[논문]Development of a distributed hydrological model considering hydrological change

Kim, Deasik; An, Hyunuk; Jang, Minwon; Kim, Seongjoon

doi:10.7744/kjoas.20180040

Development of a distributed hydrological model considering hydrological change 원문보기

Korean journal of agricultural science, v.45 no.3, 2018년, pp.521 - 532

Kim, Deasik (Department of Agricultural & Rural Engineering, Chungnam National University) , An, Hyunuk (Department of Agricultural & Rural Engineering, Chungnam National University) , Jang, Minwon (Department of Agricultural & Rural Engineering, Gyeogsang National University) , Kim, Seongjoon (Department of Civil and Environmental System Engineering, Konkuk University)

Abstract ▼ AI-Helper

In recent decades, the dry stream phenomena of small and medium sized rivers have been attracting much attention as an important social problem. To prevent dry stream phenomena, it is necessary to build an infrastructure that manages rivers. To accurately determine the progress of dry stream phenomena, it is necessary to continuously measure the discharge and other hydrological factors for small and medium sized rivers. However, until now, the flow data for small and medium rivers in Korea has been insufficient. To overcome the lack of supporting data for supporting rational decision-making in policy and project implementation, a short- and long-term hydrological model was developed that takes into consideration hydrological changes such as the increase of the impervious area due to urban development and groundwater pumping, the construction of a large-scale sewage treatment plant, the maintenance of stream-oriented rivers, etc. In the developed model, the distributed grid is represented by three layers: Surface flow, interflow, and groundwater flow. The surface flow and intermediate flow flowed along the flow direction, and the groundwater flow was calculated by a two-dimensional groundwater analysis model such that the outflow occurred in all directions without a specific flow direction. The effects of land use and cover on evapotranspiration and infiltration and the effects of multiple landscapes can be simulated in the developed model.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Concept of water budget in a grid. R, rainfall; E, evapotranspiration; F1, infiltration from surface to subsurface layer; F2, infiltration from subsurface to ground water layer; D_sub, depth of subsurface layer; D_gw, depth of groundwater layer; H_sur, surface flow depth; H_gw, ground water depth; Q_sur, discharge of surface layer; Q_sub, discharge of subsurface layer; Q_gw, discharge of groundwater layer; dx, dy, x- and y-direction cell size, respectively.
그림 Fig. 2. Flow direction of surface and subsurface fow, and groundwater fow.
그림 Fig. 3. Developed distributed hydrological model diagram.
그림 Fig. 4. Developed distributed hydrological model computing process flow chart. ET, evapotranspiration; GIS, geographic information system; DEM, Digital Elevation Mode; ASCII, American Standard Code for Information Interchange; t, time.
그림 Fig. 5. Study Area.
그림 Fig. 6. Evatranspiration evaluated by Penman-Monteith Eq.
표 Table 1. Evaluation of soil depth of interflow layer, D_s.
그림 Fig. 7. Ground water depth and initial ground water level.
그림 Fig. 8. Simulation results with simple assumption (20 mm/d rainfall: (a) - (d); 50 mm/d rainfall: (e) - (h)).
표 Table 2. Evaluation of porosity, hydraulic conductivity, and initial infiltration rate based on Carsel and Perrish (1988) and Akan (1993).
표 Table 3. Evaluation of steady infltration rate based on Natural Resources Conservation Service (NRCS) soil classifcation.
그림 Fig. 9. Simulation results with simple assumption.
그림 Fig. 10. Comparison of simulated and observed water level at the outlet of watershed.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 이러한 상황을 고려하여 건천화 해결을 위한 정책과 사업의 추진 시에 합리적 의사결정을 뒷받침할 수 있는 과학적 도구로서 유역 수문변화를 고려한 장단기 분포형 수문모델을 개발하였다. 도시개발로 인한 토지이용변화, 지하수 양수, 하천정비 등을 모두 반영하여 유역을 물수지 및 건천화 상황을 모의할 수 있도록 모형을 개발하고자 하였다.
본 논문에서는 건천화 연구의 기초툴로서 사용될 수 있는 유역수문변화를 고려한 분포형 수문모델을 개발하였다. 본 연구에서 개발한 모형은 기존의 모형들에 대한 상세한 조사를 시초로 지표수흐름, 지표하흐름, 지하수흐름을 물리적으로 고려하도록 설계되었으며 지표수 수심, 토양수분량, 지하수 수위를 분석할 수 있도록 개발되었다.
하지만 전술하였듯이 중소하천의 자료는 충분하지 않은 경우가 많으며, 따라서 하천건천화의 원인은 복합적으로 도시개발로 인한 토지이용의 변화, 지하수 개발, 하천정비 등의 영향을 모두 반영할 수 있는 모형의 개발이 필요하다. 본 연구에서는 이러한 상황을 고려하여 건천화 해결을 위한 정책과 사업의 추진 시에 합리적 의사결정을 뒷받침할 수 있는 과학적 도구로서 유역 수문변화를 고려한 장단기 분포형 수문모델을 개발하였다. 도시개발로 인한 토지이용변화, 지하수 양수, 하천정비 등을 모두 반영하여 유역을 물수지 및 건천화 상황을 모의할 수 있도록 모형을 개발하고자 하였다.
상기에 서술한 연구들은 과거에 관측된 자료들을 활용하여 건천화의 진행을 파악하고자 하거나, 지하수 양수의 영향만을 고려한 모형을 기반으로 하여 건천화를 분석하고자 하였다. 하지만 전술하였듯이 중소하천의 자료는 충분하지 않은 경우가 많으며, 따라서 하천건천화의 원인은 복합적으로 도시개발로 인한 토지이용의 변화, 지하수 개발, 하천정비 등의 영향을 모두 반영할 수 있는 모형의 개발이 필요하다.

