지표수와 지하수의 통합모델링은 지속가능한 수자원과 수질개선에 대한 점증하는 요구를 만족시키기 위해 점차 중요성을 더해가고 있다. 본 연구에서는 준분포형 유역유출모형인 SWAT과 완전분포형 지하수 모형인 MODFLOW의 통합모형을 무심천 유역에 작용하여 유역단위의 수문과정을 재생하였다. 모의결과 2001-2004년의 관측수문곡선과 모의유량수문곡선간의 적합이 잘 나타나는 한편 계산된 지하수위 분포와 관측지하수위와의 보정결과도 양호하게 나타났다. 통합모형은 서로 다른 기간의 강수평균이 하천유출, 침루, 함양, 지하수 유출의 동적과정에 미치는 영향을 평가하는데도 활용되었다. 나아가, 윌별강수와 각 수문성문간의 관계를 살펴보고 함양량의 시공간적 변동성을 분석하기 위한 종합적인 모의를 수행한 결과, 수문성분 상호간에 높은 상관성을 보이며 소유역경사, 토지이용, 토양종류 같은 유역특성의 비균질성이 함양량의 공간변화에 주요 원인인 것으로 확인됐다. 통합모형은 시공간적으로 변모하는 유역단위의 지표수와 지표하 수문과정을 전반적으로 잘 표현하는 것으로 나타났다.
지표수와 지하수의 통합모델링은 지속가능한 수자원과 수질개선에 대한 점증하는 요구를 만족시키기 위해 점차 중요성을 더해가고 있다. 본 연구에서는 준분포형 유역유출모형인 SWAT과 완전분포형 지하수 모형인 MODFLOW의 통합모형을 무심천 유역에 작용하여 유역단위의 수문과정을 재생하였다. 모의결과 2001-2004년의 관측수문곡선과 모의유량수문곡선간의 적합이 잘 나타나는 한편 계산된 지하수위 분포와 관측지하수위와의 보정결과도 양호하게 나타났다. 통합모형은 서로 다른 기간의 강수평균이 하천유출, 침루, 함양, 지하수 유출의 동적과정에 미치는 영향을 평가하는데도 활용되었다. 나아가, 윌별강수와 각 수문성문간의 관계를 살펴보고 함양량의 시공간적 변동성을 분석하기 위한 종합적인 모의를 수행한 결과, 수문성분 상호간에 높은 상관성을 보이며 소유역경사, 토지이용, 토양종류 같은 유역특성의 비균질성이 함양량의 공간변화에 주요 원인인 것으로 확인됐다. 통합모형은 시공간적으로 변모하는 유역단위의 지표수와 지표하 수문과정을 전반적으로 잘 표현하는 것으로 나타났다.
Integrated modelling of surface water and groundwater has become important to satisfy the growing demands for sustainable water resources and improved water quality. In this study, the integrated model of the semi-distributed watershed model, SWA T and the fully-distributed groundwater flow model, M...
Integrated modelling of surface water and groundwater has become important to satisfy the growing demands for sustainable water resources and improved water quality. In this study, the integrated model of the semi-distributed watershed model, SWA T and the fully-distributed groundwater flow model, MODFLOW is applied to Musirn river basin for the purpose of investigating its applicability to reproduce watershed-scale hydrological processes. This objective is accomplished by first demonstrating good agreement between the simulated discharge hydrographs with the measured hydrographs for the period of 2001 -2004 while simultaneously calibrating the calculated groundwater level distribution to observation wells. Next, the integrated model is used to evaluate the effect of different temporal precipitation averages on hydrodynamic processes of streamflow, percolation, recharge and groundwater discharge. Moreover, comprehensive simulations are performed to present the relationships between monthly precipitation and each hydrological component, and to analyze the temporal-spatial variability of recharge. The results show that the components are highly interrelated, and that the heterogeneity of watershed characteristics such as subbasin slope, land use, soil type causes a significant spatial variation of recharge. Overall it is concluded that the model is capable of reproducing the temporally and spatially varied surface and subsurface hydrological processes at the watershed scale.
