Flood Runoff Simulation Using GIS-Grid Based K-DRUM for Yongdam-Dam Watershed

大 韓 土 木 學 會 論 文 集 第29卷 第1D 號·2009年 1月 pp. 145~151

測量 및 地形空間情報工學

GIS격자기반 K-DRUM을 활용한 용담댐유역 홍수유출모의

Flood Runoff Simulation Using GIS-Grid Based K-DRUM for Yongdam-Dam Watershed

박진혁*·허영택**·류경식***·이근상****

Park, Jin Hyeog·Hur, Young Teck·Ryoo, Kyong Sik·Lee, Geun Sang

···

Abstract

Recently, the rapid development of GIS technology has made it possible to handle a various data associated with spatially hydrological parameters with their attribute information. Therefore, there has been a shift in focus from lumped runoff models to distributed runoff models, as the latter can consider temporal and spatial variations of discharge. This research is to evaluate the feasibility of GIS based distributed model using radar rainfall which can express temporal and spatial distribution in actual dam watershed during flood runoff period. K-DRUM (K-water hydrologic & hydaulic Distributed flood RUnoff Model) which was developed to calculate flood discharge connected to radar rainfall based on long-term runoff model developed by Kyoto- University DPRI (Disaster Prevention Research Institute), and Yondam-Dam watershed (930km²) was applied as study site.

Distributed rainfall according to grid resolution was generated by using preprocess program of radar rainfall, from JIN radar.

Also, GIS hydrological parameters were extracted from basic GIS data such as DEM, land cover and soil map, and used as input data of distributed model (K-DRUM). Results of this research can provide a base for building of real-time short-term rainfall runoff forecast system according to flash flood in near future.

Keywords :distributed model, radar rainfall, flash flood, GIS

···

요 지

최근, GIS기술의 급속한 발전에 따라 다양한 공간 수문자료들이 속성정보와 결합되어 다루는 것이 가능해졌고, 집중형 유 출모형보다 유역 유출량의 시·공간적인 변동을 고려할 수 있는 분포형 유출모형의 구축이 활발하게 연구되고 있다. 본 연구 는 시공간 분포를 적절하게 표현할 수 있는 레이더 강우시계열자료와 GIS기반의 분포형모형을 연계하여 국내 댐유역에 적 용해 봄으로써, 분포형모형의 홍수유출시 실무에서의 적용가능성을 검증해 본 것이다. 본 연구에서 사용한 물리적기반의 분 포형모형으로는 교토대학 방재연구소에서 개발한 장기유출모형을 근간으로 레이더강우량과 연계하여 홍수기에 특화되어 사 용할 수 있도록 자체 개발한 K-DRUM모형을 이용하였으며, 금강권역의 용담댐유역(930km

²)

을 시험유역으로 적용하였다. 입 력강우로는 진도레이더로 부터 레이더강우 전처리프로그램을 이용하여 모형의 격자해상도에 맞는 분포형 강우를 생성하였다.

또한, GIS수문매개변수를 DEM, 토지피복도, 토양도 등의 기본 GIS자료들로 부터 추출, 물리적기반의 분포형모형(K-

DRUM)

의 입력인자로 사용하여 모형의 초기설정을 향상시켰다. 본 연구의 성과는 향후 돌발홍수에 대응한 실시간 단기 강

우유출예측시스템을 구축하기위한 기반이 될 것으로 사료된다.

핵심용어

:

분포형모형, 레이더강우, 돌발홍수, 지리정보시스템

···

1.

