기후변화에 의해 집중호우의 빈도 및 강도가 증가하고 지속적인 유역개발에 따른 토지이용의 증가는 토양침식 및 토사유출로 인한 재해 및 환경문제를 야기한다. 현재 광범위하게 사용되고 있는 토양침식량 산정기법은 대부분 대상유역내의 평균 토양침식량을 산출하는 총량적 개념의 경험식이므로 호우기간동안의 침식 및 퇴적의 시 공간적 변화양상을 모의할 수 없다는 한계를 지니고 있다. 따라서 보다 합리적인 유역규모의 강우-유사-유출 메카니즘 해석을 위해서는 기존의 집중형 모의기법을 대체하고 다양한 기상학적/지형학적 정보를 활용할 수 있는 물리적 기반의 분포형 모형이 요구된다. 본 연구에서는 사면의 지표 및 지표하 흐름을 고려한 유출모의 모듈과 단위수류력 이론을 기반으로 하는 유사유출 모의모듈을 결합한 분포형 강우-유사-유출 모형을 확장개발하고, 용담댐 상류부의 천천유역에 적용하여 모형의 재현성 평가를 수행하였다. 수문곡선의 모의 결과 모형의 재현성은 우수하였으며, 유사량곡선의 경우 첨두부분에서 과소선정되는 경향이 나타났다. 또한, 지표면 유동거리 및 국부경사에 따른 침식 및 퇴적의 공간분포를 분석한 결과, 침식된 토사는 비교적 경사가 완만한 하천주변에 퇴적되었으며, 강우량과 침식 및 퇴적의 공간분포의 분석결과, 강우량의 증가에 따라 침식량이 증가하였으며, Thiessen망 유역별로 침식 및 퇴적 분포는 상이하게 나타났다.
기후변화에 의해 집중호우의 빈도 및 강도가 증가하고 지속적인 유역개발에 따른 토지이용의 증가는 토양침식 및 토사유출로 인한 재해 및 환경문제를 야기한다. 현재 광범위하게 사용되고 있는 토양침식량 산정기법은 대부분 대상유역내의 평균 토양침식량을 산출하는 총량적 개념의 경험식이므로 호우기간동안의 침식 및 퇴적의 시 공간적 변화양상을 모의할 수 없다는 한계를 지니고 있다. 따라서 보다 합리적인 유역규모의 강우-유사-유출 메카니즘 해석을 위해서는 기존의 집중형 모의기법을 대체하고 다양한 기상학적/지형학적 정보를 활용할 수 있는 물리적 기반의 분포형 모형이 요구된다. 본 연구에서는 사면의 지표 및 지표하 흐름을 고려한 유출모의 모듈과 단위수류력 이론을 기반으로 하는 유사유출 모의모듈을 결합한 분포형 강우-유사-유출 모형을 확장개발하고, 용담댐 상류부의 천천유역에 적용하여 모형의 재현성 평가를 수행하였다. 수문곡선의 모의 결과 모형의 재현성은 우수하였으며, 유사량곡선의 경우 첨두부분에서 과소선정되는 경향이 나타났다. 또한, 지표면 유동거리 및 국부경사에 따른 침식 및 퇴적의 공간분포를 분석한 결과, 침식된 토사는 비교적 경사가 완만한 하천주변에 퇴적되었으며, 강우량과 침식 및 퇴적의 공간분포의 분석결과, 강우량의 증가에 따라 침식량이 증가하였으며, Thiessen망 유역별로 침식 및 퇴적 분포는 상이하게 나타났다.
Accelerated soil erosion due to extreme climate change, such as increased rainfall intensity, and human-induced environmental changes, is a widely recognized problem. Existing soil erosion models are generally based on the gross erosion concept to compute annual upland soil loss in tons per acre per...
Accelerated soil erosion due to extreme climate change, such as increased rainfall intensity, and human-induced environmental changes, is a widely recognized problem. Existing soil erosion models are generally based on the gross erosion concept to compute annual upland soil loss in tons per acre per year. However, such models are not suitable for event-based simulations of erosion and deposition in time and space. Recent advances in computer geographic information system (GIS) technologies have allowed hydrologists to develop physically based models, and the trend in erosion prediction is towards process-based models, instead of conceptually lumped models. This study aims to propose an effective and robust distributed rainfall-sediment yield-runoff model consisting of basic element modules: a rainfall-runoff module based on the kinematic wave method for subsurface and surface flow, and a runoff-sediment yield-runoff model based on the unit stream power method. The model was tested on the Cheoncheon catchment, upstream of the Yongdam dam using hydrological data for three extreme flood events due to typhoons. The model provided acceptable simulation results with respect to both discharge and sediment discharge even though the simulated sedigraphs were underestimated, compared to observations. The spatial distribution of erosion and deposition demonstrated that eroded sediment loads were deposited in the cells along the channel network, which have a short overland flow length and a gentle local slope while the erosion rate increased as rainfall became larger. Additionally, spatially heterogeneous rainfall intensity, dependant on Thiessen polygons, led to spatially-distinct erosion and deposition patterns.
