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문제 정의
- 본 연구에서는 제주지 도심부에 위치한 화북천 유역을 대상으로 SWAT 모형으로 일 단위의 하천유출량을 산정하여 건천인 제주도 하천에서 유출이 발생하는 특성에 대하여 분석하였으며, 연간 물순환 해석을 위한 장기간의 하천유출을 분석하여 제주도 수자원확보의 기초자료로서 활용하고자 한다. 또한 WMS(watershed modeling system) 및 HEC-HMS(hydrologicmodeling system) 모델을 이용하여 분 단위의 하천유출량을 산정하고 단기간의 하천유출 특성을 규명하여 제주도의 홍수재해 예방을 위한 기초자료로서 활용하려고 한다.
- 본 연구에서는 제주지 도심부에 위치한 화북천 유역을 대상으로 SWAT 모형으로 일 단위의 하천유출량을 산정하여 건천인 제주도 하천에서 유출이 발생하는 특성에 대하여 분석하였으며, 연간 물순환 해석을 위한 장기간의 하천유출을 분석하여 제주도 수자원확보의 기초자료로서 활용하고자 한다. 또한 WMS(watershed modeling system) 및 HEC-HMS(hydrologicmodeling system) 모델을 이용하여 분 단위의 하천유출량을 산정하고 단기간의 하천유출 특성을 규명하여 제주도의 홍수재해 예방을 위한 기초자료로서 활용하려고 한다.
제안 방법
- 제주도 도심하천 유역의 유출특성을 해석하기 위하여 제주시 동부에 위치한 화북천 유역을 연구 대상유역으로 선정하였다. 유역의 물리적 특성을 반영하여 모델의 효율성을 높이기 위해서는 GIS(geographical information system)와 연계된 자료의 구축이 매우 필요하며, 유역특성인자를 분석하기 위하여 1/5,000 수치지형도와 GIS 프로그램을 이용하였다. SWAT 모형에 필요한 GIS 입력 자료는 크게 5가지(DEM(digital elevation model), 토지피복도, 토양도, 유역의 경계, 하천의 형태) 나누어진다.
- 이와 같이 유도된 수문곡선은 지속기간이 0이고 단위강우량(1 cm 또는 1 mm)이므로 순간단위도(IUH)이다(Lee, 2008). Clark 방법을 이용하여 대표적인 3가지 사상에 대하여 수문곡선을 도출하였으나 실측 수문곡선 자료를 확보하지 못하여 Park과 Moon(2010)이 제시한 강우사상별 유출 총량 및 유출률과 비교하였다.
- 본 연구에서는 Jung과 Yang(2008)이 제주도 건천 유역에 대하여 SWAT 모형에서 제시한 매개변수 중에서 유출에 관련된 수문학적 매개변수 13개를 추정하여 민감도 분석을 수행한 결과와 Park과 Moon(2010)의 연구결과를 이용하여 매개변수 보정을 실시하였다. 모형의 보정 순서는 먼저 유역 출구 지점에서의 총 유출량을 보정한 후 CN2(AMC-Ⅱ 에서의 SCS유출곡선지수), SOL_AWC(토양층 유효수분량), ESCO(토양증발 보상계수)를 보정하였다.
- 본 연구에서는 Jung과 Yang(2008)이 제주도 건천 유역에 대하여 SWAT 모형에서 제시한 매개변수 중에서 유출에 관련된 수문학적 매개변수 13개를 추정하여 민감도 분석을 수행한 결과와 Park과 Moon(2010)의 연구결과를 이용하여 매개변수 보정을 실시하였다. 모형의 보정 순서는 먼저 유역 출구 지점에서의 총 유출량을 보정한 후 CN2(AMC-Ⅱ 에서의 SCS유출곡선지수), SOL_AWC(토양층 유효수분량), ESCO(토양증발 보상계수)를 보정하였다. 보정 결과 결정계수R2는 0.
- 평상 시에 건천을 유지하고 하천유역별로 일정규모 이상의 강우 발생 시에만 간헐적으로 유출이 발생하는 제주도 도심하천 유역에 SWAT 모형과 HEC-HMS모형을 이용하여 유출특성을 해석한 결과는 다음과 같다.
- 장단기 유출모형을 통하여 건천유역의 강우에 따른 유출발생 특성을 분석하고, 선행강우에 따른 사상별 유출특성 결과를 도출할 수 있었다. 그러나 하천의 관측 자료가 부족한 제주도와 같은 지역에서는 모델의 검정을 수행하기에 한계가 있다.
