1)1. 서 론
유역에서의 수문 및 유사량 조사는 수자원의 이용, 홍수
†To whom correspondence should be addressed.
R&D Innovation Center, National Disatster Management Research Institute
E-mail: [email protected]
피해 방지, 수질관리, 친수환경조성 등을 위해 하천 수위, 유량, 유사량과 하천유역의 강수량, 토양수분 및 증발산량 을 측정하는 것으로 수자원 관리의 기본이 되는 자료이다.
또한 하도내 각종 수공 구조물의 설계에 기초자료로 활용 될 뿐만 아니라 설계홍수량 산정 등에 기초가 되는 자료이 다(MOLIT, 2011). 과거의 수문조사는 여러기관에서 분담 하여 시행되어 자료가 체계적으로 축적되지 못하였고, 신뢰
격자기반 강우-유출-유사 모형의 유사량 산정에 관한 적용성 평가
최현구･박준형*†
･
한건연**경북대학교 방재연구소
*국립재난안전연구원 R&D기획평가센터
**경북대학교 건설환경에너지공학부
Applicability Evaluation to Grid-based Rainfall-Runoff-Sediment Model for Sediment Discharge Estimation
Choi, Hyun Gu･Park, Jun Hyung
*†･Han, Kun Yeun
**Institute for Disaster Prevention, Kyungpook National University
*
R&D Innovation Center, National Disatster Management Research Institute
**
School of Architectural, Civil, Environmental and Energy Engineering, Kyungpook National University
(Received : 12 January 2017, Revised: 06 February 2017, Accepted: 06 February 2017)요 약
유사의 침식·이송·퇴적으로 인해 발생할 수 있는 문제를 최소화하기 위해 하천에서의 정기적인 유사량 자료의 획득이 필수이다.
하지만 현재 국내에서의 유사량 측정 계획으로는 유사량 추정에 어려움이 있어 이를 대체하기 위해 경험식이나 수치모형을 활용하고 있다. 따라서 본 논문에서는 유역에서의 유사량 산정과 자료의 연속성 확보를 위해 국내에서 개발된 격자기반 강우- 유출-유사 모형인 K-DRUM 모형을 적용하였다. 17개의 중권역에 대한 유량과 유사량을 산정하고 실측자료와 비교를 통해 모형의 적용성을 검토하였다. 정량적인 평가를 위해 NSE, PBIAS, RSR 등을 기준항목으로 사용하였으며, 유량에 대한 모의 결과는 강우의 경향을 잘 반영하며 높은 통계값을 나타내었다. 유사량의 경우 유역의 토양침식과정을 물리적으로 잘 반영하였 으며, 실측자료를 이용하여 보정을 수행하였을 때 그 유역에서 연속적인 유사량 자료를 산정하는데 적용성이 우수한 것으로 나타났다.
핵심용어 : 격자기반 강우-유출-유사 모형, K-DRUM, 유사량 산정, 적용성 평가
Abstract
It is essential to obtain periodic sediment discharge data in a river in order to minimize problems that may arise from the erosion, transport, and deposition of sediment. However, it is difficult to estimate sediment discharge by the sediment discharge measurement plan in Korea at present, and empirical fomulas or numerical models are used to replace them. This paper has applied the K-DRUM model, a grid-based rainfall-runoff-sediment model, to estimate sediment discharge and ensure the continuity of the data in the watershed. Discharge and sediment load in 17 watersheds were estimated and the applicability of the model was analyzed through comparisons with measured data.
For quantitative evaluation, NSE, PBIAS and RSR items were used, and discharge results reflected the tendency of rainfall and showed high statistical value. In case of sediment discharge, the soil erosion process of the watershed is physically well reflected. When the calibration was performed using the measure data, the applicability seems to be excellent in estimating the continuous sediment discharge data in the real watershed.
Key words : Grid-based Rainfall-Runoff-Sediment Model, K-DRUM, Sediment Discharge Estimation, Applicability Evaluation
도가 낮아 활용도가 매우 제한적이었다. 이런 문제점을 해결 하고자 2005년 수문조사 선진화 5개년 계획을 수립하였으 며, 2007년 유량조사사업단이 설립되고, 이후 국가수문관측 망이 구축되면서 체계적인 수문조사가 수행되게 되었다.
2014년 한국수문조사연보를 참고하여 국가수문관측망에 서 계획된 수문조사 지점과 실측현황을 분석해보면, 수위, 유량(자동유량 제외), 유사량, 토양수분량, 증발산량 실측 계획지점이 각각 643, 334, 138, 25, 25개소이며, 실측성과 는 각각 616(95.8%), 225(67.4%), 34(24.6%), 2(8.0%), 2(8.0%)개소이다. 수위와 유량은 다른 수문자료에 비해 성 과가 높은 편이지만, 상대적으로 측정이 어려운 유사량, 토 양수분량, 증발산량의 계획대비 실측 비율은 각각 24.6%, 8.0%, 8.0%로 현저히 낮은 수준이다. 유사량의 경우 국가 유사량관측망 138개소를 5년 동안 연간 20 ∼ 36개소씩 측정하여 5년 주기로 동일 지점을 측정하고, 중요성이 높은 지점은 짧은 주기를 적용하는 계획이 수립되어 있다.
