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문제 정의
- 본 연구는 산지가 70% 이상을 차지하고 있는 우리나라 하천유역의 수문해석에 필요한 유효강우량 산정 방법을 개발하였다. 이를 위해 소유역 농경지의 유효강우량산정 방법으로 개발되었으나, 유역면적이나 유역특성 등 제약조건에 관계없이 가장 보편적으로 사용되고 있는 SCS- CN법을 이용하여 우리나라 산지하천유역에 적합한 방법을 제안하였다.
- 이와 같은 관점에서, 본 연구는 하천유역에서의 유효강우량을 산정하기 위해 강우의 손실 및 유출에 큰 영향을 미치는 지형적인 요소인 유역경사를 고려하여, 산지가 70% 이상을 차지하는 국내 자연하천유역에 적용성이 높은 SCS-CN 산정방법을 개발하는데 주안점을 두었다. 이를 위해 기존의 면적가중평균에 의한 SCS-CN 산정 방법과 GIS를 이용한 분포형 SCS-CN방법 그리고 GIS 기반의 유역경사를 고려한 SCS-CN 산정방법을 비교하였다.
제안 방법
- CN값의 산정에 필요한 기본자료인 유역의 수치지형도와 토양도 및 토지피복도를 20mx20m의 격자망으로 구성하였으며, GIS 프로그램인 Arc/Info 및 Arc View 를이용하여 분포형 CN를 산정하였다. 각 격자에 대한 분포형 CN과 유효강우량은 식 (4)을 이용흐여 산정하였으며, 식 (4)은 식 (1)과 식 (2)로부터 유도되었다.
- GIS를 이용하여 적용대상유역에 대해 표 3에 나타낸 토지 피복 및 수문학적 토양군의 면적비율을 중첩하고, 표 3에 나타낸 CN값을 부여한 후 면적가중평균을 이용하여 유역대표 CN값을 산정하였다. 그 결과는 그림 6과 같고, 산정된 유역대표 CN값은 73이다.
- 분포형 CN값 산정은 적용대상유역을 20mx20m 격자망으로 구성하고, 표 3과 표 4에 나타낸 토지이용도 및 수문학적 토양군을 중첩시켰다. GIS기법은 Arc/Info와 Arc View 를 이용하였고, 그 결과는 그림 5.
- 4과 같다. 분포형 CN값은 기존의 면적가중평균에 의한 CN값과 동일한 13으로 결정되었고, 이를 이용하여 각 호우 사상별 직접 유출 고를 산정하였다.
- 5%로 분석되었다. 분포형과 유역경사를 동시에 고려하는 CN값을 구하기 위해 5.3절의 분포형 CN값 산정법에 각 격자의 유역경사에 대한 가중치를 중첩시켰다.
- 우리나라와 같은 산지하천유역에 대해 적용성이 높은 SCS-CN 산정법을 개발하기 위해 유역경사를 고려하였다. 적용대상유역의 경사도를 구하기 위해 TIN 모듈을 사용하여 DEM을 구축하였고, 평균경사는 34.
- 이를 위해 기존의 면적가중평균에 의한 SCS-CN 산정 방법과 GIS를 이용한 분포형 SCS-CN방법 그리고 GIS 기반의 유역경사를 고려한 SCS-CN 산정방법을 비교하였다.
- 개발하였다. 이를 위해 소유역 농경지의 유효강우량산정 방법으로 개발되었으나, 유역면적이나 유역특성 등 제약조건에 관계없이 가장 보편적으로 사용되고 있는 SCS- CN법을 이용하여 우리나라 산지하천유역에 적합한 방법을 제안하였다. 적용대상유역은 비교적 신뢰성 있는 강우유량에 대한 관측자료를 많이 보유하고 있는 건설기술연구원에서 운영하고 있는 시험유역 설마 천을 선택하였고, 지형자료 등의 분석은 GIS 프로그램중 Arc/Info 및 ArcView를 이용하였다.
- 적용대상유역에서 '98~2000년에 관측된 각 호우 사상별로 산정된 CN값에 대해, 유역대표 CN값은 미 토양 보존 국 SCS에서 제안한 바 있는 중앙값(Median)으로 결정하였다. 즉 식 (4)를 이용하여 실측된 30개 호우 사상에 대한 CN값(CNobs)을 산정하였고 유역대표 CNObs 는 82로 결정되었다.
대상 데이터
- 대상유역은 한국건설기술연구원에서 1995 년부터 시험유역으로 운영하고 있는 설마천 유역을 선정하였으며, 설마천유역의 음영기복도 및 유역경계는 그림 1과 2와 같고 GIS를 이용해 분석한 지형특성은 표 2와 같다.
- 유량에 대한 실측자료를 보유하고 있다. 본 연구에서는 1998~2000년에 실측된 30개의 호우사상 자료를 이용하였다.
- 분석대상 유역으로 선정한 설마천유역은 건설기술연구원에서 운영하고 있는 시험유역으로서 수년간의 강우 및 유량에 대한 실측자료를 보유하고 있다. 본 연구에서는 1998~2000년에 실측된 30개의 호우사상 자료를 이용하였다.
- 설마천 유역의 토지피복 현황은 그림 3에 나타낸 바와 같고 건설기술연구원에서 Landsat TM으로부터 작성한 토지 피복 도를 이용하였다. 참고로 1995년 4월 15일 발사되어 지상 705km 싱공을 선회하고 있는 Landsat-7 위성으로부터 획득가능한 위성 영상에는 TM(Thematic Mapper Sensor), MSS(Multi-Spectral Scanner Sensor), ETM+(Enhanced Thematic Mapper Plus)등이 있으며, 토지피복분류에 많이 이용되고 있다.
