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문제 정의
- 본 연구에서는 GIS 기반의 유역 특성인자를 기반으로 유역 유사성을 평가하고, 이를 유황곡선의 관련 계수(하상계수, 유황계수, 홍수계수, 갈수계수, 저류계수, 풍수계수)를 바탕으로 한 유역 군집화 결과와 비교하여 유역 유사성 평가 방법을 제시하였다.
- 그러나 이러한 방법을 정확히 적용하기 위해서, 계측 유역과 대상이 되는 미계측 유역이 수문학적으로 어느 정도 유사한지를 평가할 필요성이 있다. 본 연구에서는 GIS 기반의 유역의 유역 특성인자 및 수문환경 등을 바탕으로 금강 유역 25개소의 계측 유역을 대상으로 수문학적 유사성을 평가하고, 이를 바탕으로 한 수문학적 그룹화를 수행하였다.
제안 방법
- 각 변수들은 다양한 범위를 가지고 있으므로 표준편차를 사용함으로써 표준화 하였으며, 로그 변환을 통하여 변수의 분포를 보다 균형적으로 나타나게 하고 수문학적 거리가 변수들 간의 차이보다는 그 양의 비율에 중점을 두고자 하였다(FEH, 1999).
- 금강 25개 소유역(대청댐 상류-12개, 미호천-5개, 갑천-3개, 금강하류-5개)을 대상으로 유역특성인자 및 최근 10년(2002.1.1-2011.12.31)의 유량자료를 바탕으로 유역유사성을 평가한다.
- 금강 유역의 유사성이 있는 유역으로 미호천 유역의 3개소(석화, 북일, 합강)과 보청천 유역의 2개소(청성, 기대)유역을 수문학적으로 유사한 유역으로 평가한다. 금강 하류 및 갑천 부분의 우곤, 복수, 우성, 석동은 F2유역으로 수문학적 거리의 산정 결과와 유황관련 계수의 군집화에서 동일하게 그룹화되었다.
- 유역 모형 매개변수들의 지역화를 위해 11개의 매개변수를 포함하는 개념적인 모형을 사용하여 오스트리아에 위치한 308개의 유역의 물수지 분석을 시행하였다. 또한 미계측 유역의 모형 매개변수들을 산정하는 유역분류 기법들을 비교하였다. 미계측 유역의 적용 결과 가장 최상의 성능은 상·하류 관계의 유역, 또는 인접한 유역으로 분류된 유역의 평균적인 매개변수를 사용하는 방법인 것을 확인하였다.
- 본 연구에서는 유역 특성인자 기반의 유역 특성인자 방법(수문학적 거리 산정방법)을 금강 유역에 적용하고, 이를 유역의 유일한 유출 관측 자료인 유량 자료를 바탕으로 유사성을 평가-분석한 결과와 비교 한다. 이는 기존의 유역 모형 유출모의 결과를 바탕으로 한 평가(예, Bloschl et al.
- 유황곡선(Flow Duration Curve, FDC)은 다양한 크기에 대한 상대적인 지속기간을 보이는 연속적인 유출량 시계열 이며, 이는 유출량의 누가빈도곡선으로 정의된다(Lee, 2009). 본 연구에서는 유출고를 바탕으로 한 표준화한 유황곡선을 적용한다. 다음 Fig.
- 연구대상지역의 유역특성을 분석하기 위하여 정량적 분석이 필요하며 대상지역의 유역도, 수치고도모형(DEM) 등의 공간자료를 이용하여 GIS 공간분석을 실시하였다.
- 유역의 수문학적 거리를 산정은 영국의 표준 홍수량 산정방법인 FEH에서 제시하는 유클라디안 공식을 3개의 유역 특성인자(A, SAAR, SCS-CN)로 산정하였다. 유역 그룹화는 수문학적 거리가 가장 가까운 두 개의 유역을 기준으로 하여 단일그룹 기준(수문학적 거리 1.5이하)을 만족하는 유역들을 수문학적 거리가 가까운 순서대로 포함하여 수행하였다. 또한 한 그룹에 최소 3개의 유역이 포함되도록 하였다.
