[논문]SCS-CN 방법의 국내 적용의 문제점 및 한국형 유효우량 산정기법 개발의 필요성

유지영; 문건우; 김태웅; 안재현

문제 정의

2) 값을 적용하고 있어, 유역별 강우-유출 특성을 충분히 반영하는 데 한계가 있다. 따라서 본 절에서는 우리나라 유역 특성에 맞는 초기손실계수를 추정하고자 관측된 강우-유출 자료를 기반으로 SCS-CN 방법의 관계식에 적용하여 초기손실계수를 역 추정하였다. 그 결과, 각 대상유역별 추정된 호우사상의 초기손실계수는 현재 실무에서 모든 유역에 동일한 초기손실계수 (0.
기존 실무에서 활용되어진 SCS-CN 방법을 적용하는 것에 국한되지 않고, 국외에서 활용하고 있는 다양한 유효우량 산정기법에 대한 국내적용의 연구를 통해 지속적인 검토가 필요할 것이다. 따라서 본기사에서는 국내외 유효우량 산정을 목적으로 SCS-CN 방법을 활용한 연구사례를 중심으로 조사하였으며, 사례연구를 기반으로 우리나라 지역별 강우-유출 특성을 고려하여 유효우량 산정이 가능할 수 있도록 일반적인 SCS-CN 방법을 적용하였을 경우 발생가능한 문제점에 대한 극복방안을 모색하였다.
이처럼 우리나라 실정에 맞는 유효우량 산정기법을 개발하기 위해서는 기존의 SCS-CN 방법의 산정공식을 무조건 적용하는 데에서 벗어나, 한국형 Modified SCS-CN 방법의 개발이 필요할 것이다. 본 기사 에서는 유량조사사업단에서 제공받은 4개 시험 유역의 강우-유출 자료를 이용하여(표 2 참고), 앞 절의 국외 연구사례에서 구분되어진 SCS-CN 방법 적용상의 두 가지 문제점에 대하여 면밀히 검토하고자 한다.
그러므로 우리나라에 실정에 맞는 객관적인 유효우량 산정식을 개발하기 위해서는 기존에 개발되어진 SCS-CN 방법에 관련된 유효우량 산정공식을 무조건 적용하는 데에서 벗어나야 할필요가 있다. 본 기사에서는 국내외 다양한 선행 연구를 기반으로 유효우량 산정을 위해 SCS-CN 방법을 적용 시 발생되는 연구의 한계점을 정리한 후, 한국형 유효우량 산정을 위한 구체적인 극복방안을 모색하고자 한다.
본 기사에서는 우리나라에 실정에 맞는 객관적인 유효우량 산정식의 개발을 위한 선행연구로서 유역별 유출특성을 반영할 수 있는 Modified SCS-CN 방법을 개발하기 위한 노력이 필요하다고 제안한다. 그러므로 실제 특정지역의 유효 우량을 산정하기 위해서는 기존에 개발되어진 SCS-CN 방법에 관련된 유효우량 산정공식의 무조건적인 적용은 지양해야 한다.
그 결과 실제 대상유역에 적용하는데 있어 SCS-CN 방법에서 발생하는 문제점을 해결하는 것이 불가능한 경우에는 대상 유역의 특성에 맞는 새로운 유효우량 산정기법을 개발하여 적용하고 있다. 본 절에서는 유효우량 산정시 SCS-CN 방법의 적용 시 반복적으로 논의되고 있는 크게 두 가지의 문제점에 대하여, 이와 관련한 연구사례를 중심으로 서술하였다.

