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문제 정의
- 본 연구에서는 동일 기간, 동일 입력자료 구축으로부터 두 모형을 구동하여 유출량의 모의능력비교 및 각 모형별 결과값이 차이가 나는 이유를 분석하기 위하여 충주댐 유역에 대해 SWAT-K와 HSPF 모형의 장기유출분석을 수행하고, 물수지분석 및 지표수, 중간유출, 지하수유출, 증발산량의 수문성분별 모의결과 비교를 통하여 각 모형의 수문성분별 유출특성 파악과 함께 국내 조건에 적절한 모형의 선택과 향후 모형의 개선에 도움이 되고자 한다.
- 한편, 두 모형이 각기 다른 방법으로 증발산량을 산정하기 때문에 실제증발산과 잠재증발산의 비로부터 유역의 토양함수비를 산정하여 모형으로부터 계산되는 증발산량을 검증 및 분석하고자 하였다. 그 결과 연평균 토양함수비가 HSPF 88%, SWAT 60%로 HSPF가 높게 산정되 었다.
- 본 연구에서는 충주댐 유역을 대상으로 대표적 준분포형 모형인 SWAT의 개선된 모형인SWAT-K 와 HSPF 모형의 총유출 모의능력 비교 및 동일 자료를 사용하여 모형을 구동하였을 때 유출량의 차이를 분석하고자 수문성분별 모의값을 비교하여 각모至 의 유출구조와 모의 특성을 파악하고자 하였다.
가설 설정
- 모델상의 active groundwater 유출 계 산은 식 (10) 과 같이 횡단면적과 에너지 흐름경사에 비례하여 유출되고, 흐름의 대표횡단면적은 초기 지하수 저류 수위와 관계가 있다고 가정한다. 에너지 흐름은 기본 경사에 과거 active groundwater 증가에 의 한 경사의 합으로 산정한다.
제안 방법
- 이로부터 계산되어지고 남은 증발산 요구량은 차단에 의한 증발량 (硏7CEP)에 의해 계산된다. 그 후 토양 상층부에서의 증발산량(E7&ZCW)과 active groundwater로 부터의 증발산(E:乙4G理) 계산을 거쳐 토양하층부에서의 증발산(、ETLZON)을 계산하여 5단계의 총합으로부터 실제증발산량을 산정하게 된다. 특히, 토양하층부에서의 증발산량(ETLZQN) 산정은 앞의 4단계의 증발산량 산정보다 더 복잡한 과정으로부터 계산되어진다.
- 본 연구에서 SWAT-K와 HSPF를 적용하기 앞서 하천도, 유역도, 환경부의 1/50, 000 토지이용도, 100 mxlOO m의 수치고도모형(DEM), 농업과학기술원의 1/25, 000 정밀토양도 등의 GIS자료를 구축하였다. 환경부 수질측정망과 건교부 수위관측소, 수치고도 모형(DEM)을 기준으로 유역을 14개 소유역으로 분할하였고, 토지이용도는 환경부 토지피복분류를 참고하여 시가화건조지역, 농업지역, 산림지역, 초지, 나지, 습지, 수역으로 분류하였다.
- 구축하였다. 환경부 수질측정망과 건교부 수위관측소, 수치고도 모형(DEM)을 기준으로 유역을 14개 소유역으로 분할하였고, 토지이용도는 환경부 토지피복분류를 참고하여 시가화건조지역, 농업지역, 산림지역, 초지, 나지, 습지, 수역으로 분류하였다. SWAT-K의 경우 HRU(Hydrologic Response Unit)생성을 위한 토지이용과 토양특성 임계면적 비율은 3%로 설정하여 총 262개의 HRU를 생성하였다.
- 유출량 분석을 위한 모의기간은 2000~2006년으로 초기 모의 시 발생하는 결과값의 불안정화를 배제하기 위하여끼 1998년부터 2년 동안의 warming up 기간을 고려하여 모의를 수행하였다. 본 연구에서는 충주댐 지점의 일단위 관측 댐유입량 자료를 활용하여 모형의 보정을 수행하였으며, 이는 기존의 연구23, 졔에서 언급한 바와 같이, 상류 지역의 유출 자료가 부족하고 정확성이 매우 의심되어, 비교적 자료의 정확성이 검증된 대상유역 최하류 지점의 유출 자료와 유역 전체의 특성을 고려한 공간적인 입력자료와 매개변수를 이용하여 모형을 구죽하였다.
