Empirical erosion models like Universal Soil Loss Equation (USLE) models have been widely used to make spatially distributed soil erosion vulnerability maps. Even if the models detect vulnerable sites relatively well utilizing big data related to climate, geography, geology, land use, etc within stu...
Empirical erosion models like Universal Soil Loss Equation (USLE) models have been widely used to make spatially distributed soil erosion vulnerability maps. Even if the models detect vulnerable sites relatively well utilizing big data related to climate, geography, geology, land use, etc within study domains, they do not adequately describe the physical process of soil erosion on the ground surface caused by rainfall or overland flow. In other words, such models are still powerful tools to distinguish the erosion-prone areas at large scale, but physics-based models are necessary to better analyze soil erosion and deposition as well as the eroded particle transport. In this study a physics-based soil erosion modeling system was developed to produce both runoff and sediment yield time series at watershed scale and reflect them in the erosion and deposition maps. The developed modeling system consists of 3 sub-systems: rainfall pre-processor, geography pre-processor, and main modeling processor. For modeling system validation, we applied the system for various erosion cases, in particular, rainfall-runoff-sediment yield simulation and estimation of probable maximum sediment (PMS) correlated with probable maximum rainfall (PMP). The system provided acceptable performances of both applications.
Empirical erosion models like Universal Soil Loss Equation (USLE) models have been widely used to make spatially distributed soil erosion vulnerability maps. Even if the models detect vulnerable sites relatively well utilizing big data related to climate, geography, geology, land use, etc within study domains, they do not adequately describe the physical process of soil erosion on the ground surface caused by rainfall or overland flow. In other words, such models are still powerful tools to distinguish the erosion-prone areas at large scale, but physics-based models are necessary to better analyze soil erosion and deposition as well as the eroded particle transport. In this study a physics-based soil erosion modeling system was developed to produce both runoff and sediment yield time series at watershed scale and reflect them in the erosion and deposition maps. The developed modeling system consists of 3 sub-systems: rainfall pre-processor, geography pre-processor, and main modeling processor. For modeling system validation, we applied the system for various erosion cases, in particular, rainfall-runoff-sediment yield simulation and estimation of probable maximum sediment (PMS) correlated with probable maximum rainfall (PMP). The system provided acceptable performances of both applications.
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문제 정의
이러한 유출의 생성, 토양 침식과 퇴적은 격자별로 계산되고 흐름방향을 따라 상류격자로부터 하류격자로 추적 모의된다(Apip, 2008). 본 연구에서 개발된 시스템은 유출수문곡선, 유사량 유출수문곡선이외에도 침식과 퇴적에 대한 2차원 정보를 제공해준다. 모형의 적용성 평가는 3절에서 보다 상세하게 다루기로 한다
현재까지도 USLE 기반의 다양한 방법론에 의해 표토침식량의 정량적 평가가 수행되고 있으나 이러한 경험적 모형은 모형의 구조적 한계에 의해 실제 침식량과의 비교가 어려울 뿐만 아니라 침식이 주로 발생하는 우기 시 강우의 변동성에 따른 침식과 퇴적의 공간적 변동성을 모의할 수 없다. 이에 보다 고도화된 물리적 모형이 필요하며, 본 연구에서는 지표-지표하수를 연계해석할 수 있는 강우-유출 모듈과 유사공급량과 유사이송능력의 비교를 통해 침식과 퇴적을 모의할 수 있는 침식-유사유출 모듈을 결합한 물리적 기반의 표토침식 모의 시스템 개발하였다.
이에 본 연구에서는 강우발생 시 표토침식을 해석할 수 있는 물리적 알고리즘을 기반으로 대상유역의 강우-유출 및 표토침식-유사유출을 모의할 수 있는 시스템을 구축하고 개발된 시스템 적용성 평가를 위하여 용담댐 상류를 대상으로 표토침식 해석을 수행하여 이에 대한 해석결과를 제시하고, 시스템의 장단점에 대해 논의하도록 한다.
가설 설정
이러한 모형은 침식과정의 물리적 메카니즘을 상당부분 가정에 의해 생략하고, 침식요소들의 시·공간적 변동성을 반영하지 못한다는 약점을 지니고 있으나 아직까지도 표토침식의 상대적 위험성 평가를 위해 USLE(Universal Soil Loss Equation)-family 모형이 매우 유용하게 활용되고 있다. 그러나 이러한 모형의 가장 큰 단점은 모형이 대부분 정상성(stationarity)에 가정하고 있다는 점이며, 정상성은 주어진 조건이 대상이 되는 어느 일정기간에도 변하지 않고 일정하게 유지된다는 가정인데, 이러한 정상성 가정은 유역에서 변화하는 여러 가지 상황들을 모형에 반영하지 못한 체 예측결과를 제공할 수 있다는 것을 의미한다.
