선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구에서는 과거부터 오랫동안 국내 수자원 해석 및 계획에 폭넓게 활용되어 오고 있는 TANK 모형과 최근 유역의 수문·수질의 시공간적인 해석 및 관리, 그리고 미래 유역환경변화에 따른 영향 평가 등에 많이 적용되고 있는 SWAT 모형에 대해, 유역의 자연유출량 해석을 중심으로 기존 TANK 모형이 가지고 있는 한계 및 문제점을 현실적으로 제시하고, SWAT 모형의 적용성 및 활용에 대해 논의하고자 한다.
제안 방법
- 팔당댐 상류에 대해서는 화천댐, 소양강댐, 충주댐에 대해 실측방류량을 적용하고, 춘천댐, 의암댐, 청평댐에 대해 목표방류량 개념에 의해 저수지 모의를 수행하여 댐 운영이 고려된 상태에서의 팔당댐 유입량을 추정하고 관측유입량과 비교하여 모형의 적용성을 검토하였다. 각 유역별 보정결과를 기반으로 인위적인 저류시설물인 댐이 없는 자연상태에서의 하천유출량을 자연유출량이라 가정하여 1986～2005년에 대해 수질오염총량관리 단위유역별로 일단위의 자연유출량을 산정하였다.
- 수자원장기종합계획(2006～2020)에서는 보정유역에 대해 TANK 모형의 각 매개변수를 최적화시킨 후, 각각의 중권역으로 매개변수를 확장 전이시켜 유출을 모의하고 있다. 따라서 전이된 유역을 중심으로 TANK 모형 및 SWAT 모형의 자연유출량 모의결과를 비교하였다. 비교유역은 Table 3에 제시된 것과 같이, TANK와 SWAT의 공통 최종 출구인 한강F(중권역1001～1017), 평창A(중권역1002), 달천B(중권역1004), 섬강B(중권역1006), 인북A(중권역1011), 한강D(중권역1001～1005), 홍천A(중권역1014)이다.
- 2006년 발간된 수자원장기종합계획(2006～2020) 보고서에 의하면, ‘토양수분 저류구조 탱크모형’을 이용하여 4대 권역의 각 중권역별 기준지점을 선정하고, 각 소유역의 38년간 일 강수량 자료를 수집, 정리 및 분석하여 이수계획 수립을 위한 장기간의 자연유출량을 산정하고 있다. 모형의 보정과 검증을 위해서 현재 운영중인 댐 지점들과 일부 본류 하천 지점들의 유출량 자료를 수집하여 비교 분석하여, SCE-UA 알고리즘에 의해 매개변수 최적화를 수행하고, 해당기간의 면적평균 강수량과 유역증발량을 이용하여 대상유역에 대한 매개변수를 추정하고 있다.
- 모형의 비교를 위해 우선 두 모형이 가지고 있는 구조적 특징 및 적용사례 등을 검토하였다.
- 비교를 위해 먼저 두 모형의 보정유역인 소양강댐과 충주댐을 중심으로 관측치와의 적합성을 검토하였으며, 아래의 Table 3과 같이 두 모형의 유역 경계도를 기준으로 동일한 출구점을 갖는 공통 소유역을 찾아 TANK와 SWAT 모형의 결과를 비교하였다. 이 때 TANK 모형의 결과는 상류 유역을 고려하지 않은 해당권역에 대한 자연유출량이므로, SWAT 모형의 결과 및 관측유량과의 비교를 위해 상류 유역의 자연유출량을 모두 합산하여 비교하였다.
- 비교를 위해 먼저 두 모형의 보정유역인 소양강댐과 충주댐을 중심으로 관측치와의 적합성을 검토하였으며, 아래의 Table 3과 같이 두 모형의 유역 경계도를 기준으로 동일한 출구점을 갖는 공통 소유역을 찾아 TANK와 SWAT 모형의 결과를 비교하였다. 이 때 TANK 모형의 결과는 상류 유역을 고려하지 않은 해당권역에 대한 자연유출량이므로, SWAT 모형의 결과 및 관측유량과의 비교를 위해 상류 유역의 자연유출량을 모두 합산하여 비교하였다.
- 한강수계 팔당댐 상류를 대상으로 수치고도모형(Digital Elevation Model; DEM), 토지이용도, 토지피복도, 토양도, 기상자료 등 유역의 공간적인 물리적 특성을 적용하여 소양강댐 상류, 충주댐 상류, 팔당댐 상류 등 크게 3개 유역으로 구분하여 유출량에 대한 매개변수 추정을 실시하였다. 팔당댐 상류에 대해서는 화천댐, 소양강댐, 충주댐에 대해 실측방류량을 적용하고, 춘천댐, 의암댐, 청평댐에 대해 목표방류량 개념에 의해 저수지 모의를 수행하여 댐 운영이 고려된 상태에서의 팔당댐 유입량을 추정하고 관측유입량과 비교하여 모형의 적용성을 검토하였다. 각 유역별 보정결과를 기반으로 인위적인 저류시설물인 댐이 없는 자연상태에서의 하천유출량을 자연유출량이라 가정하여 1986～2005년에 대해 수질오염총량관리 단위유역별로 일단위의 자연유출량을 산정하였다.
