본 연구는 태화강을 비롯한 동천, 회야강 및 청량천 등 울산의 주요 하천유역을 대상으로 최근 한국건설기술연구원이 개발한 CAT모형을 이용하여 물순환 분석을 실시하였다. CAT모형의 적용을 위해 태화강은 25개, 동천은 11개, 회야강은 17개 그리고 청량천은 5개의 소유역으로 분할하여 유출기여유역과 함양유역으로 구분하는 개념을 적용하였다. 대상유역에서 1975년도와 2008년에 실측된 강우량과 토지이용도 변화 등의 수문자료를 이용하여 물순환 분석을 실시한 결과, 4개 하천유역 모두에서 도시화에 따른 불투수 면적의 증가로 인해 표면유출은 중가하고 중간유출은 감소하는 것으로 나타났다. 태화강과 태화강의 지천인 동천유역의 표면유출 증가는 1.7%와 2.4%로서 비교적 적고, 회야강과 청량천은 3.2%와 7.7%로 증가폭이 큰 것은 유역의 개발에 따른 도시화율 증가의 정도를 잘 반영하는 것으로 분석되었다.
본 연구는 태화강을 비롯한 동천, 회야강 및 청량천 등 울산의 주요 하천유역을 대상으로 최근 한국건설기술연구원이 개발한 CAT모형을 이용하여 물순환 분석을 실시하였다. CAT모형의 적용을 위해 태화강은 25개, 동천은 11개, 회야강은 17개 그리고 청량천은 5개의 소유역으로 분할하여 유출기여유역과 함양유역으로 구분하는 개념을 적용하였다. 대상유역에서 1975년도와 2008년에 실측된 강우량과 토지이용도 변화 등의 수문자료를 이용하여 물순환 분석을 실시한 결과, 4개 하천유역 모두에서 도시화에 따른 불투수 면적의 증가로 인해 표면유출은 중가하고 중간유출은 감소하는 것으로 나타났다. 태화강과 태화강의 지천인 동천유역의 표면유출 증가는 1.7%와 2.4%로서 비교적 적고, 회야강과 청량천은 3.2%와 7.7%로 증가폭이 큰 것은 유역의 개발에 따른 도시화율 증가의 정도를 잘 반영하는 것으로 분석되었다.
This study aimed to analyze water cycle at Taehwa river, Dongcheon, Hoiya river and Cheongryang cheon in Ulsan city using CAT model developed by Korea Institute of construction technology. To apply CAT model, we separated Teahwa river into 25, Dongcheon into 11, Hoiya river into 17 and Cheongryangch...
This study aimed to analyze water cycle at Taehwa river, Dongcheon, Hoiya river and Cheongryang cheon in Ulsan city using CAT model developed by Korea Institute of construction technology. To apply CAT model, we separated Teahwa river into 25, Dongcheon into 11, Hoiya river into 17 and Cheongryangcheon into 5 subbasins and discriminated between contribution runoff basins and source basins. The results of water cycle analysis performed using rainfall datas measured from 1975 and 2008 and hydrologic datas of change of land use etc. were that surface runoff increase and interflow decrease, caused by the increase of impervious area. The increases of surface runoff at the basin of Taehwa river and Dongcheon which is a tributary of Taehwa river were small and similar to each other respectively as 1.7% and 2.4%, and increased high rate of 3.2% and 7.7% in Hoiya river and Cheongryangcheon including subbasins which are having high rate of urbanization.
This study aimed to analyze water cycle at Taehwa river, Dongcheon, Hoiya river and Cheongryang cheon in Ulsan city using CAT model developed by Korea Institute of construction technology. To apply CAT model, we separated Teahwa river into 25, Dongcheon into 11, Hoiya river into 17 and Cheongryangcheon into 5 subbasins and discriminated between contribution runoff basins and source basins. The results of water cycle analysis performed using rainfall datas measured from 1975 and 2008 and hydrologic datas of change of land use etc. were that surface runoff increase and interflow decrease, caused by the increase of impervious area. The increases of surface runoff at the basin of Taehwa river and Dongcheon which is a tributary of Taehwa river were small and similar to each other respectively as 1.7% and 2.4%, and increased high rate of 3.2% and 7.7% in Hoiya river and Cheongryangcheon including subbasins which are having high rate of urbanization.
