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문제 정의
- 본 연구에서는 과거 꾸준히 논면적의 변화가 진전된 안성천 평택수위관측소 상류유역을 대상으로 Landsat TM 영상으로 분석된 1986년과 1999년의 토지피복 분석결과와 구축된 GIS자료(수치고도모델 하천도, 토양도 등)를 기반으로, GIS기반의 수문모형을 이용하여 GRID 해석에 따른 토지이용의 변화가 하천유출 특성에 미치는 영향을 분석하고자 한다.
- 본 연구에서는 과거 꾸준히 농지면적의 변화가 진전된 안성천 평택수위관측소 상류유역을 대상으로 과거 13년 간의 토지피복 분석결과와 구축된 GIS 자료(수치 고도모델 하천도, 토양도 등)를 기반으로, GIS 기반의 수문모형을 이용하여 GRID 해석에 따른 농지이용의 변화가 하천유출 특성에 미치는 영향을 분석하고자 하였다. 본 연구를 정리하면 다음과 같다.
가설 설정
- 지표흐름은 운동파(kinematic wave) 이론을 적용하였다. 지표흐름은 얕은 면흐름(shallow sheet flow), 하천흐름은 직사각형 수로인 조건에서 흐름상태는 완전난류로 가정하고 Manning식을 사용하였다.
- 침투는 Huggins & Monke식을 적용하였으며, 식은 다음과 같다. 침루 즉 지하수유출은 토양수분이 포장용수량 이상일 경우에 최종침투율로 배제되는 것으로 가정하였다.
- 초기 토양수분은 토양의 물리적인 특성인 공극율, 포장용수량 및 토양깊이를 사용하면 토양수분의 상태에 따라 유출심의 함수로 표현할 수 있다. 각 격자에서의 초기유출심은 다음과 같이 계산할 수 있으며, 유역 경계에 위치하는 격자의 초기유출심은 0 으로 가정한다.
제안 방법
- 연구대상지역의 토지이용 변화를 파악하기 위하여 1986년 4월 15일과 1999년 4월 19일의 Landsat TM 영상을 선정하였다. Spheroid Bessel, Datum Tokyo (Korea), Projection UTM-52N으로 투영하여 기하보정이 되어있는 1999년 영상의 교량, 댐, 항만, 방조제와 같이 위치변동이 없는 지점을 지상기준점 (GCP; Ground Control Point)으로 선정하고 1986년 영상자료의 동일 지점에 지상기준점을 지정함으로써 두 영상의 동일 지점에 같은 좌표체계를 갖도록 Image to image 방법으로 기하보정 처리하였다. 이때 좌표변환은 다항식 방정식을 사용하였고, 재배열은 근접된 2x2 격자의 화소 값들을 거리가중 평균하는 공일차내삽법을 사용하였으며, 기하보정에 의한 RMSE는 0.
- Landsat TM 영상의 6개 band 중에서 본 연구에서는 밴드별 분류항목의 DN (digital number) 값의 분포를 고려하여 항목별 DN값의 편차를 보이는 band (식생 형태, 생장, 함수량과 토양 함수량의 지표가 되는 4, 5 band와 식생 구별에 탁월한 3 band)를 조합하여 최대 우도(maximum likelihood) 감독분류법으로 토지피복을 실시하였다. 토지피복을 위한 분류항목은 Landsat TM의 공간해상도와 SCS-CN의 분류항목을 고려하여 총 7개(1.
- Landsat TM 영상의 6개 band 중에서 본 연구에서는 밴드별 분류항목의 DN (digital number) 값의 분포를 고려하여 항목별 DN값의 편차를 보이는 band (식생 형태, 생장, 함수량과 토양 함수량의 지표가 되는 4, 5 band와 식생 구별에 탁월한 3 band)를 조합하여 최대 우도(maximum likelihood) 감독분류법으로 토지피복을 실시하였다. 토지피복을 위한 분류항목은 Landsat TM의 공간해상도와 SCS-CN의 분류항목을 고려하여 총 7개(1.산림, 2.논, 3.밭, 4.주거지, 5.초지, 6.나지, 7.물)의 항목을 선정하였다. Fig.
- 유역 경계도는 WAMIS(Water Resources Manage ment Information System)의 수자원단위지도에서 제공하는 유역경계도를 이용하였다. 수치고도모델(DEM)은 15, 000 NGIS 수치지도로부터 지형관련 레이어인 7111 (주곡선), 7114(계곡선), 7217(표고점), 7311(삼각점)을 추출하고 ARC/INFO 를 이용하여 Coverage, TIN (Triangulated irregular network), Lattice변환과정을 거쳐 격자간격 30g의 DEM을 생성하였다. 하천도는 1:5, 000 수치지도로부터 생성된 DEM을 이용하여 추출하였다(Fig.
