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문제 정의
- 동안의 총 강우량을 나타내는 것으로 본 연구에서는 월별 유출량을 파악하고자 월 평균 강우량자료를 적용하여 분석하였다.
- 이러한 상황 속에서 자연적인 강우에 의한 빗물을 효과적으로 이용하고자 하는 빗물관리에 대한 관심이 집중되고 있으며, 효율적인 빗물관리를 위해서는 강우량과 빗물의 침투 및 유출지역, 증발산 작용 등과 같은 물순환 체계에 대한 공간정보가 필요하다. 따라서 본 연구는 경상남도를 대상으로 강우량 분포와 증발산량 분포, 표면유출량 분포를 GIS기반으로 분석하여 빗물관리에 대한 객관적이고 효율적인 자료를 제공하고자 하였다.
- 따라서 본 연구는 경상남도를 대상으로 물순환 체계 개선과 효율적인 빗물관리를 위한 계획 및 정책 수립에 활용가능한 지리정보시스템(GIS) 기반의 강우량, 증발산량, 표면유출량의 물순환 체계 분석 및 지도화(mapping)하는 것을 목적으로 하였다.
제안 방법
- 토지이용도는 2007년 환경부에서 제작한 1:25,000축척의 토지피복중분류도를 활용하였고, 정밀토양도는 1:25,000 축척으로 농업과학기술원의 자료를 이용하였다. Landsat 5 TM 위성영상을 이용하여 식생지수 분석하였다. 또한, 경상남도 전 지역의 강우량 분포를 분석하기위해 국토해양부의 10년간(1999~2008년)강우량 자료를 수집하였고, 기상자료는 경상남도 내외의 17개 자동기상측정 자료를 활용하였다.
- 강우량분포는 경상남도 전 지역을 대상으로 월별 평균 강우량을 분석하여 강우패턴과 지형적·지리적 특성으로 발생되는 강우량의 차이를 파악하였다.
- 공간내삽법에 의한 강우량 분포자료는 공간해상도 1km×1km의 래스터 자료구조로 구축하였으며, 월별 평균 강우량과ArcGIS의 zonal statistic 기능을 이용한 시 군별 강우량 특성도 분석하였다.
- 그리고 SCS의 수문학적 토양형과 토지이용도를 바탕으로 유출곡선지수 CN값을 산정하는데, 본 연구에서는 표 3에 제시된 토지피복특성에 따른 수문학적 유출곡선지수 CN값을 적용하였으며, 이 CN값은 선행토양함수조건(Antecedent soil Moisture Condition,AMC) Ⅱ인 경우이다.
- 또한, 토지이용은 환경부의 토지피복중분류 속성을 활용하여 재분류하였는데, 도시지역은 시가화 및 건조지역 속성, 농경지는 농업지역과 초지, 습지, 나지 속성, 활엽수는 활엽수림 속성, 상록수는 침엽수림 속성으로 분류하였고, 토지피복속성중에서 미 분류된 혼효림과 수역은 면적이 크지 않기 때문에 연접한 토지피복속성으로 대 체하였다(그림 4
- 여기서, 식생지수는 식생의 분포와 상태를 나타내는 지수로서, 경상남도 지역에 해당되는 Landsat 5 TM 위성영상을 선정하여 영상처리 프로그램인 PG-STEAMER v.4.2로 방사 및 기하보정을 실시하였고, 파장대가0.63~0.69㎛인 band 3과 0.75~0.90㎛인band 4를 이용하여 식 1과 같이 식생지수를산출하였다(그림 4(a)).
- 또한, 경상남도 전 지역의 강우량 분포를 분석하기위해 국토해양부의 10년간(1999~2008년)강우량 자료를 수집하였고, 기상자료는 경상남도 내외의 17개 자동기상측정 자료를 활용하였다. 이상과 같이 수집된 기초자료를 이용하여 강우량, 증발산량 분포, 표면유출량을 래스터(raster) 자료구조로 분석하였다. 강우량분포는 경상남도 전 지역을 대상으로 월별 평균 강우량을 분석하여 강우패턴과 지형적·지리적 특성으로 발생되는 강우량의 차이를 파악하였다.
