Issue
기후변화 적응 유역 물순환 개선 평가 03
기술 개발
1. 머리말
기후변화에 능동적으로 대처하기 위해서는 기후 변화에 따른 수자원의 변화를 정량적으로 평가할 수 있어야 한다. 평가결과의 신뢰도를 높이기 위해서 기후변화 시나리오는 지역기후 및 유역특성에 적합 한 결과를 포함하여야 하며 수문모형의 불확실성을 정량화하고 최소화할 수 있는 기법이 필수적이다.
또한, 기후변화 및 토지이용변화가 유역의 물순환계
에 미치는 영향이 있다면, 물순환 개선 기술을 통해 지속가능한 유역 물환경을 구축하는 것이 필요하다.
본 연구는 기후변화 적응을 위한 유역 물순환 개 선 및 평가 시스템을 개발하여 건전하고 지속가능한 물환경 구축을 위한 기후변화 적응 전략 가이드라인 을 제시하고, 실무에서의 활용도를 높이기 위한 교 육, 웍샵을 통한 확산을 목표로 한다.
유역 물순환 개선 기술은 기후변화 및 토지이용변 화가 진행 중에 있거나 예상되는 지역에 대하여 강 수로부터 발생되는 유역유출을 지연, 저류, 침투시 켜 지속가능한 물순환 체계를 유지하고 회복하도록 하는 기술이라 할 수 있다. 기후변화 및 토지이용변 화에 따른 영향을 평가하고, 지속가능한 유역 물순 환체계를 구축하여 적응 전략을 체계적으로 수립하 기 위해서는 물순환 개선 기술의 정립 및 개발이 필 수적이다. 그러나 현재 유역 물순환 개선 기술은 일 부 시가화 지역에 국한되어 있어 유역 규모의 개선 전략을 수립하는데 한계가 있다. 또한, 물순환계의 변화량을 평가하기 위한 모형화 기법 역시 해외에 서 개발된 기술로써 국내의 유역환경을 충분히 반영 하기는 어렵다. 따라서 기후변화 및 토지이용변화에 따른 국내 유역의 특성 및 기후를 반영하기 용이한 물순환 개선 및 평가시스템을 국내 기술로 개발하여 기후변화 적응능력을 향상시키고, 국제 네트워크를 통하여 개발된 기술을 보급함으로써 유역 물순환 개 선 기술 분야의 산업경쟁력을 제고하고자 한다.
김 현 준
한국건설기술연구원 수자원하천연구소 선임연구위원
과학기술연합대학원대학교 건설환경공학과 교수 [email protected]
장 철 희
한국건설기술연구원 수자원하천연구소 수석연구원
김 승
한국건설기술연구원 수자원하천연구소 선임연구위원
2. 기후변화 적응 유역 물순환 개선 평가 기술 개발 현황
개발된 유역 물순환 개선 및 평가시스템은 기 존 국가연구개발사업을 통해 개발되고 사업화 에 성공한 바 있는 유역 물순환 평가 모형인 CAT(Catchment hydrologic cycle Assessment Tool)을 기반으로 추가적인 요소를 개선·보완하 여 기후변화에 따른 영향을 평가하고 적응 대책을 수립하기 위한 실무적인 소프트웨어이다. 침투트렌 치, 식생침투트렌치, 습지, 저류지, 빗물탱크 등의 물순환개선시설에 대한 효과를 평가할 수 있도록 개별시설의 제원에 따른 물순환개선 효과를 정량적 으로 평가하여 제시하며, 장기간의 일유출 변화를
해석할 수 있는 다양한 개념형 일유출모형을 포함 하고 있다.
1) 유역 매개변수 자동전처리시스템 개발
기존 CAT은 입력 매개변수 구축을 위해 상용 GIS Tool을 사용하여 소유역별 입력 매개변수를 구축해 야 하기 때문에 사용자가 적용을 위해서는 많은 시 간과 노력이 필요하였다. 수요자 중심에서 유역 물 순환 개선 기술을 적용하고 평가하기 위해 고가의 상용 GIS Tool을 배제하고 자체 기술로 DEM, 토양 도, 토지이용도 등으로부터 소유역 및 유출 매개변 수를 자동으로 추출해낼 수 있는 전처리시스템을 개 발하였다.
그림 1. 유출 매개변수 자동전처리시스템
2) 장기 일유출 모형과 연계된 유역 물순환 개선 평가 플랫폼 개발
기 위해서는 물리적 매개변수를 기반으로 한 수문해 석이 필요하지만, 보다 단순환된 개념적 매개변수
국내외에서 많이 사용되고 있는 장기 일유출 모형을 조사하여 유럽, 호주, 일본 등지에서 개발된 TANK, TPHM, GR4J, SYMHYD, HBV, GSM 모형 등을 추가적으로 유역 물순환 개선 평가 플랫폼에 탑재함 으로써 사용자들이 선택할 수 있도록 하였다. 특히, HBV와 GSM 모형은 융설과 빙하에 의한 유출도 해 석이 가능한 구조로 설계되어 있어 향후 적용 폭을 넓힐 수 있다.
