KR102328326B1 - Hydraulic hydrology analysis device applied with distributed model for advanced water quality prediction - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 수질예측 고도화를 위한 분포형 모델이 적용된 수리수문 해석 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 분포형 수문 모델링과 하천 수리 모델링을 연계한 수질예측 고도화를 위한 수리수문 해석 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a hydraulic hydrological analysis apparatus to which a distributed model for advanced water quality prediction is applied, and more particularly, to a hydraulic hydrological analysis apparatus for advancing water quality prediction by linking distributed hydrological modeling and river hydraulic modeling.
유역의 물순환을 분석하는 도구인 수문모형은 크게 집중형(lumped), 준분포형(semi-distributed), 분포형(distributed) 모형으로 구분할 수 있다. The hydrologic model, which is a tool to analyze the water cycle in a watershed, can be divided into lumped, semi-distributed, and distributed models.
집중형 모형은 하나의 유역을 하나의 수문단위로 보고 해석한다. 유역 내부의 계측되기 어려운 순환과정들을 분석하는 데에 한계가 존재한다. The centralized model views and interprets one watershed as one hydrologic unit. There is a limit to analyzing the cycle processes that are difficult to measure within the watershed.
준분포형 모형은 소유역을 하나의 수문단위로 해석하여 집중형 모형의 한계를 극복한다. 그러나, 역시 소유역 내부에서의 순환과정은 무시되는 한계가 존재한다. The semi-distributed model overcomes the limitations of the centralized model by interpreting the subwatershed as a hydrological unit. However, there is a limitation that the circulation process within the subwatershed is also ignored.
격자기반의 분포형 모형은 개별 격자를 하나의 수문단위로 해석한다. 유역 내의 다양한 토지이용, 지질, 지형의 영향을 반영할 수 있다. The grid-based distribution model interprets individual grids as one hydrological unit. It can reflect the effects of various land uses, geology, and topography within the watershed.
이러한 3가지 수문모형들은 각각의 장단점이 있으나, 통합물관리를 위해서는 유역 또는 소유역 출구에서의 반응에 집중하는 것이 아니라, 유역 내부의 다양한 수문순환과정을 물리적으로 파악할 수 있는 분포형 수문모형이 적합하다.Each of these three hydrologic models has their own strengths and weaknesses, but for integrated water management, a distributed hydrologic model that can physically grasp various hydrological cycles inside the watershed is suitable rather than focusing on the reaction at the exit of the basin or subcatchment. .
분포형 수문모형은 유역의 임의의 지점에서의 유량, 오탁부하량 등을 추정할 수 있고, 그 프로세스를 물리적으로 추적하고 있기 때문에 유역 내의 인간활동이나 자연조건 변화 등의 공간적인 분포특성을 계산에 반영시킬 수 있는 장점이 있다. The distributed hydrology model can estimate the flow rate and filthy load at any point in the watershed, and because the process is physically traced, spatial distribution characteristics such as human activities or changes in natural conditions in the watershed are reflected in the calculation. There are advantages to doing it.
4대강 개발사업으로 4대강에는 16개의 다기능보가 설치되었으며, 보의 운영으로 인해 하천수질이 과거에 비해 크게 변화되었다. 보의 영향으로 인한 하천수질 및 생태계를 해석하기 위해서는 보 운영을 반영한 하천수리해석이 필요하다. As a result of the four major rivers development project, 16 multi-function weirs were installed in the four major rivers, and the operation of the weirs significantly changed the river water quality compared to the past. In order to interpret the river water quality and ecosystem due to the influence of weirs, it is necessary to analyze the river hydraulics reflecting the operation of the weirs.
또한, 보 개방으로 인한 수질개선 효과에 대한 쟁점이 주요한 정책현안 중 하나로 부각되고 있으며 이러한 현안에 대한 정량적인 분석을 위해서는 보를 고려할 수 있는 수리해석의 도입이 필수적이다. In addition, the issue of the effect of water quality improvement due to the opening of the weir is emerging as one of the major policy issues.
기존 준분포 및 분포형 수문모델링에서는 Kinematic wave, Diffusion wave, Muskingum 등 수문학적 하도추적기능이 활용되어 왔으나, 댐과 다기능보 등 복잡한 수리구조물이 설치운영되고 있는 대하천 유역에서는 Saint vennant equation을 활용한 수리학적 하도추적 기능이 필요하다. 따라서, 본 발명에서는 분포형 수문학적 모형에서 하천 구간에 대해서 수리학적 하도추적을 수행할 수 있도록 방법 및 장치를 제안하고자 한다.In the existing quasi-distributed and distributed hydrologic modeling, hydrological channel tracking functions such as kinematic wave, diffusion wave, and Muskingum have been utilized. A hydraulic tracing function is required. Therefore, in the present invention, it is intended to propose a method and apparatus for performing hydraulic channel tracking for a river section in a distributed hydrological model.
본 발명의 발명자는 이러한 문제점들을 해결하기 위하여 오랫동안 연구하고 시행착오를 거친 끝에 본 발명을 완성하기에 이르렀다.The inventor of the present invention has completed the present invention after long research and trial and error in order to solve these problems.
본 발명의 실시예는 유역 및 하천의 수질예측 고도화를 위한 분포형 모델이 적용된 수리수문 해석 장치를 제공한다.An embodiment of the present invention provides a hydraulic hydrological analysis apparatus to which a distribution model for advanced water quality prediction of watersheds and rivers is applied.
한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.On the other hand, other objects not specified in the present invention will be additionally considered within the range that can be easily inferred from the following detailed description and effects thereof.
본 발명의 실시예에 따른 수질예측 고도화를 위한 분포형 모델이 적용된 수리수문 해석 장치로서, 대상 유역에 대해 격자 해상도를 설정하는 격자 설정부; 상기 설정된 격자 해상도에 해당하는 상기 대상 유역에 대한 입력자료를 수문모형에 적용하여 분포형 수문모의를 수행하는 수문모의 수행부; 상기 대상 유역에 대한 수리구조물 및 하천단면형상을 1차원 하천수리모형에 적용하여 하천 수리해석을 수행하는 수리해석 수행부; 및 상기 수문모의 수행부의 동작과 상기 수리해석 수행부의 동작이 서로 연계되도록, 상기 수문모의 수행부에서 상기 수리해석 수행부의 하천 수리해석 단계를 다수의 모듈화된 함수들로써 호출할 수 있도록 하는 연계 처리부;를 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, there is provided a hydraulic hydrology analysis apparatus to which a distributed model for advanced water quality prediction is applied, comprising: a grid setting unit for setting a grid resolution for a target watershed; a sluice simulation performing unit for performing distributed sluice simulation by applying the input data for the target watershed corresponding to the set grid resolution to a sluice model; a hydraulic analysis performing unit for performing a river hydraulic analysis by applying a hydraulic structure and a river cross-sectional shape for the target watershed to a one-dimensional river hydraulic model; and a linkage processing unit that enables the hydrological simulation performing unit to call the river mathematical analysis step of the mathematical analysis performing unit as a plurality of modularized functions so that the operation of the hydrological simulation performing unit and the hydraulic analysis performing unit are linked with each other; may include
상기 연계 처리부는, 상기 수리해석 수행부의 하천 수리해석 단계를 여러 단계의 함수(K-RIVER 함수들)로 모듈화하는 모듈화부; 상기 모듈화한 K-RIVER 함수들을 라이브러리 형태로 변환하여 상기 수문모의 수행부에서 호출할 수 있도록 하는 변환부; 상기 수문모형상에서 유출(사면)셀과 하천셀을 구분하고, 상류셀로부터 하천셀에 유입되는 유량(하천셀 유입량)을 계산하는 계산부; 및 상기 계산된 하천셀 유입량을 상기 하천수리모형의 측방유입량으로 환산하여 적용하는 적용부;를 포함할 수 있다. The linkage processing unit includes: a modularizing unit for modularizing the river hydraulic analysis step of the mathematical analysis performing unit into a function of several steps (K-RIVER functions); a conversion unit that converts the modularized K-RIVER functions into a library form so that they can be called by the sluice simulation execution unit; a calculation unit for classifying an outflow (slope) cell and a river cell in the sluice model, and calculating a flow rate (stream cell inflow) flowing into the river cell from the upstream cell; and an application unit that converts and applies the calculated river cell inflow into the lateral inflow of the river hydraulic model.
