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문제 정의
- 이수관리를 위해서는 일단위, 또는 주간, 순간, 월간 및 연단위의 유출을 연속적으로 모의하여야 하며, 이와 같은 목적의 수문모형이 개발되고 적용되어야 할 것이다. 본 연구에서는 한강 유역을 대상으로 연속유출모형을 적용하여 이수기 물관리모형을 개발하고자 한다.
가설 설정
- 유역추적 매개변수는 지표수, 복류수 및 지하수 각각에 대한 추적 및 IS유역모형에서 추가되는 회귀지하수 등 4가지 흐름장에 대한 추적이 독립적으로 이루어지게 된다. 각 흐름장은 여러개의 가상적인 선형저수지로 구성되어 있다고 가정하고 이에 대한 저수지 추적을 시행하게 되는 것이다. 각 흐름장에서의 매개변수로는 가상저수지의 수효와 저류시간이 있으며 각 매개변수는 유역면적과 유로연장 및 도달시간 등을 참고하여 산정하였다.
- 강우 자료의결 측이 가장 적은 1993년과 1994년을 분석 기간으로 선정하였는데 1994년은 가뭄이 심했던 해이다. 두 해에 대해서 각각 1월 1일부터 12월 31일까지를 SSARR모형으로 모의하였으며 여러가지 초기조건은 적절하게 가정하여 부여하였다. 변수보정을 위해서는 각 소유역에서 유출량의 계산치와 관측치 자료로부터 유역별 매개변수가 결정되어야 하지만 몇 개소의 제어지점올 제외한 대부분의 관측자료가 부실하거나 수위-유량곡선의 신빙성이 다소 결여되어 있는실정이다, 따라서 본 연구에서는 소유역별 매개변수의 독립적 산정은 차후로 미루고 6개 제어지점 즉 충주댐, 여주수위관측소, 화천댐, 소양강댐, 청평댐 및 팔당댐에서의 결과만으로 변수를 보정하였다.
제안 방법
- 적용 모형은 SSARR 모형으로 선정하였다. SSARR 모형의 입력자료를 물리적 매개변수, 수문기상 매개변수 및 내부처리 매개 변수로 구분하여 구축하였고 강우자료의 결측치가 비교적 많지 않은 1993년과 1994년의 자료를 이용하여 매개변수의 민감도분석과 함께 모형의 보정을 실시하고 1998년도 자료를 이용하여 모형의 검정을 실시하였다. 민감도 분석 결과, 유역유출과 관련된 매개변수에서는 고수시와 저수시의 경우 지표수와 복류수의 분리하는 매개변수에서 민감도가 크게 나타났다.
- SSARR모형에서 가장 민감한 변수 중 하나인 토양 습윤상태별 유출율(SMI-ROP) 도표를 유역별로 산정하기 위하여 우선 초기치로서 GIS Tool 인 Arcinfo 7.2.1 올 이용하여 유역별 SMI-ROP 도표를 결정하였다. 즉, 총 22개 소유역의 CN값에 따라 3개의 중유역으로 나누어 CN값이 69인 1번 소유역에서 8번 소유역까지는 SMI-a, CN값이 기인 9번, 10번, 11번 21번 소유역은 SMI-b, 그리고 CN값이 70인 나머지 소유역은 SMI-c 곡선을 각각 적용하였다.
- 각 흐름장은 여러개의 가상적인 선형저수지로 구성되어 있다고 가정하고 이에 대한 저수지 추적을 시행하게 되는 것이다. 각 흐름장에서의 매개변수로는 가상저수지의 수효와 저류시간이 있으며 각 매개변수는 유역면적과 유로연장 및 도달시간 등을 참고하여 산정하였다. 하도추적 매개변수는 유역추적과 마찬가지로 연속된 가상저수지의 추적 방법이 사용되는 바, 가상저수지의 수효와 저류시간이 매개변수가 된다.
- 이 방법에 의해 전체 소유역을 충주댐 권역, 소양댐권역 및 여주권역 3개 권역으로 나누어각 권역별 고도 보정계수를 하절기 및 동절기로 나누어 구하였다. 강우강도별 ETI 가중치(EKE), 기온별 증발산 지수(ETP), SMI별 ETI 가중치 (DKE), 고도별 ETI 가중치 (ETEL), 월별 ETI 가중치 (ETM), 최대 차단량(TINTMX), 기온자료를 입력자료로 하였다.
