본 연구는 기후변화와 토지이용 변화로 인한 물순환 영향을 분석하기 위해 통계학적 축소모형(SDSM), 연속유출모형인 HSPF 모형, 불투수면 모형을 결합하는 통합접근법을 제시하였다. 이러한 기법을 안양천 유역에 적용하여 치수, 이수, 수질관리 측면에서 기후변화와 토지이용변화에 대한 영향을 분석하였다. 평가 기준은 유황곡선과 오염물질 농도 지속곡선이며 기후변화 시나리오 3개 (현재, A1B, A2)와 토지이용변화 3개, 총 9개의 시나리오에 대해 HSPF 모형을 이용하여 분석하였다. 그 결과 기후변화는 유출량에 대한 영향력이 크고 토지이용변화는 농도 변화에 크게 영향을 미치는 것으로 나타났다. 따라서 지속가능한 유역관리, 수자원관리를 위해 도시화와 기후변화에 대한 영향을 동시에 고려하는 것이 바람직하다.
본 연구는 기후변화와 토지이용 변화로 인한 물순환 영향을 분석하기 위해 통계학적 축소모형(SDSM), 연속유출모형인 HSPF 모형, 불투수면 모형을 결합하는 통합접근법을 제시하였다. 이러한 기법을 안양천 유역에 적용하여 치수, 이수, 수질관리 측면에서 기후변화와 토지이용변화에 대한 영향을 분석하였다. 평가 기준은 유황곡선과 오염물질 농도 지속곡선이며 기후변화 시나리오 3개 (현재, A1B, A2)와 토지이용변화 3개, 총 9개의 시나리오에 대해 HSPF 모형을 이용하여 분석하였다. 그 결과 기후변화는 유출량에 대한 영향력이 크고 토지이용변화는 농도 변화에 크게 영향을 미치는 것으로 나타났다. 따라서 지속가능한 유역관리, 수자원관리를 위해 도시화와 기후변화에 대한 영향을 동시에 고려하는 것이 바람직하다.
This study developed an integrated approach to climate change and urbanization impact assessment by linking models of SDSM (statistical downscaling model), HSPF (hydrological simulation program?Fortran) and ICM (impervious cover model). A case study of the Anyangcheon watershed illustrated how the p...
This study developed an integrated approach to climate change and urbanization impact assessment by linking models of SDSM (statistical downscaling model), HSPF (hydrological simulation program?Fortran) and ICM (impervious cover model). A case study of the Anyangcheon watershed illustrated how the proposed framework can be used to analyze the impacts of climate change and urbanization in terms of flood control, water security and water quality. The evaluation criteria were the variations of flow and pollutant concentration duration curves. In this study, nine scenarios including three climate (present condition, A1B and A2) and three urbanization scenarios were analyzed using HSPF model. As a result, climate change is a large influence on the flowrate and the urbanization affects the pollutant concentration. Therefore, the impacts of both climate change and urbanization must be included into the watershed management and water resources planning for sustainable development.
This study developed an integrated approach to climate change and urbanization impact assessment by linking models of SDSM (statistical downscaling model), HSPF (hydrological simulation program?Fortran) and ICM (impervious cover model). A case study of the Anyangcheon watershed illustrated how the proposed framework can be used to analyze the impacts of climate change and urbanization in terms of flood control, water security and water quality. The evaluation criteria were the variations of flow and pollutant concentration duration curves. In this study, nine scenarios including three climate (present condition, A1B and A2) and three urbanization scenarios were analyzed using HSPF model. As a result, climate change is a large influence on the flowrate and the urbanization affects the pollutant concentration. Therefore, the impacts of both climate change and urbanization must be included into the watershed management and water resources planning for sustainable development.
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제안 방법
1961년부터 2000년까지의 기온과 강수 실측값을 이용하여 SDSM 모형을 구축하였고 2001년부터 2008년까지의 자료를 이용하여 검증해 보았다. R-squared 값이 서울관측소의 경우 두 시나리오에 대해 0.
