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문제 정의
- 현재 이수측면의 수자원계획을 위한 기본자료로 장기적인 평균유출량이 사용되고 있으나 최근 기후변화, 엘리뇨, 라니냐 등의 전지구적 자연환경 변화에 따라 강우 및 증발산, 유출량등의 경향이 크게 변화하고 있으므로 평균상태의 유출량만을 기반으로 국가적인 수자원의 계획 및 관리를수행하는 것은 다소 불확실성이 있다. 따라서 본 연구에서는 강우, 유출, 손실 등의 수문요소에 대해 경향성을 분석하고 그 변동성을 고찰하고자 하였다.
- 본 연구에서는 정확한 수문요소 변동성 분석을 위해 도식적 분석과 통계적 분석을 수행하였다. 도식적 분석은 해당 권역에 대해 연평균과 계절평균이 갖는 경향의 추세선을 통해 수행하였으며, 통계적 분석은 Mann-kendall기법을 통해 각 소유역별로 연평균 및 월평균 경향성을 분석하였다.
- 본 연구에서는 매개변수 추정유역을 선정하고 계측유역의 매개변수 추정 및 미계측유역의 유출분석을 위해 계측유역과 금강, 섬진강, 영산강수계의 기상 및 수문, 지형자료 등을 수집하였다. 선정된 매개변수 추정유역에서 자료기간에 따라 보정기간과 검증기간을 구분하여 최적 매개변수를 추정하고 유출량과 지형 인자 간의 회귀분석을 통해 계측유역의 매개변수를 미계측유역에 전이해 1966~20이년까지의 자연유출량을 산정하였다.
제안 방법
- 이 연구에서는 개념적유출모형 (Conceptual Rainfall Runoff) 인 TANK 모형을 사용하였는데 이는 관측자료가 없는 미계측유역에 적용시 해당유역의 유출특성을 반영하지 못하는 단점이 있고 지형적 인접성을 고려해 손실량과 유출모형의 매개변수를 단순 전이하였으므로 유출해석 결과의 불확실성이 클 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 미계측유역의 유출분석시 해당유역의 지형자료와 기상자료를 손실 및 유출량 계산에 활용하였으며 매개변수 전이시 유출특성이 가장 유사한 계측유역의 매개변수를 전이하였다.
- 계측유역과 금강, 섬진강, 영산강수계의 기상 및 수문, 지형자료 등을 수집하였다. 선정된 매개변수 추정유역에서 자료기간에 따라 보정기간과 검증기간을 구분하여 최적 매개변수를 추정하고 유출량과 지형 인자 간의 회귀분석을 통해 계측유역의 매개변수를 미계측유역에 전이해 1966~20이년까지의 자연유출량을 산정하였다. 마지막으로 수집된 강우자료와 산정된 유출량을 바탕으로 강우, 유출, 손실량의 변동성을 통계적 .
- 선정된 매개변수 추정유역에서 자료기간에 따라 보정기간과 검증기간을 구분하여 최적 매개변수를 추정하고 유출량과 지형 인자 간의 회귀분석을 통해 계측유역의 매개변수를 미계측유역에 전이해 1966~20이년까지의 자연유출량을 산정하였다. 마지막으로 수집된 강우자료와 산정된 유출량을 바탕으로 강우, 유출, 손실량의 변동성을 통계적 . 도식적으로 분석하여 그 결과를 제시하였다.
- 마지막으로 수집된 강우자료와 산정된 유출량을 바탕으로 강우, 유출, 손실량의 변동성을 통계적 . 도식적으로 분석하여 그 결과를 제시하였다.
- 제외하면 유출이 된다. 각 요소의 분석을 위해 강수량은 관측자료를 사용하였으나 유출량과 손실량은 대부분의 지점에 관측자료가 없는 실정이므로 유출량은 강우-유출모형을 통해 산정하였으며, 손실량은 강우에서 유출량을 감하여 추정하였다. 따라서 본 연구의 정확성은 정도 높은 장기유출량자료의 산출에 기인하며 이를 위해 국내외적으로 적용성이 입증된 PRMS모형을 사용하였다(정일원과 배덕효, 2005).