Accelerated soil erosion due to extreme climate change, such as increased rainfall intensity, and human-induced environmental changes, is a widely recognized problem. Existing soil erosion models are generally based on the gross erosion concept to compute annual upland soil loss in tons per acre per year. However, such models are not suitable for event-based simulations of erosion and deposition in time and space. Recent advances in computer geographic information system (GIS) technologies have allowed hydrologists to develop physically based models, and the trend in erosion prediction is towards process-based models, instead of conceptually lumped models. This study aims to propose an effective and robust distributed rainfall-sediment yield-runoff model consisting of basic element modules: a rainfall-runoff module based on the kinematic wave method for subsurface and surface flow, and a runoff-sediment yield-runoff model based on the unit stream power method. The model was tested on the Cheoncheon catchment, upstream of the Yongdam dam using hydrological data for three extreme flood events due to typhoons. The model provided acceptable simulation results with respect to both discharge and sediment discharge even though the simulated sedigraphs were underestimated, compared to observations. The spatial distribution of erosion and deposition demonstrated that eroded sediment loads were deposited in the cells along the channel network, which have a short overland flow length and a gentle local slope while the erosion rate increased as rainfall became larger. Additionally, spatially heterogeneous rainfall intensity, dependant on Thiessen polygons, led to spatially-distinct erosion and deposition patterns.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
Thissen 망별로 총 강우량의 큰 차이가 없는 ‘매미’의 침식 및 퇴적의 공간분포(Fig. 9(b))에서 볼 수 있듯이 침식은 유역의 상류(산간지역)에서 대부분 발생한 반면, 퇴적의 경우 하류(하천부근)에서 집중적으로 발생한 것을 확인할 수 있는데 보다 정확한 분석을 위하여 본 절에서는 두 가지 지형학적 인자(국부경사, 지표면 유동거리)와 침식 및 퇴적의 공간분포의 상관성을 검토하였다. 여기서, 국부경사(local slope)란 흐름도(flow direction)에 따른 격자별 최급경사(steepest slope)(김주철과 김재한, 2007)를 의미하며, 지표면 유동거리(overland flow length)란 흐름도를 따라 하천선을 기준으로 각 격자가 떨어져 있는 거리(Tucker et al.
따라서 본 연구에서는 기개발된 사면의 지표 및 지표하 흐름을 고려한 유출모의 모듈(Tachikawa et al., 2004)과 단위수류력(unit stream power)(Yang, 1972) 이론을 기반으로 한 유사유출모의 모듈(Sayama, 2003)을 결합하여 raster기반의 분포형 강우-유사-유출 모형을 확장개발하고 비교적 유량과 유사량 실측자료가 풍부한 용담댐 상류 천천유역을 대상으로 모형의 재현성을 평가하고 유역내 침식 및 퇴적의 시·공간적 분포에 대하여 분석하고자 한다.
가설 설정
본 강우-유출 모듈에서 지표류는 운동파 근사해를 위하여 사각형 단면으로 가정하고 지표하 흐름과 지표흐름의 유선은 경사와 평행하고 동수경사 역시 경사와 평행하다고 가정한다. 강우 입력 자료 r(x,t)는 격자의 수심에 따라서 지표하 흐름과 지표 흐름에 직접적으로 더해지며, 유출 생성과 추적을 모의하기 위한 1차원 운동파 방정식의 수치해석 방법은 Lax-Wendroff 유한차분기법(Lax and Wendroff, 1960)을 사용한다.
제안 방법
본 연구에서는 raster기반의 분포형 강우-유사-유출 모형을 확장개발하여 2002년, 2003년과 2007년에 발생한 태풍 ‘루사’, ‘매미’, ‘나리’ 강우사상을 대상으로 모형의 재현성을 평가하고, 유역 내 침식 및 퇴적의 시·공간적 분포에 대하여 분석하였다. 그리고 분석결과를 바탕으로 유역의 지형인자 및 강우량에 따른 침식 및 퇴적의 공간분포의 상관성을 분석하였다. 본 연구를 통해 도출된 주요결과는 다음과 같다.
단위수류력 이론으로 산정된 유사량 즉, 이송능력과 그 격자에 유입되는 유사량을 비교하여 침식 또는 퇴적을 결정한다. 임의의 격자에서 흐름의 이송능력(TC)이 상류 격자로부터 유입되는 유사량(Qsed)보다 클 경우 TC-Qsed 만큼의 유사가 침식되고 반면에 흐름의 이송능력(TC)이 공급되는 유사량(Qsed)보다 작을 경우 Qsed -TC 만큼의 유사가 퇴적된다.
, 1989). 따라서 DEM의 함몰부와 평탄지 등을 전처리를 통해 오류를 수정하였으며, 흐름방향도, 흐름누적도, 유역속성 등을 그리드 형태로 구축하였다.
