Special Issue
1. 2세부 연구과제 소개
최근 기후변화로 인해 홍수발생가능성 및 위험도 가 증가하는 추세이고, 하천 이용빈도가 높아짐에 따 라 홍수에 의한 위험성을 사전에 감지하고 맞춤형 홍 수정보를 제공해야 하는 필요성이 높아지고 있다. 구 체적으로 현행 3시간 예보선행시간을 6시간까지 확 장하여 사전에 홍수피해에 대응할 수 있는 최소한의 시간을 확보할 수 있도록 하고, 하천 주변 사회기반
시설의 침수예측을 통해 국민생활의 불편을 최소화 할 필요가 있다. 또한 하천내 친수활동이 증가하면서 하천 둔치의 친수공간에 대해서도 정확한 홍수정보 를 제공할 필요가 있다. 이를 통하여 국가가 대국민 홍수정보서비스를 제공함으로서 국민의 생명과 재산 을 보호하는 중요한 역할을 할 수 있어야 한다.
하천의 홍수예보를 위해서는 결과의 정확성, 자료 의 신뢰성, 예보의 적시성 등 세가지 조건이 충족되 어야 한다. 하천홍수예보의 시공간적 범위를 확장하
시공간적 상세 하천유역홍수예측의 고성능(HPC) 수치모형 개발 04
- 홍수대응골든타임확보연구단_2세부-
윤 광 석
한국건설기술연구원 국토보전연구본부 선임연구위원
권 현 한
전북대학교 토목공학과 교수 [email protected]
김 수 영
한국건설기술연구원 국토보전연구본부 신진연구원
이 승 오
홍익대학교 토목공학과 교수 [email protected]
김 창 완
에이치투알 대표이사 [email protected]
김 종 호
울산대학교 토목공학과 교수 [email protected]
시공간적 상세 하천유역홍수예측의 고성능(HPC) 수치모형 개발 Special Issue
고자 할 때에도 위의 세가지 조건을 만족해야만 홍 수예보의 효과가 확보된다. 본 연구에서는 하천 홍 수예보의 전제조건인 정확성, 신뢰성, 적시성을 확 보함과 동시에 하천홍수예보의 시공간적 범위를 확 장하기 위한 핵심연구를 계획하여 수행하고 있다.
본 2세부과제의 연구내용은 크게 ‘현행 홍수예측 정확도 개선’과 ‘6시간 하천홍수 골든타임 확보’ 연 구로 분류된다. 현행 홍수예측 정확도를 개선하기 위하여 홍수특보지점 선정 및 특보기준 상세화 기 술과 상시 홍수 정보 제공을 위한 수리학적 및 수문 학적 홍수예측 매개변수 최적화 기술 개발을 수행 한다. 홍수예보의 공간적 범위를 확장하기 위하여 HPC(High Performance Computing) 기반 고정 밀·고효율 유역유출모형과 1·2차원 연계 하천공 간 홍수예측모형이 개발되고, 홍수정보 제공 범위를 하천 주변 사회기반시설까지 확장할 수 있는 침수예 측기법이 개발된다. 또한, 홍수예보의 시간적 범위 를 확장하기 위하여 강우 앙상블 시나리오 생성 기 술을 개발하여 강우예측기능을 강화하고, 앙상블 확 률홍수 예보 기술 개발을 통하여 확률 기반 홍수정
보가 제공될 수 있다.
