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문제 정의
- 본 연구는 지하수위의 가뭄 평가시 활용 가능성에 대한 사전 분석으로서, 지하수위 변동 자료가 가뭄을 평가하고 예측하는데 중요한 자료로 활용될 수 있음을 알 수 있었다. 따라서, 가뭄을 정확히 평가.
- 본 연구에서는 가뭄을 평가하는 방법 중 표준강수지수 (SPI)를 활용한 가뭄도 산정 결과와 지하수위 관측자료간의 상관성을 비교 평가함으로써 향후 지하수위 자료를 활용한 가뭄 평가의 가능성을 제시하고자 하였다.
- 시계열 자료의 변동은 순환 변동, 겨절 변동, 불규칙 변동 및 선형 변동 등 여러 형태로 표현될 수 있으나, 본 연구에서는 단기간의 지하수위 변화와 표준강수지수를 비 교하는 목적으로 단순 선형회귀 모형을 적용하여 보았다.
- 앞에서 언급한 바와 같이 지하수위는 강우 및 지하수 채수 등 지속되어온 변화 상황을 잘 반영할 수 있는 지시인자가 될 수.있기 때문에 본 연구에서는 상기 3개 관측소를 대상으로 지하수위 자료 특성 분석 및 예측을 통하여 가뭄예측에 활용할 수 있는지를 검토하였다.
가설 설정
- 지표 하천수량의 제한성 때문에, 가뭄의 효과를 적절하게 반영하고 있는 지하수 저류량 인자가 가뭄을 평가하는데 그 중요성을 더하고 있다. 즉, 지하수 저류량이 크다면 가뭄은 적어질 것이며, 지하수 저류량이 일정하게 유지된다면 가뭄은 큰 영향을 미치지 않을 것이다. 가뭄현상이 지하수위에 미치는 효과를 모니터링하기 위해서는 기후의 변화를 인지할 수 있는 관측정이 필요시 되며, 이들 가뭄 관측정은 기본적으로 기존 우물이나 지하수위에 영향을 미치는 인위적인 요인으로부터 상당히 떨어진 곳에 설치하는 것이 이상적이라 할 수 있다.
제안 방법
- 가뭄 관측과 평가의 방법은 단기간의 가뭄 평가 . 예측 과 장기간의 가뭄 평가 .
- 일반적으로 국가지하수 관측소는 심도 약 70 m의 암반 지하수 관측정과 약 10-20 m 정도의 충적층 지하수 관측정으로 구성되어 있고, 매 6시간마다 자동관측에 의한 관측을 실시하고 있다. 관측항목은 지하수위, 지하수 수온, 전기전도도 등으로서 관측된 자료는 현장의 Data logger에 저장된 후 Modem 또는 CDMA 방식에 의하여 국가지하수정보센터 (www.GIMS.go.kr) 서버로 자동 .전송 되고 있다(Kim, 2005).
- 가뭄지수 산정을 위해 1973년도 부터 2001년까지의 일단위 강수자료를 수집하여 3월에서 6월까지 기준일자 별로 지속기간 1주일, 1개월 및 3개월의 시계열을 선정하였다. 기준일자는 각 월별 주단위 분석을 위해 7, 14, 21, 30(31)일을 기준으로 정리하였다. 본 분석에 이용된 기상청 측후소는 가뭄이 극심하였던 중부지역의 측후소 3개소(충주, 양^ 및 영주)를 대상으로 하였다(Table 2) (한국수자원공사, 2001).
- 표준강수지수는 용어에서 알 수 있듯이 강수량을 표준 화한 지수를 말하는데 주어진 지속기간에 대한 각 월별 강수량의 확률분포로부터 해당 연도 월의 변량값(해당 연도 월의 이동누적평균 강수량)이 발생할 누적확률을 구함으로써 산정할 수 있다. 먼저 각 지점별 매년 3월에서 6 월까지 주단위별로 이동누적평균 계열을 작성하였다. 예를 들어, 3월 7일 기준일에서 지속기간 1주, 1개월 및 3 개월에 대하여 평균강수량값을 구하여 매년 시계열을 작성하였다.
- 상기 지역에 대하여 지하수위가 회복되기 전 기간인 2001년 3월부터 5월까지 표준강수지수 및 지하수 수위 자료 간의 교차상관계수를 분석하였다. Fig.
- 단기 간의 가뭄 평가. 예측은 가뭄이 발생하기 시작한 이후 수일 또는 수주간의 지하수위 변동 자료를 토대로 향후 수일 내지 수십일의 지하수위 변화를 예측하고 관련된 가뭄의 정도를 평가한다. 본 연구의 표준강수지수와 지하수위 상관관계로부터 도출된 결과는 이와 같은 단기간의 가뭄 예측에 유용하게 사용될 수 있을 것이다.
