KR102009373B1 - 강우지속기간을 변화시키는 홍수량 산정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 강우지속기간을 변화시키는 홍수량 산정 기술에 관한 것으로, 홍수량 산정 방법은, 미리 설정된 시간 간격을 증가시키면서 복수 개의 강우지속기간을 설정하고, 확률강우강도식을 이용하여 개별 강우지속기간에 대한 확률강우량을 각각 산출하고, 강우지속기간별로 산출된 상기 확률강우량을 자동으로 분포시키며, 분포된 강우지속기간별 확률강우량을 강우유출모형에서 정의하는 포맷으로 변환하여 강우지속기간별 입력 데이터를 동시에 생성하고, 변환된 입력 데이터를 강우유출모형에 입력하여 각각의 강우지속기간별로 실행시키며, 강우지속기간별 실행 결과를 미리 설정된 개수의 시계열적인 구간으로 분류하고, 유역 도달시간에 대응하는 제 1 구간 및 제 1 구간의 전/후에 해당하는 제 2 구간 및 제 3 구간을 선택하여 해당 구간으로부터 홍수량 값을 획득하며, 획득된 홍수량의 최대값인 첨두홍수량 및 임계지속시간을 도출하여 결과로서 출력한다.

Description

강우지속기간을 변화시키는 홍수량 산정 방법{Estimation method of flood discharge for varying rainfall duration}

본 발명은 홍수량을 산정하는 기술에 관한 것으로, 특히 자동화된 프로그램을 이용하여 강우지속기간을 다양하게 변화시키고 유역 도달시간과 임계지속시간의 상관관계를 이용하여 고속으로 첨두홍수량을 도출하는 홍수량 산정 방법에 관한 것이다.

하계 강우집중도가 높은 우리나라의 호우 특성상 수자원 관리에 보다 정교한 분석과 예측이 요구된다. 특히 자연현상을 물리적으로 해석하기 위한 수문 모델링 기법을 활용하여 수자원 환경을 정확하게 이해하고 이에 개입하는 제어 요소들 간의 상호 연관성과 시간에 따른 변화를 파악하는 모델링 기법과 시뮬레이션 방법이 중요하다.

이하에서 조사된 선행기술문헌에는 소유역별 자료의 입력으로부터 소유역별 유입량과 유출량, 물수지를 계산하고 그 결과를 GIS 기반의 출력자료로서 가공하는 기술적 수단을 제공하되, GIS 데이터베이스와 가지야마(Kajiyama) 유출고 공식에 의한 수문 모형을 연계함으로써, GIS 기반의 수문 모델링을 통해 유역관련 수자원 관리에 기여할 수 있었다.

그러나, 강우에 의한 유역의 지표면 유출을 시뮬레이션함에 있어서, 산업 현장에서는 실무적으로 발생하는 다양한 강우지속기간에 따른 모의 실험 및 반복적인 분석을 보다 효과적으로 수행할 수 있는 수단이 필요하다고 지적되었다.

한국 등록특허공보 제10-0541930호, "지리정보시스템(지아이에스)을 기반으로 하는 수문모델링방법"

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 종래의 홍수량 산정을 위한 강우유출모형 프로그램을 운용하는 과정에서 전적으로 수작업으로 대량의 입력자료를 구성하고 구성된 입력자료를 인력에 의해 반복적으로 실행시킨 후 결과 데이터를 취합하여야 했으며 그로부터 모든 결과 데이터를 검토하여 첨두홍수량을 도출해야 하는 불편이 발생하는 문제를 해소하고, 이러한 인력에 의한 반복 작업으로 인해 나타나는 실수 및 시간·비용 증가의 약점을 극복하고자 한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 적어도 하나의 프로세서를 구비하는 홍수량 산정 장치가 홍수량 산정을 위한 일련의 명령어를 포함하는 프로그램을 실행하여 홍수량 산정을 수행하는 방법은, (a) 홍수량 산정 장치가, 미리 설정된 시간 간격을 증가시키면서 복수 개의 강우지속기간을 설정하고, 확률강우강도식을 이용하여 개별 강우지속기간에 대한 확률강우량을 각각 산출하고, 강우지속기간별로 산출된 상기 확률강우량을 Huff 4분위법을 이용하여 1~4분위별, 강우지속기간별로 자동으로 분포시키며, 분포된 강우지속기간별 확률강우량을 강우에 의한 유역의 지표면 유출을 시뮬레이션하는 강우유출모형 HEC-1에서 정의하는 포맷(format)으로 변환하여 상기 강우지속기간별 HEC-1 입력 데이터를 동시에 생성하는 단계; (b) 상기 홍수량 산정 장치가, 변환된 상기 입력 데이터를 강우에 의한 유역의 지표면 유출을 시뮬레이션하는 강우유출모형 HEC-1에 입력하여 각각의 강우지속기간별로 실행(run)시키는 단계; 및 (c) 상기 홍수량 산정 장치가, 상기 강우지속기간별 실행 결과를 미리 설정된 개수의 시계열적인 구간으로 분류하고, 유역 도달시간에 대응하는 제 1 구간 및 상기 제 1 구간의 전/후에 해당하는 제 2 구간 및 제 3 구간을 선택하여 해당 구간으로부터 홍수량 값을 획득하며, 획득된 홍수량의 최대값인 첨두홍수량 및 상기 첨두홍수량이 발생하는 지속시간을 나타내는 임계지속시간(critical rainfall duration)을 도출하여 결과로서 출력하는 단계;를 포함한다.