, 1991, Wilby, 1994). 검증을 위하여 8년간의 일 강수 366개를 가장 큰 강수부터 가장 작은 강수까지 나열하여 각각 평균한 관측값과 모의값을 비교하는 방법을 이용하였다. 서울관측소를 기준으로 생성된 A1B 시나리오와 A2 시나리오의 초과확률에 대한 강수의 크기를 Fig.
수량 및 BOD 농도를 모의하였다. 기후변화 시나리오는 정부간 기후변화 협의회에서 제공하고 있는 대기순환모형의 결과 중 CGCM3의 결과를 이용하였다. 온실가스 배출시나리오는 IPCC의 온실가스 배출에 관한특별 보고서의 시나리오 중 A1B, A2 시나리오를 선택하여 분석하였다.
기후변화 시나리오를 HSPF 모형에 적용시키기 위하여 다중회귀분석을 기반으로 한 통계학적 축소기법 모형인 SDSM을 이용하여 월(月)단위 자료로 제공되고있는 GCM 결과값을 일단위 자료로 축소화하였다. 기후변화 시나리오를 작성한 대상 지점은 서울과 수원 관측소로 2001년부터 2100년까지의 강수와 기온 자료를생성하였다.
기후변화가 수자원에 미치는 영향을 파악하기 위해서 정부간 기후변화 협의회(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)에서 제공하고 있는 GCM 중 전세계적으로 폭넓게 사용되고 있는 CGCM3의 결과를 이용하였다. 온실가스 배출시나리오는 IPCC의 온실가스 배출에 관한 특별 보고서(Special Report on Emission Senario, SRES)의 시나리오 중 A1B, A2 시나리오를 선택하였다.
기후변화에 따른 영향을 비교하기 위해 현재 상태 (Present Condition, P)를 기준으로 과거 30년인 1979년부터 2008년까지의 평균 유황곡선을 작성하고 2011년부터 2040년까지 미래 30년 동안의 평균 유황곡선을 작성하였다. 각 유역별로 결과 값을 9개 시나리오에 대해 정리하여 제시하면 Table 5와 같고 치수, 이수, 수질 관리를 위한 각각의 자료들을 평균하여 도시하면 Fig.
, 2009). 따라서 본 연구는 GCM (General Circulation Model) 모형 중 사용빈도가 높은 CGCM3 (Canadian Global Coupled Model) 결과와 통계학적 축소화 모형인 SDSM (Statistical DownScaling Model; Wilby et al., 2002)을 이용하여대상유역의 기후변화 시나리오를 생성하고 불투수면모형 (Impervious Cover Model, ICM)을 이용하여 대상유역의 토지이용변화 시나리오를 생성한 뒤 미국 환경청 (United States Environmental Protection Agency, U.S. EPA)에서 개발한 HSPF (Hydrological Simulation Program - Fortran; Bicknell et al., 2001) 모형을 이용하여 대상 유역의 기후 변화 및 도시화에따른 물순환을 모의하였다.
본 연구는 기후 및 토지이용변화가 수자원에 미치는영향을 분석하기 위하여 연속유출모형, GCM 모형의결과, 불투수면모형(ICM)을 이용하여 안양천 유역에 대해 수량 및 BOD 농도를 모의하였다. 기후변화 시나리오는 정부간 기후변화 협의회에서 제공하고 있는 대기순환모형의 결과 중 CGCM3의 결과를 이용하였다.
1). 본 연구에서 사용된 토지 이용변화에 대한 시나리오는 총 세 가지 경우로 현상태의 토지이용을 유지하는 것(C1)과 ICM의 하천 수질 영향 단계가 각각 한 단계 상승하는 경우(C2), 두 단계 상승하는 경우(C3)로 나누어 적용하였다. 한 단계 상승하는 경우는
또한 11개의지방하천 제1지류와 9개의 지방하천 제2지류가 포함되어 있다. 본 연구에서는 하천망과 하수관망, 지형도 등을 고려하여 Fig. 2와 같이 왕곡(WG), 오전(OJ), 당정(DJ), 산본(SB), 학의(HU), 수암(SA), 삼성(SS), 삼봉(SB1), 시흥(SH), 목감(MG), 도림천(DR) 유역, 총 11개의 지천 중유역과 안양천 전체 유역(AY)으로 구분하였다.
