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문제 정의
- 본 연구에서 개발된 다지점 보정 모듈은 소유역 분할된 유역 시스템에서 손쉽게 소유역별로 모형을 보정하고, 소유역을 포함한 전체 유역에 대해 일괄적으로 유출해석을 수행할 수 있는 기술을 제공하고 있다. 또한 본 논문의 다지점 보정 모듈의 적용에서는 다지점 보정 모듈을 이용하여 소유역의 유출해석 결과를 향상 시킬 수 있는 지를 평가하고자 한다. 적용성 평가의 주요 항목으로는 모형 보정에서와 동일하게 첨두유량의 적합을 우선적으로 평가 하였다.
- 본 연구의 목적은 분포형 강우-유출 모형에서 관측유량이 있는 다수의 소유역에 대해서 모형을 손쉽게 보정할 수 있는 다지점 보정 모듈을 개발하는 것이다. 본 논문의 구성은 우선 유출해석을 위한 분포형 강우-유출 모형을 소개하고, 다지점 보정 모듈을 개발하기 위한 시스템 설계 및 구현 방법을 기술하였다. 또한 다지점 보정 모듈이 적용된 분포형 강우-유출 모형을 유출해석에 적용함으로써 다지점 보정 모듈의 적용성 및 효과를 평가하였다.
- 본 연구에서는 모형보정시 첨두유량의 적합을 우선적으로 고려하였으며, 보정결과의 평가는 총유출량, 첨두유량, 첨두시간에 대해서 평가하였다. 모형 보정을 위하여 ‘사상1’을 이용하였으며, 보정 방법은 시행착오법을 적용하였다.
- 본 연구에서는 물리적 분포형 강우-유출 모형에서 유역내 다수의 지점에 대해서 모형을 보정할 수 있는 다지점 보정 모듈을 개발하고, 유출해석에 적용하였다. 다지점 보정 모듈의 설계 및 구현 방법을 기술하였으며, 유출해석에 대한 적용성을 평가하였다.
- 본 연구의 목적은 분포형 강우-유출 모형에서 관측유량이 있는 다수의 소유역에 대해서 모형을 손쉽게 보정할 수 있는 다지점 보정 모듈을 개발하는 것이다. 본 논문의 구성은 우선 유출해석을 위한 분포형 강우-유출 모형을 소개하고, 다지점 보정 모듈을 개발하기 위한 시스템 설계 및 구현 방법을 기술하였다.
- 우선 선산 수위관측소 지점에 대해서만 보정된 모형을 이용하여 계산된 선산 및 김천 수위관측소 지점의 유출량을 분석하고, 다음으로는 선산 및 김천 수위관측소 지점에 대해 보정된 모형을 이용하여 계산된 각 지점의 유출량을 분석하였다. 이를 통해서 다지점 보정이 선산 및 김천 수위관측소의 유출량 산정에 미치는 여향을 평가하였다.
제안 방법
- 격자별 매개변수 업데이트를 위해서는 ‘매개변수 클래스(cSetSubWatershedParameter)’로부터 유역 번호를 키 값으로 소유역 매개변수를 반환 받고, 해당 소유역에 포함된 모든 격자의 지표면, 하천, 토지피복, 토양에 대한 보정대상 매개변수를 업데이트 한다.
- 그러므로 표 4에서의 매개변수를 이용해서 ‘사상2’ ~ ‘사상5’ 에 대해 모형을 검정하고, 다지점 보정 모듈의 적용성을 평가하였다.
- 본 연구에서는 물리적 분포형 강우-유출 모형에서 유역내 다수의 지점에 대해서 모형을 보정할 수 있는 다지점 보정 모듈을 개발하고, 유출해석에 적용하였다. 다지점 보정 모듈의 설계 및 구현 방법을 기술하였으며, 유출해석에 대한 적용성을 평가하였다. 본 연구의 결론을 정리하면 다음과 같다.
- 본 연구의 대상 유역은 두 개의 소유역으로 분할되며, 단일 유역에 대한 유출해석시에는 선산 유역 전체에 대해서 유출해석을 수행하였다. 다지점 보정을 적용한 유출해석에서는 선산 수위관측소의 상류에 있는 김천 유역에 대해 우선적으로 모형을 보정하고, 김천 유역의 유출해석 결과가 반영된 상태에서 선산 소유역에 대해 모형을 보정하였다.