- 강우량분포는 경상남도 전 지역을 대상으로 월별 평균 강우량을 분석하여 강우패턴과 지형적·지리적 특성으로 발생되는 강우량의 차이를 파악하였다. 증발산량은 토지피복과 기온에 의해 발생되는 증발산 작용으로 인해 대기 중으로 빠져나가는 빗물의 양을 분석하였으며, 표면유출량은 빗물이 지하수로 스며들지 않고 지표면으로 유출되는 양을 파악하였다.
- 따라서 이 같은 조례를 바탕으로 경상남도 빗물관리 정책을 종합적이고 체계적으로 시행할 수 있는 빗물관리 기본계획을 수립의 근거를 마련하기 위해 강우량분포, 증발산량분포, 표면유출량 분포와 같은 공간정보의 구축이 필요할 것으로 본다. 한편, 통합 창원시의 경우는 통합이전인 창원시, 마산시, 진해시로 구분하여 분석하였다.
대상 데이터
- 이는 공간적 으로 인접한 지점 사이의 값은 공통된 위치요인으로 인하여 유사성을 갖고, 두 지점 사이의 거리가 증가할수록 이러한 유사성은 상대적으로 감소하게 된다는 원리이다(조홍래와정종철, 2006). 강우량은 그림 3과 같이 경상남도 및 인접한 주변지역의 약 80여개 지점에서 10년간(1999~2008년) 측정한 자료를 이용하였다. 공간내삽법에 의한 강우량 분포자료는 공간해상도 1km×1km의 래스터 자료구조로 구축하였으며, 월별 평균 강우량과ArcGIS의 zonal statistic 기능을 이용한 시 군별 강우량 특성도 분석하였다.
- Landsat 5 TM 위성영상을 이용하여 식생지수 분석하였다. 또한, 경상남도 전 지역의 강우량 분포를 분석하기위해 국토해양부의 10년간(1999~2008년)강우량 자료를 수집하였고, 기상자료는 경상남도 내외의 17개 자동기상측정 자료를 활용하였다. 이상과 같이 수집된 기초자료를 이용하여 강우량, 증발산량 분포, 표면유출량을 래스터(raster) 자료구조로 분석하였다.
- 본 연구는 한반도의 동남단에 위치하는 경상남도를 대상으로 실시하였다(그림 1). 지리적위치는 북쪽으로 대구광역시와 인접해 있고, 서쪽으로 소백산맥을 경계로 전라남도, 전라북도와 접해있다.
- 본 연구는 그림 2와 같은 과정으로 수행하였다. 우선 분석을 위해 공간자료인 토지이용도, 정밀토양도, 위성영상자료와 강우량과 기상자료 등 기초자료를 수집하였다. 토지이용도는 2007년 환경부에서 제작한 1:25,000축척의 토지피복중분류도를 활용하였고, 정밀토양도는 1:25,000 축척으로 농업과학기술원의 자료를 이용하였다.
- 우선 분석을 위해 공간자료인 토지이용도, 정밀토양도, 위성영상자료와 강우량과 기상자료 등 기초자료를 수집하였다. 토지이용도는 2007년 환경부에서 제작한 1:25,000축척의 토지피복중분류도를 활용하였고, 정밀토양도는 1:25,000 축척으로 농업과학기술원의 자료를 이용하였다. Landsat 5 TM 위성영상을 이용하여 식생지수 분석하였다.
이론/모형
- 따라서 본 연구는 이러한 단점을 보완하고자 경상남도전 지역에 대한 강우량 분포는 특정 지점을 선정하여 관측 값을 얻은 후 이를 이용하여 미관측지점의 값을 예측하는 공간내삽법(SpatialInterpolation Method)을 이용하였다. 공간내 삽법은 특정 지점을 선정하여 관측 값을 얻은 후 미 관측지점을 예측하는 것으로 본 연구에서는 ArcGIS의 IDW(Inverse DistanceWeighted) 기법을 적용하였다. 이는 공간적 으로 인접한 지점 사이의 값은 공통된 위치요인으로 인하여 유사성을 갖고, 두 지점 사이의 거리가 증가할수록 이러한 유사성은 상대적으로 감소하게 된다는 원리이다(조홍래와정종철, 2006).