2. 주요 연구내용
가. 고성능 컴퓨팅 기반 홍수예측 시공간적 범위 확장 및 정확도 향상 기술 개발(2-1 협동과제) 한국건설기술연구원(연구책임자 윤광석)에서는 홍수예보지점 확장을 위한 예보지점 선정 및 예보기 준상세화 기술과 HPC 기반 고정밀·고효율 유역유 출 및 1·2차원 연계 하천공간 홍수예측모형을 개발 한다. 향후 홍수특보지점 확장을 위하여 대상 지점 의 사회적 중요도와 홍수도달시간 등을 고려한 특보 지점 선정 우선순위를 결정하는 방법을 제시하며, 기존 홍수주위보 및 홍수경보 2단계로 되어 있는 특 보 기준을 4단계로 확장할 수 있는 기법을 제시하는 것이다. 강우레이다 및 수치예보 자료를 활용하기 위하여 표준유역을 기반으로 하는 분포형 모형이 구 축되고, 하천의 친수공간에 대한 홍수예측능력을 강 화하기 위하여 국내 여건에 적합한 2차원 수치모형 그림 1. 2세부과제 연구 수행조직 및 연구목표
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이 개발되고, 저수로 예측을 위한 1차원 수치모형과 연계된다. 상세화된 홍수예측모형의 계산속도를 향 상시키기 위하여 병렬컴퓨팅 기법이 적용됨으로써 현행과 같은 계산시간에 정확도 및 정밀도를 극대화 할 수 있을 것으로 기대된다.
현행 홍수예측모형에서 상시예측정보를 제공하기 위하여 1차원 수리학적 모형의 매개변수를 자동으로 최적화할 수 있는 기법을 개발함으로써 기존 수리학 적 홍수예측모형에 장착될 예정이다. 이를 통하여, 기존 모형의 성능을 향상시키고 향후 개발될 1·2차 원 연계모형에 적용되어 정확도가 높은 상시 홍수예 측시스템을 제공할 것이다.
나. 수문학적 모형 매개변수 최적화 기술 개발 (2-1-1 위탁과제)
수문학적 모형은 유역유출모형과 하도유출모형으 로 구성된다. 현행 홍수예보모형에서는 집체형(또는 집중형) 모형에 의한 유역유출량의 정확도에 따라 홍수위 예측 정확도가 지배되므로 정도 높은 유역유 출량 산정을 위하여 유역유출 매개변수를 최적화할
수 있는 기법이 개발된다. 본 연구는 위탁연구기관 인 H2R(연구책임자 김창완)이 수행하며, 개발된 기 법을 기존 모형에 장착하여 집체형 모형의 정확도를 향상시키고 상시 홍수정보 제공을 위한 기반 기술을 제공할 예정이다.
다. 수문·기상 불확실성을 고려한 앙상블 시나 리오 생성 기술 개발(2-1-2 위탁과제) 현행 홍수예보시스템에서의 강우예측은 경험 적인 방법에 의해서 수행되고 있다. 최근 강우 수 치예보자료 및 강우레이다 자료 등이 가용해짐에 따라 본 연구를 통해 수치예보 및 원격탐측 자료 의 시공간적 편의보정기법 개발을 통해 단기, 중 기, 장기적 강우앙상블 예측자료를 생산하고 활용 할 수 있는 기술을 개발한다. 본 연구는 전북대학 교(연구책임자 권현한)가 수행하며, Bayesian기법 기반의 불확실성 평가기법 및 슈퍼앙상블 모형을 제공한다.
본 연구를 통해 개발된 강우앙상블 시나리오 생성 기술은 앙상블 확률홍수 예보기술(2-3과제)에 직접 그림 2. 2-1과제 연구내용 및 연구체계
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적용되어 시스템으로 구축되며, 예보선행시간을 현 행 3시간에서 최대 6시간으로 확장하기 위한 입력 자료로 활용될 것이다.
라. 하천홍수정보 기반 하천 주변 사회기반시설 침수예측기법 개발(2-2 공동과제)
현행 홍수예보시스템이 하천내의 홍수위 정보를 그림 3. 2-1-1과제 연구내용 및 연구체계
그림 4. 2-1-2과제 연구내용 및 연구체계
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중점적으로 제공하고 있는 반면, 향후 본 연구를 통 하여 하천 주변의 사회기반시설의 침수예측도 가능 하게 된다. 본 연구는 홍익대학교(연구책임자 이승 오)에서 수행하고 있으며, 빅데이터 기반 다중 회귀 분석 등을 통해 실시간 하천홍수정보와 연계한 하천 주변 사회기반시설 침수예측정보를 제공할 수 있는 시스템이 개발될 예정이다.
