토양수분량·증발산량 조사현황 및 발전방향

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Issue

토양수분량·증발산량 조사현황 및 발전방향 04

1. 서론

토양수분량(Soil Moisture, SM) 및 증발산량 (Evapotranspiration, ET)은 국가 물 관리, 수자원 계획 및 개발, 물 순환 과정의 규명, 물 수지 분석, 가뭄 분석, 갈수 및 홍수 예보, 유출 해석 및 강우- 유출 모형의 개발, 작물 소비수량 산정, 산사태와 같 은 재해, 기상예보 정확도 향상 분야 등에 다목적으 로 활용되는 기초자료이다. 특히, 이중 토양수분량 은 생태수문학의 가장 중요한 인자로서 식생의 성장 및 변동의 원인과 결과를 제공하는 동시에 대기의 상호작용 및 총체적인 물 수지와 관련된다.

토양수분량 및 증발산량을 생산하기 위한 국가 차

아 볼 수 있다. 사실, 프론티어 사업의 결과가 2005 년 「수문조사선진화5개년계획(건설교통부)」에 반영 되면서 토양수분량 및 증발산량 조사의 기반이 마련 되었다. 「수문조사선진화5개년계획」에 포함된 조사 지점 수는 각각 25개소로, 2010년 국토해양부는 본 계획을 「국가수문관측망」에 반영하였다. 토양수분량 및 증발산량 조사는 현재 「수자원의 조사·계획 및 관리에 관한 법률」에 법적인 기반을 두고 있다. 그러 나 관측소 설치 기준과 조사 방법 에 대한 연구개발 의 부족과 예산 등 여러 문제로 인해 제한된 지점에 서만 자료가 생산되고 있다. 2010년 국토해양부에 서 구축한 토양수분량 및 증발산량 관측망은 전국단 위의 자료를 생산하기 위해 인공위성과 연계를 염두 에 둔 지상관측망으로 의의를 가지고 있다. 토양수 분량 및 증발산량은 대상유역의 기상과 지형, 피복 등의 특성에 좌우되기 때문에 면(面)단위 혹은 전국 단위로 생산돼야 그 활용성이 높다. 이와 같은 자료 의 특성을 감안하여 볼 때 국가차원의 자료 생산 방 안이 마련돼야 할 것으로 판단된다.

최근 원격탐사 기술의 발달로 인해 인공위성 기반 의 다양한 자료가 생산되고 있다. 토양수분량 및 증 발산량 자료 생산에 이를 연계하는 것이 최적의 방 안으로 보인다. 한국수자원조사기술원에서는 인공 위성 기반의 토양수분량 및 증발산량 자료를 생산할 수 있는 연구를 진행하고 있다. 본 고에서는 토양수 김 기 영

한국수자원조사기술원 연구개발실 팀장 [email protected]

이 연 길

한국수자원조사기술원 연구개발실 실장 [email protected]

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토양수분량·증발산량 조사현황 및 발전방향 Special Issue

고 전국단위 자료 생산에 필요한 방안을 제시하고자 한다.

2. SM 및 ET 조사현황

토양수분량 및 증발산량 조사 현황은 환경부(한 국수자원조사기술원 운영)에서 관할하고 있는 설마 천과 청미천 관측소를 위주로 기술하고자 한다. 현 재 운영 중인 토양수분량 관측소는 2개소로 이들 관 측소는 한강수계 설마천과 청미천 산지 사면에 위 치해 있다(표 1). 2개소 모두 TDR(Time Domain Reflectometry) 방식으로 운영되고 있으며 자료는 토심(10cm, 30cm, 60cm, 90cm)별로 동절기를 제 외한 모든 기간(3월~12월)에서 2시간 간격으로 생 산되고 있다. 한국수자원조사기술원에서는 2주 단 위로 관측시스템을 점검하고 자료를 수집하여 정기 적인 품질관리를 통해 자료를 생산하고 있다. 토양 수분량 자료에 대한 품질관리와 자료 생산 절차는 2017년 한국수자원조사기술원에서 작성한 토양수분 량조사 매뉴얼에 상세히 기술되어 있다.