제안 방법

본 절에 서는 기존의 AMC 기준을 구분하는 데 있어 선행 강수일수와 강수량의 조건에 따른 CN의 민감도 평가를 수행하고자 AMC-I과 II를 구분하는 선행강수량 기준을 D1(Division 1), AMC-II와 III를 구분하고자 선행강수량기준을 D2(Division 2)라고 정의하였다. 그 후, D2를 최대한 큰 값으로 고정한 후 D1을 1mm에서 D2 까지 선행강수량 기준을 변화시킨 후, AMC-I 조건에 해당되는 CN을 분류하여 CN(I)의 분포 도(histogram)를 작성하였다. 그 결과 그림 3(a)와 같이 유역별 CN(I)의 경우에는 D1별로 그려지는 분포도를 분석하여, 유역의 평균유출조건을 나타내는 구간(가장 큰 상대도수의 구간)을 제외하고 가장 높은 상대도수를 갖는 최소유출잠재능을 나타내는 구간(lowest runoff potential section)의 CN을 AMC-I 조건의 CN으로 결정한다.
(2009)은 중국의 협곡지역인 TGA 지역을 대상으로 유출특성을 해석하였으며, 이때 선행유출조건(ARC : Antecedent Runoff Condition)이란 개념을 도입하여 적용하였다. 기저유출을 분리하기 위해 EFLOW라는 프로그램을 사용하여 기저유출량과 직접유출량을 분리하여 산정하였다. 위와 같은 절차를 따라 SCSCN의 기존방법과 개선된 방법인 Modified model을 적용하여 강우-유출 사상을 비교 분석을 하였으며, Hawkins et al.
34mm)을 기준으로 이용하고 있다. 본 절에 서는 기존의 AMC 기준을 구분하는 데 있어 선행 강수일수와 강수량의 조건에 따른 CN의 민감도 평가를 수행하고자 AMC-I과 II를 구분하는 선행강수량 기준을 D1(Division 1), AMC-II와 III를 구분하고자 선행강수량기준을 D2(Division 2)라고 정의하였다. 그 후, D2를 최대한 큰 값으로 고정한 후 D1을 1mm에서 D2 까지 선행강수량 기준을 변화시킨 후, AMC-I 조건에 해당되는 CN을 분류하여 CN(I)의 분포 도(histogram)를 작성하였다.
Liu and Li (2008)은 중국의 황토유역인 Wangdonggou 강에 대하여 수치표고모형인 DEM 모형과 사면경사, 토지이용, 수문학적 토양군을 기초로 하여 SCS-CN 방법을 적용하였다. 수문학적 토양군 분류에서는 짙은 황토토양, 붉은토양, 황토토양 등으로 분류하였으며, 5일 선행강수량은 SCS-CN 방법에서 제시한 강우량 조건이 아닌 중국의 고원에 맞게 자체적으로 강우-유출 관계를 고려하여 개발한 선행강수 조건을 사용하였다. 이를 통해 정의되어진 토양 군, 위성탐사사진으로부터 분류된 토지이용 및 피복상태를 기초 인자로 활용하여 모의된 유출량과 실제 관측 유출량의 관계를 해석한 결과 75% 이상 정도의 차이가 발생하는 문제를 확인하였다.
기저유출을 분리하기 위해 EFLOW라는 프로그램을 사용하여 기저유출량과 직접유출량을 분리하여 산정하였다. 위와 같은 절차를 따라 SCSCN의 기존방법과 개선된 방법인 Modified model을 적용하여 강우-유출 사상을 비교 분석을 하였으며, Hawkins et al. (2002)의 강우사상 분석을 사용하여 초기손실계수에 대해 정의한 연구 결과를 바탕으로 중국의 TGA 지역에서의 농업유역으로부터 SCS-CN 방정식의 초기손실 계수를 정의하였다. 그 결과, 기존의 SCS-CN 방법과 Modified model 방법과 비교분석한 결과는 그림 1과 같으며, 예측한 직접유출량과 측정된 직접 유출량 사이에서 Modified model을 적용한 연구결과의 정확도가 상대적으로 향상되는 것을 증명하였다.

대상 데이터

05를 사용하는 것이 더 좋은 결과를 얻을 수 있다고 언급한 바 있다. 또한, Shi et al. (2009)은 Wangliaqiao 유역을 대상으로 강우-유출 사상에 대해 분석을 수행하였으며, 1994년부터 1996년까지의 강우사상을 29개로 추출하여 분석자료로 활용하였다. 시간 단위는 10분 간격으로 하였으며, Hawkins et al.

이론/모형

(2009)은 Wangliaqiao 유역을 대상으로 강우-유출 사상에 대해 분석을 수행하였으며, 1994년부터 1996년까지의 강우사상을 29개로 추출하여 분석자료로 활용하였다. 시간 단위는 10분 간격으로 하였으며, Hawkins et al. (2002)과 Batlas et al. (2007)에서 수행한 방법을 활용하여 분석하였다. 초기손실계수는 최소 0.

