Research Article

Journal of Korea Water Resources Association. April 2021. 265-277
https://doi.org/10.3741/JKWRA.2021.54.4.265

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 대상지역 개요 및 자료수집

  •   2.1 대상지역 개요

  •   2.2 황강댐 유역 수문자료

  •   2.3 위성원격탐사 기반 황강댐 저수지 수위 자료

  • 3. 방법론

  •   3.1 강우-유출 모형 구축

  •   3.2 황강댐 저수지 운영 모형

  • 4. 연구결과

  • 5. 결 론

1. 서 론

임진강은 북한에서 발원하여 남한으로 흐르는 대표적인 공유하천으로서 총 유역면적 8,117.5 km2 중 약 2/3에 해당하는 면적이 북한지역에 위치하고 있다. 임진강은 북한 측 상류의 수자원개발에 따라 하류 지역인 우리나라에 직접적인 영향이 발생하며 특히 2007년 휴전선 북측에 건설된 황강댐의 운영에 따라 임진강 하류의 용수 감소 및 홍수피해 우려가 존재하여 지속적인 갈등과 관심이 이어지고 있다. 황강댐은 임진강 상류 군사분계선으로부터 42.3 km떨어진 위치에 존재하며 약 3 ~ 4억톤의 규모로 추정된다(Lee et al., 2008). 이에 우리나라는 2011년에 약 7천만톤 규모의 군남홍수조절지를 건설하여 임진강 상류로부터 기인하는 홍수를 방어하고 황강댐의 무단방류에 대비하고 있다. 하지만 황강댐을 포함한 임진강 상류지역은 직접적인 수문자료의 관측이 불가하므로 돌발호우나 무단방류 발생 시 대응이 어려운 특성이 있다. 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. 최근 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.

2007년 북한 황강댐 건설 이후 임진강 접경지역의 수문상황에 급격한 변화가 생기면서 해당 지역을 대상으로 한 연구가 활발히 진행되기 시작하였다. Park and Hur (2009)는 미계측 유역에 적용하기 유리하다고 알려진 물리적 기반의 분포형 수문모형을 사용하여 홍수유출을 모의하였다. 해당 연구에서는 1 km로 통일된 해상도의 수문모형에 DEM (Digital Elevation Model), 대분류 토지이용도, 개략 토양도를 사용하였다. 북한지역 토양도의 경우 남한지역의 토양자료를 토대로 가정하였으며 북한 황강댐 건설 이전인 2006년의 자연유출 상태를 기준으로 양호한 홍수유출 계산을 수행하였다. Kim et al. (2011)은 북한 황강댐 건설이후 시기를 대상으로 일단위 장기유출 모의가 가능한 NWS-PC 모형을 활용하였다. 해당 연구에서는 댐 건설 이전인 1999 ~ 2000년의 자연유출 상태를 대상으로 모형을 보정하였으며 댐 건설 이후 시기에 우리나라 임진강 하류 군남 관측소의 관측유량과 비교하여 황강댐의 무단방류량의 규모를 간접적으로 추정하였다. Yang et al. (2017)은 저수지 운영 모형을 활용하여 북한 황강댐의 무단 방류에 대비하여 홍수 조절효과를 높이기 위한 군남홍수조절지의 운영방안을 과거 홍수유입 사례 분석을 통해 제시하였다. Park and Lee (2018)은 홍수 피해를 사전에 대비하기 위해 군남홍수조절지의 홍수조절용량이 초과했을 경우를 가정하여 유출량에 따른 임진강 하류의 홍수 피해면적 및 피해지역을 산정하였다.

2010년대 중반까지는 북한 황강댐으로 인한 임진강 하류지역에 미치는 영향을 직접적으로 분석하기 어려웠기 때문에 황강댐 건설 이전 기간을 대상으로 모형을 보정하거나 공간적 분석범위를 군남홍수조절지 인근으로 설정하여 분석하였다. 최근 들어 북한 황강댐의 무단방류 사례가 잦아짐에 따라 임진강 하류 지역에 미치는 영향이 상당하기 때문에 황강댐의 존재가 임진강 하류에 미치는 영향에 대해 분석하려는 시도가 있었다. Jang et al. (2020)은 이수측면에서 황강댐의 건설에 따라 임진강 수계의 유량이 줄어드는 점을 지적하고 일단위 물수지 분석을 통해 일평균 유량을 산정하여 하천유지용량의 부족분을 산정하였다. Ha et al. (2020)은 GIS 기반의 매개변수 추출과정을 거친 준분포형 수문모형에 지상강우자료를 최대한 활용하여 임진강 수계의 유출모형을 구축하였으며, 저수지 모의운영 기법을 적용하여 북한 황강댐의 유입 및 방류량과 군남 관측소까지의 유입량을 산정하였다. Kim et al. (2020)은 다양한 원격탐사기술을 활용하여 임진강 접경지역의 수자원 변화를 탐지하였다. 해당 연구에서는 고해상도 광학 위성영상을 통한 댐 건설 정보획득, SAR (Synthetic Aperture Radar) 위성 영상을 이용한 황강댐 수표면적 변화 탐지, 지형자료와 연계한 황강댐 저수량 변화 탐지를 수행하여 접경지역에서 원격탐사 자료를 이용한 수문자료 획득의 가능성을 제고하였다. 이렇듯 임진강 접경지역 특성상 북한지역에 위치한 황강댐의 운영현황이 임진강 하류에 미치는 영향이 상당함에도 불구하고 자료의 접근 및 확보가 매우 어렵기 때문에 여러 가정과 모형을 조합하여 임진강의 수문현황을 모의하려는 시도가 이어져 왔으며 최근 원격탐사 기술이 발전하면서 북한 접경지역을 대상으로 수문모형과 원격탐사 자료의 융합을 통한 홍수 모니터링 및 예측/예보기술에 대한 수요가 높아져 왔다.

