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문제 정의
- 본 연구는 준분포형 유역수문모형인 SWAT이 이수목적의 장기유출모의 뿐만 아니라 치수목적의 설계인자를 도출할 수 있음을 입증한 것으로서 유역의 유출특성을 반영한 유출곡선지수 산정 방법을 제시하였다. 이는 일강우량과 기상자료 및 국내 토양 DB 등을 이용하여 미계측 유역의 유출곡선지수를 추정할 수 있는 것으로 나타났으며, 대유역 자료를 가지고 내부 소유역의 유출곡선지수를 산정할 수 있다.
- 본 연구에서는 미계측 유역에서 유역수문모형 SWAT (Arnold et al., 1993)의 수문성분 모델링 결과를 이용하여 유출곡선지수 산정방법을 제시하였다. 그리고 충주댐의 운영자료로 유입량을 계산하고 실측유량으로 간주하여 HEC-HMS 모형으로 최적화해 매개변수를 산정한 후 연 최대치 계열의 사상을 추출하여 CN을 산정하였다.
제안 방법
- HEC-HMS 모형은 관측된 강우자료와 유출자료가 있을 경우 유출모의를 위한 매개변수를 자동적으로 추정할 수 있는 최적화 기능을 가지고 있다. HEC-HMS를 통한 최적화된 강우-유출 매개변수를 유도하기 위해 물리적으로 타당한 범위의 강우-유출 매개변수 (CN, 집중시간, 저류상수, 초기기저유량, 감수상수, threshold 유량 등)를 초기값으로 입력하고, 최적화 과정을 수행하여 매개변수가 물리적으로 타당한 범위에 해당되는 지와 도해적 판단을 실시하여 최종 매개변수를 산정하였다. Fig.
- 7을 초과하였으며 연평균 유출량 오차가 3% 미만으로 모의 결과가 양호한 것으로 분석되었다. 검증 후 일유출량을 모의 치를 이용하여 HEC-HMS에서 선정된 사상들에 대해 유출곡선지수를 산정하였다.
- , 1993)의 수문성분 모델링 결과를 이용하여 유출곡선지수 산정방법을 제시하였다. 그리고 충주댐의 운영자료로 유입량을 계산하고 실측유량으로 간주하여 HEC-HMS 모형으로 최적화해 매개변수를 산정한 후 연 최대치 계열의 사상을 추출하여 CN을 산정하였다. 또한 기상자료와 SWAT 모형을 이용하여 일유출량을 모의한 결과에서 실측치와 같은 사상을 추출하여 유출곡선지수를 산정하였다.
- 그리고 충주댐의 운영자료로 유입량을 계산하고 실측유량으로 간주하여 HEC-HMS 모형으로 최적화해 매개변수를 산정한 후 연 최대치 계열의 사상을 추출하여 CN을 산정하였다. 또한 기상자료와 SWAT 모형을 이용하여 일유출량을 모의한 결과에서 실측치와 같은 사상을 추출하여 유출곡선지수를 산정하였다. 실측치와 모의치를 비교·검토하여, SWAT 모델을 이용한 유출곡선지수 산정방법의 이용성을 검토하였다.
- Table 3에서 AMC-Ⅱ의 CN값이 AMC-Ⅲ보다 큰 값을 가지는 것은 사상수가 작기 때문에 하나의 큰 사상에 영향을 많이 받았기 때문이라고 생각할 수 있으며, 정상적이라면 AMC-Ⅰ과 Ⅲ의 중간값 정도가 적당할 것으로 판단된다. 또한 동일 사상에 대해 SWAT을 이용하여 산정한 유출곡선지수도 수문학적 조건에 따라 산정하였다. 산정결과 평균 87.
- 본 연구에서는 HEC-HMS에 의하여 산정된 유출곡선지수 값을 기준으로 하고 SWAT을 이용하여 모의된 CN값을 비교․ 검토하였다. Table 3에서와 같이 선행토양함수조건에 따라서 실측과 SWAT 모형에 의한 유출곡선지수 평균에는 다소 차이가 있으며, AMC 조건별 각 방법에 의한 유출곡선지수를 Fig.
- 수치표고모델 (DEM)은 국가수자원관리종합정보에서 제공하는 30m×30m DEM을 모형의 계산 효율을 고려하여 ArcInfo 로 100m×100m DEM으로 가공하여 이용하였다.
- 그러나 본 연구에서는 기저유출이 유출곡선지수에 미치는 영향 분석은 연구범위에서 제외하고, 수평직선분리법으로 기저유출을 분리하여 단위도법을 이용하였다. 실측자료와 HEC-HMS의 최적화 과정을 이용하여 실측기반유출곡선지수를 산정하였다.
- 실측치와 모의치를 비교·검토하여, SWAT 모델을 이용한 유출곡선지수 산정방법의 이용성을 검토하였다.