따라서 본 연구에서는 대상유역 내 총 토양두께 D는 격자별로 균등하게 1m로 고정하였으며, 물리적 매개변수와 과정 매개변수 중 실측을 통해 산정이 어려운 유출관련 매개변수 4개(ka, ds, dm, β), 유사유출관련 매개변수 5개(d50, ks, α, KE, VcrS) 총 9개의 매개변수를 Table 3과 같이 선정하였다.
, 1989). 따라서 본 연구에서는 토양의 포화 정도에 따른 포화초과지표류(saturation excess overland flow)의 모의가 가능한 강우-유출 모듈을 선택하고, 강우침식력 및 지표류침식력을 고려한 토사발생모의 모듈을 결합한 분포형 강우-유사-유출모형을 확장개발하였다.
이 밖의 강우-유사-유출 연계모의를 위해 상전, 계북2, 장계, 천천 우량관측소의 시간별 점 강우량 자료를 GIS상에서 Thiessen기법을 이용하여 공간분포형 강우량 자료로 변환하였다. 모형 매개변수 보정 및 검증을 위해 용담댐 일원 하천유량측정 등 수문조사보고서(한국수자원공사, 2002, 2003, 2007)의 수위-유량 관계곡선식(Table 1)을 이용하여 수위 H (m)자료를 유량 Q(m3/s)자료로 변환하여 유출구에서의 실측 유량 값을 산정하였으며, Table 1의 유량을 m3/hr로 변환하여 유량-유사량 관계곡선식(Table 2)으로부터 부유사량 SS (kg/hr)를 산정하였다. 본 연구에서는 부유사량의 단위를 mg/l로 환산하여 유사량 모의를 수행하였다.
모형의 재현성을 평가하고 유역 내 침식 및 퇴적의 시·공간적 분포에 대하여 분석하기 위해 2002년 태풍 ‘루사’ 강우사상에 대하여 전역최적화 기법인 SCEUA(Duan et al., 1992, 1993, 1994)를 이용하여 목적함수 RMSE(root mean square error)를 최소로 하는 최적 매개변수를 산정하였으며, 이를 2003년 태풍 ‘매미’, 2007년 태풍 ‘나리’ 강우사상에 적용하여 모형을 검증하였다.
본 모형은 DEM으로부터 생성된 지형정보를 모형의 입력자료로 사용하므로 1/25,000 수치지도의 지형정보속성을 추출한 후 상용 S/W인 ArcInfo와 ArcView를 이용하여 불규칙삼각망을 형성하고 250×250 m 격자크기로 DEM을 구축하였다.
국내에서는 박상식과 이종태(2008)가 Vieux (2004), Downer and Ogden (2006), Hjelmfelt (1986)이 제시한 조도계수의 기초자료와 이를 조합한 5개 유형의 조도계수를 사용하여 격자별 조도계수를 각각 선정하여 각 경우에서의 유출민감도를 검토한 바 있다. 본 연구에서는 Vieux (2004)가 제안한 지표면 조도계수를 바탕으로 국가수자원관리종합정보시스템(WAMIS)에서 제공하는 Landsat 위성영상을 통해 피복분류된 자료로부터 조도계수를 산정하였다. 이 밖의 강우-유사-유출 연계모의를 위해 상전, 계북2, 장계, 천천 우량관측소의 시간별 점 강우량 자료를 GIS상에서 Thiessen기법을 이용하여 공간분포형 강우량 자료로 변환하였다.
본 연구에서는 raster기반의 분포형 강우-유사-유출 모형을 확장개발하여 2002년, 2003년과 2007년에 발생한 태풍 ‘루사’, ‘매미’, ‘나리’ 강우사상을 대상으로 모형의 재현성을 평가하고, 유역 내 침식 및 퇴적의 시·공간적 분포에 대하여 분석하였다.
모형 매개변수 보정 및 검증을 위해 용담댐 일원 하천유량측정 등 수문조사보고서(한국수자원공사, 2002, 2003, 2007)의 수위-유량 관계곡선식(Table 1)을 이용하여 수위 H (m)자료를 유량 Q(m3/s)자료로 변환하여 유출구에서의 실측 유량 값을 산정하였으며, Table 1의 유량을 m3/hr로 변환하여 유량-유사량 관계곡선식(Table 2)으로부터 부유사량 SS (kg/hr)를 산정하였다. 본 연구에서는 부유사량의 단위를 mg/l로 환산하여 유사량 모의를 수행하였다.
본 연구에서는 빗방울에 의한 토양 분리량(DR)은 순 강우의 총 운동에너지에 비례하고, 지표류 수심이 증가함에 따라 지수적으로 감소하는 경험 공식을 이용하여 산정하였다(Morgan et al., 1998).
