton), 논에서의 개량물꼬 배수, 침투녹지(Bioretention) 및 차집관거 기능을 추가하였고, 기타 GUI의 업그레이드 및 추가를 통하여 1.5 베타 버전을 출시하였다. 현재까지 여러 자연유역과 신도시 개발지역에 대한 적용을 통하여 모형의 적용성을 평가하였다. 본 연구에서는 기존의 자연유역과 신도시 개발지역 외에 농업용 저수지와 논 관개지구가 위치한 유역을 대상으로 모형의 적용성을 평가하고자 하였다. 대상유역은 농업용수 지구이며 농업수리시설의 종류와 규모가 다양할 뿐만 아니라 농촌유역으로써의 대표성을 가지고 기존의 관측자료가 풍부한 점 등을 고려하여 경기도 평택의 이동유역을 선정하였다. 이동유역은 행정구역으로는 경기도 용인시 이동면, 남사면 일원이며 서쪽은 경기도 오산시, 남쪽은 평택시, 안성시 그리고, 북쪽은 용인시와 인접하고 있다. 이동유역 내 주요시설로서 유역면적 $94.4km^2$의 이동저수지와 상류에 용덕저수지($12.41km^2$)와 미산저수지($4.39km^2$), 노곡저수지($2.00km^2$)의 3개 저수지가 위치하며 2개의 유입하천(진위천, 송전천)에 의해 이동저수지로 유입된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2018년도 학술발표회
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• pp.186-186
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• 2018

본 연구에서는 매개변수 자동 보정기법인 PEST(Model-Independent Parameter Estimation and Uncertainty Analysis)를 CAT 모형에 연계하여 유출특성 분석을 실시하였다. CAT-PEST 연계모형은 CAT 모형의 모의유출량을 이용하며 PEST의 반복계산을 통하여 최적 매개변수를 추정한다. 침투방법은 CAT에서 제공하는 Rainfall Excess 방법, Green and Ampt 방법 및 Horton 방법을 이용하였으며 각 침투방법에 따른 유출 특성을 비교 및 분석하였다. 연구대상유역은 보령 댐 유역으로 유역면적은 $163.7km^2$이며 전체면적의 약 80%가 산지로 구성되어 있고, 유로연장은 22.3km, 유역평균경사는 40.19%이다. 또한 보령댐 유역의 월평년값 평균기온은 -0.8에서 $25.5^{\circ}C$로 계절변동이 매우 큰 것을 알 수 있다. 최근 몇 년간 심각한 가뭄 피해를 입은 보령댐 유역은 2016년에 도수관로를 완공하여 이를 통해 금강으로부터 물을 끌어다 쓰고 있는 실정이며, CAT 모형에서는 금강도수유입량을 외부유입 처리하여 유출량을 산정하였다. 모의기간은 1999년부터 2017년까지이며 전체기간에 대한 보정 후 연도별 보정을 실시하였다. 통계적 평가수단은 $R^2$, RMSE 및 NSE를 사용하여 유역 최종출구점에서의 유출량과 비교하였으며 전체기간에 대한 보정결과 NSE와 $R^2$가 0.75 이상으로 나타나 대체적으로 모의 유출수문곡선이 관측 수문곡선과 유사한 양상을 보였다.

• 한국산학기술학회논문지
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• 제17권11호
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• pp.26-41
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• 2016

