본 연구에서는 제주도의 한천 유역을 대상으로 유역모델링 기법으로 많이 활용되고 있는 SWAT 모형을 이용하여 실시간 관측되고 있는 하천유량의 신뢰성과 활용성을 평가하였다. 평상시 거의 건천의 형태를 나타내는 간헐하천 특성을 고려하기 위하여 기존 연구에서 검증되었던 간헐하천모의 알고리즘을 적용하였으며, 2008~2013년을 대상으로 유역별 관측사상과 모의사상을 비교 분석하였다. 모형효율과 결정계수를 통해 모형 적용성을 평가한 결과, 보정기간에 대해 모형효율(ME) 0.88, 결정계수($R^2$) 0.93, 검증기간에 대해서는 각각 0.79와 0.89로서 매우 양호한 것으로 분석되었다. 모의치와 관측치의 차이가 크게 나타나는 일부 사상들에 대한 검토 결과, 강수량에 비해 관측유출률이 너무 크거나 낮은 경우가 있었는데 이는 기존 호우시 유출률 및 모델링 결과와 비교할 때 관측유량의 계측 및 수위-유량 산정과정에서의 오류의 가능성을 예상할 수 있었다. 이러한 관측유량에 대한 보완을 위해 모의자료를 이용하여 강수량과 유출량 간의 회귀관계를 도출하였으며, 2009~2010년을 대상으로 회귀식을 적용한 결과 유역모델링에 의한 모의유량과 잘 일치하는 것으로 나타났다. 따라서, 모델링 결과가 충분한 신뢰성을 보장한다는 가정 하에, 유도된 회귀식을 활용하여 신뢰성 있는 유출량을 간편하게 예측할 수 있으며, 관측자료의 결측치나 이상치를 즉각적으로 검증하는 데에도 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구에서와 같이 관측자료의 검증 및 결측치에 대한 보완을 통하여 모형 적용시 보정과정에서의 오류를 최소화함으로써 제주도 지역의 독특한 유출 특성을 고려한 정교한 모델링과 물수지 분석에 크게 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구에서는 제주도의 한천 유역을 대상으로 유역모델링 기법으로 많이 활용되고 있는 SWAT 모형을 이용하여 실시간 관측되고 있는 하천유량의 신뢰성과 활용성을 평가하였다. 평상시 거의 건천의 형태를 나타내는 간헐하천 특성을 고려하기 위하여 기존 연구에서 검증되었던 간헐하천모의 알고리즘을 적용하였으며, 2008~2013년을 대상으로 유역별 관측사상과 모의사상을 비교 분석하였다. 모형효율과 결정계수를 통해 모형 적용성을 평가한 결과, 보정기간에 대해 모형효율(ME) 0.88, 결정계수($R^2$) 0.93, 검증기간에 대해서는 각각 0.79와 0.89로서 매우 양호한 것으로 분석되었다. 모의치와 관측치의 차이가 크게 나타나는 일부 사상들에 대한 검토 결과, 강수량에 비해 관측유출률이 너무 크거나 낮은 경우가 있었는데 이는 기존 호우시 유출률 및 모델링 결과와 비교할 때 관측유량의 계측 및 수위-유량 산정과정에서의 오류의 가능성을 예상할 수 있었다. 이러한 관측유량에 대한 보완을 위해 모의자료를 이용하여 강수량과 유출량 간의 회귀관계를 도출하였으며, 2009~2010년을 대상으로 회귀식을 적용한 결과 유역모델링에 의한 모의유량과 잘 일치하는 것으로 나타났다. 따라서, 모델링 결과가 충분한 신뢰성을 보장한다는 가정 하에, 유도된 회귀식을 활용하여 신뢰성 있는 유출량을 간편하게 예측할 수 있으며, 관측자료의 결측치나 이상치를 즉각적으로 검증하는 데에도 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구에서와 같이 관측자료의 검증 및 결측치에 대한 보완을 통하여 모형 적용시 보정과정에서의 오류를 최소화함으로써 제주도 지역의 독특한 유출 특성을 고려한 정교한 모델링과 물수지 분석에 크게 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
This study was conducted to evaluate observed runoff data collected every 10 minutes at stream gauging stations in Jeju Island using a physically-based model, SWAT. The Hancheon watershed was selected as study area, and ephemeral stream algorithm suggested by previous research was incorporated into ...
