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문제 정의
- (2013)의 연구를 제외하고는 대부분의 연구가 인위적 요인 각각의 개별적인 영향을 분석하는데 초점을 두고 수행되어 왔다. 따라서 본 연구에서는 중소규모 유역에 대해 하천유량에 미치는 농업용 저수지 및 지하수 이용의 복합적인 영향을 평가하고자 하였으며, 이를 위해서 안성천 공도수위관측소 상류유역을 시험유역으로 선정하고 지표수-지하수 통합모형 SWAT-MODFLOW를 적용하여 지하수 이용 및 농업용 저수지 관개에 따른 하천유량 및 유황 변동 특성을 고찰하였다.
- 본 연구에서는 안성천 유역 중 공도수위표 상류유역을 연구 대상 유역으로 선정하여 농업용 저수지 및 지하수 이용이 하천유량에 미치는 영향을 분석하였다. 대상 유역의 면적은 373.
가설 설정
- 유역경계를 기준으로 바깥쪽은 흐름이 없는 것으로 간주하여 분수령을 따라 불투수경계로 설정하였다. 따라서 활성셀은 유역의 형상과 동일한 것으로 가정하였다. 모델 대상지역의 지하수 공급원은 지표에서의 지하수 함양과 대상지역 내에 포함되어 있는 하천이다.
- 0 m/d이다. 또한, 수리전도도 입력시 이방성에 관한 자료는 전무하므로 수평방향으로 수리전도도는 등방성인 것으로 가정하였고, 수직 수리전도도는 전 구간에 대해 수평수리전도도의 1/10에 해당하는 것으로 가정하여 적용하였다.
제안 방법
- SWAT-MODFLOW 모형에서 MODFLOW와 관련된 입력 변수는 현장측정 및 문헌조사 값을 최대한 활용하였고, 측정되지 않은 변수 값은 수문곡선의 감수부 형태를 잘 모사할 때까지 반복 모의를 수행하여 보정하였다. 하천바닥층의 수리전도성 값은 현지 시험 결과를 반영하였고 측정값이 없는 하도구간은 현지 시험이 수행된 하도구간의 값과 유사하게 입력하였다.
- 대상 유역의 대수층은 1개의 충적층 및 1개의 암반층으로 단순화하였으며, 충적층의 경우에는 자유면대수층으로, 암반층은 피압/자유면대수층 변환층으로 모델링을 실시하였다. 충적층의 공간적인 분포는 한국농촌공사 시추조사 자료, 안성지역 지하수 기초조사 자료 등을 이용하여 충적층 바닥고를 크리깅 기법을 이용하여 격자별로 저면 고도 값을 생성하였다.
- 안청천 공도 수위표 상류 유역은 고삼, 금광 등 농업용 저수지가 위치해 있어 하천유량이 저수지의 영향을 크게 받고 있다. 따라서 지하수 양수의 영향뿐만 아니라 농업용 저수지의 영향을 함께 분석하였다.
- 본 연구에서는 안성천 공도수위관측소 상류유역을 분석 대상유역으로 선정하고 농업용 저수지 관개 및 지하수 이용에 따른 하천유량 변화를 지표수-지하수 통합모형 SWAT-MODFLOW로 모의, 분석하였다. 농업용 저수지는 유역내에 위치한 고삼 및 금광 저수지의 농업용수 관개로 인한 상하류 하천유량의 단절 영향을 고려하고, 지하수 이용은 지자체의 허가 및 신고 관정의 이용량을 고려하였다.
- 안성천 유역내의 지하수 이용량은 안성시와 용인시 지역행정개발자료에 기재된 허가 및 신고 관정 중 모의 대상유역내에 위치한 관정만을 발췌하고, 지하수 이용량 산정 요령(MLIT, 2013)에서 제시된 원단위 산정법을 이용하여 각 관정의 일 이용량을 추정하여 모형에 입력하였다. 지하수 이용량 중 농업용은 대수층에서 지표면으로의 물이동을 고려할 수 있도록 모형을 개선(Kim et al.
- 연구 대상유역내에 고삼, 금광, 마둔 농업용 저수지의 관측 저수량을 입력하였고, 이 값과 유입량 모의치로부터 방류량이 계산되도록 모형을 수정하였다. 추정된 방류량은 관개기에는 홍수기 저수지가 만수되고 일정 강우규모가 발생하였을 경우만 제외하고는 관개수로로 우회하는 양으로 처리하였고, 비관개기에는 저수율이 만수율에 도달했을 경우만 하천으로 방류되게 하였다.
