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문제 정의
- 이러한 도시화로 인한 물순환 환경의 변동을 파악하여, 치수, 이수 및 환경측면에서 건전한 도시 유역의 물순환 체계 를 회복하기 위해서는 유역 내 물순환계에 대한 정량적인 이해와 이를 위한 해석 모형이 필수적이다. 본 연구에서는 도시유역이며 최근 하천 복원공사가 이루어지고 있는 청계천 유역에 대해 WEP(Water and Energy Transfer Process) 모형을 적용하여 유역의 시간적, 공간적 물순환 특성을 분석하고 국내 도시유역의 적용성을 검토하였다.
제안 방법
- 이 중 2001년 자료는 모형의 보정에, 2002년 자료는 검정에 각각 사용하였다. 모형의 매개변수가 모의결과에 미치는 민감도에 대해서는 Jia 등(2003)에 의해 연구된 바 있으며, 본 연구에서는 도시지역의 불투수율, 하천의 조도계수 등을 보정하였다. 모의시 시간간격은 1시간으로 하였으며, PC(Pentium 4, 2.
- 물리적 개념의 공간 분포형 강우-유출 모형인 WEP 모형을 청계천 유역에 적용하여 물순환 특성을 분석하 였다.
- WEP 모형은 일본의 토목연구소에서 유역 물순환의 정량화와 유역변화의 영향예측을 위해 개발된 물리적 개념의 공간 분포형 (Physically Based Spatially Distributed) 강우-유출 모형이다. 증발산, 침투, 지표면 유출 등 각각의 수문요소를 격자단위로 해석한다. 각 격자별로 그림 2와 같은 연직 구조로 물순환을 모형화 하며, 모자이크법을 통한 다양한 토지이용 정보의 반영 및 침투시설, 저류지 등 유출저감시설의 영향 모의가 가능하다(土木硏究所, 2002).
- 표층토양의 초기 함수율과 초기 지하수위 등 초기 계산 시작 조건의 영향을 줄이기 위해 1998년부터 2000년까지의 기간을 모의한 후 2000년 12월 31일 24:00의 조건을 초기조건으로 2001년 1월 1일 01:00에서 2002년 12월 31일 24:00까지 2년간을 모의하였다. 이 중 2001년 자료는 모형의 보정에, 2002년 자료는 검정에 각각 사용하였다.
대상 데이터
- 그림 4(g)는 GIS 프로그램을 통해 구축한 표층토양 자료이며 그림 4(h)의 인구분포 자료는 구청별 인구통계 자료와 토지 이용정보를 이용하여 격자별 인구수를 산정하였다. 강우, 풍속, 일조시간, 기온, 상대습도 등 기상 조건에 대한 자료는 1998년부터 2002년까지의 기상청 서울 측후소 자료를 이용하였다.
- 조도계수는 표면류 격자와 하천에 대해서 구별되어 입력되는데, 표면류 격자의 조도계수는 해당 격자의 토지이용 특성 등을 고려하여 모형 내에서 자동적으로 계산되며, 하천의 조도계수는 세부 구간별로 사용자가 입력한다. 본 연구에서 하천의 조도계수는 26개의 세부하천단면에 대하여 청계천과 정릉천의 본류 구간은 기존 연구（서울특별시, 2003）에서 제시한 값을 사용하고, 자료가 부족한 상류 산지부근의 단면에 대해서는 보정후 선택된 값을 사용하였다. 인공계 용수중 상수도 이용량과 누수율은 기존의 자료（환경부, 2004）에서 서울시에 대한 통계값을 사용하였고, 공장용 수량과 간이상수도 사용량은 관련 차료 부족으로 고려하지 않았다.
- 표층토양의 초기 함수율과 초기 지하수위 등 초기 계산 시작 조건의 영향을 줄이기 위해 1998년부터 2000년까지의 기간을 모의한 후 2000년 12월 31일 24:00의 조건을 초기조건으로 2001년 1월 1일 01:00에서 2002년 12월 31일 24:00까지 2년간을 모의하였다. 이 중 2001년 자료는 모형의 보정에, 2002년 자료는 검정에 각각 사용하였다. 모형의 매개변수가 모의결과에 미치는 민감도에 대해서는 Jia 등(2003)에 의해 연구된 바 있으며, 본 연구에서는 도시지역의 불투수율, 하천의 조도계수 등을 보정하였다.