유사의 침식‧이송‧퇴적으로 인한 농경지 수확량 감소, 하도 의 불안정, 하상특성 변화, 하천수질 악화 및 생태환경 변화, 두부침식 등과 같은 유사 문제를 최소화하기 위해서는 정기 적인 유사량 실측자료를 취득하여 하상변동 예측, 저수지 퇴 사량 추정, 유사 유출량 추정, 안정하도의 설계, 유사조절 계 획 수립 등의 조치를 취하여야 한다. 하지만 현실적으로 실측 된 유사량 자료가 부족하며 동일지점에 대해서도 연속성이 많이 떨어지고 있는 실정으로, 유사량 산정을 위해 경험식이 나 모델링 결과를 활용하고 있으나 미계측유역에서는 매개변 수를 보정할 수 없어 신뢰도는 높지 않은 상황이다.
국내외에서 모형을 이용한 유사량 산정 연구동향을 살펴보 면, Apip et al. (2008)은 분포형 수문모형을 이용하여 인도네 시아 Lesti강 유역에 대해 모의하여 실측데이터의 비교를 통 해 모의에 사용된 모형의 우수한 예측결과를 입증하였다.
Chaplot (2005)은 DEM 격자 크기와 토양도 스케일 변화에 따른 SWAT 모형의 유출 및 유사 그리고 질산성질소의 예측 에 관한 연구를 수행하였다. Hayashi et al. (2004)은 HSPF 모형을 이용하여 중국 Changjiang 강 유역의 유출량과 유사부 하량을 모의하였고, Yuan et al. (2008)은 미시시피에 위치한 Deep Hollow 호수 유역에 AnnAGNPS 모형을 적용하고 검 증된 모형인자들을 이용하여 토사량 삭감을 위한 최적의 유 역 유사 관리방안(BMPs)의 유효성을 평가하였다. Abaci and Papanicolaou (2008)은 분포형 모형인 WEPP 모형으로 South Amana Catchment of Clear Creek Watershed를 대 상으로 유역유출과 토양유실량을 분석하였다.
국내에서는 SWAT 모형을 이용한 유사량 산정 연구가 많았으며, Lee et al. (2009), Park et al. (2007), Kim et al. (2006), Kim (1995)이 SWAT 모형으로 유역의 유사 연 구를 수행하였다. Kim and Kim (2008)은 SWAT-K 모형 으로부터 생성된 자료를 이용하여 소양강댐 상류유역을 대 상으로 강우에 따른 유출과 이송되는 유사량의 상호 관계 를 분석하였다. 분포형 모형의 연구에서는 Keum (2002), Yu (2010), Hong (2009), Choi et al. (2009), Lee et al.
(2010)이 분포형 수문모형인 KINEROS2, WEPP 등의 모 형을 이용하여 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 유사량 자료의 연속성을 확보하기 위해 국 내에서 개발된 격자기반 강우-유출-유사 모형인 K-DRUM 모형을 이용하여 유역 유사량 산정에 적용하였다. 격자기반 의 수문모형을 적용한 이유는 공간적인 비균질성을 고려하 여 물리적인 유출과정을 모형화 할 수 있고, 이로 인해 신 뢰성 있는 과거의 수문자료가 부족한 유역에서도 유출과 유사량 산정이 용이하기 때문이다. 17개의 중권역을 선택 하여 K-DRUM 모형을 이용해 유출과 유사량을 산정하고 실측자료와 비교를 통해 모형의 적용성을 평가하고자 한다.
2. 격자기반 강우-유출-유사 모형
본 연구에서 적용한 K-DRUM(K-water Distributed Rainfall rUnoff Model) 모형은 K-water에서 개발한 격자기 반 분포형 수문모형으로 유역의 유출, 유사량, 수질분석 등을 수행할 수 있다. 모형의 기본이론과 특성은 다음과 같다.
2.1 모형의 개요
K-DRUM 모형의 특성으로서는 DEM을 이용하여 격자기 반으로 지형정보를 수치화하고 GIS를 이용하여 위성영상을 통 한 실제 토양 및 토지피복에 대한 매개변수들을 추출하고, 실제 와 근사한 하천흐름도를 추출하여 운동역학적인 이론을 기반 으로 물의 흐름을 수리학적으로 추적하는 것이다. 또한, 침투능 공극을 통한 흐름과정으로 산정하고 레이더강우자료 등의 격 자기반의 분포형강우를 입력할 수 있도록 설계되어 있다.
