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문제 정의
- Knebl-Lowrey and Yang(2008)은 NARR(NCEP North American Regional Reanalysis)자료를 재분석하여 WRF 모형의 예측예보 정확성을 연구하였다. 이러한 기존 연구들을 바탕으로 본 연구에서는 지점강우로 모의된 집중형 모형과 지점강우관측소의 강우량을 공간적으로 강우를 분포 시킬 수 있는 MM5의 발전형인 WRF-ARW를 이용한 강우자료로 분포형 모형의 유출 모의에 대해서 비교분석하고 WRF-ARW의 활용가능성을 모색하고자 한다.
가설 설정
- Clark 방법은 유역의 출구점에 선형저수지 1개가 존재한다고 가정하였으며, 저수지로 유입되는 시간별 면적상에 내린 유효유량으로 환산한 값으로 가정하였다(이재수, 2008).
제안 방법
- 1. 본 연구에서는 청미천 유역에 HEC-GeoHMS, GIS, HEC-HMS를 이용하여 WRF의 적용성을 판별하기 위해 WRF-ARW 모형으로 산출된 강우자료를 대상으로 집중형 모형과 분포형 모형 유출분석과 비교·검증하였다.
- 복잡한 유역의 지형특성인자와 수문학적 인자는 Arc-GIS의 Tool인 HEC-GeoHMS를 통해 추출이 가능하다. HEC-GeoHMS는 ARC-series의 확장 모듈로 자료관리(Data management), 지형자료 처리(Terrain processing), 유역자료처리(Basin processing), HMS 모형지원(HMS model support) 등의 모듈로 구성되며, 이를 이용한 지형자료 데이터 처리과정을 단계적으로 수행하여 하상길이, 하상경사, 유역중심점 등 유역의 각종 수문학적 특성들의 정보들을 HEC-HMS의 입력자료로 사용하도록 설계되었다.
- 본 연구에서는 청미천 수위관측소가 있는 100705의 유역의 출구점을 outlet으로 적용하여 청미천 유역에 집중형 모형과 분포형 모형을 이용하여 각각의 유출 모의를 하였다. 기 서술한 바와 같이, 1 km 격자크기로 변환한 WRF-ARW 강우자료를 DSS파일로 변환하여 HEC-HMS의 입력자료로 사용하였으며, 이 강우자료를 각 격자별로 적용할 수 있는 ModClark 모형을 이용한 유출 모의를 하였다. 대상유역에서 적용된 강우자료와 하천유량자료를 계산된 매개변수보다 유출해석에 적절한 유출해석을 위해서 수문모형의 매개변수를 최적화 하였다.
- 기 서술한 바와 같이, 1 km 격자크기로 변환한 WRF-ARW 강우자료를 DSS파일로 변환하여 HEC-HMS의 입력자료로 사용하였으며, 이 강우자료를 각 격자별로 적용할 수 있는 ModClark 모형을 이용한 유출 모의를 하였다. 대상유역에서 적용된 강우자료와 하천유량자료를 계산된 매개변수보다 유출해석에 적절한 유출해석을 위해서 수문모형의 매개변수를 최적화 하였다. 유역에 영향을 미치는 도달시간, 저류상수, 하도추적에 대하여 보정하여 신뢰할 만한 결과를 그림 24와 같이 얻어내었다.
- 연구에 앞서 1:25000 수치지도를 청미천 유역이 위치되는 10도엽(377031, 377032, 377141, 377142, 377143, 377144, 377151, 377152, 377153, 377154)을 이용하여 나타낼 수 있으며, 수치지도의 등고선, 표고점, 수준점 등의 레이어를 사용하여 ArcGIS tool로 TIN(Triangulated Irregular Network)로 변환하였다(그림 4). 변환된 TIN을 사용하여 양인태 등(2002)과 성동권, 조기성(2002)이 이용한 DEM 격자크기에 따른 지형 매개변수 분석방법을 이용하여, DEM 격자크기에 따른 지형인자의 변화에 적합하다고 판단되는 격자크기 30 m로 구축하였다(그림 5). 여기에서 생성된 DEM자료를 HEC-GeoHMS의 대상유역의 공간자료로 활용하였다.