가설 설정

는 지표하 토양수분층 깊이(m)이다. 단, H_s가 D_s보다 작을 때는 지표하 흐름층이 포화되지 않은 상태로 지표하 흐름률은 발생하지 않는 것으로 가정하고 지표하 흐름률을 0으로 산정한다.

제안 방법

대상유역에 대하여 가상의 조건으로 시험모형의 구동을 시험하였다. 먼저 토양수분이동, 다양한 입력조건과 지하수 관정 시나리오 모듈의 적용 없이 단순 격자물수지 분석 시험을 수행하였다.
본 연구에서 개발한 모형은 기존의 모형들에 대한 상세한 조사를 시초로 지표수흐름, 지표하흐름, 지하수흐름을 물리적으로 고려하도록 설계되었으며 지표수 수심, 토양수분량, 지하수 수위를 분석할 수 있도록 개발되었다. 또한 건천화의 원인이 되는 토지이용 변화, 지하수 취수 등의 현상을 종합적으로 고려할 수 있도록 설계되었다.
대상유역에 대하여 가상의 조건으로 시험모형의 구동을 시험하였다. 먼저 토양수분이동, 다양한 입력조건과 지하수 관정 시나리오 모듈의 적용 없이 단순 격자물수지 분석 시험을 수행하였다. 일정 기상조건으로 증발산량 5mm/d, 침투량 10 mm/d, 강우지속일수 11일 조건에서 일강우량 20 mm/d인 경우와 50 mm/d인 경우를 모의 시험하였다.
본 논문에서는 건천화 연구의 기초툴로서 사용될 수 있는 유역수문변화를 고려한 분포형 수문모델을 개발하였다. 본 연구에서 개발한 모형은 기존의 모형들에 대한 상세한 조사를 시초로 지표수흐름, 지표하흐름, 지하수흐름을 물리적으로 고려하도록 설계되었으며 지표수 수심, 토양수분량, 지하수 수위를 분석할 수 있도록 개발되었다. 또한 건천화의 원인이 되는 토지이용 변화, 지하수 취수 등의 현상을 종합적으로 고려할 수 있도록 설계되었다.
시험지역에 대하여 유역경계도(shp), 행정경계도(shp), 기상관측소위치도(shp), Thiessen망도(shp), 수치고도자료(grid), 중분류토지피복지도(shp), 정밀토양도(shp) 등의 수치지도를 확보하였고 이들 좌표체계를 국가표준좌표체계(GRS80)로 통일하여 사용하였다. 유효토심은 정밀토양도를 바탕으로 Table 1과 같이 산정하였다.
먼저 토양수분이동, 다양한 입력조건과 지하수 관정 시나리오 모듈의 적용 없이 단순 격자물수지 분석 시험을 수행하였다. 일정 기상조건으로 증발산량 5mm/d, 침투량 10 mm/d, 강우지속일수 11일 조건에서 일강우량 20 mm/d인 경우와 50 mm/d인 경우를 모의 시험하였다. Fig.
초기 지하수심은 50 m + α ×(Elevation - Elevation_outlet)과 같이 설정하여 자연스럽게 분포되도록 하였고 유역 출구에서 50 m가 되도록 하였다(Fig. 7).
유역의 수문변화를 고려한 전지점 강우유출 모의를 위해서 본 연구에서는 Kim (1995)와 Kim and Chung(1995)에 의해 개발된 격자단위 물수지 개념을 채택하여 기본으로 임의지점의 시간별 저류량의 변화를 재현할 수 있는 강우-유출관계를 정립하였다. 하나의 격자는 Fig. 1과 같이 지표류층, 지표하흐름층, 지하수층 세개의 층으로 나뉘어 지며 각각의 층들은 이웃한 층과 상호작용을 하도록 모형을 설계하였다. 각각의 층은 개별적인 지배방정식에 따라 해석되고 타 층간의 물의 이동은 개별 격자에서 이루어진다.