2의 빨간색 실선으로 구분된 사면에서 배수계통도를 따라 녹색으로 표시된 하천망으로 집수되어 사용자가 지정한 최종유출구로 이송되게 된다. 실제로 하천에서의 유사량은 하천 하상 고유의 소류사(bed material)과 유역에서 유입된 부유사량 (suspended sediment) 등을 종합적으로 고려해야 하나 본 시스템의 표토침식-유사유출의 기본가정은 하천에서의 유사량은 부유사량이 지배적이며, 부유사량은 유역에서 발생하는 침식에 의해서만 기인한 것으로 가정한다.
제안 방법
강우-유출 및 침식-유사유출의 재현성 평가를 위해 2002년 태풍 ‘루사’ 사상(2002.08.30.~09.02.)을 대상으로 강우입력자료을 구축하였으며, 모의결과와의 비교를 위해 수위-유량관계곡선 및 유량-유사량관계곡선식을 활용하였다.
개발된 시스템은 강우입력자료 전처리 부시스템, 지형 입력자료 전처리 부시스템을 통해 입력자료를 가공하게 되고 침식연산 부시스템에서 상기 입력자료를 활용하여 강우-유출, 침식-유사유출 해석을 수행하게 된다. 시스템 에서 제공되는 최종성과물은 유출수문곡선, 유사량수문곡선, 침식 및 퇴적의 공간분포도이다.
격자형태의 공간분포 강우장를 생성하기 위해 3개의 내삽기법(역거리법, 역거리가중법, 티센기법)을 활용할 수 있도록 하였으며, 향후 기상레이더의 활용을 위해 레이더 강우자료도 입력자료로 변환할 수 있도록 시스템을 구축하였다. 각각의 공간분포 내삽기법에 대한 보다 상세한 사항은 Lee et al.
반면에 본 연구에서 제시한 지형자료 전처리 시스템의 경우, 입력자료의 단순 포맷변환 등 동일한 기능을 하는 부프로그램을 통일하고, 개별 부프로그램을 동일 프로젝트 파일에서 순차적으로 구동하게 함으로써 오류추적 작업을 수월하게 하였다. 또한, 사용자에 의해 작성된 배수계통도를 오픈플롯 프롬그램(open plot program)인 GNUplot을 이용하여 자동으로 시각화할 수 있도록 하였다.
(2015)의 연구에서 활용된 시스템의 경우, Table 2와 같이 배수계통도 작성 및 지형특성인자 산정을 위해 8개의 부프로그램을 연계 해석해야 되며, 입력자료 및 출력자료가 매우 복잡하게 구성되어 있어 지형자료 가공 시 발생하는 오류를 추적하는데 상당히 제약적이고 활용성이 떨어지는 문제점이 있었다. 반면에 본 연구에서 제시한 지형자료 전처리 시스템의 경우, 입력자료의 단순 포맷변환 등 동일한 기능을 하는 부프로그램을 통일하고, 개별 부프로그램을 동일 프로젝트 파일에서 순차적으로 구동하게 함으로써 오류추적 작업을 수월하게 하였다. 또한, 사용자에 의해 작성된 배수계통도를 오픈플롯 프롬그램(open plot program)인 GNUplot을 이용하여 자동으로 시각화할 수 있도록 하였다.
본 연구에서 개발된 표토침식 모델링 시스템은 크게 3개의 부시스템(sub-system)으로 구성되어 있다. 첫 번째 부시스템은 모형의 강우입력자료의 공간분포 생성을 위한 프로그램(rainfall input pre-processor)으로 표토침식해석을 위한 강우자료의 공간내삽(spatial interpolation)기법을 포함하고 있다.
본 연구에서 개발된 표토침식 모델링 시스템의 적용성 평가를 위하여 용담댐 상류지역을 대상으로 하여 (1) 강우-유출 및 표토침식-유사유출에 대한 검증을 수행하였으며, (2) 대상유역의 가능최대강수량(probable maximum precipitation, PMP)을 산정 후 대상유역의 최대유사발생량(probable maximum sediment, PMS) 정보를 생성하였 다. 개발된 모형의 검증을 위해 유량 및 유사량 자료 등 수문자료가 비교적 잘 구축된 용담댐 시험유역을 대상으로 하였으며, (1)의 연구목적을 위해 용담댐 상류 천천유 역(유역면적: 약 290 km2 )을 대상으로 하였으며, (2)의 연구목적의 경우, Fig.
