플로리다 유역관리 및 모델링 사례 소개

성 충 현 세인트존스강 관리청 / Engineer scientist chseong0706@gmail.com

플로리다 유역관리 및 모델링 사례 소개

1. 들어가며

미국 동남부 끝단에 위치한 플로리다주는 그 면적이 한반도의 약 0.77 배인 170 천 km²이고, 남북으로 길쭉하여 한반도와 그 모양과 크기가 많이 닮아있다.

하지만 북위 24∼30도에 위치하여, 북부부터 중부까지는 아열대 기후를 보이고, 남부 지방은 열대기후가 나타난다. 연평균 기온은 약 20 ℃로, 겨울 평균 기온은 북부 13 ℃ 에서 남부 23 ℃ 정도로 나타난다. 여름 평균 기온은 30

∼32 ℃ 정도이다. 연평균 강수량은 약 1,400∼1,600mm 정도의 범위이며, 일년에 2∼3회 정도 태풍이 지나간다.

플로리다는 최대 해발고도가 약 105m 밖에 되지 않으며, 평균 고도는 약 30m 로 평탄한 지형이 대부분이다. 특히 남부의 많은 지역은 해수면에 가 까운 2m 이하의 고도에 위치한다. 따라서, 지표경사가 크지 않아 자연하천 보다는 습지와 호수가 많이 발달하였다. 또한 지하수위가 상대적으로 높아 샘(spring)도 많이 발달하였다.

2018년 기준 플로리다주의 인구는 약 2천만 명에 이른다. 하지만, 여 름철 덥고 습한 기후, 습지 지형, 황열병(yellow fever) 등의 여러 상황들 로 인해, 1900년대 이전까지의 인구유입은 제한적이었다. 1900년 인구조 사 (U.S. Census)에 따르면, 플로리다의 4대 도시들의 인구가 일만 명을 조금 넘어서는 수준이었다고 한다. 1900년대 들어서면서부터 백신, 냉장 기술 등의 발달과 더불어 철도의 연결에 따라 인구가 본격적으로 유입되 기 시작하였고, 이에 관광산업과 농업이 주요 산업으로 발달하게 되었다 (Chassignet et al., 2017).

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도시화가 진행되면서 많은 습지지역이 메워졌고, 인공호수들이 생겨났다. 또한 배수사업(Drainage projects)들을 통해 많은 습지지역은 농업용지로 바뀌었고, 산림지역도 개간되어 농지로 바뀌었다.

Kautz(1998)에 따르면, 1936년부터 1995년 사이 에 인구는 1.7백만 명에서 14.1백만 명으로 늘었고, 농업용지와 도시지역이 각각 60%와 632% 씩 증가 하였다. 반면, 산림은 약 22% 감소하고, 초지습지 (herbaceous wetland)의 경우 51%가 감소한 것으 로 조사되었다. 또한, 많은 소하천들은 직강화되어 수로시스템(canal system)으로 대체되었다. 이러한 토지이용의 변화와 수로시스템의 도입은 수문과 수 질환경의 많은 변화를 초래하였다. 도시화에 따른 불투수면의 증가, 농업용지로 바뀐 습지지역의 감 소, 그리고 수로시스템은 홍수의 위험을 더 크게 만 들었으며, 무분별하게 농지에 뿌려진 비료물질들은 하천과 호소의 수질문제를 야기하였다.