일 실시예에 따른 홍수량 산정 방법에서, 상기 (a) 단계는, (a1) 미리 설정된 시간 간격을 증가시키면서 복수 개의 강우지속기간을 설정하고, 확률강우강도식을 이용하여 개별 강우지속기간에 대한 확률강우량을 각각 산출하는 단계; (a2) 대상 유역에 대한 강우기록 통계로부터 Huff 6차 회귀식 계수를 산출하고, 강우지속기간별로 산출된 상기 확률강우량을 Huff 4분위법 및 무차원 누가곡선을 이용하여 1~4분위별, 강우지속기간별로 자동으로 시간 분포시키는 단계; 및 (a3) 분포된 강우지속기간별 확률강우량을 강우유출모형 HEC-1에서 정의하는 포맷(format)으로 변환하되, 유역 도달시간, 저류상수, 유출곡선지수(curve number, CN)을 포함하여 상기 강우지속기간별 대량의 HEC-1 입력 데이터를 동시에 생성하는 단계;를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따른 홍수량 산정 방법에서, 상기 (b) 단계는, (b1) 변환된 상기 입력 데이터를 미리 설정된 확률빈도별로 분류하는 단계; (b2) 분류된 상기 확률빈도별로 상기 입력 데이터를 상기 강우유출모형 HEC-1에 입력하는 단계; 및 (b3) 상기 확률빈도별로 입력된 상기 강우유출모형 HEC-1을 동시에 병렬적으로 실행함으로써 확률빈도별로 각각의 강우지속기간에 따른 홍수량을 획득하는 단계;를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따른 홍수량 산정 방법에서, 상기 (c) 단계는, (c1) 상기 강우지속기간별 실행 결과를 미리 설정된 개수의 시계열적인 구간으로 분류하는 단계; (c2) 해당 유역의 유로연장 및 유로경사에 따른 도달시간과 임계지속시간의 상관관계에 기초하여, 유역 도달시간에 대응하는 제 1 구간 및 상기 제 1 구간의 전/후에 해당하는 제 2 구간 및 제 3 구간을 선택하여 해당 구간으로부터 홍수량 값을 획득하는 단계; 및 (c3) 획득된 홍수량들로부터 첨두홍수량 및 임계지속시간을 도출하여 결과로서 출력하는 단계;를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따른 홍수량 산정 방법은, (d) 상기 강우지속기간별 실행 결과 중에서, 정규분포에서 벗어난 홍수량 값 및 미리 실행되어 저장된 과거의 홍수량 값과의 차이가 임계값보다 큰 값 중 적어도 하나를 오류로 추정하여 출력하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

한편, 이하에서는 상기 기재된 홍수량 산정 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공한다.

본 발명의 실시예들은, 강우유출모형 HEC-1 프로그램의 입력자료의 구축, 실행, 결과 정리의 과정을 획기적으로 단축하여 정확한 홍수량 산정 및 수자원분야 기술자의 생산성을 증대시키는 것이 가능하며, 시간과 인력 투입을 감소시켜 이에 소요되는 노력 및 경비 절감을 기대할 수 있으며, 하천계획 및 설계에 간편하게 이용하는 것이 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 강우지속기간을 변화시키는 홍수량 산정 방법을 도시한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 홍수량 산정 방법에서, 입력 데이터 구축, 실행, 결과 정리 알고리즘의 수행 과정을 보다 구체적으로 도시한 흐름도이다.
도 3은 전국 주요 지점의 Huff 시간분포 자료를 통해 Huff 6차 회귀식 계수를 산출하는 과정을 예시한 도면이다.
도 4는 입력 데이터 구축 알고리즘에서, Huff 1~4분위 계수, 강우강도식, 계획 빈도, 단위도의 시간간격, 및 무차원 특성변수의 입력 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 5는 입력 데이터 구축 알고리즘에서, 지형 매개변수의 입력 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 6은 실행(run) 알고리즘에서 전체 데이터를 실행하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 7은 결과(result) 정리 알고리즘에서 도출된 결과값 정리에 대한 명령 수행 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 8은 결과 정리 알고리즘에서 실행한 결과를 예시한 도면이다.
도 9는 결과 정리 알고리즘에서 실행한 결과로부터 첨두홍수량과 임계지속시간을 즉시 확인할 수 있음을 설명하기 위한 예시도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 강우지속기간을 변화시키는 홍수량 산정 장치를 도시한 블록도이다.

본 발명의 실시예들을 설명하기에 앞서, 본 발명의 실시예들이 구현되는 환경 내에서 종래의 기술 수단이 갖는 실무적인 문제점을 개괄적으로 소개한 후, 이를 해결하기 위해 안출된 본 발명의 실시예들에서 채택하고 있는 기술적 원리를 순차적으로 제시하도록 한다.

