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문제 정의
- 이에 본 연구의 목적은 안성천 공도유역을 대상으로 최근 2년 (2014~2015) 동안의 매우 극심한 연속가뭄에 대한 유출형태를 집중 고려한 SWAT모델의 보정을 통하여, 가뭄년을 포함한 전 기간 (2002~2015)의 모델효율 향상여부, 그리고 가뭄보정에 민감한 매개변수들의 종류와 특성을 파악하고자 하는데 있다. Fig.
- 본 연구에서는 장기 가뭄기간이 포함된 유역의 일유출 자료를 대상으로, SWAT을 보다 잘 보정하기 위한 매개변수 추정을 시도하였다. 안성천의 공도유역 (366.
제안 방법
- 본 연구에서는 Fig. 1의 흐름도에 따라 자료를 구축하고,연구를 진행하였다. SWAT의 구동 및 검보정을 위하여 14년(2002~2015)간의 일 기상자료와 공도수위관측소의 일 유량 자료를 수집하였다.
- SWAT의 보정에 앞서, 기존 연구들의 보정과정에서 주요하게 다뤄졌던 매개변수와 더불어 가뭄에 영향을 받을 가능성이 있는 매개변수들을 선정하여 민감도분석을 실시하고, 이 결과로부터 모델의 검보정 과정을 거치도록 하였다. 본 연구에서는 가뭄에 따른 지표유출, 중간유출 및 기저유출에 영향을 미치는 SWAT의 매개변수로서 각각 3개씩 총 9개를 선정하였다.
- 일반 보정으로는 가뭄이 포함되지 않는 평년에 대한 5개년(2002~2006)동안의 실측 자료를 대상으로 SWAT 유출을 보정하고, 가뭄년 집중 보정으로는 2014~2015의 2개년 동안의 실측 자료를 대상으로 보정한 후, 두 가지 경우에 대한 전체 기간 (2002~2015) 보정결과를 R2, RMSE, NSE로 비교 평가하였다. Fig.
- 5 km²)을 대상으로 2014~2015년의 장기 가뭄기간을 포함한 총 14년 (2002~2015) 동안 분석 하였다. 가뭄을 고려한 보정 매개변수로는 지표유출 관련 매개변수 3개, 중간유출 관련 매개변수 3개, 기저유출 매개변수 3개로 총 9개를 선정하였다.
대상 데이터
- 본 연구의 대상유역은 안성천의 공도 수위관측소 상류유역 (366.5 km²)이다.
- 1의 흐름도에 따라 자료를 구축하고,연구를 진행하였다. SWAT의 구동 및 검보정을 위하여 14년(2002~2015)간의 일 기상자료와 공도수위관측소의 일 유량 자료를 수집하였다. 기상 입력 자료로는 일강수량 (mm), 최고 및 최저기온 (°C), 일평균 풍속 (m/sec) 및 상대습도 (%),일사량 (MJ/m2)이 필요하다.
- SWAT의 보정에 앞서, 기존 연구들의 보정과정에서 주요하게 다뤄졌던 매개변수와 더불어 가뭄에 영향을 받을 가능성이 있는 매개변수들을 선정하여 민감도분석을 실시하고, 이 결과로부터 모델의 검보정 과정을 거치도록 하였다. 본 연구에서는 가뭄에 따른 지표유출, 중간유출 및 기저유출에 영향을 미치는 SWAT의 매개변수로서 각각 3개씩 총 9개를 선정하였다. 지표유출 관련 매개변수로는 SCS-CN (Soil Conservation Service-curve number)의 CN2, 식생 최대차단량 CANMX, 증발산관련 토양증발 보상계수 ESCO, 중간유출 관련 매개변수로는 포화투수계수 SOL_K, 토양층의 기울기 SLSOIL, 중간유출 지연계수 LAT_TIME, 기저유출 매개변수로는 지하수유출 지연 GW_DELAY, 지하자연수위 관련 초기 지하수위 GWQMN, 감쇄곡선의 완만한 정도 ALPHA_BF이다.
