KR100541930B1

KR100541930B1 - 지리정보시스템(지아이에스)을 기반으로 하는 수문모델링방법

Info

Publication number: KR100541930B1
Application number: KR1020030035353A
Authority: KR
Inventors: 김계현
Original assignee: 학교법인 인하학원
Priority date: 2003-06-02
Filing date: 2003-06-02
Publication date: 2006-01-10
Also published as: KR20040104007A

Abstract

본 발명은 수문모델방법으로서, 유역물수지분석에 요구되는 전체유역자료, 소유역자료, 기상자료, 도수유입량자료, 도수유입량분배율 및 실측유출량자료를 데이터베이스화하여 프로젝트파일을 생성하는 전처리단계; 상기 프로젝트 파일에 포함된 상기 데이터들을 입력받아 프로그램화된 소정의 연산모듈에 의해 각 소유역별로 일별 또는 연별 유역물수지를 수행하는 단계; 및 상기 유역물수지수행의 결과 얻어지며 탱크모형에 의해 산출되는 일별 유입량과 Penman식에 의해 산출되는 일별 관계필요수량과 일별 유역물수지 결과 파일을 생성하는 단계를 포함하여, 상기 결과들을 지리정보시스템(GIS)을 이용해 출력할 수 있도록 함을 특징으로 하는 수문모델방법을 제공한다.

상기 본 발명에 의하면, 유역관리를 위한 GIS 기반의 수문모델링을 통해 유역관련 수자원 관리 및 수질 보존에 기여하며 또한, 모델실행을 위한 과정과 모델실행의 결과 확인에 있어 보다 간단하고 체계적인 유역관리방법을 제공할 수 있다.

GIS, 소유역, 물수지분석, 수문모델

Description

지리정보시스템(지아이에스)을 기반으로 하는 수문모델링 방법{Method for Hydrological Modeling Based with GIS}

도 1은 본 발명을 구성하는 수문모델의 기본 구성요소의 하나인 하천네트워크 모형 (a: 저수지 없는 상류지점, b: 저수지 있는 상류지점, c: 저수지가 없는 중류지점, d: 저수지가 있는 중류지점)

도 2는 본 발명의 일 실시양태를 구성하는 유역물수지 모형의 흐름도

도 3은 유역물수지 시스템의 흐름도

도 4는 본 발명에 따른 모델입력자료의 파일설정과정을 표시하는 경로설정창의 구현예

도 5는 본 발명에 따른 입력자료의 편집 모듈의 구현예

도 6은 본 발명에 따른 수문모델링 분석결과를 도시한 출력화면

본 발명은 수문모델링 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 지리정보 시스 템(GIS)을 기반으로 하여 유역관련 수자원 관리 및 수질 보존뿐만 아니라, 모델실행을 위한 과정과 모델실행의 결과 확인에 있어서 간단하고 체계적인 유역관리방법을 제공하는 방법에 관한 것이다.

기존의 유역 관리를 위한 수문모델링 방법으로는 국내의 경우 최근 들어 GIS를 이용한 수문모델의 연계가 시도되고 있으며, 가지야마 유출공식 또는 최근 점 및 비점오염원 관리를 위한 BASINS/HSPF 모델이 이용되고 있다.

국내의 경우 농업기반공사의 "농업용수 수질정보종합관리시스템"은 농업용수의 효율적이고, 체계적인 수질관리를 위하여 수질조사 및 수리조사를 실시하고, 이를 이용하여 가지야마 유출공식에 의한 수문모형을 구현하고 있다.

상기 농업용수 수질정보종합관리시스템은 오염원 데이터베이스와 가지야마 유출공식에 의한 수문모형 및 수질모델을 연계하고, 유역특성에 적합한 오염물질 처리대안 시스템 등의 의사결정을 지원할 수 있다. 이를 위해 오염원데이터베이스의 조회, 수정, 검색 등에서 수질 모델링, 처리대안 선정 등과 같은 전체적인 오염원의 삭감시나리오가 지원되고 있다.

BASINS/HSPF 모델은 미국 환경청(EPA) 에서 1999년 점오염원과 비점오염원을 수계단위로 통합관리하기 위하여 GIS 소프트웨어인 AreView와 수질모델을 결합하여 개발된 것이다. 상기 프로그램을 통한 유역물수지분석은 PWATER 모형에 의해 평가되고, 유역으로부터의 비점오염원에 의한 하천이나 호소의 수질은 QUAL2E와 NPSM 모형을 이용하여 평가되고 있다.

