보완관계법에 의한 증발산량 산정 모형의 평가 - 복하천 중상류 유역을 중심으로 - Assessment of Complementary Relationship Evapotranspiration Models for the Bokahcheon Upper-middle Watershed원문보기
본 연구에서는 잠재증발산량과 실제증발산량 간의 보완관계식을 이용한 대표적인 증발산량 산정모형인 Brutsaert and Stricker (1979)의 AA 모형과 Morton (1983)의 CRAE 모형의 적용성을 평가하였다. 이를 위해서 두 모형을 복하천 중상류 유역에 적용하여 유역평균 실제증발산량을 산정하고, 유역 물수지 결과와의 비교를 수행하였다. 연구 대상유역은 양질의 하천유량 자료 확보 기간이 짧고, 하천유량 자료 또한 인위적 물이용, 배출로 인해 교란되었기에 강수량, 유출량 등의 관측치 기반의 유역 물수지 결과 보다는 검보정이 잘된 유역수문모형 SWAT-K로 모의한 실제증발산량과의 비교를 통하여 AA 모형과 CRAE 모형으로 산정한 실제증발산량의 적정성을 평가하였다. AA 모형과 CRAE 모형의 의한 실제증발산량 모두 식생성장기에 과다하게 산정되는 경향을 나타내었고, 특히 AA 모형은 건조기간동안 실제증발산량이 과소하게 산정되었다. AA 모형과 CRAE 모형의 정도를 높이기 위해서 매개변수 보정을 수행한 결과, AA 모형의 경우는 건조기간 동안의 적합성을 높이기 위해서 이류항을 추가로 고려하고 Brutsaert and Stricker (1979)의 제안 값 ${\alpha}=1.26$ 보다는 작은 ${\alpha}=1.08$을 사용하였을 때, 그리고 CRAE 모형의 경우에는 Morton(1983)이 제안한 값 $b_1=14Wm^{-2}$, $b_2=1.12$ 보다는 각각 다소 크고 작은 값인$b_1=16Wm^{-2}$, $b_2=1.04$를 사용하였을 때에 연단위, 월단위, 그리고 월별 모두 가장 양호한 실제증발산량 값이 산정되었다.
본 연구에서는 잠재증발산량과 실제증발산량 간의 보완관계식을 이용한 대표적인 증발산량 산정모형인 Brutsaert and Stricker (1979)의 AA 모형과 Morton (1983)의 CRAE 모형의 적용성을 평가하였다. 이를 위해서 두 모형을 복하천 중상류 유역에 적용하여 유역평균 실제증발산량을 산정하고, 유역 물수지 결과와의 비교를 수행하였다. 연구 대상유역은 양질의 하천유량 자료 확보 기간이 짧고, 하천유량 자료 또한 인위적 물이용, 배출로 인해 교란되었기에 강수량, 유출량 등의 관측치 기반의 유역 물수지 결과 보다는 검보정이 잘된 유역수문모형 SWAT-K로 모의한 실제증발산량과의 비교를 통하여 AA 모형과 CRAE 모형으로 산정한 실제증발산량의 적정성을 평가하였다. AA 모형과 CRAE 모형의 의한 실제증발산량 모두 식생성장기에 과다하게 산정되는 경향을 나타내었고, 특히 AA 모형은 건조기간동안 실제증발산량이 과소하게 산정되었다. AA 모형과 CRAE 모형의 정도를 높이기 위해서 매개변수 보정을 수행한 결과, AA 모형의 경우는 건조기간 동안의 적합성을 높이기 위해서 이류항을 추가로 고려하고 Brutsaert and Stricker (1979)의 제안 값 ${\alpha}=1.26$ 보다는 작은 ${\alpha}=1.08$을 사용하였을 때, 그리고 CRAE 모형의 경우에는 Morton(1983)이 제안한 값 $b_1=14Wm^{-2}$, $b_2=1.12$ 보다는 각각 다소 크고 작은 값인$b_1=16Wm^{-2}$, $b_2=1.04$를 사용하였을 때에 연단위, 월단위, 그리고 월별 모두 가장 양호한 실제증발산량 값이 산정되었다.
The objective of this study is to evaluate the performance of the complementary relationship-based evapotranspiration models, namely, advection-aridity (AA) model of Brutsaert and Stricker and the CRAE model of Morton for estimating actual evapotranspiration. Both models were applied to the Bokhache...
The objective of this study is to evaluate the performance of the complementary relationship-based evapotranspiration models, namely, advection-aridity (AA) model of Brutsaert and Stricker and the CRAE model of Morton for estimating actual evapotranspiration. Both models were applied to the Bokhacheon middle-upper watershed, and their estimates were evaluated against the water balance estimate. The calculation was made on a daily basis and comparison was made on monthly and annual bases. For comparison, the water balance estimates were not obtained from the observed precipitation and streamflow data but were based on the simulated data by using integrated watershed model, SWAT-K which is the revised version of SWAT. The reason not to directly use the observed data for water balance estimate is that the credible record period is not sufficient and the streamflow has been altered due to water use and release. Overall, the results showed that both AA model and CRAE model with their original parameters overestimate annual and monthly evapotranspiration, and the large difference between the complementary relationship-based approach and the water balance approach occurs especially for the dry season from Nov. to Mar. It was found out that the parameters, particularly for the advection related parameter, must be recalibrated to accurately produce monthly and annual regional evapotranspiration for this study area.
