용담시험유역에서의 수문계측 및 품질관리 고도화

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1. 서 언

최초의 인류문명 발생지인 ‘세계4대문명’을 포함 한 대부분의 문명이 교통이 편리하고 관개농업에 유 리한 큰 강의 유역에서 발달했듯이 물은 인류문명의 근원이며 그 가치를 평가한다는 자체가 의미가 없 을 만큼 소중하다. 하지만 최근 급증하는 이상기후 및 기후변화의 영향으로 홍수 및 가뭄이 반복적으로 발생함에 따라 물관리의 어려움이 증대되고 있다.

2014년과 2015년에는 중부지방의 가뭄으로, 충청권 서북부 지역인 당진과 아산 등에서 단수사태가 발생 하였으며, 2010년부터 2012년까지 서울 및 수도권 남부 지방에서 주로 발생했던 게릴라성 집중호우는 많은 인명 및 재산상의 피해를 가져왔다. 이러한 가 뭄 및 홍수의 주기적인 반복은 앞으로도 계속될 것 으로 전망된다. 그러므로 우리가 직접 느끼고 충분 히 인지하고 있는 기후변화로 인한 자연재해를 극복 하기 위해서는 지구촌 수자원의 효율적 이용 및 관 리기술의 확보가 어느 때보다도 시급하다.

본 연구에서는 이러한 시대적 요구에 맞춰 기후변 화를 대비한 수문계측 및 품질관리 고도화 기술 개 발을 그림 1과 같이 추진하였다. 참여 연구진은 충 북대학교의 맹승진과 이효상, 충남대학교의 노재경, (주)에이치큐테크의 이현석, 연세대학교의 홍진규로 구성되어 UNESCO IHP 시험 유역인 용담댐에서 생산되고 있는 수문 및 기상 자료를 분석하고 있다.

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용담시험유역에서의 수문계측 및 품질관리 고도화

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맹 승 진 ●●●

충북대학교 지역건설공학과 교수 [email protected]

노 재 경 ●●●

충남대학교 지역환경토목학과 교수 [email protected]

이 현 석 ●●●

(주) 에이치큐테크 연구소 소장 [email protected]

홍 진 규 ●●●

연세대학교 대기과학과 교수 [email protected] 이 효 상 ●●●

충북대학교 토목공학과 교수 [email protected]

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그림 1. 2차년도(2015년) 연구수행체계

2. 용담IHP 시험유역

용담댐 유역에서는 1999년부터 한국수자원공사에 의해 다양한 수문 관측이 이루어지고 있으며, 특히 용담댐으로 유입되는 모든 주요지천에서는 수위 및 유량 조사가 매년 수행되고 있다. 용담댐 유역은 한 반도 중부지방에 위치한 금강유역의 최상류(북위36°

00＇- 35°35＇, 동경 127°20＇- 127°45′)에 위치한 다. 용담댐은 2001년 금강 본류에 완공되어 금강유 역면적의 약 9.45 %를 점유하고 있다. 용담댐은 유

역면적 930 km2, 총저수량 815백만m3, 유효저수 량 672.5백만 m3으로 충남과 전북의 수자원을 책임 지고 있는 다목적댐이다. 그림 2의 a)는 용담댐 유 역 DEM, b)는 용담댐 유역 토지이용도를 보여준다.

그림 3은 K-water연구원이 관리하고 있는 용담 시 험 유역의 홈페이지(http://ydew.or.kr)의 메인화 면이며, 현장에서 측정된 다양한 수문자료를 확인할 수 있다.