서 론

수문모형은 유역의 유출현상을 물리적으로 표현하는 수학 적 모형으로서, 공간적인 변화의 고려 유무에 따라서 집중형 모형(lumped model)과 분포형모형(distributed model)으로 구분된다(김성준, 1998). 유출현상의 해석에 있어서 입력인자 인 강우량의 시간적, 공간적 분포와 변환계인 유역 사면의

수문특성의 공간분포는 대단히 중요한 인자이다. 집중형 수 문모형의 경우 물리기반의 분포형 모형에 비해 매개변수가 개념적 그리고 경험적 의미가 크기 때문에 수문모형 구축시 의 초기매개변수에 의한 모의정확도가 상당히 떨어지며, 이 를 위해 시행착오 또는 유전자 등과 같은 최적화 기법을 통 해 매개변수를 보정한다. 그러나, 물리적 기반의 분포형 수 문모형의 가장 큰 장점은 분포형 지형자료와 강우자료로부

*정회원·교신저자·한국수자원공사수자원연구원책임연구원대우 (E-mail : [email protected])

**정회원·한국수자원공사 물관리센터 공동연구원 (E-mail : [email protected])

***정회원·한국수자원공사수자원연구원선임연구원 (E-mail : [email protected])

****정회원·한국수자원공사 수자원연구원 책임연구원 (E-mail : [email protected])

− 146 − 터 추정된 초기 매개변수의 값에 의한 유출모의가 집중형 모형에 비해 비교적 정확하기 때문에 미세한 매개변수의 조 정만으로도 유역의 유출량을 모의할 수 있다는 점이다(홍준 범 등, 2006).

현재, 국내 다목적댐을 운영하고 있는 수자원공사 물관리 센터에서는 종관일기예보를 바탕으로 유역별 강수총량예측과 저류함수법을 기반으로 한 Kwater홍수분석모형을 이용하여 저수지 홍수유입량을 추정하고 있는데, 태풍이나 국지성 집 중호우의 경우 강수의 발달과 소멸이 매우 짧은 시간에 이 루어지고, 공간적인 분포의 변화가 매우 심하기 때문에, 종 관일기예보에서 이러한 변화에 대한 충분한 정보를 제공하 기란 쉽지 않다. 과거 수자원관리를 위해서는 지상강우관측 소에서의 관측자료가 주류를 이루었고, 지금까지도 이러한 자료는 실제 지상에 떨어진 강수자료로서 활용가치가 매우 높다. 그러나 악기상시의 태풍이나 대류형의 집중호우가 발 생하였을 때, 강수 클러스터의 이동경로나 강도 등을 예측하 기 위해서는 강수대의 공간분포를 정확히 파악해야 하는데, 이 경우 레이더 등의 원격탐사자료가 유용하게 활용될 수 있다(박진혁 등, 2007). 또한 미계측 유역에 대하여는 유역 전체의 실시간 강우량 관측이 가능한 수문레이더를 활용하 여 강우의 시공간분포를 관측하여 지상강우관측망의 강우량 및 누적강우량의 측정으로 레이더 정보를 보정하여 격자기 반의 정량적 강우량을 산정하여 분포형 강우-유출모형에 적 용함으로써 홍수량 산정 및 홍수예경보업무에 활용하는것이 필요하다. 지금까지는 기상 레이더 및 기상수치예보에 대한 연구는 대부분 기상청 산하의 기상연구소 등을 통해 이루어 지고 있는 등 기상과 수문은 각각 서로 다른 분야에서 활발 하게 연구되어 오고 있었으나, 최근 들어 실무응용분야인 수 문학 분야에서 현업에 적용하기 위한 많은 연구와 노력이 진행되고 있다. 레이더 강우와 지상우량계와의 합성을 통해 지상우량계 수준의 레이더 강우를 얻고자 하는 연구(Seo,