이에 본 연구에서는 남북접경지 임진강수계 미계측 지역에서의 황강댐 유입량 산정을 위해 강우-유출 모형과 황강댐 저수지 모의운영 기법의 연계 모형을 구성하고 Sentinel-2 MSI (MultiSpectral Instrument) 광학 위성영상과 10 m급 고해상도 지형자료를 활용하여 저수지 수위 변화를 추정한 뒤 이를 이용하여 황강댐 유입량의 적정성을 검증하였다.

2. 대상지역 개요 및 자료수집

2.1 대상지역 개요

임진강은 북한에서 발원하여 우리나라를 거쳐 한탄강과 합류하는 대표적인 공유하천으로서 전체 유역면적은 8,177.5 km2이고, 총 유로연장은 254.6 km이다. 이 중 군사분계선을 기준으로 남한지역의 유역면적은 3,008.7 km2로서 전체 유역의 37.1%이며, 나머지 62.9%는 북한지역에 위치한다. 유역 전체의 평균폭은 33.3 km로서 임진강 상류의 22.4 km로부터 한탄강 유역을 제외한 합류후의 유역 평균폭은 21.9 km로 대체적으로 균일하며 유역면적에 따라 5.1 ~ 13.9 km의 분포를 보이고 있다. 임진강 전체유역의 형상계수는 0.126으로 하도연장에 비해 유역폭이 작은 형태로서, 유역형상은 지천이 작고 본류가 유역의 중앙을 관통하고 있으며, 우측으로부터 고미탄천, 평안천, 역곡천 및 한탄강 등이 차례로 합류하는 형태를 나타내고 있다. 임진강유역의 토지이용현황은 대부분 임야로서 수자원 부존량이 풍부하며 수질도 대체로 양호하여 수자원 개발 가능성이 많지만 접경지역이라는 특수성으로 인해 개발이 미흡한 실정이다. 토지이용 조사가 가능한 군사분계선 이남 지역을 기준으로 농경지가 23.1%, 임야 58.9%로서 대부분 임야와 전, 답으로 구성되어 있으며 북한지역도 크게 다르지 않은 것으로 파악된다(Baek et al., 2010). 특히, 임진강 접경지역에 설치된 군남홍수조절지를 기준으로는 전체 유역면적 4,164.3 km2 중 북한 황강댐의 유역면적이 2,806.0 km2로서 67.4%의 유역면적이 Fig. 1과 같이 북한 황강댐에 의해 단절되어 있는 상황이다.

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Fig. 1.

The location of Imjin river basin including Hwanggang and April 5th dams

2007년 12월경 완공되어 담수가 시작된 것으로 확인된 황강댐은 군사분계선으로부터 42.3 km 북쪽에 위치하며, 콘크리트 중력식댐과 중심코아형 석괴댐으로 이루어진 복합댐으로 댐 총길이 880 m로 추정되며 저수용량 3 ~ 4억 m3 규모의 다목적댐으로 저류된 물을 예성강으로 도수하여 개성공단에 공업용수와 생활용수를 공급하는 것으로 알려져 있다. 임진강 수계에 4월5일 댐과 황강댐을 보유한 북한은 임진강 상류에서 약 3.9 ~ 4.9억 m3에 이르는 물을 저류하고 있으므로, 댐의 저류와 방류 또는 붕괴시 임진강 하류에 위치한 연천군 및 파주시에 직접적인 피해를 발생시킬 위험이 존재한다(Kim et al., 2011). 군남홍수조절지 기본 및 실시설계보고서(MCT, 2007)에서는 군남지점 기준 100년 빈도 홍수시 황강댐 필댐부 붕괴모의결과를 제시하고 있는데, 홍수발생 후 33시간 경과후 첨두방류량 16,467 m3/s이 발생하고, 군남홍수조절지에서는 황강댐 첨두방류 후 약 10시간 경과한 다음 첨두유입량 12,700 m3/s이 발생하여 100년 빈도 계획홍수량 11,300 m3/s 보다 약 12%정도 증가하는 것으로 검토된 바 있다.

임진강 중·상류에 위치한 4월5일댐은 중·소형 발전용 댐으로 총 4호기로 되어 있으며, 1호기, 2호기는 2001년에 완공된 것으로 추정되며, 저수용량은 각각 20백만 m3과 7.7백만 m3 이다. 1호기는 개성시 장풍군 금현동에 위치하고 있는 콘크리트 댐으로 높이 약 13 m, 길이 385 m이며(군사분계선 북쪽 4.6 km), 2호기는 강원도 토산군 다리골에 위치하고 있는 콘크리트 댐으로 높이 약 10 m, 길이 500 m 규모이다(군사분계선 북쪽 27.7 km). 그 이후 2002년에 3호기 및 4호기가 완공되었으며, 저수용량은 각각 30백만 m3으로 추정된다(Kim et al., 2011). 이 중 2호기는 위성영상 분석결과 2011 ~ 2013년 사이에 철거되어 운영을 중단시킨 것으로 추정된다(Kim et al., 2020).

