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문제 정의
- 마지막으로 신뢰성있는 과거의 수문 자료가 없거나 부족한 유역에서의 유출계산을 위해서이다. 이러한 목적에 맞게 실제 적용 분야는 홍수예측분야 이외에도 설계홍수량 산정을 위한 강우 유출모의 및 사전재해 영향성을 평가한다든지, 유역의 개발 등 유역 특성의 변화에 따른 수문변화를 모의해 본다든지, 유역 종합 치수계획이나 하천정비 기본계획을 수립하는 등 여러 방면에서 활용할 수 있을 것이다.
- 우리가 강우-유출해석에 있어서 분포형 모형을 사용하는 주된 목적으로는 첫째 실제 복잡한 유역에서의 유출과정 또는 물질의 수문 순환과정을 잘 이해하기 위해서이고, 두 번째 어떤 유역의 토지이용형태의 변화가 초래하는 영향과 효과를 사전에 예측하기 위해서이다. 마지막으로 신뢰성있는 과거의 수문 자료가 없거나 부족한 유역에서의 유출계산을 위해서이다.
가설 설정
- 여기서 日은 강우량, &은 유출역, Ap는 침투역, 此弭는 침투역의 포화우량, Le 하도의 길이, s은 하도저류량, Q는 하도유입 량(소유역 유출량), 아는 하도의 유출량이다. 하도구간은 아래로 경사져 있으며 유역 전체에 강우량 日이 발생하고, 소유역 A에서의 초과강우량에 유출계수(/1)를 적용하여 얻어지 는 유출량은 하천에 유입(아)된 후, 하도 형 상에 따른 저류과정을 거쳐 출구로 배출된다고 가정한다.
제안 방법
- Vflo 모형을 위하여 각 관측소의 강우를 지형자료와 같은 크기의 250m 격자로 역거리 가중치법을 이용하여 분포형 격자 강우로 변환할 수 있는 프로그램을 개발하여 태풍 매미 시의 분포형 모형의 격자강우를 생성하였다(그림 9). 모형의 수문매개변수들은 GIS와 연계하여 수치지형, 토지피복도, 토양 도로부터 12개의 물리적인 공간분포형 매개변수를 추출함으로서 모형의 초기상태를 개선시킬 수 있었다.
- 계산하고 있다. 또한, GIS 및 위성영상을 이용하여 토지피복도로부터 토지피복별 조도 계수와 토양도로 부터 토심과 Green-Ampt 매개변수 등을 추출하여 공극을 통한 침투과정을 모의할 수 있도록 하였다.
- 본 연구는 집중형모형으로서 저류 함수법을 근간으로 수자원공사 현업에서 실시간 물관리에 사용하고 있는 KO WACO 홍수분석모형을, 물리적 기반의 분포형모형으로는 실시간 홍수조절을 목적으로 미국 Oklahoma 대학에서 개발된 Vflo모형을 이용하여 금강권역의 용담댐유역(930州)을 대상으로 유출해석을 수행하여 양 모형의 구조적인 장단점 등을 비교분석하였다.
- 등에 의해 크게 좌우된다. 본 연구에서는 HEC-GeoHMS를 ArcView에 탑재하여 DEM, 토양도, 토지피복도 등을 이용하여 아래와 같이 물리적기반의 분포형 모형인 Vflo모형의 입력 인자로서 12개의 공간분포형 수문 매개변수들을 추출하였다. 즉, DEM으로 부터는 유역경사, 하천셀, 유하방향, 하상경사, 하도측면경사, 하도 폭, 하도조도계수를, 토지피복도로부터는 토지피복별 조도계수를, 토양도로부터는 토심과 Green-Ampt매개변수인 투수계수, 흡인 수두 계수, 유효공극율을 추출하였다.
- 된다. 본 연구에서는 한국수자원공사 조사기획처에서 자체 제작한 토지피복도를 이용하여 동일한 유출부하 특성을 보이는 항목을 묶어서 8가지로 재분류하여 격자마다 조도 계수를 계산하였다(그림 4). 각각의 토지 이용분류에 대한 전형적인 조도계수 값은 Vieux가 제시한 값(Vieux, 2004)을 참고로 하였다.
- 본 연구의 유역 유출계산은 유역저류와 유출에 관한 단위를 강우량단위(mm/hr)와 같이 단위 저류고(mm), 단위유출고(mm/hr)로 사용한다. 이에 따라 유역의 저류함수식은 식(1) 및 식(2) 로 표시한다(한국수자원공사, 2000).