- 안성천의 공도유역 (366.5 km²)을 대상으로 2014~2015년의 장기 가뭄기간을 포함한 총 14년 (2002~2015) 동안 분석 하였다.
데이터처리
- 이상 매개변수들의 민감도 분석결과를 토대로 SWAT 보정을 실시하고, 보정결과의 적정성으로는 실측유출량과 모의유출량간의 결정계수 (R2)와 평균제곱근오차 (RMSE; root mean square error) 그리고 고수위부분의 첨두유량과 감수위부분의 저유량 모의정도를 각각 평가하기 위하여 Eq. (2)와(3)의 Nash-Sutcliffe 모델효율(NSEQ, NSEInQ)을 각각 사용하였다 (Pushpalatha et al.
- 가뭄이 포함되지 않는 평년에 대한 5개년 (2002~2006)간의 자료를 대상으로 한 일반 보정과 2014~2015의 2개년 동안의 매우 극심한 연속가뭄 자료를 대상으로 가뭄년 집중 보정을 각각 실시하여, 두 가지 경우에 대한 보정결과를 R2, RMSE,NSE로 비교 평가하였다. 일반 보정의 경우, 2014~2015 가뭄 년의 저유량에 대한 NSEInQ가 각각 0.
이론/모형
- (1)과 같이 일 단위 토양수분량 추적에 근거를 두고 있다. 이를 위하여 강우에 의한 차단량 (canopy storage), PenmanMonteith, Priestley-Taylor 등에 의한 증발산량 산정, SCS-CN(Soil Conservation Service-Curve Number) 방법에 의한 지표유출 (surface runoff), 다수의 토양층에 대한 각각의 토양저류능 (soil water capacity)과 포화 투수계수 (saturated hydraulic conductivity)에 의한 토양수 이동 등에 의한 중간유출 (lateral flow)과 기저유출 (baseflow) 등을 각기 모의에 대한 모의를 계산할 수 있다. 하천을 통한 흐름은 하천구간별로 Muskingum, Muskingum-Cunge, Variable Storage 방법 등으로 하도추적을 시행하여, 최종 유역 출구의 수문곡선이 모의되도록 구성되어 있다 (Arnold et al.
- )와 평균제곱근오차 (RMSE; root mean square error) 그리고 고수위부분의 첨두유량과 감수위부분의 저유량 모의정도를 각각 평가하기 위하여 Eq. (2)와(3)의 Nash-Sutcliffe 모델효율(NSEQ, NSEInQ)을 각각 사용하였다 (Pushpalatha et al., 2012).
성능/효과
- 4는 Table 2의 각 매개변수별 변화에 대한 총유출량의 변화 민감도를 도시한 것이다. 이에 ESCO, CN2,SOL_K와 같은 매개변수는 값에 따라 유출량에 민감하게 반응하는 반면 ALPHA_BF, GW_DELAY와 같은 매개변수는 유출량에는 민감하게 반응하지 않는다는 것을 알 수 있다. Fig.
- Fig. 5에서 보는 바와 같이, 첨두유출을 감소시키려면 매개변수 값을 CN2는 감소, CANMX는 증가, ESCO는 증가시켜야 하며, 이 중에서 CN2가 첨두유출에 가장 크게 영향을 주는 것을 알 수 있었으며, 총 유출량의 변화는 CN2, ESCO,CANMX 순으로 영향을 주는 것으로 나타났다. 한편, 토양층을 통한 중간유출을 감소시키려면 SOL_K는 증가, SLSOIL은 증가, LAT_TIME은 감소시켜야 하며, 중간유출에 의한 총유출량의 변화는 LAT_TIME, SOL_K, SLSOIL 순으로 영향을 주는 것을 알 수 있었다.