2.2 황강댐 유역 수문자료

북한지역의 특성상 실시간으로 지상강우자료를 획득할 수는 없으나, 2001년 강화군 송해면에 설치된 임진강 강우레이더와 2003년 설치된 광덕산 기상레이더를 사용하여 간접적인 강수 추정이 가능하다. Kim et al. (2008)은 임진강 유역을 대상으로 임진강 레이더 강우와 분포형 수문모형인 VfloTM과 준분포형 수문모형인 ModClark을 사용하여 홍수유출 모의를 실시하고 결과를 비교하였다. 해당 연구에서는 수문지형학적 자료가 부족한 미계측 지역에서는 상세한 지형정보가 요구되는 완전분포형 모형보다는 유역의 물리적 특성을 보정가능한 매개변수로 표현하는 개념적 기반의 준분포형 모형이 현실적이라고 제시하였다. Park and Hur (2009) 또한 동일 유역을 대상으로 임진강 레이더 강우와 분포형 수문모형인 Hydro-BEAM을 사용하여 홍수유출 모의를 수행하였으며, 우리나라 한탄강 유역내 관측지점과의 홍수유출 사상 비교를 통해 레이더의 강우관측 부정확성이 첨두유량과 첨두시간 모의에 큰 오차를 야기하며 하류로 오차가 전파된다는 점을 시사하였다. 본 연구에서는 강우 추정의 불확실성을 최소화하고 과거 관측기록을 최대한 활용하여 황강댐 상류의 유출량부터 군남홍수조절지까지의 유입량을 산정할 수 있는 체계를 우선으로 수립하기 위해 지상 강우자료를 활용하기로 하였다.

기상청은 세계기상기구(World Meteorological Organization, WMO)의 GTS (Global Telecommunication System)를 통해 공개되고 있는 북한지역의 27개 관측소의 기상관측자료에 대해 전일 취득한 자료를 시간 및 일단위로 정리하여 제공하고 있다. 이 중 북한 황강댐 상류 유역에 영향을 미치는 관측소는 4개(양덕, 원산, 신계, 평강) 관측소가 존재한다(Fig. 2). 강우자료는 2017년 1월 1일 ~ 2020년 9월 12일 기간의 시단위자료를 수집하였으며, 이들 관측소의 강우를 Fig. 2Table 1과 같이 티센 가중치를 산정하였으며 유역별 면적평균강우로 환산 후 시단위 시계열을 작성하였다.

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Fig. 2.

Thiessen polygon of Hwanggand dam basin using weather stations in North Korea

Table 1.

Weights of weather stations for the thiessen polygon in the study area

Station Yangdeok Wonsan Singye Pyeonggang Total
Contribution area (km2) 628.8 514.1 591.3 1071.6 2805.8
Weight 0.224 0.183 0.211 0.382 1.000

2.3 위성원격탐사 기반 황강댐 저수지 수위 자료

북한 황강댐의 수위 및 운영자료는 직접 취득할 수 없으므로 본 연구에서는 황강댐 저수지의 수위-수표면적-용적 관계를 위성영상에서 추출한 수표면적을 활용하여 위성영상 촬영 시기의 수위와 저수량을 간접적으로 추정하는 방법을 사용하였다. 황강댐 저수지의 수위-수표면적-용적 관계를 산정하기 위해서 2007년 황강댐 건설 및 담수 이전에 구축된 10 m 해상도의 DEM (Digital Elevation Model)을 활용하였다. Fig. 3은 GIS Tool을 사용하여 황강댐 저수지 주변의 위성영상과 DEM으로부터 계산한 음영기복도(Hillshade)를 중첩하여 황강댐 저수지의 등고선을 나타낸 그림이다. 이를 기반으로 수위로 대변되는 특정 표고의 수표면적을 추출하고 해당 수위 이하의 용적을 계산하여 황강댐 저수지의 수위-수표면적 관계(Fig. 4(a))와 수위-용적 관계(Fig. 4(b))를 산정하였다. 수위-수표면적 관계를 보면 EL.95 m와 EL.105 m에서 수표면적이 급격히 증가하는 구간이 있는데, 수표면이하의 지형을 복원하는 과정에서의 국부적인 지형오차와 DEM의 수직해상도의 한계로 인해 나타나는 현상으로 판단되나, 전체적으로는 과거의 지형에 비하여 크게 개선되었고 결과에 미치는 영향이 강우 및 유입량 등 수문학적 불확실성에 비하여 상대적으로 제한적일 것으로 판단되어 그대로 사용하였다.

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Fig. 3.

The contour map of Hwanggang dam reservoir

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Fig. 4.