- 용담댐 유역 30m해상도의 토양자료를 모형의 격자해상도(250m)에 맞게 리샘플링한 후 Vieux가 제시한 값(Vieux, 2004)을 참고로 토심 및 Green-Ampt 매개변수인 습윤전선(wetting front suction), 포화 투수계수 그리고 유효공극율과 같은 침투 매개변수를 산정하여 모형의 입력포맷인 ASCII파일로 변환하여 출력하였다. 표 2에 Green-Ampt 매개변수 값을 표시하였고, 그림 5에 토양도(토심)로부터 유효 토심 매개변수를, 토양도(종류)로부터 유효공극율, 습윤전선, 포화투수계수를 산정한 결과를 GIS상에서 나타내었다.
- 용담댐유역 30m DEM을 ArcView에서 GIS 각 주제도의 투영과 해상도가 동일한 해상도를 갖도록 조정한 후 250m로 리샘플(Resample) 하였다. 유하방향도는 ArcView에서 HEC-Geo HMS extention을 사용하여 유도하였다.
- 유하방향도는 ArcView에서 HEC-Geo HMS extention을 사용하여 유도하였다. 유역의 가로흐름을 막고 수계망을 향하여 유하 방향도를 작성하기 위하여 Charleux-Demarge과 Peuch(2000)가 제안한 방법을 이용하여 30m DEM과 전체 유역도로부터 유도된 수계망을 250m DEM에 중첩시켰다. 30m DEM에서 유도된 수계망은 250m Vflo모형 격자내에서 배수 방향을 결정하는데 사용되었다.
- 유하방향도는 ArcView에서 HEC-Geo HMS extention을 사용하여 유도하였다. 유역의 가로흐름을 막고 수계망을 향하여 유하 방향도를 작성하기 위하여 Charleux-Demarge과 Peuch(2000)가 제안한 방법을 이용하여 30m DEM과 전체 유역도로부터 유도된 수계망을 250m DEM에 중첩시켰다.
- 저류함수모형에서 각각의 관측소를 이용하여 티센망을 구성하여 면적강우량을 산정하여 모형의 입력자료로 사용하였다. 용담댐유역의 소유 역별 티센망 및 소유역구분 모식도는 그림 6과 그림 7에 표현되어 있다.
- 본 연구에서는 HEC-GeoHMS를 ArcView에 탑재하여 DEM, 토양도, 토지피복도 등을 이용하여 아래와 같이 물리적기반의 분포형 모형인 Vflo모형의 입력 인자로서 12개의 공간분포형 수문 매개변수들을 추출하였다. 즉, DEM으로 부터는 유역경사, 하천셀, 유하방향, 하상경사, 하도측면경사, 하도 폭, 하도조도계수를, 토지피복도로부터는 토지피복별 조도계수를, 토양도로부터는 토심과 Green-Ampt매개변수인 투수계수, 흡인 수두 계수, 유효공극율을 추출하였다.
- 지금까지 수자원공사 현업에서 사용중인 집중형 유출모형인 KOWACO모형과 분포형 유출모형인 Vlfo모형을 용담댐 유역에 대해 적용성을 검토하고 수문곡선변화를 통해 양 모형의 장단점을 비교분석하였다. 모형 수행 결과, 모형 보정은 분포형유출모형이 집중형모형에 비하여 지형공간 자료와 토양, 토지피복과 같은 물리적 특성을 사용한 모형의 초기 설정을 향상시킴에 의해 첨두유량에서 ±254 cms, 유출량에서 ±14 mm, 첨두도달 시간차에서 ±15분 이내의 정확도 향상을 가져왔다.
- 토양도와 토양깊이, 점토(clay)와 모래 비율 등의 정보가 포함된 GIS 토양주제도는 농업과학기술원에서 제공받아 ArcView를 이용하여 토심 및 토양수분의 시간변화량 추정을 위한 Green and Ampt 침투 매개변수를 구하였다.
- 향후에 좀 더 많은 하도단면과 수위-유량 관계 곡선을 이용할 수 있다면 현재 기본적인 사다리꼴 하도셀 보다 많은 하도셀에 하도 단면과 수위-유량 관계곡선을 입력할 수 있을 것이다. 하도 저폭값은 가중함수로서 각각의 셀의 배수면적(총유량)을 사용하여 하도저폭과 총유량 사이에 경험적으로 유도된 선형관계 기초를 두고 결정하였다. 그림 3에 용담댐 유역의 DEM과 이로부터 획득한 경사도 및 흐름 방향도를 나타내었다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 용담댐 유역에 위치한 주천, 부귀, 상전, 천천, 장계, 계북, 안천, 무주 의총 8개 관측소의 1시간 강우 자료를 사용하였다. Vflo 모형을 위하여 각 관측소의 강우를 지형자료와 같은 크기의 250m 격자로 역거리 가중치법을 이용하여 분포형 격자 강우로 변환할 수 있는 프로그램을 개발하여 태풍 매미 시의 분포형 모형의 격자강우를 생성하였다(그림 9).
