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문제 정의
- 모형에서 다른 입력자료와 매개변수들은 고정시킨 상태에서 년강우량 조건(2000, 2001, 2003년)별로 토지 피복 조건(1980, 1990, 2000년)만을 변화시키면서 1년 단위의 유출변화를 모의하고자 하였다. 갈수년인 2001 년은 년강수가 871.
- 본 연구는 경안천 유역에 토지피복 변화에 따른 장기 유출 특성을 파악하고자 20년 동안에 3개에 토지피복도를 사용하여 모의를 실시하였다. 도시화에 진행과 산림의 감소에 따른 유출특성에 변화를 확인할 수 있었다.
가설 설정
- HSPF 모형은 1970년대 중반 미환경청에서 오염총량제의 도입에 따라 점오염원과 비점오염원의 영향을 함께 고려할 수 있도록 개발되었다. 준분포형, 개념적 모형으로서, 하천을 여러 개의 Reach로 나누고, 각각의 Reach는 하나의 레이어로 구성된 완전 혼합형의 수체로 가정한다. 흐름은 한 방향이며 유입은 한 부분에서 이루어지나 유줄은 여러 부분으로 나뉜다(그림 1).
제안 방법
- 1. 준분포형, 개념적 모형으로써, 광범위한 유역에 수문과 수질을 모의할 수 있는 HSPF 모형을 사용하여 경안천 유역에 토지피복 변화에 따른 장기유출 특성을 확인하였다.
- 2000년 토지피복도를 입력하여 민감도 분석 결과를 토대로 인자들을 조정하였다. 보정에 앞서 동절기에 결측된 것으로 보이는 자료가 있으므로 이를 고려하여 유출량을 조정하였다.
- 강우자료를 제외한 기상자료는 경안 수위관측소에서 동남쪽으로 약 20km 떨어진 이천기상관 측소의 일단위 기상자료를 이용하였으며 이천기상관측소에서 제공하지 않는 운량은 경안수위관측소에서 남서 쪽으로 약 30km 떨어진 수원기상관측소의 자료를 사용하였다. 기상자료에는 일최고온도, 일최저온도, 이슬점 온도, 풍속이 사용되었으며, 일자료들은 WDMutil 프로 그램(Hummel 등, 2001)을 사용하여 시단위로 조정하고 이를 이용하여 일조량 증발랴 잠재증발산량을 구하였다. 자료 사용기간은 1998년 1월부터 2003년 10월까지이다.
- 기존 연구성과(Im 등, 2003, Engelmann 등, 2002, Chew 등, 1991)를 토대로 인자 특성상 민감하다고 생각되는 것들을 선정하여 민감도 분석을 실시하였다. 선정된 인자는 중간수대 명목의 저수량에 대한 인자 (Lower zone nominal soil moisture storage : LZSN), 침투인자(Index to infiltration capacity : INFILT)와 지하수의 지체 정도를 나타내는 인자들(Variable ground water recession : KVARY, Base groundwater recession : AGWRC), 최대/평균 침투능 비율 인자{Ratio of max/mean infiltration capacities : INFILD), 토양수대 명목의 저수량에 대한 인자(Upper zone nominal soil moisture storage : UZSN), 지표류 흐름면에 대한 Manning 계수 (Manning's N (roughness)for overland flow : NSUR), 중간 유출 유입 인자(Interflow recession parameter : INTFW), 중간 유줄 감쇠 인자(Interflow recession parameter : IRC) 들을 총유출량과 첨두유출 량을 비교하는 민감도 분석을 실시하였다.
- 2000년 토지피복도를 입력하여 민감도 분석 결과를 토대로 인자들을 조정하였다. 보정에 앞서 동절기에 결측된 것으로 보이는 자료가 있으므로 이를 고려하여 유출량을 조정하였다. 우선 LZSN과 UZSN의 두 매개변수를 조정하여 전체적인 수문곡선을 보정하고, 다음으로는 INFILT 와 INFILW 그리고 AGWRC, IRC, KVARY 다섯 개의 매개변수들을 조정하여 감수곡선과 평상시 유량을 보정한 후 마지막으로 LZSN과 UZSN 을 다시 조정하여 첨두유량을 맞추는 방식으로 보정을 실시하였다.
- 본 연구에서는 투수 및 불투수 지표면과 하천에서의 수문과정을 모의할 수 있는 GIS기반의 연속모형인 HSPF (Hydrologic Simulation Program-Fortran)를 사용하여 총유출량과 첨두유출량을 모의하였다. 모형 HSPF는 지표면유출과 복류수, 지하수 유출을 고려할 뿐 아니라 투수지형과 수체 내의 토사 유출을 모의할 수 있으며, 점오염원과 비점오염원이 함께 고려할 수 있으므로 오염총량제가 점차적으로 도입되고 있는 현 시점에서 HSPF의 사용이 적절할 것이라고 판단되었다.
