HEC-HMS (Hydrologic Modeling System) << 강우 - 유출모의를위한소프트웨어 >> 1. 서론 1.1 HEC-HMS 의분석기능 HEC-HMS 를이용한모의는수문요소 (Hydrologic elements) 들로구성된유역 (watershed) 을표현하는것이며, 수문요소에는다음과같은 7 가지가있다. 소유역 (subbasin) : 유역출구에서유출수문곡선을갖는요소 하도구간 (reach) : 어떤하도구간상류단의주어진유입수문곡선으로부터하류단의 유출수문곡선을도출하는요소 저수지 : 현재의 HEC-HMS에서는비조절저수지만적용가능하며 (reservoir) 비조절저수지추적을위해서는저류량-방류량관계곡선이필요 합류점 (junction) : 둘이상의유입수문곡선이합쳐져서하나의유출수문곡선을 도출하는지점 분류점 (diversion) : 유입량의일부가분류되는지점 수원점 (source) 함몰점 (sink) : 유역내로외부의유출수문곡선이유입되는지점 : 유입은있으나유출이없는지점 HEC-HMS는관측된강우와유량자료가있을경우, 선택된유출매개변수값들에대한최적화 ( 자동추적 ) 의기능을제공한다. 매개변수추정은목표지점 (target location) 의관측수문곡선에대한계산수문곡선의최적적합을도출하기위하여선택된매개변수들의값들의최적화를통화여가능하다. 선택된매개변수들은목표지점상류의모든소유역과하도구간의손실, 유출변환, 기저유출, 또는추적등과관련이있는인자들이다. 1.2 Graphical User Interface (GUI) - 유역모형구축, 자료의복원및저장정보, 실행, 결과검토 - 수문요소들의 icon에의한유역망의모식적표현 - 수문요소들을이용한자료입력및수정, 모의결과의출력등 - 동일한수문요소들을한꺼번에처리할수있는 Global Editor 기능 - 1 -
그림 1. GUI 를이용한기본모식도작성 그림 2. GUI 를이용한소유역모의결과출력 - 2 -
표1. HEC-HMS의계산옵션 손실 (losses) 추적 (routing) Initial and constant Lag Deficit/constan Muskingum Green & Ampt Modified Puls SCS Curve No. Muskingum Cunge Gridded Curve No. 변환 (transform) 강수 (precipitation) ModClark Grid-based precipitation Kinematic wave Import hyetograph Clark unit hydrograph Specify gage weights Snyder unit hydrograph Inverse-distance gage weighing User specified unit hydrograph Frequency-base design storm 기저유량 (base flow) Exponential recession Constant monthly 1.3 HEC-HMS 의적용 : 모의 (simulation) 의실행을위해서는세가지형태의자료군이필요하다. 첫번째자료군은수문요소들에대한자료와연결구조를포함한 Basin Model이며, 두번째자료군은기상학적인자료와이를처리하는데필요한정보로구성되는 Meteorologic Model이며, 세번째자료군은모의를위하여시간과관련된정보를정의하는 Control Specifications 이다. 하나의프로젝트는상기세가지형태의여러자료군으로이루어질수있으며, 하나의실행 (run) 은세가지형태의자료군에서각각한가지씩을채택한조합으로형성된다. 1.4 HEC-HMS 를적용하는단계 1 기존프로젝트를열거나또는새로운프로젝트를시작한다. 2 Basin Model을열고관련데이터를입력한다. 3 Meteorologic Model을열고관련데이터를입력한다. 4 Control Specifications를열고관련데이터를입력한다. 5 실행의조합을구성한후실행한다. 6 결과를고찰한다. 7 프로젝트를저장하고종료한다. - 3 -
2. 강우분석 2.1 강우지속기간및시간간격 2.1.1 강우지속기간 강우지속기간은유역의도달시간 ( 유역시작점에서하류단까지의도달시간 ) 과직접적인관련이있음. 강우지속기간을도달시간보다짧게선택하면유역전체면적이유역출구의직접유출에동시에기여하지못하게되므로유역출구에서의첨두유량은강우사상을제대로반영하지못한다. 강우지속기간은유역의도달시간과같거나이상을선택 ( 통상 24시간으로설정 ) 2.1.2 시간간격 강우지속기간이결정되면총강우량을분배하기위한강우시간간격이결정되어야하며, 시간간격은수문곡선 ( 특히첨두유량 ) 을정확하게산정할수있을만큼작아야함. HEC-HMS 에서는시간간격을한가지로만지정할수있음. 2.2 확률강우량산정및조정 2.2.1 확률강우량산정 - 확률통계적방법또는한국확률강우량도 - 유역면적 25.9 km2 (10mi 2 ) 이하에점강우량을이용 2.2.2 확률강우량조정 - 면적감소계수이용한점강우량의면적우량환산 - 부분기간치 ( 연초과치 ) 계열에의한확률강우량을연최대치로바꾸는경우 10 년빈도 이하에서변환계수보정 HMS 에서는자동적으로면적감소계수를계산 - 4 -
