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문제 정의
- 본 연구에서는 VIC 모델을 활용한 가뭄해석을 수행하고자 총 586개의 격자별 모의된 유출 및 토양수분정보를 가뭄지수로 변환하고자 한다. 일 단위 정보를 월단위로 환산한 후 연도별 (1976～2009년) 매월 누적기간별 평균값으로 전환하였으며, 적정분포형 선정을 위한 적합도 검정을 수행하였다.
- 본 연구에서는 VIC 모델이 국내 가뭄해석 적용성을 평가하기위해 남한 전역에 대한 VIC 모델을 구축하였으며, 모형 구축에 필요한 입력자료인 지형정보와 기상정보를 수집하였다. 우선 지형정보는 국토해양부에서 제공하는 100m 간격의 DEM (Digital Elevation Model)과 환경부에서 제공하는 100m 간격의 토지피복도를 이용하였으며, 농업과학기술원으로부터 정밀토양도 (1 : 25000)와 토양속성자료를 제공받아 토양특성인자를 산정하였다.
- 본 연구에서는 국내를 대상으로 지표수문해석모형을 구축하고 가뭄해석을 위한 가뭄정보를 산출하여 가뭄해석 및 활용가능 여부를 평가하고자 한다.
- 본 연구에서는 권역 또는 국가별 수문해석에 용이한 VIC 모델을 활용하여 국내에 대한 유출해석을 수행하였으며, 산정된 수문성분을 가뭄지수로 전환하여 국내 가뭄 해석 및 활용에 대한 적용성을 평가하였다. 본 연구에서 분석된 결과를 정리하면 다음과 같다.
- 본 연구에서는 산정된 유출 및 토양수분정보를 이용하여 유역별 가뭄해석의 적용성을 평가하였다. 대상유역은 각 수계별로 충주, 안동, 대청 및 섬진강 댐을 대표로 선정하였으며, 대상기간은 과거 단기 및 장기간 가뭄으로 기록된 2001년 및 2008년을 선정하였다.
- 본 연구의 목적은 물리적 기반의 지표수문해석모형을 활용한 국내 가뭄에 대한 적용성 평가를 수행하고자 함이며, 이를 위한 연구수행절차 및 방법은 Fig. 1에 제시된바와 같다. 우선 수문정보 생산을 위해 남한 전역에 대한 기상 및 지형 정보를 구축하고 지표수문해석모형에 적용하여 격자별 수문성분을 생산한 후 관측유량과의 비교를 통한 모형의 모의 능력을 평가한다.
- 기존 가뭄지수와의 비교 및 분석에서는 SPI와 비교할 경우 값에 약간의 차이가 있겠으나 전반적으로 유사한 거동을 보인 것으로 나타났다. 이는 강수의 거동 및 영향을 지배적으로 받는 장기유출모형의 특성 때문인 것으로 판단되며, 지역별 분석을 통해 명확한 차이를 규명하고자 한다. 마지막 PDSI와의 비교에서는 단기 가뭄에 대한 반영은 미흡하였으며, 대체로 SRI (12) 및 SSI (12)와 거동이 유사한 것으로 확인되었다.
- 이상의 결과는 남한 전역에 대한 평균값으로써 극심하였던 가뭄기간에서의 평가는 적절하나, 지역별 심도의 특성 및 구체적인 범위에 대해서는 미흡하다고 볼 수 있다. 이에 지역별 분석에서 금회 산정된 결과의 적절성을 평가하고자 한다.
제안 방법
- 2) 가뭄해석을 위한 수문성분 모의를 위해 남한 전역을 대상으로 지형 및 기상자료를 활용하여 1/8° (약 12.5km) 격자 기반의 유출모의를 수행하였다.
- 3) 수문성분정보에 대한 가뭄지수를 산정하고자 격자별 일 단위 유출 및 토양수분정보를 월단위로 환산한 후 연도별 누적기간별 평균값으로 전환하였으며, 누적기간의 경우 단기간 및 장기간의 가뭄에 대한 평가를 고려하기 위해 3개월 및 12개월로 구분하였 다. 적정 분포형 선정의 경우 적합도 검정을 통해 유출은 Log Pearson type-3, 토양수분은 Wakeby (5 변수)으로 나타났으며, 각 곡선에 대한 누가확률값을 산정하고 각 확률값에 대한 표준화를 통해 격자별 SRI 및 SSI를 산정하였다.
- 모형에서 적용 가능한 격자의 범위는 1/8〜2° 정도로 다양한 공간분해능이 가능하여, 기상모델(General Climate Model, GCM; Regional Climate Model, RCM)과의 직접적인 연계에 용이하다. Fig. 2에서 볼 수 있듯이 모형은 크게 차단층 (Canopy)과 3개의 토양층(Soil Layer)으로 구분되며, 한 격자내에서도 다양한 지형조건과 토양의 물리적 특성을 고려함으로써 mesoscale에 적합한 장주기 수문해석을 수행한다. 차단층에서는 동일 피복종류별 면적비를 고려하여 각 피복특성이 반영된 차단 및 증발 (Ec)을 모의하며, 보통 식생지대 (N) 및 나대지 (B)로 구분된다.
