국토교통부 증발산량 관측소 운영현황 및 발전방향

W A T E R F O R F U T U R E

1. 서 론

증발산량은 호수나 저수지, 지면 등의 수분과 식 물 등의 엽면으로부터 수분이 태양 에너지를 받아 기체 상태로 변환하는 과정에서 발생된다. 이는 수 자원의 관점에서 보면 물의 손실에 해당된다. 증발 산량 자료는 국가의 수자원 계획 및 개발 등에 기 본자료로 이용될 뿐만 아니라 물 순환과정의 규명, 기상예보 정확도 향상, 작물의 소비수량 산정, 물

수지 분석, 장기유출 해석 및 모형 개발 등 여러 분 야에 활용되고 있다. 이와 같은 증발산량 자료의 다목적 활용성을 감안하여 볼 때, 증발산량 자료를 정기적으로 측정할 수 있는 기반시설의 확충과 조 사 기술 개발에 관한 연구가 선행되어야 할 것으로 판단된다.

미국 등 여러 선진 외국에서는 오래 전부터 증발 산 과정에 대한 이론적인 개념을 정립하여 증발산 량을 정기적으로 측정해 오고 있다. 최근에는 에디 공분산 장비와 같은 첨단 장비를 개발하여 증발산 량을 실시간으로 측정해 오고 있으며, 자료의 품질 향상을 위한 제반 기술과 자료처리 및 품질관리 방 법 등도 체계화하여 실무에 이용하고 있다. 또한 원격탐사 기법을 증발산량 조사 분야에 도입하여 전 지구적인 규모로 증발산량을 정량화하고 있다.

우리나라에서도 증발산량을 정량화하기 위한 연 구는 꾸준히 진행되어 오고 있다. 2005년 정부는 선진형 수문정보 인프라 확충과 수문정보의 다양 화를 목적으로“수문조사선진화5개년계획”을 수립 하여 증발산량을 정기적으로 생산할 수 있는 기틀 을 마련하였다. 2010년에는 국가수문관측망에 증 발산량 관측소 신설계획과 조사계획 등을 포함하 여 증발산량관측망을 구축한 바 있다. 이와 같은 정부의 노력으로 현재 우리나라에서도 국토교통부 뿐만 아니라 산림과학원, 기상연구소, 한국수자원 공사 등 여러 기관에서 증발산량을 측정해 오고 있 다. 본 연구에서는 국토교통부에서 운영하고 있는 증발산량 관측소를 대상으로 관측시스템과 관측방 식, 자료처리 및 품질관리 등을 살펴보고 향후 발 전방향을 기술하였다.

국토교통부 증발산량 관측소 운영현황 및 발전방향

이 연 길｜

유량조사사업단 유사량조사실 실장 [email protected]

정 성 원｜

유량조사사업단 단장 [email protected]

조 효 섭｜

국토교통부 한강홍수통제소 하천정보센터 실장 [email protected]

최 민 하｜

한양대학교 건설환경공학과 교수 [email protected]

일반기사

2. 증발산량 관측시스템 2.1 관측소 현황

국토교통부에서 운영·관리하는 증발산량 관측 소는 현재 2개소로서, 표 1과 같이 한강 권역인 설 마천과 청미천에 위치하고 있다. 설마천 관측소는 산지 증발산량, 청미천 관측소는 논지 증발산량을 관측할 목적으로 구축되었으며, 관측시스템은 표 2 및 그림 1과 같다.

설마천 관측소는 30∼50년 수령의 침엽수와 활 엽수로 구성되어 있는 설마천 유역의 중류부에 위 치하고 있다. 플럭스 타워 19.2m 높이에는 3차원 초음파 풍향풍속계인 RM-81000과 CSAT3가 장 착되어 있고, 고속 반응 적외선 기체 분석기(LI- 7500)가 설치되어 있다. 또한 자동기상시스템과

순복사계가 18.8m 높이에 설치되어 있다. 군락 하 부의 특성을 파악하기 위해 2.0m 높이에 자동기 상시스템 등이 설치되어 있고, 토양 관련 관측 장 비로는 타워 북동쪽 약 1.0m 가량 떨어진 곳에 토 양열 플럭스센서와 토양수분센서가 매설되어 있 다.

