Issue
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1. 서론
특정 유역에서의 수문순환 변동은 크게 자연적 요 인 및 인위적 요인으로 인하여 발생되는데 지속가능
한 수자원 관리를 위해서는 두 가지 요인으로 인한 변동을 사전에 예측하고 이를 완화 또는 적응시키기 위한 각종 공학적 수단을 마련할 필요가 있다. 본 연 구에서는 수문순환의 변동을 초래하는 자연적 요인 과 인위적 요인의 두 가지 중 자연적 요인에 중심을 두고 과거 자료에 잠재된 변동요인과 미래에 발생 가능한 변동요인을 분석한다.
지난 수십 년에 걸쳐 관측된 지구온난화로 인한 기후변화는 수문순환 과정에 다양한 변동성을 발생 시키면서 과거와 다른 패턴을 보이고 있으며 미래에 는 더욱 더 큰 변동성을 가지고 변화될 거라는 전망 이 유력하다. 특히 이와 같이 과거와 다른 패턴으로 나타나는 미래의 변동성은 궁극적으로 미래 수자원 관리를 어렵게 만드는 잠재적 위협요인으로 작용할 수 있는 가능성이 매우 높을 것으로 평가되고 있다.
수문순환에 있어 변동을 초래하는 잠재적 위협요인 으로서의 변동성은 강우 및 온도와 기상자료의 지역 적 변동이 주된 원인으로 작용하며 이로 인해 특정 유역에서 순환하고 있는 물 순환 요인들도 함께 변 동된다. 또한 기후변화와 같은 자연적 요인과 함께 유역 내 물순환의 변동을 발생시킬 수 있는 요인은 댐과 같은 수공 구조물의 설치로 인한 유량의 변동, 생활·공업·농업용수의 취수를 위한 대규모 취·양수 장의 설치와 같은 인위적인 변동 요인이다. 특히 우 리나라는 지난 정부에서 추진한 4대강 살리기 사업 으로 인하여 4대강의 수심이 급격히 깊어지고, 보
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지속가능한 개발계획 수립을 위한 잠재적
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위협 및 기회요인 규명
김 상 욱 ●●●
강원대학교 토목공학과 부교수 [email protected]
손 민 우 ●●●
충남대학교 토목공학과 부교수 [email protected]
정 은 성 ●●●
서울과학기술대학교 건설시스템공학과 부교수 [email protected]
변 지 선 ●●●
충남대학교 토목공학과 박사과정 [email protected]
설치로 인해 저수량이 증가함에 따라 인근 유역과 의 수문순환 상호작용에 많은 변화를 초래할 수 있 을 것으로 예상된다. 따라서 국내 특정 유역에 대하 여 지속가능한 개발계획 및 수자원관리 기법의 적용 을 위한 물순환 변동성에 대한 분석을 수행할 필요 가 있으며, 특히 물순환 변동성의 결과로 나타나는 홍수, 가뭄, 수질오염의 세 분야에 대한 미래 변화를 규명할 필요가 있다.
UNESCO에서 주관하는 IHP(International Hydrological Programme)-Ⅷ에서 제시하고 있는 주요 세부과제 중에서 V-1 세부과제는 유역단위로 분석된 수문, 기상, 환경적 요인이 유역에 미칠 수 있는 잠재적 위협요인을 규명하고 이를 정량화된 정 보로 분석하여 제공하도록 하고 미래의 수문순환 전 망을 활용하여 특정유역에서 시행될 수 있는 지속가 능한 경제적 개발 기회를 제공할 수 있는 기초자료 를 구축할 것을 권고하고 있다. UNESCO IHP-Ⅷ 의 세부과제 V-1에서 추천하고 있는 3가지의 주요 한 연구항목을 요약하여 제시하면 다음과 같다.
