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문제 정의
- 본 연구에서는 TOPMODEL에 적용된 지형인자로서의 지형지수를 수치고도모형으로부터 산출하고 TOPMODEL에 사용된 매개변수를 동정하여 쌍치유역의 매개변수의 특성을 파악하며, 쌍치유역의 유출을 모의하여 적용성을 평가하는것이 그 목적이다.
제안 방법
- TOPMODEL의 주요변수인 지형지수를 본 연구의 대상 유역인 쌍치유역에 대하여 산출하고, 패턴서치(PATTERN SEARCH)기법을 이용하여 매개변수를 최적화 하였다.
- Topmodel의 연구에 적용한 수문사상을 선택하고 이의선행작업으로 수문관측 현황을 조사한다. 쌍치 유역과 인근의 관측소 현황을 살펴보면 표 1과 같다.
- 유출량은 유역출구에 설치되어 있는 수위관측소 자료를 이용하고, 강우는 유역내의 우량관측소 자료를 이용한다. 따라서 2001년부터 2009년까지 수문자료를 수집하고, 자료의 상태를 파악하였다. 관측자료의 보유현황을 살펴보면 강수 관측은 매년 1월과 2월은 동절기 TELEMETER의 동파방지를 위해 관측을 하지 않았다.
- 본 연구에서는 TOPMODEL의 매개변수를 유역의 특성치를 이용하여 의사화 하였다. 먼저 투수량계수 T0는 유역 면적(A)과 수계길이(L)를 이용하여 다음과 같이 유도할 수 있다.
- 본 연구에서는 개념적 분포모형인 TOPMODEL을 쌍치유역에 적용하여 유출을 모의하기 위하여 셀 간격이 100m×100m인 수치고도모형(DEM)을 이용하여 쌍치유역의 지형지수를 산출하였으며, 쌍치유역의 우량관측소와 수위관측소의 강수량 및 수위자료를 바탕으로 시간단위의 수문사상을 선택하였으며, 선택된 수문사상을 TOPMODEL에 적용하여 유출을 모의하고 그 적합성을 판별하였다.
- 선택한 수문사상에 대하여 TOPMODEL을 이용하여 유출을 모의하였다. 그 결과 그림3~8과 같이 관측 유량을 잘 모의하는 것으로 나타났다.
대상 데이터
- 2007년 8월 4~8일의 수문사상은 강우지속시간이 20시간이며 최대강우강도가 23㎜/hr, 총 강우깊이가 151㎜인 비교적 많은 양의 강수량을 가지는 수문사상이다.
- 쌍치 수위관측소는 측정지점이 상‧하류 부분은 비교적 직선구간이고 하천정비가 잘되어 있는 상태이기 때문에 고수위시 유량측정이 용이한 지점이고, 상·하류 하상생태는 호박돌, 굵은 자갈 및 세사 등으로 구성되어 있어 심한 하상변동은 없으나, 제방부근에 잡초들이 무성하다. 관측 종명은 T/M이며 영점표고는 EL.221.151m이다[3].
- 본 연구의 기본 수문자료는 시강수량, 시수위, 수위-유량곡선식 등이다. 유출분석에 가장 중요한 것은 강수량과 유출량으로서 정확한 값이 요구된다[4].
- 본 연구의 대상유역은 섬진강 다목적 댐 상류에 설치되어 있는 쌍치수위표 지점을 유역의 출구로 한 쌍치유역이다.
- 본 연구의 대상유역인 쌍치유역의 지형지수를 구하기 위해 격자크기가 100m×100m인 수치고도모형(DEM)을 사용하였고, 지형지수 분포곡선의 종거수는 30개로 하였다.
- 쌍치 유역은 우리나라 5대강 유역의 하나인 섬진강 최상류에 있으며 경도 127 ° 00′41″,위도 35 ° 29′06″에 위치한다. 본 유역은 전라북도 순창군 복흥면 서마리에서 발원하여 정읍시 산내면 내죽리의 옥정호로 유입하는 섬진강수계의 제1지류이다. 섬진강다목적댐 전유역면적(763㎢)의 약 16.
- 수집된 수문자료를 이용하여 본 연구에 적용할 수문사상을 선택한 결과 2006년 7월 4~6일, 2007년 7월 5~9일, 2007년 8월 4~8일, 2008년 3월 19~26일, 8월 18~19일, 2009년 9월 23~25일 등 6개의 수문사상을 선택하였다[7](표 2).