검증을 위하여 8년간의 일 강수 366개를 가장 큰 강수부터 가장 작은 강수까지 나열하여 각각 평균한 관측값과 모의값을 비교하는 방법을 이용하였다. 서울관측소를 기준으로 생성된 A1B 시나리오와 A2 시나리오의 초과확률에 대한 강수의 크기를 Fig. 4와 같이 비교하였다. 이때 강수량이 0으로 나타난 약 30 % 이상의 값들은 제외하였다.
이용하였다. 온실가스 배출시나리오는 IPCC의 온실가스 배출에 관한 특별 보고서(Special Report on Emission Senario, SRES)의 시나리오 중 A1B, A2 시나리오를 선택하였다. A1B는 최근 IPCC AR4에서 제시하고 있는데 현실에 가장 잘 부합되는 시나리오로 그적용사례가 늘고 있다.
기후변화 시나리오는 정부간 기후변화 협의회에서 제공하고 있는 대기순환모형의 결과 중 CGCM3의 결과를 이용하였다. 온실가스 배출시나리오는 IPCC의 온실가스 배출에 관한특별 보고서의 시나리오 중 A1B, A2 시나리오를 선택하여 분석하였다. 물 및 BOD 농도를 모의하기 위해 HSPF 모형을 이용하여 모의를 실시하였다.
작성된 기후 및 토지이용변화 시나리오를 HSPF 모형에 입력하여 수량 및 BOD 농도모의를 실시하였다. 모형의 매개변수는 김경태 등(2009)이 갈수량에 맞춰제시한 값을 입력하여 모의를 수행하였으며 수량의 검증은 옻우물교의 실측값을 이용하여 수행하였다.
본 연구에서도 물 순환 분석을 위해 유황곡선(flow duration curve) 과 BOD 농도지속곡선(concentration duration curve)을이용하였다. 치수를 위해 고수량인, 10 %, 5 %, 1 % 유황을 분석하였고, 이수를 위해 저수량인, 99 %, 95 %, 90 % 유황과 수질관리를 위해 농도 지속곡선에서 30 %, 10 %, 1 %의 농도값을 이용하였다.
대상 데이터
모형의 매개변수는 김경태 등(2009)이 갈수량에 맞춰제시한 값을 입력하여 모의를 수행하였으며 수량의 검증은 옻우물교의 실측값을 이용하여 수행하였다. BOD 농도의 검증은 안양천 유역 내의 5개 환경부 수질측정지점의 자료를 이용하였다. 검증 결과 수량에 대한 모형의 효율계수가 0.
기후변화 시나리오를 작성한 대상 지점은 서울과 수원 관측소로 2001년부터 2100년까지의 강수와 기온 자료를생성하였다. 생성된 기후변화 시나리오의 경향성을 분석하기 위해 Mann-Kendall 검정을 통하여 경향성을분석하였다.
대상 유역인 안양천 유역 내 소유역과 본류 구간을 포함하여 시나리오 적용대상 구간은 Fig. 2와 같이 총 12개 중유역이다. 본 연구에서 불투수면의 변화에 따른 토지 이용변화 시나리오를 작성하게 된 이유는 토지 이용변화는 인간의 활동이기 때문에 시계열자료를 바탕으로 한 예측이 불확실하고, 이를 극복하기 위한 국가 및 지방자치단체의 계획이 구체적으로 제시되어 있지 않으며, 현재 계획된 개발계획 역시 수환경에 영향을 미치는 불투수면에 대한 변화를 야기하는 계획이 존재하지 않기 때문이다(Fig.
본 연구의 대상유역은 Fig. 2와 같이 안양천 유역이다. 안양천은 국가하천이며 한강의 제1지류로서 경기도의왕시 지지대고개에서 발원하여 북류하면서 경기도와서울시를 경유하고 한강에 유입되는 대표적인 도시하천이다.
