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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 기온상승에 따른 지역적 영향이 해당 지역의 월강수량이 증가하는 추세를 가짐에도 불구하고 강수효율은 감소하는 경향을 가지는 경우도 함께 반영하기 위하여 강수와 증발을 동시에 고려할 수 있는 강수효율의 변동 특성을 분석하고, 수자원의 변화를 잘 나타낸다고 판단되는 대유역 유출량의 변화 특성을 규명하기 위하여 국가수자원관리종합시스템에서 제공하는 PRMS 모의 유출량의 변화를 분석하여 기후변화가 우리나라 수자원에 미치는 영향을 파악하고자 하였다.
- 본 연구에서는 기후변화에 따른 수자원 변화 특성을 감지하기 위하여 강수와 증발의 영향을 동시에 고려할 수 있는 강수효율(P-E비, P-E지수)을 산정하였으며, 산정된 강수효율자료와 PRMS 유출량 자료의 변화 특성을 분석하였다. 강수효율 및 유출량 변화는 10월과 12월 금강유역과 낙동강 유역의 분석결과를 제외하면 주요 입력변수인 강수량의 변화 특성과 시공간적으로 매우 높은 상관성을 보여주었다.
제안 방법
- 본 연구에서는 강수량, 기온, 강수효율 등의 추세분석을 위하여 비교적 간단하고 이해하기 쉬운 선형 회귀분석과 대표적인 비모수적 기법인 Mann-Kendall 검정을 이용하였다. 선형 회귀분석을 통하여 강수량, 기온, 강수효율 및 유출량의 연 및 월별 정량적 선형 변화량을 분석하여 제시하였다. 또한 각 변수들이 보이는 증가 또는 감소 추세와 각 추세에 대한 통계적 유의성을 분석하기 위해서 Mann-Kendall 검정을 수행하였다.
대상 데이터
- 현재 가용한 장기유출자료는 1966년부터 2007년까지(42년간)이며, 대권역 및 중권역 단위로 구분되어 있다. 본 연구에서는 전체 가용한 장기 유출자료를 대권역단위로 수집하였다. Table 2는 총 21개로 구분된 대권역단위와 각 권역에 해당하는 유역면적을 제시하고 있다.
- 이 기상관측소들은 각기 설치된 시기가 다르기 때문에 자료의 구축기간도 관측소마다 다르다. 수집된 관측자료를 바탕으로 할 때 1972년 이전부터 관측을 개시한 지점의 수가 매우 적었기 때문에 본 연구에서는 관측기간과 관측지점의 수를 고려하여 1973년부터 2009년까지(37년간)를 분석대상기간으로 설정하였으며, 이 기간동안 자료가 구축되어 있는 59개 관측지점을 선정하였다. 각 수계 별로는 한강 유역 내에 14개 지점, 낙동강 유역 내에 20개 지점, 금강 유역 내에 13개 지점, 섬진강 유역 내에 5개 지점, 영산강유역 내에 4개 지점, 제주도 내에 3개 지점으로 구분된다.
- 또한 국가수자원관리종합시스템에서는 전국유역조사 사업의 성과를 기반으로 장기 유출자료를 제공하고 있으며, 이 장기 유출자료는 PRMS 모형을 이용하여 계산된 결과값이다. 현재 가용한 장기유출자료는 1966년부터 2007년까지(42년간)이며, 대권역 및 중권역 단위로 구분되어 있다. 본 연구에서는 전체 가용한 장기 유출자료를 대권역단위로 수집하였다.
데이터처리
- 선형 회귀분석을 통하여 강수량, 기온, 강수효율 및 유출량의 연 및 월별 정량적 선형 변화량을 분석하여 제시하였다. 또한 각 변수들이 보이는 증가 또는 감소 추세와 각 추세에 대한 통계적 유의성을 분석하기 위해서 Mann-Kendall 검정을 수행하였다. Mann-Kendall 검정은 Mann (1945)에 의해서 처음 제시되었으며, 표본자료 사이의 상대적인 물리량의 크기를 비교함으로써 시계열 자료로부터 추세를 탐지하는 비모수적 검정기법이다(Gilbert, 1987).
- 본 연구에서는 강수량, 기온, 강수효율 등의 추세분석을 위하여 비교적 간단하고 이해하기 쉬운 선형 회귀분석과 대표적인 비모수적 기법인 Mann-Kendall 검정을 이용하였다. 선형 회귀분석을 통하여 강수량, 기온, 강수효율 및 유출량의 연 및 월별 정량적 선형 변화량을 분석하여 제시하였다.