- 유역경계를 기준으로 바깥쪽은 흐름이 없는 것으로 간주하여 분수령을 따라 불투수경계로 설정하였다. 따라서 활성셀은 유역의 형상과 동일한 것으로 가정하였다.
- 농업용 저수지는 유역내에 위치한 고삼 및 금광 저수지의 농업용수 관개로 인한 상하류 하천유량의 단절 영향을 고려하고, 지하수 이용은 지자체의 허가 및 신고 관정의 이용량을 고려하였다. 유역내 전체 지하수 관정들의 이용량과 고삼 및 금광 저수지의 관개용수 공급량 추정치를 모형에 입력하여 하천유량을 모의하고 유역 출구점에서의 관측 유량과의 비교를 통한 모형의 검보정 과정을 거쳐 현재 물이용 체계에 적합한 모형을 구축하였다. 이를 이용하여 저수지 관개 및 지하수 양수 고려 유무에 따른 하천유량을 모의한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 하천경계는 지하수 유출입이 일어나는 하천셀로 지정하였다. 이 하천셀에서 시간종속수두 경계조건을 부여하여 SWAT으로부터 일단위로 모의된 하천 수위와 MODFLOW에서 계산된 지하수위의 수위 차에 따라 지하수 유출입량이 결정되도록 하였다.
- 안성천 상류유역의 출구점인 공도 수위관측소 지점의 2007년부터 2013년까지의 일 유출량 자료를 기준으로 모형의 검보정을 수행하였다. 일 유출수문곡선에 대하여 모의치와 관측치의 적합이 잘 이루어질 때까지 수동 검보정을 실시하였다.
- 수문곡선에서 첨두부 형상을잘 적합시키기 위해서 CN2 값을 모형에서 제공하는 디폴트 값에 비해 10%만큼 증가시켰고, 지표면유출의 지체 등 수문곡선의 형태를 매끄럽게 보정하기 위해서 SURLAG값을 모형에서 제공하는 값에 비해 줄였다. 중간유출량과 증발산량을 키우기 위해 각각 SLSOIL값을 줄이고 EPCO값을 증가시켰으며, 강우에 대한 함양 반응을 비교적 짧게 하기 위해서 GWDELAY 값을 줄였다. 하도추적과 관련된 변수인 CH_N는 자연 하천에 가깝고 수치적 안정성 측면을 고려하여 모형의 기본값 보다 3배 큰 값을 사용하였다.
- 2012)하여 양수량의 회귀 효과를 반영하였다. 지하수 관정 위치는 MODFLOW의 기본 연산단위인 셀과 SWAT의 기본 연산단위인 HRU를 연결하였고, 각각의 지하수 관정으로부터 양수된 물은 셀에서 source 항으로 배출되고 다시 HRU의 지표면으로 보내지도록 처리하였다.
- 충적층의 공간적인 분포는 한국농촌공사 시추조사 자료, 안성지역 지하수 기초조사 자료 등을 이용하여 충적층 바닥고를 크리깅 기법을 이용하여 격자별로 저면 고도 값을 생성하였다. 최하부층인 제 2층의 저면고도는 임의적인 해발고도를 수평으로 설정하고, 그 고도는 검보정에 의해 결정하였다. 모델 영역은 가로 21,000 m, 세로 33,100 m로 하고, 지하수 분수령이 유역의 경계와 같다고 가정하였으므로 실제 모사에 적용된 면적은 활성격자만을 고려하여 376.
- 추정된 방류량은 관개기에는 홍수기 저수지가 만수되고 일정 강우규모가 발생하였을 경우만 제외하고는 관개수로로 우회하는 양으로 처리하였고, 비관개기에는 저수율이 만수율에 도달했을 경우만 하천으로 방류되게 하였다. 특히 관개수로로 우회된 용수량은 수혜 지구내 논 피복 강수량에 더해지게 하고, 침투, 증발산, 함양 등의 수문순환과정을 거쳐 하천으로 회귀되도록 처리하였다.
- (2008)는 안성천 공도수위표 상류유역에 대해 SWAT 모형을 적용하여 유역내 고삼 및 금광 농업용 저수지 고려 유무에 따른 하천유출 거동을 분석하였다. 특히 이 연구에서는 저수지의 내용적 곡선, 저수량 등을 이용하여 저수지 일 방류량을 계산하도록 SWAT내 저수지 관련 모듈을 개선하였다.
- 즉, 임의 셀이 건조셀이 되면 그 하부에 있는 지층으로 함양이 일어나도록 함양패키지에서 해당 옵션을 주었다. 함양량 값은 SWAT으로부터 일 단위로 모의되어 MODFLOW의 지하수 활성셀에 자동으로 입력되게 하였다. 하천경계는 안성천 본류 및 지류에 적용하였다.
