[논문]저수지 가뭄지수를 활용한 농업가뭄 위험도 평가

남원호; 최진용; 장민원; 홍은미

doi:10.5389/ksae.2013.55.3.041

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Drought risk assessment is usually performed qualitatively and quantitatively depending on the definition a drought. The meteorological drought indices have a limit of not being able to consider the hydrological components such as evapotranspiration, soil moisture and runoff, because it does not con...

Drought risk assessment is usually performed qualitatively and quantitatively depending on the definition a drought. The meteorological drought indices have a limit of not being able to consider the hydrological components such as evapotranspiration, soil moisture and runoff, because it does not consider the water demand in paddies and water supply in reservoirs. Agricultural drought was defined as the reservoir storage shortage state that cannot satisfy water requirement from the paddy fields. The objectives of this study were to suggest improved agricultural drought risk assessment in order to evaluate of regional drought vulnerability and severity studied by using Reservoir Drought Index (RDI). The RDI is designed to simulate daily water balance between available water from agricultural reservoir and water requirement in paddies and is calculated with a frequency analysis of monthly water deficit based on water demand and water supply condition. The results indicated that RDI can be used to assess regional drought risk in agricultural perspective by comparing with the historical records of drought in 2012. It can be concluded that the RDI obtained good performance to reflect the historical drought events for both spatially and temporally. In addition, RDI is expected to contribute to determine the exact situation on the current drought condition for evaluating regional drought risk and to assist the effective drought-related decision making.

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문제 정의

기상학적 가뭄의 경우 지속적인 강수의 부족상태를 나타내는 무강우일수, 과우일수를 활용하여 가뭄의 시점과 종점을 판단한다면, 농업용저수지의 경우 강수의 지속적인 부족 상황이 발생하여도 저수지의 가용저수용량으로부터 관개지역의 수요량을 공급할 수 있다면 가뭄 상태라고 판단할 수 없다. 본 연구에서는 농업적 가뭄 측면에서 이러한 농업용 저수지의 기능을 고려하여 농업가뭄을 표현할 수 있는 저수지 가뭄지수를 활용하고자 한다.
본 연구에서는 농촌수자원의 주요한 용수공급시설인 농업용저수지의 용수공급능력과 관개지역의 필요수량을 평가하여 가뭄 강도를 정량화할 수 있는 저수지 가뭄지수를 사용하여, 과거 및 2012년 여름에 발생한 농업가뭄을 분석하였다. 저수지 가뭄지수는 논 물수지 모형과 저수지 용수수급 분석 모형에서 산정한 순별 최소 가용저수량 시계열에 대한 빈도분석을 통해 가뭄발생의 위험을 재현기간과 크기로 추정하고 용수공급능력을 평가함으로써 기존의 저수지 수위가 아닌 이수 관점에서 합리적 용수공급계획의 수립을 위한 의사결정지원 도구로써 활용가능 할 것으로 사료된다.
본 연구에서는 농촌수자원의 주요한 용수공급시설인 농업용저수지의 용수공급능력과 관개지역의 필요수량을 평가하여 시기별로 부족수량을 산정하고 가뭄강도를 정량화함으로써 농업가뭄 상황을 평가할 수 있는 저수지 가뭄지수(Reservoir Drought Index, RDI)를 사용하여, 과거 및 2012년 여름에 발생한 농업가뭄을 분석하고 활용성을 평가하고자 한다.