- 본 연구의 대상 유역은 두 개의 소유역으로 분할되며, 모형의 보정은 시행착오법으로 수행하였다. 단일 유역에 대한 유출해석시에는 선산 유역 전체에 대해서 유출해석을 수행하였고, 다지점 보정을 적용한 유출해석에서는 먼저 상류에 있는 김천 유역에 대해 유출해석을 수행하고, 김천 유역의 유출해석 결과를 반영하여 선산 소유역에 대한 유출을 해석하였다. 대상 유역에 대한 유출해석 결과 다지점 보정에 의해서 김천 수위관측소 지점의 유출해석 결과는 모형 보정시 우선적으로 고려한 첨두유량에 대해서는 크게 향상되었으나, 총유출량 오차는 오히려 증가하였다.
- 대상 유역의 지형자료 구축을 위해서 낙동강 유역조사사업(건설교통부, 2004)으로부터 구축된 30m×30m 격자 크기의 DEM을 300m×300m 격자 크기로 리셈플링하여 적용하였다.
- 둘째, 다지점 보정 모듈과 소유역별 매개변수 설정을 위한 GUI를 개발하고, 다지점 보정을 이용한 유출해석 절차를 정립하였다. GUI에서는 소유역간의 상하류 네트워크 정보를 이용해서 소유역의 상하류 관계를 직관적으로 판단할 수 있는 기능과 소유역별 매개변수를 설정할 수 있는 기능을 포함하고 있다.
- 본 논문의 구성은 우선 유출해석을 위한 분포형 강우-유출 모형을 소개하고, 다지점 보정 모듈을 개발하기 위한 시스템 설계 및 구현 방법을 기술하였다. 또한 다지점 보정 모듈이 적용된 분포형 강우-유출 모형을 유출해석에 적용함으로써 다지점 보정 모듈의 적용성 및 효과를 평가하였다.
- 매개변수 클래스(cSetSubWatershed Parameter)는 유역 번호와 매개변수가 연계된 리스트 형식으로 데이터 구조를 설계하였다. 유역 클래스(cSetWatershed)는 입력된 공간정보 레이어로부터 다양한 유역 정보를 추출하여 저장하고 있으며, 소유역의 번호를 포함하고 있다.
- 그러나 소유역으로 분할된 유역의 경우에는 유역간의 네트워크 정보가 자동으로 설정되며, 사용자는 그림 4의 GUI를 이용하여 모든 소유역 혹은 임의 소유역의 매개변수를 입력한다. 본 연구에서 개발된 다지점 보정 모듈에서는 입력된 소유역 매개변수와 유역 네트워크 정보를 이용하여 모든 소유역별 매개변수를 자동으로 설정하며, 이를 이용하여 격자별 매개변수를 업데이트 하고 유출해석을 수행한다.
- 본 연구의 대상 유역은 두 개의 소유역으로 분할되며, 단일 유역에 대한 유출해석시에는 선산 유역 전체에 대해서 유출해석을 수행하였다. 다지점 보정을 적용한 유출해석에서는 선산 수위관측소의 상류에 있는 김천 유역에 대해 우선적으로 모형을 보정하고, 김천 유역의 유출해석 결과가 반영된 상태에서 선산 소유역에 대해 모형을 보정하였다.
- 다지점 보정 모듈을 이용한 유출해석 및 적용성 평가 절차는 그림 8과 같다. 선산 유역에 대해 구축된 입력자료와 김천 수위관측소에 대해서 소유역 분할된 유역 레이어를 이용하여 모형을 구축한다. 우선 선산 수위관측소 지점에 대해서만 보정된 모형을 이용하여 계산된 선산 및 김천 수위관측소 지점의 유출량을 분석하고, 다음으로는 선산 및 김천 수위관측소 지점에 대해 보정된 모형을 이용하여 계산된 각 지점의 유출량을 분석하였다.
- 셋째, 다지점 보정 모듈의 유출해석에 대한 적용성을 평가하였다. 본 연구의 대상 유역은 두 개의 소유역으로 분할되며, 모형의 보정은 시행착오법으로 수행하였다.