성능/효과
- PRMS 유출량 자료에 대한 월별 선형 회귀분석 결과 (Fig. 4)는 전반적으로 강수량 및 강수효율의 월별 변화를 따르는 것으로 나타났다. 하지만 2월과 10월 유출량의 변화는 대체로 감소하는 경향을 나타냈으나, 강수효율의 전반적인 감소경향에도 불구하고 한강 유역에 해당하는 기상관측지점에서 강수효율 증가의 영향으로 한강, 한강동해 대권역은 다소 증가하는 것으로 나타났다.
- 4% 증가한데 반해 강수효율은 오히려 감소하는 것으로 나타났다. PRMS 유출량에 대한 선형 변화는 한강 유역이 약 9,814 m3/s (38.9%), 낙동강 유역이 약 6,418 m3/s (32.4%), 금강유역이 약 3,669 m3/s (33.4%), 섬진강 유역이 약 1,031 m3/s (15.0%), 제주도가 약 407 m3/s (20.4%) 증가한 것으로 나타나, 강수량이나 강수효율에 비해서 변화율이 더 크게 나타났다. 이는 강수의 증가와 기온상승보다 유역의 유출이 기후변화로 인한 영향에 더욱 민감하게 반응한다고 할 수 있겠다.
- 본 연구에서는 기후변화에 따른 수자원 변화 특성을 감지하기 위하여 강수와 증발의 영향을 동시에 고려할 수 있는 강수효율(P-E비, P-E지수)을 산정하였으며, 산정된 강수효율자료와 PRMS 유출량 자료의 변화 특성을 분석하였다. 강수효율 및 유출량 변화는 10월과 12월 금강유역과 낙동강 유역의 분석결과를 제외하면 주요 입력변수인 강수량의 변화 특성과 시공간적으로 매우 높은 상관성을 보여주었다.
- 5%)가 감소하여 4월에 우리나라 강수량의 감소현상이 두드러지는 것을 확인할 수 있었다. 강수효율 및 유출량의 월별 변화는 전반적으로 강수량의 변화 특성과 잘 부합하는 것으로 나타났다. 그러나 한강 유역과 섬진강 유역의 경우 3월에 강수량과 강수효율은 증가하는데 반해 유출량은 오히려 감소하고 있는 것으로 나타났다.
- 선형 회귀분석을 통한 월별 강수량, 기온, 강수효율 및 유출량의 선형 변화 특성은 강수량, 강수 효율 그리고 유출량 모두 7월에 증가경향, 4월에 감소경향이 가장 뚜렷하게 나타났으며, 변화율 또한 가장 크게 나타났다. 강수효율의 월별 변화에 대한 Mann-Kendall 검정결과, 대부분의 경우 통계적 유의성을 가진 경향성은 나타나지 않았으나, 전반적으로 4월에는 감소경향을, 한강 유역에서는 10월에 증가경향을 나타냈다. 유출량에 대한 Mann-Kendall 검정결과도 강수효율의 분석결과와 마찬가지로 통계적으로 유의한 경향성이 나타나지 않았으나, 봄철 안성천, 한강서해, 섬진강 등에서 감소경향을, 여름철 한강, 삽교천 등에서 증가경향을 나타냈다.
- 강수효율의 평균대비 변화율은 강수량의 변화율에 비해서 미미한 것으로 나타났으며, 유출량의 변화율은 상당히 큰 것으로 나타났다. 대구, 울산, 천안 등 8개 기상관측 지점에서는 강수량의 증가에도 불구하고 강수효율(P-E지수)은 오히려 감소하는 것으로 나타났으며, 이는 강수량이 증가하는 동시에 기온 또한 증가하기 때문에 나타난 결과로 판단된다.
- 강수효율의 연변화는 강수량의 연변화 특성과 마찬가지로 대체로 증가하는 양상을 보여주었다. 그러나 강수량이 증가하는 동시에 기온 증가의 영향으로 강수효율은 그 변화 크기에 있어서는 강수량의 변화 크기에 비해서 작은 것을 알 수 있었다. Table 3은 각 변수의 연 시계열 자료에 대한 선형 회귀분석 결과를 토대로 계산된 선형 변화량을 제시한 것이다.