제안 방법

본 연구에서는 농업용 저수지의 실시간 수위 및 RDI를 활용하여 2012년도 여름 가뭄을 분석하였다. 2012년도 5월 1일부터 6월 27일까지 전국의 기상관측소의 평균 강우량은 71.
관개기의 경우 농업용수 수요가 시작되는 5월 이앙기부터 9월까지 순별 최소 가용저수량과 비관개기의 경우 농번기가 끝나는 한 달(10월)과 그 다음해 이앙기 전까지 두 단계로 구분하여 각 기간의 가용저수량에서 순별 최소치로 시계열을 작성한다. 용수수급 분석 모형에서 산정한 순별 최소 가용저수량 시계열에 대한 빈도분석을 시행함으로써 가뭄발생의 위험을 재현기간과 크기로 추정하고 용수공급능력, 즉 가뭄에 대한 저항능력을 평가한다.
저수지 가뭄지수의 객관적인 가뭄 평가를 위해 과거 대표적인 가뭄기록과 일치성을 비교하였으며, Table 4는 과거 대가뭄으로 정의되는 시기와 가뭄사상을 정리한 것이다. 본 연구에서 선정한 농업용 저수지를 대상으로 1973년부터 2011년까지 RDI를 산정한 모의 결과는 Fig.
, 2012b). 저수지 가뭄지수의 산정과정은 Fig. 2와 같이 입력자료를 수집하고 일별 논 물수지 분석 모형과 저수지 물수지 분석 모형을 적용하여 용수수급해석의 결과로부터 순별 부족수량을 산정한 후, 부족수량의 시계열자료에 대하여 빈도분석을 실시하여 객관화된 가뭄의 단계를 산정한다.

대상 데이터

저수지 가뭄지수의 객관적인 가뭄 평가를 위해 과거 대표적인 가뭄기록과 일치성을 비교하였으며, Table 4는 과거 대가뭄으로 정의되는 시기와 가뭄사상을 정리한 것이다. 본 연구에서 선정한 농업용 저수지를 대상으로 1973년부터 2011년까지 RDI를 산정한 모의 결과는 Fig. 3과 같다. 연도별 가뭄발생 특징을 살펴보면, 가뭄기록이 있는 1976～1977년, 1988년, 1994～1995년, 2000～2001년, 2008～2009년에 RDI가 낮은 값으로 산정되어 각 지역에 대한 가뭄지수 평가가 실제 가뭄기록과 유사하게 나타나 농업가뭄의 판단기준으로 적용가능성이 높을 것으로 사료된다.
본 연구에서는 농업용수 공급을 목적으로 준공된 유역면적 500ha 미만의 소규모 농업용 저수지를 대상으로 하였으며, Table 3에 도시한 바와 같이 유역면적, 관개면적, 유효저수량이 유사한 송악, 유곡, 신평, 탑곡, 아산 저수지를 선정하였다.

이론/모형

입력자료로 기상자료, 저수지 특성자료, 영농자료가 필요하며, 논 물수지 분석은 관개 지역 논벼의 증발산량, 침투량, 배수량의 대수적 관계로부터 일별 필요수량 및 담수심을 모의한다. 논에서의 일별 증발산량은 Penman-Monteith 식을 사용하였으며, 일별 논 물수지 분석 모형에서 산정된 필요수량으로부터 저수지 물수지 모의로부터 순별 부족수량을 산정한다. 관개기의 경우 농업용수 수요가 시작되는 5월 이앙기부터 9월까지 순별 최소 가용저수량과 비관개기의 경우 농번기가 끝나는 한 달(10월)과 그 다음해 이앙기 전까지 두 단계로 구분하여 각 기간의 가용저수량에서 순별 최소치로 시계열을 작성한다.
본 연구에서는 저수지 관개지구의 농업가뭄을 분석하기 위하여 관개지역 논벼의 필요수량과 저수지의 용수공급능력을 파악하여 시기별로 발생할 수 있는 용수부족의 위험을 가뭄단계로 평가하는 단일 저수지의 농업가뭄 평가모형을 활용하였다(Jang et al., 2003, 2004; Nam et al., 2012b). 저수지 가뭄지수의 산정과정은 Fig.