- 선산 유역에 대해 구축된 입력자료와 김천 수위관측소에 대해서 소유역 분할된 유역 레이어를 이용하여 모형을 구축한다. 우선 선산 수위관측소 지점에 대해서만 보정된 모형을 이용하여 계산된 선산 및 김천 수위관측소 지점의 유출량을 분석하고, 다음으로는 선산 및 김천 수위관측소 지점에 대해 보정된 모형을 이용하여 계산된 각 지점의 유출량을 분석하였다. 이를 통해서 다지점 보정이 선산 및 김천 수위관측소의 유출량 산정에 미치는 여향을 평가하였다.
- 또한 본 논문의 다지점 보정 모듈의 적용에서는 다지점 보정 모듈을 이용하여 소유역의 유출해석 결과를 향상 시킬 수 있는 지를 평가하고자 한다. 적용성 평가의 주요 항목으로는 모형 보정에서와 동일하게 첨두유량의 적합을 우선적으로 평가 하였다.
- 첫째, 다지점 보정을 위한 클래스를 설계하고, 소유역별로 설정된 매개변수의 적용 방법을 제시하였다. 다지점 보정을 위한 각 정보는 ‘유역 클래스’ , ‘매개변수 클래스’ , ‘소유역 네트워크 클래스’에 분할되어 저장되며, 각 클래스는 소유역 번호를 매개로 하여 상호 참조된다.
대상 데이터
- 다지점 보정을 위해서는 모형의 보정에 사용되는 관측유량을 계산할 수 있는 수위관측소가 유역에 두 개 이상 있어야 한다. 본 연구에서는 유량 산정이 가능한 선산 및 김천 수위관측소를 포함하고 있는 낙동강 감천의 선산 유역을 대상으로 다지점 보정 모듈을 적용하였다. 그림 7은 선산 유역의 개황도를 나타낸 것이다.
- 선산 유역에 영향을 미치는 강우관측소는 총 14곳(낙동, 일선교, 부항2, 김천, 선산, 대가, 부항1, 지례, 웅북, 웅양, 무풍, 상촌, 구미, 황간)이며, 유량을 산정할 수 있는 김천 및 선산 수위관측소가 있다. 수문자료는 낙동강홍수통제소(http://www.nakdongriver .go.kr)에서 10분 간격 수문자료를 이용하여, 2010년 6월부터 2011년 7월까지 발생한 수문사상 중 5개의 강우-유출 사상을 선정하였으며, 표 3과 같다.
- 대상 유역의 지형자료 구축을 위해서 낙동강 유역조사사업(건설교통부, 2004)으로부터 구축된 30m×30m 격자 크기의 DEM을 300m×300m 격자 크기로 리셈플링하여 적용하였다. 이 때 유출해석 대상 격자의 개수는 11,501개 이다. 토지피복도는 환경부 대분류 토지피복도를 적용하였으며, 토양자료는 농업과학기술원에서 제공하고 있는 정밀토양도(농업기술연구소, 1992)를 이용하여 생성한 토성도 및 토양심도를 적용하였다.
데이터처리
- 모형 보정을 위하여 ‘사상1’을 이용하였으며, 보정 방법은 시행착오법을 적용하였다. 모형 보정 결과의 평가는 총유출량과 첨두유량은 % 단위를 가지는 상대오차로 계산하고, 첨두시간은 시간 단위를 가지는 절대오차로 평가하였으며, 식 (5)~식 (7)과 같다.
이론/모형
- 모형 보정을 위하여 ‘사상1’을 이용하였으며, 보정 방법은 시행착오법을 적용하였다.
- 본 연구에서는 한국건설기술연구원에서 개발한 GRM(Grid based Rainfall-runoff Model) 모형을 이용하여 유출해석을 수행하였다. GRM 모형은 격자 기반의 물리적 분포형 강우-유출 모형으로 GIS 기반의 모델링 시스템인 HyGIS-GRM을 제공한다.