대상 데이터
- 모형의 공간정보 입력자료 구축을 위해서 유역의 형상을 나타내는 DEM, 유역내 토지이용상황을 나타내는 토지피복도, 그리고 토양에 대한 특성을 나타내는 토양도 등의 GIS 데이터 등이 필요하다. Fig. 2와 같이 환경부에서 제공하고 있는 중분류(1:25,000)의 토지피복도, Fig. 3과 같이 국립농업과학원에서 제공하고 있는 정밀토양도를 사용하였다. 대상 유역은 산림지역이 약 47%로 가장 많이 분포하고 있으며 논과 밭을 포함한 농경지가 약 30% 차지하고 있다.
- 8 m/s로 나타났다. 강수량 자료는 국토교통부의 원삼, 안성, 서운, 삼죽, 양성 관측소 자료를 이용하였으며, 모의 기간 동안 면적평균강수량은 1280.4 mm이다.
- 기온, 풍속, 일사량, 상대습도 등의 기상자료는 대상유역 주변에 위치한 수원, 이천, 천안기상대의 자료를 이용하였다. 최근 10년간 수원의 연평균 일사량은 14.
- 본 연구에서는 안성천 유역 중 공도수위표 상류유역을 연구 대상 유역으로 선정하여 농업용 저수지 및 지하수 이용이 하천유량에 미치는 영향을 분석하였다. 대상 유역의 면적은 373.23 km2로서 안성천 전체의 약 23%를 차지하고 있으며, 유로연장은 15.32 km, 유역의 평균경사는 16.1%, 그리고 유역의 고도는 Fig. 1과 같이 해발 10 m부터 해발 561 m까지 분포하고 있다. 모형의 구동을 위해서 총 35개 소유역으로 분할하였으며, Fig.
- 모델 격자는 210행, 331열, 2층으로 구성되며 격자의 크기는 DEM 격자 크기와 동일하게 100 m × 100 m로 하였다.
- 최하부층인 제 2층의 저면고도는 임의적인 해발고도를 수평으로 설정하고, 그 고도는 검보정에 의해 결정하였다. 모델 영역은 가로 21,000 m, 세로 33,100 m로 하고, 지하수 분수령이 유역의 경계와 같다고 가정하였으므로 실제 모사에 적용된 면적은 활성격자만을 고려하여 376.2 km2이다. 모델 격자는 210행, 331열, 2층으로 구성되며 격자의 크기는 DEM 격자 크기와 동일하게 100 m × 100 m로 하였다.
- 모델링을 위한 대수층의 수리전도도와 저류계수는 안성지역 지하수 기초조사 자료, 농촌공사 보유자료, 본 연구에서 수행한 대수성 시험 자료를 이용하여 공간분포시켰다. 제1층의 수리전도도는 56개의 측정값을 이용하여 크리깅을 통해 공간분포시켜 모델의 입력자료로 이용하였고 저류계수는 측정값이 존재하지 않아 0.
- 안성천 상류유역의 출구점인 공도 수위관측소 지점의 2007년부터 2013년까지의 일 유출량 자료를 기준으로 모형의 검보정을 수행하였다. 일 유출수문곡선에 대하여 모의치와 관측치의 적합이 잘 이루어질 때까지 수동 검보정을 실시하였다.
이론/모형
- 대상 유역의 대수층은 1개의 충적층 및 1개의 암반층으로 단순화하였으며, 충적층의 경우에는 자유면대수층으로, 암반층은 피압/자유면대수층 변환층으로 모델링을 실시하였다. 충적층의 공간적인 분포는 한국농촌공사 시추조사 자료, 안성지역 지하수 기초조사 자료 등을 이용하여 충적층 바닥고를 크리깅 기법을 이용하여 격자별로 저면 고도 값을 생성하였다. 최하부층인 제 2층의 저면고도는 임의적인 해발고도를 수평으로 설정하고, 그 고도는 검보정에 의해 결정하였다.
성능/효과
- (1) 안성천 상류유역 출구인 공도 수위표 지점에서는 회귀수의 영향으로 농업용 저수지 영향이 작고 상대적으로 지하수 양수에 의한 영향이 큰 것으로 모의되었다. 하천의 갈수량은 인위적 교란 요인이 없는 자연유량의 경우에 비해 지하수 양수로 인해 약 14.