(a) 용담댐 유역 DEM

그림 2. 용담댐 유역 현황

(b) 용담댐 유역 토지이용도

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3. 2차년도(2015년) 연구내용

3.1 유량 신뢰도 향상 및 홍수기 유량 모니터링 기술 검토

자연하천에서의 흐름은 일반적으로 수면경사가 일정하지 않을 뿐 아니라 횡단면의 횡방향 변화가 심하여 저수 시에는 단면통제를 받을 수 있으나 고 수 시에는 주로 하도통제를 받게 되어 수리계산을 통한 하천수위로부터 유량 산정 시 주의가 요구된 다. 신뢰도 높은 수위-유량 관계식을 유도하려면 갈 수 및 저수시의 수위별 유량측정자료와 고수시의 수 위별 유량측정자료를 적절한 방안지에 도시하여 내 삽 혹은 외삽에 의해 특정수위에 대한 유량을 읽거 나, 수위-유량자료의 회귀분석에 의해 수위-유량 관계곡선식을 유도하여 사용하는 것이 일반적이다.

그림 3과 표 1은 금강수계에 위치한 수통 수위관측 소에서 개발한 수위와 유량의 관계 및 식을 보여준 다. 기존의 조사 기술 및 분석기술을 검토하고 수 위-유량 관계 개선을 위해 검토한 유량모니터링 기 술은 그림 5와 같다.

본 연구를 통해 개발하고자 하는 홍수기 유량 모 니터링 기술은 5개 항목으로 구분된다. 그림 5에 나 타낸 번호를 기준으로 기술항목을 설명하면 다음과 같다. 첫째 기호 ①은 HF레이다를 활용한 홍수기 하천단면 면유속 관측기술이다. 기존에는 LSPIV법 등 몇가지 간접적인 방법으로 단면 유속을 추정하 나 분석 및 조사에 많은 제약이 동반된다. 최근 미국 CODAR사에서 개발 적용하고 있는 HF레이다를 활 용한 대상 단면 유속 관측기술을 자체적으로 개발하 고 우리 실정에 맞게 보완 개선함으로서 교각 중앙 이나 강변에서 관측 후 하천 횡단면에 대한 면 유속 을 산정하는 기술이다. 둘째 기호 ②는 하상변동 모 니터링 기술이다. 기존에는 홍수 전 1회, 홍수 후 단 면변화가 예상 될 때 1회 추가 측량하는 정도로 하 상모니터링이 수행되고 있으나, 실시간으로 하상변 동을 모니터링하기 위해 관측 단면 3지점 혹은 5지 점에 소형 라이시미터를 개량한 하상변동 모니터링 장치를 설치함으로서 실시간으로 퇴적 및 쇄굴을 모 니터링하고 물이 통과하는 그 시간의 실제 단면적 확보를 목적으로 한다. 현재 개발되고 있는 적설관 측 기술의 도입으로 소류사량 관측 분야 활용가능성 그림 3. 용담시험유역 홈페이지 (www.ydew.or.kr)

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도 검토하고 있다. 셋째 기호 ③은 로드셀을 활용한 평·갈수기 측선별 유속 모니터링 기술이다. 기존에 는 도섭법으로 평·갈수기 유량조사를 수행하고 있 으며, 전자파나 초음파를 이용한 유속 모니터링이 도입되고는 있으나, 유속이 0.3 m/s 이하로 작은 지 점에서는 신뢰성 확보에 어려움이 있다. 이에 가장 간단하고 저렴한 방법으로 다 측선에서의 유속 관측 을 위한 방법을 고안하고 있으며, 교각으로부터 하 천표면에 표준 저항 추를 설치한 후, 유속에 의한 인 장력을 정밀 로드셀로 측정, 실시간 유속 정보 생산 을 목적으로 기술개발을 진행하고 있다. 넷째 기호

④는 실시간 평균유속환산계수 모니터링 기술개발 이다. 기존에는 표면유속으로부터 평균유속을 산정 하기위해 일률적으로 계수 0.85를 사용하였다. 그러 나 관측지점에 따라 많은 차이가 확인되고 있으며,

최적의 계수 개발을 위한 평균유속 모니터링 기술 개발을 수행하고 있다. 다섯째 기호 ⑤는 최신 통신 기술을 활용한 현장 상황 제공 및 육안으로 확인하 는 수준이상의 수위관측 및 흐름상황을 관측하고 전 송하는 기술개발을 나타낸다. 본 년도에는 기호 ① 에 언급한 HF레이다를 활용한 홍수기 하천단면 면 유속 관측기술에 대한 현장실험을 수행하였다.