상기 연계 처리부는, 상기 하천셀 유입량 계산 후 상기 측방유입량으로 환산 적용의 순서로 단위시간 모의를 반복적으로 수행함으로써 전체 모의시간에 대해서 모의가 진행되도록 할 수 있다. The link processing unit may perform simulation for the entire simulation time by repeatedly performing unit time simulation in the order of applying the conversion to the side inflow after calculating the river cell inflow.
상기 K-RIVER 함수들 중 적어도 하나는, 상기 수문모형상 하천셀에 대응하는 상기 하천수리모형상 위치를 파악하고 상기 하천셀 유입량이 상기 대응하는 위치의 측방유입량으로 전달되도록 하는 함수일 수 있다. At least one of the K-RIVER functions may be a function to determine the position of the river hydraulic model corresponding to the river cell in the sluice model, and to transmit the inflow of the river cell to the lateral inflow of the corresponding position.
상기 K-RIVER 함수들 중 적어도 하나는, 상기 수문모형상 전체 모의시간에 대응하는 계산시간을 파악하고 상기 하천 수리해석이 상기 대응하는 계산시간에서만 수행되도록 하는 함수일 수 있다. At least one of the K-RIVER functions may be a function that determines a calculation time corresponding to the entire simulation time on the hydrological model and causes the river hydraulic analysis to be performed only at the corresponding calculation time.
상기 수문모의 수행부는, 상기 대상 유역의 토양조건인 A층(표면류), B층(지표하흐름) 및 C층(기저유출) 중에서 B층 및 C층의 초기토양 함수비를 완전포화상태로 설정하는 (a)단계; 상기 대상 유역 내에 위치한 유량관측소의 관측자료를 이용하여 관측-기저유출량을 설정하는 (b)단계; 상기 유량관측소의 위치에 해당하는 격자번호를 선택하는 (c)단계; 무강우 조건으로 단위 시간당 상기 대상 유역 내부 전체의 유출계산(계산-기저유출량)을 진행하는 (d)단계; 상기 선택된 격자번호에 대한 상기 계산-기저유출량과 상기 관측-기저유출량을 비교하는 (e)단계; 및 상기 비교 결과, 상기 계산-기저유출량이 상기 관측-기저유출량보다 큰 경우 상기 (d)단계로 돌아가 반복계산 수행하는 (f)단계;를 수행하여, 유출 모의의 정확도를 향상시키는 초기토양함수 자동보정기능 수행부;를 포함할 수 있다. The sluice simulation performing unit sets the initial soil moisture content of layers B and C among the soil conditions of the target watershed: layer A (surface flow), layer B (subsurface flow) and layer C (base runoff) to a fully saturated state. (a) step; (b) setting an observation-base runoff amount using observation data of a flow rate observatory located in the target watershed; (c) selecting a grid number corresponding to the location of the flow rate observatory; (d) performing runoff calculation (calculation-base runoff) of the entire inside of the target watershed per unit time under no rainfall condition; (e) comparing the calculated-basal runoff and the observed-basal runoff for the selected grid number; And, as a result of the comparison, if the calculation-base runoff is greater than the observed-base runoff, the initial soil function is automatically performed to improve the accuracy of the runoff simulation by returning to the step (d) and repeatedly calculating (f). It may include a correction function performing unit.
기존 유역유출을 해석하기 위한 수문학적 모델에서는 유출량을 계산하고 하도추적하기 위한 식으로 수문학적 하도 추적을 활용하여 왔으나, 본 기술은 분포형 모델을 활용한 하도추적 계산시 유역사면은 수문학적 하도추적을, 하천에서는 수리학적 하도추적이 적용된 수리수문 해석 방법 및 통합장치를 제공할 수 있다.In the existing hydrological model for interpreting watershed runoff, hydrological channel tracing has been used to calculate runoff and track channel. For example, in rivers, hydraulic hydrologic analysis method and integrated device to which hydraulic channel tracking is applied can be provided.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수질예측 고도화를 위한 분포형 모델이 적용된 수리수문 해석 장치의 상세한 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수문모의 수행부의 상세한 구성을 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연계 처리부의 상세한 구성을 도시하는 도면이다.
도 4는 수문모의 수행부에서 수문해석을 위한 지형 및 지질자료의 일례를 도시하는 도면이다.
도 5는 수문모의 수행부에서 수문해석에 적용된 강우관측소를 도시하는 도면이다.
도 6은 수문모의 수행부에서 수문해석에 적용된 수위관측소를 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 수문모의 수행부가 이용하는 격자기반 분포형 수문모형으로서, K-DRUM을 설명하기 위한 개념도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 초기토양함수 자동보정기능 수행부의 동작에 관한 흐름도를 도시하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 지하수 모의기능 수행부가 D층 흐름 계산을 수행하는 개념도를 도시하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 MPI 병렬코드 적용부에 의한 계산시간 단축 과정을 보여주는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 수리해석 수행부에서 하천 수리해석에 적용된 하상단면자료의 예시를 도시하는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 수리해석 수행부에서 하천 수리해석에 적용된 낙동강 8개 보 단면 및 제원 개략도를 도시하는 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 K-River에서 고려 가능한 다양한 수리구조물의 예시를 도시하는 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 K-River 지배방정식을 나타내는 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 모듈화부에 의해 모듈화된 5단계의 함수들을 도시하는 도면이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 K-DRUM의 프로그램 및 코드 흐름도를 도시하는 도면이다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 K-River의 프로그램 및 코드 흐름도를 도시하는 도면이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 연계 처리부에 의한 K-River 모듈 호출위치를 도시하는 도면이다.
도 19는 본 발명의 실시예에 따른 계산부와 적용부에 의한 유역유출 계산, 하천수리 계산, 및 단위시간에 대하여 반복적으로 적용하여 연계모의가 수행되는 과정을 나타내는 도면이다.
도 20 내지 도 24는 본 발명의 실시예에 따른 수리수문 해석 장치에 따른 분포형 수문모형 결과를 도시하는 도면이다.
도 25 및 도 26은 본 발명의 실시예에 따른 수리수문 해석 장치에 따른 분포형 수문모형과 하천수리모형의 연계 모의 결과를 도시하는 도면이다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.1 is a diagram showing a detailed configuration of a hydrological analysis apparatus to which a distribution model for advanced water quality prediction is applied according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating a detailed configuration of a sluice simulator performing unit according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram showing a detailed configuration of a link processing unit according to an embodiment of the present invention.
4 is a view showing an example of topographical and geological data for hydrological analysis in the hydrological simulation performing unit.
5 is a view showing a rainfall observatory applied to hydrological analysis in the hydrological simulation performing unit.
6 is a view showing a water level observatory applied to the hydrological analysis in the hydrological simulation execution unit.
7 is a lattice-based distributed sluice model used by the sluice simulation performer according to an embodiment of the present invention, and is a conceptual diagram for explaining a K-DRUM.
8 is a view showing a flowchart of the operation of the initial soil function automatic correction function performing unit according to an embodiment of the present invention.
9 is a diagram illustrating a conceptual diagram of a groundwater simulation function performing unit performing a D-layer flow calculation according to an embodiment of the present invention.
10 is a view showing a process of reducing the calculation time by the MPI parallel code application unit according to an embodiment of the present invention.
11 is a view showing an example of the river bottom cross-section data applied to the river hydraulic analysis in the hydraulic analysis performing unit according to an embodiment of the present invention.
12 is a view showing a cross section and a schematic diagram of eight beams of Nakdonggang River applied to a river hydraulic analysis in a hydraulic analysis performing unit according to an embodiment of the present invention.
13 is a view showing an example of various hydraulic structures that can be considered in a K-River according to an embodiment of the present invention.
14 is a diagram illustrating a K-River governing equation according to an embodiment of the present invention.
15 is a diagram illustrating five-step functions modularized by a modularizer according to an embodiment of the present invention.
16 is a diagram illustrating a program and code flow diagram of a K-DRUM according to an embodiment of the present invention.
17 is a diagram illustrating a program and code flow diagram of a K-River according to an embodiment of the present invention.
18 is a diagram illustrating a K-River module call position by the link processing unit according to an embodiment of the present invention.