- 본 연구에서 지상 강우관측소와 WRF-ARW의 강우자료를 집중형 모형과 분포형 모형의 유출 모의를 실시하여 WRF-ARW의 강우자료와 ModClark 모형의 적용성 검토에 목적이 있으며 연구 수행 절차로 Terrain Procession, Terrain Preprocessing, Weather Processing 크게 3 부분으로 나눌 수 있다. Terrain Procession 과정은 연구지역의 수치지도를 이용하여 DEM을 구축하는 과정이며, Terrain Preprocessing 과정은 연구지역을 지형학적 인자를 통해 수문학적으로 해석 가능하게 만들 수 있는 과정이며, Weather Processing 과정은 공간강우를 형성하기 위한 과정으로 자세한 과정은 그림 3과 같다.
- 본 연구에서는 청미천 수위관측소가 있는 100705의 유역의 출구점을 outlet으로 적용하여 청미천 유역에 집중형 모형과 분포형 모형을 이용하여 각각의 유출 모의를 하였다. 기 서술한 바와 같이, 1 km 격자크기로 변환한 WRF-ARW 강우자료를 DSS파일로 변환하여 HEC-HMS의 입력자료로 사용하였으며, 이 강우자료를 각 격자별로 적용할 수 있는 ModClark 모형을 이용한 유출 모의를 하였다.
- 연구목적에 따라 유역의 병합(Merge)와 분할(Subdivide) 유역의 면적 등을 조절 할 수 있으며(그림 13), 본 연구에서는 청미천 유역을 병합과 분할을 이용하여 6개의 권역으로 분할하고 하천망을 구분하였다(그림 14).
- 연구에 앞서 1:25000 수치지도를 청미천 유역이 위치되는 10도엽(377031, 377032, 377141, 377142, 377143, 377144, 377151, 377152, 377153, 377154)을 이용하여 나타낼 수 있으며, 수치지도의 등고선, 표고점, 수준점 등의 레이어를 사용하여 ArcGIS tool로 TIN(Triangulated Irregular Network)로 변환하였다(그림 4).
- 수평 격자는 Arakawa C 격자체계를 사용하고, 연직 격자는 Eulerian 질량 좌표계(mass-based terrain following coordinate)를 이용한다. 이류항에 대해서는 6차 중심 차분법을 도입하며, 플럭스 형태의 진단 방정식을 사용하여 질량, 운동량, 엔트로피, 스칼라량을 보존한다.
- 본 연구에서 Stream Definition과정을 통해 추출된 하천의 형태는 실제 하천으로 보기에는 부적절한 곳이 생성되었다. 이를 정인규 등(2003)의 DEM을 이용한 효과적인 하도망 추출을 위해 Fillburn과 Agree burn을 통한 연구를 토대로 WAMIS에서 제공하는 하천차수도와 수치지도의 하천과련 레이어(2111, 2112, 2114)를 사용하여 Agree DEM을 생성하였다.
- 이와 같은 과정으로 수문학적 모델생성(Hydrologic Model Setup)를 통해 하천 및 유역인자 추출(Stream and Watershed Characteristics)을 이용 할 수 있는 HEC-GeoHMS로 전처리과정인 Terrain Processing을 수행하였고, 앞선 데이터를 사용하여 HEC-HMS에 적용하였다(그림 17).
- 임의의 유역의 수문학적·수리학적 인자들의 상호 연관성을 사용하여 유역의 강우로 인한 지표면 유출을 모의하며, 단위도 방법과 하도추적방법을 바탕으로 지점강우량과 격자망 강우량을 적용할 수 있는 선형 분포형 모형 및 단기·장기유출모의가 가능하다.
- 본 연구의 기간인 2006년 7월 10일부터 2006년 7월 23일까지의 강우량을 강우관측소의 관측값과 WRF-ARW의 강우량 산정값의 비교를 그림 22에 나타내었다. 청미천 유역에 많은 영향을 미치는 5곳을 선정하여 강우관측소와 TB를 사용한 WRF-ARW의 강우량을 비교하였다. 그림 22는 비슷한 강우량 그래프 경향을 보여주고 있다.