1998,

김병식 등, 2007)가 진행된 바 있으며, 유출해석에 적

용한 예는 대상 유역내 영춘 수위표 지점의 유출량을 기준 으로 산정된 지점별 레이더 관계식으로 산정된 강우량을

HEC-GeoHMS

모형에 적용한 모의 결과가 실측 수문곡선에

근접한 결과를 보여준 연구(김진극 등, 2006)와 레이더 강우 량을 활용하여 왕숙천 유역을 대상으로 NWSPC 모형에 적 용하여 레이더 강우량의 적용 가능성을 검토한 연구(최지혜 등, 2003) 등이 있다. 하지만, 국내에서는 이들 기반 기술을 모두 통합하여 실제 유출예측에 활용할 수 있는 시스템이 거의 마련되어 있지 않으며 이러한 정보를 통합적으로 제공 할 수 있는 시스템이 필요하다. 아직 우리나라에서는 정량적 강우예측기술과 운영결과에 대한 검증결과가 체계적으로 구 축되어 있지 않을 뿐만 아니라, 전반적으로 국내에서의 수문 수자원분야와 기상분야의 기술적 연계를 통한 공동 연구 분 야는 아직 초기단계인 것으로 판단되므로 이에 대한 연구가 더욱 요구된다(박진혁 등, 2008).

이러한 연구배경을 바탕으로 본 연구에서는 격자강우량과

GIS

와 연계한 격자기반의 공간수문자료들을 모형의 입력매 개변수로 활용하고, 수계망을 통하여 유역 출구까지 운동파

(kinematic wave)

이론에 의해 유출량을 물리적으로 추적해 나가는 격자기반의 분포형 강우-유출모형인(K-DRUM;K-water

hydrologic & hydaulic Distributed flood RUnoff Model)

을 개발하였고, 이를 용담댐유역(930km

²)

에 적용해 봄으로써 모형의 실무 적용성을 검토해 보고자 하였다.

2.

모형의 개요 및 이론

2.1

모형의 개요

본 모형개발에 있어 이론적 배경이 된 모형은 1998년부터 일본 교토대학 방재연구소 코지리 연구실에서 개발 중인

Hydro-BEAM(Hydrological Basin Environmental Assess- ment Model)

으로서 유역 물순환의 건전성을 평가하기 위하 여 장기간의 유역 내 유량, 수질을 시계열 및 공간적으로

Fig. 1. Structure of the model

파악하여 장래 토지이용의 변화나 인공적인 변화에 의한 유 역의 영향평가를 하기 위해 개발된 물리적 기반의 격자구조 를 가진 분포형 장기유출 모형이다(박진혁 등, 2003). 본 연 구에서는 모형의 각종 수문매개변수들을 GIS와 연계하여 직 접 입력할 수 있도록 하였으며, 물리적기반의 침투과정을 모 의할 수 있도록 Green & Ampt모듈을 추가하였고, 향후 레 이더 강우 및 수치예보강우의 홍수유출예측을 염두에 두고 격자강우량을 활용할 수 있도록 하였으며 모형의 구동시간 을 최대한 단축하는 등 실시간 홍수유출해석을 위한 분포형 강우-유출모형으로 개발하였다(박진혁 등, 2008).

2.2

모형의 구성 및 이론

유역내 수평 유출량산정 모듈로서 평면 분포형의 격자형을, 연직분포형으로 다층모형을 이용해서 격자기반 다층유출모형 을 적용한다. 연직구조는 A~B층의 수평유출량은 하천으로 유입하고, C층은 하천유량에 영향을 미치지 않는 지하수층 으로 가정하였다(Fig. 1). 동일한 유출특성 및 부하발생특성 을 가지는 토지피복을 하나로 묶어서 산림지역, 논지역, 밭 지역, 도시지역, 수역으로 5종류로 재분류하여 격자마다 모 자이크법을 적용하여 토지피복의 영향을 상세하게 파악할 수 있도록 고려하였다. 본 모형은 단순화된 조건하에서 사용하 기 적합한 해석해가 존재하여 검증이 용이하고 넓은 범위의 조건하에서 적용성이 우수하며 강우-유출로 인한 지표흐름을 추적하기 위하여 보편적으로 적용하고 있는 운동파 해석법

(kinematic wave)

을 이용하였다(박진혁 등, 2008).