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문제 정의
본 연구에서는 CAT 물순환 모형을 이용하여 울산지역 4개의 주요 하천유역에 대한 도시화 이전의 과거 상태를 비교대상으로 하고, 현재의 물순환 건전성을 판단하여 미래의 대책수립에 필요한 정량적·정성적 근거를 제시하는데 목적이 있다.
제안 방법
2012년 한국건설기술연구원이 개발하였던 CAT 모형을 울산지역 주요 4개 하천유역에 적용하여 물순환의 변화를 분석하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
CAT 모형으로 울산지역 4개 주요 하천유역에 대해 구성한 물순환 모형에 1975년도와 2008년도의 물순환 상태를 비교하였으며, 그 결과를 Tables 4～8과 4개 하천중 대표적으로 태화강의 물순환 분석결과를 Fig. 6에 나타내었다. Fig.
각 하천에 대한 지표면의 토지이용 구분은 환경부 토지피복도(1/25,000)를 이용하였고, CAT 모형의 구분은 도시(Urban), 숲(Forest), 논(Paddy)으로 전지역 단위로 분석 후 유역단위로 추출하였다. 지표면 조건에 대한 입력자료는 지표면경사, 불투수면적률 및 웅덩이 저류량(Depression Storage) 등과 같이 대부분 토지피복특성에 따른 변수이며, 본 연구에서는 환경부에서 제공되는 중분류 토지피복정도를 기준으로 지표면 조건에 대한 매개변수를 구축하였다.
1과 같으며, GIS를 이용하여 토지이용도나 지형을 분석하고 기상이나 하천 및 지하대수층 등의 자료를 실측 또는 문헌을 통해 수집하게 된다. 구축된 모든 자료를 이용하여 CAT 모형으로 모의한 후, 그 결과는 다시 GIS 시스템으로 표 및 그래프 등으로 분석하게 된다. CAT 모형은 수문학적으로 균일하게 판단되는 범위를 소유역으로 분할하여 지형학적 요인에 의한 유출특성을 객관적으로 반영할 수 있게 한다.
CAT 모형에서는 토양에서의 침투 및 증발산 등을 토양의 물리적 특성에 근거하여 해석하게 되며, 이를 위해서는 표층토양에 대한 매개변수의 자료 구축이 필요하다. 그리고 지하수 및 하천유출 모의는 지하수위와 하천수위의 상호관계를 이용하였으며, 지하수 양수량도 고려하였다. 누수량은 투수역의 표층토양에 유입되며, 대수층간의 지하수 유동도 고려하였다.
, 1996). 그리고 팔공산 산지소유 역을 대상으로 물순환 모델인 HYCYMODEL를 활용하여 유출성분과 특성을 분석하였으며(Park et al., 2000), SWAT 모델을 이용하여 경안천 유역을 특성과 수질관리 영향에 관한 연구를 수행하였다(Jang et al., 2010). 국외의경우 SWMM 모델을 활용하여 도시지역의 유출 특성과 수질을 예측한 연구를 수행하였다(Baffaut, 1990; Liong, 1991; Rahmat, 2006; Jang et al.
토양층에 따라 침투, 증발, 지하수흐름 등의 모의가 가능하며, 투수역과 불투수역으로 구분하여 유출을 모의하도록 하고 있다. 또한 물순환 대안 시설들의 선택 폭을 다양하게 제시하도록 하였고, 도시 물순환해석에 필수적인 관개용수나 침투시설, 저류시설 등을 고려하여 보다 현실에 가까운 모의가 가능하도록 개발되었다. CAT 모형에서는 유역을 지하수 심도나 지형 등에서 수문학적으로 균일하다고 보는 블록으로 구분하고, 그 블록을 다시 불투수역과 투수역 및 논으로 분할하였다.
