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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 남강댐 상류에 위치하고, 장기간의 실측자료 수집이 가능한 산청, 신안, 창촌 소유역을 대상으로 SWAT 모형의 적용성을 평가하고 각 소유역의 연도별 유출량, 유출률 및 유출특성을 분석하고 다양한 평가지표를 이용 하여 남강댐 상류에서 유출되는 유출량에 대해 비교, 분석하고자 한다.
- 본 연구에서는 남강댐 유역을 대상으로 SWAT 모형을 적용하여 남강댐 상류 소유역인 산청, 신안, 창촌의 유출량을 산정하고 실측자료와 모의자료의 비교 및 분석하여 적용성을 평가하였다. SWAT 모형의 입력자료인 수치고도, 토지피복도, 토양도를 ArcGIS를 통해 구축하고 산청 기상관측소의 2000 ~ 2014년까지 기상자료를 수집하였다.
제안 방법
- 봄철의 유출량 모의시 토양내의 동결된 물에 대한 융설효과 매개변수는 따로 고려하지 않았다. CN값의 경우 초기값은 토지이용도와 토양도를 이용하여 산정하였으며, 유출량의 보정과정에서 토지이용별로 CN값을 보정하여 적용하였다.
- 수치표고 특성을 통해 하천과 유역경계를 나누며 토양, 토지이용 조건, 경사도 등에 의해 결정되는 수문응답단위 (Hydrologic Response Unit, HRU)가 산출된다. 각 HRU에서 물수지식에 근거하여 지표면유출, 침투량, 증발산량을 산정한다.
- Table 3은 본 연구에서 사용된 매개변수의 정의와 보정할 수 있는 값의 최대, 최소범위와 각 소유역에 보정된 매개변수 값을 나타내고 있다. 기존의 SWAT 모형을 연구했던 논문들을 참고하여 보정할 매개변수 14개를 선정하고 시행착오법을 통해 매개 변수를 보정하였다. 시행착오법의 경우 매개변수의 값을 사용자가 직접 조정하여 오차를 줄이는 방법으로 매개변수의 보정을 위한 가장 단순한 방법이나 모형의 최적화에 많은 시간이 소요된다.
- 본 논문에서는 SWAT 모형을 이용하여 남강댐 상류 소유역의 유출량을 산정하고 각 소유역별 실측자료와 모의자료를 비교하였으며, 다양한 모형의 평가지표 및 유출 특성 통계를 통해 적용성을 평가하였다. 향후 융설효과 (봄철 토양내의 동결된 물이 녹아 흘러나오는 것)를 고려하고 실측자료의 기저유출 부분의 편차를 보정하기 위한 방안을 개선할 필요가 있을 것으로 생각된다.
- 수위자료는 수문조사연보에서 제공된 수위 - 유량곡선식을 이용하여 유량자료로 변환하였다. 본 연구에서는 수위 - 유량곡선식을 사용하여 산정한 유량자료와 국가수자원관리종합정보시스템에서 제공되는 유량자료를 비교하여 적절한 유출량 자료를 2003년부터 2014년까지 구축하였으며, 저유량에서 0으로 떨어지는 값에 대해서는 최소유량으로 보정하였다. Table 1은 대상유역의 강우량과 각 소유역의 연평균 유출량을 나타내고 있다.
- 수위와 유량 자료는 국가수자원관리종합정보시스템 (Wamis)에서 수집하였으며, 유량자료의 경우 유속계, 부자, 초음파, 희석, 위어측정방법에 의해 측정하며, 기존 유량 측정 성과 (수문조사연보, 유량연보 등)를 통해 자료를 제공하고 있다. 수위자료는 수문조사연보에서 제공된 수위 - 유량곡선식을 이용하여 유량자료로 변환하였다. 본 연구에서는 수위 - 유량곡선식을 사용하여 산정한 유량자료와 국가수자원관리종합정보시스템에서 제공되는 유량자료를 비교하여 적절한 유출량 자료를 2003년부터 2014년까지 구축하였으며, 저유량에서 0으로 떨어지는 값에 대해서는 최소유량으로 보정하였다.
