[논문]한강수계 장기 가뭄 수문시나리오 개발

이광만; 차형선; 이승윤

doi:10.3741/jkwra.2008.41.6.629

한강수계 장기 가뭄 수문시나리오 개발
Hydrologic Scenarios for Sustained Drought in Han River 원문보기

韓國水資源學會論文集 = Journal of Korea Water Resources Association, v.41 no.6, 2008년, pp.629 - 641

이광만 (한국수자원공사 수자원연구원 물정보화연구소) , 차형선 (한국수자원공사 관리본부 총무관리처) , 이승윤 (한국수자원공사 수자원연구원 유역환경연구소)

초록
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장기지속 가뭄에 대한 많은 연구는 과거 기록 자료에 제한을 받아왔다. 장기지속가뭄과 관련된 연구의 애로점은 분석을 위한 많은 가뭄 사상을 얻는데 필요한 장기간의 과거 수문자료의 기록이 부족하다는데 있다. 이와 같은 어려움을 극복하기 위해 근래의 연구방법중 하나는 합성유량자료 계열을 이용하는 것이다. 과거 관측 자료의 추계학적 특성에 근거하여 수문시나리오를 개발하는 것으로, 방법론은 분석에 필요한 다양한 수문사상이 포함될 수 있도록 희망하는 수문자료계열을 인위적으로 생성하는 것이다. 본 논문에서는 이와 같은 방법을 이용하여 수자원 평가를 위한 장기 가뭄 수문시나리오를 한강수계의 저수지 시스템을 대상으로 개발하였다. 아울러 갈수분포모형과 비교하여 합성 유량계열이 주어진 재현기간내에서 신뢰성 있는 장기가뭄빈도와 이에 해당하는 가뭄시나리오 개발에 이용될 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Many studies on sustained droughts have often been limited to the analysis of historic flow series. A major disadvantage in this approach can be described as the lack of long historic flow records needed to obtain a significant number of drought events for the analysis. To overcome this difficulty, one of the present study idea is to use synthetically generated hydrologic series. A methodology is presented to develop flow series based on the probabilistic analysis of the stochastic properties of the observed flows. The method can be utilized to generate a flow series of desired length so as to include many multiyear drought events within the process. In this paper, a concept of creating multiyear drought scenarios is introduced, and its development procedure is illustrated by a case study of the water supply system in Han River Basin. Also, it was found that the generated flow series can be reliably used to predict the long drought duration and sustained drought hydrologic scenarios within a given return period.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

수문 사상의 추계학적 특성에 근거하여 극한 사상을 포함하는 수문계열의 확장은 수자원 이용과 하천관리 문제에 큰 도움을 줄 수 있다. 본 연구는 이와 같은 수문자료의 한계성을 극복하기 위한 방법으로 한강수계 5개 소유역을 대상으로 과거 관측자료의 이론분포모형에 의한 갈수분석과 추계학적 수문모형에 의해 생성된 유량자료의 빈도해석을 통해 적합도를 평가하고, 장기 가뭄에 의한 수자원 시스템의 용수공급 능력을 평가하기 위한 지속기간별, 재현기간별 수문시나리오를 개발하였다. 결국 한강수계와 같이 대규모 용수공급 시설이 위치하고 있는 유역의 가뭄 해석을 다양화시키기 위해 시도된 결과는 극한 사상의 수문시계열 자료의 확보가 가능해 가뭄 해석 문제에 유용하게 활용될 수 있다.
이들 댐에서 저류된 후 방류된 유량은 팔당댐에 모여서 수도권의 각처로 공급된다. 본 연구에서는 이와 같은 특징을 고려하여 한강유역의 장기가뭄에 대한 수자원 공급체계를 평가하기 위하여 Fig. 2와 같이 수자원시설물을 기준으로 상류의 충주댐, 소양강댐 그리고 화천댐 등 3개 대규모 댐과 충주댐 하류의 조절지댐(달천유입), 그리고 이들 하류 유역인 팔당댐 유역 등 5개 소유역으로 구분하였다. 장기 가뭄 수문시나리오 개발에 필요한 과거 수문자료 역시 이들 5개 소유역을 대상으로 월 유량자료로 정리하였다.
즉 기존의 이용 가능한 시계열 수문자료를 기초로 장기 수문계열을 모의한 후 주어진 지속기간별, 재현기간별 가뭄 수문시나리오를 개발하는 것이다. 본 연구에서는 팔당댐 기준의 한강 수계를 대상으로 장기지속 기간 개념의 극치가뭄이 발생할 경우 현재의 수자원 시설물을 이용하여 수도권의 용수공급 능력을 평가하기 위해 사전적 연구로 장기 지속 가뭄의 수문시나리오를 개발하였다. 장기 가뭄 수문시나리오는 과거 관측 자료의 가뭄빈도해석과 추계학적 수문시계열 모형으로 모의된 합성유량의 가뭄빈도해석 결과를 비교하여 합치할 경우 합성유량계열에서 주어진 지속기간 및 재현기간의 가뭄시나리오를 도출하여 과거 자료의 기간에 대한 한계성을 극복할 수 있는 방법을 제시하였다.
이를 위해서는 과거 조사된 자료를 바탕으로 수문특성을 가장 잘 반영하는 절차와 기법의 적용이 필요하다. 즉 기존의 이용 가능한 시계열 수문자료를 기초로 장기 수문계열을 모의한 후 주어진 지속기간별, 재현기간별 가뭄 수문시나리오를 개발하는 것이다. 본 연구에서는 팔당댐 기준의 한강 수계를 대상으로 장기지속 기간 개념의 극치가뭄이 발생할 경우 현재의 수자원 시설물을 이용하여 수도권의 용수공급 능력을 평가하기 위해 사전적 연구로 장기 지속 가뭄의 수문시나리오를 개발하였다.

