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문제 정의
- 본 연구에서는 금호강 유역의 2개의 유역을 대상으로 소유역 분할 크기에 따른 유출변화특성을 분석 검토함으로서 향후 유역의 홍수 유출 해석시 적정 소유역 분할 기준을 제시하는데 목적을 두었다.
- 본 연구에서는 유역분할에 따른 유출 응답 특성을 검토하기 위하여 국내에서 홍수유출해석으로 많이 사용되고 있는 WMS HEC-1 모형을 이용하여 유출 응답 특성에 대한 분석을 수행하였다. 유효강우량산정 방법으로는 강우손실 또는 유효강우량 산정이 가장 유효한 NRCS 유출곡선방법을 사용하였다.
제안 방법
- 유효강우량산정 방법으로는 강우손실 또는 유효강우량 산정 이 가장 유효한 NRCS 유출곡선방법을 사용하였다. 모형의 적용성을 검토하기 위해서는 계산된 소유 역별 수문 지형학적 특성인자를 이용하여 WMS HEC-1 의 입력자료를 구성하였으며, 모형의 적용에 있어서는 Table 3 및 4와 같이 1999년부터 2006년까지 유역 내에서 발생한 4개의 주요 호우사상을 이용하여 Fig. 6 및 7과 같이 관측치와 각 소유역별 홍수량을 비교 분석하였다.
- 2a 모형을 이용하여 수치고도자료 (DEM) 을 구축하였다. 벡터형식 (Vector Type)의 데이터를 래스터형식(Gird Type)의 데이터로 변환하는 작업은 ArcView GIS Software를 이용하였으며 생성된 래스터 형식의 Grid Filee 래스터 형식의 ASCn File로 Export 시킨 후 저장하여 WMS에서 Import하는 방식을 취하였다. WMS 모형에서는 격자의 흐름방향을 결정하기 위하여 TOPAZ (TOpographic PArameteriZation) 프로그램을 이용하고 있다.
- 본 연구에서 선정된 WMS 모형의 검증결과는 실측 홍수유출량과 모형에 의해 예측된 하천 유출량을 이용하여 평가하였고 수치적 기준으로는 통계적 기법을 고려하여 평가하였다.
- 일반 GIS 프로그램을 이용할 경우에는 별도의 산정식을 사용하여 각각의 값을 계산하여야하는 단점이 있지만 본 연구에 사용되는 WMS는 추출가능한 수문 지형 정보를 손쉽게 구할 수 있도록 설계되어 있으며 GIS와 수문모델링이 연계되어 있는 대표적인 모형이다. 본 연구에서는 WMS 모형을 이용하여 수문해석모델에 필요한 유역의 지형인자를 포함한 수문 인자들을 계산하며, 유줄 모형에서 필요로 하는 여러 가지 매개변수를 구하게 된다.
- 본 연구에서는 WMS 모형을 이용하여 수문해석모델에 필요한 유역의 지형인자를 포함한 수문 인자들을 계산하며, 유출 모형에서 필요로 하는 여러 가지 매개변수를 구하게 된다. 유출해석을 위한 모형으로는 WMS에서 제공한 HEC-1 모형을 사용하였다.
- 홍수유출변화 특성은 WMS HEC-1 모형을 이용하였으며 분석을 위해 금호수위관측소 상류유역과 동변수위관측소 상류유역을 선정하고 소유역을 1~7개까지 분할해 감에 따른 홍수유출변화 특성을 검토하였다.
대상 데이터
- 모형의 적용성을 검토하기 위해서는 계산된 소유 역별 수문지형학적 특성인자를 이용하여 WMS HEC-1 의 입력자료를 구성하였으며, 모형의 적용에 있어서는 Table 3 및 Table 4와 같이 1999년부터2006년까지 유역 내에서 발생한 4개의 주요호우 사상을 이용하였다.
- 본 연구는 WMS를 이용한 하천유역의 홍수 유출해석을 위하여 먼저 금호강 최상류로부터 금호 수위관측소까지와 대구시 북구 동변수위관측소 유역을 대상으로 선정하였다.
- 소유역 분할수가 유출특성에 미치는 영향을 검토하기 위하여 2002년에서 2006년까지 유역내에서 발생한 4개의 주요 호우사상을 선정하였다. WMS HEC-1 모형을 이용한 홍수추적은 Muskingum방법을 사용하였으며, 분석 결과 Table 7 및 8과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
데이터처리
- 본 연구에서 선정된 모형의 평가를 위한 통계지표는 Table 7에서 나타낸 바와 같이 평균 제곱 오차의 평방근(Root Mean Square Error, RMSE), 결정계수 (Determination Coefficient, R?)로서 WMS 모형의 검증 결과를 평가하였다.
이론/모형
- WMS HEC-1 모형을 이용한 홍수추적은 Muskingum방법을 사용하였으며, 분석 결과 Table 7 및 8과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
- 다음으로 유역의 홍수량 추정을 위해 NRCS의 유출곡선지수(CN)을 이용하였다. CN방법은 유역의 토양 특성과 식생피복상태 및 토지이용과 처리상태에 관한 자료를 이용하여 총강우량으로부터 유효강우량 또는 초과강우량의 산정이 가능하도록 한 것으로 호우로 인한 유출량 자료가 없는 경우인 강우- 유출 관계 설정이 불가능한 미계측 유역으로부터 총 강우량에 대한 유효강우량을 산정할 수 있다.
