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문제 정의
- 기후시나리오에 따른 유출량 및 수질변화를 모의하기 위해 한반도 수환경 평가에 적절한 기후변화 모델을 구축하고자 하였다. 이를 위해 총 17개의 GCMs 자료를 수집하였으며 현재기후 시나리오인 20C3M 시나리오의 모의 결과와 우리나라 24개 기상관측 지점의 1971～2000년 기온 및 강수자료를 비교 · 검증하였다.
- 따라서 본 연구에서는 GCMs 모형인 CGHR (T63) 모형과 온실가스 배출 시나리오인 A1B를 이용하여 미래 기후변화에 따른 수질오염에 취약한 낙동강 유역의 수문 영향과 지표유출에 따른 수질에 미치는 영향을 평가하였다. 특히, 수질의 경우 탁수 및 부영양화의 원인물질인 SS와 2단계 오염총량관리 대상항목인 T-P를 대상으로 하였으며 평가도구로는 국내외에서 수문 · 수질모의에 널리 활용되고 있는 SWAT 모델을 적용하였다.
제안 방법
- 모의기간은 6년(보정: 2007～2009, 검증: 2004～2006) 이고 모델의 안정화를 위해 2002년부터 2003년까지 추가 모의하였다. 국내외 연구자들이 보고한 매개변수를 참고하여 유량 및 수질모의에 적절한 매개변수를 선정하여 허용범위 내에서 단순시행착오법에 의해 보정하였다. 또한 실측값에 대한 모의결과의 적절성을 평가하기 위해 % difference (ASCE, 1993), NSE (Nash and Sutcliffe, 1970) 그리고 결정계수(Coefficient of Determination, R2)를 산정하였으며 모델효율 범위는 Donigian (2000)이 제시한 조건을 기초로 보정하였다.
- 낙동강 총량 측정지점인 낙본 E와 낙본 M을 상류와 하류구간의 각각 대표지점으로 하여 기후변화에 따른 계절적 특성을 살펴보았다(Figs. 6∼8).
- 본 연구에서 사용된 모델은 SWAT2005 버전으로 ArcGIS기반에서 수치고도모델과 유역경계 및 하천망 자료를 이용해 대상유역을 분할하고 토지이용도와 토양도 및 경사도를 중첩하여 만든 수문반응단위(HRU, Hydrologic Response Unit)별로 유량 및 오염물질 발생량을 계산하며 이를 하도 추적한다. 모델의 소유역 자동분할 기능을 이용하여 오염총량관리 단위유역을 고려한 67개의 소유역으로 분할하였다. 환경지리정보서비스(http://egis.
- SWAT 모델은 유출량 해석을 중심으로 연구가 시작되어 최근에는 비점오염 관리를 위한 수질 모의, 모형의 알고리즘 개선, 기후변화에 따른 수문·수질영향 등에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서 사용된 모델은 SWAT2005 버전으로 ArcGIS기반에서 수치고도모델과 유역경계 및 하천망 자료를 이용해 대상유역을 분할하고 토지이용도와 토양도 및 경사도를 중첩하여 만든 수문반응단위(HRU, Hydrologic Response Unit)별로 유량 및 오염물질 발생량을 계산하며 이를 하도 추적한다. 모델의 소유역 자동분할 기능을 이용하여 오염총량관리 단위유역을 고려한 67개의 소유역으로 분할하였다.
- 본 연구에서는 유역 모델링을 통해 미래 기후변화가 대규모 유역의 수문·수질에 미치는 영향을 평가하고자 CGHR (T63) 모형의 결과로부터 편이보정 및 규모내림을 통해 미래 기상자료를 생산하고 SWAT 모형을 이용하여 낙동강 유역의 미래 수문학적 거동 특성 및 수질변화를 모델링하였다.
- 이를 위해 총 17개의 GCMs 자료를 수집하였으며 현재기후 시나리오인 20C3M 시나리오의 모의 결과와 우리나라 24개 기상관측 지점의 1971～2000년 기온 및 강수자료를 비교 · 검증하였다.
- 편의보정은 GCM에서 제공되는 20C3M시나리오의 1971∼2000년의 월별 평균기온과 강수량 자료를 동일한 기간의 24개 지점에서 관측 자료의 공간평균자료와 일치시키기 위해 누적분포함수를 관측된 공간평균 자료의 누가확률밀도함수에 Quantile mapping하는 방법으로 수행하였다.