- 셋째, 다지점 보정 모듈의 유출해석에 대한 적용성을 평가하였다. 본 연구의 대상 유역은 두 개의 소유역으로 분할되며, 모형의 보정은 시행착오법으로 수행하였다. 단일 유역에 대한 유출해석시에는 선산 유역 전체에 대해서 유출해석을 수행하였고, 다지점 보정을 적용한 유출해석에서는 먼저 상류에 있는 김천 유역에 대해 유출해석을 수행하고, 김천 유역의 유출해석 결과를 반영하여 선산 소유역에 대한 유출을 해석하였다.
- 그림 9는 선산 유역의 지형기복도와 하천망을 나타낸 것이며, 그림 10 ~ 그림 12는 토지피복도와 토성도 및 토양심도를 나타낸 것이다. 이때 토지피복도와 토성도 및 토양심도의 속성별 매개변수 값은 최윤석 등(2010)에서 제시된 값을 적용하였다.
- 이 때 유출해석 대상 격자의 개수는 11,501개 이다. 토지피복도는 환경부 대분류 토지피복도를 적용하였으며, 토양자료는 농업과학기술원에서 제공하고 있는 정밀토양도(농업기술연구소, 1992)를 이용하여 생성한 토성도 및 토양심도를 적용하였다. 그림 9는 선산 유역의 지형기복도와 하천망을 나타낸 것이며, 그림 10 ~ 그림 12는 토지피복도와 토성도 및 토양심도를 나타낸 것이다.
성능/효과
- 96시간으로 관측 수문곡선을 잘 재현하고 있는 것으로 나타났다. 그러나 김천 수위관측소 지점의 유출해석 결과(표 6에서 음영 표시된 부분)는 단일 유역 보정시 첨두유량 오차는 평균 55.78%, 총유출량 오차는 12.35%, 첨두시간 오차는 1.08 시간으로 첨두유량 오차가 매우 크게 나타났다. 본 연구에서는 모형 보정시 첨두유량의 적합을 우선적으로 고려하였으므로, 이를 기준으로 김천 유역과 선산 유역을 함께 보정한 모형을 적용한 결과(표 6에서 (2)번 항목) 김천 수위관측소 지점의 첨두유량 오차는 평균 5.
- 이는 단일 유역 보정에 사용된 매개변수군이 김천 수위관측소 소유역의 특성을 적절히 반영하지 못하고 있기 때문이며, 이러한 경우에 김천 수위관측소 지점에서의 유출해석 결과를 향상시키기 위해서는 김천 수위관측소 소유역에 적합한 매개변수군을 이용하여 보정된 모형을 적용해야 함을 나타내고 있다. 그러므로 다양한 물리적, 수문학적 특성을 가지는 소유역으로 구성된 유역에서 각 소유역에 대한 신뢰성 있는 유출해석 결과를 얻기 위해서는 각 소유역별로 보정된 모형을 적용해야 하며, 이와 같은 다지점 보정을 위해서 본 연구에서 개발된 다지점 보정 모듈은 효과적으로 적용될 수 있었다.
- 다지점 보정 기술의 적용결과 대상 유역의 보정 지점에서의 유출해석 결과는 관측수문곡선을 잘 재현할 수 있었으며, 특히 유역 내부의 보정 지점에서의 유출해석 결과 중 첨두유량 오차가 크게 향상됨을 확인할 수 있었다. 이는 단일 유역 보정에 사용된 매개변수군이 김천 수위관측소 소유역의 특성을 적절히 반영하지 못하고 있기 때문이며, 이러한 경우에 김천 수위관측소 지점에서의 유출해석 결과를 향상시키기 위해서는 김천 수위관측소 소유역에 적합한 매개변수군을 이용하여 보정된 모형을 적용해야 함을 나타내고 있다.
- 단일 유역에 대한 유출해석시에는 선산 유역 전체에 대해서 유출해석을 수행하였고, 다지점 보정을 적용한 유출해석에서는 먼저 상류에 있는 김천 유역에 대해 유출해석을 수행하고, 김천 유역의 유출해석 결과를 반영하여 선산 소유역에 대한 유출을 해석하였다. 대상 유역에 대한 유출해석 결과 다지점 보정에 의해서 김천 수위관측소 지점의 유출해석 결과는 모형 보정시 우선적으로 고려한 첨두유량에 대해서는 크게 향상되었으나, 총유출량 오차는 오히려 증가하였다. 이러한 연구결과를 통해서 다지점 보정은 임의 소유역의 유출해석 결과를 향상시킬 수는 있으나, 변경되는 유역 구조 및 면적과 소유역별 물리적, 수문학적 특성의 평가와 이에 따른 해상도 평가 등 다양한 부분에 대한 추가 분석이 필요하다는 것을 알 수 있다.