Fig. 1과 같이 유역내 수평 유출량산정 모듈로서 평면분 포형의 격자형을, 연직분포형의 다층모형을 이용해서 격자 기반다층유출모형을 적용한다. 연직구조는 A, B층의 수평 유출량은 하천으로 유입하고, C층은 하천유량에 영향을 미 치지 않는 지하수층으로 가정하였다.
Fig. 1. Basic concept of K-DRUM model
본 모형은 단순화된 조건하에서 사용하기 적합한 해석해 가 존재하여 검증이 용이하고 넓은 범위의 조건하에서 적 용성이 우수하며 강우-유출로 인한 지표흐름을 추적하기 위하여 보편적으로 적용하고 있는 운동파 해석법을 이용하 였다(Park and Hur, 2008). 지표 흐름 및 A층(얕은면 흐 름)은 중간유출을 고려한 운동파법을 적용하였고, B층(지표 하 흐름)과 C층(지하수 흐름)은 선형저류법을 적용하였다.
강우발생시 토양내부로의 침투강도를 계산하기 위하여 Mein and Larson(1973)이 제안한 Green-Ampt식을 이용 하였다. K-DRUM 모형은 격자기반의 분포형 수문모형으 로서 모든 매개변수 산정을 지형도, 토지피복도, 토양도로 부터 직접 GIS처리하여 일괄 입력할 수 있도록 함으로써 매개변수 산정 과정에서 문제가 되는 경험적인 요인을 사 실상 제거하였다.
2.2 모형의 이론
지표 흐름 및 A층(얕은면 흐름)은 중간유출을 고려한 운 동파법을 적용하였고, B층(지표하 흐름)과 C층(지하수 흐 름)은 선형저류법을 적용하였다. 각층에서 유출해석을 위한 지배방정식과 각각의 변수에 대한 내용은 다음과 같다 (Beven, 1979).
(1)
≥
(2)
sin
sin
(3)
≥
(4)
(5)
≥
(6)
(7)여기서, : 수심(), : 단위폭당 유량(sec),
: 강우강도(sec), : Green-Ampt 식으로 산출한 침투강도(sec), : 사면경사각, : Manning의 조도계수, : A층의 투수계수(sec), , , : A, B, C층의 공극율,
,
,
: A, B, C층의 유효토심(), , , : A, B, C층의 포화저류가능량(),
: B층에서 A층으로 복귀 하는 유량강도(sec),
: C층에서 B층으로 복귀하는 유 량강도(sec),
,
: B, C층의 저류량(),
,
: B, C층의 유입강도(sec),
,
: B, C층의 유출강도 (sec),
,
: B, C층에서의 횡방향 유출강도 (sec),
: B층에서의 종방향 유출강도(sec), , : B, C층에서의 횡방향 투수계수(sec),
: B층에서의 종 방향 투수계수(sec),
: C층의 상류경계로 유입하는 유입유량강도(sec)이다.
하도에서의 유출을 계산하기 위한 지배방정식과 각각의 변수에 대한 내용은 다음과 같다.
(8)여기서,
: 하도의 유하단면적(),
: 유량(sec), : 횡유입량(sec),
:하도경사, : 하도의 조도계수, : 하도의 법면경사이다.
강우발생시 토양내부로의 침투강도를 계산하기 위하여 Mein and Larson(1973)이 제안한 Green-Ampt 식을 이용 하였고 식 (9)와 같다. 토양으로 침투한 물은 마치 피스톤이 하강하듯이 상부 포화층과 하부 비포화 토양층사이에 뚜렷 한 경계면을 형성하며 흐름을 형성하는 것으로 가정한다.
ln
(9)여기서,
: 시간에서의 누가침투량(), : 유효투수 계수(sec), : 계산시간 간격(sec), : 습윤선 흡입 수두(), : 포화 함수비, : 초기 함수비, : 시간 에서의 침투강도(sec)이다.K-DRUM 모형의 유사모듈에는 유역의 토양침식과정을 보다 정확하게 물리적인 방법으로 해석할 수 있고, 토사 발 생지역, 규모 및 기간에 따른 정량적 파악이 가능하며 실무 활용능력 극대화 할 수 있는 부분을 중점적으로 고려하여 EUROSEM 모형에서 적용된 기법을 적용하였다(Morgan et al., 1998).
