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문제 정의
- 본 연구에서는 유역내 인위적인 토지이용 변화 중 우리나라 유역에서 많은 비중을 차지하고 있는 산림 식생에 의한 영향을 보다 정량적으로 .규명하기 위해서, SWAT 모형에서 제시하고 있는 식물생장 모의 알고리즘을 현실에 맞게 수정하고, 이 수정된 알고리즘을 대상 유역인 보청천 유역에 적용하여 산림식생에 따른 유역 물수지 변화 영향을 검토하였다.
제안 방법
- 우선 침엽수에 대한 새로운 식물형태를 추가하여, 기본적으로 "수목"의 생육특성을 적용한 후, 표 2에서 제시한식물형태 중에서 2번째와 5번째인 "한대성 식물은 그생장특성상 겨울철에도 식생이 자라는 상태이기 때문에그 특징을 부여하고, 또한 수목의 특징 중에서 휴지기동안 엽면적지수가 최소화되는 부분과 총 열단위가 0이되는 부분을 제외하여, 연중 일정한 엽면적지수를 모의하도록 하였다. 나머지 대부분의 알고리즘은 수목에 적용된 생육특성을 그대로 적용하여 계산하였다.
- 의한 영향을 보다 정량적으로 .규명하기 위해서, SWAT 모형에서 제시하고 있는 식물생장 모의 알고리즘을 현실에 맞게 수정하고, 이 수정된 알고리즘을 대상 유역인 보청천 유역에 적용하여 산림식생에 따른 유역 물수지 변화 영향을 검토하였다.
- 따라서, 본 연구에서는 이 부분에 대해서 침엽수의경우 연중 일정한 엽면적지수를 갖도록 수정하였다. 우선 침엽수에 대한 새로운 식물형태를 추가하여, 기본적으로 "수목"의 생육특성을 적용한 후, 표 2에서 제시한식물형태 중에서 2번째와 5번째인 "한대성 식물은 그생장특성상 겨울철에도 식생이 자라는 상태이기 때문에그 특징을 부여하고, 또한 수목의 특징 중에서 휴지기동안 엽면적지수가 최소화되는 부분과 총 열단위가 0이되는 부분을 제외하여, 연중 일정한 엽면적지수를 모의하도록 하였다.
- 또한, 모형 구동을 위하여 상류로부터 산성교, 탄부교, 기대교 수위관측소 지점을 기준으로 3개의 소유 역으로 구분하였으며, DEM(30x30m), 토지이용도(1:50, 000), 개략토양도(1:50, 000), 하천망 등의 GIS 자료, 우량관측소(보은)와 기상관측소(보은)자료를 이용하여 모형의 입력자료를 구축하였다.
- 산림식생 수종에 따른 물수지 영향 비교를 위해, 대상 유역을 한 개의 토지피복(침엽수 또는 활엽수)을 가지는 가상유역으로 설정하였고, 이때 산림지에 대한 엽면적지수의 모형 입력치는 국내에 대한 정확한 값을 얻을 수 없어, 기존 연구(건설부, 1990)에서 가정하여 이용하였던 최대치 4를 적용하였다.
- 수정모형의 적용성 평가를 위해, 유역 최종 출구점인 기대교 지점에 대해 수정모형으로부터 계산된 모의 유출량과 관측 유출량을 비교하였다. 1993년 유량자료를 이용하여 모형의 보정에 이용하였으며, 나머지 1990-1992 년, 1994~1997년의 자료를 이용하여 검증을 수행하였다.
- 이상의 결과를 바탕으로, 본 연구에서는 산림식생의영향을 보다 정량적으로 규명하기 위하여 준분포형 물리적 매개변수를 취하는 유역관리모형인 SWAT(SoD and Water Assessment Tool)(Neitsch 등, 2001)을 이용하여, 우선 국내 유역에서의 산림식생 생장 특성을모의할 수 있도록 알고리즘을 수정한 후, 수정된 모형을 통해 유역내 산림식생에 따른 물수지 영향을 정성적, 정량적으로 검토하였다.
대상 데이터
- 수정모형의 적용성 평가를 위해, 유역 최종 출구점인 기대교 지점에 대해 수정모형으로부터 계산된 모의 유출량과 관측 유출량을 비교하였다. 1993년 유량자료를 이용하여 모형의 보정에 이용하였으며, 나머지 1990-1992 년, 1994~1997년의 자료를 이용하여 검증을 수행하였다.
- 대상유역으로서 IHP 대표유역 중의 하나인 금강수계의 보청천 유역을 선정하였으며, 선정된 하천구간 및 유역은 그림 1에 나타난 바와 같이 기대교 상류 유역으로서유역면적은 348.15 kirf이며, 이 중 산림지 면적은 219.79 knf로서 유역의 62.6%를 차지하고 있다(표 1 참고).
이론/모형
- SWAT 모형에서는 지표유출량 산정을 위해 SCS 유 출곡선법 (SCS, 1972)과 Green & Ampt 침투법 (Green 과 Ampt, 1911)의 두 가지 방법을 제공하고 있으며, 증 발산량 산정을 위해서는 Penman-Monteith 방법 (Allen 등, 1989), Priestley-Taylor 방법 (Priestley와 Taylor,1972), Hargreaves 방법 (Hargreaves와 Samani, 1985)의 세 가지 방법이 제시되고 있다. 본 연구에서는 이 중에서 SCS 유출곡선법과 Penman-Monteith 방법을 이용하여 각각 지표유출량과 증발산량을 계산하였다.