성능/효과

5 (e)는 RDI 및 실시간 저수위를 활용하여 농업가뭄 위험도를 도시한 것으로써, 검은색 점들은 해당 저수지의 실시간 수위를 도시한 것이고, 사각 도형은 순별로 산정한 RDI 기준을 나타낸 것이다. 5월부터 6월까지 두달간의 무강우로 인하여 저수지의 관개용수 공급이 시작되는 4월 말부터 저수지의 수위가 급격하게 감소하는 것을 확인할 수 있다. 송악, 유곡, 아산 저수지의 경우 RDI 값이 －1～－2으로 가용저수량이 매해 평상시 운영하는 수준 이내에 있는 안정된 상태로 약한 가뭄 또는 한발빈도 10년 빈도보다 크지 않는 강도로 평상시보다 약간의 경계만 요구하는 수준인 보통가뭄 수준으로 분석되었다.
5월부터 6월까지 두달간의 무강우로 인하여 저수지의 관개용수 공급이 시작되는 4월 말부터 저수지의 수위가 급격하게 감소하는 것을 확인할 수 있다. 송악, 유곡, 아산 저수지의 경우 RDI 값이 －1～－2으로 가용저수량이 매해 평상시 운영하는 수준 이내에 있는 안정된 상태로 약한 가뭄 또는 한발빈도 10년 빈도보다 크지 않는 강도로 평상시보다 약간의 경계만 요구하는 수준인 보통가뭄 수준으로 분석되었다. 신평, 탑곡 저수지의 경우 RDI 값이 －2～－3으로 한발빈도 10년 빈도 이상 30년 빈도 이하의 가용저수량을 보수한 경우에는 물 부족이 우려되는 상황인 심한가뭄 수준으로 평가되었다.
신평, 탑곡 저수지의 경우 RDI 값이 －2～－3으로 한발빈도 10년 빈도 이상 30년 빈도 이하의 가용저수량을 보수한 경우에는 물 부족이 우려되는 상황인 심한가뭄 수준으로 평가되었다. 시기별로 살펴보면 5월 중순부터 약한 가뭄 상태가 발생하였으며, 6월 하순까지 지속되었고 신평 저수지를 제외한 4개의 저수지는 7월 초순에 가뭄에서 회복되었으며, 저수지별로 가뭄의 시작과 종료 기간 및 가뭄지속시간에 차이가 있는 것으로 나타났다. 저수지 수위의 경우 동일한 강우사상이 발생하더라도 저수지의 가용저수용량 및 유역면적, 관개면적 등의 특성에 따라 수위의 변화량은 상이하다.
송악, 유곡, 아산 저수지의 경우 RDI 값이 －1～－2으로 가용저수량이 매해 평상시 운영하는 수준 이내에 있는 안정된 상태로 약한 가뭄 또는 한발빈도 10년 빈도보다 크지 않는 강도로 평상시보다 약간의 경계만 요구하는 수준인 보통가뭄 수준으로 분석되었다. 신평, 탑곡 저수지의 경우 RDI 값이 －2～－3으로 한발빈도 10년 빈도 이상 30년 빈도 이하의 가용저수량을 보수한 경우에는 물 부족이 우려되는 상황인 심한가뭄 수준으로 평가되었다. 시기별로 살펴보면 5월 중순부터 약한 가뭄 상태가 발생하였으며, 6월 하순까지 지속되었고 신평 저수지를 제외한 4개의 저수지는 7월 초순에 가뭄에서 회복되었으며, 저수지별로 가뭄의 시작과 종료 기간 및 가뭄지속시간에 차이가 있는 것으로 나타났다.