19 is a diagram illustrating a process in which a watershed runoff calculation, a river repair calculation, and a linked simulation are performed by repeatedly applying the calculation unit and the application unit to the unit time according to an embodiment of the present invention.
20 to 24 are diagrams showing the results of the distribution type hydrology model according to the hydraulic hydrologic analysis apparatus according to the embodiment of the present invention.
25 and 26 are diagrams showing the results of the simulation of the distribution type hydrology model and the river hydraulic model according to the hydraulic hydrologic analysis apparatus according to the embodiment of the present invention.
It is revealed that the accompanying drawings are exemplified by reference for understanding the technical idea of the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereby.
이하에서는, 본 발명의 가장 바람직한 실시예가 설명된다. 도면에 있어서, 두께와 간격은 설명의 편의를 위하여 표현된 것이며, 실제 물리적 두께에 비해 과장되어 도시될 수 있다. 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지와 무관한 공지의 구성은 생략될 수 있다. 각 도면의 구성요소들에 참조 번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.In the following, the most preferred embodiment of the present invention is described. In the drawings, the thickness and the interval are expressed for convenience of description, and may be exaggerated compared to the actual physical thickness. In describing the present invention, well-known components that are not related to the gist of the present invention may be omitted. In adding reference numbers to the components of each drawing, it should be noted that only the same components are given the same number as possible even though they are indicated on different drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수질예측 고도화를 위한 분포형 모델이 적용된 수리수문 해석 장치의 상세한 구성을 도시하는 도면이다. 1 is a diagram showing a detailed configuration of a hydrological analysis apparatus to which a distribution model for advanced water quality prediction is applied according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수문모의 수행부의 상세한 구성을 도시하는 도면이다.2 is a diagram illustrating a detailed configuration of a sluice simulator performing unit according to an embodiment of the present invention.
그리고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연계 처리부의 상세한 구성을 도시하는 도면이다.3 is a diagram illustrating a detailed configuration of a link processing unit according to an embodiment of the present invention.
먼저, 도 1을 참조하면, 수질예측 고도화를 위한 분포형 모델이 적용된 수리수문 해석 장치(100)(이하, 간단히 '수리수문 해석 장치'라 함)는 격자 설정부(110), 수문모의 수행부(120), 수리해석 수행부(130) 및 연계 처리부(140)를 포함한다. First, referring to FIG. 1 , the hydro-hydraulic analysis apparatus 100 (hereinafter simply referred to as 'hydraulic-sluice analysis apparatus') to which the distributed model for advanced water quality prediction is applied includes a
본 발명의 실시예에 따른 격자 설정부(110)는 대상 유역에 대해 격자 해상도를 설정한다. The
예를 들어, 수리수문 해석의 대상이 되는 유역이 낙동강인 경우, 낙동강 대권역에 속하는 지방자치단체의 행정동 최소면적과 평균면적으로부터 설정할 수 있다. For example, when the watershed subject to hydrological analysis is the Nakdong River, it can be set from the minimum area and average area of administrative dongs of local governments belonging to the large Nakdong River area.
일례로, 부산광역시의 행정동 최소면적이 0.17㎢인 경우, 이를 격자 해상도로 변환하여 412m의 최소 해상도를 도출할 수 있다. 부산광역시의 행정동 평균면적이 3.37㎢인 경우, 이를 격자 해상도로 변환하여 1.93㎞의 평균 해상도를 도출할 수 있다. 따라서, 412m~1.93㎞의 범위 내에서 소정의 값을 격자 해상도로 설정할 수 있다. For example, if the minimum area of an administrative dong in Busan is 0.17 ㎢, it can be converted to a grid resolution to derive a minimum resolution of 412 m. If the average area of administrative dong in Busan is 3.37 km2, it is converted into grid resolution to derive an average resolution of 1.93 km. Accordingly, a predetermined value can be set as the grid resolution within the range of 412 m to 1.93 km.
대구광역시의 행정동 최소면적이 0.25㎢인 경우, 이를 격자 해상도로 변환하여 500m의 최소 해상도를 도출할 수 있다. 대구광역시의 행정동 평균면적이 8.09㎢인 경우, 이를 격자 해상도로 변환하여 2.84㎞의 평균 해상도를 도출할 수 있다. 따라서, 500m~2.84㎞의 범위 내에서 소정의 값을 격자 해상도로 설정할 수 있다.If the minimum area of an administrative dong in Daegu Metropolitan City is 0.25㎢, it can be converted to a grid resolution to derive a minimum resolution of 500m. If the average area of administrative dong in Daegu Metropolitan City is 8.09 km2, it is converted into grid resolution to derive an average resolution of 2.84 km. Accordingly, a predetermined value can be set as the grid resolution within the range of 500m to 2.84km.
울산광역시의 행정동 최소면적이 0.5㎢인 경우, 이를 격자 해상도로 변환하여 707m의 최소 해상도를 도출할 수 있다. 울산광역시의 행정동 평균면적이 18.18㎢인 경우, 이를 격자 해상도로 변환하여 4.26㎞의 평균 해상도를 도출할 수 있다. 따라서, 707m~4.26㎞의 범위 내에서 소정의 값을 격자 해상도로 설정할 수 있다.If the minimum area of administrative dong in Ulsan Metropolitan City is 0.5㎢, it can be converted to grid resolution to derive a minimum resolution of 707m. If the average area of administrative dong in Ulsan Metropolitan City is 18.18 km2, it is converted into grid resolution to derive an average resolution of 4.26 km. Accordingly, a predetermined value can be set as the grid resolution within the range of 707m to 4.26km.
위와 같이 낙동강 대권역에 속하는 여러 행정동에 대해 최소 해상도와 평균 해상도를 도출하고 그들 범위 내에서 소정의 값을 격자 해상도로 설정할 수 있다. 일례로, 모형의 구축 및 계산시간을 고려하여 1㎞를 격자 해상도로 설정할 수 있다. 이 경우 낙동강 대권역은 39,928개 격자로 구성될 수 있다. 이렇게 설정된 격자 해상도는 기초자료의 기본 격자크기를 결정한다. As described above, the minimum resolution and average resolution can be derived for several administrative dongs belonging to the large Nakdong River region, and a predetermined value can be set as the grid resolution within these ranges. As an example, 1 km may be set as the grid resolution in consideration of model construction and calculation time. In this case, the large Nakdong River region can be composed of 39,928 grids. The grid resolution set in this way determines the basic grid size of the basic data.
이하에서는 설명의 편의를 위해, 대상 유역이 낙동강 대권역인 실시예를 중심으로 살펴보나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, for convenience of explanation, an embodiment in which the target basin is the large Nakdong River region will be mainly examined, but the present invention is not limited thereto.
본 발명의 실시예에 따른 수문모의 수행부(120)는 격자 설정부에 의해 설정된 격자 해상도에 해당하는 대상 유역에 대한 입력자료를 수문모형에 적용하여 분포형 수문모의를 수행한다. The sluice
입력자료는 지형 및 지질자료를 포함할 수 있다. 입력자료는 기본적으로 격자형태의 DEM(digital elevation model)일 수 있다. Input data may include topographical and geological data. The input data may be basically a grid-type digital elevation model (DEM).
예를 들어, 국토지리정보원(국토교통부)의 수치지형도를 이용하여 1㎞ 해상도의 DEM을 생성하고 흙토람(농촌진흥청)의 토양도를 이용하여 구축된 공간지형, 지질자료일 수 있다. 또한 환경공간정보서비스(환경부)의 토지피복지도를 이용할 수도 있다. 도 4는 수문모의 수행부에서 수문해석을 위한 지형 및 지질자료의 일례를 도시한다. (a)는 DEM, (b)는 흐름도, (c)는 토양도 및 (d)는 토지이용도를 각각 도시한다. For example, it may be spatial topography and geological data constructed by using a digital topographic map of the National Geographic Information Service (Ministry of Land, Infrastructure and Transport) to generate a 1km-resolution DEM and using a soil map of Soil Toram (Rural Development Administration). It is also possible to use the land cover map of the Environmental Geospatial Information Service (Ministry of Environment). 4 shows an example of topographical and geological data for hydrological analysis in the hydrological simulation performing unit. (a) is a DEM, (b) is a flow chart, (c) is a soil diagram, and (d) is a land use diagram, respectively.
