[논문]Horton 지수의 재논의를 통한 수문분할의 변동성

최대규; 최민하; 안재현; 박무종; 김상단

doi:10.17663/jwr.2011.13.1.035

Horton 지수의 재논의를 통한 수문분할의 변동성
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한국습지학회지 = Journal of wetlands research, v.13 no.1, 2011년, pp.35 - 44

최대규 (부경대학교 환경해양대학 환경공학과) , 최민하 (한양대학교 공과대학 토목공학과) , 안재현 (서경대학교 공과대학 토목공학과) , 박무종 (한서대학교 공과대학 토목공학과) , 김상단 (부경대학교 환경해양대학 환경공학과)

초록
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기후변동에 따른 식생반응 및 그에 따른 물수지 동역학의 변화를 살펴볼 목적으로 본 연구에서는 식생의 물 이용가능성과 식생 생산량의 지역별 연별 변동성을 분석하였다. 유역의 식생 물이용의 대리변수로서 습윤량에 대한 기화량의 비로 표현되는 Horton 지수의 계산을 통하여 유역에서의 수문 분할과 그에 따른 식생의 물 이용 가능성에 대한 정량화를 시도하였다. 연별 Horton 지수의 추정결과 기후의 변동성과 비교하여 볼 때 상대적으로 일정한 값을 유지하고 있는 것을 살펴볼 수 있다. 이와 더불어 Horton 지수와 식생의 강우이용효율을 비교한 결과, 물 이용가능성에 따른 식생의 물 이용에 대한 흥미로운 패턴이 있음을 살펴볼 수 있었다. 물이 식생 성장에 제한요소가 될 경우 식생의 강우이용효율은 공통적인 최대값으로 수렴한다는 선행연구들의 결과를 본 연구를 통해서도 확인할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to explore vegetation adaptation to climate variability and the impacts on water balance dynamics, the inter-regional and the inter-annual variability of both water availability and vegetation productivity are investigated. The Horton index, which is the ratio between actual evapotranspiration and catchment wetting as a measure of vegetation water use at catchment-scale, is revisited to quantify the effects of growing-season water availability on hydrologic partitioning at catchment scale. It is shown that the estimated Horton index is relatively constant irrespective of inter-annual climate variability. In addition, the Horton index is compared with catchment-scale vegetation rain use efficiency. The results show that there is an interesting pattern in the response of vegetation water use to water availability. When water becomes the limiting factor for vegetation productivity, the catchment-scale vegetation rain use efficiency converges to a common maximum value in agreement with earlier findings at the ecosystem level.

주제어

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문제 정의

2). 댐 상류 유역은 다른 지역에 비해 상대적으로 신뢰성 있는 장기간의 관측자료를 확보할 수 있으며, 또한 인위적인 간섭이 비교적 적어 자연 유역의 상태를 잘 보전하고 있기 때문에 본 연구의 목적에 적합하다고 판단하였다. 유역면적이나 지표유출량에 쓰이는 CN값은 국가수자원관리시스템(WAMIS, 2010)의 홈페이지에서 자료를 획득하였으며, 기상자료는 유역 인근에 있는 기상관측소 자료를 대상으로 티센 가중평균법을 이용하여 유역별로 공간 평균한 뒤에 이용하였다(Fig.
Webb 등(1986)은 미국의 14곳의 유역에서 수집된 ANPP자료와 증발산량 자료를 이용하여 경험적인 관계식(식 3)을 산정하였다. 이는 비록 실제 우리나라를 대상으로 구한 관계식은 아니지만 이후 Horton 지수와의 관계를 알아보기 위하여 본 연구에 적용하여 보았다.

가설 설정

이를 통해 Horton은 자연 유역에서 침투된 물을 저장하고 다시 대기로 환원할 수 있는 유역의 능력은 주로 식생에 의해서 제어되고 물 수지의 연간 변동성에 매우 큰 영향을 준다고 생각하였다. 그는 또한 식생은 이용할 수 있는 최대한의 토양수분량을 사용할 수 있을 정도로 성장한다는 가설을 세웠다(Fig. 1).

