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Original Paper
위성기반 고해상도 지형자료를 이용한 미계측 저수지의 상당강우량 추정
김진겸1,*orcid, 강기묵1orcid, 손찬영2orcid, 남기범1orcid, 황의호3orcid
Estimation of Equivalent Rainfall for Ungauged Reservoir Using Satellite-Based High-Resolution Terrain Data
Jin Gyeom Kim1,*orcid, Kimook Kang1orcid, Chanyoung Son2orcid, Gibeom Nam1orcid, Euiho Hwang3orcid
GEO DATA 2023;5(3):170-176.
DOI: https://doi.org/10.22761/GD.2023.0028
Published online: September 27, 2023

1선임연구원, K-water연구원 수자원환경연구소, 대전광역시 유성구 유성대로 1689번길 125, 34045, 대한민국

2책임연구원, K-water연구원 수자원환경연구소, 대전광역시 유성구 유성대로 1689번길 125, 34045, 대한민국

3수석연구원, K-water연구원 수자원환경연구소, 대전광역시 유성구 유성대로 1689번길 125, 34045, 대한민국

1Senior Researcher, Water Resources & Environmental Research Center, K-water Research Institute, 125 Yuseong-daero 1689beon-gil, Yuseong-gu, 34045 Daejeon, South Korea

2Principal Researcher, Water Resources & Environmental Research Center, K-water Research Institute, 125 Yuseong-daero 1689beon-gil, Yuseong-gu, 34045 Daejeon, South Korea

3Head Researcher, Water Resources & Environmental Research Center, K-water Research Institute, 125 Yuseong-daero 1689beon-gil, Yuseong-gu, 34045 Daejeon, South Korea

Corresponding Author Jin Gyeom Kim Tel: +82-42-870-7425 E-mail: jg_kim@kwater.or.kr
• Received: September 10, 2023   • Revised: September 20, 2023   • Accepted: September 21, 2023