- 토양도는 농업과학기술원에서 제공하고 있는 1:25,000 정밀토 양도를 이용하여 입력자료를 구축하였다. 토양환경정보시스템 (www.soil.rda.go.kr)에서 제공되는 토양통 (토층, 토심, 배수그룹, 수문학적 토양군, 투수계수 등) 정보를 기반으로 토양자료를 구축하였다. Table 2는 각 소유역과 남강댐 유역의 토지이용 면적을 나타내고 있다.
대상 데이터
- 토지피복도는 환경부에서 제공하는 중분류의 2010년도 토지 피복자료를 이용하였으며, SWAT에서 입력되는 분류 체계인산림, 논, 밭, 주택지, 도심, 초지, 나지 등으로 구성하였다.
- 산청 기상관측소의 2000 ~ 2014년까지 일강우량, 최고기온, 최저기온, 평균풍속, 평균습도 자료를 기상청에서 수집하였다. SWAT 모형에 필요로 하는 일사량 자료의 경우 산청 관측소에서 수집되지 않고 있어 인근 기상관측소인 진주 관측소의 일사량 자료를 수집하여 사용하였다. 수위와 유량 자료는 국가수자원관리종합정보시스템 (Wamis)에서 수집하였으며, 유량자료의 경우 유속계, 부자, 초음파, 희석, 위어측정방법에 의해 측정하며, 기존 유량 측정 성과 (수문조사연보, 유량연보 등)를 통해 자료를 제공하고 있다.
- 본 연구에서는 남강댐 유역을 대상으로 SWAT 모형을 적용하여 남강댐 상류 소유역인 산청, 신안, 창촌의 유출량을 산정하고 실측자료와 모의자료의 비교 및 분석하여 적용성을 평가하였다. SWAT 모형의 입력자료인 수치고도, 토지피복도, 토양도를 ArcGIS를 통해 구축하고 산청 기상관측소의 2000 ~ 2014년까지 기상자료를 수집하였다. 구축된 입력자료를 기반으로 각 소유역의 유출량을 산정하고 모형의 정확도를 높이기 위해 매개변수 보정을 실시하였으며, 보정방법은 시행착오법을 사용하였다.
- 모의 기간은 모형의 안정화 기간 (2000 ~ 2002년)을 고려하여 2000 ~ 2014년까지 모의하였다. 모형의 보정과 검증은 2003 ~ 2008년, 2009 ~ 2014년 각 6년씩 설정하였다. 모형의 적합성과 상관성을 평가하기 위한 함수로 결정계수 (Determination Coefficient, R2), 평균제곱근오차 (Root Mean Square Error, RMSE), Nash-Sutcliffe 효율성 지수 (Nash-Sutcliffe efficiency coefficient), 상대평균절대오차 (Relative Mean Absolute Error, RMAE)를 사용하였다.
- 본 연구의 대상유역인 남강댐 유역은 연평균 강수량이 1,634 mm (2000 ~ 2014년의 연평균 강수량)으로 남부지방 (1,000 ~ 1,800 mm)에서도 다우지역에 속한다 (기상청). 또한 하상계수가 크기 때문에 우기에 남강의 수위, 유속이 증가하고 하천 침식 및 고농도의 탁수가 발생하여 피해가 발생하고 있어 남강댐 상류 소유역에 대한 유출량 추정 및 수문 특성에 대한 분석은 향후 남강댐의 수자원 관리 측면에서 매우 중요할 것이다.
- 산청 기상관측소의 2000 ~ 2014년까지 일강우량, 최고기온, 최저기온, 평균풍속, 평균습도 자료를 기상청에서 수집하였다. SWAT 모형에 필요로 하는 일사량 자료의 경우 산청 관측소에서 수집되지 않고 있어 인근 기상관측소인 진주 관측소의 일사량 자료를 수집하여 사용하였다.
- 토지피복도는 환경부에서 제공하는 중분류의 2010년도 토지 피복자료를 이용하였으며, SWAT에서 입력되는 분류 체계인산림, 논, 밭, 주택지, 도심, 초지, 나지 등으로 구성하였다. 토양도는 농업과학기술원에서 제공하고 있는 1:25,000 정밀토 양도를 이용하여 입력자료를 구축하였다. 토양환경정보시스템 (www.