- 총 22개로 하였다. 강우관측소의 선정과 Thiessen 계수의 산정은 최근에 한국수자원공사에서 새로 추가한 강우관측소를 위주로 131개 강우관측소를 대상으로 하였으며, 강우자료의 결측치는 RDS 방법을 사용하여 보완하였다. 유역의 유출 특성을 파악하기 위한 분석지점은 충주댐, 여주 수위표, 화천댐, 소양댐, 청평댐, 팔당댐으로 총 6개 지점을 선정하였다.
- 따라서 고수시와 저수시로 분리하여 각각에 대해 민감한 변화를 보이는 매개변수를 각각의 목적함수로 선정하여 SSARR모형 수행을 위한 최종 매개변수를 산정하였다. 최종 매개변수 추정시 이용된 관즉유출량자료는 전절에서 언급한 각 지점별 수위-유량 관계곡선식으로 환산된 유량이다.
- IS유역모형은 장기간의 유출해석에 대한 기능을 대폭 보완시킨 것으로서 차단에 대한 모의기능과 장기적 회귀지하수 추적기능 및 증발산 모의기능을 개선시킨 것이다. 또한 추후 저수관리시스템에 갖추어져야 할 대화식 구동방식인 Interactive(IA) 방식이 도입되어 키보드를 통한 기존방식인 Batch(BA) 방식과 서로 병행하여 사용할 수 있게 하였다.
- 모형의 검증을 위하여 보정을 통해 결정된 매개변수 값을 이용해 타해년도의 유출을 모의하였다. 1998년을 검증대상으로 선정하여 6개 제어지점에서 유량의 계산치와 관측치를 비교하였다.
- 모형의 보정에 앞서 결정된 매개변수에 따른 SSARR모형의 계산결과를 분석하였다. 강우 자료의결 측이 가장 적은 1993년과 1994년을 분석 기간으로 선정하였는데 1994년은 가뭄이 심했던 해이다.
- 두 해에 대해서 각각 1월 1일부터 12월 31일까지를 SSARR모형으로 모의하였으며 여러가지 초기조건은 적절하게 가정하여 부여하였다. 변수보정을 위해서는 각 소유역에서 유출량의 계산치와 관측치 자료로부터 유역별 매개변수가 결정되어야 하지만 몇 개소의 제어지점올 제외한 대부분의 관측자료가 부실하거나 수위-유량곡선의 신빙성이 다소 결여되어 있는실정이다, 따라서 본 연구에서는 소유역별 매개변수의 독립적 산정은 차후로 미루고 6개 제어지점 즉 충주댐, 여주수위관측소, 화천댐, 소양강댐, 청평댐 및 팔당댐에서의 결과만으로 변수를 보정하였다.
- 본 연구에서는 “낙동강 홍수예경보 및 저수관리 프로그램 개발 (저수관리부문), , 에서 적용한 방법과 동일한 방법을 사용하였다. 이 방법에 의해 전체 소유역을 충주댐 권역, 소양댐권역 및 여주권역 3개 권역으로 나누어각 권역별 고도 보정계수를 하절기 및 동절기로 나누어 구하였다. 강우강도별 ETI 가중치(EKE), 기온별 증발산 지수(ETP), SMI별 ETI 가중치 (DKE), 고도별 ETI 가중치 (ETEL), 월별 ETI 가중치 (ETM), 최대 차단량(TINTMX), 기온자료를 입력자료로 하였다.
- 1 올 이용하여 유역별 SMI-ROP 도표를 결정하였다. 즉, 총 22개 소유역의 CN값에 따라 3개의 중유역으로 나누어 CN값이 69인 1번 소유역에서 8번 소유역까지는 SMI-a, CN값이 기인 9번, 10번, 11번 21번 소유역은 SMI-b, 그리고 CN값이 70인 나머지 소유역은 SMI-c 곡선을 각각 적용하였다. 침투량별 지하수 유입률(BII-BFP) 역시 GIS Tool인 Arcinfo 7.
- 즉, 총 22개 소유역의 CN값에 따라 3개의 중유역으로 나누어 CN값이 69인 1번 소유역에서 8번 소유역까지는 SMI-a, CN값이 기인 9번, 10번, 11번 21번 소유역은 SMI-b, 그리고 CN값이 70인 나머지 소유역은 SMI-c 곡선을 각각 적용하였다. 침투량별 지하수 유입률(BII-BFP) 역시 GIS Tool인 Arcinfo 7.2.1 을 사용하여 SMI와 동일하게 전체 소유 역을 3개로 나누어 각각 BII-a, BII-b, BII-c 곡선을 적용하였다. 지표수와 복류수 분리(S-SS) 도표 역시 SMg BII 경우와 동일하게 산정하였다.