- 본 연구에서 하천의 조도계수는 26개의 세부하천단면에 대하여 청계천과 정릉천의 본류 구간은 기존 연구（서울특별시, 2003）에서 제시한 값을 사용하고, 자료가 부족한 상류 산지부근의 단면에 대해서는 보정후 선택된 값을 사용하였다. 인공계 용수중 상수도 이용량과 누수율은 기존의 자료（환경부, 2004）에서 서울시에 대한 통계값을 사용하였고, 공장용 수량과 간이상수도 사용량은 관련 차료 부족으로 고려하지 않았다.
- 청계천 유역을 200 mx200 이의 격자로 나누고(남북방향 54개, 동서방향 54개), 유역을 8개의 소유역으로 분할하였으며 하천은 물리적 특성(경사, 단면 등)과 관측결과와의 비교지점 등을 고려하여 26개의 세부하천으로 구분하였다 (그림 4
- 입력자료 중 표층토양, 지하대수층, 하천, 인공계 용 수 등에 대한 내용은 표 1과 같다. 표층토양의 두께는 모형의 기본값인 2 m로 설정하였고 투수계수, 저류계수 등 대수층 관련 매개변수는 유역전체에 대한 분포형 자료가 미비하여 청계천 복원공사시 측정된 자료를 바탕으로 격자별로 동일한 값을 사용하였다. 하천에 대한 자료중 하상재료 깊이 및 투수계수는 현장 측정된 자료가 없어 모형의 기본값을 사용하였고, 하천의 상 .
성능/효과
- WEP 모형의 하천 유출 모의 결과를 홍수기시 관측 값과 비교한 결과 1시간의 다소 긴 추적시간에도 양호한 결과를 나타내어 모형이 하천 유출 모의에 적절함을 확인하였으며, 청계천 복원공사 이전의 토지이용 및 하도 조건에 대해 모의하여 각 지점별 유황곡선을 비교한 결과 현재의 물순환 상태에서는 복원 후 유지용수를 공급하기 어려운 것으로 판단된다.
- 모의 시간간격이 1시간으로 하도추적에는 다소 긴 시간간격임에도 불구하고 실측값의 변화양상, 크기와 비슷한 모의결과를 나타내었다. 그림 8에서 보듯이, 결정계수는 제2마장교 지점에서 보정 및 검정 기간에 대해 각각 0.90, 0.78, 용두교 지점에서는 각각 0.92, 0.78로 비교적 양호한 결과를 보여주었으며 WEP 모형이 청계천의 하천 유출을 모의하기에 적절함을 검증할 수 있 었다.
- 모형의 적용 결과, 청계천 유역은 강우시의 지표면 유출량이 크고, 강우의 유출에 대한 반응이 빠른 전형적인 도시 유역의 특성을 나타내었으나 소유역별로는 불투수 면적비율 등의 차이에 따라 증발산, 지표면 유출 등이 서로 다른 양상을 나타내었다. 특히 북한산, 남산 등 산지와 경복궁, 창덕궁 등 고궁이 포함된 소유역은 불투수 면적비율이 적고 지표면 유출이 적어 도심의 녹지가 물순환에 적지않은 영향을 주고 있음을 알 수 있었다.
- 소유역별 물수지는 표 2에서 보듯이 각 소유역의 특성에 따라 물순환이 서로 다른 양상을 보이는데 이 중 도시화된 정도를 나타내는 지표라 할 수 있는 불투수 면적비율과 지표면 유출, 침투, 증발산은 연관이 깊은 것으로 나타났다. 불투수 면적비율이 높은 소유역일수록 증발산, 침투가 적고 지표면 유출이 많았는데, 표 2에서 보듯이 불투수 면적비율이 0.94로 가장 높은 7번 소유역은 0.41 로 가장 낮은 2번 소유역에 비해 침투량은 500 mm 이상 적고, 증발산도 절반 정도였지만, 지표면 유출은 거의 두 배에 이르렀다.