성능/효과

(2009)은 SWAT(Soil and Water Assessment Tool)을 개선하기 위해 수문학적 모형을 이용하여, 조지아의 남부지방에 위치한 LREW (Little River Experimental Watershed) 유역의 유효우량을 계산하였다. 그 결과 성수기 및 비성수기의 유출곡선지수의 차이와 토양의 포화정도에 따른 유출곡선지수의 적용을 위해 초기손실계수는 0.05를 사용하는 것이 더 좋은 결과를 얻을 수 있다고 언급한 바 있다. 또한, Shi et al.
(2009)은 그리스 Lykorrema 하천 유역 내 측정된 강우-유출 자료로부터 산정한 관측 CN값을 SCS-CN 방법과 비교하여 적용성을 검토하였다. 그 결과 큰 강우사상에 대해서는 유출량이 과다 산정되며, 작은 강우사상에 대해서는 유출량이 과소 산정되는 문제를 발견하였다.
따라서 본 절에서는 우리나라 유역 특성에 맞는 초기손실계수를 추정하고자 관측된 강우-유출 자료를 기반으로 SCS-CN 방법의 관계식에 적용하여 초기손실계수를 역 추정하였다. 그 결과, 각 대상유역별 추정된 호우사상의 초기손실계수는 현재 실무에서 모든 유역에 동일한 초기손실계수 (0.2) 값과 비교하여 차이가 있는 것으로 확인되었다(그림 2 참고).
그 결과, 관측된 유출량과 SCS-CN 방법으로 계산된 유효우량을 비교하여 직접표면유출량은 AMC 조건이 변함과 동시에 2007년의 직접유출에 기여하는 유효우량이 2001년과 비교하여 약 20∼40% 유출량이 증가하는 것으로 확인되었다.
(2002)의 강우사상 분석을 사용하여 초기손실계수에 대해 정의한 연구 결과를 바탕으로 중국의 TGA 지역에서의 농업유역으로부터 SCS-CN 방정식의 초기손실 계수를 정의하였다. 그 결과, 기존의 SCS-CN 방법과 Modified model 방법과 비교분석한 결과는 그림 1과 같으며, 예측한 직접유출량과 측정된 직접 유출량 사이에서 Modified model을 적용한 연구결과의 정확도가 상대적으로 향상되는 것을 증명하였다.
이때, 실제 유출고를 계산하는 데 있어 초기손실 계수는 해당 유역의 유출특성을 대표하는 중요한 변수이며, 기존에 SCS-CN 방법에서 제시하는 최대잠재보유수량의 20%를 초기손실로 적용하는데 한계가 있음을 발견하였다. 그 후, 기존의 강우-유출 모형과 선행토양수분량(M)을 결합한 새로운 SCS-CN 방법(MMS 모형(4))을 새롭게 제시하였으며, 기존의 SCS-CN 방법 보다 합리적이라는 연구 결과를 제시하였다.
즉, 대상유역 내 많은 호우사상의 유출특성을 분석하여 평균적인 초기손실계수를 결정하여 각 유역대표 초기손실계수를 결정할 필요가 있다. 두번째로, AMC 조건의 설정기준에 따라 민감하게 작용하는 CN을 고려한다면, 실무에서 SCS-CN 방법을 적용하여 유효우량을 산정하는 데 있어 신뢰성이 저하될 수 있는 충분한 여지가 있을 것으로 확인되었다. 따라서 향후 한국형 유효우량 산정이 가능할 수 있는 Modified SCS-CN 방법 개발을 위해서는 선행적으로 우리나라의 유역특성을 고려하여 기존 SCS-CN 방법의 적용성 평가에 대한 노력이 지속되어야 할 것이다.
014)을 얻었다. 또한 다른 유역에서도 동일한 방법으로 계산한 결과 0.037의 값을 초기손실계수로 얻게 되었으며, 실제 두유역의 초기손실계수(0.014와 0.037)에 대한 차이의 원인은 토지이용 및 유역의 지질학적 특성에 대한 분포가 다르다는 것이 원인으로 작용하였음을 발견하였다. Batlas et al.
