1. 서언
IPCC 4차보고서(2007)에서는 미래 기후변화의 영향 중 에서 가장 취약 한 부분으로 기후시스템변화에 따른 강수패턴의 시공간 변화로 인한 가용 수자원의 변화를 선정하였다. 이후 IPCC 5차보고서(2014)에서는 특히 아 시아지역은 지역별 대처전략 수립, 물 재활용 등 수자원 다양화, 통합형 수 자원 관리를 제안하고 있다. 기후변화에 따른 주요 강 유역의 수자원 총 피 해비용은 2020년에는 554억원, 2050년은 3,574억원, 2100년 은 1,076억 원까지 추정(KEI, 2011)되며, 기후변화로 인한 피해빈발에 따른 근원적 대 책이 필요함을 강조하고 있다.
선진국에서는 이미 기후변화에 따른 유역관리 적응을 위해 자체적인 프 로그램을 도입 및 진행하고 있으며, 국내에서도 기후변화에 적응하기 위한 유역관리 기술 개발이 요구되어 왔다.
하천유역은 물순환 및 생태 환경에 심각한 영향을 경험하였으나 이를 관 리할 정책수단은 미흡한 실정이다. 최근 들어 우리나라에서 수질관리 등 환 경문제 해결을 위해 유역관리 차원에서 접근하려는 시도가 시작되었으나 어떠한 수단을 통해 유역관리를 접근할 수 있는가에 대한 연구는 아직 부족 한 실정이다. 따라서 유역 내 물순환 및 하천의 상태에 영향을 미치는 요소 를 규명하고 이를 유역관리를 위한 건전성을 평가하는 연구가 필요하다.
우리나라는 지형적 영향으로 유출량의 많은 부분이 바다로 그냥 흘러나 가 손실되는 단점을 가지고 있다. 이를 막기 위한 댐 설치 및 추가 수자원
02
SWAT 기반의 5대강 유역 건전성 평가
김 성 준 건국대학교 공과대학 / 사회환경공학부 교수 [email protected]
이 지 완
건국대학교 일반대학원 / 사회환경시스템공학과 박사수료 [email protected]
확보를 위한 지하수 확보의 필요성이 대두되고 있 다. 마찬가지로 국지적으로 발생하는 물부족에 대 처하기 위해서는 친환경 중소댐건설, 공공지하수 개발 등 신규 수자원확보와 기존 노후시설의 개량 및 비상연계체계 구축 등이 필요하다. 또한 하천 주변의 지하수 함양량 및 적정 개발량 산정 문제, 과도한 하도유출 문제 등 명확한 해결을 위한 방 안 모색 필요하다.
본 고에서는 유역이 가지는 자연적인 건전성평 가를 위해 5대강 유역을 대상으로 유역환경, 수 문/수질, 서식지/수생태 에 대한 평가지표를 이 용하여 통합유역건전성 평가지수를 산정하였다.
또한 수량 및 수질의 상호작용을 고려하고, 장기 간의 변화분석을 위해 SWAT(Soil and Water Assessment Tool) 모형의 수문/수질 모델링 결 과를 활용하였으며, 5대강 권역의 표준유역에 적 용한 결과를 소개하고자 한다.
2. 유역건전성 평가기술
본 고에서의 유역건전성 평가기술은 기후변화 적응을 위하여 유역의 수량(증발산, 하천유출량, 토양수분, 지하수, 댐 및 저수지 방류량 등), 수질 (유사, 총질소, 총인 등) 뿐 아니라 유역환경(식생 및 토지피복 등)을 종합적으로 고려하여 유역의 건전성을 평가하는 것을 말한다. 유역건전성은 유 역이 본래 가지고 있는 자연적인 건전성을 평가하 고자 하는 것이며, 이러한 유역의 현재 상태 및 유 역이 가지고 있는 능력에 대한 평가가 선행되어야 토지이용변화, 기후변화, 물이용 변화, 인구증가 등 인위적이 요소에 따른 취약성과 같은 미래 변 화에 대한 예측을 수행할 수 있을 것이다. 나아가 유역의 스트레스 요인, 사회적 배경 및 요인을 평 가하여 복구 가능성을 검토할 수 있다.