- 이상 구축된 선형회귀 모델을 활용하여 2001년 4월 16 일부터 5월 15일까지의 지하수위 변동을 예측하여 보았다(Fig. 7). 충주가금 및 양평개군 지하수 관측소의 지하수위는 실제값과 예측값이 거의 일치하고 있으며, 영주문 정지하수 관측소의 경우에도 변화 경향성을 반영하고 있다.
- (1995)은 가뭄은상대적으로 물의 수요에 비해 물의 부족을 유발하는 것으 로서, 이는 강수량의 감소에 의해 시작된다는 것에 착안하여 표준강수지수를 개발하였다. 즉, 강수량이 부족하면 용수 공급원인 지하수량, 적설량, 저수지 저류량, 토양 함유 수분, 하천 유출량 등에 각기 다른 영향을 미친다는 것으로부터 표준강수지수를 개발하였다 . 표준 강수지수는 특정한 시간에 대한 계산 시간단위를 수개월 등과 같이 설정하고 시간단위별로 강수 부족량을 산정하여 개개의 용수공급원이 가뭄에 미치는 영향을 산정 하는 것이다.
- 지하수위의 변동 양상과 표준강수지수의 변화를 비교하기 위하여 시계열 도표를 작성하였다(Fig. 3). 3개 기상청 측후소 강수자료로부터 계산된 표준강수지수와 3개 국가 지하수 관측소 충적층 지하수 관측정의 3월초부터 6월말 까지 지하수위의 변동 패턴은 매우 유사한 형상을 보이고 있으나, 표준강수지수는 시간이 지남에 따라 상하 변동 폭을 보이기도 하는 반면, 충적층의 지하수 수위 변동은 가뭄이 계속되면서 수위의 편차가 심하지 않은 상태에서 일정한 추세를 유지하여 지속적으로 하강하는 경향을 보이고 있다.
- 표준강수지수와 지하수위와의 상관성을 분석하기 위하여 표준강수지수와 마찬가지로 1주일 간격의 지하수위 평균값을 산정하여 활용하였다. Table 6은 표준강수지수와 지하수 수위의 상관성을 나타낸 것이다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 가뭄이 가장 심했던 2001년 봄을 연구 대상 기간으로 설정하였다. 2001년 봄가뭄 기간의 가뭄정도를 표준강수지수로 표현하기 위해 기상청 측후소의 강수량 자료를 이용하였다. 가뭄지수 산정을 위해 1973년도 부터 2001년까지의 일단위 강수자료를 수집하여 3월에서 6월까지 기준일자 별로 지속기간 1주일, 1개월 및 3개월의 시계열을 선정하였다.
- 2001년 봄가뭄 기간의 가뭄정도를 표준강수지수로 표현하기 위해 기상청 측후소의 강수량 자료를 이용하였다. 가뭄지수 산정을 위해 1973년도 부터 2001년까지의 일단위 강수자료를 수집하여 3월에서 6월까지 기준일자 별로 지속기간 1주일, 1개월 및 3개월의 시계열을 선정하였다. 기준일자는 각 월별 주단위 분석을 위해 7, 14, 21, 30(31)일을 기준으로 정리하였다.
- 기준일자는 각 월별 주단위 분석을 위해 7, 14, 21, 30(31)일을 기준으로 정리하였다. 본 분석에 이용된 기상청 측후소는 가뭄이 극심하였던 중부지역의 측후소 3개소(충주, 양^ 및 영주)를 대상으로 하였다(Table 2) (한국수자원공사, 2001). 이들 3개 관측 지점의 예년 평균 대비 2001년 강수량 현황은 Table 3과 같다.
- 본 연구에서는 가뭄이 가장 심했던 2001년 봄을 연구 대상 기간으로 설정하였다. 2001년 봄가뭄 기간의 가뭄정도를 표준강수지수로 표현하기 위해 기상청 측후소의 강수량 자료를 이용하였다.
- 본 연구에서는 가뭄이 심했던 시군 3개 지역의 기상청 측후소 인근에 위치하고 있는 3개의 국가지하수 관측소의 충적층 지하수 관측정 자료를 분석에 활용하였다(Table 5,Fig. 1). 암반관측정의 경우 지표에 내린 강수가 하방향으로 침투하여 지하수위에 이르기까지 다양한 지체 요인을 접하게 되어 지하수위에 직접 영향을 미치는 경우가 희박하므로 충적층 관측정만을 연구 대상으로 하였다.