Copyright © 2023 GeoAI Data Society

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

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  • Equivalent rainfall refers to the amount of precipitation required to reach a specific water level from the current water level in a reservoir. It serves as a flood forecasting and warning system that allows for the rapid assessment of the reservoir’s maximum water level at the moment of rainfall forecast. In reservoirs where terrain and survey data can be obtained, deriving equivalent rainfall is not difficult. However, without terrain data, satellite imagery and global topographic data are the only available options. In this study, high-resolution topographic data based on satellites were utilized to estimate the equivalent rainfall in the ungauged reservoir, Hwanggang Dam, located in the upper stream of the Imjin River in North Korea. To calculate the inflow into the reservoir, the Natural Resources Conservation Service-Curve Number method was used to determine the effective rainfall, taking into account the antecedent conditions, as the inflow into the reservoir can be changed for the same amount of rainfall depending on the soil moisture content of the watershed.
댐저수지의 주요한 기능 중 하나인 홍수조절기능은 정확한 강우 및 유입량의 예측이 필요하며, 수문학적 모형 구동으로부터 의사결정까지의 일련의 과정을 신속하게 처리하는 것이 매우 중요하다. 홍수조절 및 예경보의 일반적인 절차는 강우 관측 혹은 예측 결과를 바탕으로 유역의 유출량 및 저수지로의 유입량을 계산한 뒤 저수지의 현재 상태를 고려하여 현 시점 혹은 미래 시점의 방류량을 결정하게 된다. 하지만 이와 같은 방식은 홍수의 도달시간이 짧은 경우 혹은 신뢰할 만한 모형의 구축이 어려운 미계측 지역의 경우 불확실성이 매우 증가하여 홍수예경보 및 홍수조절 업무의 난이도가 증가하게 된다. 이러한 경우 다양한 시나리오의 강우를 수문모형 등에 미리 적용하여 도표화된 결과를 바탕으로 신속한 의사결정을 내리는 방법이 대안이 될 수 있다.
하천의 경우 한계유출량 혹은 한계강우량 개념을 도입하여 특정 강우량에 대응하는 하천의 수위를 미리 도표화시켜 신속한 홍수예경보를 수행하려는 연구가 이어져 왔다. Sweeney (1992)는 미국 기상청에서 활용하는 돌발홍수예경보의 표준형태를 한계강우량의 형태로 제시하였으며 Carpenter et al. (1999)은 한계유출량의 기준유량을 2년 빈도 홍수량 및 제방월류량으로 구분하여 단위도 기법에 따른 차이를 비교한 바 있다. 국내에서는 Park et al. (2013)이 GIS 자료를 결합한 HEC-GeoHMS를 사용하여 하천 내 3단계 위험수심에 따른 한계강우량을 제시하였으며 Bae et al. (2012)은 도달시간이 짧은 도시지역에서의 실시간 홍수예경보에 활용할 수 있는 flow nomograph를 제시하였다. 또한 Kim and Kang (2015)은 유역의 선행함수지수를 고려하여 강우강도-지속시간-홍수량을 도식화하여 홍수예경보에 활용할 수 있는 방법을 제시하기도 하였다. 하지만 하천의 경우 평상시에 흐르는 유량이 홍수상황에 비해 매우 작기 때문에 강우 발생 시 현재 하천의 수위 상태를 고려하지 않아도 무방한 경우가 대부분이다. 하지만 다목적댐 및 저수지의 경우에는 목적에 따라 상시만수위 수준으로 수위를 유지하는 등 현재 수위의 상태에 따라 홍수조절용량이 달라지게 된다.
이에 본 연구에서는 북한지역에 위치한 미계측 저수지인 임진강 상류 황강댐 저수지를 대상으로 주요 수위(방류개시수위, 상시만수위, 계획홍수위)에 해당하는 상당강우량을 산정하였다. 상당강우량은 저수지의 현재 수위로부터 특정 수위까지 도달하는데 요구되는 강우량을 말하며 강우예보 시점에서 저수지의 최대 도달가능 수위를 신속하게 파악할 수 있는 홍수예경보 수단이다. 이때 미계측지역 내 저수지의 지형을 파악하기 위해 인공위성 기반의 고해상도 지형자료를 활용하였으며 저수지 내부로 유입되는 유입량을 산정하기 위해서는 Natural Resources Conservation Service-Curve Number (NRCS-CN) 방법을 사용하여 유효강우량을 산정하다. 또한, 유역의 토양수분 함량에 따라 같은 누적강우량에도 저수지의 유입 총량이 달라지기 때문에 선행함수조건을 고려한 상당강우량을 산정하였다.
2.1 대상지역
임진강은 북한강과 함께 북한지역에서 남한으로 흘러내려 오는 대표적인 공유하천으로서 Fig. 1과 같이 총 유역면적 8,117.5 km2 중 약 67%에 해당하는 유역이 북한지역에 위치하고 있다. 임진강은 북한의 수자원개발에 따라 우리나라에 직접적인 영향이 발생하며 특히 직상류의 황강댐의 운영에 따라 임진강 하류의 홍수피해를 야기할 수 있는 가능성이 존재한다. 2007년 12월경 완공되어 담수가 시작된 것으로 추정되는 황강댐은 군사분계선으로부터 42.3 km 북쪽에 위치하며, 콘크리트댐과 석괴댐으로 구성된 복합댐으로서 저수용량 3-4억 m3 규모의 다목적댐이다. 황강댐의 저류와 방류 또는 붕괴시 임진강 하류 연천군 및 파주시에 직접적인 피해를 발생시킬 수 있다(Kim et al., 2011). 2009년 9월 6일에 황강댐의 대규모 방류로 인해 경기도 연천군 일대에 홍수가 발생하여 이로 인한 인명 및 재산피해가 발생한 바 있으며, 2016년 5월 16일 무단방류로 인해 임진강 하류 어민들이 피해를 입었다. 2020년 8월 5일에는 장마전선으로 인한 폭우와 동반한 무단방류로 인해 임진강 필승교 수위관측소의 수위가 급상승하면서 관측 이래 역대 최고수위가 발생하여 홍수경보가 발령되고 인근 주민이 대피하는 사례가 발생하였다.
2.2 고해상도 지형자료 분석