- 기간을 고려하여 모의를 수행하였다. 본 연구에서는 충주댐 지점의 일단위 관측 댐유입량 자료를 활용하여 모형의 보정을 수행하였으며, 이는 기존의 연구23, 졔에서 언급한 바와 같이, 상류 지역의 유출 자료가 부족하고 정확성이 매우 의심되어, 비교적 자료의 정확성이 검증된 대상유역 최하류 지점의 유출 자료와 유역 전체의 특성을 고려한 공간적인 입력자료와 매개변수를 이용하여 모형을 구죽하였다. 각 모형의 매개변수 보정은 유출량에 비교적큰 영향을 주는 인자를 중심으로 모형의 초기 구동시 기본적으로 설정되어 있는 초기값(Initial value) 을 기준으로 총유출량과 첨두유량에 변위가 큰 변수부터 시행착오법으로 수정하였다(Table 2).
- 본 연구에서는 충주댐 지점의 일단위 관측 댐유입량 자료를 활용하여 모형의 보정을 수행하였으며, 이는 기존의 연구23, 졔에서 언급한 바와 같이, 상류 지역의 유출 자료가 부족하고 정확성이 매우 의심되어, 비교적 자료의 정확성이 검증된 대상유역 최하류 지점의 유출 자료와 유역 전체의 특성을 고려한 공간적인 입력자료와 매개변수를 이용하여 모형을 구죽하였다. 각 모형의 매개변수 보정은 유출량에 비교적큰 영향을 주는 인자를 중심으로 모형의 초기 구동시 기본적으로 설정되어 있는 초기값(Initial value) 을 기준으로 총유출량과 첨두유량에 변위가 큰 변수부터 시행착오법으로 수정하였다(Table 2).
- 기존 국내유역의 적용 연구에서 SWAT의 경우 첨두 유량에 비하여 기저유출 모의 능력이 우수하였고, HSPF의 경우 기저유출 모의 능력이 다소 부족한 데 비하여 첨두유량 모의 능력이 높다는 결과가 있었다". 그러나 본 연구에서 사용된 SWAT-K는 연속방정식과 Manning 식을 이용한 비선형 저류방정식에 의한 하도 추적 방법의 개선的으로 기존 SWAT에서 사용하는 Muskingum 방법의 한계인 유출량의 시간적 변화를 유연하게 나타낼 수 없는 문제를 개선하였고, 기존 SWAT의 CN 산정법이 유출수문곡선의 첨두유출을 관측치에 비하여 과소 산정하는 문제를 해결하기 위하여 원래 CN이 가지고 있는 금일 발생한 강수의 영향을 고려한 시간 가중평균 CN 산정법을 제안하여9) 기존의 SWAT에 비하여 SWAT-K에서 유출의 지체와 감쇠를 현실적으로 구현하여 첨두유출 모의 능력이 개선되었음이 기존의 연구9徇에 의하여 입증된 바 있다.
- 2). 이와 같은 두 모형의 유출해석능력 차이의 원인을 규명하기 위하여 수문성분별 모의치를 비교하였다(Fig. 4, Fig. 5). 수문성분별 분석은 2004~2006년에 대해 분석 후, 증발산량의 경우 각 모형의 차이가 가장 잘 드러나는 2004년에 대하여 분석을 수행하였다.
- 5). 수문성분별 분석은 2004~2006년에 대해 분석 후, 증발산량의 경우 각 모형의 차이가 가장 잘 드러나는 2004년에 대하여 분석을 수행하였다.
- 상대적으로 첨두유출 모의 능력 이 우수한 HSPF 와 기존 SWAT에 비하여 첨두유출 모의능력이 개선되고, 상대적으로 갈수기 모의능력이 우수한 SWAT-K의 구조적 인 특성 파악을 통하여 모형을 사용함에 있어서 같은 자료를 사용하더라도 모형 의 특성에 따른 결과값의 차이를 확인하였다. 따라서 대상 유역의 특성과 모형 적용의 목적을 고려하여 적절한 모형을 사용해야 하며 본 연구를 바탕으로 향후 각 모형의 한계점을 개선하여 좀 더 우리나라 실정에 적합한 모형의 개발과 사용이 이루어져 야 할 것으로 판단된다.
