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문제 정의
- 공도 유역의 도시화로 변함에 따른 토지변화에 의한 유출량을 추정하고자 하였다. 본 연구에서는 설계호우에서는 관측호우와 같이 시간적 분포를 고려해야한다.
- 본 연구에서는 80년, 90년, 2000년의 각각의 토지 피복도를 작성하여 경년별로 시간이 경과하면서 토지 피복의 변화와 산림과 농경지가 개발로 인해 도시화됨에 따라 유출량을 비교하고자하였다. 공도 유역을 대상지로 RS 및 GIS를 활용하여 WMS HEC-1 모형의 입력자료를 구축하고, 1981년, 1990년, 2000년의 토지 피복 상태에 대하여 Huff 4분위 방법을 이용하여 50년, 100년, 500년 빈도별 강우량을 적용하여 수문환경변화를 분석하였다.
제안 방법
- 작성하기 위하여 위성영상 분석 소프트웨어인 IDRISI32를 사용하였다<그림 2>. 1990년 4월 26일의 Landsat-5 TM 영상을 환경부에서 구축한 GCR지상기준점)를 이용하여 Spheroid Bessel, Datum Tokyo(Korea), Projection TM(Transverse Mercator)의 좌표체계로 기하보정 하였으며, 이 영상을 이용하여 남은 2개의 영상을 Image to Image 방법을 사용하여 같은 좌표체계로서 기하보정 하였다. 기하보정된 각 영상에 유역경계를 중첩한 결과 유역의 출구 및 산림에 의한 유역경계가 잘 일치하여 기하보정으로 인한 유출량 변화 분석의 오차는 배제하였다.
- 본 연구에서는 30m의 크기의 격자로 재구성한 자료를 이용하였다<그림 6>. SCS 수문학적인 토양군을 획득하기 위하여 서울대 농공학과에서 제작한 농촌진흥청의 1:50,000 개략토양도를 재분류하여 수문학적인 토양군을 결정하였다. SCS 토양의 종류는 유출률, 투수성, 배수성 등에 따라 A, B, C, D 형으로 분류되고 그 결과는 그림 7과 같다.
- 유출량을 비교하고자하였다. 공도 유역을 대상지로 RS 및 GIS를 활용하여 WMS HEC-1 모형의 입력자료를 구축하고, 1981년, 1990년, 2000년의 토지 피복 상태에 대하여 Huff 4분위 방법을 이용하여 50년, 100년, 500년 빈도별 강우량을 적용하여 수문환경변화를 분석하였다.
- 감독분류는 사용자가 기존 의종이 지도나 다른 자료를 바탕으로 항목별로 훈련지역을 영상에서 획득하여 분류하는 방법이다. 따라서 본 연구에서는 과거의 여러 연구에서 증명되었고 일반적으로 더 높은 정확도를 가지고 있는 감독분류를 실시하였다.
- 본 연구에서 사용된 분류항목은 수문변화 분석에 사용되는 최소 항목인 산림, 경작지(논), 수계, 도시지역으로 분류하였으며, 각 항목별로 80〜100여개의 훈련지역을 획득하였다. 이렇게 훈련지역을 획득하고 나면 분류과정에 들어가는데 여러 가지 분류방법(minimum dis tance, parallel piped classifier 등)중 각 분류항목의 평균과 공분산을 이용하는 최대우도법 (Gaussian Maximum Likelihood Method)을 실시하였다.
- 본 연구에서는 개발전후의 수문환경변화를 분석하기 위해서 HEC-1 모형을 이용하여 유역의 지형 특성 인자만으로 모의 가능한 SCS 무차원단위도법을 적용, 첨두유량과 첨두유출시간을 추정하였다. 그림 4는 HEC-1 모형의 개념도를 나타내고 있다.
- 본 연구에서는 모형의 적용성을 검토하기 위하여 선정된 총 6개의 강우사상을 이용하여 공도 지점에서 모의를 실시하였고 적절한 매개변수 값을 추정하였다. 본 모형의 보정시 이용한 매개변수는 SCS 지체시간(lag time) 1개의 영향을 받는다.
- 본 연구에서는 유역조사의 일환으로 남한전체의 1/5,000의 수치지도로부터 구축한 30m 간격의 DEM을 사용하였으며 이를 WMS에 적용을 위해 ARC/INFO를 사용하여 ASCII 파일로 구성하여 사용하였다 DEM 격자 크기에 따른 유역의 지형특성인자는 큰 차이를 보이지 않는 것으로 나타났다.
- 본 연구에서의 시범유역으로 채택한 안성천 유역의 홍수 유출해석을 위하여 신뢰도, 적합도, 호환성, 및 적용사례 등의 기준으로 판단한 결과 WMS(Watershed Modeling System)v6.1 을 선정하였다.