- 본 연구 지역에서 농촌진흥청 농업과학기술원에서 구축된 정밀토양도(1:25000)를 수문학적 토양군의 분류기준에 따른 유출변화의 특성을 사용하여 구분하기로 하였다(김경탁 등, 2004; 안승섭 등, 2006). 토지피복도(WAMIS)와 정밀토양도를 그림 18과 같이 나타내었으며, USDA SCS의 분류기준을 토대로 Areview를 사용하여 표 3와 같은 토양군(A, B, C, D)로 구분을 통해서 토양의 종류 및 토지이용상태에 따른 유출곡선지수(CN)을 산정하였다(그림 15). 각 Arcview로 산정된 청미천 유역의 유출곡선지수(CN)는 표 4과 같이 나타내었다.
대상 데이터
- 2006년 7월 10일부터 23일까지의 강우기간을 통하여 WRF-ARW의 시뮬레이션으로 모의된 강우 Data를 청미천 유역에 4 km × 4 km 격자로 나타내었으며(그림 20), 이 데이터를 ModClark에 사용하기위한 격자크기(1 km × 1 km)로 변환하였다.
- 2006년 7월 10일에 소멸된 태풍 에위니아의 영향으로 태풍 후 집중호우가 나타난 강우사상을 선정하였다. 강우사상기간은 2006년 7월 10일부터 7월 23일까지의 기간의 일강우(mm/day)로 13일간을 선정하였으며 대상유역에 인접하고 티센망을 형성 했을 때의 영향을 미치는 12개 지점의 강우관측소를 선정하였다(표 5, 그림 19).
- 2006년 7월 10일에 소멸된 태풍 에위니아의 영향으로 태풍 후 집중호우가 나타난 강우사상을 선정하였다. 강우사상기간은 2006년 7월 10일부터 7월 23일까지의 기간의 일강우(mm/day)로 13일간을 선정하였으며 대상유역에 인접하고 티센망을 형성 했을 때의 영향을 미치는 12개 지점의 강우관측소를 선정하였다(표 5, 그림 19). 단, WRF Rainfall Data가 UTC기준이므로 자료의 특성상 강우관측소의 자료를 변환 가능한 강우관측소는 총 10개소(음성, 오류, 법천, 여주, 남곡, 원삼, 앙성, 설성, 생극, 삼죽)를 사용하였다.
- 강우사상기간은 2006년 7월 10일부터 7월 23일까지의 기간의 일강우(mm/day)로 13일간을 선정하였으며 대상유역에 인접하고 티센망을 형성 했을 때의 영향을 미치는 12개 지점의 강우관측소를 선정하였다(표 5, 그림 19). 단, WRF Rainfall Data가 UTC기준이므로 자료의 특성상 강우관측소의 자료를 변환 가능한 강우관측소는 총 10개소(음성, 오류, 법천, 여주, 남곡, 원삼, 앙성, 설성, 생극, 삼죽)를 사용하였다.
- 본 연구는 ArcGIS의 HEC-GeoHMS tool를 이용한 하천 유역의 홍수유출 해석을 모의하기 위하여 남한강 하류의 청미천 유역을 대상으로 하였다(그림 2). 연구대상 유역은 한강의 제 1지류인 청미천(지방 2급)하천을 형성하는 농업유역으로 경기도 여주군·이천군·안성군·용인시·충청북도 음성군에 포함되어 있다.
- 변환된 TIN을 사용하여 양인태 등(2002)과 성동권, 조기성(2002)이 이용한 DEM 격자크기에 따른 지형 매개변수 분석방법을 이용하여, DEM 격자크기에 따른 지형인자의 변화에 적합하다고 판단되는 격자크기 30 m로 구축하였다(그림 5). 여기에서 생성된 DEM자료를 HEC-GeoHMS의 대상유역의 공간자료로 활용하였다.
- 연구대상 유역은 한강의 제 1지류인 청미천(지방 2급)하천을 형성하는 농업유역으로 경기도 여주군·이천군·안성군·용인시·충청북도 음성군에 포함되어 있다.
- 크리깅 기법을 이용한 강우공간분포를 시행한 결과 1,000 m 격자크기가 실제 지점 모의 자료에 근사한 값을 가지는 것을 시사하였다. 이를 통해 본 연구에서는 유역의 면적에 맞는 격자 크기로 1,000 m를 사용하였다(그림 16).