- 연평균 유출고와 일 유출수문곡선에 대하여 모의치와 관측치의 적합이 잘 이루어질 때까지 수동 검보정을 실시하였다. 연평균 유출고를 적합시킴으로써 강우량 대비 유출량과 증발산량을 적절하게 배분하였으며, 일 유출수문곡선을 적합시킴으로써 지표, 중간, 지하수 유출 등의 물수지 성분을 합리적으로 산정하였다.
- 충주댐 관측 유입량 자료를 이용하여 모형의 검보정을 실시하였다. 연평균 유출고와 일 유출수문곡선에 대하여 모의치와 관측치의 적합이 잘 이루어질 때까지 수동 검보정을 실시하였다. 연평균 유출고를 적합시킴으로써 강우량 대비 유출량과 증발산량을 적절하게 배분하였으며, 일 유출수문곡선을 적합시킴으로써 지표, 중간, 지하수 유출 등의 물수지 성분을 합리적으로 산정하였다.
- 이 모형에서는 일 단위 지표유출량을 계산하기 위해서 SCS 유출곡선지수법을 이용하고 있으며, 토양 및 토지피복 등에 따라 공간적으로 변할 뿐만 아니라 토양수분량의 변화에 따라 시간적으로도 변하는 CN 값을 사용한다. 일별 CN 값을 산정하기 위해서 일별 S 값을 계산하고 있으며 토양층의 포장용수량, 위조점, 포화수분량 등의 토양 특성을 고려한다.
- 충주댐 관측 유입량 자료를 이용하여 모형의 검보정을 실시하였다. 연평균 유출고와 일 유출수문곡선에 대하여 모의치와 관측치의 적합이 잘 이루어질 때까지 수동 검보정을 실시하였다.
- 충주댐은 남한강 상류에 위치하고 있는 다목적댐으로 유역면적은 6,648㎢이다. 충주댐 유역을 Fig. 2와 같이 18개 소유역으로 분할하여 SWAT 모형의 적용을 위한 공간자료를 구축하였다. 또한 대상 기간은 댐 완공후 정상적인 강우-유출 패턴을 보이는 1997년부터 2007년까지 자료로 제한하였다.
- 충주댐 유입량 자료를 확보할 수 있는 1997년부터 2007년까지 첨두유출량을 기준으로 강우-유출 사상을 매년 3순위까지 추출하였고, HEC-HMS로 최적화된 CN을 산정한 결과는 Table 2와 같다.
대상 데이터
- SWAT 모형을 이용한 CN산정방법의 이용성을 검토하기 위하여 충주댐 유역을 대상유역으로 선정하였다. 충주댐은 남한강 상류에 위치하고 있는 다목적댐으로 유역면적은 6,648㎢이다.
- 2와 같이 18개 소유역으로 분할하여 SWAT 모형의 적용을 위한 공간자료를 구축하였다. 또한 대상 기간은 댐 완공후 정상적인 강우-유출 패턴을 보이는 1997년부터 2007년까지 자료로 제한하였다.
- 주요 검보정 변수는 토지피복 및 토양조건에 따라 입력된 AMC-II일 때의 유출곡선지수 (CN2), 토양 증발 보상계수(ESCO), 지하수 감수계수 (GWALPHA), 측방흐름과 관계된 경사장 (SLSOIL) 등 검보정 값은 Table 1과 같다. 특히 경사장 SLSOIL 값은 충주댐 유역과 같이 경사가 급한 유역에 대해 합리적인 값이 도출되도록 Lim(2007)가 개발한 경사 (SLOPE)와 경사장 (SLSUBBSN) 간의 회귀식을 이용하였다.
- 충주댐 운영자료에서 결측치 및 정상성을 검토한 후 첨두유량을 기준으로 매년 1～3순위의 사상을 선정하였다. 선정된 자료의 순유출률이 20% 이하이거나 100% 이상인 사상은 자연 상태의 정상적 유출특성이 아니라고 판단하여 분석에서 제외하였다.
- 여기서 가공의 의미는 리샘플링을 말하는 것으로서 input grid (30m 격자 크기)의 지형정보를 적용하여 output grid (100m 격자크기)의 새로운 지형정보값을 추출하는 작업이다. 토지피복도는 환경부에서 제공하는 중분류 토지피복도, 토양도는 농업과학기술원에서 제공하는 1:25,000 해상도의 정밀토양도를 사용하였다. 입력 자료에 관한 내용은 과학기술부 (MOST, 2007) 보고서와 Kim, N.
이론/모형
- 유출곡선지수는 총유출 수문곡선에서 기저유출을 분리한 유출수문곡선을 나타내는 유효우량을 산정하는 지표로 실측유출수문곡선에서 기저유출을 분리하는 방법에 많은 영향을 받는다. 그러나 본 연구에서는 기저유출이 유출곡선지수에 미치는 영향 분석은 연구범위에서 제외하고, 수평직선분리법으로 기저유출을 분리하여 단위도법을 이용하였다. 실측자료와 HEC-HMS의 최적화 과정을 이용하여 실측기반유출곡선지수를 산정하였다.