시스템 에서 제공되는 최종성과물은 유출수문곡선, 유사량수문곡선, 침식 및 퇴적의 공간분포도이다. 시스템의 적용성을 평가하기 위해 금강수계 용담댐 유역을 대상으로 강우-유출-유사유출 모의를 수행하였으며, 가능최대강수량을 입력 자료로 하여 용담댐 유역에서 발생할 수 있는 최대가능유사량을 산정하였다.
대상 데이터
본 연구에서 개발된 표토침식 모델링 시스템의 적용성 평가를 위하여 용담댐 상류지역을 대상으로 하여 (1) 강우-유출 및 표토침식-유사유출에 대한 검증을 수행하였으며, (2) 대상유역의 가능최대강수량(probable maximum precipitation, PMP)을 산정 후 대상유역의 최대유사발생량(probable maximum sediment, PMS) 정보를 생성하였 다. 개발된 모형의 검증을 위해 유량 및 유사량 자료 등 수문자료가 비교적 잘 구축된 용담댐 시험유역을 대상으로 하였으며, (1)의 연구목적을 위해 용담댐 상류 천천유 역(유역면적: 약 290 km2 )을 대상으로 하였으며, (2)의 연구목적의 경우, Fig. 3과 같이 용담댐 전유역(유역면적: 약 980 km2 )을 대상으로 하였다.
개발된 시스템은 강우입력자료 전처리 부시스템, 지형 입력자료 전처리 부시스템을 통해 입력자료를 가공하게 되고 침식연산 부시스템에서 상기 입력자료를 활용하여 강우-유출, 침식-유사유출 해석을 수행하게 된다. 시스템 에서 제공되는 최종성과물은 유출수문곡선, 유사량수문곡선, 침식 및 퇴적의 공간분포도이다. 시스템의 적용성을 평가하기 위해 금강수계 용담댐 유역을 대상으로 강우-유출-유사유출 모의를 수행하였으며, 가능최대강수량을 입력 자료로 하여 용담댐 유역에서 발생할 수 있는 최대가능유사량을 산정하였다.
이론/모형
)을 대상으로 강우입력자료을 구축하였으며, 모의결과와의 비교를 위해 수위-유량관계곡선 및 유량-유사량관계곡선식을 활용하였다. 또한 모형의 주요 매개변수는 전역최적화기법인 SCEUA(Duan et al., 1992; 1994)을 활용하여 보정하였다. Fig.
성능/효과
6과 같다. PMP 발생 후 15시간 후에 첨두유사유출량 696 ppm으로 산정되었으며, PMP 적용시 유역에서 발생하는 침식량은 PMP 발생시간 15시간 이후 격자별 시간별 최대 침식량은 1.93 cm로 분석되었다. Fig.
4는 보정된 매개변수를 이용하여 모의된 (a) 유출수문곡선과 (b) 유사량곡선을 나타내고 있다. 강우-유출의 경우, 모의된 수문곡선은 관측치와 매우 유사하게 모의되었으며, 모형의 평가지수 NSE는 0.98로 매우 우수한 것으로 분석되었다. 첨두유량은 실측치에 비해 조금 과소모의 되었으며, 첨두유량비(peak ratio of discharge)는 0.
971로 매우 우수하게 나타났다. 반면에 표토침식에 따른 유사유출량 수문곡선의 경우, 관측유사량의 불확실성 등을 고려했을 때 NSE가 0.88로 비교적 재현성이 우수한 것으로 분석되었으나 첨두유량의 경우 모의결과가 실측치에 비해 18% 정도 과소산정된 것으로 나타났다. 다만, 첨두유사유출량의 오차는 유량-유사량 곡선 작성시 고농도와 저농도에 대한 정보없이 회귀분석된 자료로부터 작성된 관계곡선식에 의한 것으로 추정된다.
98로 매우 우수한 것으로 분석되었다. 첨두유량은 실측치에 비해 조금 과소모의 되었으며, 첨두유량비(peak ratio of discharge)는 0.971로 매우 우수하게 나타났다. 반면에 표토침식에 따른 유사유출량 수문곡선의 경우, 관측유사량의 불확실성 등을 고려했을 때 NSE가 0.
후속연구
06 cm의 퇴적이 발생하였다. Fig. 7과 같이 유역 내 격자별 침식 및 퇴적의 양상의 시각화를 통해 유역의 토양유실 취약지역을 선별 및 최우심 지역을 결정할 수 있는 기초자료로 제공하고, 극한 호우현상에 대한 유역대응 유사관리방안 수립을 위한 기초자료로 활용될 수 있으리라 판단된다.