본 연구에서는 Vieux (2004)가 제안한 지표면 조도계수를 바탕으로 국가수자원관리종합정보시스템(WAMIS)에서 제공하는 Landsat 위성영상을 통해 피복분류된 자료로부터 조도계수를 산정하였다. 이 밖의 강우-유사-유출 연계모의를 위해 상전, 계북2, 장계, 천천 우량관측소의 시간별 점 강우량 자료를 GIS상에서 Thiessen기법을 이용하여 공간분포형 강우량 자료로 변환하였다. 모형 매개변수 보정 및 검증을 위해 용담댐 일원 하천유량측정 등 수문조사보고서(한국수자원공사, 2002, 2003, 2007)의 수위-유량 관계곡선식(Table 1)을 이용하여 수위 H (m)자료를 유량 Q(m3/s)자료로 변환하여 유출구에서의 실측 유량 값을 산정하였으며, Table 1의 유량을 m3/hr로 변환하여 유량-유사량 관계곡선식(Table 2)으로부터 부유사량 SS (kg/hr)를 산정하였다.
, 2004)은 강우발생시 각 격자에서 강우는 지표하로 직접적으로 더해지고 격자의 토양층이 포화되면서 지표흐름이 생성되며, 지표하 흐름은 비포화 흐름과 포화흐름으로 구분되어 모의된다. 지표하 흐름의 수직적인 채움현상 때문에 초기 강우 손실을 고려하지 않고, 투수계수와 토양층 두께에 따른 지체된 지표하 흐름을 효과적으로 모의할 수 있으며, 개념적인 수위-유량 관계식을 이용하여 각 격자별 지표 및 지표하 흐름을 해석한다.
태풍 ‘루사’ 강우사상을 적용한 유사유출 모의결과를 이용하여 천천유역 내 임의 모의시간별 침식량의 공간적 분포를 분석하였다.
대상 데이터
본 모형은 DEM으로부터 생성된 지형정보를 모형의 입력자료로 사용하므로 1/25,000 수치지도의 지형정보속성을 추출한 후 상용 S/W인 ArcInfo와 ArcView를 이용하여 불규칙삼각망을 형성하고 250×250 m 격자크기로 DEM을 구축하였다. 다양한 공간해상도의 DEM자료의 활용이 가능하지만 본 연구에서는 분포형 모형의 모의시간의 효율성을 고려하여 250 m의 격자를 선택하였다(Lee et al., 2009). 이상의 과정에 따라 생성된 DEM은 주위가 높은 표고값이나 낮은 표고값들로 둘러싸인 격자로 정의되는 sink나 peak와 같은 오차를 포함하게 되는데 이러한 오차들은 부정확한 수문지형정보를 제공하기 때문에 지형정보 추출 전 반드시 제거되어야 한다(Tarboton et al.
데이터처리
개발된 모형의 재현성 평가를 위해 첨두상대오차(relative error, RE), 모형효율성지수(efficient index, EI)를 이용하였으며, Eqs. (10) and (11)과 같이 정의된다.
이론/모형
본 강우-유출 모듈에서 지표류는 운동파 근사해를 위하여 사각형 단면으로 가정하고 지표하 흐름과 지표흐름의 유선은 경사와 평행하고 동수경사 역시 경사와 평행하다고 가정한다. 강우 입력 자료 r(x,t)는 격자의 수심에 따라서 지표하 흐름과 지표 흐름에 직접적으로 더해지며, 유출 생성과 추적을 모의하기 위한 1차원 운동파 방정식의 수치해석 방법은 Lax-Wendroff 유한차분기법(Lax and Wendroff, 1960)을 사용한다.
본 연구에서는 격자별 토양 침식과 퇴적과정의 모의를 위한 이송능력을 산정하기 위해 개수로에서의 유사이송은 물론 유역내 지표면 침식까지 응용할 수 있다고 알려진 Yang(1972)의 단위수류력이론을 사용하였다(행정자치부국립방재연구소, 1998). 단위수류력이론은 토사이송에 사용된 에너지의 소산율이 토사운송량과 관계있다는 것에 기초를 두고 있으며, Yang(1972)에 의하여 하천형태학의 연구에서 처음으로 제안되었다.
2는 단위수류력 이론에 의해 산정된 이송능력과 유입유사량과의 관계에 의한 침식과 퇴적의 개념도를 나타낸다. 유사유출은 연속방정식에 따라 격자별 흐름추적에 의해 상류격자에서 하류격자로 순차적으로 추적되며 유사유출 연속방정식의 수치해석 기법은 유한차분법인 MacCormack (MacCormack, 1969)기법을 사용하여 계산한다.
성능/효과
(1) 확장개발된 모형의 유출모의 결과 계산된 유출량은 실측치와 매우 유사하게 모의된 반면, 유사유출 모의의 경우 계산치와 실측치와 경향성은 유사하게 모의되었으나 첨두부분에서 모의치가 실측치에 비해 과소산정되는 결과를 나타내었다.
(2) 모형의 적합성 평가를 위한 검증 결과 태풍 ‘매미’ 강우사상에 대한 유출모의의 경우, RE와 EI는 각각 3.79%와 0.921로 우수한 재현성을 보였으며, 유사유출 모의의 경우, RE와 EI는 각각 47.91%와 0.712로 나타났다.