설계홍수량(Design Flood Discharge)은 홍수 특성과 홍수의 발생 빈도 및 홍수 피해 위험성을 사회·경제적 요인 등과 함께 고려하여 수공구조물의 설계 기준으로 최종 선택하는 첨두홍수량 혹은 홍수수문곡선으로 정의할 수 있다. 이러한 홍수량 산정은 수공구조물의 규모를 결정하는 가장 기초가 되는 분석으로, 확률강우량을 산정한 후 유출 모형으로부터 유출량을 모의하는 것이 일반적이다. 설계홍수량을 산정하는 설계강우-유출 관계분석 방법은 상대적으로 풍부한 강우 자료를 활용할 수 있는 장점을 지니고 있다. 이는 현재 실무에서 주로 사용하고 있는 방법이며, 홍수량 자료 시계열의 빈도 해석보다 실무 적용성이 높은 방법이다.

설계강우-유출 관계분석 방법을 통한 홍수량 산정을 위해서는, 먼저 구하고자 하는 유역 인근에 위치한 기상청, 국토교통부, 한국수자원공사, 한국농어촌공사 등의 우량관측소에 기록된 강우량 자료를 수집하여, 지속기간별 연 최대강우량을 추출한다. 추출된 지속기간별 연 최대강우량을 다양한 빈도해석 프로그램을 통해 지점확률강우량을 산정하고, 임의 지속기간에 대한 확률강우량을 산출하기 위해 확률강우강도식을 유도하게 된다. 앞서 산정된 확률강우량 등과 같은 설계강우의 경우에는 시간분포를 알 수 없으므로 인위적으로 분포시키는 방법을 적용하며, 설계강우의 시간분포를 위해 실무에서는 주로 Huff의 4분위법을 적용하고 있다. Huff의 4분위법은 강우기록의 통계학적 분석을 통하여 제시된 무차원 누가곡선을 활용하여 강우를 시간 분포시키는 방법이다.

유역특성인자는 수치지형도를 이용하여 유역 면적, 유로 연장, 유로 경사, 형상계수 등을 산정하고, 이를 통해 소유역 전체의 도달시간을 산정한다. 유효우량은 단위도를 이용하여 직접유출수문곡선을 계산하기 위하여 설계우량의 시간적 분포에서 침투에 의한 손실우량을 제외하는 방식으로 산정한다. 현재 실무에서는 미국 NRCS(Natural Resources Conservation Service, 미국자연자원보호청) 방법을 주로 채택하고 있다. NRCS 방법은 정밀토양도에서 제시한 토양을 A, B, C, D의 4개 유형(type)으로 구분하고, 토지이용도나 토지피복도에서 토지 이용현황을 구분하여, 이를 토대로 유출곡선지수(Curve Number, CN)를 산정한다. 앞서 산정한 확률강우강도식에 의한 지속시간별 강우량과 강우 분포, 도달시간 등의 유역특성인자, 유출곡선지수(CN) 등의 자료를 토대로 Clark, NRCS, Snyder 등의 합성단위도법을 이용하여 홍수량을 산정하게 된다. 이때, 강우에 의한 유역의 지표면 유출을 모의하기 위해 강우유출모형 프로그램인 HEC-1 프로그램을 적용할 수 있으며, 이 프로그램에는 Clark, NRCS, Snyder 단위도법에 관한 홍수량 산정 알고리즘이 내장되어 있다.

HEC-1 프로그램은 1967년에 미국의 Leo R. Beard와 미육군공병단(USACE, US Army Corps of Engineers) 수문공학센터(Hydrologic Engineering Center, HEC)의 연구진에 의해 최초로 개발되었다. 그 후로 수정이 거듭되어 현재에 이르고 있다. HEC-1 프로그램은 강우에 의한 유역의 지표면 유출을 모의하기 위해 강우-유출 현상의 수리, 수문학적 과정을 상호 연결하여 유역의 응답을 나타내도록 설계되었다. 각 수리, 수문학적 과정은 일반적으로 소유역이라 불리는 유역의 일부분에서의 강우-유출 과정을 모형화 한다. 각 과정은 지표면유출이나 하도유출 혹은 저수지유출 등을 재현할 것이다. 이런 과정을 재현하려면 물리적 과정의 특성과 수학적 관계를 나타내는 일련의 매개변수가 필요하다. 이 프로그램을 통해 유역 내 원하는 지점에 대한 유출 수문곡선을 계산해 낼 수 있다.

한편, 임계지속시간(Critical Rainfall Duration)이란 설계강우에 의해 발생하는 유출량이 강우의 시간적 분포에 따라 변화되는 점을 고려하여 기존의 홍수도달시간을 강우의 지속시간으로 설정하는 고전적인 개념에서 벗어나, 설계하고자 하는 수공구조물의 특성에 따른 설계 유출량을 파악하고자 하는 시도에서 비롯된 개념이다. 즉, 설계하고자 하는 구조물이 홍수시 유출량을 저류하고자 하는 저류지이거나, 설계호우에 대한 첨두유량을 소통시켜야 하는 하수관거, 방류구조물일 경우 설계강우에 의해서도 강우의 지속시간에 따라 유출총량과 첨두유량이 변화되므로 구조물의 목적에 따라 최대값을 보이는 강우사상을 설정하게 된다.

