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문제 정의
- 본 논문에서는 수문 · 수자원 분야 활용을 위한 수치토양도의 현황에 대한 정보를 제공하고, 두가지 방법에 의해 분류된 수문학적 토양유형을 괴산군 소수면에 적용한 수치세부정밀토양도 (1:5,000) 기반으로 하여 SCS- CN법을 이용한 유효 우량 산정과 출곡선을 작성하고 물유출량을 평가한 결과를 소개하고자 한다.
가설 설정
- 첫째 가정을 총강수량 (또는 최대 지표유출 가능량)에 대한 실제 직접 유출량 (Q)의 비가 최대 보수 저장 가능량 (S)에 대한 실 침투량 (F)의 비에 비례한다는 것이다. 두 번째 가정은 초기감소 (Ia)이 가능 최대 보수 저장량에 비례한다는 것이다. 그러므로, SCS-CN은 다음 물수지식과 비례 균형 가정식을 포함한다.
- SCS-CN법은 물수지 식과 두 가지 기초적 가정에 근거한다. 첫째 가정을 총강수량 (또는 최대 지표유출 가능량)에 대한 실제 직접 유출량 (Q)의 비가 최대 보수 저장 가능량 (S)에 대한 실 침투량 (F)의 비에 비례한다는 것이다. 두 번째 가정은 초기감소 (Ia)이 가능 최대 보수 저장량에 비례한다는 것이다.
제안 방법
- 영상의 자료값을 이용하여 통계적인 방법에 기초하여 자동으로 분류하는 기존의 방법을 고해상도 영상에 적용할 경우 지목의 형태가 명확히 구분되지 않고 영상 판독자에 따라 결과가 다를 수 있으며 재현성이 확보되지 않는 등 불확실성 때문에 실용적으로 사용할 수 있는 자료를 생산해 내기가 어려우므로 영상 판독자가 화면에서 직접 디지타이징하여 경계를 작성하는 육안판독법을 이용하였다. Quickbird 영상 (2004년 11월 17일 촬영)과 수치지형도 (1:5,000)를 이용하여 흙 수로와 농로는 고려치 않고 논과 밭의 농경지 경계선을 작성하였고, 산림은 환경부 중분류 토지피복지도를 기반으로 하여 영상에서 세분류를 하였다. 흑백 항공사진과 Global Position System (GPS)를 이용하여 농경지에 대해서는 2004년 11월 16일에서 11월 18일에 걸쳐 모든 농경지에 대한 작물 재배현황과 토지이용을 전수조사하여 속성으로 구축하였다 (Fig.
- b) 국립농업과학원 (Jung et al., 2006)에서 2004~2006년도에 걸쳐 수행한 ‘유출곡선지수법의 활용을 위한 수문학적 토양유형 (이하 'HSG 2006'라 함) 분류’ 결과 작성한 두 종류의 수문학적 토양유형을 비교하였다.
- 식양질인 안룡통이 밭이나 임지에, 사양질인 사촌통이 곡간지 논에, 그리고 식양질인 임곡통이 곡간평탄지 논 등에 분포하며 배수등급은 논 토양에서 전반적으로 “약간불량” 인 특성을 나타내고 있는 지역이다. 대상 유역의 강우량은 8개의 강우관측소에서 30분 간격으로 관측된 것을 사용하고 유역말단에 초음파식 유량계 (Starflow Ultrasonic Doppler Flow Recorder, Geoscientific Ltd.) 1식을 설치하여 시간별 유량변화를 관측하였다.
- 52 m3sec-1이었다. 두 가지 수문학적 토양 유형 분류 기준에 따라 계산된 각 유효우량에 대하여 수문곡선을 합성하였고 실제 관측치와 비교하였다. Figure 7에서 보듯이 두 개 기준 모두 관측치와 유사한 변화 패턴을 보이고 있으나 실측치보다 감수부에서 급격하게 감소되는 특징을 나타냈다.
- 미계측 유역에 대한 직접유출량 산정에 가장 많이 사용되는 SCS-CN법을 이용하여 직접유출에 기여하는 유효우량을 산정하고 SCS 삼각단위도를 사용하여 첨두유량과 첨두시간을 계산하였다.