따라서 본 유역건전성 평가기술에서는 유역건
유역건전성 평가요소 평가방법 Data
유역 환경
토지피복/식생 (landscape)
■ 표준유역별 자연토지피복(산림, 자연초지, 강, 습지)
■ 수변지역 자연토지피복(산림, 자연초지, 강, 습지)
■ GIS data 하천
(geomorphology) ■ 하천 기준조건(산지하천, 소하천, 지방하천, 도시하천, 국가하천)
수문 / 수질
수문 (hydrology)
■ total(총강수량, 총유출량)
■ surface processes(지표유출)
■ soil water dynamics(침투, 토양수분, 중간유출)
■ groundwater dynamics(침루, 지하수충진량, 기저유출) ■ SWAT modeling data 수질
(water quality) ■ Sediment, T-N, T-P의 기준농도
서식지 / 수생태
서식지 (aquatic habitat condition)
■ 하천길이에 대한 저수지 개수(서식지 연결성)
■ 표준유역별 습지면적
■ Monitoring data 수생태
(biological condition) ■ TDI(부착돌말류), BMI(저서대형무척추동물), FAI(어류)의 기준값 표 1. 유역건전성 평가를 위한 평가요소(안소라 와 김성준, 2015)
전성 평가를 위해 유역환경(토지피복, 식생, 하 천), 수문/수질(수문요소, SS, TN, TP), 수생태 (서식지, 수생태)요소를 각각 선정하였으며, 표 1 에 본 연구에서 유역건전성 평가를 위해 적용한 평가요소를 정리하였다. EPA(2012)에서는 모니 터링 자료로 활용하여 유역건전성 평가를 수행하 였지만, 본 기술은 수문/수질과 관련된 유역건전 성 평가는 SWAT 모형의 장기모의 결과를 활용하 였으며, 유역환경 및 수생태와 관련된 유역건전성 평가는 모니터링 자료를 활용하였다. 유역건전성 산정 절차는 안소라 와 김성준(2016)에 자세히 기 술되어 있으며, 본 고에서는 동일 한 방법을 이용 하여 5대강 유역에 적용한 평가 결과를 소개하도 록 한다.
3. 유역 모델링을 통한 5대강 유역의 통합 유역건전성 평가지수 적용 결과
3.1 SWAT 모델 검보정 결과
수문 측면의 유역건전성 평가를 위해 SWAT 모형의 33년(1980-2017) 모의 결과를 활용하여 표 2의 수문항목 중 4개의 요소(total, surface processes, soil water dynamics, groundwater dynamics)에 대해 평가를 실시했다. SWAT 모형 을 이용하여 5대강 유역을 표준유역(590개)과 동 일하게 유역분할을 수행하고, 신뢰성 있는 수문, 수질요소를 도출하기 위해 다목적댐, 다기능보, 토양수분, 증발산량, 지하수위와 더불어 섬진강과
그림 1. SWAT 모형 검보정 결과
영산강의 도수를 고려하여 검보정을 수행하였다.
한강유역의 검보정 결과는 안소라 등(2015)의 연 구결과를 활용하였고, 금강유역과 낙동강유역의 검보정은 이지완 등(2018)이 제시한 매개변수와 동일하게 적용하였다.
SWAT 모형의 결과는 그림 2와 같이 표준단위 유역 별로 출력 및 공간분포화 하여 도시할 수 있 다. 지수의 범위는 0에서 1사이이며, 1에 가까울 수록 건강한 유역을 의미하며, 개발된 지수는 유 역의 특정관리목적에 따라 가중치를 주거나, 선 택적으로 사용할 수 있으며, sub-index 별로 조 합할 수 있다. 본 고에서는 수문 및 수질 유역건 전성 산정 시 SWAT 모의 결과를 활용하여 총 7 개의 평가 요소(total, surface processes, soil water dynamics, groundwater dynamics, SS,
T-N, T-P)에 대해 수문 및 수질 유역건전성을 평가했다.
3.2 5대강 유역의 유역건전성 평가 결과
본 기술을 적용하여 평가한 5대강 유역의 통합 유역건전성 결과는 다음 그림3과 같다. 표 1과 같 이 정의한 6개의 유역건전성 평가요소를 통해서 통합유역 건전성 평가결과를 표준단위유역별로 나타내었다.
토지피복/식생 건전성은 유역의 상류로 갈수록 좋은 것으로 분석되었고, 하천건전성은 소하천이 많은 유역일수록 건전성이 높은 것으로 나타났다.
수문 건전성 지수는 수량이 풍부한 유역 하류에서 주로 높게 나타났고, 수질 건전성은 하수처리시설
그림 2. 유역 건전성 평가를 위한 SWAT 모형 모의 결과
의 방류농도가 높은 유역의 경우 수질건전성이 낮 고, 방류농도가 낮을수록 건전성이 좋은 것으로 분석되었다(그림 3).
그림 4는 5대강 유역 별 유역건전성 평가결과 를 정리한 것으로 한강 유역 내 237개의 표준단위 유역에 대하여 유역건전성 지수를 산정한 결과 한 강 상류인 소양강댐유역과 충주댐 유역은 유역 건 전성이 높은 것으로 분석되었으며 한강 하류지역 으로 갈수록 건전성이 안 좋은 유역으로 나타났다 (그림 4(a)).
그림 4(b)는 금강 유역 내 78개의 표준단위유 역에 대하여 유역건전성 지수를 산정한 결과를 나
타낸 것으로 대청댐 및 용담댐 상류유역은 유역 건전성이 높은 것으로 분석되었으며 한강 하류지 역으로 갈수록 건전성이 안 좋은 유역으로 나타 났다. 낙동강유역의 경우 자연 초지나 수질, 수 생태의 경우 유역의 상류로 갈수록 건전성이 높 은 것을 확인할 수 있었으며, 수문은 유역의 하류 로 갈수록 건전성이 높은 것으로 분석되었고(그림 4(c)), 영산강유역의 경우 상류지역의 건전성은 우 수한 것으로 평가되었으나, 하천 본류에서의 건전 성이 지류하천 유역보다 상대적으로 낮은 것을 알 수 있었다(그림 4(d)). 또한 섬진강유역의 경우 남 원시 유역에서의 건전성이 상대적으로 낮은 것으 로 분석되었다(그림 4(e)).