- 기존 연구성과(Im 등, 2003, Engelmann 등, 2002, Chew 등, 1991)를 토대로 인자 특성상 민감하다고 생각되는 것들을 선정하여 민감도 분석을 실시하였다. 선정된 인자는 중간수대 명목의 저수량에 대한 인자 (Lower zone nominal soil moisture storage : LZSN), 침투인자(Index to infiltration capacity : INFILT)와 지하수의 지체 정도를 나타내는 인자들(Variable ground water recession : KVARY, Base groundwater recession : AGWRC), 최대/평균 침투능 비율 인자{Ratio of max/mean infiltration capacities : INFILD), 토양수대 명목의 저수량에 대한 인자(Upper zone nominal soil moisture storage : UZSN), 지표류 흐름면에 대한 Manning 계수 (Manning's N (roughness)for overland flow : NSUR), 중간 유출 유입 인자(Interflow recession parameter : INTFW), 중간 유줄 감쇠 인자(Interflow recession parameter : IRC) 들을 총유출량과 첨두유출 량을 비교하는 민감도 분석을 실시하였다. 각 인자값에 대한 범위를 10%부터 100%로 나누어서 민감도 분석 실시 결과는 그림 4와 같다.
- 보정에 앞서 동절기에 결측된 것으로 보이는 자료가 있으므로 이를 고려하여 유출량을 조정하였다. 우선 LZSN과 UZSN의 두 매개변수를 조정하여 전체적인 수문곡선을 보정하고, 다음으로는 INFILT 와 INFILW 그리고 AGWRC, IRC, KVARY 다섯 개의 매개변수들을 조정하여 감수곡선과 평상시 유량을 보정한 후 마지막으로 LZSN과 UZSN 을 다시 조정하여 첨두유량을 맞추는 방식으로 보정을 실시하였다.
- 총유출량은 갈수년 (2001년), 평수년(2000년), 풍수년(2003년)에 따른 결과이며, 첨두유량은 각 년도에서 가장 높은 유량을 나타낸 날의 유출량이다. 총유출량은 성수기와 비성수기로 나눠서 정리하였다. 성수기 총유 출량은 각 강우별 5월부터 9월까지의 총유출량이며, 비 성수기 총유출량은 1년 중 성수기 때를 제외한 나머지 기간의 총유출량을 나타낸다.
대상 데이터
- 2. 건교부에서 실시한 한강유역기본현황조사에 작성된 토지피복도 3개와 이천기상관측소의 기상자료, 경안천수위 관측소에 수문자료를 수집 하였다.
- 강우자료는 한강홍수통제소에서 제공하는 시단위 자료를 사용하였다. 강우자료를 제외한 기상자료는 경안 수위관측소에서 동남쪽으로 약 20km 떨어진 이천기상관 측소의 일단위 기상자료를 이용하였으며 이천기상관측소에서 제공하지 않는 운량은 경안수위관측소에서 남서 쪽으로 약 30km 떨어진 수원기상관측소의 자료를 사용하였다.
- 강우자료는 한강홍수통제소에서 제공하는 시단위 자료를 사용하였다. 강우자료를 제외한 기상자료는 경안 수위관측소에서 동남쪽으로 약 20km 떨어진 이천기상관 측소의 일단위 기상자료를 이용하였으며 이천기상관측소에서 제공하지 않는 운량은 경안수위관측소에서 남서 쪽으로 약 30km 떨어진 수원기상관측소의 자료를 사용하였다. 기상자료에는 일최고온도, 일최저온도, 이슬점 온도, 풍속이 사용되었으며, 일자료들은 WDMutil 프로 그램(Hummel 등, 2001)을 사용하여 시단위로 조정하고 이를 이용하여 일조량 증발랴 잠재증발산량을 구하였다.
- 보정 그래프와 마찬가지로 각 상단에 그래프는 모의치와 실측치를 비교한 것이며, 하단 그래프는 모의치와 실측치의 상관관계를 나타낸 그래프이다. 검증은 2001년과 2003년 두 개년을 실시하였다. 2002년은 관측 자료가 불확실하여 제외하였다.
- 대상 유역은 경안천 경안교에 위치한 경안수위관측소 상류 유역으로서 유량 및 수질자료의 수집이 비교적 용이하다. 또한 지난 수년간에 개발로 인하여, 1980년대에 비하여 산림지역은 158.
