• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2023.05a
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• pp.62-62
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• 2023

강우가 지표면 아래로 침투할 때 초기에는 투수층이 불포화 상태이어서 부압이 작용하면서 침투할 것이다. Richards 식(Richards, 1931)을 써서 불포화 투수층의 침투를 모의할 수 있다. 강우가 지속되는 동안 하상 아래 어느 구간은 포화 상태가 되어 Richards 식을 더 이상 사용할 수 없다. 하지만 현재까지의 연구는 Richards 식을 사용하여 침투를 모의하는 오류를 범하고 있다. 강우에 의한 침투를 예측할 때 지표면에서의 침투율 q_b 가 필요한 데 현존하는 연구에서는 Horton 식(Horton, 1941)을 사용하여 초기 침투율 f_o 와 장시간 후 침투율 f_c 와 시간에 따라 지수함수로 감소하는 계수 k 의 3가지 계수값을 실험이나 현장 관측값에서 찾아서 쓰고 있다. 그런데, 이 계수값은 강우강도 r_i 가 클수록 침투율 q 가 커지는 물리 현상을 반영하지 못하는 한계가 있다. 본 연구에서 먼저 포화 투수층에서의 침투를 모의하는 식을 개발하였다. 지표면 아래에서 불포화 투수층에는 Richards식을 사용하고 포화 투수층에는 개발한 식을 사용하여 침투를 모의하였다. 또한 지표면에서의 침투율 q_b 를 구하는 공식을 개발하였다. 하상에서의 침투율의 최대값은 $q_{bmax}=-{\lambda}{\sqrt{2g(s-b)}}$ 일 것이다. 여기서 λ 는 투수층의 공극율, s 는 유출수면의 위치, b 는 지표면의 위치이다. 지표면에서의 침투율의 최소값 q_bmin 은 지표면 바로 아래 지점에서의 침투율일 것이다. 지표면에서의 침투율 q_b 로 q_bmax 와 q_bmin 사이의 적절한 값을 선택한다. 강우강도를 r_i 라고 하면 지표면 위 유출수의 연속방정식은 다음과 같다: $s-b={\int}(r_i-{\mid}q_b{\mid})dt$. 즉, 유출수면의 위치 s 는 강우강도 r_i 가 클수록 또는 지표면에서의 유출율의 크기 |q_b| 가 작을수록 크다. 또한 지표면에서의 침투율 q_b 와 지표면 아래에서의 침투율 q 는 s - b 가 클수록 크다. 따라서, 강우강도 r_i 가 클수록 침투율 q_b, q 가 큰 현상이 잘 반영되었다. 강우-침투-유출 모형실험을 수행하여 강우강도에 따라 침투율과 유출량이 다른 현상을 관측하여 수치실험 결과와 비교·검증하였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2012.05a
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• pp.540-540
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• 2012