- 대상유역이 포함된 각 유역의 도엽들은 1:25, 000 수치지도를 기본으로 ArcView 3.2a 모형을 이용하여 수치고도자료 (DEM) 을 구축하였다. 벡터형식 (Vector Type)의 데이터를 래스터형식(Gird Type)의 데이터로 변환하는 작업은 ArcView GIS Software를 이용하였으며 생성된 래스터 형식의 Grid Filee 래스터 형식의 ASCn File로 Export 시킨 후 저장하여 WMS에서 Import하는 방식을 취하였다.
- WMS 모형을 이용할 경우 많은 지형인자들이 자동으로 계산되므로 효율성과 정확성을 향상시킬 수 있다. 또한 HEC-1 모형에서 유역 유출 해석방법은 여러 가지가 있으나 본 연구에서는 SCS방법을 이용하여 홍수량을 산정하였으며, 하도의 홍수 추적은 Muskingum법을 사용하였다.
- 본 연구에서는 유역분할에 따른 유출 응답 특성을 검토하기 위하여 WMS HEC-1 모형을 이용하여 유출 응답 특성에 대한 분석을 수행하였다. 유효강우량산정 방법으로는 강우손실 또는 유효강우량 산정 이 가장 유효한 NRCS 유출곡선방법을 사용하였다.
- HEC-1 모형은 하천유역에서 홍수를 유발시키는 호우사상이 발생하였을 때 강우-유출 과정을 모의하는 단일사상유줄 Model이다. 유줄해석시 유효강우량의 산정은 HEC-1 모형에서 제공하는 SCS 방법을 사용하였다. SCS방법의 경우 CN값 산정시 필요로 하는 자료로서 토양도, 토지피복도 및 지형자료로 구성되어 있어 WMS를 이용하여 유효우량을 계산할 때 용이하게 적용될 수 있다.
- 매개변수를 구하게 된다. 유출해석을 위한 모형으로는 WMS에서 제공한 HEC-1 모형을 사용하였다. HEC-1 모형은 하천유역에서 홍수를 유발시키는 호우사상이 발생하였을 때 강우-유출 과정을 모의하는 단일사상유줄 Model이다.
- 유효강우량산정 방법으로는 강우손실 또는 유효강우량 산정이 가장 유효한 NRCS 유출곡선방법을 사용하였다.
- 유효강우량산정 방법으로는 강우손실 또는 유효강우량 산정이 가장 유효한 NRCS 유출곡선방법을 사용하였다.
성능/효과
- 다음으로 본 연구에서 소유역 분할수를 4개 이상으로 하는 경우 유출에는 큰 변화가 없는 것으로 검토되었다. 마지막으로 소유역 분할수를 점차 증가 할수록 첨두유출량이 증가함을 보였으며, 소유 역을 분할하지 않은 경우가 첨두유출량 발생 시간이 가장 빠른 것으로 분석되었다. 이상의 연구 결과로 볼 때 홍수유출해석시 소유역의 분할은 소 유역 분할 면적을 총 유역면적의 25% 수준으로 분할할 경우가 유역의 공간적 변화특성을 가장 잘 반영할 수 있을 것으로 판단된다.
- 먼저, 본 연구대상유역의 경우 소유역 분할수를 4개(즉, 소유역 분할 면적이 전체면적의 약 25%)로 하였을 경우 관측치에 가장 근접한 것으로 분석되었다. 다음으로 본 연구에서 소유역 분할수를 4개 이상으로 하는 경우 유출에는 큰 변화가 없는 것으로 검토되었다.
- 본 연구에서 WMS 모형을 이용하여 모의한 유출량에 대한 통계적 검증 결과를 볼 때, 설정된 방법에 대 한 결정계 수(R2)는 호우사상에 따라 상이 하기 는하나 금호수위표 유역에서 0.503~0.984의 범위로서 분석 검토되었다. 또한 평균제곱오차평방근 (RMSE)의 경우 172.
- 이 등2)은 도시 내 약 10 1 而 이내의 면적을 가지는 유역을 대상으로 유역 분할이 유출 특성에 미치는 영향에 대하여 분석하였다. 이 연구에 서 는 유역분할이 유출해석 에 미치는 영향이 유역의 지형학적 특성에 따라 다양하며, 유역 경사가 완만할 경우 급경사의 유역보다 그 영향이 민감하게 나타나고 있음을 보여주고 있다. 또한 소유 역의 면적비가 전체 유역의 약 35%이내(유역분할 개수 3개 이상)가 되게 분할하는 것을 제안한 바 있다.
- 마지막으로 소유역 분할수를 점차 증가 할수록 첨두유출량이 증가함을 보였으며, 소유 역을 분할하지 않은 경우가 첨두유출량 발생 시간이 가장 빠른 것으로 분석되었다. 이상의 연구 결과로 볼 때 홍수유출해석시 소유역의 분할은 소 유역 분할 면적을 총 유역면적의 25% 수준으로 분할할 경우가 유역의 공간적 변화특성을 가장 잘 반영할 수 있을 것으로 판단된다. 그러나 이 결과는 한정된 4개의 호우에 대한 연구결과이므로 앞으로 더 많은 호우사상과 타 유역을 대상으로 소유역 분할 방법에 대한 검토가 필요한 것으로 판단된다.
후속연구
- 이상의 연구 결과로 볼 때 홍수유출해석시 소유역의 분할은 소 유역 분할 면적을 총 유역면적의 25% 수준으로 분할할 경우가 유역의 공간적 변화특성을 가장 잘 반영할 수 있을 것으로 판단된다. 그러나 이 결과는 한정된 4개의 호우에 대한 연구결과이므로 앞으로 더 많은 호우사상과 타 유역을 대상으로 소유역 분할 방법에 대한 검토가 필요한 것으로 판단된다.
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