토양입자는 빗방울의 충격과 흐름의 침식력이 그 침식력 에 저항하는 토양 능력을 초과할 때 분리되며, 그 후 토양 입자는 지표류에 의해 이송된다. 토양입자의 퇴적은 입자의
중량이 이송시키려는 힘을 초과할 때 발생하며, 이 조건은 유사 이송능력(Transport Capacity)을 초과하는 유사량으 로 표현된다. 유출 생성, 토양 침식과 퇴적은 격자별로 계 산되어지고 생성된 흐름 방향을 따라 상류격자로부터 하류 격자로 추적되어진다. 유사량은 빗방울에 의한 토양분리 (Soil detachment by raindrop ; DR)와 지표류 흐름에 의 한 토양분리(Soil detachment by overland flow ; DF)에 의해서 계산되어지고, 지표류가 발생할 때 유사는 지표류에 의해 하도로 이송되어진다. 식 (10)은 유사연속방정식을 나 타내며, 식 (11)은 순 침식(net erosion)을 나타낸다.
(10)
여기서,
: 유사농도( ),
: 유량의 횡단면적(),
: 유량( ), : 유량의 단위 길이당 외부 유입 또는 유출 유사량( ), : 유량의 단위 길이당 하상의 순 박리율 또는 침식율, : 평면 거리, : 시간 이다.
(11)여기서,
: 빗방울 충격에 의한 흙입자 박리율,
: 흐름에 의한 흙 입자의 박리율과 침식율 사이의 균형을 의미한다.그림 2에 침식 및 퇴적작용에 대하여 강우, 유량의 연속 방정식을 간단하게 나타내었다. 그림에서 단위 길이 기준으 로 상류단 유입 유량 및 유사량, 횡방향 유입 유량 및 유사 량, 그리고 내부 침식 또는 퇴적량과 하류 이송 유출량을 관계로 식 (10)을 구분할 수 있다. 식 (10)에서 단위길이에 대한 수체 단면적과 유량 관련 정보는 유출량 산정 부분에 서 이미 계산이 되고, 계산된 정보를 이용하여 유사 유‧출입 과 단위길이당 순침식‧퇴적량을 산정하게 된다.
Fig. 2. Schematic diagram of soil erosion continuous equation
K-DRUM 모형은 단위격자에 사면 2개소와 하도 1개소 를 구성하고 있기 때문에 강우 및 흐름에 의한 토양 침식 또는 퇴적은 사면과 하도로 구분하여 산정되게 된다. 사면 에서의 침식은 강우와 흐름에 의해 발생되며, 퇴적은 사면 에서의 수리학적 특성치를 통해 얻어진 유사 이송능력에 의해 발생된다.
3. 모형의 적용
모형의 적용성을 평가하기 위해서 4대강 유역 51개 중권 역 중에서 유량과 유사량 실측자료가 있는 17개 중권역을 대 상으로 시간단위 모의를 수행하였다. 대상유역으로는 Fig. 3 과 같이 한강 권역에서 섬강, 청미천, 복하천, 금강 권역에 서는 갑천, 미호천, 유구천, 영산강 권역에서는 황룡강, 지 석천, 낙동강 권역에는 내성천, 영강, 병성천, 위천, 감천, 금호강, 회천, 황강, 남강을 선택하여 총 17개 중권역에 대 한 검보정을 수행하였다. 각 유역의 면적은 Table 1과 같이
Table 1. Basin characteristics
Basin Rage sphere Basin area () Grid size () Number of Grid
Seom River
Han River basin
1,479 400 9,320
Cheongmicheon 595 250 9,520
Bokhacheon 309 200 7,740
Naeseongcheon
Nakdong River basin
1,807 400 11,350
Yeong River 922 350 7,470
Byeongseongcheon 422 200 10,830
Wicheon 1,409 350 11,480
Gamcheon 1,005 350 8,210
Geumho River 2,088 450 10,330
Hoecheon 781 300 8,690
Hwang River 403 200 10,070
Nam River 1,185 350 9,670
Gabcheon
Guem River basin
649 250 10,380
Mihocheon 1,855 400 11,590
Yugucheon 285 200 7,130
Hwangnyong River
Yongsan River basin 565 250 9,040
Jiseokcheon 664 250 10,624
유구천 285에서 금호강 2,088의 범위에 있었으며, 유역면적에 따라 격자크기를 달리하여 200 ∼ 450m 범위 에서 정사각형 격자를 구성하였다.
Fig. 4와 같이 대상 유역의 K-DRUM 입력자료를 구축 하기 위해서 각 유역의 토지이용도, 토양도(종류, 유효토 심), 하천차수도, 유역도, 표고분포도 등의 자료를 수집하였 으며, 수집된 자료를 ArcGIS 모형을 이용하여 ASCII 파일 형태로 변환하여 각 유역의 K-DRUM 모형을 구축하였다.
실측자료는 한강홍수통제소 홈페이지를 통하여 유량조사사 업단에서 2010년에서 2013년까지의 유량과 부유사량 실측 자료를 수집하였으며, 표 2와 같이 각 유역의 유출구지점과 가장 근접한 실측지점을 선택하여 모의 결과와 비교하였다.
