Application of The Semi-Distributed Hydrological Model(TOPMODEL) for Prediction of Discharge at the Deciduous and Coniferous Forest Catchments in Gwangneung, Gyeonggi-do, Republic of Korea

경기도(京畿道) 광릉(光陵)의 활엽수림(闊葉樹林)과 침엽수림(針葉樹林) 유역(流域)의 유출량(流出量) 산정(算定)을 위한 준분포형(準分布型) 수문모형(水文模型)(TOPMODEL)의 적용(適用)

TOPMODEL, semi-distributed hydrological model, is frequently applied to predict the amount of discharge, main flow pathways and water quality in a forested catchment, especially in a spatial dimension. TOPMODEL is a kind of conceptual model, not physical one. The main concept of TOPMODEL is constituted by the topographic index and soil transmissivity. Two components can be used for predicting the surface and subsurface contributing area. This study is conducted for the validation of applicability of TOPMODEL at small forested catchments in Korea. The experimental area is located at Gwangneung forest operated by Korea Forest Research Institute, Gyeonggi-do near Seoul metropolitan. Two study catchments in this area have been working since 1979 ; one is the natural mature deciduous forest(22.0 ha) about 80 years old and the other is the planted young coniferous forest(13.6 ha) about 22 years old. The data collected during the two events in July 1995 and June 2000 at the mature deciduous forest and the three events in July 1995 and 1999, August 2000 at the young coniferous forest were used as the observed data set, respectively. The topographic index was calculated using $10m{\times}10m$ resolution raster digital elevation map(DEM). The distribution of the topographic index ranged from 2.6 to 11.1 at the deciduous and 2.7 to 16.0 at the coniferous catchment. The result of the optimization using the forecasting efficiency as the objective function showed that the model parameter, m and the mean catchment value of surface saturated transmissivity, $lnT_0$ had a high sensitivity. The values of the optimized parameters for m and InT_0 were 0.034 and 0.038; 8.672 and 9.475 at the deciduous and 0.031, 0.032 and 0.033; 5.969, 7.129 and 7.575 at the coniferous catchment, respectively. The forecasting efficiencies resulted from the simulation using the optimized parameter were comparatively high ; 0.958 and 0.909 at the deciduous and 0.825, 0.922 and 0.961 at the coniferous catchment. The observed and simulated hyeto-hydrograph shoed that the time of lag to peak coincided well. Though the total runoff and peakflow of some events showed a discrepancy between the observed and simulated output, TOPMODEL could overall predict a hydrologic output at the estimation error less than 10 %. Therefore, TOPMODEL is useful tool for the prediction of runoff at an ungaged forested catchment in Korea.

준분포형 수문모형인 TOPMODEL은 산림유역의 유출량, 주 유출경로 및 수질을 공간적으로 예측하는데 많이 적용된다. TOPMODEL은 물리모형이 아니라 일종의 개념모형이며 주요 구성요소는 지형지수와 토양의 수평전달계수로 각각 지표면과 지표하 유출의 기여면적을 계산하는데 이용된다. 본 연구는 우리나라의 소규모 산림유역에서 TOPMODEL의 적용성을 검증하기 위하여 수행되었다. 시험지는 1979년부터 임업연구원에서 운용하고 있으며 서울 근교 경기도 광릉시험림에 위치해 있다. 활엽수림 유역은 임령이 약 80년, 유역면적이 22.0ha이고, 침엽수림 유역은 임령이 약 22년, 유역면적이 13.6ha이다. 관측자료는 활엽수 유역의 경우 1995년 7월과 2000년 6월에 발생한 2개 강우-유출사상이고 침엽수 유역의 경우 1995년과 1999년 7월 그리고 2000년 8월의 3개 강우-유출사상을 이용하였다. 지형지수는 $10m{\times}10m$의 수치지형도를 만들어 계산하였다. 지형지수 분포는 활엽수림 유역의 경우 2.6에서 11.1, 침엽수림 유역은 2.7에서 16.0으로 나타났다. 모형의 예측 효율성을 목적함수로 최적화한 결과 모형매개변수(m)와 유역의 평균 포화수평전달계수($lnT_0$)가 높은 민감도를 나타내었다. 매개변수의 최적값은 활엽수림 유역의 경우 m값은 0.034와 0.038 그리고 $lnT_0$값은 8.672와 9.475였으며, 침엽수 유역의 경우 m값은 0.031, 0.032, 0.033 그리고 $lnT_0$값은 5.969, 7.129, 7.575였다 이들 값을 이용하여 모의한 결과 모형의 예측 효율성은 활엽수림 0.958과 0.909 그리고 침엽수림 0.825, 0.922와 0.961로서 비교적 높게 나타났다. 강우-유출량 관측치와 모의치를 이용하여 강우-수문곡선을 작성한 결과 두 유역 모두 유출지연시간은 잘 일치하였다. 일부 강우-유출사상의 경우 총유출량과 첨두유량의 관측치와 모의치 간에 다소 차이를 보였지만 TOPMODEL은 전반적으로 10% 이하의 오차범위에서 총유출량과 첨두유량을 예측할 수 있었다. 결론적으로 TOPMODEL은 우리나라의 미계측 산림유역에서 유출량을 산정하는데 유용한 수문모형이다.