The objective of this study is to evaluate the performance of the complementary relationship-based evapotranspiration models, namely, advection-aridity (AA) model of Brutsaert and Stricker and the CRAE model of Morton for estimating actual evapotranspiration. Both models were applied to the Bokhacheon middle-upper watershed, and their estimates were evaluated against the water balance estimate. The calculation was made on a daily basis and comparison was made on monthly and annual bases. For comparison, the water balance estimates were not obtained from the observed precipitation and streamflow data but were based on the simulated data by using integrated watershed model, SWAT-K which is the revised version of SWAT. The reason not to directly use the observed data for water balance estimate is that the credible record period is not sufficient and the streamflow has been altered due to water use and release. Overall, the results showed that both AA model and CRAE model with their original parameters overestimate annual and monthly evapotranspiration, and the large difference between the complementary relationship-based approach and the water balance approach occurs especially for the dry season from Nov. to Mar. It was found out that the parameters, particularly for the advection related parameter, must be recalibrated to accurately produce monthly and annual regional evapotranspiration for this study area.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 보완관계식을 이용한 실제증발산량 산정 방법의 국내 유역에 대한 적용성을 평가하고자 하였다. 이를 위해서 국토교통부의 흥천 수위관측소를 유역 출구로 하는 복하천 중상류 유역을 연구 대상유역으로 선정하고, 잠재증발산량과 실제증발산량간의 보완관계식 기반의 증발산량 모형인 AA 및 CRAE 모형으로 유역의 실제증발산량을 산정하였다.
, 2005)과 같은 유역수문모델링을 이용하여 잠재증발산량으로부터 토양수분부족량(soil moisture deficit) 조건을 고려하여 토지피복별로 실제증발산량을 계산하고 면적가중하여 유역 평균 실제증발산량을 산정하는 방법, Bouchet (1963)가 제안한 잠재증발산량과 실제증발산량간 보완관계(complementary relationship)를 이용하는 방법, 그리고 인공위성정보를 이용한 광역 공간증발산량을 추정하는 방법 등이 있다. 본 연구에서는 이러한 실제증발산량 산정 방법 중 국내에서 상대적으로 충분한 연구가 수행되고 있지 않은 잠재증발산량과 실제증발산량간 보완관계식에 의한 방법을 중심으로 그 적용성을 고찰하고자 하였다.
본 연구에서는 잠재증발산량과 실제증발산량간의 보완 관계식을 이용한 대표적인 증발산량 산정 모형인 Brutsaert and Stricker (1979)의 AA 모형과 Morton (1983)의 CRAE 모형을 복하천 중상류 유역에 적용하여 1995년부터 2012년까지의 유역평균 실제증발산량을 산정하고, 유역 물수지 결과와의 비교를 통해서 두 모형의 국내 유역 적용성을 평가하였다. 연구 대상유역은 양질의 하천유량 자료 확보 기간이 짧고, 하천유량 자료 또한 인위적 물 이용, 배출로 인해 교란되었기에 강수량, 유출량 등의 관측치 기반의 유역 물수지 결과보다는 검보정이 잘 된 생태수문모형 SWATK로 모의한 실제증발산량을 관측치에 준하는 것으로 간주하고 이 값과의 비교를 통하여 AA 모형과 CRAE 모형으로 산정한 실제증발산량의 적정성을 평가하였다.
제안 방법
Brutsaert and Stricker (1979)는 Eq. (2)와 같은 보완관계식을 이용하여 실제증발산량 산정하기 위한 AA(Advection-Arid) 모형을 개발하였다. AA 모형에서는 잠재증발산량 ETP를 산정하기 위해서 Eq.
Morton (1969, 1975) 또한 Eq. (2)와 같은 보완관계식을 이용한 실제증발산량 산정 모형을 개발하였다. 잠재증발산량을 추정하기 위해서 풍속함수 대신에 경험적인 수증기 이송계수 fa를 사용한 수정 Penman식을 사용하였고, 습윤증발산량을 추정하기 위해서 AA 모형과 마찬가지로 Eq.
(6)에 나타낸 바와 같이 이류영향을 고려하기 위한 경험상수 b1과 Priestley-Taylor식의 α 의 의미를 갖는 경험상수 b2를 동시에 바꾸어 가면서 SWAT-K에 의한 실제증발산 값에 가까워 질 때까지 반복적으로 계산하였다.
AA 모형 및 CRAE 모형을 SWAT-K로 모의한 월별 실제증발산량과 근접시키기 위해서 반복모의를 통해 수동으로 모형의 매개변수를 보정하였다. Brutsaert and Stricker(1979)가 제안한 AA 모형에서 습윤증발산량 ET W를 산정할 때의 핵심 매개변수인 α 값을 변화시켜 가면서 산정한 실제증발산량이 SWAT-K에 의한 모의치에 적합할 때까지 반복 계산을 하였다.