- 활용하였다. 한 개의 소유역을 여러개의 밴드로 분할하는 IS 유역모형에는 고도별 면적비가 입력되어야 하는데 고도별 유역면적과 고도별 면적비를 산정하여 입력자료로 하였다. SSARR의 저수지 조작 기능 중 방류량이 설정되는 경우에 대해서만 모의하였는데 한강수계에서 수문이 있어 저수지 조작이 가능하고 방류량 자료가 있는 충주댐, 화천댐, 소양강댐, 청평댐 4 개 댐의 방류량을 입력하였다.
대상 데이터
- 모의하였다. 1998년을 검증대상으로 선정하여 6개 제어지점에서 유량의 계산치와 관측치를 비교하였다.
- 한 개의 소유역을 여러개의 밴드로 분할하는 IS 유역모형에는 고도별 면적비가 입력되어야 하는데 고도별 유역면적과 고도별 면적비를 산정하여 입력자료로 하였다. SSARR의 저수지 조작 기능 중 방류량이 설정되는 경우에 대해서만 모의하였는데 한강수계에서 수문이 있어 저수지 조작이 가능하고 방류량 자료가 있는 충주댐, 화천댐, 소양강댐, 청평댐 4 개 댐의 방류량을 입력하였다.
- 대상유역으로는 한강유역으로 하였으며 유역 유출을 분석하기 위해 한강수계를 22개의 소유역으로 분할하였다. 한강유역에내 강우관측소는 총 166개소로서 건설교통부 관할 105개소, 기상청관할 11개소, 그리고 한국수자원공사 관할이 50개소 둥이다.
- 한강유역에내 강우관측소는 총 166개소로서 건설교통부 관할 105개소, 기상청관할 11개소, 그리고 한국수자원공사 관할이 50개소 둥이다. 본 연구에 사용된 강우관측소는 이들 강우관측소에서 131개의 강우관측소만을 선정하였다. 유역의 유출 특성을 파악하기 위한 분석지점은 「기존댐 용수공급능력조사(한강수계)」에서 개발된 CoMOM 모형에 유출자료가 입력되는 주요 조절점인 충주댐, 여주 수위표, 화천댐, 소양댐, 청평댐, 팔당댐으로 선정하였다.
- 본 연구에 사용된 강우관측소는 이들 강우관측소에서 131개의 강우관측소만을 선정하였다. 유역의 유출 특성을 파악하기 위한 분석지점은 「기존댐 용수공급능력조사(한강수계)」에서 개발된 CoMOM 모형에 유출자료가 입력되는 주요 조절점인 충주댐, 여주 수위표, 화천댐, 소양댐, 청평댐, 팔당댐으로 선정하였다.
- 강우관측소의 선정과 Thiessen 계수의 산정은 최근에 한국수자원공사에서 새로 추가한 강우관측소를 위주로 131개 강우관측소를 대상으로 하였으며, 강우자료의 결측치는 RDS 방법을 사용하여 보완하였다. 유역의 유출 특성을 파악하기 위한 분석지점은 충주댐, 여주 수위표, 화천댐, 소양댐, 청평댐, 팔당댐으로 총 6개 지점을 선정하였다. 각각의 댐 지점은 실측된 일유입량과 .
- 적용대상 유역은 한강수계로 하였으며 소유역 분할은 총 22개로 하였다. 강우관측소의 선정과 Thiessen 계수의 산정은 최근에 한국수자원공사에서 새로 추가한 강우관측소를 위주로 131개 강우관측소를 대상으로 하였으며, 강우자료의 결측치는 RDS 방법을 사용하여 보완하였다.
- 한강수계의 유역을 24개 소유역으로 분할하였으며 강우 관측소는 131개소를 선정하였다, 각 소유역별 Thiessen계수를 산장하여 입력자료로 활용하였다. 한 개의 소유역을 여러개의 밴드로 분할하는 IS 유역모형에는 고도별 면적비가 입력되어야 하는데 고도별 유역면적과 고도별 면적비를 산정하여 입력자료로 하였다.
