[논문]SLURP 모형을 이용한 유출수문분석 - 소양강댐 유역을 대상으로 -

임혁진; 권형중; 장철희; 김성준

doi:10.3741/jkwra.2004.37.8.631

SLURP 모형을 이용한 유출수문분석 - 소양강댐 유역을 대상으로 -
Hydrological Analysis in Soyanggang-dam Watershed Using SLURP Model 원문보기

韓國水資源學會論文集 = Journal of Korea Water Resources Association, v.37 no.8, 2004년, pp.631 - 641

임혁진 (건국대학교 대학원 지역건설환경공학과) , 권형중 (건국대학교 대학원 지역건설환경공학) , 장철희 (한국건설기술연구원 수자원환경연구) , 김성준 (건국대학교 생명환경과학대학 사회환경시스템공학전공)

초록
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본 연구는 개념적 준분포형 모형인 SLURP 모형의 소양강댐유역의 적용가능성에 대해 다루었다. SLURP모형은 강우의 시공간적 변화를 반영하여 강우-유출을 해석하여 관개계획 및 수자원 관리 효과를 판단할 수 있는 준분포형 모형이다. DEM으로부터 지형분석프로그램인 TOPAZ/SLURPAZ와 연계하여 빠르고 쉽게 지형매개변수와 지형자료를 획득할 수 있다. NOAA/AVHRR 위성영상을 이용하여 월별 NDVI를 산출하였으며, 대상유역 주변의 5개의 기상 관측소를 통해 일별 수문기상자료(이슬점, 일사량, 최대ㆍ최소 대기 기온, 상대습도 등)을 얻었다. DEM NDVI, 수문기상자료를 이용하여 1998년부터 2001년까지 4 개년도의 일별유출량을 모의하였다. 매개변수 최적화를 위하여 민감도 분석 및 SCE-UA 방법을 사용하였으며 대상기간의 Nash-Sutcliffe의 모형효율과 WMO 통계량을 통해 소양강댐 유역의 SLURP모형의 적용성을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The objective of this study is to test the applicability of SLURP (Semi-distributed Land Use-based Runoff Process) on Soyanggang-dam watershed. SLURP model is a conceptual semi-distributed form model that can be used to examine irrigation plan and the effects of proposed changes in water management within a basin or to see what effects external factors such as climate change or changing land cover might have on various water users. Topographical parameters were derived from DEM using TOPAZ and SLURPAZ. Monthly NDVIs were calculated from multi-temporal NOAA/AVHRR images during four years (1998 ∼ 2001). Weather elements (dew-point temperature, solar radiation, maximum/minimum temperature and relative humidify) were obtained from five meteorological stations within and near the study area. To simulate daily hydrograph during 1998 ∼ 2001, the model parameters of each land cover class were optimized by sensitivity analysis and SCE-UA method. Test result of SLURP was summarized by various statistics method (WMO volume error, Nash-Sutcliffe efficiency, mean error and coefficient of variation).

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 SLURP 모형의 소양강댐 유역에 적용 가능성을 검토하고자 하였다. 갈수년(2001), 평년(2000), 풍수년(1999)의 보정기간에 대해 민감도 분석과 SCE-UA 방법으로 보정된 평균 매개변수를 사용하여 풍수 년(1998)에 대하여 검증을 실시한 결과, 체적오차 및 Nash-Sutcliffe 모형효율이 1.
본 연구의 목적은 준분포형 모형인 SLURP 모형을 이용하여 소양강댐유역에 대하여 지형적 특성을 반영하여 장기유출 수문해석을 모의함으로써 모형의 매개변수추정과 장기유출해석의 적용성을 검토하는데 있다.
강조하여 전면적인 평가를 제공한다. 함몰지와 평지면 위의 배수 규명에 관하여 현재 DEM 처리 방법들에 있는 대다수의 취약점을 극복했고 다수 새로운 특징들은 상세한 수문학과 수리적 필요성을 능숙하게 하기 위해 추가되었다. TOPAZ 모형의 세 가지 주요 기능은 다음과 같다.