- 본 연구대상 지구는 대부분의 산림 및 논 지역과 농업용수 보급을 위한 중 . 소규모의 저수지가 산재하여 있으므로, 식생 형태, 생장, 함수량과 토양 함수량의 지표가 되는 4, 5번 밴드를 사용하였고, 수계 투과를 위해 디자인된 1번 밴드를 주로 사용하였다.
- 유역의 토지피복분류 및 유출량을 산정하기 위하여, 공도 유역을 대상으로 1981년 7월 31일의 Landsat-2 MSS 영상, 1990년 4월 26일 Landsat-5 TM 영상, 2000 년 4월 29일의 Landsat-7 ETM 영상을 영상의 전처리를 거친 후 7개의 분류 항목으로 최대우도분류방법을 이용하여 감독분류를 실시하였다. 도시화로 인한 유출량을 비교 분석하기 위하여 WMS내의 HEC-1 모형을 이용하여 수문모의를 하였고, Huff 4분위 방법을 이용하여 빈도별(50년, 100년, 500년)로 유출량 변화를 분석하였다.
대상 데이터
- 선정하고자 하였다. 각 년도 영상은 구름의 양이 적고, 육안으로 판독이 가능하며 되도록 계절이 같으며 노이즈 현상이 적은 영상으로 선정하고자 하였으며 표 2와 같이 선정하였다.
- 경기도 안성시 웅교에 위치하고 있는 공도 수위관측소를 유역출구로 하는 공도 유역을 대상유역으로 선정하였다. 공도수위관측소는 1996년 TM 자기수위계로 관측을 시작하였다.
- 공도 유역은 건설교통부에서 설치한 5개의 기상관측소와 1개의 자기수위관측소가 설치되어 있으며, 모형의 적용성을 검토하기 위하여 총 6개의 강우사상에 대하여 시유량 및 시우량자료를 사용하였다.
- 공도 유역의 도시화 진전에 따른 수문환경 변화를 분석하기 위하여 1980년, 1990년, 2000년대 3개년의 영상을 선정하고자 하였다. 각 년도 영상은 구름의 양이 적고, 육안으로 판독이 가능하며 되도록 계절이 같으며 노이즈 현상이 적은 영상으로 선정하고자 하였으며 표 2와 같이 선정하였다.
- 지형자료, 토지이용도, 토양도 등이 있다. 본 연구에서 매개변수를 결정하기 위해 구축된 GIS 자료로는 DEM(수치고도모델), 토지이용도, 토양도 등이 있다. 정리하면 표 4와 같다.
- 본 연구에서는 유역조사의 일환으로 남한전체의 1/5,000의 수치지도로부터 구축한 30m 간격의 DEM을 사용하였으며 이를 WMS에 적용을 위해 ARC/INFO를 사용하여 ASCII 파일로 구성하여 사용하였다<그림 5> DEM 격자 크기에 따른 유역의 지형특성인자는 큰 차이를 보이지 않는 것으로 나타났다. 본 연구에서는 30m의 크기의 격자로 재구성한 자료를 이용하였다<;그림 6>. SCS 수문학적인 토양군을 획득하기 위하여 서울대 농공학과에서 제작한 농촌진흥청의 1:50,000 개략토양도를 재분류하여 수문학적인 토양군을 결정하였다.
- 공도수위관측소는 1996년 TM 자기수위계로 관측을 시작하였다. 본 연구지역의 유역면적은 371.8km2 이며, 주하천의 유로연장은 30.66km이다<;그림 1>. 행정구역상으로는 안성시와 천안시가 각각 62.
데이터처리
- 감독분류를 실시하였다. 도시화로 인한 유출량을 비교 분석하기 위하여 WMS내의 HEC-1 모형을 이용하여 수문모의를 하였고, Huff 4분위 방법을 이용하여 빈도별(50년, 100년, 500년)로 유출량 변화를 분석하였다. 본 연구의 결과를 다음과 같이 정리하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 설계호우에서는 관측호우와 같이 시간적 분포를 고려해야한다. 따라서 본 연구에서 강우의 시간적 분포를 이론적으로 고찰하기 위해 해당지역 강우의 통계적 특성을 고려한 Huff 4분위법 (Huffs Quartile Method)을 이용하였다. Huff 4분위법은 기왕의 강우자료로부터 총 강우 지속기 시간을 4등분하여 첨두유량이 발생하는 시각으로 간주하여 각 분위별 통계적 특성을 적출하여 해당 지역의 해당 분위 강우량의 분포식을 회귀분석에 의하여 구하고 이를 기준으로 설계강우를 강우지속시간 내에 분포시키는 방법이다.