- 하천수질 모의를 위해 2007년 전국 오염원 기초조사 자료를 이용하여 배출부 하량을 산정하였다. 환경부 수질측정망 자료의 태별 농도를 참고하여 암모니아, 질산염, 아질산염, 유기질소, 인산 염, 유기인 등의 태별 비율을 계산하였으며 질소와 인에 대한 태별 배출부하량을 산정하여 소유역별로 할당하였다. SS의 경우 방류수 수질기준인 10∼20 mg/L을 지역적 규제기준에 따라 소유역별로 적용하였다.
대상 데이터
- 모의기간은 6년(보정: 2007～2009, 검증: 2004～2006) 이고 모델의 안정화를 위해 2002년부터 2003년까지 추가 모의하였다. 국내외 연구자들이 보고한 매개변수를 참고하여 유량 및 수질모의에 적절한 매개변수를 선정하여 허용범위 내에서 단순시행착오법에 의해 보정하였다.
- 수문보정을 위해 대상유역에 대한 강우량, 기온(최대· 최저기온), 풍속, 일사량 및 상대습도 등의 기상자료를 일단위로 수집하여 모델에 입력하였다.
- 최종적으로 GCMs의동아시아의 육지표현능력이 뚜렷하며 현재기후의 재현성과 우리나라 수환경과의 적합성 및 영향분석에 필요한 자료의 이용성 등을 고려하여 캐나다에서 2005년도에 개발한 A1B 시나리오(2011∼2100년)가 적용된 CGHR (T63)을 선정하였다(안종호 등, 2011).
- 수문보정을 위해 대상유역에 대한 강우량, 기온(최대· 최저기온), 풍속, 일사량 및 상대습도 등의 기상자료를 일단위로 수집하여 모델에 입력하였다. 하천수질 모의를 위해 2007년 전국 오염원 기초조사 자료를 이용하여 배출부 하량을 산정하였다. 환경부 수질측정망 자료의 태별 농도를 참고하여 암모니아, 질산염, 아질산염, 유기질소, 인산 염, 유기인 등의 태별 비율을 계산하였으며 질소와 인에 대한 태별 배출부하량을 산정하여 소유역별로 할당하였다.
- 모델의 소유역 자동분할 기능을 이용하여 오염총량관리 단위유역을 고려한 67개의 소유역으로 분할하였다. 환경지리정보서비스(http://egis.me.go.kr/egis)와 국립식량과학원으로부터 중분류 토지피복도 및 정밀토양도를 각각 제공받아 유역경계에 맞게 재분류하였으며 재분류된 소유역별 토지이용과 토양특성 그리고 경사정보를 중첩하여 1,256개의 HRUs를 생성하였다.
이론/모형
- 또한 2007 상수도 통계연보(환경부, 2008a)를 이용하여 소유역별 생·공용수량을 산정하였으며 하천 유량과 강우량 그리고 수정 Penman식에 의해 계산된 증발산량 등을 이용하여 소유역별 농업용수량을 산정하였다.
- 국내외 연구자들이 보고한 매개변수를 참고하여 유량 및 수질모의에 적절한 매개변수를 선정하여 허용범위 내에서 단순시행착오법에 의해 보정하였다. 또한 실측값에 대한 모의결과의 적절성을 평가하기 위해 % difference (ASCE, 1993), NSE (Nash and Sutcliffe, 1970) 그리고 결정계수(Coefficient of Determination, R2)를 산정하였으며 모델효율 범위는 Donigian (2000)이 제시한 조건을 기초로 보정하였다. 모델의 검 · 보정은 본류구간 13개 지점과 지류구간 30개 지점에 대해 각각 수행하였으며 보정결과는 동일한 대상유역을 기초로 수행된 장재호와 안종호(2012)의 연구를 참조할 수 있다.
- 모델의 검 · 보정은 본류구간 13개 지점과 지류구간 30개 지점에 대해 각각 수행하였으며 보정결과는 동일한 대상유역을 기초로 수행된 장재호와 안종호(2012)의 연구를 참조할 수 있다.
