본 연구는 준 분포형 장기유출모형인 SWAT모형을 이용하여 융설모의에 따른 유출 및 수문성분의 영향을 분석하고자 하는데 그 목적이 있다. 대상유역으로는 충주댐 유역을 선정하였으며 융설 매개변수를 산정하였다. 충주댐지점에서의 관측유량과 융설모의 전후의 모의유량을 비교한 결과 융설모의를 수행한 유출거동이 관측치와 유사하게 모의되었으며, 특히 3, 4월에 융설 영향이 큰 것으로 나타났다. 상류유역 2개 지점에 대해서도 유사한 결과를 보였다. 또한, 융설 모의시 표고밴드 설정에 따른 영향을 분석하였으며, 융설 고려에 따른 각 수문성분들이 시간적, 양적으로 다른 거동을 보이는 것을 제시하였다. 다만, 융설 모의시 융설 발생 임계온도 전후의 온도변화에 따라 유출량이 민감하게 반응하는 문제가 도출되었으며, 이는 향후 연구를 통해 개선되어야 할 것으로 판단된다.
본 연구는 준 분포형 장기유출모형인 SWAT모형을 이용하여 융설모의에 따른 유출 및 수문성분의 영향을 분석하고자 하는데 그 목적이 있다. 대상유역으로는 충주댐 유역을 선정하였으며 융설 매개변수를 산정하였다. 충주댐지점에서의 관측유량과 융설모의 전후의 모의유량을 비교한 결과 융설모의를 수행한 유출거동이 관측치와 유사하게 모의되었으며, 특히 3, 4월에 융설 영향이 큰 것으로 나타났다. 상류유역 2개 지점에 대해서도 유사한 결과를 보였다. 또한, 융설 모의시 표고밴드 설정에 따른 영향을 분석하였으며, 융설 고려에 따른 각 수문성분들이 시간적, 양적으로 다른 거동을 보이는 것을 제시하였다. 다만, 융설 모의시 융설 발생 임계온도 전후의 온도변화에 따라 유출량이 민감하게 반응하는 문제가 도출되었으며, 이는 향후 연구를 통해 개선되어야 할 것으로 판단된다.
The objective of this study is to evaluate the snowmelt effects on the hydrological components, especially on the runoff, by using the soil water assessment tool(SWAT) which is a continuous semi-distributed long term rainfall-runoff model. The model was applied to the basin located in the upstream o...
The objective of this study is to evaluate the snowmelt effects on the hydrological components, especially on the runoff, by using the soil water assessment tool(SWAT) which is a continuous semi-distributed long term rainfall-runoff model. The model was applied to the basin located in the upstream of the Chungju Dam. Some parameters in the snowmelt algorithm were estimated for the Chungju basin in order to reflect the snowmelt effects. The snowmelt effects were assessed by comparing the simulated runoff with the observed runoff data at the outlet of the basin. It was found out that the simulated runoff with considering the snowmelt component matches more satisfactorily to the observed one than without considering snowmelt effect. The simulation results revealed that the snowmelt effects were noticeable on March and April. Similar results were obtained at other two upstream gauging points. The effect of the elevation bands which distribute temperature and precipitation with elevation was analyzed. This study also showed that the snowmelt effect significantly affects the temporal distribution as well as quantity of the hydrological components. The simulated runoff was very sensitive to the change of temperature near the threshold temperature which the snowmelt can occur. However, the reason was not accounted for this paper, Therefore, further analyses related to this feature are needed.
The objective of this study is to evaluate the snowmelt effects on the hydrological components, especially on the runoff, by using the soil water assessment tool(SWAT) which is a continuous semi-distributed long term rainfall-runoff model. The model was applied to the basin located in the upstream of the Chungju Dam. Some parameters in the snowmelt algorithm were estimated for the Chungju basin in order to reflect the snowmelt effects. The snowmelt effects were assessed by comparing the simulated runoff with the observed runoff data at the outlet of the basin. It was found out that the simulated runoff with considering the snowmelt component matches more satisfactorily to the observed one than without considering snowmelt effect. The simulation results revealed that the snowmelt effects were noticeable on March and April. Similar results were obtained at other two upstream gauging points. The effect of the elevation bands which distribute temperature and precipitation with elevation was analyzed. This study also showed that the snowmelt effect significantly affects the temporal distribution as well as quantity of the hydrological components. The simulated runoff was very sensitive to the change of temperature near the threshold temperature which the snowmelt can occur. However, the reason was not accounted for this paper, Therefore, further analyses related to this feature are needed.