이론/모형
- Vflo모형은 지표면 유출에 운동파방정식 (Kinematic Wave Equation)을 사용하며, 수치 해를 구하기 위하여 공간적으로는 유한요소법을 사용(Vieux, 2004; Vieux & Vieux, 2002) 하며, 해의 안정화를 위해서 시간적으로는 유한차분 음해법을 사용한다.
- 본 연구에서는 한국수자원공사 조사기획처에서 자체 제작한 토지피복도를 이용하여 동일한 유출부하 특성을 보이는 항목을 묶어서 8가지로 재분류하여 격자마다 조도 계수를 계산하였다(그림 4). 각각의 토지 이용분류에 대한 전형적인 조도계수 값은 Vieux가 제시한 값(Vieux, 2004)을 참고로 하였다. 표 1에 각 토지 항목별 조도계수값을 표시 하였다.
- 본 연구에서는 유출해석을 위한 물리적 기반의 분포형 유출모형으로서 Java언어로 개발된 Vflc모형을 사용하였다. Vflc모형(Vieux, B.
성능/효과
- 모의결과 경험식으로부터 구한 매개변수의 초기값을 이용한 초기 수문곡선은 관측 수문곡선과 다소 차이를 보였으나 매개변수를 조정하여 계산한 수문곡선은 양호하게 잘 모의되었다(그림 8). 이때 사용되어진 소유역 매개변수 값은 표 3과 같다.
- 비교분석하였다. 모형 수행 결과, 모형 보정은 분포형유출모형이 집중형모형에 비하여 지형공간 자료와 토양, 토지피복과 같은 물리적 특성을 사용한 모형의 초기 설정을 향상시킴에 의해 첨두유량에서 ±254 cms, 유출량에서 ±14 mm, 첨두도달 시간차에서 ±15분 이내의 정확도 향상을 가져왔다.
- Vflo 모형을 위하여 각 관측소의 강우를 지형자료와 같은 크기의 250m 격자로 역거리 가중치법을 이용하여 분포형 격자 강우로 변환할 수 있는 프로그램을 개발하여 태풍 매미 시의 분포형 모형의 격자강우를 생성하였다(그림 9). 모형의 수문매개변수들은 GIS와 연계하여 수치지형, 토지피복도, 토양 도로부터 12개의 물리적인 공간분포형 매개변수를 추출함으로서 모형의 초기상태를 개선시킬 수 있었다. 용담댐 유역내 3개 수위관측소(천천, 동향, 용담댐)로부터 수위-유량 관계 곡선에 의해 유량자료로 환산한 관측값과 비교해 본 결과, 천천은 매개변수의 보정 없이도 유량의 크기와 첨두시간 모두 관측값과 잘 맞는 것을 확인할 수 있었고, 동향과 용담댐에 대해서는 조도계수 및 침투계수 등을 이용하여 시행착오법으로 매개변수를 보정하였다.
- 모형의 수문매개변수들은 GIS와 연계하여 수치지형, 토지피복도, 토양 도로부터 12개의 물리적인 공간분포형 매개변수를 추출함으로서 모형의 초기상태를 개선시킬 수 있었다. 용담댐 유역내 3개 수위관측소(천천, 동향, 용담댐)로부터 수위-유량 관계 곡선에 의해 유량자료로 환산한 관측값과 비교해 본 결과, 천천은 매개변수의 보정 없이도 유량의 크기와 첨두시간 모두 관측값과 잘 맞는 것을 확인할 수 있었고, 동향과 용담댐에 대해서는 조도계수 및 침투계수 등을 이용하여 시행착오법으로 매개변수를 보정하였다. 그림 10은 용담댐지점에서 보정한 유출량을 관측값과 비교하여 나타낸 수문곡선이다.
- 첫째로, 집중형 수문모형은 대체로 단위도 계열의 유출모형으로서 모형의 매개변수가 강우 사상에 따라 변화가 심한 경향이 있다. 따라서, 강우가 직접 도래하여 관측수문곡선을 보기 전에는 최적 매개변수값을 추정하기가 어렵고 매개변수의 검보정 과정에서 객관적 기준보다는 사용자의 주관적 판단이 작용할 여지가 많다.
후속연구
- 또한 VfloTM모형에서는 주로 조도계수, 침투계수, 하폭, 하상경사 등이 민감한 매개변수였으며 토양도나 토지이용도로부터 침투나 조도 계수 등을 추정하게 되는데 우리나라 지질과 지형 특성에 맞는 매개변수 추정기법의 연구가 시급히 이루어져야 할 것이다. KO WACO 홍수분석모형은 신속한 홍수분석능력 및 의사결정을 위해 단일 호우사상에 대한 집중형 모형으로 구성되어서 각 분석 단계별로 지속적으로 상황에 맞는 분석정보를 재생산하여야 하는 이유로 비교적 단순하며, 사용자의 매개변수 조정이 최소화된 모형을 채택하고 있으나 향후에는 시간 및 공간적으로 분석이 가능한 분포형 모형을 구축하여 실용화할 필요성이 있을 것으로 사료된다.