- 암반관측정의 경우 지표에 내린 강수가 하방향으로 침투하여 지하수위에 이르기까지 다양한 지체 요인을 접하게 되어 지하수위에 직접 영향을 미치는 경우가 희박하므로 충적층 관측정만을 연구 대상으로 하였다. 본 연구에서는 충주가금, 양평개군 및 영주문정 지하수 관측소 를 연구 대상으로 선정하였다. 분석에 활용된 관측기간은 가뭄현상이 극심하였던 2001년 3월초부터 가뭄이 해소되는 6월말까지로 하였다.
- 본 연구에서는 충주가금, 양평개군 및 영주문정 지하수 관측소 를 연구 대상으로 선정하였다. 분석에 활용된 관측기간은 가뭄현상이 극심하였던 2001년 3월초부터 가뭄이 해소되는 6월말까지로 하였다. Fig.
데이터처리
- 3에서 보는 바와 같이 시간에 따른 상호 상관성이 존재하는 자료이기 때문에 산점도 및 단순 회귀식에 의한 결과는 시계열 자료의 특성을 갖는 관측자료를 설명하기에는 다소 미흡하다. 따라서 이와 같은 2개의 시계열 자료들 간의 시간적 상관관계, 즉 시차를 고려한 상관관계를 분석하기 위하여 교차상관분석을 실시하였다 (건설교통부 . 한국수자원공사, 2004b; 이명재 외, 2004).
이론/모형
- 시계열성을 갖는 표준강수지수와 지하수 수위 관측자료의 상관성 분석을 위한 방법으로서 교차상관함수(Crosscorrelation function)를 이용하였다. 시계열자료에 있어서 자기상관함수(Autocorrelation function : ACF)tt 시계열 자체 자료들 사이인 #와 #와의 k 시차(time lag) 만큼 의 상관관계를 보여주는 것이며, 교차상관함수(Crosscorrelation function)는 시계열 T와 다른 시계열 x—와의k 시차의 상관관계를 나타낸다.
- 예를 들어, 3월 7일 기준일에서 지속기간 1주, 1개월 및 3 개월에 대하여 평균강수량값을 구하여 매년 시계열을 작성하였다. 확률분포형은 Pearson Type-분포를 선정하고 확률가중모멘트법 (PWM)을 이용하여 매개변수를 산정하였다. 그 다음 각 계열의 변량에 대한 누적확률값을 계산하여 그에 해당하는 표준정규분포의 Z값을 구하는데 이것이 바로 표준강수지수가 된다.
성능/효과
- " 본 연구 결과, 충주가금, 양평개군 및 영주문정 관측소 치역을 대상으로 표준강수지수(1개월 지속기간) 및 지하수 수위 관측자료 간의 교차상관계수를 구한 결과, 충주 가금 0.843, 양평개군 0.825 및 영주문정 0.737로 분석되어 상관성이 매우 높은 것으로 나타나 지하수위의 가뭄 평가의 활용성을 파악할 수 있었다. 또한, 가뭄이 극심하였던 2001년 3월1일부터 4월 15일끼지의 지하수위 선형 변동 추세를 토대로 향후 30일 간의 수위를 예측한 결과 실제 수위보다 예측 수위보다 다소 낮게 형성되었다.
- 1) 표준강수지수는 확률 특성을 갖는다.
- 3개월 지속시간의 경우 표준강수지수와 지하수위 관계는 유의하지 못한 것으로 분석되었는데, 이는 최저 지하수위 시점이 표준강수지수 최저시점과 일치하지 못하는 것에 기인한다. 1개월 지속 시간의 표준강수지수의 경우 지하수위와의 상관계수는 충주가금 0.771, 양평개군 0.814 및 영주문정 0.791 로 매우높게 나타났다.
- 2) 표준강수지수에서 이용된 강수는 현재 기간의 강수 부족량을 계산하는데 이용될 수 있다.
- 3) 표준강수지수에서 이용된 강수는 수개월의 기간에 대한 평균 강수의 현재 백분율을 계산하는데 이용될 수 있다.
- 3). 3개 기상청 측후소 강수자료로부터 계산된 표준강수지수와 3개 국가 지하수 관측소 충적층 지하수 관측정의 3월초부터 6월말 까지 지하수위의 변동 패턴은 매우 유사한 형상을 보이고 있으나, 표준강수지수는 시간이 지남에 따라 상하 변동 폭을 보이기도 하는 반면, 충적층의 지하수 수위 변동은 가뭄이 계속되면서 수위의 편차가 심하지 않은 상태에서 일정한 추세를 유지하여 지속적으로 하강하는 경향을 보이고 있다. 가장 북쪽에 위치한 양평개군 관측소의 경우에는 지하수위의 최저점(변곡점)에 해당하는 날짜가 약 5월 15일경으로서, 남쪽에 위치한 충주가금(5월 20일경) 및 영 주문정(6월 10일경)보다 빠르게 나타난다.
