KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research (대한토목학회논문집)

Korean Society of Civil Engeneers (대한토목학회)
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Development of a Grid-based Daily Watershed Runoff Model and the Evaluation of Its Applicability

분포형 유역 일유출 모형의 개발 및 적용성 검토

  • 홍우용 (건국대학교 대학원 사회환경시스템공학과) ;
  • 박근애 (건국대학교 사회환경시스템공학과) ;
  • 정인균 (건국대학교 사회환경시스템공학과) ;
  • 김성준 (건국대학교 생명환경과학대학 환경시스템학부)
  • Received : 2010.04.20
  • Accepted : 2010.05.16
  • Published : 2010.10.31
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Abstract

This study is to develop a grid-based daily runoff model considering seasonal vegetation canopy condition. The model simulates the temporal and spatial variation of runoff components (surface, interflow, and baseflow), evapotranspiration (ET) and soil moisture contents of each grid element. The model is composed of three main modules of runoff, ET, and soil moisture. The total runoff was simulated by using soil water storage capacity of the day, and was allocated by introducing recession curves of each runoff component. The ET was calculated by Penman-Monteith method considering MODIS leaf area index (LAI). The daily soil moisture was routed by soil water balance equation. The model was evaluated for 930 $km^2$ Yongdam watershed. The model uses 1 km spatial data on landuse, soil, boundary, MODIS LAI. The daily weather data was built using IDW method (2000-2008). Model calibration was carried out to compare with the observed streamflow at the watershed outlet. The Nash-Sutcliffe model efficiency was 0.78~0.93. The watershed soil moisture was sensitive to precipitation and soil texture, consequently affected the streamflow, and the evapotranspiration responded to landuse type.

본 연구에서는 GIS 공간자료(수치표고모델, 토지이용도, 토양도)와 Terra MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) 위성영상에 의한 식생활력도를 이용하여 유역의 일단위 유출량을 모의하는 격자기반의 분포형 일유출 모형을 개발하고 그 적용성을 평가하였다. 모형은 격자단위로 지표유출, 중간유출 및 기저유출, 증발산량 그리고 토양수분의 시간적 변화와 공간적 분포를 모의할 수 있다. 모형은 크게 유출, 증발산, 토양수분의 3개 주요모듈로 구성하였다. 유출은 강우전의 토양수분을 추적하여 지표하 저류능을 계산하므로서, 총 유출체적에서 각 유출량을 배분하는 감수곡선을 도입하여 모의하도록 하였으며, 증발산은 MODIS 엽면적지수(Leaf Area Index; LAI)를 고려한 Penman-Monteith 증발산량을 산정하도록 하였다. 매일의 토양수분은 전일의 토양수분에서 당일의 유출량과 증발산량을 계산하는 물수지 방정식을 이용하여 추적하도록 하였다. 이 모형에 대한 적용성 평가는 유역면적 930 $km^2$의 용담댐 유역을 대상으로 수행하였다. 공간해상도를 1 km로 맞춘 GIS 입력자료(토지피복도, 토양도, 경계자료 등)와 RS 입력자료(LAI)를 구축하였으며, 2000년부터 2008년까지의 기상자료를 수집하여 IDW 방법으로 공간분포화 하여 모형에 적용하였다. 검보정은 유역 출구 지점의 유출량 자료를 모의치와 비교하여 수행되었고, 보정결과에 따른 모형의 적합성과 상관성을 판단하기 위한 목적함수로는 결정계수($R^2$)와 평균제곱근오차 (RMSE : Root Mean Square Error)를 사용하였으며, 모형의 효율성 검증을 위해 Nash와 Sutcliffe(1970)가 제안한 모형 효율성 계수를 사용하였다. 유출량에 대한 Nash-Sutcliffe 모형효율은 0.78~0.93로 모의치가 실측치의 경향을 잘 표현하는 것으로 나타났다. 유출량 분포도는 강우와 토양에 매우 민감하게 모의 되었다.

