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문제 정의
- 본 연구에서는 강우-유출 모형을 이용하여 홍수량을 산정하기 위하여 HEC-HMS 모형의 매개변수(도달시간 Tc, 저류상수 K)에 대하여 민감도분석을 수행하고 현재 국내에서 사용되고 있는 도달시간 및 저류상수 경험식들의 조합을 구성하여 홍수유출량을 산정하고자 한다. 또한 현장에서 관측한 홍수유량자료 및 제주도 관측자료와 매개변수 조합에 따른 홍수유량을 비교․분석하여 제주도 하천에 최적 조합의 매개변수 경험식을 도출하고자 한다.
- 본 연구에서는 강우-유출 모형을 이용하여 홍수량을 산정하기 위하여 HEC-HMS 모형의 매개변수(도달시간 Tc, 저류상수 K)에 대하여 민감도분석을 수행하고 현재 국내에서 사용되고 있는 도달시간 및 저류상수 경험식들의 조합을 구성하여 홍수유출량을 산정하고자 한다. 또한 현장에서 관측한 홍수유량자료 및 제주도 관측자료와 매개변수 조합에 따른 홍수유량을 비교․분석하여 제주도 하천에 최적 조합의 매개변수 경험식을 도출하고자 한다.
제안 방법
- 9개의 매개변수 조합별로 계산된 도달시간과 저류상수 초기값을 모델에 적용하였다. Jung(2013)의 연구결과를 이용하여 장기간 무강우 상태에서 유출이 발생하는 사상은 CNⅡ를 적용하였으며, AMC-Ⅲ 조건 이상의 선행강우가 발생한 후 유출이 발생하는 사상은 CN55를 적용하였다.
- Clark 단위도법의 매개변수(도달시간 Tc, 저류상수 K)에 대하여 민감도 분석을 수행하였다. 다른 매개변수 값을 고정한 후 도달시간 및 저류상수에 대하여 1～10(hr) 범위 내에서 변화시키면서 첨두유량, 유출 총량, 수문곡선, 유출발생 시간 등의 값을 산정하여 이 변수에 따른 영향을 검토하였다.
- 기상청 관할 AWS 5개소(제주, 아라, 어리목, 진달래밭, 윗세오름) 강우자료를 수집하고 등우선법을 이용하여 시간별 유역평균 강우량을 산정하였다. 침투량은 NRCS Curve Number 방법을 이용하였으며, Clark 단위도법을 적용하여 홍수유출량을 산정하였다.
- Clark 단위도법의 매개변수(도달시간 Tc, 저류상수 K)에 대하여 민감도 분석을 수행하였다. 다른 매개변수 값을 고정한 후 도달시간 및 저류상수에 대하여 1～10(hr) 범위 내에서 변화시키면서 첨두유량, 유출 총량, 수문곡선, 유출발생 시간 등의 값을 산정하여 이 변수에 따른 영향을 검토하였다.
- 매개변수 조합별로 첨두유량(Peak flow) 오차, 유출수문곡선 비교, 평균제곱근오차(RMSE, Root Mean Square Error), NSE(Nash-Sutcliffe efficiency) 등을 비교하여 제주도에 최적의 조합을 선정하였다.
- 본 연구에서는 연구대상유역의 호우사상을 대상으로 HEC-HMS 모형의 매개변수에 대하여 민감도분석을 수행하여 제주도 하천에 지배적인 매개변수를 제시하였으며, 현장에서 관측한 홍수유량자료 및 제주도 관측자료와 비교⋅분석하여 최적 조합 매개변수(Clark 단위도법 도달시간: KravenⅡ 방법, 저류상수: Sabol 방법)를 도출하였다.
- 본 연구에서는 한천 제2동산교 지점에서 2개 호우 사상에 대하여 현장 유량관측을 수행하였으며, 제주시의 고정식 수위-유속 관측자료를 확보하여 최적 매개변수를 도출하였다. 제주도 간헐천 유역에서는 선행강우가 존재하지 않거나 매우 작을 경우 특정 강우 이하에서는 유출이 발생하지 않으며, AMC-Ⅲ 조건 이상의 선행강우가 발생한 경우에는 작은 강우에도 유출이 발생된다는 Jung과 Yang(2013)의 연구결과를 이용하여 장기간 무강우 상태에서 유출이 발생하는 사상과 AMC-Ⅲ 조건 이상의 선행강우가 발생한 후 유출이 발생하는 사상으로 구분하여 적용하였다(Table 3).