각각의 모델마다 수질모의, 하천유출자료의 적용가능 여부, 관망해석 가능성 등 장단점을 가지고 있다. 이들 모델을 이용한 국내외 연구동향을 조사하였다. WEP (water and Energy Transfer Process) 모델을 청계천 유역에 적용하여 국내 유역에 대한 적용성을 검토하고, 물순환 경향을 분석한 사례가 있으며(Noh et al.
즉 평지의 지하수 심도가 낮은 지역에서는 유출응답이 다른 것을 재현할 수 있다. 이를 위해 소유역 분할은 하천 부근과 그 바깥 부분으로 분할하는 것을 기본으로 하였으며, 유출기여유역과 함양 유역 개념을 적용하였다. 각 하천별 소유역 분할 현황은 Table 3과 같고, 소유역 구분도는 Fig.
, 2012). 이를 위해 유역의 침투역과 동일하게 토양층과 지하수층으로 구분하였고, 논에서의 암거배수를 반영하기 위하여 인공적인 배수시설을 토양층에 포함하였다. 지표면의 유출은 논에서 물꼬관리를 통하여 이루어지는 점을 반영하여 월별 물꼬높이를 지정하도록 하였으며, 우리나라 일부지역에서 물꼬배수와 병행하여 파이프를 통한 배수를 사용하고 있는 점을 고려할 수 있도록 하였다.
각 하천에 대한 지표면의 토지이용 구분은 환경부 토지피복도(1/25,000)를 이용하였고, CAT 모형의 구분은 도시(Urban), 숲(Forest), 논(Paddy)으로 전지역 단위로 분석 후 유역단위로 추출하였다. 지표면 조건에 대한 입력자료는 지표면경사, 불투수면적률 및 웅덩이 저류량(Depression Storage) 등과 같이 대부분 토지피복특성에 따른 변수이며, 본 연구에서는 환경부에서 제공되는 중분류 토지피복정도를 기준으로 지표면 조건에 대한 매개변수를 구축하였다. 웅덩이 저류량의 경우는 경험적으로 수역이 0 mm, 불투수역의 대부분이 2 mm 정도이며, 투수역은 3～5 mm의 범위로 적용하였다.
이를 위해 유역의 침투역과 동일하게 토양층과 지하수층으로 구분하였고, 논에서의 암거배수를 반영하기 위하여 인공적인 배수시설을 토양층에 포함하였다. 지표면의 유출은 논에서 물꼬관리를 통하여 이루어지는 점을 반영하여 월별 물꼬높이를 지정하도록 하였으며, 우리나라 일부지역에서 물꼬배수와 병행하여 파이프를 통한 배수를 사용하고 있는 점을 고려할 수 있도록 하였다.
웅덩이 저류량의 경우는 경험적으로 수역이 0 mm, 불투수역의 대부분이 2 mm 정도이며, 투수역은 3～5 mm의 범위로 적용하였다. 표층토양의 깊이 및 매개 변수에 대한 정보는 농촌진흥청의 1 : 25,000 정밀토양도 속성을 기준으로 각 토양별 구분을 위해 미국 USDA에서 분류하고 있는 12개의 토성으로 구분하여 소유역별로 평균하여 사용하였다. 표층토양의 개념은 지표부근에서 사면방향의 중간유출이 생겨 토양 중에 우수를 일시 저류가능한 정도의 공극이 존재하는 범위를 의미한다.
대상 데이터
태화강의 유역면적(동천 포함)은 646 km2이고, 동천의 유역면적은 164 km2 , 회야강의 유역면적은 219 km2 그리고 청량천의 유역면적은 61 km2이다. 기상자료는 잠재증발산량 산정에 필요한 강우, 기온, 풍속, 습도 및 일조시간 등을 보유하고 있는 울산관측소의 2007년에서 2011년까지 5년간의 자료를 이용하였다. 연구대상지역의 현황은 Fig.
