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낙동강수계에 적합한 수질예측모델 개발 SWAT을 이용한 유역해석

수질예측모델 운영 실무교육. 낙동강수계에 적합한 수질예측모델 개발 SWAT을 이용한 유역해석. 2007. 2. 7 ~ 9. 낙동강물환경연구소 경북대학교. 2. SWAT 수문학 성분. 3. SWAT 유사 해석. 4. SWAT 영양물질 해석. 5. SWAT 모형 실습. 목 차. 1. SWAT 모형의 특성. 1. SWAT 모형의 기본 이론. SWAT 모형의 특성. 물공급 및 비점 오염원 관리 효과를 평가하기 위한 개념적 연속 시간 모형 ( 시간 간격 : 1 일 )

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낙동강수계에 적합한 수질예측모델 개발 SWAT을 이용한 유역해석

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  1. 수질예측모델 운영 실무교육 낙동강수계에 적합한 수질예측모델 개발SWAT을 이용한 유역해석 2007. 2. 7 ~ 9. 낙동강물환경연구소 경북대학교

  2. 2 SWAT 수문학 성분 3 SWAT 유사 해석 4 SWAT 영양물질 해석 5 SWAT 모형 실습 목 차 1 SWAT 모형의 특성

  3. 1. SWAT모형의 기본 이론

  4. SWAT 모형의 특성 • 물공급 및 비점 오염원 관리 효과를 평가하기 위한 개념적 연속 시간 모형(시간 간격 : 1일) • 모형의 주요 8가지 성분 • 수문학(hydrology) • 기상(weather) • 유사(sedimentation) • 토양 온도(soil temperature) • 작물 성장(crop growth) • 영양물질(nutrients) • 농약류(pesticides) • 농작물 관리(agricultural management)

  5. SWAT 수문학 성분 • 기본 방정식 : 물수지 방정식 : 토양함수비 –압력 15bar 일 때 함수비 : 시간(일) : 일 강우량(mm) : 일 유출량(mm) : 일 증발산량(mm) : 일 침루량(mm) : 일 회귀수량(mm)

  6. SWAT모의과정

  7. SWAT소유역모의과정

  8. 지표수 유출 • 일강우량 → 지표유출 체적, 첨두 유출률 계산 • 유출 체적 : 수정 SCS Curve Number 기법 • 첨두 유출율 산정 방법 • 수정 합리식 • SCS TR-55 기법

  9. 지표 유출 체적 • 수정 SCS 기법 • R : 강우량 , Q : 일유출량 • 토양함수율의 변동이 심할 때 계산하는 과정이 포함되어 있으므로 수정 SCS 기법이라 함

  10. SCS Curve Number

  11. 첨두유출율1 • 수정 합리식 : 첨두 유출율(m3/s) : 지표 유출(mm) : 수문학적 응답 단위 면적(km2) : 도달 시간(h) : 도달 시간 동안 발생하는 일 강우율

  12. 첨두유출율2 • SCS TR-55 기법 • 첨두유출율은 강우 분포 및 양, 유출곡선 번호, 도달시간에 종속 : 첨두율 : 단위강우당 첨두율 • 를 산정하기 위한 곡선 자료 군 이용 • 강우 분포(SCS Type I, IA, II, III) • 유출 곡선 번호 • 유역의 도달시간

  13. 저수지 유출 • 세가지 산정 기법 • 측정된 유출값 입력 • 방출율 지정 • 체적 > 비상여수로 : 1일 내에 방출 • 소규모 비조절 저수지에 주로 사용 • 저수지 체적 > 저류량 → 나머지 물은 지정된 비율로 방출 • 저수지에 대한 월 목적 체적 지정

  14. 지표하 유량 • 지표 아래, 암석이 물로 포화된 영역 위에서의 기여 • 토층단면(0-2m) 에서의 재분포로 연속적 계산 • 운동파 저수지 모형이 각 토양층의 측면 유량을 예측하는데 이용 • 전도도, 경사, 토양 함수율 고려 • 인접 상층 혹은 표면으로의 유량의 이동 허용