증발산량 관측소는 한강수계 설마천과 청미천 유

역 내 산지와 농경지(논)에 위치해 있다(표 2). 이들 관측소는 우리나라 산지와 농경지(논)의 증발산량 생산을 목적으로 운영되고 있다. 2개소 모두 에디공 분산 방식으로 운영되고 있으며 자료는 연중 30분 간격으로 생산되고 있다. 한국수자원조사기술원에 서는 2주 단위로 관측시스템을 점검하고 자료를 수 집하여 정기적인 품질관리를 통해 자료를 생산하고 있다. 품질관리는 자료검토, 자료처리, 자료보충, 자료검증의 총 4단계로 수행되고 있으며 세부적인 절차는 그림 2(2)와 같다. 자료보충(Gap-filling)은 FAO-PM, MDV, Kalman Filter(single, dual) 방 법으로 대체 증발산량을 산정한 후 에디공분산 자료 와 비교 평가하여 수행하고 있다. 증발산량 자료에 대한 품질관리와 자료 생산 절차는 2017년 한국수 자원조사기술원에서 작성한 증발산량조사 매뉴얼에 상세히 기술되어 있다.

3. SM·ET 조사 발전방향

현재 토양수분량 및 증발산량 조사는 매우 한정된 지점에서 조사가 수행되고 있다. 이들 관측소에서

표 1. 토양수분량 관측소 현황

권역 관측소 위치 방법 관측 개시일 센서수 관측시스템

한강

설마천

경기도 파주시 적성면 설마리(산)

TDR 2007. 7 51

청미천

충청북도 음성군 생극면 차곡리 수레의산

TDR 2008. 9 56

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그림 1. 토양수분량 자료 특성(설마천 관측소 사례, 2017)

(1) 미기상자료 (2) 증발산량 품질관리

(3) 자료 생산 절차 (4) 연도별 일증발산량

표 2. 증발산량 관측소 현황

권역 관측소 위치 방법 관측

개시일

한강

설마천

경기도 파주시 적성면 설마리(산)

에디

공분산 2007. 7

청미천

경기도 여주시 점동면 뇌곡리(논)

에디

공분산 2008. 9

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생산되는 자료는 전국단위 혹은 대상유역을 대표할 수 없다. 제한된 지점에서의 조사는 곧 자료의 활용 성을 저하시키는 원인되므로 이에 대한 대책이 시급 해 보인다. 본 고에서는 우리나라 토양수분량 및 증 발산량 관측소 운영현황, 전국단위 자료 생산과 활 용성 등에 주안점을 두고 SM과 ET 조사의 발전 방 향을 기술하였다.

3.1 SM·ET 지상관측소 확대 설치

토양수분량 및 증발산량을 전국단위로 생산하여 자료의 활용성을 높이기 위해서는 면단위 방식으로 의 전환 즉, 인공위성 기반 자료 생산 체계로의 전환 이 요구된다. 자료 생산 체계의 전환을 위해서는 먼 저 검증 지점으로 활용할 수 있는 지상관측소의 설 치·확대가 선행되어야 할 것으로 판단된다. 사실, 2010년 국토해양부에서는 국가 수문관측망 구축 시 인공위성과 연계를 염두에 두고 토양수분량 및 증발 산량을 각각 25개소를 구축하였다(표 3). 그러나 현 재 운영되고 있는 관측소는 토양수분량 2개소, 증발 산량 7개소로 매우 한정된 지점에서 자료가 생산되

고 있다. 이들 관측소로는 인공위성 기반의 자료를 검증하기가 어렵기 때문에 지상관측소의 확대 설치 가 필요할 것으로 판단된다.

3.2 인공위성 기반 SM·ET 생산 및 활용 기술 개발

인공위성을 이용한 관측방법은 넓은 범위의 지역 을 오랜 기간 동안 지속적으로 관측할 수 있다는 장 점을 가지고 있다. 이러한 방법을 토양수분량 및 증 발산량 조사에 활용한다면 접근하기 어려운 미계측 지역과 광범위한 지역에서 자료를 생산할 수 있다.

인공위성 기반의 자료가 생산되면 가뭄분석, 물수지 분석, 및 지표모형 구축 및 모의 등에 활용하기가 용 이하다(그림 3). 하지만 원격탐사 자료를 이용하기 이전에 사전에 지상관측자료와의 검증이 선행돼야 한다. 미국 및 일본, 유럽의 여러 나라에서는 이러한 원격 탐사방법을 현업에 적용하기 위해 많은 지상의 실측자료와 비교 검토하는 연구를 진행하고 있다.

