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문제 정의
- 본 연구에서는 Huh et al. (1993a)가 제안한 매개변수 지역화식을 고찰하고 문제점을 파악하였다. Huh et al.
- 본 연구에서는 미계측 유역인 저수지 상류 유역의 유출을 모의하기 위해서 Tank 모형의 구성성분들을 개선하고 매개변수를 지역화였으며, 모형 성능을 검증하고 모형 적용성을 평가하였다. 또한 24개 저수지의 유입량을 모의하고 저수지 상류 유역의 유출특성을 분석하였다.
가설 설정
- 유역의 토양수분상태는 Huh et al. (1993a)이 제안한 것과 같이 유역총저류량에 따라 변한다고 가정하였으며, Eq. (6)과 같이 산정하였다.
제안 방법
- HS#5 유역의 유출모의는 1997년에 대하여 실시하였으며, Fig. 9는 1997년의 기천저수지 수위 실측치와 모의치를도식적으로 비교한 것이다. 저수위 모의결과는 실측치와 매우 유사한 경향을 나타냈으며, Table 8에 나타낸 것과 같이 RMSE는 0.
- HS#5 유역은 HS#3 유역과 인접해 있기 때문에 유출 모의를 위한 강우 및 증발량 자료는 HS#3 유역과 동일하게 수원기상관측소의 측정자료를 사용하였다. HS#5유역의 모의결과를 평가하기 위하여 기천저수지의 모의 유입량을 저수지 물수지분석의 입력자료로 사용하여 일별 저수지 수위를 모의하였으며, 모의결과를 기천저수지 일별 저수위 측정자료와 비교하였다. 적용기간은 1996년이었으며, Table 7에 나타낸 것과 같이 기천저수지 저수위 실측치와 모의치의 RMSE는 0.
- 각 유역의 α값은 모의결과를 실측자료와 비교하면서 결정하였으며, 각 유역의 최종 α값은 지역화식을 개발하기 위한 자료로 활용하였다.
- 대상 저수지들의 강우 및 증발량 자료에 대한 지배관측소는 Thiessen망을 이용하여 선정하였으며, 장성호, 나주호, 담양호, 광주호, 백용저수지의 강우량에 대한 지배관측소는 국토해양부에서 관리하는 강우관측소를 선정하였으며, 그 외의 저수지는 기상청의 기상관측소를 지배관측소로 선정하였다. 각 저수지 상류 유역의 특성을 고려하여 각 매개변수 값은 지역화식을 이용하여 추정하였다.
- 개선된 모형을 미계측 유역에 적용하기 위하여 유역특성 인자와 토지이용상태를 이용하여 매개변수를 지역화하였다. 본연구에서선정한유역은반월#1, 반월#3, 보성, 용담, 기대, 나주, 괴산, 평창#1, 보청#2, 위천#4이며, Table 2와 같은 통계적 특성을 나타낸다.
- Table 5는 대상 유역의 월별 유역피복계수를 나타낸 것이다. 대상 유역의 토지이용별로 월별 계수를 추정하고, 토지이용비율을 가중치로 적용하여 전체 유역의 월별 평균 유역피복계수를 추정하였다. 유역별 유역피복계수는 8월에 가장 큰 값을 나타냈으며, 12월에 가장 작은 값을 나타냈다.
- 0096으로 다른 매개변수들에 비하여 작은 값이며, 이로 인하여 세 번째 Tank의 지하배수량이 다른 유출성분에 비하여 미미하다. 따라서 본 연구에서는 Fig. 1에 나타낸 것과 같이 세 번째 Tank에서 지하배수과정을 생략하였으며, 세 번째 Tank의 유출공 높이도 0으로 하였다.
- (1993a)이 제안한 지역화식에서 사용된 변수 중의 하나인 형상계수의 범위가 너무 좁았기 때문에 일반적인 미계측 유역에 적용하기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 Huh et al. (1993a)의 연구에서 형상계수를 지역화식의 변수로 사용했던 첫 번째 Tank의 상부 유출공 높이(h12)의 지역화를 재시도하였다. 본 연구에서 h12 지역화식 개발에 사용한 변수는 산림면적 비율, 유역면적, 주하천 유로장이었으며, 다중회귀 분석을 통하여 선정하였다.