① 홍수나 가뭄과 같은 수문사상의 잠재적 위협요인 에 대한 미래 변화를 통계학적 또는 추계학적으 로 분석하여 정량화된 형태의 기초 지식을 축적 할 것
② 비점오염원 등의 모의를 통해 물순환의 변화가 식생이나 수생태계에 영향을 미칠 수 있는 모형 을 수행하고 환경적 변화특성을 정량화하여 제공 할 것
③ 특정 유역에 대한 유역통합관리 계획의 주요 과 정을 제시하고 이를 활용한 지속가능한 경제적 개발계획의 수립을 지원할 수 있는 기초 지식을 제공할 것
따 라 서 본 연 구 과 제 에 서 는 위 에 서 제 시 된 UNESCO IHP-Ⅷ의 V-1 세부과제의 권고사항에 따라 다년간 IHP과제의 시험유역으로 선정되어 장 기간의 자료가 축적되어 있으며, 최근 홍수로 인한 농경지 피해발생, 가뭄으로 인한 농업용수 개발의 필요성 증대 및 비점오염원계획의 수립에 대한 요구 가 증가되고 있는 청미천 유역을 대상으로 하고 있 다. 따라서 기후변화로 인한 미래의 물순환 변화를 고려한 수자원관리 계획 수립을 지원할 수 있는 연 구를 수행하고 있으며, 세부적으로는 물순환 변동성 의 결과로 나타나는 홍수, 가뭄, 수질오염의 세 분야 에 대한 미래 변화를 규명하고자 한다. 본 연구에 계 획되어 있는 2~4차년(2015년~2017년)의 연구진행 에 대한 구성 및 분야별 연구를 소개하면 그림 1과 같다.
그림 1. 연구계획의 구성 및 세부 연구내용
2. 2차년도(2015년) 연구내용 2.1 대상유역의 선정 및 자료의 추출
본 연구의 대상유역은 IHP 시험유역으로 선정되 었던 청미천 유역이다(그림 2). 청미천 유역의 총 유 역면적은 596.6 ㎢이며 수자원단위지도의 구분으로 볼 때 한강 대권역, 남한강하류 중권역에 포함되며 6개의 표준유역으로 구성되어 있다. 청미천 유역에 는 설성, 삼죽, 생극이라는 3개 강우관측소와 이천 측후소가 위치하고 있으므로 먼저 각 관측소의 개시 년도부터의 강우 및 온도자료를 취득하여 관측자료 분석용 데이터베이스를 구축하였다.
또한 기후변화에 의한 미래 시나리오는 GCM 모 형인 HadGEM2-AO 모형(135 km×135 km)에 서 생성된 2011년부터 2100년까지의 자료를 12.5 km × 12.5 km 크기의 격자로 변환시킨 RCM 모형 HadGEM3-RO의 결과를 청미천 유역에 대해 추출 하여 사용하였다(그림 3). 미래 예측자료는 RCP4.5 및 8.5 시나리오에 따라 일강우자료, 일평균온도로 구분되어 환산되었으며, 취득된 자료의 경향성 검정 등을 목적으로 강우자료는 월별 강우총량, 분기별(1 분기: 1월~3월, 2분기: 4월~6월, 3분기: 7월~9월, 4분기: 10월~12월), 연도별 강우총량으로 변환하였 고, 온도자료는 월평균온도, 분기별 평균온도, 연도 별 평균온도로 변환되었다.
그림 2. 청미천유역의 구성 그림 3. 청미천 유역에 대한 미래 시나리오의 추출
2.2 홍수: 과거 및 미래의 강우총량 및 극한강우 에 대한 경향성 분석
본 연구에서는 추출된 자료에 대한 점진적 경향 을 그래프의 도시를 통한 정성적인 방법과 Mann- Kendall 비모수 검정을 이용하여 정량적인 방법으 로 구분하여 분석하였는데, 이 중에서 분기별 강우 총량에 대한 분석결과만을 제시하였다. 그림 4의 (a)〜(d)에서 시기별 과거 관측강우는 S1에서 감소 하는 경향을 나타냈고, S3에서는 증가하는 경향을 보였고, 연도별 과거 관측강우총량은 약간 증가하는 경향을 나타내고 있음을 알 수 있었다. 또한 미래 예
측 강우의 경우 RCP 4.5는 S3에서 일부 증가하는 경향을 나타내었고, RCP 8.5는 S1에서 뚜렷하게 증 가하는 경향을 나타냈다. 온도의 경우 지면 부족으 로 그림으로는 나타내지 않았지만, 관측온도의 경우 S4 및 연도별 평균온도에서 약간 증가하는 경향이 나타났으며, 미래 온도는 RCP 8.5가 RCP 4.5에 비 해 확연하게 증가되는 경향을 보이는 것을 알 수 있 었다.