이에 수자원의 합리적 이용과 물환경의 균형적 보전을 위한 많은 노력들이 진행되어 왔다. 플로

리다 물관리청(Water Management Districts)은 1972년에 플로리다 주법 (Water Resources Act, Chapter 373, Florida Statutes)을 기반으로 설 립되었으며, 플로리다를 총 5개 구역으로 나누어 관리하고 있다 (그림 1). 기관의 목적은 크게 물공 급, 수질, 홍수, 환경의 4가지로 구분된다. 기관 은 현재 및 향후 20년간 미래 물수요를 고려함과 동시에 자연환경의 보전을 고려하여, 합리적이면 서 지속가능한 수자원의 공급이 가능토록 하는 것 이 첫 번째 목표이다. 기관의 두 번째 목표는 하천 과 호소의 수질을 지속적으로 모니터링하고 평가 하는 것이다. 또한, 수질개선을 위한 사업들을 진 행하고, 목표수질관리를 위해 오염물질 배출 규제 를 시행하는 역할을 한다. 세 번째로는 홍수피해 방지를 위해 관련 시설물들을 건설, 유지, 관리한 다. 마지막으로 기관에서는 자연 수환경을 평가하 고 보호하기 위해 MFLs (Minimum Flows and Levels) 제정을 위한 평가를 실시하고, 하천에 흘 러야할 최소 유지유량과 최소 유지수위를 공표한 다 (SJRWMD, 2019a).

그림 1. 플로리다 물관리 구역도(출처 : www.sfwmd.gov)

이 중 세인트존스강 관리청 (St. Johns River Water Management District)은 플로리다 주 에서 가장 긴 강인 세인트존스강 유역을 관리한 다. 세인트존스강은 총 길이가 439 km 에서 512 km 사이로 추정되며 (이는 강 상류유역이 습지 지역으로 강의 발원지를 규정하기 어렵기 때문 임), 유역면적은 약 32 천 km²이다. 대도시 기준 으로 말하자면, 플로리다주의 중앙에 위치한 올랜 도(Orlando) 지역에서 플로리다의 북부에 위치한 잭슨빌(Jacksonville)로 흐르는, 즉, 남쪽에서 북 쪽으로 흐르는 강이다. 세인트존스 물관리청에는 생물, 지형, 수리, 수문, 수질, 엔지니어링, 계획, 재정, 정보 등 각 분야 전문가들을 포함한 총 530 명 정도가 근무하고 있다. 이 중 수자원 모델링 분 야에만 약 50명 정도의 모델러들이 근무하고 있는 데, 이는 플로리다의 독특한 수환경을 합리적으로 이해하고 해석하기 위해 많은 노력과 투자가 이루 어지고 있다는 것을 보여준다. 정확한 모델링 정 보는 지속가능한 수자원의 이용과 보전을 위해 필 수적이기 때문이다.

본 기사에서는 플로리다의 물환경 해석을 위해 플로리다의 독특한 유역환경을 모델링하는 기법 과 세인트존스강 관리청에서 구축한 유역모델링 시스템을 간단하게 소개하고자 한다.

2. 플로리다 유역모델링 사례 소개 2.1 습지모의

플로리다는 해발고도가 낮고 평지가 많아 습지 가 잘 발달되어 있다. 모델러들은 세인트존스강 유역의 약 26%를 차지하는 습지모의를 위해 습지 를 수문학적 반응에 따라 Riparian 습지와 Non-

Riparian 습지의 두 가지 타입으로 구분하였다.

Riparian 습지는 하천의 홍수터에 발달하는 습 지로서 하천과 직접적으로 연결되어 있는 반면, Non-riparian 습지는 하천으로부터 멀리 떨어져 유역 중간에 위치하고 있는 습지로 정의된다.

모델링 관점으로 보면 Riparian 습지는 평상시 에는 습지로 구분되다가 홍수기에는 하천의 유량 소통기능을 담당하는 하천의 일부로 편입되도록 모델링하였다. 이는 HSPF의 Special-action 블 록을 이용하여 계산단위시간마다 (보통 1시간 간 격) 하천의 수위에 따라 하천의 크기를 정의하는 Ftable이 조정되는 방식이다. 즉, 하천의 면적이 증가하면, 증가된 면적만큼 인접한 Riparian 습지 의 면적은 감소된다. 플로리다에서는 Riparian습 지가 차지하는 면적이 매우 크기 때문에 HSPF 모 델링시 이렇게 하천(RCHRES)과 Riparian 습지 (PERLND) 간의 면적변화를 고려해 주는 것이 필 수적 선택이었다. 이 방법은 “Variable Surface Area” 방법으로 불리우며, HSPF 모델링시 홍수 터(Floodplain)가 매우 넓은 하천을 모의할 때 적 용할 수 있는 유용한 방법으로 평가된다.