This study was conducted to evaluate observed runoff data collected every 10 minutes at stream gauging stations in Jeju Island using a physically-based model, SWAT. The Hancheon watershed was selected as study area, and ephemeral stream algorithm suggested by previous research was incorporated into the model, which is able to simulate ephemeral runoff pattern of Jeju streams. Simulated runoff and runoff rates were compared to observations during 2008-2013, which showed 'very good' performance rating in Nash-Sutcliffe model efficiency (ME) and determination coefficient ($R^2$). Some observations had problems such that runoff rates were very high for some rainfall events with little amount of antecedent rainfall, and were very low or missing with much rainfall comparing to previous researches. Additionally, regression equation between precipitation and simulated runoff was generated with high degree of correlation. The equation can be utilized to simply predict reasonable runoff, or to investigate and complement the abnormal or missing data of observations on the assumption that modelling results were sufficiently reliable and satisfactory. As results, minimizing the error in calibrating the model by evaluation of observed data would be helpful to accurately model the rainfall-runoff characteristics and analyze the water balance components of watersheds in Jeju Island.
This study was conducted to evaluate observed runoff data collected every 10 minutes at stream gauging stations in Jeju Island using a physically-based model, SWAT. The Hancheon watershed was selected as study area, and ephemeral stream algorithm suggested by previous research was incorporated into the model, which is able to simulate ephemeral runoff pattern of Jeju streams. Simulated runoff and runoff rates were compared to observations during 2008-2013, which showed 'very good' performance rating in Nash-Sutcliffe model efficiency (ME) and determination coefficient ($R^2$). Some observations had problems such that runoff rates were very high for some rainfall events with little amount of antecedent rainfall, and were very low or missing with much rainfall comparing to previous researches. Additionally, regression equation between precipitation and simulated runoff was generated with high degree of correlation. The equation can be utilized to simply predict reasonable runoff, or to investigate and complement the abnormal or missing data of observations on the assumption that modelling results were sufficiently reliable and satisfactory. As results, minimizing the error in calibrating the model by evaluation of observed data would be helpful to accurately model the rainfall-runoff characteristics and analyze the water balance components of watersheds in Jeju Island.
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문제 정의
특정규모 이상의 집중호우에 대해서만 유출을 나타내는 제주도 하천의 유출 특성을 고려한 모델링을 위해서는, 독특한 지형적 특성과 다양한 강우-유출 특성을 고려할 수 있는 모델링 기법, 그리고 모델링 결과의 신뢰성을 확보하기 위한 충분한 관측자료가 필요하다. 본 연구에서는 한천 유역을 대상으로 기존 유역모델링 기법으로 많이 활용되었던 SWAT 모형의 적용성을 평가하는 한편, 모델링 결과를 이용하여 실시간 관측되고 있는 하천유량에 대한 평가 및 보완방안을 제시 하였다.
본 연구에서는 한천 유역을 대상으로, 실시간 관측되고 있는 하천유량 자료와 유역모델링 기법을 이용한 모의자료의 비교를 통해 관측유량 및 유출 특성을 평가하고, 관측유량의 검증 및 보완을 위한 유역모델링 기법의 활용방안을 제시하고자 한다.
제안 방법
(2013a)이 제시한 간헐하천 모의기법은 토양수분의 정도에 따라 중간유출 발생을 억제하고 연직방향의 침투 및 침루를 지배적으로 발생하도록 관련 알고리즘을 수정한 것으로서, 평상시에는 거의 건천의 형태를 보이다가 일정규모 이상의 강우시에만 유출이 발생하는 제주도 하천유역의 유출 특성을 모의하는데 적합한 것으로 판단된다. 따라서, 본 연구에서도 이 방법을 적용하여 대상유역에 대해 SWAT 모델링을 구축하였다.
상기와 같이 일부 결측된 유량자료 또는 이상치에 대한 보완을 위해, 모델링 결과가 충분한 신뢰성을 보장한다는 전제 하에 모의자료를 활용하여 강수량과 유량의 관계를 도출하였다. Fig.
평상시 거의 건천의 형태를 나타내는 간헐하천 특성을 고려하기 위하여 기존 연구에서 검증되었던 간헐하천 모의 알고리즘을 적용하여, 2008∼2013년을 대상으로 관측사상과 모의사상을 비교·분석하였다.
대상 데이터
Table 1에 제시된 것처럼, 관측사상이 비교적 많은 2010∼2011년의 관측자료를 이용하여 보정을 수행하였으며, 2008년과 2012∼2013년의 3개년 자료를 이용하여 모형 적용성을 검증하였다.