강우 발생시 유역에 집수된 물이 하천에 이르는 경로에 따른 유출은 지표유출, 지표하유출, 지하수유출로 구분된다. 정확한 수문순환 과정의 해석을 위해서는 지표 흐름뿐만 아니라 지표하 및 지하수 흐름의 해석이 중요한 실정이나 일반적으로 실무에서 사용되는 강우-유출해석 모형은 지표유출을 해석하기 위한 모형이 대부분이며, 지표하 유출과 침투량을 산정하는데 어려움이 있다. 일반적인 강우-유출해석 모형은 Horton 방법, NRCS 방법, Green-Ampt 방법에 의해 유효우량을 분리하며, 이 과정은 침투량을 직접적으로 모형화 할 수 없으므로 지표 및 지표하, 지하수 흐름을 복합적으로 해석할 수 있는 모형이 질적이나 양적으로 부족한 실정이다. 이러한 지표하 흐름과 침투량을 산정하기 위하여 FE-FLOW, PM, MS-VMS, GMS, GW-VISTAS, ARGUS 및 MODFLOW와 같은 지하수 모형을 사용하고 있다. 본 연구에서는 지표하유출 산정을 위한 침투량의 비교분석을 위해 현재 가장 범용되는 지하수 유동 모델링 프로그램인 Visual Modlfow 모형과 GMS 모형을 이용하여 침투량 산정을 위한 수치 모의를 진행하였다. 각 모형의 입력자료는 2009년 국립방재연구원에서 수행한 침투실험시설 자료를 이용하여 동일한 조건을 부여하고, 두 모형의 비교를 위해 Visual Modflow에서는 MODFLOW의 기본 해석방법인 유한차분법(FDM)을 이용하고, GMS 모형에서는 3차원 유한요소해석이 가능한 GMS-FEMWATER를 이용하였다. 두 모형의 수치모의 조건으로 2009년 국립방재연구원에서 수행한 침투실험방법과 동일하게 공극률에 따른 투수성 보도블럭의 구분과 50mm/hr, 100mm/hr, 150mm/hr, 200mm/hr의 강우강도별 선행함수조건에 따른 수치모의를 진행하였으며, 수치모의된 침투량의 적정성을 판단하기 위하여 국립방재연구원의 침투실험 결과자료와 비교분석하였다. 침투실험 자료와 각각 수치모의된 침투량을 비교분석한 결과 서로 유사한 경향을 보이고 있으나 초기 침투시 상대오차가 비교적 크게 발생하였다. 이는 수치모형의 경우 수리실험과는 다르게 모의시작과 동시에 해당 강우강도의 침투가 시작되므로 초기 유입 유출량 발생시간의 차이가 종료시간까지 누적 침투량에 미치는 것으로 판단되며, 매개변수에 많은 영향을 받는 것으로 판단된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2010.05a
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• pp.1124-1128
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• 2010

본 연구는 도시 개발이전의 유황곡선과 개발이후의 유황곡선을 일치시키기 위하여 강우유출수 제어설비의 크기 결정과 관련된 복합 설계기법을 제안하는데 있다. 우선 CN값을 산출 및 보정한 후, IETD에 따라 분할된 강우사상에 NRCS-CN 방법을 적용하여 직접유출량과 침투량을 산정한다. 직접유출량과 침투량의 장기적인 통계치는 개발이전, 개발이후, 개발이후 유수지 설계, 그리고 개발이후 제안된 복합설계의 경우에 대하여 각각 분석된다. 개발이전의 직접유출량과 침투량을 재현하기 위해서 유전자 알고리즘을 적용하여 유수지 및 저류지의 크기를 추정한다. 분석결과 복합설계 강우유출수 제어설비를 적용하였을 때 개발이전의 지표면 유출수와 침투수의 평균을 잘 재현하였고, 개발이전의 유황곡선이 개선될 여지가 충분히 있음을 확인하였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2005.05b
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• pp.749-754
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• 2005

본 연구에서는 한 개의 침투 조절 요소, 두 개의 직렬탱크 및 한 개의 병렬 탱크로 구성된 개선된 형태의 TANK 모형을 제시하였다. 침투는 강우의 형태로 유역에 공급되는 물의 분배를 결정하는 과정으로서, 이를 적절히 고려할 수 있는지의 여부가 강우-유출 모형의 유효성을 판단하는 기준이 된다고 해도 과언이 아니다. 따라서 본 연구에서는 구조가 비교적 단순하고 사용이 간편하여 기존에 널리 사용되어 오던 개념적 모형인 TANK 모형에 침투 조절 요소를 도입하여 보다 합리적으로 강우-침투-유출 과정을 모의하고 해석하고자 노력하였다. 이를 통해 단순히 시간의 함수가 아닌 토양 함수량의 함수로서 침투능의 변화를 고려할 수 있으며, 유역 유출의 각 성분(지표면 유출, 중간 유출, 지하수 유출)에 영향을 미치는 모형의 매개변수에 물리적 의미를 더욱 부여할 수 있다. 또한 침투 조절 요소의 매개변수 산정을 위해 선행 강우 지수(Antecedent Precipitation Index)를 이용하였으며, 이를 통해 토양 선행 함수 상태의 고려가 가능하다. 또한 본 연구에서는 모형의 매개변수 최적화를 위해 실수 코딩 유전 알고리즘(Real Coded Genetic Algorithm)을 사용하였으며, 모형의 적용성과 유효성 검증을 위해 IHP 연구 유역인 평창강 방림 유역을 대상유역으로 하여 이 유역의 실측 호우 사상을 사용하였다. 결과적으로 계산된 수문곡선은 관측치에 비교적 잘 일치하며, 단일 호우와 복합 호우 사상 모두에 대해 비교적 양호한 결과를 나타내었다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2012.05a
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• pp.171-171
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• 2012

