도시 개발에 의해 우수의 불투수지역 확대, 하천부지의 축소, 산림 및 유수지의 감소 등이 급속히 진행되어 하천유량의 변화, 지하수위의 저하, 용수의 고갈, 생태계의 파괴 등이 발생되어 왔다. 도시지역은 도시형 수해발생, 갈수시의 급수안전도 지하, 평시 하천유량의 감소, 공공수역의 수질악화, 지하수 오열 등 여러 가지 문제에 직면하고 있다. 이러한 문제들은 서울의 경우도 예외는 아니며 청계천 복원 사업과 더불어 그동안 방치되었던 도시유역의 물순환 체계를 분석할 필요가 있다. 본 연구에서는 SWAT 모형을 이용하여 도시하천 유역의 물순환을 해석하였다. SWAT모형은 미국 농무성 농업연구소(Agricultural Research Service, ARS)에서 개발된 모델로서, 내규모의 복잡한 유역에서 장기간에 걸친 다양한 종류의 토양과 토지이용 및 토지관리 상태에 따른 물과 유사 및 농업화학물질의 거동에 대한 토지관리 방법의 영향을 예측하기 위해 개발되었다. SWAT 모형은 물리적 이론에 근거한 연속모형으로 준분포형 (Semi-Distributed) 모형이다. 본 연구는 도시하천 유역의 물순환체계 변동을 고려한 물순환 정상화 기술을 개발하기 위한 기초단계로서, 청계천 유역에 내해 모형을 적용하였다. 청계천은 중랑천의 제1지류인 지방2급 하천으로 유역면적 $50.96km^2$, 유로연장 13.75km이며, 2003년 7월부터 ,5.9km의 본류구간에 대한 복원공사가 진행 중이다. 적용유역의 수문${\cdot}$기상${\cdot}$지하수 자료는 1993널 1월 1일 $\~$ 2002년 12월 31일까지의 서울 기상청 자료를 이용하였으며, 지형, 토양, 토지이용 자료는 기존에 구축된 GIS 자료를 이용하였다. 모형 적용결과, 도시하천 유역에 대한 SWAT 모형의 적용성을 확인할 수 있었으며 유역의 물순환계를 구성하는 강수, 지표수, 토양수, 지하수 및 하천수 등의 상호 관계 분석을 통해 장기간의 유역 물순환체계 변화를 분석할 수 있었다.
도시 개발에 의해 우수의 불투수지역 확대, 하천부지의 축소, 산림 및 유수지의 감소 등이 급속히 진행되어 하천유량의 변화, 지하수위의 저하, 용수의 고갈, 생태계의 파괴 등이 발생되어 왔다. 도시지역은 도시형 수해발생, 갈수시의 급수안전도 지하, 평시 하천유량의 감소, 공공수역의 수질악화, 지하수 오열 등 여러 가지 문제에 직면하고 있다. 이러한 문제들은 서울의 경우도 예외는 아니며 청계천 복원 사업과 더불어 그동안 방치되었던 도시유역의 물순환 체계를 분석할 필요가 있다. 본 연구에서는 SWAT 모형을 이용하여 도시하천 유역의 물순환을 해석하였다. SWAT모형은 미국 농무성 농업연구소(Agricultural Research Service, ARS)에서 개발된 모델로서, 내규모의 복잡한 유역에서 장기간에 걸친 다양한 종류의 토양과 토지이용 및 토지관리 상태에 따른 물과 유사 및 농업화학물질의 거동에 대한 토지관리 방법의 영향을 예측하기 위해 개발되었다. SWAT 모형은 물리적 이론에 근거한 연속모형으로 준분포형 (Semi-Distributed) 모형이다. 본 연구는 도시하천 유역의 물순환체계 변동을 고려한 물순환 정상화 기술을 개발하기 위한 기초단계로서, 청계천 유역에 내해 모형을 적용하였다. 청계천은 중랑천의 제1지류인 지방2급 하천으로 유역면적 $50.96km^2$, 유로연장 13.75km이며, 2003년 7월부터 ,5.9km의 본류구간에 대한 복원공사가 진행 중이다. 적용유역의 수문${\cdot}$기상${\cdot}$지하수 자료는 1993널 1월 1일 $\~$ 2002년 12월 31일까지의 서울 기상청 자료를 이용하였으며, 지형, 토양, 토지이용 자료는 기존에 구축된 GIS 자료를 이용하였다. 모형 적용결과, 도시하천 유역에 대한 SWAT 모형의 적용성을 확인할 수 있었으며 유역의 물순환계를 구성하는 강수, 지표수, 토양수, 지하수 및 하천수 등의 상호 관계 분석을 통해 장기간의 유역 물순환체계 변화를 분석할 수 있었다.