- ,(2004)은 미계측 유역의 지역화 연구에서 강우 유출모형변수의 미계측 유역 적용을 위한 유역의 유사성을 평가 하였다. 유역 모형 매개변수들의 지역화를 위해 11개의 매개변수를 포함하는 개념적인 모형을 사용하여 오스트리아에 위치한 308개의 유역의 물수지 분석을 시행하였다. 또한 미계측 유역의 모형 매개변수들을 산정하는 유역분류 기법들을 비교하였다.
- 유역면적, 평균 경사, 형상계수, 수계밀도 및 FARL는 축적 1/5000의 수치지도를 통하여 GIS을 통하여 산정하였으며, 년평균 강우량은 국가수자원관리포털(WAMIS)의 1981-2010년 기간의 자료를 년평균하여 산정하였다.
- 유역특성을 반영한 수문학적 거리로 분류된 H그룹과 유역의 유출특성을 직접적으로 반영되는 유황관련계수로 분류된 F그룹의 비교를 통해 유역 유사성의 효용성을 평가하였다. 수문학적 거리를 바탕으로 그룹화된 유역들과 유황 관련 계수를 바탕으로 그룹화된 유역들이 대응은 Fig.
대상 데이터
- 본 연구에서 검토한 7개의 대표 유역특성인자(유역면적, 평균경사, 형상계수, 수계밀도, 년평균 강우량-SAAR8110, 저수지 홍수 저감지수-FARL, 유출특성지수-CN2007)의 정의는 Table 1과 같으며, 이를 금강 25개 소유역을 대상으로 산정하였으며 그 결과는 다음 Table 2와 같다.
- 본 연구에서 활용한 계측 유역의 수위 관측소는 총 25개(대청댐 상류:12개, 미호천:5개, 갑천:3개, 대청댐 하류:5개)이며 각 수위 관측소를 유출구로 유역을 GIS 분석을 통하여 산정하였다. 금강 본류에 위치하는 수위관측소를 유출구로 하는 유역들은 대청댐 상류에 4개(천천, 용담, 양강, 대청댐), 미호천에는 3개(북일, 석화, 합강)가 있으며 이들 유역은 상류 및 지류 유역들을 모두 포함한다.
- 본 연구에서는 금강 유역의 수문학적 유사성 평가하기 위하여 금강권역의 25개 유역(대청댐 상류(12개), 미호천(5개), 갑천(3개), 금강하류(5개))을 대상으로 유역 그룹화를 수행하였다. 본 연구의 주요 결론은 다음과 같다.
데이터처리
- 군집분석(Cluster Analysis)이란 각 객체의 유사성을 측정하여 유사성이 높은 대상 집단을 분류하고, 군집에 속한 객체들의 유사성과 서로 다른 군집에 속한 객체간의 상이성을 규명하는 통계분석방법이다. 이를 위해 통계프로그램(statistical package for social science, SPSS 19)을 활용하여 군집분석을 실시한다. 군집분석의 유사성 측정법과 군집방법들은 매우 다양한 기법들이 존재한다(Song and Chang, 2010).
이론/모형
- 군집분석의 유사성 측정법과 군집방법들은 매우 다양한 기법들이 존재한다(Song and Chang, 2010). 본 연구에서는 계층적 군집분석을 실시하였고 대상거리 선정기준은 Ward법, 유사성측도는 제곱유클리디안 거리를 이용하였다.
- 유역의 수문학적 거리는 두 유역의 유사성을 중요 유역특성인자들 간의 거리로서 판단한다. 본 연구의 수문학적 거리는 영국의 홍수량 산정 방법(Flood Estimation Handbook, IH, 1999)에서 제시한 유클라디안(Euclidean) 수문학적 거리산정을 적용한다.
- 유역 특성인자의 산정과정과 대표 특성인자의 선정과정은 Ko(2012) 및 Ko 등(2011)을 참조한다.
- 유역의 수문학적 거리를 산정은 영국의 표준 홍수량 산정방법인 FEH에서 제시하는 유클라디안 공식을 3개의 유역 특성인자(A, SAAR, SCS-CN)로 산정하였다. 유역 그룹화는 수문학적 거리가 가장 가까운 두 개의 유역을 기준으로 하여 단일그룹 기준(수문학적 거리 1.