최근 기후변화에 따른 집중호우로 서울을 비롯한 도시의 대규모 침수사태가 빈번히 발생하고 있다. 이러한 재난의 원인으로는 기록적인 집중호우의 영향도 컸지만 도시개발로 인한 불투수성 면적의 증가로 인하여 초기 우수배재가 이루어지지 않은 부분이 대형피해의 원인이 되었다. 본 연구에서는 침투측구의 치수효과분석을 위하여 선행강우 조건 및 50, 100, 150mm/hr의 3가지 강우사상에 대하여 총 23회에 걸쳐 침투측구에 대한 수리실험을 완료하였고, 침투기능이 없는 일반 측구에 대한 실험도 침투측구 수리실험 조건과 동일하게 수행하여 치수효과를 비교 분석하였다. 침투 측구의 치수효과는 총강우량에 대한 총침투량, 총유출량, 유출시작시간, 종기침투능 및 종기침투능에 도달하는 시간 등을 산정하고 선행강우 조건별로 비교 분석하였다. 수리실험결과 가장 작은 강우강도인 50mm/hr 사상에서 측면에 설치된 침투측구의 치수효과가 가장 크게 나타나는 것으로 분석되어. 침투측구의 경우 유출은 선행강우 조건이 없을 경우 일반 측구의 유출발생시간보다 약 53분 후에 발생하였으며, 선행강우 조건이 있을 경우 약 40분후에 발생하였다. 분석된 결과를 토대로 투수성 침투측구에 대한 투수계수별 CN값을 산정하여 침투측구의 실무 적용방안을 논의하였으며, 본 연구의 결과를 이용하여 풍수해저감을 위한 저감대책을 수립하고, 집중호우에 의해 발생되는 초기우수의 저류에 대한 정량적인 효과분석을 기대할 수 있을 것으로 판단된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2011.05a
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• pp.387-391
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• 2011

국내에서 사면 붕괴의 직접적인 원인은 강우에 의한 것으로 볼 수 있으며, 강우침투에 따른 지하수위 상승과 간극수압 증가, 강우강도 크기에 직접적으로 영향을 받는 지표면 유출로 인한 사면의 표면토사 유출 및 얕은 사면붕괴로 나타난다. 본 연구에서는 강우로 인한 지반내 침투로 불포화토가 포화토로 변화는 과정에서 침투능을 산정하고자 기존의 침투공식을 검토하고 TDR 센서를 이용한 실내실험을 통한 침투능 산정공식을 제시하였다. 제시한 침투능 산정공식을 검증하기 위한 침투실험을 수행하여 결과를 비교 분석하였으며, 이론적 해석 및 실내실험에 의한 결과는 다음과 같다. 첫째, 포화도 변화에 따른 TDR데이터 변화는 일정했으며 이를 회귀분석을 통하여 함수화하였고, 이 함수를 이용하여 지반의 포화도 및 함수비를 파악할 수 있었다. 둘째, 흡인수두항과 중력수두항이 결합된 연속적인 침투능 산정공식을 새로이 유도하였으며, 이를 이용한 결과와 TDR 센서를 이용한 실험결과와 거의 유사함을 알 수 있었다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2011.05a
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• pp.257-257
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• 2011

