물안보 강화를 위한 선제적 가뭄/하천건천화 평가기술 개발 연구 소개

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1. 머리말

산업발전과 도시화 및 기후변화로 인하여 하천의 형상 변화, 토지이용의 변화, 지하수의 이용증가 등 기존 수자원이용 경향이 급격하게 변하고 있다. 이 러한 경향 변화는 국내·외 모두 해당되지만 이에 적극 대응할 수 있도록 수자원 추정, 홍수, 가뭄, 하 천건천화 등 수자원의 이·치수와 관련된 현상들에 대해 위성영상정보를 활용하여 평가·예측을 할 수 있는 기술 개발은 진전이 없었던 게 사실이다. 따라

서 기상·수리·수문 및 인문학적 인자들에 대해 유 기적으로 대응 할 수 있도록 하여 대국민에게 피부 로 와닿을 수 있는 정보의 서비스를 제공하고자 “국 토관측센서 기반 광역 및 지역 수재해 감시·평가·

예측 기술 개발”의 일원으로서 “(2세부) 물안보 강 화를 위한 선제적 가뭄/하천건천화 평가기술 개발”

연구가 발족 되었다. 본 연구를 수행하고 있는 2세 부에서는 위성영상 및 수문레이더 정보 등을 활용하 여 (미)계측 지역에서의 수문인자 관측 및 수자원 변 동을 감시하고, 가뭄과 하천건천화를 효율적으로 평

Issue

물안보 강화를 위한 선제적 가뭄/ 03

하천건천화 평가기술 개발 연구 소개

김 성 준 ●●●

건국대학교 사회환경시스템공학과 교수 [email protected]

이 주 헌 ●●●

중부대학교 토목공학과 교수 [email protected]

최 민 하 ●●●

성균관대학교 수자원대학원 수자원학과 부교수 [email protected]

김 동 균 ●●●

세부 위탁연구책임자 홍익대학교 토목공학과 조교수 [email protected]

강 부 식 ●●●

단국대학교 토목환경공학과 교수 [email protected]

박 경 원 ●●●

세부 위탁연구책임자 APEC 기후센터 선임연구원 [email protected]

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Special Issue | 국토관측센서 기반 수재해 정보 플랫폼 융합기술

가·예측함으로써 물안보 강화 및 수해 경감을 위해 필요한 분석 및 관련 정보를 제공하는 것을 목표로 한다.

2. 과업소개

2세부 과제는 협동연구기관인 건국대학교(김성 준)를 중심으로 성균관대학교(최민하), 단국대학교 (강부식), 중부대학교(이주헌)의 공동연구기관과 홍

익대학교(김동균), APCC (Asia-Pacific Economic Cooperation Climate Center, 박경원)의 위탁연구 기관으로 구성되어 연구를 수행하게 된다. 또한 각 협동-공동 연구기관마다 단위연구과제 및 전문가로 써 약 16개의 팀이 참여하게 되어 4년 6개월간의 연 구과제 수행기간 동안 서로 긴밀하게 협업하여, 안 정적이고 지속가능한 물안보를 강화할 수 있는 최첨 단의 연구성과를 도출하게 된다. 다음 그림 1은 2세 부 과제의 총괄 연구개발 모식도를 나타낸 것이다.

그림 1. 2세부 총괄 연구개발 모식도

2.1 SRA 관측정보 융합을 통한 수문인자산출 기 술(2-1세세부)

본 세세부과제에서는 가뭄/하천건천화가 한 지역 에 특정된 것이 아닌 공간적으로 발생함에 따라, 인 공위성의 위성영상자료를 이용하여 가뭄/하천건천 화의 변화파악을 위한 기초 자료의 생산 및 광범위 한 지역의 공간 분포된 자료를 제공함에 있다. 인공 위성을 이용한 수문기상 인자의 산출은 미/관측지 역에서의 자료를 산출함은 물론 지점관측지점에서

소요되는 유지관리 비용을 절감할 수 있어 부가가치 가 높을 뿐만 아니라, 현장 관측의 단점을 보안할 수 있어, 광범위한 공간 스케일에 대한 모니터링 결과 를 통한 자연재해에 보다 효과적으로 대비 및 대응 할 수 있다. 본 세부과제에서는 가뭄/하천건천화에 주요한 영향을 미치는 토양수분/증발산 및 각종 다 양한 수문인자를 산출을 통해, 한반도 및 동북아시 아 영역을 커버할 수 있는 목표로 국내·외 다양한 위성자료를 활용한 한국형 인공위성자료의 산출 및 개선에 대한 가이드라인 제시하고자 한다(그림 2).