대상 데이터
- 본 연구의 대상지역은 충주댐 유역으로서 도암댐을 포함하여 충주댐 상류까지의 구간으로 본 유역을 포함하는 남한강 유역은 북한강과 더불어 한강수계를 형성하는 주요 하천이다. 유역면적은 약 6, 648 knf로 남한강 유역의 약 50%를 차지하고 있으며, 유로연장 375 km, 평균표고 EL.
- 607 m로 전형적인 산림지역으로 분류된다. 행정구역상으로 강원도, 충청북도, 경상북도의 3개도 13개 시 . 군으로구성되어 있으며, 동강, 평창강, 주천강, 서강과 골지천, 지장천, 옥동천 등을 포함하고 있다(Fig.
- 이 기상자료를 Thiessen법에 의하여 분할하여 각 모형의 입력형식에 맞게 변환하여 입 력하였다. 본 연구에 사용한 모든 입력자료는 비교의 정확도를 높이기 위해 모형의 특성에 따라 입력방식의 차이는 있지만, 두 모형 모두 같은 기간, 동일한 자료를 사용하였다.
- SWAT-K의 경우 HRU(Hydrologic Response Unit)생성을 위한 토지이용과 토양특성 임계면적 비율은 3%로 설정하여 총 262개의 HRU를 생성하였다. 기상자료는 대관령, 동해, 원주, 영월, 충주, 제천, 태백, 제천, 영주 등 9개의 기상관측소의 1990~2006년 자료를 기상청으로부터 제공받았다. 이 기상자료를 Thiessen법에 의하여 분할하여 각 모형의 입력형식에 맞게 변환하여 입 력하였다.
이론/모형
- 같다. 그 중 증발산은 물이 유역으로부터 제거되는 주요기작으로서, SWAT-K 모형에는 Penman-Monteith 방법**技), Priestley-Taylor 방법顷, Hargreaves 방법")이 포함되어 있고, HSPF 모형에는 Jensen-Haise 방법”) 과 Hamon 방법”)이 포함되어 있는데, 본 연구에서는 SWAT-K에 Penman-Monteith 방법, HSPF 모형에 Jensen-Haise 방법으로 증발산량을 계산하였다.
- 계산된다. SWAT.K에서는 중간 유출을 모의하기 위해 운동파저류모형(Kinematic Wave Storage Model)을 사용한다. 이 모형은 급한 경사를 따라 흐르는 2차원 단면에서의 지표하흐름을 모의하며 식 (6) 과 같다.
- 지하수유출량의 결과 차이를 실측값과 비교해보기 위하여 장기간의 지하수유출량이 지하수 함양량과 같다는 가정을 기반으로 하는 해석적 방법인 Digital Filter 방법을 이용하는 BFLOW 모형2力에 의한 결과를 이용하였다. Digital Filter 방법은 전자신호를 해석하고 처리하는데 사용되는 방법으로 고주파 신호와 저주파 신호를 분리하여 고주파 신호인 직접유출성분과 저주파 신호인 기저유출성분을 필터를 통해서 분리하는 방법이다地.
- 기상자료는 대관령, 동해, 원주, 영월, 충주, 제천, 태백, 제천, 영주 등 9개의 기상관측소의 1990~2006년 자료를 기상청으로부터 제공받았다. 이 기상자료를 Thiessen법에 의하여 분할하여 각 모형의 입력형식에 맞게 변환하여 입 력하였다. 본 연구에 사용한 모든 입력자료는 비교의 정확도를 높이기 위해 모형의 특성에 따라 입력방식의 차이는 있지만, 두 모형 모두 같은 기간, 동일한 자료를 사용하였다.
