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문제 정의
- 본 연구에서는 제주도 남부지역에 위치한 강정천과 악근천을 대상으로 최신 계측기기인 ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler)를 이용하여 상시 유량을 정기적으로 관측하고 준 분포형 강우-유출 모델인 SWAT (Soil and Water Assessment Tool) 모델을 적용하여 장기간의 유출량을 산정하고자 한다.
제안 방법
- SWAT 모델에서 제공하는 수문학적 매개변수 중에서 유출에 관련된 매개변수를 추정하여 민감도 분석을 수행하였으며, 관측 유량과 모델 결과의 적합성을 판단하기 위하여 평균제곱근 오차(Root Mean Square Error, RMSE)와 모형 효율성 계수(Model Efficient, ME)를 목적함수로 사용하였다.
- SWAT 모형의 매개변수 중에서 지리적 특수성을 띄고 있는 제주도 하천에 대하여 선행된 연구(Jung과 Yang. 2008; Han과 Yang. 2009)를 참조하여, SWAT 매개변수 중 지하수 부분 매개변수 GW_REVAP(얕은 대수층 REVAP 계수), REVAPMIN(침루에 대한 얕은 대수층의 임계 수분량), GWQMN(기저유량에 대한 얕은 대숭층의 임계 수분량), ALPHA_BF(기저유출 감수 상수)를 비롯하여 CN_2(AMC-Ⅱ 조건에서의 SCS 유출곡선지수), ESCO(토양증발 보상계수), CH_K2(하천에서의 수리전도도 계수), SOL_AWC (토양층 유효수분량)를 포함한 총 8 개의 매개변수를 선정하여 기준값에서 각각 ±50%, ±100% 의 value 값을 변화시키면서 연구를 진행하였다.
- 물리학적 매개변수는 매개변수보정의 대상이 되지 않으므로 수문학적 매개변수 중 유출에 관련된 매개변수를 민감도분석을 실시할 매개변수로 선정하였다. SWAT 모형의 매개변수 중에서 지리적 특수성을 띄고 있는 제주도 하천에 대하여 선행된 연구(Jung과 Yang.
- 본 연구에서는 강정천과 악근천을 대상으로 2011년 7월부터 2012년 4월까지 2주에 1회 정기적으로 ADCP를 이용하여 하천의 기저유출량을 관측하였으며 그 결과는 Table 1과 같다. 2011년 10월 14일과 11월 25일에는 관측기기 점검으로 관측을 수행하지 못하여 모델 보정에는 사용되지 않았다.
- 본 연구에서는 연구대상기간(2009년 1월～2012년 4월) 동안의 수문·기상자료를 구축하고, 준 분포형 강우-유출 모델인 SWAT(Soil and Water Assessment Tool) 모델을 적용하여 장기간의 유출량을 산정하였다.
- SWAT 모형에 필요한 GIS 입력자료는 크게 5가지(DEM, 토지피복도, 토양도, 유역의 경계, 하천의 형태) 나누어진다. 유역의 경계와 하천의 형태는 모형 내부에서도 모의되기 때문에 유역별로 DEM, 토지피복도, 토양도 자료를 구축하여 사용하였다. SWAT 모델의 유출량 산정에 사용되는 수문․기상자료는 기상청 관할 AWS 및 기상관측점 자료를 수집하고 분석하여 사용하였다.
- 1). 정밀한 상시 유량을 관측하기 위하여 ADCP를 이용하여 2주에 1회씩 정기적으로 유량을 관측하였으며, 압력식 수위계인 DIVER를 이용하여 수위자료를 확보하였다. SWAT 모형에 필요한 GIS 입력자료는 크게 5가지(DEM, 토지피복도, 토양도, 유역의 경계, 하천의 형태) 나누어진다.