인공위성 기반 토양수분량은 GCOM-W1(Global Change Observation Mission-Water) 위성에 탑 표 3. 국가 토양수분 및 증발산량 관측망(국토해양부, 2010)

권역 중권역 비고

한강 (8)

1001(남한강상류), 1003(충주댐) 1007(남한강하류), 1011(인북천) 1022(한탄강), 1014(홍천강) 1023(임진강하류), 1101(안성천)

낙동강 (8)

2001(안동댐), 2003(안동댐하류) 2021(밀양강), 2022(낙동강하구언) 2011(낙동왜관), 2012(금호강) 2016(황강), 2019(남강) 금강

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3008(대청댐), 3001(용담댐) 3012(금강공주), 3005(초강) 3302(동진강)

섬진강(2) 4104(이사천), 4005(요천)

영산강(2) 5001(영산강상류), 5006(영산강하류)

※ 국가수문관측망 구축(국토해양부, 2010)

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재된 AMSR2(Advanced Microwave Scanning Radiometer 2)의 C-band, X-band 주파수 대 역을 활용한 LPRM(Land Parameter Retrieval Model), SMAP(Soil Moisture Active Passive) 위 성에 탑재된 능동형 센서와 L-band 대역 수동형 센 서, SMOS(Soil Moisture Ocean Salinity) 위성에 탑재된 MIRAS(Microwave Imaging Radiometer using Aperture Synthesis) 센서 L-band 대 역, Metop(Meteopological Operational Polar satellite) 시리즈 위성의 ASCAT(Advanced Scatterometer) 센서 C-band 대역 등 많은 위성 센서를 통해 생산되고 있다. 우리나라에서도 이들의 위성자료를 활용한 토양수분량 자료 생산 연구가 필 요할 것으로 판단된다. 그림 4는 한국수자원조사기 술원에서 GLDAS 자료를 이용해 토양수분량의 공 간적인 특성을 분석한 결과를 나타낸다.

하지만 최근 국내 연구결과는 ‘한반도 내 L-band 주파수 영역대에서 주파수 간섭(Radio Frequency Interference, RFI)이 크게 발생하여 밝기온도(Tb) 와 토양수분량 데이터를 산출하는데 있어 불안정하 다는 것’을 권고하고 있어 이에 대한 특성도 시급히

증발산량은 GLDAS(Global Land Data Assimilation System), GLEAM(Global Land Evaporation Amsterdam Mode), MERRA(Modern Era Retrospective Analysis for Research and Applications), MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) 기반 MOD 16 등 물리식 기반의 자료가 널리 생산·활용 되고 있다. 현재 한국수자원조사기술원에서는 이러 한 모델 자료들을 융합하여 한국 지형에 가장 적합 한 증발산량 공간지도 모형을 산출하는 연구를 진행 하고 있다(그림 5).

3.3 SM·ET 지상관측소 고도화

인공위성 기반의 자료 활용 기술 개발과 더불어 지상관측소 자료의 품질향상 연구가 선행돼야 할 것 으로 판단된다. 에디공분산 방법으로 관측된 증발산 량 자료는 많은 가정을 내포하고 있다. 뿐만 아니라 증발산량은 자료처리, 자료보충(Gap-filling)의 생 산단계에서 오류가 포함될 수 있다. 그렇기 때문에 자료에 대한 적정성을 판단할 수 있는 척도와 관측 그림 3. 위성 영상을 활용한 응용 분석(한국수자원조사기술원, 2017)

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원조사기술에서는 증발산량 자료를 생산하는 전 과 정에 대해 매뉴얼을 작성하여 활용하고 있다. 그러 나 이 매뉴얼은 설마천과 청미천 관측소의 운영 결 과를 토대로 작성되었기 때문에 다양한 기상 및 지 형 조건 하에서의 검증과 보완을 필요로 한다. 향후 한국수자원조사기술원에서는 국내에서 운영되고 관 측소를 대상으로 특성을 분석하여 매뉴얼을 보완할 예정이다.

