본 연구에서는 도시화와 기후변화에 대한 미래시나리오를 구성하고 각각의 시나리오별로 수자원 관리 대안들에 대한 효과분석을 수행하였다. 기후변화 시나리오는 SDSM (Statiatical Downscaling Method) 모형을 이용하여 구축하였으며 도시화는 불투수면 모형(Impervious cover model, ICM)을 이용하였다. 안양천 유역에 대해 하수처리수 재이용, 저수지 재개발 대안들을 유황곡선(flow duration curve)과 BOD 농도지속곡선(concentrationduration curve)의 변화측면에서 연속유출모형인 HSPF (Hydrological Simulation Program - Fortran) 모형을 이용하여 분석하였다. 그 결과, 시나리오별 하천 유출량에 대한 대안 효과의 차이가 고수량 ($Q_{10},\;Q_5,\;Q_1$)에 비해 저수량($Q_{99},\;Q_{95},\;Q_{90}$)과, 수질오염($C_{30},\;C_{10},\;C_1$) 측면에서 크게 나타남을 알 수 있다. 즉 도시화는 물 순환을 크게 악화시키나 대안의 적용이 이러한 현상을 크게 막아줌을 알 수 있다. 또한 목표 유지유량 및 목표 수질 만족일수는 도시화에 대해 매우 민감한 것으로 나타났다. 따라서 향후 수자원 관리 대안을 수립할 때 기후변화와 도시화에 대한 분석을 포함시키는 것이 바람직하다.
본 연구에서는 도시화와 기후변화에 대한 미래시나리오를 구성하고 각각의 시나리오별로 수자원 관리 대안들에 대한 효과분석을 수행하였다. 기후변화 시나리오는 SDSM (Statiatical Downscaling Method) 모형을 이용하여 구축하였으며 도시화는 불투수면 모형(Impervious cover model, ICM)을 이용하였다. 안양천 유역에 대해 하수처리수 재이용, 저수지 재개발 대안들을 유황곡선(flow duration curve)과 BOD 농도지속곡선(concentration duration curve)의 변화측면에서 연속유출모형인 HSPF (Hydrological Simulation Program - Fortran) 모형을 이용하여 분석하였다. 그 결과, 시나리오별 하천 유출량에 대한 대안 효과의 차이가 고수량 ($Q_{10},\;Q_5,\;Q_1$)에 비해 저수량($Q_{99},\;Q_{95},\;Q_{90}$)과, 수질오염($C_{30},\;C_{10},\;C_1$) 측면에서 크게 나타남을 알 수 있다. 즉 도시화는 물 순환을 크게 악화시키나 대안의 적용이 이러한 현상을 크게 막아줌을 알 수 있다. 또한 목표 유지유량 및 목표 수질 만족일수는 도시화에 대해 매우 민감한 것으로 나타났다. 따라서 향후 수자원 관리 대안을 수립할 때 기후변화와 도시화에 대한 분석을 포함시키는 것이 바람직하다.
This study derived the analysis results of alternatives for integrated watershed management under urbanization and climate change scenarios. Climate change and urbanization scenarios were obtained by using SDSM (Statistical Downscaling Method) model and ICM (Impervious Cover Model), respectively. Al...
This study derived the analysis results of alternatives for integrated watershed management under urbanization and climate change scenarios. Climate change and urbanization scenarios were obtained by using SDSM (Statistical Downscaling Method) model and ICM (Impervious Cover Model), respectively. Alternatives for the Anyangcheon watershed are reuse of wastewater treatment plant effluent, and redevelopment of existing reservoir. Flow and BOD concentration duration curves were derived by using HSPF (Hydrological Simulation Program - Fortran) model. As a result, low flow ($Q_{99},\;Q_{95},\;Q_{90}$) and BOD concentration ($Q_{10},\;Q_5,\;Q_1$) were very sensitive to the alternatives comparing to high flow($C_{30},\;C_{10},\;C_1$). Although urbanization makes the hydrological cycle distorted, effective alternatives can reduce its damage. The numbers of days to satisfy the instreamflow requirements and target water quality were also sensitive to urbanization. This result showed that the climate change and urbanization should be considered in the water resources/watershed and environmental planning.