한편, Non-riparian 습지는 지표면 중에 상 대적으로 고도가 낮은 지역으로 수문학적 관점 에서는 강우시 지표저장공간 (surface storage) 으로서의 역할을 하게 된다. HSPF의 지표유출 모의 방법 중 Surface-Ftable 옵션을 적용하여 Non-riparian 습지의 특징을 구현하였다. 원래 Surface-Ftable은 지하수위가 높을 경우에 대 해서만 이용되어 오던 옵션이었으나, 관리청에서 는 습지지역에 적용하기 위해 HSPF 모형의 수 문기작을 수정하였고, 퍼블릭 버전으로는 HSPF v.12.4부터 습지모델링을 위해 Surface-Ftable

의 적용이 가능하도록 코드가 업데이트 되었다 (SJRWMD, 2012).

2.2 식생이 발달한 하천에서의 조도계수

일반적으로 플로리다의 하천은 하도경사가 낮 아 유속이 느리고, 겨울철에도 기온이 영상으로 유지되어 식생이 발달하기 아주 좋은 환경을 가지 고 있다 (그림 2). 이러한 하천 식생은 하천의 수 위에 큰 영향을 미치기에 하천모델링시 매우 중요 한 요소이다. 우선 하도 내 식생의 시간적 변화를 살펴보면, 기온에 따른 계절적 변화는 적게 나타 나는 것을 볼 수 있다. 하지만, 태풍과 같이 큰 호 우사상으로 인해 하천식생이 쓸려나가거나, 가뭄 시 하천유량과 유속이 줄어들어 식생이 뿌리를 내 리기 쉽게 만들어 갑자기 번성하거나, 사람이 주 운을 위해 제초제를 살포하는 등 비정기적으로 하 천식생의 변화가 생긴다. 그림 5 는 플로리다 중 부에 위치한 올랜도 지역 북쪽에 흐르는 웨카이바 (Wekiva) 강의 수위와 유량을 보여주고 있다. 유 량은 강우패턴에 따라 연중 변하지만 그 규모와

수준은 비슷한 것을 볼 수 있다. 하지만, 수위의 경우 2007년경 가뭄으로 인해 하도 내 식생이 번 성하여 수위가 그 이후로 약 30cm (1ft) 정도 상 승한 것을 볼 수 있다.

한편, 하천식생이 우세한 하천의 모델링시 고려 해야할 점은 수위에 따라 하천조도계수가 다르게 계산된다는 점이다. 즉, 수위가 낮을수록 식물에 의한 저항이 커지므로 조도계수가 증가하고, 식물 의 키를 넘어서는 수위까지 도달하게 되면 더 이 상 식물에 의한 저항이 없어지므로 하천의 조도계 수는 작게 계산된다. 그림 4는 웨카이바 강의 유 량과 수위에 따른 조도계수를 계산한 결과로, 하 천 수위와 유량이 증가함에 따라 조도계수가 감소 하는 것을 확인할 수 있다. 하천모델링에 자주 사 용되는 1차원 수리모형인 HEC-RAS 에는 수위 또는 유량에 따라 조도계수를 변화시킬 수 있는 기능을 제공하는데, 하천식생의 영향이 큰 하천에 서 조도계수를 유량(또는 수위)에 따라 변화시키 는 방법으로 하천수위를 정밀한 수준으로 모의할 수 있었다.