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2.2 SRA를 이용한 미계측 유역 수문 및 수자원 변동 계측 기술(2-2세세부)

통일시대를 대비하여 진행되고 있는 북한 SOC (Social Overhead Capital, 사회간접자본) 현황파 악 및 미래비전수립에서 수자원개발은 가장 핵심분 야 중 하나로 인식되고 있다. 이러한 사업들은 단기 적으로 공유하천사업, 접경유역 재해예측시스템구

축, 중장기적으로는 수도건설, 하천정비, 북한수자 원 장기종합개발 계획수립 등이 있으며, 이러한 사 업들의 계획을 수립하기 위한 기초수문자료의 확보 가 절실히 요구되고 있다.

북한지역 기초수문자료의 확보는 1차적으로 지상 관측자료를 바탕으로 하여야 하나, 매우 제한적이므 로 위성 및 레이다 등 원격탐사자료를 활용하여 간접 적으로 추정하고자 한다. 또한 접경유역의 홍수량예 그림 2. 2-1세세부 연구추진개념도

그림 3. 2-2세세부 연구추진개념도

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2.4 하천건천화의 시공간적 원인추적 및 영향평 가 기술(2-4세세부)

우리나라는 여름철에 집중된 강우와 홍수로 인하 여 국가의 수자원 정책이 치수에 편중되어있었기 때 문에, 가뭄이나 갈수기의 하천건천화를 대비한 안정 적인 수자원확보측면에서의 연구는 미흡한 실정이 었다. 그러나 극심해지는 기후변화와 변동폭이 심해 지는 연간 강우패턴에 대비할 수 있도록 새로운 분 석기준과 정형화된 시·공간적 대책마련이 필요하

다. 이를 위하여 (2-4)세부에서는 하천건천화에 영 향을 줄 수 있는 각종 인문·사회·수문학적 요소들 을 GIS (Geographic Information System)기법을 활용해 DB (Data Base)를 구축하고, 이를 효과적으 로 활용할 수 있는 분포형 모델링 기반의 하천건천 화 영향 평가기술을 개발하며, 원격탐사 기술을 활 용하는 위성 및 공간정보기반 하천건천화 추적 기술 및 UAV를 활용한 하천건천화 모니터링 기술을 개 발하게 된다(그림 5).

측은 남한측 하류유역의 홍수 예·경보를 위하여 필 수적인 항목이었으나 그동안 북한지역의 수문정보에 대한 접근성이 확보되지 않아 블라인드 예측으로 다 루어져 왔으나 레이다와 위성영상등의 활용을 통하 여 과학적 예측의 기반을 구축하고자 한다(그림 3).

2.3 실시간 위성정보 기반 수문학적 가뭄감시 및 가뭄전망 기술(2-3세세부)

2-3세세부과제에서는 실시간의 위성정보를 기 반으로 하여 수문학적 가뭄을 감시하고 또한 중, 장

기 가뭄을 전망하는 기술을 개발하는 연구로서 다양 한 위성관측 센서(Multi Sensor)의 관측자료를 합 성하여 수문학적 가뭄을 모니터링하기 위한 모듈 을 개발하고 다중위성(GPM, Global Precipitation Measurement)자료와 지상관측자료를 연계한 수문 학적 가뭄지수 개발하고자 한다. 또한 수문기상모형 (WRF, Weather Research and Forecasting Model) 및 지표수문모형(LSM, Land Surface Model)을 이 용한 수문학적 순환분석을 통한 가뭄정보를 이용한 유역별 수문학적 상세 가뭄정보 생산하여 중장기 가 뭄전망 기술을 개발하고자 한다(그림 4).

그림 4. 2-3세세부 연구추진개념도

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2.5 위탁연구팀 개요

또한 위탁을 수행할 홍익대학교와 APCC는 특화 된 위성자료 수집·처리·활용 기술과 수자원 분석 및 수문학적 가뭄 모니터링 융합기술을 보유하고 있 으며, 이를 바탕으로 한반도를 비롯한 동남아시아, 태평양 APEC 해당국가와 미계측지역의 물관련 재 난관리와 재해영향 평가통해 본 과업에서 개발될 기 술의 평가 및 고도화를 추진하고 가뭄감시 기술의 활용성을 제고한다.

3. 최종 연구목표 3.1 (2-1세세부) 연구목표

기후변화로 인한 수문기상인자 변동성에 대한 분 석 및 파악이 대두됨에 따라 시공간적인 수문기상인 자의 정보제공이 요구되었다. 2-1세세부과제에서 는 인공위성 영상 정보를 활용하여 (미)계측 지역, 한반도 및 동북아시아 영역에서의 수문기상인자 산 출 및 수자원 변동성을 파악하고자 한다. 극궤도/정 지궤도 인공위성을 통한 한반도 및 동북아시아 범위 그림 5. 2-4세세부 연구추진개념도

그림 6. 2-1세세세부 최종 목표

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의 고해상도 수문기상인자의 산출 및 다년간의 수문 기상인자 자료의 통합관리 시스템 구축을 할 것이다 (그림 6).