- 과거 피해사례 수집은 1990년부터 2009년까지 신문 또는 메스컴 자료와 “가뭄기록조사 보고서” (건설교통부, 1995), “2001 가뭄기록 조사 보고서” (건설교통부, 2002) 자료를 토대로 조사하였으며, Table 2에서 제시한 바와 같이 연도별 피해기간, 피해지역, 가뭄발생 및 해갈에 대해 각각 구분하여 나타내었다. 가뭄 사례를 수집하는 과정에서 문헌 및 신문기사에서 가뭄을 표현하는 방법 대부분이 행정 구역별로 피해지역을 나타냄에 따라 본 연구에서도 기록과 유사한 행정구역 단위로 가뭄피해지역을 구분하여 사용하였다. 수집된 가뭄기록들을 살펴보면 국내의 경우 평균 2년에 한번 주기로 지역별 또는 전국적으로 크고 작은가뭄을 겪고 있는 것으로 나타났으며, 그 중에서 대표적인 가뭄사상으로는 1990년대의 경우 1994, 1995년, 2000년대에는 2001, 2008, 2009년으로 확인되었다.
- 과거 피해사례 수집은 1990년부터 2009년까지 신문 또는 메스컴 자료와 “가뭄기록조사 보고서” (건설교통부, 1995), “2001 가뭄기록 조사 보고서” (건설교통부, 2002) 자료를 토대로 조사하였으며, Table 2에서 제시한 바와 같이 연도별 피해기간, 피해지역, 가뭄발생 및 해갈에 대해 각각 구분하여 나타내었다.
- 여기서, 누적기간 선정의 경우 전술한 바와 같이 3개월 및 6개월은 단기간의 가뭄, 12개월은 장기간의 가뭄을 보기 위함이다. 누가확률값 산정을 위해 빈도해석을 수행하였으며, 본 연구에 활용된 분포형은 Log Normal (2변수), Log Normal (3변수), Gamma (2변수), Pearson type-3, Log-Pearson type-3, Gumbel, GEV (3변수), Wakeby (5변수)로 총 8개 이다. 확률분포형의 매개변수 결정은 기존 국내에서 갈수유량자료에 대한 빈도해석시 활용된 L-moment 법 (Hosking and Wallis, 1993)을 적용하였으며, 적합도 검정을 거쳐 적정 확률분포형을 선정하였다 (윤용남과 박무종, 1997).
- 따라서 수집된자료는 모델에서 요구하는 적정해상도인 1/8° (약 12.5 km) 로 전환해야하므로 (Liang et al., 2004) 본 연구에서는 남한전체를 1/8° 해상도로 구분하여 총 586개 격자에 대한 기상 및 지형정보를 격자에 맞게 재구성 하였다 (손경환, 2010).
- 74, 유출용적오차 (VE)도 전체유역에서 10% 이내로 관측치에 대해 높은 적합도를 보인 것으로 나타났다. 또한 유출결과에 대한 도식적 평가를 위해 소양, 충주 및 대청댐 유역을 대상으로 전체 모의기간 중 2005년 이후에 대한 관측 및 모의 유출수문곡선을 비교하였다. Fig.
- 본 연구에서는 남한 전역에 산정한 SRI (3, 6, 12) 및 SSI (3, 6, 12) 값을 평균하여 1991～ 2009년까지 나열한 후, Table 2에 제시한 과거 가뭄사상과 비교검토 하였다. 또한 현 기상청에서 산정되는 가뭄 지수인 SPI (3, 6, 12)와 PDSI를 이용하여 금회 결과와 비교하였다. Fig.
- 시계열 분석에서는 기존 가뭄지수 및 과거 피해사례를 기반으로 가뭄의 시작과 해갈에 대한 연도별 및 월별 거동을 비교 분석하고자 하며, 지역별 분석에서는 Barnes 객관분석 기법 (Barnes, 1964)을 토대로 공간적으로 분포시켜 과거 가뭄피해지역과의 일치 여부 및 기존 지수와의 차이점을 명확히 구분하고자 한다. 마지막 물수지 분석에서는 과거 극심한 가뭄사상이 발생한 연도를 토대로 강수, 유출 및 토양수분의 거동을 평가하며, 각 기간별 수문성분의 부족량을 정량적으로 제시하여 최종 가용여부를 판단하고자 한다.
- 생산된 수문정보를 지수로 전환하는 과정이 필요하며, 본 연구에서는 빈도해석기법을 적용하여 가뭄지수를 생산한다. 마지막으로 산출된 가뭄정보에 대한 평가를 위해 시계열 분석, 지역별 분석 및 유역별 물수지 분석을 통해 지수의 재현정도 및 적절성을 평가한다.
- (2008)은 전세계를 대상으로 VIC 모델을 적용하여 과거 50년(1950～2000년) 간의 가뭄의 경향을 분석한바 있다. 모델의 특징은 대기와 식생 그리고 토양의 상호작용 등의 수문과정을 기반으로 Water 및 Energy Flux를 모의하는 분포형 모형으로써 크게 Water Balance, Channel Routing, Energy Balance 등으로 구성되어 있으며, 각 모듈은 독립적으로 수행된다. 모형에서 적용 가능한 격자의 범위는 1/8〜2° 정도로 다양한 공간분해능이 가능하여, 기상모델(General Climate Model, GCM; Regional Climate Model, RCM)과의 직접적인 연계에 용이하다.