- 수치고도모델(DEM)은 15, 000 NGIS 수치지도로부터 지형관련 레이어인 7111 (주곡선), 7114(계곡선), 7217(표고점), 7311(삼각점)을 추출하고 ARC/INFO 를 이용하여 Coverage, TIN (Triangulated irregular network), Lattice변환과정을 거쳐 격자간격 30g의 DEM을 생성하였다. 하천도는 1:5, 000 수치지도로부터 생성된 DEM을 이용하여 추출하였다(Fig. 3). 토양도는 농촌진흥청 토양물리과에서 제작한 벡터 커버리지 형태의 1:50, 000 개략토양도를 이용하여 Fig.
- 3). 토양도는 농촌진흥청 토양물리과에서 제작한 벡터 커버리지 형태의 1:50, 000 개략토양도를 이용하여 Fig. 4와 같이 토양종류별 분포도를 작성하였다. 강우관측소는 대상유역을 지배하는 강우관측소의 위치좌표를 이용하여 벡터형태의 점 데이터로 구축하였다.
- 4와 같이 토양종류별 분포도를 작성하였다. 강우관측소는 대상유역을 지배하는 강우관측소의 위치좌표를 이용하여 벡터형태의 점 데이터로 구축하였다.
- 본 모형의 효과적인 실행을 위하여 격자 하나의 크기는 200x200m로 재배열하여, 행 193x열 165의 격자상태에서 수행하였다. 모형의 계산시간간격은 1분으로 하였고, 출력은 1시간 간격으로 지표유출 및 하천유출 분포도, 토양수분 분포도 등을 자동 생성시켰다.
- 본 모형의 효과적인 실행을 위하여 격자 하나의 크기는 200x200m로 재배열하여, 행 193x열 165의 격자상태에서 수행하였다. 모형의 계산시간간격은 1분으로 하였고, 출력은 1시간 간격으로 지표유출 및 하천유출 분포도, 토양수분 분포도 등을 자동 생성시켰다. 본 연구에서의 토양 매개변수들은 Rawls 등(1982)의 자료를 인용하였으며, 이를 정리하면 Table 5와 같다.
- 매개변수의 민감도는 Manning조도계수, 초기침투능, 최종침투능, 초기토양수분 순으로 나타났다. 민감도 분석의 결과를 토대로, 본 연구에서는 민감도가 큰 매개변수 3가지 (Manning조도계수, 초기침투능, 최종침투능)를 대상으로 단순한 시행오차방법에 의하여 모형을 보정하였다. 5개 강우사상에 대한 공도 및 평택관측소의 실측유량자료와 모형에 의한 모의발생치를 비교하면 Fig.
- 모형의 보정을 위한 매개변수는 하천과 토지피복(산 림, 논 밭 주거지)별 Manning조도계수 초기토양수분, 침투매개변수(초기침투율 및 최종침투율)이다. 이상의 매개변수들을 대상으로 유출에 미치는 민감도 분석을 실시한 결과, 지표면에서의 Manning조도계수를 증가시키면 첨두유량이 감소하고 첨두시간은 느려지는 것을 확인할 수 있었고, 총유출량은 거의 변화가 없었다.
- 1. 대상유역의 토지이용 변화를 파악하기 위한 RS 자료는 1986년 4월 15일과 1999년 4월 19일에 관측된 Landsat TM 영상을 이용하였으며, 전처리 과정과 피복분류 과정을 통하여 토지피복 변화를 분석하였다. 분류 결과는 error matrix 작성과 지적통계와의 비교를 통해서 확인하였으며, 도시 및 주거지역이 1986년 3.
대상 데이터
- 모형의 입력자료로는 유역의 수치고도모델, 흐름방향도, 하천도, 토양도, 토지이용도, 티센망도(또는 공간강우분포도)를 사용한다. 이 모형은 C-언어로 작성되었으며, 입력자료를 격자기반(grid-based)의 GRASS를 이용하여 ASCD 형식의 파일로 불러들인다.
- 안성천의 평택 수위관측소를 유역출구로 하는 상류 유역을 대상으로 하였으며, 유역면적은 592.6州이며, 주 하천의 유로연장은 76km이다. 행정구역상으로는 안성시와 천안시가 각각 62.