예를 들어, 낙동강 유역에 존재하는 여러 강우관측소(일례로 212개소)로부터 단위자료를 수집 후 공간분포를 통해 격자형강우로 수문모형에 적용할 수 있다. 도 5는 수문모의 수행부에서 수문해석에 적용된 강우관측소를 도시한다. 이로부터 강우관측수문자료가 수집된다. For example, after collecting unit data from several rainfall observatories (eg, 212 locations) in the Nakdong River basin, it can be applied to a hydrological model as a grid-type rainfall through spatial distribution. 5 shows a rainfall observatory applied to hydrological analysis in the hydrological simulation execution unit. From this, rainfall observation and hydrological data are collected.
또한 예를 들어, 낙동강 유역에 존재하는 여러 수위관측소(74개소)로부터 단위자료를 수집 후 수문모형에 적용할 수 있다. 도 6은 수문모의 수행부에서 수문해석에 적용된 수위관측소를 도시한다. 이로부터 수위관측수문자료가 수집된다.Also, for example, unit data can be collected from several water level observatories (74 locations) existing in the Nakdong River basin and applied to the hydrology model. 6 shows a water level observatory applied to hydrological analysis in the hydrological simulation execution unit. From this, water level observation and hydrological data are collected.
본 발명의 실시예에 따른 수문모형으로는 K-DRUM(K-water Distribution Runoff Model)이 적용 가능하다. K-DRUM은 K-water에서 Fortran 코드로 개발된 것이다. 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 수문모의 수행부(120)가 이용하는 격자기반 분포형 수문모형으로서, K-DRUM을 설명하기 위한 개념도이다. A K-water Distribution Runoff Model (K-DRUM) is applicable as a hydrology model according to an embodiment of the present invention. K-DRUM was developed as Fortran code by K-water. 7 is a lattice-based distributed sluice model used by the sluice
도 7에 도시된 바와 같이, K-DRUM은 격자별로 A층(A layer), B층(B layer), C층(C layer)을 설정하여 표면류, 지표하흐름 및 기저유출을 각각 계산한다. 격자별로 토지피복, 토심, 조도계수 등의 매개변수를 할당하는 모델이다. As shown in Figure 7, K-DRUM calculates surface flow, subsurface flow, and base runoff by setting A layer, B layer, and C layer for each grid. . It is a model that allocates parameters such as land cover, soil depth, and roughness coefficient for each grid.
모델의 연직구조는 지표층과 얕은 토양층인 A층 및 B층, 지하수층인 C층으로 구성된다. 지표층에서 지표흐름의 추적은 보편적으로 적용되고 있는 운동파 해석법(Kinematic wave)을 이용하고, A층과 B층에 해당하는 토양 내부로의 침투(Infiltraition)는 Green-Ampt식을 이용하며, B층과 지하수층인 C층의 흐름은 선형저류법(Linear Storage)을 이용한다.The vertical structure of the model consists of the surface layer, the shallow soil layers, A and B layers, and the groundwater layer, C layer. The tracing of the surface flow in the surface layer uses the universally applied kinematic wave, and the infiltration into the soil corresponding to the A and B layers uses the Green-Ampt formula, and the B layer And the flow of the groundwater layer C layer uses the linear storage method.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 수문모의 수행부(120)는 초기토양함수 자동보정기능 수행부(121), 강우 공간분포 보간기능 수행부(122), 증발산 모의기능 수행부(123), 융적설 모의기능 수행부(124), 지하수 모의기능 수행부(125) 및 MPI 병렬코드 적용부(126)를 포함할 수 있다. As shown in FIG. 2 , the hydrology
먼저, 초기토양함수 자동보정기능 수행부(121)는 실제의 기저유출량을 재현하여 강우유출 계산 초기에 정확한 기저유출량을 적용시킴으로써 전체적인 유출 모의의 정확도를 향상시킨다. First, the initial soil function automatic correction
이를 위해, 초기토양함수 자동보정기능 수행부는 다음의 단계들을 순차적으로 수행할 수 있다. 초기토양함수 자동보정기능 수행부의 동작에 관한 흐름도를 도시하는 도 8을 참조하여 설명하면 다음과 같다. To this end, the initial soil function automatic correction function performing unit may sequentially perform the following steps. It will be described with reference to FIG. 8 showing a flowchart of the operation of the initial soil function automatic correction function performing unit.
(a)단계: 상기 대상 유역의 토양조건인 A층(표면류), B층(지표하흐름) 및 C층(기저유출) 중에서 B층 및 C층의 초기토양 함수비를 완전포화상태로 설정Step (a): Set the initial soil moisture content of layers B and C to full saturation among the soil conditions of layer A (surface flow), layer B (subsurface flow), and layer C (base runoff) of the target watershed.
(b)단계: 상기 대상 유역 내에 위치한 유량관측소의 관측자료를 이용하여 관측-기저유출량을 설정Step (b): Observation-base runoff is set using the observation data of the flow station located in the target watershed.
(c)단계: 상기 유량관측소의 위치에 해당하는 격자번호를 선택 (c) step: select the grid number corresponding to the location of the flow rate station
(d)단계: 무강우 조건으로 단위 시간당 상기 대상 유역 내부 전체의 유출계산(계산-기저유출량)을 진행 Step (d): Perform runoff calculation (calculation-base runoff) of the entire inside of the target watershed per unit time under no rainfall condition
(e)단계: 상기 선택된 격자번호에 대한 상기 계산-기저유출량과 상기 관측-기저유출량을 비교Step (e): comparing the calculated-basal runoff and the observed-basal runoff for the selected grid number
(f)단계: 상기 비교 결과, 상기 계산-기저유출량이 상기 관측-기저유출량보다 큰 경우 상기 (d)단계로 돌아가 반복계산 수행하고, 상기 관측-기저유출량과 같아진 경우 초기토양 함수상태 자동보정 과정을 완료Step (f): As a result of the comparison, if the calculated-basal runoff is greater than the observed-basal runoff, return to step (d) to repeat the calculation, and when the observed-basal runoff is the same, the initial soil moisture content is automatically corrected complete the course
이러한 초기토양함수 자동보정기능 수행부의 동작은, K-DRUM의 각 격자에서 발생하는 기저유출량이 격자의 토양함수비가 완전포화상태에서 감소함에 따라 일정비율로 감소하게 되는 특성을 이용한 것이다. 만약 유역 전체에 불균등한 강우가 발생하면 유역 내 토양의 함수량은 불균등한 분포를 나타내지만, 강우가 종료한 후 약 3~5일 경과하면 토양내부의 특성상 토양 함수비 감소는 유역의 지형특성 및 수문 특성에 따라 기저유출량의 감소와 비슷하게 진행되게 되기 때문이다. The operation of the automatic initial soil function correction function performing unit uses the characteristic that the base runoff generated in each grid of K-DRUM decreases at a certain rate as the soil moisture content of the grid decreases in the fully saturated state. If uneven rainfall occurs throughout the watershed, the water content of the soil in the watershed shows an uneven distribution, but after about 3 to 5 days after the end of the rainfall, the decrease in the soil water content is due to the nature of the soil inside and the topographical and hydrological characteristics of the watershed. This is because it proceeds similarly to the decrease in base runoff.
이와 같은 K-DRUM의 초기조건 결정과정은 사용자의 주관적 판단에 따른 매개변수 보정이 아닌 자동화된 매개변수 설정으로 사용자에게 편의성을 제공하고, 소요시간(시행착오법 등) 단축 및 부정확한 설정으로 인해 발생될 수 있는 문제점을 해결한다. The process of determining the initial conditions of K-DRUM provides convenience to the user through automated parameter setting rather than parameter correction based on the user's subjective judgment, and shortens the required time (trial and error method, etc.) Resolve any problems that may arise.
다음으로, 강우 공간분포 보간기능 수행부(122)는 대상 유역 내 산재한 강우관측소의 점 강유량을 유역 유출모형의 입력 자료로 환산하기 위해서 각 격자별 강우량으로 환산하는 과정으로서, 점 강유량의 유역 강우량 환산을 수행한다.Next, the rainfall spatial distribution interpolation
강우 공간분포 보간기능 수행부는 강우관측소 관측정보를 공간분포 격자강우량으로 환산하여 활용할 수 있도록 한다. The rainfall spatial distribution interpolation function execution unit converts the observation information of the rainfall observatory into spatial distribution grid rainfall to be utilized.