지표 흐름 및 A층(얕은면 흐름)은 중간유출을 고려한 운 동파법을 적용하였고, B층(지표하 흐름)과 C층(지하수 흐름) 은 선형저류법을 적용하였다. 각층에서의 유출해석을 위한 지 배방정식과 각각의 변수에 대한 내용은 다음과 같다(Beven,

1979).

, (1)

, when , ,

(2)

(Manning type), (Darcy type) (3)

, when , (4)

, , ,

, (5)

, when , (6)

, , ,

(7)

여기서, h: 수심(m), q: 단위폭당 유량(m

²/sec), R:

강우강 도(m/sec), f : Green-Ampt식으로 산출한 침투강도(m/sec), θ: 사면경사각, n: Manning의 조도계수, k

A: A

층의 투수계

수(m/sec), λ

A,

λ

B,

λ

C: A, B, C

층의 공극율, D

A, DB, DC: A, B, C

층의 유효토심(m), d

A, dB, dC: A, B, C

층의 포화저류가능량(m), U

B: B

층에서 A층으로 복귀하는 유량강 도(m/sec), U

C: C

층에서 B층으로 복귀하는 유량강도(m/sec),

SB, SC: B, C

층의 저류량(m), I

B, IC: B, C

층의 유입강도

(m/sec), OB, OC: B, C

층의 유출강도(m/sec), O

h_B, Oh_C: B, C

층에서의 횡방향 유출강도(m/sec), O

vB: B

층에서의 종방향 유출강도(m/sec), k

h_B, kh_C: B, C

층에서의 횡방향 투수계수

(m/sec), kv_B: B

층에서의 종방향 투수계수(m/sec), O

C_UP: C

층 의 상류경계로 유입하는 유입유량강도(m/sec)

강우발생시 토양내부로의 침투강도를 계산하기 위하여

Mein

과 Larson(1973)이 제안한 Green-Ampt식을 이용하였고 수식은 다음과 같다.

,

(8)

여기서, F

t: t

시간에서의 누가침투량(m), k

s:

유효투수계수

(m/sec),

∆t: 계산시간 간격(sec), ψ: 습윤선 흡입수두(m), θ

s:

포화 함수비, θ

0:

초기 함수비, f

t:

시간에서의 침투강도

(m/sec)

t

시간에서의 누가침투량은 비선형식이기 때문에 Newton-

Raphson

법을 이용하였고 초기조건으로 전 시간단계에서의 누

가침투량을 이용하였다.

하도에서의 유출을 계산하기 위한 지배방정식과 각각의 변 수에 대한 내용은 다음과 같다(Beven, 1979).

, ,

(9)

여기서, A

r:

하도의 유하단면적(m

²), Qr:

유량(m

³/sec), qr:

횡유입량(m

²/sec), I:

하도경사, n: 하도의 조도계수, m: 하 도의 법면경사

각각의 격자에 적용한 초기조건 및 상류단 경계조건은 다 음과 같다.

,

, (10)

여기서, A: 유하단면적(m

²), L:

하도 및 사면의 길이(m),

A0:

시간 t =0에서의 유하단면적(m

²), AB:

격자의 상류단 유 하단면적(m

²)

지표흐름 및 하도흐름에 대한 지배방정식에 초기조건 및 경계조건을 이용하여 수치해를 얻기 위하여 본 모형에서 사 용한 유한차분 근사기법은 각종 수치기법 중에서 비교적 안 정적으로 계산이 수행되는 Beven(1979)의 차분스킴을 적용 하였다. 식 (1)과 식 (9)와 같은 형태의 편미분 방정식을 시 간과 공간 평면상에서 적절한 차분간격에 대하여 정리하면 다음과 같다.