제안 방법

최근 10년간의 관측 자료를 이용하여 8개의 유역에 대하여 Horton 지수를 산정해보았다. Table 2는 유역별 Horton 지수 및 수문요소에 대해서 정리한 것이며 크게 연별, 성수기(6~9월)로 구분하여 제시하였다. 강수량의 비중으로 보았을 때, 성수기가 전체강우에 70~80% 가량을 차지하고 있었으며 Penman 방법으로 계산된 잠재증발산의 경우에는 약 절반가량이 성수기에 집중되고 있다.
기후변동에 따른 식생반응 및 그에 따른 물수지 동역학의 변화를 살펴볼 목적으로 식생의 물이용가능성과 식생 생산량의 지역별 연별 변동성을 분석하였다. 수문학적 기법인 NRCS 유출곡선법과 Digital Filter 기법을 이용하여 수문성분을 분리한 후, 이로부터 유역의 식생 물이용의 대리 변수로서 습윤량에 대한 기화량의 비로 표현되는 Horton 지수를 계산하여 유역에서의 수문 분할과 그에 따른 식생의 물 이용가능성에 대한 정량화를 시도하였다.
이를 위해 비교적 양질의 수문자료를 확보할 수 있는 8개 댐 상류 유역을 대상으로 최근 10년간(2000~2009년) 관측 강수량 및 유량을 분석하여 연별 Horton 지수를 산출하고 이에 대한 변동성을 살펴볼 것이다. 또한 Webb 등(1986)에서 제안된 ANPP 경험식을 통하여 식생량을 산정한 뒤 식생과 Horton 지수와 상관성을 알아볼 것이다.
또한 강수량과 Horton 지수의 변동성을 비교하기 위해 변동계수(표준편차/평균)를 이용하여 살펴보았다(Table 3). 비교 결과, 강수량에 비해 약 30~40% 가량 낮은 변동성이 나타나는 것을 알 수 있었으며, 이는 Horton(1933)의 연구와도 부합되는 결과이다.
마지막으로 식생의 강수이용효율과 Horton 지수와의 관계를 살펴보았다(Fig. 8). 비교해본 결과, 식생의 강수이용효율이 높을수록 Horton 지수는 1에 가깝게 나타났다.
기후변동에 따른 식생반응 및 그에 따른 물수지 동역학의 변화를 살펴볼 목적으로 식생의 물이용가능성과 식생 생산량의 지역별 연별 변동성을 분석하였다. 수문학적 기법인 NRCS 유출곡선법과 Digital Filter 기법을 이용하여 수문성분을 분리한 후, 이로부터 유역의 식생 물이용의 대리 변수로서 습윤량에 대한 기화량의 비로 표현되는 Horton 지수를 계산하여 유역에서의 수문 분할과 그에 따른 식생의 물 이용가능성에 대한 정량화를 시도하였다.
첫째, Horton 지수를 통하여 우리나라 지역의 수문분할 특성에 대해 살펴보고 둘째, 식생과 수문특성과는 어떠한 관계가 있는지에 대해서 살펴볼 것이다. 이를 위해 비교적 양질의 수문자료를 확보할 수 있는 8개 댐 상류 유역을 대상으로 최근 10년간(2000~2009년) 관측 강수량 및 유량을 분석하여 연별 Horton 지수를 산출하고 이에 대한 변동성을 살펴볼 것이다. 또한 Webb 등(1986)에서 제안된 ANPP 경험식을 통하여 식생량을 산정한 뒤 식생과 Horton 지수와 상관성을 알아볼 것이다.
따라서 Horton 지수와 연강수량과는 반비례관계임을 생각해 볼 수 있다. 이를 확인하기 위해 안동댐유역을 대상으로 Horton 지수와 연 강수량의 관계를 비교해 보았다(Fig. 7). Fig.
본 연구에서 추구하려는 목적은 크게 두 가지로 나누어 볼 수 있다. 첫째, Horton 지수를 통하여 우리나라 지역의 수문분할 특성에 대해 살펴보고 둘째, 식생과 수문특성과는 어떠한 관계가 있는지에 대해서 살펴볼 것이다. 이를 위해 비교적 양질의 수문자료를 확보할 수 있는 8개 댐 상류 유역을 대상으로 최근 10년간(2000~2009년) 관측 강수량 및 유량을 분석하여 연별 Horton 지수를 산출하고 이에 대한 변동성을 살펴볼 것이다.
최근 10년간의 관측 자료를 이용하여 8개의 유역에 대하여 Horton 지수를 산정해보았다. Table 2는 유역별 Horton 지수 및 수문요소에 대해서 정리한 것이며 크게 연별, 성수기(6~9월)로 구분하여 제시하였다.
추가적으로 횡성댐, 안동댐, 임하댐, 주암댐 등 4개 댐 상류 유역을 대상으로 연별 습도지수와 Horton 지수와의 관계를 비교해보았다(Fig. 6). Fig.