이를 위해 지점강우량을 Thiessen법, IDW법, Kriging법중 하나 이상을 선택해서 변환할 수 있도록 한다. For this, one or more of Thiessen method, IDW method, and Kriging method can be selected to convert the spot rainfall.
계속하여, 증발산 모의기능 수행부(123)는 대상 유역 내 관측소의 기후자료를 격자별로 보정 후 잠재증발산량 산출식에 의한 잠재증발산량 산출 후 실제증발산량 산정을 위해 보정계수를 적용하는 과정을 수행한다. Subsequently, the evapotranspiration simulation
증발산 모의기능 수행부는 이 과정에서 기후인자 데이터로서, 최고기온, 최저기온, 이슬점 온도, 일조시간, 풍속을 활용할 수 있다. 여기에 일별 기온감율에 의한 보정과 위도별 보정을 수행하여 격자별 잠재 증발산량을 산정할 수 있다(FAO-56 Penman-Monteith 산출식 적용). 또한 여기에 보정계수를 적용하여 격자별 실제 증발산량을 산정할 수 있다. The evapotranspiration simulation function execution unit can utilize maximum temperature, minimum temperature, dew point temperature, sunshine time, and wind speed as climate factor data in this process. Here, it is possible to calculate the potential evapotranspiration for each grid by performing the correction by the daily temperature lapse rate and the correction by latitude (applied the FAO-56 Penman-Monteith calculation formula). Also, it is possible to calculate the actual evapotranspiration for each grid by applying a correction factor.
융적설 모의기능 수행부(124)는 개별 격자별로 융적설을 구분하는 기준온도에 따라 대기온도가 상대적으로 낮으면 적설, 높으면 융설로 판단하여 계산하며, 기상관측소 관측기온을 토대로 모든 격자에 고도에 따른 기온감률을 적용하여 격자별 대기온도를 산정함으로써 융적설을 산정하는 과정을 수행한다. The melting snow simulation
융적설 모의기능 수행부는 이 과정에서 기후인자 데이터로서, 최고기온, 최저기온, 이슬점 온도, 일조시간, 풍속을 활용할 수 있다. 여기에 일별 기온감율에 의한 보정을 수행하여 격자별 융적설량을 산정할 수 있다(Sugawara 산출식 적용). The melting snow simulation function execution unit can utilize the maximum temperature, minimum temperature, dew point temperature, sunshine time, and wind speed as climate factor data in this process. Here, it is possible to calculate the amount of snow melt for each grid by performing correction by the daily temperature lapse rate (applied the Sugawara calculation formula).
지하수 모의기능 수행부(125)는 지하수 유출을 모의하는 D층의 바닥표고를 해수면과 같도록 설정하고 C층 바닥 표고에 따라 D층의 깊이를 설정하여 기저유출량을 모의하는 과정을 수행한다. The groundwater simulation
K-DRUM에서 지하수는 D층의 유출로 모의되는데, D층의 토양심도는 일정하게 계산하도록 되어 있어 기저유출량의 모의에 한계가 존재하므로, 지하수 모의기능 수행부는 이러한 한계를 극복하고자 D층의 토양깊이를 지형형상에 따라 변화하도록 수정한다. 도 9는 지하수 모의기능 수행부가 D층 흐름 계산을 수행하는 개념도를 도시한다. 도 9에 도시된 바와 같이, D층의 바닥표고는 해수면과 같도록 설정하고 C층 바닥 표고에 따라 D층의 깊이를 설정한다. In K-DRUM, groundwater is simulated by the outflow of the D layer, and since the soil depth of the D layer is calculated to be constant, there is a limit to the simulation of the base runoff. Modify the depth to change according to the terrain shape. 9 is a conceptual diagram illustrating a groundwater simulation function performing unit performing a D-layer flow calculation. As shown in FIG. 9 , the bottom elevation of the D layer is set to be the same as the sea level, and the depth of the D layer is set according to the bottom elevation of the C layer.
D층 횡방향유출량 계산은 다음 식에 따라 수행할 수 있다. The lateral runoff in the D-layer can be calculated according to the following equation.
하류격자와 D층 수위를 비교하여 상류 수위가 높으면 하류로 횡방향 유출량을 적용하고, 하류 수위가 높으면 횡방향 유출량은 없음을 의미한다. Comparing the downstream grid and D-layer water level, if the upstream water level is high, the lateral runoff is applied to the downstream, and if the downstream water level is high, it means that there is no transverse runoff.
MPI 병렬코드 적용부(126)는 병렬화 처리기법을 통해 분포형 모형의 단점인 계산소요 문제를 해결한다. The MPI parallel
이를 위해 MPI 병렬코드 적용부는 지역적으로 메모리를 따로 가지는 프로세스들이 데이터를 공유하기 위해 데이터를 송신, 수신하여 통신하는 방식을 이용하여 작업할당 및 데이터 분배를 수행할 수 있다. 도 10은 MPI 병렬코드 적용부에 의한 계산시간 단축 과정을 보여주는 도면으로서, (a)는 병렬계산을 위한 영역분할을, (b)는 다수의 영역분할 MPI 알고리즘을 도시한다. 도면에 도시된 바와 같이, 7개의 영역으로 분할할 수 있고, 2~7번 영역은 상호 독립적으로 계산(즉, 병렬계산 적용)하고, 1번 영역은 2~7번 영역 계산이 완료된 이후 정보를 MPI로 취합하여 계산할 수 있다. To this end, the MPI parallel code application unit can perform task assignment and data distribution by using a method in which processes having a separate memory locally transmit, receive, and communicate data to share data. 10 is a view showing a process of shortening the calculation time by the MPI parallel code application unit. (a) shows region division for parallel calculation, and (b) shows a plurality of region division MPI algorithms. As shown in the figure, it can be divided into 7 regions,
본 발명의 실시예에 따른 수리해석 수행부(130)는 대상 유역에 대한 수리구조물 및 하천단면형상을 1차원 하천수리모형에 적용하여 하천 수리해석을 수행한다. The hydraulic
예를 들어, 낙동강 본류(안동댐~낙동강하구둑)에 대해 3~400m 정도의 간격으로 약 700여 지점(일례로, 710개)의 단면정보를 이용하여 구축된 하천단면자료를 적용할 수 있다. 도 11은 수리해석 수행부에서 하천 수리해석에 적용된 하상단면자료의 예시를 도시한다. For example, the river cross-section data constructed using cross-sectional information of about 700 points (for example, 710 pieces) at intervals of about 3 to 400 m for the main stream of the Nakdong River (Andong Dam ~ Nakdong Estuary Bank) can be applied. 11 shows an example of the riverbed cross-section data applied to the river hydraulic analysis in the hydraulic analysis performing unit.
또한 예를 들어, 4대강 정비사업을 통하여 낙동강에 설치된 8개보(상주보, 낙단보, 구미보, 칠곡보, 강정보, 달성보, 합천보, 함안보)의 제원으로부터 구축된 수리구조물자료를 적용할 수 있다. 도 12는 수리해석 수행부에서 하천 수리해석에 적용된 낙동강 8개 보 단면 및 제원 개략도를 도시한다. Also, for example, the hydraulic structure data constructed from the specifications of 8 weirs (Sangju Weir, Nakdan Weir, Gumi Weir, Chilgok Weir, River Weir, Dalseong Weir, Hapcheon Weir, and Haman Weir) installed on the Nakdong River through the Four Major Rivers Maintenance Project are collected. can be applied. 12 shows a schematic diagram of the
하천수리모형 입력자료로서, K-DRUM 유입지점과 K-River 하천단면 번호간 연계 데이터가 구축될 수 있다. 일례로, 낙동강 유역의 수위관측소 및 주요지점과 1차원 하천모형과의 관계가 다음과 같은 형태의 K-DRUM 유입지점 - K-River 하천단면 번호 연계 데이터로 구축될 수 있다. As input data for the river hydraulic model, link data between the K-DRUM inflow point and the K-River river section number can be constructed. As an example, the relationship between the water level observatory and major points in the Nakdong River basin and the one-dimensional model can be constructed with the following form of K-DRUM inflow point - K-River river section number linkage data.