대상 데이터

시험지역에 적용 가능한 기상청 기상관측소는 Thiessen망이 겹치는 이천(203)과 천안(232) 기상관측소가 있으며 안성시 보개면에 농업기상관측소가 1개소가 평균기온, 평균습도, 풍향, 풍속, 일조시간, 강수량 등을 관측하고 있다. 2001년 1월 1일부터 2015년까지 관측자료를 수집하여 정리하였으며, 수집된 기상자료를 바탕으로 일별 Penman-Monteith 기준증발산량을 계산하면 Fig. 6과 같다.
4에 제시하였다. 모형의 시험지역으로 Fig. 5와 같은 안성천상류(표준유역코드 110101) 지역을 선정하였다. 시험지역은 안성천 수계에서 지방2급 하천인 조령천을 중심으로 안성천과 합류하는 수계로서 유역 내 소하천을 비롯한 총 연장이 약 192,964 m인 하천의 유역이다.
5와 같은 안성천상류(표준유역코드 110101) 지역을 선정하였다. 시험지역은 안성천 수계에서 지방2급 하천인 조령천을 중심으로 안성천과 합류하는 수계로서 유역 내 소하천을 비롯한 총 연장이 약 192,964 m인 하천의 유역이다. 유역의 평균경사는 16.

이론/모형

종기침투율은 정밀토양도의 배수등급을 바탕으로 Natural Resources Conservation Service (NRCS)에서 제시한 토양군에 따른 침투율을 근거로 Table 3과 같이 산정하였다. Manning의 조도계수는 중분류 토지피복지도를 바탕으로 McCuen (1998)을 근거로 산정하였다. 초기 지하수심은 50 m + α ×(Elevation - Elevation_outlet)과 같이 설정하여 자연스럽게 분포되도록 하였고 유역 출구에서 50 m가 되도록 하였다(Fig.
유효토심은 정밀토양도를 바탕으로 Table 1과 같이 산정하였다. 공극률, 투수계수, 초기침투량 등은 정밀토양도의 토성을 기준으로 Carsel and Perrish (1988)을 참고로 하여 Table 2와 같이 산정하였다. 종기침투율은 정밀토양도의 배수등급을 바탕으로 Natural Resources Conservation Service (NRCS)에서 제시한 토양군에 따른 침투율을 근거로 Table 3과 같이 산정하였다.
유역의 수문변화를 고려한 전지점 강우유출 모의를 위해서 본 연구에서는 Kim (1995)와 Kim and Chung(1995)에 의해 개발된 격자단위 물수지 개념을 채택하여 기본으로 임의지점의 시간별 저류량의 변화를 재현할 수 있는 강우-유출관계를 정립하였다. 하나의 격자는 Fig.
지표면의 증발산량은 다음식과 같이 Penman-Monteith 방법을 이용하여 산정하였다.
표면에서 토양으로의 침투율은 다음식과 같이 Huggins and Monke (1968)가 제안한 토양함수량의 함수로 산정하였다.

성능/효과

개발한 모형은 안성천 상류지역에 대하여 시험적용 되었으며 가상모의 및 실제 강우를 대상으로 한 모의에서 타당한 반응을 보였다. 하지만 실제수위와 모의수위를 비교할 때 다소 일치성이 낮은 결과를 보였으며 이는 개발한 모형에서 농업용 저수지의 저류-방류 상황을 반영하지 않았기 때문인 것으로 해석되었다.
넷째, 침투는 수직방향으로만 이루어진다. 다섯째, 강우 시 증발산량은 미소하므로 고려하지 않는다.
둘째, 마찰경사는 바닥경사와 같다. 셋째, 강우 지속기간 동안에는 지하유출이 지표유출로 환원되지 않는다. 넷째, 침투는 수직방향으로만 이루어진다.

후속연구

하지만 실제수위와 모의수위를 비교할 때 다소 일치성이 낮은 결과를 보였으며 이는 개발한 모형에서 농업용 저수지의 저류-방류 상황을 반영하지 않았기 때문인 것으로 해석되었다. 따라서 향후 본 연구에서 개발한 모형의 보다 정확한 검증을 위해서 다수의 유역에 대하여 실제 유출량과의 비교가 필요할 것이며, 추가적인 매개변수의 동정에 관한 연구도 수행되어야 할 필요가 있다. 또한 건천화에 미치는 영향을 분석하기 위해서 관정과 토지이용변화에 대해서 추가적인 연구가 필요할 것이다.
따라서 향후 본 연구에서 개발한 모형의 보다 정확한 검증을 위해서 다수의 유역에 대하여 실제 유출량과의 비교가 필요할 것이며, 추가적인 매개변수의 동정에 관한 연구도 수행되어야 할 필요가 있다. 또한 건천화에 미치는 영향을 분석하기 위해서 관정과 토지이용변화에 대해서 추가적인 연구가 필요할 것이다.

참고문헌 (18)

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