대상 데이터

연구 대상유역으로 한강수계내의 춘천댐, 횡성댐, 괴산댐, 소양강댐과 낙동강수계내의 안동댐, 임하댐, 합천댐 그리고 섬진강수계내의 섬진강댐, 총 8곳을 선정하였다(Fig. 2). 댐 상류 유역은 다른 지역에 비해 상대적으로 신뢰성 있는 장기간의 관측자료를 확보할 수 있으며, 또한 인위적인 간섭이 비교적 적어 자연 유역의 상태를 잘 보전하고 있기 때문에 본 연구의 목적에 적합하다고 판단하였다.
댐 상류 유역은 다른 지역에 비해 상대적으로 신뢰성 있는 장기간의 관측자료를 확보할 수 있으며, 또한 인위적인 간섭이 비교적 적어 자연 유역의 상태를 잘 보전하고 있기 때문에 본 연구의 목적에 적합하다고 판단하였다. 유역면적이나 지표유출량에 쓰이는 CN값은 국가수자원관리시스템(WAMIS, 2010)의 홈페이지에서 자료를 획득하였으며, 기상자료는 유역 인근에 있는 기상관측소 자료를 대상으로 티센 가중평균법을 이용하여 유역별로 공간 평균한 뒤에 이용하였다(Fig. 2). Table 1은 유역특성 및 적용된 수문기법의 매개변수를 정리한 것이다.

이론/모형

Digital Filter기법에서 유일한 매개 변수인 α는 최적화 기법중 하나인 Sequential Quadratic Programing(SQP)방법(Gill, 1999)을 이용하여 추정하였으며 NRCS 유출곡선법을 통하여 계산된 지표유출량의 합과 Digital Filter를 통하여 계산된 지표유출량의 합이 같을 때까지 매개 변수를 찾아가는 방식으로 진행되었다.
Horton 지수 산정에 필요한 각 수문요소를 계산하기 위해 NRCS 유출곡선법과 Digital Filter 기법이 사용되었다. 또한 잠재증발산량을 산정하기 위해 Penman 기법을 적용하였다.
Horton 지수 산정에 필요한 각 수문요소를 계산하기 위해 NRCS 유출곡선법과 Digital Filter 기법이 사용되었다. 또한 잠재증발산량을 산정하기 위해 Penman 기법을 적용하였다. NRCS 유출곡선법은 강수량에서 손실량과 유효우량을 분리하기 위해 사용되는 방법이며 현재 우리나라에서 유효우량 산정 시에 가장 널리 사용되는 방법이다.

성능/효과

Horton 지수와 식생의 강수이용효율을 비교해본 결과, 강수이용효율이 높을수록 Horton 지수는 1에 가까웠으며, 이를 통해 강수이용효율이 좋을 경우 그 해의 총 습윤량이 대부분 기화량으로 전환되는 것을 알 수 있었다. 또한 Horton 지수가 1에 가까울수록 반건조 기후에서 나타나는 강수이용효율, 0.
Horton 지수와 식생의 강수이용효율을 비교해본 결과, 강수이용효율이 높을수록 Horton 지수는 1에 가까웠으며, 이를 통해 강수이용효율이 좋을 경우 그 해의 총 습윤량이 대부분 기화량으로 전환되는 것을 알 수 있었다. 또한 Horton 지수가 1에 가까울수록 반건조 기후에서 나타나는 강수이용효율, 0.42g/㎡/yr으로 수렴하고 있는 것을 살펴볼 수 있었으며, 이를 통해 습윤 및 반건조기후조건에 상관없이 일정한 최대 RUE 값으로의 수렴 현상은 유역 규모의 수문순환에서 중요한 상수로 취급될 수 있을 것으로 판단된다.
우리나라 댐 유역 8곳을 대상으로 분석한 결과, Horton 지수는 연 강수량의 변동성과 비교해 볼때 상대적으로 일정한 값으로 나타나 Horton(1933)의 가설이 우리나라 유역에도 적용됨을 알 수 있었다. 또한 연강수량과 ANPP, 습도지수와 Horton 지수간의 비교분석을 통해 식생과 수문순환과의 Feedback 관계를 살펴볼 수 있었으며 안동댐유역의 연 강수량과 Horton 지수와의 비교를 통해 이들 사이에 반비례관계가 있음을 살펴볼 수 있었다.
또한 강수량과 Horton 지수의 변동성을 비교하기 위해 변동계수(표준편차/평균)를 이용하여 살펴보았다(Table 3). 비교 결과, 강수량에 비해 약 30~40% 가량 낮은 변동성이 나타나는 것을 알 수 있었으며, 이는 Horton(1933)의 연구와도 부합되는 결과이다.
8). 비교해본 결과, 식생의 강수이용효율이 높을수록 Horton 지수는 1에 가깝게 나타났다. 즉 식생의 물이용 효율이 좋을 때 그 해의 총 습윤량이 모두 기화량으로 전환되고 있다는 것을 알 수 있다.
우리나라 댐 유역 8곳을 대상으로 분석한 결과, Horton 지수는 연 강수량의 변동성과 비교해 볼때 상대적으로 일정한 값으로 나타나 Horton(1933)의 가설이 우리나라 유역에도 적용됨을 알 수 있었다. 또한 연강수량과 ANPP, 습도지수와 Horton 지수간의 비교분석을 통해 식생과 수문순환과의 Feedback 관계를 살펴볼 수 있었으며 안동댐유역의 연 강수량과 Horton 지수와의 비교를 통해 이들 사이에 반비례관계가 있음을 살펴볼 수 있었다.