강우자료의 분석은 분석대상이 되는 강우자료의 형태에 따라 통계적으로 다른 분석결과가 도출되는 경우가 많다. 따라서 본 연구에서는 위에서 시행한 강우총량 자료가 아닌 연도별 일최대강우량에 대한
추가적인 경향성 분석을 시행하였다. 그림 4의 (e) 는 생극관측소의 관측강우와 RCP 4.5 및 8.5로부 터 추출된 연도별 일최대강우량을 나타낸 것으로 관 측강우와 RCP 4.5의 증가경향성은 거의 관측되지
않았으나, RCP 8.5의 경우 2040년 이후 7개년에 서 강우의 증가경향이 뚜렷하였고 특히 관측자료나 RCP 4.5에 비해 2040년 이후 편차가 심하게 증가 되는 것을 알 수 있다.
그림 4. 분기별 강우총량(a〜d) 및 연도별 일최대강우자료(e)의 도시 (a: S1, b: S2, c: S3, d: S4, e: 연최대강우)
(a)
(c)
(e)
(b)
(d)
자료에 포함된 단조 증가 또는 감소 경향성에 대 한 정량적인 분석결과를 제시하기 위하여 비모수 경 향성 추정기법 중 하나인 Mann-Kendall 검정기 법을 사용하여 월별, 시기별, 연도별 관측 강우, 미 래 강우, 관측 온도, 미래 온도 및 미래 증발산에 대 한 경향성을 추가로 판정하였다. 분석결과 월별, 시
기별 및 연도별 과거 관측 강우총량은 유의수준 5%
에서 모두 점진적 증가 경향성이 검출되지 않았으 나, RCP 4.5에 대한 강우총량의 분석결과 3분기와 연도별 강우총량에서 경향성이 검출되었으며, RCP 8.5에 대한 강우총량 분석결과 2월, 1분기에서 각각 경향성이 검출되었고 나머지 분석대상 자료에서는
그림 6. 대표농도경로에 따른 유황에 대한 히스토그램 모두 경향성이 검출되지 않았다. 강우총량의 분석결
과와 달리 평균온도의 증가경향은 매우 뚜렷하게 나 타났는데, RCP 4.5는 2월과 12월을 제외한 전체 자 료에 대해 경향성이 검출되었으며, RCP 8.5에 대한 경향성 분석결과 모든 자료에 대해 경향성이 검출되 었다. 특히 연도별 일최대강우자료의 경우 RCP 4.5 및 8.5는 증가경향이 있는 것으로 정량적으로 판단 되어 월별, 시기별, 연별 강우총량의 통계적 특성과 연최대강우자료의 통계적 특성이 서로 다르며, 홍수 의 관리에 있어 문제가 되는 연최대강우자료에 있어 미래 시나리오가 가지고 있는 잠재적 위험도가 높음 을 간접적으로 확인할 수 있다.
2.3 가뭄: SWAT모형을 이용한 과거 가뭄의 분석
본 연구에서는 유량 및 비점오염원 추정에 가 장 많이 활용되고 있는 SWAT(Soil and Water Assessment Tool)을 이용하여 유출 모형을 구축한 후 SWAT-CUP에서 제공되는 녀랴-2 알고리즘을 이용하여 매개변수를 객관적으로 최적화하였다. 모 형 구축을 위한 지형학적 입력자료는 정방 격자크기 가 30 m×30 m인 DEM, 1:25,000의 토지피복도와 토양도가 이용되었고(그림 5 (a)~(c)), 기상학적 입 력자료는 이천지점의 일강수량(mm), 최고/최저 기 온(℃), 일사량(MJ/m3day), 풍속(m/s)과 습도(%) 가 이용되었다.
[그림 5] SWAT 모형의 지형학적 입력자료
(a) DEM (b) 토지피복도 (c) 토양도
먼저 SUFI-2알고리즘을 이용하여 보정 및 검증 된 SWAT모형을 이용하여 과거 및 미래 기후변화 시나리오(RCP4.5 및 8.5)에 대한 유출량을 모의한 후, 미래의 구간을 21세기 초반(2020〜2040년), 중
반(2040〜2070년)과 후반(2070〜2100년)으로 구 분하여 풍수량, 평수량, 저수량, 갈수량과 연최대일 유량의 변화를 히스토그램을 이용하여 전망하였다 (그림 6). 분석결과 RCP8.5가 4.5에 비하여 우측 꼬
리부분이 길며 두터운데 이는 온실가스 감축이 시행 되지 않았을 때에 더 큰 수준의 홍수량이 자주 발생 하게 됨을 의미한다. 특히 연 최대 유량의 최대 및 최소값은 각각 2,483 m3/s과 209 m3/s으로 변동 성 또한 매우 큰 편이었다. 나머지 유황에서는 대표 농로경로와 큰 상관없이 비교적 비슷한 수준의 상대 빈도가 확인되었다.