- HRU(Hydrologic Response Unit) 별로 유출을 해석하는 준분포형 모형으로 일 유출 모의 시 약 105개의 매개변수를 필요로 하며 증발산량 계산을 Hamon, Jensen-Haise 방법 중 선택적으로 사용할 수 있고 융설 모의 가 가능하며 장 . 단기유출해석을 위한 유출현상을 경 험식 과 물리 식으로 해석 한다.
- 결정되는 추정가능 매개변수와 지형자료에서 결정하기 힘든 추정난해 매개변수로 구분된다. 추정가능 매개변수는 유출분석 대상유역의 DEM, 임상도, 토양도, 토지피복도 등을 통하여 직접 추출되며, 추정난해 매개변수는 모형자체 제안 값을 사용하여 모형을 실행시킨 다음 모의결과를 관측치와 비교 . 검토 후 민감도가높은 매개변수들을 Rosenbrock 방법을 사용하여 최적화 시키는 방법을 사용한다.
- 검토 후 민감도가높은 매개변수들을 Rosenbrock 방법을 사용하여 최적화 시키는 방법을 사용한다. 그러나 관측자료가 없는미계측유역의 경우 추정난해 매개변수 최적화가 불가능하므로 본 연구에서는 미계측유역의 유출분석시 추정난해 매개변수는 유출특성이 가장 유사한 계측유역의 최적매개변수를 지역화 하였다.
- 매개변수 지역화 방법은 미계측유역에서 매개변수를 직접 결정하는 방법과 계측유역에서 추정된 매개변수를전이하는 방법으로 나눌 수 있는데, 미계측유역의 매개변수를 직접 결정하기 위해서는 다수의 계측유역을 확보하여 매개변수와 지형인자간의 상관관계를 분석해야 신뢰성 있는 회귀식을 확보할 수 있으나 국내에는 신뢰할 만한 계측자료가 충분치 못한 상황이므로 본 연구에서는 계측유역의 매개변수를 미계측유역으로 전이하는 방법을 사용하여 유출분석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 유역의 자연유량 산정에 초점을 맞춰 모형의 매개변수 추정유역을 선정하였다. 미계측유역의 민감도 높은 매개변수를 결정하기 위한 계측유역으로 수문자료의 신뢰도가 높으며, 유역내 인위적인 용수사용량이 비교적 적은 상류유역의 댐지점을 중심으로 선정한 결과 한강권역의 괴산댐, 도암댐 유역과 낙동강권역의 안동댐, 임하댐, 합천 댐유역 , 섬진강권역의 섬진강댐 유역을 선정하였다.
- 산정시 이에 대한 고려가 필요하다. 본 연구에서는 자료이용의 효율성을 높이기 위해 각 수계별로 자료의 보유기간에 따라 4개의 기간으로 관측소를 그룹화하여 MAP를 산정하였다.
- 전술한 바와 같이 본 연구의 정확성은 정도 높은 장기유출량 자료에 기인하므로 PRMS모형을 통한 유출분석 시 미계측유역의 기상 및 지형자료를 활용하여 증발산 및 지형매개변수들을 산정하고 추정불가능한 매개변수는 가장 유출특성이 유사한 계측유역의 매개변수를 전이하여 유출량을 산정하였다(김광천, 2005).
- 마지막으로 산정된 강우량과 계산된 자연유량의 차를 통해 손실량을 산출했다. 손실량은 토양수분과 증발산으로 구분되므로 정확한 분석을 위해서는 각각을 구분하여 분석을 수행해야 하나, 모형의 증발산량을 실제 증발산으로 가정하는 것은 보다 많은 검토가 필요한 것으로 판단되었으므로 본 연구에서는 손실량을 토양수분과 증발산으로 구분하지 않고 분석을 수행하였다.