제안 방법

보정된 값을 사용한다. 모형의 유출 모의는 각각의 토지피복별 격자매트릭스와 ASAs 소유역에 대한 연직방향 물수지해석에 의하여 이루어지며 이는 수관 저류, 강설초기저류, 급속저류(지표면 저류, 토 양증 저류 등), 완속저류(지표하 저류 등)의 네 가지 수직구조로 구성된다.
따라서 복수의 NDVI로부터 각 화소별 롤 최대치를 선택함으로서 구름의 영향을 최소화한 NDVI 자료를 얻을 수 있다. 모형의 입력자료 구축을 위하여 일 NDVI로부터 1개월간의 최대치를 선택하여 월대표 NDVI를 작성하였다(국립방재연구소, 2003).
SLURP 모형에서는 ASAs 소유 역내에서 각 기상관측소의 고도차에 의한 기온, 이슬점, 강우의 변화를 고려한다. 본 연구에서는 기온 -0.75℃ /100m, 이슬점 -0.15℃/100m 변화율을 고려하며, 강우의 경우 강수가 평균대기온도에 따라서 강우와 강설로 구분되기 '때문에 기온의 감소율과 같이 강우 -2% /100m의 변화율을 고려하였다.
SLURP 모형은 Kouwen의 'GRUs' 와 Krysanova의 'Hydrotops'과 비슷한 개념으로 전체유역을 같은 ASAs라는 소유역으로 분할하고 이를 토지피복상태에 따라 각 소유역별로 더 세분화한다. 본 연구에서는 지형분석프로그램인 TOPAZ를 사용하여 전체유역을 ASAs 소유역으로 분할하였다.
소양강댐 상류유역을 대상으로 1:5, 000 NGIS 수치 지도를 이용하여 lOQmxlOOm 해상도의 DEM을 구축하였다(그림 3). 본 대상유역은 소양강댐수위관측소를 유역 출구로 하는 11개의 소유역으로 구성되는 유역면적 2, 694km'의 중규모 규모의 유역으로 평균고도와 경사는 각각 650m, 23°이며, 전체 면적의 90%이상이 산림으로 이루어진 산악지역이다.
SLURP 모형은 지형자료, 시계열 자료, 강우 . 융설과 토양수분의 매개변수를 입 력자료로 사용하여 수관 저류량, 강설초기 저류량, 지표면 저류, 지표하 저류로 대표되는 4단 탱크개념을 이용하여 수직적인 물수지를 모의한다. 연직방향물수지의 기본알고리즘과 수식은 다음과 같다(그림.

대상 데이터

3). 본 대상유역은 소양강댐수위관측소를 유역 출구로 하는 11개의 소유역으로 구성되는 유역면적 2, 694km'의 중규모 규모의 유역으로 평균고도와 경사는 각각 650m, 23°이며, 전체 면적의 90%이상이 산림으로 이루어진 산악지역이다.
본 연구에서는 갈수년, 평년, 홍수기로 대변되는 각각의 사상들에 대해 1999년 1월 1일부터 2001년 12월 31일까지의 3년간의 유출량 자료를 이용하여 모형 보정을 실시하였다(그림 7, 8, 9).
본 연구에서는 대상유역 주위의 5개 지상기상관측소(속초, 인제, 홍천, 대관령, 춘천)를 사용하여 기상자료를 획득하였다. SLURP 모형에서는 ASAs 소유 역내에서 각 기상관측소의 고도차에 의한 기온, 이슬점, 강우의 변화를 고려한다.
본 연구에서는 적설의 영향으로 인해 자료의 획득이 어려운 겨울철 자료는 분석에서 제외하고 대상기간의 3 월부터 11월까지의 월별 NDVI를 산출하였다.
지형자료의 경우 GIS와 수치 지형분석모형기법을 사용하여 획득할 수 있다. 시계열 자료는 기상관측소에서 실측값을 사용하며 매개변수들은 측정 . 추정 .

데이터처리

SLURP 모형은 토지피복상태에 따른 소유 역내 하천까지의 최단거리와 ASAs 소유역 출구 점까지의 거리에 대한 정규분포 모멘트를 계산하여 유출에 대한 추적을 실시한다. 지형분석프로그램인 TOPAZ를 이용하여 토지피복상태별 하천까지의 최단거리에 대한 평균과 표준편차, 소유역 출구점까지의 거리에 대한 평균과 표준편차, 고도차에 대한 하천과 ASAs 소유역 출구 점까지의 평균(U)과 표준편차(6와 같은 지형자료를 획득한 후 ASAs 소유역내 하천흐름의 최단거리에 대한 하천 유속을 추정하여 하천 흐름에 대한 도달 시간을 계산한다. 도달시간에 따른 최소 .