Relationship between (a): water level and surface area, (b): water level and storage

황강댐 저수지의 수위를 추정하기 위한 인공위성은 Sentinel-2를 사용하였다. Sentinel 이전에는 오랜기간 다분광센서인 MODIS가 널리 사용되었으나, 250 m의 거친해상도로 인하여 광역의 수체를 탐지하는데 주로 사용되었다(Carroll et al., 2009; Feng et al., 2012; Huang et al., 2014). 이후 정밀도를 높이기 위하여 30 m급의 Thematic Mapper (TM), the Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+), 최근에는 Landsat위성으로부터 Operational Land Imager (OLI)가 사용되었으며(Hui et al., 2008; Du et al., 2014; Rokni et al., 2014), 2015년 유럽우주국(European Space Agency, ESA)에서 자체적으로 Earth Explorer 데이터 포털을 구축하여 무료로 최고 10 m급의 고해상도 영상을 제공하면서 수체탐지의 정밀도 또한 획기적으로 개선되었다. 우리나라에서는 SAR 영상을 이용한 수체탐지 및 응용연구가 시도되었다. Seo et al. (2018)은 Sentinel-1 위성영상을 이용하여 수체를 탐지하여 중소규모 하천의 유량을 추정할 수 있는 멱함수 형태의 모형을 구축하였으며 Jang et al. (2011)은 RADARSAT-1 위성을 이용하여 농업용 저수지의 수표면적을 탐지하여 저수율을 탐지하는 연구를 수행하였다. Lee and Kim (2011)은 TerraSAR-X 위성을 이용하여 해안지역의 수체를 추출하고 경계면을 추출하여 해안 수위선을 추출하는 기법을 제시하였고 Jeon et al. (2020)은 Cosmo-Skymed 위성영상과 지형자료를 조합한 머신러닝기법을 활용하여 수체를 추출할 수 있는 기법을 제시하였다. 기본적으로 SAR 영상은 후방산란계수로의 보정, 노이즈 필터링, 지형보정절차를 거치게 되며, 후방산란계수의 통계분석을 통해 수체구분의 임계값(Threshold)을 결정하는 방법을 주로 사용한다.

본 연구에서 활용한 Sentinel-2 위성은 동일한 사양의 두 대의 위성(Sentinel-2 A/B)을 같은 궤도로 운영하여 5일마다 같은 위치의 영상을 획득할 수 있으며 다분광 촬영장비(Multi Spectral Instrument, MSI)를 탑재하여 가시광선 영역을 포함한 13개의 다중 분광영역대의 영상을 제공하고 있다. 제공되는 영상은 가시광선과 근적외선 영상의 경우 10 m의 해상도를 갖고 있으며 그 외 적외영역 등의 영상은 20 m, 60 m 등의 해상도를 갖고 있다(Drusch et al., 2012).

수체탐지를 위하여 McFeeters (1996)는 수체로부터의 반사도가 가장 큰 녹색광과 흡수도가 가장 큰 근적외선파를 이용하여 Eq. (1)과 같이 계산되는 NDWI (Normalized Difference Water Index) 지수를 제시하였다. Fig. 5는 근적외선 원시영상으로부터 NDWI영상 및 윤곽선의 평활화 영상을 보여준다. SWIR (Short Wave Infra Red)파가 NIR파보다 수체의 흡수력이 좋은 장점을 이용하여 MNDWI (Modified NDWI)를 사용하기도 하나(Xu, 2006), 수체탐지의 원리는 본질적으로 같은 맥락이라 볼 수 있으며 해상도는 오히려 NIR이 높다는 장점이 있어 본 연구에서는 NDWI를 수표면적 탐지에 사용하였다. Table 2는 Sentinel-2의 여러 밴드 중 수표면적 추출에 사용한 Band 3(Green), Band 8(Near infrared, NIR), 그리고 Band 12(Short wave infrared, SWIR)의 파장대역과 공간해상도 특성에 대해 나타내었다.

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Fig. 5.

Process of waterbody detection using Sentinel-2 imagery

Table 2.

Spectral bands and spatial resolution of the Sentinel-2 sensors used in NDWI calculation

Sentinel-2 bands Sentinel-2A Sentinel-2B Spatial resolution (m)
Central wavelength (nm) Band width (nm) Central wavelength (nm) Band width (nm)
Band 3 (Green) 559.8 36 559.0 36 10
Band 8 (NIR) 832.8 106 832.9 106 10
Band 12 (SWIR) 2202.1 175 2185.7 185 20
(1)
NDWI=XGreen-XNIRXGreen+XNIR

여기서 XGreen과 XNIR는 각각 녹색광과 근적외선파의 반사도(Reflectance)값이다.

NIR원시영상이나 NDWI영상 모두 수체탐지를 위해서는 수체와 비수체를 구분할 수 있는 적절한 기준값(Threshold)을 정해야 한다. NIR영상의 경우는 DN (Digital Number)값이 되고, NDWI영상은 NDWI값이 된다. Fig. 6에 예시로 제시한 날짜의 NIR영상과 NDWI영상에 대한 Histogram이 Fig. 7에 제시되어 있다. 좌측 4개의 그래프는 Sentinel-2 광학영상 중 수체(Water body)가 명확히 드러나는 Band 8(Near infrared) 영상의 Digital number로 Histogram을 작성하였는데, 수체를 탐지하기 위한 Histogram의 오목한 최솟값 구간에서 찾을 수 있는 임계값이 영상마다 다르게 나타날 수 있어 일정한 기준을 잡을 수 없으므로 매번 통계분석 또는 감독분류와 군집분석 등을 통한 수체탐지를 수행해야 하는 단점이 있다. 반면 오른쪽 4개의 그래프는 NDWI을 통해 정규화된 지수로서 0을 중심으로 양(+)의 값을 수체로 간주하게 되는데 히스토그램의 오목한 구간에서 기준값으로 0을 명확히 식별할 수 있어 안정적으로 수체를 탐지할 수 있는 장점이 있다. 수체분석에 활용한 위성영상은 2017년 1월 1일부터 2020년 9월 30일 기간에 촬영된 영상을 활용하였으며, 광학영상의 특성상 구름에 의해 저수지 관측이 불가능하거나 겨울철 빙결로 인해 정상적인 수체분석이 어려운 영상을 제외한 94개의 영상에 대해 수체분석을 통한 수위추정을 수행하였다.