- 가뭄지수의 적용성 평가를 위한 방법 중 하나는 각 지점별로 산정된 가뭄지수를 공간적으로 분포시켜 실제 가뭄이 발생한 지역과의 일치여부를 평가하는 방법이 있으며, 이는 가뭄시작과 종료 및 피해지역에 대한 조사 결과와 평가하는 간접적인 방법이라 할 수 있겠다. 본 연구에서는 Barnes 객관분석 기법을 이용하여 SRI (3), SSI (3)에 대한 가뭄도를 작성한 후 과거 극심했던 가뭄사상을 토대로 지역별 가뭄해석의 적절성을 평가하였다. 평가 기간은 최근 발생한 2008～2009년 가뭄사상을 선정하였으며, 마찬가지로 SPI (3) 및 PDSI에 대한 가뭄도를 작성하여 비교 및 평가에 활용하였다.
- 가뭄에 대한 평가를 위해서는 생성된 지수를 중심으로 시계열에 따라 기록된 가뭄사상을 적절히 반영하는가에 대한 분석이 필요하다. 본 연구에서는 남한 전역에 산정한 SRI (3, 6, 12) 및 SSI (3, 6, 12) 값을 평균하여 1991～ 2009년까지 나열한 후, Table 2에 제시한 과거 가뭄사상과 비교검토 하였다. 또한 현 기상청에서 산정되는 가뭄 지수인 SPI (3, 6, 12)와 PDSI를 이용하여 금회 결과와 비교하였다.
- 특히, 지속기간 구분은 장기 및 단기간 발생하는 가뭄사상을 감지함에 있어 유용하다고 볼 수 있는데, 통상 국내에서는 단기가뭄의 경우 지속기간 3～6개월의 SPI가, 장기가뭄은 9～12 개월 정도의 SPI가 평가에 적절하다고 볼 수 있다 (류재희 등, 2002). 본 연구에서는 생산된 유출, 토양수분 정보를 SPI의 산정 방법을 기반으로 가뭄지수로의 전환을 수행하였으며, 산정절차는 Fig. 3에 제시한 바와 같이 해당 기간별 누가 시계열에 따른 수문성분 산정, 적정 확률분포형 선정, 누가확률산정 및 표준지수로의 전환 순으로 이루어진다.
- 이상의 곡선은 평가하고자 하는 기간의 과거치로부터 산정된 것이며, 해당 그래프로 부터 현재의 값이 위치하는 x축 값을 최종 가뭄지수로 선정하였다. 본 연구에서는 이와 같은 방법을 토대로 1990～2009년까지 SRI 및 SSI값을 매월 순차적으로 산정하였다.
- 이에 본 연구에서는 이상의 연구성과에서 산정된 매개변수를 적용하였으며, 모의기간인 1976～2009년 동안 격자별 유출 및 토양수분정보를 생산하였다. 생산된 정보에 대한 평가를 위해 일단위 유출결과와 8개 댐 관측유량과의 도시적 및 통계적 평가를 수행하였으며, Table 3은 각 댐별 모의기간 동안의 통계치를 나타낸 것이다. 상관계수 (CORR_C)의 경우 모든 유역에서 0.
- 산출된 가뭄지수에 대한 평가방법은 크게 시계열 분석, 지역별 분석 및 수문성분 분석으로 구분하여 분석하였다. 시계열 분석에서는 기존 가뭄지수 및 과거 피해사례를 기반으로 가뭄의 시작과 해갈에 대한 연도별 및 월별 거동을 비교 분석하고자 하며, 지역별 분석에서는 Barnes 객관분석 기법 (Barnes, 1964)을 토대로 공간적으로 분포시켜 과거 가뭄피해지역과의 일치 여부 및 기존 지수와의 차이점을 명확히 구분하고자 한다. 마지막 물수지 분석에서는 과거 극심한 가뭄사상이 발생한 연도를 토대로 강수, 유출 및 토양수분의 거동을 평가하며, 각 기간별 수문성분의 부족량을 정량적으로 제시하여 최종 가용여부를 판단하고자 한다.
- 7은 지속시간별 가뭄지수를 구분하여 결과를 시계열에 따라 도시한 것이며, ◯와 ×는 가뭄발생 및 해갈을 의미한다. 여기서 PDSI의 경우 장기간 지속되는 가뭄기간동안의 평가에 유리한 특성으로 (류재희 등, 2002) SRI (12) 및 SSI (12)와 비교를 수행하였다.
- 1에 제시된바와 같다. 우선 수문정보 생산을 위해 남한 전역에 대한 기상 및 지형 정보를 구축하고 지표수문해석모형에 적용하여 격자별 수문성분을 생산한 후 관측유량과의 비교를 통한 모형의 모의 능력을 평가한다. 생산된 수문정보를 지수로 전환하는 과정이 필요하며, 본 연구에서는 빈도해석기법을 적용하여 가뭄지수를 생산한다.
- 우선 해당기간별 누가 시계열을 작성하기 위해 격자별 일단위 유출 및 토양수분값을 월단위로 환산 후 연도별 과거 누적기간을 3개월, 6개월 및 12개월로 구분하여 유출 및 토양수분값을 산정하였다. 여기서, 누적기간 선정의 경우 전술한 바와 같이 3개월 및 6개월은 단기간의 가뭄, 12개월은 장기간의 가뭄을 보기 위함이다.