유사량은 하천의 유속과 유량과 밀접한 관계가 있어 실측
자료가 주로 홍수기에 국한되므로 보정과 검증에 사용한 자료는 다른 연도의 실측자료를 이용하였고, Table 2에 해 당년도를 제시하였다. Table 2와 같이 실측년도가 1년만 존재할 경우에는 보정에 사용하였고, 회천과 황강의 경우에 는 2년치(회천 : 2011년, 2013년, 황강 : 2011년, 2012년) 의 실측자료가 존재하지만, 2011년의 유량과 유사량과 비 교하였을 때, 2012년 및 2013년의 유량이 증가하여도 유사 량이 감소하는 즉 경향성이 일치하지 않아 1개년도의 값만 수록하였다.
지형자료와 더불어 해당유역의 강우, 수위, 하천유량, 댐 수위, 댐 방류량 등 시단위 수문자료를 해당기간에 적합하게 수집하였으며, 강우 자료의 경우 이상치가 빈번하게 발생하 여 상황에 따라 이상치 제거 또는 보간기법을 활용하였다.
(a) Han River basin
(b) Nakdong River basin
(c) Guem River basin
(d) Yongsan River basin
Fig. 3. Study area
DEM Landuse Soil map(type) Soil map(depth) Flow direction Slope
(a) Seom River
(b) Gabcheon
(c) Hwangnyong River
(d) Gamcheon
Fig. 4. Input data in each basin for GIS analysis
Table 2. Field measurement site and observation data by each basin
Basin Site Observation data(yr) Calibration(yr) Verification(yr)
Seom River Munmak 2012, 2011, 2010 2011 2012
Cheongmicheon Cheongmi 2012, 2011, 2010 2012 2011
Bokhacheon Heungcheon 2013 2013 -
Naeseongcheon Hyangseok 2012, 2011, 2010 2010 2011
Yeong River Jeomchon 2013, 2010 2013 2010
Byeongseongcheon Dongmun 2011 2011 -
Wicheon Yonggok 2010 2010 -
Gamcheon Sunsan 2012, 2011, 2010 2010 2011
Geumho River Dongchon 2012, 2011, 2010 2010 2011
Hoecheon Gaejin 2 2013, 2011 2013 -
Hwang River Jukgo 2012, 2011 2012 -
Nam River Jeongam 2012, 2011, 2010 2012 2011
Gabcheon Hoideok 2013, 2011, 2010 2011 2010
Mihocheon Hapgang 2012, 2011, 2010 2010 2012
Yugucheon Woosung 2013 2013 -
Hwangnyong River Seonam 2012, 2011, 2010 2010 2011
Jiseokcheon Nampyung 2012, 2011, 2010 2012 2010
입력자료 구축이 완료되면 매개변수를 수정해가면서 모 의결과와 실측자료를 비교하는 매개변수 보정을 수행하였 다. 모의유량은 해당 유역의 수위관측소(실측지점과 동일 지점)의 수위에서 환산된 유량자료와 비교하고, 부유사량은 유량조사사업단의 실측자료와 비교하였다. Table 3에서 주 로 보정하게 되는 매개변수와 적용범위, 각 유역에서의 실 제 적용값을 제시하였다. B, C층 토심계수는 각각 0.6 ∼ 1.5, 1.0 ∼ 3.0 범위에서 사용하였다. C층 토심계수의 권 장 사용범위는 0.0 ∼ 2.0 범위였으나, 황강유역에서 기저 유량과 첨두유량을 맞추기 위해서 권장 범위 밖의 3.0을 적 용하였다. 매개변수의 보정은 시행착오법을 이용하였으며 적용범위 내에서 조정해가며 통계분석 목표치에 도달하면 보정을 종료하였다. 통계분석의 목표치는 Table 4에 제시 한 ‘좋음(Good)’ 범위를 대상으로 하였다.
검보정 단계에서 모형의 정량적인 신뢰성 평가를 위해서 주로 평가지수가 이용된다. Moriasi et al. (2007)은 유역 유출 모형별 성능평가를 위하여 월단위 관측자료와 모형의 모의결 과를 토대로 통계기법을 적용하였고, Table 4와 같이 결과에 따라 4단계인 매우 좋음(Very good), 좋음(Good), 충분함 (Satisfactory), 불충분함(Unsatisfactory)으로 구분하였다. 본
연구에서도 Moriasi et al. (2007)이 모형 평가에 적용한 무차 원 지수인 효율성 지수(NSE, Nash-Sutcliffe efficiency)와 지 시오차 통계기법인 평균편차의 비율(PBIAS, percent bias), 그리고 평균제곱근오차 대 관측값 표준편차 비율(RSR, RMSE-observations standard deviation ratio)을 사용하였 다. 각각의 평가항목에 대한 산정식은 다음과 같다. 평균편차 의 비율인 PBIAS는 실측자료의 불확실성을 고려하여 유량과 유사에 대해 적용범위를 달리한다.