- 그리고 기온분포는 경상남도 및 인접 주변지역의 17개 자동기상측정 지점의 2007년도 기상자료를 활용하여 공간내삽법인 IDW 기법으로 분석하였다(그림 4
- 그러나 토양의 성질을 양적으로 표현하기가 어렵기 때문에 SCS(Soil ConservationService)에서는 토양의 침투능을 기준으로 표 2와 같이 토양의 성질을 4개의 토양군으로 분류하고 있다. 따라서 본 연구는 SCS 방식의 수문학적 토양특성 분류를 위해 농업과학기술원에서 제공하는 정밀토양도의 토양속성을 배수등급과 토성에 따라 재분류하였다(농업과학기술원, 2006; 안승섭 등, 2006; 창원시, 2009).
- 하지만 산술평균법은 강우관측소의 정보를 단순히 산술평균하는 방법으로 대상지의 호우특성을 잘 반영하지 못한다는 단점이 있고, Thiessen 기법의 경우는 관측소의 지배면적에 민감하게 반응하며, 등우선법은 일반적으로 대상지경계선상에서 등우선이 걸치는경우 경계처리가 임의적일 수밖에 없다(최용규, 2001; 조흥래와 정종철, 2006). 따라서 본 연구는 이러한 단점을 보완하고자 경상남도전 지역에 대한 강우량 분포는 특정 지점을 선정하여 관측 값을 얻은 후 이를 이용하여 미관측지점의 값을 예측하는 공간내삽법(SpatialInterpolation Method)을 이용하였다. 공간내 삽법은 특정 지점을 선정하여 관측 값을 얻은 후 미 관측지점을 예측하는 것으로 본 연구에서는 ArcGIS의 IDW(Inverse DistanceWeighted) 기법을 적용하였다.
- 직접적인측정은 공간적·시간적으로 많은 한계를 가지고 있기 때문에, 현재 지구관측 위성에 의해 광역적으로 증발산량을 추정하는 방법이 주를 이루고 있다(김수진 등, 2009). 따라서 본 연구는 증발산 작용에 영향을 미치는 인자인 식생지수와 기온, 토지이용을 독립변수로 하는신사철과 안태용(2007)의 증발산량 추정식(표 1)으로 분석하였다. 이 식에 의해 산출된 증발산량은 Penman의 잠재증발산량으로 실제증발산량을 산정한 것과 약 10% 전후의 오차를 보이는 것으로 나타나 실제증발산량의예측에 적정한 것으로 평가하였다.
성능/효과
- 표면유출량은 전반적으로 평균 강우량에 크게 영향을 받는 것으로 나타났다. 그리고 증발산량 분석결과와는 대조적으로 시가화 및 건조지역에서 표면유출량이 많았는데, 이는 불투수포장면에 의해 빗물이 지하로 스며들지 못하기 때문에 나타난 결과이며, 하천의 건천화현상과 지하수량 부족, 도시홍수 등에 영향을 미칠 수 있을 것으로 판단된다. 시군별로는 하동군이 90.
- 반면에, 경상남도 내륙지역인 창녕군, 밀양시, 창원시, 김해시 등은 강우량이 상대적으로 적은 것으로 분석되었다. 시군별로는 하동군이 월 평균 146.62mm로 강우가 가장 많은 것으로 분석되었고, 이와 반대로 창원시와 창녕군은 월 평균 약 105mm 이하의 강우로 비교적 적은 것으로 나타났다. 강우량패턴은 우리나라의 강우 특성상 여름철인6~9월에 집중적으로 내리는 것을 알 수 있으나, 10~3월에는 평균 강우량을 밑도는 것으로 나타났다.
- 연구결과를 요약하면, 먼저 강우량 분포는 경상남도 남서부 지역의 하동군, 산청군, 사천시, 함양군 등에서 많은 것으로 나타났고, 중동부의 창녕군, 밀양시, 창원시, 김해시 등은 상대적으로 적은 것으로 나타났다. 시군별로는 하동군이 평균 146.