  15. 회귀수량 • 지하수에서 발생된 하천유수 체적 • SWAT 은 두개의 대수층으로 구분 • 천층 비피압 대수층 : 유역 내에서 하천에 회귀수량으로 기여 • 심층 피압 대수층 : 유역 밖에서 하천에 회귀수량으로 기여

  16. HRU(hydrologic response units) HRU PCP ET - 성분 모의(발생) 순서 - 1. Qsur 2. Qlat, Qsep 3. ET 4. Qrchge 5. Qgw 6. Qrevap 7. Qda Qsur Surface flow Qsep,1 Qlat,1 ly1 Qsep,2 Qlat,2 ly2 Soil water Qlat : : : Qsep,n Qlat,n lyn Qrchge Qgw Ground water Qrevap SA Qda DA

  17. 유출 모의 이론 • HRU로부터 주하도로 유입되는 총 물의 양 소유역 유입량 여기서, Qsurf : HRU에서 발생한 지표유출량(mm) Qlat : HRU에서 발생한 측방흐름(mm) Qgw : HRU에서 발생한 지하수흐름(mm) Qtile : HRU에서 발생한 토관배수(mm) HRU 주하도 유출량 • HRU로부터 주하도로 유입되는 지표유출량 산정

  18. HRU에 대한 Qsur산정 • S curve eq.(Jeff Arnold) • retention parameter S ? • Land cover/treatment, soil 에 • 따라 공간적으로 변함 • Soil profile water content에 • 따라 시간적으로 변함 • SWAT은 현재의 토양수분 상태에 따라 계산단위에 따른 연속적인 S 산정

  19. Lhill Dperm Ho impermeable layer • HRU에 대한 Qsep,Qlat산정 - 표층에서 수리전도도가 높거나 얕은 깊이에서 불투수층이나 준투수층 토층을 가지는 지역에서 활발히 발생 • 포화지대에서의 유선이 불투수 경계와 평행하고 수리경사도가 바닥경사와 동일하다고 가정 SWly,excess : drainable volume of water stored in the saturated zone (mm) Ho : Ho / Dperm (mm/mm) ψd : drainable porosity of the soil (mm/mm) Lhill : hillslope length (m) ahill

  20. Qsep산정 • Qlat산정 • TTperc : travel time (hrs) • Δt : time step (hrs) • Ksat : saturated hydraulic conductivity (mm/hrs) • slp : elevation per unit distance (m/m) • SWly,excess = Swly - FCly

  21. HRU에 대한 Qgw산정 • αgw : baseflow recession constant • Δt : time step (1 day) • wrchrg : the amount of recharge entering the aquifer on day i (mm) • δgw : delay time or drainage time (days) • Qsep,btm : total amount of water exiting the bottom of the soil profile on day i (mm) • wrchrg,i-1 : the amount of recharge entering the aquifer on day i-1 (mm)

  22. HRU에 대한 PET 산정 (Penman-Monteith method) • λ : latent heat of vaporization (MJ/kg) • Et : maximum transpiration rate (mm/d) • Δ : slope of the saturation vapor pressure-temperature curve, de/dT (kPa/℃) • Hnet : net radiation (MJ/m2/d) • G : heat flux density to the ground (MJ/m2/d) • ρair : air density (kg/m3) • K1 : dimension coefficient needed to ensure the two terms in the numerator • have the same units (for uz in m/s, K1 = 8.64×104) • P : atmospheric pressure (kPa) • cp : specific heat at constant pressure (MJ/m2/d) • ez0 : saturation vapor pressure of air at height z (kPa) • ez : water vapor pressure of air at height z (kPa) • ra : diffusion resistance of the air layer (aerodynamic resistance) (s/m) • γ : psychrometric constant (kPa/℃) • rc : plant canopy resistance (s/m)

  23. Muskingum 하도추적 방법 • Vin,1 : inflow rate at the beginning of the time step (m3) • Vin,2 : inflow rate at the end of the time step (m3) • Vout,1 : outflow rate at the beginning of the time step (m3) • Vout,2 : outflow rate at the end of the time step (m3) • K : storage time constant for the reach segment (s) • X : weighting factor (0.0~0.5) • Δt : length of the time step (s)