- 산정된 강우량과 계산된 자연유량의 차를 통해 손실량을 산출했다. 손실량은 토양수분과 증발산으로 구분되므로 정확한 분석을 위해서는 각각을 구분하여 분석을 수행해야 하나, 모형의 증발산량을 실제 증발산으로 가정하는 것은 보다 많은 검토가 필요한 것으로 판단되었으므로 본 연구에서는 손실량을 토양수분과 증발산으로 구분하지 않고 분석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 금강, 섬진강, 영산강권역에 대해 1966~20이년까지 36년간 강우, 유출, 손실량 등 수문요소의 변동성을 분석하였다. 이를 위해 계측유역 및 적용유역의 기상 및 수문, 지형자료 등을 수집하여 매개변수 추정유역에서 PRMS모형의 최적매개변수를 추정하고 객관적인 방법으로 미계측유역에 전이해 장기유출량을 산정하였다.
- 변동성을 분석하였다. 이를 위해 계측유역 및 적용유역의 기상 및 수문, 지형자료 등을 수집하여 매개변수 추정유역에서 PRMS모형의 최적매개변수를 추정하고 객관적인 방법으로 미계측유역에 전이해 장기유출량을 산정하였다. 수집된 강우자료와 유출모의를 통해 산정된 유출량자료를 바탕으로 각 수문요소의 변동성을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 이를 위해 계측유역 및 적용유역의 기상 및 수문, 지형자료 등을 수집하여 매개변수 추정유역에서 PRMS모형의 최적매개변수를 추정하고 객관적인 방법으로 미계측유역에 전이해 장기유출량을 산정하였다. 수집된 강우자료와 유출모의를 통해 산정된 유출량자료를 바탕으로 각 수문요소의 변동성을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
대상 데이터
- 선정된 계측유역과 분석지역인 금강, 섬진강, 영산강권역에 대한 기상, 수문 및 지형자료를 수집하였다. 각 지역에 대한 가용 관측소별 강우 및 기온자료, 계측유역의 댐수문자료를 확보하는 한편 모형의 추정가능매개변수 산정을위해 DEM(Digital elevation model), 토양도, 임상도, 토지피복도 등의 지형자료를 수집하였다.
- 및 지형자료를 수집하였다. 각 지역에 대한 가용 관측소별 강우 및 기온자료, 계측유역의 댐수문자료를 확보하는 한편 모형의 추정가능매개변수 산정을위해 DEM(Digital elevation model), 토양도, 임상도, 토지피복도 등의 지형자료를 수집하였다.
데이터처리
- 본 연구에서는 정확한 수문요소 변동성 분석을 위해 도식적 분석과 통계적 분석을 수행하였다. 도식적 분석은 해당 권역에 대해 연평균과 계절평균이 갖는 경향의 추세선을 통해 수행하였으며, 통계적 분석은 Mann-kendall기법을 통해 각 소유역별로 연평균 및 월평균 경향성을 분석하였다.
- 각 수문요소의 변동성을 통계적으로 분석하기위해 소유역(단위유역)별로 연평균 및 월평균 변화를 Mann-kendall Test를 통해 분석하였다. 연평균 값을 분석하였을 때는 도식적 분석과 마찬가지로 유의수준의 변동성을 찾아보기 어려웠으나 그림 4와 같이 4월 및 6월에 해당하는 월평균 값들에서 변동추이를 파악할 수 있었다.
이론/모형
- 각 요소의 분석을 위해 강수량은 관측자료를 사용하였으나 유출량과 손실량은 대부분의 지점에 관측자료가 없는 실정이므로 유출량은 강우-유출모형을 통해 산정하였으며, 손실량은 강우에서 유출량을 감하여 추정하였다. 따라서 본 연구의 정확성은 정도 높은 장기유출량자료의 산출에 기인하며 이를 위해 국내외적으로 적용성이 입증된 PRMS모형을 사용하였다(정일원과 배덕효, 2005).