- 유역을 지배하는 기상관측소는 총 8개(Fig. 1)로 구성되었으며, 모형의 적용성을 검토하기 위하여 총 7개의 강우사상(Table 1)을 대상으로 유역내 공도 및 평택 수위 관측소의 시간수위 자료를 이 용하였다.
- 연구대상지역의 토지이용 변화를 파악하기 위하여 1986년 4월 15일과 1999년 4월 19일의 Landsat TM 영상을 선정하였다. Spheroid Bessel, Datum Tokyo (Korea), Projection UTM-52N으로 투영하여 기하보정이 되어있는 1999년 영상의 교량, 댐, 항만, 방조제와 같이 위치변동이 없는 지점을 지상기준점 (GCP; Ground Control Point)으로 선정하고 1986년 영상자료의 동일 지점에 지상기준점을 지정함으로써 두 영상의 동일 지점에 같은 좌표체계를 갖도록 Image to image 방법으로 기하보정 처리하였다.
- 모형의 검보정을 위한 실측 하천유량자료와의 비교는 본 유역내의 공도 및 평택 수위관측소(Table 6) 자료를 대상으로 하였다.
데이터처리
- Spheroid Bessel, Datum Tokyo (Korea), Projection UTM-52N으로 투영하여 기하보정이 되어있는 1999년 영상의 교량, 댐, 항만, 방조제와 같이 위치변동이 없는 지점을 지상기준점 (GCP; Ground Control Point)으로 선정하고 1986년 영상자료의 동일 지점에 지상기준점을 지정함으로써 두 영상의 동일 지점에 같은 좌표체계를 갖도록 Image to image 방법으로 기하보정 처리하였다. 이때 좌표변환은 다항식 방정식을 사용하였고, 재배열은 근접된 2x2 격자의 화소 값들을 거리가중 평균하는 공일차내삽법을 사용하였으며, 기하보정에 의한 RMSE는 0.28~0.53pixel의 범위를 보였다.
- 분류정확도의 1차적인 평가로서 위성영상 자료의 분류결과를 객관적이고 정확하게 평가하고자 하는 가장 일반적인 방법 중의 하나인 오차행렬(error matrix)을 이용하였으며, 또한 순수하게 바르게 분류된 화소만을 고려하여 정확도를 평가하고자 하려는 의도에서 도입된 통계량인 Kappa 계수로 정확도를 확인하였다. Table 3에 그 결과 값을 정리하였다.
- 분류정확도의 2차 평가로서 안성시의 행정구역별 지 적통계자료(안성시, 1987, 2000)와의 비교를 실시하였다. 통계자료의 분류체계가 본 연구의 분류체계와 다르므로 적절한 항목끼리 묶을 필요가 있었다.
- 모형의 검정은 모형의 보정을 통하여 얻은 매개변수들의 평균값을 이용하여 2003년도의 2개 강우사상에 대하여 실시하였다. 그 결과는 Fig.
이론/모형
- 지표흐름은 운동파(kinematic wave) 이론을 적용하였다. 지표흐름은 얕은 면흐름(shallow sheet flow), 하천흐름은 직사각형 수로인 조건에서 흐름상태는 완전난류로 가정하고 Manning식을 사용하였다.
- 354(Moore and Burch, 1986; Moore and Foster, 1990), ml = 2/3, m2 = 1이다. 지표하 흐름도 운동파 가정에 의하여 다음의 운동량 방정식을 적용하였다 (Beven, 1982; Sloan and Moore, 1984).
- )이다. 침투는 Huggins & Monke식을 적용하였으며, 식은 다음과 같다. 침루 즉 지하수유출은 토양수분이 포장용수량 이상일 경우에 최종침투율로 배제되는 것으로 가정하였다.
- 유역 경계도는 WAMIS(Water Resources Manage ment Information System)의 수자원단위지도에서 제공하는 유역경계도를 이용하였다. 수치고도모델(DEM)은 15, 000 NGIS 수치지도로부터 지형관련 레이어인 7111 (주곡선), 7114(계곡선), 7217(표고점), 7311(삼각점)을 추출하고 ARC/INFO 를 이용하여 Coverage, TIN (Triangulated irregular network), Lattice변환과정을 거쳐 격자간격 30g의 DEM을 생성하였다.
- 모형의 계산시간간격은 1분으로 하였고, 출력은 1시간 간격으로 지표유출 및 하천유출 분포도, 토양수분 분포도 등을 자동 생성시켰다. 본 연구에서의 토양 매개변수들은 Rawls 등(1982)의 자료를 인용하였으며, 이를 정리하면 Table 5와 같다.