(3) 유역 내 총 침식 및 퇴적의 공간분포 분석 결과 천천유역 내 태풍 '루사' 강우사상의 경우 최대 6.04 cm의 침식, 2.5 cm의 퇴적이 발생하였으며, 태풍 ‘매미’ 강우사상의 경우 최대 1.99 cm의 침식, 1.64 cm의 퇴적이 발생하였고 태풍 ‘나리’ 강우사상은 최대 1.01 cm의 침식, 2.26 cm의 퇴적이 발생하였다.
(4) 지형인자 및 강우량에 따른 침식 및 퇴적의 공간분포 분석 결과 국부경사의 경우 경사가 급해질수록 퇴적이 감소하고 경사 0.2 이상인 격자에서는 퇴적이 발생하지 않는 것으로 분석되었으며, 지표면 유동거리의 경우 침식량의 변화는 미소한 반면, 퇴적량은 3.5 km 이상에서는 대부분 발생하지 않는 것으로 분석되었다. 또한, 강우량 증가에 따라 침식량은 점진적으로 증가하는 추세를 보이는 반면, 퇴적량의 경우 뚜렷한 경향성을 보이지 않았다.
(5) 격자별 총 침식 및 퇴적분포의 분석결과 하천 상류로부터 침식된 유사량은 하천주변을 따라 퇴적되었으며, 강우강도의 차이에 의해 침식 및 퇴적 분포가 티센망 유역별로 상이하게 나타났다. 이러한 격자별 침식 및 퇴적량 시각화를 통해 유역의 토양유실 취약지역을 선별 및 최우심지역을 결정할 수 있는 기초자료를 제공함으로서 향후 유역대응 유사관리 방안수립 등을 위한 기초자료로서 활용될 수 있으리라 판단된다.
국부경사의 계급구간별 평균 침식량은 뚜렷한 차이를 보이지 않았으나, 경사가 급해질수록 퇴적량은 급속히 감소하고 경사가 0.2이상인 격자에서는 침식이 발생할 뿐 퇴적은 발생하지 않는 것으로 분석되었다. 또한, 지표면 유동거리별 평균 침식량 및 퇴적량의 관계를 살펴보면 경사와 마찬가지로 지표면 유동거리에 따른 침식량의 변화는 매우 미소한 반면, 퇴적량의 경우 3.
26%로 분석되었다. 또한 격자별 총 침식 및 퇴적분포 분석결과 상류로부터 침식된 유사량은 하천주변에 퇴적됨을 알 수 있었으며, 강우강도의 차이에 의해 침식 및 퇴적 분포가 Thiessen망 유역별로 상이함을 확인할 수 있다.
5 km 이상에서는 대부분 발생하지 않는 것으로 분석되었다. 또한, 강우량 증가에 따라 침식량은 점진적으로 증가하는 추세를 보이는 반면, 퇴적량의 경우 뚜렷한 경향성을 보이지 않았다. 지형인자 및 강우량에 따른 침식 및 퇴적에 관한 분석을 통해 토양침식은 기상학적 인자인 강우량과 밀접한 관계가 있으며, 토사퇴적의 경우 지형학적 인자에 지배적임을 확인할 수 있었다.
2이상인 격자에서는 침식이 발생할 뿐 퇴적은 발생하지 않는 것으로 분석되었다. 또한, 지표면 유동거리별 평균 침식량 및 퇴적량의 관계를 살펴보면 경사와 마찬가지로 지표면 유동거리에 따른 침식량의 변화는 매우 미소한 반면, 퇴적량의 경우 3.5 km 이상에서는 대부분 발생하지 않은 것으로 분석되었다. 이와 같은 결과는 지표면 유동거리가 짧고, 경사가 완만한 지역, 즉, 하천과 가까운 부근에서 퇴적이 침식보다 우세하기 때문으로 판단되며, 이 결과는 유역 내 침식과 퇴적의 공간분포를 시각화한 Fig.
또한, 태풍 ‘나리’ 강우사상에 대해서는 유출모의의 경우, RE와 EI는 각각 31.49%와 0.774로 분석되었으며, 유사유출 모의의 경우, RE와 EI은 각각 115.89%와 0.629로 나타났다.
76 mg/l로 나타났다. 매개변수 보정을 통한 실측치와 모의치의 비교결과를 살펴보면 유출모의의 경우, 계산된 유출량은 실측치와 매우 유사하게 모의된 반면, 유사 유출 모의의 경우, 강우의 시간적 변동에 따라 유사유출 변동 경향성 역시 비슷하게 모의되었으나 첨두부분에서 모의치가 실측치에 비해 과소산정되는 결과를 나타내었다. 이는 본 연구에서 사용된 유량-유사량곡선식은 고유량의 측정결과가 누락되어있는 상태에서 회귀분석을 통해 외삽된 결과를 사용하기 때문에 유량의 미세한 변화에도 고농도의 유사량을 제공할 수 있기 때문인 것으로 판단된다.