This study derived the analysis results of alternatives for integrated watershed management under urbanization and climate change scenarios. Climate change and urbanization scenarios were obtained by using SDSM (Statistical Downscaling Method) model and ICM (Impervious Cover Model), respectively. Alternatives for the Anyangcheon watershed are reuse of wastewater treatment plant effluent, and redevelopment of existing reservoir. Flow and BOD concentration duration curves were derived by using HSPF (Hydrological Simulation Program - Fortran) model. As a result, low flow ($Q_{99},\;Q_{95},\;Q_{90}$) and BOD concentration ($Q_{10},\;Q_5,\;Q_1$) were very sensitive to the alternatives comparing to high flow($C_{30},\;C_{10},\;C_1$). Although urbanization makes the hydrological cycle distorted, effective alternatives can reduce its damage. The numbers of days to satisfy the instreamflow requirements and target water quality were also sensitive to urbanization. This result showed that the climate change and urbanization should be considered in the water resources/watershed and environmental planning.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 도시화와 기후변화가 발생하는 경우를 미래 시나리오로 구성하고 수자원 관리를 위한 대안들에 대해 수량 및 수질 측면에서 분석하였다. 기후변화와 도시화 분석을 통한 미래 시나리오 구성과 대상 유역에 대한 연속유출모의 모형인 HSPF (Hydrological Simulation Program - Fortran; Bicknell et al.
특히 기후변화로 인해 강우량이 늘어나고 계절적 편차는 심해졌을 뿐만 아니라 건기 유지 유량에 대한 수요가 높아져서 현재의 월류 방식이 아닌 적당한 시기에 일정량을 방류하는 운영률이 절실히 요구된다. 따라서 본 연구에서는 오전천 상류에 위치하고있는 오전 저수지의 방류량을 일정하게 유지시키는 대안을 고려하여 하천의 유량 확보와 수질 개선에 대한효과를 분석하였다. 방류량은 이길성 등(2006)에서 제시한 오전천의 유량 확보 방안으로 산정 한 0.
본 연구는 기후 및 도시화가 유역에 적용된 대안에 어떤 효과를 미치는지에 대해 분석해 보았다. 미래 시나리오에 대해 대안의 적용 효과를 살펴본 결과, 시나리오별 하천 유출량에 대한 대안 효과의 차이가 고수량에 비해 저수량, 수질오염 측면에서 크게 나타남을 알 수 있다.
제안 방법
전 세계적으로 활발하게 사용되고 있는 CGCM3 (Canadian Global Coupled Model) 모형 결과를 이용하였고(1단계) 온실가스 배출시나리오는 A1B, A2 시나리오를 선택하였다(2 단계). 기후변화 시나리오를 HSPF 모형에 적용시키기 위하여 다중회귀분석을 기반으로 한 통계학적 축소기법 모형인 SDSM 모형을 이용하여 월단위 자료로 제공되고 있는 GCM 결과값을 일단위 자료로 축소화하였다 (3단계). 기후변화 시나리오를 작성한 대상 지점은 수원관측소로 20이년부터 2100년까지의 강수와 기온 자료를 생성하였다.
4 % 이므로 오전천은 2등급(11-25 %), 수암천은 3등급 (25-60 %)에 해당된다. 따라서 오전천은 C1, C2 (불투수 면 25 % 가정), C3 (불투수면 60 % 가정)가 모두 가능하며 수암천은 C1, C2 (불투수면 60 % 가정)가 가능하므로 본 연구에서는 각 하천별로 이러한 시나리오를 포함하였다(4단계).
목표 유지유량은 수문학적 갈수량과 월별 생태 유지 유량을 비교하여 큰 값으로 산정하였으며 목표 수질은 해당 하천의 담당 지자체에서 지정하고 있는 BOD 농도로 하였다. 오전천의 경우 0.