3) 최적화 및 불확실성 분석 모듈과 연계된 유역 물순환 개선 평가 플랫폼 개발
기후변화 및 모형 적용에 따른 분석 결과의 객관 성 및 신뢰성을 향상시키기 위하여 최적화 및 불확 실성 분석 패키지인 PEST(model-independent Parameter ESTimation) 및 전역최적화 기법인 SCE_UA 방벙을 적용하여 매개변수 및 불확실성 분 석시스템을 연계 개발하였다. 또한, 사용자가 손쉽 게 최적화 단계를 수행하고 결과를 확인할 수 있는 Manual Calibrator를 개발하였다.
그림 2. 장기 일유출 모형 연계
4) 기후변화 적응 유역 물순환 개선 평가 통합시 스템 개발
최종적으로 매개변수 전처리, 장기 일유출 모형,
최적화 및 불확실성 분석 모듈과 연계된 기후변화 적응 유역 물순환 개선 평가 통합시스템을 개발하 였다.
그림 3. 기후변화 적응 유역 물순환 개선 평가 통합시스템
그림 4. 경안천 유역 물순환 개선기술 시스템 구성 및 적용
5) 경안천 유역 물순환 개선 기술 적용 및 평가 사례
테스트베드인 경안천 유역에 대하여 연구단 기 후변화 시나리오(FGOALS-s2, HadGEM-ES, INM-CM4)를 적용에 따른 유역물순환 개선 기술의 효과를 분석하였다. 2020s, 2050s, 2080s RCP8.5 시나리오를 우선 적용하였는데, 수원 측후소 과거 30년 1971〜2000년 자료를 기준년도로 이용하였고 각 시나리오별 수문성분 및 물순환 개선기술 적용에 따른 수문성분을 비교·분석하였다.
구조적 물순환 개선 기술은 기후변화에 따른 침투 시설, 빗물저장시설 2가지의 구조적 개선 기술을 적 용하였다. 물순환 개선기술 시나리오 중 침투시설 시나리오는 도시 면적의 20%, 설계침투량은 일본 우수저류침투기술협회 기준인 단위면적(1㎡)당 10㎜
적용하였고, 빗물저장시설 시나리오의 저장시설의
용량은 수도법시행규칙(2011)의 빗물이용시설기준 (도시 면적 × 0.05)을 적용하였다.
시나리오별 강우량은 HadGEM-ES가 증가폭이 크고 INM-CM4는 2080s에서 감소 경향을 보인다.
증발산량은 거의 모든 시나리오에서 대부분 감소하 였고, 개선기술 적용에 따라 크게 증가하거나 감소 폭이 줄어들었다. 직접유출량 및 중간유출량은 강우 증가분에 따른 미세한 증가 양상을 보이고, 개선기 술 적용 역시 비슷한 양상을 보인다. 지하수유출량 의 경우 개선기술 적용에 따른 증가폭이 매우 크게 나타났는데, 침투시설 적용에 따른 지하수 함양이 증대되어 기저유출에 기여하는 것으로 분석되었다.
도시면적의 20% 정도에 물순환 개선시설의 일환으 로 침투시설을 설치한다면 기저유출이 최대 80 mm 까지 증가하는 것으로 분석되었다.
4. 맺음말
개발된 유역 물순환 개선 평가 통합시스템은 실무 적 차원에서 기후변화에 따른 유역 물순환 개선 기 술을 적용하고 평가하는데 있어서 매개변수 입력자 료 구축에 따른 자원 소요 시간 및 시스템 개발 비용 을 획기적으로 단축시켰으며 국외 의존도가 높은 수 문 해석모형을 국내 기술로 개발함으로써 기술자립 도를 높이고 국내 및 해외의 유역의 성공적인 적용 을 통하여 성능을 입증하였다. 기후변화에 따른 수 자원의 재평가, 개선시설의 정량적 평가 및 하천유 역의 수자원관리 실무에 적용성이 높을 것으로 기대 된다.
최종 성과물인 유역 물순환 개선 및 평가 플랫폼 은 물순환 개선 기술 관련 외국 기술의 의존도를 낮 추고, 정부 및 지자체의 기후변화 적응 유역 물순환 개선 정책수립 및 의사결정에 활용 가능할 것으로 기대된다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부 물관리연구사업의 연구비 지원(14AWMP-B082564-01)에 의해 수행되었습 니다.
그림 5. 경안천 유역 물순환 개선기술 적용 결과(기저유출 7%, 80mm 증가)
참고문헌
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