하지만, 농업용수 수질정보종합관리시스템을 이용한 수문모델의 경우 단일 유역별 유역특성자료, 강우량 등의 자료를 경험식에 입력하여 유역물수지 분석을 수행함으로써 유역내의 복잡한 용수공급체계의 반영이 미흡하고, 임의 지점의 물수지 요소 변경에 따른 탄력적인 적용에 있어 어려움이 있다. 또한, BASINS/HSPF 수문모델의 경우 미국의 전 지역을 대상으로 개발되어 유역의 수문관련 자료의 분석에 사용되고 있으나 대유역에 적합하도록 설계되었으며, 비전문가에 의한 모델링 구현 및 결과 분석을 위한 기반 제공에 있어서는 다소 미흡하다. 이러한 이유로 상기 모델들을 국내 유역환경에 적용하는 경우 정확한 유역물수지를 분석하여 체계적으로 유역을 관리하기에는 많은 어려움이 있다.

본 발명은 상기 종래 기술이 가지는 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 유역관리를 위한 GIS 기반의 수문모델링을 통해 유역관련 수자원 관리 및 수질 보존에 기여하며, 또한 모델실행을 위한 과정과 모델실행의 결과 확인에 있어 보다 간단하고 체계적인 유역관리방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 GIS 기반의 수문모델링 방법을 구현하기 위한 수단을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 수문모델방법으로서,

유역물수지 분석에 요구되는 전체유역자료와 소유역자료 및 기상자료 등을 데이터베이스화하고, 이들 데이터들을 토대로 하여 각 유역에 대하여 일별 물수지, 월별 물수지, 연별 물수지를 연산모듈에 의해 산출하여 관계필요수량 및 일별 유역 물수지결과를 산출한 다음, 그 결과를 지리정보시스템을 통해 출력하는 하천네트워크의 모델링방법에 있어서,
상기 연산모듈은,
ⅰ)

(R i = 회귀수량, Fj = 용수목적별 회귀율, D i = 목적별 취수량, j = 용수목적)식을 통해 회귀수량을 산정하고, 상류유역유입량과, 자체유역 횡유입량을 DIROM 모형으로부터 산정하는 유입성분 산정 및 수문모형단계;
ⅱ)

(ETp = t일의 잠재증발산량(mm), K c = 논벼의 작물계수, I= 삼투량(mm/일), R e= 유효우량(mm))식을 통해 농업용수의 필요수량을 산정하고,

(REQR =생활용수 필요수량(㎥/일), ARQR = 1인당 평균급수량(l/인.일), N p= 급수대상인구수(인))식을 통해 생활용수의 1인당 1일 소비수량을 산정하며,

(REQL =가축별 필요수량(㎥/일), ARQ= 두당 소비수량(l/일/두수), N= 가축수)식을 통해 공업용수의 필요수량을 산정하는 공급수량 산정 및 수문모형단계;
ⅲ)

(ΔS = 저류량의 변화량, Qin= 저수지 유입량, R= 저수지 수면적의 강우량, OVF = 저수지의 여수토나 수문으로 부터의 방류량, DV= 취수량 또는 통관 방류량, LSS = 기타 손실량으로서 수면증발량, 침투량 임)식을 통해 저수지의 물수지에 의한 일별 저류량의 변화를 산정하는 저류량 산정 모형단계;
를 포함하여, 상기 관계필요수량 및 유역별수지를 수행함에 따라,
하천의 유출량이 자연상태의 갈수량보다 적을 때 저수지 등에서 부족량을 방류하도록 설계되는 것을 특징으로 한다.

삭제

도 1은 본 발명을 구성하는 수문모델의 기본 구성요소의 하나인 하천네트워크 모형으로서 물수지 요소의 형태별로 분류한 것이다. 도 2는 본 발명의 일 실시양태를 구성하는 유역물수지 모형의 흐름도이다. 도 3은 유역물수지 시스템의 흐름 도이다. 도 4는 본 발명의 GIS 기반의 수문모델방법을 구현하기 위한 전처리 단계에 포함되는 일 실시양태로서, 모델입력자료의 파일설정과정을 표시하는 경로설정창의 구현예이다. 도 5는 본 발명의 GIS 기반의 수문모델방법을 구현하기 위한 전처리 단계에 포함되는 일 실시양태로서, 입력된 각 자료들의 편집을 위한 모듈의 구현예이다. 도 6은 본 발명에 따른 수문모델링 분석결과를 나타내는 일 실시양태로서, GIS 기반의 출력형태로 수행한 출력화면이다.