데이터처리
- 유역에 영향을 미치는 도달시간, 저류상수, 하도추적에 대하여 보정하여 신뢰할 만한 결과를 그림 24와 같이 얻어내었다. 그림 24를 통해 청미천 유역을 포함한 청미천 수위 관측소 지점에의 수문곡선과 비교하였다. 표 7에서와 같이 ModClark 모형의 모의 수문곡선의 첨두시간은 관측 수문곡선의 2006년 7월 16일의 첨두시간을 잘 재현하였고, 실제 청미천 수위 관측소 수문곡선의 첨두유량과의 차이가 37.
이론/모형
- ModClark 모형은 집중형 Clark(1945) 방법의 강우-유출 모형에서 사용하고 있는 기본적인 개념 원리를 기초로 하여 격자구조 등의 강우자료의 모의를 가능하도록 하였다. ModClark 모형에서 직접 유출은 유수의 전이와 저류 효과로 나눌 수 있는데, 전이효과는 유역 전후반부의 유수의 도달시간에 관련되며, 저류효과는 유역에서 유출이 지체되는 현상으로 설명된다.
- WRF 모델은 ARW(Advanced Research WRF)와 NMM(The Nonhydrostatic Mesoscale Model) 두가지 버전이 있는데 본 연구에서는 연구용으로 사용되는 ARW을 사용한다. ARW는 병렬컴퓨터 플랫폼에 효과적으로 적용 가능하고 다양한 연구가 가능하며 실시간 예보, 자료동화, 예보 연구 등에 사용할 수 있다.
- WRF 모델은 완전 압축성 비정수계(Fully compressible non-hydrostatic)이며, 수치계에서 3차 적분법(Runge-Kuuta split-explicit) 을 사용한다. 수평 격자는 Arakawa C 격자체계를 사용하고, 연직 격자는 Eulerian 질량 좌표계(mass-based terrain following coordinate)를 이용한다.
- 강우-유출량 관계를 모의하기 위한 모형으로 Hydrology Engineer Company(HEC) Hydrologic Modeling System(HMS)을 사용하였다. 본 모형은 1995년 미육군 공병단 수자원 연구진(Hydrologic Engineering Center)에 의해 개발한 모형으로 기존의 모형인 HEC-1 모형을 발전한 모형이다.
- 강우-유출량 관계를 모의하기 위한 모형으로 Hydrology Engineer Company(HEC) Hydrologic Modeling System(HMS)을 사용하였다. 본 모형은 1995년 미육군 공병단 수자원 연구진(Hydrologic Engineering Center)에 의해 개발한 모형으로 기존의 모형인 HEC-1 모형을 발전한 모형이다. 이 모형은 강우-유출현상의 수리, 수문학적 과정을 상호 연결하여 강우시 유역의 지표면 유출을 모의하기 위해 사용한다(Scharffenberg 등, 2006).
- 본 연구 지역에서 농촌진흥청 농업과학기술원에서 구축된 정밀토양도(1:25000)를 수문학적 토양군의 분류기준에 따른 유출변화의 특성을 사용하여 구분하기로 하였다(김경탁 등, 2004; 안승섭 등, 2006).
- 본 연구에서는 그림 1과 같은 경계조건에서 수치모델링의 계산 오차를 줄이기 위해 3개의 둥지격자로 nesting 방법으로 모의하였으며, 매개변수는 Microphysics는 Thompson scheme, Cumulus는 Betts-Miller-Janjic scheme를 사용하였다(표 1).
- WRF 모델은 완전 압축성 비정수계(Fully compressible non-hydrostatic)이며, 수치계에서 3차 적분법(Runge-Kuuta split-explicit) 을 사용한다. 수평 격자는 Arakawa C 격자체계를 사용하고, 연직 격자는 Eulerian 질량 좌표계(mass-based terrain following coordinate)를 이용한다. 이류항에 대해서는 6차 중심 차분법을 도입하며, 플럭스 형태의 진단 방정식을 사용하여 질량, 운동량, 엔트로피, 스칼라량을 보존한다.
성능/효과
- 2. 2006년 7월 10일부터 7월 23일까지의 기간을 모의하였을 청미천 유역에 설치되어있는 관측소에서는 첨두치 우량이 실측치와 비슷한 경향을 나타내었으며, 전체적으로 과대평가되는 것을 볼 수 있었다. 이는 강우자료로서의 WRFARW의 강우자료가 전체적인 경향성과 상관성을 보았을 때 신뢰할만한 결과를 나타내었다.