그러나, 홍수량 산정을 위한 HEC-1 프로그램을 구동하여 임계지속시간을 찾기 위해서는 강우지속시간을 일정시간 간격(일반적으로 5분 내지 10분)으로 증가시켜 가면서 홍수량 산정지점별로 지루하고 반복적인 입력자료 구축, 프로그램 실행을 실시해야 할 필요가 있으며, 실행 결과에서 하천의 첨두홍수량을 찾기 위해서는 유출수문곡선의 형상과 수치를 일일이 도표로 변환하여야 한다. 특히, 산정한 확률강우량을 시간분포 시키고, 유역특성인자, 유출곡선지수(CN) 등의 자료를 데이터 파일에 입력한 후, 이를 실행하여 결과 값을 산출하고, 이 결과 값들을 도표화하여 결과 값 중 첨두홍수량(홍수량 중 최대치)과 첨두홍수량이 발생하는 지속시간인 임계지속시간(Critical Rainfall Duration)을 찾아가는 과정을 거쳐야 하며, 이 과정은 매우 지루하고 반복적인 작업이다. 이로 인해, 수자원 실무자의 반복되는 단순 작업으로부터 부정확한 결과 값이 도출되는 경우가 빈번하게 발생하게 되며, 결과 값 산출에 소요되는 시간 및 경비가 크게 발생하는 문제점을 내포하고 있다.

따라서, 정확한 홍수량 산정 및 수자원분야 기술자의 생산성 증대를 위해, HEC-1 프로그램의 입력자료 구축, 실행, 결과 정리에 요구되는 일련의 과정을 표준화하고 자동화하여 불필요한 단순 반복 작업을 재구성함으로써 정확하고 빠른 홍수량 산정을 가능하게 하는 새로운 처리·분석 방법이 필요한 상황이다.

이를 위해 안출된 본 발명의 실시예들은 다음과 같은 특징과 구성을 갖는다. 첫째, Huff 분포 회귀식 계수, 강우강도식, 계획 빈도, 강우지속시간간격, 무차원특성변수, 지형 매개변수 등을 하나의 파일에 지정하여, 많은 시간과 인력 투입을 통해 작성하는 데이터 파일 작성과정을 짧은 과정으로 대체할 수 있는 입력자료 구축(Input) 알고리즘을 제안한다. 둘째, 작성된 수많은 데이터 파일들을 하나씩 실행하는 일련의 과정을 재구성하여 한 번의 실행으로 대체할 수 있는 실행(Run) 알고리즘을 제안한다. 셋째, 생성된 수많은 결과 파일들(Output Files)을 하나씩 확인하여 홍수수문곡선의 형상과 수치를 도표로 변환하여 첨두홍수량을 찾아가는 과정을 한 번의 실행으로 대체하되 고속으로 첨두홍수량을 도출할 수 있는 새로운 연산 방식을 소개하며, 첨두홍수량과 임계지속시간을 바로 확인할 수 있는 결과 정리(Result) 알고리즘을 제안한다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 구체적으로 설명하도록 한다. 다만, 하기의 설명 및 첨부된 도면에서 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 구성 요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제 1 구성 요소는 제 2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성 요소도 제 1 구성 요소로 명명될 수 있다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

특별히 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 강우지속기간을 변화시키는 홍수량 산정 방법을 도시한 흐름도이다. 도 1에 도시된 각 단계는, 적어도 하나의 프로세서를 구비하는 홍수량 산정 장치가 홍수량 산정을 위한 일련의 명령어를 포함하는 프로그램을 실행하여 홍수량 산정을 수행하는 방법으로서 구현될 수 있다.

S110 단계에서, 홍수량 산정 장치는, 미리 설정된 시간 간격을 증가시키면서 복수 개의 강우지속기간을 설정하고, 확률강우강도식을 이용하여 개별 강우지속기간에 대한 확률강우량을 각각 산출하고, 강우지속기간별로 산출된 상기 확률강우량을 Huff 4분위법을 이용하여 1~4분위별, 강우지속기간별로 자동으로 분포시키며, 분포된 강우지속기간별 확률강우량을 강우에 의한 유역의 지표면 유출을 시뮬레이션하는 강우유출모형 HEC-1에서 정의하는 포맷(format)으로 변환하여 상기 강우지속기간별 HEC-1 입력 데이터를 동시에 생성한다.

보다 구체적으로, 상기 S110 단계에서는, 우선 미리 설정된 시간 간격을 증가시키면서 복수 개의 강우지속기간을 설정하고, 확률강우강도식을 이용하여 개별 강우지속기간에 대한 확률강우량을 각각 산출한다. 또한, 대상 유역에 대한 강우기록 통계로부터 Huff 6차 회귀식 계수를 산출하고, 강우지속기간별로 산출된 상기 확률강우량을 Huff 4분위법 및 무차원 누가곡선을 이용하여 1~4분위별, 강우지속기간별로 자동으로 시간 분포시킨다. 그런 다음, 분포된 강우지속기간별 확률강우량을 강우유출모형 HEC-1에서 정의하는 포맷(format)으로 변환하되, 유역 도달시간, 저류상수, 유출곡선지수(curve number, CN)을 포함하여 상기 강우지속기간별 대량의 HEC-1 입력 데이터를 동시에 생성하게 된다.