본 발명의 실시예에 따른 1차원 하천수리모형으로는 K-River를 이용할 수 있다. K-water에서 C++ 코드로 개발한 FVM 기반의 1차원 하천 수리해석모형이다. K-River에서는 보, 위어, 수문 등의 다양한 수리구조물을 고려 가능하며 도 13과 같은 복수개의 위어와 수문을 포함하는 보와 같은 횡구조물이 고려 가능하다. 또한 K-River에서는 다양한 암거내의 흐름을 해석하기 위해 흐름을 고려 가능하다. K-River 지배방정식으로는 보존형 Saint-Venant 방정식을 사용할 수 있다. 또한 FVM기반의 검사체적에 대한 이산화 및 흐름/생성항 수치불균형 해결을 위한 well-balanced 수치기법 적용할 수 있다. 도 14는 K-River 지배방정식을 나타낸다. A K-River can be used as a one-dimensional river hydraulic model according to an embodiment of the present invention. It is a one-dimensional river hydraulic analysis model based on FVM developed by K-water with C++ code. In K-River, various hydraulic structures such as beams, weirs and sluice gates can be considered, and transverse structures such as beams including a plurality of weirs and sluice gates as shown in FIG. 13 can be considered. Also, in K-River, it is possible to consider the flow to analyze the flow in various culverts. As the K-River governing equation, the conservative Saint-Venant equation can be used. In addition, a well-balanced numerical technique can be applied to solve the discretization of FVM-based control volume and the numerical imbalance of flow/generation terms. 14 shows the K-River governing equation.
본 발명의 실시예에 따른 연계 처리부(140)는 수문모의 수행부(110)의 동작과 수리해석 수행부(120)의 동작이 서로 연계되도록, 수문모의 수행부에서 수리해석 수행부의 하천 수리해석 단계를 다수의 모듈화된 함수들로써 호출할 수 있도록 한다. The
이를 위해, 연계 처리부(140)는 도 3에 도시된 바와 같이, 모듈화부(142), 변환부(144), 계산부(146) 및 적용부(148)를 포함할 수 있다. To this end, the
모듈화부(142)는 수리해석 수행부의 하천 수리해석 단계를 여러 단계의 함수(K-RIVER 함수들)로 모듈화한다. 예를 들어, 5단계의 함수로 모듈화할 수 있다. 도 15는 모듈화부에 의해 모듈화된 5단계의 함수들이 도시된다. The
K-River를 프로세스별로 묶어서 모듈화하는 과정에 해당한다. It corresponds to the process of modularizing K-River by grouping it by process.
이는 후술하는 변환부를 통해 Fortran 코드로 개발된 K-DRUM과 C++ 코드로 개발된 K-River를 연계하여 하나의 실행파일로 모의 수행이 가능하도록 한다. This makes it possible to perform simulation as a single executable file by linking K-DRUM developed with Fortran code and K-River developed with C++ code through the conversion unit to be described later.
상세하게, K-DRUM의 프로그램 및 코드 흐름도는 도 16에 도시된 바와 같이 나타낼 수 있다. 그리고, K-River의 프로그램 및 코드 흐름도는 도 17에 도시된 바와 같이 나타낼 수 있다. 이때, 서로 다른 코드의 연계를 위해서 K-River의 계산단계를 5단계의 함수, 즉, 도 15에 도시된 바와 같은 kriver_read_file, kriver_show_time_info, kriver_pre_proceed, kriver_proceed_hour, kriver_write_files_finished로 모듈화할 수 있는 것이다. In detail, a program and code flow diagram of K-DRUM may be shown as shown in FIG. 16 . And, the program and code flow chart of K-River may be shown as shown in FIG. 17 . At this time, in order to link different codes, the calculation step of K-River can be modularized into 5 functions, that is, kriver_read_file, kriver_show_time_info, kriver_pre_proceed, kriver_proceed_hour, kriver_write_files_finished as shown in FIG. 15 .
변환부(144)는 모듈화한 K-RIVER 함수들을 라이브러리 형태로 변환하여 수문모의 수행부(120)에서 호출할 수 있도록 한다. The
모듈화한 K-River를 외부에서 호출할 수 있는 라이브러리로 변환하는 과정에 해당한다.It corresponds to the process of converting the modularized K-River into a library that can be called externally.
구체적으로, 모듈화한 K-River 함수들은 라이브러리 형태(libKRiver.a)로 구축하고, K-DRUM 내부에서 호출되도록 연계된다. 즉, K-DRUM 코드에서 K-River 모듈을 호출할 수 있다. Specifically, the modularized K-River functions are built in the form of a library (libKRiver.a) and linked to be called inside K-DRUM. That is, the K-River module can be called from the K-DRUM code.
도 18에 본 발명의 실시예에 따른 연계 처리부에 의한 K-River 모듈 호출위치가 도시된다. (a)는 도 16을 도시하고, (b)는 도 16에 대해 K-River 모듈 호출위치를 시각적으로 도시한다. 18 shows a K-River module call position by the link processing unit according to an embodiment of the present invention. (a) shows FIG. 16, and (b) visually shows the K-River module call position with respect to FIG.
도 18을 참조하면, kriver_read_file 함수는 K-DRUM의 입력자료 입력 후에 호출하도록 하고, kriver_show_time_info함수 및 kriver_pre_proceed 함수는 K-DRUM 초기값 보정 후에 호출되도록 한다. kriver_proceed_hour함수는 K-DRUM의 계산 loop 상에서 포함되도록 하고, 이전에 K-DRUM과 K-River의 연계를 위해서 kriver_set_lateral_flow함수를 호출하도록 한다. 구체적으로는 K-DRUM 상에서 하천수리모형으로 유입되는 유입량을 생성하기 위한 셀을 파악하고, 이에 대응하는 K-River의 위치를 파악하여 측방유입량으로 전달하는 함수이다. 일례로, kriver_set_lateral_flow(river_i, station, Q) 함수는 K-DRUM의 정보(유량)을 K-River에 전달하는 함수이다. K-River에 계산시간을 전달하여, 필요한 구간(시간)만 하천흐름계산을 수행할 수 있다. 한편, 연계정보는 외부 파일(connection_data.txt) 파일에서 입력되도록 할 수 있다. Referring to FIG. 18 , the kriver_read_file function is called after input data of K-DRUM, and the kriver_show_time_info function and kriver_pre_proceed function are called after K-DRUM initial value correction. The kriver_proceed_hour function is included in the calculation loop of K-DRUM, and the kriver_set_lateral_flow function is called for the connection between K-DRUM and K-River before. Specifically, it is a function that identifies the cell for generating the inflow into the river hydraulic model on the K-DRUM, finds the location of the corresponding K-River, and transfers it to the lateral inflow. For example, the kriver_set_lateral_flow(river_i, station, Q) function is a function that transmits K-DRUM information (flow rate) to the K-River. By passing the calculation time to the K-River, only the required section (time) can perform river flow calculation. Meanwhile, the connection information may be input from an external file (connection_data.txt) file.
계산부(146)는 수문모형상에서 유출(사면)셀과 하천셀을 구분하고, 상류셀로부터 하천셀에 유입되는 유량(하천셀 유입량)을 계산한다. 수문모형의 하천셀에서는 하류셀로의 유출이 발생하지 않는 것으로 가정한다. The
적용부(148)는 상기 계산된 하천셀 유입량을 하천수리모형의 측방유입량으로 환산하여 적용한다. The
도 19는 본 발명의 실시예에 따른 계산부와 적용부에 의한 유역유출이 계산되고(Step 1), 하천수리가 계산되며(Step 2), Step 1 및 Step 2 과정을 단위시간에 대하여 반복적으로 적용하여 연계모의가 수행(Step 3)되는 과정을 나타낸다. (a)는 그 블록도를, (b)는 각 셀을 보여준다. 19 shows that the watershed runoff by the calculation unit and the application unit according to the embodiment of the present invention is calculated (Step 1), the river repair is calculated (Step 2), and the steps of
도 19에 도시된 바와 같이, 수문모형 상에서 유출(사면)셀과 하천셀을 구분하여 위와 같은 방법으로 연계모의가 수행될 수 있고, K-DRUM(Fortran code)와 K-River(C++ code)를 연계하여 하나의 실행파일로 모의 수행이 가능하다. As shown in FIG. 19, the linkage simulation can be performed in the same way as above by separating outflow (slope) cells and river cells on the hydrologic model, and K-DRUM (Fortran code) and K-River (C++ code) It is possible to perform simulation with a single executable file by linking.