이하, 본 발명의 내용을 상기 도면 들을 참조하여 수문모델을 위한 기본 성분들과, 이러한 성분들을 활용하여 유역물수지를 행하는 수문모델링 시스템의 구현에 관하여 상세하게 설명하고자 한다.

수문모델의 기본 구성

하천의 임의 지점에서의 물수지 요소는 유입, 유출 및 저류 요소로 크게 구분된다. 어떤 하천 유역에서 유역물수지를 행하기 위해서는 이들 각각의 요소를 정확히 추정할 수 있어야 한다. 따라서 유역물수지 모형은 하천의 임의 지점에서 유입, 유출량을 추정할 수 있는 수문모형과 이 결과를 물수지(Water Balance)하여 저류량의 변화를 추정할 수 있는 수리모형 및 전체유역에 걸쳐서 물수지를 순차적으로 수행할 수 있는 하천네트워크 모형 등으로 구성되어야 한다. 이들 물수지 요소에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.

(1) 유입성분 산정 및 수문모형

하천구간의 유입요소는 상류유역으로부터의 유입량, 자체유역으로부터의 횡유입량, 각종 용수의 회귀수량(Return flow)으로 구성된다. 이들의 유입요소별 계산방법과 그 산정모형은 다음과 같다.

가. 상류유역 유입량

상류유역으로부터의 유입량은 하천구간의 최상부에서는 0이 되며, 기타 유역에서는 상류유역의 물수지로부터 계산되는 월류량(Overflow) 또는 CP(Control Point) 유출량이 된다.

나. 자체유역 횡유입량

자체유역으로부터의 횡유입량은 지류하천으로부터의 유입량과 배후유역으로부터의 유입량인데 관개용 저수지의 계획, 설계 및 관리를 위해 개발된 DIROM 모형으로부터 산정하도록 하였다.

다. 회귀수량(Return flow)

각종 용수는 회귀수량이 발생하기 마련이며, 또한 회귀수량은 용수이용 방법에 따라 시간적으로 수량에 차이를 보일 수 있다. 따라서 본 모형에서는 지체시간을 고려하고 다음 식과 같이 회귀율을 적용하여 산정하도록 하였다.

여기서, R _i = 회귀수량, Fj = 용수목적별 회귀율, D _i = 목적별 취수량, j = 용수목적을 나타내는 첨자.

(2) 공급수량 산정 및 수문모형

공급요소는 농업용수, 생활용수, 공업용수, 축산용수, 환경용수 등으로 구분할 수 있다. 환경용수는 하천유지수 개념으로서 하천구간내에 저수지 등 저류시설물의 설치로 인하여 하천의 유출량이 자연상태의 갈수량보다 적을 때 저수지 등에서 부족량을 방류하는 것으로 하였다.

가. 농업용수

농업용수는 작물의 생산을 목적으로 경지에 인공적으로 물을 공급하는 관개용수를 말하며, 필요한 시기와 필요수량을 정확히 산정하는 것은 용수 개발 및 관리계획의 수립에서 대단히 중요한 사항이다. 논의 필요수량은(REQP_(t)) 벼의 증발산량과 삼투량 및 유효수량으로부터 관계식으로 표현하면 다음 식과 같다.

여기서, ET _p = t 일의 잠재증발산량(mm), K _c = 논벼의 작물계수, I = 삼투량(mm/일), R _e = 유효우량(mm)

나. 생활용수

생활용수는 1일당 소비수량과 급수대상인구수에 의해 추정하는 것이 보통이다. 생활수준의 향상에 따라 증가하는 것이 일반적인 현상으로서 급수대상 인구수는 기준년도의 인구수를 추정하여 결정한다. 또한 생활용수는 계절적으로 수요 시간대별로 급수량이 변화되나 시간대별 급수량의 변동은 급수조에서 조정되는 것으로 보고 일단위 1인당 소비수량에 따라 다음 식으로부터 구하여 물수지 모형에서는 일단위로 정량을 입력하도록 하였다.

여기서, REQR = 생활용수 필요수량(㎥/일), ARQR = 1인당 평균급수량(ℓ/인·일), N _p = 급수대상인구수(인).

다. 공업용수

공업용수는 제품생산과 그 부대시설의 운용을 위하여 필요로 하는 용수로서 필요수량 계산은 제품중량(ton)당, 종업원수 또는 공장부지 면적에 의한 원단위 추정법이 있다. 제품중량당 용수량 추정법은 산업활동의 시간적 변화를 고려한 것이나 변화에 대한 추정의 불확실성 등으로 업종별 공장부지 면적에 의한 원단위 추정법이 일반적으로 이용되고 있다. 공업용수의 필요수량 결정은 다음 식과 같다.