- 유역면적, 평균 경사, 형상계수, 수계밀도 및 FARL는 축적 1/5000의 수치지도를 통하여 GIS을 통하여 산정하였으며, 년평균 강우량은 국가수자원관리포털(WAMIS)의 1981-2010년 기간의 자료를 년평균하여 산정하였다. 유출 특성지수는 정밀 토양도(2007년)를 바탕으로 GIS를 활용하여 산정하였다.
- 유황곡선의 객관적인 비교 분석을 위하여 Park(2003), Lee(1993) 및 Lim(2012)이 제시한 저수계수, 갈수계수, 홍수계수, 풍수계수, 유황계수, 그리고 하상계수를 산정한다. 각각의 유황곡선 관련 계수의 설명은 Table 2와 같다.
성능/효과
- 각각의 계수들을 비교하였을 때 저수계수와 갈수계수, 풍수계수는 하천의 규모에 무관한 결과를 보였다. 반면 홍수계수와 유황계수, 하상계수는 최소값과 최대 값의 차이가 매우 큰 것을 알 수 있다.
- 그러나 보청천과 미호천의 유역들이 지역적으로 떨어져 있지만 유역의 수문학적인 거리 산정 및 유황계수의 군집화에서 동일한 결과를 도출하여 본 연구에서 제시한 유역 유사성 평가 방법이 유역의 수문학적 특성을 반영한 것으로 판단되며, 이는 지역적인 한계를 넘어선 일반적인 유역 그룹화의 가능성을 확인하였다.
- 미계측 유역의 적용 결과 가장 최상의 성능은 상·하류 관계의 유역, 또는 인접한 유역으로 분류된 유역의 평균적인 매개변수를 사용하는 방법인 것을 확인하였다.
- 보청천과 미호천의 유역들이 지역적으로 떨어져 있 으나, 유역의 수문학적인 거리 산정 및 유황계수의 군집화에서 동일한 결과를 도출하여 지역적인 한계를 넘어선 일반적인 유역 그룹화의 가능성을 확인 하였다.
- 유역특성인자를 반영한 수문학적 거리에 의한 유역 그룹(H)과 유출특성을 반영한 유황관련계수들에 의한 유역그룹(F)과의 비교분석을 통하여 유역 유사성을 평가한 결과 H2그룹의 6개 유역 중 4개의 유역이 F1그룹에 속하며, H1그룹의 7개 유역 중 6개 유역과 H3 그룹의 모든 유역이 F2 그룹에 속한다.
- 유황관련계수로 그룹화를 수행한 결과 두 개의 그룹 (F3, F4)에는 각각 송천유역과 탄부교유역으로 1개의 유역만 그룹화가 되었다. 이는 송천 유역과 탄부유역의 유황관련계수들이 다른 유역에 비하여 아주 큰 차이를 보이기 때문인 것으로 판단된다.
- Sawicz (2011)은 강우에 대한 유역들의 반응으로 유역의 유사성을 확인하였고, 도출되어진 수문학적 유사성을 유역 분류에 대한 기초 자료로 활용하였다. 이 연구를 통해 공간적인 근접성은 수문학적 유사성을 평가하는 데 가장 신뢰도가 높은 지표임을 확인하였다. 이러한 지역적인 분포는 수문학적 유사성을 평가 할 때 가장 우선적으로 고려하여야 특성이다.
후속연구
- 본 연구는 향후 금강유역의 미계측 유역의 매개변수 추정을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 보이나 연구 결과의 일반화된 적용을 위해서는 향후 추가적인 연구가 필요하다고 판단된다.
- 이들 계수들은 유역의 강우현상유역 유출 수문현상 등을 모두 반영, 유역 출구에서 최종적으로 표현된 유량으로부터 산정된 특성인자로서, 각각 저수, 갈수, 홍수 및 풍수에 대한에 개별적인 특성으로 제시하여 유역의 그룹화 할 때 그 의미가 있다. 이러한 유황곡선 및 관련 계수는 유역의 수무학적 그룹 화에 효율적으로 적용할 수 있을 것으로 판단된다. 대상 유역의 유황관련 계수 산정결과는 Table 4와 같다.
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