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문제 정의
- 본 연구에서는 L-THIA와 SCE-UA를 연계 · 적용하여 과거 17년(1991～2007)동안의 월별 직접유출량에 대하여 검 · 보정을 수행하고 임하호 유역에 대한 토지이용별 그리고 토양배수등급별 대표 CN값을 도출함으로써, 임하호유역의 직접유출특성을 파악하고 임하호유역을 대상으로하는 CN관련 모델 연구자들에게 기초자료를 제공하고자 한다.
제안 방법
- 본 연구에서는 임하호내 8개의 강우량 관측지점을 포함하고 있기 때문에 공간적인 강우특성을 반영하기 위하여 8개 지점의 측정소를 이용하여 티센망을 생성한 후 30×30 m 격자크기의 그리드파일로 변환하였다.
- 임하호유역을 대상으로 과거 17년 (1991∼2007)동안의 월별 직접유출량을 L-THIA모델과 SCE-UA 최적화 기법을 연계적용하여 임하호 유역의 토지이용별 그리고 토양배수등급별 대표 CN 값을 도출하고 고찰한 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 토지이용도는 환경부에서 제공하는 2007년 기준의 중분류 토지피복도를 30×30 m 격자크기의 그리드파일로 변환하였다.
- 4와 같다. 토지이용도와 토양배수등급도를 중첩시켜 각 셀별 CN값을 할당하는데, SCE-UA에 의한 유출량 자동보정시 CN값은 미농림부에서 토지피복 및 경작상태, 불투수층면적등에 따라 추천된 각 토지이용별 그리고 토양배수등급별 CN값 범위내에서 찾도록 하였다 (Table 2).
대상 데이터
- 연구대상지역인 임하댐은 경상북도 안동시 임동면 망천리와 임하리 사이에 위치한 다목적댐으로 높이 73 m, 길이 515 m이며 총저수량은 5억 9천만 톤의 록필식 사력댐이다. 유역면적은 1,461 km2이고 유역평균경사는 40.
- 본 연구에서는 임하호내 8개의 강우량 관측지점을 포함하고 있기 때문에 공간적인 강우특성을 반영하기 위하여 8개 지점의 측정소를 이용하여 티센망을 생성한 후 30×30 m 격자크기의 그리드파일로 변환하였다. 임하호유역의 유출량 자료는 수자원 공사 홈페이지 (www.kwater.or.kr)의 일별 댐 유입량 자료를 활용하였으며, 8개 지점별 일별 강우량은 국가수자원관리종합정보시스템 (www.wamis.go.kr)의 자료를 활용하였다. 임하댐 유역에 대한 토지이용도와 토양배수등급도, 티센망도는 Fig.
성능/효과
- 1. L-THIA와 SCE-UA를 연계적용하여 월별 직접유출량에 대한 보정 (1991∼2000)과 검정 (2001∼2007)결과 NashSutcliffe값은 각각 0.91과 0.93으로 나타나 높은 모델효율을 나타내었다.
- 2. L-THIA 모델을 이용한 임하호 유역의 2002년 태풍 루사와 2003년 태풍 매미 연도에 대한 유출량 공간적 분석결과, 배수등급이 불량한 반변천 유역에 높은 유출률을 나타내었으며, 반변천 유역 내에서도 국지성 호우가 강한 수비와 석보 강우측정소 영향권에 높은 유출률을 나타내었다.
- 3. 논과 밭의 유출특성에는 뚜렷한 차이를 나타내었으며, 밭과 기타 농경지는 유출특성이 유사한 것으로 나타났다. 산림지역의 경우 활엽수는 침엽수와 혼효림과는 유출특성에 뚜렷한 차이점을 나타내어 산림지역이 우세한 우리나라의 경우에는 산림 지역을 활엽수와 침엽수, 혼효림을 구분하여 수문모형을 적용하는 것이 보다 신뢰성 있는 모의결과를 기대할 수 있다.
- 4. 임하호 유역내 농경지의 경우 동일한 토지이용상태와 배수 등급임에도 불구하고 토양의 피복상태 혹은 경작상태가 비교적 유출이 쉽게 일어나는 특성을 나타내었는데 이는 임하호 내 고랭지밭의 높은 경사도를 반영한 것으로 판단된다. 유역말단에 고탁수의 문제를 유발시키는 임하호가 위치해 있다는 것을 고려 했을 때 이러한 유출특성은 탁수문제에 있어서는 불리할 것으로 판단된다.