후속연구

4 (e)는 일별 수위 곡선 및 순별 RDI 기준을 도시한 것으로, 실선의 경우 분석기간의 일별 저수량을 활용하여 2년 빈도, 5년 빈도, 10년 빈도에 해당하는 저수량을 연결한 곡선이고, 다각형은 순별 가뭄단계 기준을 적용한 저수지 가뭄지수를 도시한 것이다. RDI 지표의 기준은 각 저수별 과거 데이터로부터 도출되기 때문에 각 저수지별, 시기별로 상이하며, 기존의 저수지 수위가 아닌 이수 관점에서 단일 저수지의 운영 및 합리적 용수공급계획의 수립을 위한 의사결정지원 도구로써 활용가능 할 것으로 사료된다.
저수지 수위의 경우 동일한 강우사상이 발생하더라도 저수지의 가용저수용량 및 유역면적, 관개면적 등의 특성에 따라 수위의 변화량은 상이하다. 따라서 실시간 수위와 저수지 가뭄지수와의 연계를 통해서 농업용 저수지의 용수공급능력 및 농업가뭄의 위험도를 평가 할 수 있으며, 현재 수위에 따른 단일 저수지의 저수지 운영에 활용가능 할 것으로 판단된다.
저수지 가뭄지수는 논 물수지 모형과 저수지 용수수급 분석 모형에서 산정한 순별 최소 가용저수량 시계열에 대한 빈도분석을 통해 가뭄발생의 위험을 재현기간과 크기로 추정하고 용수공급능력을 평가함으로써 기존의 저수지 수위가 아닌 이수 관점에서 합리적 용수공급계획의 수립을 위한 의사결정지원 도구로써 활용가능 할 것으로 사료된다. 또한 실시간 수위와 저수지 가뭄지수와의 연계를 통한 농업 가뭄의 위험도 평가는 현재 수위에 따른 단일 저수지의 저수지 운영에 활용가능 할 것으로 판단된다.
지표가 갖는 의미는 과거의 기록에 비해 현재의 저수위의 상태, 해당 저수지 수위의 빈도일 뿐 가뭄 발생의 가능성을 판단할 수 없다. 시기별, 저수지별 동일한 저수위 또는 저수율 일지라도 다른 가뭄상태로 표현되고 단일 저수지별로 상이한 결과를 도출하므로 용수공급능력의 절대 비교가 불가능하기 때문에 단일 저수지 운영을 위한 도구로서 활용할 수 있는 한계점이 있다.
본 연구에서는 농촌수자원의 주요한 용수공급시설인 농업용저수지의 용수공급능력과 관개지역의 필요수량을 평가하여 가뭄 강도를 정량화할 수 있는 저수지 가뭄지수를 사용하여, 과거 및 2012년 여름에 발생한 농업가뭄을 분석하였다. 저수지 가뭄지수는 논 물수지 모형과 저수지 용수수급 분석 모형에서 산정한 순별 최소 가용저수량 시계열에 대한 빈도분석을 통해 가뭄발생의 위험을 재현기간과 크기로 추정하고 용수공급능력을 평가함으로써 기존의 저수지 수위가 아닌 이수 관점에서 합리적 용수공급계획의 수립을 위한 의사결정지원 도구로써 활용가능 할 것으로 사료된다. 또한 실시간 수위와 저수지 가뭄지수와의 연계를 통한 농업 가뭄의 위험도 평가는 현재 수위에 따른 단일 저수지의 저수지 운영에 활용가능 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가뭄이란?	가뭄은 주기적으로 발생하는 기후의 한 특성으로 특정기간 동안의 강수량 부족으로 인한 기상, 수문, 농업, 사회학적 물 부족 현상을 의미하며, 물의 수요와 공급간의 상호작용에 기인한다(Ahn et al., 2009).
	가뭄 분석에 중요한 것은?	, 2009). 가뭄 분석은 시간적인 가뭄의 발생과 공간적인 가뭄의 분포를 파악하는 것이 중요하며, 효과적인 가뭄의 예측 및 대책을 위해서는 가뭄의 진행상황이나 강도를 정의할 수 있는 객관적인 기준을 이용해야 한다(Nam et al., 2008a).
	가뭄을 평가하고 예측하기 위한 기법들의 예는?	국내의 가뭄지수와 관련된 연구는 외국에서 개발된 가뭄지수의 적용성 판단에 집중되었으며 가뭄지수를 이용하여 가뭄의 진행상황을 모니터링함으로써 가뭄을 평가하고 예측하기 위한 기법들이 개발되었다. 기상자료와 강수량을 사용하여 가뭄을 평가하는 기상학적 가뭄지수인 SPI(Standard Precipitation Index), 강수량 및 유효토양수분량에 근거하여 가뭄을 판단하는 PDSI(Palmer Drought Severity Index), 지표의 물 공급체계를 고려하여 유역단위의 가뭄을 평가하는 수문학적 가뭄지수인 SWSI(Surface Water Supply Index)를 대표적으로 사용하고 있다.

참고문헌 (15)

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Rosenberg, N. J., 1979. Drought in the great plains - research on impacts and strategies. Proceedings of the Workshop on Research in Great Plains Drought Management Strategies, University of Nebraska-Lincoln.

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