- 특히, 수질의 경우 탁수 및 부영양화의 원인물질인 SS와 2단계 오염총량관리 대상항목인 T-P를 대상으로 하였으며 평가도구로는 국내외에서 수문 · 수질모의에 널리 활용되고 있는 SWAT 모델을 적용하였다.
- 편의보정은 GCM에서 제공되는 20C3M시나리오의 1971∼2000년의 월별 평균기온과 강수량 자료를 동일한 기간의 24개 지점에서 관측 자료의 공간평균자료와 일치시키기 위해 누적분포함수를 관측된 공간평균 자료의 누가확률밀도함수에 Quantile mapping하는 방법으로 수행하였다. 편의보정과정을 거쳐 획득한 현재 및 미래 강수량과 평균기온 자료를 이용하여 시공간적 변화인자기법(SpatioTemporal Changing Factor Method, STCFM)을 적용하여 규모내림 하였다. STCFM의 경우 현재 기후에 의한 통계학적 상관성이 미래 기후에도 영향을 미칠 수 있다는 단점이 있지만, 월 강수량 및 월 평균기온에 근거하여 비교적 간단하며 계산이 경제적이기 때문에 GCM 자료를 이용하여 쉽게 적용할 수 있는 장점을 가지고 있다(환경부, 2006).
- 한편, 대상유역에 조절유량을 반영하기 위해 국가 수자원관리종합정보 시스템의 7개 댐 제원과 일별 방류량(2004∼2009)을 수집하였으며 관측일 유량법을 적용하여 모의하였다.
성능/효과
- 2100까지의 단위기간별 (2020s, 2050s, 2080s)변화 정도를 살펴보면 SS의 경우 유출량 경향과 유사하여 2020s에서 급격한 증가를 보였으며 2080s로 갈수록 1.42∼1.50배 정도 부하량이 증가하는 것으로 나타났다.
- 가 15∼35% 범위로 특정지점 및 항목에 있어 다소 높게 나타났으나 수질 메커니즘이 복잡 · 다양한 유역의 공간적 특성을 고려할 때 실측자료의 경향을 적절히 묘사한 것으로 판단되었다.
- 계절적인 변화특성은 15∼62% 범위의 변화폭을 보였고, 특히 겨울철에 증가경향(37∼62%)이 가장 큰 폭으로 나타나면서 전반적으로 겨울, 봄, 가을철의 편차가 증가하는 반면, 여름철의 편차변화는 먼 미래로 갈수록 감소하는 특성을 보였다.
- 미래의 수문환경 자료는 다양한 불확실성이 내포된 자료를 바탕으로 예측된 결과 이기 때문에 정확한 시기별 결과를 예측하는 것은 다소 무리가 있으며 수학적 통계기법과 몇 가지 인자만으로 복잡한 자연환경을 해석하는 것은 더욱더 어렵다. 그러나 기후변화에 따른 수질변화는 유역의 수문변화와 밀접한 관계가 있음을 확인할 수 있었으며 오염물질에 의한 하천 수질에 부정적인 영향을 미칠 것으로 예측할 수 있다. 따라서 기후변화에 대한 적응 및 대응전략을 수립하기 위해서는 유역 모델링을 통해 수자원의 변동성과 유역의 오염 물질 거동 특성을 예측하고 정량적인 분석을 통해 적절한 관리방안을 마련해야 할 것으로 판단된다.
- STCFM을 적용하여 규모내림된 2020s (2011∼2040년), 2050s (2041∼2070년), 2080s (2071∼2100년)의 단위기간과 과거 20c3m (1980∼2009년) 자료와의 비교를 통한 단위유역별 기온과 강수량의 상호 증감변화를 살펴보면, Table 1과 같다. 기온의 경우 가을철은 미미한 수준에서 증가하였지만 다른 계절에서는 오히려 감소경향을 보인 2020s와는 달리 2050s와 2080s는 모든 계절에서 미래로 가면서 꾸준히 증가하였는데, 계속되는 지구온난화로 인해 2080s의 평균온도는 겨울철에 최대 2.1℃ (130%)까지 상승할 것으로 전망되었다. 또한 봄, 여름, 가을의 경우도 서서히 증가하여 과거 30년 대비 2080s까지 10% 이상의 기온 상승이 예상되었다.