Integrated modelling of surface water and groundwater has become important to satisfy the growing demands for sustainable water resources and improved water quality. In this study, the integrated model of the semi-distributed watershed model, SWA T and the fully-distributed groundwater flow model, MODFLOW is applied to Musirn river basin for the purpose of investigating its applicability to reproduce watershed-scale hydrological processes. This objective is accomplished by first demonstrating good agreement between the simulated discharge hydrographs with the measured hydrographs for the period of 2001 -2004 while simultaneously calibrating the calculated groundwater level distribution to observation wells. Next, the integrated model is used to evaluate the effect of different temporal precipitation averages on hydrodynamic processes of streamflow, percolation, recharge and groundwater discharge. Moreover, comprehensive simulations are performed to present the relationships between monthly precipitation and each hydrological component, and to analyze the temporal-spatial variability of recharge. The results show that the components are highly interrelated, and that the heterogeneity of watershed characteristics such as subbasin slope, land use, soil type causes a significant spatial variation of recharge. Overall it is concluded that the model is capable of reproducing the temporally and spatially varied surface and subsurface hydrological processes at the watershed scale.
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문제 정의
이러한 SWAT이 가지는 단점을 극복하고자 김남원 등 (2004a,b)은 SWAT에 범용적인 지하수 해석모델인 MODFLOW (McDonald and Harbaugh, 1988)의 결합을 시도하였고, 경안천 유역에 대한 시험적용을 수행한바 있다(김남원 등, 2006). 본 연구에서는 이 결합모형을 이용하여 무심천 유역의 지표수와 지표하 수문 과정을 해석함으로써 모형의 적용성 및 활용가능성을 평가하고자 하였다. 이를 위해 토지이용 및 토양조건, 기후조건 등을 고려한 일단위 수문성분을 모의하고, 지하수 함양량, 지하수유출량 등의 수문성문의 시공간적 분포 특성을 제시함으로써 모형의 광범위한 적용성을 입증하고자 하였다.
제안 방법
SWAT 으로부터 HRU 별로 계산된 함양량을 MODFLOW의 셀값에 분배시키기 위해서 HRU-GRID 변환 툴을 만들어 활용하였다. MODFLOW의 RIVER PACKAGE를 이용하여 하천셀별로 하천-대수층 간의 순 유출입량을 계산후 합산하여 SWAT의 하도로 유입되도록 구성하였다. 양수모의는 MODFLOW의 WELL PACKAGE를 이용하였는데, MODFLOW의 함양 또는 배출량을 SWAT에서 받고, SWAT의 Water Transfer 라는 물 이동 명령에 의해 하천, 다른 HRU, 다른 소유역, 유역외 등의 원하는 목적지로 전이되도록 구성되었다(한국건설기술연구원, 2006).
또한 대수층내 우물의 함양과 배출, 지하수의 증발산으로 인한 손실 등도 상호 연동되도록 결합하였다. SWAT 으로부터 HRU 별로 계산된 함양량을 MODFLOW의 셀값에 분배시키기 위해서 HRU-GRID 변환 툴을 만들어 활용하였다. MODFLOW의 RIVER PACKAGE를 이용하여 하천셀별로 하천-대수층 간의 순 유출입량을 계산후 합산하여 SWAT의 하도로 유입되도록 구성하였다.
SWAT-MODFLOW 통합모형을 미호천 최상류부에 위치한 무심천 유역에 대해 2001년부터 2004년까지 4년간의 시험적용을 수행하였다. 유역형상은 Fig.
강수의 시간적 분포에 따른 하천유출량 지하수 유출량 등의 수문성분들의 응답 변화를 모의하였다. 즉, 모의 결과치가 입력치의 패턴에 따라 어떤 반응을 나타내는지를 살펴보았다.
지하수 유동해석을 위해서 격자크기를 100m로 하여 223x214개의 셀을 생성하였고, 경계조건으로 상부에 함양플럭스, 하천셀에 시간종속수두, 유역 외는 무흐름 조건을 부여하였으며, SWAT으로부터 모의 된 일별 함양량과 하천수위를 자동 입력하였다. 대상 지역의 수리지질은 1개의 충적층 및 2개의 투수성 암반층으로 단순화하였으며, 충적층의 경우에는 자유면 대수층으로 암반층은 피압/자유면대수층 변환층으로 모델링을 실시하였다. 충적층 및 암반층의 공간적인 분포는 해당 유역내 포함되는 국가지하수 관측공, 지자체 지하수 관측공, 해당 지역내 시추 및 착정 조사자료 등을 이용하여 각층의 바닥고를 크리깅 기법을 이용하여 공간적으로 분포시켰다.