- 5에서 보는 바와 같이, 첨두유출을 감소시키려면 매개변수 값을 CN2는 감소, CANMX는 증가, ESCO는 증가시켜야 하며, 이 중에서 CN2가 첨두유출에 가장 크게 영향을 주는 것을 알 수 있었으며, 총 유출량의 변화는 CN2, ESCO,CANMX 순으로 영향을 주는 것으로 나타났다. 한편, 토양층을 통한 중간유출을 감소시키려면 SOL_K는 증가, SLSOIL은 증가, LAT_TIME은 감소시켜야 하며, 중간유출에 의한 총유출량의 변화는 LAT_TIME, SOL_K, SLSOIL 순으로 영향을 주는 것을 알 수 있었다. 지하수 흐름에 의한 기저유출을 감소시키려면 GW_DELAY, ALPHA_BF, GWQMN는 모두 증가시키는 방향으로 매개변수 값을 조정해야 하며, 기저유출에 의한 총 유출량 변화는 GW_DELAY, ALPHA_BF,GWQMN 순으로 영향을 주는 것으로 나타났다.
- 한편, 토양층을 통한 중간유출을 감소시키려면 SOL_K는 증가, SLSOIL은 증가, LAT_TIME은 감소시켜야 하며, 중간유출에 의한 총유출량의 변화는 LAT_TIME, SOL_K, SLSOIL 순으로 영향을 주는 것을 알 수 있었다. 지하수 흐름에 의한 기저유출을 감소시키려면 GW_DELAY, ALPHA_BF, GWQMN는 모두 증가시키는 방향으로 매개변수 값을 조정해야 하며, 기저유출에 의한 총 유출량 변화는 GW_DELAY, ALPHA_BF,GWQMN 순으로 영향을 주는 것으로 나타났다.
- 이에 Table 3에서 보는 바와 같이, 일반보정으로 결정된 9개의 매개변수 값들을 변화시켜, 2014~2015년 저유량 부분의 유출곡선을 재보정한 결과, Table 5에서 보는 바와 같이,전 기간의 평균 R2가 0.69, RMSE는 3.25 mm/day, 유출량 NSEQ와 NSEInQ에 대한 효율은 각각 0.86, 0.76으로 전체적으로 모델효율이 향상된 것을 알 수 있다. 또한, 2014~2015 가뭄년의 NSEInQ도 각각 0.
- 76으로 전체적으로 모델효율이 향상된 것을 알 수 있다. 또한, 2014~2015 가뭄년의 NSEInQ도 각각 0.88, 0.58로, 가뭄기간의 모델효율이 크게 향상된 것을 알 수 있으며, Fig. 7과 Fig. 8에서도 저유량 모의곡선이 실제 유출량의 형태로 많이 개선된 것을 확인할 수 있다.
- 65로 증가를 통하여 지표유출을 감소시킨 것이 주요인으로 판단된다. 즉, CANMX와 ESCO의 조정은 각각 수문을 고려한 식생 차단량의 증가와 토양증발량의 증가로 반영되었으며, CN2의 조정은 첨두유출 감소를 반영한 것으로 보인다.
- 중간유출에 영향을 주는 SOL_K는 기존 값에 0.6배 감소,SL_SOIL은 0 m에서 5 m로 증가, LAT_TIME은 8 days에서 3 days로 감소시켜, 초기 수문감쇄곡선의 기울기가 완만한 형태에서 급한 형태로 변화시키는 영향을 주었다. 즉, SOL_K의조정은 가뭄 시에는 토양증발량의 증가가 토양의 건조로 바로 이어져서, 건조 토양의 불포화 상태에 따른 포화투수계수의 감소가 반영되었으며, SL_SOIL과 LAT_TIME은 상호 밀접하게 연계된 매개변수들로서, 이들의 조정은 강우 시 토양으로 침투된 양에서 토양수분이 포장용수량을 넘어서게 되면 발생되는 중간유출의 속도 증가에 반영된 것으로 판단된다.