- PRMS모형은 1983년 USGS(U.S. Geological Survey)에서 개발한 모형으로 MMS(Modular Modeling System)를 기반으로 한다. HRU(Hydrologic Response Unit) 별로 유출을 해석하는 준분포형 모형으로 일 유출 모의 시 약 105개의 매개변수를 필요로 하며 증발산량 계산을 Hamon, Jensen-Haise 방법 중 선택적으로 사용할 수 있고 융설 모의 가 가능하며 장 .
- 추정가능 매개변수는 유출분석 대상유역의 DEM, 임상도, 토양도, 토지피복도 등을 통하여 직접 추출되며, 추정난해 매개변수는 모형자체 제안 값을 사용하여 모형을 실행시킨 다음 모의결과를 관측치와 비교 . 검토 후 민감도가높은 매개변수들을 Rosenbrock 방법을 사용하여 최적화 시키는 방법을 사용한다. 그러나 관측자료가 없는미계측유역의 경우 추정난해 매개변수 최적화가 불가능하므로 본 연구에서는 미계측유역의 유출분석시 추정난해 매개변수는 유출특성이 가장 유사한 계측유역의 최적매개변수를 지역화 하였다.
성능/효과
- 본 연구의 기초자료가 되는 장기유출량 산정을 위해 유출모형을 이용한 대표적인 선행연구로는 「수자원계획의 최적화 연구(Ⅲ)(건설교통부, 1999)」가 있다. 이 연구에서는 개념적유출모형 (Conceptual Rainfall Runoff) 인 TANK 모형을 사용하였는데 이는 관측자료가 없는 미계측유역에 적용시 해당유역의 유출특성을 반영하지 못하는 단점이 있고 지형적 인접성을 고려해 손실량과 유출모형의 매개변수를 단순 전이하였으므로 유출해석 결과의 불확실성이 클 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 미계측유역의 유출분석시 해당유역의 지형자료와 기상자료를 손실 및 유출량 계산에 활용하였으며 매개변수 전이시 유출특성이 가장 유사한 계측유역의 매개변수를 전이하였다.
- 각 권역별 강수, 손실, 유출량의 연평균 경향을 분석한 결과는 그림 2와 같다. 강수량은 금강권역에서 증가 경향을 나타냈으며 섬진강과 영산강권역은 감소경향을 나타냈고, 손실량은 금강과 영산강권역에서 감소경향, 섬진강권역에서 약증가 경향을 보였다. 또한 유출량은 금강권역에서는 약증가 경향을 보였으나 섬진강과영산강권역에서는 약감소 경향을 나타냈다.
- 도식적 분석 결과 연단위의 경향성에 비해 계절단위의 경향성이 더욱 일관적임을 알 수 있었고 특히, 봄철 강우 및 유출 감소와 여름철 강우 및 유출의 증가가 뚜렷한 양상을 보였으며 이는 연단위 변동분석시 계절별 경향들이 함축되어 그 특성이 가시적으로 나타나지 않은 것으로 판단되었다.
후속연구
- 따라서 특정유역에서는 봄철 강수량 및 유출량의 감소와 여름철 강수량 및 유출량 증가 경향이 나타나 향후 봄가뭄과 여름 홍수피해 위험이 증대될 것으로 사료된다. 이에 따라 해당유역의 수자원계획이나 관리 시 평균상태의 유출량과 더불어 계절에 따른 피해위험을 고려한 대책이 필요하다.
- 향후 손실량을 증발산량과 토양수분 변화량으로 구분하여 분석한다면 강우에 따른 유량변화 뿐만 아니라증발산에 따른 유량변화도 파악할 수 있을 것으로 판단된다.
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