모의 결과의 타당성을 검증하기 위해서 Fig. 6과 같이 청주수위관측소에서의 관측유량과 일단위 모의 유량을 비교하였다. 모의유량은 실측유량의 경향을 잘 반영하고 있으며, 특히 갈수기 완만한 기저유량 시계열을 잘 모사하고 있는 것으로 나타났다.
본 연구는 지표수-지하수 통합모형인 SWAT- MODFLOW 모형을 무심천 유역의 수문과정해석에 적용한 것으로 결론을 요약하면 다음과 같다.
본 연구에서는 이 결합모형을 이용하여 무심천 유역의 지표수와 지표하 수문 과정을 해석함으로써 모형의 적용성 및 활용가능성을 평가하고자 하였다. 이를 위해 토지이용 및 토양조건, 기후조건 등을 고려한 일단위 수문성분을 모의하고, 지하수 함양량, 지하수유출량 등의 수문성문의 시공간적 분포 특성을 제시함으로써 모형의 광범위한 적용성을 입증하고자 하였다.
입력자료로서 기온, 풍속, 일사량, 강수량 등의 기상자료는 청주기상대 자료를 이용하였고, 수치지도를 이용하여 lOOmxiQQm의 DEM을 구축하였으며, 1:25,000의 토지이용도와 토지피복도를 이용하였다. 토양의 물성치는 농업과학기술원과, 농업토양정보시스템 등의 자료를 이용하였다.
등의 수문성분들의 응답 변화를 모의하였다. 즉, 모의 결과치가 입력치의 패턴에 따라 어떤 반응을 나타내는지를 살펴보았다. Fig.
토양의 물성치는 농업과학기술원과, 농업토양정보시스템 등의 자료를 이용하였다. 지하수 유동해석을 위해서 격자크기를 100m로 하여 223x214개의 셀을 생성하였고, 경계조건으로 상부에 함양플럭스, 하천셀에 시간종속수두, 유역 외는 무흐름 조건을 부여하였으며, SWAT으로부터 모의 된 일별 함양량과 하천수위를 자동 입력하였다. 대상 지역의 수리지질은 1개의 충적층 및 2개의 투수성 암반층으로 단순화하였으며, 충적층의 경우에는 자유면 대수층으로 암반층은 피압/자유면대수층 변환층으로 모델링을 실시하였다.
대상 지역의 수리지질은 1개의 충적층 및 2개의 투수성 암반층으로 단순화하였으며, 충적층의 경우에는 자유면 대수층으로 암반층은 피압/자유면대수층 변환층으로 모델링을 실시하였다. 충적층 및 암반층의 공간적인 분포는 해당 유역내 포함되는 국가지하수 관측공, 지자체 지하수 관측공, 해당 지역내 시추 및 착정 조사자료 등을 이용하여 각층의 바닥고를 크리깅 기법을 이용하여 공간적으로 분포시켰다. 굴착 깊이까지의 충적층 및 암반층의 바닥고는 지층 구성별 심도로부터 산정할 수 있으나, 굴착심도 이상의 암반의 분포심도는 명확하지 않은 상황이므로 그 두께 및 각종 수리지질인자들의 값은 대부분 가정에 의존하였으며 모델을 수행하는 과정에서 이들을 보정의 인자로 사용하였다.
대상 데이터
시험적용을 수행하였다. 유역형상은 Fig. 2와 같이 동고서저형이고, 유역면적은 약 179 ktf, 유로연장은 약 35㎏이며, 대상유역을 Fig. 3과 같이 34개의 소유역으로 구분하였다.
24(a)에 나타낸 관측지하수위의 공간적인 분포도는 청원 . 청주 지하수 기초조사 보고서 (건설교통부 등, 2006)에서 수행한 제 1차 장기관측자료 (2005년 7월 4일 - 7월 8일)를 이용하여 크리깅 기법에 의해 공간 분포시켰다. 실제 관측 지하수위는 약 E1.
토지피복도를 이용하였다. 토양의 물성치는 농업과학기술원과, 농업토양정보시스템 등의 자료를 이용하였다. 지하수 유동해석을 위해서 격자크기를 100m로 하여 223x214개의 셀을 생성하였고, 경계조건으로 상부에 함양플럭스, 하천셀에 시간종속수두, 유역 외는 무흐름 조건을 부여하였으며, SWAT으로부터 모의 된 일별 함양량과 하천수위를 자동 입력하였다.
