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LH-OAT 민감도 분석과 SCE-UA 최적화 방법을 이용한 SWAT 모형의 자동보정
Automatic Calibration of SWAT Model Using LH-OAT Sensitivity Analysis and SCE-UA Optimization Method

이도훈   (경희대학교 토목. 건축대학UU0001575  );
  • 초록

    본 연구에서는 LH-OAT (Latin Hypercube Ore factor At a Time) 민감도분석 방법과 SCE-UA (Shuffled Complex Evolution at University of Arizona) 최적화 기법을 적용하여 보청천 유역에서 SWAT모형에 대한 자동보정 방법을 제시하였다. LH-OAT 방법은 전역 민감도분석과 부분 민감도 분석의 장점을 조합하여 가용매개변수 공간에 대하여 효율적으로 매개변수의 민감도 분석이 가능하게 하였다. LH-OAT민감도 분석으로부터 결정된 매개변수의 민감도 등급은 SWAT 모형의 자동보정 과정에서 요구되는 보정대상 매개변수의 선택에 유용하게 적용될 수 있다. SCE-UA 방법을 적용한 SWAT모형의 자동보정 해석결과는 보정자료, 보정매개변수, 통계적 오차의 선택에 따라서 모형의 성능이 좌우되었다. 보정기간과 보정매개변수가 증가함에 따라 검증기간에 대한 RMSE (Root Mean Square Error), NSEF (Nash-Sutcliffe Model Efficiency), RMAE (Relative Mean Absolute Error), NMSE (Normalized Mean Square Error) 등의 모형오차는 감소하였지만, NAE (Normalized Average Error) 및 SDR(Standard Deviation Ratio)은 개선되지 않았다. SWAT모형의 보정에 적용되는 보정자료, 보정매개변수 및 모형평가를 위한 통계적 오차 선택이 해석결과에 미치는 복잡한 영향을 이해하기 위하여 다양한 대표유역을 대상으로 추가적인 연구가 필요하다.


    The LH-OAT (Latin Hypercube One factor At a Time) method for sensitivity analysis and SCE-UA (Shuffled Complex Evolution at University of Arizona) optimization method were applied for the automatic calibration of SWAT model in Bocheong-cheon watershed. The LH-OAT method which combines the advantages of global and local sensitivity analysis effectively identified the sensitivity ranking for the parameters of SWAT model over feasible parameter space. Use of this information allows us to select the calibrated parameters for the automatic calibration process. The performance of the automatic calibration of SWAT model using SCE-UA method depends on the length of calibration period, the number of calibrated parameters, and the selection of statistical error criteria. The performance of SWAT model in terms of RMSE (Root Mean Square Error), NSEF (Nash-Sutcliffe Model Efficiency), RMAE (Relative Mean Absolute Error), and NMSE (Normalized Mean Square Error) becomes better as the calibration period and the number of parameters defined in the automatic calibration process increase. However, NAE (Normalized Average Error) and SDR (Standard Deviation Ratio) were not improved although the calibration period and the number of calibrated parameters are increased. The result suggests that there are complex interactions among the calibration data, the calibrated parameters, and the model error criteria and a need for further study to understand these complex interactions at various representative watersheds.


  • 주제어

    SWAT 모형 .   자동보정 .   민감도분석 .   일 유출량.  

  • 참고문헌 (20)