- 6은 3월을 기준으로 과거 3개월 (1, 2, 3월) 누적평균값에 대한 누가확률 및 SRI 값을 예로써 나타낸 것이다. 이상의 곡선은 평가하고자 하는 기간의 과거치로부터 산정된 것이며, 해당 그래프로 부터 현재의 값이 위치하는 x축 값을 최종 가뭄지수로 선정하였다. 본 연구에서는 이와 같은 방법을 토대로 1990～2009년까지 SRI 및 SSI값을 매월 순차적으로 산정하였다.
- 분석결과 소양강 댐의 경우 2008년 봄철 저수부에서 모의 유량이 다소 크게 모의되고 여름철 고수부에서 과소산정된 것으로 나타났으나 전반적으로 기간에 따라 모의치가관측치와 유사하게 거동하는 것을 확인할 수 있었으며, 나머지 2개 유역도 이와 유사한 것으로 확인되었다. 이상의 통계적, 도식적 평가로부터 활용된 매개변수의 적용성은 높은 것으로 나타났으며, 본 연구에서는 산정된 매개변수를 토대로 가뭄평가를 위해 남한 전역에 대한 수문정보를 생산하였다.
- 손경환 등 (2010)은 8개 댐유역 (소 양, 충주, 괴산, 임하, 안동, 합천, 대청, 섬진강댐)에 대한 관측유량정보로부터 매개변수 추정 후 남한 전역을 대표할 수 있는 대표매개변수를 산정하여 그 적용성을 검증한 바 있다. 이에 본 연구에서는 이상의 연구성과에서 산정된 매개변수를 적용하였으며, 모의기간인 1976～2009년 동안 격자별 유출 및 토양수분정보를 생산하였다. 생산된 정보에 대한 평가를 위해 일단위 유출결과와 8개 댐 관측유량과의 도시적 및 통계적 평가를 수행하였으며, Table 3은 각 댐별 모의기간 동안의 통계치를 나타낸 것이다.
- 본 연구에서는 VIC 모델을 활용한 가뭄해석을 수행하고자 총 586개의 격자별 모의된 유출 및 토양수분정보를 가뭄지수로 변환하고자 한다. 일 단위 정보를 월단위로 환산한 후 연도별 (1976～2009년) 매월 누적기간별 평균값으로 전환하였으며, 적정분포형 선정을 위한 적합도 검정을 수행하였다. 통상 갈수 및 가뭄해석에 적합한 분포형 선정의 경우 극치값 (smallest)을 잘 반영하는 곡선을 찾는 것이 중요한데, 기존 Mckee et al.
- 적용된 분포형 곡선에 대한 누가확률값을 산정하였으며, 각 확률값에 대한 표준화를 통해 586개 격자별 SRI 및 SSI를 산정하였으며, Fig. 6은 3월을 기준으로 과거 3개월 (1, 2, 3월) 누적평균값에 대한 누가확률 및 SRI 값을 예로써 나타낸 것이다. 이상의 곡선은 평가하고자 하는 기간의 과거치로부터 산정된 것이며, 해당 그래프로 부터 현재의 값이 위치하는 x축 값을 최종 가뭄지수로 선정하였다.
대상 데이터
- 1) 가뭄평가를 위한 기초자료로써 과거 (1991～2009년) 국내에서 발생한 가뭄피해사례를 가뭄 시작과 해갈 및 피해지역을 중심으로 수집하였다. 국내에서는 크고 작은 가뭄피해가 평균적으로 2년에 한번 발생하는 것을 확인하였으며, 주요 극심한 가뭄사상이 1994 ～1995년, 2001년, 2008～2009년인 것으로 조사되었다.
- 우선 지형정보는 국토해양부에서 제공하는 100m 간격의 DEM (Digital Elevation Model)과 환경부에서 제공하는 100m 간격의 토지피복도를 이용하였으며, 농업과학기술원으로부터 정밀토양도 (1 : 25000)와 토양속성자료를 제공받아 토양특성인자를 산정하였다. 기상 정보(최대 및 최저기온, 평균풍속, 강수)는 기상청 관할 76개소, 국토부 관할 강수관측소 521개소로 총 1976～ 2009년 동안의 자료를 수집하였다. VIC 모델은 분포형 모델로써 격자별 입력정보 구축이 필요하다.
- 본 연구에서는 산정된 유출 및 토양수분정보를 이용하여 유역별 가뭄해석의 적용성을 평가하였다. 대상유역은 각 수계별로 충주, 안동, 대청 및 섬진강 댐을 대표로 선정하였으며, 대상기간은 과거 단기 및 장기간 가뭄으로 기록된 2001년 및 2008년을 선정하였다. Fig.
- 본 연구에서는 VIC 모델이 국내 가뭄해석 적용성을 평가하기위해 남한 전역에 대한 VIC 모델을 구축하였으며, 모형 구축에 필요한 입력자료인 지형정보와 기상정보를 수집하였다. 우선 지형정보는 국토해양부에서 제공하는 100m 간격의 DEM (Digital Elevation Model)과 환경부에서 제공하는 100m 간격의 토지피복도를 이용하였으며, 농업과학기술원으로부터 정밀토양도 (1 : 25000)와 토양속성자료를 제공받아 토양특성인자를 산정하였다. 기상 정보(최대 및 최저기온, 평균풍속, 강수)는 기상청 관할 76개소, 국토부 관할 강수관측소 521개소로 총 1976～ 2009년 동안의 자료를 수집하였다.