- (2) 고삼 저수지 직하류부에서는 저수지 관개용수 공급으로 인해 하천유량이 단절된 영향이 매우 크게 작용하고 있으며, 갈수량은 자연유량에 비해 지하수 양수로 인해 약 11.2%, 저수지 관개로 인해 약 31.2%, 지하수 양수 및 저수지 관개로 인해 약 39.9% 만큼 감소하는 것으로 분석되었다.
- (3) 금광 저수지 직하류부에서도 저수지 관개에 의한 영향이 지배적으로 발생하고 있으며, 갈수량은 자연유량에 비해 지하수 양수로 인해 약 7.2%, 저수지 관개로 인해 약 82.5%, 지하수 양수 및 저수지 관개로 인해 약 84.9% 만큼 감소하여 저수지 영향이 절대적으로 작용하는 것으로 분석되었다.
- 5 and 7을 비교해보면, 하천유량은 저수지 직하류부에서 저수지 영향이 크게 작용하고 있는 것을 알 수 있다. Table 3에 나타낸 바와 같이 갈수량은 자연 상태일 때 0.38 m3/s이었으나, 저수지로 인해 0.26 m3/s, 양수로 인해, 0.34 m3/s, 저수지 및 양수로 인해 0.23 m3/s로 감소하였으며, 갈수량 감소량을 비율로 환산하면 지하수 양수로 인해 약 11.2%, 저수지 관개로 인해 약 31.2%, 지하수 양수 및 저수지 관개로 인해 약 39.9%이다.
- SWAT-MODFLOW 모형에서 SWAT의 주요 검보정 변수로서 토지피복 및 토양조건에 따라 입력된 AMC-II일 때의 유출곡선 지수 CN2, 중간유출과 관계된 경사장 SLSOIL, 지하수유출과 관련된 함양지체변수 GWDELAY, 증발산량과 관련된 토양증발 보상계수 ESCO, 식생증산보상계수 EPCO, 하도추적과 관련된 Manning의 조도계수 CH_N 등이다. 수문곡선에서 첨두부 형상을잘 적합시키기 위해서 CN2 값을 모형에서 제공하는 디폴트 값에 비해 10%만큼 증가시켰고, 지표면유출의 지체 등 수문곡선의 형태를 매끄럽게 보정하기 위해서 SURLAG값을 모형에서 제공하는 값에 비해 줄였다. 중간유출량과 증발산량을 키우기 위해 각각 SLSOIL값을 줄이고 EPCO값을 증가시켰으며, 강우에 대한 함양 반응을 비교적 짧게 하기 위해서 GWDELAY 값을 줄였다.
- 유출모의 결과, Fig. 4에 나타낸 바와 같이 모의치가 관측치 양상을 잘 따라가는 것을 확인할 수 있으며, 두 값간의 결정계수(R2)값이 약 0.7로 산정되어 모형의 검보정이 양호하게 수행된 것으로 판단된다.
- Table 2에 제시된 바와 같이 풍수량에서 갈수량으로 갈수록 감소율이 증가하였고 지하수 양수에 의한 영향이 농업용 저수지 영향에 비해 다소 큰 것으로 분석되었다. 특히 갈수량은 저수지 및 지하수 양수가 없는 자연유출량인 경우에 비해 양수로 인해 약 14.3%, 저수지로 인해 약 5.7%, 양수 및 저수지로 인해 약 19.2% 만큼 비교적 큰 폭으로 감소하는 것으로 나타났다.
- 4개의 시나리오별 모의 유황곡선으로부터 풍수량, 평수량, 저수량, 갈수량을 발췌하여 Table 2에 정리하였다. 표에서 4개의 기준유량값은 Fig. 6에서 각각 초과확률 약 26%, 50%, 78%, 97% 일 때의 하천유량값을 판독한 결과이며, 괄호 안의 값은 자연 상태에 비해 지하수 양수 및 저수지로 인해 감소된 하천유량의 비율을 나타낸 것이다. Table 2에 제시된 바와 같이 풍수량에서 갈수량으로 갈수록 감소율이 증가하였고 지하수 양수에 의한 영향이 농업용 저수지 영향에 비해 다소 큰 것으로 분석되었다.
- (1) 안성천 상류유역 출구인 공도 수위표 지점에서는 회귀수의 영향으로 농업용 저수지 영향이 작고 상대적으로 지하수 양수에 의한 영향이 큰 것으로 모의되었다. 하천의 갈수량은 인위적 교란 요인이 없는 자연유량의 경우에 비해 지하수 양수로 인해 약 14.3%, 저수지 관개로 인해 약 5.7%, 지하수 양수 및 저수지 관개로 인해 약 19.2% 만큼 감소하는 것으로 분석되었다.
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