현업에서 사용하는 유출해석 기본이론은 연속방정식과 운동방정식으로서 운동파가정(kinematic wave analogy)을 기반으로 한 집중수문모형(lumped hydrologic model)에 의하여 수행되고 있지만 집중형 모형은 한 매개변수에 여러 가지의 물리적 과정을 개념화하여 담고 있기 때문에 유출과정에 대한 섬세한 모형화의 제약으로 인하여 유역고유의 매개변수값을 찾기가 쉽지 않은 단점을 가지고 있다. 이에 본 연구에서는 물리적 기반의 2차원 분포형 강우-유출모형을 개발하고자 하며 이는 완전분포형 수문동역학적 모형으로 지표흐름과 침투과정, 기저유출과 관련된 과정을 모의한다. 본 모형은 공간적으로 변화하는 침투량과 소규모 및 대규모의 지형학적 특성을 사용하는 St. Venant 방정식을 사용하고 개발될 모형은 모든 스케일에서의 수심과 유량을 계산할 수 있으며 Richard 방정식(또는 선택적으로 Green-Ampt 방정식 채택)을 이용하여 정밀한 침투량 모의가 가능하다. 또한 레이다등의 고해상도 강우관측자료를 지점자료와 합성하여 입력자료로 사용할 수 있도록하고자 하며 강우-유출모형에 다목적댐이나 보등에서의 유량조절효과를 반영하고, 다목적댐군에서의 연계운영모의가 가능케 함으로서 현업의 운영자들이 실무에서 실질적으로 활용할 수 있는 형태의 모형을 개발하고자 한다. 이는 국내에서의 2차원 분포형 강우-유출모형을 자체 개발함으로서 연구역량을 제고하고, 국내 현업기관에서의 분포형 모형기반의 홍수모니터링 및 전망시스템의 확산에 기여할 것으로 예상된다.

• Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation
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• v.7 no.4
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• pp.85-95
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• 2007

The variation of hydraulic and hydrologic aspect of urban area according to the strongly seasonal variation of rainfall and the increment of urbanization has caused the runoff variation and increased the flood damage, and thus made a difficulty to manage water resources in urban area. Recently, as a part of efforts to resolve these problems, the facilities for reducing runoff increasing due to urbanization have a tendency to install in our country. In this study, more effective Infiltration-Storage System(ISS) is proposed and its reducing effect is analyzed by hydraulic experimental study. The infiltration characteristics of runoff reduction facilities are examined as varying artificial rainfall and a material of infiltration layers being able to consider the influence of urban development. As a result of comparison of infiltration rate of the upper and lower parts, the infiltration rate in the lower part is larger than that of the upper part. Thus, the ISS is more available than existing runoff reduction facilities. Results obtained in this study can be provided fundamental data for improvement of existing runoff reduction facilities and practical use of ISS.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.43 no.6
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• pp.533-541
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• 2010

It is basic for a flood prediction to calculate direct runoff from rainfall in a basin by the rainfall-runoff model. The direct runoff is calculated from rainfall excess or effective rainfall based on a rainfall-runoff model. The total rainfall minus rainfall loss equals rainfall excess with time. This loss can be treated equal to an infiltration loss under the assumption that the infiltration is a major one among the losses in the rainfall-runoff model. Practically obtaining the infiltration loss $\Phi$ index method, W index method or modified ones of these have been used. In this study it is assumed the loss of rainfall in a basin be a well-known Horton infiltration mechanism. And in case that the parameter set is given in the Horton infiltration model a procedure and assumption for calculating hourly infiltration loss and rainfall excess are offered and the results of its application are compared with those of $\Phi$ index method. By this study it is well shown the value of Horton infiltration function is exponentially decay with time as the Horton infiltration mechanism.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2005.05b
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• pp.255-259
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• 2005