- 모형 HSPF는 지표면유출과 복류수, 지하수 유출을 고려할 뿐 아니라 투수지형과 수체 내의 토사 유출을 모의할 수 있으며, 점오염원과 비점오염원이 함께 고려할 수 있으므로 오염총량제가 점차적으로 도입되고 있는 현 시점에서 HSPF의 사용이 적절할 것이라고 판단되었다. 대상지역으로는 지난 20여년 동안 주거지의 증가 및 도시화가 진전되어 왔고, 건설교통부에서 하천의 유량을 지속적으로 모니터링하여 온 경안수위관측소 상류유역을 선정하였다. 토지피복자료는 Landsat 위성영상을 사용하여 작성된 토지피복도를 이용하였다.
- 수문자료는 한강홍수통제소에서 제공하는 일단위 유량 자료를 사용하였다. 경안천은 하류 지점의 댐 등의 조작으로 갈수시 수문 변화가 미미한 것과 동절기에 결측 자료가 많으므로 모의시에 이러한 상황들을 고려하였다.
- 기상자료에는 일최고온도, 일최저온도, 이슬점 온도, 풍속이 사용되었으며, 일자료들은 WDMutil 프로 그램(Hummel 등, 2001)을 사용하여 시단위로 조정하고 이를 이용하여 일조량 증발랴 잠재증발산량을 구하였다. 자료 사용기간은 1998년 1월부터 2003년 10월까지이다.
- 대상지역으로는 지난 20여년 동안 주거지의 증가 및 도시화가 진전되어 왔고, 건설교통부에서 하천의 유량을 지속적으로 모니터링하여 온 경안수위관측소 상류유역을 선정하였다. 토지피복자료는 Landsat 위성영상을 사용하여 작성된 토지피복도를 이용하였다.
이론/모형
- 건교부에서 실시한 한강유역기본현황조사의 토지피복도를 이용하였다. 토지피복도는 1980년부터 10년 단위로 작성된 것으로 8가지 항목으로 나누어져 있으며 시간의 변화에 따라 도심지가 눈에 띠게 증가하는 것을 확인할 수 있다(그림 3).
- 본 연구에서 사용한 토지피복도는 건설교통부에서 실시한 한강유역기 본현황조사의 토지피복도를 사용하였으며, 과학기술부 “웹기반 홍수정보 시스템 Prototype 개발” 사업과 제의 연구비에 의하여 연구되었음.
성능/효과
- 3. 민감도 분석 결과 유출량에 있어서 중간수대 명목의 저수량의 대한 인자(LZSN)과 토양수대 명목의 저수량에 대한 인자(UZSN)이 가장 민감하게 나타났으며, 최대/평균 침투능 비율 인자(INFILD) 와 지표류 흐름면에 대한 Manning 계수(NSUR)은 첨두 유량과 감수곡선에 영향을 끼치는 것을 확인할 수 있었다.
- 4. 모형을 보정한 결과 모델효율은 0.73, RMSE는 11.8m3/s을 나타냈고, 모의치와 실측치의 상관계수는 0.86을 나타냈고, 검증 결과 모델효율은 0.44, RMSE는 22.9m3/s을 나타냈고, 모의치와 실측치의 상관계수는 0.89을 나타냈다.
- 5. 토지피복도에 따른 유출량에 특성은 유출량은 도심지의 증가와 산림의 감소에 영향을 받아 전체적으로 증가하는 경향을 보이는 반면, 비성수기의 유출량은 감소하는 경향을 보인다. 그 이유는 비성수기에 유출량은 기저유출에 기인하는데 불투수지역이 높아질수록 침투량이 작아져 지하수충진량이 작아지면서 기저 유출량이 감소하기 때문이다.
- 2002년은 관측 자료가 불확실하여 제외하였다. 검증 결과 2001년에 대해서 모델효율은 0.80, RMSE는 12.89m3/s을 나타냈으며, 2003년에 대해서는 모델효율은 0.79, RMSE는 9.38m3/s을 나타냈다.
- Im 등(2003)은 HSPF 모형을 이용하여 버지니아주 Polecat Creek 유역에서 미래의 다양한 토지개발 시나리오에 대한 하천수질을 평가하였다. 그 결과 전체 12, 048ha 지역에 50%와 100% 개발되었다는 가정하에 총유출량은 4.2%, 8.7% 증가하였고, 첨두유량은 2.2, 4.2% 증가를 나타냈다. 국내의 최근 연구로는 박의정과 김철(2003)이 함평천유역의 토지이용변 화가 하천유출에 미치는 영향을 분석한 바 있으며, 김성준 등(2003)은 WMS HEC-1 모형을 이용하여 토지이용의 변화가 안성천유역의 홍수유출량에 미치는 영향을 분석한 결과 5S.