분석에 필요한 관측자료의 가용성을 고려하여 기존에 JDI (2010)의 연구를 통해 실시간 관측유량을 이용하여 유출 특성 분석이 수행되었던 한천 유역을 대상유역으로 선정하였다. 대상유역 하류에 위치한 한천교(한천-1 수위관측소)를 기준으로 유역면적은 34.6 km2이며, 최장 유로연장은 19.95 km, 유역의 평균경사는 0.05 m/m이다. Fig.
분석에 필요한 관측자료의 가용성을 고려하여 기존에 JDI (2010)의 연구를 통해 실시간 관측유량을 이용하여 유출 특성 분석이 수행되었던 한천 유역을 대상유역으로 선정하였다. 대상유역 하류에 위치한 한천교(한천-1 수위관측소)를 기준으로 유역면적은 34.
이론/모형
모형 입력자료 중 강수량과 잠재증발산량 산정에 필요한 온도, 풍속, 습도 자료는 지역별, 고도별 영향을 고려하기 위하여 Kim et al. (2012)이 적용한 PRISM 기법에 의해 생산된 격자별 자료를 소유역별 평균값으로 재산정하여 적용하였다. 태양복사량은 Angstrom 공식(Allen et al.
(2012)이 적용한 PRISM 기법에 의해 생산된 격자별 자료를 소유역별 평균값으로 재산정하여 적용하였다. 태양복사량은 Angstrom 공식(Allen et al., 1998)을 이용하여 제주도에 위치한 4개 기상대(제주, 고산, 성산, 서귀포)의 관측 일조시간으로부터 환산하여 적용하였다.
성능/효과
이러한 관측자료의 보완을 위해 강수량과 모의유량 자료를 활용하여 상관성 높은 회귀관계를 유도하였고, 미계측된 호우사상을 대상으로 검토한 결과 모의유량이 모두 95% 신뢰구간에 포함 되는 것으로 분석되었다. 2009년과 2010년을 대상으로 회귀식을 적용한 결과 유역모델링에 의한 모의유량과 잘 일치하는 것으로 나타났다. 따라서, 모델링 결과가 충분한 신뢰성을 보장한다는 가정 하에, 유도된 회귀식을 활용하여 신뢰성 있는 유출량을 간편하게 예측할 수 있으며, 관측자료의 결측치나 이상치를 즉각적으로 검증하는 데에도 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
2010∼2011년의 26개 호우사상에 대해 모의 정확성을 평가한 결과, Nash-Sutcliffe 모형 효율(Nash and Sutcliffe, 1970) ME=0.88, 결정계수 R²=0.93으로서 매우 높은 것으로 분석되었다.
먼저 관측사상의 경우 최소 50 mm 이상에서 유출이 발생하는 것으로 나타났으며, 일정규모 이상의 큰 강우에만 유출이 발생하는 제주도 하천의 한계유출 특성을 확인할 수 있었다. SWAT에 의한 유역 모델링 결과의 적용성을 평가한 결과, 보정과 검증기간에 대해 모형효율은 0.88과 0.79, 결정계수는 0.93과 0.89로서 매우 양호한 것으로 분석되었다. 또한, 타 연구에서 제시하는 한천 유역의 관측유출률과도 비슷한 경향을 보이는 것으로 나타나 모델링 결과가 기존의 유출 특성을 잘 반영함을 알 수 있었다.
, 2011)에서 제시하는 것처럼 일정규모 이상의 호우시에만 유출이 발생하는 제주도 하천유역의 한계유출 특성으로 볼 수 있다. 관측자료에 의한 호우시 평균 유출률은 32.1%로 나타났다.
대상 기간의 총 18개 호우사상에 대해 관측치와 모의치의 모형효율과 결정계수를 산정한 결과, 각각 ME=0.79와 R²=0.89로서 매우 양호한 것으로 나타났다.
75 초과일 경우 ‘very good’으로 평가하고 있는데, 본 연구에서는 일유량을 비교한 것이기에 매우 높은 적용성을 가진다고 판단할 수 있다. 또한, 본 연구에서 제시하는 보정 및 검정 결과 모두 기존 연구들에서 제시한 통계치보다 높은 것으로 나타나, 기존 연구들에 비해 모델링 결과의 신뢰성을 좀 더 보장한다고 판단할 수 있다.