본 연구에서 사용한 대안은 정은성 등(2008)에서 안양천 유역에 제시한 대안 중 Fig. 1과 같이 오전천(OJ) 과 수암천(SA)의 하수처리수 재이용, 기존 저수지 재개발 대안들에 대해 검토하였다. 오전천 유역 상류에는 총 저수용량이 약 63, 000 rf (유효 저수용량 59, 000 rf) 인 오전저수지가 있는데 본래 농업용으로 1960년대에 건설되었으나 유효저수용량이 크게 줄었고 최근 인근 지역이 모두 도시화되면서 더 이상 본래 기능을 유지하기 힘든 상태이다.
6 mm로 나타났다. 본 연구에서는 현재 시나리오를 포함하여 총 3개의 기후변화 시나리오를 고려하였다. SDSM 모형의 검증 결과와 적용결과는 박경신 등(2009)에 구체적으로 제시되어 있다.
flow)의 변화에 대해 10 %, 5 %, 1 % 유황을 이용하였다. 본 연구에서도 대안의 물 순환 측면에서 효과분석을 위해 유황곡선(flow duration curve)과 BOD 농도지속곡선(concentration duration curve)을 이용하였다. 치수를 위해 고수량인, 10 %, 5 %, 1 % 유황 (Q10, Q5, Q1)을 분석하였고, 이수를 위해 저수량인, 99 %, 95 %, 90 % 유황(Q99, Qse, QG과 수질관리를 위해농도 지속곡선에서 30 %, 10 %, 1 %의 농도값(C30, C10, C1)을 대안의 평가기준으로 사용하였다.
01 cms를 적용하였다. 수암천 유역에 적용하는 대안은 안양하수처리장에서 발생하는 처리수를 고도처리하여 수암천에 방류하는 대안을 적용하였다. 방류량은 10, 000 rf/일이며 평균 BOD 농도는 현재 고도처리수 농도와 같이 4.
HSPF 모형을 사용하였다(6단계). 이를 이용하여 현재 시나리오에 대한 대안의 효과를 분석하였고(7 단계), 미래 기후변화 시나리오와 도시화 시나리오에 대해 각각 모의하였다(8단계).
본 연구에서도 대안의 물 순환 측면에서 효과분석을 위해 유황곡선(flow duration curve)과 BOD 농도지속곡선(concentration duration curve)을 이용하였다. 치수를 위해 고수량인, 10 %, 5 %, 1 % 유황 (Q10, Q5, Q1)을 분석하였고, 이수를 위해 저수량인, 99 %, 95 %, 90 % 유황(Q99, Qse, QG과 수질관리를 위해농도 지속곡선에서 30 %, 10 %, 1 %의 농도값(C30, C10, C1)을 대안의 평가기준으로 사용하였다. 더 나아가 목표 유지유량(이길성 등, 2006)과 목표수질 만족일 수를 산정하여 각 개안별, 시나리오별로 제시하였다.
대상 데이터
기후변화 시나리오를 HSPF 모형에 적용시키기 위하여 다중회귀분석을 기반으로 한 통계학적 축소기법 모형인 SDSM 모형을 이용하여 월단위 자료로 제공되고 있는 GCM 결과값을 일단위 자료로 축소화하였다 (3단계). 기후변화 시나리오를 작성한 대상 지점은 수원관측소로 20이년부터 2100년까지의 강수와 기온 자료를 생성하였다. Mann-Kendall 검정을 통하여 경향성을 분석한 결과 수원관측소의 연평균 기온은 대상기간동안 A1B 시나리오에서 약 2.
본 연구에 적용되는 유역은 오전천과 수암천으로 각각 유역면적이 4.26 km2, 8.07 km2이고 유로연장은 2.85 to, 5.50 km2이다. 두 유역 모두 경기도에 포함되며 도시지역 면적 비율이 각각 11.
등 (2009)의 연구결과를 이용하였다. 전 세계적으로 활발하게 사용되고 있는 CGCM3 (Canadian Global Coupled Model) 모형 결과를 이용하였고(1단계) 온실가스 배출시나리오는 A1B, A2 시나리오를 선택하였다(2 단계). 기후변화 시나리오를 HSPF 모형에 적용시키기 위하여 다중회귀분석을 기반으로 한 통계학적 축소기법 모형인 SDSM 모형을 이용하여 월단위 자료로 제공되고 있는 GCM 결과값을 일단위 자료로 축소화하였다 (3단계).