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제안 방법
지형자료는 수자원 단위지도 상의 유역 경계와 토지이용도, 수치고도 모형(DEM), 토양도 등을 사용하였다. 공간정보의 기본적인 틀을 제공하는 기본도 인 수치고도 모형(DEM)은 환경부에서 구축한 1〃간격(약 30 m)을 이용하여 추출하였고, 한국건설기술연구원(2000)에서 NGIS 주제도 사업의 일환으로 1:25,000수치지형도 제작에 사용되는 1:37, 500 항공사진과 1:5,000수치지형도를 혼합 활용하여 구축된 1:25,000 토지이용현황도를 사용하였다. 또한, 토양도는 농촌진흥청의 1:50, 000 개략토양도를 사용하였다.
따라서, 본 연구에서는 SWAT 모형을 이용하여 건천화된 도시유역의 물순환체계 변화를 정량적으로 분석하였다.
계산한다. 또한 SWATe 지하수를 두 개의 대수층으로 구분하였다. 즉 유역의 하천에 회귀수를 공급하는 얕은 비 피압대수층과 유역 밖의 하천에 대한 회귀수에 기여하는 깊은 피압 대수층으로 나누어 물수지에 의해 계산된다.
보정하여 실측치와 비교하였다. 모형 적용을 위한 소유역의 구분은 청계천유역의 복개된 하천망을 디지타이징 하여 생성한 후, 각 지류의 합류점을 소유역 출구로 정하여 총 8개의 소유역으로 구분하였다 (그림 4). 이렇게 분할된 소유역을 기준으로 각 토지 이용에 따른 토양별 138개의 수문 반응단위(HRU)로 세분화하였다.
본 연구는 SWAT 모형을 이용하여 건천화된 도시유역의 물순환계를 구성하는 강수, 지표수, 토양수, 지하수 및 하천수 등의 상호관계 분석을 통해 유역의 물순환체계 변동을 고려한 물순환 정상화 기술개발을 위한 계획 수립의 기초단계로서, 프론티어 사업의 일환으로 추진 중인 청계천 유역에 대해 모형을 적용하였다.
모형 적용을 위한 소유역의 구분은 청계천유역의 복개된 하천망을 디지타이징 하여 생성한 후, 각 지류의 합류점을 소유역 출구로 정하여 총 8개의 소유역으로 구분하였다 (그림 4). 이렇게 분할된 소유역을 기준으로 각 토지 이용에 따른 토양별 138개의 수문 반응단위(HRU)로 세분화하였다.
즉 지형자료, 지형자료의 속성과 연결된 데이터, 그리고 기상 및 유역관리에 관련된 자료이다. 지형자료는 수자원 단위지도 상의 유역 경계와 토지이용도, 수치고도 모형(DEM), 토양도 등을 사용하였다. 공간정보의 기본적인 틀을 제공하는 기본도 인 수치고도 모형(DEM)은 환경부에서 구축한 1〃간격(약 30 m)을 이용하여 추출하였고, 한국건설기술연구원(2000)에서 NGIS 주제도 사업의 일환으로 1:25,000수치지형도 제작에 사용되는 1:37, 500 항공사진과 1:5,000수치지형도를 혼합 활용하여 구축된 1:25,000 토지이용현황도를 사용하였다.
청계천 유역에 대한 저수위의 수위 관측 자료가 없는 관계로 홍수기에 관측된 일부 자료를 이용하여 모형의 보정 및 검정을 실시하였으며, 실측치와 유사한 결과를 얻었다. 또한, 모의기간동안의 유출량은 2002년의 경우, 1, 388㎛의 강우에 대해 총유출량은 925㎛이었고, 직접 유출량은 799㎛로 나타났으며, 2000년과 2001년의 경우, 각각 1187imn, 1, 386㎛의 강우에 대해 총유출량이 788mm, 1, 012㎛이었으며, 직접유출량은 각각 666 mm, 890mm로 나타났다(표 1).
최하류인 중랑천 합류부지점에서의 장기 유줄 특성을 모의하였으며 매개변수를 보정하여 실측치와 비교하였다. 모형 적용을 위한 소유역의 구분은 청계천유역의 복개된 하천망을 디지타이징 하여 생성한 후, 각 지류의 합류점을 소유역 출구로 정하여 총 8개의 소유역으로 구분하였다 (그림 4).
대상 데이터
공간정보의 기본적인 틀을 제공하는 기본도 인 수치고도 모형(DEM)은 환경부에서 구축한 1〃간격(약 30 m)을 이용하여 추출하였고, 한국건설기술연구원(2000)에서 NGIS 주제도 사업의 일환으로 1:25,000수치지형도 제작에 사용되는 1:37, 500 항공사진과 1:5,000수치지형도를 혼합 활용하여 구축된 1:25,000 토지이용현황도를 사용하였다. 또한, 토양도는 농촌진흥청의 1:50, 000 개략토양도를 사용하였다.
