설마천유역 혼효림에서 실측된 증발산과 토양수분을 이용한 SWAT모형의 적용성 평가 Evaluation of Evapotranspiration and Soil Moisture of SWAT Simulation for Mixed Forest in the Seolmacheon Catchment원문보기
국내 수문관측자료의 부족으로SWAT(Soil Water Assessment Tool) 모형의 적용성 평가는 대부분 유출자료만을 사용하여 이루어진다. 본 연구는 실측된 여러 수문자료가 SWAT수문모형의 불확실성 및 오차의 감소를 위해 어떻게 이용될 수 있는 지에 대하여 알아보고자 하였다. 이를 위해 전형적인 산지 유역인 설마천 유역을 대상으로 준분포형 장기강우유출모형인 SWAT 모형을 적용하여 수문성분의 특성을 살펴보았다. 먼저 모형의 입력자료인 기상자료 및 지형자료를 획득하여 구축하였고, 모형의 검 보정 위하여 유출, 증발산, 토양수분 실측자료를 획득하였다. SWAT 모형은 유츨량, 증발산, 토양수분 자료가 동시에 측정된 2007년 자료를 사용하여 보정된 후, SWAT 모형의 모의값은 유출량은 2003~2008년, 증발산과 토양수분은 2008년의 관측값과 비교, 분석한 뒤 전체적인 검증을 통해 모형의 적용성 평가를 실시하였다. 유출량의 검 보정 이용한 모의결과보다 다른 실측자료를 이용한 모의결과가 신뢰성이 높게 나타났다(결정계수($R^2$) 상향: 유출량은 0.72에서 0.76, 토양수분은 0.49에서 0.59, 증발산은 0.52에서 0.59). 유역의 실제적인 상황을 근접하게 모의하기 위해서는 다른 수문성분의 정확하고 신뢰성 있는 자료의 구축과 적용이 매우 중요하다고 판단된다.
국내 수문관측자료의 부족으로SWAT(Soil Water Assessment Tool) 모형의 적용성 평가는 대부분 유출자료만을 사용하여 이루어진다. 본 연구는 실측된 여러 수문자료가 SWAT수문모형의 불확실성 및 오차의 감소를 위해 어떻게 이용될 수 있는 지에 대하여 알아보고자 하였다. 이를 위해 전형적인 산지 유역인 설마천 유역을 대상으로 준분포형 장기강우유출모형인 SWAT 모형을 적용하여 수문성분의 특성을 살펴보았다. 먼저 모형의 입력자료인 기상자료 및 지형자료를 획득하여 구축하였고, 모형의 검 보정 위하여 유출, 증발산, 토양수분 실측자료를 획득하였다. SWAT 모형은 유츨량, 증발산, 토양수분 자료가 동시에 측정된 2007년 자료를 사용하여 보정된 후, SWAT 모형의 모의값은 유출량은 2003~2008년, 증발산과 토양수분은 2008년의 관측값과 비교, 분석한 뒤 전체적인 검증을 통해 모형의 적용성 평가를 실시하였다. 유출량의 검 보정 이용한 모의결과보다 다른 실측자료를 이용한 모의결과가 신뢰성이 높게 나타났다(결정계수($R^2$) 상향: 유출량은 0.72에서 0.76, 토양수분은 0.49에서 0.59, 증발산은 0.52에서 0.59). 유역의 실제적인 상황을 근접하게 모의하기 위해서는 다른 수문성분의 정확하고 신뢰성 있는 자료의 구축과 적용이 매우 중요하다고 판단된다.
Common practice of Soil Water Assessment Tool (SWAT) model validation is to use a single variable (i.e., streamlfow) to calibrate SWAT model due to the paucity of actual hydrological measurement data in Korea. This approach, however, often causes errors in the simulated results because of numerous s...
Common practice of Soil Water Assessment Tool (SWAT) model validation is to use a single variable (i.e., streamlfow) to calibrate SWAT model due to the paucity of actual hydrological measurement data in Korea. This approach, however, often causes errors in the simulated results because of numerous sources of uncertainty and complexity of SWAT model. We employed multi-variables (i.e., streamflow, evapotranspiration, and soil moisture), which were measured at mixed forest in Seolmacheon catchment ($8.54\;km^2$), in order to assess the performance and reduce the uncertainties of SWAT model output. Meteorological and surface topographical data of the catchment were obtained as basic input variables and SWAT model was calibrated using daily data of streamflow (Jan. - Dec.), evapotranspiration (Sep. - Dec.), and soil moisture (Jun. - Dec.) collected in 2007. The model performance was assessed by comparing its results with the observation (i.e., streamflow of 2003 to 2008 and evapotranspiration and soil moisture of 2008). When the multi-variable measurements were used to calibrate the SWAT model, the model results showed better agreement with the measurements compared to those using a single variable measurement by showing increases in coefficient of determination ($R^2$) from 0.72 to 0.76 for streamflow, from 0.49 to 0.59 for soil moisture, and from 0.52 to 0.59 for evapotranspiration. The findings highlight the importance of reliable and accurate collective observation data for improving performance of SWAT model and promote its facilitation for estimating more realistic hydrological cycles at catchment scale.