이론/모형
- TOPMODEL에서 사용되는 m, T0, TD, CHV, RV, SRMAX, Q0, SRO 등의 매개변수를 Pattern Search기법을 이용하여 동정하였다. 모형의 매개변수 초기 값으로는 K.
- TOPMODEL의 매개상수를 동정하기 위해서 자동보정 방법인 Pattern-Search 기법을 채택하였다[12].
- 본 연구에서는 개념적 분포모형인 TOPMODEL을 쌍치유역에 적용하여 유출을 모의하기 위하여 셀 간격이 100m×100m인 수치고도모형(DEM)을 이용하여 쌍치유역의 지형지수를 산출하였으며, 쌍치유역의 우량관측소와 수위관측소의 강수량 및 수위자료를 바탕으로 시간단위의 수문사상을 선택하였으며, 선택된 수문사상을 TOPMODEL에 적용하여 유출을 모의하고 그 적합성을 판별하였다. 또한 모형의 매개변수를 동정하기 위하여 매개변수 조정법을 적용하였다.
- , SRO 등의 매개변수를 Pattern Search기법을 이용하여 동정하였다. 모형의 매개변수 초기 값으로는 K. J. BEVEN이 제안한 값을 사용하였다[9]. 각각의 수문 사상에 대하여 매개변수의 조정값은 아래의 표 3와 같다.
성능/효과
- 1. 쌍치유역의 지형지수를 계산한 결과 4.025~15.716의 범위를 가지고, 낮은 지형지수값을 가지는 지역이 많은 편으로 섬진강 유역의 최상류에 위치한 쌍치유역의 높은 고도값이 반영된 결과로 판단된다. 지형지수의 빈도가 가장 큰 값은 5.
- 2. 매개변수값의 조정 결과 m은 0.018~0.034의 범위를 가지며 평균값은 0.022, T0는8.0으로 일정한 값을 가지며, TD는 2007년 7월 5~9일의 수문사상은 8.0의 값을 갖고 나머지는 7.0을 가진다. 외 CHV는 3600.
- 3. 매개변수의 동정을 살펴보면 m은 유역의 강우발생 초기의 토양함수율과 매우 밀접한 관련이 있는 것으로 판단된다. 갈수기의 수문사상인 2008년 3월의 수문사상은 m값이 0.
- 4. TOPMODEL의 유출모의 결과 관측치와 비교하여 뛰어난 적용성을 보였다. 조정된 매개변수값을 쌍치유역의 유출을 모의한 결과 관측값과 모의값의 시간별 편차의 자승의 합이 1.
- 5. 유출모의 결과 총 유효강수량과 모의 유출량을 비교하여 63.94~79.93%의 유출률을 보였다. 이는 TOPMODEL이 쌍치유역의 유출해석에 매우 우수한 적용성을 나타낸 것이다.
- TOPMODEL을 적용한 연구사례를 종합하여 그 매개 변수 값의 범위를 살펴보면 m은 0.00666~0.03437, TD는 3~3000, SRMAX는 0.01~1의 범위를 가진다[8].
- 002의 값을 가진다. 매개변수의 변동으로 볼 때 수문 사상에 따라 m값과 T0, TD의 값은 예민하게 반응하였으나 나머지의 매개변수는 결과치에 거의 영향을 주지않았다.
- 64㎜이다. 본 수문사상은 강우가 최대강우시간대에 4시간에 걸쳐 총 강수량의 약 85%인 89㎜가 집중적으로 발생하여 상승곡선이 매우 급하고, 강우후기에도 유효강수량이 적어 매우 급한 곡선형을 보인다.
후속연구
- 유역의 유출과정은 지형, 토양수분상태, 기상상황 등에 따라 매우 복잡한 양상을 나타낸다. 따라서 수문학적 문제의 해결을 위해서는 지금까지 사용하여 왔던 방법보다 더욱 명확하고 많은 수문 정보를 획득할 수 있는 방법이 제시되어야 이러한 문제를 해결 할 수 있을것이다. 지금까지 하천유역의 수문학적 지형정보는 자료가 방대하여 이들을 획득하기 위해서는 많은 시간과 노력이 필요하였다[1].
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