[논문]제주 천미천 유역의 간헐하천 유출특성 모의 방안

김남원; 정일문; 나한나

doi:10.5322/jesi.2013.22.5.523

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In this study, a method of simulating ephemeral stream runoff characteristics in Jeju watershed is newly suggested. The process based conceptual-physical scheme is established based on the SWAT-K and applied to Cheonmi-cheon watershed which shows the typical pattern of ephemeral stream runoff charac...

In this study, a method of simulating ephemeral stream runoff characteristics in Jeju watershed is newly suggested. The process based conceptual-physical scheme is established based on the SWAT-K and applied to Cheonmi-cheon watershed which shows the typical pattern of ephemeral stream runoff characteristics. For the proper simulation of this runoff, the intermediate flow and baseflow are controlled to make downward percolation should be dominant. The result showed that surface runoff simulated by using the modified scheme showed good agreement with observed runoff data. In addition, it was found that the estimated runoff directly affected the groundwater recharge rate. This conceptual model should be continuously progressed including rainfall interception, spatially estimated evapotranspiration and so forth for the reasonable simulation of the hydrologic characteristics in Jeju island.

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문제 정의

둘째, 강우에 의해 토양수분을 거친 수량은 중간유출과 기저유출을 통해 지표수로 배출되어야 하나 제주도의 대부분 지역에서는 장기간에 걸쳐 대수층으로 함양되는 고유한 매질특성을 보인다. 이에 본 연구에서는 기존의 SWAT 모형(Arnold 등, 1993)을 개선한 SWAT-K 모형(Kim 등, 2009)을 기반으로 간헐하천 모의를 위한 프로세스 중심의 개념적 물리적 방법을 제시, 제주 천미천 유역에 시험 적용하고자 한다.
천미천 유역은 상시 유출이 없고 큰 비가 내릴 경우에만 하천유출이 발생하는 전형적인 간헐하천의 양상을 보이고 있으며, 지표면 유출성분이 하천유출에 절대적으로 기여하고 있다. 이와 같은 간헐하천 양상을 모의하기 위해서 중간유출성분 발생을 억제하고 연직하향의 침루가 지배적으로 발생하는 동시에 깊은 대수층으로의 함양이 이루어지도록 알고리즘을 개선했다. 모형 개선 전후의 비교를 통해 중간 및 기저유출을 억제시킴으로써 관측유출량에 매우 적합한 모의유출량이 계산되었으며 소규모 강우-유출사상까지 포함한 간헐하천의 양상을 잘 나타내는 것을 확인할 수 있었다.

제안 방법

특히 그림 Fig. 1(c)과 같이 완전히 하천과 대수층이 분리된 하천인 경우에는 중간유출 및 얕은 대수층에서 하천으로의 지하수 유출을 강제 억제시키도록 알고리즘을 수정하였다.
DEM은 수치지도를 이용하여 구축할 수 있으며, 현대에 들어와서 인공위성영상의 활용도가 높아지면서 위성영상을 활용하여 구축할 수도 있다. 본 연구에서는 모형의 계산시간, 모형결과의 정확도 등을 판단하여 30m 공간해상도를 가지는 DEM을 100m 공간해상도로가공하여 사용하였으며, 대상유역에 대한 DEM은 Fig. 4와 같다.
1,125m)사이의 협곡에서 발원하여 동류하다가 바다로 유입된다(Namjeju-Gun, 1991). 본 연구에서는 천미천을 중심으로 표준유역 경계까지 확장하여 모델영역을 설정, 16개의 소유역으로 구분하였으며, 각 소유역에 대한 유역특성인자는 Table 1에 나타내었다.
천미천 유역의 관측유량을 살펴보면 평상 시 유출이 없고 큰 비가 내렸을 경우 하천에 유출이 발생하는 전형적인 간헐하천의 양상을 보이고 있으며, 지표면 유출성분이 하천유출에 절대적으로 기여하고 있다. 이와 같은 간헐하천 양상을 모의하기 위해서 제주형 간헐하천 모의 기법을 사용하여 중간유출성분 발생을 억제하고 연직하향으로의 침루가 지배적으로 발생하도록 개선하였다. 제주 지역과 같이 연직하향으로 배수가 잘 되는 수리지질학적 특성과 간헐하천의 지하수 유출특성을 모델링으로 구현하기 위해서는 얕은 대수층에서 깊은 대수층으로의 침루량을 결정하는 대수층 침루계수(β_deep)의 검보정 과정이 중요하다.
제주형 간헐하천 모의 기법 적용 전·후의 유출수문곡선을 강우량에 대한 관측 유량값으로 도시한 후 비교 분석하였다.
환경부에서는 대분류(1:50,000), 중분류(1:25,000), 세분류(1:5,000)의 해상도에 해당하는 토지이용도를 제공하고 있으며, 본 연구는 이 중 모의 시 다양한 토지이용상태를 반영할 수 있도록 2007년 갱신된 중분류 토지이용도를 사용하였다. Fig.