- 5. 최소의 입력자료로 비교적 사용이 간단한 L-THIA 모델을 SCE-UA와 연계적용시켜 직접유출량 예측에 신뢰성을 높임으로써 적용성을 향상시킬 수 있었다. L-THIA 모델은 스크리닝 단계의 모델로써 충분히 적용 가능할 것으로 판단되며, SWAT과 AGNPS모델과 같은 CN기반의 상세모델의 기초입력자료를 제공함으로써 유출량 보정과정에 있어 시간과 노력 단축과 모델예측의 신뢰성 확보를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.
- 나지의 경우에는 전체면적의 50∼75 %가 잔디에 의해 식재된 배수가 적절한 나지의 유출특성과 가장 유사하게 나타났다.
- 점선은 1:1선이며, 실선은 1차 회귀선을 나타내고 있다. 대부분의 점들이 1:1선에 밀집되어 있고 1차 회귀선의 경우 상관관계가 높고 1:1선과 거의 중첩되는 것으로 나타나 1:1 분산도에서도 예측치가 실측치를 잘 따르는 것으로 나타났다.
- 일월 영향권의 경우 토양배수 C와 D등급에 의한 것으로 나타났다. 따라서, 고탁수에 의한 심각한 수질 문제를 야기시킨 2002년 태풍 루사와 2003년 태풍 매미 년도의 유출특성은 토양배수등급과 지역별 강우량에 의해 유출량에 차이를 보이는 것으로 나타났으며 배수가 불량한 지역에 국지성 강한 호우가 내려 유출에 크게 영향을 미친 것으로 나타났다.
- 논의 경우 미농림부에서 추천하는 밭의 토지피복과 직접적으로 비교하기는 어려우나 Park (1997)에 의한 연구결과에 따르면 강우 사상별 논에서의 CN값은 68∼93의 범위를 나타내었으며, 논의 물수지모형으로부터 순별 CN 값의 범위는 72∼84, 논평균 CN값은 79인 것으로 나타나 본 연구에서 도출된 값의 범위내에 있는 것으로 나타났다. 밭과 기타농경지는 배수가 불량한 상하경에서의 유출특성을 가지고 있는 것으로 나타나 비교적 유출률이 높은 것으로 나타났다. 본 연구에서는 침엽수림과 혼효림은 배수가 불량한 산림유역의 유출특성과 유사하게 나타났으며, 활엽수립은 배수가 적당한 산림 유역의 유출특성을 나타내었다.
- 5와 같다. 보정결과 예측치와 실측치의 결정계수 (R2)와 Nash-Sutcliffe (NS) 값은 각각 0.90, 0.91이었으며 검정결과는 각각 0.93, 0.93인 것으로 나타났다. Donigian (2003)은 유출량 예측치에 대한 모델 검 · 보정결과의 정확성을 일별, 월별로 구분하여 결정계수의 범위로 매우 좋음 (Very good), 좋음 (Good), 보통 (Fair), 나쁨 (Poor)로 구분하였는데 (Table 4), Donigian의 기준에 따르면 본 연구의 보정 및 검정 모두 결정계수가 0.
- 밭과 기타농경지는 배수가 불량한 상하경에서의 유출특성을 가지고 있는 것으로 나타나 비교적 유출률이 높은 것으로 나타났다. 본 연구에서는 침엽수림과 혼효림은 배수가 불량한 산림유역의 유출특성과 유사하게 나타났으며, 활엽수립은 배수가 적당한 산림 유역의 유출특성을 나타내었다. 초지는 배수가 적절한 초지의 유출특성과 가장 유사하였다.
- 6). 이중에서도 티센망도를 고려해 볼 때, 2002년도에는 수비, 석보, 부동 측정소의 영향권이, 2003년도에는 일월, 수비, 석보 측정소의 영향권이 높은 유출고를 나타내었으며 일월영향권을 제외하면 모두 강한 국지성 호우에 의한 것으로 나타났다 (Table 5). 일월 영향권의 경우 토양배수 C와 D등급에 의한 것으로 나타났다.
- 논과 밭의 CN값에도차이가 있는 것으로 나타나 우리나라에서 모델을 이용한 유출량 예측시 논과 밭을 구분해서 적용해야 보다 현실성 있는 예측이 가능하리라 판단된다. 일반적으로 모델이용자들은 산림의 특성을 고려하지 않고 하나의 토지이용상태로 묶어서 모의하는 경향이 있으나 본 연구에서는 침엽수림과 활엽수림간의 CN값의 차이가 10 이상이 나는 경우도 있었으며 이러한 차이는 배수상태가 나쁠수록 큰 것으로 나타났다. 우리나라 토지이용의 대부분이 산림임을 고려해 볼 때 유역에서의 유출량 예측시 산림을 하나의 카테고리로 묶지 않고, 침엽수림과 활엽수림, 혼효림으로 구분하여 모델을 예측하는 것이 보다 신뢰성 있는 유출해석이 가능할 것으로 판단된다.