- 그러나 다지점 보정에 의한 선산 및 김천 수위관측소의 유출해석 결과를 나타내는 그림 15에서는 선산 및 김천 수위관측소 모두에 대해서 관측수문곡선을 잘 재현하고 있는 것으로 나타났다. 또한 표 5에서는 다지점 보정에 의해서 김천 수위관측소 지점에서의 첨두유량의 상대오차가 크게 향상된 것으로 나타났다. 그러나 김천 수위관측소 지점에 대한 총유출량오차는 오히려 커지는 것으로 나타났으며, 이는 홍수유출해석에서 중요한 첨두유량의 적합과정에서 모의 수문곡선이 관측 수문곡선에 비해서 낮게 계산됨으로써 총유출량 오차가 커지게 된 것으로 판단된다.
- 그러나 김천 수위관측소 지점에 대한 총유출량오차는 오히려 커지는 것으로 나타났으며, 이는 홍수유출해석에서 중요한 첨두유량의 적합과정에서 모의 수문곡선이 관측 수문곡선에 비해서 낮게 계산됨으로써 총유출량 오차가 커지게 된 것으로 판단된다. 모형 보정결과 단일 유역 및 다지점 보정을 위한 선산 유역과 선산 및 김천 소유역의 매개변수는 관측수문곡선을 잘 재현하고 있는 것으로 나타났다. 그러므로 표 4에서의 매개변수를 이용해서 ‘사상2’ ~ ‘사상5’ 에 대해 모형을 검정하고, 다지점 보정 모듈의 적용성을 평가하였다.
- 08 시간으로 첨두유량 오차가 매우 크게 나타났다. 본 연구에서는 모형 보정시 첨두유량의 적합을 우선적으로 고려하였으므로, 이를 기준으로 김천 유역과 선산 유역을 함께 보정한 모형을 적용한 결과(표 6에서 (2)번 항목) 김천 수위관측소 지점의 첨두유량 오차는 평균 5.98%, 총유출량 오차는 29.36%, 첨두시간 오차는 0.96 시간을 나타내었으며, 다지점 보정에 의해서 첨두유량의 계산 결과가 크게 향상되었다.
- 선산 수위관측소의 유출해석 결과는 다지점 보정에 의해서 다소 나빠지는 것으로 나타났다. 선산 수위관측소의 유출해석 결과는 다지점 보정에 의해서 상류에 위치한 김천 수위관측소 유역의 총유출량 오차가 증가함으로써, 하류에 위치한 선산 수위관측소에서의 오차 증가에 영향을 미친 것으로 판단된다. 그러나 다수의 소유역에 대한 모형의 보정 및 각 소유역간에 미치는 영향을 평가하기 위해서는 소유역별 관측 수문곡선의 품질 평가와 보정된 매개변수의 적합도 평가 및 소유역 분할에 따라 변경되는 유역특성에 적합한 스케일 평가 등 다양한 측면에서의 검토가 선행되어야한다.
- 표 6에서는 선산 수위관측소 지점의 유출해석 결과는 단일 유역(선산 수위관측소 유역) 보정 및 다지점(선산 수위관측소 소유역 및 김천 수위관측소 소유역) 보정의 경우에 대해서 평균적으로 첨두유량 오차는 6.23% 및 7.4%, 총유출량 오차는 10.04% 및 12.92%, 첨두시간 오차는 0.96시간으로 관측 수문곡선을 잘 재현하고 있는 것으로 나타났다. 그러나 김천 수위관측소 지점의 유출해석 결과(표 6에서 음영 표시된 부분)는 단일 유역 보정시 첨두유량 오차는 평균 55.
