[논문]SWAT 모형을 이용한 증발산 및 유출 성분의 해석 -설마천 유역을 대상으로-

조형경; 이지완; 신형진; 정인균; 김성준

문제 정의

따라서 본 연구에서는 현재 한국건설기술연구원의 시험 유역으로 운영(1995 ~ 현재)되고 있어 양질의 자료가 구축되어 있는 설마천 유역을 대상으로 수문성분을 해석 해 보고자 하였으며, 증발산량은 신뢰할 만한 실측자료가 2007년 9월부터 2008년 12월까지 구축되었으므로 그 기간 동안의 자료를 수집하였고, 유출량은 2002년부터 2008년까지의 자료를 수집하여 준분포형 장기강우유출모형인 SWAT (Soil and Water Assessment Tool) 모형을 선정하여 적용성 평가를 실시하였다.
본 연구는 전형적인 급경사 산지 사행하천이며 곡류하천 유역인 설마천 유역을 대상으로 준분포형 장기강우유출모형인 SWAT(Soil and Water Assessment Tool) 모형을 적용하여 수문성분 중 증발산량 및 유출량의 특성을 살펴보았다. 현지 계측 자료인 수문기상자료 및 공간 자료를 이용하여 모형을 적용하였다.

제안 방법

7㎢/개소), 수위관측소 2 개소, 기상관측소 1개소가 설치되어 양질의 수문자료를 얻을 수 있으며(그림 1), 이 중 모형의 신뢰성을 높이기 위하여 최근 자료인 2002년부터 2008년까지의 수문기상자료를 이용하여 입력자료를 구축하였다. 결측치가 많은 일사량은 직접 이용할 수 없으므로 일조시간과 위도 등을 이용하여 일사량을 계산한 값을 이용하였다. 공간자료는 환경부에서 제공하는 30m DEM(그림 2), 가장 최근에 제공한 Landsat 위성영상을 수집 및 분석하여 작성한 1:25,000 토지이용도(그림 3), 한국농어촌공사에서 제공한 1:25,000 정밀토양도(그림 4) 등을 이용하였다.
각 수문성분 별로 민감하다고 파악된 매개변수를 이용하여 증발산에 대한 검·보정은 유역의 혼효림을 기준으로, 유출량에 대한 검 보정은 유역의 출구점을 기준으로 실시하였다.
증발산량은 신뢰할 만한 실측자료가 2007년 9월부터 2008년 12월까지 수집되었으므로 그 기간 동안의 실측값과 모의값을 비교, 분석하였고, 유출량은 2002년을 초기구동기간(warm-up period)으로 설정하고 2003년부터 2008년까지의 실측값과 모의값을 비교, 분석한 뒤 전체적인 검·보정을 통해 모형의 적용성 평가를 실시하였다.
SWAT 모형의 보정 및 검증을 위하여 증발산 및 유출에 관련된 대표 매개변수 중 총 23개의 매개변수를 선정하여 유출 출구점에 대한 민감도분석을 실시하였다. LH-OAT방법을 이용하여 민감도 등급을 결정하였으며, 분석 결과 증발산과 관련된 매개변수 에서는 GSI, ESCO, EPCO, CANMX가, 유출과 관련된 매개변수에서는 CN2, Surlag, ALPHA_BF, GW_Revap, GW_Delay, ESCO가 가장 민감한 것으로 나타났다.
본 연구는 전형적인 급경사 산지 사행하천이며 곡류하천 유역인 설마천 유역을 대상으로 준분포형 장기강우유출모형인 SWAT(Soil and Water Assessment Tool) 모형을 적용하여 수문성분 중 증발산량 및 유출량의 특성을 살펴보았다. 현지 계측 자료인 수문기상자료 및 공간 자료를 이용하여 모형을 적용하였다. 각 수문성분에 관련된 매개변수를 보정한 후, 증발산량은 신뢰할 만한 실측자료가 2007년 9월부터 2008년 12월까지 수집되었으므로 그 기간 동안의 실측값과 모의값을 비교 및 분석하였고, 유출량은 2002년을 초기구동기간(warm-up period)으로 설정하고 2003년부터 2008년까지의 실측값과 모의값을 비교, 분석한 뒤 전체적인 검증을 통해 모형의 적용성 평가를 실시하였다.
현지 계측 자료인 수문기상자료 및 공간 자료를 이용하여 모형을 적용하였다. 각 수문성분에 관련된 매개변수를 보정한 후, 증발산량은 신뢰할 만한 실측자료가 2007년 9월부터 2008년 12월까지 수집되었으므로 그 기간 동안의 실측값과 모의값을 비교 및 분석하였고, 유출량은 2002년을 초기구동기간(warm-up period)으로 설정하고 2003년부터 2008년까지의 실측값과 모의값을 비교, 분석한 뒤 전체적인 검증을 통해 모형의 적용성 평가를 실시하였다. 증발산에 대한 보정 및 검정은 유역의 혼효림을 기준으로, 유출량에 대한 보정 및 검정은 유역의 출구점을 기준으로 실시하였다.
각 수문성분에 관련된 매개변수를 보정한 후, 증발산량은 신뢰할 만한 실측자료가 2007년 9월부터 2008년 12월까지 수집되었으므로 그 기간 동안의 실측값과 모의값을 비교 및 분석하였고, 유출량은 2002년을 초기구동기간(warm-up period)으로 설정하고 2003년부터 2008년까지의 실측값과 모의값을 비교, 분석한 뒤 전체적인 검증을 통해 모형의 적용성 평가를 실시하였다. 증발산에 대한 보정 및 검정은 유역의 혼효림을 기준으로, 유출량에 대한 보정 및 검정은 유역의 출구점을 기준으로 실시하였다. 그 결과 유출 및 증발산의 모의경향은 실측치의 경향과 비교적 비슷하지만 증발산량의 통계적인 상관성의 결과는 불안정한 경향을 보였다.