청미천 관측소는 경기도 여주군 농업기술원 종 자관리소의 논에 위치하고 있다. 플럭스 타워 높이 는 20.0m로 에디공분산 및 미기상 관측시스템이 장착되어 있다. 에디공분산 시스템으로 3차원 초 음파 풍향풍속계인 CAST3, 폐회로 기체분석기인 EC-155가 9.7m 높이에 설치되어 있다. 자동기상 시스템은 9.7m, 2.0m 높이에 각각 설치되어 풍 향, 풍속, 온도, 습도, 강수 등을 측정하고 있다. 토 양 관련 관측 장비로는 관측소 인근 논에 토양열 플럭스센서와 토양수분센서가 매설되어 있다.

표 1. 증발산량 관측소 현황

권역 유역 관측소 위치 관측개시일

설마천 설마천 경기도 파주시 적성면

2007. 7

한강 설마리(산지)

청미천 청미천 경기도 여주군 점동면

2008. 9 뇌곡리(논지)

표 2. 증발산량 관측시스템

* 자동기상시스템 : 강우, 풍향, 풍속, 기온, 기압, 습도 등 관측

설마천 청미천

명칭 모델명 관측높이(m) 관측자료 명칭 모델명 관측높이(m) 관측자료

3차원 CSAT3 19.2 CSAT3 9.7 풍향,

초음파 RM-81000 19.2 RM-81000 3.5 풍속,

풍향풍속계 RM-81000 15.0 RM-81000 2.0 기온

RM-81000 2.0 폐회로 기체분석기 EC-155 9.7 CO2, H2O 개회로 기체분석기 LI-7500 19.2 CO2, H2O 순복사계 CNR2 9.7 순복사량

순복사계 CNR2 18.8 광양자센서 LI-190 9.7 일조량

NR-Lite 2.0 WTX510 9.7 강우,

자동기상시스템* WTX510 18.8 WTX510 2.0 풍속 등

WTX510 2.0 토양열 플럭스센서 HFT 지면 토양열 플럭스

토양온도센서 Thermocouple 지면 토양온도 토양수분센서 CS-616 지면 토양수분 토양열 플럭스센서 HFT 지면 토양열 플럭스

토양수분센서 CS-616 지면 토양수분

3차원 초음파 풍향풍속계

자동기상시스템*

강우, 풍속 등 순복사량

풍향, 풍속, 기온

2.2 에디공분산 방법

국토교통부에서 운영·관리하고 있는 2개의 증 발산량 관측소는 에디공분산 방식으로 증발산량을 측정하고 있다. 에디공분산 방식은 보존 방정식에 근거를 두고 있으며, 그 표현은 그림 2 및 식 2.1과 같다. 식 2.1은 Ⅰ항~Ⅳ항으로 구성되는데, Ⅰ항 은 저류항으로 관측 높이 아래에 저장된 수증기양,

Ⅱ항은 에디공분산항으로 연직 풍속과 수증기 농 도의 공분산으로 계산되는 난류 수증기 플럭스를 의미한다. Ⅲ~Ⅳ항은 각각 연직 이류항과 수평 이 류항으로 연직 혹은 수평적으로 발생되는 수증기 농도 차가 연직 혹은 수평적으로 이류되는 수증기 양을 나타낸다.

(2.1)

여기서 NEE

H

O

<설마천 관측소>

그림 1. 증발산량 관측시스템 모식도

<청미천 관측소>

그림 2. 보존방정식

증기 농도, u와 w는 유선 속도와 연직 속도, h는 관측 높이를 나타낸다.

2.3 자료처리와 품질관리

국토교통부에서 운영 중인 증발산량 관측소는 에디공분산 자료와 미기상학적 자료가 함께 관측 되도록 관측시스템이 설계되어 있다. 이와 같이 관 측시스템을 설계한 주요 목적은 에디공분산 방식 으로 측정된 자료의 정상성을 확보하는 데에 있다.