구현의 관점에서, 종래의 HEC-1 프로그램에서 데이터 입력 과정은 5분 단위도 기준으로 강우지속기간 5분 ~ 2,880분의 576회 입력, 그리고 일반적으로 계산하게 되는 확률빈도 10년, 20년, 30년, 50년, 80년, 100년, 200년의 7개 빈도에 대해 최대 4,032회에 대한 지루한 입력 과정을 거치게 된다. 그 입력 과정을 세부적으로 보면, 기 산정된 확률강우강도식에 의해 강우지속기간 5분 ~ 2,880분의 확률강우량을 산출하고, 산정된 강우지속기간별 확률강우량을 Huff 4분위법에 의해 1~4분위별, 각 강우지속기간별 강우를 시간 분포시킨다. 다음으로, 분포된 강우지속기간별 강우 자료를 토대로 HEC-1 프로그램의 입력 데이터에 입력하는 과정을 거치게 되므로, 긴 시간과 노력이 필요하게 된다.

그러나 본 발명의 실시예들이 제안하는 입력자료 구축(Input) 알고리즘은 각 빈도년에 대해 각 1회의 입력 과정으로 이를 대체하여 최대 4,032회의 입력 과정을 최소 7회(빈도별 각 1회)의 입력 과정으로 대체할 수 있다. 즉, 앞서 소개한 반복 과정을 몇 번의 입력자료 구축 과정으로 대체할 수 있다. 동일한 예를 가정하면, 확률강우강도식에서 산출되는 강우지속기간 5분 ~ 2,880분의 강우량이 자동으로 정리되고, 정리된 강우지속기간별 확률강우량을 Huff 4분위법에 의한 1~4분위별, 각 강우지속기간별로 자동으로 시간 분포시키고, 시간 분포된 각 강우지속기간별 강우량을 HEC-1 프로그램에서 사용할 수 있는 데이터 파일로 자동으로 입력된다. 또한, 입력자료 구축의 시간 및 노력의 투입을 획기적으로 줄이는 것 외에, 실무자의 긴 입력자료 구축 과정 중 발생할 수 있는 자료 입력의 오류를 사전에 차단하여 더욱 정확한 입력자료 구축 및 실행이 가능해지는 장점이 있다.

S120 단계에서, 상기 홍수량 산정 장치는, 변환된 상기 입력 데이터를 강우에 의한 유역의 지표면 유출을 시뮬레이션하는 강우유출모형 HEC-1에 입력하여 각각의 강우지속기간별로 실행(run)시킨다.

보다 구체적으로, 상기 S120 단계에서는, 변환된 상기 입력 데이터를 미리 설정된 확률빈도별로 분류하고, 분류된 상기 확률빈도별로 상기 입력 데이터를 상기 강우유출모형 HEC-1에 입력한다. 이제, 상기 확률빈도별로 입력된 상기 강우유출모형 HEC-1을 동시에 병렬적으로 실행함으로써 확률빈도별로 각각의 강우지속기간에 따른 홍수량을 획득하게 된다.

S130 단계에서, 상기 홍수량 산정 장치는, 상기 강우지속기간별 실행 결과를 미리 설정된 개수의 시계열적인 구간으로 분류하고, 유역 도달시간에 대응하는 제 1 구간 및 상기 제 1 구간의 전/후에 해당하는 제 2 구간 및 제 3 구간을 선택하여 해당 구간으로부터 홍수량 값을 획득하며, 획득된 홍수량의 최대값인 첨두홍수량 및 상기 첨두홍수량이 발생하는 지속시간을 나타내는 임계지속시간(critical rainfall duration)을 도출하여 결과로서 출력한다.

보다 구체적으로, 상기 S130 단계에서는, 상기 강우지속기간별 실행 결과를 미리 설정된 개수의 시계열적인 구간으로 분류한다. 그런 다음, 하천 연장에 따른 도달시간과 임계지속시간의 상관관계에 기초하여, 유역 도달시간에 대응하는 제 1 구간 및 상기 제 1 구간의 전/후에 해당하는 제 2 구간 및 제 3 구간을 선택하여 해당 구간으로부터 홍수량 값을 획득한다. 마지막으로, 획득된 홍수량들로부터 첨두홍수량 및 임계지속시간을 도출하여 결과로서 출력할 수 있다.