여기서, REQI = 공업용수 필요수량(㎥/일), A = 업종별 공장부지면적(1000 ㎡), ARQI = 업종별 원단위 1일 필요수량(㎥/1000㎡/일).

라. 축산용수

축산용수는 가축의 종류와 두수, 축산시설 및 경영방법 등에 따라 상이하다. 본 발명에 따른 물수지 모형에서는 가축의 종류별 일별 기준 수량에 사육두수를 곱하여 결정한 값을 정량으로 입력하도록 하였으며, 환원수의 수질은 고려하지 않았다. 즉, 축산용수의 가축별 필요수량 결정은 다음과 같다.

여기서, REQL = 가축별 필요수량(㎥/일), ARQ = 두당 소비수량(ℓ/일/두수), N= 가축수.

(3) 저류량 산정 모형

하천에서의 저류량은 댐 및 저수지 등에서의 저류량, 보에서의 저류량, 하도에서의 저류량 등으로 구분할 수 있다. 그러나 보 및 하도에서 저류량은 일별 변화가 그렇게 크지 않으므로 무시할 수 있다. 따라서 하천 구간의 저류량은 저수지 등의 저류량 변화를 고려하도록 하였으며, 보나 하도에서의 저류량이 클 경우에는 저수지로 가정하여 처리할 수 있도록 하였다. 저수지의 물수지에 의한 일별 저류량의 변화는 다음 식에 의해 구할 수 있다.

여기서, ΔS = 저류량의 변화량, Qin= 저수지 유입량, R= 저수지 수면적의 강우량, OVF = 저수지의 여수토나 수문으로 부터의 방류량, DV= 취수량 또는 통관 방류량, LSS = 기타 손실량으로서 수면증발량, 침투량 등.

(4) 하천네트워크 모형

하천 임의의 지점에 대한 물수지 요소의 형태는 저수지 없는 상류, 저수지 있는 상류, 저수지 없는 중류, 저수지 있는 중류의 4가지로 구분할 수 있다. 저수지 없는 상류지점의 물수지 요소는 강우에 의한 자체유역의 유출량과 각종 용수의 공급량 또는 회귀수량, 도수유입량과 유출량 및 기타 손실량 등의 유입, 유출량 등으로 구성된다(도 1a참조). 저수지 있는 상류지점의 물수지 요소는 저수지 없는 상류지점의 물수지 요소와 저수지의 증발량, 발전방류량, 침투량 등이 추가된다(도 1b). 저수지가 없는 중류지점의 물수지 요소는 저수지 없는 상류 물수지 요소와 같으며, 여기에 상류지점으로부터의 유입량이 추가된다(도 1c). 저수지가 있는 중류지점의 물수지 요소는 저수지 있는 상류와 저수지 없는 중류의 혼합 형태로 상류유입량, 자체유출량, 회귀수량, 증발량, 도수유출량 등으로 구성된다(도 1d).

수문모델링 시스템의 구현

(1) 기본 알고리즘

도 2를 참조하면, 유역물수지 모형의 실행과정은 데이터의 입력(단계 201)으로부터 소유역별 유입, 유출량의 계산(단계 202)과 물수지 및 그 결과를 출력(단계 203)함으로써 달성할 수 있다.

상기 기본 알고리즘을 구성하는 입출력의 설계 및 시스템의 구현과정은 별개의 항목을 통해 하기에서 보다 상세하게 설명될 것이다.

(2) 입출력설계

가. 입력설계

유역물수지를 위한 입력자료는 크게, 전체유역자료, 소유역자료, 기상자료, 도수유입량자료, 도수유입량분배율 및 실측유출량자료 등으로 크게 6가지로 분류된다. 전체유역자료는 각 소유역에 대해 공통적으로 적용되는 항목, 시뮬레이션의 제어, 출력제어 등의 항목을 포함한다 (하기 표 1에 전체유역자료를 위한 데이터베이스가 예시되어 있다).