데이터처리
- 모형의 보정과 검증은 2003 ~ 2008년, 2009 ~ 2014년 각 6년씩 설정하였다. 모형의 적합성과 상관성을 평가하기 위한 함수로 결정계수 (Determination Coefficient, R2), 평균제곱근오차 (Root Mean Square Error, RMSE), Nash-Sutcliffe 효율성 지수 (Nash-Sutcliffe efficiency coefficient), 상대평균절대오차 (Relative Mean Absolute Error, RMAE)를 사용하였다. 각각의 함수는 다음 식과 같다.
- 구축된 입력자료를 기반으로 각 소유역의 유출량을 산정하고 모형의 정확도를 높이기 위해 매개변수 보정을 실시하였으며, 보정방법은 시행착오법을 사용하였다. 보정기간 (2003 ~ 2008년)과 검증기간 (2009 ~ 2014년)을 나누어 실측자료와 모의자료를 비교하였으며, 적합성을 평가하기 위해 R2 , RMSE, NSE, RMAE를 산정하여 오차를 분석하였다.
이론/모형
- SWAT 모형은 SCS 유출곡선법 (SCS, 1972)과 Green & Ampt 침투법 (1911)을 통해 지표유출, 기저유출, 첨두유출 등을 모의하며, Penman-Monteith 방법, Pristley-Taylor 방법, Hargreaves 방법 등에 의해 잠재증발산량과 실재증발산량을 모의한다.
- SWAT 모형의 입력자료인 수치고도모형 (Digital Elevation Model, DEM), 토지피복도, 정밀토양도는 ArcGIS를 통해 구축하였다 (Fig. 2). 구축된 지형자료의 해상도는 30 m × 30 m이며 좌표체계는 GRS80으로 동일하게 설정하였다.
- SWAT 모형의 입력자료인 수치고도, 토지피복도, 토양도를 ArcGIS를 통해 구축하고 산청 기상관측소의 2000 ~ 2014년까지 기상자료를 수집하였다. 구축된 입력자료를 기반으로 각 소유역의 유출량을 산정하고 모형의 정확도를 높이기 위해 매개변수 보정을 실시하였으며, 보정방법은 시행착오법을 사용하였다. 보정기간 (2003 ~ 2008년)과 검증기간 (2009 ~ 2014년)을 나누어 실측자료와 모의자료를 비교하였으며, 적합성을 평가하기 위해 R2 , RMSE, NSE, RMAE를 산정하여 오차를 분석하였다.
- 49 %로 모의 유출량이 더 크게 나타났다. 연 유출량에 대한 기저유출의 비율은 수평직선분리법을 통해 각 연도별로 기저유출을 분리하였으며, 연 유출량에 대한 기저유출율을 산정하였다. 각 소유역이 남강댐 상류에 위치함에도 불구하고 실측 유출량은 큰 차이를 보이고 있으며, 산청과 신안지점의 일부 자료구간에서 특이하게 낮은 기저유출을 보이고 있다.
성능/효과
- 92 %의 차이를 나타냈다. 50p의 평균 유출량을 비교한 결과 산청 소유역에서는 11.54 %, 신안 소유역은 10.91 %, 창촌 소유역은 -5.17 %의 차이를 나타냈다. 각 소유역의 분산범위는 실측 유출량이 28.
- 12 %의 차이를 나타냈다. 95p의 평균 유출량을 비교한 결과 산청 소유역에서는 -3.84 %, 신안 소유역은 -7.72 %, 창촌 소유역은 2.49 %의 차이를 나타냈으며, 90p 의 평균 유출량을 비교한 결과 산청 소유역에서는 4.49 %, 신안 소유역은 2.11 %, 창촌 소유역은 10.92 %의 차이를 나타냈다. 50p의 평균 유출량을 비교한 결과 산청 소유역에서는 11.
- Sol_Z를 증가시킬수록 유출량이 전체적으로 높아지는 것으로 나타나며, CANMAX의 경우 증가시킬수록 차단저류가 높아져 유출량이 감소하는 것으로 나타났다. CN2을 증가시킬수록 전체 유출량이 증가되며, EVLAI는 감소시킬수록 증발산량이 증가하여 유출량이 감소하였다. SURLAG는 첨두유출과 관련된 매개변수로 감소시킬수록 첨두유출이 감소되었다.
