토지이용 변화에 따른 유출특성 변화 - 왕숙천 유역을 사례로 -

Abstract

하천 유역은 오랫동안 인간의 거주지로 개발되어 왔으며, 그로 인한 환경 변화로 하천의 유출이 변화하였다. 연구 지역인 왕숙천 유역이 위치한 남양주는 개발 제한 구역이라는 특수성으로 인해 투수성 면적인 산림 지역이 넓게 유지되었으나, 1970년대의 도시화 현상으로 인해 불투수성 면적이 증가하였다. 따라서 왕숙천 유역의 투수성 면적과 불투수성 면적 변화로 인한 하천 유출량 변화를 분석해보고자 하였다. 연구대상지는 경기도 남양주시에 위치한 왕숙천 유역이다. 유역 모의 모형인 HSPF 모형을 활용하여 왕숙천의 유량 실측자료가 미비한 점을 보완하였다. 또한 토지이용 변화의 영향이 하천 유출량에 정량적으로 반영될 수 있도록 하였다. 1975년과 2007년의 토지이용을 선정하여 유역 내 토지이용의 변화 전과 후를 대표하였다. 토지이용의 양적•공간적 변화를 살펴보기 위해 토지이용도를 활용하였다. 또한 유출량 모의 시 토지이용 외의 환경 조건을 유사하게 설정하기 위해 동일한 기후 자료를 입력하였다. 두 시기의 토지피복도를 활용하여 토지이용의 양적•공간적 변화를 비교해 본 결과는 다음과 같다. 첫째, 토지이용의 양적 변화는 시가지와 산림지역에서 두드러지게 나타났다. 시가지는 7% 증가하였으며, 산림지역은 8% 감소하였다. 이와 같이 시가지로 대표되는 불투수 지역은 증가했으며, 산림지역으로 대표되는 투수지역은 감소하였다. 둘째, 토지이용의 공간적인 변화는 시가지와 농업지역, 초지에서 두드러지게 나타났다. 시가지와 초지는 면적이 증가하는 모습을 보였다. 농업지역으로 활용되던 왕숙천 본류와 지류의 범람원과 배후습지가 시가지와 초지로 전환되었으며, 동시에 농업 지역이 주변 산지로 확장되었다. 주변 산지 외에도 일부 면적의 산림 지역이 주로 레져 산업을 위한 초지와 나지로 전환되었다. 토지 이용에 따른 하천 유출량 변화를 확인하기 위해 HSPF 모형을 으로 유출량을 모의하였다. 모형의 보정에는 2006 ~ 2007년의 기상자료와 유출자료를 사용하였으며, 검정은 2008년의 기상자료와 유출자료를 사용하였다. 보정의 결과 상관계수는 0.85, 결정계수는 0.72, 효율성계수는 0.62로 양호한 적합도를 보였으며, 검정 또한 상관계수는 0.84, 결정계수는 0.72, 효율성계수는 0.64로 양호(Good)하게 판단되었다. HSPF를 사용하여 하천유출량을 모의한 결과는 다음과 같다. 첫째, 1975년의 토지이용에서 2007년의 토지이용으로 변화함에 따라 하천의 연유출량이 감소하였다. 이는 투수성이 높은 토지이용 면적이 줄어들어 유역 내 수분 함양 능력이 감소했기 때문이다. 둘째, 유황분석 결과 2007년의 갈수량, 저수량, 평수량, 풍수량이 소폭 감소하고 고수량이 대폭 증가하였다. 또한 투수면적의 감소율이 낮은 반면, 불투수면적의 증가율은 높은 것을 확인할 수 있었다. 투수성 토지이용은 지하수 함양 능력과 기저유출량의 향상에 영향을 주기 때문에 갈수량, 저수량, 평수량, 풍수량의 감소를 가져왔다. 또한 불투수성 토지이용은 강우 시 직접유출량 증가에 영향을 주기 때문에 고수량의 증가를 가져왔다. 셋째, 단일강우일을 선정하여 분석한 결과, 토지이용 변화에 따라 강우 시 총 유출량은 14.7%, 첨두유량은 27.4%, 직접유출량은 14.7% 증가했으며, 기저유출량은 7.3% 감소하였다.

Land use change in a watershed context is important. The conversion of landform rural to urban uses usually increases the discharge rate and channel runoff volume. Wangsuk watershed, the study site, has maintained large area of forest because it was designed of the development restriction zone but built area is increasing these days because of urbanization. The conversion of land use causes the changes in hydrological characteristics of watershed. This study aims to comparing in channel runoff changes between land uses in certain points of time. The Study area is Wangsuk watershed, which is located in Gyenggi-Do Namyangju-Si, Korea. Land use of year 1975 and 2007 are selected to represent each land use practice of before and after. This work also needed for observing the spatial and quantitative changes in land use. When simulating the runoff, to set similar environmental conditions except land use, the climate data were input equally. The results of comparing two land uses summarized as follows: First, quantitative change in land use in observed in the use of built area and forest area. Built area increased about 7% and forest area decreased about 8%. As above, impervious land area represented as built area increased and pervious land represented as forest area has decreased. Second, spatial changes in land use appeared apparently in the use of built area, agricultural area and grass land. Built area and grass land has increased and scattered in Wanksuk watershed. Flood plain and back marsh of Wangsuk stream's main stream and tributaries was used as agricultural area has conversed to built area and grass land, at the same time agricultural area has extend to peripheral forest area. Other parts of forest land also changed to grass land and barren land. To observe the channel runoff changes between year 1975 and 2007, HSPF model was used to simulate runoff volume. Spatial data which is input were land use data of year 1975 and 2007 and climate data of 2006 and 2007 were used to set the environmental condition equal. Land use data of 2007 and climate data and observed channel runoff data of 2008 for validation. The calibration results indicate 'Good' level for representing the observed value and they are as follow

daily coefficient of correlation is 0.85, daily coefficient of determination is 0.72 and daily Nash-Sutcliffe model efficiency coefficient is 0.62. The validation results also draw 'Good' level and they are as follow

daily coefficient of correlation is 0.84, daily coefficient of determination is 0.72 and daily Nash-Sutcliffe model effeciency coefficient is 0.64. The simulated results are as flow: First, annual channel runoff volume has decreased as land use changes year 1975 to 2007. This is caused by degrading the capacity of recharging water in watershed due decreasing of pervious land area in the watershed. Second, the results of low duration curve analysis draw the minor decrease at the level of minimum flow except ten days, nine-month flow, six-month flow, three-month flow whereas flood discharge increases dramatically. And decreasing rate of pervious land use area is low whereas increasing rate of impervious land use area is high. Decrease of pervious land area effects negatively on recharging of groundwater and volume of base flow and also caused small decline of minimum flow except ten days, nine-month flow, six-month flow, three-month flow. On the contrary, increase of impervious land area effects positively on channel runoff volume at the event of rainfall and also caused sharp rise in flood discharge. Third, the results of analyzing the changes in the characteristics of discharge at the event of rainfall draw increase of total runoff, peak flow and direct runoff about 14.8%, 24.7% and 25.3%, at the same time base flow decreases about 7.3%.