2.3 강우분포 - 직접입력과 Blocking 방법 (HEC-HMS 에내장된방법 ) 직접입력 : Mononobe, Huff 방법등에의한분포자료입력 Huff 방법 : Huff 는기록된강우자료를최대강우강도가지속기간의어느부분에서일어나는 가에따라지속기간을 4 개의동일확률구간으로구분하였으며각구간에대하여상이한확 률에대한무차원시간분포를제시하였다. 첫째구간 (first quartile) 이가장심한호우를, 넷 째구간이가장약한호우를나타내고짧은지속기간의경우첫째, 둘째구간이지배적으로 나타났다. 4 개그룹으로분류된강우를시간적으로무차원화시키기위하여각강우의누가지속기간 과이에따른강우량을각각백분율로표시한다. 여기서 는임의시간 에서의강우지속기간비, 는강우시작후 번째시 각의경과시간, 은총강우지속기간, 는단위증분횟수, 는임의시간 에 서의강우량비, 는임의시간 까지의누가우량, 는지속기간 의총우량 이다. Blocking 방법 : HEC-HMS에내장 - 재현기간별지속기간별확률강우량입력 - 지속기간에대한누가강우깊이를대수지상에도시 - 강우깊이와강우지속기간에대해최적 2차다항식으로회귀분석 - 구간별강우깊이결정후대칭삼각형으로배치 2.4 강우분석절차 - 강우지속기간결정. - 강우시간간격결정. - 적절한방법을통하거나공인된자료에근거하여강우량산정. - 점강우량을면적강우량으로환산 (HMS는자동적으로면적감소계수를계산 ). - 필요한경우부분기간치계열을연최고치계열로변환. - 시간에따른누가강우깊이를구함. - 각구간별강우깊이를구함. - 강우분포. - 5 -
제 3 장강우손실분석 3.1 강우모형 (Meteorologic model) : 강우모형은유역모형에있어서각소유역에대한총우량주상도를얻기위한것이며, 우 량주상도는단일시계열우량이고깊이와시간에대한정보로구성된다. 그림 3. HEC-HMS 의강우 - 유출모의과정 강수 ( 강우 ) 모형 Meteorologic model 손실계산 loss computation 손실 loss 유효우량변환 excess precipitation transformation 소유역총유출 total subbasin runoff 기저유출 baseflow 하도추적 channel routing 유출 outlet flow 3.2 강우손실의물리적과정 - 우효우량 : 유출량을직접유출량과기저유출량과나눌때직접유출량에관계되는유량 - HEC-HMS 의강우손실 : 지표면의차단및지면저류, 침투 - 6 -
그림 4. 우량주상도와침투능 3.3 토양침투능지배인자 토양침투능 : 토양면을통해침투할수있는최대율 지배인자 : 토양의종류, 토양표면의형태, 함수량등 3.4 차단및침투모의 HMS 가정 : - 강우나손실계산시유역, 소유역, 격자유역의셀에서매개변수일정한값. - 각시간구간내에서강우와손실일정 - 지하수는모의하지않음 HMS 손실계산 : 초기및일정손실률법, SCS 방법, Green & Ampt 방법, 미흡량 / 일정손실률법 HMS는불투수지역의면적비를입력할수있다. - 초기및일정손실률법 (initial and uniform loss rates) 은초기손실과일정손실률을사용한다. 강우는초기손실량이만족될때까지는모두손실되며, 초기손실량이만족된후에는일정률에의해손실된다. 이방법은가상강우사상에자주쓰이는방법이며손실률자료가작은시간단위로기록되지않고큰시간단위로기록되거나총손실률자료만있는지역에가장적합한방법이다. ( 입력항은일정율과초기손실량, 불투수률로구성 ) ( 토양피복상태에따른일정손실률-수공학웍샵 13회p.17) f for f f c for f는침투율 (in/hr), P는강우강도 (in/hr), I는지표차단과침투로인한초기손실 f c 는초기손실이만족된후일정침투율 - 7 -