본 연구는 1981-1991년 농업과학기술원 라이시미터에서 수집한 결과를 이용하여 집중강우시 경사지 밭토양의 물유출 특성을 구명하였다. $7\~9$월 집중강우시 토양 침투수나 지표 유거수는 농업지역에서 환경으로 물질이 이동하는 주요 경로이며 특히 경사지 밭토양에서 지표 유거수는 토양유실의 주원인 중 하나이기 때문에 이에 대한 이해는 매우 중요하다. 이를 위해 강우량, 지표 유거수량, 지하 침투수량 측정 자료 중 호우주의보가 발령되는 일강우량 80mm이상일 때를 대상으로 하여 토성과 경사도에 따른 강우량과 유거수, 침투수의 관계를 분석하였다. 강우량이 적을 때 강우에 대한 침투수와 유거수의 비율은 강우시 표토의 토양수분함량에 많은 영향을 받는다. 이는 표토의 토양수분함량에 따라 유출 또는 침투 발생 유효강우량이 결정되기 때문이다. 강우량이 적을 때의 유거수량과 침투수량을 판단하기 위해 범용토양유실예측공식(Universal soil loss equation, USLE)에서는 0.5 inch 즉, 12.5 mm 이상의 강우를 유출에 대한 유효강우로 가정하고 있으며 많은 모형에서 토양의 침투속도, 포장용수량, 강우시점의 토양수분함량의 함수로 유출 또는 침투 유효강우량을 산정하고 있다. 그러나 강우량이 클 때는 강우에 대한 침투수와 유거수에 비율에 토양수분함량이 미치는 영향이 비교적 적기 때문에 토양의 수분함량에 대한 고려없이 강우와 침투수, 유거수에 대한 관계를 평가하는 것이 가능하였다. 경사도 $10\%$, 경사장 15m, 피복작물 콩인 양토를 기준으로 할 때 강우량과 침투수의 관계는 $I_{10}(mm)=0.44R(mm)+5.8(r^2=0.55)$이었다. y절이 발생한 이유는 이전 강우에 의해 침투되고 있는 물이 있음을 함축하며 기울기 0.40은 강우의 $40\%$가 지하로 침투하였음을 의미한다. 침투수량은 토성별로 양토를 1.0으로 기준할 때 사양토가 1.12로 가장 컸고, 식양토 0.94, 식토 0.91로 평가되었다. 이는 토성간의 침투속도 및 투수속도의 경향이 반영된 것이다. 경사에 따라서는 경사도가 증가할수록 지수적으로 감소하였으며 $10\% 경사일 때를 기준으로 $I(mm)=I_{10}{\times}1.17{\times}e^{-0.0164s(\%)}$로 나타났다. 같은 조건에서 강우량과 유거수의 관계는 $Ro_{10}(mm)=5.32e^{0.11R(mm)}(r^2=0.69)$로 나타났다. 이는 토양의 투수특성에 따라 강우량 증가에 비례하여 점증하는 침투수와 구분되는 현상이었다. 경사와 토양이 같은 조건에서 나지의 경우 역시 $Ro_{B10}(mm)=20.3e^{0.08R(mm)(r^2=0.84)$로 지수적으로 증가하는 경향을 나타내었다. 유거수량은 토성별로 양토를 1.0으로 기준할 때 사양토가 0.86으로 가장 작았고, 식양토 1.09, 식토 1.15로 평가되어 침투수에 비해 토성별 차이가 크게 나타났다. 이는 토성이 세립질일 수록 유거수의 저항이 작기 때문으로 생각된다. 경사에 따라서는 경사도가 증가할수록 증가하였으며 $10\% 경사일 때를 기준으로 $Ro(mm)=Ro_{10}{\times}0.797{\times}e^{-0.021s(\%)}$로 나타났다.