본 연구에서는 물리적 매개변수 기반의 물순환모형 CAT(Catchment hydrologic cycle Assessment Tool)을 매개변수 자동보정 기법인 PEST(Model-independent Parameter ESTimation)와 연계하여 단기 유출 특성을 분석하였다. CAT모형의 유출 모의 시 CAT모형에서 지원하는 3가지 침투 해석 방법((Rainfall excess, Green&Ampt and Horton)을 적용하였으며, 대표적인 단기 유출모형인 HEC-HMS를 비교 모델로 설정하여 모의 결과를 비교 분석하였다. 대상유역은 탄천의 지류인 운중천과 금토천이 포함된 판교 시험유역으로 유역면적은 $22.9km^2$이며, 유로연장은 9.2km이다. 2006, 2007년 중 누적 강우량 40mm이상에 해당하는 6개의 강우사상을 대상으로 모의를 실시하였다. 주요 매개변수를 대상으로 첨두유량, 첨두시간, 유출용적에 대한 민감도 분석 수행 후, PEST를 적용하여 유출 특성에 민감하게 반응하는 토양 관련 매개변수들에 대해 최적화를 수행하였다. 모의 결과 HEC-HMS의 경우 6개 강우사상에 대해 NSE가 0.63~0.91이었으며, CAT-PEST는 NSE 0.42~0.93의 모형 효율을 보였다. 선행토양함수조건에 따라 유출특성이 민감하게 반응하는 강우사상에 대해서는 HEC-HMS의 모의 정확도가 높았으나 강우 특성에 따라 유출특성이 민감하게 반응하는 경우에는 한계가 있는 것으로 보인다. 물리적 매개변수가 입력자료로 사용되는 CAT-PEST의 경우 다양한 유출특성을 가진 강우 사상에 대해 정밀한 유출 분석이 가능할 것으로 판단된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2019년도 학술발표회
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• pp.355-355
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• 2019

본 연구에서는 물리적 매개변수 기반의 물 순환 해석 모형인 CAT(Catchment hydrologic cycle Assessment Tool)을 이용하여 보령댐 유역 상류에 위치한 삼산저수지의 저류량을 분석하였다. 연구기간은 2012~2017년이며 2015년 발생한 가뭄 대책의 일환으로 2016년 이후 금강과 보령댐을 잇는 도수로를 설치하여 유역내로 외부유입량이 유입되었다. 이에 본 연구에서는 보다 정확한 저류량 산정을 위해 모의 기간을 2012~2015년 및 2016~2017년으로 나누어 연구를 수행하였다. 매개변수 보정에 앞서 CAT에서 제공하는 세 가지 침투해석방법인 Rainfall Excess, Green&Ampt, Horton 방법을 모두 적용하여 모의하였으며 그 결과 Rainfall Excess 침투방법을 적용했을 때의 모의 정확도가 비교적 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이에 본 연구에서는 Rainfall Excess 침투방법의 주요 토양 관련 매개변수인 토양수분율(${\theta}s$), 연직방향 투수계수(ks) 및 사면방향 투수계수(ksi)를 대상으로 전역최적화기법(SCEUA-P)을 이용한 보정을 수행하였으며 보정 전 후의 모의 저류량과 관측 저류량을 연도별로 비교 및 분석하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2019년도 학술발표회
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• pp.36-36
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• 2019

강원도 설악산 국립공원에는 국내 최장의 토왕성 폭포가 있다. 유역면적이 $0.54km^2$에 불과하여 평소에는 폭포의 물줄기를 볼 수 없지만, 비 온 뒤에는 며칠간 하얀 물줄기의 장관을 연출한다. 본 연구에서는 물리적 기반의 수문모형인 CAT3.0을 이용하여 강우시 토왕성 폭포의 유출량을 분석하고 강우량에 따른 유출지속기간을 산정하여 강우의 누적량 및 지속기간에 따른 폭포의 물줄기를 볼 수 있는 기간을 추정하고자 하였다. CAT 3.0은 다양한 침투방정식중에 Rainfall Excess, Horton Eq., Green-Ampt. Eq.을 이용하여 강우시 토양특성(토양깊이, 투수계수)과 잠재증발산량과 토양수분량에 의한 실제증발산량을 산정하고 유출량을 계산하는 수문모형이다. 토왕성 폭포의 유출 특성을 분석하기 위하여 속초지점의 19년간(2010~2018) 관측자료를 이용하였으며, 토양의 깊이는 10 cm, 30 cm를 가정하여 비교하였다. 유출해석을 위하여 일단위 자료를 사용하였으며, 강우지속일수 및 누가강우량에 따른 유출을 산정하고 폭포의 물줄기가 확연히 보일 수 있는 한계유출량을 추정하였다. 폭포로부터의 유출량을 측정하는 관측지점이 없으므로, 폭포의 물줄기를 볼 수 있는 기간은 방송사 뉴스, 신문기사, SNS 등의 다양한 정보원으로부터 유추해석하였다. 이러한 분석결과로부터 강우에 의한 토왕성 폭포의 물줄기를 볼 수 있는 기간을 제시하였다.