안양천 유역 내에는 기상관측소가 위치하고 있지 않아 유역인근에 위치한 기상청 관할 서울 및 수원관측소의 1973년부터 2002년까지 30개년과, 최근 5개년(2003 ~ 2007년)의 안양천 유역의 기온 및 강우량을 분석하였다. 서울관측소의 30개년의 평균기온은 12.
안양천은 국가하천이며 한강의 제1지류로서 경기도의왕시 지지대고개에서 발원하여 북류하면서 경기도와서울시를 경유하고 한강에 유입되는 대표적인 도시하천이다. 유역의 위치는 서울의 남서쪽으로 동경 126° 4 7 ' ~ 127° 04 ', 북위 37° 18 ' ~ 37° 33 ' 이며 유역면적은 286.55 州이고 유로연장은 32.5 이며 서울시의 7개구(강서구, 양천구, 영등포구, 구로구, 동작구, 관악구, 금천구)와 경기도 7개시(과천시, 의왕시, 군포시, 안양시, 광명시, 시흥시, 부천시)에 걸쳐있다. 또한 11개의지방하천 제1지류와 9개의 지방하천 제2지류가 포함되어 있다.
데이터처리
기후변화 시나리오를 작성한 대상 지점은 서울과 수원 관측소로 2001년부터 2100년까지의 강수와 기온 자료를생성하였다. 생성된 기후변화 시나리오의 경향성을 분석하기 위해 Mann-Kendall 검정을 통하여 경향성을분석하였다. Mann-Kendall 검정은 비모수 검정으로 시계열의 경향성 여부를 판단할 수 있는 방법이다.
이론/모형
물 및 BOD 농도를 모의하기 위해 HSPF 모형을 이용하여 모의를 실시하였다. 모형에 입력자료로 이용되는 기상자료는 GCM 결과를 통계학적축소기법을 적용하여 일자료로 입력하였으며 토지이용변화는 미국의 유역보존센터의 불투수율이 수질에 영향을 주는 정도를 나타낸 불투수면 모형을 이용하여 시나리오를 작성하여 모형에 적용하였다.
작성된 기후 및 토지이용변화 시나리오를 HSPF 모형에 입력하여 수량 및 BOD 농도모의를 실시하였다. 모형의 매개변수는 김경태 등(2009)이 갈수량에 맞춰제시한 값을 입력하여 모의를 수행하였으며 수량의 검증은 옻우물교의 실측값을 이용하여 수행하였다. BOD 농도의 검증은 안양천 유역 내의 5개 환경부 수질측정지점의 자료를 이용하였다.
온실가스 배출시나리오는 IPCC의 온실가스 배출에 관한특별 보고서의 시나리오 중 A1B, A2 시나리오를 선택하여 분석하였다. 물 및 BOD 농도를 모의하기 위해 HSPF 모형을 이용하여 모의를 실시하였다. 모형에 입력자료로 이용되는 기상자료는 GCM 결과를 통계학적축소기법을 적용하여 일자료로 입력하였으며 토지이용변화는 미국의 유역보존센터의 불투수율이 수질에 영향을 주는 정도를 나타낸 불투수면 모형을 이용하여 시나리오를 작성하여 모형에 적용하였다.
본 연구에서는 안양천 유역의 유량 및 BOD 농도에대해 여러 차례 적용되어 정확성을 검증받은 연속유출모의모형인 HSPF 모형을 이용하였다(정은성 등, 2007; 2008). 작성된 기후 및 토지이용변화 시나리오를 HSPF 모형에 입력하여 수량 및 BOD 농도모의를 실시하였다.
10 %, 5 %, 1 % 유황을 이용하였다. 본 연구에서도 물 순환 분석을 위해 유황곡선(flow duration curve) 과 BOD 농도지속곡선(concentration duration curve)을이용하였다. 치수를 위해 고수량인, 10 %, 5 %, 1 % 유황을 분석하였고, 이수를 위해 저수량인, 99 %, 95 %, 90 % 유황과 수질관리를 위해 농도 지속곡선에서 30 %, 10 %, 1 %의 농도값을 이용하였다.