대상 데이터

또한 유출모형의 보정과 검증, 모의결과에 대한 평가를 위해 하천유량자료 및 지하수위 관측 자료가 필요하다. 대상유역에는 Fig. 3과 같이 3개의 지표수 유량관측지점(가마천, 송천, 천미천)이 있으며, 지하수위 관측지점은 총 12개(JD삼달1, JD삼달2, JD삼달3, JD세화1, JD세화2, JD하천1, JD하천2, JD하천3, JD하천4, JH교래1, JH교래2, JR신흥3)이다.
제주도 내 운영 중인 82개의 관측소 중 본 연구지역인 천미천유역과 근접한 성산기상청 관할관측소자료와 AWS의 가시, 표선면, 성판악, 재난안전대책본부의 교래, 난산, 성읍1리, 성읍2리, 신풍, 표선, 토산1리의 7개 지점 자료를 이용하여 기상 관측 자료를 구축하였다(Fig. 2). 이 관측자료 중 미계측 기간에 대해 다중선형회귀모형을 이용하여 자료를 생성하였고, PRISM 기법을 적용하여 공간분포시켰다(Kim 등, 2012).
토양도는 농업과학기술원에서 2007년도에 토양도 전산화 사업을 통해 구축된 1:25,000 축척의 정밀토양도를 사용하였다. Fig.

이론/모형

SWAT 모형에서는 지표유출량 산정을 위해 SCS 유출곡선법과 Green & Ampt 침투법의 두 가지 방법을 제공하고 있으며, 증발산량 산정을 위해서는 Penman-Monteith 방법, Priestley- Taylor 방법, Hargreaves 방법의 세 가지 방법이 제시되고 있다(Neitsch 등, 2001). 본 연구에서는 SCS 유출곡선법과 Penman-Monteith 방법을 이용해서 각각의 지표유출량과 증발산량을 계산하였다.
본 연구에서는 제주의 독특한 지표수 유출-지하수 함양의 연계 해석을 위해 SWAT-K 모형(Kim 등, 2009)을 기반으로 간헐하천 모의를 위한 프로세스 중심의 개념적 물리적 방법을 제시, 제주 천미천 유역에 시험 적용하였다. 천미천 유역은 상시 유출이 없고 큰 비가 내릴 경우에만 하천유출이 발생하는 전형적인 간헐하천의 양상을 보이고 있으며, 지표면 유출성분이 하천유출에 절대적으로 기여하고 있다.
연직하향으로의 침루량은 저류추적법(storage routing method)을 이용하여 중간유출량과 동시에 식 (2)로 계산된다.
2). 이 관측자료 중 미계측 기간에 대해 다중선형회귀모형을 이용하여 자료를 생성하였고, PRISM 기법을 적용하여 공간분포시켰다(Kim 등, 2012). 기상자료는 성산관측소의 최근 9년간(2002년~2010년) 연평균 일사량이 14.