AA 모형과 CRAE 모형으로부터의 증발산량 추정은 SWAT-K 모형내 증발산량 산정 모듈을 이용하여 HRU 단위로 계산하고 면적 가중하여 유역평균 증발산량을 산정하였다. 이를 위해서 SWAT-K 모형내 잠재증발산량 산정 서브루틴 ‘etpot.
(6)에 나타낸 바와 같이 이류영향을 고려하기 위한 경험상수 b1과 Priestley-Taylor식의 α 의 의미를 갖는 경험상수 b2를 동시에 바꾸어 가면서 SWAT-K에 의한 실제증발산 값에 가까워 질 때까지 반복적으로 계산하였다. CRAE 모형이 식생 성장기에 크게 산정되는 경향을 줄이고자 원래 매개변수 b2 = 1.2 보다는 작은 값을 사용토록 하고, Fig. 6과 같이 겨울철 건조기간 때 잘 일치하였지만 b2를 줄인 영향으로 건기 때 작게 산정되는 것을 보정하고자 b1 값을 약간 증가시키는 방향으로 모형의 보정을 수행하였다.
(2013)에서는 본 연구와 동일한 연구 대상유역인 복하천 중상류 유역에 대해서 유출량 자료의 신뢰성이 양호한 기간을 택하여 SWAT-K 모형의 검보정을 수행하였고, 모의 기간을 확장하여 하천수 취수 및 지하수 이용, 하수처리수 방류량 영향을 배제한 하천의 자연유량을 산정하였다. 따라서 본 연구에서는 복하천 중상류 유역에 대해 검보정이 완료된 SWAT-K 모형을 이용하여 지표유출량, 중간유출량, 지하수유출량, 증발산량, 침루 및 함양량 등의 수문성분량을 산정하였고, 특히 증발산량은 보완관계 기반의 AA 모형과 CRAE 모형의 비교, 검증 대상으로 사용하였다. 모형의 검보정을 통해서 일 단위 유출량이 관측치에 잘 적합하였기 때문에 각 수문성분량, 특히 증발산량도 관측치를 잘 모사한다고 간주할 수 있다.
(2012)의 연구처럼 역으로 위성 영상자료 기반의 증발산량 산정 결과를 기준으로 SWAT 모델링의 검보정 수단으로 사용하기도 하는 등 서로 다른 증발산량 산정 방법을 이용하여 각 방법을 평가하고 서로 보완하기도 한다. 따라서 본 연구에서도 검보정이 잘 수행된 SWAT-K 모델링을 통해 계산된 증발산량을 관측치로 간주하여 두 모형의 성능 평가의 기준으로 사용하였다.
, 2013), 하천수취수 및 하수처리수 방류, 지하수 양수 등의 영향으로 하천 유량 자료가 교란되어 있다. 따라서 유역수문모형 SWATK로 모의한 실제증발산량을 관측치에 준하는 것으로 간주하고 이 값과의 비교를 통하여 보완관계식 기반의 실제증발산량 산정 방법의 적용성을 평가하였다.
본 연구에서는 잠재증발산량과 실제증발산량간의 보완 관계식을 이용한 대표적인 증발산량 산정 모형인 Brutsaert and Stricker (1979)의 AA 모형과 Morton (1983)의 CRAE 모형을 복하천 중상류 유역에 적용하여 1995년부터 2012년까지의 유역평균 실제증발산량을 산정하고, 유역 물수지 결과와의 비교를 통해서 두 모형의 국내 유역 적용성을 평가하였다. 연구 대상유역은 양질의 하천유량 자료 확보 기간이 짧고, 하천유량 자료 또한 인위적 물 이용, 배출로 인해 교란되었기에 강수량, 유출량 등의 관측치 기반의 유역 물수지 결과보다는 검보정이 잘 된 생태수문모형 SWATK로 모의한 실제증발산량을 관측치에 준하는 것으로 간주하고 이 값과의 비교를 통하여 AA 모형과 CRAE 모형으로 산정한 실제증발산량의 적정성을 평가하였다.
따라서 본 연구에서는 보완관계식을 이용한 실제증발산량 산정 방법의 국내 유역에 대한 적용성을 평가하고자 하였다. 이를 위해서 국토교통부의 흥천 수위관측소를 유역 출구로 하는 복하천 중상류 유역을 연구 대상유역으로 선정하고, 잠재증발산량과 실제증발산량간의 보완관계식 기반의 증발산량 모형인 AA 및 CRAE 모형으로 유역의 실제증발산량을 산정하였다. 보완관계식 기반의 실제증발산량 산정 결과를 검증하기 위해서 유역의 저류변화를 무시하고 연단위 이상의 장기간 강수량 관측값에서 하천유출량 관측값을 감하여 실제증발산량을 간접적으로 추정하는 유역 물수지 분석 결과를 이용하는 것이 보편적이다.