<표 1>

필 드 명	데이터 유형	자리수	내 용
PRO_NAME	문자	10	PROJECT 명
LOCATE	문자	10	위치
PERIOD	문자	12	계산기간
SEG_WATER	정수	3	분할 소유역의 수
OBSERV	정수	3	관할 측후소의 수
INPUT_NUM	정수	3	도수유입량자료수
VAPOR_NUM	실수	15,1	유역증발산 계수
YOUNGSU	실수	15,1	이앙 용수량
MAX_DEEP	실수	15,1	최대허용담수심
MIN_DEEP	실수	15,1	최소허용담수심
MIN_BANG	실수	15,1	최소방류량
VAPOR_CO	실수	15,1	Pan 증발계수
MONVAPOR_C	실수	15,1	월별증발계수
JACK_DAY	문자	10	작부시기
JACK_CO1	실수	15,1	작물계수(상순)
ACK_CO2	실수	15,1	작물계수(중순)
JACK_CO3	실수	15,1	작물계수(하순)
DAY_SIMU	정수	2	일별 유입량 Simulation
RESULT_OUT	정수	2	유입량 결과 출력
INPUT_UNIT	정수	2	일별유입량 단위
NEED_SIMU	정수	2	관개용수 필요수량 Simulation
NEED_OUPUT	정수	2	관개용수 필요수량 출력
DAYWAT_SIM	정수	2	일별물수지 Simulation
DAYWAT_OUT	정수	2	일별물수지 출력
CON_WATHEI	실수	15,1	빈도분석시 확정 수위
OUTPUT_STA	정수	5	물수지결과 출력 시작년도
OUTPUT_END	정수	5	물수지결과 출력 종료년도

소유역자료는 소유역의 유역특성을 규명하는 자료를 포함한다 (하기 표 2에 소유역자료를 위한 데이터베이스가 예시되어 있다).

<표 2>

필 드 명	데이터 유형	자리수	내 용
CP_NAME	문자	20	소유역 번호 및 지점명
LOWER_NUM	문자	10	하류유역의 번호
IN_LOCATE	정수	3	유역내의 위치
SHED_OUT	정수	3	소유역의 결과출력
LIM_HEG	실수	10,1	현재저수지의 제한수위
LINK_NUM	정수	5	연결저수지의 소유역번호
SUP_HEG	실수	10,1	공급가능한 수위차이
TOT_AREA	실수	20,1	소유역 면적
NON_AREA	실수	20,1	논 면적
BAT_AREA	실수	20,1	밭 면적
FOR_AREA	실수	20,1	산림 면적
DELAY_TIME	실수	10,1	지체시간
WATLINE_LO	실수	20,1	수로손실
ETC_LOSS	실수	20,1	기타손실
NEED_WAT	실수	20,1	필요수량
RECUR_WAT	실수	20,1	회귀수량
RECUR_RATE	실수	20,1	월별 회귀율
MONAVG_INP	실수	20,1	월평균 도수 유입량
INDIR_CONT	정수	3	간접 유역의 내역
RESERVOIR	문자	20	저수지명
HEIGHT_CON	정수	5	표고수
TOT_VOLUM	실수	10,1	총 저수량
MAX_HEIGH	실수	10,1	만수위
EFF_VOLUM	실수	10,1	유효저수량
MIN_HEIGH	실수	10,1	사수위
MIN_VOLUM	실수	10,1	사수량
SUPPLY_CON	실수	10,1	저수율에 따른 관개용수 조건
SUP_RATE	실수	10,1	관개용수 공급율
HEIGHT	실수	20,1	표고
AREA	실수	20,2	면적
TOT_INVOL	정수	20,2	누가내용적

기상자료는 소유역의 유입, 유출량 계산을 위해 요구되는 자료를 포함한다 (하기 표 3에 기상자료를 위한 데이터베이스가 예시되어 있다).

<표 3>

필 드 명	데이터 유형	자리수	내 용
STAT_NAME	문자	20	측후소명
N_STAT	정수	10	측후소번호
AL_AT	실수	10,1	위도
ELEVAT	실수	10,1	해발높이
HE_WIND	실수	10,1	풍속계높이
ST_CODE	문자	20	기상자료 코드
YEAR	문자	10	년도
DAY_1	실수	10,1	일별 기상자료1
DAY_2	실수	10,1	일별 기상자료2
DAY_3	실수	10,1	일별 기상자료3
DAY_4	실수	10,1	일별 기상자료4
DAY_5	실수	10,1	일별 기상자료5
DAY_6	실수	10,1	일별 기상자료6
DAY_7	실수	10,1	일별 기상자료7
DAY_8	실수	10,1	일별 기상자료8
DAY_9	실수	10,1	일별 기상자료9
DAY_10	실수	10,1	일별 기상자료10
DAY_11	실수	10,1	일별 기상자료11

도수유입량 자료는 타유역으로부터 도수되는 각 소유역별로의 유입량을 입력하기 위한 자료를 포함한다 (하기 표 4에 도수유입량 자료를 위한 데이터베이스가 예시되어 있다).