- 본 연구에서는 Barnes 객관분석 기법을 이용하여 SRI (3), SSI (3)에 대한 가뭄도를 작성한 후 과거 극심했던 가뭄사상을 토대로 지역별 가뭄해석의 적절성을 평가하였다. 평가 기간은 최근 발생한 2008～2009년 가뭄사상을 선정하였으며, 마찬가지로 SPI (3) 및 PDSI에 대한 가뭄도를 작성하여 비교 및 평가에 활용하였다.
데이터처리
- 4) 국내 가뭄해석에 대한 적용성을 평가하기 위해 과거 가뭄기록사례와 기존 가뭄지수 (SPI 및 PDSI)를 토대로 SRI 및 SSI에 대한 시계열 분석, 지역별 분석및 유역별 수문성분 분석을 수행하였다. 시계열 분석은 1991～2009년 동안 남한 전역에 산정된 SRI 및 SSI값을 평균하여 기간별로 가뭄발생 및 해갈에 대해 평가한 것으로, SRI (3) 및 SSI (3)는 단기간에 발생한 가뭄에, SRI (12) 및 SSI (12)는 장기간 발생한 가뭄평가에 적절한 것으로 나타났다.
- 산출된 가뭄지수에 대한 평가방법은 크게 시계열 분석, 지역별 분석 및 수문성분 분석으로 구분하여 분석하였다. 시계열 분석에서는 기존 가뭄지수 및 과거 피해사례를 기반으로 가뭄의 시작과 해갈에 대한 연도별 및 월별 거동을 비교 분석하고자 하며, 지역별 분석에서는 Barnes 객관분석 기법 (Barnes, 1964)을 토대로 공간적으로 분포시켜 과거 가뭄피해지역과의 일치 여부 및 기존 지수와의 차이점을 명확히 구분하고자 한다.
- 3) 수문성분정보에 대한 가뭄지수를 산정하고자 격자별 일 단위 유출 및 토양수분정보를 월단위로 환산한 후 연도별 누적기간별 평균값으로 전환하였으며, 누적기간의 경우 단기간 및 장기간의 가뭄에 대한 평가를 고려하기 위해 3개월 및 12개월로 구분하였 다. 적정 분포형 선정의 경우 적합도 검정을 통해 유출은 Log Pearson type-3, 토양수분은 Wakeby (5 변수)으로 나타났으며, 각 곡선에 대한 누가확률값을 산정하고 각 확률값에 대한 표준화를 통해 격자별 SRI 및 SSI를 산정하였다.
- 적합도 검정을 위해 본 연구에서는 K-S 및 Chi-square 검정을 수행하였으며, Fig. 5는 격자별 유출 및 토양수분별 적용된 8개 분포형 곡선에 대한 유의수준 5%에 해당하는 Chi-square 및 K-S 검정 결과를 그 예로 도시하였다. 그림에서의 x축은 각월을 뜻하며, y축은 유의수준을 만족한 격자의 개수를 의미한다.
이론/모형
- 그러나 가뭄피해의 경우 그 특성상 시작과 끝을 알기가 힘들뿐 아니라 피해지역을 정량적으로 제시하기가 어려워 평가에 많은 불확실성이 따르게 된다. 따라서 본 연구에서는 국내 가뭄피해사례와 더불어 기존 국내에서 주로 활용되고 있는 가뭄지수를 평가에 활용하였으며, 채택된 가뭄지수는 SPI 및 PDSI (Palmer, 1965)이다. 여기서, SPI 및 PDSI의 경우 “산업기상지수 산출기술개발” (기상청, 2007)에서 산정된 결과를 인용하였으며, Table 1은 SPI 및 PDSI에 대한 지수범위별 가뭄 심도를 나타낸 것이다.
- 전술한 바와 같이 가뭄은 물수지 불균형에 따른 물 부족 현상으로 특성상 점진적이고 피해 규모가 광범위 하여 기상정보와 더불어 수문해석이 연계된 권역 및 국가단위의 가뭄해석이 요구된다. 본 연구에서는 남한 전역에 대한 수문성분을 산정하기 위해 중규모 이상 (mesoscale)의 수문해석에 있어 그 적용성이 검증된 VIC (Variable Infiltration Capacity) 모델 (Liang et al., 1994)을 채택하였다. 현재 국외에서는 VIC 모델을 활용하여 대유역 또는 전 세계에 대한 수자원 부족량 및 가뭄해석을 수행하고 있는데, Andreadis et al.
- 마지막으로 평가기간에 대한 누가확률값을 산정하고 이를 표준정규분포의 누가확률값이 같은 값을 찾아 표준정규분포상의 변수 (Z)값을 읽으면 그것이 가뭄지수가 되는 것이다. 본 연구에서는 누가확률값에 대한 표준화를 위해 Abromowitz and Abramowitz and Stegun (1964)이 제시한 방법을 활용하였으며, 산정공식은 다음과 같다.
- 본 연구에서는 이상의 유출정보로부터 산정된 지수를 표준유출지수(Standard Runoff Index, SRI)(Shukla and Wood, 2008), 토양수분의 경우 표준토양수분지수(Standard Soil moisture Index, SSI)라 하였으며 각 지수에 대한 가뭄의 심도 구분은 기존 SPI와 동일하게 구분하였다(Table 1).