대상 데이터
SWAT-K 모형의 공간정보 입력자료로서 30 m 격자의 DEM(Digital Elevation Model), 환경부에서 제공하는 1 : 25,000의 토지피복도, 국립농업과학원에서 제공하는 1 : 25,000의 정밀토양도를 이용하였다. 강수량 자료는 1995년부터 2012년까지 국토교통부의 상품, 여주, 이천, 남곡, 태평, 설성, 삼죽 강우관측소 자료, 기상청의 이천기상대 자료를 바탕으로 티센망을 구축하여 소유역별 평균강우량을 산정하여 모형에 입력하였다.
SWAT-K 모형의 공간정보 입력자료로서 30 m 격자의 DEM(Digital Elevation Model), 환경부에서 제공하는 1 : 25,000의 토지피복도, 국립농업과학원에서 제공하는 1 : 25,000의 정밀토양도를 이용하였다. 강수량 자료는 1995년부터 2012년까지 국토교통부의 상품, 여주, 이천, 남곡, 태평, 설성, 삼죽 강우관측소 자료, 기상청의 이천기상대 자료를 바탕으로 티센망을 구축하여 소유역별 평균강우량을 산정하여 모형에 입력하였다. 최고/최저 기온, 상대습도, 풍속, 일조시간 등의 기상자료는 AA 모형 및 CRAE 모형에서와 마찬가지로 이천기상대 자료를 이용하였다.
최고/최저 기온, 상대습도, 풍속, 일조시간 등의 기상자료는 AA 모형 및 CRAE 모형에서와 마찬가지로 이천기상대 자료를 이용하였다. 물이용 및 배출 자료로서 지하수 이용량은 지자체 지역행정개발자료에 기재된 허가 및 신고 관정의 일 이용량 자료를 수집하여 모형에 입력하였고, 하천취수량은 진리정수장과 진로(주) 취수장 자료를, 그리고 하수처리수 방류량은 이천, 단월 등 총 35개의 하수처리방류장 자료를 이용하였다(Kim et al., 2013).
본 연구에서는 복하천 출구인 한강과의 합류점으로부터 상류쪽으로 약 4.98 km에 위치한 흥천수위관측소를 유역 출구로 하는 복하천 중상류 유역을 연구의 대상유역으로 설정하였다(Fig. 2). 대상유역의 면적은 약 294.
보완관계 모형을 이용하여 실제증발산량을 산정하기 위해서는 기온, 상대습도, 풍속, 일사량 등의 기상자료가 필요하다. 이를 위해서 대상유역의 중심부에 위치하는 이천기상대 자료를 이용하여 1995년부터 2012년까지의 18년간 기온, 습도, 일조시간 등의 일 자료를 구축하였고, 일사량 자료는 이천 기상대에서는 직접 관측되지 않아 Angstrom 공식(Allen et al., 1998)을 활용하여 일조시간으로부터 일사량을 환산하여 적용하였다. Table 1은 모의기간동안의 기온, 습도, 풍속, 일조시간의 월별 평균값을 정리하여 나타낸 것이다.
강수량 자료는 1995년부터 2012년까지 국토교통부의 상품, 여주, 이천, 남곡, 태평, 설성, 삼죽 강우관측소 자료, 기상청의 이천기상대 자료를 바탕으로 티센망을 구축하여 소유역별 평균강우량을 산정하여 모형에 입력하였다. 최고/최저 기온, 상대습도, 풍속, 일조시간 등의 기상자료는 AA 모형 및 CRAE 모형에서와 마찬가지로 이천기상대 자료를 이용하였다. 물이용 및 배출 자료로서 지하수 이용량은 지자체 지역행정개발자료에 기재된 허가 및 신고 관정의 일 이용량 자료를 수집하여 모형에 입력하였고, 하천취수량은 진리정수장과 진로(주) 취수장 자료를, 그리고 하수처리수 방류량은 이천, 단월 등 총 35개의 하수처리방류장 자료를 이용하였다(Kim et al.
데이터처리
SWAT-K로 모의한 월단위 실제증발산량을 참값으로 간주하고 이 값과 AA 모형과 CRAE 모형으로 산정한 월단위 실제증발산량과의 보정 전 후의 Nash-Sutcliffe 효율성계수(Coefficient of Efficiency, CE)와 평균제곱근오차(RMSE)를 계산하여 Table 3에 나타내었다. AA 모형은 CE가보정전-0.
이론/모형
(3)과 같은 Penman(1948)식을, 습윤증발산량 ETW를 산정하기 위해서 Eq. (4)와 같은 Priestley-Taylor (1979)식을 이용하였다.
(6)∼(9)을 추가하였다. AA 모형의 습윤증발산량 산정식은 SWAT-K 모형내 Preistly-Taylor식이 포함되어 있으므로 별도로 추가하지 않았다. CRAE 모형에 의한 잠재증발산량은 Eqs.