성능/효과
- 2. 수정된 모형의 실제 유역에 대한 적용성을 평가하기위해, 보청천 유역에 대해 보정과 검증을 수행한 결과, 연도별 일 유출에 대한 상대편향이 -0.27- -0.02, 제곱근평균제곱오차가 2.61-15.19 mm, 평균절대오차가 1.01 ~3.68 rnm로서 양호한 결과를 나타내었다.
- 3. 수정 개선된 알고리즘을 적용하여 침엽수와 활엽수의 수문학적 영향을 파악한 결과, 동절기를 포함하여 연중 일정한 엽면적지수를 갖는 침엽수의 생장 특성상, 활엽수에 비해 연 증발산량이 많이 발생하고, 특히 봄과 겨울의 증발산량이 활엽수에 비해 크게 나타나는 것을 알 수 있었다. 또한 식생에 의한 강우 차단의 효과로 인해 침엽수에서의 지표유출, 기저 유출, 총 유출이 활엽수보다 상대적으로 적은 것으로 나타났다.
- 75)로 설정하여 작물 생장을 모의하고 있어, 침엽수와 같이 연중 일정한 엽면적지수를 갖는 식물군에 적용시 실제 생장 특성을 반영하기 곤란하다. 따라서, 모형내 식물생장 알고리즘에서 침엽수림 지역에 대해 새로운 형태의 식물군 특성을 부여함으로써, 휴지기 동안 엽면적지수가 최소화되는 문제를 해결하고, 연중 일정한 엽면적지수를 갖도록 수정함으로써, 침엽수의 실제 생장 특성을 잘 모의할 수 있도록 하였다.
- 수정 개선된 알고리즘을 적용하여 침엽수와 활엽수의 수문학적 영향을 파악한 결과, 동절기를 포함하여 연중 일정한 엽면적지수를 갖는 침엽수의 생장 특성상, 활엽수에 비해 연 증발산량이 많이 발생하고, 특히 봄과 겨울의 증발산량이 활엽수에 비해 크게 나타나는 것을 알 수 있었다. 또한 식생에 의한 강우 차단의 효과로 인해 침엽수에서의 지표유출, 기저 유출, 총 유출이 활엽수보다 상대적으로 적은 것으로 나타났다.
- 모형내 CN-Ⅱ의 값(CN2), 토양증발보상계수(ESCO), 토양의 유효수분함량(SOL_AWC), 기저유출 감수상수 (ALPHA_BF), 기저유출에 대한 얕은 대수층의 임계수분량(GWQMN), 얕은 대수층의 revap 계수(GW_REVAP), revap 또는 깊은 대수층으로의 침루에 대한 얕은 대수층의 임계수분량(REVAPMN) 등을 조정하여 보정을수행하였으며, 그림 3과 표 3에서 보여지듯이 보정 및검증 결과 양호한 것으로 나타났다. 다만, 4월 이전 및 10월 이후 기간에 대해서는 다소 모의 정확성이 떨어지는데, 이는 동절기 유량 관측의 정확성 문제로 판단되며, 다른 기간에서는 비교적 안정된 결과를 나타내는 것으로 판단된다.
- 이상과 같이, 침엽수가 활엽수보다 증발산 증가, 유출 감소에 효과가 큰 것을 파악할 수 있었으며, 수정된알고리즘 및 SWAT 모형을 이용하여 산림식생에 따른유역 물수지 영향을 정성적, 정량적으로 규명할 수 있었다. 그러나, 기존 연구들과 마찬가지로, 산림식생에따른 영향 파악은 단순 수종에 따른 비교보다는 수령, 식재밀도를 비롯하여 토양특성 및 기상조건 등 다양한조건이 모두 고려되어야 하므로, 이를 위해서는 선진외국과 같이 산림시업 연구가 보다 활발이 진행되어 충분한 관측자료 및 관련 자료를 제공함으로써 유출모형의 불확실성을 보완해 나가야 할 것으로 생각한다.
- 표 4와 그림 8은 1990년부터 1999년까지의 10년에대해 연평균 증발산, 지표유출, 중간유출, 기저유출, 총유출 등을 비교한 결과로서, 증발산의 경우 침엽수가활엽수에 비해 70 —90 mm/year 정도 크게 나타났으며, 총 유출은 활엽수가 침엽수에 비해 70 -80 mm/year 정도 크게 나타났고, 지표유출과 기저유출도 활엽수가 침엽수에 비해 큰 경향을 보였다. 이러한 경향은 기존의침엽수/활엽수에 대한 비교 연구 결과(Eckhardt 등, 2003; 김승, 1997)와도 일치하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 그러나, 기존 연구들과 마찬가지로, 산림식생에따른 영향 파악은 단순 수종에 따른 비교보다는 수령, 식재밀도를 비롯하여 토양특성 및 기상조건 등 다양한조건이 모두 고려되어야 하므로, 이를 위해서는 선진외국과 같이 산림시업 연구가 보다 활발이 진행되어 충분한 관측자료 및 관련 자료를 제공함으로써 유출모형의 불확실성을 보완해 나가야 할 것으로 생각한다.
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