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문제 정의
본 연구에서는 유출성분 모의시에 융설효과를 좀 더 구체적으로 나타내고자 하였다. 이를 위해서 준 분포형 장기 유출모형인 SWAT에서 이용하고 있는 융설 모의절차를 고찰하였고, 충주댐 유역을 대상으로 매개변수를 추정하였다.
본 연구에서는 융설 영향에 대한 구체적인 평가를 위해 준 분포형 장기유출 모형인 SWAT(Soil and Water Assessment Tool)을 충주댐 유역에 적용하였으며, 융설 효과를 고려할 경우 강우-유출 관계를 좀 더 세밀히 모사할 수 있음을 제시하는 한편, 강우-유출 모형에서 융설을 고려할 경우의 중요한 매개변수에 대해서 고찰하고자 하였다.
유출 현상을 파악하느냐에 따라 결정된다. 본 연구에서는 인위적인 토지이용상태나 수문환경변화에 따라 유출과 유사는 물론 영양물질의 거동까지 복합적 인수자원관리를 할 수 있는 SWAT모형을 선정하여, 융설효과의 구체성을 검토하고자 하였다. SWAT모형은 미국 농무성(ARS)에서 개발되었고 국내의 적용성은 김남원 등(2004a, 2004b)에 의해서 충분히 입증된 바 있다.
가설 설정
SWAT 모형에서'표고밴드 내 소유역에 위치한 각각의 HRU의 온도는 해당 밴드의 온도와 같다고 가정한다. 따라서 밴드의 중심표고(Zb)와 관측소 표고(ZQ 차에 대한 온도변화율을 적용함으로써 Eq.
실측된 융설 효과에 대한자료가 없는 상황에서 융설효과를 좀 더 구체화하기 위해서 먼저 기존 관행대로 융설을 고려하지 않는 상황을 살펴볼 필요가 있다. 따라서 융설을 고려하지 않을 경우에 대해 2000~2004년 동안 모의를 수행하였으며, 이를 위해 기온이 0℃ 이하일 때 내리는 강수를 모두 강우로 가정하였다. Fig.
55mnV1000m가 증가하는 것으로 나타났다. 따라서, 6, 7번 소유역은 이 값을 적용하였고, 이외의 소유역은 소유역들은 표고에 따른 강수변화가 없는 것으로 가정하였다.
제안 방법
융설효과를 좀 더 구체화하기 위하여 표고에 따른 온도 및 강수변화율을 고려하였다. 4개의 표고 밴드를 구성하여 12개 관측소에 대한 10년(1995~ 2004년) 동안의 기상관측자료를 토대로 표고에 따른 온도 및 강수변화율을 산정하여 모형에 적용하였다.
적절하게 설정하는 것은 쉽지 않다. 따라서 본 연구에서는 표고밴드를 설정하지 않았을 경우(SUVL01)와 기존의 4개의 표고밴드로 설정한 결과(SIM_02)에 대해 Fig. 9와 같이 2004년에 대해서 유출량을 비교하였다.
본 연구에서는 모의기간을 2000~2004년, 모의 초기매개변수 안정화를 위한 warming up 기간을 1999년의 1년 동안으로 하여 모의를 수행하였다. 융설 영향을 평가하는 것이 본 연구의 목적이므로 융설에 관계된 매개변수 이외의 매개변수들은 융설고려 전후에 대해 동일하게 적용하였다.