제안 방법

(1) 한강수계를 대상으로 화천댐, 소양강댐, 충주댐, 중주조절지댐 및 팔당댐을 하류지점으로 하는 5개 소유역에 대한 과거 월 유량자료를 조사한다.
(2) 조사된 5개 소유역 월 유량자료에 대한 통계분석을 실시한다.
(4) 5개 소유역의 월 유량자료를 이용하여 추계학적 수문모형을 이용하여 5개 소유역에 대한 월 단위 합성유량을 모의한다.
(5) 모의된 월 기간 합성유량을 대상으로 팔당댐 기준(소유역 유량을 모두 합한 값) 전체 유량을 대상으로 지속기간별, 빈도별 가뭄빈도를 해석한다.
(6) 과거 유량자료 계열의 지속기간별, 빈도별 가뭄유량과 합성유량의 지속기간별, 빈도별 가뭄유량을 비교하여 합치여부를 판단한 후 지속기간별, 빈도별 수문시나리오를 합성유량계열에서 선택한다.
Fig. 1의 절차에 따라 앞 절에서 얻어진 한강수계 팔당댐 상류 5개 소유역에 대한 1000년의 월 유량자료를 팔당댐 지점을 기준으로 합하여 하나의 시계열 자료를 만든 후 이를 대상으로 30, 60, 90 및 120개월 지속기간에 대한 빈도분석을 실시하고, 앞에서 구한 과거 관측 자료에 대한 가뭄분포 모형의 결과와 비교하였다. 비교 결과, 지속기간 30개월은 Fig.
따라서 위와 같이 조사된 자료를 바탕으로 5개 소유역에 대해 결측된 기간(1941∼1967)을 제외하고 한강 유역 조사사업 보고서(1971)를 근거로 한 1917년부터 1940년까지의 자료와 과거 월 유입량 기록 및 댐별 운영자료로부터 정리한 1968년 이후 1988년까지의 자료 및 수자원장기종합계획(건설교통부, 2006)에서 적용한 1968년부터 2003년까지의 유량자료를 정리하여 Table 1과 같이 두 종류의 월 유량자료 계열을 만들었다.
본 연구에서는 이와 같은 점들을 고려하여 제2장에서 제시한 장기 가뭄 수문시나리오 개발을 위한 갈수빈도 해석은 다음과 같이 11개의 모형을 이용하여 추정한 후 적합도 검정을 거쳐 몇 가지로 압축하였다(이미 널리 알려진 모형이라 세부 설명은 생략).
위의 분포모형을 이용하여 한강수계에서 1917부터 2003년까지 이용 가능한 월 유량자료를 대상으로 30, 60, 90 및 120개월 지속기간에 대해 재현기간 5, 10, 25, 50, 100 그리고 200년에 대하여 분석하였다. 빈도분석에 적용된 유량자료 계열은 한강수계 팔당댐 상류 5개 소유역에 대한 월 유량자료를 대상으로 팔당댐 기준 상류 5개 소유역의 월 유량자료를 합하여 하나의 시계열 자료를 만들었으며 이를 분석하였다. 즉 Table 2와 같이 소유역 유량자료 계열간 상관성은 낮아 주어진 빈도에 대한 개별 소유역의 빈도해석을 통해 전체 유역의 빈도 값을 추정하는 것은 논리적으로 불가능하여(예를 들면 어느 시점에 5개 소유역에서 똑같이 100년 빈도의 가뭄이 발생하는 경우) 한강수계 용수공급체계와 수자원 시설물을 고려하여 팔당댐 기준(전체 유역의 유량 값을 대상으로)의 빈도해석을 실시하였다.
위의 분포모형을 이용하여 한강수계에서 1917부터 2003년까지 이용 가능한 월 유량자료를 대상으로 30, 60, 90 및 120개월 지속기간에 대해 재현기간 5, 10, 25, 50, 100 그리고 200년에 대하여 분석하였다. 빈도분석에 적용된 유량자료 계열은 한강수계 팔당댐 상류 5개 소유역에 대한 월 유량자료를 대상으로 팔당댐 기준 상류 5개 소유역의 월 유량자료를 합하여 하나의 시계열 자료를 만들었으며 이를 분석하였다.
이들 댐들은, 화천댐은 1940년, 소양강댐은 1976년, 충주댐은 1986년부터 운영되어 각각의 자료계열이 다른 관계로 본 연구에서 사용할 유량자료는 장기지속가뭄을 고려하여 수자원장기종합계획 수립을 위해 장기유출모형으로 구한 1968∼2003의 유량자료를 이용한 유량계열 이외에 가능한 실측유량이나 과거 수자원사업보고서에서 제시된 정리된 자료를 활용하는 2가지의 방법을 검토해 보았다.
본 연구에서는 팔당댐 기준의 한강 수계를 대상으로 장기지속 기간 개념의 극치가뭄이 발생할 경우 현재의 수자원 시설물을 이용하여 수도권의 용수공급 능력을 평가하기 위해 사전적 연구로 장기 지속 가뭄의 수문시나리오를 개발하였다. 장기 가뭄 수문시나리오는 과거 관측 자료의 가뭄빈도해석과 추계학적 수문시계열 모형으로 모의된 합성유량의 가뭄빈도해석 결과를 비교하여 합치할 경우 합성유량계열에서 주어진 지속기간 및 재현기간의 가뭄시나리오를 도출하여 과거 자료의 기간에 대한 한계성을 극복할 수 있는 방법을 제시하였다.
빈도분석에 적용된 유량자료 계열은 한강수계 팔당댐 상류 5개 소유역에 대한 월 유량자료를 대상으로 팔당댐 기준 상류 5개 소유역의 월 유량자료를 합하여 하나의 시계열 자료를 만들었으며 이를 분석하였다. 즉 Table 2와 같이 소유역 유량자료 계열간 상관성은 낮아 주어진 빈도에 대한 개별 소유역의 빈도해석을 통해 전체 유역의 빈도 값을 추정하는 것은 논리적으로 불가능하여(예를 들면 어느 시점에 5개 소유역에서 똑같이 100년 빈도의 가뭄이 발생하는 경우) 한강수계 용수공급체계와 수자원 시설물을 고려하여 팔당댐 기준(전체 유역의 유량 값을 대상으로)의 빈도해석을 실시하였다. 이의 결과는 Fig.