- 소유역별 물수지는 표 2에서 보듯이 각 소유역의 특성에 따라 물순환이 서로 다른 양상을 보이는데 이 중 도시화된 정도를 나타내는 지표라 할 수 있는 불투수 면적비율과 지표면 유출, 침투, 증발산은 연관이 깊은 것으로 나타났다. 불투수 면적비율이 높은 소유역일수록 증발산, 침투가 적고 지표면 유출이 많았는데, 표 2에서 보듯이 불투수 면적비율이 0.
- 그림 6(a)에서 보듯이 산림 및 녹지가 많고 불투수 면적비율이 낮은 지역 격자의 증발산이 높았는데, 북한산, 인왕산, 남산 등의 산지와 경복궁, 창덕궁 등의 고궁이 있는 격자의 증발산이 도시지역보다 높은 것으로 분석 되었다. 지표면 유출은 증발산과는 반대의 결과를 보였으며, 도시지역에서는 대부분 800 mm 이상의 높은 지표면 유출을 나타내었다.
- 모형의 적용 결과, 청계천 유역은 강우시의 지표면 유출량이 크고, 강우의 유출에 대한 반응이 빠른 전형적인 도시 유역의 특성을 나타내었으나 소유역별로는 불투수 면적비율 등의 차이에 따라 증발산, 지표면 유출 등이 서로 다른 양상을 나타내었다. 특히 북한산, 남산 등 산지와 경복궁, 창덕궁 등 고궁이 포함된 소유역은 불투수 면적비율이 적고 지표면 유출이 적어 도심의 녹지가 물순환에 적지않은 영향을 주고 있음을 알 수 있었다.
- 상수도 공급량 2, 406 mm 중 누수량이 296 mm로 인공적인 요소가 전체 물수지에 큰 비중을 차지하였다. 하천유출량은 1, 228 mm 로 이 중 지표면 유출, 중간 유출, 지하수 유출의 비율은 각각 67.6%, 12.7%, 19.7%로 지표면 유출의 비율이 큰 도시유역의 특징을 나타내었다. 상수도 누수량 등의 영향을 감안한다면 강우가 중간 및 지하수 유출량에 미치는 영향은 훨씬 적을 것으로 판단되며, 이는 자연유역에 비해 청계천 유역의 물순환이 단절 .
후속연구
- 이를 위해서는 청계천 상류의 소하천이 청계천으로 이어지도록 하는 것과 침투시설, 저류지 등의 우수저류시설을 통해 지표면 유출을 감소시키고 유역 내 저류 능력을 향상시키는 등 다양한 방안이 고려되어야 한다. WEP 모형은 침투시설, 저류지 등이 물순환에 미치는 영향을 평가할 수 있도록 설계되었으며 일본의 여러 유역의 물순환 개선 연구에 적용된 사례가 있어(Jia 등, 2001), 향후 연구를 통해 청계천 유역에 대해서도 적용이 가능할 것으로 판단된다.
- 본 연구는 청계천 유역에 대한 WEP 모형의 초기 적용 결과를 분석한 것으로, 향후 물리적 매개변수의 공간분포에 대한 정밀한 자료구축이 필요하며, WEP 모형을 이용한 우수유출저감시설의 영향 모의 등 청계천 유역의 물순환 정상화 대안에 대한 연구가 가능할 것이다.
- 표 2에서 4번, 7번 소유역은 불투수 면적비율이 높은데도 지하수 유출량이 1, 019 mm, 510 mm로 비교적 높게 모의 되었는데, 이는 부족한 지하 대수층의 입력자료의 영향으로 판단된다. 지하철 등의 인공 지하구조물이 건설되기 이전의 청계천 유역 지하수위는 지형적인 영향을 주로 받으면서 분포하였다는 연구(김윤영, 2004)에서 보듯이, 비교적 평균 해발고도가 낮은 4번, 7번 소유역은 지하 대수층의 인위적인 교란이 없는 조건에서 다른 소유역보다 상대적으로 지하수위가 지표에 가깝게 모의 되어 지하수 유출량이 크게 모의된 것으로 판단되며, 도시유역의 지하수 유동 해석을 위해서는 지하 구조물 및 양수량 등에 대한 보다 광범위한 자료가 필요하다.
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