- 임하호 유역의 토지이용별 그리고 토양배수등급별 유출특성과 고탁수문제를 유발한 2002년과 2003년도 유출량에 대한 공간적인 분포를 고찰한 결과 반변천 유역의 경우 배수가 비교적 불량한 C, D 등급을 대부분 포함하고 있어 높은 유출량을 나타내었으며 수비, 석보 측정소 영향권에 국지성 강우에 의한 높은 유출량을 나타내었다. 또한 고탁수를 유발시키는 밭지역은 높은 유출률을 나타내었다.
- 본 연구에서 도출된 CN값과 미농림부에서 토지피복상태에 따른 추천 CN값을 이용하여 임하댐유역의 토지피복과 배수상태, 경작상태, 도시지역의 불투수층비율을 역추정한 결과는 Table 7과 같다. 주거지역과 기타 도시지역의 불투수층 면적비율은 각각 69 %, 73 %로 미국에 비해 불투수층 면적비율이 높게 나타났다. 그러나 임하호 유역의 도시지역 면적이 매우 낮음을 고려할때 추가적인 연구가 필요로 하나 도시지역의 면적비율이 높은 유역에 있어서는 미국에서 추천하는 CN값을 그대로 사용할 경우 유출량예측에서 큰 오차를 발생시킬 수 있으므로 CN값 선택시 세심한 주의가 요구된다.
후속연구
- 최소의 입력자료로 비교적 사용이 간단한 L-THIA 모델을 SCE-UA와 연계적용시켜 직접유출량 예측에 신뢰성을 높임으로써 적용성을 향상시킬 수 있었다. L-THIA 모델은 스크리닝 단계의 모델로써 충분히 적용 가능할 것으로 판단되며, SWAT과 AGNPS모델과 같은 CN기반의 상세모델의 기초입력자료를 제공함으로써 유출량 보정과정에 있어 시간과 노력 단축과 모델예측의 신뢰성 확보를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.
- 주거지역과 기타 도시지역의 불투수층 면적비율은 각각 69 %, 73 %로 미국에 비해 불투수층 면적비율이 높게 나타났다. 그러나 임하호 유역의 도시지역 면적이 매우 낮음을 고려할때 추가적인 연구가 필요로 하나 도시지역의 면적비율이 높은 유역에 있어서는 미국에서 추천하는 CN값을 그대로 사용할 경우 유출량예측에서 큰 오차를 발생시킬 수 있으므로 CN값 선택시 세심한 주의가 요구된다. 논의 경우 미농림부에서 추천하는 밭의 토지피복과 직접적으로 비교하기는 어려우나 Park (1997)에 의한 연구결과에 따르면 강우 사상별 논에서의 CN값은 68∼93의 범위를 나타내었으며, 논의 물수지모형으로부터 순별 CN 값의 범위는 72∼84, 논평균 CN값은 79인 것으로 나타나 본 연구에서 도출된 값의 범위내에 있는 것으로 나타났다.
- 본 연구를 통해서 도출된 임하호 유역의 토지이용별 그리고 토양배수등급별 CN값은 Table 6과 같다. 논과 밭의 CN값에도차이가 있는 것으로 나타나 우리나라에서 모델을 이용한 유출량 예측시 논과 밭을 구분해서 적용해야 보다 현실성 있는 예측이 가능하리라 판단된다. 일반적으로 모델이용자들은 산림의 특성을 고려하지 않고 하나의 토지이용상태로 묶어서 모의하는 경향이 있으나 본 연구에서는 침엽수림과 활엽수림간의 CN값의 차이가 10 이상이 나는 경우도 있었으며 이러한 차이는 배수상태가 나쁠수록 큰 것으로 나타났다.
- 일반적으로 모델이용자들은 산림의 특성을 고려하지 않고 하나의 토지이용상태로 묶어서 모의하는 경향이 있으나 본 연구에서는 침엽수림과 활엽수림간의 CN값의 차이가 10 이상이 나는 경우도 있었으며 이러한 차이는 배수상태가 나쁠수록 큰 것으로 나타났다. 우리나라 토지이용의 대부분이 산림임을 고려해 볼 때 유역에서의 유출량 예측시 산림을 하나의 카테고리로 묶지 않고, 침엽수림과 활엽수림, 혼효림으로 구분하여 모델을 예측하는 것이 보다 신뢰성 있는 유출해석이 가능할 것으로 판단된다.
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