그림 3. 전국 5대강 유역건전성 평가결과
그림 4. 대권역별 유역건전성 평가 결과 (a) 한강
(b) 금강
(d) 영산강
(c) 낙동강
(e) 섬진강
4. 결언
기존의 유역 유출모형은 주로 지표수 관리문제 에만 적용되어 왔으며, 지하수 모형 역시 대수층 관리문제를 중점적으로 다루고 있어 상호작용을 고려한 통합해석기술이 부족한 실정이었다. 최근 하천유역은 기후변화, 도시화에 따른 불투수 면적 및 취수량의 증가, 하천개수 등의 영향으로 기존 의 정상적인 유역의 물 순환 체계가 파괴되어 지 하수위는 낮아지고 하천 유량이 감소되어 하천이 정상적인 기능을 하지 못하고 있다. 또한 하천 건 천화에 따른 유지유량의 부족은 하천을 중심으로 한 수질오염원의 증가 등의 문제를 초래하고 있다 (이상호와 이정민, 2006). 이러한 유역 환경의 변 화, 수자원의 비효율적 활용 등에 의해 유역의 수 리ㆍ수문학적 건전성은 심각하게 왜곡되고 있는 것이 현실이며, 이에 따른 부작용으로 지효유출수 의 증가, 하천 기저유량 감소, 홍수피해 증가 및 수질오염과 도시 사막화 등의 부작용이 심화되고 있다. 따라서 지속가능하고 건전화된 물순환을 위 해서는 해당 유역의 물순환계를 정확히 파악하고 특히 유역 물순환 건전성 효율을 객관적으로 정량 화할 수 있는 평가기법의 수립이 절실히 요구되어 왔다.
본 고에서는 EPA(2012)의 유역건전성 분석 사 례를 개선하여 우리나라 유역특성에 맞는 통합 유 역건전성 평가기법을 개발하여 5대강 유역에 적 용한 결과를 소개하였다. EPA(2012)에서는 미국 일부지역에 대하여 모니터링 자료를 활용하여 유 역건전성 평가를 수행하였지만, 본 고에서는 수 문/수질과 관련된 유역건전성 평가에 대하여 장기 적인 변화분석이 가능하도록 분포형 수문모형인 SWAT을 이용한 장기모의 결과를 적용하고, 유역
환경 및 수생태와 관련된 유역건전성평가는 모니 터링 자료를 이용한 결과를 제안하였다.
향후 5개강 유역에 대한 미래유역건전성 평가 DB 구축이 완료될 예정이며, 구축된 자료는 지자 체 혹은 권역별 기초 정책 자료에 활용 가능하도 록 국가수자원종합정보시스템(WAMIS)에 탑재되 어 대국민 서비스가 이뤄질 예정이다. 5대강 유역 의 유역건전성평가 결과는 기후변화에 따른 유역 건전성 유지를 위한 대응 전략 수립에 기여가 클 것으로 사료된다.
참고문헌
1. 안소라, 김성준, 2016. SWAT 수문/수질모델링 을 통한 유역건전성 평가지수 개발 및 평가, 전 원과 자원, 58(2). p.2-10.
2. 안소라, 이지완, 장선숙, 김성준, 2016. 다목적 댐 및 다기능 보 운영을 고려한 대유역 SWAT 모형 구축기법 연구 -남한강 유역을 대상으 로-, 한국농공학회논문집, 58(4). p.21-32.
3. 이지완, 정충길, 김다래, 김성준, 2018. SWAT을 이용한 미래기후변화에 따른 금강유역의 지하 수위 거동 평가, 한국수자원학회논문집, 51(3).
p.247-261.
4. 이지완, 이용관, 우소영, 장원진, 김성준, 2018.
SWAT을 이용한 보 개방에 따른 낙동강유역의 수문·수질 거동 평가, 2018 한국수자원학회 학 술발표회, p.44
5. 한국환경정책평가연구원(2011). “물 재이용을 통
감사의 글
본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원의 지원으로 수행되었음(과제번호 18AWMP-B083066-05).
한 도시하천 물순환개선 정책방향”, 한국환경정 책평가연구원 연구보고서
6. IPCC.(2007). Climate Change 2007: Impacts, Adaptation and Vulnerability, Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA
7. IPCC.(2014). Climate Change 2014: Impacts, Adaptation and Vulnerability, Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA
8. U.S. EPA, 2012, Identifying and Protecting Healthy Watersheds: Concepts, Assessments, and Management Approaches. EPA 841-B- 11-002.