Common practice of Soil Water Assessment Tool (SWAT) model validation is to use a single variable (i.e., streamlfow) to calibrate SWAT model due to the paucity of actual hydrological measurement data in Korea. This approach, however, often causes errors in the simulated results because of numerous sources of uncertainty and complexity of SWAT model. We employed multi-variables (i.e., streamflow, evapotranspiration, and soil moisture), which were measured at mixed forest in Seolmacheon catchment ($8.54\;km^2$), in order to assess the performance and reduce the uncertainties of SWAT model output. Meteorological and surface topographical data of the catchment were obtained as basic input variables and SWAT model was calibrated using daily data of streamflow (Jan. - Dec.), evapotranspiration (Sep. - Dec.), and soil moisture (Jun. - Dec.) collected in 2007. The model performance was assessed by comparing its results with the observation (i.e., streamflow of 2003 to 2008 and evapotranspiration and soil moisture of 2008). When the multi-variable measurements were used to calibrate the SWAT model, the model results showed better agreement with the measurements compared to those using a single variable measurement by showing increases in coefficient of determination ($R^2$) from 0.72 to 0.76 for streamflow, from 0.49 to 0.59 for soil moisture, and from 0.52 to 0.59 for evapotranspiration. The findings highlight the importance of reliable and accurate collective observation data for improving performance of SWAT model and promote its facilitation for estimating more realistic hydrological cycles at catchment scale.
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문제 정의
국내에서는 증발산량 및 토양수분 측정의 비용 및 장비의 한계로 인하여 유출량 외의 수문성분에 대한 실측자료가 풍부하지 않았기 때문에, 유출량을 제외한 다른 수문성분의 실측자료를 이용한 검 · 보정에 관련된 연구 역시 제한적일 수밖에 없었다. 그러나 2007년부터 한국건설기술연구원 유량조사사업단에 의해 설마천 유역의 증발산량 및 토양수분의 측정이 동시에 이루어짐에 따라 비교가능한 양질의 실측자료가 축적되었고, 따라서 본 연구는 이렇게 축적된 실측자료를 이용하여 SWAT 모형의 최적화되지 않은 모수의 공간적인 보정을 실시하여 모형의 불확실성 감소 및 적용성을 평가해 보고자 하였다. 이러한 실측자료의 활용은 보다 신뢰도 높은 모형의 모의결과를 도출할 것으로 기대된다.
국내 수문관측자료의 부족으로SWAT(Soil Water Assessment Tool) 모형의 적용성 평가는 대부분 유출 자료만을 사용하여 이루어진다. 본 연구는 실측된 여러 수문자료가 SWAT수문모형의 불확실성 및 오차의 감소를 위해 어떻게 이용될 수 있는 지에 대하여 알아보고자 하였다. 이를 위해 전형적인 산지 유역인 설마천 유역을 대상으로 준분포형 장기강우유출모형인 SWAT 모형을 적용하여 수문성분의 특성을 살펴보았다.
제안 방법
증발산량 및 토양수분은 신뢰할 만한 실측자료가 각각 2007년 9월 및 2007년 6월부터 2008년 12월까지 수집되었으므로 그 기간 동안의 실측값과 모의값을 비교 및 분석하였다. 2002년을 초기구동기간(warm-up period)으로 설정하였으며, 증발산량, 토양수분 및 유출량이 동시에 측정된 2007년을 보정하였고, 2003년부터 2006년 및2008년을 검정하였다. SWAT 모형의 보정 및 검정 결과에 대한 적용성 평가를 위하여 유출량에 대해 결정계수(coefficient of determination; R2) 및 Nash and Sutcliffe(1970)가 제안한 모형효율(model efficiency; E)을, 증발산량 및 토양수분에 대해 결정계수를 산정하여 검토하였다.