(a) Rock Springs Run (b) Wekiva River

그림 2. 웨카이바(Wekiva River) 강 구간 중 식생이 번성한 하도(SJRWMD, 2019)

2.3 대단위 유역모델링

미래 토지이용변화, 인구변화, 기후변화 등 미 래 여건변화에 따른 유역의 전반적인 반응을 살 펴보기 위해서는 일관되고 통일된 모델링 프레임 웍을 적용한 대규모 단위의 유역모델링이 필수적 이다. 관리청에서는 이러한 노력의 일환으로 세 인트존스강 관리청에서는 Watershed Supply Impact Study (WSIS) (SJRWMD,2012)를 수행 하였다. 이 연구의 주요 목적은 플로리다 중부지

역, 즉 올랜도 지역의 팽창에 따른 잠재적인 물수 요 증가로 인한 물환경 영향을 평가하는 것으로, 상류지역의 여건변화로 인해 물공급이 증가할 때 하류지역의 수리, 수문, 수질 및 환경 영향을 모 의하여 향후 정책결정을 위한 기초자료로 이용하 기 위함이다. 이를 위해 총 81명의 과학자와 엔 지니어가 투입되었으며, 수리/수문 모델링, 생물 지질화학 (biogeochemistry), 플랑크톤, 잠수수 생식물 (submersed aquatic vegetation), 습지 식물 (wetland vegetation), 저서생물 (benthic

그림 3. 웨카이바(Wekiva) 강 수위와 유량자료(SR46 지점)(SJRWMD, 2019)

그림 4. 수위와 유량에 따른 하천조도계수 계산(SR46 지점)(SJRWMD, 2019)

(a) Varied Manning’s n by water level (b) Varied Manning’s n by flow

macroinvertebrates), 어류, 습지동물 의 총 8가 지 분야에 대한 연구와 평가가 이루어졌다.

본 기사에서는 WSIS 프로젝트의 유역모델링 체계 (framework)에 대해 주로 설명하도록 한다.

WSIS 모델은 크게 지표수 모델링, 수체내 거동 모델링으로 구분하여 지표수 모델링 후 지표수 모 델링결과를 수체내 거동 모의모형의 입력자료로 이용하는 방식으로 유역모델링을 실시하였다.

평탄하며 습지가 많은 플로리다 유역의 지표수

유출모의를 위해서 다양한 유출현상을 구현하기 에 유리한 Hydrologic Simulation Program – Fortran (HSPF) (Bicknell et al., 2001) 모 형이 적용되었다. 특히, 세인트존스강 상류지역 의 경우 소규모 하천들이 복잡한 수로(canal) 시 스템으로 연결되어 있으며, 사람에 의해 수로의 물흐름이 조절되는 구간이다. WSIS 에서는 수 로 시스템 및 호소의 주요 수리구조물에 의한 물 관리를 HSPF의 Special-Action 블록을 이용하 여 구현되었다. 모델링을 위한 공간범위는 5개 의 주요유역 (Major Basin)으로 구분되었고, 다

그림 5. WSIS 계획단위유역 및 강우티센망(SJRWMD, 2012)

시 각 주요유역은 계획단위구역(Planning Unit) 으로 나누어져 모형이 구축되었다. 계획단위구역 은 HSPF 모형 구동을 위한 하나의 UCI (User Control Interface) 파일로 정의되며, 다시 계 획단위구역은 소유역들의 집합으로 구성된다.

WSIS 지표수 유역모형은 총 36개의 계획단위구 역으로 이루어져 있고, 총 소유역의 수는 411개 로 구성되었다. 한편, 토지이용은 총 15가지로 구분되어 모의되었으며, 이중 도심지역은 불투수 율에 따라 4가지 세분화되었고, 농업지역은 3가 지로 구분되었다. 습지는 하천과의 근접도에 따 라 Non-riparian 습지와 Riparian 습지의 두 가지로 구분되어 모의되었다. 총 51 개의 유량관 측지점 자료를 바탕으로 모형을 보정하였으며, 모형 보정에는 Parameter ESTimation (PEST) (Doherty, 2004)이 이용되었다.