Brutsaert and Stricker(1979)가 제안한 AA 모형에서 습윤증발산량 ET W를 산정할 때의 핵심 매개변수인 α 값을 변화시켜 가면서 산정한 실제증발산량이 SWAT-K에 의한 모의치에 적합할 때까지 반복 계산을 하였다.
Brutsaert and Stricker(1979)가 제안한 AA 모형에서 습윤증발산량 ET W를 산정할 때의 핵심 매개변수인 α 값을 변화시켜 가면서 산정한 실제증발산량이 SWAT-K에 의한 모의치에 적합할 때까지 반복 계산을 하였다. 또한, 건조기간동안 AA 모형에 의한 실제증발산량 값이 작게 산정되는 문제를 해결하고자 Morton (1973)이 제안하였고 Shin (1996)이 보정시 사용했던 경험적인 이류에너지항 M 을 추가로 고려하였다.
SWAT-K 모형은 증산과정의 종점 설정에 관한 매개변수 디폴트 값의 조정, 상록수의 경우 연중 증산이 발생토록 하는 등 증산 발생 기간 설정을 수정한 점을 제외하고는 SWAT의 증발산량 산정 알고리즘을 대부분 따르고 있다. 이 모형에서는 Penman-Monteith 방법(Monteith, 1981), Priestley-Taylor 방법(Priestley and Taylor, 1972), Hargreaves 방법(Hargreaves et al., 1985) 중 하나를 택하여 잠재증발산량을 계산하고, 여기에 토양수분부족량을 고려하여 실제증발산량을 계산한다. 국내에서는 기온, 풍속, 습도 등의 자료가 모두 가능한 경우에는 일반적으로 Penman-Monteith 방법을 주로 이용하고 있다.
(2)와 같은 보완관계식을 이용한 실제증발산량 산정 모형을 개발하였다. 잠재증발산량을 추정하기 위해서 풍속함수 대신에 경험적인 수증기 이송계수 fa를 사용한 수정 Penman식을 사용하였고, 습윤증발산량을 추정하기 위해서 AA 모형과 마찬가지로 Eq. (4)와 같은 Priestley와 Taylor식 (1979)을 사용하되 열과 수증기의 이류(advection) 영향을 고려하기 위해서 경험적인 이류에너지항 M 을 순복사량 Rn에 더하였다.
성능/효과
(1)을 적분하면 Eq. (2)와 같이 잠재증발산량과 실제증발산량간의 합은 습윤조건의 증발산량의 2배와 같다는 관계식으로 나타낼 수 있다.
(a)는 Brutsaert and Stricker (1979)가 제안한 AA 모형과 SWAT-K 모형으로 산정한 유역평균 연간 강수량에 따른 연간 실제증발산량을 도시한 것으로 AA 모형으로 산정한 증발산량이 SWAT-K 모형으로 산정한 값에 비해 약 25∼37% 이상 크게 산정되었다.
Fig. 5(a)에서와 같이 연간 실제증발산량은 두 방법간에 작게는 18%에서 최대 41%만큼 차이를 나타내었으며, 평균적으로 연간 약 160 mm 만큼 CRAE 방법이 크게 산정되었다. 따라서 CRAE 모형으로 복하천 유역의 실제증발산량을 산정하기 위해서는 AA 모형과 마찬가지로 매개변수 보정이 필요하다.
유역평균 월간 실제증발산량도 Fig. 5(b)에서 보이는 바와 같이 CRAE 방법에 의한 실제증발산량이 SWAT-K 모의치보다 과다하게 산정되었으며, 강수량 증가에 따른 실제증발산량 변화 양상도 AA 모형의 결과와 유사한 것을 알 수 있다. Fig.
Figs. 9 and 10은 b1 = 16Wm-2, b2 = 1.04 를 사용하였을 때의 실제증발산량 산정 결과로서 보정된 CRAE 모형이 연단위, 월단위, 그리고 월별 모두 SWAT-K 모의치에 잘 일치하는 것을 확인할 수 있다. 도시적으로 볼 때 AA 모형의 결과인 Fig.
3mm로 감소하였다. CRAE 모형 역시 매개변수 보정 효과로 인해 CE가 0.28에서 0.94로 모형 효율성이 높아졌고 RMSE가 20.5 mm에서 6.1 mm로 크게 줄어든 것을 알 수 있으며, AA 모형보다 CRAE 모형에 의한 결과가 조금 더 우수한 것으로 나타났다.
따라서 AA 모형과 CRAE 모형으로 관측치에 준하는 SWAT-K 모의치에 가깝게 실제증발산량이 산정되도록 습윤증발산량 계산의 핵심 매개변수들의 보정을 수행한 결과, AA 모형의 경우는 Brutsaert and Stricker (1979)의 제안 값 α= 1.26 보다는 작은 α= 1.08 을 사용하고 건조기간동안의 적합성을 높이기 위해서 이류항을 추가로 고려하였을 때가 실제증발산량 값을 잘 나타내었으며, CRAE 모형의 경우에는 Morton (1983)이 제안한 값 b1 = 14Wm-2, b2 = 1.12 보다는 각각 다소 크고, 작은 값인 b1 = 16Wm-2, b2 = 1.04 를 사용하였을 때에 연단위, 월단위, 그리고 월별 모두 가장 양호한 실제증발산량 값이 산출되었다.