(12)
× (13)
(14)여기서,
는 관측유량(sec),
는 계산유량(sec),
는 평균 관측유량(sec)이다.Table 3. Parameters applied by each basin
Basin Soil depth of layer B Soil depth of layer C Roughness of channel Correction of sediment
Seom River 0.7 1.1 0.035 10.0
Cheongmicheon 1.0 1.0 0.065 10.0
Bokhacheon 1.0 1.0 0.065 15.0
Naeseongcheon 0.8 1.1 0.095 1.75
Yeong River 1.0 1.4 0.095 4.5
Byeongseongcheon 0.7 1.1 0.065 1.5
Wicheon 0.7 1.4 0.110 3.0
Gamcheon 0.7 1.1 0.035 10.0
Geumho River 0.7 1.1 0.045 0.8
Hoecheon 0.7 1.1 0.080 5.0
Hwang River 1.5 3.0 0.110 2.0
Nam River 1.0 1.0 0.110 4.0
Gabcheon 0.6 1.2 0.035 14.0
Mihocheon 0.7 1.1 0.095 10.0
Yugucheon 0.7 1.1 0.065 15.0
Hwangnyong River 0.7 1.1 0.065 25.0
Jiseokcheon 0.6 1.1 0.035 10.0
Range of application 0~2 0~2 0.035~0.150 1~100
Table 4. General performance ratings for recommended statistics (Moriasi et al., 2007)
Performance Rating NSE PBIAS(%)
streamflow Sediment RSR
Very good
≤
±
±
≤ Good
≤ ± ≤
± ± ≤
±
≤ Satisfactory
≤ ± ≤
± ± ≤
±
≤ Unsatisfactory
≤ ± ≤
± ≤
4. 적용성 평가
본 연구의 대상지역인 17개 유역에서 적용결과를 Fig. 5 ∼ 8에 도시하였으며, 표 5와 같이 실측자료와 비교하여 통계분 석을 수행하였다. 보정과정에서 유량의 효율성 지수는 0.51
∼ 0.94의 범위이며 평균은 0.81, 표준편차는 0.105로 분석되 었고, PBIAS는 –19.34 ∼ 17.07의 범위이며 RSR은 0.25 ∼ 0.70의 범위이고 평균은 0.42, 표준편차는 0.116으로 분석되 었다. 보정과정에서 부유사량의 효율성 지수는 –0.22 ∼ 0.98 의 범위이며 평균은 0.73, 표준편차는 0.272로 분석되었고,
PBIAS는 –63.93 ∼ 47.08의 범위이고, RSR은 0.15 ∼ 1.10의 범위이며 평균은 0.48, 표준편차는 0.214로 분석되었다.
모형의 검증과정에서 유량의 효율성 지수는 0.48 ∼ 0.88 의 범위이며 평균은 0.76, 표준편차는 0.111로 분석되었고, PBIAS는 –102.59 ∼ 26.48의 범위이고, RSR은 0.35 ∼ 0.72의 범위이며 평균은 0.48, 표준편차는 0.104로 분석되었 다. 검증과정에서 부유사량의 효율성 지수는 0.57 ∼ 0.91의 범위이며 평균은 0.76, 표준편차는 0.111로 분석되었고, PBIAS는 –28.74 ∼ 39.20의 범위이고, RSR은 0.30 ∼ 0.65의 범위이며 평균은 0.48, 표준편차는 0.115로 분석되었다.