대상 데이터
- 제주도 도심하천 유역의 유출특성을 해석하기 위하여 제주시 동부에 위치한 화북천 유역을 연구 대상유역으로 선정하였다. 유역의 물리적 특성을 반영하여 모델의 효율성을 높이기 위해서는 GIS(geographical information system)와 연계된 자료의 구축이 매우 필요하며, 유역특성인자를 분석하기 위하여 1/5,000 수치지형도와 GIS 프로그램을 이용하였다.
- 각 수문·기상자료는 기상청 관할 AWS 및 기상관측지점 자료를 연구대상기간(2008.1.1～2010.12.31) 동안 수집하고 분석하여사용하였다.
- HEC-HMS 모형은 유역의 홍수유출 해석을 위해 개발된 프로그램으로 격자형 강우자료(레이더)를 이용한 선형 분포형 모형이며 강우로 인한 유역의 지표면 유출을 모의하는 단일사상(single event) 유출 모형이다. 연구대상기간동안의 유출 사상 중에서 대표적인 3가지 사상에 대한 AWS 및 기상관측지점 시강우량 자료를 이용하여 HEC-HMS 모형의 강우자료로서 사용하였다.
- 대상유역의 DEM은 환경부에서 제공하는 30 m × 30 m 해상도의 DEM을 arcInfo를 이용해 가공하여 사용하였다(Fig. 3).
- 또한 제주 기상대의 기상자료(강우량, 최고기온, 최저기온, 태양복사량, 풍속, 습도 등)를 수집·분석하여 SWAT 모형의 입력자료로 사용하였다(Fig. 2).
- 연구대상유역은 제주도 제주시 도심부의 동부에 위치한 화북천 유역(Fig. 1)으로 설정하였으며 유역특성인자를 분석하기 위하여 1/5000 수치지형도와 Arcview GIS 프로그램을 이용하여 계산하였다(Table 1). 화북천 유역의 면적은 48.
- 토지피복도는 2000년 Landset 위성영상을 이용하여 피복 분류된 자료를 이용하여 연구대상유역의 토지피복도(landuse map)자료를 Arcview 프로그램을 이용하여 구축하여 사용할 것이며, 토양도(soil type map) 자료는 농업과학기술원의 농업토양정보시스템(asis) 제공하는 1:25000 정밀 토양도를 토양통별로 구분하여 입력자료로 구축하여 사용하였다(Fig. 3). 화북천 유역의 토지피복상태는 전체 유역면적 중 산림지역이 22.
이론/모형
- Park과 Moon(2010) 연구결과를 이용하여 모델을 SWAT 모델을 보정하였으며, 목적함수로 평균제곱근 오차(root mean square error, RMSE)와 모형 효율성 계수(model efficiency, ME)를 사용하였다.
- WMS 모형은 강우-유출해석에 요구되는 수문모형을 위한 포괄적인 그래픽사용자 환경을 제공해주는 프로그램이며 특히 GIS에 구축되어 있는 유역의 지형자료를 수문해석에 최대한 활용할 수 있도록 GIS와수문모형이 연계되어 있는 대표적인 모형이다. 본 연구에서는 SWAT 모형의 GIS 입력자료를 활용하고WMS 모형을 이용하여 TIN, DEM, Map 등의 다양한 기초자료를 확보하여 HEC-HMS 모형에 적용하였다.
- 강우사상에 따른 유출특성을 분석하기 위하여 HEC-HMS 모형의 단위도법을 이용하였으며, Clark 방법을 적용하여 유출특성을 분석하였다. Clark 방법은 순간단위도 개념을 이용하여 하나의 유역에 대하여 단 하나의 단위도를 유도한다.
- 대상유역에 속해있는 AWS 관측지점의 기간별 일강우량 자료를 수집·분석하여SWAT 모형의 입력자료로 사용하였으며, 대표적인 3가지 사상에 대한 시강우량자료를 이용해 시간대별 면적강우량을 산정하여 HEC-HMS 모형의 입력자료로 사용하였다.
- HEC-HMS 모형을 이용하여 화북천 유역의 대표적인 강우사상에 대하여 적용하였다. Park과 Moon(2010)의 연구결과를 이용하여 유출 발생 전 80 mm 이상의 선행강우 발생한 유출사상, 유출 발생 전 20 mm 미만의 선행강우가 2회에 걸쳐 발생한 유출사상, 유출 발생 전 장기간 무강우 상태가 진행된 유출사상에 대하여 모형을 적용하였으며 그 결과는 Table 6과 같다.