  24. Muskingum 하도추적 방법 • K : storage time constant for the reach segment (s) • coef1 and coef2 : weighting coefficients input • by the user • Kbnkfull : storage time constant for the reach • segment with bankfull flow (s) • K0.1bnkfull : storage time constant for the reach • segment with one-tenth of the bankfull flow (s) • Lch : channel length (km) • ck : celerity corresponding to the flow for • a specified depth (m/s) • Rch : hydraulic radius for a given depth of flow (m) • slpch : slope along the channel length (m/m) • n : Manning’s “n” coefficient for the channel • vc : flow velocity (m/s) → Cunge (1969)

  25. SWAT 유사해석 • MUSLE(Modified Universal Soil Loss Equation) : 소유역으로부터의 유사산출량(ton) : 소유역에 대한 지표유출칼럼(m3) : 소유역에 대한 첨두유출율(m3/s) : 토양 침식인자 : 작물관리 인자 : 침식조절 인자 : 경사 길이 인자

  26. 질소 순환 개념도

  27. 인 순환 개념도

  28. 농약 변환 개념도

  29. SWAT검증과정

  30. 모형 매개변수 • 입력파일 구성

  31. .bsn file

  32. .sub file

  33. .rte file

  34. .sol file

  35. .hru file

  36. .gw file

  37. .mgt file

  38. .res file

  39. 2. SWAT모형의 구동 실습

  40. SWAT모형 실습과정 • AVSWAT2000의 실행 및 프로젝트 구성 • 유역의 구성 • 토지이용도 및 토양도의 입력 • HRU(hydrologic response units)의 계산 • 기상자료의 입력 • SWAT모형의 구동 • 결과 보기

  41. 1. AVSWAT의 실행 및 프로젝트 구성 • ArcView를 실행시켜 File 메뉴에서 Extentions를 실행시킨다. • Extentions의 목록에서 AVSWAT2000을 찾아 활성화 시킨후OK를 클릭한다.

  42. 1.1 AVSWAT의 실행 및 프로젝트 구성 • 프로젝트의 Directory는 lakefork로 설정하고SWAT User Data는 AVSWAT2000폴더의 example1으로 설정한다.

  43. 2. 유역의 구성 • 프로젝트 구성을 마치면 Watershed Delineation창이 나타난다. • DEM을 User Data 폴더에서 찾아 입력한다.

  44. 2.1 유역의 구성 • 입력된 DEM의 Projection을 입력하여야 하는데 본 예제에서는 미국의 lakefork지역을 이용하므로 Albers Equal Area를 선택한다. • 다른지역에서 사용할 경우 Projection을 사용하는 DEM의 정보에 맞춰주어야 한다.

  45. 2.2 유역의 구성 • 사용하는 DEM이 지나치게 큰 경우나 필요한 지역만 모의할경우 mask를 이용하는데 예제에서는 미리 만들어둔 mask를 불러와 사용한다.

  46. 2.3 유역의 구성 • 좌측이 lakefork유역의 DEM이고, 우측의 빨간 도형이 모의하고자 하는 유역을 mask한 모습이다.

  47. 2.4 유역의 구성 • Threshold Area는 작게하면 할수록 자세하게 나타나기는 하나 너무 작게 하면 모의가 잘 안될수 있으므로 주의한다. • 본예제에서는 1000으로 설정하여 모의를 실행한다.

  48. 2.5 유역의 구성 • 점오염원의 경우 미리 데이터를 구성해놓고 입력해주어 모의에 반영하도록 한다. • 그림에서 하얀색으로 나타난 점이 점오염원 배출지역이다.

  49. 2.6 유역의 구성 • 최종 유출구를 설정해주고 OK를 클릭하면 선택한 유출구를 중심으로 유역을 설정한다.

  50. 2.7 유역의 구성 • 소유역의 구분을 확인하고 그대로 진행을 하려면 Apply를 선택하여 계산을 수행한다. • 본예제에서는 20개의 소유역으로 나누어진다.

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