- 우선 수문정보 생산을 위해 남한 전역에 대한 기상 및 지형 정보를 구축하고 지표수문해석모형에 적용하여 격자별 수문성분을 생산한 후 관측유량과의 비교를 통한 모형의 모의 능력을 평가한다. 생산된 수문정보를 지수로 전환하는 과정이 필요하며, 본 연구에서는 빈도해석기법을 적용하여 가뭄지수를 생산한다. 마지막으로 산출된 가뭄정보에 대한 평가를 위해 시계열 분석, 지역별 분석 및 유역별 물수지 분석을 통해 지수의 재현정도 및 적절성을 평가한다.
- 누가확률값 산정을 위해 빈도해석을 수행하였으며, 본 연구에 활용된 분포형은 Log Normal (2변수), Log Normal (3변수), Gamma (2변수), Pearson type-3, Log-Pearson type-3, Gumbel, GEV (3변수), Wakeby (5변수)로 총 8개 이다. 확률분포형의 매개변수 결정은 기존 국내에서 갈수유량자료에 대한 빈도해석시 활용된 L-moment 법 (Hosking and Wallis, 1993)을 적용하였으며, 적합도 검정을 거쳐 적정 확률분포형을 선정하였다 (윤용남과 박무종, 1997). 따라서 각 월의 확률분포함수를 결정할 수 있으며, 결정된 확률분포함수에서 누가확률값을 산정할 수 있게 된다.
성능/효과
- 관측유량이 존재하는 8개 댐 상류유역에 대한 모의결과의 정확도를 평가한 결과 상관계수 및 모형효율성 계수는 0.83, 0.70 이상, 평균제곱근오차는 2.60～3.74 (mm/d) 및 유출용적오차는 10% 이내로 관측치에 대해 높은 정확도를 보인 것으로 나타났다.
- 반면, SRI (12) 및 SSI (12)의 경우 단기간에 발생한 가뭄에 대한 평가는 미흡하나, 장기 가뭄에 대한 표현의 경우 적절한 것으로 나타났다. 기존 가뭄지수와의 비교 및 분석에서는 SPI와 비교할 경우 값에 약간의 차이가 있겠으나 전반적으로 유사한 거동을 보인 것으로 나타났다. 이는 강수의 거동 및 영향을 지배적으로 받는 장기유출모형의 특성 때문인 것으로 판단되며, 지역별 분석을 통해 명확한 차이를 규명하고자 한다.
- 그러나 3월, 5월에도 이전과 차이가 미비하여 기록된 사항과 다르다고 볼 수 있다. 동일한 방식으로 나머지 대 가뭄 기간인 1994년, 1995년, 2001년에 대한 평가를 수행하였으며, SRI 및 SSI 모두 가뭄상황을 적절히 반영한 것으로 확인되었다.
- PDSI는 앞서 언급한바와 같이 단기가뭄인 2001년 사상에 대한 재현은 미흡한 것으로 확인되었다. 마지막 2008년 가뭄사상의 경우 피해기간은 2008년 9월을 시작으로 2009년 4월 초에 해갈된 사상으로, SRI 및 SSI 모두 해당기간에 대한 가뭄상황을 적절히 반영하는 것으로 확인되었으며, SRI (12) 및 SSI (3,6,12)의 경우 가뭄이 해갈된 이후에도 가뭄이 지속된 것으로 나타내었다. SPI는 가뭄시작이 11월에서 2월 해갈된 것으로 표현하였으며, 가뭄의 시작 및 종료를 적절히 해석하지 못한 것을 알 수 있다.
- 이는 강수의 거동 및 영향을 지배적으로 받는 장기유출모형의 특성 때문인 것으로 판단되며, 지역별 분석을 통해 명확한 차이를 규명하고자 한다. 마지막 PDSI와의 비교에서는 단기 가뭄에 대한 반영은 미흡하였으며, 대체로 SRI (12) 및 SSI (12)와 거동이 유사한 것으로 확인되었다.
- 지역별 분석에서는 2008년 가뭄사상을 토대로 산정된 지수에 대한 가뭄도를 작성하여 공간적인 거동을 평가하였으며, 피해기간 및 지역에서 다른 가뭄지수에 비해 SRI 및 SSI 모두 해당기간의 기록된 가뭄상황을 잘 반영한 것으로 나타났다. 마지막 유역별 수문성분 분석에서는 충주, 안동, 대청 및 섬진강 댐을 토대로 과거 대비 가뭄기간 (2001년, 2008년)에서의 유출 및 토양수 분의 거동을 분석하였으며, 전 유역에서 기록된 피해시기와 유사하게 나타나 수자원 관리 측면에서도 충분히 활용 가능한 것으로 확인되었다.
- 2009년 3월 이후에는 남부 및 중부 일부지역에서 가뭄이 점차 해갈되고 있는 것으로 나타났으며, 기록된 사항 (4월 가뭄해갈)과 다르나 3월에 비해 점차 그 심도가 약해지는 양상을 보여 가뭄 상황을 적절히 표현한 것으로 판단된다. 반면 공간적인 분포는 SSI 의 경우 11월까지 SRI와 유사한 거동을 보이고 있으나, 가뭄회복 속도가 느린 토양수분의 특성상 가뭄이 종료된 5월에서도 강원도, 경상도 및 전라도 일부 지역에서 그 심도가 지속되고 있는 것으로 나타났다. SPI는 9월에 강원내륙 및 남부지방을 중심으로 가뭄이 발달하여 2008년 11 월에도 지속되는 것으로 나타났으며, SRI 및 SSI와는 강원 내륙지역과 심도에서 차이가 있는 것을 볼 수 있다.