성능/효과
- Saleh와 Di『는 Texas Upper North Bosqe River 유역의 일유량, 유사, 영양물질을 모의하였다. 그 결과 SWAT 이 실측치에 좀 더 근사하게 모의되었으며, 모델효율지수(ME)값에 의하면 유량과 유사의 시간적 다양성은 HSPF의 모의능력이 더 우수한 것으로 나타났으나 일반적으로 SWAT의 영양물질 모의능력 이 우수한 것으로 서술하였다. 또한, SWAT-K의 개선과 적용을 위하여 Kim 등8)은 준분포형 모형인 SWAT 모형 이 수리전도도나 저류 상수 등의 지하수 관련 분포형 매개변수가 고려되지 못하는 점을 개선하기 위하여 분포형 지하수 모형인 MODFLOW 모형과 SWAT 모형을 결합하였다.
- 또한, SWAT-K의 개선과 적용을 위하여 Kim 등8)은 준분포형 모형인 SWAT 모형 이 수리전도도나 저류 상수 등의 지하수 관련 분포형 매개변수가 고려되지 못하는 점을 개선하기 위하여 분포형 지하수 모형인 MODFLOW 모형과 SWAT 모형을 결합하였다. 이를 무심천 유역에 적용하여 지하수위, 지하수 함양률, 대수층 증발산량등의 모의에서 높은 적용성을 입증하였다. 김 등26)과 Kim과 Lee〃는 미국에서 개발된 SWAT 모형의 국내 적용에 있어 일 유출량을 정확하게 모의하지 못하는 문제점을 해결하기 위하여 Manning 식과 연속방정식에 근거한 비선형 저류방정식에 의하여 하도 추적법을 개선하였으며, 금일 발생한 강수로 인한 토양수 증가를 고려할 수 있도록 시간적으로 가중 평균된 유출곡선지수법을 개발하여 지체 감소와 첨두 유출의 증가 등 유출곡선의 개선을 입증하였다.
- 모의 결과 전체 기간 연평균 유출량은 SWAT-K 가 827 mm, HSPF가 771 mm로 평균관측치 811 mm 에 비하여 SWAT-K는 약 1% 과다하게 모의되 었고, HSPF는 약 3% 과소하게 모의되었다(Fig. 2, Table 3. ) 모형의 적용 타당성을 가늠할 수 있는 결정계수甘)는 SWAT-K가 0.80, HSPF가 0.82, Nash and Sutcliffe25* 모형효율(ME)은 SWAT-K가 0.77, HSPF가 0.80으로 계산되어 모의치가 관측치에 높은 적합성을 보이는 것으로 분석되었다(Fig. 3). 기존 국내유역의 적용 연구에서 SWAT의 경우 첨두 유량에 비하여 기저유출 모의 능력이 우수하였고, HSPF의 경우 기저유출 모의 능력이 다소 부족한 데 비하여 첨두유량 모의 능력이 높다는 결과가 있었다".
- 3). 기존 국내유역의 적용 연구에서 SWAT의 경우 첨두 유량에 비하여 기저유출 모의 능력이 우수하였고, HSPF의 경우 기저유출 모의 능력이 다소 부족한 데 비하여 첨두유량 모의 능력이 높다는 결과가 있었다";. 그러나 본 연구에서 사용된 SWAT-K는 연속방정식과 Manning 식을 이용한 비선형 저류방정식에 의한 하도 추적 방법의 개선的으로 기존 SWAT에서 사용하는 Muskingum 방법의 한계인 유출량의 시간적 변화를 유연하게 나타낼 수 없는 문제를 개선하였고, 기존 SWAT의 CN 산정법이 유출수문곡선의 첨두유출을 관측치에 비하여 과소 산정하는 문제를 해결하기 위하여 원래 CN이 가지고 있는 금일 발생한 강수의 영향을 고려한 시간 가중평균 CN 산정법을 제안하여9) 기존의 SWAT에 비하여 SWAT-K에서 유출의 지체와 감쇠를 현실적으로 구현하여 첨두유출 모의 능력이 개선되었음이 기존의 연구9徇에 의하여 입증된 바 있다.
- 총 유출량의 모의 결과 두 모형 모두 모의치가 관즉치를 근사하게 재현하였다. 총유줄량은 두 모형이 근사한 오차범위의 값을 보였으나 장기적인 연중 변화 양상을 비교해 보았을 때, 동절기의 유량모의결과가 다소 차이를 나타내었다(Fig.