- 본 연구에서는 연구대상기간(2009년 1월～2012년 4월) 동안의 수문·기상자료를 구축하고, 준 분포형 강우-유출 모델인 SWAT(Soil and Water Assessment Tool) 모델을 적용하여 장기간의 유출량을 산정하였다. 정확한 유출량 산정을 위하여 세계적으로 정밀성을 인정받는 ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler) 유속계를 이용하여 19회(2011년 7월～2012년 4월, 매 2주 간격)에 걸친 실제하천유량을 관측하여 모델에 적용하였고, 유출에 영향을 미치는 매개변수를 대상으로 민감도 분석을 실시하여 매개변수의 반응성 검토 및 연구대상유역 모형 적용의 검․보정 자료로 활용하였다. 매개변수 민감도분석 결과 수문학적 매개변수 중 유출에 민감한 반응을 나타내는 매개변수 8개 중 CN_2, SOL_AWC, ESCO 의 매개변수가 총 유출, 직접 유출, 지하수 유출에 민감한 반응을 보였으며, 그 중 CN_2가 가장 민감한 반응을 나타냈다.
- 토지피복도는 2000년 Landset 위성영상을 이용하여 피복 분류된 자료를 이용하여 연구대상유역의 토지피복도(Landuse map)자료를 Arcview 프로그램을 이용하여 구축하여 사용할 것이며, 토양 자료는 농업과학기술원의 농업토양정보시스템(ASIS) 제공하는 1:25000 정밀 토양도를 기초로 NRCS 수문학적 토양유형 분류(Lee, 2008)를 적용하여 입력자료로 구축하여 사용하였다(Fig. 2).
대상 데이터
- 유역의 경계와 하천의 형태는 모형 내부에서도 모의되기 때문에 유역별로 DEM, 토지피복도, 토양도 자료를 구축하여 사용하였다. SWAT 모델의 유출량 산정에 사용되는 수문․기상자료는 기상청 관할 AWS 및 기상관측점 자료를 수집하고 분석하여 사용하였다.
- 대상 유역이 속해있는 AWS 관측지점(윗세오름, 하원, 서귀포)의 기간별 자료를 수집․분석하여 모델의 입력자료로 사용하였으며, 서귀포 기상대의 기상자료(최고기온, 최저기온, 태양복사량, 풍속, 습도 등)를 수집·분석하여 사용하였다.
- 대상유역의 DEM은 환경부에서 제공하는 30 m × 30 m 해상도의 DEM을 arcInfo를 이용해 가공하여 사용하였다(Fig. 2).
- 제주도 상시하천의 수자원 해석을 위하여 기저유출성분인 용천수로 인하여 상시적으로 흐름이 형성되는 제주도 남부 악근천과 강정천을 연구대상유역으로 선정하였다(Fig. 1). 정밀한 상시 유량을 관측하기 위하여 ADCP를 이용하여 2주에 1회씩 정기적으로 유량을 관측하였으며, 압력식 수위계인 DIVER를 이용하여 수위자료를 확보하였다.
성능/효과
- CN_2, ESCO, SOL_AWC 를 제외한 나머지 매개변수에 대한 민감도 분석에서는 총 유출량과 직접유출량은 value 값에 따라 1% 미만의 반응을 보였으며, 지하수량의 경우에만 각 매개변수별 값의 미세한 변화에도 민감도가 매우 큰 반응을 보여 지하수 유출에 많은 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 따라서 모델의 적용은 CN_2를 -7 하향 고정, ESCO +0.
- 2). DEM 분석결과 강정천 유역은 0～1,710 m의 표고를 보이며 유역평균 표고는 769 m로 나타났으며, 악근천 유역은 0～1,410 m의 표고를 보이며 유역평균 표고는 451 m로 나타났다.
- 3). ESCO는 지하수유출량에 가장 민감하게 반응하였으며, 200～400까지 변화하는 것으로 나타났다(Fig. 4). SOL_AWC 역시 지하수유출량에 가장 민감하게 반응하였으며, 매개변수 변화에 따라 500까지 변화하는 것으로 나타났다(Fig.
- 4). SOL_AWC 역시 지하수유출량에 가장 민감하게 반응하였으며, 매개변수 변화에 따라 500까지 변화하는 것으로 나타났다(Fig. 5).
- 강정천 유역의 토지피복상태는 전체유역면적 중 산림지역이 29.25 km2으로 76.5%를 차지하고 있으며, 과수원이 4.78 km2으로 12.5%, 초지가 3.57 km2으로 9.34%, 주거지가 0.6 km2으로 1.59%를 차지하고 있는 것으로 분석되었으며, 악근천 유역은 전체유역면적 중 산림지역이 9.83 km2으로 76.9%를 차지하고 있으며, 과수원이 3.97 km2으로 16.8%, 초지가 0.64 km2으로 2.74%, 주거지가 0.75 km2으로 3.21%를 차지하고 있다(Table 2).