성능/효과

유역별로 일정규모 이상의 강우가 발생할 때에만 간헐적으로 유출이 발생하는 제주도 하천의 특성을 모의하기 위해서 통합수문모델링 기법(Kim 등, 2009)과 선행강우 조건에 따른 제주형 한계유출 모의기법(TRSM)이 제시된 바 있다(Chung 등, 2011). 둘째, 강우에 의해 토양수분을 거친 수량은 중간유출과 기저유출을 통해 지표수로 배출되어야 하나 제주도의 대부분 지역에서는 장기간에 걸쳐 대수층으로 함양되는 고유한 매질특성을 보인다. 이에 본 연구에서는 기존의 SWAT 모형(Arnold 등, 1993)을 개선한 SWAT-K 모형(Kim 등, 2009)을 기반으로 간헐하천 모의를 위한 프로세스 중심의 개념적 물리적 방법을 제시, 제주 천미천 유역에 시험 적용하고자 한다.
모형 개선 전후의 비교를 통해 중간 및 기저유출을 억제시킴으로써 관측유출량에 매우 적합한 모의유출량이 계산되었으며 소규모 강우-유출사상까지 포함한 간헐하천의 양상을 잘 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 또한 유출량의 보정은 결과적으로 정확한 함양량 추정에 직접적으로 기여하는 것을 알 수 있었다. 이 개념적 모형은 강수의 차단효과, 증발산의 시공간적 분포 등을 반영한 지속적인 개선을 통해 제주 지역의 특성을 충분히 반영한 모형으로 활용될 수 있을 것이다.
이와 같은 간헐하천 양상을 모의하기 위해서 중간유출성분 발생을 억제하고 연직하향의 침루가 지배적으로 발생하는 동시에 깊은 대수층으로의 함양이 이루어지도록 알고리즘을 개선했다. 모형 개선 전후의 비교를 통해 중간 및 기저유출을 억제시킴으로써 관측유출량에 매우 적합한 모의유출량이 계산되었으며 소규모 강우-유출사상까지 포함한 간헐하천의 양상을 잘 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 또한 유출량의 보정은 결과적으로 정확한 함양량 추정에 직접적으로 기여하는 것을 알 수 있었다.
5는 토지이용도를 DEM의 공간해상도인 100m로 가공한 것을 나타낸 것이다. 목장(PAST)이 전체유역의 약 36.3%, 산림지역(FRSD, FRSE, FRST)이 31.2%로 분포하는 것으로 나타났으며, 그 외로 밭농사 지역(AGRR:16.2%), 과수원(ORCD:12.7%) 순으로 분포한다.
본 연구에서 시험 대상유역으로 선정한 천미천 유역은 간헐하천 구간을 포함하는 상류부 소유역에는 침루계수 βdeep을 0.7 이상 부여하고 상시하천 구간을 포함하는 하류부 소유역에는 내륙의 유역처럼 대수층 침루계수 βdeep값을 작게 주어 함양량의 대부분이 얕은 대수층을 거쳐 하천으로 지하수 유출되도록 하였을 때 하천 유출 양상을 잘 나타내는 것으로 분석되었다.