구현의 관점에서, 종래의 HEC-1 프로그램에서 실행된 홍수량 값을 정리하는 일련의 과정은 모든 결과 파일들(Output Files)을 하나씩 확인하여 홍수수문곡선의 형상과 수치를 도표로 변환하여 첨두홍수량을 찾아가는 과정을 거쳐야만 했다. 이에 반해, 본 발명의 실시예들이 제안하는 결과 정리(Result) 알고리즘은 해당 유역의 유로연장 및 유로경사에 따라 도달시간과 임계지속시간의 상관관계가 있다는 점에 착안하였다. 예를 들어, HEC-1 프로그램의 실행으로 산출된 각각의 홍수량 값들(빈도별 최대 576개의 결과)을 50개씩의 구간(총 12개 구간, 576÷50≒12)으로 설정하고, 이 중 도달시간과 유사한 3개의 임계지속시간 구간(해당 유역의 도달시간에 대응하는 구간과 그 전/후 구간)의 홍수량 값들을 선택한다. 이제, 수차례의 시험 실행 및 검토 결과 도달시간이 있는 구간과 그 전/후 구간의 3개 구간 내에서 임계지속시간이 있음을 확인하였고, 이 3개의 구간에서 첨두홍수량 값을 찾아낼 수 있었다. 즉, 모든 구간의 모든 홍수량의 형상과 수치를 도표로 변환하는 과정을 거치지 않고, 도달시간과 임계지속시간의 상관관계를 고려한 3개 구간을 선택함으로써 고속으로 첨두홍수량을 찾아낼 수 있다는 장점이 나타난다.

나아가, 도 1의 실시예에 따른 홍수량 산정 방법은, 상기 강우지속기간별 실행 결과 중에서, 정규분포에서 벗어난 홍수량 값 및 미리 실행되어 저장된 과거의 홍수량 값과의 차이가 임계값보다 큰 값 중 적어도 하나를 오류로 추정하여 출력하는 단계(미도시)를 더 포함할 수 있다.

종래의 HEC-1 프로그램에서 실행된 홍수량 값들은 각 데이터별로 산발적인 홍수량 산출 결과 값들로 보여줌으로써 산출된 결과 값에 이상이 있는지 또는 입력자료 구축 과정에서 오류가 발생했는지 판단이 어려웠다. 이에 반해, 본 발명의 실시예들이 제안하는 결과 정리(Result) 알고리즘은 HEC-1 프로그램의 실행으로 산출된 각각의 홍수량 값들을 정리하면서, 결과 값 중 정규분포에서 벗어난 값들을 추적하여 오류로 추정되는 값이나, 이전에 실행되었던 기존 프로젝트들의 매개변수와 결과 값을 금회 산정된 홍수량 값과 비교하여 크게 차이가 나는 오류로 추정되는 값들을 정리하여 보여줄 수 있다. 이를 통해, 입력할 매개변수 산정 과정에서 발생하는 입력자료의 이상, 입력자료 구축 과정에서 발생하는 오타 등으로 인한 결과 값의 오류를 실무자가 쉽게 인지하고 수정할 수 있다는 장점이 나타난다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 홍수량 산정 방법에서, 입력 데이터 구축, 실행, 결과 정리 알고리즘의 수행 과정을 보다 구체적으로 도시한 흐름도로서, 각 단계는 도 1의 입력 데이터 구축(S110), 실행(S120), 및 결과 정리(S130)의 과정에 대응된다.

입력 데이터 구축(S110) 과정에서는, 시간간격이 결정되고, 강우강도식을 이용하여 강우강도가 산정되며, 누가강우량이 환산된다. 다음으로, Huff 6차 회귀식에 기반하여 Huff 분포 시간강우량이 산정되고, 강우량 시간이 배분된 후, HEC-1 프로그램에 적합한 포맷으로 가공된 입력 데이터가 구축되게 된다.

실행(S120) 과정에서는, 앞서 준비된 대량의 입력 데이터에 대해 미리 설정된 확률빈도별로 이들을 분류하고, 분류된 확률빈도별로 입력 데이터를 강우유출모형 HEC-1에 입력된다. 이때, 확률빈도별로 입력된 강우유출모형 HEC-1을 동시에 병렬적으로 실행함으로써 확률빈도별로 각각의 강우지속기간에 따른 홍수량을 고속으로 획득할 수 있다.

결과 정리(S130) 과정에서는, 시간별 첨두홍수량을 추출하게 되는데, 이때 모든 구간의 모든 홍수량의 형상과 수치를 도표로 변환하는 과정을 거치지 않고, 도달시간과 임계지속시간의 상관관계를 고려한 3개 구간을 선택함으로써 고속으로 첨두홍수량을 찾아내게 된다. 이제, 첨두홍수량이 추출되면, 그에 따른 임계지속시간도 추출할 수 있다.

도 3은 전국 주요 지점의 Huff 시간분포 자료를 통해 Huff의 회귀식 계수를 산출하는 과정을 예시한 도면이다. 전국 주요 지점에 대한 티센망도를 작도하고, 과업 대상 유역이 대응하는 전국 주요 지점의 초과확률 50%에 대응하는 Huff 1~4분위의 시간분포를 좌측 상단(310)에 입력하면 해당 시간분포에 의해 6차 회귀식과 그래프가 작성된다(320). 이때 회귀식에서 제시되는 계수 7개를 정리 및 입력(330)하면, 도 4의 입력자료 구축(Input) 알고리즘에 입력하기 쉽게 변환(340)되는 것을 알 수 있다.

도 4는 입력 데이터 구축 알고리즘에서, Huff 1~4분위 계수, 강우강도식, 계획 빈도, 단위도의 시간간격, 및 무차원 특성변수의 입력 과정을 설명하기 위한 예시도이다. 앞서 도 3을 통해 정리된 Huff 1~4분위 계수를 입력(410)하고, 강우강도식의 형태를 결정하고 입력(420)할 수 있다. 또한, 분석하고자 하는 계획 빈도를 입력하고, 분석하고자 하는 단위도의 시간간격를 입력하며, 무차원 특성변수를 입력(430)할 수 있다.