- 2007년 수행한 하천유지가능유하량 산정 과업에서는 SWAT 모형의 하도추적 부분을 국내 유역 특성에 맞도록 개선시킨 SWAT-K 모형(김남원 등, 2007b)을 이용하여 자연유출량을 산정하고 있다. 한강수계 팔당댐 상류를 대상으로 수치고도모형(Digital Elevation Model; DEM), 토지이용도, 토지피복도, 토양도, 기상자료 등 유역의 공간적인 물리적 특성을 적용하여 소양강댐 상류, 충주댐 상류, 팔당댐 상류 등 크게 3개 유역으로 구분하여 유출량에 대한 매개변수 추정을 실시하였다. 팔당댐 상류에 대해서는 화천댐, 소양강댐, 충주댐에 대해 실측방류량을 적용하고, 춘천댐, 의암댐, 청평댐에 대해 목표방류량 개념에 의해 저수지 모의를 수행하여 댐 운영이 고려된 상태에서의 팔당댐 유입량을 추정하고 관측유입량과 비교하여 모형의 적용성을 검토하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 자연유출량 산정를 위한 대상유역은 한강수계의 팔당댐 상류이며, TANK 모형의 결과는 수자원장기종합계획(2006～2020) 수립시 국토해양부 수자원단위지도의 중권역별로 구분하여 산정된 자연유출량(상류 지역을 포함하지 않은 해당 중권역에서 발생하는 유출량)이고, SWAT 모형의 결과는 한강수계관리위원회에서 수행한 하천유지가능유하량 산정 과업(한강수계관리위원회·국립환경과학원 한강물환경연구소, 2007)에서 계산한 것으로 수질오염총량관리 단위유역 말단에서의 자연유출량 및 모의유량(해당 단위유역과 상류 지역의 유출량이 합산된 유출량) 결과이다.
- 따라서 전이된 유역을 중심으로 TANK 모형 및 SWAT 모형의 자연유출량 모의결과를 비교하였다. 비교유역은 Table 3에 제시된 것과 같이, TANK와 SWAT의 공통 최종 출구인 한강F(중권역1001～1017), 평창A(중권역1002), 달천B(중권역1004), 섬강B(중권역1006), 인북A(중권역1011), 한강D(중권역1001～1005), 홍천A(중권역1014)이다.
이론/모형
- 입력자료로서 증발산량은 대상유역별 강수량과 유출량의 관계로부터 잠재증발산량과 실제증발산량 사이의 계수를 추정하여 적용함으로써, 유역증발산량을 산정하고 있다. 소유역별 면적평균 강수량은 세분된 소유역별 강우 관측소의 일 강우량 자료를 기반으로 티센법을 사용하여 산정하고, 장기간의 소유역별 자연유출량은 추정된 매개변수와 면적평균 강수량, 증발산량을 이용하여 산정하고 있다.
성능/효과
- 6 and Fig. 7에서 알 수 있듯이 홍수기와 갈수기 모두 TANK 모형의 값이 다소 크게 나타났으며, 특히 갈수기에는 TANK의 최저유량이 약 63m³/s 이하로는 모의되지 않는 현상을 나타내고 있어, 앞의 충주댐 및 소양강댐에 대한 분석결과와 마찬가지로 TANK모형의 갈수기 모의에 문제가 있음을 파악할 수 있다.
- 대체로 SWAT과 TANK 모형의 결과치가 많은 차이를 보이고, 전반적으로 홍수기 및 갈수기 모두 TANK 모형의 결과치가 크게 나타났으며, 특히 갈수기에는 다른 지점에서와 마찬가지로 TANK 모형의 최저유량이 5m³/s 아래로는 모의되지 않는 현상을 나타내었다.
- 5는 2000～2005년의 기간에 대해 팔당댐으로 유입되는 관측유량과 상류 댐 영향을 고려한 SWAT 모형의 모의유량, 그리고 TANK모형으로부터 산정되는 자연유출량을 비교한 것이다. 댐 영향으로 인하여 관측유량과 SWAT 모형의 모의유량이 매우 잘 일치하는 것으로 나타났으며, 이와 비교해 TANK에 의한 자연유출량은 갈수기에는 작게, 그리고 홍수기에는 크게 산정되는 결과를 보였다.
- Table 6은 관측유량과 SWAT 모의유량간의 통계치를 산정한 것으로서, 대부분 매우 높은 상관성 및 모의 효율을 나타내어, SWAT 모형에 의한 모의 신뢰성이 매우 높다는 것을 알 수 있다. 따라서 SWAT 모형을 이용하여 댐 운영 및 인위적인 용수수요를 배제한 상태의 유량, 즉 자연유출량에 대한 산정 결과 또한 매우 높은 정확성을 보장한다고 판단할 수 있다.