본 연구를 통해 개발되는 하천 주변 침수예측시스 템은 홍수시 내수에 의해 침수되는 도로의 교통통제 등을 통하여 홍수피해를 경감시키고, 홍수방어시설 의 효과적인 운영을 위한 기초자료를 제공할 것으로 기대하고 있다. 또한 BCA 및 F-D곡선을 응용한 경 제성 분석 및 적용기술을 개발하여 향후 홍수예방을 위한 구조적 및 비구조적 대응 계획 수립을 위한 자 료로도 활용된다.
마. 수문·기상 불확실성을 고려한 앙상블 확률 홍수 예보기술 개발(2-3 공동과제)
확장된 선행예보시간에서 발생하는 불확실성
을 정량화하기 위한 방법들 중 하나로 앙상블 확 률홍수 예보기법이 개발되어 도입될 예정이다.
세종대학교(연구책임자 김종호)가 수행하며, 하 천홍수예보의 조건들 중 예보의 적시성과 결과 의 신뢰성을 극대화하기 위해 PCE(Polynomial Chaos Expansion) 기법과 GLUE(Generalised likelihood uncertainty estimation) 방법을 선택 하였다. 저류함수기법 기반의 집체형 모형과 물리 현상 기반의 분포형 모형에 순차적으로 적용하여 다양한 불확실성의 원인들을 고려한 확률홍수예 측치 제공을 현업화할 것이다. 특히 2세부 과제들 중, 강우예측 앙상블 시나리오 작성의 2-1-2 과제 와 매개변수 최적화기법 개발의 2-1-1 과제와 유 기적으로 협업하여 보다 신뢰성 있는 앙상블 확률 홍수예측결과 제공을 목표로 한다. 확률론적 방법 을 통해 제공된 홍수정보는 홍수에 대응 가능한 골 든타임을 확보함에 있어 중요한 기능을 제공할 것 이다.
그림 5. 2-2과제 연구내용 및 연구체계
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3. 최종 연구성과 및 활용계획
본 연구를 통하여 하천홍수예보의 시공간적 범위 를 확장하기 위한 새로운 하천홍수예보기술이 최종 성과물로 도출된다. 강우예측을 위한 강우레이다 분 석 S/W, HPC기반 유역유출모형 및 1·2차원 연계 하도유출모형, 하천주변 침수예측모형, 홍수예보지 점 선정 지침 등이 주요 성과물이며, 최종 성과물은 홍수통제소 홍수예보시스템에 장착되어 실무에 직 접 활용될 수 있다.
4. 맺음말
홍수예보시스템은 홍수피해를 저감시키기 위한 중요한 대책 중에 하나이다. 기후변화로 인해 홍수 피해 잠재성이 증가하고 있는 상황에서 고정밀·
고정확도 홍수예측기법의 개발을 통하여 홍수재해 에 효과적으로 대응할 수 있는 체계를 구축하는 것 이 절실한 실정이다. 이에 본 연구에서는 홍수예보 의 정확성, 신뢰성 및 적시성을 확보함과 동시에 맞 춤형 하천홍수예측정보의 효율적인 제공을 위한 기 술을 개발함으로써 홍수예보 분야에서 세계를 선도 할 수 있는 기반을 구축하고자 하며, 단계적이고 체 계적인 연구를 통하여 최종목표를 달성할 수 있으리 라 기대한다.
감사의 글
본 연 구 는 국 토 교 통 부 / 국 토 교 통 과 학 기 술 진 흥 원 의 지 원 으 로 수 행 되 었 음 ( 과 제 번 호 18AWMP-B127555-02).
그림 6. 2-3과제 연구내용 및 연구체계
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그림 7. 최종 성과물
