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문제 정의
- 본 연구에서는 금강 수계 갑천 유역을 대상으로 SWMM 모델을 구축하고 각 소유역의 불투수면적 증가에 따른 변화를 분석하였다. 또한 실제 1975년부터 2000년까지의 갑천 유역의 Landsat 위성영상 자료 분석을 통한 토지 이용변화를 적용하여 도시화에 따른 유황변화 분석을 실시하였으며 연구 결과를 요약하자면 다음과 같다.
- 본 연구에서는 유역의 불투수면 비율의 증가가 유역에서의 강우 유출에 미치는 영향을 파악하기 위하여 SWMM (Storm Water Management Model) 모형을 이용하여 도시화 유역의 물 순환 시스템을 구축하고 불투수면적 변화에 따른 강우유출특성을 파악하고자 한다. 시범유역 선정은 유역환경 변화를 바탕으로 수문 관측, 수질 측정, 생태계 조사 등 환경자료의 축적 수준을 고려하여 대전광역시와 계룡시의 개발과 더불어 불투수면의 변화가 지속적으로 나타난 지역으로 갑천 유역을 시범 유역으로 선정하였다.
제안 방법
- 갑천 유역의 도시화에 따른 유출량 규모와 변동성을 평가하기 위하여 Searcy(1959) 에 의해 처음 제안된 유황곡선 (flow duration curves)을 통한 분석을 실시하였다. 1975년부터 2000년까지의 연속적인 불투수면 변화를 SWMM 모형에 적용하여 보정기간과 검증기간을 재현기간으로 하여 강우-유출 모의를 실시하고 각각에 대한 유황분석을 하였다. 도시화 과정에 나타난 유출 변화 특성 분석은 유황분석의 기준이 되는 하천유량으로 풍수량(Q95), 평수량 (Qi85), 저수량 (Q275), 갈수량 (Q355) 의 변화를 비교하여 이루어졌다 (Fig.
- 국가수자원관리 종합정보시 스템 (WAMIS) 에 서 제공하는 Landsat 위성영상 자료를 이용하여 시범유역에 대한 과거 1975년부터 2000년까지의 5년 단위 토지피복 변화를 모형에 적용하였다. 영상자료는 연도별 센서의 차이로 인하여 1975년도와 1980년도의 자료는 해상도가 60 m 60 m, 그 이후는 30 m 30 m의 자료이기 때문에 많은 오차가 예상되지만 전체적인 유역의 토지이용 변화의 개략적인 확인에는 이용 가능할 것으로 판단된다.
- 1975년부터 2000년까지의 연속적인 불투수면 변화를 SWMM 모형에 적용하여 보정기간과 검증기간을 재현기간으로 하여 강우-유출 모의를 실시하고 각각에 대한 유황분석을 하였다. 도시화 과정에 나타난 유출 변화 특성 분석은 유황분석의 기준이 되는 하천유량으로 풍수량(Q95), 평수량 (Qi85), 저수량 (Q275), 갈수량 (Q355) 의 변화를 비교하여 이루어졌다 (Fig. 10, 11).
- 분석하였다. 또한 실제 1975년부터 2000년까지의 갑천 유역의 Landsat 위성영상 자료 분석을 통한 토지 이용변화를 적용하여 도시화에 따른 유황변화 분석을 실시하였으며 연구 결과를 요약하자면 다음과 같다.
- 모델의 유출량 보정과 검증은 각각 2007년과 2008년에 갑천 하류 말단 수질오염총량관리지점(갑천 A) 에서 실측한 8일 자료와 시간별 모의결과를 비교하여 이루어졌으며 Fig. 4, 5에 나타내었다. 모의값과 실측값의 선형회귀 관계를 판단하는 결정계수(coefficient of determination, R2)와 모의 값과 실측값의 제곱오차로부터 평균제곱오차를 구하여 제곱근을 구한 것으로 모의결과의 평균오차를 나타내는 예측 오차(root mean square error, RMSE), Nash and Sutcliffe (1970)에 의해 제안된 모형효율성 지수(Efficient Index, EI) 를 이용하여 모델의 오차와 신뢰성을 평가하였다.
- 고려되어야 한다. 연구에서는 모형의 비교평가를 위하여 갑천 유역의 수질측정망을 고려하여 GIS(Geographic Infor mation Sy stem) 와 SWAT(Soil and water assessment Tool) 모형의 유역자동분할(watershed delineation) 기능을 이용하여 전체유역을 36개의 소유역 (subcatchment) 으로 나누고 물순환 시스템을 구성하였다(Fig. 3).