먼저 모형의 입력자료인 기상자료 및 지형자료를 획득하여 구축하였고, 모형의 검 · 보정 위하여 유출, 증발산, 토양수분 실측자료를 획득하였다. SWAT 모형은 유츨량, 증발산, 토양수분 자료가 동시에 측정된 2007년 자료를 사용하여 보정된 후, SWAT 모형의 모의값은 유출량은 2003~2008년, 증발산과 토양수분은 2008년의 관측값과 비교, 분석한 뒤 전체적인 검증을 통해 모형의 적용성 평가를 실시하였다. 유출량의 검 · 보정 이용한 모의결과보다 다른 실측자료를 이용한 모의결과가 신뢰성이 높게 나타났다(결정계수(R2) 상향: 유출량은 0.
2002년을 초기구동기간(warm-up period)으로 설정하였으며, 증발산량, 토양수분 및 유출량이 동시에 측정된 2007년을 보정하였고, 2003년부터 2006년 및2008년을 검정하였다. SWAT 모형의 보정 및 검정 결과에 대한 적용성 평가를 위하여 유출량에 대해 결정계수(coefficient of determination; R2) 및 Nash and Sutcliffe(1970)가 제안한 모형효율(model efficiency; E)을, 증발산량 및 토양수분에 대해 결정계수를 산정하여 검토하였다.
2) 양질의 수문자료를 얻고 있으며, 이 중 모형의 신뢰성을 높이기 위하여 최근 자료인 2002년부터 2008년까지의 기상자료를 이용하여 입력 자료를 구축하였으며, 대상유역에서 측정되지 않는 기상자료는 인접한 동두천기상대의 자료를 이용하였으며, 일사량은 기상청에서 자료를 제공하지 않으므로 동일한 기간의 일조시간과 위도 등을 이용하여 일사량을 계산(Yoon, 2009)한 값을 이용하였다. 공간자료는 국토지리정보원에서 제공하는 격자크기 30m의 수치표고 모델(Digital Elevation Model, DEM)을 이용하였으며, 토지이용 자료는 가장 최근에 제공한 Landsat TM 위성영상(2004년)을 수집 및 분석하여 주거지, 교통지, 밭, 활엽수림, 침엽수림, 혼효림, 나지 및 기타 초지의 8개 항목으로 분류하였으며, 농촌진흥청에서 제공한 1:25,000 정밀토양도등을 이용하였다(Fig. 3).
먼저 모형의 입력자료인 기상자료 및 지형자료를 획득하여 구축하였고, 모형의 검 · 보정 위하여 유출, 증발산, 토양수분 실측자료를 획득하였다.
유출량만을 이용한 검 · 보정 결과와 증발산량 및 토양수분을 함께 검 · 보정 결과를 비교해 보기 위하여 먼저 유출에 관련된 모수만을 조절한 뒤 각 수문성분에 대한 결과를 도출하였다(Table 2 and Fig. 4
, 2002)을 참고하였다. 증발산량 및 토양수분은 신뢰할 만한 실측자료가 각각 2007년 9월 및 2007년 6월부터 2008년 12월까지 수집되었으므로 그 기간 동안의 실측값과 모의값을 비교 및 분석하였다. 2002년을 초기구동기간(warm-up period)으로 설정하였으며, 증발산량, 토양수분 및 유출량이 동시에 측정된 2007년을 보정하였고, 2003년부터 2006년 및2008년을 검정하였다.
증발산량에 대한 검 · 보정은 유역의 혼효림에서 플럭스타워의 에디공분산 시스템을 이용하여 측정된 자료를 이용하였고, 토양수분에 대한 검 · 보정 설마천 유역 사양토(덕산 토양통) 지점에서 TDR(Time Domain Reflectormetry) 센서를 이용하여 측정된 자료를, 유출량은 유역출구지점의 자료를 이용하여 실시되었다.
대상 데이터
본 연구의 대상 유역은 설마천 유역으로, 동경 126° 52'~126° 58', 북위 37° 55'~37° 58' 사이에 위치한다.