- 기후변화에 따른 지표 유출의 계절변화 특성은 먼 미래로 시간이 경과함에 따라 강우량 및 기온 변화와 유사하게 나타났는데, 낙동강 상류는 20∼40%, 하류는 20∼60%로 하류 유역이 상류 유역보다 다소 높은 증가율을 나타냈다.
- 낙동강 상·하류 간의 변화폭에는 큰 차이가 없으나 낙동강 상류구간에서 먼 미래로 갈수록 강우량 변화가 다소 크게 나타났다.
- 3), 증가가 뚜렷한 지역으로는 지류유역의 경우 내성천, 임하댐, 회천 유역 등에서 60% 이상으로 가장 크게 나타났고 안동댐, 반변천, 병성천, 백천, 합천댐 및 양산천 유역 등에서도 50% 이상의 높은 증가를 나타냈다. 또한 본류유역의 경우 강우 변화패턴과 유사하게 전반적으로 높은 증가율을 보였다. 부유물질 부하량의 경우 내성천, 임하댐, 회천 등의 지류유역과 낙본H와 낙본K 등의 본류유역에서 약 80% 이상의 높은 증가를 나타내어 유출량의 변화와 상호 밀접한 관계가 있음을 보여주었다(Fig.
- 또한 선형회귀분석 결과, 유량은 R2가 0.70 이상으로 비교적 높은 유의성을 보였으며 SS와 T-P는 각각 0.50∼0.64의 범위로서 모델을 이용한 장기 수질예측에 있어 신뢰성을 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
- 또한 안동·임하댐 유역을 시작으로 낙동강 본류구간을 중심으로 증가경향을 뚜렷하게 나타내었다.
- 부유물질 부하량의 경우도 지표유출의 변화경향에 따라 30%부터 100% 이상까지 증가하였다. 또한 하류구간의 부하량 증가가 상류와 비교하여 다소 크고 계절적으로는 겨울철에 가장 뚜렷하게 증가하였고 봄철 증가율도 높게 나타났다.
- 6의 T-P결과에서와 같이 먼 미래로 갈수록 여름철 영향으로 증가폭이 둔화되어 나타나는 것으로 판단할 수 있다. 상류와 하류의 공간적 특성은 하류 유역의 변화율이 상류에 비해 다소 크게 나타남을 알 수 있는데, 하류유역이 동일한 강우에 대해 지표 유출률이 크기 때문에 이에 따른 부하량 배출에도 영향을 미치는 것으로 판단되며 이상의 계절적 변화특성은 A1B 시나리오의 변화특성과 낙동강 유역의 기상, 오염원, 토지이용 및 토양 등의 고유특성에 의존하는 것으로 판단된다.
- 유출량과 오염부하량의 증가경향은 낙동강 하류지역보다 상류지역에 크게 나타나며, 계절별로는 겨울과 봄철의 증가가 크고 먼 미래로 갈수록(2020s→2100s) 증가 하는 반면, 여름과 가을철에는 먼 미래로 갈수록 증가율이 감소하는 경향을 나타내었다.
- 전반적으로 강우량 및 유출량의 변화특성에 따라 수질 변화 경향도 유사한 결과를 보였으며 지류유역의 오염부 하량 증가가 비교적 크게 나타났다. 2100까지의 단위기간별 (2020s, 2050s, 2080s)변화 정도를 살펴보면 SS의 경우 유출량 경향과 유사하여 2020s에서 급격한 증가를 보였으며 2080s로 갈수록 1.
- 또한 안동·임하댐 유역을 시작으로 낙동강 본류구간을 중심으로 증가경향을 뚜렷하게 나타내었다. 지표유출량의 경우 강우량의 변화특성과 유사한 경향을 나타냈는데(Fig. 3), 증가가 뚜렷한 지역으로는 지류유역의 경우 내성천, 임하댐, 회천 유역 등에서 60% 이상으로 가장 크게 나타났고 안동댐, 반변천, 병성천, 백천, 합천댐 및 양산천 유역 등에서도 50% 이상의 높은 증가를 나타냈다. 또한 본류유역의 경우 강우 변화패턴과 유사하게 전반적으로 높은 증가율을 보였다.
- 지표유출량의 경우 낙동강 본류 및 지류구간 모두 검 · 보정기간에 걸쳐 모델효율 범위 내(% diff. 15% 이하, NSE 0.64∼0.85)에서 실측 유량에 대한 높은 적용성을 나타내었다.