    1. 강민구, 박승우, 임상준, 김현준 (2002). '전역최적화 기법을 이용한 강우 유출모형의 매개변수 자동보정' 한국수자원학회 논문집, 한국수자원학회, 35(5), pp. 541-552     
    2. 김남원, 정일문, 원유승 (2005). '시공간적 변동성을 고려한 지하수 함양량의 추정' 한국수자원학회 논문집, 한국수자원학회, 38(7), pp. 517-526     
    3. 이길성, 김상욱, 홍일표 (2005). '다중목적함수를 이용한 강우-유출 모형의 자동보정' 한국수자원학회 논문집, 한국수자원학회, 38(10), pp. 861-869     
    4. Arnold, J.G., Allen, P.M. and Bernhardt, G. (1993). 'A comprehensive surface-groundwater flow model.' Journal of Hydrology, ELSEVIER, 142, pp. 47-69 
    5. Duan, Q., Sorooshian, S., and Gupta, V.K (1992). 'Effective and efficient global optimization for conceptual rainfall-runoff models.' Water Resources Research, AGU, 28(4), pp. 1015-1031 
    6. Eckhardt, K. and Arnold, J.G. (2001). 'Automatic calibration of a distributed catchment model.' Journal of Hydrology, ELSEVIER, 251, pp. 103-109 
    7. Gan, T.Y, and Biftu, G.F. (1996). 'Automatic calibration of conceptual rainfall-runoff models: Optimization algorithms, catchment conditions and model structure.' Water Resources Research, AGU, 32(12), pp. 3513-3524 
    8. Kim, C.G., Kim, H.J., Jang, C.B., and Kim, N.W. (2003). 'Runoff estimation from two midsize watersheds using SWAT model.' Water Engineering Research, KWRA, 4(4), pp. 193-202 
    9. Kuczera, G. (1997). 'Efficient subspace probabilistic parameter optimization for catchment models.' Water Resources Research, AGU, 33(1), pp. 177-185 
    10. Lee, D.H, Kim, N.W., and Kim, I.H (2004). 'Simulation of daily runoff and sensitivity analysis with Soil and Water Assessment Tool.' Water Engineering Research, KWRA, 5(3), pp. 133-146 
    11. McKay, M.D., Beckman, R.J. and Conover, W.J. (1979). 'A comparison of three methods for selecting values of input variables in the analysis of output from a computer code.' Technometrics, ASA, 21(2), pp. 239-245 
    12. Morris, M. D. (1991). 'Factorial sampling plans for preliminary computational experiments.' Techno. metrics, ASA, 33(2), pp, 161-174 
    13. Madsen, H. (2000). 'Automatic calibration of a conceptual rainfall-runoff model using multiple objectives.' Journal of Hydrology, ELSEVIER, 235, pp. 276- 288 
    14. Nash, J. E. and Sutcliffe, J.V, (1970). 'River flow forecasting through conceptual models: Part 1. A discussion of principles.' Journal of Hydrology, ELSEVIER, 10(3), pp. 282-290 
    15. Neitsch, S.L., Arnold, J.G., Kiniry, J.R., Williams, J.R. (2001). Soil and Water Assessment Tool Version 2000, Agricultural Research Service. Texas Agricultural Experiment Station. Temple, Texas 
    16. Saxton, K.E., Rawls, W.J., Romberger, J.S., Papenclick, R.I. (1986). 'Estimating generalized soil-water characteristics from texture.' Soil Science Society of America Journal, SSSA, 55, pp. 1031-1036 
    17. Sorooshian, S., Duan, Q., and Gupta, V.K. (1993). 'Calibration of rainfall-runoff models: application of global optimization to the Sacramento soil moisture model.' Water Resources Research, AGU, 9(4), pp. 1185-1894 
    18. 성윤경, 김상현, 김현준, 김남원 (2004). '다양한 목적함수와 최적화 방법을 달리한 SIMHYD와 TANK 모형의 적용성 연구' 한국수자원학회 논문집, 한국수자원학회, 37(2), pp. 121-131 
    19. van Griensven, A. Francos, A. and Bauwens, W. (2002). 'Sensitivity analysis and auto-calibration of an integral dynamic model for river water quality.' Water Science and Technology, IWA, 45, pp. 325-332 
    20. Duan, Q., Sorooshian, S., and Gupta, V.K. (1994). 'Optimal use of the SCE-UA global optimization method for calibrating watershed models.' Journal of Hydrology, ELSEVIER, 158, pp. 265-284 
  • 이 논문을 인용한 문헌 (8)