- Soil Conservation Service, SCS)의 유출곡선지수법 (Curve Number, CN)의 사용이 가능하나 국내유역의 경우에는 Horton 식과 Green-Ampt 식을 적용하기 위한 자료가 충분하지 않고 적용성이 미흡하여 유출곡선지수법을 이용하였다. 유출 곡선 지수 법을 적용하기 위하여 환경부 중분류 토지 피복 도와 수문학적 토양군을 이용하여 소유역에서의 개별 토지 피복에 대한 수문학적 토양군의 비율을 나누어 위성영상 피복 분류항목에 대한 CN값 산정표(배덕효 등, 2003)를 토대로 CN 값을 산정하였다.
- 기상자료는 갑천 유역 주변 대전과 금산 기상대에서 관측한 매시 강우 자료를 사용하였다. 지형 자료와 하천 및 관로자료는 GIS를 이용하여 각 소유역의 면적, 기울기, 너비, 하천길이 등의 정보를 추출하여 모형에 적용하였다(Table 2). 유역의 불투수 면적 은 토지이 용분류를 활용하여 지적통계상의 28가지 지목분류(전, 답, 과수원, 종교용지, 사적지, 묘지, 잡종지, 수도용지, 공원, 운동장, 유원지, 철도용지, 하천, 제방, 구거, 유지, 대지, 공장용지, 학교용지, 도로, 목장용지, 임야, 광천지, 염전, 주차장, 주유소용지, 창고용지, 양어장) 중 불투수면적이 높은 대지, 학교용지, 공장용지, 도로, 주유소용지, 주차장을 불투수면으로 간주하여 각 소유 역에서의 면적을 산정하였다(최지용과 장수환, 2003).
- 현재 갑천 유역의 각 소유역별 투수면적을 10%, 20%, 30%, 40%, 50%씩 감소시키면서 유역의 불투수면적을 증가시켰을 때의 유출량 변화를 비교하여 보았다. 2007년도의 강우 사상에서 투수면적이 50%로 감소함에 따라 유역의 최종유출구에서의 첨두유량은 87.
대상 데이터
- 기상자료는 갑천 유역 주변 대전과 금산 기상대에서 관측한 매시 강우 자료를 사용하였다. 지형 자료와 하천 및 관로자료는 GIS를 이용하여 각 소유역의 면적, 기울기, 너비, 하천길이 등의 정보를 추출하여 모형에 적용하였다(Table 2).
- 2 프로그램을 이용하였다. 데이터 추출에 쓰인 갑천 유역의 DEM(Digital Elevation Model) 은환경부에서 제공하는 해상도 30 m의 자료를 이용하였고, 토양도는 농업과학기술원의 1:25, 000 정밀토양도, 토지이 용도는 환경부 중분류 토지피복도를 이용하였다. 갑천 유역의 DEM 과 경사도는 Fig.
- 모형의 구조는 5개의 실행블록과 5개의 보조 블록으로 구성되어 있으며, 126개의 부 프로그램을 포함하고 있다 (Fig. 2). 본 연구에서는 강우시 유역에서의 유출현상을 모의하기 위하여 RUNOFF 블록을 이용하였다.
- 본 연구의 대상유역인 갑천 유역은 유역면적 648.97 km2 이고, 북쪽은 대청댐 하류의 금강본류 유역과 접해 있으며 동쪽 및 남쪽 일부도 역시 금강본류인 대청댐 상류 유역과 접해있으며 총 유로연장은 62.8 km로 그 중 직할하천 구간이 35.6 km이며, 유역의 최남단 지점은 갑천의 유역 형상을 전체적으로 장방형을 이루고 있으며 하상경사는 유등천 합류 후인 하류부 구간이 약 1/1100 정도이며 대전시 구간인 중류부는 1/650, 1/430로서 비교적 급한 편이다. 갑천은 충청남도와 전라북도의 도경계에 있는 표고 EL.
- 강우유출특성을 파악하고자 한다. 시범유역 선정은 유역환경 변화를 바탕으로 수문 관측, 수질 측정, 생태계 조사 등 환경자료의 축적 수준을 고려하여 대전광역시와 계룡시의 개발과 더불어 불투수면의 변화가 지속적으로 나타난 지역으로 갑천 유역을 시범 유역으로 선정하였다. 본 연구 결과는 유역의 불투수면 관리를 위한 기초정보를 제공하며, 향후 불투수면 지표모델 개발, 불투수면 증가가 수질과 생태계에 미치는 영향 평가, 도시유역 물 순환시스템 해석을 통한 불투수면 저감방안 수립 등에 활용될 것으로 기대한다.