- 수문곡선의 대표적인 매개변수 중에서 민감하게 반응할 것으로 판단되는 Clark 단위도법의 매개변수에 대하여 민감도분석을 수행하였으며, 도달시간과 저류상수를 산정하는 경험식(Table 1)들을 이용하여 9개의 매개변수를 조합하였다. 조합된 매개변수를 적용하여 산정된 홍수유출량과 현장 관측자료를 비교⋅분석하여 제주도 건천유역의 최적 매개변수 조합을 도출하였다.
- 본 연구에서는 한천 제2동산교 지점에서 2개 호우 사상에 대하여 현장 유량관측을 수행하였으며, 제주시의 고정식 수위-유속 관측자료를 확보하여 최적 매개변수를 도출하였다. 제주도 간헐천 유역에서는 선행강우가 존재하지 않거나 매우 작을 경우 특정 강우 이하에서는 유출이 발생하지 않으며, AMC-Ⅲ 조건 이상의 선행강우가 발생한 경우에는 작은 강우에도 유출이 발생된다는 Jung과 Yang(2013)의 연구결과를 이용하여 장기간 무강우 상태에서 유출이 발생하는 사상과 AMC-Ⅲ 조건 이상의 선행강우가 발생한 후 유출이 발생하는 사상으로 구분하여 적용하였다(Table 3).
- 조합된 매개변수를 적용하여 산정된 홍수유출량과 현장 관측자료를 비교⋅분석하여 제주도 건천유역의 최적 매개변수 조합을 도출하였다.
대상 데이터
- 연구대상유역은 제주도 제주시 도심부에 위치한 한천 유역(Fig. 1)으로 설정하였으며, 유량관측지점은 유역의 하류부에 위치한 한천 제2동산교로 선정하였다. 제2동산교 지점은 한천 1지류인 토천이 합류되어 유역의 최종 출구점으로 향하는 지점에 위치하고 있어 유역전체 유량을 확보하기 좋은 위치이며, 관측지점의 하상은 현무암질 암반으로 구성되고 자갈이 다소 분포되어 있다.
- 유역특성인자는 1/5000 수치지형도와 Arcview GIS 프로그램을 이용하여 계산하였으며(Table 2), 한천 유역의 면적은 한천 제2동산교 지점을 출구점으로 선정하여 33.68 km2, 유로연장 19.01 km, 유역평균폭 1.77, 형상계수 0.09로 각각 분석되었다.
- 제주도 건천유역의 홍수유출량을 산정하기 위하여 제주시 도심부에 위치한 한천 유역을 연구대상유역으로 선정하고, 유량자료가 확보된 3개의 호우사상에 대하여 모델링을 적용하였다. 한천 유역 하류부에 위치한 한천 제2동산교 지점에서 유출이 발생한 2개 호우사상(2011년 8월 태풍 “무이파”, 2011년 11월 집중호우)에 대하여 현장 유량관측을 수행하였으며, 2012년 4월 집중호우 사상은 제주시의 고정식 수위-유속 관측자료를 사용하였다.
- 한천 유역 하류부에 위치한 한천 제2동산교 지점에서 유출이 발생한 2개 호우사상(2011년 8월 태풍 “무이파”, 2011년 11월 집중호우)에 대하여 현장 유량관측을 수행하였으며, 2012년 4월 집중호우 사상은 제주시의 고정식 수위-유속 관측자료를 사용하였다.
- 호우사상은 Table 3에서 제시한 2011년 11월 집중호우, 2012년 4월 집중호우, 2011년 태풍 “무이파”를 적용하였으며 그 결과는 Table 5와 같다.
이론/모형
- Clark 단위도법의 매개변수인 도달시간과 저류상수에 대하여 Table 1에서 제시한 경험식을 이용하여 한천유역의 도달시간과 저류상수를 산정하였다. Kraven Ⅰ방법은 평균유속이 과다하게 산정되고, Linsley 방법은 저류시간이 과소하게 산정되어 제주도에 적합하지 않은 것으로 분석되어 제외하였다.
- 도달시간을 산정하는 경험식 중에서 유속이 과다하게 산정되는 KravenⅠ을 제외하고 Kirpich, Rziha, KravenⅡ 방법을 채택하였으며, 또한 저류상수를 산정하는 경험식 중에서는 Clark, Russel, Sabol 방법을 채택하여 호우사상별로 총 9개의 매개변수 조합을 적용하였다.
- 제주도 하천은 평상시 하천에 물이 흐르지 않은 간헐하천이며 우기라할지라도 기저유출을 구성하는 지하수유출성분은 물론 그 크기가 매우 미약하여 하천 유출이 대부분 지표면 유출을 차지하고 있으므로 기저유출을 고려하지 않았다(Kim 등, 2013). 또한 유역의 초기손실, 하도추적 매개변수, 선행강우에 따른 유출곡선지수는 기존 연구(Jung, 2013) 결과를 이용하였다.