이론/모형
- 일방류량 자료가 있으며, 수위 관측소가 있는 여주 수위 표 지점의 '93년과 '94년의 수위-유량 관계는 「기존댐 용수공급능력조사.(한강수계)」에서 검토 개발된 것을 사용하고 '98년의 수위-유량 관계식은 「남한강 유역 유량측정 보고서(1998)」에서 개발된 것을 사용하였다. 적용 모형은 SSARR 모형으로 선정하였다.
- 본 연구에 적용된 SSARR모형은 최신 버전(200的)으로서 IS (integrated snowband) 유역모형을 적용하였다. IS유역모형은 장기간의 유출해석에 대한 기능을 대폭 보완시킨 것으로서 차단에 대한 모의기능과 장기적 회귀지하수 추적기능 및 증발산 모의기능을 개선시킨 것이다.
- 그러나 Thiessen방법에 의해 산정된 유역평균 강우량은 유역을 단순한 평면으로 간주하여 산정된 것이므로 고도별 강우 가중치를 부여하여 이러한 가정을 보완할 수 있다. 본 연구에서는 “낙동강 홍수예경보 및 저수관리 프로그램 개발 (저수관리부문), , 에서 적용한 방법과 동일한 방법을 사용하였다. 이 방법에 의해 전체 소유역을 충주댐 권역, 소양댐권역 및 여주권역 3개 권역으로 나누어각 권역별 고도 보정계수를 하절기 및 동절기로 나누어 구하였다.
- 본 연구의 대상수계인 한강수계에 적용하기 위한 연속유출 모형은 한국의 주요 수계에 적용되어 현재 실무부서 인 한국수자원공사 물관리센터에서 사용하고 있는 SSARR 모형을 선정하였다. SSARR 모형은 미국 공병단의 북태평양지부에서 수자원 시스템의 계획, 설계 및 관리를 위한 수문모형으로 1956년 처음 개발된 이래, 1975년 유역 및 하도 추적에 대한 기본 골격을 갖추었으며, 이후 integrated Snowband 유역모형과 운영예보 기능이 추가되어 현재에 이르고 있다.
- (한강수계)」에서 검토 개발된 것을 사용하고 '98년의 수위-유량 관계식은 「남한강 유역 유량측정 보고서(1998)」에서 개발된 것을 사용하였다. 적용 모형은 SSARR 모형으로 선정하였다. SSARR 모형의 입력자료를 물리적 매개변수, 수문기상 매개변수 및 내부처리 매개 변수로 구분하여 구축하였고 강우자료의 결측치가 비교적 많지 않은 1993년과 1994년의 자료를 이용하여 매개변수의 민감도분석과 함께 모형의 보정을 실시하고 1998년도 자료를 이용하여 모형의 검정을 실시하였다.
성능/효과
- 저수시 민감도가 크게 나타났다. BⅡ의 저류 시간(BIITS), 최대BII(BIIMX)와 최대지하수유출율 (BFLIM)의 분석결과 고수시는 물론이고 저수 시에도 상대적으로 둔감한 결과를 나타내었다.
- 저수시 검증 결과도 보정자료에 비해 절대오차가 그리 크지 않으며, 청평과 팔당지점에서의 절대오차는 보정 자료에 비해 월등히 개선되었음을 알 수 있다. 따라서 한강 유역 6개 지점의 고수 및 저수시의 검정 결과는대체적으로 만족스런 결과를 보이고 있다.
- 저수시 검증 결과도 보정자료에 비해 절대오차가 그리 크지 않으며, 청평과 팔당지점에서의 절대오차는 보정 자료에 비해 월등히 개선되었음을 알 수 있다. 따라서 한강 유역 6개 지점의 고수 및 저수시의 검정 결과는대체적으로 만족스런 결과를 보이고 있다.
- 모형의 보정결과 고수시 오차는 1993년과 1994년에서 감소되었으나 저수시 오차에서 1994년 자료에 있어서는 다소 감소되었으나 1993년 자료에 있어서는 증가하였다. 모형의 검정결과 고수 시에는 상대오차의 평균값이 보정자료에 비해 매우 오차가 작게 나타남으로써 고수시 검증결과는 만족스럽다고 할 수 있다. 저수시 검중결과도 보정자료에 비해 절대오차가 그리 크지 않으며, 청평과 팔당 지점에서의 절대오차는 보정 자료에 비해 월등히 개선되었음을 알 수 있다.