또한 본 연구에서는 SWAT모형에 의해 모의된 과 거 유출량을 이용하여 청미천 유역의 과거 가뭄에 대한 분석을 수행하였다. 과거 가뭄에 대한 분석을 위해서 기상학적 가뭄에 대한 분석은 SPI와 SPEI 를 사용하였고, 수문학적 가뭄에 대한 분석을 위해 서 SDI를 각각 사용하였으며, 3, 6, 9개월 지속기간
에 따른 각각의 가뭄현황을 분석하여 그림 7에 제시 하였다. SPI의 경우 지속기간 3개월일 경우 2001년 이 -4.28, 6개월일 경우 1995년이 -2.45, 9개월일 경우 2001년이 -2.53으로 가장 극심한 가뭄의 형태 를 보였고, SPEI를 이용한 경우는 과거의 지속기간 3개월일 경우 1995년이 -2.07, 6개월일 경우 1994 년이 -2.24, 9개월일 경우 2001년이 -2.21로 가장 극심한 가뭄의 형태를 보였다. 또한 수문학적 가뭄 을 의미하는 SDI는 지속기간 3개월일 경우 2000년 이 -2.92, 6개월일 경우 2001년이 -2.00, 9개월일 경우 2001년이 -2.18로 가장 극심한 가뭄의 형태를 보였다.
그림 7. 3가지 가뭄지수를 활용한 과거 가뭄의 분석
(a) SPI (b) SPEI (c) SDI
2.4 수질: 수질관련 기초자료 파악 및 SWAT모 형 수질모듈 구축
본 연구에서는 미래기후변화에 따른 향후 수질 변화를 검토하기 위하여 청미천 유역을 대상으로 SWAT 모형의 수질모듈을 이용하여 산출할 수 있 는 DO, BOD, TSS, T-N, T-P 5가지 항목을 비점 오염원 유발요인으로 선정하고 이를 모의하기 위한 각종 기초수질 자료를 먼저 수집하고 그 특성을 검 토하였다. 청미천 유역 내 수질오염분석을 측정하는 곳은 청미 1개소로 관측가능기간은 2006년 4월부 터 2015년 1월까지며, 수질오염총량관리기술 지침 을 바탕으로 수온, pH, 전기전도도, DO, 생물화학
적 산소요구량(BOD), COD, 총부유물질(TSS), 총 질소(T-N), 총인(T-P), 총유기탄소(TOC)를 측정 관리하고 있어, 이 관측소로부터 필요자료를 수집하 였다.
본 연구의 대상이 되는 청미천 유역은 대단위 쌀 농사 지역으로 점오염원의 배출관리보다는 비점오 염원의 배출관리가 청미천의 수질을 제어하기 위 해 매우 필요한 상황이다. 따라서 본 연구에서는 먼 저 청미천 유역의 수질 오염원에 대한 기여도를 분 석하기 위해 점오염원과 비점오염원에 총오염원에 대해 나타내는 기여도를 조사하였다. 그림 8의 (a) 는 BOD, COD, 부유물질(TSS), 총질소(T-N), 총인 (T-P) 등 5개 항목의 월별 변동량을 나타낸다. 5개
항목 모두에서 홍수기인 6-8월에 집중적으로 수치 가 상승하는 특성을 보이며 강수량이 수질에 직·간 접적으로 영향을 준다는 사실을 알 수 있다. 또한 그 림 8의 (b)는 전체 오염원에 대한 점오염원의 비율 을 월별로 도시한 것이다. 홍수기(6-8월)의 경우, 점오염원의 영향이 상대적으로 낮은 점을 확인할 수 있다. 따라서 이 2개의 그림을 통해 홍수시기에 불 특정 장소에서 빗물과 함께 배출된 비점오염원이 상 대적으로 많음을 알 수 있으므로, 청미천 유역에서
는 점오염원의 관리와 함께 비점오염원 관리의 중요 성이 높다는 점을 알 수 있다. 또한 그림 9는 과거 자료(2013년)에 대한 SWAT 모형의 구축과 매개변 수 최적화 수행의 결과를 보여준다. 매개변수 보정 을 위해서는 SWAT-CUP를 SUFI2 알고리즘을 통 해 5,000회 반복하였으며 총질소와 총인의 결과를 보여주고 있다. 향후 이와 같이 보정된 매개변수를 이용하여 RCP4.5와 RCP8.5에 대한 청미천 유역의 미래 수질을 모의하고 이를 분석할 계획이다.