측정 자료에는 이상치와 결측치가 포함되기 마련 이기 때문에 자료처리와 품질관리를 수행할 목적 으로 에디공분산 자료와 미기상학적 자료를 함께 측정하고 있다. 국토교통부에서 이용하고 있는 자 료처리와 품질관리 방법과 과정은 그림 3과 같다.

그림 3에 나타나 있는 바와 같이 자료처리와 품질 관리는 튀는 자료 1차 점검, 풍향계산, 평면맞추기 회전(Planar Fit Rotation), WPL 계산, 튀는 자 료 2차 점검, 적외선 기체분석기 가열효과 보정, 시계열 특성 검토 순으로 수행된다. 이와 같은 과

정에서 자료는 품질의 정도에 따라 5단계(G:

Good, D: Dubious, B: Bad, M: Missing, FA:

Further Analysis)로 구분되어 확정된다. 자료처 리와 품질관리에 대한 주요 내용은 2008년도 유량 조사보고서(증발산량측정)에 자세하게 기술되어 있다. 2009년 홍진규 등은 자료처리와 품질관리가 가능한 그림 4와 같은“KoFlux 표준화프로그램”

을 개발하였다. KoFlux 표준화프로그램은 크게 자료처리, 풀질관리, 결측자료 보완 단계로 구성되 어 있으며, 현재 국토교통부, 산림과학원 등 국내 여러 기관에서 본 프로그램을 이용하고 있다.

2.4 증발산량 특성

대상 관측소의 일증발산량, 월증발산량, 연증발 산량은 자료처리와 품질관리, 결측자료의 보완이 이루어진 후에 산정된다. 설마천과 청미천 증발산 량 관측소에서 운영기간 동안 산정된 증발산량의 특성은 다음과 같다. 대상 관측소에서 산정된 증발 산량은 순복사량의 증감에 따라 변동하였으며, 또

그림 3. 자료처리와 품질관리 절차 그림 4. KoFlux 표준화프로그램

한 계절적인 특성을 반영하였다. 대체적으로 4월 부터 증발산량이 꾸준히 증가하여 6월~7월 중순 에 장마가 시작되면서 증발산량은 감소하는 경향 을 나타내었다. 장마가 끝난 이후 증발산량이 다시 증가하여 10월 이후부터는 다시 감소하였다. 설마

천 관측소의 증발산량의 시간적인 변동성은 그림 5, 그림 7과 같이 계절적인 특성에 따라 거동하였 으나, 연증발산량의 규모는 연도별로 상이하였다 (그림 9). 설마천 관측소의 연증발산량은 2008년 471mm, 2009년 571mm, 2010년 489mm, 2011

그림 5. 일증발산량(설마천, 2012) 그림 6. 일증발산량(청미천, 2012)

그림 7. 일증발산량 특성(설마천)

그림 8. 일증발산량 특성(청미천)

년 387mm, 2012년 323mm로 산정되었다.

청미천 관측소의 증발산량의 시간적인 변동성은 그림 6, 그림 8과 같다. 그림 6과 그림 8에 나타나 있는 바와 같이 증발산량의 시간적인 변동성은 계 절적인 특성에 따라 거동하였으나, 연증발산량의 규모는 연도별로 상이하였다(그림 10). 청미천 관 측소의 연증발산량은 2009년 409mm, 2010년 608mm, 2011년 380mm, 2012년 509mm로 산 정되었다. 설마천과 청미천 관측소에서 산정된 증 발산량을 분석해 본 결과, 증발산량의 분포와 규모 는 시공간적으로 상이하게 산정되었다. 이는 대상 관측소의 유역 특성과 기상 및 기후 특성 등이 복 합적으로 작용하여 발생된 것으로 판단된다. 이에 대한 원인은 국토해양부 유량조사보고서(2007~

2009)와 수문조사보고서(2010~2012)에 자세히 기술되어 있다.

3. 향후 발전방향

최근 우리나라에서도 증발산량을 정량화하기 위 한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 증발산량 을 측정하기 위한 기반시설이 부족하여 증발산량 의 시공간적인 분포 특성을 파악하는 데에 어려움 을 격고 있다. 사실, 증발산량의 시공간적인 분포 는 기상과 지상의 조건에 따라 변화하기 때문에 지

상 관측소만으로 증발산량을 정량화한다는 것은 어려운 일이다.