- 미계측 유역에 대한 직접유출량 산정에 가장 많이 사용되는 SCS-CN법을 이용하여, 충북 괴산군 소수면 소유역에서 직접유출에 기여하는 유효우량을 산정하고 SCS 삼각단위도를 사용하여 첨두유량과 첨두시간을 계산한 결과는 다음과 같다. HSG 1995와 HSG 2006 수문학적 토양유형과 토지이용별 CN값을 적용하여 유역의 CN값 (AMC II)을 구한 결과는 각각 54와 62로 나타났다.
- SCS-CN법은 유효우량의 크기에 직접적으로 영향을 미치는 인자로서 유역을 형성하는 토양, 토지이용, 식생피복, 선행토양함수조건 등을 고려한다. 본 연구에서 이들 인자들은 기 구축한 세부정밀토양도를 비롯한 수치지도 자료로부터 산출하였고 NEH-4에 제시된 CN 표를 참고하여 대상유역의 수문학적 토양유형별 유출곡선지수를 Table 3과 같이 부여하였다. 토양의 수리특성에 따라 분류한 수문학적 토양유형은 HSG 1995와 HSG 2006으로 각각 수치세부정밀토양도에 적용하여 비교하였다.
- 수문·수자원 분야에서의 활용도를 제고하기 위하여 HSG 1995와 HSG 2006 두가지 분류법에 의한 우리나라 수문학적 토양유형의 분포에 대한 정보를 제공하고 이를 각각 충북 괴산군 소수면의 소유역의 수치세부정밀토양도 (1:5,000)에 적용하여 SCS-CN법을 이용한 유효 우량 산정과 유출곡선을 작성한 결과는 다음과 같다.
- 유역경계를 추출하거나 평균경사를 계산하기 위한 수치표고모형 (DEM, digital elevation model)은 5m 간격의 등고선을 포함하는 1:5,000 수치지형도를 이용하여 주곡선, 계곡선을 포함하는 지형레이어를 추출하여 ArcInfo 커버리지 파일로 만들고 속성오류를 수정한 뒤 선형 보간하여 5 m × 5 m DEM을 구축하여 사용하였다.
- 지금까지 사용자에게 제공되었던 수치정밀토양도의 속성은 토양부호였고 따라서 사용자가 토양부호로부터 각종 토양정보를 알아내고 이로부터 정성적인 평가를 통해 수문학적 토양유형을 결정하거나 문헌을 참고로 만든 엑셀표로부터 GIS 프로그램을 이용하여 토양특성 자료를 연계 사용했었다. 때문에 여러 단계를 거치면서 잘못 사용할 수도 있고 사용자에 따라 다르게 사용할 수 있는 경우도 발견되었었다.
- Quickbird 영상 (2004년 11월 17일 촬영)과 수치지형도 (1:5,000)를 이용하여 흙 수로와 농로는 고려치 않고 논과 밭의 농경지 경계선을 작성하였고, 산림은 환경부 중분류 토지피복지도를 기반으로 하여 영상에서 세분류를 하였다. 흑백 항공사진과 Global Position System (GPS)를 이용하여 농경지에 대해서는 2004년 11월 16일에서 11월 18일에 걸쳐 모든 농경지에 대한 작물 재배현황과 토지이용을 전수조사하여 속성으로 구축하였다 (Fig. 3).
대상 데이터
- 2. A small watershed at upstream of Dongjin-cheon for study area (Sosu-myeon, Goesan-gun, Chungbuk).
- HSG 1995와 HSG 2006 수문학적 토양유형과 토지이용별 CN값을 적용하여 유역의 CN값 (AMC II)을 구한 결과는 각각 54와 62로 나타났다. 이 때, 우량계가 설치된 지점의 강우자료를 평균하여 2004년～2005년 강우사상별로 정리하여 초기손실량 (I)이 총강우량 (P)보다 큰 경우를 제외한 강우사상을 선택하였고, 8월 16일에서 강우사상 전까지 내린 강수에 따라 선행수분조건 III으로 조정하여 유효우량 산출을 위한 CN값을 각각 73과 79로 하여 사용하였다 (Table 7).
