[논문]SWAT 모델을 이용한 강우특성 변화에 의한 퇴적물-유출량 간의 관계 평가

김지수; 김민석; 조용찬

doi:10.7857/jsge.2021.26.6.118

SWAT 모델을 이용한 강우특성 변화에 의한 퇴적물-유출량 간의 관계 평가
Assessment of Relationship between Sediment-Discharge Based on Rainfall Characteristic using SWAT Model 원문보기

지하수토양환경 = Journal of soil and groundwater environment, v.26 no.6, 2021년, pp.118 - 129

김지수 (전남대학교 일반대학원 사범대학 사회교육학과) , 김민석 (한국지질자원연구원 지질환경연구본부) , 조용찬 (한국지질자원연구원 지질환경연구본부)

Abstract ▼ AI-Helper

The sediment transportation caused by soil erosion due to rainfall-discharge in the large watershed scale plays critical role in human society. The relationship between rainfall-discharge-sediment transportation is depending on the start time of rainfall and end of rainfall but, the studies related with rainfall characteristics are insufficient. In this study, The Soil and Water Assession Tool (SWAT) model was used to study the relationship between rainfall-discharge-sediment transportation at the Sook river watershed which is monitored by the Ministry of Environment. To do this, first of all, the sensitivity analysis about model attributes was performed using monitored data. The accuracy analysis of SWAT model was conducted using the model's efficiency index (Nash and Sutcliffe model efficiency; NSE) and the coefficient of determination (R2). After that, it was studied what results could be obtained according to changes in rainfall timing and end points. In the result of discharge simulation, the modified rainfall values (sum of total rainfall starting time and end time) showed more high accuracy values (R2:0.90, NSE: 0.8) than original rainfall values (R2:0.76, NSE: 0.72). In the result of sediment transportation simulation, during calibration had more resonable results(R2:0.87, NSE: 0.86) than compared with original rainfall values (R2:0.44, NSE: 0.41). However, validation results of sediment transportation simulation showed low accuracy values compared with calibration results. This results maybe cause monitoring periods of sediment flow compared with discharge monitoring periods. Nevertheless, since rainfall characteristic plays critical rule in model results, continuous research on rainfall characteristic is needed.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Location of this study area.
그림 Fig. 2. Rainfall Characteristic distribution used in this study.
그림 Fig. 3. SWAT input spatial data (A) Terrain, (B) Land-use (C) Soil data.
그림 Fig. 4. Sensitivity of discharge and sediment parameters.
표 Table 1. Discharge and sediment parameters for sensitivity analysis
표 Table 2. Discharge simulation performance of the original SWAT and modified SWAT
표 Table 3. Sediment simulation results using the original rainfall and modified rainfall in SWAT model
그림 Fig. 5. Time series of observed versus simulated daily discharge using original SWAT and modified SWAT.
그림 Fig. 6. Time series of observed versus simulated daily sediment using original- and modified-rainfall.
그림 Fig. 7. Distribution map of soil erosion by rainfall.
그림 Fig. 8. Time series of observed hourly rainfall and observed versus simulated daily discharge (A) 2009.07.15., (B) 2012.09.05.

AI 본문요약
AI-Helper

제안 방법

본 연구에서는 강우 입력 매개변수에 대해 기존의 일 단위 강우산정법을 이용한 SWAT 결과와 강우의 시점과 종점을 고려하여 일 단위 강우자료를 재생산한 모델링 기법을 이용하여 소옥천 유역을 대상으로 유량과 퇴적 물량 간의 결과를 평가하였으며 다음과 같은 결론이 도출되었다.
소옥천 유역의 정확한 유사량과 탁도와의 관계를 파악하기 위하여 자동 Sampler(ISCO Sampler 6712)를 연구지역 내 설치하여 Suspended Sediment(SS)를 채취 후 실험을 통하여 국립환경과학원 수질측정망에서 제공하는 탁도(NTU)를 SS(mg/L)의 단위로 환산하였다. 모형의 검보정 계산을 위한 유량자료는 소옥천 하류지역 옥각교에 설치된 금강홍수통제소의 10분 단위의 T/M자료를 이용하여 일평균 유량을 재산정하였다.

대상 데이터

지형 자료는 국토지리정보원에서 제공하는 1:5,000 수치지형도의 등고선과 하천중심선을 이용하여 제작하였다. ArcGIS 10.4의 Topo to raster 도구를 사용하여 등고선에서 10m 해상도를 가지는 DEM을 생성하였고, 생성된 DEM에 하천중심선을 ArcSWAT 2012로 Burn-in하여 연구 지역을 27개의 소유역으로 분할하였다. 그리고 국립농원과학원에서 제공하는 정밀토양도와 토양통 자료, 환경부에서 제공하는 중분류 토지피복지도와 SWAT database 자료를 중첩하여 27개의 소유역을 다시 3, 287개의 HRU 로 분할하였다(Fig.
4의 Topo to raster 도구를 사용하여 등고선에서 10m 해상도를 가지는 DEM을 생성하였고, 생성된 DEM에 하천중심선을 ArcSWAT 2012로 Burn-in하여 연구 지역을 27개의 소유역으로 분할하였다. 그리고 국립농원과학원에서 제공하는 정밀토양도와 토양통 자료, 환경부에서 제공하는 중분류 토지피복지도와 SWAT database 자료를 중첩하여 27개의 소유역을 다시 3, 287개의 HRU 로 분할하였다(Fig. 3).
소옥천 유역의 정확한 유사량과 탁도와의 관계를 파악하기 위하여 자동 Sampler(ISCO Sampler 6712)를 연구지역 내 설치하여 Suspended Sediment(SS)를 채취 후 실험을 통하여 국립환경과학원 수질측정망에서 제공하는 탁도(NTU)를 SS(mg/L)의 단위로 환산하였다. 모형의 검보정 계산을 위한 유량자료는 소옥천 하류지역 옥각교에 설치된 금강홍수통제소의 10분 단위의 T/M자료를 이용하여 일평균 유량을 재산정하였다.
유량 자료와 퇴적물량 자료는 2009년부터 2017년까지 구축되었으며, 퇴적물량 자료는 일부 기간(2011.01~2012.08, 2013.11~2013.02, 2015.06, 2016.01)이 누락되었다.
지형 자료는 국토지리정보원에서 제공하는 1:5,000 수치지형도의 등고선과 하천중심선을 이용하여 제작하였다. ArcGIS 10.