그림 8. 청미천에서의 수질 및 점오염원의 경향성 분석
그림 9. SWAT모형을 이용한 수질모듈의 검증
3. 3차(2016년) 및 4차년도(2017년) 세부 연구계획
본 연구의 3차년도 및 4차년도에서는 2차년도에 수행된 홍수, 가뭄 및 수질 부문에 대한 연구로서 다 음과 같은 주요 연구사항이 계획되어 있으며, 이와 같은 연구결과를 이용하여 4차년도에서는 궁극적으 로 미래 기후변화를 고려한 청미천 유역에서의 홍수 및 가뭄에 대한 취약도 분석, 비점오염원 계획과 같
이 해당 유역을 대상으로 하는 각종 수자원계획 및 관리를 지원할 수 있는 지역계획을 수립할 계획이다.
•3차년도(2016년) 주요 계획
- 홍수: 강우-유출모형을 이용한 청미천 유역의 미래 유량자료 생성 / 과거 자료를 활용한 정상 성 및 비정상성 홍수빈도분석 수행 / 미래 자 료를 활용한 정상성 및 비정상성 홍수빈도분석 수행 / 과거와 미래의 비교를 통한 위협요인의
분석
- 가뭄: SWAT 모형을 이용하여 기후변화 시나리 오에 대한 수문순환 분석 / 기상학적, 농업적, 수문학적 가뭄지수를 정량화하여 지역별 가뭄 시기를 제시 / 가능한 많은 시나리오를 이용하 여 불확실성을 최소화한 극한 가뭄 전망 - 수질: RCP 4.5 및 8.5를 포함한 기후변화 시나
리오 분석을 통한 미래 수질변동 산정 모형 구 축 / 구축모형의 모의 및 계산결과의 분석 / 산 정된 수질자료에 대한 미래 변동요인의 규명
•4차년도(2017년) 주요 계획
- 홍수: 홍수 취약성 평가 및 기후변화 적응 전략 제시
- 가뭄: 미래 가뭄에 대한 기후변화 적응전략 제 시
- 수질: 비점오염원 저감에 대한 기후변화 적응 전략 제시
4. 기대효과
본 연구에서 수행된 내용은 IHP과제의 국제적 성
과로의 활용을 위하여 국문 보고서와 영문보고서의 형태로 매년 발간되고 있으며, 한국수자원학회 IHP 기획세션을 통한 연구결과의 발표 및 홍보와 함께 각종 해외 학술발표회에서 우리나라의 수문현황을 소개하고 연구성과를 홍보하고 있다. 또한 2016년 이 경우 한국수자원학회와 교류하고 있는 베트남 수 자원개발학회에서 해당 연구내용을 발표할 계획에 있다. 또한 본 연구의 결과는 위와 같은 국제적 성과 를 도출함과 함께 청미천 유역에 대한 기후변화 변 동요인의 정량적 분석을 통한 지속적인 수자원관리 기초자료 제시, 기후변화로 인한 홍수, 가뭄, 수질의 변화 및 위협요인에 대한 종합적인 고찰, 기후변화 로 인한 홍수 및 가뭄에 대한 각종 수자원관리 계획 의 지원, 기후변화를 고려한 비점오염원 계획 수립 을 위한 지원 등 청미천 유역을 대상으로 하는 각종 치수, 이수 및 수질환경 계획의 수립에 있어 활용될 수 있다.
감사의 글
본 논문은 국토교통부의 2015년 국제수문학프로 그램(IHP) 연구지원 사업에 의한 것임.