후속연구

또한 유출량의 보정은 결과적으로 정확한 함양량 추정에 직접적으로 기여하는 것을 알 수 있었다. 이 개념적 모형은 강수의 차단효과, 증발산의 시공간적 분포 등을 반영한 지속적인 개선을 통해 제주 지역의 특성을 충분히 반영한 모형으로 활용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	제주지역의 유출해석을 수행하는 데 있어 기존의 연속 유출 수문모형이 갖는 한계는 무엇인가?	하지만 관측유량자료를 확보한다 하더라도 내륙과는 상이한 낮은 유출률과 높은 함양률을 갖는 제주지역의 유출해석을 수행하는 데 있어 기존의 연속 유출 수문모형은 여러 가지 한계를 가진다. 그 원인은 두 가지로 요약할 수 있는 바, 첫째 제주 지역의 경우 일정한 강수량 또는 토양 수분 함수량에 도달하기 전까지는 지표 및 중간유출이 발생하지 않으므로 이를 분석하는데 기존 유출모의 패러다임으로는 설명이 불가하기 때문이다. 유역별로 일정규모 이상의 강우가 발생할 때에만 간헐적으로 유출이 발생하는 제주도 하천의 특성을 모의하기 위해서 통합수문모델링 기법(Kim 등, 2009)과 선행강우 조건에 따른 제주형 한계유출 모의기법(TRSM)이 제시된 바 있다(Chung 등, 2011). 둘째, 강우에 의해 토양수분을 거친 수량은 중간유출과 기저유출을 통해 지표수로 배출되어야 하나 제주도의 대부분 지역에서는 장기간에 걸쳐 대수층으로 함양되는 고유한 매질특성을 보인다. 이에 본 연구에서는 기존의 SWAT 모형(Arnold 등, 1993)을 개선한 SWAT-K 모형(Kim 등, 2009)을 기반으로 간헐하천 모의를 위한 프로세스 중심의 개념적 물리적 방법을 제시, 제주 천미천 유역에 시험 적용하고자 한다.
	SWAT-K 모형이 정량적으로 산정하는 요소는 무엇인가?	본 연구에서 활용하고자 하는 SWAT-K(Korea)모형은 미국 농무성 농업연구소(USDA Agricultural Research Service, ARS)의 Arnold 등 (1993)에 의해 개발된 준 분포형 장기 유역 수문모형 SWAT(Soil and Water Assessment Tool)을 우리나라 특성에 맞도록 인위적, 자연적인 물순환 구조변화와 지표수-지하수 연계 해석(Kim 등, 2008) 등을 개선하여, 강우 · 증발산 · 토양수분 · 지표수 · 지하수의 시공간적 분포를 정량적으로 산정하는 장기유출 해석 모형이다. 특히 국내 토양통 DB를 자체적으로 구축하고 유출 구조를 개선한 한국형 모형이라고 할 수 있다(Kim 등, 2009).
	제주도에 발달된 하천이 없는 원인은 무엇인가?	제주도는 연평균 2,000mm에 달하는 많은 비가 내리는 지역임에도 불구하고 투수성이 높은 지질특성으로 인하여 발달된 하천이 없고, 하천유출은 오직 40-50mm 집중호우 시에만 짧게 발생하는 것으로 알려져 있다 (Jeju Development Institute, 2009). 한편 유출과 관련한 연구는 관측의 어려움 때문에 거의 이루어지지 못하다가 1990년대 후반 제주특별자치도 수자원관리본부에서 제주도 주요하천에 대하여 수위관측 및 유량측정을 실시하면서 하천과 관련한 연구가 활발해지기 시작했다 (Moon 등, 2005; Jeju‐Do and Korea Water Resources Corporation.

참고문헌 (9)

J. Hydrol. 142 47 1993 10.1016/0022-1694(93)90004-S

상세보기
Hydrogeol. J. 18 1253 2010 10.1007/s10040-010-0593-1

상세보기
J. Environ. Sci. 20 1347 2011
J. Soil Groundwater Environ. 13 20 2008
J. Environ. Sci. 17 1039 2008
J. Environ. Sci. 17 1363 2008
김남원, 엄명진, 정일문, 허준행. 미계측 관측 강수 자료 생성을 통한 제주도 지역의 수문총량 추정. 韓國水資源學會論文集 = Journal of Korea Water Resources Association, vol.45, no.9, 875-885.

원문보기 상세보기
J. Environ. Sci. 18 1017 2009
J. Environ. Sci. 14 405 2005

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