- HEC-HMS 모형을 이용하여 화북천 유역의 대표적인 강우사상에 대하여 적용하였다. Park과 Moon(2010)의 연구결과를 이용하여 유출 발생 전 80 mm 이상의 선행강우 발생한 유출사상, 유출 발생 전 20 mm 미만의 선행강우가 2회에 걸쳐 발생한 유출사상, 유출 발생 전 장기간 무강우 상태가 진행된 유출사상에 대하여 모형을 적용하였으며 그 결과는 Table 6과 같다.
성능/효과
- 3). 화북천 유역의 토지피복상태는 전체 유역면적 중 산림지역이 22.34 km2로 46%를 차지하고 있으며, 초지가 11.51 km2로 23.7% 밭이 6.90 km2로 14.2%, 주거 및 도심지가 3.16 km2으로 6.5%로 분석되었으며(Table 2), 토양통은 총 39개의 토양통이 분포하고 있으며, 흑악통이 16.27%를 차지하고 있으며, 중문, 토산, 제주, 아라 통의 순서로 많은 분포를 보이고 있다(Table 3).
- SWAT 모형에서 제시하는 매개변수 조정 범위(CN2 ±8%) 내에서 적용하였으나 보정 결과 실제 모의값이 관측값보다 전체적으로 크게 모의되었다.
- 모형의 보정 순서는 먼저 유역 출구 지점에서의 총 유출량을 보정한 후 CN2(AMC-Ⅱ 에서의 SCS유출곡선지수), SOL_AWC(토양층 유효수분량), ESCO(토양증발 보상계수)를 보정하였다. 보정 결과 결정계수R2는 0.79, RMSE 7.83, ME는 0.65로 나타났다(Fig. 4).
- Table 5는 SWAT 모형의 결과를 이용하여 대표적인 화북천 유역의 강우-지표유출 관계를 나타낸 것이다. 선행강우가 존재하지 않거나 매우 작을 경우에는 50 mm 미만의 강우에는 유출이 발생하지 않으며, 50mm 이상일 경우에만 유출이 발생하는 것으로 나타났다. 또한 선행강우가 50 mm 이상 발생한 경우에는 20～40 mm 강우에도 유출이 발생하는 것으로 분석되었다.
- 2008년6월28일 유출사상 발생 전 20 mm 미만의 선행강우가 5일에 걸쳐 2회 발생하였으며 적용 결과 40 mm의 강우 발생 시에도 유출은 발생하지 않았으나 60 mm 초과 후에는 유출량이 급격하게 증가하는 것으로 나타났다. 2009년 7월 28일 유출사상 발생 전장기간동안 무강우 상태가 진행되었으며 모델링 결과 38%의 유출율을 보였으나 실제 관측자료를 7.9%의유출율을 보였다. 선행강우가 존재하는 2가지 사상에 대하여 HEC-HMS 모형에서 잘 모의하는 것으로 나타났으며, 장기간 무강우 상태가 진행된 사상에 대하여는 모형에서 모의하지 못하는 것으로 나타났다.
- 9%의유출율을 보였다. 선행강우가 존재하는 2가지 사상에 대하여 HEC-HMS 모형에서 잘 모의하는 것으로 나타났으며, 장기간 무강우 상태가 진행된 사상에 대하여는 모형에서 모의하지 못하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 투수성이 매우 좋은 제주도 하천에서 기존 강우사상별 강우-유출 모형을 그대로 적용하기에는 한계가 있으며, 향후 실측 수문곡선 자료를 확보하여 HEC-HMS 모형의 매개변수에 관한 추가적인 연구 및 모형을 개선하여 제주도에 적합하도록 보완하여야 할 것으로 판단된다.
- 연구대상기간(2008년～2010년) 동안 기상·수문자료 및 GIS 자료를 구축하여 SWAT 모형을 적용하였으며 그 결과 R2는 0.79, RMSE 7.83, ME는 0.65로 나타났다.
- 65로 나타났다. 연도별 유출율을 산정한 결과 3.47%～8.12%로 나타났으며, 강우-지표유출 관계를 분석한 결과 50 mm 미만의 강우에는 유출이 발생하지 않고 50 mm 이상일 경우에만 유출이 발생하였다. 선행강우가 발생한 경우에는 20～40 mm의 강우에도 유출이 발생하는 것으로 분석되었으며 향후 SWAT 모델링을 개선하고 더욱 많은 관측 자료를 확보한다면 보다 정확한 결과를 얻을 수 있을 것이다.