09)이 추정되었다. 마지막으로 회덕 유역에서 추정된 초기손실계수는 다른 3개의 유역에 비하여 기존의 초기손실계수(0.2)와 비교하여 가장 적은 편차(최소 0.01에서 최대 0.04 정도 작은 값)를 나타내는 것으로 확인되었다. 즉, 이와 같은 결과는 기존에 초기손실계수를 결정하는 데 있어, 강우-유출 관계에서 기존에 활용되어진 최대잠재보유수량의 20%로 결정함으로 인해 실제 유역의 초기 손실량이 다소 과다하게 평가되어질 가능성이 있다고 판단된다.
이 중에서, 중랑교 유역과 점촌 유역의 추정된 초기손실계수는 기존의 초기손실계수(0.2)와 비교하여 최소 0.01에서 최대 0.07 정도 작은 값이 계산되었다. 더불어 흑천교 유역에서는 추정된 초기손실계수가 기존의 초기손실계수(0.
(2006)은 초기손실량과 최대잠 재보유수량의 관계를 도출하기 위해, 유출체적 및 유역면적을 고려하여 유출고를 산정하였다. 이때, 실제 유출고를 계산하는 데 있어 초기손실 계수는 해당 유역의 유출특성을 대표하는 중요한 변수이며, 기존에 SCS-CN 방법에서 제시하는 최대잠재보유수량의 20%를 초기손실로 적용하는데 한계가 있음을 발견하였다. 그 후, 기존의 강우-유출 모형과 선행토양수분량(M)을 결합한 새로운 SCS-CN 방법(MMS 모형(4))을 새롭게 제시하였으며, 기존의 SCS-CN 방법 보다 합리적이라는 연구 결과를 제시하였다.
수문학적 토양군 분류에서는 짙은 황토토양, 붉은토양, 황토토양 등으로 분류하였으며, 5일 선행강수량은 SCS-CN 방법에서 제시한 강우량 조건이 아닌 중국의 고원에 맞게 자체적으로 강우-유출 관계를 고려하여 개발한 선행강수 조건을 사용하였다. 이를 통해 정의되어진 토양 군, 위성탐사사진으로부터 분류된 토지이용 및 피복상태를 기초 인자로 활용하여 모의된 유출량과 실제 관측 유출량의 관계를 해석한 결과 75% 이상 정도의 차이가 발생하는 문제를 확인하였다.
이처럼 실제 유역의 강우-유출 특성을 반영하여 구분하고자 선행강수량의 변화에 따른 CN의 상대빈도를 검토하여 AMC 조건의 D1과 D2의 검토가 가능하며, 이는 기존의 조건(D1=35.56mm, D2=53.34mm)와 비교하여 상당히 차이가 있는 것으로 판단된다. 그러나 이와 관련한 과거 선행 연구 중 박정훈 등(2005)의 장평유역을 대상으로 한 성수기의 선행토양함수조건을 재설정한 구분기준(AMC-I과 II의 구분조건 D1은 22mm, AMC-II와 III의 구분조건 D2는 117mm)을 살펴보면, 본 연구에서 제시한 대상유역별(점촌 제외) D1과 D2의 값이 매우 유사한 것을 확인할 수 있다.
04 정도 작은 값)를 나타내는 것으로 확인되었다. 즉, 이와 같은 결과는 기존에 초기손실계수를 결정하는 데 있어, 강우-유출 관계에서 기존에 활용되어진 최대잠재보유수량의 20%로 결정함으로 인해 실제 유역의 초기 손실량이 다소 과다하게 평가되어질 가능성이 있다고 판단된다.
첫 번째로, 우리나라의 강우-유출 관계에서 기존에 활용되어진 최대잠재보유수량의 20%를 초기손실로 설정함에 있어 다소 과다한 값이 적용되어졌을 가능성이 있는 것으로 판단되었다. 즉, 대상유역 내 많은 호우사상의 유출특성을 분석하여 평균적인 초기손실계수를 결정하여 각 유역대표 초기손실계수를 결정할 필요가 있다.