- CN2을 증가시킬수록 전체 유출량이 증가되며, EVLAI는 감소시킬수록 증발산량이 증가하여 유출량이 감소하였다. SURLAG는 첨두유출과 관련된 매개변수로 감소시킬수록 첨두유출이 감소되었다. 봄철의 유출량 모의시 토양내의 동결된 물에 대한 융설효과 매개변수는 따로 고려하지 않았다.
- 매개변수의 보정결과 Sol_Z, CANMAX, CN2, EVLAI, SURLAG 등이 유출량에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. Sol_Z를 증가시킬수록 유출량이 전체적으로 높아지는 것으로 나타나며, CANMAX의 경우 증가시킬수록 차단저류가 높아져 유출량이 감소하는 것으로 나타났다. CN2을 증가시킬수록 전체 유출량이 증가되며, EVLAI는 감소시킬수록 증발산량이 증가하여 유출량이 감소하였다.
- 각 소유역의 수문 통계 (연 평균, 연 유출량에 대한 기저유출율, 여름철과 겨울철, 그리고 95, 90, 50p)를 산정하여 각 소유역별 유출특성을 비교, 분석한 결과 상대적으로 창촌 소유역의 유출량이 크게 나타났으며, 신안, 산청 소유역 순으로 유출량이 크게 나타났다. 특히 창촌 소유역은 여름철과 겨울철의 유출량이 다른 소유역보다 크게 나타났다.
- Table 6은 전체 모의기간에 대한 시계열 자료의 각 소유역별 수문 통계를 비교하여 보여주고 있다. 각 소유역의 연 평균, 연 유출량에 대한 기저유출의 비율, 여름철과 겨울철, 그리고 95, 90, 50p (percentile)의 평균 유출량을 비교한 결과 상대적으로 창촌 소유역의 유출량이 크게 나타났으며, 신안, 산청 소유역 순으로 유출량이 크게 나타났다. 특히 창촌 소유역은 여름철과 겨울철의 유출량이 다른 소유역보다 크게 나타났다.
- 각 소유역의 유출량 산정결과를 종합하면 연평균 유출량의 오차가 ±5% 이내이며, 평균 R2는 0.69, RMSE는 3.53 mm/day, NSE는 0.58, RMAE는 0.51 mm/day로 나타나 유출량이 비교적 높은 일치도를 나타내는 것으로 판단된다.
- Table 1은 대상유역의 강우량과 각 소유역의 연평균 유출량을 나타내고 있다. 각 소유역의 평균 유출량은 산청이 691 mm, 신안이 738 mm, 창촌이 1,093 mm로 나타났으며, 연평균 유출률은 산청이 42.8 %, 신안이 44.5 %, 창촌이 68.1 %로 나타났다.
- 6 %의 오차를 나타내었다. 검증기간에 대한 평균적인 적합성 평가 결과 R2의 경우 0.65, RMSE 4.97 mm/day, NSE 0.64, RMAE 0.54 mm/day로 나타났다. Fig.
- 보정기간과 달리 실측치와 비교하여 모의치의 유출량이 높게 산출되었다. 검증기간에 대한 평균적인 적합성 평가 결과 R2의 경우 0.69, RMSE 4.55 mm/day, NSE 0.65, RMAE 0.63 mm/day로 나타났다. 창촌 소유역의 검정기간에 대한 실측 연평균 유출량은 1,231.
- 보정기간과 달리 실측치와 비교하여 모의치의 유출량이 높게 산출되었다. 검증기간에 대한 평균적인 적합성 평가 결과 R2의 경우 0.72, RMSE 2.99 mm/day, NSE 0.64, RMAE 0.53 mm/day로 나타났다. 신안 소유역의 검정기간에 대한 실측 연평균 유출량은 737.
- , 2007). 따라서 기저 유출에 대한 정량적 평가가 필요하며, 유량자료의 범위, 퍼진정도, 그리고 변동을 알아보기 위해 분산, 표준편차, 변동계수 (CV)를 산정하여 분석한 결과 모의 유출량 보다 실측 유출량이 상대적으로 많이 변동하는 것을 나타냈다. 평균 유량 특성을 알아보기 위해 유량초과확률곡선을 산정하여 비교한 결과 창촌 소유역이 다른 소유역에 비해 상대적으로 큰 유출량을 나타내고 있으며, 산청과 신안 소유역은 비슷한 유출량 및 유출 특성을 나타냈다.