분석 결과, 총 강우량이 증가함에 따라 침식량은 점진적으로 증가하는 추세를 보이는 반면, 퇴적량의 경우 강우량의 변화에 따른 특이한 경향성을 발견하지 못하였다. 본 연구에서 사용된 공간분포 강우장(spatial rainfall field)의 경우 대상유역을 4개의 구역으로 분할하고 있어 유역 내 각 격자별 강우량과 침식량의 상관성을 규명하는데 제한사항이 있지만, Fig. 11로부터 토양침식은 기상학적 인자인 강우량과 밀접한 관계가 있으며, 토사퇴적의 경우는 Fig. 10과 같이 지형학적 인자에 지배적임을 확인할 수 있다. 본 연구에서 확장 개발된 모형은 다양한 공간분포를 갖는 강우자료의 처리가 가능하므로 향후 레이더 또는 내삽법(Kriging, 역거리법 등)에 의한 강우자료를 생성하여 침식과 퇴적의 발생 원인의 규명을 위한 후속 연구가 필요하다고 판단된다.
11(d)의 경우는 태풍 ‘루사’, ‘매미’, ‘나리’의 총 강우량을 합산하여 평균 침식량 및 퇴적량과의 관계를 도시한 것이다. 분석 결과, 총 강우량이 증가함에 따라 침식량은 점진적으로 증가하는 추세를 보이는 반면, 퇴적량의 경우 강우량의 변화에 따른 특이한 경향성을 발견하지 못하였다. 본 연구에서 사용된 공간분포 강우장(spatial rainfall field)의 경우 대상유역을 4개의 구역으로 분할하고 있어 유역 내 각 격자별 강우량과 침식량의 상관성을 규명하는데 제한사항이 있지만, Fig.
또한, 강우량 증가에 따라 침식량은 점진적으로 증가하는 추세를 보이는 반면, 퇴적량의 경우 뚜렷한 경향성을 보이지 않았다. 지형인자 및 강우량에 따른 침식 및 퇴적에 관한 분석을 통해 토양침식은 기상학적 인자인 강우량과 밀접한 관계가 있으며, 토사퇴적의 경우 지형학적 인자에 지배적임을 확인할 수 있었다.
태풍 '루사' 강우사상의 경우 최대 6.04 cm의 침식, 2.5 cm의 퇴적이 발생하였으며, 강우기간 동안의 유사유출량은 10,183 ton으로 모의되었고 관측 유사유출량 10,542 ton과의 상대오차 분석결과 3.52%로 유사하게 모의되었다.
태풍 ‘매미’ 강우사상의 경우 최대 1.99 cm의 침식, 1.64 cm의 퇴적이 발생하였고 모의 유사유출량은 6,451 ton, 관측 유사유출량은 9,401 ton으로 상대오차 45.72%를 보였으며, 태풍 ‘나리’ 강우사상은 최대 1.01 cm의 침식, 2.26 cm의 퇴적이 발생하였고 모의 유사유출량은 8,769 ton, 관측 유사유출량은 14,579 ton으로 상대오차 66.26%로 분석되었다.
후속연구
본 연구에서는 토양입경, 토양심도, 투수계수 등과 같은 일부 물리적인 매개변수의 경우, 최적화기법을 통해 보정하였지만, 모형의 적용성을 향상시키고 물리적으로 타당한 결과 값을 도출하기 위해서는 정밀토양도와 같은 공간분포형 자료를 직접 활용하여 격자별 매개변수의 적정값을 산정할 수 있는 방법론 등에 관한 후속 연구가 필요하다. 또한 보다 상세한 강우량에 따른 침식 및 퇴적의 변동성을 분석하기 위해서는 레이더 또는 인공위성 등과 같은 분포형 강우의 활용이 필요하다고 판단되며, 마지막으로 본 연구에서 모형 적용 및 평가의 효율성을 고려하여 적용된 250 × 250 m DEM이외의 다양한 격자 스케일에 따른 모형의 거동에 대한 후속 연구 역시 분포형 강우-유사-유출 모의기법의 적용성 및 제약성을 평가하기 위해 중요한 연구과제라 판단된다.
10과 같이 지형학적 인자에 지배적임을 확인할 수 있다. 본 연구에서 확장 개발된 모형은 다양한 공간분포를 갖는 강우자료의 처리가 가능하므로 향후 레이더 또는 내삽법(Kriging, 역거리법 등)에 의한 강우자료를 생성하여 침식과 퇴적의 발생 원인의 규명을 위한 후속 연구가 필요하다고 판단된다.
본 연구에서는 토양입경, 토양심도, 투수계수 등과 같은 일부 물리적인 매개변수의 경우, 최적화기법을 통해 보정하였지만, 모형의 적용성을 향상시키고 물리적으로 타당한 결과 값을 도출하기 위해서는 정밀토양도와 같은 공간분포형 자료를 직접 활용하여 격자별 매개변수의 적정값을 산정할 수 있는 방법론 등에 관한 후속 연구가 필요하다. 또한 보다 상세한 강우량에 따른 침식 및 퇴적의 변동성을 분석하기 위해서는 레이더 또는 인공위성 등과 같은 분포형 강우의 활용이 필요하다고 판단되며, 마지막으로 본 연구에서 모형 적용 및 평가의 효율성을 고려하여 적용된 250 × 250 m DEM이외의 다양한 격자 스케일에 따른 모형의 거동에 대한 후속 연구 역시 분포형 강우-유사-유출 모의기법의 적용성 및 제약성을 평가하기 위해 중요한 연구과제라 판단된다.