대상 데이터

본 연구의 대상 유역은 설마천 유역으로, 임진강 하구에서 약 46km 상류인 경기도 파주시 적성면의 마지리와 설마리에 설마천 중류부에 위치한 전적비교 상류지역 이며 임진강 하구에서 약 46㎞ 떨어진 임진강의 제 1 지류인 지방 2급 하천으로 그 면적은 대략 8.54㎢ 유로연장 5.8㎞ 유로경사 2% 로 전형적인 급경사 산지 사행하천이며 곡류하천 유역이다. 하천의 형태는 수지상에 직각상이 결합된 형태이며 유역의 지질은 경기편마암 복합체로 구성 단층과 엽리가 잘 발달되어 있으며 이러한 지질구조의 특성상 초기강우 시 소량의 우량에는 하천의 수위에 큰 변화가 없고, 파쇄대를 채우고 난 이후에 하천의 수위가 급격히 증가하는 현상을 보인다.
SWAT 모형의 적용을 위해서는 수문기상자료(강수량, 일사량, 풍속, 상대습도, 기온)와 공간 자료(수치지형도(DEM), 토지이용도, 토양도)가 필요하다. 현재 한국건설기술연구원의 시험 유역으로 운영(1995 ~ 현재)되고 있는 설마천 유역에는 우량관측소 5개소(유역밀도 1.7㎢/개소), 수위관측소 2 개소, 기상관측소 1개소가 설치되어 양질의 수문자료를 얻을 수 있으며(그림 1), 이 중 모형의 신뢰성을 높이기 위하여 최근 자료인 2002년부터 2008년까지의 수문기상자료를 이용하여 입력자료를 구축하였다. 결측치가 많은 일사량은 직접 이용할 수 없으므로 일조시간과 위도 등을 이용하여 일사량을 계산한 값을 이용하였다.
결측치가 많은 일사량은 직접 이용할 수 없으므로 일조시간과 위도 등을 이용하여 일사량을 계산한 값을 이용하였다. 공간자료는 환경부에서 제공하는 30m DEM(그림 2), 가장 최근에 제공한 Landsat 위성영상을 수집 및 분석하여 작성한 1:25,000 토지이용도(그림 3), 한국농어촌공사에서 제공한 1:25,000 정밀토양도(그림 4) 등을 이용하였다.

이론/모형

유역의 90% 이상은 주로 20∼30년 수령의 침엽수와 활엽수로 구성되어 있고, 표토는 얕은 편으로 함양능력이 대단히 낮으며, 산지 사면에 산재한 다량의 돌과 자갈은 집중호우 시 토석류를 유발한다. 본 연구에서는 증발산량 및 유출량을 모의하기 위하여 SWAT(Soil and Water Assessment Tool) 모형을 적용하였다. 이 모형은 물리적 기반의 준분포형 장기 강우-유출 모형으로서, 대규모의 복잡한 유역에서 장기간에 걸친 다양한 종류의 토양과 토지이용 및 토지관리 상태에 따른 유출의 영향을 예측하기 위해 개발되었으며 물수지 방정식에 근거를 두고 강수, 증발산, 지표유출, 기저유출, 지하수, 토양수분 등에 대한 모의를 각 수문반응단위 별로 계산 할 수 있다(Arnold 등, 1998).

성능/효과

SWAT 모형의 보정 및 검증을 위하여 증발산 및 유출에 관련된 대표 매개변수 중 총 23개의 매개변수를 선정하여 유출 출구점에 대한 민감도분석을 실시하였다. LH-OAT방법을 이용하여 민감도 등급을 결정하였으며, 분석 결과 증발산과 관련된 매개변수 에서는 GSI, ESCO, EPCO, CANMX가, 유출과 관련된 매개변수에서는 CN2, Surlag, ALPHA_BF, GW_Revap, GW_Delay, ESCO가 가장 민감한 것으로 나타났다.
검 보정 결과를 종합적으로 살펴본 결과 증발산량에서 R²(그림 7)는 0.55, ME는 0.48, RMSE는 0.8mm/day로 나타났으며, 유출량에서 R²(그림 8)는 0.76, ME는 0.68, RMSE는 5.14mm/day로 나타나, 유출 및 증발산의 모의경향은 실측치의 경향과 비교적 비슷하지만 증발산량의 통계적인 상관성의 결과는 불안정한 경향을 보였다. 증발산과 유출이 서로 연관 되어있으므로 어느 한 수문 성분만을 조절할 경우 다른 수문성분에 영향을 주게 되어 전체적인 조율에 어려움이 있었으며, 특히 그림 5에서, 증발산량 실측치와 모의치를 비교해보면 가을시기의 증발산량을 모형이 구현해 내지 못하는 것을 알 수 있다.
증발산에 대한 보정 및 검정은 유역의 혼효림을 기준으로, 유출량에 대한 보정 및 검정은 유역의 출구점을 기준으로 실시하였다. 그 결과 유출 및 증발산의 모의경향은 실측치의 경향과 비교적 비슷하지만 증발산량의 통계적인 상관성의 결과는 불안정한 경향을 보였다. 특히 가을시기의 증발산량을 모형이 구현해 내지 못하는 것을 알 수 있었다.

후속연구

특히 가을시기의 증발산량을 모형이 구현해 내지 못하는 것을 알 수 있었다. 이 결과를 바탕으로 물수지에 가장 큰 영향을 미치는 수문성분인 토양수분에 대한 모의 및 검 보정을 실시하여 토양수분과 증발산 및 유출량에 대한 관계를 분석 할 계획이다.

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