<표 4>

필 드 명	데이터 유형	자리수	내 용
DIN_NUM	정수	10	유입량자료의 번호
RE_FAL	실수	10,1	제한 강우량
DV_NAME	문자	20	공급시설명
YEAR	문자	10	년도
D_IM1	실수	10,1	연도별 월평균 도수유입량1
D_IM2	실수	10,1	연도별 월평균 도수유입량2
D_IM3	실수	10,1	연도별 월평균 도수유입량3
D_IM4	실수	10,1	연도별 월평균 도수유입량4
D_IM5	실수	10,1	연도별 월평균 도수유입량5
D_IM6	실수	10,1	연도별 월평균 도수유입량6
D_IM7	실수	10,1	연도별 월평균 도수유입량7
D_IM8	실수	10,1	연도별 월평균 도수유입량8
D_IM9	실수	10,1	연도별 월평균 도수유입량9
D_IM10	실수	10,1	연도별 월평균 도수유입량10
D_IM11	실수	10,1	연도별 월평균 도수유입량11
D_IM12	실수	10,1	연도별 월평균 도수유입량12

도수유입량분배율 자료는 분배할 소유역별 도수유입량을 입력하기 위한 자료를 포함한다 (하기 표 5에 도수유입량분배율 자료를 위한 데이터베이스가 예시되어 있다).

<표 5>

필 드 명	데이터 유형	자리수	내 용
SYD	문자	10	시작년도
EYD	문자	10	종료년도
W_CP	정수	5	분배할 소유역의 수
D_NAME	문자	20	공급시설명
IN_NUM	정수	5	유입되는 소유역번호
IN_NAME	문자	10	유입되는 소유역명
M_RATE1	실수	10,1	월별 분배율1
M_RATE2	실수	10,1	월별 분배율2
M_RATE3	실수	10,1	월별 분배율3
M_RATE4	실수	10,1	월별 분배율4
M_RATE5	실수	10,1	월별 분배율5
M_RATE6	실수	10,1	월별 분배율6
M_RATE7	실수	10,1	월별 분배율7
M_RATE8	실수	10,1	월별 분배율8
M_RATE9	실수	10,1	월별 분배율9
M_RATE10	실수	10,1	월별 분배율10
M_RATE11	실수	10,1	월별 분배율11
M_RATE12	실수	10,1	월별 분배율12

실측유출량 자료는 모형의 보정, 검정을 위해 입력되는 자료를 포함한다 (하기 표 6에 도수유입량분배율 자료를 위한 데이터베이스가 예시되어 있다).

<표 6>

필 드 명	데이터 유형	자리수	내 용
OB_CPNUM	정수	5	실측자료의 소유역번호
SYD	문자	10	시작년도
EYD	문자	10	종료년도
CP_NAME	문자	10	소유역명
OB_RESOR	실수	10,1	실측 저수량
OB_OUTFLOW	실수	10,1	실측 유출량

나. 출력설계

유역물수지 모형은 소유역별 유입량과 유출량 및 물수지 결과를 출력한다. 이러한 결과는 소유역별 일별, 월별, 연도별로 출력되며, 필요에 따라서는 물수지 결과를 요약하여 출력한다. 유역물수지 분석결과에 대한 출력설계는 하기 표 7에 예시되어 있다.

<표 7>

구 분	세 부 내 용
관개필요수량 (Penman식)	◎ 전체유역의 입력자료 ◎ 소유역별 입력자료 ◎ 출력년도, 단위 ◎ 소비수량, 강우량, 유효우량, 순용수량, 조용수량, 관개수량
일별 유역물수지	◎ 전체유역의 입력자료 ◎ 소유역별 입력자료 ◎ 연도별월평균 도수유입자료 ◎ 소유역의 도수유입량에 대한 월별 분배율 ◎ 출력년도, 단위 <요약> ◎ 강우량, 유입량, 공급량, BALANCE, OVERFLOW, 필요저수량, 수위, 저수율 <모든 출력항목> ◎ 강우량 ◎ 유입량 : 상류유입량, 자체유입량, 도수유입량, 농업회귀수량, 생공용수 회귀수량, 기타 유입량 ◎ 공급량 : 도수유출량, 농업용수량, 증발량, 생공용수 및 기타 유출량 ◎ WATER-BALANCE, CP유출량, 연결 공급량 ◎ 필요저수량, 수위, 저수율, 저수량 <빈도분석> ◎ 소유역명, 관할측후소 ◎ 필요저수량, 필요저수위 및 10% SEDIMENT 수위 : GUMBEL, GUMBEL CHOW, NORMAL DISTRIBUTION
일별유출량 (DIROM)	◎ PROJECT 명, 위치 ◎ 소유역의 번호, 소유역명, 관할측후소 ◎ 유역면적, 논비율, 밭비율,산비율, 지체시간 ◎ 1, 2, 3단 TANK의 매개변수 ◎ 출력년도, 단위 ◎ 일별, 순별, 월별 유출량 ◎ CP지점의 면적, 년누계 강우량 및 유출량