89로서 매우 양호한 것으로 분석되었다. 또한, 타 연구에서 제시하는 한천 유역의 관측유출률과도 비슷한 경향을 보이는 것으로 나타나 모델링 결과가 기존의 유출 특성을 잘 반영함을 알 수 있었다.
평상시 거의 건천의 형태를 나타내는 간헐하천 특성을 고려하기 위하여 기존 연구에서 검증되었던 간헐하천 모의 알고리즘을 적용하여, 2008∼2013년을 대상으로 관측사상과 모의사상을 비교·분석하였다. 먼저 관측사상의 경우 최소 50 mm 이상에서 유출이 발생하는 것으로 나타났으며, 일정규모 이상의 큰 강우에만 유출이 발생하는 제주도 하천의 한계유출 특성을 확인할 수 있었다. SWAT에 의한 유역 모델링 결과의 적용성을 평가한 결과, 보정과 검증기간에 대해 모형효율은 0.
모의치와 관측치의 차이가 크게 나타나는 일부 호우사상을 분석해 본 결과, 100 mm 이상의 큰 호우에도 매우 낮은 유출률을 보이거나 결측된 경우도 많았으며, 반대로 일부 관측사상의 유출률이 100%에 근접하는 경우가 있었다. 이는 모델링 결과의 문제일 수도 있으나, 기존 연구 및 문헌들에서 제시되고 있는 유출률과 비교했을 때 관측유량 계측 및 산정과정에서의 오류의 가능성도 예상할 수 있다.
유도된 관계식에서 결정계수( R 2 ) 0.81의 높은 상관성을 얻었으며, F-검정에 의한 Significance F (P-value)가 0.05보다 작은 값을 보임에 따라, 유도된 회귀식은 유의수준 5% 이내(즉, 신뢰수준 95% 이상)에서 적합한 것으로 나타났다.
한편으로는 저류지 설치에 따른 관측유량의 감소로 모의유량과 차이가 발생할 가능성도 있으나 관측치에 비해 모의치가 낮게 나타나는 사상들도 있어 저류지 영향에 대한 명확한 분석은 곤란하였다. 이러한 관측자료의 보완을 위해 강수량과 모의유량 자료를 활용하여 상관성 높은 회귀관계를 유도하였고, 미계측된 호우사상을 대상으로 검토한 결과 모의유량이 모두 95% 신뢰구간에 포함 되는 것으로 분석되었다. 2009년과 2010년을 대상으로 회귀식을 적용한 결과 유역모델링에 의한 모의유량과 잘 일치하는 것으로 나타났다.
후속연구
따라서 유출이 발생하는 50 mm 이상의 강우에 대하여 Eq. (1) 의 회귀식을 이용함으로써, 유역모델링을 수행하지 않아도 신뢰성 있는 유출량을 간편하게 산정할 수 있으며, 한편으로 실시간 수위-유속자료를 이용하여 관측유량을 산정하는 과정에서 결측치나 이상치를 보완할 수 있을 것으로 판단된다.
2009년과 2010년을 대상으로 회귀식을 적용한 결과 유역모델링에 의한 모의유량과 잘 일치하는 것으로 나타났다. 따라서, 모델링 결과가 충분한 신뢰성을 보장한다는 가정 하에, 유도된 회귀식을 활용하여 신뢰성 있는 유출량을 간편하게 예측할 수 있으며, 관측자료의 결측치나 이상치를 즉각적으로 검증하는 데에도 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
따라서, 제주도 지역의 독특한 유출해석을 위한 모델링 기법도 중요하지만, 모델링 결과의 활용성을 제고하기 위해서는 보정에 활용되는 자료, 대표적으로 관측유량에 대한 평가가 선행되어야 할 것이다. 제주특별자치도에서는 도내 주요 하천 24개 지점과 5개 배수로를 대상으로 총 29개의 유량관측소를 운영 중이며, 강우시를 중심으로 실시간 관측유량 자료를 확보하고 있다.
본 연구에서 검증한 바와 같이 수문모델링 결과의 신뢰성이 일정수준 보장된다면, 모델링 결과를 통하여 유도된 강수량-유출량 관계를 통하여 관측자료의 평가 및 보완이 가능하며, 타 유역에 대해서도 동일한 방법으로 기존 자료에 대한 검증 및 결측자료의 보완 등에 활용할 수 있을 것이다. 또한 모형 적용시 보정과정에서의 오류를 최소화함으로써 모델링 결과를 이용한 수자원 평가나 계획 등에 있어서 신뢰성 및 정확성을 제고시킬 수 있을 것으로 기대된다.