1은 잠재증발산량과 실제증발산량간의 보완관계를 나타낸 개념도로서 건조상태로 가면서 실제증발산량은 감소하고 잠재증발산량은 증가하며, 습윤상태로 가면서 실제증발산량과 잠재증발산량은 점차 같아지게 된다. 보완관계 개념은 잠재증발산량이 기온과 습도의 함수로 온도의 증가에 따라 잠재증발산량이 증가하고 습도에 따라 감소한다는 사실에 기초하고 있으며, 실제증발산량이 많을수록 온도가 낮아지고 습도가 높아지기 때문에 결국 잠재증발산량의 감소를 초래하게 된다는 것이다. 즉, 실제 증발산량 또는 잠재증발산량을 추정하는데 있어서 서로 영향을 주게 된다는 개념이다(Kim and Kim, 2004).
이를 위해서 국토교통부의 흥천 수위관측소를 유역 출구로 하는 복하천 중상류 유역을 연구 대상유역으로 선정하고, 잠재증발산량과 실제증발산량간의 보완관계식 기반의 증발산량 모형인 AA 및 CRAE 모형으로 유역의 실제증발산량을 산정하였다. 보완관계식 기반의 실제증발산량 산정 결과를 검증하기 위해서 유역의 저류변화를 무시하고 연단위 이상의 장기간 강수량 관측값에서 하천유출량 관측값을 감하여 실제증발산량을 간접적으로 추정하는 유역 물수지 분석 결과를 이용하는 것이 보편적이다. 이러한 검증 방법을 이용하기 위해서는 관측 자료의 품질이 우수하고 교란되지 않은 장기간의 하천유출량 자료가 필요하다.
연구대상 유역에 대해서 원래의 매개변수를 사용한 AA 모형과 CRAE 모형으로 산정한 유역평균 연간 실제 증발산량은 SWAT-K 모의치에 비해 각각 25∼37%, 18∼41% 정도 과다하게 산정되었으며, 특히 식생 성장기에 크게 산정되는 경향을 나타내었다.
3(b)는 AA 모형과 SWAT-K 모형으로 산정한 유역평균 월단위 강수량에 대한 월단위 실제증발산량을 도시한 것으로 강수량이 약 600 mm/월보다 큰 경우에는 두 방법 간 큰 차이를 보이고 있지 않으나 전반적으로 AA 모형이 SWAT-K 모형 보다 실제증발산량을 과다하게 산정하고 있는 것을 알 수 있다. 특히 SWAT-K에 의한 실제증발산량은 강수량 증가에 따라 증가하다가 점차 일정한 값으로 점근해 가는 양상이 분명하게 나타나는 반면에 AA 모형의 결과는 그 양상이 뚜렷하지 않고 산포도 또한 크게 발생하였다. 계절별 양상을 파악하기 위해서 분석대상기간동안 평균한 월별 실제증발산량 산정 결과를 Fig.
후속연구
본 연구는 복하천 유역에 대해 보완관계모형의 적용성을 평가한 것으로 좀 더 많은 유역에 대한 반복적인 분석을 통해 일반적인 결론을 도출할 수 있을 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
효율적인 수자원 계획 및 이용․관리를 위해 필요한 것은?
효율적인 수자원 계획 및 이용․관리를 위해서는 강수, 증발산, 함양, 유출 등 일련의 수문순환 과정의 이해와 각 수문성분량의 시공간적 분포 특성 파악이 선행되어야 하며, 이러한 수문성분량 중에서 증발산량은 유역의 물수지분석, 관개 수량 산정, 저수지 설계, 장기 하천유량 예측, 생태계 관리 등을 위해 필수적으로 산정해야 할 중요한 요소이다. 따라서 기상학, 수문학, 토양학, 산림학 등 여러 학문 분야에서 증발산 현상을 규명하고 그 양을 정교하게 측정, 산정하려는 노력들이 진행되어 왔으며, 특히 수문학 분야에서는 유역의 물관리를 위해서 유역단위의 실제증발산량을 산정하는 것이 주된 관심사였다.
SWAT-K 모형은 무엇을 이용하여 잠재증발산량과 실제증발산량을 계산하는가?
SWAT-K 모형은 증산과정의 종점 설정에 관한 매개변수 디폴트 값의 조정, 상록수의 경우 연중 증산이 발생토록 하는 등 증산 발생 기간 설정을 수정한 점을 제외하고는 SWAT의 증발산량 산정 알고리즘을 대부분 따르고 있다. 이 모형에서는 Penman-Monteith 방법(Monteith, 1981), Priestley-Taylor 방법(Priestley and Taylor, 1972), Hargreaves 방법(Hargreaves et al., 1985) 중 하나를 택하여 잠재증발산량을 계산하고, 여기에 토양수분부족량을 고려하여 실제증발산량을 계산한다. 국내에서는 기온, 풍속, 습도 등의 자료가 모두 가능한 경우에는 일반적으로 Penman-Monteith 방법을 주로 이용하고 있다.