도 5는 입력 데이터 구축 알고리즘에서, 지형 매개변수(도달시간, 저류상수, 유출곡선지수 등)의 입력 과정을 설명하기 위한 예시도로서, 해당 카드별 설명은 다음의 표 1과 같다.

도 6은 실행(run) 알고리즘에서 전체 데이터를 실행하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다. 입력자료 구축(Input) 알고리즘에서 입력한 데이터를 토대로 5분 ~ 2,880분의 지속시간별 HEC-1 데이터를 생성하고, 이를 각각 실행하던 것을 자동화하여 간편하게 전기간의 HEC-1 프로그램 데이터를 실행하여 홍수량을 산출하는 과정을 나타내고 있다.

도 7은 결과(result) 정리 알고리즘에서 도출된 결과값 정리에 대한 명령 수행 과정을 설명하기 위한 예시도이고, 도 8은 결과 정리 알고리즘에서 실행한 결과를 예시한 도면이다. 도 7 및 도 8에는, 앞서 도 5에서 입력한 소유역의 개수를 지정하여, 도 6에서 실행되어 도출된 전체 데이터의 결과 값을 쉽게 살펴볼 수 있게 정리해주는 과정을 나타내고 있다. 도 8을 참조하면, 해당 결과 정리(Result) 알고리즘을 통해 지속시간별 첨두홍수량 값이 정리된 것을 확인할 수 있다.

도 9는 결과 정리 알고리즘에서 실행한 결과로부터 첨두홍수량과 임계지속시간을 즉시 확인할 수 있음을 설명하기 위한 예시도이다. 도 9를 참조하면, 도 8에서 정리된 지속시간별 첨두홍수량 자료를 입력하고(910), 해당 자료 중 소유역별 임계지속시간과 그에 따른 첨두홍수량(920)을 한 눈에 확인할 수 있다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 강우지속기간을 변화시키는 홍수량 산정 장치(50)를 도시한 블록도로서, 도 1의 홍수량 산정 방법을 하드웨어 구성의 관점에서 재구성한 것이다. 따라서, 여기서는 설명의 중복을 피하기 위해 각 구성을 중심으로 해당 구성요소의 동작/기능을 약술하도록 한다.

설정부(10)는, 프로그램(25)을 제어하기 위해 홍수량 산정을 위해 기초가 되는 통계 데이터와 매개변수를 입력받아 설정값으로 지정하는 구성이다.

프로세서(20)는 홍수량 산정을 위한 일련의 명령어를 포함하는 프로그램(25)을 실행하여 홍수량 산정을 수행하는 구성이다.

프로그램(25)이 포함하는 명령어들은 다음과 같은 일련의 동작을 수행하도록 구성된다. 우선, 미리 설정된 시간 간격을 증가시키면서 복수 개의 강우지속기간을 설정하고, 확률강우강도식을 이용하여 개별 강우지속기간에 대한 확률강우량을 각각 산출하고, 강우지속기간별로 산출된 상기 확률강우량을 Huff 4분위법을 이용하여 1~4분위별, 강우지속기간별로 자동으로 분포시키며, 분포된 강우지속기간별 확률강우량을 강우에 의한 유역의 지표면 유출을 시뮬레이션하는 강우유출모형 HEC-1에서 정의하는 포맷(format)으로 변환하여 상기 강우지속기간별 HEC-1 입력 데이터를 동시에 생성한다. 다음으로, 변환된 상기 입력 데이터를 강우에 의한 유역의 지표면 유출을 시뮬레이션하는 강우유출모형 HEC-1에 입력하여 각각의 강우지속기간별로 실행(run)시킨다. 이제, 상기 강우지속기간별 실행 결과를 미리 설정된 개수의 시계열적인 구간으로 분류하고, 유역 도달시간에 대응하는 제 1 구간 및 상기 제 1 구간의 전/후에 해당하는 제 2 구간 및 제 3 구간을 선택하여 해당 구간으로부터 홍수량 값을 획득하며, 획득된 홍수량의 최대값인 첨두홍수량 및 상기 첨두홍수량이 발생하는 지속시간을 나타내는 임계지속시간(critical rainfall duration)을 도출하여 결과로서 출력한다.

상기된 본 발명의 실시예들에 따르면, 강우유출모형 HEC-1 프로그램의 입력자료의 구축, 실행, 결과 정리의 과정을 획기적으로 단축하여 정확한 홍수량 산정 및 수자원분야 기술자의 생산성을 증대시키는 것이 가능하며, 시간과 인력 투입을 감소시켜 이에 소요되는 노력 및 경비 절감을 기대할 수 있으며, 하천계획 및 설계에 간편하게 이용하는 것이 가능하다.

한편, 본 발명의 실시예들은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다.

컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장 장치 등을 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술 분야의 프로그래머들에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.