(3) 시스템 구현

가. 시스템의 구체적 흐름도

도 3을 참조하면, 유역물수지 모형의 시스템 흐름은 전체 유역 및 소유역별 자료의 입력(프로세스군 301참조)으로부터 일별 루틴인 단계 302에 의해 소유역별 일별 유입량과 유출량 및 유역물수지를 계산하며, 월별 루틴인 303를 수행하여 1개년의 계산을 완료하면 지점별 출력여부에 따라 물수지 결과를 출력한다(304). 이와 같은 순서로 년별 루틴인 305에 의해 전체 계산기간 동안을 연 단위로 반복 수행하여 전체기간의 계산이 완료(단계 306에서 판단)되면 빈도분석을 수행하고 종료한다 (단계 307).

이때, 소유역별 강우에 의한 자체유역의 유출량은 바람직하게는 DIROM 모형을 이용하며, 관계필요수량은 Penman 식을 이용하여 추정하도록 한다.

나. 프로그램의 실행

상기한 바와 같은 수문모델링 시스템의 구체적 실행단계는 입력자료를 대상으로 GIS 기반의 소정 프로그램이 처리하기에 적합한 형태로 데이터 가공하는 입력자료 전처리단계, 상기 전처리 단계를 거친 입력 파일을 대상으로 소정의 프로그램을 이용한 연산과정에 의해 물수지를 수행하는 모델실행단계, 상기 모델실행으로 얻어진 결과를 GIS 기반의 출력자료로서 가공하는 후처리 단계를 포함한다.

이러한 수문모델링 시스템은 기존 도스 기반 모델링의 복잡성을 제거시켜 줌으로써 유역의 체계적인 수자원 확보 및 관리가 가능하여 유역의 수질관리에 있어 보다 개선된 효과를 가져다 줄 수 있다.

① 전처리 단계

유역물수지 모델링에 요구되는 입력파일의 생성과정은 소프트웨어적 수단에 의해 자동화되며, 사용자가 모델링을 수행할 때 보다 편리한 환경을 제공한다. 물수지에 요구되는 입력자료는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예로서 프로젝트 파일인 수퍼파일등을 이용하여 모델 실행에 있어 편의성을 제공할 수 있다.

도 4를 참조하면, 모델 입력자료의 파일 설정과정을 도시한 것으로서, 입력데이터 경로창(40)으로부터 새만금 폴터내의 서브폴더인 유역물수지 모델에 포함되는 데이터 폴더 내에 일예로서, SEMAN.WPR이라는 프로젝트 파일이 포함되어 있음을 입력데이터 목록창(41)을 통해 보여준다. 상기 프로젝트 파일은 전체유역자료를 포함하는 WATSH.DBF 데이터 파일과, 소유역 자료를 포함하는 SUBWAT.DBF 데이터 파일, 기상자료를 포함하는 SJJ.DBF, SGS.DBF, SJE.DBF, SBA.DBF 데이터 파일, 도수유입량 자료를 포함하는 SJMON1.DBF 데이터 파일 및 도수유입량분배율 자료를 포함하는 RATE.DBF를 포함하고 있음을 보여준다 (다만, 상기 파일의 구체적인 이름은 이해의 편의를 위해 임의로 선정된 것으로서, 특정 의미를 내포하는 것은 아니며 자료의 특성을 대표하는 명칭 또는 이니셜 등으로서 당업자가 자유로이 선택할 수 있다.)

수문모델 입력자료의 생성 및 편집은 사용자 인터페이스를 고려하여 모델 실행에 필요한 요소를 보다 편리하게 가공할 수 있는 모듈을 두도록 한다. 이러한 입력자료 편집모듈의 실행예가 도 5에 도시되어 있다.

② 모델링 실행단계

실제 모델을 실행하는 단계로 입력된 모델링 제어요소(자료)에 의해 각 소유역별 일별 또는 연별 유역물수지를 수행하고 당해 물수지 결과를 출력한다. 상기 모델링 실행을 제어하는 요소로는 계산기간, 일별 유출량의 시뮬레이션 여부, 출력 및 단위, 관계필요수량의 시뮬레이션 및 출력여부, 빈도분석시 고정 수위, 일별 유역물수지의 시뮬레이션 및 출력여부, 결과출력의 시작 및 종료 년도 등을 포함한다. 모델링의 실행과정은 구체적으로는 컴퓨터에 의해 실행가능한 소정의 프로그램이 이용되어지며, 이러한 프로그램이 수행하는 알고리즘의 구체적인 예는 앞서 설명한 도 3의 과정이 포함된다.