- 본 연구에서는 미계측 유역인 저수지 상류 유역의 유출을 모의하기 위해서 Tank 모형의 구성성분들을 개선하고 매개변수를 지역화였으며, 모형 성능을 검증하고 모형 적용성을 평가하였다. 또한 24개 저수지의 유입량을 모의하고 저수지 상류 유역의 유출특성을 분석하였다. 본 연구의 결과를 정리하면 다음과 같다.
- (1993a)에 의해 개발되었던 수정 Tank 모형을 관련 여건들의 변화를 반영하여 재구성하였으며, 미계측 유역에 모형을 적용하기 위하여 모형의 매개변수를 유역특성인자와 토지이용상태를 사용하여 지역화하였다. 또한 유출량 실측 자료가 있는 유역의 유출 모의에 지역 화된 모형을 적용하여 모형 성능을 평가하였으며, 24개 저수지 유입량 모의에 적용하고 결과를 분석하였다.
- 모형 성능 평가를 위하여 매개변수 지역화식 개발에 사용되었던 HS#3 유역, HS#5 유역, 인동관측소 유역, 금산 관측소 유역을 선정하였다. 모형 성능 평가에 사용된 자료는 매개변수 지역화식 개발에 사용된 자료와 상이한 것이며, 최종적으로 개발된 매개변수 지역화식과 개선된 모형의 성능을 검증하였다.
- 특히 수정 Penman 식은 합리적인 산정결과를 제시하는 것으로 알려져 있으며(Nandagiri and Kovoor, 2006), 일조시간, 기온, 상대습도, 풍속과 같은 기상인자를 측정하는 국내 기상관측소에 적용이 가능하므로 다른 식들 보다 적용이 용이하다. 미계측 유역은 기상 자료가 측정되지 않기 때문에 본 연구에서는 비교적 계측이 쉽고 자료 수집이 용이한 소형 증발접시 증발량 자료와 수정 Penman 식의 잠재증발산량 사이의 관계를 청명 일과 우천일로 구분하여 수립한 후, 일별 잠재증발산량을 산정하였다. 본 연구에서는 Huh et al.
- 유역피복계수는 토지이용별 작물의 종류 및 성장시기, 피복정도에 따라 다르며, 시기별로 변한다. 본 연구에서는 Huh et al. (1993a)이 제시한 것과 같이 유역의 토지이용을 산림, 논, 밭, 기타로 구분하고 각 토지이용상태에 월별로 피복계수를 적용하였으며, 토지이용상태별로 면적가중치를 적용하여 Eq. (7)과 같이 월별로 유역평균값을 산정하였다.
- 본 연구에서는 유역 유출 자료를 이용하여 보정한 매개 변수를 지역화시킨 Tank 모형을 이용하여 저수지 유입량을 모의하였다. 보다 정확한 저수지 유입량을 추정하기 위해서는 기상자료, 관개량, 저수량 등이 모니터링되어야 하며, 측정 자료를 이용한 매개변수 보정이 필요하다.
- 본 연구에서는 저수지 상류 유역의 유출을 모의하기 위해 Huh et al. (1993a)에 의해 개발되었던 수정 Tank 모형을 관련 여건들의 변화를 반영하여 재구성하였으며, 미계측 유역에 모형을 적용하기 위하여 모형의 매개변수를 유역특성인자와 토지이용상태를 사용하여 지역화하였다. 또한 유출량 실측 자료가 있는 유역의 유출 모의에 지역 화된 모형을 적용하여 모형 성능을 평가하였으며, 24개 저수지 유입량 모의에 적용하고 결과를 분석하였다.
- 인동관측소 유역 유출 모의는 2008～2009년에 대하여 실시하였으며, Fig. 10은 실측치와 모의치를 도식적으로 비교한 것이다. 고수량 구간에서는 모의치와 실측치의 차이가 크지 않으나 저수량 구간에서는 모의치와 실측치의 차이가 다소 크게 나타났다.
- 저수지 상류 유역의 유출특성을 분석하기 위하여 본 연구에서 재구성한 Tank 모형을 금강 수계에 위치한 천천저 수지, 계룡저수지, 광혜저수지, 도림저수지, 복심저수지, 용암저수지, 장찬저수지, 한계저수지, 낙동강 수계에 위치한 가북저수지, 고현저수지, 만운저수지, 웅양저수지, 창평저수지, 영산강 수계에 위치한 광주호, 나주호, 담양호, 백용 저수지, 유탕저수지, 장성호, 한강 수계에 위치한 궁촌저수지, 반계저수지, 금사저수지, 대평저수지, 추평저수지 등 24개 저수지에 적용하였다. Table 9는 대상 저수지들의 상류 유역 특성을 통계처리한 것이다.