향후 대상유역의 다양한 수공구조물 (농업용 저수지, 침사지, 보 등)의 운영룰을 반영할 수 있는 부시스템을 개발 후 기개발된 시스템과 연계할 경우, 수식에 의한 유역에서의 자연적 유사발생뿐만 아니라 구조물에 의한 인위적 유사포집(sediment trapping) 등에 따른 하천유사량 변동 등을 모의할 수 있는 시스템으로 확장개발이 가능할 것으로 판단된다. 본 연구에서 개발된 시스템은 다양한 시나리오의 입력이 가능하므로 향후 국가 표토보전종합계획 수립 시 기초자료를 제공할 수 있는 유용한 도구로 활용이 가능할 것으로 기대된다.
표토침식을 감지하고 침식량을 산정하기 위한 가장 직접적이고 효율적인 방법은 모니터링 시스템의 구축일 것이다. 하지만, 전 국토를 대상으로 표토침식 측정망을 구축하는 것은 무리가 따르며, 이에 중장기 표토침식량을 산정하고 향후 다양한 시나리오에 따른 표토침식량의 변동성을 평가하기 위해서는 모형의 개발 및 이용이 요구된다. 현재까지도 USLE 기반의 다양한 방법론에 의해 표토침식량의 정량적 평가가 수행되고 있으나 이러한 경험적 모형은 모형의 구조적 한계에 의해 실제 침식량과의 비교가 어려울 뿐만 아니라 침식이 주로 발생하는 우기 시 강우의 변동성에 따른 침식과 퇴적의 공간적 변동성을 모의할 수 없다.
향후 대상유역의 다양한 수공구조물 (농업용 저수지, 침사지, 보 등)의 운영룰을 반영할 수 있는 부시스템을 개발 후 기개발된 시스템과 연계할 경우, 수식에 의한 유역에서의 자연적 유사발생뿐만 아니라 구조물에 의한 인위적 유사포집(sediment trapping) 등에 따른 하천유사량 변동 등을 모의할 수 있는 시스템으로 확장개발이 가능할 것으로 판단된다. 본 연구에서 개발된 시스템은 다양한 시나리오의 입력이 가능하므로 향후 국가 표토보전종합계획 수립 시 기초자료를 제공할 수 있는 유용한 도구로 활용이 가능할 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
경험적 모형의 가장 큰 단점은 무엇입니까?
이러한 모형은 침식과정의 물리적 메카니즘을 상당부분 가정에 의해 생략하고, 침식요소들의 시·공간적 변동성을 반영하지 못한다는 약점을 지니고 있으나 아직까지도 표토침식의 상대적 위험성 평가를 위해 USLE(Universal Soil Loss Equation)-family 모형이 매우 유용하게 활용되고 있다. 그러나 이러한 모형의 가장 큰 단점은 모형이 대부분 정상성(stationarity)에 가정하고 있다는 점이며, 정상성은 주어진 조건이 대상이 되는 어느 일정기간에도 변하지 않고 일정하게 유지된다는 가정인데, 이러한 정상성 가정은 유역에서 변화하는 여러 가지 상황들을 모형에 반영하지 못한 체 예측결과를 제공할 수 있다는 것을 의미한다.
물에 의한 표토침식의 물리적 과정은 어떠합니까?
표토침식의 형태 및 양(rate)은 여러 가지 요인에 의해 결정되며, 주요 인자는 크게 기상, 지형, 토양, 토지피복 및 이용 등으로 구분할 수 있다. 특히, 물에 의한 표토침식의 물리적 과정을 살펴보면, 일반적으로 분리(detachment), 운반(transport), 퇴적(deposition) 과정을 거치게 되며, 수식(water erosion)에 따른 표토침식에 의한 유사량은 주로 토양분리력(detachment)과 이송능력(transport capacity)에 의해 결정된다(Toy et al., 2002).
표토침식의 형태 및 양을 경정하는 주요인자는 어떻게 구분됩니까?
표토침식의 형태 및 양(rate)은 여러 가지 요인에 의해 결정되며, 주요 인자는 크게 기상, 지형, 토양, 토지피복 및 이용 등으로 구분할 수 있다. 특히, 물에 의한 표토침식의 물리적 과정을 살펴보면, 일반적으로 분리(detachment), 운반(transport), 퇴적(deposition) 과정을 거치게 되며, 수식(water erosion)에 따른 표토침식에 의한 유사량은 주로 토양분리력(detachment)과 이송능력(transport capacity)에 의해 결정된다(Toy et al.
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