Keywords

References

  1. 건설교통부(1999) 수자원 계획의 최적화연구 (II), (물수지분석 시스템 연구).
  2. 김광섭(2007) 유역관리를 위한 토양수분 분석(I) - 토양수분 관측 연구동향. 한국수자원학회지, 한국수자원학회, 제40권 제1호, pp. 62-71.
  3. 김광섭, 이을래(2004) 신경망기법과 보조자료를 사용한 원격측정 토양수분자료의 Downscaling기법 개발. 한국수자원학회논문집, 한국수자원학회, 제37권 제1호, pp. 21-2.
  4. 김성준(1998) 격자기반의 운동파 강우유출모형 개발(I) - 이론 및 모형. 한국수자원학회논문집, 한국수자원학회, 제31권 제3호, pp. 303-308.
  5. 김영성, 양재린, 이현석, 고덕구(2007) 용담댐 수자원 시험유역. 한국수자원학회지, 한국수자원학회, 제40권 제6호, pp. 48-53.
  6. 농업기상정보시스템, http://weather.rda.go.kr/index.asp
  7. 농업기술과학원, http://www.niast.go.kr/
  8. 박진혁, 강부식, 이근상(2008) "레이더강우를 이용한 GIS 기반의 분포형 모형 적용성 분석. 한국지형공간학회지, 한국지형공간학회, 제16권 제1호, pp. 23-32.
  9. 박진혁, 허영택, 류경식, 이근상(2009) GIS격자기반 K-DRUM을 활용한 용담댐유역 홍수유출모의. 대한토목학회논문집, 대한토목학회, 제29권 제1D호, pp. 145-151.
  10. 이혜숙, 정선아, 박상영, 이요상(2008) HSPF와 CE-QUAL-W2 모델의 연계적용을 이용한 용담댐 저수지 탁수현상의 모델 연구. 대한환경공학회지, 대한환경공학회, 제30권 제1호, pp. 69-78.
  11. 장기환(1999) 이상기후현상과 다목적댐 운영, 대한토목학회지, 대한토목학회, 제47권 제5호, pp. 34-44.
  12. 정인균, 이미선, 박종윤, 김성준(2008) 격자기반 운동파 강우유출 모형 KIMSROTM의 개선(I). 대한토목학회논문집, 대한토목학회, 제28권 제6B호, pp. 697-707.
  13. 최진용, 고양수(2006) 토양수분 가뭄지수의 개발. 한국수자원학회지, 한국수자원학회, 제29권 제3호, pp. 24-28.
  14. 한국농촌공사(2009) 농촌홍수관리시스템 개발.
  15. 황준식, 정대일, 김영오(2005) 국내 월유출 모의 대안을 위한 물수지 모형 연구. 한국수자원학회 2005년도 학술발표회논문집, 한국수자원학회, pp. 95-99.
  16. Beven, K.J. (1982) On subsurface stormflow: Predictions with simple kinematic theory for saturated and unsaturated flows. Water Resources Research, Vol. 18, No. 6, pp. 1627-1633. https://doi.org/10.1029/WR018i006p01627
  17. Freeze, R.A. and Harlan, R.L. (1969) Blueprint for a lhysicallybased digitally simulated hydrologic response model. Journal of hydrology, Vol. 9, pp. 237-258. https://doi.org/10.1016/0022-1694(69)90020-1
  18. Kim, S.J., Kwon, H.J., Park, G.A., and Lee, M.S. (2005) Assessment of land-use impact on streamflow via a grid-based modelling approach including Paddy Fields. Hydrological Prosesses, Vol. 19, pp. 3801-3717. https://doi.org/10.1002/hyp.5982
  19. Nasa Website, https://wist.echo.nasa.gov/api
  20. Nash, J.E and Sutcliffe, J.E. (1970) River flow forecasting through conceptual models, Part I-A discussion of principles. Journal of Hydrology, Vol. 10, No. 3, pp. 282-290. https://doi.org/10.1016/0022-1694(70)90255-6
  21. Neitsch, S.L., Arnold, J.G., Kiniry, J.R., Williams, J.R., and King, K.W. (2002) Soil and water assessment tool theoretical documentation version 2000. Texas Water Resourses Institute, College Station, Texas.
  22. Sloan, P.G. and Moore, I.D. (1984) Modelling subsurface stream flow on steeply sloping forested watersheds. Water Resources Research, Vol. 20, No. 15, pp. 1815-1822. https://doi.org/10.1029/WR020i012p01815
  23. Verhoef, A. and Feddes, R.A. (1991) Preliminary review of revised FAO radiation and temperature methods. Report 16, LandbouwuniversiteitWageningen, Wageningen.