(5) 격자별 총 침식 및 퇴적분포의 분석결과 하천 상류로부터 침식된 유사량은 하천주변을 따라 퇴적되었으며, 강우강도의 차이에 의해 침식 및 퇴적 분포가 티센망 유역별로 상이하게 나타났다. 이러한 격자별 침식 및 퇴적량 시각화를 통해 유역의 토양유실 취약지역을 선별 및 최우심지역을 결정할 수 있는 기초자료를 제공함으로서 향후 유역대응 유사관리 방안수립 등을 위한 기초자료로서 활용될 수 있으리라 판단된다.
이와 같은 격자별 침식과 퇴적분포 산정을 위한 공간분포 형태의 모의결과는 실측데이터의 부재로 인한 검증이 어렵고 불확실성이 내포되어 있지만, 격자별 침식 및 퇴적량 시각화를 통해 유역의 토양유실 취약지역을 선별 및 최우심지역을 결정할 수 있는 기초자료를 제공함으로서 향후 유역대응 유사관리방안 수립 등을 위한 중요한 자료로서 활용될 수 있으리라 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
토양침식현상은 무엇에 의해 발생하는가?
이를 위해서는 지속적인 모니터링을 통한 실측에 의한 토양침식량의 산정이 가장 바람직하지만 실질적으로 측정이 어렵고, 인력과 비용면에서 비효율적이므로 경험식이나 집중형 토양침식모형(lumped erosion model)을 사용하여 토양침식량을 산정하는 것이 일반적이다. 하지만 토양침식현상은 지형, 지질, 기상 등 복합적인 요인에 의하여 발생되기 때문에 토양침식량을 산정하기 위한 회귀식 모형이나 집중형 토양침식 모형을 완벽히 신뢰하는 것은 무리가 있다. 회귀식 모형의 경우 수집된 자료들이 제한된 공간 및 시간에 대한 자료이므로 장기간 또는 적용범위를 벗어난 회귀식의 응용 결과에 상당한 불확실성이 내포되어있고(행정자치부 국립방재연구소, 1998), 집중형 모형의 경우 공간적으로 유역의 수문학적, 지형학적 이질성(heterogeneity)을 고려하지 못하므로 적용성에 한계가 있다.
단위수류력이론은 무엇으로부터 응용되고 발전되어 왔는가?
단위수류력이론은 토사이송에 사용된 에너지의 소산율이 토사운송량과 관계있다는 것에 기초를 두고 있으며, Yang(1972)에 의하여 하천형태학의 연구에서 처음으로 제안되었다. 이후 단위수류력 이론은 하천이나 개수로에서의 유사이송과 지표면 침식분야로부터 응용되고 발전되어왔다. 단위수류력은 유속과 경사의 곱(VS)으로서 개수로에서 토사와 유수의 운송에 사용되는 단위중량당 유수의 에너지(Y)의 변화로 나타낼 수 있으며 Eq.
토양침식량 산정기법이 가지고 있는 한계점은 무엇인가?
기후변화에 의해 집중호우의 빈도 및 강도가 증가하고 지속적인 유역개발에 따른 토지이용의 증가는 토양침식 및 토사유출로 인한 재해 및 환경문제를 야기한다. 현재 광범위하게 사용되고 있는 토양침식량 산정기법은 대부분 대상유역내의 평균 토양침식량을 산출하는 총량적 개념의 경험식이므로 호우기간동안의 침식 및 퇴적의 시 공간적 변화양상을 모의할 수 없다는 한계를 지니고 있다. 따라서 보다 합리적인 유역규모의 강우-유사-유출 메카니즘 해석을 위해서는 기존의 집중형 모의기법을 대체하고 다양한 기상학적/지형학적 정보를 활용할 수 있는 물리적 기반의 분포형 모형이 요구된다.
참고문헌 (46)
갈병석(2008). SWAT모형을 이용한 낙동강 유량 및 부유사량 변동 분석 연구. 석사학위논문, 부산대학교, pp. 51-77.
권혁현(2002). GIS를 이용한 토양손실량 산정기법에 관한 연구. 석사학위논문, 영남대학교, pp. 36-52.
김웅태, 윤용남, 박무종, 유철상(2001). "분포형 개념을 이용한 토사유출량 산정에 관한 연구." 한국수자원학회논문집, 한국수자원학회, 제34권, 제2호, pp. 131-140.
김주철, 김재한(2007). "DEM을 이용한 수로망의 형태학적 표현." 한국수자원학회논문집, 한국수자원학회, 제40권, 제4호, pp. 287-297.
조영진(2004). 분포형 모형을 이용한 토사의 유출 및 퇴적분포 예측모형 개발. 공학석사 학위논문, 영남대학교, pp. 48-63.