유역과 같이 넓은 지역의 실제증발산량을 산정하는 방법으로 어떤 것들이 있는가?
유역과 같이 넓은 지역의 실제증발산량을 산정하는 방법으로서 물수지 방정식의 강수량, 유출량 등 다른 성분들을 관측하여 그 나머지를 증발산으로 추정하는 유역 물수지법, SWAT(Arnold, 1993; Neitsch et al., 2005)과 같은 유역수문모델링을 이용하여 잠재증발산량으로부터 토양수분부족량(soil moisture deficit) 조건을 고려하여 토지피복별로 실제증발산량을 계산하고 면적가중하여 유역 평균 실제증발산량을 산정하는 방법, Bouchet (1963)가 제안한 잠재증발산량과 실제증발산량간 보완관계(complementary relationship)를 이용하는 방법, 그리고 인공위성정보를 이용한 광역 공간증발산량을 추정하는 방법 등이 있다. 본 연구에서는 이러한 실제증발산량 산정 방법 중 국내에서 상대적으로 충분한 연구가 수행되고 있지 않은 잠재증발산량과 실제증발산량간 보완관계식에 의한 방법을 중심으로 그 적용성을 고찰하고자 하였다.
참고문헌 (42)
Allen, R.G., Pereira, L.S., Raes, L.S., and Smith, M. (1998). Crop evapotranspiration-Guidelines for computing crop water requirement. FAO Irrigation and Drainage Paper 56. Food and Agriculture Organization of the United Nations, 300 p.
Arnold, J.G., Allen, P.M., and Bernhardt, G. (1993). "A comprehensive surface groundwater flow model." Journal of Hydrology, Vol. 142, pp. 47-69.
Barr, A.G., Kite, G.W., Granger, R., and Smith, C. (1997). "Evaluating three evapotranspiration methods in the slurp macroscale hydrological model." Hydrological Processes, Vol. 11, pp. 1685-1705.
Bouchet, R.J. (1963). "Evapotranspiration reelle et potentielle, signification climatiqe." International Association of Hydrological Sciences Publication, Vol. 62, pp. 134-142.
Brutsaert, W., and Stricker, H. (1979). "An advection-aridity approach to estimate actual regional evapotranspiration." Water Resources Research, Vol. 15, pp. 443-450.
Doyle, P. (1990). "Modelling catchment evaporation: An objective comparison of the Penman and Morton approaches." Journal of Hydrology, Vol. 121, pp. 257-276.
Fang, Z., Ren, L., Li, Q., Liu, X., Yuan, F., Zhao, D., and Zhu, Q. (2012). "Estimating and validating basin-scale actual evapotranspiration using MODIS images and hydrologic models." Hydrology Research, Vol. 43, pp. 156-166.
Gao, Y., and Long, D. (2008). "Intercomparison of remote sensing-based models for estimation of evapotranspiration and accuracy assessment based on SWAT." Hydrological Processes, Vol. 22, pp. 4850-4869.
Githui, F., Selle, B., and Thayalakumaran, T. (2012). "Recharge estimation using remotely sensed evapotranspiration in an irrigation catchment in southeast Australia." Hydrological Processes, Vol. 26, pp. 1379-1389.
Granger, R.J. (1991). Evaporation from natural nonsaturated surfaces. PhD Thesis, Department of Agricultural Engineering, University of Saskatchewan, Saskatoon. 140 pp.
Granger, R.J., and Gray, D.M. (1990). "Examination of Morton's CRAE model for estimating daily evaporation from field-sized areas." Journal of Hydrology, Vol. 120, pp. 309-325.
Gyeonggi Provincial Government (2006). General planning on Bokha stream maintenance, pp. 1-27.
Haque, A. (2003). "Estimating actual areal evapotranspiration from potential evapotranspiration using physical models based on complementary relationships and meteorological data." Bulletin of Engineering Geology and the Environment, Vol. 62, pp. 57-63.
Hargreaves, G.L., Hargreaves, G.H., and Riley, J.P. (1985). "Agricultural benefits for Senegal River Basin." Journal of Irrigation and Drainage Engineering, Vol. 111, No. 2, pp. 113-124.
Hobbins, M.T., Ramirez, J.A., and Brown T.C. (2001b). "The complementary relationship in estimation of regional evapotranspiration: An enhanced Advection-Aridity model." Water Resources Research, Vol. 37, No. 5, pp. 1389-1403.
Hobbins, M.T., Ramirez, J.A., Brown, T.C., and Claessens, L. (2001a). "The complementary relationship in estimation of regional evapotranspiration: The Complementary Relationship Areal Evapotranspiration and Advection-Aridity models." Water Resources Research, Vol. 37, No. 5, pp. 1367-1387.
Immerzeel, W.W., and Droogers, P. (2008). "Calibration of a distributed hydrological model based on satellite evapotranspiration." Journal of Hydrology, Vol. 349, pp. 411-424.