도 20 내지 도 24는 본 발명의 실시예에 따른 수리수문 해석 장치에 따른 분포형 수문모형 결과를 도시하는 도면이다. 20 to 24 are diagrams showing the results of the distribution type hydrology model according to the hydraulic hydrologic analysis apparatus according to the embodiment of the present invention.
K-DRUM을 이용한 수문해석 모의기간은 2018/08/22일 9시부터 2018/09/04일 23시까지 계산을 수행하였다. 앞서 구축된 212개의 강수관측소에 대한 관측강우를 적용하여 해석을 수행하였다. The simulation period of hydrological analysis using K-DRUM was calculated from 9:00 on 2018/08/22 to 23:00 on 2018/09/04. The analysis was performed by applying the observed rainfall to the 212 precipitation stations constructed previously.
9개 댐 유입지점(남강댐, 안동댐, 임하댐, 합천댐, 밀양댐, 군위댐, 영천댐, 보현산댐, 김천부항댐)에서의 관측유량과 K-DRUM의 계산결과를 비교하였다. The observed flow rates at nine dam inflow points (Namgang dam, Andong dam, Imha dam, Hapcheon dam, Miryang dam, Gunwi dam, Yeongcheon dam, Bohyeonsan dam, and Gimcheon Buhang dam) were compared with the calculation results of K-DRUM.
도 20 내지 도 24에 도시된 바와 같이, 모의결과를 보면 유역규모가 큰 남강댐, 안동댐, 합천댐, 임하댐 등의 유입량 및 도달시간이 잘 모의되고 있으나, 상대적으로 유역면적이 작은 보현산댐, 영천댐, 군위댐 등은 모두 유출량이 과다 산정되는 경향이 있는 것을 확인할 수 있다. 일반적으로 분포형 수문모형 적용 시 소유역별로 매개변수의 보정(Calibration)과정이 필요하나, 본 과업에서는 소유역별 매개변수 보정과정 없이 전체 대 유역에 대하여 일괄적인 매개변수를 입력하였다. 이는 모형결과의 정확도에 큰 영향을 줄 수 있으며, 현재 모형의 정확도가 충분하지 않으나 향후 소유역별 매개변수 최적화를 통하여 분포형 수문모형의 정확도를 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.As shown in FIGS. 20 to 24, the simulation results show that the inflow and arrival times of Namgang Dam, Andong Dam, Hapcheon Dam, and Imha Dam with large watersheds are well simulated, but Bohyeonsan Dam, Yeongcheon Dam, and Gunwi with relatively small watersheds. It can be seen that all dams and the like tend to overestimate the amount of runoff. In general, when applying the distributed hydrology model, it is necessary to calibrate the parameters for each subwatershed. This can greatly affect the accuracy of the model results, and although the accuracy of the current model is not sufficient, it is judged that the accuracy of the distributed hydrology model can be improved through parameter optimization for each subwatershed in the future.
도 25 및 도 26은 본 발명의 실시예에 따른 수리수문 해석 장치에 따른 분포형 수문모형과 하천수리모형의 연계 모의 결과를 도시하는 도면이다. 25 and 26 are diagrams showing the results of the simulation of the distribution type hydrology model and the river hydraulic model according to the hydraulic hydrologic analysis apparatus according to the embodiment of the present invention.
모의기간은 2018/08/25일 0시부터 2018/09/04일 0시까지 10일간 계산을 수행하였다. K-DRUM과 KRiver를 연계하여 모의하였으며, KRiver는 K-DRUM 내부에서 모듈화된 함수로서 호출된다. 총 20개 지점의 하천지류 흐름이 KRiver로 연계되었으며 지점들은 아래 표와 같다.The simulation period was calculated for 10 days from 00:00 on 2018/08/25 to 00:00 on 2018/09/04. It was simulated by linking K-DRUM and KRiver, and KRiver is called as a modularized function inside K-DRUM. A total of 20 river tributaries were connected to KRiver, and the branches are shown in the table below.
8개 수위국(구담, 사벌, 낙동, 구미, 현풍, 진동, 삼랑진, 구포) 지점에서의 관측수위와 K-River의 계산결과를 비교하였다.도 25 및 도 26에 도시된 바와 같이, 전반적으로 수위 상승 및 하강 경향이 잘 모의된 것으로 보이며, 첨두유량 및 도달시간도 잘 모의된 것으로 판단된다. 모의기간은 홍수기로 수위재현이 평수기에 비해 훨씬 어렵다는 점을 고려하면, 향후 1년 정도의 모의기간에 대하여 검증을 수행할 필요가 있을 것으로 판단된다. 또한 현재 보 모의조작은 관리수위를 기준으로 단순조작 룰을 적용하고 있으나, 목표 사상에 대하여 최적화 된 모의조작을 수행할 경우 모의 정확도를 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.The water level observed at eight water level stations (Gudam, Sabeol, Nakdong, Gumi, Hyeonpung, Jinjin, Samrangjin, and Gupo) was compared with the calculation results of the K-River. As shown in FIGS. 25 and 26, overall It seems that the water level rise and fall trends are well simulated, and the peak flow rate and arrival time are also well simulated. Considering that it is much more difficult to reproduce the water level during the flood season than during the normal season, it is judged that it is necessary to perform verification for the simulation period of about one year in the future. In addition, although simple operation rules are currently applied based on the level of management, it is expected that simulation accuracy will be improved if the simulation operation optimized for the target event is performed.
본 발명의 실시예들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 일 실시예들의 동작을 수행하기 위해 적어도 하나의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.Embodiments of the present invention may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination. The program instructions recorded on the medium may be specially designed and configured for the present invention, or may be known and available to those skilled in the art of computer software. Examples of the computer-readable recording medium include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, and magnetic such as floppy disks. - Examples of program instructions such as magneto-optical and ROM, RAM, and flash memory can be executed by a computer using an interpreter as well as machine code such as those created by a compiler. contains high-level language codes. The hardware device described above may be configured to operate as at least one software module to perform the operations of the embodiments of the present invention, and vice versa.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.As described above, the present invention has been described with specific matters such as specific components and limited embodiments and drawings, but these are provided to help a more general understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the above embodiments. , various modifications and variations are possible from these descriptions by those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains. Therefore, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and not only the claims to be described later, but also all those with equivalent or equivalent modifications to the claims will be said to belong to the scope of the spirit of the present invention. .