- 4) 표준강수지수의 분포는 정규분포이다. 따라서 표준강 수지수는 건조기간뿐 아니라 습윤기간을 감시하는데 이용 될 수 있다.
- 5) 표준강수지수는 용수 공급원, 즉 적설량, 저수지 저류량, 하천유출량, 토양수분 및 지하수량 등의 추정에 이용될 수 있다.
- 상기 지역에 대하여 지하수위가 회복되기 전 기간인 2001년 3월부터 5월까지 표준강수지수 및 지하수 수위 자료 간의 교차상관계수를 분석하였다. Fig. 4 및 Table 7에서 보는 바와 같이 3개 지점의 교차상관계수는 지속기간 1개월의 경우가 지하수위와 상관성이 가장 높은 것으로 나타났으며, 충주가금 0.843, 양평개군 0.825 및 영주 문정 0.737 등으로 분석되어 상관성이 매우 높은 것으로 나타났다. 두 인자간의 선행관계를 분석한 결과, 지속시간 1 주일 및 1 개월의 경우에는 지하수위 변동과 표준강 수지수가 동일한 시점에서 변화함을 알 수 있다.
- 737 등으로 분석되어 상관성이 매우 높은 것으로 나타났다. 두 인자간의 선행관계를 분석한 결과, 지속시간 1 주일 및 1 개월의 경우에는 지하수위 변동과 표준강 수지수가 동일한 시점에서 변화함을 알 수 있다. 반면에, 지속시간 3개월의 표준강수지수는 지하수위와 선행관계를 보이고 있으며, 지하수위가 표준강수지수보다 약 1주일 정도 앞서는 것으로 분석되었다.
- 737로 분석되어 상관성이 매우 높은 것으로 나타나 지하수위의 가뭄 평가의 활용성을 파악할 수 있었다. 또한, 가뭄이 극심하였던 2001년 3월1일부터 4월 15일끼지의 지하수위 선형 변동 추세를 토대로 향후 30일 간의 수위를 예측한 결과 실제 수위보다 예측 수위보다 다소 낮게 형성되었다. 그러나, 예측 후 약 15일간의 단기간의 예측값은 표준강수 지수의 변동 경향과 거의 일치하고 있어 과거의 기상 조건이 지속된다면 향후에 나타날 수 있는 단기간의 수위 변동을 예측하고 가뭄의 정도를 추정할 수 있을 것이다.
- 5이며, 회귀계수에 대한 유의확률 p-value도 모두 약 0으로서 회퀴식이 매우 유의한 것으로 분석되었다. 또한, 잔차의 히스토그램 분포가 정규성을 보이고 있고 표준화잔차의 정 큐 P-P Plot도 선형을 잘 보이고 있어 본 회귀모델이 적절함을 알 수 있다(Fig. 6). 이상 분석된 각 관측정 지하 수위의 선형회귀 모델은 다음과 같다.
- 이는 지속시간 3개월의 표준강수지수는 지수 결정시 2~3개월 이전의 강수량이 영향을 미치기 때문에 강우 반응이 짧은 지하수위보다 늦게 변화하는 것으로 예상된다. 본 연구에서는 시간 단위를 1주일로 정하였기 때문에 정확히 1주일을 선행한다고 해석하기에는 무리가 따르나, 지하수 수위가 표준강 수지수(지속시간 3개월)보다 선행하여 변화함을 잘 보여준다. 이와 같은 현상은 지하수 수위 변화를 활용하여 향후 발생할 가뭄의 정도를 예측할 수 있음을 설명해주고 있다.
- 그러나, 예측 후 약 15일간의 단기간의 예측값은 표준강수 지수의 변동 경향과 거의 일치하고 있어 과거의 기상 조건이 지속된다면 향후에 나타날 수 있는 단기간의 수위 변동을 예측하고 가뭄의 정도를 추정할 수 있을 것이다. 지속시간 3개월의 표준강수지수의 경우에는, 지하수위가 표준강수지수보다 1주일 정도 선행하는 것으로 분석되어 예측의 효용성도 있는 것으로 나타났다.