- 또한 실측 유출량과 모의 유출량의 수문 통계를 비교한 결과 ±15 % 이하의 차이만을 나타냈다.
- 매개변수의 보정결과 Sol_Z, CANMAX, CN2, EVLAI, SURLAG 등이 유출량에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. Sol_Z를 증가시킬수록 유출량이 전체적으로 높아지는 것으로 나타나며, CANMAX의 경우 증가시킬수록 차단저류가 높아져 유출량이 감소하는 것으로 나타났다.
- 0 %의 오차를 나타내었다. 보정기간에 대한 적합성 평가 결과 R2의 경우 0.64, RMSE 3.00 mm/day, NSE 0.48, RMAE 0.50 mm/day로 나타났다. 신안 소유역의 보정기간에 대한 실측 연평균 유출량은 738.
- 5 %의 오차를 나타내었다. 보정기간에 대한 평균적인 적합성 평가 결과 R2의 경우 0.69, RMSE 3.17 mm/day, NSE 0.50, RMAE 0.53 mm/day로 나타났다. 창촌 소유역의 보정기간에 대한 실측 연평균 유출량은 954.
- 5 %의 오차를 나타내었다. 보정기간에 대한 평균적인 적합성 평가 결과 R2의 경우 0.75, RMSE 2.51 mm/day, NSE 0.59, RMAE 0.34 mm/day로 나타났다. Fig.
- 52 mm/day로 나타났다. 신안 소유역의 실측 연평균 유출량은 738.1 mm이며, 모의 유출량은 758.7 mm로 나타나 2.7 %의 오차를 나타내었고, 평균 R2는 0.69, RMSE는 3.86 mm/day, NSE는 0.57, RMAE는 0.58 mm/day로 나타났다. 창촌 소유역의 실측 연평균 유출량은 1,093.
- 특히 창촌 소유역은 여름철과 겨울철의 유출량이 다른 소유역보다 크게 나타났다. 실측 유출량과 모의 유출량의 연 평균값을 비교한 결과 산청 소유역에서는 3.73 %, 신안 소유역은 2.79 %, 창촌 소유역은 2.49 %로 모의 유출량이 더 크게 나타났다. 연 유출량에 대한 기저유출의 비율은 수평직선분리법을 통해 각 연도별로 기저유출을 분리하였으며, 연 유출량에 대한 기저유출율을 산정하였다.
- 실측자료와 모의자료를 비교한 결과 산청 소유역의 실측 연평균 유출량은 690.8 mm이며, 모의 유출량은 716.6 mm로 나타나 +3.6 % 오차를 나타내었고, 평균 R2는 0.68, RMSE는 3.0 mm/day, NSE는 0.56, RMAE는 0.52 mm/day로 나타났다. 신안 소유역의 실측 연평균 유출량은 738.
- 초과확률은 유량값에 따라 도시되며, 전체 자료 범위에 대한 평균 유량 특성을 곡선에 반영한다. 유량초과확률곡선을 비교한 결과 창촌 소유역이 다른 소유역에 비해 상대적으로 큰 유출량을 나타내고 있으며, 산청과 신안 소유역은 비슷한 유출 특성을 나타냈다. 토양특성의 경우 산청은 사양토가 72.
- 44로 모의 유출량 보다 실측 유출량이 상대적으로 많이 변동하는 것을 나타냈다. 유출량은 창촌 소유역이 가장 큰 반면에 변동계수는 산청, 신안 소유역이 크게 나타났다. 이는 2013년 이후의 실측 유량 그래프를 보면 저유량이 다른 년도에 비해 평균 이하로 더 감소한 것이 원인으로 판단된다.