- 따라서 본 연구는 증발산 작용에 영향을 미치는 인자인 식생지수와 기온, 토지이용을 독립변수로 하는신사철과 안태용(2007)의 증발산량 추정식(표 1)으로 분석하였다. 이 식에 의해 산출된 증발산량은 Penman의 잠재증발산량으로 실제증발산량을 산정한 것과 약 10% 전후의 오차를 보이는 것으로 나타나 실제증발산량의예측에 적정한 것으로 평가하였다.
- 증발산량 추정식에 의해 분석된 월별 증발산량 분포결과는 그림 6과 같으며, 전반적으로 경상남도의 증발산량은 바다와 인접해 있는 지역에서 많은 것으로 나타났다. 이는 해안지역의 온난한 기후로 인해 기온 변수가 많이 작용하기 때문인 것으로 판단되며, 특히계절상 겨울로 접어드는 10~11월의 증발산량분포에서 보는 바와 같이, 경상남도 서북쪽의내륙지역보다는 습하고 온난한 해안지역의 증발산량이 뚜렷하게 많은 것을 알 수 있다.
- 표면유출량은 전반적으로 평균 강우량에 크게 영향을 받는 것으로 나타났다. 그리고 증발산량 분석결과와는 대조적으로 시가화 및 건조지역에서 표면유출량이 많았는데, 이는 불투수포장면에 의해 빗물이 지하로 스며들지 못하기 때문에 나타난 결과이며, 하천의 건천화현상과 지하수량 부족, 도시홍수 등에 영향을 미칠 수 있을 것으로 판단된다.
- 그러므로 계절에 따라 강우량의 편차가 클 것으로 예상되는데, 특히 하동군과 산청군 등은 다른 시군에 비해 월별 평균 강우량의 차이가 크게 나타나 빗물관리시설의용량 및 규격 등을 결정하는데 이러한 부분이 고려되어야 할 것으로 판단된다. 한편, 경상남도의 30년간 실측에 의한 월평균강우량과 비교한 결과, 여름철에 다소 차이가 있는 것으로 나타났지만, 전반적으로 비슷한 패턴으로 강우량이 내리는 것으로 분석되었으며, 평균강우량이 본 연구에서 분석된 결과와 0.78mm 차이로 크지 않은 것으로 확인되었다(표 4).
- 한편, 증발산량 분석결과와는 대조적으로 시가지화 및 건조지역은 표면유출량이 많은 것으로 나타났다. 이는 불투수포장면으로 인해 강우시 빗물이 지하로 스며들지 못하기 때문인 것으로 판단되며, 이로 인해 하천의 건천화현상과 여름철 집중호우가 내렸을 때 도시의 홍수를 초래할 수도 있다.
후속연구
- 이에 따라, 강우시 집중호수에 의한 침수피해를 저감하고, 용수공급의 확보 등을 위해 2009년에 경상남도 빗물관리에 관한 조례를 제정하여 빗물관리를 위한 법적근거를 마련하였다(경남지역환경기술개발센터, 2010). 따라서 이 같은 조례를 바탕으로 경상남도 빗물관리 정책을 종합적이고 체계적으로 시행할 수 있는 빗물관리 기본계획을 수립의 근거를 마련하기 위해 강우량분포, 증발산량분포, 표면유출량 분포와 같은 공간정보의 구축이 필요할 것으로 본다. 한편, 통합 창원시의 경우는 통합이전인 창원시, 마산시, 진해시로 구분하여 분석하였다.
- 이는 불투수포장면으로 인해 강우시 빗물이 지하로 스며들지 못하기 때문인 것으로 판단되며, 이로 인해 하천의 건천화현상과 여름철 집중호우가 내렸을 때 도시의 홍수를 초래할 수도 있다. 따라서 이러한 문제를 완화하기 위해서는 유출량을 줄일 수있는 투수성 포장재질을 조성하고, 유출량 증가로 인한 하류지역의 피해를 방지하기 위해유수지, 저류지 등과 같은 유출지체 구조물의설치 등이 필요할 것으로 사료된다.