- 영상을 이용한 토지피복분류도를 .작성하기 위하여 위성영상 분석 소프트웨어인 IDRISI32를 사용하였다<그림 2>.
- 획득하였다. 이렇게 훈련지역을 획득하고 나면 분류과정에 들어가는데 여러 가지 분류방법(minimum dis tance, parallel piped classifier 등)중 각 분류항목의 평균과 공분산을 이용하는 최대우도법 (Gaussian Maximum Likelihood Method)을 실시하였다. 각 년도별로 피복 분류를 실시한 결과는 그림 3과 같다.
- 영상을 이용한 토지피복분류도를 .작성하기 위하여 위성영상 분석 소프트웨어인 IDRISI32를 사용하였다<;그림 2>. 1990년 4월 26일의 Landsat-5 TM 영상을 환경부에서 구축한 GCR지상기준점)를 이용하여 Spheroid Bessel, Datum Tokyo(Korea), Projection TM(Transverse Mercator)의 좌표체계로 기하보정 하였으며, 이 영상을 이용하여 남은 2개의 영상을 Image to Image 방법을 사용하여 같은 좌표체계로서 기하보정 하였다.
성능/효과
- 1) 토지피복 분류결과 논 2.99%, 산림 17.28%가 감소하였고, 도시지역 3.1%, 나지 2.3%가 증가하였다. 산림지역과 논지역은 산업개발로 인해 택지로 변화하여 감소한 것으로 판단되며 반면 도심지와 나지는 산업화로 인하여 인구 증가에 따른 개발로 증가한 것으로 된다.
- 2) WMS 모형의 HEC-1 을 이용하여 안성천 공도 유역을 대상으로 50년, 100년, 500년 빈도별 첨두유량을산정한 결과, 빈도가 증가함에 따라 첨두유출량은 증가하는 경향을 보였으며, 50년 빈도에 대하여 20년 동안의 첨두유출량은 56.2㎥/sec 증가하였으며, 100년 빈도에 대하여는 36.3㎥/sec, 500년 빈도에 대하여는 192.2 ㎥/sec 증가하였다.
- 위의 결과로서 각 분류항목별로 면적변화를 분석한 결과 산림지역이나 논지역이 산업개발로 인하여 택지로서 토지피복이 변화하였고, 그로 인하여 주거지는 1980년 9.1kn2에서 2000년 20.4kn2으로 급속도로 증가한것을 알 수 있다. 또한 초지의 경우 1980년보다 2000년에 약 14% 증가하였다.
- 사용자 인터페이스(Graphic User Interface, GUI)를 제공한다. 유역의 위상관계를 자동으로 나타내주고 강우- 유출 모형의 매개변수는 사용하기 편리한 대화형 박스를 통해 입력이 가능하며 제공된 모든 강우-유출모형은 WMS안에서 직접 실행할 수 있고 결과 값 및 수문곡선 또한 같은 환경 안에서 출력된다.
- 김성준 등(2003)은 안성천 평택수위관측소 상류 유역에 대하여 WMS HEC-1 모형을이용하여 토지피복별 변화에 대한 수문 경년변화를 분석한 바 있다. 특정 토이이용항목의 면적을 변화시켜유출분석을 한 결과 논, 산림, 주거지의 순으로 유출에 미치는 영향이 큰 것으로 분석하였다. 권형중과 김성준 (2003)은 안성천 유역에 대하여 TOPMODEL을 이용하여 홍수유출을 분석한 바 있으며, 임상준 등(2000)은 분당신도시 지구에 대하여 신도시 개발 전·후의 토지피복도를 위성영상으로부터 작성한 후, WMS모형을 이용하여 대상지구내의 3개의 소유역에 대한 첨두유출시간과 첨두유량을 산정하여 첨두유출시간 및 첨두유량이 증가한 결과를 도출한 바 있다.
후속연구
- 3) 본 연구의 결과로 미루어 볼 때, 도시화로 인하여 유역의 첨두유량이 증가하고 첨두유줄시간은 짧아지므로, 도시화 및 산업발전으로 인한 개발 계획 수립시 홍수로 인한 범람 및 제방의 붕괴를 방지할 수 있는 하천 정비 계획이 수반되어야 할 것으로 사료된다.
- 개발 목적으로 과거 농경지나 산림지역이 주거지 및 상업지역으로 그 이용이 변화되면서 토양침식의 증가는 물론이고, 불투수증이 증가로 인한 토양 저류 능의 감소와 강우로 인한 유출 도달시간의 감소로 인해 폭우에 의한 홍수 및 침수의 피해가야기된다. 이러한 수문환경 변화를 분석하여 개발의 계획단계에서 적절한 하천의 관리나 개·보수에 대한 대책이 수립되어야 할 것이다.
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