성능/효과
1) 강수의 시간적 분포에 따른 수문성분량의 응답 변화 특성, 강수대비 각 수문성분량의 관계, 함양량과 지하수위의 시공간적인 분포 특성 등을 제시하였다.
2) 토지이용 및 토양조건의 이질성으로 인하여 월간 함양량은 지역적으로 작게는 10mm/월에서 크게는 150mm/월로 공간적인 편차가 크게 발생한 것으로 모의되었으며, 함양량은 수문조건 뿐만 아니라 지형인자에도 지배되는 것을 확인하였다.
3) 청주수위관측소 지점에서의 관측유량과 모의유량을 비교한 결과, 실측치와 모의치간의 결정계수가 약 0.75로서 모형의 적합도가 양호한 것으로 평가되었고, 특히 갈수기 완만한 기저유출량 시계열을 잘 모사할 수 있었다.
4) 관측지하수위와 모의지하수위의 비교를 수행한 결과, 전반적인 지하수위의 고저분포의 경향은 유사하게 나타나고 있으며, 결정계수는 약 0.95로 높게 계산되어 모의치가 실제 지하수위의 분포양상을 양호하게 구현하였다.
6과 같이 청주수위관측소에서의 관측유량과 일단위 모의 유량을 비교하였다. 모의유량은 실측유량의 경향을 잘 반영하고 있으며, 특히 갈수기 완만한 기저유량 시계열을 잘 모사하고 있는 것으로 나타났다. 실측치와 모의치간의 결정계수가 약 0.
8은 동일한 조건에서 침루량의 시계열을 나타낸 것으로 이 역시 강수의 패턴을 잘 따르고 있는 것을 알 수 있다. 주목할 점은 일 및 연평균강수에 대해서 침루가 발생하지만, 월평균 강수에 대해서는 침루가 발생하지 않는 기간이 존재하며, 선행강수의 영향으로 침루량이 크게 산정되는 기간도 발생하는 것으로 나타났다. 이는 강수의 시간적인 분포, 즉 집중해서 내리느냐 분산되어서 내리느냐에 따라 토양수의 시간적 분포양상이 상이하여 결과적으로 침루량에 차이를 나타내게 됨을 의미한다.
선행강수가 많거나 충분한 강수가 비교적 장기간에 걸쳐서 내린 경우(D)에는 다소 크게 산정되었다. 즉, 침루량은 강수의 규모뿐만 아니라, 시간적인 분포에 민감한 것으로 분석되었다. Fig.
후속연구
결론적으로 SWAT-MODFLOW 통합모형의 활용을 통해서 하천-대수층간의 경계유량을 고려한 유출해석이 가능해짐으로써 모의 유출량의 신뢰성이 증대될 것으로 판단되며, 하천유출량, 지하수 함양량 등 유역의 분포형 수문성분량과 지하수위의 지역적, 계절적 특징을 파악할 수 있어 우리나라 수자원계획 및 관리에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
10은 지하수 유출량의 시계열로서 일 강우량 및 월평균 강수량에 대한 지하수 유출의 감수, 함양의 증가로 인한 지하수위의 상승, 다시 완만한 감수 양상을 보이고 있으며, 특히 180일에서 210일 경에 일 강수에 대해서 하천에서 대수층으로의 물 유입의 발생으로 첨예한 부분이 나타나고 있다. 지표수나 지하수 모형만으로는 해결되지 않는 하천-대수층간의 경계유량을 고려한 유출해석이 가능해 짐으로써 지하수 유출량을 포함한 유역 내 총 유출량의 신뢰성이 증대될 것으로 기대된다.
Arnold, J. G., Williams, J. R., and Maidment, D. R. (1995). 'Continuous-time water and sediment-routing model for large basin.' Journal of Hydraulic Engineering. ASCE, Vol. 121. No. 2, pp. 171-178
McDonald, M.G. and Harbaugh, A.W. (1988). A Modular Three-Dimensional Finite- Difference Ground-water Flow Model. Techniques of Water Resources Investigations Report, U.S. Geological Survey, Book 6, Chapter A1, 528 p
SDI Environmental Service, Inc. (1997). Water Resource Evaluation and Integrated Hydrologic Model of the Central Northern Tampa Bay Region, Final Report ISGW/CNTB Model SDE Project No. WCF-690, Prepared for West Coast Regional Water Supply Authority, Clearwater Florida
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