북한 황강댐 저수지의 용적 정보는 직접 측량하거나 취득할 수 없으므로 황강댐 저수지의 수위-수표면적-용적 관계를 산정하기 위해 인공위성 기반으로 구축된 고해상도의 지형자료를 활용하였다. 지형자료는 WorldView 위성으로부터 제작된 50 cm 공간해상도의 digital surface model (DSM)이다. Fig. 2는 황강댐 저수지 인근의 광학위성영상과 DSM으로부터 산출한 음영기복도(hillshade)를 중첩하여 황강댐 저수지의 등고선을 나타내고 있다. 이를 이용하여 특정 수위와 대응하는 표고의 수표면적을 추출하고 황강댐 저수지의 수위-수표면적 관계를 추출하였으며 이를 적분하여 최종적으로 수위-용적 관계(Fig. 3)를 산정하였다. 이와 같이 산정된 황강댐의 수위-용적 곡선은 상당강수량 산정에 핵심 지표로 사용된다.
미계측 저수지인 황강댐의 상당강수량을 산정하기 위해서는 특정 목표수위(방류개시수위, 상시만수위, 계획홍수위)를 설정한 뒤, 현재 수위에서 목표수위까지 도달하는 데 필요하는 강우량을 역산하는 과정이 필요하다. 본 연구에서는 상당 강수량의 개념적 적용을 위해 댐의 방류효과를 제외하였다. 이는 예측 강우를 통해 직관적으로 댐 수위의 최대 도달가능 지점을 신속하게 파악하기 위하여 강우-유출 모형에서의 시간개념을 제외시키는 것으로 간주할 수 있다.
본 연구에서는 총강우량(total rainfall)과 유효강우량(effective rainfall)의 관계를 정립하기 위해 미자연자원보존국의 NRCS-CN 방법을 사용하였다. 이 방법은 우리나라 홍수량 산정 표준지침(Ministry of Environment, 2019)에서 활용하는 방법이며 침투 및 유효강우량의 크기는 토양의 종류, 토지이용상태, 식생의 피복상태 및 선행토양함수조건을 고려하여 유효강우량을 산정하는 방법이다. NRCS 방법은 강우량 및 저류량 간의 실제 및 잠재량의 비가 Ep. 1과 같다고 가정한다.
[Eq. 1]
FaS=PeP-Ia
여기서 Fa는 침투량(mm), S는 최대잠재보유수량(mm), P는 총 강우량(mm), Pe는 유효강우량(mm), Ia는 손실량(mm)이다. 총 강우량 P는 유효강우량, 초기손실량, 침투량의 합이므로 Ep. 2와 같이 나타낼 수 있다.
[Eq. 2]
P=Pe+Ia+Fa
[Eq. 3]
Pe=P-Ia2P-Ia+S
[Eq. 4]
Ia=0.2S
Ep. 1Ep. 2를 연립하여 유효강우량에 대해 정리하면 Ep. 3와 같다. 이러한 기본식에 실험을 바탕으로 산정한 초기 손실에 관한 경험식인 Ep. 4를 대입하면 최종적인 유효강우량 산정공식인 Ep. 5가 유도된다.
[Eq. 5]
Pe=P-0.2S2P+0.8S
이 중 최대 잠재보유수량 S는 선행 토양 함수 조건(antecedent soil moisture condition)에 따라 다른값을 지니게 되는데, NRCS에서는 선행 토양함수조건을 Table 1과 같이 정의하고 있다.
최대잠재보유수량 S (mm)는 수문학적 지질 및 피복상태를 대변하기 때문에 강우손실의 지표로 이용할 수 있는 유출곡선지수(CN)의 함수로 나타낼 수 있으며 그 관계는 Ep. 6와 같다.
[Eq. 6]
S=25,400CN-254
결과적으로 특정수위로부터 목표수위 도달까지 필요한 유입량의 총량을 수위-용적곡선을 통해 파악한 뒤, 유역면적으로 나누게 되면 유출고(runoff depth)를 산정할 수 있다. 이 유출고는 실제 유역에 내린 총 강우에서 침투, 차단 등의 손실량을 제외하고 실제 유출에 기여하는 유효강우량으로 대응할 수 있다. 최종적으로 특정 유효강우량을 야기시키는 총 강우량을 NRCS-CN 방법을 통해 역산하게 되면 비로소 상당강수량을 획득할 수 있게 된다.
미계측 저수지인 황강댐의 수위별 상당강우량을 추정하기 위해 104, 107, 112 EL.m에 해당하는 세 가지 목표수위를 설정한 뒤 저수지의 현재수위로부터 목표수위까지 도달하는 데 필요한 총 강우량을 NRCS-CN 방법을 통해 역산하였다. 이때, 유역의 토양수분 상태에 따라 같은 총 강우량에도 유출률이 달라질 수 있음을 고려하기 위해 선행함수조건에 따라 상당강수량을 제시하였으며, 이는 Fig. 4에 나타나 있다. 본 연구에서의 상당강수량은 댐의 홍수조절효과를 고려하지 않은 채 보수적인 관점에서 댐의 자체 유입량이 저수지에 전량 유입된다는 가정을 전제로 계산되었다.
본 연구에서는 인공위성 기반의 고해상도 지형자료를 이용하여 미계측 저수지인 황강댐의 수위-용적 곡선을 산정하고 홍수예경보에 활용할 수 있는 상당강수량을 산정하는 기법을 소개하였다. 상당강수량은 저수지의 현재 수위에서 관심수위에 도달할 수 있는 총 강우량을 의미하는 지표로서 강우예보 시점에서 특정 저수지의 최대 수위를 추정할 수 있는 지표이다. 미계측 저수지 상당강수량 산정에 대한 결과를 요약하면 다음과 같다.
1) 저수지의 용량을 산정하는 데에는 현장에서의 측량자료가 필수적으로 요구되나 미계측 저수지의 경우 인공위성에서 관측한 고해상도 위성영상 자료가 대안이 될 수 있으며, 본 연구에서는 고해상도 광학영상인 WorldView 기반의 50 cm 급 수치표고모형을 활용하였다. 해당 수치표고모형이 가지고 있는 수직 정확도의 상대오차는 1 m로서 이를 저수지용량의 변화로 나타내면 수직오차 1 m당 평균 33만 톤의 용량오차로 환산할 수 있다. 이는 80-89 EL.m 구간에서 2.00%, 90-99 EL.m 구간에서 0.43%, 100-109 EL.m 구간에서 0.19%의 오차이므로 수직 정확도에서 나타나는 저수용량의 차이는 크지 않은 것으로 판단된다. 2) 상당강수량은 목표수위에 도달하는 강우량을 역산하는 절차를 통해 산정되며, 이를 위해 유역의 총 강우량-유효강우량 산출 모형으로서 NRCS-CN 기법을 활용하였다. 만약 저수지의 홍수조절효과를 고려한다면 집중형 혹은 분포형 수문모형을 활용하여 시간 개념과 저수지의 용량 변화를 고려할 수 있다. 하지만 대상지역인 황강댐의 경우 댐 운영에 대한 상세자료를 구축할 수 없기 때문에 가장 보수적인 결과를 추정하기 위해 홍수조절효과를 배제한 채 분석하였다. 3) 상당강수량은 유역 내 예상되는 총 강우량이 예보된 시점에서 저수지의 현재 수위를 인공위성 영상 및 수문모형 등을 통해 추정하여 현 시점으로부터 강우가 종료되었을 때 도달할 수 있는 최대 저수지 수위를 추정할 수 있다.
상당강수량을 이용한 저수지 수위 예측은 도표를 이용한 간편한 추정 방법으로서 복잡한 수문모형을 이용해 홍수예보 및 홍수조절 업무를 위해 빠른 대처와 판단을 가능하게 할 수 있고, 복잡한 수문모형 등을 구동하지 않더라도 강우 예보 결과를 이용해 도표 상에서 저수지의 최대 도달 수위를 판단할 수 있는 장점이 있다. 하지만 본 방법은 강우예보에 매우 의존적이고 실제 유역에서 발생하는 자연현상 사이에 존재하는 여러 가지 불확실성으로 인한 예보능력의 저하와 댐의 홍수조절 효과를 반영하지 않은 자연 유출상태만을 고려한다는 단점이 존재한다.
향후 인공위성 및 원격탐사 자료를 활용한 공학적 모형 구축과 홍수조절효과를 적용한 수문모형을 활용한다면 현실에 가까운 상당강수량을 산정할 수 있을 것으로 기대한다.

