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문제 정의
- 본 연구에서는 모형의 정확성과 신뢰성을 위해 18개 강우관측소의 강우량 자료와 5지점의 소유역의 유출량 관측값이 존재하는 용담댐 유역을 대상으로 단일지점과 다지점의 보정을 통한 준분포형 모형인 SWAT을 각각 구축하였다. 두 보정 방법의 결과 비교를 통해 준분포형 모형에서 다지점 보정 방법 적용 시 모형 효율을 정량적으로 제시하여 모형의 효과적인 매개변수 추정방법을 평가하고, 모형의 신뢰성을 높이고자 하였다.
- 본 연구에서는 신뢰성 있는 다지점 유출량 자료를 통한 SWAT 모형의 불확실성 감소 및 예측 능력을 향상시켜 모형의 정확도 향상성을 평가하고자 하였다. 용담댐 유역을 대상으로 수문, 강수자료를 이용하여 수문모형의 검보정시 불확실성 및 결과의 오차를 줄이고자 단일지점 및 다지점 보정에 따른 유출특성 분석 및 모형의 적용성 평가하였으며 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- 각각의 사상들에 대한 매개변수의 평균값들을 통해 2003년부터 2007년까지 5년 동안 보정하고 2008년부터 2011년까지의 4년간의 일 유출량 자료를 이용하여 모형의 검정을 실시하였다.그림 4는 단일지점 검․보정한 댐유입량 및 유출량에 대하여 지점별로 실측치와 모의치를 비교하였으며, 그림 5는 다지점을 검보정한 대유입량 및 유출량에 대하여 지점별로 실측치와 모의치를 비교하여 나타내었다.
- 둘째, 각 수문성분에 관련된 매개변수를 이용하여 단일지점(용담댐)과 다지점(동향, 천천, 주천, 석정)의 관측 댐유입량 및 유출량 자료를 이용하여 검보정을 실시하였다. 이용한 수문요소별 지표유출 매개변수는 SURLAG, SLSUBBSN, 융설 관련 매개변수는 SMFMN, SFTMP, SMTMP, TIMP, 증발산 관련 매개변수는ESCO, CANMX, EPCO, 토양수분 관련 매개변수는 SOL_AWC, SOL_K, 지하수 관련 매개변수는GW_DELAY, GWQMN, ALPHA_BF, REVAPMN, GW_REVAP, RCHRG_DP를 조정하였다.
- 본 연구에서는 각 수문성분에 관련된 매개변수를 이용하여 단일지점(용담댐)과 다지점(동향, 천천, 주천, 석정)의 관측 댐유입량 및 유출량 자료를 이용하여 검보정을 실시하였다. 검보정 방법은 시행오차법을 이용하였다.
- 본 연구에서는 모형의 정확성과 신뢰성을 위해 18개 강우관측소의 강우량 자료와 5지점의 소유역의 유출량 관측값이 존재하는 용담댐 유역을 대상으로 단일지점과 다지점의 보정을 통한 준분포형 모형인 SWAT을 각각 구축하였다. 두 보정 방법의 결과 비교를 통해 준분포형 모형에서 다지점 보정 방법 적용 시 모형 효율을 정량적으로 제시하여 모형의 효과적인 매개변수 추정방법을 평가하고, 모형의 신뢰성을 높이고자 하였다.
- 본 연구에서는 준분포 모형인 SWAT 모형을 적용하여 다지점 검·보정 효과를 평가하기 위해서검·보정기간 2003년부터 2011년의 9개년에 대해 표 1과 같이 수치표고모델(Digital Elevation Model; DEM), 토양도, 토지이용도, 일 강수량(㎜), 일사량(MJ/m2), 평균풍속(㎧), 평균상대습도(%) 등의 수문기상자료를 수집 및 구축하였다.
- 셋째, 2003년에서 2011년까지의 9년간의 유출량 자료를 이용하여 모형의 검․보정을 실시하였다. 단일지점 일 유출량의 관측치와 모의치의 상관성을 분석한 결과 Nash-Sutcliffe의 모형효율계수는 용담댐, 동향, 천천, 주천, 석정 각각 0.
- 본 연구에서는 신뢰성 있는 다지점 유출량 자료를 통한 SWAT 모형의 불확실성 감소 및 예측 능력을 향상시켜 모형의 정확도 향상성을 평가하고자 하였다. 용담댐 유역을 대상으로 수문, 강수자료를 이용하여 수문모형의 검보정시 불확실성 및 결과의 오차를 줄이고자 단일지점 및 다지점 보정에 따른 유출특성 분석 및 모형의 적용성 평가하였으며 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 이용한 수문요소별 지표유출 매개변수는 SURLAG, SLSUBBSN, 융설 관련 매개변수는 SMFMN, SFTMP, SMTMP, TIMP, 증발산 관련 매개변수는ESCO, CANMX, EPCO, 토양수분 관련 매개변수는 SOL_AWC, SOL_K, 지하수 관련 매개변수는GW_DELAY, GWQMN, ALPHA_BF, REVAPMN, GW_REVAP, RCHRG_DP를 조정하였다. 유역 물수지 순환의 중요한 요소인 다지점 유출량을 이용하여 모형을 보정하는 과정에서 매개변수들의 물리적 범위를 파악하였다.