- 이러한 문제는 금일 발생한 강수로 인한 토양수 증가를 고려할 수 있도록 시간적으로 가중 평균된 유출곡선지수 산정법(Kim & Lee, 2008)을 이용하여 모의 유출량의 정확도를 개선하였다.
- 이렇게 선정된 사상의 댐유입량 자료를 HEC-HMS 모형을 이용하여 유출곡선지수를 산정하였다. 산정결과 유출곡선지수가 30 이하이거나 95 이상인 사상은 최종적인 분석에서 제외하였다.
- 충주댐 상류유역에 대한 SWAT 모형을 적용하였다. 입력자료로서 강수량 자료는 영월 외 31개 우량관측소, 기상자료는 충주 외 7개 기상관측소 자료를 이용하였으며, 이때 강수량 및 기상자료는 Thiessen방법에 의하여 소유역별 평균치를 산정하였다. 수치표고모델 (DEM)은 국가수자원관리종합정보에서 제공하는 30m×30m DEM을 모형의 계산 효율을 고려하여 ArcInfo 로 100m×100m DEM으로 가공하여 이용하였다.
- 충주댐 상류유역에 대한 SWAT 모형을 적용하였다. 입력자료로서 강수량 자료는 영월 외 31개 우량관측소, 기상자료는 충주 외 7개 기상관측소 자료를 이용하였으며, 이때 강수량 및 기상자료는 Thiessen방법에 의하여 소유역별 평균치를 산정하였다.
- 주요 검보정 변수는 토지피복 및 토양조건에 따라 입력된 AMC-II일 때의 유출곡선지수 (CN2), 토양 증발 보상계수(ESCO), 지하수 감수계수 (GWALPHA), 측방흐름과 관계된 경사장 (SLSOIL) 등 검보정 값은 Table 1과 같다. 특히 경사장 SLSOIL 값은 충주댐 유역과 같이 경사가 급한 유역에 대해 합리적인 값이 도출되도록 Lim(2007)가 개발한 경사 (SLOPE)와 경사장 (SLSUBBSN) 간의 회귀식을 이용하였다.
성능/효과
- 결과적으로 충주댐 유역에서는 SWAT 모의결과를 이용해 산정한 CN 값들은 대체적으로 실측자료에 기반한 유출곡선지수와 큰 차이를 보이지 않고 비슷한 값을 갖는다고 할 수 있다. 이러한 결과는 충주댐 지점만을 대상으로 한정된 기간의 사상을 대상으로 도출한 결과이지만 오차분석 결과 신뢰한계 95%에서 오차가 적어 실무의 적용성이 있다고 판단된다.
- 3과 같이 도시하여 비교하였다. 일단위 관측 유출량과 모의 유출량간 통계치인 결정계수 (R2 )값이 0.7을 초과하였으며 연평균 유출량 오차가 3% 미만으로 모의 결과가 양호한 것으로 분석되었다. 검증 후 일유출량을 모의 치를 이용하여 HEC-HMS에서 선정된 사상들에 대해 유출곡선지수를 산정하였다.
- 61로 약한 선형 상관관계를 이룬다. 전체적으로 보아 실측치를 이용하여 산정한 유출곡선지수보다 SWAT 모의에 의한 일유출곡선지수가 약간 큰 경향이 있으며, 실측자료에 의하여 산정한 것과 같은 CN값을 얻기 위해서는 모의치에 환산 계수 0.94를 곱해주면 실측치에 근사한 값을 얻을 수 있다.
후속연구
- 이러한 결과는 충주댐 지점만을 대상으로 한정된 기간의 사상을 대상으로 도출한 결과이지만 오차분석 결과 신뢰한계 95%에서 오차가 적어 실무의 적용성이 있다고 판단된다. 그러나 보다 더 많은 적용을 통해 실무의 적용성에 대한 검증이 필요할 것으로 사료된다.
- 94를 곱할 경우 실측값에 의한 CN값과 비슷하게 도출할 수 있으며, 오차 분석결과 95% 신뢰수준에서 오차가 적어 실무에 적용할 수 있는 수준으로 판단된다. 본 연구결과는 충주댐 유역에서의 적용 결과를 바탕으로 도출된 것이므로 추후 다른 유역에도 적용한다면 보다 합리적인 결과를 도출할 수 있을 것으로 생각된다.
- 우리나라에서 수문계측에 많은 투자를 해 왔지만 아직도 설계시 직접 이용할 수 있는 시간자료의 획득은 쉽지 않은 일이고, 또한 측정된 자료도 신뢰성이 의문시 되는 경우, 일강우량 자료를 이용하여 유출곡선지수를 산정해도 설계 목적을 달성할 수 있을 것으로 기대한다.
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