- HSG 1995와 HSG 2006 수문학적 토양유형과 토지이용별 CN값을 적용하여 유역의 CN값 (AMC II)을 구한 결과는 각각 54와 62로 나타났다. 이 때, 우량계가 설치된 지점의 강우자료를 평균하여 2004년～2005년 강우사상별로 정리하여 초기손실량 (I)이 총강우량 (P)보다 큰 경우를 제외한 강우사상을 선택하였고, 8월 16일에서 강우사상 전까지 내린 강수에 따라 선행수분조건 III으로 조정하여 유효우량 산출을 위한 CN값을 각각 73과 79로 하여 사용하였다. 강우사상에 대한 HSG 2006 기준의 유효우량이 56.
이론/모형
- 1. Determination of CN for AMC I throughout III using existing SCS-CN method.
- 실질적으로 농업 분야에서 필지단위 환경 정보를 추출하기 위해 필요한 상세 분류 데이터들을 작성하기 위해서는 공간해상도가 높은 위성 영상이나 항공사진을 이용하여 필지단위까지 세분할 필요성이 높아지고 있다. 영상의 자료값을 이용하여 통계적인 방법에 기초하여 자동으로 분류하는 기존의 방법을 고해상도 영상에 적용할 경우 지목의 형태가 명확히 구분되지 않고 영상 판독자에 따라 결과가 다를 수 있으며 재현성이 확보되지 않는 등 불확실성 때문에 실용적으로 사용할 수 있는 자료를 생산해 내기가 어려우므로 영상 판독자가 화면에서 직접 디지타이징하여 경계를 작성하는 육안판독법을 이용하였다. Quickbird 영상 (2004년 11월 17일 촬영)과 수치지형도 (1:5,000)를 이용하여 흙 수로와 농로는 고려치 않고 논과 밭의 농경지 경계선을 작성하였고, 산림은 환경부 중분류 토지피복지도를 기반으로 하여 영상에서 세분류를 하였다.
- 본 연구에서 이들 인자들은 기 구축한 세부정밀토양도를 비롯한 수치지도 자료로부터 산출하였고 NEH-4에 제시된 CN 표를 참고하여 대상유역의 수문학적 토양유형별 유출곡선지수를 Table 3과 같이 부여하였다. 토양의 수리특성에 따라 분류한 수문학적 토양유형은 HSG 1995와 HSG 2006으로 각각 수치세부정밀토양도에 적용하여 비교하였다.
성능/효과
- 산악지에서 주로 침투능이 크고 하성 또는 해안평탄지로 가면서 낮아지는 경향을 보였다. HSG 1995 토양유형 중 A군은 전체의 42.2%로 가장 넓게 분포하는 것으로 나타났고, B군 29.4%, C군 18.5%, D군 9.9% 순으로 나타났다. HSG 2006 토양유형은 A군 35.
- 산악지에서 주로 침투능이 크고 하성 또는 해안평탄지로 가면서 낮아지는 경향을 보였다. HSG 1995 토양유형 중 A군은 전체의 42.2%로 가장 넓게 분포하는 것으로 나타났고, B군 29.4%, C군 18.5%, D군 9.9% 순으로 나타났다. HSG 2006 토양유형은 A군 35.
- 7%로 D군이 가장 넓게 분포하는 특징을 가진다. HSG 1995에서 A, B, C군으로 분류되었다가 HSG 2006에서 D군으로 분류된 토양 유형의 비율이 약 34.1%로 나타나 국립농업과학원에 의해 분류된 토양유형 중 D군의 면적이 크게 늘어난 것을 알 수 있었다. 충북 괴산군 소수면 소유역의 수치세부정밀토양도에 기반한 수문학적 토양유형 분포특성을 나타낸 것으로 산림과 밭으로 이용되는 토양의 유형이 A로 분류되는 것은 일치하는 경향을 보였다.