본 연구의 적용대상 지역으로 울산지역의 주요 4개 하천인 태화강, 동천, 회야강 및 청량천 유역을 선정하였다. 태화강의 유역면적(동천 포함)은 646 km2이고, 동천의 유역면적은 164 km2 , 회야강의 유역면적은 219 km2 그리고 청량천의 유역면적은 61 km2이다.
이론/모형
각 하천에 대한 소유역 분할과 토지이용도 등 제반 지형 자료들에 대한 해석은 수치지도와 지리정보시스템(GIS)을 이용하였다. 각 하천별 도시화에 따른 1975년과 2008년에 대한 불투수 면적의 변화를 Table 2 및 Fig.
, 2010). 국외의경우 SWMM 모델을 활용하여 도시지역의 유출 특성과 수질을 예측한 연구를 수행하였다(Baffaut, 1990; Liong, 1991; Rahmat, 2006; Jang et al., 2007). 도시개발 지역의 장기간에 걸친 물순환의 변화를 예측하고 물순환을 개선시키는 대안시설의 효과를 사전에 평가할 수 있도록 개발하였던 CAT 모형을 적용하여 LID(Low Impact Development) 계획과 그에 따른 효과를 평가할 수 있음을 확인하였다(Jang and Kim, 2012).
, 2007). 도시개발 지역의 장기간에 걸친 물순환의 변화를 예측하고 물순환을 개선시키는 대안시설의 효과를 사전에 평가할 수 있도록 개발하였던 CAT 모형을 적용하여 LID(Low Impact Development) 계획과 그에 따른 효과를 평가할 수 있음을 확인하였다(Jang and Kim, 2012). CAT 모형에서는 Weir Type 물꼬를 사용하고 있으나, 영산강 수계인 함평지역의 소규모 논유역에서 Orifice 형식의 수리특성을 갖는 플라스틱 파이프로 된 배수공을 사용하고 있는 현장여건을 고려하여 배수공을 위한 모듈을 추가하여 분석하였으며(Lee et al.
성능/효과
1) CAT 모형은 하천유역의 물순환 분석에 효과적으로 적용할 수 있으며, 정량적 성과를 이용하여 미래의 물이용에 대한 대책수립에 활용할 수 있을 것으로 판단되었다.
2) 태화강유역을 비롯한 울산지역 주요 하천유역은 도시화로 인한 불투수지역 증가로 인해 표면유출은 증가하였으나 중간유출과 지하수유출은 감소하는 것으로 나타났다.
3) 태화강유역과 태화강의 지천인 동천유역의 표면유출 증가는 1.7%와 2.4%로 비교적 적고, 회야강과 청량천은 3.2%와 7.7%로 증가폭이 큰 것은 유역의 개발에 따른 도시화율 증가의 정도를 잘 반영하는 것으로 분석되었다.
4) CAT 모형은 대상유역을 다수의 소유역으로 분할하여 유출기여유역과 함양유역으로 구분하여 적용하므로, 빗물이용시설 등과 같은 수리구조물을 각 소유역에 계획하는 경우 홍수유출 저감이나 유지용수확보 등 효과적 물이용의 방안 수립이 가능할 것으로 판단된다.
9%로 가장 크게 감소하였다. 그리고 지하수유출은 태화강과 동천이 0.4%로서 같은 감소를 보였으며, 청량천이 2.8% 감소하는 것으로 나타났다. CAT 모형을 이용한 물순환 분석으로 도시화나 도시개발에 따른 물순환의 변화를 파악할 수 있었으며, 현재의 물순환 정도를 파악할 수 있어 미래 물이용의 대책수립에 필요한 정량적 분석이 가능하게 되었다.