- 기상청 관할 AWS 5개소(제주, 아라, 어리목, 진달래밭, 윗세오름) 강우자료를 수집하고 등우선법을 이용하여 시간별 유역평균 강우량을 산정하였다. 침투량은 NRCS Curve Number 방법을 이용하였으며, Clark 단위도법을 적용하여 홍수유출량을 산정하였다. 제주도 하천은 평상시 하천에 물이 흐르지 않은 간헐하천이며 우기라할지라도 기저유출을 구성하는 지하수유출성분은 물론 그 크기가 매우 미약하여 하천 유출이 대부분 지표면 유출을 차지하고 있으므로 기저유출을 고려하지 않았다(Kim 등, 2013).
성능/효과
- 최적 매개변수 산정 결과 유속을 도입한 도달시간 산정방법인 KravenⅡ, 유역형상 및 도달시간을 고려한 저류상수 산정방법인 Sabol 방법이 가장 적합한 것으로 판정되었다(Table 5). 2011년 11월 집중호우 사상의 첨두유량 도달시간은 18일 13시 30분으로 관측값과 일치하였으며, 첨두유량 오차 0.10%, RMSE 5.54로 가장 적합한 조합으로 분석되었다. 2012년 4월 집중호우 사상 첨두유량 도달시간은 21일 14시 50분으로 관측치와 20분 차이로 가장 일치하고, 첨두유량 오차 2.
- 2011년 8월 태풍 “무이파” 사상의 첨두유량 도달시간은 8일 15시로 관측치와 1시간 차이로 가장 일치하고, 첨두유량 오차 1.49%, NSE 0.78로 가장 적합한 조합으로 분석되었다(Fig. 4).
- 54로 가장 적합한 조합으로 분석되었다. 2012년 4월 집중호우 사상 첨두유량 도달시간은 21일 14시 50분으로 관측치와 20분 차이로 가장 일치하고, 첨두유량 오차 2.19%, RMSE 14.78, NSE 0.89로 가장 적합하였다. 2011년 8월 태풍 “무이파” 사상의 첨두유량 도달시간은 8일 15시로 관측치와 1시간 차이로 가장 일치하고, 첨두유량 오차 1.
- 도달시간의 민감도 분석결과 1시간씩 증가할 때 마다 첨두유량이 2.4 ～ 3.07% 감소하는 것으로 나타났으며, 첨두유량 발생시간 및 기저시간이 30 ～40분씩 증가하는 것으로 분석되었다(Fig. 3(a)).
- 3(a)). 저류상수의 민감도 분석결과 1시간씩 증가할 때 마다 첨두유량은 12.29 ～ 2.93% 감소하였으며, 첨두유량 발생시간 10 ～ 20분씩 증가, 기저시간 230 ～ 270분씩 증가하는 것으로 분석되었다(Fig. 3(b)).
- 최적 매개변수 산정 결과 유속을 도입한 도달시간 산정방법인 KravenⅡ, 유역형상 및 도달시간을 고려한 저류상수 산정방법인 Sabol 방법이 가장 적합한 것으로 판정되었다(Table 5). 2011년 11월 집중호우 사상의 첨두유량 도달시간은 18일 13시 30분으로 관측값과 일치하였으며, 첨두유량 오차 0.
후속연구
- 향후 보다 정밀한 홍수유출량을 산정하기 위해서는 장기간 유량 관측자료의 구축, 강우 및 차단으로 발생하는 손실부분에 대한 정확한 관측 및 추정이 필수적이다. 제주도 하천 현장관측자료에 기반한 하천유출특성 해석(상승기, 하강기, 첨두유량), 수문지질학적인 특성을 반영한 유역추적, 도달시간, 저류상수 등 다양한 제주형 매개변수와 유도식 개발 등 많은 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 본 연구에서는 연구대상유역의 호우사상을 대상으로 HEC-HMS 모형의 매개변수에 대하여 민감도분석을 수행하여 제주도 하천에 지배적인 매개변수를 제시하였으며, 현장에서 관측한 홍수유량자료 및 제주도 관측자료와 비교⋅분석하여 최적 조합 매개변수(Clark 단위도법 도달시간: KravenⅡ 방법, 저류상수: Sabol 방법)를 도출하였다. 향후 보다 정밀한 홍수유출량을 산정하기 위해서는 장기간 유량 관측자료의 구축, 강우 및 차단으로 발생하는 손실부분에 대한 정확한 관측 및 추정이 필수적이다. 제주도 하천 현장관측자료에 기반한 하천유출특성 해석(상승기, 하강기, 첨두유량), 수문지질학적인 특성을 반영한 유역추적, 도달시간, 저류상수 등 다양한 제주형 매개변수와 유도식 개발 등 많은 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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