- SCS Curve No. 방법은침투능을기준으로하여토양을 A, B, C, D의 4개의토양군으로분류하였으며각토양군에대해토지이용상태와피복처리상태에따른 CN 값을구하여도표화하였다. 또한강우가있기이전의선행토양함수조건도고려하여선행토양함수조건을 AMC-I에서 AMC-III까지 3가지조건으로구분하여 CN 값을다르게설정하도록하고있다. P I a Q P Ia S P : 호우별총강우량 (mm) S : 유역의최대잠재보유수량 I a : 강우의초기손실 (mm) Q : 유효우량 (mm) I a S 로가정하면다음과같은식을얻을수있다. P S Q P S SCS 방법에서는직접유출능력을표시하는 Runoff Curve Number CN 과 S 와다음과같은관계를가진다. CN S - Green & Ampt 방법은물리적인개념에의한기법으로 Darcy 의법칙을이용한 Richard 방정식의간략해를얻기위해개발되었으며, 물리적특성이파악이된유역의경우에 사용가능하다. f t S f K F t ] f(t) : 침투율 K : 포화투수계수 φ : 토양공극률 : 초기함수비 : wetting front suction F(t) : 누가침투량 - 미흡량 / 일정손실률법 (Deficit/constan) 은유역에강우가발생하면먼저토양함수능이채워진다음직접유출이발생한다. 무강우기간이지속되면토양수분은일정한비율 ( 월단위 ) 로고갈되며, 이러한개념으로간단하게나마연속적인토양수분량을계산할수있다. 하지만, 토양수분의고갈을연속적으로설명할수있으나아직까지그적용성은파악된바가없다. - 위의손실산정방법들은매우다른결과를주는것으로알려져있으므로각매개변수의민감도를고려하는것이중요함. 만약유역에대해알려진바가없다면가능한간단한방법을채택하는것이좋으며일반적으로초기및일정손실률법이나 SCS 방법이사용된다. - 8 -
그림 5. 초기및일정손실률법의손실입력을위한화면 그림 6. SCS 방법의손실입력화면 SCS 방법을이용시도시화에다른불투수지역을반영하는방법 : 두가지방법중하나만선택ᄀ도시화의영향을 CN 값에직접반영하는방법ᄂ HEC-HMS에서직접불투수지역의비율을입력하는방법 - 9 -
그림 7. Green & Ampt 방법의손실입력을위한화면 그림 8. 미흡량 / 일정손실률법의손실입력을위한화면 - 10 -
4. 단위도분석및기저유량 4.1 개요 - 유출 (runoff) = 직접유출 (direct runoff) + 기저유량 (base flow) - 소유역 (subbasin) 의유출 (runoff) 은강우분석과강우손실분석에서산정된유효강우 (excess rainfall) 의우량주상도를단위도등을이용하여변환 (transform) 하는과정을통하여산정한직접유출 (direct runoff) 에기저유량 (base flow) 을더하여산정하게된다. 유효우량을직접유출로변환 (transform) 하는것은홍수유출분석에있어서가장중요한요소임. 표2. Lumper 및 Splitter방법의개념 Lumper Method Splitter Method 수문시스템의요소들을하나로통합한후 시스템을전체적으로처리 출력에영향을미치는시스템내의개개입력 요소에대하여분석 단위도법 (Unit Hydrograph Method) 운동파방법 (kinematic wave Method) 유효우량에대해선형응답비선형응답 ( 다양한물리적과정을고려 ) 통합형이아닌분포형으로간주 ( 투수층과불시간에따라변화하지않는시스템으로간주투수층을분리 ) 4.2 단위도법에의한직접유출량산정 4.2.1 단위도의개념 단위도 : 특정단위시간동안균일한강도로유역전반에걸쳐균등하게내리는단위유효 우량으로인하여발생하는직접유출수문곡선으로정의. - 가정사항가. 유효우량과손실은유역평균값을사용할수있다. 나. 동일한유역에균일한강도로비가내릴경우지속기간은같으나강도가다른각종강우로인한유출수문곡선은그크기는다를지라도유하기간은동일하다. 다. 일정기간동안균일한강도를가진일련의유효우량에의한총유출은각기간의유효우량에의한개개유출량을산술적으로합한것과같다. 단위도는계측또는미계측유역인지에따라분리해서작성. - 11 -
그림 9. 소유역유출산정절차 그림 10. 계측또는미계측유역의단위도작성방법 표 3. 계측유역및미계측유역단위도작성법
4.2.2 미계측유역의합성단위도작성 합성단위도 (synthetic unit hydrograph) 법 단위도의특성변수들을유역의유출특성을지배하는지상인자들과상관시킴으로써수문자 료가없는미계측유역에대한단위도를작성하는방법. 합성단위도법에는 Clark 모형 개념적모형 Snyder 모형 경험적방법 SCS 무차원단위도방법 경험적방법 가. Clark 단위도 Clark 단위도의작성은유역추적 (watershed routing) 방법으로해당유역의출구에 1개의저수지가있다고가정하여유역전반에순간적으로내린단위유효우량인순간단위유효우량 (Instantaneous Unit Effective Rainfall, 1cm) 으로인한유수의저수지유입수문곡선을시간-면적곡선을이용한단순전이에의해계산한다음, 저수지의저류추적과정을거치는것으로가정하여홍수추적을실시함으로써유역의순간단위유량도 (IUH) 를작성하는것으로, 강우로인한유수의전이 (translation) 뿐만아니라유역의저류효과도고려하므로자연유역의적용에적합하다. Clark단위도는도달시간 Tc와저류상수 K 등두개의매개변수를토대로하고있다. - 저류상수 (Storage Coefficient) : 우리나라실무에서저류상수 (K) 은주로 0.8~1.2Tc로적용하고있는데도달시간 (Tc) 만의관계로결정하는것은유역조건에따라타당하지못한경우가발생할소지가많으므로아래의표 6과같은식들을참조하여결정함이타당할것이다. - Tc( 도달시간 :time of concentration) : 하도의최상류부에서최하류단까지유수가도달하는시간으로도달시간의산정에는 Kirpich 식, Kraven 식, Rziha 식등경험식을주로사용하고있다. 