- 이를 위해 소유역 농경지의 유효강우량산정 방법으로 개발되었으나, 유역면적이나 유역특성 등 제약조건에 관계없이 가장 보편적으로 사용되고 있는 SCS- CN법을 이용하여 우리나라 산지하천유역에 적합한 방법을 제안하였다. 적용대상유역은 비교적 신뢰성 있는 강우유량에 대한 관측자료를 많이 보유하고 있는 건설기술연구원에서 운영하고 있는 시험유역 설마 천을 선택하였고, 지형자료 등의 분석은 GIS 프로그램중 Arc/Info 및 ArcView를 이용하였다.
이론/모형
- 토양군을 중첩시켰다. GIS기법은 Arc/Info와 Arc View 를 이용하였고, 그 결과는 그림 5.4과 같다. 분포형 CN값은 기존의 면적가중평균에 의한 CN값과 동일한 13으로 결정되었고, 이를 이용하여 각 호우 사상별 직접 유출 고를 산정하였다.
- 이를 위해 실측된 강우유출수문곡선으로부터 기저 유량을 분리하였으며, 일반적으로 자연하천유역에 적용성이 높은 것으로 알려진 경사급변점법을 이용하였다.
- 참고로 1995년 4월 15일 발사되어 지상 705km 싱공을 선회하고 있는 Landsat-7 위성으로부터 획득가능한 위성 영상에는 TM(Thematic Mapper Sensor), MSS(Multi-Spectral Scanner Sensor), ETM+(Enhanced Thematic Mapper Plus)등이 있으며, 토지피복분류에 많이 이용되고 있다. 토양도는 그림 4와 같이 허기술(1995)이 제안한 바 있는 수문학적 토양군 분류방법을 사용하였다. 그림 3과 그림 4로부터 GIS를 이용해서 분석한 설마천유역의 피복조건 및 수문학적 토양 군의 현황은 표 3과 같다.
성능/효과
- 2. GIS를 이용한 단순한 분포형 SCS-CN방법은 기존의 면적 가중 평균방법과 적용성이 유사한 것으로 나타났다.
- 3. 산지하천유역에 대한 유효강우량 산정은 기존의 면적 가중 평균방법이나 GIS를 이용한 단순한 분포형 방법보다 유역경사를 고려한 분포형 SCS-CN방법이 가장 적용성이 높은 것으로 나타났다.
- 4. 산지하천유역에서 유효강우량을 산정하는 경우, 유역 경사는 5-50% 범위에서 CN에 영향을 미치지만 50% 이상인 경우에는 효과가 없는 것으로 확인되었다.
- 5. GIS는 유역경사 등 지형요소를 고려한 수문해석을 가능하게 하고, 유역내 국부적인 토지이용도 변화 등을 정밀분석하는데 유용한 수단이 되었다.
- 16으로 나타났다. 관측치와 비교할 때 CNS 값은 7.3% 작게 나타났으나 기존의 면적 가중평균법보다 약 33% 크고, 실측치에 보다 근접한 결과를 나타내었다. 이를 이용해서 산정한 직접유출고는 그림 9와 같다.
- 관측치와 비교할 때 CN값은 약 11.3%정도 작게 산정 되었고, 직접유출고도 그에 준하는 정도로 작게 나타났다.
- 이를 이용해서 산정한 직접유출고는 그림 9와 같다. 분석된 설마천 유역을 기준으로 할때, 유역경사가 5 ~50% 범위에서는 CN에 영향을 미치지만 50% 이상인 경우에는 효과가 없는 것으로 확인되었다. 이는 유역경사별 전체 유역면적에 대한 비율에 좌우되는 것으로서 다수의 계측유역에 대한 추가분석이 이루어져야 최적의 유역 경사 및 비율을 결정할 수 있을 것으로 판단된다.
- 적용대상유역의 경사도를 구하기 위해 TIN 모듈을 사용하여 DEM을 구축하였고, 평균경사는 34.5%로 분석되었다. 분포형과 유역경사를 동시에 고려하는 CN값을 구하기 위해 5.
- 그림 3과 그림 4로부터 GIS를 이용해서 분석한 설마천유역의 피복조건 및 수문학적 토양 군의 현황은 표 3과 같다. 표 3에 따르면 설마천 유역은 산지가 96.2%를 차지하고 있는 전형적인 산지 하천유역이며, 수문학적 토양군은 72%가 유출율이 높은 D 군으로 분류되었다.
후속연구
- 6. 본 연구성과에 대한 객관성 확보를 위해서는 다수의 계측된 유역에 대한 추가 분석과 정밀토양도 분류 방법에 따른 변화의 검토도 필요하며, 이에 대한 연구가 현재 진행중에 있다.
- 설마천 유역을 분석대상으로 선정한 주된 이유는 신뢰할 수 있는 강우 유출관측자료를 비교적 많이 보유하고 있기 때문이다. 본 연구에 대한 보완 연구가 진행되고 있으나, 신뢰할 수 있는 실측자료를 보유하고 있는 하천유역이 한정되어 있는 것이 문제이다.
- 분석된 설마천 유역을 기준으로 할때, 유역경사가 5 ~50% 범위에서는 CN에 영향을 미치지만 50% 이상인 경우에는 효과가 없는 것으로 확인되었다. 이는 유역경사별 전체 유역면적에 대한 비율에 좌우되는 것으로서 다수의 계측유역에 대한 추가분석이 이루어져야 최적의 유역 경사 및 비율을 결정할 수 있을 것으로 판단된다.
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