- 레이더식 수위-유속 관측결과를 이용하여 화북천 유역의 대표적인 강우사상에 대하여 HEC-HMS 모형을 적용한 결과 선행강우가 존재하는 강우사상에 대하여는 비교적 우수한 결과를 보이지만 장기간 무강우 상태가 진행된 유출사상에 대하여는 모의하지 못하는 것으로 나타났다. 향후 실측 수문곡선 자료를 구축하여 모형의 매개변수에 관한 연구를 진행하고 모형을 개선하고 제주도에 적합하도록 보완한다면 보다 정밀한 결과를 도출할 것으로 기대된다.
- 이상의 결과들로부터 장단기 유출모형을 이용하여 제주도 하천에 대한 유출특성을 분석한 결과 전체적으로 우수한 결과를 보이고 있다. 그러나 현재까지 제주도 하천의 관측 자료가 부족하고 관측 지점이 한정되어 있어 이에 대한 제고가 필요하다.
후속연구
- 향후 기후변화에 대비하고 안정적인 수자원 확보와 기술개발을 위해서는 현재까지 부분적으로 조사된 수문 관측자료를 이용하여 보다 정밀한 수문 모델링과 유출특성 해석이 필요하며, 또한 제주도의 침수·재해 예방을 위해서 도심부의 하천을 대상으로 유출특성을 해석하는 연구는 매우 필요한 실정이다.
- SWAT 모형에서 제시하는 매개변수 조정 범위(CN2 ±8%) 내에서 적용하였으나 보정 결과 실제 모의값이 관측값보다 전체적으로 크게 모의되었다. 이는 SWAT에서 제시하는 매개변수 조정 범위 값만으로는 한계가 있으며, 향후 제주도에 적합하도록 모형을 개선할 필요성이 있는 것으로 판단된다.
- 또한 선행강우가 50 mm 이상 발생한 경우에는 20～40 mm 강우에도 유출이 발생하는 것으로 분석되었다. 향후 SWAT 모형을 개선하고 관측 자료를 확보한다면 더욱 정확한 결과를 얻을 수 있을 것으로 사료된다.
- 선행강우가 존재하는 2가지 사상에 대하여 HEC-HMS 모형에서 잘 모의하는 것으로 나타났으며, 장기간 무강우 상태가 진행된 사상에 대하여는 모형에서 모의하지 못하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 투수성이 매우 좋은 제주도 하천에서 기존 강우사상별 강우-유출 모형을 그대로 적용하기에는 한계가 있으며, 향후 실측 수문곡선 자료를 확보하여 HEC-HMS 모형의 매개변수에 관한 추가적인 연구 및 모형을 개선하여 제주도에 적합하도록 보완하여야 할 것으로 판단된다.
- 12%로 나타났으며, 강우-지표유출 관계를 분석한 결과 50 mm 미만의 강우에는 유출이 발생하지 않고 50 mm 이상일 경우에만 유출이 발생하였다. 선행강우가 발생한 경우에는 20～40 mm의 강우에도 유출이 발생하는 것으로 분석되었으며 향후 SWAT 모델링을 개선하고 더욱 많은 관측 자료를 확보한다면 보다 정확한 결과를 얻을 수 있을 것이다.
- 레이더식 수위-유속 관측결과를 이용하여 화북천 유역의 대표적인 강우사상에 대하여 HEC-HMS 모형을 적용한 결과 선행강우가 존재하는 강우사상에 대하여는 비교적 우수한 결과를 보이지만 장기간 무강우 상태가 진행된 유출사상에 대하여는 모의하지 못하는 것으로 나타났다. 향후 실측 수문곡선 자료를 구축하여 모형의 매개변수에 관한 연구를 진행하고 모형을 개선하고 제주도에 적합하도록 보완한다면 보다 정밀한 결과를 도출할 것으로 기대된다.
- 그러나 현재까지 제주도 하천의 관측 자료가 부족하고 관측 지점이 한정되어 있어 이에 대한 제고가 필요하다. 향후 보다 많은 실측자료를 확보하고 제주도 하천에 대한 다양한 모델링 기법을 도입하여 적용한다면 보다 정밀한 유출 특성을 분석할 수 있을 것이다.
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