Table. 5. Performance evaluation on simulation results
Calibration Verification
NSE PBIAS(%) RSR NSE PBIAS(%) RSR
Seom River
Discharge 0.76
(Very good) 3.87
(Very good) 0.49
(Very good) 0.83
(Very good) 26.48
(Unsatisfactory) 0.42 (Very good) Suspended
sediment 0.67
(Good) 16.91
(Good) 0.57
(Good) 0.91
(Very good) -6.39
(Very good) 0.30 (Very good)
Cheongmi- cheon
Discharge 0.88
(Very good) 4.96
(Very good) 0.35
(Very good) 0.80
(Very good) 0.23
(Very good) 0.45 (Very good) Suspended
sediment 0.61
(Satisfactory) 15.37
(Good) 0.63
(Satisfactory) 0.62
(Satisfactory) 39.2
(Satisfactory) 0.61 (Satisfactory)
Bokhacheon
Discharge 0.93
(Very good) 10.09
(Good) 0.26
(Very good) - - -
Suspended
sediment 0.76
(Very good) 47.08
(Satisfactory) 0.49
(Very good) - - -
Naeseong- cheon
Discharge 0.83
(Very good) -5.92
(Very good) 0.42
(Very good) 0.74
(Good) 2.65
(Very good) 0.51 (Good) Suspended
sediment 0.84
(Very good) 7.77
(Very good) 0.41
(Very good) 0.70
(Good) 2.71
(Very good) 0.55 (Good)
Yeong River
Discharge 0.77
(Very good) -10.15
(Good) 0.48
(Very good) 0.73
(Good) 15.75
(Satisfactory) 0.52 (Good) Suspended
sediment 0.94
(Very good) -21.64
(Good) 0.25
(Very good) 0.86
(Very good) -12.73
(Very good) 0.38 (Very good)
Byeongseong- cheon
Discharge 0.92
(Very good) -4.01
(Very good) 0.28
(Very good) - - -
Suspended
sediment 0.92
(Very good) -8.04
(Very good) 0.28
(Very good) - - -
Wicheon
Discharge 0.92
(Very good) -19.34
(Satisfactory) 0.29
(Very good) - - -
Suspended
sediment 0.81
(Very good) -13.29
(Very good) 0.44
(Very good) - - -
Gamcheon
Discharge 0.79
(Very good) 4.56
(Very good) 0.45
(Very good) 0.78
(Very good) -12.04
(Good) 0.47
(Very good) Suspended
sediment 0.76
(Very good) -5.48
(Very good) 0.49
(Very good) 0.68
(Good) -7.11
(Very good) 0.57 (Good)
Geumho River
Discharge 0.71
(Good) 6.66
(Very good) 0.54
(Good) 0.73
(Good) 16.57
(Satisfactory) 0.52 (Good) Suspended
sediment 0.71
(Good) 19.85
(Good) 0.54
(Good) 0.73
(Good) -20.86
(Good) 0.52
(Good)
Hoecheon
Discharge 0.94
(Very good) 12.63
(Good) 0.25
(Very good) - - -
Suspended
sediment 0.59
(Satisfactory) -63.93
(Unsatisfactory) 0.64
(Satisfactory) - - -
Hwang River
Discharge 0.51
(Satisfactory) 0.40
(Very good) 0.70
(Satisfactory) - - -
Suspended
sediment 0.75
(Good) -33.12
(Satisfactory) 0.50
(Very good) - - -
모형을 적용한 대부분의 유역에서 모의결과와 실측자료를 비교하여 만족할 만한 통계지표(‘좋음’ 이상)를 산정할 수 있었으나, 일부 대상유역에 대해서는 ‘충분함’, ‘불충분함’
같은 통계지표도 산정되었다. 이는 주로 각 년의 실측자료
가 일정한 경향성이 없는 경우와 부유사량의 첨두후 하강 곡선이 유량의 하강곡선보다 빨리 발생함으로 인한 결과로 사료된다. 그리고 실측자료가 1년 자료뿐인 유역의 경우 검 증을 미실시하였다.
Calibration Verification
NSE PBIAS(%) RSR NSE PBIAS(%) RSR
Nam River
Discharge 0.85
(Very good) -12.47
(Good) 0.38
(Very good) 0.84
(Very good) -4.19
(Very good) 0.41 (Very good) Suspended
sediment 0.65
(Satisfactory) -48.17
(Satisfactory) 0.59
(Good) 0.77
(Very good) -10.25
(Very good) 0.48 (Very good)
Gabcheon
Discharge 0.78
(Very good) 5.04
(Very good) 0.46
(Very good) 0.48
(Unsatisfactory) -102.59
(Unsatisfactory) 0.72 (Unsatisfactory) Suspended
sediment 0.91
(Very good) -4.50
(Very good) 0.29
(Very good) 0.76
(Very good) 16.57
(Good) 0.49
(Very good)
Mihocheon
Discharge 0.86
(Very good) -0.42
(Very good) 0.37
(Very good) 0.88
(Very good) -7.97
(Very good) 0.35 (Very good) Suspended
sediment 0.88
(Very good) -11.6
(Very good) 0.35
(Very good) 0.57
(Satisfactory) 14.31
(Very good) 0.65 (Satisfactory)
Yugucheon
Discharge 0.82
(Very good) -13.86
(Good) 0.42
(Very good) - - -
Suspended
sediment -0.22
(Unsatisfactory) 10.92
(Very good) 1.10
(Unsatisfactory) - - -
Hwangnyong River
Discharge 0.76
(Very good) 10.74
(Good) 0.49
(Very good) 0.88
(Very good) -28.35
(Unsatisfactory) 0.35 (Very good) Suspended
sediment 0.98
(Very good) 4.87
(Very good) 0.15
(Very good) 0.91
(Very good) -3.94
(Very good) 0.31 (Very good)
Jiseokcheon
Discharge 0.75
(Good) 17.07
(Satisfactory) 0.50
(Very good) 0.72
(Good) 9.52
(Very good) 0.53 (Good) Suspended
sediment 0.87
(Very good) -9.58
(Very good) 0.37
(Very good) 0.80
(Very good) -28.74
(Good) 0.45
(Very good)
Discharge
Suspended sediment (a) Calibration
Discharge
Suspended sediment (b) Verification
Fig. 5. Simulation results of Seom River(Munmak site)
섬강의 경우 Fig. 5의 (b)와 같이 수위에서 환산된 유량 이 2012년 8월 10일 경 급격히 떨어지는 경우는 기기의 오 류로 확인되었고, 이로 인해 모의치의 총합이 관측치의 총 합보다 과소평가되었다. 청미천의 경우 보정과정에서 유량 과 부유사량의 상승곡선은 비슷한 시간에 발생하나 하강곡 선은 부유사량이 더 빨리 발생하는 것을 반영하지 못하였
고, 비슷한 유량에서 2011년(검증) 실측자료의 부유사량이 2012년(보정)의 부유사량 보다 크게 실측되었으나 모형에 서 제대로 재현하지 못하였다. 회천과 황강의 경우에는 부 유사량이 일부 과다 추정되었다.