∂

h

∂

t ---

∂

q

∂

x ---

+ =r r=R U+ _B–f

q

α h d (

– A

)

^m+

βh αh

⎝ ⎠

⎛ ⎞

= h d

≥

_A

h d

<

_A

⎝ ⎠

⎛ ⎞ d

_A=

λ

AD_A m 5 3---

=

α

sinθ ---n

=

β

k_Asinθ

λ

A

---

=

U_B S_B–d_B

⎝

0

⎠

⎛ ⎞

= S_B–d_B

≥

0

S_B–d_B

<

0

⎝ ⎠

⎛ ⎞ d

_B=

λ

BD_B

dS_B

---dt =I_B–O_B I_B=f_A+U_C O_B O_h

B O_v + B

= O_h

B k_h

BS_B

= O_v

B k_v

BS_B

=

U_C S_C–d_C

⎝

0

⎠

⎛ ⎞

= S_C–d_C

≥

0

S_C–d_C

<

0

⎝ ⎠

⎛ ⎞ d

_C=

λ

_CD_C

dS_C

---dt =I_C–O_C I_C O_v

B O_C + UP

= O_B O_h

= C O_h

C k_h

CS_C

=

F_t k_t

∆ ψ θ

t

(

s–

θ

0

)ln 1.0

F_t

ψ θ (

s–

θ

0

)

---

⎝

+

⎠

⎛ ⎞

+

=

f_t k_s 1.0

ψ θ (

s–

θ

0

)

---F

t

⎝

+

⎠

⎛ ⎞

=

A_r

∂

∂

t ---

∂

Q_r

∂

x ---

+ =q_r Q_r=

α

rA_r^mr

α

r

I ---n

⎝ ⎠ ⎛ ⎞

m 2 1 m+ ³² ---

⎝ ⎠

⎛ ⎞

^{1 3/}

=

m_r 4 3---

=

A 0 x

( , ) A

= 0

( )

x 0 x L

≤ ≤

A t 0

( ) A ,

= _B

( )

t 0 t

≤

− 148 −

, (11)

여기서, ∆x: 공간차분간격(m), ∆t: 시간차분간격(sec), q

it:

위치 i와 시간 t에서의 유량(m

³/sec),

γ: 시간가중계수, c:

운동파 속도(m/sec)

위 식은 미지의 값 에 대하여 비선형식이기 때문에

Newton-Raphson

법을 이용하여 반복 수렴계산을 하여 을 구한다(박진혁 등, 2008).

3.

대상유역 선정 및

GIS

수문 매개변수 구축

3.1

연구대상지

용담댐유역의 유역면적은 930이며, 유역의 경사는 대체로 남고북저의 형태를 취하고 있어 주하천인 금강본류가 전북 장수군에서 발원하여 유역의 북쪽출구에 위치한 용담댐으로 흘러나간다. 유역의 지형지세 및 하도, 강우 및 수위관측소 등 기본현황은 Fig. 2에 나타나 있다(한국대댐회 홈페이지).

2006

년 현재 용담댐 유역내에 실시간 T/M전송장비를 갖춘 강우관측소는 7군데가 있으며, 무주관측소는 용담댐 유역외 에 위치하나 용담댐 유역내에 티센면적을 갖고 있으므로 티 센망구성에 포함되는 관측소는 총 8개소이다. 용담댐 유역내 강우관측소에 대한 고도분석결과 관측소가 대체로 티센다각 형내의 평균고도에 훨씬 못 미치고 있어 실제 강수보다 과 소 관측될 소지가 있다고 판단된다. 유역내 수위관측소는 천 천, 동향, 용담댐 등 3개소가 운영되고 있다(박진혁 등,

2006).

3.2 GIS

수문매개변수 구축

유역의 수문학적인 특성은 지형, 토지피복, 토양 등에 의 해 크게 좌우된다. 본 연구에서는 한국수자원공사의 유역조 사 정보제공시스템으로부터 30m해상도의 DEM, 토지피복도 및 토양도를 제공받아 HEC-GeoHMS를 ArcView에 탑재하 여 아래와 같이 K-DRUM모형의 입력인자로서 ASCII포맷의 공간분포형 수문매개변수들을 추출하였다.