- 강설량이 많은 지역으로봄철 융설이 유출량에 영향을 미친다. 융설 매개변수는 약 70% 이상이 산림인 주천, 석정유역과 약 60% 산림인 동향, 천천유역에 비교하여 SMFMN, SFTMP, SMTMP, TIMP의 값이 각 소유역의 특성에 맞게 조정하였다. ESCO는총유출량과 증발산량에 영향을 주는 매개변수로산림이 더 많은 주천, 석정유역이 동향과 천천유역보다 높게 조정되었다.
- 둘째, 각 수문성분에 관련된 매개변수를 이용하여 단일지점(용담댐)과 다지점(동향, 천천, 주천, 석정)의 관측 댐유입량 및 유출량 자료를 이용하여 검보정을 실시하였다. 이용한 수문요소별 지표유출 매개변수는 SURLAG, SLSUBBSN, 융설 관련 매개변수는 SMFMN, SFTMP, SMTMP, TIMP, 증발산 관련 매개변수는ESCO, CANMX, EPCO, 토양수분 관련 매개변수는 SOL_AWC, SOL_K, 지하수 관련 매개변수는GW_DELAY, GWQMN, ALPHA_BF, REVAPMN, GW_REVAP, RCHRG_DP를 조정하였다. 유역 물수지 순환의 중요한 요소인 다지점 유출량을 이용하여 모형을 보정하는 과정에서 매개변수들의 물리적 범위를 파악하였다.
- 표 4는 모형의 검·보정에 이용한 수문요소별 매개변수를 정리하였다. 지표유출 매개변수는 SURLAG, SLSUBBSN, 융설 관련 매개변수는 SMFMN, SFTMP, SMTMP, TIMP, 증발산 관련 매개변수는 ESCO, CANMX, EPCO, 토양수분 관련 매개변수는 SOL_AWC, SOL_K, 지하수 관련 매개변수는GW_DELAY, GWQMN, ALPHA_BF, REVAPMN, GW_REVAP, RCHRG_DP를 조정하였다. 지표유출관련 SLSUBBSN 매개변수의 경우 주천과 석천 유역은 39.
- 첫째, 신뢰성 있는 수문순환 및 유출특성을 모의하기 위해 K-water 연구원에서 운영 중인 용담댐 시험유역을 대상으로 수위관측소 및 우량관측소가 설치되어 양질의 수문자료를 구축하였다. 용담댐 유역과 유역내 소유역인 동향, 천천, 주천, 석정 관측소를 유역 출구로 하는 소유역으로 모형을 구성하였으며, 보다 정확한 강수자료를 구축하기위해 기상청, 국토부, K-water 연구원에서 운영 중인 AWS의 18지점의 강수자료를 SWAT 모형에 적용하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 K-water 연구원으로부터 용담댐유역의 우량 및 수문자료를 제공받아 모형의 입력자료 및 검·보정에 이용하였다. 2003년부터 2011년까지의 장수, 금상 관측소의 기상자료를 이용하여 입력 자료를 구축하였다. 강수량 자료는 기상청 기상관측소 장수, 금산, 기상청 AWS(Automatic Weather System)의 무주, 동향, 주천, 국토부 AWS의 대불, 진안, 안성장, 장수, 원통사, K-water 연구원에서 관리하고 있는 AWS 관측소인 안천, 주천, 부귀, 상전, 계북2, 장계, 천천2, 무주의 18개 강수량자료를 이용하였다(표 2).
- 2003년부터 2011년까지의 장수, 금상 관측소의 기상자료를 이용하여 입력 자료를 구축하였다. 강수량 자료는 기상청 기상관측소 장수, 금산, 기상청 AWS(Automatic Weather System)의 무주, 동향, 주천, 국토부 AWS의 대불, 진안, 안성장, 장수, 원통사, K-water 연구원에서 관리하고 있는 AWS 관측소인 안천, 주천, 부귀, 상전, 계북2, 장계, 천천2, 무주의 18개 강수량자료를 이용하였다(표 2). 18개 지점 강수량 관측소의 고도는 약 170∼800EL.