후속연구
- 넷째, 다양한 특성을 가지는 소유역을 포괄하고 있는 유역에 대해서 다지점 보정은 유역내 계측지점의 유출해석 결과를 향상 시킬 뿐만 아니라, 유역내 임의 미계측 지점에 대한 모형의 지역화 및 유량 추정에도 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 그러나 대상 소유역 내에 위치한 임의 소유역에 대한 모형의 보정이 다른 소유역 및 전체 유역의 모형 보정 및 유출해석 결과에 미치는 영향에 대한 평가를 위한 추가 연구가 필요하다.
- 그러나 모형 보정에 의해서 첨두유량 오차 보다 총유출량 오차가 크게 나타나는 것은 선산 및 김천 수위관측소에서 동일하게 나타나는 현상으로, 이는 관측 수문곡선에서 첨두유량 발생 후에 수문곡선이 천천히 하강하는 경향을 보이고 있지만 이를 모형에서 적절히 반영하지 못하고 있기 때문이다. 그러므로 이러한 현상을 나타내는 원인을 규명하기 위해서는 선산 유역의 특성과 이를 해석하기 위한 GRM 모형의 적용성을 추가로 연구할 필요가 있을 것이다.
- 넷째, 다양한 특성을 가지는 소유역을 포괄하고 있는 유역에 대해서 다지점 보정은 유역내 계측지점의 유출해석 결과를 향상 시킬 뿐만 아니라, 유역내 임의 미계측 지점에 대한 모형의 지역화 및 유량 추정에도 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 그러나 대상 소유역 내에 위치한 임의 소유역에 대한 모형의 보정이 다른 소유역 및 전체 유역의 모형 보정 및 유출해석 결과에 미치는 영향에 대한 평가를 위한 추가 연구가 필요하다.
- , 2004). 물리적 분포형 모형에서 지배방정식이 유역의 실제 수문 현상을 정확히 해석할 수 있고, 매개변수가 유역의 물리적 및 수문학적 상황을 정확히 반영할 수 있다면 모형의 보정 없이도 유역내 임의 지점의 유량을 잘 해석할 수 있을 것이다. 그러나 지배방정식은 실제 현상을 개념화하고 있으며, 매개변수 또한 스케일 문제 및 관측오차 등으로 인해서 불확실성을 내포하고 있으므로 물리적 분포형 모형의 적용을 위해서는 모형의 보정이 필요하다(Abbott et al.
- 그러나 다수의 소유역에 대한 모형의 보정 및 각 소유역간에 미치는 영향을 평가하기 위해서는 소유역별 관측 수문곡선의 품질 평가와 보정된 매개변수의 적합도 평가 및 소유역 분할에 따라 변경되는 유역특성에 적합한 스케일 평가 등 다양한 측면에서의 검토가 선행되어야한다. 본 논문에서는 다지점 보정 기술의 구현을 위한 다지점 보정 모듈의 설계 및 적용방법과 적용효과를 제시하는 것을 주제로 하고 있으므로, 모형 보정 결과의 심도 있는 평가를 위한 다양한 분석 및 검토는 추가 연구가 필요하다.
- 본 연구에서 개발된 다지점 보정 모듈은 소유역 분할된 유역 시스템에서 손쉽게 소유역별로 모형을 보정하고, 소유역을 포함한 전체 유역에 대해 일괄적으로 유출해석을 수행할 수 있는 기술을 제공하고 있다. 또한 본 논문의 다지점 보정 모듈의 적용에서는 다지점 보정 모듈을 이용하여 소유역의 유출해석 결과를 향상 시킬 수 있는 지를 평가하고자 한다.
- 대상 유역에 대한 유출해석 결과 다지점 보정에 의해서 김천 수위관측소 지점의 유출해석 결과는 모형 보정시 우선적으로 고려한 첨두유량에 대해서는 크게 향상되었으나, 총유출량 오차는 오히려 증가하였다. 이러한 연구결과를 통해서 다지점 보정은 임의 소유역의 유출해석 결과를 향상시킬 수는 있으나, 변경되는 유역 구조 및 면적과 소유역별 물리적, 수문학적 특성의 평가와 이에 따른 해상도 평가 등 다양한 부분에 대한 추가 분석이 필요하다는 것을 알 수 있다.
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