3.2.1

지형 매개변수

용담댐유역 30m DEM을 ArcView에서 GIS 각 주제도의 투영과 해상도가 동일한 해상도를 갖도록 조정한 후 250m 로 리샘플(Resample) 하였다. 유하방향도는 ArcView에서

HEC-GeoHMS extention

을 사용하여 유도하였다. 유역의 가 로흐름을 막고 수계망을 향하여 유하방향도를 작성하기 위 하여 Charleux-Demarge과 Peuch(2000)가 제안한 방법을 이 용하여 30m DEM과 전체 유역도로부터 유도된 수계망을

250m DEM

에 중첩시켰다. 30m DEM에서 유도된 수계망은

250m

분포형모형 격자내에서 배수방향을 결정하는데 사용되

었다. 하도셀을 구하기 위한 배수면적의 기준값은 수계망이 얼마나 하도화되어 있는지에 따라 경험적으로 설정되는데 여 기서는 5km

²

의 값을 가지고 산정하였다(박진혁 등, 2006).

3.2.2

토지피복 매개변수

토지피복은 지표면 조도 및 불투수층의 분포를 좌우하며

q_i^{t 1+} –q_i^t

∆t

--- γc_{i 1}^{t 1}_–⁺ _⁄2 q_{i 1}^{t 1}₊⁺ –q_i^{t 1+}

∆x --- r–

⎝ ⎠

⎛ ⎞ 1 γ( – )c_{i 1}^t_{+ ⁄2} Q_{i 1}^t₊ –q_i^t

∆x --- r–

⎝ ⎠

⎛ ⎞

+ + =0

c_{i 1– ⁄2}=0.5 c

(

_i+c_{i 1–}

)

c dq dA---

=

q_{i 1}^{t 1}₊⁺

q_{i 1}^{t 1}₊⁺

Fig. 2. Study area

Fig. 3. Topographic characteristics of Yongdam Dam Watershed

이에 따른 유역의 수문응답 반응시간과 유출용적의 변화에 직접적인 영향을 미치게 된다. 본 연구에서는 30m 해상도의 토지피복도를 이용하여 동일한 유출부하 특성을 보이는 항 목을 묶어서 8가지로 재분류하여 격자마다 조도계수를 계산 하였다. 각각의 토지피복분류에 대한 전형적인 조도계수 값 은 문헌에서 제시한 값(Vieux, 2004)을 참고로 하였다(박진 혁 등, 2006). Fig. 4는 용담댐유역의 토지피복도 현황을

30m

원시자료와 분포형모형의 격자해상도에 맞게 250m로 리 샘플링하여 분포형모형의 토지피복 매개변수인 조도계수 분 포를 산정한 결과를 나타내고 있다.

3.2.3

토양 매개변수

토양은 초기 함유수분, 토심, 입도분포 등에 따라 강우의 침투능에 직접적인 영향을 미치게 된다. 토양도와 토양깊이, 점토와 모래비율 등의 정보가 포함된 GIS 토양주제도로 부 터 ArcView를 이용하여 유효토심 및 토양수분의 시간변화량 추정을 위한 Green-Ampt 침투 매개변수를 구하였다.

Green-Ampt

식은 토양 수분에 따른 시간변화 영향을 물리 적으로 설명하기 위해 Darcy법칙의 이론적인 근거에서 유도 되어 흙의 성질로부터 계산될 수 있는 물리적인 의미를 갖 고 다양한 토양조건에서 좋은 결과를 보여주었다. 용담댐 유 역 30m해상도의 토양자료를 모형의 격자해상도(250m)에 맞 게 리샘플링한 후 문헌에서 제시한 값(Vieux, 2004)을 참고 로 토심 및 Green-Ampt 매개변수인 습윤전선(wetting front

suction),

포화 투수계수 그리고 유효공극율과 같은 침투 매 개변수를 산정하여 모형의 입력포맷인 ASCII파일로 변환하 여 출력하였다(박진혁 등, 2006).

4.