아래의표 5는주로사용되는공식이다. 두개의매개변수를가지는 Clark 단위도가한개의매개변수를가지는 SCS 무차원단위도에비하여광범위한유출응답에있어유연성을갖는것으로알려져있다. - 13 -
표 4. 자연하천유역에대한도달시간공식 ( 국립방재연구소, 1998a) 공식명 ( 발표년도 ) 공식 (min) 제한사항또는비고 Kirpich(1940) Kerby(1959) Fognstone and Cross(1949) Kraven Rizha Califormia Culvert Practice(1942) SCS Lag Eqn. (1975) Tc=3.976 지표면흐름이지배적인농경지소유역, L= 유역의최장하천길이 (km) 하도경사가 3~5% S= 유역의평균경사 (H/L) 유역면적 0.453 이하 H= 유역출구점과본류최원점까지의표고차불투수성완만한표면 N=0.02 Tc=36.264 나지의비포장표면 N=0.10 L= 유로의최원점부터하천유입부분까지의직선초지가없는나지의거친표면 거리 (km) S= 유로의평균경사 (m/m) N= 유역의조도를나타내는상수 초지로구성된표면낙엽으로덮힌수목지역 N=0.20 N=0.40 N=0.60 초지와산림이우거진표면 N=0.80 Tc= L= 본류유로길이 (mi) S= 본류유로평균경사 (ft/mi) 25~1624 의유역면적 r= 하천형태에따른지류인자 Tc=0.444 지표면흐름이지배적인중하류, 하도경 L= 유로길이 (km) 사가 1/200 이하인유역 S= 유로경사 (m/m) Tc=0.833 지표면흐름이지배적인상류, 하도경사 L= 유로길이 (km) 1/200 이상인유역 S= 유역의평균경사 (m/m) Tc=60 L= 최장유로길이 (mi) 산지소유역 H= 상류분할점과출구의표고차 (ft) Tc= 주로농경지유역에적용, 0.8 이하 L= 최장흐름경로 (ft) 의도시유역도적용가능, 도시불투수지 CN=SCS 유출곡선지수역에서는 Tc=1.67* 유역지체시간 S= 유역평균경사 (%) 표 5. 저류상수공식 Clark 식 유로연장 평균경사 Linsley 식 Sabol 식 유역면적 km2 유역면적 km2 유로연장 km 도달시간 - 14 -
나. Snyder 단위도 단위도의첨두유량의크기, 발생시각, 기저시간의길이를유역의지형특성인자와상관시키 는경험공식을사용하여 3 개점을매끈하게연결시킴으로써단위도를작성하는방법. Snyder 단위도는강우지속기간이 t R 인단위도를합성하기위해지체시간 (t PR, hrs) 및첨 두유량의크기 (Q PR, ft³/sec) 와유출기저시간의길이 (T R, day) 를각각다음식으로계산. t P R t p tr t r,, L, Lc : 각각유역의본류연장 (mile) 및유역출구지점으로부터 유역중심에서본류에내린수선의교차점까지의거리 (mi), 는유역특성상수 (1.8~2.2) Q P R A C P tp R t P R, T R A : 유역면적 (mi²), CP : 유역특성변수 (0.56 0.69) 그림 11. Snyder 단위도 미국육군공병단에서는경험식을제안하여 4 개점을추가 W qp, W qp qp : 단위유역면적당첨두유량 (ft³/sec/mi²) W 와 W 는각각첨두유량의 50% 및 75% 되는유량에해당하는단위도의시간폭 (hrs) 으로해당유량값에대하여첨두발생시간전에 1/3, 후에 2/3 를배분.
다. SCS 무차원단위도 미국내여러지방에서얻은실제의단위도를해석한결과인무차원단위도의이용. 장점 : 무차원단위도는유역의특성에커다란관계없이적용. 단위도를합성하기위한매개변수 단위도의첨두유량 Qp 첨두유량발생시간 표 6. SCS 무차원단위도의비율에따른시간별종거 상기 3가지합성단위도의매개변수특성은다음과같다. - SCS 단위도는첨두유량산출식에서상수가 484로일정하다면매개변수가지체시간 1개인방법이다. - Clark 및 Snyder 단위도는매개변수가 2개인방법이다. - 대부분유역의유출응답을표현함에있어매개변수가 2개인방법들이적절하다. 검정자료가없을때는측정가능한유역특성치들을토대로추정할수있는방법을선택.