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Fig. 6.

Near infrared imagery of original Sentinel-2 optical satellite (left) and NDWI waterbody detection imagery (right) for water surface variation monitoring

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Fig. 7.

Histograms of Sentinel-2(Band 8) and NDWI imagery

3. 방법론

3.1 강우-유출 모형 구축

강우-유출 모형은 지배방정식의 차분화과정, 유역 내 공간적 계산격자 및 소유역 구성, 매개변수의 공간적 변동성분의 처리방식 등에 따라 집중형 모형과 물리적 분포형 모형으로 구분할 수 있다. 집중형 모형은 유역의 공간적인 분포를 단순화하고, 지배방정식의 매개변수 및 유출계산을 소유역단위로 처리한다. 경우에 따라서는 물리적 지배방정식을 경험식으로 대체하기도 한다. 반면 분포형 모형은 유역을 격자 혹은 미소유역단위로 세분화하며, 격자단위로 구성할 경우 유한차분이나 유한요소 등의 수치해석기법을 사용하여 계산을 수행하기 때문에 유역내 유출흐름의 물리적과정을 최대한 수식으로 구성하여 정밀한 계산을 수행할 수 있다는 장점이 있다. 집중형 모형의 경우 계산 과정이 단순하여 계산시간이 짧고 모형의 구성에 따라 단기적인 홍수유출부터 장기유출까지 다양한 시간해상도의 유출결과를 도출할 수 있는 장점이 있으나, 유역 및 강우의 시공간적 변화를 반영하기에는 불리한 부분이 있어 유역고유의 매개변수를 찾아내기에 한계가 있다는 단점이 있다. 분포형 모형의 경우 유역의 지형공간적 특성을 물리적으로 반영하여 강우-유출 과정을 계산하기 때문에 매개변수의 변동성이 상대적으로 크지 않고, 따라서 미계측 유역에서 적용하기 유리하다는 장점이 있으나 매개변수가 다양하고 계산과정이 복잡하여 유역의 규모가 클수록 계산부하가 급격히 증가하며 수문학적 초기조건이 결과에 미치는 영향이 커 실시간 모의가 힘든 단점과 함께 장기유출보다는 단기 홍수유출 모의에 초점이 맞추어져 있는 특징이 있다. 단, 분포형 모형의 경우 이론적인 장점과는 달리, 집중형 모형과 마찬가지로 실제 적용시에는 양질의 관측값을 사용하여 정교하게 보정하는 과정이 필요하지만, 미계측유역에서는 관측값의 제약으로 인하여 분포형 모형의 장점을 구현하기에 한계가 있는 것도 사실이다. Kim et al. (2008)Park and Hur (2009)은 계측 및 미계측 유역이 혼재되어 있는 임진강유역 전체를 대상으로 레이더 강우를 물리적 기반 분포형 모형에 적용하여 홍수유출모의를 수행한 바 있다. 하지만 당시에는 북한 황강댐과 우리나라의 군남홍수조절지가 건설되기 이전을 대상으로 연구가 수행되었기 때문에 임진강 상류지역을 자연유역으로 간주할 수 있었으나 현재는 황강댐으로 인해 유역의 수문학적 환경이 크게 변화되어 있다. 이러한 이유로 황강댐 건설 및 담수가 완료된 것으로 추정되는 2008년 이후부터는 수문모형 구축 시 황강댐의 저류효과 및 운영방식을 고려해야 한다.

본 연구에서는 북한 황강댐의 유입량과 운영방식을 광학 인공위성영상을 통해 간접적으로 추정 및 검증하기 위해 집중형 모형인 Clark 단위도모형을 선택하였다. Clark 단위도모형은 널리 알려진 집중형 모형으로서 시간-면적 관계식으로부터 첨두홍수량의 감쇠와 지체효과를 구현한다. 기본방정식으로 연속방정식(Eq. (2))과 저류-유출함수(Eq. (3))를 사용한다.

(2)
dStdt=It-Qt
(3)
St=KQt

여기서, St는 저류량(m3), It는 유입량(m3/s), Qt는 유출량(m3/s), K는 저류상수(hr) 이다.

Eqs. (2) and (3)을 연립하여 단순 유한차분 근사시키면 Eq. (4)를 얻게 된다.

(4)
Qt=CAIt+CBQt-1

여기서, CA=tK+0.5t,CB=1-CA이다.

시간 t에서의 평균유출량은 Clark 단위도의 종거로서 Eq. (5)를 통해 구하게 된다.

(5)
Qt=Qt-1+Qt2

집중형 모형은 간단한 매개변수와 빠른 계산과정을 통해 실시간 혹은 준실시간 홍수모니터링 시스템을 구축하기에 유리하다는 장점이 있다. 매개변수인 저류상수(K)와 도달시간(Tc)이 최근 발간된 홍수량 산정 표준지침(ME, 2019)을 통해 황강댐 상류와 접경지역과 같은 미계측유역에 적용할 수 있도록 경험식(Eqs. (6) and (7))의 형태로 제시된 바 있다.