후속연구

그러므로 실제 특정지역의 유효 우량을 산정하기 위해서는 기존에 개발되어진 SCS-CN 방법에 관련된 유효우량 산정공식의 무조건적인 적용은 지양해야 한다. 기존 실무에서 활용되어진 SCS-CN 방법을 적용하는 것에 국한되지 않고, 국외에서 활용하고 있는 다양한 유효우량 산정기법에 대한 국내적용의 연구를 통해 지속적인 검토가 필요할 것이다. 따라서 본기사에서는 국내외 유효우량 산정을 목적으로 SCS-CN 방법을 활용한 연구사례를 중심으로 조사하였으며, 사례연구를 기반으로 우리나라 지역별 강우-유출 특성을 고려하여 유효우량 산정이 가능할 수 있도록 일반적인 SCS-CN 방법을 적용하였을 경우 발생가능한 문제점에 대한 극복방안을 모색하였다.
따라서 우리나라의 모든 유역별 강우-유출 특성을 고려하여 계산된 각 유역대표의 초기손실계수를 설정할 필요가 있을 것이며, 이를 위해서는 대상유역 내 많은 호우사상의 유출특성을 분석하여 평균적인 초기손실계수 결정을 위한 선행연구가 우선적으로 수행되어야 할 것이다.
두번째로, AMC 조건의 설정기준에 따라 민감하게 작용하는 CN을 고려한다면, 실무에서 SCS-CN 방법을 적용하여 유효우량을 산정하는 데 있어 신뢰성이 저하될 수 있는 충분한 여지가 있을 것으로 확인되었다. 따라서 향후 한국형 유효우량 산정이 가능할 수 있는 Modified SCS-CN 방법 개발을 위해서는 선행적으로 우리나라의 유역특성을 고려하여 기존 SCS-CN 방법의 적용성 평가에 대한 노력이 지속되어야 할 것이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SCS-CN 방법을 이용한 유효우량 산정 시 적용상의 한계점은 무엇인가?	최근 해외 연구에서 반복적으로 제기되어진 SCS-CN 방법을 이용한 유효우량 산정 시 적용상의 한계점은 크게 두 가지로 요약되었다. 첫번째는 초기손실량(Ia)과 최대잠재보유수량(S)의 비율인 초기손실계수에 대한 민감성으로 인한 문제점이며, 두 번째는 선행토양함수조건에 대한 모호성으로 인한 문제점이다. 이와 같은 적용상의 한계점을 해결하기 위해 보다 합리적인 방법으로 유역의 유출특성을 반영할 수 있는 Modified SCS-CN 방법을 개발하고자 지속적으로 노력하고 있는 실정이다.
	초기손실 계수는 실제 유출고를 계산하는 데 있어 어떤 변수인가?	(2006)은 초기손실량과 최대잠 재보유수량의 관계를 도출하기 위해, 유출체적 및 유역면적을 고려하여 유출고를 산정하였다. 이때, 실제 유출고를 계산하는 데 있어 초기손실 계수는 해당 유역의 유출특성을 대표하는 중요한 변수이며, 기존에 SCS-CN 방법에서 제시하는 최대잠재보유수량의 20%를 초기손실로 적용하는데 한계가 있음을 발견하였다. 그 후, 기존의 강우-유출 모형과 선행토양수분량(M)을 결합한 새로운 SCS-CN 방법(MMS 모형(4))을 새롭게 제시하였으며, 기존의 SCS-CN 방법 보다 합리적이라는 연구 결과를 제시하였다.
	SCS에서 제시한 유효우량 산정방법의 장점은 무엇인가?	우리나라를 비롯한 대다수의 국가에서는 미국 토양보존국(SCS)에서 제시한 유효우량 산정방법(「 National Engineering Handbook, Section-4 : Hydrology (SCS, 1985)」)을 활용하고 있다. 이 방법은 계측 및 미계측 유역에서 모두 사용이 가능하다는 장점이 있으나, 실제 SCS-CN 방법의 개발 과정에 따르면 미국 내 대상유역의 토양의 특성, 토지이용도, 선행강우량, 강우량과 강우기간 및 평균 온도 등을 고려하여 경험식으로 유도되었음을 알 수 있다(Mockus, 1949). 즉, SCS-CN 방법의 개발배경인 미국 내 대상유역과 상이한 강우-유출 특성을 나타내는 유역에 대하여 SCS-CN 방법을 적용하였을 경우에는 신뢰성 있는 유효우량을 산정하는 데 한계가 존재할 가능성이 있다는 것을 의미한다.

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