성능/효과

\(R^{2}=\frac{\sum_{i=1}^{n}\left(O_{i}-\overline{O_{i}}\right)\left(P_{i}-\overline{P_{i}}\right)^{2}}{\sqrt{\sum_{i=1}^{n}\left(O_{i}-\overline{O_{i}}\right)} \sqrt{\sum_{i=1}^{n}\left(P_{i}-\bar{P}_{i}\right)^{2}}}\) (6)
\(Q_{d}=\frac{\left(R_{d}-0.25\right)^{2}}{\left(R_{d}+0.85\right)}\) 3/s), A_hru는 HRU의 면적(ha), K, C, LS, P는 각각 USLE의 토양침식성 (tons·ha/MJ·mm), 식생피복, 경사인자, 보전관리인자이며, CFRG는 암석피복 인자, c는 유출계수, i는 강우강도(mm/h), A_basin은 소유역의 면적(km²)이다. 유출 관련 인자는 토양 침식과 퇴적물 운반에 사용되는 에너지에 해당하며, 기존 USLE에서 퇴적물량을 계산하는데 필요한 운송률을 고려할 필요가 없다(Williams, 1975).

기존의 일 단위 강우사상을 이용한 SWAT 모형의 결과는 유량과 퇴적물량을 모의하는데 있어 대부분의 기간에서 안정적이었지만, 일부 기간(2009~2011년)의 퇴적물량을 모의하는데 있어서 정확성이 떨어졌다. 특히, 극한 강우 사상에 따른 첨두 유량과 퇴적물의 관계가 실제 관측치보다 훨씬 적게 추정되었다.

2. 모의 결과에 따르면 하천이나 농업용 저수지 인근의 밭에서 가장 많은 퇴적물량이 유출되었다. 따라서 해당 토지 이용에서 발생하는 퇴적물량을 줄이기 위한 저감 기술의 개발이 필요하다.

3. 본 연구는 기존 모형의 수정을 통해 소옥천 유역에서 유량 및 퇴적물량 모의의 정확성을 개선하였고, 이는 연구 지역의 비점오염 유출을 줄이기 위한 의사 결정에 도움을 줄 수 있다. 또한 보다 정확한 유량 및 퇴적물량 모의를 위해서 하루 미만의 강우 자료를 반영할 수 있는 SWAT 모형을 사용하는 것이 필요할 것으로 판단된다.

1. 수정된 강우가 반영된 SWAT 모형은 유량을 모의할 때 보정 및 검증 기간 모두 기존 일단위 강우를 이용한 SWAT 모형과 비교하여 더 좋은 성능을 보였다. 퇴적물량을 모의할 때는 보정 기간에 더 좋은 성능을 보이고, 검증 기간에는 같은 성능을 보였다.

수정된 강우가 반영된 SWAT 모형은 유량을 모의할 때 보정 및 검증 기간 모두 기존 일단위 강우를 이용한 SWAT 모형과 비교하여 더 좋은 성능을 보였다. 퇴적물량을 모의할 때는 보정 기간에 더 좋은 성능을 보이고, 검증 기간에는 같은 성능을 보였다. 특히 높은 유량과 퇴적물량이 관측된 기간에 기존 SWAT 모형보다 유량과 퇴적물량을 실제에 가깝게 예측하였다.

퇴적물량을 모의할 때는 보정 기간에 더 좋은 성능을 보이고, 검증 기간에는 같은 성능을 보였다. 특히 높은 유량과 퇴적물량이 관측된 기간에 기존 SWAT 모형보다 유량과 퇴적물량을 실제에 가깝게 예측하였다.

특히, 극한 강우 사상에 따른 첨두 유량과 퇴적물의 관계가 실제 관측치보다 훨씬 적게 추정되었다. 하지만, 수정된 강우 사상을 반영한 SWAT 모형의 결과는 모든 기간에서 안정적인 결과를 보였고, 일 단위 강우사상에서 잘 모의하지 못했던 2009년에서 2011년의 유량과 퇴적물과의 관계를 합리적으로 모의하였다. 이렇게 모형 간에 결과에 있어 차이가 나는 이유를 3가지 부분으로 나누어 검토하였다.

후속연구

모의 결과에 따르면 하천이나 농업용 저수지 인근의 밭에서 가장 많은 퇴적물량이 유출되었다. 따라서 해당 토지 이용에서 발생하는 퇴적물량을 줄이기 위한 저감 기술의 개발이 필요하다.
본 연구는 기존 모형의 수정을 통해 소옥천 유역에서 유량 및 퇴적물량 모의의 정확성을 개선하였고, 이는 연구 지역의 비점오염 유출을 줄이기 위한 의사 결정에 도움을 줄 수 있다. 또한 보다 정확한 유량 및 퇴적물량 모의를 위해서 하루 미만의 강우 자료를 반영할 수 있는 SWAT 모형을 사용하는 것이 필요할 것으로 판단된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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