- 하지만 2월과 10월 유출량의 변화는 대체로 감소하는 경향을 나타냈으나, 강수효율의 전반적인 감소경향에도 불구하고 한강 유역에 해당하는 기상관측지점에서 강수효율 증가의 영향으로 한강, 한강동해 대권역은 다소 증가하는 것으로 나타났다. 금강 유역에 대한 분석결과, 금강 유역의 기상관측지점 모두 10월과 12월 강수효율은 감소하는 반면 유출량은 오히려 증가 하는 것으로 나타났다. 또 12월 낙동강 유역에서도 울릉도지점(115)을 제외한 나머지 관측지점에서 강수효율이 감소하고 있으나, 유출량의 경우는 증가하는 것으로 나타났다.
- 강수효율의 평균대비 변화율은 강수량의 변화율에 비해서 미미한 것으로 나타났으며, 유출량의 변화율은 상당히 큰 것으로 나타났다. 대구, 울산, 천안 등 8개 기상관측 지점에서는 강수량의 증가에도 불구하고 강수효율(P-E지수)은 오히려 감소하는 것으로 나타났으며, 이는 강수량이 증가하는 동시에 기온 또한 증가하기 때문에 나타난 결과로 판단된다. 선형 회귀분석을 통한 월별 강수량, 기온, 강수효율 및 유출량의 선형 변화 특성은 강수량, 강수 효율 그리고 유출량 모두 7월에 증가경향, 4월에 감소경향이 가장 뚜렷하게 나타났으며, 변화율 또한 가장 크게 나타났다.
- 4%)로 증가율이 가장 큰 것으로 나타났다. 대체로 1월, 2월, 4월, 10월, 11월, 12월에 감소하는 지역이 많았으며, 특히 4월에는 한강이 약 38.96 mm (49.9%), 낙동강 약 49.41 mm(49.7%), 금강 약 53.03 mm(63.0%), 섬진강 약 49.70 mm(41.7%), 제주도 약 54.84 mm(41.5%)가 감소하여 4월에 우리나라 강수량의 감소현상이 두드러지는 것을 확인할 수 있었다. 강수효율 및 유출량의 월별 변화는 전반적으로 강수량의 변화 특성과 잘 부합하는 것으로 나타났다.
- 그러나 한강 유역과 섬진강 유역의 경우 3월에 강수량과 강수효율은 증가하는데 반해 유출량은 오히려 감소하고 있는 것으로 나타났다. 또 한강 유역에서 11월, 낙동강 유역에서 1월과 3월, 섬진강 유역에서 5월 등에서는 강수량은 증가하는 것으로 나타났지만, 강수효율과 유출량은 감소하는 것으로 나타나 강수량의 변화보다 강수효율이 유출량 변화와 더욱 잘 일치하는 결과를 보여주었다.
- 대구, 울산, 천안 등 8개 기상관측 지점에서는 강수량의 증가에도 불구하고 강수효율(P-E지수)은 오히려 감소하는 것으로 나타났으며, 이는 강수량이 증가하는 동시에 기온 또한 증가하기 때문에 나타난 결과로 판단된다. 선형 회귀분석을 통한 월별 강수량, 기온, 강수효율 및 유출량의 선형 변화 특성은 강수량, 강수 효율 그리고 유출량 모두 7월에 증가경향, 4월에 감소경향이 가장 뚜렷하게 나타났으며, 변화율 또한 가장 크게 나타났다. 강수효율의 월별 변화에 대한 Mann-Kendall 검정결과, 대부분의 경우 통계적 유의성을 가진 경향성은 나타나지 않았으나, 전반적으로 4월에는 감소경향을, 한강 유역에서는 10월에 증가경향을 나타냈다.
- Table 4는 분석에 사용된 변수들의 월별 평균 및 선형 회귀분석을 통하여 산정된 변화량을 보여주고 있다. 월별 강수량의 변화량은 주로 7월에 한강 유역이 약 187.56 mm(58.1%), 낙동강 유역이 약 121.77 mm (47.4%), 섬진강 유역이 약 91.48 mm (32.9%) 증가하여 월별로 7월의 강수량 증가율이 가장 큰 것으로 나타났으며, 금강 유역과 제주도는 9월에 각각 약 47.28 mm(34.8%)와 약 109.06 mm(58.4%)로 증가율이 가장 큰 것으로 나타났다. 대체로 1월, 2월, 4월, 10월, 11월, 12월에 감소하는 지역이 많았으며, 특히 4월에는 한강이 약 38.
- 월별 강수효율(P-E비)에 대한 선형 회귀분석 결과(Table 4), 한강 유역의 경우 1, 2, 4, 10, 11, 12월에는 강수효율이 감소하고, 3, 5, 6, 7, 8, 9월에는 증가하는 것으로 나타났다. 특히 4월에는 약 4.