데이터처리
- 대상 유역의 특성 자료 및 모델에 필요한 입력 자료의 추출을 위해 ArcGIS 9.2 프로그램을 이용하였다. 데이터 추출에 쓰인 갑천 유역의 DEM(Digital Elevation Model) 은환경부에서 제공하는 해상도 30 m의 자료를 이용하였고, 토양도는 농업과학기술원의 1:25, 000 정밀토양도, 토지이 용도는 환경부 중분류 토지피복도를 이용하였다.
- 4, 5에 나타내었다. 모의값과 실측값의 선형회귀 관계를 판단하는 결정계수(coefficient of determination, R2)와 모의 값과 실측값의 제곱오차로부터 평균제곱오차를 구하여 제곱근을 구한 것으로 모의결과의 평균오차를 나타내는 예측 오차(root mean square error, RMSE), Nash and Sutcliffe (1970)에 의해 제안된 모형효율성 지수(Efficient Index, EI) 를 이용하여 모델의 오차와 신뢰성을 평가하였다. R2는 피어슨 상관계수의 제곱으로 표현되고, 관측과 모의유량의 분산 정도를 설명할 수 있다(Legate and McCabe, 1999).
이론/모형
- 이는 대덕연구단지, 정부청사가 이전한 둔산 신도시, 노은 택지개발 지구, 그리고 계룡시 등 유역 내에서 지속적이고 활발한 토지이용 변화가 주요한 원인으로 판단된다. 갑천 유역의 도시화에 따른 유출량 규모와 변동성을 평가하기 위하여 Searcy(1959) 에 의해 처음 제안된 유황곡선 (flow duration curves)을 통한 분석을 실시하였다. 1975년부터 2000년까지의 연속적인 불투수면 변화를 SWMM 모형에 적용하여 보정기간과 검증기간을 재현기간으로 하여 강우-유출 모의를 실시하고 각각에 대한 유황분석을 하였다.
- 본 연구에서 사용한 강우-유출 모형은 도시유역의 강우에 의한 유출량을 산정하기 위하여 19기년 미국 EPA 의 지원아래 Metcalf & Eddy사가 개발한 SWMM 모형이다. 이 모형은 유역의 강우-유출해석뿐만 아니라 Florida 대학 및 WRE(Water Resources Engineers)의 공동연구에 의하여 도시유역 하수관거시스템내의 유량과 수질 변화도 모의할 수 있도록 구성되었다(Huber and Dickinson, 1988).
- 2). 본 연구에서는 강우시 유역에서의 유출현상을 모의하기 위하여 RUNOFF 블록을 이용하였다. RUNOFF 블록은 SWMM 모형의 초기연산이 수행되는 부분으로 강우 사상에 대해 배수유역에서의 유출현상과 수질변화를 모의한다.
- 유역의 불투수 면적 은 토지이 용분류를 활용하여 지적통계상의 28가지 지목분류(전, 답, 과수원, 종교용지, 사적지, 묘지, 잡종지, 수도용지, 공원, 운동장, 유원지, 철도용지, 하천, 제방, 구거, 유지, 대지, 공장용지, 학교용지, 도로, 목장용지, 임야, 광천지, 염전, 주차장, 주유소용지, 창고용지, 양어장) 중 불투수면적이 높은 대지, 학교용지, 공장용지, 도로, 주유소용지, 주차장을 불투수면으로 간주하여 각 소유 역에서의 면적을 산정하였다(최지용과 장수환, 2003). 유역에서의 침투는 Horton 식, Green-Ampt 식, 미국 토양보존국(U.S. Soil Conservation Service, SCS)의 유출곡선지수법 (Curve Number, CN)의 사용이 가능하나 국내유역의 경우에는 Horton 식과 Green-Ampt 식을 적용하기 위한 자료가 충분하지 않고 적용성이 미흡하여 유출곡선지수법을 이용하였다. 유출 곡선 지수 법을 적용하기 위하여 환경부 중분류 토지 피복 도와 수문학적 토양군을 이용하여 소유역에서의 개별 토지 피복에 대한 수문학적 토양군의 비율을 나누어 위성영상 피복 분류항목에 대한 CN값 산정표(배덕효 등, 2003)를 토대로 CN 값을 산정하였다.
- 15로 입력하여 주었다. 저류깊이는 SWMM 사용자 지침서(Rossman, 2008)에서 제시한 범위내에서 불투수지역의 저류깊이는 1.27 mm, 투수지역의 저류 깊이는 5.1 mm 로 모델에 적용하였다 (Table 3).