- 본 연구결과에서도 알 수 있듯이, TANK 모형의 매개변수 최적화가 이루어진 충주댐 및 소양댐의 결과를 볼 때 일부 갈수기를 제외하고는 상당히 높은 정도의 모의가 가능한 것으로 나타났다. 그러나 주로 평수기 이상의 유량을 대상으로 보정을 수행하여 갈수기에 관측유량과 많은 차이를 보이고 있으며, 특히 일정 유량 이하로 모의되지 않는 한계를 나타내었다.
- 3은 소양강댐 유역에 대해 TANK 모형의 보정기간(1991～1998년) 중 1996～1998년에 대한 월별 모의유량을 SWAT 모형의 유입량 및 관측유입량과 비교한 것이다. 시기별로 차이가 있으나, 일부 홍수기를 제외하고는 전반적으로 SWAT 모형에 의한 결과가 크게 나타나고 있으며, 관측치와의 차이는 두 모형 모두 홍수기를 제외하고는 크지 않은 것으로 나타났다.
- 전반적으로 SWAT 모형의 결과가 관측치의 유황곡선과 비슷한 형태를 취하고 있으며, TANK 모형 결과는 충주댐 유역의 결과와 마찬가지로 갈수기에 최저유량이 약 11.9 m³/s 이하로 모의되지 않는 경향을 보여, 갈수기 모의 정확성에 문제가 있음을 알 수 있었다.
- 2는 전 모의기간(1986～2005년)을 대상으로 유황곡선을 도출하여 비교한 것이다. 초과확률 80% 구간까지 TANK 모형의 결과가 관측치와 잘 일치하고 있으나, 이후 구간에서는 관측치의 경향과 큰 차이를 보이는 것으로 나타났다. 특히, 최저유량이 18 m³/s 이하로 모의되지 않는 경향을 보임에 따라 갈수기에는 모의 정확성에 문제가 있음을 알 수 있다.
- 그러나 주로 평수기 이상의 유량을 대상으로 보정을 수행하여 갈수기에 관측유량과 많은 차이를 보이고 있으며, 특히 일정 유량 이하로 모의되지 않는 한계를 나타내었다. 최적화된 매개변수를 전이시켜 이용하는 대상유역들(평창A, 달천B, 섬강B, 인북A, 한강D, 한강F, 홍천A)에 대한 결과는 보정유역(충주댐 및 소양강댐)에 비해 정확도가 떨어지는 것으로 나타났는데, 일부 홍수기를 제외하고는 평수기 이하에서 매우 불안정한 모의 결과를 나타내었으며, 특히 갈수기에는 모든 유역들에서 일정 유량 이하로 모의되지 않는 문제가 나타났다. 따라서 TANK 모형의 모의 정확성을 높이기 위해서는 해당 유역에 대한 매개변수 최적화 과정이 필요하며, 전이된 유역에 대한 결과값의 활용에 대해서는 심사숙고해야 할 것으로 판단된다.
- 충주댐 결과와 마찬가지로 두 모형간의 두드러진 차이는 나타나지 않았지만, 전반적으로 SWAT 모형의 결과가 약간 좋은 것으로 나타났고, 앞서 살펴본 바와 같이 갈수기 TANK 모형의 모의 한계로 인해, 상대적으로 SWAT 모형의 모의결과가 비교적 관측치와 잘 일치한다고 볼 수 있다.
후속연구
- 최적화된 매개변수를 전이시켜 이용하는 대상유역들(평창A, 달천B, 섬강B, 인북A, 한강D, 한강F, 홍천A)에 대한 결과는 보정유역(충주댐 및 소양강댐)에 비해 정확도가 떨어지는 것으로 나타났는데, 일부 홍수기를 제외하고는 평수기 이하에서 매우 불안정한 모의 결과를 나타내었으며, 특히 갈수기에는 모든 유역들에서 일정 유량 이하로 모의되지 않는 문제가 나타났다. 따라서 TANK 모형의 모의 정확성을 높이기 위해서는 해당 유역에 대한 매개변수 최적화 과정이 필요하며, 전이된 유역에 대한 결과값의 활용에 대해서는 심사숙고해야 할 것으로 판단된다. 반면 SWAT 모형은 충주댐, 소양강댐에 대한 모의에서 매우 안정적인 결과를 보였으며, 특히 유역 최종 출구인 한강F(팔당댐)에서는 상류측 충주댐과 소양강댐을 고려한 모의유량이 실제 관측유입량과 잘 일치하는 결과를 보여 인위적인 용수 수요가 없는 상태의 유량, 즉 자연유출량의 추정 및 댐 개발 전후에 따른 유량 변동 영향 평가 등에 있어 매우 높은 신뢰성을 보장한다고 볼 수 있다.
- 따라서 기존의 TANK와 같은 개념적 집중형 모형이 갖고 있는 문제와 한계를 벗어나, 공간분포형 물리적 기반의 SWAT 모형을 통해, 복잡다양한 국내 유역의 특성을 보다 현실적으로 반영할 수 있고, 향후 유역내 도시화 등에 따른 토지이용 및 용수 이용의 변화, 기후변화 등에 따른 수자원 계획 및 관리에 효율적으로 대처할 수 있을 것으로 판단된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.