- 기대된다. 또한 VfloTM모형에서는 주로 조도계수, 침투계수, 하폭, 하상경사 등이 민감한 매개변수였으며 토양도나 토지이용도로부터 침투나 조도 계수 등을 추정하게 되는데 우리나라 지질과 지형 특성에 맞는 매개변수 추정기법의 연구가 시급히 이루어져야 할 것이다. KO WACO 홍수분석모형은 신속한 홍수분석능력 및 의사결정을 위해 단일 호우사상에 대한 집중형 모형으로 구성되어서 각 분석 단계별로 지속적으로 상황에 맞는 분석정보를 재생산하여야 하는 이유로 비교적 단순하며, 사용자의 매개변수 조정이 최소화된 모형을 채택하고 있으나 향후에는 시간 및 공간적으로 분석이 가능한 분포형 모형을 구축하여 실용화할 필요성이 있을 것으로 사료된다.
- 물리학적 기반의 분포형 모형은 용담댐 유역천천관측소에서 별다른 매개변수의 보정 없이도 합리적이고 유용한 결과를 보여주었으며, 추가적인 강우사상에 대한 적용을 통해 모형 보정 문제를 해결하거나 모형의 성능을 향상시킬 수 있을 것이다. 집중형 수문모형의 경우 물리 기반의 분포형 모형에 비해 매개변수가 개념적 그리고 경험적 의미가 크기 때문에 수문 모형의 구축시의 초기매개변수에 의한 모의 정확도가 상당히 떨어지며 이를 위해 시행착오 또는 최적화 기법을 통해 매개변수를 보정하지만 수학적으로 효율성만을 높일 뿐이지 유역의 물리적 현상과는 상이한 결과를 보일 수 있다.
- 본 연구에서는 2003년 태풍 매미의 사상에 대해서만 분석을 수행하였으나 추가적인 강우 사상에 대하여 보완 검토하면 보다 신뢰성 있는 매개변수 검보정이 가능할 것으로 기대된다. 또한 VfloTM모형에서는 주로 조도계수, 침투계수, 하폭, 하상경사 등이 민감한 매개변수였으며 토양도나 토지이용도로부터 침투나 조도 계수 등을 추정하게 되는데 우리나라 지질과 지형 특성에 맞는 매개변수 추정기법의 연구가 시급히 이루어져야 할 것이다.
- 마지막으로 신뢰성있는 과거의 수문 자료가 없거나 부족한 유역에서의 유출계산을 위해서이다. 이러한 목적에 맞게 실제 적용 분야는 홍수예측분야 이외에도 설계홍수량 산정을 위한 강우 유출모의 및 사전재해 영향성을 평가한다든지, 유역의 개발 등 유역 특성의 변화에 따른 수문변화를 모의해 본다든지, 유역 종합 치수계획이나 하천정비 기본계획을 수립하는 등 여러 방면에서 활용할 수 있을 것이다. 이러한 분포형 수문 모형에 의해 유역의 임의의 지점에서 유량, 오탁부하량 등을 추정할 수 있고, 그 프로세스를 물리적으로 추적하고 있기 때문에 유역 내의 인간 활동이나 자연조건 변화 등의 공간적인 분포 특성을 계산에 반영시킬 수 있다는 장점이 있다.
- 향후 연구로서는 홍수기 저수지 유입량 예측 및 수계주요지점에서의 유출량 예측의 신뢰도를 제고하기 위하여 레이더 강수 시계열 자료를 이용한 단시간 강우예측기법의 개발 및 이를 이용한 분포형 유출모형에서의 유량예측 시스템구축을 통하여 현재 개발 중인 다목적댐 저수지 단기 운영모형의 효용성을 제고하고자 한다. 亙드I
- Vflo모형에서 수위-유량 관계 곡선과 단면자료를 이용하는 것은 사다리꼴 근사를 사용하는 것이 아닌 실제 하도지형을 표현할 수도 있다. 향후에 좀 더 많은 하도단면과 수위-유량 관계 곡선을 이용할 수 있다면 현재 기본적인 사다리꼴 하도셀 보다 많은 하도셀에 하도 단면과 수위-유량 관계곡선을 입력할 수 있을 것이다. 하도 저폭값은 가중함수로서 각각의 셀의 배수면적(총유량)을 사용하여 하도저폭과 총유량 사이에 경험적으로 유도된 선형관계 기초를 두고 결정하였다.
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