이론/모형

SLURP 모형에서의 ASAs 소유역의 분할은 지형분석 프로그램인 TOPAZ를 이용한다. TOPAZ는 DEM 으로부터 하향경사흐름의 ' 순서를 정하는 개념 (O'Callaghan과 Mark, 1984)과 임계수역(CSA) 개념에 근거하여 주하천이 지속되는 최소의 유역면적을 정의하는 프로그램이다(Martz와 Garbrecht, 1992).
SLURP 모형의 ASAs 소유역간의 홍수추적은 McCarthy의 저류방정식에 근거를 둔 Muskingum 방법을 이용하여 매개변수와 하도의 홍수추적을 실시하게 된다. 가중계수 X는 초기 0.
SLURP 모형의 매개변수 최적화를 위해 민감도 분석과 SCE-UA 최적화기법 (Duan 등, 1994)을 이용하였으며 매개변수추정의 최적화 척도로 Nash-Sutcliffe (Nash와 Sutcliffe, 1970) 모형효율, WM0 통계값을 사용하였다. 각각의 사상들에 의해 추정된 매개변수의 평균값은 표 5와 같다.
Rango(1995)는 대유역에 토지피복상태, 토양종류, 경사 및 방향 등으로 소유역을 구분한 HRU(Hydrological Response Unit) 사용하여 산악지역을 모의하는데 대표적으로 사용하였다. SWIM 모형(Krysanova 와 Becker, 1996)의 경우 'Hydrotops'이라는 소유역 구분 개념을 이용하여 토지 이용상태와 토양 종류에 따라 전체 유역을 분할하였으며, 유사한 개념으로 Kouwne 등 (1995)은 GRU (Grouped Response Unit)라는 동질의 토지 피복 상태를 가지는 지역을 통합하여 격자형 모형에서 사용하는 GRUs를 사용하였다. SLURP 모형은 Kouwen의 'GRUs' 와 Krysanova의 'Hydrotops'과 비슷한 개념으로 전체유역을 같은 ASAs라는 소유역으로 분할하고 이를 토지피복상태에 따라 각 소유역별로 더 세분화한다.
본 연구에서 사용된 준분포형 수문모형인 SLURP는 국지적인 기상자료와 위성영상을 이용하여 획득한 토지 피복 도와 NDVKNormalized Difference Vegetation -Index)를 이용하여 물수지를 모의하고 지형분석프로그램인 TOPAZ (TOpographic PArameteriZation) (Garbrecht 와 Martz, 1993) 로 분할된 ASAs (Aggregated Simulation Areas) 소유역내 토지 피복 상태에 따라 증발, 증산, 지표유출, 중간 . 지하수 유출, 저류용량변화를 적절한 과정을 통하여 강우추적을 하게 된다.
본 연구에서는 1998년 ~ 20()1년 NOAA/AVHRR 인공위성 영상 자료를 이용하여 월별 NDVI를 산출하였으며(그림. 6), 증발산량의 추정방법에는 모형에서 제공되는 5가지 방법 중 FAO Penman-Monteith 방법을 이용하였다. 소양강댐유역과 같이 넓은 지역을 대상으로 하는 경우 구름의 영향이 전혀 없는 날의 위성 자료를 얻는다는 것은 불가능하다.

성능/효과

1. 수치지형분석모형기법을 이용하여 DEM으로부터 수문 모형에 이용되는 매개변수와 지형자료를 획득함으로써 보편화되고 신뢰성 높은 지형자료를 빠르게 구축할 수 있었으며 이는 앞으로 분포형 모형에 GIS와 RS자료의 도입에 있어 장기 수문유출해석에 필요한 자료구성 및 기후 및 토지 피복 등의 외적인 요소의 영향과 유역 내의 물관리 변화의 영향을 평가하는데 있어 매우 유용하다고 판단된다.
2. 대상기간에 따른 융설이 모의유출량에 미치는 영향을 살펴보았을 때, 전체적으로 각각의 호우 사상들에 대해서 20%내외의 값을 나타내고 있다. 이는 중규모이상 산악지역의 강설에 의한 강우-유출해석에 있어 융설의 영향이 매우 큰 것을 알 수 있다.
3. DEM, NDVI, 수문기상자료를 이용하여 4개년도에 SLURP 모형을 적용하여 일유출량을 모의한 결과 각각의 대상기간에 대해 유출량 및 Nash -Sutcliffe의 모형효율은 1.5%~5% 및 0.59-0.77 의 범위를 보이며 유출의 양적인 측면과 경향을 잘 반영한다고 말할 수 있다. 보정기간의 갈 수년에 해당하는 2001년의 경우, 보정강수량이 다소 과대평가 되었는데 SLURP 모형의 SCE-UA 방법의 매개변수'보정시 모의유출량을 높이기 위해강수량이 과대평가되었다고 생각된다.
모의할 수 있게 되었다. GIS의 도입은 수문 모형을 위한 수치지형분석모형기법에 적용됨으로써 분포형 모형의 지형학적 매개변수의 추정과 최적화에 따른 입력자료 구축에 있어 자료와 비용의 한계성을 극복하였다.
검토하고자 하였다. 갈수년(2001), 평년(2000), 풍수년(1999)의 보정기간에 대해 민감도 분석과 SCE-UA 방법으로 보정된 평균 매개변수를 사용하여 풍수 년(1998)에 대하여 검증을 실시한 결과, 체적오차 및 Nash-Sutcliffe 모형효율이 1.62% 및 0.72로 양호한 값을 나타내고 있다. 본 연구를 통해 얻은 결론을 요약하면 다음과 같다.
다음과 같은 결론을 종합해보면 준분포형 모형인 SLURP 모형의 소양강댐유역의 적용은 모형효율의 값이 양호하며 유출량 유출경향이 잘 일치하고 있어 중규모이상의 산악지역은 소양강댐유역의 장기 유출 수문해석에서 적용가능성을 높게 나타내고 있다고 판단된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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