그러나, 분석한 바와 같이 일정규모 이상의 호우시에만 유출을 나타내는 제주도 하천의 지형 및 지질학적 특성으로 인해 정교한 관측자료의 확보가 쉽지 않으며, 내륙 지역과 같은 정교한 유역수문모델링 또한 어려운 것이 현실이다. 본 연구에서 검증한 바와 같이 수문모델링 결과의 신뢰성이 일정수준 보장된다면, 모델링 결과를 통하여 유도된 강수량-유출량 관계를 통하여 관측자료의 평가 및 보완이 가능하며, 타 유역에 대해서도 동일한 방법으로 기존 자료에 대한 검증 및 결측자료의 보완 등에 활용할 수 있을 것이다. 또한 모형 적용시 보정과정에서의 오류를 최소화함으로써 모델링 결과를 이용한 수자원 평가나 계획 등에 있어서 신뢰성 및 정확성을 제고시킬 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구에서 제시하는 모의유량 및 강수량-유출량 관계식의 활용성을 제고하기 위해서는 무엇보다 관측자료와의 검증이 필수적이다. 그러나, 분석한 바와 같이 일정규모 이상의 호우시에만 유출을 나타내는 제주도 하천의 지형 및 지질학적 특성으로 인해 정교한 관측자료의 확보가 쉽지 않으며, 내륙 지역과 같은 정교한 유역수문모델링 또한 어려운 것이 현실이다.
2∼4에서 나타난 것처럼 2010년 이후의 일부사상에서 관측치에 비해 모의치가 낮게 나타나고 있어 저류효과에 대한 명확한 분석이 쉽지 않다. 저류지에 의한 홍수조절 효과를 분석하기 위해서는 기존 연구(Park and Moon, 2011; Moon et al., 2014)와 같이 호우발생 기간에 대해 상하류 지점에서의 정확한 하천유량 관측은 물론 실시간 저류지 유입량 관측을 통한 분석이 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
제주특별자치도에서는 몇 개의 유량관측소를 운영 중인가?
따라서, 제주도 지역의 독특한 유출해석을 위한 모델링 기법도 중요하지만, 모델링 결과의 활용성을 제고하기 위해서는 보정에 활용되는 자료, 대표적으로 관측유량에 대한 평가가 선행되어야 할 것이다. 제주특별자치도에서는 도내 주요 하천 24개 지점과 5개 배수로를 대상으로 총 29개의 유량관측소를 운영 중이며, 강우시를 중심으로 실시간 관측유량 자료를 확보하고 있다. 이들 관측소에서는 10분 단위로 수위와 유속을 동시에 측정하여 단면적으로부터 유량자료를 계산하는 한편, 일부 결측된 자료에 대해서는 관측자료에서 도출된 수위-유량 관계로부터 유량을 추정하고 있다.
유출 특성에 대한 분석에서 제주 지역의 독특한 유출 특성과 지하수를 중심으로 하는 수자원 이용 특성을 고려하기 위해 SWAT 모형을 개선한 기법에는 무엇이 있는가?
, 1993) 모형과 같은 유역모델링 기법을 이용하여 다각도로 분석이 수행되고 있다. SWAT 모형의 경우 제주지역의 독특한 유출 특성과 지하수를 중심으로 하는 수자원 이용 특성을 고려하기 위해, 기존 모형을 개선한 제주형 SWAT-MODFLOW 모형(Kim et al., 2009), 한계유출 모의기법(Chung et al., 2011), 간헐하천 모의기법(Kim et al., 2013a) 등이 새롭게 개발되어 적용된 바 있다.
제주도의 유출 특성은 어떠한가?
제주도 지역은 화산암류로 이루어진 지형 및 지질조건의 특이성으로 인해 내륙의 일반적인 하천유역과는 전혀 다른 유출 특성을 나타낸다. 제주도 중심에 위치한 한라산의 영향으로 하천의 경사가 급하고 투수성이 커서 특정규모 이상의 호우에만 유출이 발생하고, 평상시에는 일부 하천의 하류구간을 제외하고는 대부분 건천의 형태를 이루고 있다. 최근 20년간(1992∼2011년)의 분석 결과에 의하면(JSSGP, 2013), 강수량의 44.
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