대상 데이터

첨자 i는 지점을, ν는 연을, τ는 월을 나타낸다. 본 연구에서는 위의 모형을 이용하여 Fig. 2에서 제시된 한강수계 5개 소유역을 대상으로 Table 1의 과거유량자료 계열을 이용하여 1000년간의 월 유량자료를 모의하였다. 모의된 합성유량자료의 통계적 특징은 Table 4와 같다.
본 연구에서는 장기 가뭄 수문시나리오 중 재현기간 100년에 해당하는 지속 기간 30, 60, 90 및 120개월의 수문시나리오를 대상으로 Tables 5∼8와 같이 예로서 제시하였다.

데이터처리

이들 각 자료계열간의 결측기간(1941∼1967) 및 연속성에 대한 일관성 검증을 위해 결측기간 전x후에 대한 통계특성을 자료출처별로 구분하여 양 자료의 동질성(homogeneity)에 대한 T-Test를 시행하였다.

이론/모형

(3) 팔당댐 기준(소유역 유량을 모두 합한 값)의 전 유역의 월 유량자료를 대상으로 지속기간별, 빈도별 유량을 가뭄분포모형을 이용하여 추정한다.
이와 관련된 모형은 문헌을 통해 쉽게 찾을 수 있으며 주로 Box and Jenkins(1970)을 대표로 Fiering and Jackson(1971) 그리고 Yevjevich(1972) 등의 모형이 많이 사용되고 있다. 본 연구에서는 Yevjevich 이론(Salas et al., 1985)에 근거하여 개발된 모형(Multivariate Periodic Autoregressive Lag(1))을 적용하였다. 다지점 주기성 계열 #, i = 1, .