모형 적용 및 결과

본 연구에서는 용담댐유역내의 시공간적인 강우분포를 유 출계산에 모의하기 위해 용담댐유역을 포함하고 있으며, 비 교적 자료의 신뢰성이 높은 S-밴드 진도레이더를 원시자료로 이용하였다. 본 모형의 적용을 위한 강우사상은 용담댐 유역

에 큰 영향을 준 태풍 루사(2002년 8월 31일 01시~9월 1 일 23시) 및 태풍 매미(2003년 9월 12일 01시~9월 13일

23

시)의 2개 사상에 대하여 유출량 모의를 실시하였다. K-

DRUM

모형에 입력하기 위한 분포형강우 생성을 위해 미국 오클라호마 대학 및 수자원연구원에서 공동개발한 K-

RainVieux

프로그램(한국수자원공사, 2006)을 이용하였다. 레 이더 강우자료는 지상에 떨어지기 전의 강우를 관측한 것으 로 보다 정확한 강우량으로 산정하기 위해서는 지상에 떨어 진 관측강우와의 보정이 필요하다. K-RainVieux에서는 한국 기상청 레이더원시자료포맷인 UF포맷을 처리하고, 열대성강 우에 대한 Z-R관계인 Z=250R

^1.2

를 이용하여 강수 변환하였 으며, 강우강도로 전환한 격자기반의 분포형강우자료로부터

LB(Local Bias)

기법을 사용해서 지상에 떨어진 관측강우와의

보정작업을 거쳐 정량적 분포형강우로 생성하여 분포형모형 의 입력강우로 사용하였다.

모형의 수문매개변수들은 GIS와 연계하여 수치지형, 토지 피복도, 토양도로부터 물리적인 공간분포형 매개변수를 추출 함으로서 모형의 초기상태를 개선시킬 수 있었다. 이렇게 개 선된 초기자료를 기반으로 관측값의 초기기저유출량, 첨두시 간, 첨두유출량 및 종기기저유출량을 참고로하여 모형에 사 용된 침투계수, 조도계수 그리고 초기토양수분계수을 시행착 오법으로 수정하였고, 용담댐지점에서 계산된 결과값을 Fig.

5

와 Fig. 6에 각각 나타내었다.

Fig. 5

에서 모형의 계산값은 관측값과 비교하여 첨두유출

량이 다소 작게 나타나고 있지만 첨두시간은 일치하고 있으 며 전체적으로 관측값과 유사한 양상을 보이고 있다. Fig. 6 에서 계산된 값은 첨두유출량과 첨두시간에 대해서 관측값 과 매우 유사하게 나타나고 있고 전체적으로 관측값과 유사 한 경향을 보이고 있다.

모형의 적합성을 평가하기 위하여 강우유출해석결과 중에 서 체적오차 백분율(VER)과 첨두유량 오차 백분율(QER)을 산정하였다. 각각의 계산식은 다음과 같다.

, (12) VER

∑

(Q_obs–Q_cal)

Q_obs

---

∑

×100

= QER Q_pobs–Q_pcal

Q_pobs ---×100

= Fig. 4. Land cover map and roughness coefficient

− 150 − 여기서, Q

obs:

관측유량, Q

cal:

계산유량, Q

pobs:

관측첨두유 량, Q

pcal:

계산첨두유량 이다.

Table 1

은 계산에 사용된 입력 조건, 계산시간 및 계산결 과의 오차를 나타내고 있다.

본 연구에서 적용된 매개변수들은 시행착오법에 의해 침투 계수, 조도계수 및 초기토양수분계수를 적절하게 수정하지만, 그 값의 범위는 이전 연구자들에 의해 실험적으로 얻어진 값들의 허용한도 이내에서 적용하였다. 본 연구에서 사용된 모형의 특성상 동일유역에서 시행착오법에 의해 수정된 매 개변수는 유역특성이 크게 변화되지 않는다면 그 값들이 고

정이 되며, 이후의 다양한 강우에 따른 유출계산은 강우의 입력자료만 다를 뿐 그 이외의 매개변수들은 동일한 상태로 유지된다. 이러한 특성은 기존의 모형들과 비교하여 다소 정 확도가 낮아질 가능성도 있을 수 있지만 실무에서 사용될 경우, 매개변수들을 강우에 따라 매번 수정하지 않더라도 어 느 정도 신뢰성 있는 결과를 쉽게 얻을 수 있다는 장점이 있다.