이론/모형
5단계를 위해 사용된 대상유역의 목표 유지 유량과 목표 수질은 이길성 등(2006)이 제시한 값을 이용하였다. 목표 유지유량은 수문학적 갈수량과 월별 생태 유지 유량을 비교하여 큰 값으로 산정하였으며 목표 수질은 해당 하천의 담당 지자체에서 지정하고 있는 BOD 농도로 하였다.
분석하였다. 기후변화와 도시화 분석을 통한 미래 시나리오 구성과 대상 유역에 대한 연속유출모의 모형인 HSPF (Hydrological Simulation Program - Fortran; Bicknell et al., 2001) 모형의 구축은 선행연구인 박경신 등 (2009)의 결과를 사용하였다.
도시화에 대한 시나리오 구성은 미국의 유역보존센터 (Center for Watershed Protection, CWP)의 불 투수율이 수질에 영향을 주는 정도를 나타낸 ICM 모형을 이용하였다. 불투수면 모형에서 분류한 4가지의 등급(1등급: 0-11 %, 2등급: 11-25 %, 3등급: 25-60 %, 4등급: 60 % 이상에 따라 다음과 같이 시나리오를 구성하였다.
본 연구에서는 기후변화 시나리오 구성을 위해 박경신 등 (2009)의 연구결과를 이용하였다. 전 세계적으로 활발하게 사용되고 있는 CGCM3 (Canadian Global Coupled Model) 모형 결과를 이용하였고(1단계) 온실가스 배출시나리오는 A1B, A2 시나리오를 선택하였다(2 단계).
본 연구에서는 박경신 등(2009)이 기후변화와 도시화에 대한 안양천 유역의 물 순환 변화를 분석하기 위해 구축한 HSPF 모형을 사용하였다(6단계). 이를 이용하여 현재 시나리오에 대한 대안의 효과를 분석하였고(7 단계), 미래 기후변화 시나리오와 도시화 시나리오에 대해 각각 모의하였다(8단계).
성능/효과
기후변화 시나리오를 작성한 대상 지점은 수원관측소로 20이년부터 2100년까지의 강수와 기온 자료를 생성하였다. Mann-Kendall 검정을 통하여 경향성을 분석한 결과 수원관측소의 연평균 기온은 대상기간동안 A1B 시나리오에서 약 2.0℃ 증가한 13.7℃, A2 시나리오는 약 2.4C가 증가한 14.1 C로 나타났다. 수원관측소의 과거 평균연총강수량이 1, 312.
고수량의 경우 도시화와 A1B, A2 시나리오에 대해 대안의 적용이 큰 영향이 없는 것으로 나타났다(평균 0.4 % 증가). 이는 용수공급을 위한 농업용 저수지로 저수용량이 매우 작기 때문이다.
8 %로 더욱 커지는 것으로 나타났다. 기후변화 시나리오별로 살펴보면 현재상태의 경우 70.4 %로 가장 크게 나타났으며 A1B 시나리오의 경우 41.0 %, A2 시나리오의 경우 45.6 %로 나타났다. 따라서 저수량 측면과 마찬가지로 기후변화를 대비하여 현재의 효과를 유지하기 위해서는 현재보다 큰 저수용량의 저수지로 재개발하여 방류량을 증가시키는 것이 필요하다.
6 %로 오히려 감소되는 것으로 나타났다. 기후변화가 이루어지면 현재 계획된 대안의 효과는 현재 A2 시나리오를 제외하고는 모두 현재 기상조건보다 감소되는 것으로 나타났다.
도시화로 인해 대안의 효율은 더 커지지만 만족일 수는 오히려 줄어들고 있다. 기후변화는 강우의 증가로 인한 유출의 증가로 인해 만족일수를 증가시키는 효과도 있으며 대안의 적용으로 인해 만족일수는 이전보다 더 크게 나타남을 알 수 있다.
50 km2이다. 두 유역 모두 경기도에 포함되며 도시지역 면적 비율이 각각 11.4 %, 25.4 %로 안양천의 다른 유역들에 비해 도시화가 덜 진행되었다. Fig.