- 시험유역에서 운영되고 있는 주천, 석정 수위관측소는 평·갈수기 유량조사 및 홍수기 전․후 측정 지점의 단면측량과 홍수기 유량조사를 통한 관측데이터를 기반으로 수위-유량 관계곡선식을 산정하여 유량자료를 제공하고 있다(그림 2). 공간자료는 국토지리정보원에서 제공하는 격자크기 30m DEM을 이용하였으며. 토지이용 자료는 환경부 토지이용도의 수역, 주거지, 논, 밭, 활엽수림, 침엽수림, 혼효림, 나지 및 기타 초지의 9개 항목으로 분류하였으며, 농촌진흥청에서 제공하는 1:25,000 정밀토양도를 이용하여, 토양 종류에 따른 공극률, 포장용수량, 위조점, 토양 유효 깊이 속성을 모형의 입력 자료로 이용하였다(그림 3).
- 본 연구에서는 K-water 연구원으로부터 용담댐유역의 우량 및 수문자료를 제공받아 모형의 입력자료 및 검·보정에 이용하였다.
- 본 연구의 대상유역인 용담댐 유역은 금강의최상류에 위치하며, 전라도와 충청도의 중요 용수 공급원으로써 수량 및 수질 관리가 중요한 지역이다. K-water 연구원에서 1999년 시험유역으로 선정하여 다양한 수리․수문자료의 수집및 검증을 위한 대표유역으로 활용되고 있다.
- 6㎜로 고도에 따른 강수량은 약 500㎜ 차이로 고도에 따른 영향을 나타낸다. 유량자료는 K-water의 용담댐 댐유입량, K-water 연구원에서 시험유역으로 운영되고 있는 주천, 석정 수위관측소와 국토부에서 관리중인 동향, 천천 관측소에서 획득한 2003년부터 2011년까지의 관측자료를 사용하였다(표 3). 시험유역에서 운영되고 있는 주천, 석정 수위관측소는 평·갈수기 유량조사 및 홍수기 전․후 측정 지점의 단면측량과 홍수기 유량조사를 통한 관측데이터를 기반으로 수위-유량 관계곡선식을 산정하여 유량자료를 제공하고 있다(그림 2).
- 공간자료는 국토지리정보원에서 제공하는 격자크기 30m DEM을 이용하였으며. 토지이용 자료는 환경부 토지이용도의 수역, 주거지, 논, 밭, 활엽수림, 침엽수림, 혼효림, 나지 및 기타 초지의 9개 항목으로 분류하였으며, 농촌진흥청에서 제공하는 1:25,000 정밀토양도를 이용하여, 토양 종류에 따른 공극률, 포장용수량, 위조점, 토양 유효 깊이 속성을 모형의 입력 자료로 이용하였다(그림 3).
이론/모형
- , 1998). SWAT 모형에서 일별 유출량은 SCS(Soil Conservation Service) CN (Curve Number) 방법을 통하여 산정하며, 잠재증발산량은 Penman-Monteith 방법을 이용한다. SWAT 모형에서 사용되는 물수지 방정식은 다음과 같다(Neitsch et al.
- 본 연구에서는 각 수문성분에 관련된 매개변수를 이용하여 단일지점(용담댐)과 다지점(동향, 천천, 주천, 석정)의 관측 댐유입량 및 유출량 자료를 이용하여 검보정을 실시하였다. 검보정 방법은 시행오차법을 이용하였다. 모의 옵션으로 지표유출은 SCS 유출곡선법, 증발산량산정은 Penman-Monteith 방법, 하도추적은 Muskingum 방법을 이용하였다.
- 검보정 방법은 시행오차법을 이용하였다. 모의 옵션으로 지표유출은 SCS 유출곡선법, 증발산량산정은 Penman-Monteith 방법, 하도추적은 Muskingum 방법을 이용하였다. 모형의 적용성 평가는 Nash-Sutcliffe(Nash et al.
- 모의 옵션으로 지표유출은 SCS 유출곡선법, 증발산량산정은 Penman-Monteith 방법, 하도추적은 Muskingum 방법을 이용하였다. 모형의 적용성 평가는 Nash-Sutcliffe(Nash et al., 1970) model efficiency(E), coefficient of determination(R2)를 이용하였다. E는 -∞에서 1까지의 범위를 가지며 지수값 1은 관측값과 모형으로부터 산정된 값이 완전하게 일치함을 의미한다.
- 첫째, 신뢰성 있는 수문순환 및 유출특성을 모의하기 위해 K-water 연구원에서 운영 중인 용담댐 시험유역을 대상으로 수위관측소 및 우량관측소가 설치되어 양질의 수문자료를 구축하였다. 용담댐 유역과 유역내 소유역인 동향, 천천, 주천, 석정 관측소를 유역 출구로 하는 소유역으로 모형을 구성하였으며, 보다 정확한 강수자료를 구축하기위해 기상청, 국토부, K-water 연구원에서 운영 중인 AWS의 18지점의 강수자료를 SWAT 모형에 적용하였다.