- (2000)이 제시한 변환유량 산정방법을 이용하여 변환된 값을 나타낸 것이다. 분석결과 소양강 댐의 경우 2008년 봄철 저수부에서 모의 유량이 다소 크게 모의되고 여름철 고수부에서 과소산정된 것으로 나타났으나 전반적으로 기간에 따라 모의치가관측치와 유사하게 거동하는 것을 확인할 수 있었으며, 나머지 2개 유역도 이와 유사한 것으로 확인되었다. 이상의 통계적, 도식적 평가로부터 활용된 매개변수의 적용성은 높은 것으로 나타났으며, 본 연구에서는 산정된 매개변수를 토대로 가뭄평가를 위해 남한 전역에 대한 수문정보를 생산하였다.
- 상관계수 (CORR_C)의 경우 모든 유역에서 0.83으로 상관성이 높은 것으로 나타났으며, 모형효율성계수 (ME)는 0.70 이상, 평균제곱오차 (RMSE) 2.60～3.74, 유출용적오차 (VE)도 전체유역에서 10% 이내로 관측치에 대해 높은 적합도를 보인 것으로 나타났다.
- 가뭄 사례를 수집하는 과정에서 문헌 및 신문기사에서 가뭄을 표현하는 방법 대부분이 행정 구역별로 피해지역을 나타냄에 따라 본 연구에서도 기록과 유사한 행정구역 단위로 가뭄피해지역을 구분하여 사용하였다. 수집된 가뭄기록들을 살펴보면 국내의 경우 평균 2년에 한번 주기로 지역별 또는 전국적으로 크고 작은가뭄을 겪고 있는 것으로 나타났으며, 그 중에서 대표적인 가뭄사상으로는 1990년대의 경우 1994, 1995년, 2000년대에는 2001, 2008, 2009년으로 확인되었다.
- 시계열 분석은 1991～2009년 동안 남한 전역에 산정된 SRI 및 SSI값을 평균하여 기간별로 가뭄발생 및 해갈에 대해 평가한 것으로, SRI (3) 및 SSI (3)는 단기간에 발생한 가뭄에, SRI (12) 및 SSI (12)는 장기간 발생한 가뭄평가에 적절한 것으로 나타났다.
- 이는 2008년도 극심했던 강원지역의 가뭄 상황을 잘 반영한 것으로 판단된다. 안동, 대청 및 섬진강 댐 유역은 가뭄기간동안의 누적강수 및 유출정보가 25%～최소 범위에 위치한 것으로 나타났으며, 토양수분의 경우 01년 가뭄기간인 4～6월 동안에 가장 낮다가 6월부터 평균치 이상 상승한 것을 알 수 있다. 또한 2008년에는 9월 이후부터 약 25%의 범위에 범주한 것으로 나타나 전반적으로 유역별 산정된 수문성분들이 국내 가뭄에 대한 상황을 적절히 반영하는 것으로 확인되었다.
- 8은 2008년 9월에서 2009년 5월까지 2개월 단위로 SRI, SSI, SPI 및 PDSI에 대한 가뭄도를 나타낸 것이며, 가뭄해갈 반영의 적절성 평가를 위해 4월에 대한 결과도 도시하였다. 우선 SRI의 결과를 살펴보면 9월에 강원지역과 남부지방을 중심으로 가뭄이 발달하여 11월～1월에는 극심한 가뭄이 서울 및 경기일부를 제외한 남한 전역에 확장된 것으로 표현되었다. 2009년 3월 이후에는 남부 및 중부 일부지역에서 가뭄이 점차 해갈되고 있는 것으로 나타났으며, 기록된 사항 (4월 가뭄해갈)과 다르나 3월에 비해 점차 그 심도가 약해지는 양상을 보여 가뭄 상황을 적절히 표현한 것으로 판단된다.
- 우선 지속시간 3개월 및 6개월에 대한 SRI 및 SSI의 평가결과 SRI 및 SSI 모두 가뭄이 발생한 시기에 가뭄을 잘 재현하는 것을 볼 수 있다. 이중 3개월의 경우 2001년 가뭄을 포함하여 여러 단기간에 발생한 가뭄에 대한 해석에서도 이를 적절히 반영한 것으로 나타났으나, 장기 가뭄인 1994～1995년 사상에서는 가뭄기간 중간에 가뭄이 해갈되는 것으로 나타나 장기간 발생한 가뭄 평가에는 신뢰성이 다소 떨어지는 것으로 확인되었다.
- 여기서 강수 및 유출정보는 1년 동안 누적된 값을 뜻하며, 그림에서 옅은회색은 최대～75% 및 25%～최소값, 진한 회색은 75～ 25% 사이를 의미한다. 우선 충주댐의 유역별 누적강우 및 유출정보를 살펴보면 전체 범위에서 2008년도에 최소값에 근접하게 거동하는 것으로 확인되었으며, 토양수분도 역시 6월 이후부터 34개 연도 중에서 2008년이 가장 낮은 것으로 나타났다. 이는 2008년도 극심했던 강원지역의 가뭄 상황을 잘 반영한 것으로 판단된다.
- 이상의 결과는 남한 전역에 대한 평균값으로써 극심하였던 가뭄기간에서의 평가는 적절하나, 지역별 심도의 특성 및 구체적인 범위에 대해서는 미흡하다고 볼 수 있다. 이에 지역별 분석에서 금회 산정된 결과의 적절성을 평가하고자 한다.