- 이는 모의 유출량 보다 실측 유출량이 상대적으로 평균값에서 많이 벗어나 있는 것을 나타낸다. 유출량의 변동정도를 분석하기 위해 평균 (mean)을 표준편차 (standard deviation)로 나누어 표시한 변동계수 (CV, coefficient of variation)는 실측 유출량이 2.81 ~ 3.38, 모의 유출량은 1.77 ~ 2.44로 모의 유출량 보다 실측 유출량이 상대적으로 많이 변동하는 것을 나타냈다. 유출량은 창촌 소유역이 가장 큰 반면에 변동계수는 산청, 신안 소유역이 크게 나타났다.
- 58 mm/day로 나타났다. 창촌 소유역의 실측 연평균 유출량은 1,093.2 mm이며, 모의 유출량은 1,120.4 mm로 나타나 +2.4 % 의 오차를 나타내었고, 평균 R2는 0.70, RMSE는 3.74 mm/day, NSE는 0.62, RMAE는 0.44 mm/day로 나타났다. 각 소유역의 유출량 산정결과를 종합하면 연평균 유출량의 오차가 ±5% 이내이며, 평균 R2는 0.
- 유량초과확률곡선을 비교한 결과 창촌 소유역이 다른 소유역에 비해 상대적으로 큰 유출량을 나타내고 있으며, 산청과 신안 소유역은 비슷한 유출 특성을 나타냈다. 토양특성의 경우 산청은 사양토가 72.43 %로 크게 나타났고, 신안은 식양토 64.29 %, 사양토 28 %, 창촌은 식양토 50.3 %, 사양토 44.1 %로 나타났으며, 창촌의 경우 유역 내의 식양토 비율은 50 % 이나 토지이용의 면적 비율 중 산지가 상대적으로 많으며 평균 경사가 다른 유역에 비해 높게 나타났다. 이는 Kim et al.
- 따라서 기저 유출에 대한 정량적 평가가 필요하며, 유량자료의 범위, 퍼진정도, 그리고 변동을 알아보기 위해 분산, 표준편차, 변동계수 (CV)를 산정하여 분석한 결과 모의 유출량 보다 실측 유출량이 상대적으로 많이 변동하는 것을 나타냈다. 평균 유량 특성을 알아보기 위해 유량초과확률곡선을 산정하여 비교한 결과 창촌 소유역이 다른 소유역에 비해 상대적으로 큰 유출량을 나타내고 있으며, 산청과 신안 소유역은 비슷한 유출량 및 유출 특성을 나타냈다.
후속연구
- 본 연구의 대상유역인 남강댐 유역은 연평균 강수량이 1,634 mm (2000 ~ 2014년의 연평균 강수량)으로 남부지방 (1,000 ~ 1,800 mm)에서도 다우지역에 속한다 (기상청). 또한 하상계수가 크기 때문에 우기에 남강의 수위, 유속이 증가하고 하천 침식 및 고농도의 탁수가 발생하여 피해가 발생하고 있어 남강댐 상류 소유역에 대한 유출량 추정 및 수문 특성에 대한 분석은 향후 남강댐의 수자원 관리 측면에서 매우 중요할 것이다. 또한, 남강댐은 현재 치수능력 증대사업을 추진하기 위한 기본계획을 수립하고 있으며, 기존댐의 수문학적 안전성 평가 및 치수능력증대를 위한 방안을 다각도로 고려하고 있다.
- 기후변화 시나리오의 적용을 위해 모의자료와 실측자료의 년도별 유출량, 유출률, 그리고 NSE, RMSE, R2 등 평가 지표를 이용하여 모형의 적용성을 평가한 바 있다. 하지만 대상 소유역별 유출 특성 분석과 고찰이 부족하며, Lee et al. (2012)을 제외하고 유역의 년도별 유출량 및 유출율 분석 등이 없고, 모형의 평가지표 또한, 저수위, 고수위, 변동계수 등 다양한 기법을 적용할 필요가 있다고 판단된다.
- 본 논문에서는 SWAT 모형을 이용하여 남강댐 상류 소유역의 유출량을 산정하고 각 소유역별 실측자료와 모의자료를 비교하였으며, 다양한 모형의 평가지표 및 유출 특성 통계를 통해 적용성을 평가하였다. 향후 융설효과 (봄철 토양내의 동결된 물이 녹아 흘러나오는 것)를 고려하고 실측자료의 기저유출 부분의 편차를 보정하기 위한 방안을 개선할 필요가 있을 것으로 생각된다.
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