가능하다는 것이다. 상류 소유역의 융설영향을분석하기 위해 3, 4번 소유역 출구점의 상류에 각각 위치한 영월2, 영월1 수위관측소 자료와 소유역의 융설모의 전후의 유출량을 비교하였다. 관측유량은 한강홍수통제소로부터 수집한 수위-유량 관계곡선식으로부터 산정되었다.
607m인 전형적인 산지 지역이다. 소유역 구분은 수자원단위지도(건설교통부, 2002)에서 제시한 단위유역을 토대로 7개로 구분하였으며 전체 유역에 대한 HRU는 토지이용항목과 토양 통에 각각 임계면적비 5%를 적용하여 140개로 결정하였다.
이를 위해서 준 분포형 장기 유출모형인 SWAT에서 이용하고 있는 융설 모의절차를 고찰하였고, 충주댐 유역을 대상으로 매개변수를 추정하였다. 융설효과를 좀 더 구체화하기 위하여 표고에 따른 온도 및 강수변화율을 고려하였다. 4개의 표고 밴드를 구성하여 12개 관측소에 대한 10년(1995~ 2004년) 동안의 기상관측자료를 토대로 표고에 따른 온도 및 강수변화율을 산정하여 모형에 적용하였다.
따라서 표고에 따라 보정된 온도와 강수는 융설 모의 뿐만 아니라 이들에 영향을 받는 수문성분들에 모두 적용되므로 표고 밴드의 설정은 중요하다. 이러한 표고밴드 설정에 따른 영향을 분석하기 위해 Fig. 9와 같이 2004년에 대해서 표고 밴드 설정 전후(SIM_01, SIM_02)의 유출량을 비교하였다.
따라서 소유역 내 표고에 따른 정확한 온도 산정을 위해 표고에 따른 온도변화율(dT/dZ) 산정이 필요하다. 이를 위해 본 연구에서는 12개 기상관측소 위치표고와 10년 (1995 ~2(X)4년) 동안의 연평균 기온 자료를 구축하였으며, Fig 4는 이를 도시한 것으로서 표고에 따라 온도가 감소하는 것을 알 수 있다. 표고에 따른 온도변화율의 정량적인 값을 산정하기 위한 회귀식 산정결과는 Eq.
나타내고자 하였다. 이를 위해서 준 분포형 장기 유출모형인 SWAT에서 이용하고 있는 융설 모의절차를 고찰하였고, 충주댐 유역을 대상으로 매개변수를 추정하였다. 융설효과를 좀 더 구체화하기 위하여 표고에 따른 온도 및 강수변화율을 고려하였다.
충주댐 유역의 융설 영향을 고려하기 위해 앞서 산정된 매개변수를 이용하여 모의를 수행하였다. Fig.
대상 데이터
대상유역의 겨울철 적설 정도를 파악하기 위해 기상청으로부터 12개 관측소에 대한 10년(1995~2004년)동안의 일 적설량 자료를 수집하였다. 연평균 적설량 산정 결과 대관령 관측소가 2, 242mm로 적설량이 가장 많은 것으로 나타났으며, 충주관측소가 268mm로 가장 적게 나타났다.
모의에 필요한 기상자료(강우, 풍속, 기온, 일사량, 상대습도)는 기상청 기상대의 자료를 사용하였다. 사용된 관측소는 Fig.
본 연구에서는 남한강의 대표적인 댐 지점인 충주댐 상류 유역을 대상유역으로 선정하였다. 이것은 대 유역면적이고 작은 유역면적에서의 흐름형태도 함께 고찰할 수 있을 뿐만 아니라 댐 지점에서 신뢰성 있는 유출자료가 있을 것으로 판단되었기 때문이다.
사용된 관측소는 Fig. 3에서 보는 바와 같이 대관령(100), 강릉 (MB), 동해(106), 원주(114), 영월(121), 충주(1Z7), 홍천 (212), 태백(216), 제천(221), 봉화(271), 영주(272), 문경 (273)의 12개 관측소이다.