HF레이더 현장실험 현황은 그림 6과 같다. 교각 좌·우안에 HF안테나 2기를 설치하고 전파가 수면 에 반사되어 돌아오는 ‘도플러 효과’를 분석하기 위 한 장비를 개발하였다. 현장조사 및 측선별 유속뿐 만 아니라 단면 전체에 대한 유량은 현장 실험 전·

후 전문 유량조사팀이 수행하였다.

그림 4. 수통관측소 수위-유량관계 곡선

범 위 곡선식 결정계수

0.20≤h≤1.06 0.98312

1.06<h≤3.68 0.97969

표 1. 수통관측소 수위-유량관계 곡선식

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그림 5. 홍수기 유량 모니터링 기술 개요

그림 6. HF레이더 현장실험

3.2 습윤기 및 건기의 물수지 분석

용담댐 시험유역의 주요 지천인 동향유역의 유출 분석을 위하여 2013년 6월 1일 부터 2015년 5월 31 일 기간의 수문자료를 분석한다. 수문년도( 10월 1

일 〜 9월 31일)를 국내 실정에 맞게 건기(10월 1일

〜 5월 31일) 및 습윤기(6월1일 〜 9월31일)로 나누 어 강우량, 증발산량 및 유출량을 검토한 결과는 표 2와 같다.

표 2. 동향 구량천 유역의 물수지 분석 및 유출비

수문년도 총 강우량(mm) 총 증발산량(mm) 총 유량(mm) 유출비

2013-2014년 습윤기 (6.13~9.30) 283.32 262.45 174.10 0.61

건기 (10.1~5.31) 776.06 673.16 239.67 0.31

2014-2015년 습윤기 (6.1~9.30) 301.74 149.89 195.05 0.65

건기 (10.1~5.31) 809.48 357.39 341.80 0.42

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관측 강우량의 년도/기간별 편차에 비하여 관 측 증발산량의 편차(262.45(2013년 습윤기) -149.89(2014년 습운기)가 크게 발생하여, 자료의 품질에 대한 검토 혹은 연도별 편차 발생 원인에 대 한 검토가 필요하였다. 표 2에 제시 된 유출비를 통 해 연도별 습윤기( 0.61, 0.65)와 건기( 0.31 ,0.42) 의 유출비에 차이가 있음을 확인할 수 있었다. 이러 한 유출비의 차이는 기간에 따른 유역의 유출 특성 변화에 기인한다고 사료된다.

또한 동일 유역의 유출 분석을 위하여 2013년 6 월 1일 부터 2015년 5월 31일 기간의 수문자료 를 습윤기/건기로 나누어 PDM 모형을 적용하였 으며, Monte Carlo 검정 방법과 Nash Sutcliffe Efficiency (NSE) 목적함수를 활용하였다. 모형의 적용 성능은 모의된 수문곡선과 관측된 수문곡선과 의 차를 시각적으로 분석하고, NSE 목적함수의 정 량적 평가를 통해 평가하였다. 모형의 검증을 위하 여 교차로 다른 년도의 건기/습윤기 기간에 대해 ‘검 정모형매개변수’를 적용하여 검증을 수행 하였다.

그림 7은 2013년도 습윤기인 6월 13일부터 9월 30일 까지의 토양저류함수의 최대값에 대해 모의된

토양저류함수의 비와 관측 토양수분 (그림 1) 100 mm 심도, 2) 200mm 심도)을 도시한 결과이다. 관 측 토양수분과 토양저류 함수 모의 결과가 습윤기에 뚜렷한 상관성을 보이고 있다. 이러한 결과는 PDM 모형으로 모의 한 토양 저류 함수의 최대치(Cmax) 산정 결과와 상관이 있으며, 토양 저류 함수 모형의 모의 결과가 유역의 특성을 잘 반영하고 있다는 증 거로 충분하다.