모형의 보정은 2002년의 자료를 이용하였으며, 검정은 유역의 최종 출구 지점인 중랑천 합류부에서 약 2 km 상류부에 위치한 마장2교 지점의 2000~2001년까지의 실 측 유량자료를 면적비로 확장하여 이용하였다. 마장2 교 수위 관측소의 관측 자료 부족으로 2000년~2002년까지의 실측 홍수량 자료만을 이용하는 문제점이 있었으며, 이 자료 또한 홍수기의 시간별 자료이기 때문에 갈수기의 지속적인 관측 자료가 부족하여 장기유출 특성 모의를 위한 참고자료로는 한계가 있음을 알 수 있었다.
강우 및 기상자료는 1993년 1월 1일~ 2002년 12월 31일까지의 서울기상청의 최대. 최저온도, 풍속, 습도, 태양복사량 자료를 이용하였다.
이론/모형
SWAT에서 일별 지표면 유출량은 SCS 방법을 이용하여 산정하며, 측방 유출량은 Kinematic Storage Model을 이용하고 침투는 토층을 최대 10개 층까지 세분화하여 선형저수량 추적기법을 사용하여 계산한다. 또한 SWATe 지하수를 두 개의 대수층으로 구분하였다.
SWAT에서는 도시지역의 유출을 계산하기 위하여 SCS 유출 곡선지수법 또는 Green & Ampt 방법을 이용한다. 도시지역은 불투수 면적의 비율이 농촌지역과는 다르다.
잠재 증발산량을 산정하기 위하여 Hargreaves 방법, Priestley- Taylor 방법과 Penman-Monteith 방법을 제공하며, 작물과 토양의 증발산을 분리하여 모의하기 위해 Ritche 방법을 이용한다.
성능/효과
보정 및 검정을 실시하였으며, 실측치와 유사한 결과를 얻었다. 또한, 모의기간동안의 유출량은 2002년의 경우, 1, 388㎛의 강우에 대해 총유출량은 925㎛이었고, 직접 유출량은 799㎛로 나타났으며, 2000년과 2001년의 경우, 각각 1187imn, 1, 386㎛의 강우에 대해 총유출량이 788mm, 1, 012㎛이었으며, 직접유출량은 각각 666 mm, 890mm로 나타났다(표 1).
모형 적용 결과, 도시유역인 청계천 유역의 물순환 양상을 확인할 수 있었다. 또한 유역의 물순환계를 구성하는 강수, 지표수, 토양수, 지하수 및 하천수 등의 상호관계 분석을 통해 유역의 물순환체계 변동을 고려한 물순환 정상화 기술개발을 위한 계획 수립에 도움이 괼 것으로 사료된다.
9%로 대부분 이 양토(loam)로 이루어져 있으며, 청계천 복원구간 및 대부분의 하천은 식양질토(clay loam)로 구성되어 있고, 북한산 일대 및 남산의 일부 지역 등과 같은 산지 분포 지역은 대부분 사질양토(sandy loam)으로 구성되어 있다(그림 2). 토지이용 현황은 산림지역이 23.2%(침엽수 17.7%, 혼합림 2.7%, 기타임야지 2.8%)를 차지 하며, 도시지역이 75.9% 나대지(주거지 42.6%, 상업지 9.4%, 교통시설 12.3%, 공공시설물 11.6%)로 대부분이 주거지역이며, 이 외에 가 0.5%, 하천 0.5%, 미세한 초지 등으로 나타났다(그림 3).
후속연구
모형 적용 결과, 도시유역인 청계천 유역의 물순환 양상을 확인할 수 있었다. 또한 유역의 물순환계를 구성하는 강수, 지표수, 토양수, 지하수 및 하천수 등의 상호관계 분석을 통해 유역의 물순환체계 변동을 고려한 물순환 정상화 기술개발을 위한 계획 수립에 도움이 괼 것으로 사료된다. 그림 5는 2002년의 보정결과 이고, 그림6은 20이년의 검정 결과를 나타낸 것이다.
마장2 교 수위 관측소의 관측 자료 부족으로 2000년~2002년까지의 실측 홍수량 자료만을 이용하는 문제점이 있었으며, 이 자료 또한 홍수기의 시간별 자료이기 때문에 갈수기의 지속적인 관측 자료가 부족하여 장기유출 특성 모의를 위한 참고자료로는 한계가 있음을 알 수 있었다.
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