감소함을 알 수 있다. 또한 기후변화로 인해 대안의 효과 또한 조금씩 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 기후변화를 고려할 경우 현재 계획 중인 저수지 재개발은 저수용량과 방류량을 보다 크게 구성되어야 함을 알 수 있다.
즉 대안의 적용이 도시화로 인한 농도 증가를 둔화시켰다고 할 수 있다. 또한 기후변화로 인해 대안의 효과는 C1, C2 토지이용 시나리오 모두 감소하는 것으로 나타났다. C1 시나리오의 경우 현재 기상 시나리오에서 -50.
8 %로 더 커지며 A1B 시나리오의 경우 대안으로 인한 효과가 약간 줄어들지만 A2 시나리오의 경우 약간 증가하는 것으로 나타났다. 목표 농도 만족일 수는 대안의 적용으로 모두 증가하는 것으로 나타났으며 도시화가 진행될수록 효과는 28.4 %, 49.1 %, 104.8 %로 더욱 커지는 것으로 나타났다. 기후변화 시나리오별로 살펴보면 현재상태의 경우 70.
목표 농도 만족일수는 대안의 적용으로 모두 증가하는 것으로 나타났으며 도시화가 진행될수록 효과는 매우 크게 증가함을 알 수 있다. C1 토지이용 시나리오에 대해 대안 적용전 현재 기상 조건에서 160.
즉 도시화가 진행될수록 악화된상태로 인해 대안의 상대적 효율을 크게 증가한다. 목표 수질 만족일수는 도시화에 대해 매우 민감함을 알 수 있었다. 저수지의 저수용량에 따라 다르겠지만 안양천 유역의 경우 이수 측면에서 하천수 확보와 수질 관리 측면에서 수질 개선 효과는 하수처리수 재이용이 상대적으로 큼을 알 수 있다.
목표 유지유량 만족일수는 대안의 적용으로 인해 모두 증가하지만 도시지역 비율이 높을수록 대안의 효율이 감소함을 알 수 있다. 또한 기후변화로 인해 대안의 효과 또한 조금씩 감소하는 것으로 나타났다.
효과를 미치는지에 대해 분석해 보았다. 미래 시나리오에 대해 대안의 적용 효과를 살펴본 결과, 시나리오별 하천 유출량에 대한 대안 효과의 차이가 고수량에 비해 저수량, 수질오염 측면에서 크게 나타남을 알 수 있다. 기후변화가 대안들의 효과를 감소시키고 있으므로 과거 기상조건으로 설계했을 경우 대부분 30년 후에는 부족현상이 발생할 수 있다.
5 % 증가율을 보였다. 특히 불투수면 비율이 높아질수록 현재 및 A1B 시나리오의 경우 저수량 증가 효과가 36.4 %, 41.2 %, 55.9 %와 35.2 %, 39.9 %, 51.8 %로 각각 나타났으며 A2 시나리오는 43.4 %, 38.1 %, 23.6 %로 오히려 감소되는 것으로 나타났다. 기후변화가 이루어지면 현재 계획된 대안의 효과는 현재 A2 시나리오를 제외하고는 모두 현재 기상조건보다 감소되는 것으로 나타났다.
후속연구
따라서 기후변화를 고려할 경우 현재 계획 중인 하수처리수 재이용 대안은 안양하수처리장의 고도처리용량을 재이용수 이용량을 더 크게 계획하여야만 미래에서도 동일한 효과를 유지할 수 있다. 이러한 내용이 불가능하다면 수암천 유역에 소규모 하수처리장을 건설하여 현재 계획된 재이용수와 함께 유지 유량으로 확보하는 방안을 계획할 수 있다.
특히 이러한 적응을 위해 수립된 대안에 대한 효과를 미래의 불확실한 기후 및 환경변화를 반영하여 정량적으로 정확하게 예측하는 것이 적응 관리(adaptive management) 계획을 수립하는데 반드시 필요하다. 향후에는 다양한 GCM 모형과 RCM (regional circulation model) 모형을 고려하여 기후변화 모의모형과 시나리오에 대한 불확실성을 감소시키는 연구가 반드시 필요하다. 또 분석의 정확성을 높이기 위해 도시화에 대한 구체적인 계획을 수집하고 이를 모의하는 것이 필요하다.
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