유역 유출 특성을 토양 수분 관측 자료와 토양저 류함수 모형 기반의 PDM 모형으로 검토한 결과, 토 양 심토 100mm 〜 200mm 구간의 강우사상에 대 한 토양수분은 직접적으로 변화하고 있으며, 400 mm 이하 심도의 토양 수분량 변화가 200 mm 이하 심도 구간에 비해 느리게 발생함으로서 이 구간의 토양 수분량 변화는 장기 유출의 영향으로 판단되었 다. 향후 본 연구결과를 토대로 습윤기 및 200 mm 이하심도 구간에 초점을 맞추어 용담댐 나머지 유역 에 홍수기 유역 유출 특성을 반영한 토양저류 함수 모형을 구축함으로서 저수지 유입 홍수량 산정이 가 능할 것으로 사료된다.

3.3 증발산량 신뢰도 개선

용담 시험유역 북단에 설치되어 있는 덕유산 플럭

스 타워는 타워 19 m 지점에 3차원 풍향 풍속계와 기체 분석기가 설치되었다. 최초 설계 시 전면에 위 치한 덕곡저수지의 영향으로 발생할 수 있는 증발 그림 7. 구량천유역의 2013.6.13.- 9.30기간의 토양수분과 PDM토양저류함수의 모의결과

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그림 9. 기체 보정 작업 산 측정의 오류를 최소화하기 위하여 풍향 풍속계와

기체분석기를 군락캐노피로부터 약 5 m 떨어져 설 치하였다. 그러나 약 2년간 축적한 증발산 자료들을 분석한 결과, 군락캐노피로부터 관측 지점까지의 충 분한 이격거리 확보와 이로 인한 대표면적 향상이 필요함을 확인하였다. 이를 위하여 지상으로부터 19 m 지점에 설치되어 있던 증발산 측정 장비들을 그 림 8과 같이 지상으로부터 25 m 지점으로 이동 설 치하였다. 관측자료 기반의 실험디자인 재설계를 통 한 측정 시스템 최적화의 좋은 예라고 할 수 있다.

에디공분산에 의한 증발산량 산정을 위해서는 3 차원 풍향풍속 및 공기 중에 있는 수증기 농도에 대 한 정밀 관측이 필수적이다. 수증기 농도의 드리프 트 (Drift)에 의한 오차를 최소화하고 보다 신뢰도 높은 증발산 측정을 위하여 이슬점 생성기를 관측지 점까지 운반한 후 지금까지는 1년에 1 〜 2회 정도

로 수행한 적외선가스분석기 보정을 2달에 1회 이상 으로 기존의 보정주기보다는 상대적으로 정밀하게 수행하였다. 그림 9는 2개월 빈도로 수행하고 있는 장비관리 현황을 보여주며, 현재까지 현장여건을 고 려한 최상의 노력으로 증발산량 산정에 필요한 자료 들을 축적하고 있다.

그림 8. 센서 높이 조정

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3.4 수면증발량 관측 기술

대댐 저수지는 수체 상부와 하부의 밀도차가 존재 하며, 상부와 하부사이에는 수온이 급격하게 변화하 는 ‘수온약층’이 존재한다. 지속적인 수면에서의 증 발량 관측을 통해 지상과는 달리 9월 및 10월에도 많은 양의 증발이 이루어지고 있음을 알 수 있었다.