- SSARR 모형의 입력자료를 물리적 매개변수, 수문기상 매개변수 및 내부처리 매개 변수로 구분하여 구축하였고 강우자료의 결측치가 비교적 많지 않은 1993년과 1994년의 자료를 이용하여 매개변수의 민감도분석과 함께 모형의 보정을 실시하고 1998년도 자료를 이용하여 모형의 검정을 실시하였다. 민감도 분석 결과, 유역유출과 관련된 매개변수에서는 고수시와 저수시의 경우 지표수와 복류수의 분리하는 매개변수에서 민감도가 크게 나타났다. 저수 시의 경우 지하수 중 회귀지하수가 차지하는 비율이 크게 나타났고, 지표수, 복류수, 지하수 및 회귀 지하수의 저류시간에서 비교적 큰 민감도를 나타내었다.
- 민감도 분석 결과, 유역유출과 관련된 매개변수에서는 고수시와 저수시의 경우 지표수와 복류수의 분리하는 매개변수에서 민감도가 크게 나타났다. 저수 시의 경우 지하수 중 회귀지하수가 차지하는 비율이 크게 나타났고, 지표수, 복류수, 지하수 및 회귀 지하수의 저류시간에서 비교적 큰 민감도를 나타내었다. 모형의 보정결과 고수시 오차는 1993년과 1994년에서 감소되었으나 저수시 오차에서 1994년 자료에 있어서는 다소 감소되었으나 1993년 자료에 있어서는 증가하였다.
- 모형의 검정결과 고수 시에는 상대오차의 평균값이 보정자료에 비해 매우 오차가 작게 나타남으로써 고수시 검증결과는 만족스럽다고 할 수 있다. 저수시 검중결과도 보정자료에 비해 절대오차가 그리 크지 않으며, 청평과 팔당 지점에서의 절대오차는 보정 자료에 비해 월등히 개선되었음을 알 수 있다. 따라서 한강유역 6개 지점의 고수 및 저수 시의 검정 결과는 대체적으로 만족스런 결과를 보이고 있다.
- 검증결과는 만족스럽다고 할 수 있다. 저수시 검증 결과도 보정자료에 비해 절대오차가 그리 크지 않으며, 청평과 팔당지점에서의 절대오차는 보정 자료에 비해 월등히 개선되었음을 알 수 있다. 따라서 한강 유역 6개 지점의 고수 및 저수시의 검정 결과는대체적으로 만족스런 결과를 보이고 있다.
- 로 취하였다. 최대 BII(BIIMX) 와 최대 지 하수유출율 (BFLIM) 은 SSARR Manual pp. 21 ~ 22를 참조하여 BIIMX는 3 cm/일로 취하였고, 계산시간간격과 밀접한 관계가 있는 매개변수인 BFLIMe 계산시간간격이 커질수록 작아지는 경향을 보이게 되며 일유출 모의 시의 전형적인 값은 0.13 cm/hr 정도의 값을 갖는다. 지하수 중 회귀지하수가 차지하는 비율(PBLZ) 및 이의 최대값(DGWLIM)은 통상 50% 정도로 하며 DGWLIM 값은 0.
- 한강수계에 대한 모형 적용에 앞서 SSARR모형의매개변수의 민감도분석을 실시하였다, SSARR 모형의 매개변수 중에서 토양습윤상태별 유출률 (SMI-ROP)는 고수와 저수를 막론하고 가장 민감한 변수로 분석 되었으며 침투량별 지하수 유입률 (BU-BFP), 지표수와 복류수 분근”S-SS) 및 지하수 중 회귀지하수가 차지하는 비율(PBLZ)은 고수시 민감도보다 저수시 민감도가 크게 나타났다. BⅡ의 저류 시간(BIITS), 최대BII(BIIMX)와 최대지하수유출율 (BFLIM)의 분석결과 고수시는 물론이고 저수 시에도 상대적으로 둔감한 결과를 나타내었다.
후속연구
- 또한, 지금까지의 댐 운영은 단일 댐위주로, 그리고 댐 상류 유역의 수문학적 조건에 따라 온 것이 사실이지만, 점차 수계 전체를 고려하고 수계 내 댐들을 연계 운영할 필요성이 증대되고 있는 현실이다. 이러한 모형과 시스템은 수자원의 부족이 예상되는 21세기에 더욱 효율적인 댐운영의 지침을 제공할 수 있을 것으로 기대된다. 그럼에도 불구하고 이수 물관리의 근간이 되는 수계 저수유출을 모의할 수 있는 모형은 정립되어 있지 못한 실정이다.
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