(6)
K=αAL20.02Tc
(7)
Tc=0.214LH-0.144

여기서, K는 저류상수(hr), α는 일반적인 하천유역에서 1.45 (기준값), 산지 등 하천경사가 급하고 저류능력이 적은 유역은 1.20, 평지 등 하천경사가 완만하고 저류능력이 큰 유역은 1.70을 적용, A는 유역면적(km2), Tc는 도달시간(hr), L은 유로연장(km), H는 고도차(m, 유역 최원점 표고와 홍수량 산정지점 표고의 고도차) 이다.

임진강 유역 중 군남홍수조절지를 출구로 하는 유역은 Fig. 8과 같은 수계로 이루어져 있으며 이 중 모형 구축에 사용된 유역은 황강댐 저수지를 출구로 하여 총면적 2,805.8 km2으로서 중권역 표준유역도를 기준으로 총 7개의 소유역 중 3개의 소유역이 황강댐 저수지 유입량에 기여하게 된다. 2.3절에서 사용한 10 m 해상도의 DEM을 활용하여 Table 3과 같이 Clark 단위도 경험식 적용에 필요한 소유역 특성을 추출하였으며 홍수량 산정 표준지침에 따라 Eqs. (6) and (7)을 활용하여 Table 4와 같이 Clark 단위도 매개변수와 250 km2 이상의 소유역을 대상으로 Muskingum 하도추적을 적용하기 위한 매개변수를 산정하였다.

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Fig. 8.

Drainage basin system in study area

Table 3.

Basin characteristics in the study area

No Basin Name Area (km2) River Length (km) Elevation of farthest point (m) Elevation of Outlet point (m)
01 Upstream of Imjinriver 1,101.5 85.0 1,285 140
02 Upstream of Gomitan stream 1,093.7 108.6 1,086 140
03 Icheon water level sta. 610.6 57.4 714 67
Table 4.

Parameters of clark unit hydrograph and muskingum flow routing

No Basin Name Clark unit hydrograph Muskingum flow routing
Tc (hr) K (hr) C0 C1 C2
01 Upstream of Imjinriver 6.60 9.21 0.0266 0.4160 0.5575
02 Upstream of Gomitan stream 8.66 11.98 0.0162 0.4097 0.5741
03 Icheon water level sta. 4.84 6.79 0.0316 0.4190 0.5494

수문모형은 2.2절에서 구축한 1시간 단위의 강우자료를 입력으로 하여 구동되도록 하였다. 즉, 황강댐 상류 유역에서 계산된 수문곡선은 황강댐 저수지의 유입량으로 간주하여 3.2절에서 소개할 저수지 모의 알고리즘을 통해 황강댐 저수지 수위 변화와 방류량을 산정하도록 모형을 구성하였다. 또한, 유효강우 산정을 위한 NRCS방법의 적용을 위해 5일(120시간) 선행강우를 확인하고 매시간 유출곡선지수(Curve Number, CN)를 갱신하도록 모형을 구축하여 향후 실시간 구동과 홍수모니터링을 위해 강우 이벤트가 없는 상황에서도 연속 모의가 가능하도록 구성하였다.

북한지역에 위치한 황강댐의 유입량은 관측자료를 취득할 수가 없으므로 직접적인 검증이 불가능하다. 본 연구에서는 3.2절에서 소개할 저수지 모형을 이용하여 황강댐 유입량에 따른 시 단위 저수지 수위변화를 모의한 뒤 2.3절에서 소개한 위성원격탐사 기반 황강댐 수위자료의 변동경향을 이용하여 황강댐 유입량을 간접 검증하였다.

3.2 황강댐 저수지 운영 모형

일반적으로 사용되는 저수지 운영방법(Reservoir operation method, ROM)은 Auto ROM, Technical ROM, Rigid ROM이 존재한다. Auto ROM은 가장 단순한 저수지 운영방식으로서 현재의 저수지 수위를 기준으로 댐의 안전만을 보장하여 평시에는 상시만수위 이하에서, 홍수시에는 계획홍수위를 초과하지 않도록 일정한 범위안에서 운영하는 방식이며, Technical ROM과 Rigid ROM은 홍수조절효과의 최대화를 목적으로 예측된 저수지 유입량을 이용하여 최대의 저수용량을 활용하는 방식이다. 임진강 상류 북한지역의 경우 수위 및 유량관측소의 정보를 획득할 수 없고 신뢰도 높은 수문모형을 구축하기 어려우므로 저수지 유입량 예측정보가 요구되는 Technical ROM과 Rigid ROM을 적용하는 것은 현실적으로 무리가 있다. 이러한 이유로 운영방식이 단순한 Auto ROM을 이용하여 북한 황강댐 저수지 운영 모형을 구축하였다.

Auto ROM은 기본적으로 상시만수위로 대변되는 평시 상한수위를 기준으로 상한수위 이하에서는 유입량을 저류하고 상한수위 이상에서는 유입량을 전량 방류하는 방식을 이용하며 유입량의 예측과 상관없이 현재의 유입량과 저수지 수위를 이용하여 방류량을 결정하게 된다. 북한 황강댐은 발전방류를 통한 개성지역의 전력공급과 발전방류 이후 예성강 유역으로의 도수를 통한 수자원 이용을 목적으로 건설된 댐으로서 이러한 특성을 고려하기 위해 다음과 같은 규칙으로 방류량을 결정하는 알고리즘을 Fig. 9와 같이 구성하였다.