2010년 정부는 우리나라에서 발생되는 증발산 량의 시공간적 분포를 파악할 목적으로 25개소에 달하는 증발산량 관측소를 국가수문관측망에 포함 한 바 있다(표 3). 그러나 국가수문관측망에 포함 된 25개소의 관측소만으로 증발산량의 규모와 분 포를 파악하는 것은 어려운 일이다. 증발산량의 시 공간적인 분포와 규모를 보다 효율적으로 파악하 기 위해서는 지상 관측소의 운영뿐만 아니라, 증발 산량 조사 분야에 원격탐사 기법을 도입하는 것이 다. 즉, 국가수문관측망에 포함된 증발산량 관측소 를 지상 관측망으로 운영하고, 지상 관측망에서 측 정된 자료를 원격탐사 기법에 검증자료로 활용하 는 것이다. 현재 미국 등 선진외국에서는 그림 11 에 나타나 있는 바와 같이 Landsat Thematic Mapper(Landsat-TM), Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer(MODIS), Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR) 등의 인공위성자료로 증발산량을 산정 하여 실무에 활용하고 있다. 우리나라에서도 증발 산량 자료의 이용성을 확대하기 위해서는 증발산 량 관측소의 운영뿐만 아니라 원격탐사 기법을 도 입하여 증발산량을 생산해야 할 것으로 판단된다.

그림 9. 연증발산량 특성(설마천) 그림 10. 연증발산량 특성(청미천)

표 3. 국가증발산량관측망(국토해양부, 2010)

권역 중권역

대표성 증발산량관측망(25개소)

코드 중권역명

1001 남한강상류 산림(침엽수) 1003 충주댐 산림(침엽수) 1007 남한강하류 산림(침엽수) 한강(8) 1011 인북천 산림(활엽수) 1022 한탄강 산림(활엽수) 1014 홍천강 산림(혼효림) 1023 임진강하류 산림(혼효림)

1101 안성천 논

2001 안동댐 산림(침엽수) 2003 안동댐하류 산림(침엽수) 2021 밀양강 산림(침엽수) 낙동강(8) 2022 낙동강하구언 산림(활엽수) 2011 낙동왜관 산림(혼효림) 2012 금호강 산림(혼효림) 2016 황강 산림(혼효림)

2019 남강 논

3008 대청댐 산림(침엽수) 3001 용담댐 산림(활엽수) 금강(5) 3012 금강공주 산림(활엽수) 3005 초강 산림(혼효림)

3302 동진강 논

섬진강(2) 4104 이사천 산림(침엽수) 4005 요천 산림(활엽수) 영산강(2) 5001 영산강상류 산림(침엽수)

5006 영산강하류 논

그림 11. MODIS 인공위성 자료를 이용한 증발산량 지도 제작 과정

4. 맺음말

최근 우리나라에서도 증발산량을 정량화하기 위 한 연구가 꾸준히 진행되고 있다. 그러나 각 기관 에서 현재 운영하는 소수의 증발산량 관측소만으 로는 우리나라 증발산량의 규모와 변동성을 파악 하기가 어려울 것으로 판단된다. 증발산량 자료를

생산하여 국가 수자원계획 및 개발 등 여러 분야에 다목적으로 활용하기 위해서는 국가수문관측망에 계획된 증발산량관측망의 안정적인 운영이 필요할 것으로 판단된다. 또한 인공위성자료를 기반으로 하는 원격탐사 기법을 도입하여 우리나라에서 발 생되는 증발산량의 규모와 변동성을 파악해야 할 것으로 판단된다.

참고문헌

1. 국토해양부, 2007~2009, 유량조사보고서.

2. 국토해양부, 2010~2012, 수문조사보고서.

3. 국토해양부, 2010, 국가수문관측망 구축 2차년도 연구 보고서.

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

5. AsiaFlux website, http://www.asiaflux.net.

6. MODIS website, http://modis.gsfc.nasa.gov.