Conflict of Interest

Euiho Hwang and Kimook Kang have been an Editorial Board of GEO DATA; however, they were not involved in the peer reviewer selection, evaluation, or decision process of this article. Otherwise, no other potential conflicts of interest relevant to this article were reported.

Funding Information

This research has been performed as Project No G220666 and supported by K-water.

Data Availability Statement

The data that support the findings of this study are available on request from the corresponding author. The data are not publicly available due to privacy or ethical restrictions.

Fig. 1.
Imjin river basin including Hwanggang and April 5th Dam.
GD-2023-0028f1.jpg
Fig. 2.
The Contour map of Hwanggang Dam reservoir.
GD-2023-0028f2.jpg
Fig. 3.
Relationship between water level and storage of Hwanggang dam reservoir.
GD-2023-0028f3.jpg
Fig. 4.
Equivalent rainfall via various water level for the Hwanggang Dam reservoir. AMC, antecedent soil moisture condition.
GD-2023-0028f4.jpg
Table 1.
Comparison of measured roughness data (No period)
AMC Condition 5-days antecedent rainfall (mm)
Flood season Non-flood season
I Dry, low runoff P5 < 35.56 P5 < 12.70
II Normal, middle runoff 35.56 ≤ P5 < 53.34 12.70 ≤ P5 < 27.94
III Wet, high runoff P5 ≥ 53.34 P5 ≥ 27.94

AMC, antecedent soil moisture condition.

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Metadata for Dataset
Sort Field Subcategory#1 Subcategory#2
Essential *Title Digital Surface Model
*DOI name https://doi.org/10.22761/GD.2023.0028
*Category Elevation
Abstract
*Temporal Coverage Year 2021
*Spatial Coverage Location Hwanggang Dam in North Korea
WGS84 Coordinates Point
*Personnel Name Jin Gyeom Kim
Affiliation K-water
E-mail jg_kim@kwater.or.kr
*CC License CC-BY-NC-ND
Optional *Project Development of satellite-based monitoring technology for water infrastructure status and water resources variability in the North Korea
*Instrument World View (MAXAR)

Figure & Data

References

    Citations

    Citations to this article as recorded by  
    • A Study on the Rainfall-Storage Volume-Target Water Level Curve for Flood Control on the Small Size Dam: Case study for Goesan Dam
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