4에 나타내었다. 전체 유역중 불투수면적이 각각 태화강은 2.9%, 동천은 5.6%, 회야강은 6.3% 그리고 청량천은 11.5%로 확대된 것으로 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
물순환이란 무엇인가?
“물순환(Water cycle)”이라 함은 지구의 표면 위와 아래에 존재하는 물의 지속적인 움직임으로 강수, 증발, 침투, 유출 등의 일련의 연속된 과정을 의미하며, 이러한 물순환 시스템은 인간생활에 직·간접적 영향을 미친다. 최근 도시화로 인해 물순환 시스템의 양상이 빠르게 변화하고 있어 이에 대한 대응방안 마련이 필요한 상태이다.
CAT모형은 무엇인가?
최근 한국건설기술연구원이 개발한 CAT (Catchment hydrologic cycle Assessment Tool)모형은 기존 개념적 매개변수 기반의 집중형 수문모형과 물리적 매개변수 기반의 분포형 수문모형의 장단점을 최대한 보완하여, 도시 유역 개발 전·후의 장·단기적인 물순환 변화 특성을 정량적으로 평가하고 물순환 개선시설의 효과적인 설계를 지원하기 위한 물순환 해석 모형이다(KICT, 2011). CAT 모형은 수문학적으로 균일하게 판단되는 범위를 소유역으로 분할하여 지형학적 요인에 의한 유출특성을 객관적으로 반영할 수 있으며, 개발공간 단위별로 침투, 증발, 지하수 흐름 등의 모의가 가능하도록 하는 Link-Node 형식으로 구성되어 있다.
CAT모형을 통해 도시개발에 따른 물순환 체계의 변화를 쉽고 간편하게 확인할 수 있는 이유는 무엇인가?
최근 한국건설기술연구원이 개발한 CAT (Catchment hydrologic cycle Assessment Tool)모형은 기존 개념적 매개변수 기반의 집중형 수문모형과 물리적 매개변수 기반의 분포형 수문모형의 장단점을 최대한 보완하여, 도시 유역 개발 전·후의 장·단기적인 물순환 변화 특성을 정량적으로 평가하고 물순환 개선시설의 효과적인 설계를 지원하기 위한 물순환 해석 모형이다(KICT, 2011). CAT 모형은 수문학적으로 균일하게 판단되는 범위를 소유역으로 분할하여 지형학적 요인에 의한 유출특성을 객관적으로 반영할 수 있으며, 개발공간 단위별로 침투, 증발, 지하수 흐름 등의 모의가 가능하도록 하는 Link-Node 형식으로 구성되어 있다. 따라서 도시개발에 따른 물순환 체계의 변화를 기존의 모형들 보다 쉽고 간편하게 확인할 수 있는 장점이 있다.
참고문헌 (12)
Baffaut, C., and Delleur, J.W. (1990). "Calibration of SWMM runoff quality model with expert system." J. of Water Resources Planning and Management, ASCE, Vol. 116, No. 2, pp. 247-261
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Jang, J.H., Yoon, C.G., Jung, K.W., and Kim, H.C. (2010). "Evaluation of the impacts of water quality management in Kyongan stream watershed using SWAT model." J. of Korean Society on Water Quality, Vol. 26, No. 3, pp. 387-398.
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Lee, K.S., Choi, D.H., Jeong, J.H., Jung, J.W., and Yoon, K.S. (2011). Application of CAT Model for Paddy Field Using Surface Drainage Pipe, 2011 Conference of Korean Water Resources Association, p. 69.
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Noh, S.J., Kim, H.J., and Jang, C.H. (2005). "Application of WEP model to the Cheonggyecheon watershed." J. of Korean Water Resources Association, Vol. 38, No. 8, pp. 645-653.
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Seo, K.W., Bae, D.H., Shim, J.H., and Lee, J.J. (1996). "A study on the variation of runoff and travel time in urban stream due to watershed development." J. of Korean Water Resources Association, Vol. 29, No. 3, pp. 207-216.
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