- 그림에서의 x축은 각월을 뜻하며, y축은 유의수준을 만족한 격자의 개수를 의미한다. 적합도 검정 결과 대부분의 격자에서 유출의 경우 Log Pearson type-3 분포형이, 토양수분에서는 Wakeby (5변수)가 적절한 것으로 나타났으며, 금회 결과가 기존 연구에 활용된 분포형 범주에 해당하는 것으로 확인되었다.
- 시계열 분석은 1991～2009년 동안 남한 전역에 산정된 SRI 및 SSI값을 평균하여 기간별로 가뭄발생 및 해갈에 대해 평가한 것으로, SRI (3) 및 SSI (3)는 단기간에 발생한 가뭄에, SRI (12) 및 SSI (12)는 장기간 발생한 가뭄평가에 적절한 것으로 나타났다. 지역별 분석에서는 2008년 가뭄사상을 토대로 산정된 지수에 대한 가뭄도를 작성하여 공간적인 거동을 평가하였으며, 피해기간 및 지역에서 다른 가뭄지수에 비해 SRI 및 SSI 모두 해당기간의 기록된 가뭄상황을 잘 반영한 것으로 나타났다. 마지막 유역별 수문성분 분석에서는 충주, 안동, 대청 및 섬진강 댐을 토대로 과거 대비 가뭄기간 (2001년, 2008년)에서의 유출 및 토양수 분의 거동을 분석하였으며, 전 유역에서 기록된 피해시기와 유사하게 나타나 수자원 관리 측면에서도 충분히 활용 가능한 것으로 확인되었다.
- 2008년 가뭄은 피해기간이 2008년 9월부터 시작하여 2009년 3월까지로 4월 10일 강수로 인해 가뭄이 해갈된 것으로 2009년까지 이어진 대가뭄으로 볼 수 있다. 피해 지역은 강원 및 중부 내륙지방과 남부지방 전역에 심각하게 발생하였으며, 특히 태백시는 87일 동안 제한급수가 실시되는 등 피해가 가장 극심한 지역인 것으로 조사되었다.
후속연구
- 또한 남한전역에 대한 장주기 수문 해석이 가능하다는 점은 가뭄의 광역적이고 점진적인 특성을 반영함에 있어 용이하며, 향후 동아시아 지역과 연계한 가뭄감시 및 전망과 물 관리에 있어 효율적으로 활용될 것이라 판단된다. 다만, 평가에 있어 남아있는 몇몇 불확실성은 배제할 수 없는 상황이며 추후 보다 많은 가뭄사례를 수집하고 평가와 검증을 통해 두 지수에 대한 수정 및 보완이 이루어져야 할 것이다.
- 본 연구에서 산출된 지수인 SRI와 SSI는 수문학적 가뭄 및 농업적 가뭄평가에 활용이 가능하다는 측면에서 가치가 있다고 하겠다. 또한 남한전역에 대한 장주기 수문 해석이 가능하다는 점은 가뭄의 광역적이고 점진적인 특성을 반영함에 있어 용이하며, 향후 동아시아 지역과 연계한 가뭄감시 및 전망과 물 관리에 있어 효율적으로 활용될 것이라 판단된다. 다만, 평가에 있어 남아있는 몇몇 불확실성은 배제할 수 없는 상황이며 추후 보다 많은 가뭄사례를 수집하고 평가와 검증을 통해 두 지수에 대한 수정 및 보완이 이루어져야 할 것이다.
- 본 연구에서 산출된 지수인 SRI와 SSI는 수문학적 가뭄 및 농업적 가뭄평가에 활용이 가능하다는 측면에서 가치가 있다고 하겠다. 또한 남한전역에 대한 장주기 수문 해석이 가능하다는 점은 가뭄의 광역적이고 점진적인 특성을 반영함에 있어 용이하며, 향후 동아시아 지역과 연계한 가뭄감시 및 전망과 물 관리에 있어 효율적으로 활용될 것이라 판단된다.
- 또한 2008년에는 9월 이후부터 약 25%의 범위에 범주한 것으로 나타나 전반적으로 유역별 산정된 수문성분들이 국내 가뭄에 대한 상황을 적절히 반영하는 것으로 확인되었다. 이상의 결과는 남한 전역에 대한 유역별 갈수 및 가뭄관리에 있어 정량적인 정보의 제공이 가능하다는 점에서 유용하게 활용될 것이라 사료된다.
- 그러나 산정된 지수들 대부분이 각 관측소 지점별 기상 및 수문정보를 기반으로 모의되어시·공간적으로 이를 표현하고 있을 뿐, 가뭄의 본질적인 요인은 제대로 반영되지 않는 실정이다. 즉, 가뭄을 본질적으로 다루기 위해서는 대기와 지표 사이에 발생하는 수문성분에 대한 모의를 수행하여 가뭄해석에 필요한 정보를 생산하는 것이 바람직하며, 해석범위도 단순히 지역 또는 유역단위가 아닌 국가 또는 인접국가와의 연계가 가능할 정도로 광범위해야 할 것이다. 따라서 Mesoscale 기반의 지표수문해석모형 (Land Surface Model, LSM)이 활용되어야 할 것이며, 여기서 지표수문해석모형이란 전지구를 대상으로 수문해석이 가능한 물리적 기반의 분포형 모형을 뜻한다.
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