대상 데이터
- HS#3 유역 유출 모의를 위한 지배관측소는 Thiessen법에 의해 선정했으며, 강우 및 증발량 자료는 수원관측소의 측정자료를 사용하였다. 모형의 적용기간은 1996～1997년이었으며, Table 7에 나타낸 것과 같이 총유출량의 상대오차는 -3.
- 88을 나타냈다. HS#5 유역은 HS#3 유역과 인접해 있기 때문에 유출 모의를 위한 강우 및 증발량 자료는 HS#3 유역과 동일하게 수원기상관측소의 측정자료를 사용하였다. HS#5유역의 모의결과를 평가하기 위하여 기천저수지의 모의 유입량을 저수지 물수지분석의 입력자료로 사용하여 일별 저수지 수위를 모의하였으며, 모의결과를 기천저수지 일별 저수위 측정자료와 비교하였다.
- 금산관측소 유역 유출 모의는 2009～2010년을 대상으로 실시하였으며, Fig. 11은 실측치와 모의치를 도식적으로 비교한 것이다. 전체 모의기간에 대하여 실측와 모의 치가 유사한 경향을 나타내고 있다.
- 90을 나타냈다. 금산관측소 유역 유출 모의를 위한 강우 및 증발량 자료는 금산기상관측소와 대전기상관측소의 자료를 각각 사용하였다. 금산관측소의 모의기간은 2008년이었으며, Table 7에 나타낸 것과 같이 총유출량의 상대오차는 8.
- 2%이었다. 대상 저수지들의 강우 및 증발량 자료에 대한 지배관측소는 Thiessen망을 이용하여 선정하였으며, 장성호, 나주호, 담양호, 광주호, 백용저수지의 강우량에 대한 지배관측소는 국토해양부에서 관리하는 강우관측소를 선정하였으며, 그 외의 저수지는 기상청의 기상관측소를 지배관측소로 선정하였다. 각 저수지 상류 유역의 특성을 고려하여 각 매개변수 값은 지역화식을 이용하여 추정하였다.
- 매개변수 α의 지역화에 사용된 유역은 Huh et al. (1993a)의 연구에서 적용한 용담유역 및 기대유역과 본 연구에서 4개 유역을 추가로 선정하였다.
- 모형 성능 평가를 위하여 매개변수 지역화식 개발에 사용되었던 HS#3 유역, HS#5 유역, 인동관측소 유역, 금산 관측소 유역을 선정하였다. 모형 성능 평가에 사용된 자료는 매개변수 지역화식 개발에 사용된 자료와 상이한 것이며, 최종적으로 개발된 매개변수 지역화식과 개선된 모형의 성능을 검증하였다.
- (1993a)의 연구에서 형상계수를 지역화식의 변수로 사용했던 첫 번째 Tank의 상부 유출공 높이(h12)의 지역화를 재시도하였다. 본 연구에서 h12 지역화식 개발에 사용한 변수는 산림면적 비율, 유역면적, 주하천 유로장이었으며, 다중회귀 분석을 통하여 선정하였다. 또한 a11의 지역화식을 유역면적과 주하천 유로장을 사용하여 재구성하였으며, 세 번째 Tank의 지하배수계수(b3)는 0.
- 본 연구에서 선정한 24개 저수지의 유입량 모의는 2002년부터 2011년 까지 10년에 대하여 일별로 실시하였다. Table 10은 24개 저수지의 유입량을 모의한 결과를 통계분석한 것이다.
- 본 연구에서 선정한 Tank 모형은 Fig. 1과 같은 3단 Tank 모형이다. 이 모형에서 지표유출은 첫 번째 Tank, 중간유출은 두 번째 Tank, 기저유출은 세 번째 Tank에서 모의한다.
- 개선된 모형을 미계측 유역에 적용하기 위하여 유역특성 인자와 토지이용상태를 이용하여 매개변수를 지역화하였다. 본연구에서선정한유역은반월#1, 반월#3, 보성, 용담, 기대, 나주, 괴산, 평창#1, 보청#2, 위천#4이며, Table 2와 같은 통계적 특성을 나타낸다. 유역면적은 2.
- 99를나타냈다. 인동관측소 유역 유출 모의를 위한 강우 및 증발량 자료는 인동우량관측소와 대전기상관측소의 자료를 각각 사용하였다. 모형의 적용기간은 2007년이었으며, Table 7에나타낸 것과 같이 총유출량의 상대오차는 -3.
