연구분야
기후변화와 수자원영향평가
비선형수문해석
통계수문학
레이더수문학
강우-유출해석
위험도/신뢰성분석
재해관련 연구

 

 


수문모형은 물 순환 과정에서의 지표성분을 모의하고 기후의 변동이 수자원에 미치는 영향을 평가하는데 메카니즘을 제공하며 유역의 수문현상을 분석하고 예측하기 위해 이용된다. 1960년대 중반 이후 강우-유출 관계에 대해 모의하기 위하여 컴퓨터를 이용하기 시작하였으며, 1970년대 초반에 유출의 양과 질을 모의할 수 있는 모형들이 US EPA와 같은 미국의 정부기관들에 의하여 개발되기 시작하였다. 최근 들어 지형정보시스템의 등장과, 컴퓨터 계산 능력의 두드러진 발달과 더불어 수문모형도 집중형 모형에서 분포형 모형으로 발전하고 있는 추세이다. 전통적인 수문모형들은 시공간적 분포 자료가 아닌 점 자료를 입력 자료로 이용하여 왔다. 이 방법들은 유역 평균된 매개변수들과 평균된 입력자료를 이용하는 집중형 수문모형으로써 수문모형의 가장 주요한 입력자료인 강우량 역시 전유역 또는 소유역에 균일하게 내리고 항상 유효 우량에 일정하게 반응한다는 가정을 갖는다. 그러므로 집중형 수문모형의 모의결과는 강우의 양에 비례하지만 반드시 호우의 공간적 강우강도와는 비례하지는 않는다. 즉, 집중형 수문모형은 단기간의 강한 강우에 대한 반응이 비교적 작다고 할 수 있다.
유출과 같은 물 순환 과정은 시공간적으로 그 분포가 변동한다. 현실적으로 지표유출과 지표하 유출과 같은 물 순환시스템을 현장 측정한다는 것으로 어렵기 때문에 실제로는 모형화를 통하여 그 흐름과 양을 파악하게 된다. 집중형 수문모형과는 달리 분포형 수문모형은 수치지형자료를 이용하기 때문에 유역의 내부의 어느 점에서든지 유출모의가 가능하며 격자 기반의 구조를 가지고 있기 때문에 인접 격자의 강우, 침투 등의 계산치를 이용하여 물수지를 계산하게 된다. 또한 수문모형은 고해상도의 강우의 공간 패턴에 대한 정보가 없이는 유출량의 공간적 분포를 예측한다는 것은 불가능하다.

전 세계적인 지형자료의 디지털 혁명은 최근 10년간 수문모형의 발전을 가속시켜왔다(Sigh and Woolhise, 2002). 분포형 모형은 정확한 유역의 시공간적인 특성을 나타내는 것으로 근간을 두고 있으며 이것은 강우를 유출로 변화 하는 것을 지배한다. 그러므로 분포형 모형은 지형, 토지이용, 토양 그리고 강수를 정의하기 위해 이용되어지는 시공간자료에 의존한다. 분포형 수문모형은 매개변수를 평균화하는 것을 피하며 유역의 특성을 충실히 표현할 수 있도록 입력자료를 구성한다. 계산 구조는 격자간의 유출을 추적하거나 수학적 상사면에서 방정식을 간략화하여 유역의 특성을 나타낸다. 여기서 수학적 상사란 완벽한 동력학적 특성을 확산(diffusive)과 운동파방정식(Kinematic Wave Equation)을 통해 단순화 하는 것을 의미하며, 유한요소법 또는 유한차분법을 이용하여 계산된다. 물리적 기반의 모형(Physics based model)들은 수문학적 과정(hydrologic process)을 표현하기 위해 질량(mass), 운동량(momentum), 에너지 보전방정식을 이용하는 반면에 개념적 모형(conceptual model)은 각 수문요소를 물통(bucket)으로 가정하고 각각의 수문학적 과정을 경험적 관계식을 이용하여 표현한다.