성능/효과
- 18개 지점 강수량 관측소의 고도는 약 170∼800EL.m이며 그림 1과 같이 고르게 위치해 있으며 고도에 따른 보다 정확한 강수량 자료를 입력할 수 있었으며 연평균 강수량은 1219.7∼1735.6㎜로 고도에 따른 강수량은 약 500㎜ 차이로 고도에 따른 영향을 나타낸다.
- 융설 매개변수는 약 70% 이상이 산림인 주천, 석정유역과 약 60% 산림인 동향, 천천유역에 비교하여 SMFMN, SFTMP, SMTMP, TIMP의 값이 각 소유역의 특성에 맞게 조정하였다. ESCO는총유출량과 증발산량에 영향을 주는 매개변수로산림이 더 많은 주천, 석정유역이 동향과 천천유역보다 높게 조정되었다. 토양수분 매개변수인 SOL_AWC, SOL_K은 유효토양수분함량과투수계수는 지하수 및 회귀유출에 영향을 미쳐동일한 값으로 조정하였다.
- 다지점 보정 적용결과 대상유역의 4개의 유역(동향, 천천, 주천, 석정)에서의 기저유출량 오차가 크게 향상됨을 확인할 수 있었다. 이는 단일 유역 보정에 이용된 매개변수 군이 4개의 유역에서의 특성을 다양한 물리적, 수문학적 특성을 반영하지 못하기 때문이다.
- 특히 2008년 극심한 가뭄이 발생한해로 검증기간 통계치에 영향을 주었다. 다지점매개변수를 적용한 일 유출량의 관측치와 모의치의 상관성을 분석한 결과 Nash-Sutcliffe의모형효율계수는 용담댐, 동향, 천천, 주천, 석정에서 보정기간 동안 각각 0.82, 0.81 0.78, 0.68, 0.71, 검정기간 동안 0.84, 0.67, 0.73, 0.70, 0.45로 분석되었다. R²는 용담댐, 동향,천천, 주천, 석정에서 보정기간 동안 각각 0.
- 표 5는 모형의 다일지점 및 다지점의 보정 및 검정결과의 통계값을 연별로 정리하고 전체기간의 평균값을 제시하였다. 단일지점 매개변수를 적용한 일 유출량의 관측치와 모의치의 상관성을 분석한 결과 Nash-Sutcliffe의 모형효율계수는 용담댐, 동향, 천천, 주천, 석정에서 보정기간 동안 각각 0.82, 0.49, 0.52, 0.58, 0.70, 검정기간 동안 0.84, 0.24, -0.02, 0.67, 0.25로 분석되었다. R2는용담댐, 동향, 천천, 주천, 석정에서 보정기간 동안 각각 0.
- 셋째, 2003년에서 2011년까지의 9년간의 유출량 자료를 이용하여 모형의 검․보정을 실시하였다. 단일지점 일 유출량의 관측치와 모의치의 상관성을 분석한 결과 Nash-Sutcliffe의 모형효율계수는 용담댐, 동향, 천천, 주천, 석정 각각 0.83, 0.38, 0.28, 0.62, 0.50, 다지점의 경우 0.84, 0.75, 0.76, 0.68, 0.60으로 보다 향상된 모의 결과를 나타내었다.
- 이는 단일 유역 보정에 이용된 매개변수 군이 4개의 유역에서의 특성을 다양한 물리적, 수문학적 특성을 반영하지 못하기 때문이다. 모델의 신뢰성 향상을 위해 각 소유역에 맞는 매개변수 군을 각 소유역별로 모형에 적용한 결과 모형 효율 및 수문곡선이 향상된 것을 확인할 수 있었다. 하천의 유량은 댐 저수량에 영향을 줄 수밖에 없으므로 신뢰성 있는 하천의 유량과 유역의 수문순환 패턴을 우선적으로 파악해야 한다.
후속연구
- 하천의 유량은 댐 저수량에 영향을 줄 수밖에 없으므로 신뢰성 있는 하천의 유량과 유역의 수문순환 패턴을 우선적으로 파악해야 한다. 다양한 특성을 가지는 소유역을 포괄하고 있는 유역에 대해서 다지점 보정은 유역 내 계측지점의 모델링 결과를 향상시킬 뿐만 아니라 유역내 임의 미계측 지점에 대한 유출량 추정에도 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 아울러, 유역의 실제적인 상황을 근접하게 모의하기 위해서는 다른 수문성분의 정확하고 신뢰성 있는 자료의 구축과 적용이 매우 중요하다고 판단된다. 신뢰성 있는 관측 자료가 많아질수록 수문모형의 예측 불확실성 감소 및 예측결과의 신뢰도 향상에 크게 기여할 것으로 기대되며 이와 같은 모형의 결과로 도출되는 하천 유출량 등은 유역의 수자원 확보 및 관리에 있어 중요한 기초정보로 수 있을 것으로 기대된다.
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