그림 12. Clark 단위도의매개변수입력을위한화면 그림 13. Snyder 단위도의매개변수입력을위한화면 그림 14. SCS 무차원단위도의매개변수입력을위한화면 - 17 -
4.3 기저유량 HEC-HMS에서는유출을크게직접유출과기저유출로분리하며기저유량을고려하는방법은지수함수적감소방법과, 월일정량방법등이있다. 대표적방법인지수함수적감소방법은 3개의입력변수즉, 초기유량 (STRTQ), 수문곡선의하강곡선상의지수함수적으로감소하기시작하는유량 (QRCSN) 및기저유량감소비 (RTIOR) 의함수로써수문곡선에서의기저유량을고려한다. 그림 15. 기저유출분리 그림 16. 지수함수적감소방법의기저유량입력을위한화면 - 18 -
5 장. 홍수추적 5.1 개요 홍수추적 (flood routing) 이란홍수파가하천의임의구간을통과하는동안에그구간내의하천저류량에의하여첨두유량의크기가얼마나감소되며첨두시간이얼마나지체되느냐를밝혀내는과정그림17. Channel Routing 결정화면 - 19 -
1 Modeified Puls( 수정 Puls 방법 ) 하도추적에수정 Puls 방법을적용하기위하여하천은일련의저수지로구성되고각저수 지에대한저류량과유출량의관계는단일하다고가정함. 수정 Puls 방법을사용할경우하도추적에서는하천구간의유하시간이보통계산시간간 격보다크므로홍수파의이동및수문곡선의변화양상등을정확하게모의하기위하여는 수개의추적구간을설정하여야함. 추적구간수 (NSTPS) 는수문곡선의저류효과에영향을미치게되는데, 추적구간수를 1 로설정하였을경우저류효과가최대로발생하며추적구간수가증가할수록저류효과는감 소한다., 는총추적구간의유하시간이며 는총추적구간의거리, 는홍수파의속도, 는추적구간수, 시간간격 는유입수문곡선상승시간의 1/5 보다작거나같아야함 그림 18. 수정 Puls 방법입력을위한 HEC-HMS 화면 - 20 -
2 Muskingum 방법 Muskingum K(hr) : 추적구간내저류량의유출량에대한비를나타내는저류상수 (storage constant) 로서시간의차원을가지며 x 는추적구간이총저류량에기여하는유입 량과유출랴의상대적중요성을표시하는무차원상수. 미계측유역의경우저류상수 K 값으로는추적구간의홍수파통과시간을주로사용하며, 저류상수는다음과같은방법으로홍수파의속도를계산한후, 추적구간의거리를계산된 홍수파의속도로나누어추정할수도있다. 는홍수파의속도, B 는흐름단면의수면폭 경험적방법인하도단면형별평균유속과홍수파의속도비는자연하천의경우에는평균 적으로 1.5 가추천된다. Muskingum x( 무차원 ): 홍수파의저류정도를결정하는상수로 x 값이 0 이면최대저류효과 가나타나고 x 값이 0.5 이면저류효과는전혀나타나지않고단지지체효과만이나타나게 된다. 따라서 x 값의범위는 0~0.5 이다. 미계측유역의경우 x 값의추정은대단히어려운문제 중하나이며, 대부분의하천에서는 0~0.3 의값을가지며추적구간에대한유출기록이없을경우 에는평균치인 x=0.2 를흔히사용함. 이론적으로계산시간간격 는추적기간으로서저류시간 K 와같다고볼수있으나계 산상으로는 를홍수파가추적구간을통과하는데소요되는시간의약 1/2~1/3 으로선택 하도록되어있음. >2Kx 가되도록선정해야한다. 그림 19. Muskingum 방법입력을위한화면 Number of Subreaches : 추적구간의수로써수문곡선의저류효과에영향을미치게되는데, 추적구간수를 1로설정하였을겨우저류효과가최대로발생하며추적구간수가증가할수록저류효과는감소한다. 추적구간수는유하시간을시간간격으로나누어얻을수있다. - 21 -
6 장. 매개변수의최적화 HEC-HMS 는관측된강우자료와유출자료가있다면모의를위한매개변수를자동적으로 추정할수있는기능을가지고있다. ( 제 13 회웍샵교재 p 63~69) 표7. 절대제약조건 매개변수 최소경계값 최대경계값 Initial Loss 0 mm 500 mm Constant Loss Rate 0 mm /hr 300 mm /hr SCS Initial Abstraction 0 mm 500 mm SCS Curve Number 1 100 Moisture Deficit 0 1 Hydraulic Conductivity 0 mm / mm 250 mm / mm Wetting Front Suction 0 mm 1000 mm Initial Deficit 0 mm 500 mm Maximum Deficit 0 mm 500 mm Deficit Recovery Factor 0.1 5 Time of Concentration 0.1 hr 500 hr Clark Storage Coefficient 0 hr 150 hr Snyder Lag 0.1 hr 500 hr Snyder Cp 0.1 1.0 SCS Lag 0.1 min 30000 min Manning's n 0 1 Initial Baseflow 0 m3 /s 100000 m3 /s Recession Factor 0.00001 1 Flow To Peak Ratio 0 1 Muskingum K 0.1 hr 150 hr Muskingum x 0 0.6 Number of Steps 1 100 n-value Factor 0.01 10 Lag (routing) 0 min 30000 min - 22 -