더욱이 도시화로 인한 불투수면적의 증가는 도로에 쌓여있는 오염물질을하천으로 유입시켜 하천수질에 좋지 않은 영향을 준다. 이에 본 연구에서는 미국의 유역보존센터의 불투수율이수질에 영향을 주는 정도를 나타낸 불투수면 모형 (CWP, 2005)을 이용하여 안양천 유역의 제1지류 유역별로 불투수면을 증가시키는 시나리오를 적용하였다. 불투수면의 비율에 따라 수환경의 상태를 구분함으로써 개략적인 하천상태를 판단할 수 있게 개발되었다.
성능/효과
1979년부터 2008년까지의 평균 유황곡선과 2011년부터 2040년까지의 평균유황곡선을 비교한 결과 강수량의 편중을 갖고 있는 GCM의 결과에 따라 유출량도 함께 증가하는 것으로 나타났다. 특히 A1B 시나리오의경우 계절적 편중이에 비해 심했지만 전체적인 증가는 A2 시나리오가 더 컸다.
서울과 수원관측소 모두 5~7 %부터 30 %까지 강수량이 전반적으로 과대 산정되는 것을 확인할 수 있었다. 2001년부터 2008년까지의 일평균 강수량을 이용하여 생성된 시나리오와 관측값의 R-squared 값을 비교한 결과 서울관측소의 경우 두 시나리오 모두 0.97로 계산되었고 수원관측소의 경우 0.99로 계산되었다.
BOD 농도의 검증은 안양천 유역 내의 5개 환경부 수질측정지점의 자료를 이용하였다. 검증 결과 수량에 대한 모형의 효율계수가 0.62(2005년 1월 1일~2005년 4월 8 일), 0.72(2006년 10월 6일~2006년 11월 2일)로 나타났으며 BOD 농도의 경우 5개 지점에서 모두 모형의 효율계수가 0.66 이상인 것으로 나타났다.
이때 강수량이 0으로 나타난 약 30 % 이상의 값들은 제외하였다. 서울과 수원관측소 모두 5~7 %부터 30 %까지 강수량이 전반적으로 과대 산정되는 것을 확인할 수 있었다. 2001년부터 2008년까지의 일평균 강수량을 이용하여 생성된 시나리오와 관측값의 R-squared 값을 비교한 결과 서울관측소의 경우 두 시나리오 모두 0.
5 로 나타났다. 수원관측소의 연평균 기온은 대상기간동안 A1B 시나리오에서 약 2.0 C 증가한 13.7C, A2 시나리오는 약 2.4C가 증가한 14.1C로 나타났다. 수원관측소의 과거 평균 연총강수량이 1, 312.
A2 시나리오의 경우 저수량과 풍수량모두 현재 상태보다 증가하였고 유역면적이 큰 HU, MG, DR, AY 유역의 저수량의 경우에는 더 많은 증가를 보였다. 전체적으로 A2 시나리오로 인한 유량의 증가가 A1B 시나리오보다 높은 증가율을 보였다.
2C가 높았다. 즉, 서울지역과 수원지역의 기온이 지난 30년 평균보다 최근 5년 평균 기온이 0.9C 큰 것으로 나타났다. 서울관측소의 30개년 평균 연강수량은 1, 332.
후속연구
수립이 가능할 것으로 판단된다. 더 나아가 우리나라에 적합한 GCM 모형과 가능한 SRES 시나리오를 선택하여 적용하는 연구와 다른 GCM 모형과 RCM (Regional Circulation Model) 모형과 결합하여 분석한 결과를 비교 검토하는 작업은 기후변화 모형의 불확실성을 줄이는데 반드시 필요하다.
본 연구의 결과를 이용하여 하천에 대한 계획을 수립할 때에 기후 및 토지이용변화를 고려한 합리적인 계획의 수립이 가능할 것으로 판단된다. 더 나아가 우리나라에 적합한 GCM 모형과 가능한 SRES 시나리오를 선택하여 적용하는 연구와 다른 GCM 모형과 RCM (Regional Circulation Model) 모형과 결합하여 분석한 결과를 비교 검토하는 작업은 기후변화 모형의 불확실성을 줄이는데 반드시 필요하다.
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