- 3. WRF-ARW의 강우자료를 사용한 HEC-HMS의 ModClark 방법은 지점강우를 사용한 집중형 모형보다는 유출에 대해 잘 모의하였다. 이는 분포형 모형의 적용성 또한 신뢰할만 하다고 판단된다.
- 본 연구에서는 청미천 유역에 HEC-GeoHMS, GIS, HEC-HMS를 이용하여 WRF의 적용성을 판별하기 위해 WRF-ARW 모형으로 산출된 강우자료를 대상으로 집중형 모형과 분포형 모형 유출분석과 비교·검증하였다. 그 결과 강우자료를 공간적으로 분포할 수 있었으며, 기후모델을 사용하여 수문학적 인자로 사용하여 홍수유출 모의를 할 수 있음을 나타내었다.
- 기존에 확률적인 강우와 지형통계학(geostatistics)의 방법보다는 바람장, 기후, 온도 등의 변화와 이동을 통해 계산되어지는 기후모델 WRF-ARW을 사용하여 현시간의 강우량뿐만이 아닌 선행시간의 예측과 예보가 가능하므로 홍수 예·경보의 예측성 자료로써 충분히 활용할 수 있음을 보여 준다. 이번 연구에서는 홍수와 집중강우가 모이는 강우기간을 설정하여 진행하였으나 차후에 갈수기 및 평시의 기상에 따른 분석을 통해 보다 나은 결과를 도출할 수 있을 것이고 보다 정확한 유출 결과와 강우관측소의 상관관계를 도출하기 위해서는 시간 간격을 분·시간 단위로 적용하는 것이 좋을 것이라 생각된다.
- 7월 12일은 WRF-ARW가 높은 강우량을 모의하였다. 설성은 R=0.746의 값으로 강우량이 많이 관측된 7월 16일을 잘 모의한 것으로 볼 수 있으며, 7월 12일을 제외한 날짜는 대부분 잘 모의된 것으로 검토되었다. 청미천 유역과 가까운 원삼 기상관측소의 생극 R은 0.
- 9 m3/sec정도 적게 모의 되었다. 유출곡선의 전체적인 경향은 분포모형에 비해 잘 모의되지 않았으며, 이는 분포된 강우가 아닌 지점으로 관측된 강우를 전체적인 강우로 적용하기에 부족하단 것을 알 수 있다.
- 746의 값으로 강우량이 많이 관측된 7월 16일을 잘 모의한 것으로 볼 수 있으며, 7월 12일을 제외한 날짜는 대부분 잘 모의된 것으로 검토되었다. 청미천 유역과 가까운 원삼 기상관측소의 생극 R은 0.922의 높은 상관성을 가지며 전체적인 강우의 경향과 총 강우량이 가장 근접하게 나온 것을 확인 할 수 있었다. 법천 기상관측소의 생극 R은 0.
- 총강우량에서는 차이가 나지만, 7월 12일은 WRF-ARW가 강우량을 작게 모의하는 것으로 검토되었으며, 가장 많은 강우가 관측된 2006년 7월 16일의 WRF-ARW에 의해 산정된 결과 값은 5개 관측소와 많은 차이를 보이지 않으며, 전체적인 경향이 지상 강우의 형태를 비교적 잘 모의했다고 볼 수 있다.
- 정밀토양도와 토지이용도를 이용하여 산출된 유출곡선지수(CN)를 Modclark 모형의 적용에 필요한 격자 파일을 만들기 위한 투영체계는 SHG(Standard Hydrologic Gird)를 택하였다, 안상진, 윤석환(2005)은 ModClark 모형을 적용하여 보청천 유역을 대상으로 격자를 구성하여 수문 모형의 매개변수를 산정하고, 각각의 1,000 m, 2,000 m, 5,000 m, 및 10,000 m의 격자형태를 3가지의 유출사상에 대하여 모의·검토 하였다. 크리깅 기법을 이용한 강우공간분포를 시행한 결과 1,000 m 격자크기가 실제 지점 모의 자료에 근사한 값을 가지는 것을 시사하였다. 이를 통해 본 연구에서는 유역의 면적에 맞는 격자 크기로 1,000 m를 사용하였다(그림 16).