- 조도계수 값이 입력되어진다. 투수지역의 조도 계수와 불투수 지역의 조도계수는 McCuen 등(1996)이 제시한 Over land Flow의 Manning 조도계수 값을 이용하여 불투수 지역은 0.015, 투수지역은 0.15로 입력하여 주었다. 저류깊이는 SWMM 사용자 지침서(Rossman, 2008)에서 제시한 범위내에서 불투수지역의 저류깊이는 1.
성능/효과
- 1) 갑천 유역의 물 순환 해석을 위해 SWMM 모형을 구축하고 2007년과 2008년 수문사상을 대상으로 모델을 보정 및 검증한 결과, 모델은 갑천 말단에서 실측한 유량의 시계열 변화를 적절히 모의하는 것으로 판단된다.
- 2) 검증된 모델을 이용하여 갑천 유역의 투수면적을 10% 에서 50%까지 감소시켜 유역의 불투수면적 증가에 따른 유출량 변화를 모의한 결과, 강우시에 첨두유량은 비례적으로 증가하였으며, 비강우시 기저유량은 감소하였으나 그 영향은 미미하게 나타났다. 이를 보완하기 위해 모델에서의 지하수 모의에 대한 검토가 필요하다.
- 때의 유출량 변화를 비교하여 보았다. 2007년도의 강우 사상에서 투수면적이 50%로 감소함에 따라 유역의 최종유출구에서의 첨두유량은 87.39 CMS에서 194.88 CMS로 123% 증가하였으며, 2008년도에는 92.26 CMS에서 190.5 CMS로 104.9% 증가함을 확인할 수 있었다. 불투수면 비율의 증가(또는 투수면 감소)에 따른 첨두유량의 변화량을 Table 5에 나타내었다.
- 3) Landsat 위성영상 자료로부터 추출한 1975년에서 2000 년까지 5년 단위의 갑천 유역 토지이용 변화를 분석한 결과 유역의 불투수면 비율은 1975년 4.9%에서 2000년 10.5%까지 약 2배 이상 증가하였다.
- 4) 1975년부터 2000년까지의 불투수면 변화 추세를 반영하여 2007년과 2008년 수문사상에 대한 강우-유출 해석을 수행하고 유황분석을 실시한 결과, 풍수량과 평 수량은 불투수 면적의 증가에 따라 증가한 반면 저수량과 갈 수량은 변화가 거의 나타나지 않았다. 이러한 결과는 SWMM 모델의 지하수 유출 해석 알고리즘에 대한 재검토가 필요함을 시사한다.
- 7은 가장 많은 비가 내렸던 2007년 9월 1일의 강우 사상에서의 불투수면 변화에 따른 유량 변화를 그래프로 나타낸 것이다. 강우 사상이 발생하였을 때 하천에서의 첨두유량 도달 시간을 비교한 결과 불투수면적을 증가시켰을 때 도달 시간이 빨라지는 것을 확인할 수 있다. 또한 시간별 모의결과에서 투수면적의 변화를 주지 않았을 때의 첨두유량 도달시간보다 투수면적이 10%에서 40% 감소할 때도 달 시간이 한 시간 정도 빠르게 나타났고, 50% 감소시켰을 때는 두 시간 빨리 다다름을 확인할 수 있었다.
- 469 CMS로 나타났다. 또한 보정 및 검증 기간의 EI 값은 각각 0.712와 0.923 으로 나타나 모델은 갑천 유역의 유출 해석에 적합한 것으로 판단된다. 모델 보정에 사용한 출구지점 유량자료가 8일간격의 측정 자료이므로 강우시 첨두유량 모의값과 실측값에 다소 오차가 발생하였다(Fig.
- 강우 사상이 발생하였을 때 하천에서의 첨두유량 도달 시간을 비교한 결과 불투수면적을 증가시켰을 때 도달 시간이 빨라지는 것을 확인할 수 있다. 또한 시간별 모의결과에서 투수면적의 변화를 주지 않았을 때의 첨두유량 도달시간보다 투수면적이 10%에서 40% 감소할 때도 달 시간이 한 시간 정도 빠르게 나타났고, 50% 감소시켰을 때는 두 시간 빨리 다다름을 확인할 수 있었다.
- 반면에 비강우시 장기 유출에서는 불투수면적 을 증가시켰을 때의 유역 유출량이 더 작아지는 것으로 나타났다(Fig 8). 이는 불투수면의 증가에 따라 표면 유출은 증가하지만 지하 침투와 기저 유출량은 상대적으로 감소하게 되어 평 갈수기 동안에는 유량이 작아진 것으로 판단된다.