이론/모형
상류 소유역의 융설영향을분석하기 위해 3, 4번 소유역 출구점의 상류에 각각 위치한 영월2, 영월1 수위관측소 자료와 소유역의 융설모의 전후의 유출량을 비교하였다. 관측유량은 한강홍수통제소로부터 수집한 수위-유량 관계곡선식으로부터 산정되었다. Fig.
잠재증발산은 Penman Monteith, Priestley Taylor, Hargreaves 의 3가지 방법으로 산정할 수 있으며 통상 Penman Monteith 방법이 가장 많이 이용된다. 이 방법은 일사량, 기온, 상대습도, 풍속 등의 자료가 필요하며, 이러한 자료들은 기상청으로부터 제공받을 수 있다.
지표수 유출량은 토양수분량이 고려된 SCS 유출 곡선지수(Curve Number; 이하 CN) 방법이 이용된다. 기존에 이 방법은 토양형, 토지이용 및 관리, 유출량의 관계로부터 산정되나 SWAT 모형에서는 이러한 관계에 토양수분 변화량을 고려하여 계산단위에 대한 CN값을 산정하게 된다.
성능/효과
10년(1995~ 2004년) 동안의 대관령 관측소의 연평균 강수일 산정 결과 약 130일로 나타났으며, 이를 연 강수 증가량 461mm에 나눈 결과 강수일 당 3.55mnV1000m가 증가하는 것으로 나타났다. 따라서, 6, 7번 소유역은 이 값을 적용하였고, 이외의 소유역은 소유역들은 표고에 따른 강수변화가 없는 것으로 가정하였다.
연평균 적설량 산정 결과 대관령 관측소가 2, 242mm로 적설량이 가장 많은 것으로 나타났으며, 충주관측소가 268mm로 가장 적게 나타났다. 12개 관측소의 연평균 적설량은 615mm이며, 이 중 10%를 물로 가정할 경우 겨울철 약 61.5mm 의 강수가 발생하는 것을 알 수 있다, 따라서 충주댐 상류 유역은 융설모의에 적합한 대상지역이라 판단된다.
7은융설을 고려하지 않은 결과와 상대적인 비교를 위해 2000년, 2004년 결과를 제시한 그림이다. Fig. 6의 결과와 비교할 때 2~4월 사이에 유출량이 급격히 떨어지는 현상이 상대적으로 감소하였으며, 월 유출의 거동도 융설 고려전과 비교해 관측치에 더 가까운 값을 제시하는 것으로 나타났다. 이것은 충주댐의 유량이 이미 융설의영향을 받아 거동하고 있으며 따라서 장기 유출모의 모형에서도 융설의 효과가 매우 중요하게 고려되어야 함을 의미한다.
물론 융설 기간에는 표고 밴드를 설정한 유줄량이 관즉치에 더 유사하게 거동하는 것으로 나타났다. 따라서 융설 모의시 표고에 따른 온도 및 강수보정이 이루어질 경우 유줄성분을 더욱 잘 모사할 수 있음을 알 수 있었다.
못했다. 물론, 수문성분 분석에서도 융설모의 전후에 따라 각 수문성분들이 시간적, 양적으로 다른 거동을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 그러나, 융설 모의시융설 발생 임계온도(TG 전후의 온도변화에 따라 유출량이 민감하게 반응하는 문제가 발생하였으며, 이는 향후 연구를 통해 개선되어야 할 것으로 판단된다.
일 적설량 자료를 수집하였다. 연평균 적설량 산정 결과 대관령 관측소가 2, 242mm로 적설량이 가장 많은 것으로 나타났으며, 충주관측소가 268mm로 가장 적게 나타났다. 12개 관측소의 연평균 적설량은 615mm이며, 이 중 10%를 물로 가정할 경우 겨울철 약 61.
8은 신뢰성 여부와 관계없이 실측치로 추정되는 유량과 융설을 고려시 및 미 고려시의 모의 유량을 통합하여 나타낸 것이다. 융설을 고려하지 않을경우 유출량은 강우량에 의한 반응이 매우 빠르며 유출 거동이 급격하게 이루어져, 유줄량이 급격하게 낮아지는 현상을 보이며 반면 융설을 고려할 경우의 모의결과는 융설의 영향을 받는 관측치와 그 거동이 유사하게 됨을 알 수 있다. 이것은 하류의 충주댐의 분석 결과와 거의 일치하는 것을 알 수 있다.