성능/효과

이들 각 자료계열간의 결측기간(1941∼1967) 및 연속성에 대한 일관성 검증을 위해 결측기간 전x후에 대한 통계특성을 자료출처별로 구분하여 양 자료의 동질성(homogeneity)에 대한 T-Test를 시행하였다. 분석결과, 결측기간 전x후의 계열은 모두 95% 신뢰도의 유의수준에서 유의차가 없는 것으로 나타나 동질성을 유지하고 있다고 판단하였다.
비교 결과, 지속기간 30개월은 Fig. 7과 같이 과거 자료 분포 모형보다 재현기간 100년 이내에서는 약간 큰 값을 보이나 나머지는 비교적 Fig. 3∼6의 과거자료의 결과와 비슷한 경향을 보여주고 있다.
실제 이들 두 유량자료 계열 간에는 다소 차이가 있으나 어느 것이 더 적합한지를 평가하는 것은 큰 의미가 없어 장기 지속 가뭄시나리오를 만드는 목적에 부합하는 적은 유량값을 보이는 Table 1의 Data-Ⅱ를 이용하였으며, 이 자료계열의 각 소유역간 계절을 대표하는 월(1, 4, 7 및 10월)의 상호상관계수는 Table 2와 같다. 이 표와 같이 유역간 상호상관계수는 낮은 값을 보여주어 전체 유역을 하나의 수문계열로 다루는 것은 불합리하여 소유역 단위의 유량자료 계열로 적용하는 것이 타당한 것으로 판단되었다.

후속연구

3∼6의 과거자료의 결과와 비슷한 경향을 보여주고 있다. 이는 본 연구에서 제시하고 있는 방법에 의거 장기 가뭄 수문시나리오를 개발할 수 있음을 보여주는 것으로 장기 가뭄 수문시나리오는 1000년의 합성유량에서 지속기간별, 재현기간별로 추출해 시계열로 정리하면 한강수계 5개 소유역에 대한 극치 가뭄 수문사상의 개발이 가능하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가뭄이 건조와 다른 점은?	실제 가뭄이라는 것은 공간적으로 어느 곳에서나 발생할 수 있으며 시기적으로도 언제든 발생할 수 있는 특징을 가지고 있다. 다만 가뭄(drought)은 건조(aridity)와는 달리 일시적 현상으로 정상상태에서 벗어난 경우라 할 수 있다. 자연세계에서는 일시적 가뭄에 대해서는 적응할 수 있는 여력이 있으며, 인간사회에서도 사전에 필요한 물을 댐이나 지하수 등을 개발하여 사용하기 때문에 그 피해를 줄일 수 있다.
	가뭄의 특징은?	역으로 부정확한 가뭄예측이나 대비는 오히려 더욱 심각한 상황을 초래하고 사회□경제적 피해뿐 만 아니라 자연환경에도 돌이킬 수 없는 결과가 일어날 수 있다. 실제 가뭄이라는 것은 공간적으로 어느 곳에서나 발생할 수 있으며 시기적으로도 언제든 발생할 수 있는 특징을 가지고 있다. 다만 가뭄(drought)은 건조(aridity)와는 달리 일시적 현상으로 정상상태에서 벗어난 경우라 할 수 있다.
	본 연구에서 주요 수자원 시설물의 운영과 용수공급 지점을 고려하여 지속가뭄에 대한 수문시나리오를 만들었다, 이에 대한 절차는 어떠한가?	(1) 한강수계를 대상으로 화천댐, 소양강댐, 충주댐, 중주조절지댐 및 팔당댐을 하류지점으로 하는 5개 소유역에 대한 과거 월 유량자료를 조사한다. (2) 조사된 5개 소유역 월 유량자료에 대한 통계분석을 실시한다. (3) 팔당댐 기준(소유역 유량을 모두 합한 값)의 전 유역의 월 유량자료를 대상으로 지속기간별, 빈도별 유량을 가뭄분포모형을 이용하여 추정한다. (4) 5개 소유역의 월 유량자료를 이용하여 추계학적 수문모형을 이용하여 5개 소유역에 대한 월 단위 합성유량을 모의한다. (5) 모의된 월 기간 합성유량을 대상으로 팔당댐 기준(소유역 유량을 모두 합한 값) 전체 유량을 대상으로 지속기간별, 빈도별 가뭄빈도를 해석한다. (6) 과거 유량자료 계열의 지속기간별, 빈도별 가뭄유량과 합성유량의 지속기간별, 빈도별 가뭄유량을 비교하여 합치여부를 판단한 후 지속기간별, 빈도별 수문시나리오를 합성유량계열에서 선택한다.

참고문헌 (20)

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상세보기
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상세보기
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상세보기
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Yevjevich, V. (1972). “Stochastic Processes in Hydrology.” Water Resources Publications, Fort collins, Colorado, USA
Yevjevich, V. (1975). “Generation of hydrologic samples, Case study of the Great Lakes.” Colorado State University, Fort Collins, Colorado

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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