- 분석 결과 불투수면적이 1975년부터 2000년까지 점차 증가하면서 풍수량과 평수량은 불투수면의 증가에 맞춰 증가하는 추세를 보였고, 저수량과 갈수량은 거의 변화가 없거나 오히려 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 불투수 면적의 증가와 더불어 강우시에 유역의 유출이 지배적으로 증가하고 비강우시에는 그 영향이 상대적으로 작게 반영되는 것으로 나타난 3.
- 적용하였다. 영상자료는 연도별 센서의 차이로 인하여 1975년도와 1980년도의 자료는 해상도가 60 m 60 m, 그 이후는 30 m 30 m의 자료이기 때문에 많은 오차가 예상되지만 전체적인 유역의 토지이용 변화의 개략적인 확인에는 이용 가능할 것으로 판단된다. 영상 자료상의 수역, 시가화지역, 나지, 습지, 초지, 산림, 농경지, 밭의 8가지 항목으로 나누어 분석한 유역주제도상 속성 정보 (Table 6)를 이용하여 수역 및 시가화지역을 제외한 나머지 6가지 피복을 투수지역으로 나누고 수역과 시가화지역은 불투수지역으로 간주하여 갑천 유역의 불투수면 변화를 Table 7에 나타내었다.
- 하천수질관리 측면에서 미국 등 선진국의 많은 연구 결과들을 종합해 보면, 유역의 개발로 인해 불투수면적이 10~ 15%를 초과하게 될 때 개발이전 상태의 하천 수질 상태를 유지하기란 매우 어렵다는 공통된 결과를 보여준다. 국내연구에서도 불투수면 비율이 25%를 초과할 경우 하천복원사업의 노력에도 불구하고 목표수질 기준 달성이 어려움을 보고한 바 있다(한강수계관리위원회, 2007).
후속연구
- 5) 본 연구의 결과는 유역의 불투수면 관리를 위한 기초정보를 제공하며, 불투수면 지표 모델 연구를 통하여 불투수 면 저감방안 수립 및 유역관리 등에 효과적으로 활용할 수 있을 것으로 기대한다. 추후 연구에서 불투수 면 증가가 수질과 생태계에 미치는 영향을 분석하고 불투수 면 지표모델 개발을 통한 효과적인 유역관리 방안을 제시할 계획이다.
- 그러나 불투수면적의 증가에 따른 유역의 유출량 변화는 강우시에 지배적으로 나타난 반면, 비강우시에는 그 영향이 상대적으로 작게 반영되고 있다. 때문에 모델의 장기유출 모의 성능 평가를 위해서는 모델의 지하수모의 성능에 대한 추가 검토가 필요하다.
- 시범유역 선정은 유역환경 변화를 바탕으로 수문 관측, 수질 측정, 생태계 조사 등 환경자료의 축적 수준을 고려하여 대전광역시와 계룡시의 개발과 더불어 불투수면의 변화가 지속적으로 나타난 지역으로 갑천 유역을 시범 유역으로 선정하였다. 본 연구 결과는 유역의 불투수면 관리를 위한 기초정보를 제공하며, 향후 불투수면 지표모델 개발, 불투수면 증가가 수질과 생태계에 미치는 영향 평가, 도시유역 물 순환시스템 해석을 통한 불투수면 저감방안 수립 등에 활용될 것으로 기대한다.
- 변화가 거의 나타나지 않았다. 이러한 결과는 SWMM 모델의 지하수 유출 해석 알고리즘에 대한 재검토가 필요함을 시사한다.
- 그러므로 유역과 하천의 수질 및 수생태계 관리를 위해서는 유역의 토지이용 특성을 고려하여 불투수면에 대한 관리 목표와 실행전략을 세우는 것이 필수적이다. 즉, 실현가능하고 효과적인 유역관리를 위해 해당 유역의 불투수면 현황을 조사하고, 불투수면과 물환경과의 상호관계를 일반화할 수 있는지 표를 개발하며, 불투수면을 고려한 유역의 물 순환 변화를 해석할 수 있는 물 순환 관리시스템을 구축할 필요가 있다. 아울러 사전 예방적 유역관리를 위해서는 유역 내 불투수 면의 영향을 저감하기 위한 침투 및 저류시설과 같은 구조적 관리방안을 모색할 필요가 있다.
- 수 있을 것으로 기대한다. 추후 연구에서 불투수 면 증가가 수질과 생태계에 미치는 영향을 분석하고 불투수 면 지표모델 개발을 통한 효과적인 유역관리 방안을 제시할 계획이다.
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