1) 저수지의 수위가 상한수위 이하이고 하한수위 이상이면 유입량에 상관없이 일정량의 발전방류를 수행한다.

2) 저수지의 수위가 상한수위 이상이면 초과된 유입량을 전량 방류한다.

3) 저수지의 수위가 하한수위 이하이면 발전방류를 중단하고 유입량을 전량 저류한다.

4) 황강댐은 저수지 수위와 관계없이 수문 조작을 통해 특정 유량을 방류할 수 있는 것으로 가정한다.

Fig. 9에서의 t는 시간(hr), △t는 시간간격(sec), ht는 저수지 수위(EL. m), St는 저수량(m3), Smax는 최대저수량(m3), hmax, hmin은 각각 저수지 상한 및 하한수위(EL. m), It는 댐 유입량(m3/s), Ot는 댐 방류량(m3/s), E는 발전방류량(m3/s)이다.

황강댐 저수지 운영 모형을 구동함에 있어 주요 매개변수는 저수지 상한 및 하한수위와 발전방류량이다. 이들 매개변수를 정확히 결정하기 위해서는 저수지 유입 및 방류량 정보가 필요하지만, 북한지역 특성상 해당 자료를 취득할 수 없으므로 3.1절의 강우-유출 모형과 마찬가지로 위성원격탐사 기반 황강댐 수표면적-수위관계를 이용하여 간접적으로 결정하였다. 강우가 집중되는 홍수기 이후 유입량이 풍부하고 저수지의 수위가 만수위에 가깝게 유지되는 시기의 수위자료를 이용하여 상한수위를 결정하였으며, 유입량이 적은 비홍수기에 꾸준히 감소되는 수위변동경향을 이용하여 발전방류량을 결정하였다. 또한, 다시 강우가 집중되어 수위가 상승되는 시점과 상승경향을 이용하여 하한수위를 결정하였다. 이렇게 결정된 매개변수와 저수지 운영 모형에 의해 황강댐의 수위와 방류량이 결정된다. 여기서 결정된 댐 방류량 중 일정량은 예성강 유역으로 도수되기 때문에 도수량을 제외한 나머지가 하류로 흘러 내려오게 된다. 단, 본 연구에서는 인공위성 기반 황강댐 저수지의 수위변동 모니터링 성과와 저수지 운영 모형을 통해 강우-유출 모형으로부터 산정된 황강댐 유입량을 간접적으로 검증하는 것을 목적으로 하였으며, 황강댐 방류량, 예성강 유역으로의 도수량, 군남홍수조절지까지의 유입량은 향후 황강댐과 군남홍수조절지 사이의 잔유역 수문모형 구축과 검보정을 통해 추가적으로 연구가 수행되어야 할 부분이다.

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Fig. 9.

Flow chart of Auto ROM algorithm for Hwanggang dam reservoir

4. 연구결과

2.2절에서 설명한 바와 같이 북한 황강댐 유역에 영향을 미치는 강우관측소의 1시간 단위 시계열 자료를 이용하여 황강댐 유역 면적평균 강우의 시계열을 작성하였고 강우-유출 모형을 구동하였다. 황강댐 유역의 강우는 Fig. 10과 같이 여름철 홍수기에 강우가 집중되는 한반도의 강우특성이 나타나고 있다. 특히, 2020년의 연 누적강우는 2,094 mm로서 한반도 연평균강우에 비해 상당히 많은 강우가 관측되었으며 이 중 8월에 집중호우로 인해 약 930 mm가량의 강우가 집중적으로 발생하였다.

3.1절에서 설명한 강우-유출 모형에 의해 1시간 단위의 유역 유출량을 산정하였다. 황강댐 유역의 유출량은 곧 황강댐 저수지로 유입되는 것으로 간주할 수 있다. 하지만 관측자료를 획득할 수 없기 때문에 직접적인 검증이 불가능하다는 특징이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 2.3절과 3.2절에서 구축한 인공위성 기반 황강댐 수위자료와 저수지 운영 모형을 활용하였다.

강우로 인해 유입량이 증가하면 저수지운영 모형을 통해 저수지 수위가 증가하게 되며 댐 유입량이 없는 무강우시에는 발전방류량으로 설정한 유량이 지속적으로 방류되어 저수지 수위가 감소하게 된다. Fig. 11은 댐 유입량에 따른 황강댐 수위변화를 연속적으로 모의하여 인공위성 기반 황강댐 수위자료와 비교한 그래프이며, 댐 유입량 모의의 적절성을 댐 수위변화를 이용해 간접적으로 검증하였다. 이때 비교를 위한 인공위성 기반의 황강댐 수위는 실제 저수지의 수위를 대변할 수 있다고 가정하였으며 이를 이용하여 황강댐 저수지운영을 위한 매개변수는 Table 5와 같이 설정되었다. 여기서 유입량이 비교적 적으며 황강댐 수위가 고수위로 유지되는 겨울철(11 ~ 12월)에는 평상시보다 발전방류량이 적다고 판단되어 해당시기의 고정방류량을 별도로 설정하였다. 이와 같이 연속적으로 모의된 수위변화는 전체 모의기간중 인공위성 기반 수위자료와 비교하여 결정계수(R2) 0.76, RMSE 3.97 m 로서 양호한 결과를 보이는 것으로 분석되었으며, 연도별 통계는 Table 6에 나타내었다. 이때 보정을 위한 매개변수 조정 시 최근의 댐 운영 상황을 최대한 반영하기 위해 2019, 2020년의 검정통계를 중심으로 조정하였다.