), 평균풍속(m/sec), 평균상대습도(%), 기온(℃) 등의 수문기상자료와 수치지형도, 토지이용도, 토양도 등의 공간자료가 필요하다. 현재 한국건설기술연구원의 시험 유역으로 운영 (1995~현재)되고 있는 설마천 유역에는 우량관측소, 수위관측소 및 기상관측소가 설치되어(Fig. 2) 양질의 수문자료를 얻고 있으며, 이 중 모형의 신뢰성을 높이기 위하여 최근 자료인 2002년부터 2008년까지의 기상자료를 이용하여 입력 자료를 구축하였으며, 대상유역에서 측정되지 않는 기상자료는 인접한 동두천기상대의 자료를 이용하였으며, 일사량은 기상청에서 자료를 제공하지 않으므로 동일한 기간의 일조시간과 위도 등을 이용하여 일사량을 계산(Yoon, 2009)한 값을 이용하였다. 공간자료는 국토지리정보원에서 제공하는 격자크기 30m의 수치표고 모델(Digital Elevation Model, DEM)을 이용하였으며, 토지이용 자료는 가장 최근에 제공한 Landsat TM 위성영상(2004년)을 수집 및 분석하여 주거지, 교통지, 밭, 활엽수림, 침엽수림, 혼효림, 나지 및 기타 초지의 8개 항목으로 분류하였으며, 농촌진흥청에서 제공한 1:25,000 정밀토양도등을 이용하였다(Fig.
데이터처리
(b))와 유출량만을 이용한 검 · 보정 결과를 비교 분석 하였다.
이론/모형
사상모형은 토양에 대한 침투능력이나 그 외의 수문학적 차단 능력이 건조 기간 동안 달라지는 현상을 모의하지 못하는 반면 연속형 모형은 장기간에 걸친 호우와 건조기간에 대한 유출을 모의할 수 있다는 장점이 있다(Han, 2009). 따라서 본 연구에서는 장기간에 걸친 증발산량, 토양수분 및 유출량을 모의하고 각 수문성분에 관련된 모수의 조절을 통해 모형의 모의 결과를 향상시키기 위하여 미국 농무성 농업연구소(USDA Agricultural Research Service, ARS) 에서 개발한 SWAT모형을 적용하였다. 이 모형은 물리적 기반의 준분포형 장기 강우-유출 모형으로서, 대규모의 복잡한 유역에서 장기간에 걸친 다양한 종류의 토양과 토지이용 및 토지관리 상태에 따른 유출의 영향을 예측하기 위해 개발되었으며 물수지 방정식에 근거를 두고 강수, 증발산, 지표유출, 기저유출, 지하수, 토양수분 등에 대한 모의를 각 수문반응단위(HRUs, Hydrologic Response Units) 별로 계산 할 수 있다(Arnold et al.
본 연구에서는 각 수문성분에 관련된 모수를 이용하여 보정을 실시하였다. 선정된 모수 및 보정값은 Table 1과 같으며, 모수의 선정은SWAT Theoretical Documentation(Neitsch et al., 2002)을 참고하였다. 증발산량 및 토양수분은 신뢰할 만한 실측자료가 각각 2007년 9월 및 2007년 6월부터 2008년 12월까지 수집되었으므로 그 기간 동안의 실측값과 모의값을 비교 및 분석하였다.
본 연구는 실측된 여러 수문자료가 SWAT수문모형의 불확실성 및 오차의 감소를 위해 어떻게 이용될 수 있는 지에 대하여 알아보고자 하였다. 이를 위해 전형적인 산지 유역인 설마천 유역을 대상으로 준분포형 장기강우유출모형인 SWAT 모형을 적용하여 수문성분의 특성을 살펴보았다. 먼저 모형의 입력자료인 기상자료 및 지형자료를 획득하여 구축하였고, 모형의 검 · 보정 위하여 유출, 증발산, 토양수분 실측자료를 획득하였다.
성능/효과
이는 토양수분으로부터 증발산이 발생하고 이로 인해 유출에 까지 영향을 미치는 ‘물수지’의 현상을 재현했음을 알 수 있었다. 그 결과 토양수분의 R2는 0.49에서 0.59로 상향되었으며, 함유율은 평균 15.7%에서 13.2%로 감소하였다. 유출량에서 R2는 0.
4(b))와 유출량만을 이용한 검 · 보정 결과를 비교 분석 하였다. 그 결과, 증발산량의 R2는 0.52에서 0.59로 상향 되었으며, 증발산의 총량은 332.5mm에서 450.0mm로 약 1.5배 가까이 상향되었다. 특히 여름철 증발산량이 매우 크게 증가함을 확인 할 수 있었는데 (Fig.
4) 이는 증발산량이 계절에 따른 온도 변화 및 일사량 변화에 영향을 받기 때문이며, 이러한 결과의 비교를 통해 유출에 관련된 모수의 조절이 증발산량 및 토양수분에 크게 영향을 미치지 못함을 알 수 있었다. 또한 증발산량과 토양수분에 관련된 모수가 서로 같고, 이들을 조절 했을 때 증발산량 및 토양수분의 수문곡선 변화뿐만 아니라 유출 수문 곡선의 기저 부분도 실측과 가깝게 변화함을 보였다. 이는 토양수분으로부터 증발산이 발생하고 이로 인해 유출에 까지 영향을 미치는 ‘물수지’의 현상을 재현했음을 알 수 있었다.