- 또한, 이준우(2002)는 WMS HEC-1 모형을 이용한 경안천 유역의 경년 수문변화 분석하였다. 그 결과 토지피복 변화에 따라서 30년 빈도의 일 최대강우인 254mm 강우에 의한 첨두유량이 991m3/s에서 139m3/s로 증가된 것으로 분석되었다. Im 등(2003)은 HSPF 모형을 이용하여 버지니아주 Polecat Creek 유역에서 미래의 다양한 토지개발 시나리오에 대한 하천수질을 평가하였다.
- 년강우량 에 따른 토지피복조건별 평수년, 갈수년, 풍수년에 대한 모의 결과는 그림 7과 같다. 모의결과, 토지피복조건이 불투수층인 도심지가 증가할수록 강우시의 유출은 증가 하고, 평상시의 유출은 감소하는 것으로 모의되었다. 이는 불투수층이 증가하면 강우시에 도심지에서의 침투가 감소하고 지표 유출은 증가하기 때문에 하천유줄에 기여하는 지표유출량이 증가하기 때문이며, 평상시에는 감소된 침투량만큼 지표하흐름이 감소하여 궁극적으로는 기저유출이 감소되기 때문이다.
- 본 연구에서는 투수 및 불투수 지표면과 하천에서의 수문과정을 모의할 수 있는 GIS기반의 연속모형인 HSPF (Hydrologic Simulation Program-Fortran)를 사용하여 총유출량과 첨두유출량을 모의하였다. 모형 HSPF는 지표면유출과 복류수, 지하수 유출을 고려할 뿐 아니라 투수지형과 수체 내의 토사 유출을 모의할 수 있으며, 점오염원과 비점오염원이 함께 고려할 수 있으므로 오염총량제가 점차적으로 도입되고 있는 현 시점에서 HSPF의 사용이 적절할 것이라고 판단되었다. 대상지역으로는 지난 20여년 동안 주거지의 증가 및 도시화가 진전되어 왔고, 건설교통부에서 하천의 유량을 지속적으로 모니터링하여 온 경안수위관측소 상류유역을 선정하였다.
- 상단에 있는 그래프는 모의치와 실측치를 비교한 것이며, 하단 그래프는 모의치와 실측치의 상관관계를 나타낸 그래프이다. 보정 결과 모델효율(Nash and SutcHffe, 1970)은 0.86, RMSE 는 7.73m3/s을 나타냈고, 모의치와 실측치가 1:1 직선에 매우 근접하는 것을 알 수 있다.
- 8%의 INTFW의 영향도 크게 나타났다. 이외의 각 인자들은 감수곡선이나 첨두유량에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었으나 INFILD와 NSUR는 2%이하의 차이를 나타내면 영향을 끼치지 못하는 것으로 분석되었다. 민감도 분석에 따라 보정된 매개변수의 값은 표 1과 같다.
- 9%) 감소하였다. 정리하면 2000년의 강수조건에서 각각 4.4% 증가와 8.1% 감소로 가장 큰 변화를 보였다.
- 총유출량에 있어서 가장 큰 영향을 미치는 매개변수는 10%일 때와 100%의 차이가 22.4%이었던 LZSN와 17.9%인 UZSN이었으며, 6.6%인 INFILT와 3.4%인 AGWRC를 제외한 매개변수들은 총유출량에 대해서 1%이하의 미미한 영향을 미쳤다. 하지만, 각 인자들의 총유출량의 값이 아닌 첨두유출량 비교결과 387.
- 건교부에서 실시한 한강유역기본현황조사의 토지피복도를 이용하였다. 토지피복도는 1980년부터 10년 단위로 작성된 것으로 8가지 항목으로 나누어져 있으며 시간의 변화에 따라 도심지가 눈에 띠게 증가하는 것을 확인할 수 있다(그림 3).
- 4%인 AGWRC를 제외한 매개변수들은 총유출량에 대해서 1%이하의 미미한 영향을 미쳤다. 하지만, 각 인자들의 총유출량의 값이 아닌 첨두유출량 비교결과 387.0%의 감소를 나타낸 INFILT가 가장 큰 영향을 미쳤으며, 29.8%의 INTFW의 영향도 크게 나타났다. 이외의 각 인자들은 감수곡선이나 첨두유량에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었으나 INFILD와 NSUR는 2%이하의 차이를 나타내면 영향을 끼치지 못하는 것으로 분석되었다.
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