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Fig. 10.

Time series of monthly areal rainfall in Hwanggang dam basin

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Fig. 11.

Continuous simulation of water level using auto ROM algorithm for Hwanggang dam reservoir

Table 5.

Parameters of auto ROM algorithm for Hwanggang dam reservoir

Parameter High water level (hmax) Low water level (hmin) Constant release (E)
Nov. ~ Dec. Jan. ~ Oct.
Value 107.0 EL.m 80.0 EL.m 20.0 m3/s 35.0 m3/s
Table 6.

Comparison of satellite based water level and simulated water level

Item 2017 2018 2019 2020 (~Aug.) Total
R2 0.94 0.47 0.97 0.75 0.76
RMSE 3.07 5.81 2.25 3.18 3.97

5. 결 론

본 연구에서는 유역면적의 2/3가 미계측 지역인 임진강 상류 북한지역에 위치한 황강댐의 유입량을 산정하기 위해 집중형 수문모형과 Auto-ROM 기반의 황강댐 저수지운영 알고리즘을 구축하고 Sentinel-2 광학 위성영상과 10 m급 고해상도 지형자료를 이용하여 황강댐 수위 변화를 추정하여 저수지운영 기법을 기반으로 황강댐의 운영률을 추정하고 황강댐 유입량을 간접적으로 검증하였다. 본 연구를 통해 도출된 결과, 한계점 및 향후 개선방안은 다음과 같다.

1) 수문모형의 구동을 위해 세계기상기구(World Meteorological Organization, WMO)의 GTS (Global Telecommunication System)를 통해 공개되고 있는 1시간 단위의 지점별 북한지역 강수량 자료(GTS)를 사용하였다. 해당 자료는 제공되는 관측소의 공간적 밀도가 높지는 않으나, 북한지역의 강우정보를 제한적으로나마 취득할 수 있다는 이점을 이용하여 북한 황강댐 지역의 면적평균 강우를 산정하는데 활용할 수 있었다. 현재 기상청과 환경부에서 강우 및 기상레이더를 운영하고 있으나 아직 레이더의 정량강수추정이 과소하게 제시되는 경향이 있어 정확도 개선과 관련한 연구가 지속적으로 진행중이다. 향후, 레이더 강수추정의 정확도가 향상된다면 신뢰도 높은 황강댐 유입량 산정과 실시간 유입량 추정으로의 발전도 가능하리라 판단된다.

2) 직접적으로 계측하거나 취득할 수 없는 북한 황강댐 댐 저수지 수위를 원격탐사기술을 활용하여 간접적으로 추정하기 위해 고해상도 DEM과 광학 인공위성 영상을 사용하였다. 광학영상의 한계로 인해 구름이 관측되는 영상은 활용하지 못해 비가 많이 내리는 홍수기의 영상이 부족하였다. 또한, 인공위성 영상의 해상도/기하보정상태 및 DEM의 정확도에 따라 저수지 특성과 수위가 결정되므로 수위추정의 불확실성이 존재한다. 향후, 인공위성영상의 해상도가 개선되고 영상처리 및 기하보정 기술이 개선되면 수위추정의 정확도가 향상될 것으로 기대하며, 구름과 날씨 등에 영향이 적은 SAR 위성영상을 활용한다면 홍수기의 수위변화를 정기적으로 추정할 수 있을 것이다.

3) 직접 검증이 불가능한 황강댐의 유입량을 저수지 운영률에 따른 수위변화를 모의하여 간접적으로 검증하였다. 미계측 저수지의 유입량을 검증함에 있어 수위변화를 사용하는 것은 저수지 운영기법과 운영이력에 따라 검증의 정확도가 결정되지만 홍수방어를 포함한 복잡한 운영률을 가진 다목적댐에 비해 북한 황강댐과 같이 발전 및 용수공급만을 목적으로 저수지 수위를 높게 유지하는 댐 저수지를 대상으로 충분히 활용 가능하다고 판단된다.

본 연구를 통해 획득한 황강댐 운영률과 유입량을 통해 황강댐의 방류량의 계산이 가능하다. 하지만, 저수지 운영 모형에서 설정한 상한수위 이상으로 유입량이 증가할 경우 초과된 유입량은 전량 방류되는 것으로 모의하기 때문에 홍수기 홍수유입량은 불확실성을 내포하고 있다. 이러한 이유로 홍수기 첨두 유입량의 정량적인 평가와 더불어 종합적인 홍수예경보 시스템으로 발전되기 위해서는 황강댐의 방류량 모의와 임진강 하류부의 수문모형을 구축하고 임진강 하류부 군남홍수조절지의 관측자료를 이용하여 검증하는 과정이 추가적으로 요구된다. 향후, 실시간 레이더 강우 및 초단기 예측정보를 이용한다면 홍수기에 군남홍수조절지의 유입량을 미리 예측하고 홍수조절업무의 의사결정을 지원할 수 있는 홍수예경보 시스템으로 발전할 수 있으리라 기대한다.

Acknowledgements

본 연구는 환경부 물관리연구사업(79622)에서 지원받았습니다.

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