Fig. 6은 갑천의 모의 결과를 도시한 것으로 Fig. 6(b)의 유량은 다른 유역에 비해 제일 낮은 통계값으로 산정되었다.
Discharge
Suspended sediment (a) Calibration
Discharge
Suspended sediment (b) Verification
Fig. 6. Simulation results of Gabcheon(Hoideok site)
Discharge
Suspended sediment (a) Calibration
Discharge
Suspended sediment (b) Verification
Fig. 7. Simulation results of Hwangnyong River(Seonam site)
유량의 경우에는 실측치의 총합보다 모의치의 총합이 2배 가량 크게 산정되었는데, 2010년 갑천 유역에는 강우가 지 속적으로 내려 기저유출량이 많을 것으로 판단되는데 수위 에서 환산된 유량은 기저유출이 거의 없는 것으로 나와 오 류의 차가 많이 나는 것으로 사료될 수 있다. 또한 갑천 유 역의 토양도(종류, 유효토심)에서 도심지 반영이 제대로 되 지 않았을 가능성도 내포되어, 전체적인 자료의 신뢰성이 다른 유역에 비해서 상대적으로 낮은 유역이다.
유구천은 유량의 첨두보다 낮은 유량값에서 부유사량의 첨두가 관측되었지만 모형에서 재현하지 못하였고, 황룡강 은 Fig. 7(b)와 같이 유량이 과다산정되었는데 유역외 강우 관측소 자료까지 포함되어 나타난 결과로 판단된다.
5. 결 론
격자기반 강우-유출-유사 모형인 K-DRUM 모형을 이 용하여 17개 중권역의 유량과 부유사량을 모의하였다. 모 형에서 계산된 값이 실측값과 잘 일치하도록 유량조사사업 단의 실측자료를 이용하여 시행착오법으로 매개변수를 보 정하였으며, 보정에 사용된 매개변수는 하도조도계수, 토심 계수, 유사보정계수를 보정하였다. 보정결과와 검증결과를 정량적으로 평가하기 위해서 Moriasi et al. (2007)이 제시 한 NSE, PBIAS, RSR 항목으로 결과를 평가하였다.
유량에 대한 모의결과는 자연유출량으로 인위적인 사용 이 포함된 수위표의 환산유량과 정확히 일치하지는 않지만 유사량의 통계값에 비해 높게 산정되었으며, 강우의 경향을 잘 반영하는 것으로 사료된다. 유사량의 경우 유사모듈에
적용된 EUROSEM 기법을 통해 유역의 토양침식과정을 물리적으로 잘 반영하는 것으로 판단된다. 유사량 실측의 오차를 고려할 때 K-DRUM 모형의 유사량 산정 적용성은 우수한 것으로 사료되며, 실측자료를 이용하여 보정을 수행 하였을 때 그 유역에서 연속적인 유사량 자료를 산정하는 데 사용이 가능할 것으로 생각된다.
향후 지하수 모듈을 추가하여 정확한 기저유량 산정을 통 해 유출량의 신뢰도를 높이고, 유량과 유사량의 상승‧하강의 관계에 대해 실측자료를 분석하여 모형에서 정확히 반영할 수 있도록 개선이 필요할 것으로 판단된다. 본 연구에서 수 행한 모형 검보정을 바탕으로 하여 각 유역의 장기유출분석 을 수행하고 그 결과를 이용하여 각 유역의 유량-유사량 관 계식과 비유사량을 산정하는 연구를 수행할 계획이다.
사 사
본 연구는 정부(국민안전처)의 재원으로 재난안전기술개 발사업단의 지원을 받아 수행된 연구임[MPSS-자연-2014-75]
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Suspended sediment (b) Verification
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