한국수자원공사(2002). 용담댐 일원 하천유량측정 등 수문조사 보고서.
한국수자원공사(2003). 용담댐 일원 하천유량측정 등 수문조사 보고서.
한국수자원공사(2007). 용담댐 일원 수자원.환경기초 조사 보고서.
한국환경정책평가연구원(2009). 기후변화 대응을 위한 물환경 관리전략 및 정책방향 I.
행정자치부 국립방재연구소(1998). 개발에 따른 토사유 출량 산정에 관한 연구(I).
Bagnold, R.A. (1960). Sediment discharge and stream power, a preliminary announcement. USGS Circ. 421. Washington, DC.
De Roo, A.P.J., Wesseling, C.G., and Ritsems, C.J. (1996a). "LISEM: a single-event physically based hydrological and soil erosion model for drainage basins. I: Theory, input and output." Hydrological Processes, Vol. 10, pp. 1107-1117.
De Roo, A.P.J., Offermans, R.J.E., and Cremers, N.H.D.T. (1996b). "LISEM: a single-event physically based hydrological and soil erosion model for drainage basins. II: sensitivity analysis, validation and application." Hydrological Processes, Vol. 10, pp. 1119-1126.
Downer, C.W., and Ogden, F.L. (2006). Gridded surface subsurface hydrologic analysis (GSSHA) user's manual. Coastal and Hydraulic Laboratory (CHL), Engineering Research and Development Center (ERDC), US Army Corps of Engineers, pp. 1-13.
Duan, Q., Gupta, V.K., and Sorooshian, S. (1993). "Shuffled complex evolution approach for effective and efficient global minimization." Journal of Optimization Theory and Applications, Vol. 76, No. 3, pp. 501-521.
Duan, Q., Sorooshian, S., and Gupta, V.K. (1992). "Effective and efficient global optimization for conceptual rainfall-runoff models." Water Resources Research, Vol. 284, pp. 1015-1031.
Duan, Q., Sorooshian, S., and Gupta, V.K. (1994). "Optimal use of the SCE-UA global optimization method for calibrating watershed models." Journal of Hydrology, Vol. 158, pp. 265-284.
Flanagan, D.C., and Nearing, M.A. (1995). USDAwater erosion prediction project hillslope profile and watershed model documentation. NSERL Report No. 10, USDA-ARS National Soil Erosion Research Laboratory, West Lafayette, Indiana.
Hjelmfelt, Jr.A.T. (1986). "Estimating peak runoff form field-size watersheds." Water Resources bulletin, Vol. 22, No. 2, pp. 267-274.
Johnson, B.E., Julien, P.Y., Molnar, D.K., and Watson, C.C. (2000). "The two dimension-upland erosion model CASC2D-SED." Journal of the AWRA, Vol. 36, No. 1, pp. 31-42.
Lax, P.D., and Wendroff, B. (1960). "Systems of consercation laws." Communications on Pure and Applied Mathematics, Vol. 13, pp. 217-237.
Lee, G., Tachikawa, Y., and Takara, K. (2009). "Interaction between topographic and process parameters due to the spatial resolution of DEMs in distributed rainfall-runoff modeling." Journal of Hydrologic Engineering, ASCE, Vol. 14, No. 10, pp. 1059-1069.
Morgan, R.P.C., Quinton, J.N., Smith, R.E., Govers, G., Poesen, J.W.A., Chisci, G., and Torri, D. (1998). "The european soil erosion model (EUROSEM): a dynamic approach for predicting sediment transport from fields and small catchments." Earth Surface Process and Landforms Vol. 23, pp. 527-544.
Morris, G.L., and Fan, J. (1997). Reservoir sedimentation handbook, McGraw-Hill, New York.
Nearing, M.A., Page, D.I., Simanton, J.R., and Lane, L.J. (1989). "Determining erodibility parameters from rangeland field data for a process-based erosion model." Transactions of the ASAE., Vol. 32, No. 3, pp. 919-924.
Prosser, L.R., and Rustomji, P. (2000). "Sediment transport capacity relations for overland flow." Progress in Physical Geography, Vol. 24, No. 2, pp. 179-193.
Sorooshian, S., and Gupta, V.K. (1995). "Model calibration, in computer models of watershed hydrology.", edited by Singh, V.P., pp. 23-68.
Water Resources Publications, Highland Ranch. Tachikawa, Y., Nagatani, G., and Takara, K. (2004). "Develpment of stage-discharge relationship equation incorporating saturated-unsaturated flow mechanism." Annual Journal of Hydraulic Engineering, JSCE, Vol. 48, pp. 7-12. (Japanese with English abstract)
Tarboton, D.G., Bras, R.L., and Rodriguez-Iturbe, I. (1989). "Scaling and elevation in river networks." Water Resources Research, Vol. 25, No. 9, pp. 2037-2051.
Tucker G.E., Catani F., Rinaldo A., and Bras R.L. (2001). "Statistical analysis of drainage density from digital terrain data." Geomorphology, Vol. 36, pp. 187-202.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.