세인트존스강은 하류로 갈수록 조위의 영향을 직 접적으로 받으며 부분적으로 성층화(stratification) 가 관찰되기에, 수체 내 거동을 정밀하게 모의할 수 있는 3차원 유체동역학(hydrodynamic) 모델 인 Environmental Fluid Dynamics Code (EFDC) (Hamrick, 1992) 가 이용되었다. 모델 도메인은 세 인트존스강 중하류 부분과 강하구와 연결되는 근 해를 포함한다 (그림 6). 구성된 모델 그리드(Grid) 는 11,400 km² 의 면적이며, 이중 해양 측 그리드를 제외하면, 내륙의 130.1 km²의 수체면적을 모의하 며, 이는 해측 1356개과 내륙 2939개의 총 4295개 수평방향 셀로 구성되었다. 수직방향으로는 6개층 (layer)로 구성되었다. 유역경계조건으로 유역 지표 수 유입량은 HSPF 모형의 결과를 적용하고, 하류 단 경계조건인 해측 조위자료는 근처의 조위 관측 자료가 이용되었다.

그림 6. WSIS EFDC 모형 계산 격자망(SJRWMD, 2012)

3. 맺음말

미국 플로리다의 독특한 환경요소들에 대한 모 델링 기법과 세인트존스강 관리청의 유역모델링 시스템에 대해 간략히 소개하였다. 플로리다 습지 지형에 적용하기 위해 개발된 HSPF의 surface- Ftable 지표유출방법은 성 등 (2018)에 의해 국내 논 유역에 적용성이 평가된 바 있다. 국내에서 여 름철 하도 내 식생이 번성한 경우 등에 한해 유량 이나 수위에 따라 하천조도계수를 변화시키는 방 법을 적용해 보는 것도 흥미로울 것이다. 이러한 사례연구가 국내의 독특한 유역환경을 해석하고 모델링하는 데 도움이 되었으면 하는 바램이다.

한편, 세인트존스강 WSIS 모델링 시스템이 2012 년에 처음 소개된 이후로 관리청에서는 약 5년 주 기의 계획을 가지고 유역해석시스템을 개선해오 고 있다. 매년 새로운 자료의 축적과 모델링 기법 들의 개발, 그리고 그를 반영한 모델링 시스템의 개선과 유지관리의 노력이 계속될 때, 변화하는 환경을 정밀하게 해석하여 최적의 의사결정을 할 수 있는 정확한 정보생산에 가까이 갈 수 있다고 생각된다.

참고문헌

1. Bicknell, Brian R., John C. Imhoff, Jr., John L.

Kittle, Thomas H. Jobes, and Jr., Anthony S.

Donigian. Hydrological Simulation Program – Fortran, HSPF, Version 12, User’s Manual.

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2. Chassignet, E. P., Jones, J. W., Misra, V., &

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fci2017

3. Doherty, John. PEST, Model-Independent Parameter Estimation, User Manual: 5th Edition.

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4. Hamrick, J. M. A three-dimensional environmental fluid dynamics code: Theoretical and computational aspects. Special Report 317.

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5. Kautz, Randy S. 1998. Land Use and Land Cover Trends in Florida 1936-1995. Florida Scientist 61(3-4): 171-187.

6. SJRWMD, 2012. St. Johns River Water Supply Impact Study, Palatka, Florida. https://www.

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7 SJRWMD, 2019a. https://www.sjrwmd.com/

about/core/

8. SJRWMD, 2019b. Wekiva River Hydrology and Hydraulic Modeling for Minimum Flow and Level Evaluations, Palatka, Florida. https://

www.sjrwmd.com/static/mfls/MFL-Wekiva/

Technical_Report_WekivaMFL_2019_0417.pdf