이상에서 본 발명에 대하여 그 다양한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명에 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

310 : Huff 분위별 시간분포 입력부
320 : 6차 회귀식 및 그래프
330 : 6차 회귀식 계수 정리부
340 : 6차 회귀식 계수 변환데이터 출력
410 : 6차 회귀식 계수 변환데이터 입력부
420 : 강우강도식 형태 및 계수 입력부
430 : 계획빈도, 단위도의 시간간격, 무차원 특성변수 입력부
910 : 지속시간별 첨두홍수량값 정리부
920 : 소유역별 임계지속시간, 첨두홍수량 정리부
50: 홍수량 산정 장치
10: 설정부
20: 프로세서
25: 홍수량 산정 프로그램

Claims (5)

1. 적어도 하나의 프로세서를 구비하는 홍수량 산정 장치가 홍수량 산정을 위한 일련의 명령어를 포함하는 프로그램을 실행하여 홍수량 산정을 수행하는 방법에 있어서,
   (a) 홍수량 산정 장치가, 미리 설정된 시간 간격을 증가시키면서 복수 개의 강우지속기간을 설정하고, 확률강우강도식을 이용하여 개별 강우지속기간에 대한 확률강우량을 각각 산출하고, 강우지속기간별로 산출된 상기 확률강우량을 Huff 4분위법을 이용하여 1~4분위별, 강우지속기간별로 자동으로 분포시키며, 분포된 강우지속기간별 확률강우량을 강우에 의한 유역의 지표면 유출을 시뮬레이션하는 강우유출모형 HEC-1에서 정의하는 포맷(format)으로 변환하여 상기 강우지속기간별 HEC-1 입력 데이터를 동시에 생성하는 단계;
   (b) 상기 홍수량 산정 장치가, 변환된 상기 입력 데이터를 강우에 의한 유역의 지표면 유출을 시뮬레이션하는 강우유출모형 HEC-1에 입력하여 각각의 강우지속기간별로 실행(run)시키는 단계; 및
   (c) 상기 홍수량 산정 장치가, 상기 강우지속기간별 실행 결과를 미리 설정된 개수의 시계열적인 구간으로 분류하고, 유역 도달시간에 대응하는 제 1 구간 및 상기 제 1 구간의 전/후에 해당하는 제 2 구간 및 제 3 구간을 선택하여 해당 구간으로부터 홍수량 값을 획득하며, 획득된 홍수량의 최대값인 첨두홍수량 및 상기 첨두홍수량이 발생하는 지속시간을 나타내는 임계지속시간(critical rainfall duration)을 도출하여 결과로서 출력하는 단계;를 포함하는, 홍수량 산정 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 (a) 단계는,
   (a1) 미리 설정된 시간 간격을 증가시키면서 복수 개의 강우지속기간을 설정하고, 확률강우강도식을 이용하여 개별 강우지속기간에 대한 확률강우량을 각각 산출하는 단계;
   (a2) 대상 유역에 대한 강우기록 통계로부터 Huff 6차 회귀식 계수를 산출하고, 강우지속기간별로 산출된 상기 확률강우량을 Huff 4분위법 및 무차원 누가곡선을 이용하여 1~4분위별, 강우지속기간별로 자동으로 시간 분포시키는 단계; 및
   (a3) 분포된 강우지속기간별 확률강우량을 강우유출모형 HEC-1에서 정의하는 포맷(format)으로 변환하되, 유역 도달시간, 저류상수, 유출곡선지수(curve number, CN)을 포함하여 상기 강우지속기간별 대량의 HEC-1 입력 데이터를 동시에 생성하는 단계;를 포함하는, 홍수량 산정 방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 (b) 단계는,
   (b1) 변환된 상기 입력 데이터를 미리 설정된 확률빈도별로 분류하는 단계;
   (b2) 분류된 상기 확률빈도별로 상기 입력 데이터를 상기 강우유출모형 HEC-1에 입력하는 단계; 및
   (b3) 상기 확률빈도별로 입력된 상기 강우유출모형 HEC-1을 동시에 병렬적으로 실행함으로써 확률빈도별로 각각의 강우지속기간에 따른 홍수량을 획득하는 단계;를 포함하는, 홍수량 산정 방법.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 (c) 단계는,
   (c1) 상기 강우지속기간별 실행 결과를 미리 설정된 개수의 시계열적인 구간으로 분류하는 단계;
   (c2) 해당 유역의 유로연장 및 유로경사에 따른 도달시간과 임계지속시간의 상관관계에 기초하여, 유역 도달시간에 대응하는 제 1 구간 및 상기 제 1 구간의 전/후에 해당하는 제 2 구간 및 제 3 구간을 선택하여 해당 구간으로부터 홍수량 값을 획득하는 단계; 및
   (c3) 획득된 홍수량들로부터 첨두홍수량 및 임계지속시간을 도출하여 결과로서 출력하는 단계;를 포함하는, 홍수량 산정 방법.
5. 제 1 항에 있어서,
   (d) 상기 강우지속기간별 실행 결과 중에서, 정규분포에서 벗어난 홍수량 값 및 미리 실행되어 저장된 과거의 홍수량 값과의 차이가 임계값보다 큰 값 중 적어도 하나를 오류로 추정하여 출력하는 단계;를 더 포함하는, 홍수량 산정 방법.

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