토양수분량 자료는 유전율식 관측방법인 TDR 장 비에 의해 생산되고 있다. 유전율식 관측방법은 점 단위 측정기법으로 대상유역을 대표할 수 있는 자 료를 생산하기가 어렵다. 최근 FDR(Frequency

Domain Reflectometry) 장비도 정확도가 우수하 다는 연구결과가 도출되고 있어 이에 대한 정량적인 연구도 수행해야 할 것으로 판단된다. 자료의 활용 성 측면을 감안하여 볼 때 지상관측소의 면 단위 측 정방법에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다. 면 단위 측정기법에 대한 선행 연구는 미국, 호주, 영 국, 독일 등 여러 나라에서 찾아볼 수 있으며, 이들 나라에서는 Cosmic-ray Neutron Probe(CNRP)를 활용하고 있다. 현재 한국수자원조사기술원에서는 성균관대학교와 공동으로 한국 지형에 맞는 면 단위 토양수분량을 생산하는 기법 개발 연구를 진행하고 있다(그림 6). 이 연구는 토양수분량과 증발산량 관 그림 4. 지상 관측지점과 GLDAS 비교분석(한국수자원조사기술원, 2017)

그림 5. 인공위성 자료와 모형을 통한 증발산량 생산(한국수자원조사기술원, 2017)

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측소가 인접해 있는 설마천 시험유역을 대상으로 하 고 있으며, 한국형 토양수분량 관측기법 개발과 매 뉴얼 작성에 최종 목적을 두고 있다. 향후 본 연구 결과는 국가 토양수분량 관측소 확대 설치 시 적극 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

4. 결론

본 고에서는 전국단위 SM과 ET 생산에 주안점을 두고 발전방향을 제시하였다. 사실, 토양수분량과 증발산량은 유역단위의 기상, 지형 등에 좌우되기 점 단위 측정 방식으로는 대상유역을 대표할 수 있 는 자료를 생산하기가 어렵다. 지상관측망의 밀도를 높여 대표성을 유지시키는 방안도 생각해 볼 수 있 겠지만, 관측소 설치 및 운영에 막대한 예산이 소요 되는 관계로 현실적인 대안이 되기 어렵다.

최근 원격탐사 기술의 발달로 인해 다양한 인공위 성 기반의 자료가 생산되고 있다. 토양수분량 및 증

것으로 판단된다. 그렇지만 본 자료를 활용하기 위 해서는 검증과 평가가 필요한 만큼, 검증과 평가 기 술에 대한 연구개발이 선행돼야 할 것으로 판단된 다. 또한 인공위성 자료를 검증 평가할 수 있는 지상 관측망의 구축이 우선 시 돼야 할 것으로 판단된다.

지상관측망은 2010년 국토해양부에서 구축한 국가 토양수분량 및 증발산량 관측망을 기반으로 구축하 는 것이 바람직해 보인다. 지상관측소 역시 지역별 지형 및 기상 특성을 반영할 수 있는 측정시스템의 설계가 필요한 만큼, 이에 대한 연구도 선행돼야 할 것으로 판단된다. 토양수분량 관측소의 구축은 한국 수자원조사기술원과 성균관대학교에서 공동으로 수 행하고 있는 Cosmic-Ray 기반의 연구 결과를 활용 하는 것이 타당할 것으로 판단된다.

지금까지 한국수자원조사기술원에서 수행한 조 사 및 자체 연구 결과를 토대로 토양수분량 및 증발 산량 조사에 대한 발전 방향을 제시하였다. 최근 기 후변화로 인해 가뭄과 홍수 등이 공존하는 상황임을 그림 6. SM·ET 연구성과(한국수자원조사기술원, 2017)

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1. 국토교통부 (2017), 수문조보고서(토양수분량, 증발산량 편).

2. 국토해양부 (2010), 국가수문관측망 구축 2차년도 연구 보고서.

3. 한국수자원조사기술원 (2017), 수문조사매뉴얼(토양수분량, 증발산량편).

4. 홍진규 외 2인 (2009), 에디공분산 기술을 사용한 증발산 관측 기술보고서.

참고문헌

수분량과 증발산량 자료가 정기적으로 생산돼야 할 것으로 판단된다. 그러나 우리나라에서는 강수, 수 위, 유량 등의 다른 수문자료에 비해 SM과 ET의 생 산체계를 갖추고 있지 않다. 본 고에서 제시한 발전 방향을 토대로 국가차원의 노력이 뒷받침된다면 전 국단위의 자료가 정기적으로 생산될 수 있을 것으로 판단된다.

감사의 글

본 연구는 국토교통부 국토교통기술촉진연구사업 의 연구비 지원(18CTAP-C143685-01)에 의해 수 행되었습니다.