- 한편, 증발산량은 물 순환과정 중에서 물이 기화되어 대기 중으로 없어지는 양으로 수자원을 개발하고자 하는 지점에서의 가용 수자원 중 순수하게 이용 가능한 양을 추정하는데 필요하며, 단기간보다는 비교적 장기간 수자 원의 양적 손실 정도를 판단하는 기준이 된다(윤용남, 2007). 따라서 증발산량을 고려하여 실질적으로 이용할 수 있는 빗물의 양을 산정하여 빗물관리계획 수립 및 이용시설을 설치해야 할 것으로 판단된다.
- 특히 지하수량과 생활용수 및 공업용수가 부족한 시군에 빗물이용시설을 설치할 시에 설치위치와 시설용량을 결정하는데 객관적인 자료로 이용하여 안정적인 물 공급과 하천의 건천화 등의 문제를 해결할 수 있을 것이다. 또한, 가정과 관공서, 공공시설, 공장 등에서 빗물이용을 활성화할 수 있는 각종제도를 마련하여 수돗물을 빗물로 대체함으로서 에너지 절약을 기대할 수 있을 것으로 보며, 아울러 기후변화에 대한 대응과 녹색성장을 위한 기반이 될 것으로 사료된다.
- 마지막으로, 향후 본 연구에서는 증발산량의 산정시 Landsat TM 위성영상에서 얻어진 NEVI 자료를 사용하였지만, 추정식은 NOAA/AVHRR 자료를 이용하였기 때문에 파장대의 범위가 미세하게 차이가 있을 것으로 판단되어 추후에는 이를 보완할 예정이다. 또한, 표면유출량 산정시 누가강우량의 경우, 차후 연구에서는 시군별로 강우횟수 및 강우량 등을 고려하여 실질적으로 누가된 강우량을 분석하여 표면유출량을 산정할 계획이다.
- 마지막으로, 향후 본 연구에서는 증발산량의 산정시 Landsat TM 위성영상에서 얻어진 NEVI 자료를 사용하였지만, 추정식은 NOAA/AVHRR 자료를 이용하였기 때문에 파장대의 범위가 미세하게 차이가 있을 것으로 판단되어 추후에는 이를 보완할 예정이다. 또한, 표면유출량 산정시 누가강우량의 경우, 차후 연구에서는 시군별로 강우횟수 및 강우량 등을 고려하여 실질적으로 누가된 강우량을 분석하여 표면유출량을 산정할 계획이다.
- 이상의 GIS기반 물순환 체계 분석결과는 경상남도의 효율적인 빗물관리를 위한 계획 및 정책마련의 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다. 특히 지하수량과 생활용수 및 공업용수가 부족한 시군에 빗물이용시설을 설치할 시에 설치위치와 시설용량을 결정하는데 객관적인 자료로 이용하여 안정적인 물 공급과 하천의 건천화 등의 문제를 해결할 수 있을 것이다.
- 반면에 토지이용상 시가화 및 건조지역이분포면적이 많은 창원시, 진해시 등은 계절에 상관없이 증발산량이 낮은 것으로 나타났는데, 이는 불투수포장면과 건물 등과 같이 건조한 인공구조물로 피복되어있기 때문으로 판단된다. 이에 따라, 태양 복사열에 의해 지표온도의 변화가 심하며 도시열섬현상의 원인으로작용하기 때문에 도시의 물순환 뿐만 아니라, 기후적인 측면에서도 증발산 현상을 향상시키기 위해 녹지 및 공원 등의 조성이 필요할 것으로 사료된다.
- 이상의 GIS기반 물순환 체계 분석결과는 경상남도의 효율적인 빗물관리를 위한 계획 및 정책마련의 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다. 특히 지하수량과 생활용수 및 공업용수가 부족한 시군에 빗물이용시설을 설치할 시에 설치위치와 시설용량을 결정하는데 객관적인 자료로 이용하여 안정적인 물 공급과 하천의 건천화 등의 문제를 해결할 수 있을 것이다. 또한, 가정과 관공서, 공공시설, 공장 등에서 빗물이용을 활성화할 수 있는 각종제도를 마련하여 수돗물을 빗물로 대체함으로서 에너지 절약을 기대할 수 있을 것으로 보며, 아울러 기후변화에 대한 대응과 녹색성장을 위한 기반이 될 것으로 사료된다.
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