100 : 수질예측 고도화를 위한 분포형 모델이 적용된 수리수문 해석 장치
110 : 격자 설정부
120 : 수문모의 수행부
121 : 초기토양함수 자동보정기능 수행부
122 : 강우 공간분포 보간기능 수행부
123 : 증발산 모의기능 수행부
124 : 융적설 모의기능 수행부
125 : 지하수 모의기능 수행부
126 : MPI 병렬코드 적용부
130 : 수리해석 수행부
140 : 연계 처리부
142 : 모듈화부
144 : 변환부
146 : 계산부
148 : 적용부100: Hydraulic hydrological analysis device to which a distributed model for advanced water quality prediction is applied
110: grid setting unit
120: attendant of the sluice model
121: Initial soil function automatic correction function execution unit
122: rainfall spatial distribution interpolation function execution unit
123: evapotranspiration simulation function execution unit
124: fusion snow simulation function execution unit
125: groundwater simulation function execution unit
126: MPI parallel code application part
130: mathematical analysis execution unit
140: link processing unit
142: modularization part
144: conversion unit
146: calculator
148: application part
Claims (6)
대상 유역에 대해 격자 해상도를 설정하는 격자 설정부;
상기 설정된 격자 해상도에 해당하는 상기 대상 유역에 대한 입력자료를 수문모형에 적용하여 분포형 수문모의를 수행하는 수문모의 수행부;
상기 대상 유역에 대한 수리구조물 및 하천단면형상을 1차원 하천수리모형에 적용하여 하천 수리해석을 수행하는 수리해석 수행부; 및
상기 수문모의 수행부의 동작과 상기 수리해석 수행부의 동작이 서로 연계되도록, 상기 수문모의 수행부에서 상기 수리해석 수행부의 하천 수리해석 단계를 다수의 모듈화된 함수들로써 호출할 수 있도록 하는 연계 처리부;를 포함하되,
상기 연계 처리부는,
상기 수리해석 수행부의 하천 수리해석 단계를 여러 단계의 함수(K-RIVER 함수들)로 모듈화하는 모듈화부;
상기 모듈화한 K-RIVER 함수들을 라이브러리 형태로 변환하여 상기 수문모의 수행부에서 호출할 수 있도록 하는 변환부;
상기 수문모형상에서 유출(사면)셀과 하천셀을 구분하고, 상류셀로부터 하천셀에 유입되는 유량(하천셀 유입량)을 계산하는 계산부; 및
상기 계산된 하천셀 유입량을 상기 하천수리모형의 측방유입량으로 환산하여 적용하는 적용부;를 포함하고,
상기 K-RIVER 함수들 중 적어도 하나는,
상기 수문모형상 하천셀에 대응하는 상기 하천수리모형상 위치를 파악하고 상기 하천셀 유입량이 상기 대응하는 위치의 측방유입량으로 전달되도록 하는 함수인 것을 특징으로 하는 수리수문 해석 장치.As a hydro-hydraulic analysis device to which a distribution model is applied for advanced water quality prediction,
a grid setting unit for setting a grid resolution for a target watershed;
a sluice simulation performing unit for performing distributed sluice simulation by applying the input data for the target watershed corresponding to the set grid resolution to a sluice model;
a hydraulic analysis performing unit for performing a river hydraulic analysis by applying a hydraulic structure and a river cross-sectional shape for the target watershed to a one-dimensional river hydraulic model; and
A linkage processing unit that enables the hydrological simulation performing unit to call the river mathematical analysis step of the mathematical analysis performing unit as a plurality of modularized functions so that the operation of the hydrological simulation performing unit and the hydraulic analysis performing unit are linked with each other; but,
The link processing unit,
a modularization unit for modularizing the river hydraulic analysis step of the mathematical analysis performing unit into a function of several steps (K-RIVER functions);
a conversion unit that converts the modularized K-RIVER functions into a library form so that they can be called by the sluice simulation execution unit;
a calculation unit for classifying an outflow (slope) cell and a river cell in the sluice model, and calculating the flow rate (stream cell inflow) flowing into the river cell from the upstream cell; and
and an application unit that converts and applies the calculated river cell inflow into the lateral inflow of the river hydraulic model;
At least one of the K-RIVER functions,
Hydraulic hydrolog analysis apparatus, characterized in that it is a function to determine the position of the hydraulic model corresponding to the river cell in the hydrological model and to transmit the inflow of the river cell to the lateral inflow of the corresponding position.
상기 연계 처리부는,
상기 하천셀 유입량 계산 후 상기 측방유입량으로 환산 적용의 순서로 단위시간 모의를 반복적으로 수행함으로써 전체 모의시간에 대해서 모의가 진행되도록 하는 것을 특징으로 하는 수리수문 해석 장치. According to claim 1,
The link processing unit,
Hydrologistic analysis apparatus, characterized in that the simulation proceeds for the entire simulation time by repeatedly performing the unit time simulation in the order of applying the conversion to the side inflow after calculating the river cell inflow.
대상 유역에 대해 격자 해상도를 설정하는 격자 설정부;
상기 설정된 격자 해상도에 해당하는 상기 대상 유역에 대한 입력자료를 수문모형에 적용하여 분포형 수문모의를 수행하는 수문모의 수행부;
상기 대상 유역에 대한 수리구조물 및 하천단면형상을 1차원 하천수리모형에 적용하여 하천 수리해석을 수행하는 수리해석 수행부; 및
상기 수문모의 수행부의 동작과 상기 수리해석 수행부의 동작이 서로 연계되도록, 상기 수문모의 수행부에서 상기 수리해석 수행부의 하천 수리해석 단계를 다수의 모듈화된 함수들로써 호출할 수 있도록 하는 연계 처리부;를 포함하되,
상기 연계 처리부는,
상기 수리해석 수행부의 하천 수리해석 단계를 여러 단계의 함수(K-RIVER 함수들)로 모듈화하는 모듈화부;
상기 모듈화한 K-RIVER 함수들을 라이브러리 형태로 변환하여 상기 수문모의 수행부에서 호출할 수 있도록 하는 변환부;
상기 수문모형상에서 유출(사면)셀과 하천셀을 구분하고, 상류셀로부터 하천셀에 유입되는 유량(하천셀 유입량)을 계산하는 계산부; 및
상기 계산된 하천셀 유입량을 상기 하천수리모형의 측방유입량으로 환산하여 적용하는 적용부;를 포함하고,
상기 K-RIVER 함수들 중 적어도 하나는,
상기 수문모형상 전체 모의시간에 대응하는 계산시간을 파악하고 상기 하천 수리해석이 상기 대응하는 계산시간에서만 수행되도록 하는 함수인 것을 특징으로 하는 수리수문 해석 장치. As a hydro-hydraulic analysis device to which a distribution model is applied for advanced water quality prediction,
a grid setting unit for setting a grid resolution for a target watershed;
a sluice simulation performing unit for performing distributed sluice simulation by applying the input data for the target watershed corresponding to the set grid resolution to a sluice model;
a hydraulic analysis performing unit for performing a river hydraulic analysis by applying a hydraulic structure and a river cross-sectional shape for the target watershed to a one-dimensional river hydraulic model; and
A linkage processing unit that enables the hydrological simulation performing unit to call the river mathematical analysis step of the mathematical analysis performing unit as a plurality of modularized functions so that the operation of the hydrological simulation performing unit and the hydraulic analysis performing unit are linked with each other; but,
The link processing unit,
a modularization unit for modularizing the river hydraulic analysis step of the mathematical analysis performing unit into a function of several steps (K-RIVER functions);
a conversion unit that converts the modularized K-RIVER functions into a library form so that they can be called by the sluice simulation execution unit;
a calculation unit for classifying an outflow (slope) cell and a river cell in the sluice model, and calculating the flow rate (stream cell inflow) flowing into the river cell from the upstream cell; and
and an application unit that converts and applies the calculated river cell inflow into the lateral inflow of the river hydraulic model;
At least one of the K-RIVER functions,
Hydraulic hydrological analysis apparatus, characterized in that it is a function to determine the calculation time corresponding to the entire simulation time on the hydrologic model and to perform the river hydraulic analysis only in the corresponding calculation time.
상기 수문모의 수행부는,
상기 대상 유역의 토양조건인 A층(표면류), B층(지표하흐름) 및 C층(기저유출) 중에서 B층 및 C층의 초기토양 함수비를 완전포화상태로 설정하는 (a)단계;
상기 대상 유역 내에 위치한 유량관측소의 관측자료를 이용하여 관측-기저유출량을 설정하는 (b)단계;
상기 유량관측소의 위치에 해당하는 격자번호를 선택하는 (c)단계;
무강우 조건으로 단위 시간당 상기 대상 유역 내부 전체의 유출계산(계산-기저유출량)을 진행하는 (d)단계;
상기 선택된 격자번호에 대한 상기 계산-기저유출량과 상기 관측-기저유출량을 비교하는 (e)단계; 및
상기 비교 결과, 상기 계산-기저유출량이 상기 관측-기저유출량보다 큰 경우 상기 (d)단계로 돌아가 반복계산 수행하는 (f)단계;를 수행하여, 유출 모의의 정확도를 향상시키는 초기토양함수 자동보정기능 수행부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수리수문 해석 장치. According to claim 1,
The execution unit of the sluice model,
(a) setting the initial soil moisture content of layer B and layer C to be fully saturated among the soil conditions of layer A (surface flow), layer B (subsurface flow) and layer C (base runoff) of the target watershed;
(b) setting an observation-base runoff amount using observation data of a flow rate observatory located in the target watershed;
(c) selecting a grid number corresponding to the location of the flow rate observatory;
(d) performing runoff calculation (calculation-base runoff) of the entire inside of the target watershed per unit time under no rainfall condition;
(e) comparing the calculated-basal runoff and the observed-basal runoff for the selected grid number; and
As a result of the comparison, if the calculated-base runoff is greater than the observed-base runoff, the initial soil function automatic correction to improve the accuracy of the runoff simulation by performing (f) returning to the step (d) and performing repeated calculations; Hydrographic analysis device comprising a; function performing unit.
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