Model Calibration (Optimization) 가. 매개변수의검정 (Calibration) 을하는과정. 나. Project Definition Tools Optimization Configuration 를선택적용하 고자하는 Model 들을선택한다. 다. Project Definition Tools Optimization Manage 를선택. Optimization Manag 창에서 data 입력과 method 선택. 라. 각각의 Data 입력창. 1 Run ID : Optimization의 ID선정. 2 Trial : 각 Opt에서서로다른시도를선정할수있음. "New Trial" 선택. 3 Objective Function : Optimaze를원하는시간설정과 Function의 type과 value 결정. 4 Search Method : 최적화계산의반복방법선택.(manual 참조 ) 5 "Lock" 을체크하면 Optimize하는동안의계산값대신초기값을사용한다. 6 Optimize : Optimize를누르면계산결과를보여준다. Simulate에도있음. 7 중간에 Hydrologic element, parameter, units, initial value등을입력함. 8 initial value에적당한 Constraints가자동적으로설정됨 9 View에서여러가지 pattern의결과를확인할수있다. 10 최적화를원하는 parameter의초기값은적당한값으로 Basin model에서지정하고 optimize 후 observed flow와 optimazed flow를 optimize한 parameter의사용여부를결정한다. - 23 -
1. 입력자료 HEC-HMS 실습 1. 강우량입력자료만들기 - 지속시간별최대강우량자료를구축한다. ( 강릉 105 지점 ) 표 1. 루사로발생한시간최대강우량 지속시간 1hr 2hr 3hr 6hr 12hr 24hr 강우량 (mm) 98 154 227.5 399.5 576.0 880.0 지속시간별최대강우량자료 : 각지속시간별가장많이발생한강우량자료 2. 강우분포자료만들기 - 본예제에서는강우를 Huff 분포시킴 (Huff 프로그램필요 ) 표 2. Huff 1 분위강우분포자료 Huff 1분위 1hr(5min) 2hr(10min) 3hr(15min) 6hr(30min) 12hr(1hr) 24hr(2hr) 1 15.65 24.60 36.34 63.81 63.81 140.55 2 19.69 30.95 45.71 80.28 80.28 176.83 3 16.30 25.62 37.84 66.45 66.45 146.38 4 10.92 17.16 25.34 44.50 44.50 98.03 5 6.52 10.24 15.12 26.56 26.56 58.50 6 4.21 6.61 9.77 17.15 17.15 37.78 7 3.80 5.98 8.83 15.51 15.51 34.16 8 4.38 6.89 10.17 17.87 17.87 39.35 9 4.84 7.61 11.24 19.74 19.74 43.49 10 4.48 7.03 10.39 18.25 18.25 40.19 11 3.53 5.54 8.19 14.38 14.38 31.67 12 3.75 5.90 8.71 15.29 15.29 33.69 표 3. Huff 2 분위강우분포자료 Huff 2분위 1hr(5min) 2hr(10min) 3hr(15min) 6hr(30min) 12hr(1hr) 24hr(2hr) 1 3.69 5.80 8.57 15.05 21.69 33.14 2 4.63 7.28 10.75 18.88 27.23 41.60 3 10.03 15.76 23.28 40.88 58.95 90.06 4 14.83 23.31 34.43 60.46 87.17 133.18 5 16.72 26.28 38.82 68.16 98.28 150.14 6 15.40 24.19 35.74 62.76 90.49 138.25 7 11.88 18.67 27.58 48.43 69.82 106.67 8 7.81 12.27 18.13 31.84 45.90 70.13 9 4.75 7.47 11.03 19.37 27.92 42.66 10 3.49 5.48 8.09 14.21 20.49 31.30 11 3.32 5.22 7.72 13.55 19.54 29.85 12 1.39 2.19 3.24 5.69 8.20 12.53-1 -
표 4. Huff 3 분위강우분포자료 Huff 3분위 1hr(5min) 2hr(10min) 3hr(15min) 6hr(30min) 12hr(1hr) 24hr(2hr) 1 2.32 3.64 5.38 9.45 13.63 20.82 2 4.22 6.62 9.79 17.18 24.78 37.85 3 3.93 6.18 9.12 16.02 23.10 35.29 4 4.88 7.66 11.32 19.88 28.66 43.79 5 7.92 12.44 18.37 32.27 46.52 71.07 6 12.16 19.11 28.24 49.59 71.49 109.23 7 15.83 24.87 36.74 64.51 93.02 142.11 8 17.02 26.74 39.51 69.38 100.03 152.82 9 14.61 22.95 33.91 59.55 85.85 131.16 10 9.03 14.19 20.97 36.82 53.09 81.10 11 3.14 4.94 7.30 12.81 18.47 28.22 12 3.02 4.75 7.02 12.33 17.77 27.16 표 5. Huff 4 분위강우분포자료 Huff 4분위 1hr(5min) 2hr(10min) 3hr(15min) 6hr(30min) 12hr(1hr) 24hr(2hr) 1 6.39 10.04 14.83 26.04 37.55 57.36 2 5.53 8.68 12.83 22.53 32.48 49.62 3 6.13 9.64 14.24 25.00 36.05 55.08 4 6.15 9.66 14.27 25.07 36.14 55.22 5 5.16 8.11 11.99 21.05 30.35 46.37 6 3.91 6.14 9.07 15.93 22.97 35.10 7 3.61 5.68 8.39 14.73 21.24 32.45 8 5.36 8.43 12.45 21.87 31.53 48.17 9 9.46 14.87 21.97 38.57 55.61 84.96 10 14.78 23.22 34.30 60.24 86.85 132.68 11 18.11 28.46 42.04 73.82 106.43 162.60 12 13.54 21.28 31.44 55.21 79.60 121.61-2 -