Jensen, M.E., Burman, R.D., and Allen, R.G. (ed). (1990). Evapotranspiration and irrigation water requirements, ASCE Manuals and Reports on Engineering Practice No. 70, ASCE, N.Y., 332 pp.
Kim, N.W., and Kim, C.G. (2004). "Comparison of Penman- Monteith method and Morton CRAE method for esimating areal evapotranspiration." 2004 Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference, KWRA, pp. 1077-1081.
Kim, N.W., Chung, I.M., Won, Y.S., and Arnold, J.G. (2008). "Development and application of the integrated SWAT-MODFLOW model." Journal of Hydrology, Vol. 356, pp. 1-16.
Kim, N.W., Lee, J., and Lee, J.E., (2013). "Estimation of natural streamflow for the Bokhacheon middle-upper watershed." Journal of Korea Water Resources Association, KWRA, Vol. 46, No. 12, pp. 1169-1800.
Kim, N.W., Won, Y.S., Lee, J., Lee, J.E., and Jeong, J.H. (2011). "Hydrologic impacts of urban imperviousness in White Rock Creek watershed." Transactions of the ASABE, Vol. 54, No. 4, pp. 1759-1771.
Lemeur, R., and Zhang, L. (1990). "Evaluation of three evapotranspiration models in terms of their applicability for an arid region." Journal of Hydrology, Vol. 114, pp. 395-411.
Liu, S., Sun, R., Sun, Z., Li, X., and Liu, C. (2006). "Evaluation of three complementary relationship approaches for evapotranspiration over the Yellow River basin." Hydrological Processes, Vol. 20, pp. 2347-2361.
Morton, F.I. (1976). "Climatological estimates of evapotranspiration." Journal of the Hydraulics Division, Proceedings of the American Society of Civil Engineers, ASCE, Vol. 102(HY3), pp. 275-291.
Morton, F.I. (1978). "Estimating evapotranspiration from potential evaporation: practicality of an iconoclastic approach." Journal of Hydrology, Vol. 38, pp. 1-32.
Morton, F.I. (1983). "Operational estimates of areal evapotranspiration and their significance to the science and practice of hydrology." Journal of Hydrology, Vol. 66, pp. 1-76.
Neitsch, S.L., Arnold, J.G., Kiniry, J.R., and Williams, J.R. (2005). Soil and water assessment tool: Theoretical documentation. Version 2005. Temple Tex.: USDA-ARS Grassland, Soil, and Water Research Laboratory, Blackland Research Center, Texas Agricultural Experiment Station.
Penman, H.L. (1948). "Natural evaporation from open water, bare soil, and grass." Proceedings of Royal Society of London, A193, pp. 120-146.
Priestley, C.H.B., and Taylor, R.J. (1972). "On the assessment of surface heat flux and evaporation using largescale parameters." Monthly Weather Review, Vol. 100, pp. 81-92.
Shim, S.-C. (1996). "Estimation method of evapotranspiration through vegetation monitoring over wide area." Korean Society of Surveying Geodesy Photogrammetry and Cartography, Vol. 14, No. 1, pp. 81-88.
Shim, S.C. (1996). "Estimation of water balance based on satellite data in the Korean Peninsula." Journal of Korea Water Resources Association, KWRA, Vol. 29, No. 4, pp. 203-214.
Shin, S.C., Hwang, M.H., Ko, I.H., and Lee, S.J. (2006). "Suggestion of simple method to estimate evapotranspiration using vegetation and temperature information." Journal of Korea Water Resources Association, KWRA, Vol. 39, No. 4, pp. 363-372.
Shin, S.C., Sawamoto, M., and Kim, C.H. (1995). "Estimation of evapotranspiration using NOAA-AVHRR data." Journal of Korea Water Resources Association, KRWA, Vol. 28, No. 1, pp. 71-79.
Spittlehouse, D.L. (1989). "Estimating evapotranspiration from land surfaces in British Columbia." Estimation ofAreal Evapotranspiration, IAHS, Publ., 177, pp. 245-253.
Sun, C., Jiang, D., Wang, J., and Zhu, Y. (2010). "A new approach to accurate validation of remote sensing retrieval of evapotranspiration based on data fusion." Hydrology and Earth System Sciences Discussions, Vol. 7, pp. 1745-1784.
Wanchang, Z.Y., insheng, Z., Ogawa, K., and Yamaguchi, Y. (1999). "Observation and estimation of daily actual evapotranspiration and evaporation on a glacierized watershed at the headwater of the Urumqi River, Tianshan, China." Hydrological Processes, Vol. 13, pp. 1589-1601.
Xu, C.-Y., and Singh, V.P. (2005). "Evaluation of three complementary relationship evapotranspiration models by water balance approach to estimate actual regional evapotranspiration in different climatic regions." Journal of Hydrology, Vol. 308, pp. 105-121.
Xu, C.-Y., Seibert, J., and Halldin, S. (1996). "Regional water balance modelling in the NOPEX area-development and application of monthly water balance models." Journal of Hydrology, Vol. 201, pp. 289-310.
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