- 6배 감소,SL_SOIL은 0 m에서 5 m로 증가, LAT_TIME은 8 days에서 3 days로 감소시켜, 초기 수문감쇄곡선의 기울기가 완만한 형태에서 급한 형태로 변화시키는 영향을 주었다. 즉, SOL_K의조정은 가뭄 시에는 토양증발량의 증가가 토양의 건조로 바로 이어져서, 건조 토양의 불포화 상태에 따른 포화투수계수의 감소가 반영되었으며, SL_SOIL과 LAT_TIME은 상호 밀접하게 연계된 매개변수들로서, 이들의 조정은 강우 시 토양으로 침투된 양에서 토양수분이 포장용수량을 넘어서게 되면 발생되는 중간유출의 속도 증가에 반영된 것으로 판단된다.
- 기저유출에 영향을 주는 GW_DELAY는 100 days에서 180 days로 증가, GWQMIN은 2000 mm에서 2500 mm로 지하 자연수위를 더 낮추는 방향으로 조정하였으며, ALPHA_BF는 0.5에서 0.55로 변화시켜, 기저유출량의 감소와 더불어 후반부 수문감쇄곡선을 급한 형태에서 완만한 형태로 변화시키는 역할을 하는 것을 알 수 있었다.
- RMSE,NSE로 비교 평가하였다. 일반 보정의 경우, 2014~2015 가뭄 년의 저유량에 대한 NSEInQ가 각각 0.12, -0.42이었으나, 가뭄 년 집중 보정을 실시한 결과, NSEInQ가 각각 0.88, 0.58로 크게 향상되었다. 또한 전 기간 (2002~2015)의 NSE, R2, RMSE도 모두 향상되었다.
- 이러한 모델의 개선의 원인을 Table 3의 매개변수 값들을 통하여 살펴보면, CANMX는 5 mm에서 7 mm로 증가, CN2는 66에서 61로 감소, ESCO는 0.2에서 0.65로 증가를 통하여 지표유출을 감소시킨 것이 주요인으로 판단된다. 즉, CANMX와 ESCO의 조정은 각각 수문을 고려한 식생 차단량의 증가와 토양증발량의 증가로 반영되었으며, CN2의 조정은 첨두유출 감소를 반영한 것으로 보인다.
후속연구
- 특히, 2000년대 들어 기존 6~7년의 가뭄주기가 짧아지고 있고, 가뭄심도 또한 1~2개 월 만에 커지는 형태를 보이고 있다. 앞으로 빈번할 것으로 전망되는 가뭄년의 유출 그리고 짧은 시기에 도달하는 심한 갈수상황에 대한 수자원 관리를 위해서도 가뭄기간의 수문모델에 의한 유역수자원 연구가 필요하다.
- 따라서, 장기가뭄에 따른 모델의 보정에는 가뭄 시에 영향을 받는 산림 식생의 차단량, 토양건조로 인한 증발량, 투수 계수 변화, 지하수위 저하 등의 변화를 고려한 가뭄 수문곡선의 형태를 맞출 수 있도록 폭을 넓혀조정되어야 한다. 본 연구에서 시도한 SWAT의 가뭄년 집중 보정과정과 같은 가뭄 기간의 유출량 해석은 SWAT모형의 정확도를 높이고 이를 위한 매개변수 최적화에 대한 연구가 유역의 수문모델링의개선에 도움이 될 것이라 판단된다. 또한, 안정적인 활용을 위해서는 향후 많은 유역에 대한 추가연구가 필요할 것으로 생각된다.
- 본 연구에서 시도한 SWAT의 가뭄년 집중 보정과정과 같은 가뭄 기간의 유출량 해석은 SWAT모형의 정확도를 높이고 이를 위한 매개변수 최적화에 대한 연구가 유역의 수문모델링의개선에 도움이 될 것이라 판단된다. 또한, 안정적인 활용을 위해서는 향후 많은 유역에 대한 추가연구가 필요할 것으로 생각된다.
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