- 2. 토지이용의 변화가 하천유출 특성에 미치는 영향을 분석하기 위한 수문모형으로는 분포형 모형 KIMST0RM을 선정하였다. 산림, 논 밭 주거지, 하천의 각 Manning 조도계수, 침투매개변수, 초기 토양수분을 보정한 결과, Nash-Sutcliffe 모형효율은 공도 및 평택관측소를 대상으로 각각 평균 0.
성능/효과
- 모형의 보정을 위한 매개변수는 하천과 토지피복(산 림, 논 밭 주거지)별 Manning조도계수 초기토양수분, 침투매개변수(초기침투율 및 최종침투율)이다. 이상의 매개변수들을 대상으로 유출에 미치는 민감도 분석을 실시한 결과, 지표면에서의 Manning조도계수를 증가시키면 첨두유량이 감소하고 첨두시간은 느려지는 것을 확인할 수 있었고, 총유출량은 거의 변화가 없었다. 초기토양수분은 유효공극률의 포화정도를 증가시키면 토양의 저류능이 상대적으로 감소하게 되므로 첨두유량과 총유출량이 감소하였고, 첨두시간에는 변화를 주지 않았다.
- 초기토양수분은 유효공극률의 포화정도를 증가시키면 토양의 저류능이 상대적으로 감소하게 되므로 첨두유량과 총유출량이 감소하였고, 첨두시간에는 변화를 주지 않았다. 초기침투능과 최종침투능은 모두 유출에 민감하였는데, 초기침투능을 증가시키면 첨두유량과 총유출량이 비례적으로 감소하였고, 최종침투능은 일정하게 감소하였으며, 둘 다 첨두시간에는 변화를 주지 않았다. 매개변수의 민감도는 Manning조도계수, 초기침투능, 최종침투능, 초기토양수분 순으로 나타났다.
- 초기침투능과 최종침투능은 모두 유출에 민감하였는데, 초기침투능을 증가시키면 첨두유량과 총유출량이 비례적으로 감소하였고, 최종침투능은 일정하게 감소하였으며, 둘 다 첨두시간에는 변화를 주지 않았다. 매개변수의 민감도는 Manning조도계수, 초기침투능, 최종침투능, 초기토양수분 순으로 나타났다. 민감도 분석의 결과를 토대로, 본 연구에서는 민감도가 큰 매개변수 3가지 (Manning조도계수, 초기침투능, 최종침투능)를 대상으로 단순한 시행오차방법에 의하여 모형을 보정하였다.
- 3 % 증가하였다. 총유출량으로는 각각 3.8 %, 9.3 % 증가한 결과를 보였다. 분포형 모형이 토지이용의 공간적 분포를 고려하기 때문에, 토지이용의 공간적인 변화 가 하천유출에 크게 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.
- 대상유역의 토지이용 변화를 파악하기 위한 RS 자료는 1986년 4월 15일과 1999년 4월 19일에 관측된 Landsat TM 영상을 이용하였으며, 전처리 과정과 피복분류 과정을 통하여 토지피복 변화를 분석하였다. 분류 결과는 error matrix 작성과 지적통계와의 비교를 통해서 확인하였으며, 도시 및 주거지역이 1986년 3.3%에서 1999년에 9.3%로 6.0% 증가하였고, 산림과 논은 1986년에 46.3%, 26.5%에서 1999년에는 41.5%, 22.5%로 각각 4.8%, 4.0%가 감소하였다.
- 토지이용의 변화가 하천유출 특성에 미치는 영향을 분석하기 위한 수문모형으로는 분포형 모형 KIMST0RM을 선정하였다. 산림, 논 밭 주거지, 하천의 각 Manning 조도계수, 침투매개변수, 초기 토양수분을 보정한 결과, Nash-Sutcliffe 모형효율은 공도 및 평택관측소를 대상으로 각각 평균 0.72 - 0.59의 값을 보였다.
- 3. 13년(1986년-1999년)동안 유역내 산림면적이 4.8%, 논면적이 4.0%가 줄어든 반면, 도시 및 주거지면적은 6.0% 증가한 상태에서, 160.5mm의 강우조건으로 평택수위관측소 지점의 첨듀유출량은 30.3%, 총유출량은 9.3% 증가한 것으로 나타났다.
후속연구
- 6 및 Table 8에 정리하였다. 향후 모형의 적용시에는 모형의 보정을 통한 평균 매개변수들을 사용하는 것이 원칙이나, 강우시마다 초기침투능과 초기토양수분은 변화가 있기 때문에 이 매개변수들의 강우사상별 보정은 불가피할 것으로 판단된다.
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