    1. Kim, Hak-Kwan ; Kang, Moon-Seong ; Park, Seung-Woo ; Choi, Ji-Yong ; Yang, Hee-Jeong 2009. "Auto-calibration for the SWAT Model Hydrological Parameters Using Multi-objective Optimization Method" 한국농공학회논문집 = Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, 51(1): 1~9     
    2. Jang, Jae-Ho ; Yoon, Chun-Gyeong ; Jung, Kwang-Wook ; Kim, Hyung-Chul 2010. "Evaluation of the Impacts of Water Quality Management in Kyongan Stream Watershed using SWAT Model" 水質保全 = Journal of Korean Society on Water Quality, 26(3): 387~398     
    3. Lee, Do-Hun ; Kim, Nam-Won ; Chung, Il-Moon 2010. "Comparison of Groundwater Recharge between HELP Model and SWAT Model" 韓國水資源學會論文集 = Journal of Korea Water Resources Association, 43(4): 383~391     
    4. Kim, Joo-Cheol ; Choi, Yong-Joon 2011. "Optimal Parameters Estimation of Diffusion-Analogy Geomorphologic Instantaneous Unit Hydrograph Model" 한국습지학회지 = Journal of wetlands research, 13(3): 385~394     
    5. Lee, Eun-Hyoung ; Seo, Dong-Il 2011. "Flow Calibration and Validation of Daechung Lake Watershed, Korea Using SWAT-CUP" 韓國水資源學會論文集 = Journal of Korea Water Resources Association, 44(9): 711~720     
    6. Kim, Nam Won ; Lee, Jeongwoo ; Chung, Il Moon ; Sung, Gee Youne 2012. "Analysis of Effects of Groundwater Abstraction on Streamflow for Sinduncheon Watershed" Journal of Korea Water Resources Association = 한국수자원학회논문집, 45(12): 1259~1273     
    7. Choi, Heung Sik 2013. "Parameter Estimation of SWAT Model Using SWAT-CUP in Seom-river Experimental Watershed" 대한토목학회논문집 = Journal of the Korean Society of Civil Engineers, 33(2): 529~536     
    8. Park, Sang Hyun ; Kim, Joo Cheol ; Jeong, Dong Kug ; Jung, Kwan Sue 2013. "Re-Analysis of Clark Model Based on Drainage Structure of Basin" 대한토목학회논문집 = Journal of the Korean Society of Civil Engineers, 33(6): 2255~2265     

 저자의 다른 논문

  • 이도훈 (8)

    1. 1995 "지표포화지역-중간류유출-흙수분저류량 관계: I. 정상류 분석" 물과 미래 : 한국수자원학회지 = Water for future 28 (5): 129~140    
    2. 1998 "지하수 분산오염원에 대한 공간적분모형과 공간분포모형의 비교" 韓國水資源學會論文集 = Journal of Korea Water Resources Association 31 (2): 177~187    
    3. 1999 "유도침투량의 정량화를 위한 해석모형과 수치모형의 분석" 韓國水資源學會論文集 = Journal of Korea Water Resources Association 32 (3): 301~310    
    4. 1999 "지속적인 지하수개발과 지하수 환경평가에 관한 고찰" 물과 미래 : 한국수자원학회지 = Water for future 32 (6): 53~58    
    5. 2002 "지하수의 평가와 지하수계의 반응" 물과 미래 : 한국수자원학회지 = Water for future 35 (3): 60~67    
    6. 2004 "어류의 서식처 조건을 고려한 하천의 필요유량 산정에 관한 연구" 韓國水資源學會論文集 = Journal of Korea Water Resources Association 37 (11): 915~927    
    7. 2010 "HELP 모형과 SWAT 모형의 지하수 함양량 비교" 韓國水資源學會論文集 = Journal of Korea Water Resources Association 43 (4): 383~391    
    8. 2011 "적응형 네트워크 기반 퍼지추론 시스템을 적용한 갑천유역의 홍수유출 모델링" 大韓土木學會論文集, Journal of the Korean Society of Civil Engineers, B. 수공학, 해안 및 항만공학, 환경 및 생태공학 31 (b5): 405~414    

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