이러한 현상은 저수지 및 증발팬 내부의 수온과 밀 접한 관계가 있으며, 과학적인 규명을 위해 수온모 니터링을 시도하였다. 그림 10은 모니터링에 사용한 수온센서와 증발팬 내부에 설치된 수온계 현황을 보 여준다. 이러한 방법으로 증발팬 내부, 대기 및 저수 지에서의 온도 모니터링을 10월 22일부터 약 한 달 동안 수행하였다. 그림 11은 대기온도 및 각기 다른 세 지점에서의 수온을 보여준다. X축은 ‘줄리언데이’

로 표현하였으며, 한 예로 10월 22일을 294일로 표

현하였다. Y축은 온도를 나타낸다. 대기온도는 11월 에 접어들면서 급격히 떨어지고 있음을 알 수 있으 며 이에 따라 수온도 약 4 ℃ 이상의 저하를 확인할 수 있었다. 그림 12는 팬내부와 저수지에서의 온도 차이를 보여준다. 팬 내부 수온은 상층과 하층에 큰 변화가 없었으나, 저수지 온도와 비교했을 경우에 는 대기 온도에 따른 온도변화가 크게 나타나고 있 음을 알 수 있었다. 특히 302일로 표시된 10월 30 일과 303일로 나타낸 10월 31일에는 대기 온도 저 하로 인해 팬내부 수위가 급격히 저하됨을 알 수 있 었고 저수지와 팬의 수온차가 크게는 1.5 ℃를 상회 하고 있음을 확인하였다. 이러한 온도 차는 증발량 에 직접적으로 작용하고 있으며 향후 좀 더 정밀한 수면증발관측을 위해서는 필수적으로 파악되어야할 주요 인자라고 평가되었다.

그림 10. 수온센서 및 설치현황

그림 11. 대기온도 및 수온

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그림 13은 2015년 11월까지 관측된 수면증발량을 보여준다. X축은 년-월-일을 나타내었으며 Y축은 mm 단위의 일 증발량을 보여준다. 하절기 증발량 은 약 4〜5 mm를 보여주고 있으며 10월에 접어들 면서 증발량이 조금씩 감소되고 있음을 알 수 있다.

그림 14는 10월 22일부터의 증발량 변화를 보여준 다. 그림 14는 X축을 년-월-일로 나타냈으며 Y축 우측은 mm 단위의 강수량을 보여주고 있다. 기상 청에서의 증발량은 오전 9시 목측으로 하루단위의 수위변화를 증발량으로 기록하고 있으나, 본 수면증 발관측은 10분 단위로 기록하고 있으므로, 하루 중 강우종료 후 발생하는 증발량 관측이 이루어지고 있 다. 11월에는 비교적 빈번한 강우가 발생하였고, 10 월에 비해 큰 폭의 기온저하를 확인할 수 있었다. 그

림 14는 기온 저하에 따른 수온 저하를 보여주고 있 으며, 지금까지의 기상·기후 자료 분석을 통해 저 수지보다는 팬 내부의 수온이 기온 상승 및 하강에 대한 반응 폭이 좀 더 크게 나타나고 있음을 알게 되 었다.

3.5 토양수분량 신뢰도 개선을 위한 관측자료 검증

본 연구에서는 용담댐 시험유역의 우량관측소에 설치된 토양수분 센서 자료의 신뢰도 평가를 위해, 지점별로 현장 측정값에 의한 비교, 유출모형에 의 한 비교 등을 통해 토양수분자료가 정상적으로 관측 되는지 확인하고자 하였다. 용담댐 유역 토양수분측 정 센서의 설치 현황은 주천, 부귀, 덕유산 관측소는 그림 12. 팬 내부 및 저수지의 수온 차이

그림 13. 2015년도 수면증발량

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그림 14. 2015년도 환절기 한 달 동안의 수면증발량

4개, 상전, 안천, 천천, 계북은 5개가 각각 토심별 로 매설되어있다. 현장에서 측정한 토심별 토양수분 (%)을 관측된 토양수분과 비교하고, 유출모형에 의 한 토양수분량(%)을 비교하였다. 유역의 토양수분상 태에 따른 유출반응을 모의하는 유출 모형을 선정하 여, 유역의 토양수분상태를 모의하고, 측정된 부피 단위의 토양수분량(%)에 토심을 곱하여 토양수분량 자료를 생성하고, 상호 비교하여 유출 모형에 활용 할 수 있는 가능성을 판별하여, 측정된 토양수분자 료의 신뢰도를 평가하였다.