후속연구

42g/㎡/yr)(Huxman 등, 2004)에 수렴하고 있는 것을 볼 수 있다. 기후조건에 관계없이 Horton 지수가 1에 가까울수록 최대 식생 강수이용효율 값으로 수렴하는 현상은 유역 규모의 수문순환에서 중요한 상수로 취급할 수 있을 것이다.
비록 식생을 나타내는 ANPP가 단순한 경험식을 통해 이루어져 실질적인 식생자료라고 할 수는 없지만, 본 연구를 통해 그동안 시도하지 않았던 우리나라의 유역을 대상으로 장기적인 관점에서 식생과 수문분할과의 연관성을 검토해보았다는 것에 의의를 찾을 수 있으며 추후에 NDVI(Normalized Difference Vegetation Index, 정규화식생지수)와 같은 원격탐사자료를 이용하여 실제 우리나라의 식생량을 산정할 경우 보다 현실적인 우리나라의 식생과 수문분할 관계를 확인해 볼 수 있을 것이다.
상기 결과들은 대규모 유역에서의 수문 분할과정에서 식생이 미치는 영향을 이해하는데 도움을 줄 수 있을 것이며, 기후변화에 따라서 지표면에서의 수문현상 및 식생의 반응이 어떠한 방식으로 전개될 지에 대한 통찰력을 제공할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수문순환 구조와 각 수문순환 과정에 대한 이해와 관련된 연구 중 심도 깊은 논의를 제기한 것은 무엇인가?	현재까지 수문순환 구조와 각 수문순환 과정에 대한 이해와 관련하여 많은 연구가 진행되어 왔다. 특히 Robert E. Horton은 그의 대표적인 논문 중에 하나인 "The Role of Infiltration on the Hydrologic Cycle" (Horton, 1933)을 통하여 전체 수문순환에서 침투를 통한 유역의 습윤량(wetting)의 역할에 대한 매우 심도 깊은 논의를 제기하였다. Horton은 1905년부터 1929년까지 뉴욕 주 핸콕시에 있는 델라웨어강 서쪽 지류를 대상으로 성장기 물 수지 성분을 측정하여 유역의 기화량(vaporization)과 습윤량의 비(Horton 지수, H)를 계산하였는데, 강수량의 큰 변동성에도 불구하고 H가 상대적으로 일정함을 발견하였다. 이를 통해 Horton은 자연 유역에서 침투된 물을 저장하고 다시 대기로 환원할 수 있는 유역의 능력은 주로 식생에 의해서 제어되고 물 수지의 연간 변동성에 매우 큰 영향을 준다고 생각하였다.
	강수량과 ANPP간에는 어떤 관계가 존재하는가?	강수량은 ANPP의 연간 변동성에 가장 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있으며(Boutton 등, 1988; Deshumukh, 1984; Fang 등, 2001) 일반적으로 강수량과 ANPP간에는 양의 상관관계를 보이는 것으로 알려져 있다(McNaughton 등, 1993; Sala 등, 1988). 나아가 Webb 등(1986)은 식생의 성장기 동안 실제 증발산량과 ANPP는 높은 상관관계가 있음을 밝혔다.
	본 논문에서 선정한 연구 대상유역에는 무엇이 있는가?	연구 대상유역으로 한강수계내의 춘천댐, 횡성댐, 괴산댐, 소양강댐과 낙동강수계내의 안동댐, 임하댐, 합천댐 그리고 섬진강수계내의 섬진강댐, 총 8곳을 선정하였다(Fig. 2).

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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