이상과 같이 융설 고려 전후에 대한 결과(Figs. 6 and 7, Tables 4 and 5)를 비교하여 볼 때, 중주댐 유역의 경우 융설 효과가 존재하고 특히 3, 4월에 그 영향이 큰 것을 알 수 있다. 따라서 연속적인 장기 유출 모의를 위해서는 갈수기에 많은 영향을 주는 융설모의가 필수적이며, 특히, 저유하량 해석을 위한 모의시에는 융설모의가 매우 중요함을 알 수 있다.
이상의 융설모의의 공간해석의 결과로부터 전체 유역 출구점에 해당하는 충주댐의 유출량을 정확하게 모의함으로써 상류 소유역들에 대한 공간적인 해석이 가능하다는 것을 알 수 있었다.
적설과 융설이 교차되는 시점에서는 상기 41.2의융설 고려시의 유출량 분석에서 집중논의된 것과 같은 이유로 인해 오히려 표고밴드를 고려한 경우가 그렇지않는 경우에 비해 실즉유줄량을 중분히 모사하고 있지 못하는 현상이 나타났다. 물론 융설 기간에는 표고 밴드를 설정한 유줄량이 관즉치에 더 유사하게 거동하는 것으로 나타났다.
충주댐에서의 관측유량과 융설 모의 전후의 유출량을 비교한 결과 융설모의를 수행한 유출거동이 관측치와 유사하게 모의되는 것으로 나타났으며, 월별 유출량의 상대오차 또한 융설 모의전의 경우에 비해 상당히 개선되었음을 알 수 있었다. 융설 미 고려 시에는 사실상 관측치와 모의치의 거동특성과 주어진 값의 의미가 완전히 다름을 알 수 있었다.
후속연구
물론, 수문성분 분석에서도 융설모의 전후에 따라 각 수문성분들이 시간적, 양적으로 다른 거동을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 그러나, 융설 모의시융설 발생 임계온도(TG 전후의 온도변화에 따라 유출량이 민감하게 반응하는 문제가 발생하였으며, 이는 향후 연구를 통해 개선되어야 할 것으로 판단된다.
그러나 현재 나타난 결과로만 파악할 때 실제로 융해율의 문제인지, 기상관측소의 영향문제인지, 또는 자료의 불확실성에 기인한 것인지 분명히 밝힐 수 없었다. 따라서 이러한 문제는 향후 모형보완을 통해 개선해야 할 것으로 판단된다.
이상과 같은 융설 모의 전후 수문성분 거동의 차이를 고려할 때 장기유출모의를 통한 정확한 수문성분 해석을 위해서는 융설 모의가 필히 수행되어야 하며, 이를 통해 각종 수문현상이 파악되어야 할 것이다.
이상의 결과로부터 융설 효과가 3, 4월 유출량에 많은 영향을 미치고, 분포형 또는 총괄형 장기 유출 모의 시에 반드시 융설영향이 고려되어야 함을 알 수 있었으며, 이러한 결과가 우리나라 수자원 부존량 평가, 갈 수량해석, 유지유량 및 각종 기준유량 해석에 중요하게 적용될 것으로 사료된다.
따라서 유출 모의시 반드시 융설의 영향을 고려해야 할 것으로 판단된다. 한편, 공간적인 분석을 통하여 상류 소유역에 대해서도 같은 매개변수와 거동특성을 이용하여 분석한 결과, 관측 유출량과의 거동은 상이하나 융설모의를 수행한 결과가 관측치와 어느 정도 유사한 경향을 갖는 것을 알 수 있었으며, 이를 통하여 상류 수위관측소의 관측치가 상당한 문제점을 가지고 있고, 관측자료를 실무에 적용하기 위해서는 무엇보다도 정확도가 개선되어야 할 것으로 유추 해석할 수 있다.
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