분포형 홍수유출모형의 개발과 적용에 관한 연구

Abstract

저류함수법이나 단위도법 등의 집중형 유출모형은 컴퓨터의 성능이 좋지 않았던 과거에 계산시간을 단축하기 위하여 대상유역을 여러 개의 소유역으로 구분하고, 각 소유역을 동일한 수문조건 및 유역특성으로 가정하여 계산하는 경험적이고 통계적인 기반의 유출모형이다. 분포형 유출모형은 컴퓨터의 발달과 지리정보시스템의 구축 및 관련정보의 제공이 활성화되면서 최근 많은 연구가 진행되고 있다. 이러한 분포형 유출모형은 대상유역을 보다 세분ㆍ요소화하여 계산하는 이론적이고 물리적인 기반의 모형이다. 본 연구에서는 강우의 공간적인 분포와 임의격자에서 시ㆍ공간적인 변동성을 동시에 고려할 수 있으며, 흐름상태를 물리적으로 해석할 수 있는 분포형 유출모형을 개발하였다. 개발된 모형은 격자로 구성된 유역을 대상으로 강우량 생성한 후, 유효우량 산정하고 지표면 흐름해석을 통하여 격자에서 유량을 계산할 수 있다. 모형에는 공간적으로 느슨하게 배치되어 있는 우량자료를 티센법과 역거리법을 이용하여 계산된 우량자료 또는 레이더로부터 생산된 우량자료를 격자에 입력할 수 있다. 유출에 기여하는 유효우량은 격자의 토양정보에서 추출된 매개변수와 Green-Ampt 침투모형으로부터 산정된 침투량을 손실로 처리하여 산정하였다. 지표면에서의 유출량은 토지피복 상태에 따라 결정되는 매개변수와 2차원 확산파 방정식에 기초하여 모형을 개발하였다. 하도구간에서 수위 및 유량계산은 1차원 동역학파 방정식에 기초한 모형과 연계하여 조석구간 또는 배수구간까지 그 적용범위를 확장하였다. 기존에 연구되었거나 개발 중인 유출모형은 대부분 Manning-Strickler의 평균유속공식과 Manning 조도계수를 이용하여 유속과 유량을 산정하고 있다. 그러나 Manning 조도계수는 사용상의 편의성 때문에 보편적으로 사용하고 있으나, 차원이 일치하지 않고 추정시 모호한 문제점이 있다. 이러한 문제를 개선하기 위해 본 연구에서는 Manning-Strickler식뿐만 아니라 차원이 일치하는 Chezy의 평균유속공식을 적용하여 유출모형을 개발하였다. 또한, Chezy의 마찰계수를 적용하기 위하여 조고의 함수로 표현되는 지수형 마찰계수 산정식을 도입하였다. 따라서 모호한 조도계수의 개념을 이용하지 않고 거친 정도를 수치화하여 물리적인 의미를 가진 마찰계수를 산정하고 적용 가능성을 확인하였다. 개발된 분포형 유출모형의 모형화 과정은 부채꼴과 장방형의 가상유역에 적용하여 기존 연구성과와 비교함으로서 적정성을 검토하였으며, 또한 유출량 산정에 영향을 미치는 침투계수, 첨두유량과 첨두시간에 영향을 미치는 조도계수에 대하여 민감도 분석을 실시하여 매개변수의 변동성과 적정범위를 제시하였다. 본 연구에서는 개발된 모형을 실제유역인 안성천 유역을 대상으로 3개의 홍수사상을 적용하였다. 대상유역에서 티센법, 역거리법 및 레이더 격자강우의 3개 강우조건에 대한 모의결과를 비교하여 각각의 장ㆍ단점을 검토하였다. 또한 3개 지점을 대상으로 실무에 활용되고 있는 기존 유출모형과 비교ㆍ검토한 결과 우수성을 확인하였다. 하도흐름 모형을 통하여 배수구간에 위치한 2개 지점의 모의결과를 검토하였으며 개발된 모형의 적용가능성이 충분함을 확인하였다.