2. New Project 구성 1. File New Project 선택 그림 1. File 의 New Project 선택화면 2. New Project 화면에 Project 이름과 description 을입력후 OK 클릭 그림 2. New Project 이름입력화면 - 3 -
3. File Open Project 를선택한다. 그림 3. Open project 선택화면 4. Project List 에서 Seminar 1 을선택하여더블클릭 그림 4. Project List 화면 - 4 -
그림 5. Seminar 1 구성요소화면 모의 (simulation) 의실행을위해서는세가지형태의자료군이필요하다. 1 자료군은수문요소들에대한자료와연결구조를포함한 Basin Model이며, 2 자료군은기상학적인자료와이를처리하는데필요한정보로구성되는 Meteorologic Model 3 자료군은모의를위하여시간과관련된정보를정의하는 Control Specifications 하나의프로젝트는상기세가지형태의여러자료군으로이루어질수있으며, 하나의실행 (run) 은세가지형태의자료군에서각각한가지씩을채택한조합으로형성된다. 5. File Project Attributes 클릭 : Project 의사전정보입력 그림 6. Project Attributes 선택화면 - 5 -
6. 본예제에서는 (Loss Method: SCS Curve No.), (Transform: Clark UH), (Baseflow: No Base flow), (Channel Routing: Muskingum) 을사용하기로한다. 그림 7. Project Attributes 에서적절한환경지정화면 7. Hec-HMS Program 에서쓰이는단위를설정한다. System International(Metric) : 단위 U.S Customary(English) : 단위 그림 8. 단위결정화면 - 6 -
3. Basin Model 구성 1. Basin Model 을구성하기위해 Component Basin Model New 클릭 그림 9. Basin Model 구성화면 2. Basin Model 이름과 Description 입력 그림 10. Basin Model 이름입력화면 - 7 -
그림 11. Basin Model 초기화면 3. 지도파일을 Basin model 안으로설정하기위해 File Basin Model Attributes 선택 그림 12. Basin Model Attributes 화면 - 8 -
그림 13. Basin Model Attributes map file 입력화면 그림 14. Basin Model 화면 - 9 -
4. Basin Model 구성하기 왼쪽 Elements 에있는 Subbasin 아이콘을각각의소유역에 하나씩위치한다. 이때, Subbasin 이름은편집이가능하며그림 16 과같다. 그림 15. Basin Model 소유역 (subbasin) 지정화면 그림 16. Basin Model 편집화면 - 10 -
1 소유역의 SCS Curve No. 를입력한다. 그림 17. Subbasin Editor 화면 - SCS Curve No 입력화면 매개변수입력 SCS Curve No. SCS Curve No. 는수문학적토양형과식생피복및처리상태, 그리고선행토양함수조건 (AMC) 등을고려하여결정한다. 도시화에따른불투수지역의비율을직접입력하는곳이 % Impervious 이다. 표 6. 남대천유역의 SCS Curve No. 유역번호 SCS Curve 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 75 78 65 65 65 66 65 68 68 65 본예제의경우태풍루사가발생했을때의유출량을알아보고자하므로선행토양함수조건은 AMC-III 상태로충분히포화되어있다는가정하에 SCS Curve No. 를계산하기로한다. SCS Curve No. 값이커질수록첨두유출량값은작아지는것으로나타났다. - 11 -
2 소유역의단위도를선택한다. 그림 18. Subbasin Editor 화면 - Clark 단위도의매개변수입력화면 매개변수입력 2 도달시간 (Tc) & 저류상수 도달시간의산정에는 Kirpich 식, Kraven 식, Rziha 식등이사용되며저류상수는 Clark 식, Linsley 식, Sabol 식등이사용되고있다. 표 7. 유역특성매개변수 번호 유역면적 유로연장 유역경사 수로경사 1 4.22 4.825 0.002 0.0018 2 45.97 18.541 0.031 0.0041 3 9.30 7.943 0.011 0.0031 4 16.19 10.491 0.050 0.0053 5 10.79 9.408 0.079 0.0140 6 12.61 8.843 0.102 0.0251 7 47.54 10.605 0.068 0.0140 8 3.79 4.180 0.117 0.0302 9 41.59 12.612 0.086 0.0358 10 66.39 16.678 0.044 0.0047-12 -