- 한편, T-P 부하량의 경우 증가율은 SS와 비교하여 상대적으로 작아 상류와 하류구간에서 40% 미만의 증가율 분포를 보였으나 강우 유출량에 민감하게 반응하는 것을 예측할 수 있었다. T-P 부하량의 경우 계절적 변화정도를 고려하여 계절에 따른 큰 차이점을 나타냈는데, 먼 미래로 시간이 경과할수록 겨울과 봄철에는 증가하는 경향을 보였다.
- 한편, 규모내림 된 결과를 통해 강수량의 변화경향을 살펴보면, 장기적으로 강수량의 증가가 예상되며 2020s, 2050s, 2080s에서 각각 18.4%, 22.5%, 25.1%씩 증가할 것으로 나타났다. 과거대비 2020s는 급격한 증가를 보였으며 시간이 경과함에 따라 과거와의 편차가 점차 증가할 것으로 전망되는데, 특히 2080s에서 가장 큰 편차율을 나타냈다.
후속연구
- 그러나 기후변화에 따른 수질변화는 유역의 수문변화와 밀접한 관계가 있음을 확인할 수 있었으며 오염물질에 의한 하천 수질에 부정적인 영향을 미칠 것으로 예측할 수 있다. 따라서 기후변화에 대한 적응 및 대응전략을 수립하기 위해서는 유역 모델링을 통해 수자원의 변동성과 유역의 오염 물질 거동 특성을 예측하고 정량적인 분석을 통해 적절한 관리방안을 마련해야 할 것으로 판단된다.
- 원인을 살펴보면 낙동강 유역은 일부 도시지역을 제외하고 산림과 농경지가 많은 비중을 차지하지만, 도시지역으로부터 배출되는 가정하수 및 공장폐수 등은 일정한 양이 지속적으로 발생되어 강우시나 비강우시 배출량에는 큰 변동이 없기 때문에 불투수층의 비중이 큰 지역은 강우 또는 지표유출량의 변화에 크게 영향을 받지 않을 수 있다. 따라서 기후변화에 따른 수질영향을 명확히 해석하기 위해서는 미래 토지이용변화를 고려한 연구가 동시 이루어져야 할 것으로 판단된다.
- 국립기상연구소(2011)에 따르면 2012년 말까지 30개의 GCM 시나리오를 제공할 계획이며 기후변화에 따른 물환경 분야에 미치는 영향을 평가하여 보다 신뢰성 있는 결과에 일조할 것으로 판단된다. 또한 현재 우리나라는 극심한 가뭄 및 홍수와 같은 기후양극화현상이 빈번히 발생하고 있기 때문에 향후 이와 같은 이상기후변동이 낙동강 수질에 미치는 영향에 대해서도 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 지표면 복사와 기온 상승, 강우패턴의 변동심화는 수문순환과정의 변동을 야기하게 되어 물관련 재해에 직 · 간접적인 인과관계를 초래하며 유역하천의 수질악화와 수생태환경의 변화에도 중요한 영향을 미치게 될 것으로 예측되고 있다(안종호 등, 2011). 이와 같은 미래 하천유량 및 수질의 불확실성은 유역환경 변화의 예측을 어렵게 하여 수자원 관리와 공중보건을 보호하기 위해 계획된 국가적 시스템 체계에 막대한 악영향을 미칠 수 있을 것으로 판단된다. 우리나라는 생활용수 공급의 대부분을 주요 4대강 지표수로부터 의존하고 있기 때문에 지표수의 수량, 수질, 공중보건, 생태환경 등의 종합적이고 체계적인 유역관리가 매우 중요하다.
- 한편, 본 연구 결과는 한계점이 존재하며 본 연구의 결과를 절대적 판단 기준으로 적용하는 것은 어렵지만, 유역 모델링을 통한 평가기법을 제시하고 미래 기온과 강수량의 변화와 지표유출 및 오염물질의 유출특성 변화에 대한 전망이 가능할 것으로 판단된다. 이를 위해 유역모형의 구축, 낮은 해상도를 지닌 GCM의 편이보정 및 규모내림, 미래 시나리오 적용 등 일련의 과정에서 발생할 수 있는 오차를 줄이기 위한 노력이 요구된다.
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