3.2 (2-2세세부) 연구목표

2-2세세부에서는 원격탐사를 활용하여 수문관측 을 직접적으로 할 수 없는 미계측지역(북한수계)의 수자원변화량을 간접적으로 추정하며, 광역수계의 수문수지 분석기술을 확보하여 북한수계의 수자원

인프라 구축 평가 및 대응 전략을 수립하려 한다. 이 를 위해 북한지역을 포함한 미계측지역을 대상으로 분포형 강우-유출모형을 활용한 레이더관측 기반의 홍수모니터링 및 홍수예경보 기법을 개발하고 위성 중력자료를 활용하여 월평균 수자원변화량 및 지표 수, 지하수, 토양수분 및 강설/얼음 등 수자원성분 들의 변화를 파악하고자 한다. 또한, 북한지역의 수 자원 인프라 분석을 통해 현재 상황을 평가하고 향 후 수자원사업 교류 및 통일 후 SOC 사업의 추진방 향을 설정할 예정이다(그림 7).

그림 7. 2-2세세부 최종 목표

본 세세부에서는 그동안 가뭄을 모니터링하기 위 하여 주로 사용되었던 지상관측소의 관측자료(강수, 기온 등)에 기반 한 가뭄감시 체제에서 한 단계 벗 어나 다양한 위성관측 자료를 합성한 한반도 전체의 분포형 격자기반의 가뭄감시체제를 구축하는 것이 최종목표이다. 특히, 강수량과 기온에 의존한 가뭄 지수를 통한 기상학적 가뭄모니터링 결과가 갖고 있

는 한계를 극복하기 위하여, 실제 물 수요자가 느끼 는 가뭄단계인 수문학적 가뭄을 모니터링하기 위한 위성자료 기반의 수문학적 가뭄지수를 개발하고자 하며 실질적인 가뭄정보가 필요한 농업 및 물 관리 관련 기관과의 정보 연동을 통하여 정보 수요자들에 게 필요한 가뭄정보를 제공할 수 있는 시스템 구축 을 할 것이다. 마지막으로 수문학적 가뭄을 중, 장 기적으로 전망할 수 있는 통계학적 방법을 개발하여 가뭄예측에 활용하고자 한다(그림 8).

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2-4세세부에서는 하천건천화의 원인 및 기후변 화에 따른 미래의 변동양상을 파악할 수 있는 새로 운 분석 패러다임을 제시하고자 한다. 단일 지점의 1차원적인 분석이 아닌 인위적·자연적 요소가 하 천건천화에 미치는 영향을 시·공간적으로 파악할

수 있도록 GIS기법을 활용 할 것이며, 이러한 요소 를 시계열에 따라 해석할 수 있는 분포형 모형을 활 용한다. 이러한 분석 기법을 통해 실제 지방하천규 모에서 하천건천화가 발생하는 모습을 가시화 할 수 있으며, 건천화가 발생하는 하천의 경우 주변 GIS 분석을 통하여 건천화의 원인을 시·공간적으로 역 추적할 수 있을 것이다. 또한 미래 기후변화(시간에 그림 8. 2-3세세부 최종 목표

그림 9. 2-4세세부 최종 목표

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따른 기상조건 변화) 및 GIS 변화(시간에 따른 공간 조건 변화) 시나리오를 적용하면 미래에 예측 가능 한 하천건천화 취약지역을 파악해 낼 수 있으며, 이 에 대비한 맞춤형 정책 및 대응방안 또는 법제도 개 선 등이 가능할 것이다(그림 9).

4. 맺음말

국토교통부와 K-water 연구원의 지원으로 시작 된 본 과제 연구팀은 위성영상을 활용한 세계적 수 준의 (미)계측 지역의 수문정보 생산과 광역적 가 뭄/하천건천화 감시 및 원인구명 기술을 개발하여 급격하게 변화하고 있는 수자원 이용 경향에 발빠 르게 대처하고자 출범 하였다. 이에 따라 2세부뿐만 아니라 1세부, 3세부 및 4세부 연구팀과의 긴밀한 연구 협업을 통해 계획한 연구 성과를 모두 이루어

낼 것이며, 향후 약 5년에 걸친 기술개발을 통하여 우리나라 및 동북아시아의 지속가능하고 안정적인 물안보 평가 시스템 및 신뢰성 있는 정보제공을 위 해 면밀한 사업의 추진 관리를 수행할 것이다. 우리 나라 수자원분야는 지난 20년동안 GIS 기반의 모델 링, 분석 평가연구와 더불어 이제는 위성영상 기반 의 시공간적인 정보기술을 융합함으로서 수자원 안 보, 활용효율, 가치 및 서비스 전 분야에 걸쳐 진일 보하는 계기가 될 것임이 분명하다.

감사의 글

본 연구는 국토교통부 물관리연구사업의 연구비 지원(14AWMP-B079364-01)에 의해 수행되었습 니다.