- 이는 55%에 해당하는 면적의 토양유형은 분류방법에 따른 차이가 없었음을 의미한다. HSG 1995에서 B, C, D군으로 분류되었다가 HSG 2006에서 A로 분류된 토양유형은 전체의 약 4.2%였고, A, C, D군으로 분류되었다가 B로 분류된 토양유형은 약 3.5%, A, B, D군으로 분류되었다가 C로 분류된 토양유형은 약 3.0%로 크게 차이가 없었던 것에 비해, A, B, C군으로 분류되었다가 D군으로 분류된 토양유형의 비율이 약 34.1%로 나타나 국립농업과학원에 의해 분류된 토양유형 중 D군의 면적이 크게 늘어난 것을 알 수 있었다 (Table 5). 이와 같이 HSG 2006에서 D군의 면적이 증가한 까닭은 HSG 1995에서 정성적인 자료로 수문유형등급을 구분하면서 토성의 중요성이 과장되고 논토양의 토양 구조적 특이성에 따라 침투 및 투수성이 낮다는 점이 고려되지 않았기 때문이다.
- HSG 1995와 HSG 2006 수문학적 토양유형과 토지이용별 CN값을 적용하여 유역의 CN값 (AMC II)을 구한 결과는 각각 54와 62로 나타났다. 이 때, 우량계가 설치된 지점의 강우자료를 평균하여 2004년～2005년 강우사상별로 정리하여 초기손실량 (I)이 총강우량 (P)보다 큰 경우를 제외한 강우사상을 선택하였고, 8월 16일에서 강우사상 전까지 내린 강수에 따라 선행수분조건 III으로 조정하여 유효우량 산출을 위한 CN값을 각각 73과 79로 하여 사용하였다 (Table 7).
- SCS 무차원단위도를 이용한 유출곡선 작성 SCS 무차원단위도는 강우의 지속시간 (D)에 따라 유도된 SCS 삼각단위도의 첨두시간과 첨두유량을 이용하여 시간별 유효우량에 대한 유출수문곡선을 합성하는 방법이다. SCS 삼각단위도법에 따라, 본 연구 유역은 유달시간은 지표구간 (968.0 m)과 하도구간 (8,332.7 m)에 대해 1.47 hr로 계산되었고, 1시간 지속시간에 대해서 지체시간은 0.88 hr, 첨두시간은 1.38 hr이었다. 그리고 첨두유량은 유역면적 43.
- SCS-CN법을 이용하여 산출한 괴산군 소수면의 유효우량과 SCS 무차원단위도를 이용한 첨두 유출량 모두 HSG 1995보다 HSG 2006을 사용하였을 때 CN값이 높게 나타났는데, 이는 HSG 2006이 침투 및 투수성이 낮은 논토양의 특성을 보다 많이 반영되었기 때문이라고 생각된다. 토성 등의 이유로 HSG 1995에서 수문학적 토양유형이 B나 C로 분류된 논토양이 집중적으로 분포하는 지역에서는 HSG 2006을 사용했을 때 CN값이 더 높게 되고 따라서 첨두유량도 더 높게 평가된다.
- 7%로 D군이 가장 넓게 분포하는 특징을 가진다 (Table 4). 두 가지 방법으로 분류된 각각의 토양유형군이 일치하는 면적에 대한 전체 토양유형면적에 대한 비를 유사도로 정의하였을 때, Table 5와 같이 HSG 2006과 HSG 1995 토양유형의 유사도는 약 55%로 나타났다. 이는 55%에 해당하는 면적의 토양유형은 분류방법에 따른 차이가 없었음을 의미한다.
- 87 mm 보다 약 25% 많게 나타났다. 두 가지 수문학적 토양 유형 분류 기준에 따라 계산된 각 유효우량에 대하여 수문곡선을 합성하여 실제 관측치와 비교한 결과 두 개 기준 모두 관측치와 유사한 변화 패턴을 보이고 있으나 실측치보다 감수부에서 급격하게 감소되는 특징을 나타냈다. 첨두유량은 HSG 1995 보다는 HSG 2006 기준을 사용할 때 관측치와 더 가까운 값을 나타내었다.
- 분류방법에 따른 우리나라의 수문학적 토양유형은 지역에 따라 분포특성이나 유사도가 다르게 나타날 수 있다. Figure 5는 충북 괴산군 소수면 소유역의 수치세부정밀토양도에 기반한 수문학적 토양유형 분포특성을 나타낸 것으로 산림과 밭으로 이용되는 토양의 유형이 A로 분류되는 것은 일치하는 경향을 보였다. 면적도 전체 유역 면적의 약 83%로 비슷한 비율을 나타내었다 (Table 6).
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