여기서는 ONE 모형(One parametric New Exponential hydrologic model)을 선정하여, 토 양수분자료의 신뢰도를 평가하는 것으로 하였다.

ONE 모형은 하나의 매개변수를 이용하지만 매개변 수 값이 유역의 토양수분 저류량에 따라 비선형으로

변화하기 때문에 유출 반응이 양호하게 나타난다(그 림 15). 천천 관측소 일유량과 용담댐 일 유입량을 이용하여 ONE 모형을 검증한 예는 각각 그림 16 및 그림 17과 같다.

그림 15. ONE 모형의 개념도

그림 16. 천천 관측소 지점 유량을 이용한 ONE 모형의 검증

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관측별로 측정된 토심별 토양수분량(%)에 토심 을 곱하여 토양수분량(mm)을 계산하고, ONE 모 형에 의해 모의된 토양수분량(mm)과 비교하였고, 토양수분량의 1:1 등가선(그림 18)으로 비교 평가 함으로써 측정된 토양수분량의 신뢰도를 판단하였

다. ONE 모형에 의해 관측소별로 일별 토양수분량 (mm)에 대해 관측값과 모의값을 비교한 결과는 R2 가 0.36~0.44로 나타나 신뢰도가 낮았다. 이는 각 각의 1:1 등가선에서도 확인이 되었다.

그림 17. 용담댐 유입량 자료를 이용한 ONE 모형의 검증

그림 18. 주천관측소의 토심별 일별 토양수분량 등가선 비교 (2013-2015)

4. 연구계획 및 기대효과

UNESCO IHP 시험 유역인 용담댐 유역에서 생산 되고 있는 수문 및 기상관측 자료를 활용한 수문 계 측 및 품질관리 고도화 3차년도 연구는 2차년의 개 별적인 과제를 그림 18과 같이 체계를 갖추어 수문자 료 측정기기 및 측정방법개선, 수문자료 분석 방법의 개선 및 고도화 그리고 유역 단위의 수문자료 분석 방법의 개선 및 고도화 등 3개 분야로 관측기술, 분 석기술 및 검·보정 기술 순으로 수행할 예정이다.

2차년과 3차년 그리고 4차년으로 계획되어 있는 IHP 시험유역 연구를 통해 기대할 수 있는 효과는 다음과 같다.

첫째, 유량관측의 문제점을 파악하고, 그 기술 개 발 및 적용을 통한 유량관측의 신뢰도 확보

둘째, 자체 기술 개발 및 검증을 통한 한국형 물수 지 인자 제안 및 물수지 분석

셋째, 수자원 관리를 고려한 증발산 관측기술 개 선 및 관측지점 유지관리 방안 제시

넷째, 우리나라 생활용수의 대부분을 담당하는 대

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댐 저수지에서의 증발량 실측을 통한, 가뭄 및 기후 변화를 대비한 물수지 관측기술 확립

다섯째, 토양수분관측 기술 및 관측결과를 분석하 고 신뢰도 확보를 위한 방안 제시 및 토양을 통한 수 자원 손실량 규명

여섯째, 고도화된 수문기초자료를 수자원 관리 연 구에 적용함으로써, 국내 수자원기초조사 연구의 선 도 및 표준 제시

5. 맺음말

K-water연구원은 용담 IHP시험유역에서 많은 수 리·수문 자료를 생산하고 있다. 그러나 시험유역에 서 축적한 자료를 활용해 우리나라 맞춤형 수리·수

문 인자를 찾기 위한 연구는 상대적으로 활발하지 못 하였다. 2015년 처음으로 용담댐유역을 ihp시험유 역으로 정하고, 각 분야별 전문가들의 자발적인 참 여를 통해 제대로 된 연구체계를 수립할 수 있었다.