- 근사하게 재현하였다. 총유줄량은 두 모형이 근사한 오차범위의 값을 보였으나 장기적인 연중 변화 양상을 비교해 보았을 때, 동절기의 유량모의결과가 다소 차이를 나타내었다(Fig. 2). 이와 같은 두 모형의 유출해석능력 차이의 원인을 규명하기 위하여 수문성분별 모의치를 비교하였다(Fig.
- 증발산량을 검증 및 분석하고자 하였다. 그 결과 연평균 토양함수비가 HSPF 88%, SWAT 60%로 HSPF가 높게 산정되 었다. 특히 동절기의 값이 큰 차이를 보이는 이유는 SWAT-K의 잠재증발산량 산정에 있어 동절기 식생을 고려하여 실제 증발산량에 비하여 잠재증발산이 크게 산정되기 때문인것으로 판단된다.
- 특히 동절기의 값이 큰 차이를 보이는 이유는 SWAT-K의 잠재증발산량 산정에 있어 동절기 식생을 고려하여 실제 증발산량에 비하여 잠재증발산이 크게 산정되기 때문인것으로 판단된다. 동절기를 제외하고는 일정 간격의 차이를 보이나 그래프의 연중 변화양상이 두 모형 모두 유사한 결과를 보여 전체적인 분석결과 특정 방법의 오류가 아닌 앞서 설명한 증발산량 산정방법의 차이에서 기인함을 확인하였다(Fig. 8).
- Digital Filter 방법은 전자신호를 해석하고 처리하는데 사용되는 방법으로 고주파 신호와 저주파 신호를 분리하여 고주파 신호인 직접유출성분과 저주파 신호인 기저유출성분을 필터를 통해서 분리하는 방법이다地. 2003년부터 2006 까지 4개년간의 BFLOW 모형 에 의 한 지하수유출 분석 결과, 총 유출에 대한 지하수 유출율은 Filtering parameter에 따라 5~33%까지 분포하였다(Table 4).
- 모형 의 모의 결과 HSPF의 경우 지하수유출이 총 유출의 21.84%, SWAT-K가 9.48%의 비율을 보여 두모형 모두 가능한 범위내에서 모의되었음을 알 수있다. 두 모형의 중간유출과 지하수유출 결과는 각 성분별로 큰 차이가 나지만 두 모형 모두 물수지법에 의하여 유역의 물수지를 계산하기 때문에 중간유줄과 지하수유줄 성분합의 비율은 전체 유출량에서 비슷한 비율을 차지했다.
- 전체적으로 총유출량은 두 모형 모두 실측값을 매우 근사하게 모의하였으나 갈수기 모의결과는 다소 차이를 나타냈다. 전체 기간 연평균 유출량은 SWAT-K^ 관측치에 비해 약 1% 과다, HSPF는 약 3% 과소하게 모의 되었고, 결정계수(R2)는 SWAT-K 가 ().
- 이는 Penman-Monteith 식을 사용하는 SWAT-K는 동절기 침 엽수의 특성을 고려하여 식생을 모의하는 반면, HSPF는 온도만을 변수로 하는 Jensen-Haise 식을 사용하기 때문에 각 계산식의 특성이서 기인한 것으로 판단된다. 수문성분별로 모의치를 비교한 결과 중간 유출은 SWAT-K가, 지하수유출은 HSPF가 크게 산정되어 각 모형의 중간 유줄과 지하수유줄의 유줄 구조를 분석하고, Digital Filter방법을 이용하는 BFLOW 모형에 의한 실측 유량에 근거하여 지하수 유출량 분석 결과 두 모형 모두 적정범위 내에서 지하수유출을 모의하고 있으나 각 모형의 계산 구조의 차이로 인하여 결과값의 차이를 보이는 것을 확인하였다.
후속연구
- 결과값의 차이를 확인하였다. 따라서 대상 유역의 특성과 모형 적용의 목적을 고려하여 적절한 모형을 사용해야 하며 본 연구를 바탕으로 향후 각 모형의 한계점을 개선하여 좀 더 우리나라 실정에 적합한 모형의 개발과 사용이 이루어져 야 할 것으로 판단된다.
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