③ 후처리 단계

모델링 실행 후 결과파일은 예를 들면, TANK.TXT, IRREQ.TXT, WBAL.TXT 등의 파일로 구현될 수 있다. 여기서, TANK.TXT 파일은 TANK 모형에 의해 계산된 일별 유입량 결과가 기록되며, IRREQ.TXT 파일은 Penman 식에 의해 계산된 일별 관계필요수량 결과가 기록된다. 그리고, WBAL.TXT 파일에는 유역물수지에 대한 일별결과가 기록된다. (위 파일의 구체적인 명칭도 이해의 편의를 위해 임의로 작성한 것이다)

본 발명에서는 상기 결과 파일을 보다 편리하게 분석에 활용할 수 있도록 GUI 기반의 분석시스템을 이용한다. 유역물수지 결과를 소유역별로 직관적으로 확 인할 수 있도록 본 발명에서는 GIS와 완전 통합하여 그래프와 속성자료로서 도식화된다. 도 6은 모델을 실행한 유역의 도형자료와 모델링 결과 그래프, 모델링 결과 속성자료를 보여주고 있다.

본 발명의 구체적인 구현예는 컴퓨터 시스템에서 실행할 수 있는 프로그램으로 작성가능하다. 또한, 이러한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체로부터 해당 프로그램을 읽어들여 범용 디지털 컴퓨터 시스템에서 실행될 수 있다. 이러한 기록 매체에는 마그네틱 저장 매체(예를 들면, 롬, 플로피디스크, 하드디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 씨디롬, 디브이디 등) 및 캐리어 웨이브(예를 들면, 인터넷을 통한 전송)와 같은 매체가 포함된다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예(들)를 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 본 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명에 의하면, 유역관리를 위한 GIS 기반의 수문모델링을 통해 유역관련 수자원 관리 및 수질 보존에 기여하며 또한, 모델실행을 위한 과정과 모델실행의 결과 확인에 있어 보다 간단하고 체계적인 유역관리방법을 제공할 수 있다.

Claims

유역물수지 분석에 요구되는 전체유역자료와 소유역자료 및 기상자료 등을 데이터베이스화하고, 이들 데이터들을 토대로 하여 각 유역에 대하여 일별 물수지, 월별 물수지, 연별 물수지를 연산모듈에 의해 산출하여 관계필요수량 및 일별 유역 물수지결과를 산출한 다음, 그 결과를 지리정보시스템을 통해 출력하는 하천네트워크의 모델링방법에 있어서,

상기 연산모듈은,

ⅰ)
(R i = 회귀수량, Fj = 용수목적별 회귀율, D i = 목적별 취수량, j = 용수목적)식을 통해 회귀수량을 산정하고, 상류유역유입량과, 자체유역 횡유입량을 DIROM 모형으로부터 산정하는 유입성분 산정 및 수문모형단계;

ⅱ)
(ETp = t일의 잠재증발산량(mm), K c = 논벼의 작물계수, I= 삼투량(mm/일), R e= 유효우량(mm))식을 통해 농업용수의 필요수량을 산정하고,
(REQR =생활용수 필요수량(㎥/일), ARQR = 1인당 평균급수량(l/인.일), N p= 급수대상인구수(인))식을 통해 생활용수의 1인당 1일 소비수량을 산정하며,
(REQL =가축별 필요수량(㎥/일), ARQ= 두당 소비수량(l/일/두수), N= 가축수)식을 통해 공업용수의 필요수량을 산정하는 공급수량 산정 및 수문모형단계;

ⅲ)
(ΔS = 저류량의 변화량, Qin= 저수지 유입량, R= 저수지 수면적의 강우량, OVF = 저수지의 여수토나 수문으로 부터의 방류량, DV= 취수량 또는 통관 방류량, LSS = 기타 손실량으로서 수면증발량, 침투량 임)식을 통해 저수지의 물수지에 의한 일별 저류량의 변화를 산정하는 저류량 산정 모형단계;

를 포함하여, 상기 관계필요수량 및 유역별수지를 수행함에 따라,

하천의 유출량이 자연상태의 갈수량보다 적을 때 저수지 등에서 부족량을 방류하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 하천네트워크의 모델링방법.
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