- HS#3 유역의 말단에는 수위 및 유량 측정 시설이 설치되어 있으며, HS#5 유역은 기천저수지의 상류유역이며, 한국농어촌공사에서 저수지 수위를 일별 측정하고 있다. 인동관측소는 대전시 동구에 위치한 대전천 상류에 위치하고 있으며, 금산관측소는 충남 금산군에 위치한 봉황천 상류에 위치하고 있다. 두 관측소는 국토해양부에서 관리하고 있으며, 강우 및 수위 관측소이다.
이론/모형
- 유역잠재증발산량은 Huh et al. (1993a)이 제안한 것과 같이 수정 Penman 식(Doorenbos and Pruit, 1984)의 잠재증발산량을 사용하였다. 최근 연구에서는 Tank 모형의 유역 잠재증발산량을 효과적으로 추정하기 위하여 잠재증발량 추정식을 사용하고 있다(Jung et al.
- 또한 이들은 모형의 매개변수를 보정하고 유역특성인자와 토지이용상태를 사용하여 지역화하여 모형을 미계측 유역의 유출해석에 적용이 가능하도록 하였다. 이와 같은 점을 고려하여 본 연구에서는 미계측 유역인 저수지 상류 유역의 유출을 모의하기 위하여 Huh et al. (1993a)이 개발한 수정 Tank 모형을 선정하였다.
성능/효과
- 1) 미계측 유역의 유출 모의를 위해 개발되었던 Tank모형의 유출성분과 증발산성분을 개선하였으며, 모형의 매개변수를 유역특성인자와 토지이용상태를 이용하여 지역화하였다. 증발산성분의 매개변수 α에 대한 모형의 민감도 분석 결과, 매개변수의 변화에 따라 모형이 합리적으로 반응하는 것으로 나타났다.
- 2) 모형 성능을 검증하기 위하여 3개 유역과 1개의 저수지를 선정하였으며, 유역 유출을 모의한 경우에는 총유출량 상대오차가 -4.0～17.0%, RMSE가 2.7～10.2 mm, 상관계수가 0.77～0.91을 나타냈으며, 저수지 수위를 모의한 경우에는 RMSE 0.17 m, 상관계수가 0.94를 나타냈다.
- 3) 모형을 24개 저수지 유입량 모의에 적용한 결과, 대상 기간 동안 증발산율은 34.8～53.5%이었으며, 평균 증발산율은 42.8%이었다. 유출률은 46.
- 6%이었다. 가장 큰 유출률은 대평저수지가 나타낸 64.2%이었으며, 가장 작은 유출률 백용저수지가 나타낸 46.5%였다. 대평저수지는 경기도 양평시에 소재하고 있으며, 유역면적 6.
- 두 저수지의 토지이용상태는 전형적인 저수지 상류 유역의 특성을 나타내고 있으며, 큰 차이를 보이지 않는다. 따라서 백용저수지 상류 유역의 평균기온을 포함한 기상요소들이 대평저수지 것들 보다 증발산을 보다 촉진시키는 방향으로 작용하여 백용저수지의 증발산율이 대평저수지의 증발산율 보다 큰 값을나타냈으며, 이로 인해 대평저수지의 유출률이 백용저수지의 유출률 보다 큰 값을 나타낸 것으로 판단된다.
- 증발산성분의 매개변수 α에 대한 모형의 민감도 분석 결과, 매개변수의 변화에 따라 모형이 합리적으로 반응하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 또한 저수지의 관개용수공급량, 관개지구 용수로의 유황에 대한 계측 자료가 부족하여 수혜지구의 물관리 상황에 대한 분석이 쉽지 않으며, 저수지 계획, 설계, 운영을 위한 정확한 유입량 예측이 어려운 실정이다. 따라서 제반 여건들을 고려하면서 저수지 유입량 예측의 정확성을 향상시키기 위해서는 상류 유역 특성을 고려할 수 있는 모형을 선정하고 합리적인 모형 적용방법을 개발해야 한다.
- 보다 정확한 저수지 유입량을 추정하기 위해서는 기상자료, 관개량, 저수량 등이 모니터링되어야 하며, 측정 자료를 이용한 매개변수 보정이 필요하다. 또한 본 연구에서 제안한 모형으로 모의된 저수지 유입량 자료는 유역관리 및 저수지 계획, 설계, 운영 등에 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
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