유출량의 검 · 보정 이용한 모의결과보다 다른 실측자료를 이용한 모의결과가 신뢰성이 높게 나타났다(결정계수(R2) 상향: 유출량은 0.72에서 0.76, 토양수분은 0.49에서 0.59, 증발산은 0.52에서 0.59).
이로써 기존 연구와 같은 유출량만을 이용한 검 · 보정 결과는 다른 수문성분에 대한 불확실성을 내포함을 알 수 있었으며, 실측된 다른 수문자료를 함께 이용하여 검 · 보정을 실시하였을 때 물수지를 구성하는 수문성분에 대한 불확실성이 감소함을 알 수 있었다.
특히 여름철 증발산량이 매우 크게 증가함을 확인 할 수 있었는데 (Fig. 4) 이는 증발산량이 계절에 따른 온도 변화 및 일사량 변화에 영향을 받기 때문이며, 이러한 결과의 비교를 통해 유출에 관련된 모수의 조절이 증발산량 및 토양수분에 크게 영향을 미치지 못함을 알 수 있었다.
후속연구
그러나 2007년부터 한국건설기술연구원 유량조사사업단에 의해 설마천 유역의 증발산량 및 토양수분의 측정이 동시에 이루어짐에 따라 비교가능한 양질의 실측자료가 축적되었고, 따라서 본 연구는 이렇게 축적된 실측자료를 이용하여 SWAT 모형의 최적화되지 않은 모수의 공간적인 보정을 실시하여 모형의 불확실성 감소 및 적용성을 평가해 보고자 하였다. 이러한 실측자료의 활용은 보다 신뢰도 높은 모형의 모의결과를 도출할 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
SWAT 모형의 적용성 평가가 대부분 유출 자료만 사용하여 이루어지는 이유는?
국내 수문관측자료의 부족으로SWAT(Soil Water Assessment Tool) 모형의 적용성 평가는 대부분 유출자료만을 사용하여 이루어진다. 본 연구는 실측된 여러 수문자료가 SWAT수문모형의 불확실성 및 오차의 감소를 위해 어떻게 이용될 수 있는 지에 대하여 알아보고자 하였다.
수문모형의 정확도의 불확실성이 필연적인 이유는?
수문성분의 물리적인 움직임을 모의하는데 있어 수문모형은 주어진 입력자료에 영향을 받은 출력자료를 생성하게 된다. 이때 모의된 결과를 실측자료와 비교하여 수문모형의 정확도를 검증하는 과정이 반드시 필요하게 되는데, 모형의 입력자료, 결과 비교를 위한 실측자료의 오차 및 최적화 되지 않은 모수 또는 수문모형자체의 왜곡 등으로 인하여 불확실성은 필연적으로 발생하게 된다. 일반적인 수문모형의 보정과정 중에는 최적화되지 않은 모수에 의한 오차만을 최소화 시킬 수 있으며(Refsgaard and Storm, 1996), 이러한 모수를 실측자료에 근거하여 보정함으로써 수문모형의 적정성을 검토하고 신뢰성 있는 수문분석 결과를 얻으려고 한다 (Jang, 2003).
집중형 모형과 분포형 모형의 특징은?
유역 특성에 따라 전원유출모형과 도시유출모형으로 나눌 수 있으며, 도시유출모형의 특징으로 도시유역 하수관거의 모의가 가능하다는 점을 꼽을 수 있다. 모수의 공간적 변화 유무에 따라 분포형 모형과 집중형 모형으로 구분할수 있는데 집중형 모형은 모든 유역을하나의 특별한 점이라고 가정하여 입력자료, 경계조건, 유역의 지형적 특성 등의 공간적 변화를 고려하지 않는 방법으로 결과를 계산 하여 입력값인 강우를 출력값인 유출로 변환 시키는 반면, 분포형 모형은 공간적 변화를 고려하여 공간에서 발생하는 물리적인 과정을 고려한 계산을 통해 자연계의 현상을 규명함으로써 집중형 모형보다 더욱 자세한 이론을 바탕으로 물리적 현상에 접근한다는 장점이 있다. 사상모형은 토양에 대한 침투능력이나 그 외의 수문학적 차단 능력이 건조 기간 동안 달라지는 현상을 모의하지 못하는 반면 연속형 모형은 장기간에 걸친 호우와 건조기간에 대한 유출을 모의할 수 있다는 장점이 있다(Han, 2009).
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