수문학적 모형에서 정확한 홍수 추정을 위한 핵심 요소는 정확한 강우 자료이나, 현재 강우 관측망은 적당한 시간적, 공간적 비율로 정확한 강우를 측정하기에 어려움이 있다. 기존의 강우는 지상에 설치된 우량계에 의하여 관측이 되어 왔으며, 우량계는 점 강우량을 제공하고, 점 강우량은 우량계 주변을 둘러싸고 있는 지역의 강우량을 추정하기 위해 이용된다. 불행하게도 지상강우량들에 의해 추정된 공간적 분포는 강우가 실제적으로 어떻게 내리는지와 거의 연관성을 가지고 있지 않아 종종 잘못된 시간과 장소에서 잘못된 강우량을 산정한다. 그러나 최근에 레이더는 국부적으로 떨어지는 강우 변동성을 고해상도 관점에서 제공하고, 1 ㎞ l ㎞ 또는 그 이상의 크기를 갖는 격자 형태로 강우 관측을 하기 때문에 일반적인 우량계의 밀도에 비해 상당히 높은 공간 밀도의 강우에 대한 정보를 제공할 수 있다.

격자 기반의 분포형 수문모형이 갖는 가장 큰 장점은 분포형 지형 자료와 강우자료로부터 추정된 초기 매개변수의 값에 의한 유출모의가 집중형 모형에 비해 정확하기 때문에 미세한 매개변수의 조정만을 통해 유역의 유출량을 모의할 수 있다는 점이다.

본 연구팀에서는 안성천 유역과 임진강 유역을 대상으로 레이더 강우와 격자형 강우-유출 모형을 연계하여 홍수유출모의를 실시함으로써 국내 유역에서의 적용성을 검토하였다. 또한 레이더 강우 자료를 준 분포형 모형인 Modclark(Modified Clark)와 물리적 기반의 분포형 모형인 VfloTM 모형에 입력하여 홍수유출 모의를 실시하였다.

 
   
 구     분

WEP 모형

MIKE SHE 모형

GSSHA 모형

VfloTM 모형

Agency

- PWRI(Japan)

- DHI(Denmark)

- USACE ERDC(US)

- Oklahoma(US)

Rainfall

- 지점우량
 · Thiessen

- 지점우량

- 지점우량
 · Thiessen
 · Inverse distance square weighted

- 격자형 레이더 강우

Landuse

- 토양 및 토지이용에 따른 유출변화 모의

- 지표면경사, 토지이용에 따른 유출변화 모의

-토양 및 토지이용에 따른 유출변화 모의

- 토양 및 토지이용에 따른 유출변화 모의

Evapotrans
-piration

- 수역, 나지, 불투수역
 ·
Penman-Monteith eq.

- Penman-Monteith eq.
- Kristensen-Jensen eq.
- 실제증발산량
 ·
엽면적지수(LAI), 토양수분함수
 · 식물에 의한 증산
 · 토양 증발
 · 차단저류 증발
 · 수면 증발

- 나지
 · Deardorff 방법
- 식생의 증산
 · Penman-Monteith eq.

- 고려하지 않음

Interception

- 차단저류 고려
 ·
토지이용에 따른 차단깊이 설정

- 차단저류 고려
 · Rutter model
 · K-J model

- 식생피복에 의한 차단
·
empirical two-parameter모형
- 지표면 저류

- 고려하지 않음

Unsaturated zone
(침투부분)

- 호우기:Generalized Green&Ampt eq.
- 비호우기:Richards' eq.(1-D)

- Richards' eq.(1-D)
- Simplified Richards' eq.(1-D)

- Green & Ampt
- Multi-layered Green & Ampt
- GAR(Green & Amp with Redistribution)
- 1-D vertical Richards' eq

- 일정비율법(constant rate method)
-
Green & Ampt

Saturated zone
(지하수
흐름부분)

- 수평 2차원 Boussinesq eq.
- 대수층간 수직 흐름 교환

- 수평 2차원 Boussinesq eq.
- 대수층간 수직 흐름 교환

- 수평 2차원
Boussinesq eq.

 

River routing

- Kinematic Wave eq.
- Dynamic Wave eq.

- Saint Vernant eq.

- Diffusive Wave eq.

-지표유출
 · Kinematic Wqve eq.
-수치해
 ·
유한요소법(공간)
 · 유한차분음해법(시간)