Fig. 7

은 첨두유량시 하천유출량을 분포형모형의 주된 장

점중 하나인 전 유역에 대하여 유역 내 임의의 지점에 대한 유출량을 파악하기 위하여 분포형 유출모형의 계산 결과값 을 이용하여 시·공간적 분포를 나타내고 있다.

Fig. 5. Discharge sequences at Youngdam Dam site (2002)

Fig. 6. Discharge sequences at Youngdam Dam site (2003)

Table 1. Calculation results

Case Run time (sec)

Parameters VER QER

Peak time error

(%) Initial

saturation (B/C layer)

Channel roughness

coeff.

Obs.

(m³)

Cal.

(m³)

Relative error

(%)

Obs.

(m³/s)

Cal.

(m³/s)

Relative error

(%)

2002 63.2 0.8/0.9 0.035 41,053.2 40,429.7 21.1 44,880.0 4,364.3 2.8 0.0

2003 68.5 0.8/0.9 0.035 27,060.3 26,522.9 20.7 22,97.4 2,286.1 0.5 0.0

5.

결론 및 제언

본 논문에서는 금강권역의 용담댐유역을 대상으로 자체개 발한 물리적기반의 분포형 모형인 K-DRUM모형과 강우입력 인자로서 지상관측강우와 LB기법을 이용하여 보정한 분포형 레이더강우를 이용하여 홍수유출 모의를 실시하여 레이더강 우를 이용한 K-DRUM모형의 정확성 및 실무에서의 적용가 능성을 검토해 보고자 하였다.

본 연구를 통하여 얻은 결과는 다음과 같다.

1.

홍수기동안 격자강우량과 GIS와 연계하여 격자기반의 수 문정보에 대응할 수 있도록 물리적인 운동파(kinematic

wave)

이론에 근거한 분포형 강우-유출모형을 개발하였으

며, 홍수기동안의 지표흐름과 지표하 흐름의 시간적 변화 와 공간적 분포를 모의할 수 있다.

2.

용담댐유역내의 시공간적인 강우분포를 유출계산에 모의 하기 위해 S-밴드 진도레이더를 원시자료로 이용하여 지 상에 떨어진 관측강우와의 LB기법에 의한 보정작업을 거 쳐 정량적 분포형강우를 생성하였다.

3.

초기 유출계산결과 본 연구에 사용된 K-DRUM모형은 기 본 매개변수(침투계수, 조도계수, 강우보정계수)의 별다른 보정 없이도 비교적 양호한 결과를 나타내었고, 강우사상 에 대한 모형의 총 계산시간이 약 2~3분정도로서 실무에 서 사용하기에도 충분하다고 판단된다.

홍수 시 실시간으로 강우자료의 갱신을 수반하는 기상 레 이더 자료 및 수치예보자료와 GIS기반의 분포형 유출모형과 의 연계는 치수분야에 있어 홍수량 예측 향상에 매우 중요 한 역할을 할 것으로 사료된다. 본 연구에서는 모형의 개발 과 적합도의 검증을 위한 초기 단계로서, 용담댐유역에 대한 결과에 대하여 논하고 있으나, 모형의 정확성 및 사용성에 대한 정확한 평가를 위해서는 보다 다양한 강우 사상 혹은 다양한 크기의 유역에 대한 유출량의 재현성 및 매개변수 등에 검증이 추후 이루어져야 할 것이다.

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접수일: 2008.9.17/심사일: 2008.11.8/심사완료일: 2008.11.18)

Fig. 7. Distribution of river discharge at the flood (2003)