- 강수효율의 월별 변화에 대한 Mann-Kendall 검정결과, 대부분의 경우 통계적 유의성을 가진 경향성은 나타나지 않았으나, 전반적으로 4월에는 감소경향을, 한강 유역에서는 10월에 증가경향을 나타냈다. 유출량에 대한 Mann-Kendall 검정결과도 강수효율의 분석결과와 마찬가지로 통계적으로 유의한 경향성이 나타나지 않았으나, 봄철 안성천, 한강서해, 섬진강 등에서 감소경향을, 여름철 한강, 삽교천 등에서 증가경향을 나타냈다.
- 손태석과 신현석(2010)은 낙동강 유역을 대상으로 강우의 경향성 분석을 수행한 결과 연강우량의 증가경향을 파악 할 수 있었으며 특히 여름철 강우의 증가경향이 두드러지며 가을과 겨울에는 전 지역에서 감소경향이 나타난다고 하였다. 이러한 기존 연구결과들을 기초로 할 때 연강수량의 증가경향은 여름철 호우사상의 발생빈도 증가로 인한 것으로 연강수량의 증가가 수자원 확보에 용이할 것이라는 예상과는 달리 이수에 도움을 주기보다는 오히려 홍수위험도를 가중시켜 치수에 어려움을 주는 형태임을 알 수 있다. 또한 강수 관측자료에 대해서는 유의한 변화 특성 감지하였으나, 하천 유출량에서는 뚜렷한 변화특성을 발견하지 못하고 있다(Bae et al.
- 이는 어떤 수문변수로 유역의 복합적인 유출반응을 분석함에 있어서 가지는 한계로 생각된다. 이러한 한계에도 불구하고 기상관측자료를 활용하여 산정된 강수효율의 시공간 변화 특성은 유출량의 변화와 상당히 높은 상관성을 보여주었다. 그러나 Table 5에서 보는 바와 같이 PRMS 유출량의 변화는 3월 안성천, 한강서해, 4월 섬진강 유역에서의 감소경향과, 5월 한강, 6월 한강과 삽교천, 10월 안성천 유역에서의 증가경향을 제외한 대부분의 지역에서 통계적으로 유의한 경향성을 보여주지는 않았다.
- 연 강수량합계에 대한 추세분석결과, 전체 59개 기상관측지점 중 서울(108), 인천(112), 수원(119), 강화(201), 양평 (202), 이천(203) 등 12개 지점에서 신뢰수준 95%의 증가 경향이 나타났다. 증가경향이 나타난 12개 지점 중 울릉도(115), 영주(272) 등 2개 지점을 제외한 10개 지점 모두 한강 유역에 속하는 지역으로서 한강 유역에서 연강수량의 증가경향이 뚜렷하게 나타나고 있음을 확인할 수 있었다. 강수효율(P-E지수)에 대한 추세분석결과에서는 춘천(101), 서울(108), 이천(203) 등 3개 지점에서만 통계적으로 유의한 증가경향을 나타냈다.
- 표에서 보는 바와 같이 각 수계별로는 한강 유역에서 강수효율 변화량이 약 14.62로 평균대비 약 14.4% 증가한 것으로 나타나 변화가 가장 컸으며, 낙동강이 약 8.68 (9.6%) 증가, 제주도 약 3.84 (3.5%) 증가, 섬진강 약 3.04 (2.9%) 증가, 금강 약 0.98 (1.1%) 증가, 영산강 약 0.25(0.3%) 감소하는 것으로 나타났다. 영산강 유역의 경우, 강수량 증가량이 약 72.
후속연구
- 또한 각 변수들이 보여주는 장기추세에도 불구하고 통계적으로 유의한 추세를 보이는 경우가 드물게 나타나는 것은 선형적인 증감에 따른 각 변수들의 변동특성보다는 분산형태의 변동에 대한 불확실성이 더 우세하기 때문일 것이다. 따라서 향후 기후변화에 능동적으로 대처할 수 있도록 월별, 지역별 변화 특성에 맞는 구체적이고 효율적인 이수 및 치수 대책에 대한 노력이 필요할 것으로 판단된다.
- 이상의 분석결과를 종합해볼 때 기후변화에 따른 우리나라 연강수량 및 유출량은 앞으로도 계속 증가할 것으로 보인다. 하지만 이러한 강수량 및 유출량의 증가는 여름철 호우사상에 의해서 발생되는 현상이며, 여름철을 제외한 경우는 강수량과 강수효율이 오히려 감소하고 있으며, 봄철 특히 4월 강수량, 강수효율, 유출량의 감소가 뚜렷한 것으로 나타났다.
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