표 8. 유역추적매개변수 ( 도달시간 / 저류상수 ) 소유역 도달시간 (hr) 저류상수 (hr) Kirpich Rziha Kraven Linsely 1 2.44 1.01 0.54 0.39 2 2.39 3.44 1.84 1.69 3 1.15 0.59 0.31 0.84 4 1.86 1.31 0.70 0.42 5 0.99 0.43 0.23 0.12 6 0.46 0.17 0.09 0.1 7 1.28 1.20 0.64 0.32 8 1.20 0.71 0.38 0.61 9 1.93 1.32 0.70 1.47 10 0.85 0.48 0.26 0.17 본예제에서사용할매개변수 ( 도달시간 / 저류상수 ) 는표 8 의회색으로표시된값이다. 도달시간의경우여러공식들이있지만각각의공식에따른제한사항을고려하여위와같 이선택하였다. 3 소유역의기저유출입력화면 소유역의기저유출은 No baseflow 로선택 그림 19. Subbasin Editor 화면 - No Baseflow( 기저유출없음 ) 선택 - 13 -
5. Connect Downstream 그림 20. Basin Model 의 Connect Downstream 화면 1 Subbasin과 Junction 연결방법 : Subbasin과 Junction 사이는실선으로연결된다.(Connect Downstream) 이때, 연결방법은상류에서하류방향으로연결한다. 즉, Subbasin 9와 Junction 4를연결할때 Subbain 이상류방향 Junction이하류방향이된다. 2 Junction과 Junction 연결방법 : Junction과 Junction을연결할때에는왼쪽 Elements 의 Reach 아이콘을사용하여연결한다. 그림 21. Junction 4 과 Reach 1 연결화면 그림 22. Junciton 4 와 Reach 1 연결 - 14 -
그림 23. Reach 1 과 Junction 5 연결화면 그림 24. Reach 1 과 Junction 5 연결 6. 각소유역의면적정보입력화면 Basin Model Subbasin... 그림 25. Basin Model 의 Subbasin 그림 26. 소요역면적자료입력 - 15 -
7. Basin Model 의 Routiong Reach( 하도추적 ) 그림 27. Reach 선택후오른쪽마우스 버튼클릭 Edit.. 선택 그림 28. Reach 입력자료 Muskingum K(hr) & Muskingum X 매개변수입력 2 Musskingum K(hr) & Muskingum X( 무차원 ) Muskingum 방법은추적매개변수의 K 와가중인자 X 가필요 ( ) 추적결과는 X 값에민감하지않음 평균적으로 X = 0.2 을사용 추적매개변수 K(hr) 는 하도길이 평균유속 으로구한다. ( ) 표 9. Muskingum 추적매개변수산정 하도 하도길이 (km) 평균유속에의한추적매개변수 K (hr) 1m/s 2m/s 3m/s 가중인자 X R1 2.804 0.78 0.39 0.31 0.2 R2 14.627 4.06 2.03 1.63 0.2 R3 4.818 1.34 0.67 0.54 0.2 R4 1.990 0.55 0.28 0.22 0.2 본예제에서사용할매개변수는표 9 의회색으로표시된값이다. 표 9 의값을그림 28 화 면에입력합니다. - 16 -
4. 계측자료의입력 ( 강수량 / 유출량 ) 1. Meteorologic Model 구성 그림 29. Meteorologic Model 구성화면 1 그림 30. New Meteorologic Model 구성화면 2-17 -
그림 31. Meteorologic Model 구성화면 3 그림 32. Meteorologic Model 구성화면 4 -Gage 1 을선택 - 18 -
11. Data Precipitation Gages.. ( 기상자료 ) 그림 33. 기상자료입력화면 12. 그림 34 와같은창이나타나고이것을통해강우 data 파일이생성됨 Data Type Incremental Precipitation 선택 ( 강우량값을직접입력하는항목 ) Units Millimeters 선택 그림 34. New Precipitation record 화면 - 19 -
13. 강우자료입력 1 Start date : Aug 01 2004 End date : Aug 01 2004 지속시간 1시간의강우 date 입력 Huff 1 분포시킨강우량자료입력 Time Interval : 5min 그림 35. 기상자료시간입력화면 - 지속시간 1 시간 14. 강우자료입력 2 Gage ID : Gage 1, Time Interval : 5min 인강우관측 gage 가생성된다. 그림 37 의화면에강우량을 mm 단위로입력한다. 그림 36. 강우자료입력화면 그림 37. 강우 data 직접입력 - 20 -
5. Control Specification 1. Control Specification New 그림 38. Control Specification 자료입력화면 그림 39. Control Specification 의이름입력화면 - 21 -
2. Control Specification 자료입력 Starting Date : Aug 01 2004 Ending Date : Aug 01 2004 - 입력한강우 Date로인한유출이끝날때까지의충분한시간을 Ending Time 으로설정한다. 그림 40. Control Specification 의자료입력화면 - 22 -
5. Run Configuration ( 실행 ) 1. 실행시킬 Basin Model 과 Met Model, Control Model 의 ID 를각각선택한다. 그림 41. Run Configuration 그림 42. 실행할 data 를선택 2. 그림 43 과같이실행완료화면이나타나기위해서각종 error 에대한수정이필요하다. 그림 43. 실행완료 (Compute Successful) - 23 -