- 그림 24를 통해 청미천 유역을 포함한 청미천 수위 관측소 지점에의 수문곡선과 비교하였다. 표 7에서와 같이 ModClark 모형의 모의 수문곡선의 첨두시간은 관측 수문곡선의 2006년 7월 16일의 첨두시간을 잘 재현하였고, 실제 청미천 수위 관측소 수문곡선의 첨두유량과의 차이가 37.8 m3/sec 정도 적게 모의되었지만, 총 유출 체적이 관측 수문곡선보다 ModClark 모형의 모의유출곡선이 348.4 m3/sec 크게 산정되었다. 이는 7월 12일에 연구지역의 분포된 강우가 약간 크게 산정되어 유출곡선이 크게 나타났다고 판단되며, 전반적으로 유출곡선의 전체적인 경향을 잘 나타내고 있다고 사료된다.
- 그림 22는 비슷한 강우량 그래프 경향을 보여주고 있다. 하지만 표 6과 같이 강우량은 정량적으로는 차이를 보이고 있으며 생극 강우관측소의 총강우량은 WRF의 강우량 값이 관측소 값에 비해 47.9 mm 작게 산정되었지만, 삼죽 72.9 mm, 설성 33.1 mm, 법천 40.4 mm 및 원삼 19.1 mm가 관측소보다 WRF-ARW의 산정값이 크게 산정되었다. 두 데이터들 간의 상관성을 판단하기 위한 상관계수(R)는 WRF의 강우량 값과 실측자료의 결과를 분석하여 그림 23에 나타내었다.
후속연구
- 이번 연구에서는 홍수와 집중강우가 모이는 강우기간을 설정하여 진행하였으나 차후에 갈수기 및 평시의 기상에 따른 분석을 통해 보다 나은 결과를 도출할 수 있을 것이고 보다 정확한 유출 결과와 강우관측소의 상관관계를 도출하기 위해서는 시간 간격을 분·시간 단위로 적용하는 것이 좋을 것이라 생각된다. 본 연구는 기후모델을 사용한 수문모형의 결합의 선행연구로써 활용할 수 있으리라 판단된다.
- 분석 결과를 통해 각 데이터들 간의 상관성과 경향을 분석한 결과 양호한 결과를 얻을 수 있었으며, WRF-ARW는 강우자료로서 사용할 수 있으리라 사료된다.
- 기존에 확률적인 강우와 지형통계학(geostatistics)의 방법보다는 바람장, 기후, 온도 등의 변화와 이동을 통해 계산되어지는 기후모델 WRF-ARW을 사용하여 현시간의 강우량뿐만이 아닌 선행시간의 예측과 예보가 가능하므로 홍수 예·경보의 예측성 자료로써 충분히 활용할 수 있음을 보여 준다. 이번 연구에서는 홍수와 집중강우가 모이는 강우기간을 설정하여 진행하였으나 차후에 갈수기 및 평시의 기상에 따른 분석을 통해 보다 나은 결과를 도출할 수 있을 것이고 보다 정확한 유출 결과와 강우관측소의 상관관계를 도출하기 위해서는 시간 간격을 분·시간 단위로 적용하는 것이 좋을 것이라 생각된다. 본 연구는 기후모델을 사용한 수문모형의 결합의 선행연구로써 활용할 수 있으리라 판단된다.
- 하지만 보다 정확한 강우자료를 산출하기 위해서는 4 km × 4 km의 데이터보다 작은 격자크기를 사용하는 것이 좋은 결과를 나타내리라 생각되며, 또한 대한민국에 적합한 WRF-ARW의 Parameter를 선정하는 것이 보다 정확한 강우데이터를 산정하는데 필요하리라 본다.
- 이는 분포형 모형의 적용성 또한 신뢰할만 하다고 판단된다. 하지만, 전체적인 경향으로 집중형 모형이 실제 유출곡선과 보다 비슷한 결과를 나타내는 것으로 보아 이를 통해 우리나라 지형에 적합한 수문학적 인자의 확립을 위해 보다 많은 연구가 실시되어야 함을 시사한다.
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