- 매개변수 CN_2를 -7 하향 고정, ESCO +0.8, SOL_AWC +0.03 상향 보정결과 R2는 0.75, 평균제곱근오차(RMSE) 0.13으로 나타났으며, 연도별 하천 유출율은악근천 유역 27.12∼31.86%, 강정천 유역 23.55∼ 28.43%로 분석되었다.
- 정확한 유출량 산정을 위하여 세계적으로 정밀성을 인정받는 ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler) 유속계를 이용하여 19회(2011년 7월～2012년 4월, 매 2주 간격)에 걸친 실제하천유량을 관측하여 모델에 적용하였고, 유출에 영향을 미치는 매개변수를 대상으로 민감도 분석을 실시하여 매개변수의 반응성 검토 및 연구대상유역 모형 적용의 검․보정 자료로 활용하였다. 매개변수 민감도분석 결과 수문학적 매개변수 중 유출에 민감한 반응을 나타내는 매개변수 8개 중 CN_2, SOL_AWC, ESCO 의 매개변수가 총 유출, 직접 유출, 지하수 유출에 민감한 반응을 보였으며, 그 중 CN_2가 가장 민감한 반응을 나타냈다. 매개변수 CN_2를 -7 하향 고정, ESCO +0.
- 서로 인접해 있는 연구대상유역(악근천, 강정천)에 대하여 하천유출량, 지하수량, 직접유출량의 모의 결과를 대상으로 8개의 매개변수 민감도 분석을 실시한 결과 CN_2, ESCO, SOL_AWC 의 매개변수가 가장 민감한 반응을 나타냈다(Table 4). CN_2의 변화에 따라 직접유출량은 ±30% 정도 변화하였으며, 지하수유출량은 ±90까지 변화하였다(Fig.
- 악근천 유역의 직접유출율은 연간 27.12∼31.86(%), 강정천 유역은 연간 23.55∼28.43(%) 가 직접유출로 발생되는 것으로 분석되었다(Table 5.).
후속연구
- 이상의 결과에서 연구대상유역의 일 유출량 모의는 전반적으로 우수하게 나타났으며, 향후 정기적인 관측 외 강우시의 유출 자료를 고려한 후속 연구가 진행된다면 기저유출성분에 대한 더욱 정밀한 분석이 도출될 것으로 판단된다. 이와 같은 연구 결과는 국내 내륙지역과는 상이한 지질구조를 가진 제주도의 물순환 해석과 수자원개발 및 수자원정책수립 등을 위한 중요한 기초자료로서 활용될 것이다.
- 이상의 결과에서 연구대상유역의 일 유출량 모의는 전반적으로 우수하게 나타났으며, 향후 정기적인 관측 외 강우시의 유출 자료를 고려한 후속 연구가 진행된다면 기저유출성분에 대한 더욱 정밀한 분석이 도출될 것으로 판단된다. 이와 같은 연구 결과는 국내 내륙지역과는 상이한 지질구조를 가진 제주도의 물순환 해석과 수자원개발 및 수자원정책수립 등을 위한 중요한 기초자료로서 활용될 것이다.
- 하천은 한라산 정상부를 중심으로 남·북사면을 따라 지방하천 60개와 소하천 83개가 분포하고 있다. 투수성이 높은 지질학적 특성과 급한 하상 경사, 짧은 유하거리 등의 수문학적 특성으로 특정한 강우강도 이상에만 유출이 발생한 후 1～2일 이내로만 지속되어 지표수의 이용과 개발에는 한계가 있다. 이러한 특성으로 인하여 제주도민의 모든 용수는 전적으로 지하수에 의존하고 있다(Yang, 2007).
- 향후 기후변화에 대비하여 상시 하천수를 수자원으로 활용하기 위해서는 정밀한 관측기기를 이용하여 정기적인 유량 관측을 수행하고 모델링 기법을 이용하여 장기간의 유량 자료를 확보하여야 한다.
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