- 일반적으로 가뭄이란 가뭄의 정의에 따라 5가지로 구분된다(Wilhite and (ilantz, 1985). 첫째,주어진 기간 동안의 강수량이나 무강수 계속 일수 등으로 정의되는 기상학적 강수가뭄, 둘째 월별 또는 연별 평균 값과 당해연도의 월별 또는 연별 강수량과의 비교에 의하여 정의되는 기후학적 강수 가뭄, 셋째 기운, 바람 및 습도 등에 의해 정의되는 대기가뭄, 넷째 농작물의 생육에 직접 관계되는 토양내 수분에 의하여 정의되는 농업가뭄, 다섯째 하천, 저수지 및 지하수 등의 수위에 중점을 두고 용수부족에 의하여 정의되는 수문가뭄 등으로 분류된다. 가뭄의 정도를 정랑화하고 예측하기 위하여 다양한 가뭄 지수가 개발되어 있으며, 가장 일반적으로 사용되는 것들로는 PDSI(Palmer Drought Severity Index), SWSI(Sur- fece Water Supply Index) 및 SPI(Sandard PrecipitationIndex) 등이 있다.
- 여기에서 # 지하수위이며 X는 관측일자를 의미한다. 충주가금, 양평개군 및 영주문정 충적층 지하수관측정의 F 검정통계량이 8, 202.0, 821.7 및 47.5이며, 회귀계수에 대한 유의확률 p-value도 모두 약 0으로서 회퀴식이 매우 유의한 것으로 분석되었다. 또한, 잔차의 히스토그램 분포가 정규성을 보이고 있고 표준화잔차의 정 큐 P-P Plot도 선형을 잘 보이고 있어 본 회귀모델이 적절함을 알 수 있다(Fig.
- Table 6은 표준강수지수와 지하수 수위의 상관성을 나타낸 것이다. 표준강수지수와 지하수 수위 변동간의 상관성을 평가하기 위하여 Pearson 상관계수를 분석한 결과, 3개 관측지점에서 지속시간별 표 준강수지수와 지하수 수위 변화가 95% 신뢰수준에서 관련성이 높은 것으로 분석되었다. 3개월 지속시간의 경우 표준강수지수와 지하수위 관계는 유의하지 못한 것으로 분석되었는데, 이는 최저 지하수위 시점이 표준강수지수 최저시점과 일치하지 못하는 것에 기인한다.
후속연구
- 또한, 가뭄이 극심하였던 2001년 3월1일부터 4월 15일끼지의 지하수위 선형 변동 추세를 토대로 향후 30일 간의 수위를 예측한 결과 실제 수위보다 예측 수위보다 다소 낮게 형성되었다. 그러나, 예측 후 약 15일간의 단기간의 예측값은 표준강수 지수의 변동 경향과 거의 일치하고 있어 과거의 기상 조건이 지속된다면 향후에 나타날 수 있는 단기간의 수위 변동을 예측하고 가뭄의 정도를 추정할 수 있을 것이다. 지속시간 3개월의 표준강수지수의 경우에는, 지하수위가 표준강수지수보다 1주일 정도 선행하는 것으로 분석되어 예측의 효용성도 있는 것으로 나타났다.
- 즉, 장기적인 가뭄에 의하여 나타나는 지하수 수위 강하 패턴은 강수에 대한 반응 효과가 지표수와 달리 서서히 지속적으로 나타나게 된다. 따라서 이와 같은 지하 수 수위 반응 및 강하 패턴이 표준강수지수와 밀접한 관련이 있고 특정 모델로 대표될 수 있다면 지하수 수위 자료를 활용하여 단기간의 가뭄을 예측 및 평가할 수 있는 방안이 제시될 수 있을 것이다.
- 또한 가뭄의 예보는 Normal, Watch, Warning, Emergency 등 다양한 단계별로 이루어지게 된다. 본 연구에서도 Fig. 2 및 Fig. 3에서 보듯이 예년보다 낮아지는 지하수위 변동과 시작 시점을 파악할 수 있으므로 추가 연구를 통하여 장기간의 가뭄에 대한 평가가 가능할 것으로 본다.
- 예측은 가뭄이 발생하기 시작한 이후 수일 또는 수주간의 지하수위 변동 자료를 토대로 향후 수일 내지 수십일의 지하수위 변화를 예측하고 관련된 가뭄의 정도를 평가한다. 본 연구의 표준강수지수와 지하수위 상관관계로부터 도출된 결과는 이와 같은 단기간의 가뭄 예측에 유용하게 사용될 수 있을 것이다. 반면에, 장기간의 가뭄 평가.
- 따라서, 가뭄을 정확히 평가. 예측할 수 있는 최적 지점을 선정하여 가뭄 전용 관측정(DIW: Drought-Index well)을 설치한다면 가뭄으로 인한 피해를 최소화하는데 기여할 것으로 본다.
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