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문제 정의
- 본 연구에서는 잠재 및 실제증발산의 개념을 정리한 후, 유역의 실제 증발산량을 추정하는 방법에 대하여 검토하였다. 여러 추정방법 중 SWAT-K 모형(Kim 과 Lee, 2008; 2010)이 구조적 개선을 통하여 정도 높은 각종 수문성분량을 산정할 수 있어 유역 수문모델링 방법으로 채택하였다.
- 따라서 본 연구에서는 SWAT-K를 이용한 유역 수문모델링을 통하여 잠재 및 실제 증발산량을 추정하여 연, 월별 변화를 분석하였다. 기존연구(Korea Institute of Construction Technology, 2007, 2011; Kim과 Kim, 2004)들에서 토양수분의 변화를 중심으로 추정된 증발산량의 신뢰도가 충분히 검증된 바 있어, 제주유역에서도 식 (8)의 개념에 기초한 증발산량 추정을 시도하고자 하였다. 또한, 추정된 증발산량의 검증을 위해 식 (14)와 같은 물수지 개념에 입각 하여 유출량과 함양량의 모의값을 관측유출량, 관측지하수위와의 검증을 통해 모델링의 신뢰성을 부여 하였다.
- 본 연구에서는 북제주의 한천유역을 대상으로 SWAT-K를 이용하여 잠재 및 실제 증발산량을 추정 하여, 그 결과를 고찰하였다. 하지만 해안 저지대에 위치한 제주 기상대의 기상자료만 고려되었으며, 중간산 및 고지대의 자료는 미계측이라는 한계를 지니고 있다.
제안 방법
- 여기서, ETp는 Priestly-Taylor식을 이용한 잠재증발산(mm/d)으로 주위환경이 습할 경우, 공기동역학적 요소는 제거하고, 에너지 요소로서 계수 αpet을 곱하였다.
- 여러 추정방법 중 SWAT-K 모형(Kim 과 Lee, 2008; 2010)이 구조적 개선을 통하여 정도 높은 각종 수문성분량을 산정할 수 있어 유역 수문모델링 방법으로 채택하였다. 정확한 증발산 추정의 중요성을 이해하고, 지표면에 도달한 물이 수증기로 변환되는 증발산의 모든 기작을 실제 제주도 유역에 적용하여 그간 상대적으로 다루기 쉽지 않았던 증발산량의 연, 월별 특성을 분석하였다. 또한, 증발산에 영향을 미치는 주요인자 중 하나인 온도에 대한 민감도를 분석하였으며, 유역 전체의 강수량과 잠재 및 실제 증발산량 간의 관계를 파악하였다.
- 정확한 증발산 추정의 중요성을 이해하고, 지표면에 도달한 물이 수증기로 변환되는 증발산의 모든 기작을 실제 제주도 유역에 적용하여 그간 상대적으로 다루기 쉽지 않았던 증발산량의 연, 월별 특성을 분석하였다. 또한, 증발산에 영향을 미치는 주요인자 중 하나인 온도에 대한 민감도를 분석하였으며, 유역 전체의 강수량과 잠재 및 실제 증발산량 간의 관계를 파악하였다.
- 모형에서 실제 증발산량을 추정하기 위해서는 토양의 수분함량이 고려되어야 한다. 이를 위해 모형에서는 각 토양통 (soil series) 별로 여러 개의 토양층으로 구분하였다. 먼저, 최대토양증발량을 추정하기 위한 토양깊이에 따른 분포는 식 (9)와 같다.
- 따라서 본 연구에서는 SWAT-K를 이용한 유역 수문모델링을 통하여 잠재 및 실제 증발산량을 추정하여 연, 월별 변화를 분석하였다. 기존연구(Korea Institute of Construction Technology, 2007, 2011; Kim과 Kim, 2004)들에서 토양수분의 변화를 중심으로 추정된 증발산량의 신뢰도가 충분히 검증된 바 있어, 제주유역에서도 식 (8)의 개념에 기초한 증발산량 추정을 시도하고자 하였다.
- 기존연구(Korea Institute of Construction Technology, 2007, 2011; Kim과 Kim, 2004)들에서 토양수분의 변화를 중심으로 추정된 증발산량의 신뢰도가 충분히 검증된 바 있어, 제주유역에서도 식 (8)의 개념에 기초한 증발산량 추정을 시도하고자 하였다. 또한, 추정된 증발산량의 검증을 위해 식 (14)와 같은 물수지 개념에 입각 하여 유출량과 함양량의 모의값을 관측유출량, 관측지하수위와의 검증을 통해 모델링의 신뢰성을 부여 하였다.
- 따라서 관측기반의 강수량, 유출량과 함양량의 검증을 통하여 모의 증발산량의 신뢰성을 부여할 수 있었다. 또한, 모의된 증발산량은 유역 내 위치하고 있는 소형 접시 증발량의 관측값을 통해 다시 한 번 그 신뢰성을 평가하였다.
- 94로 높은 적합도를 보여 모의된 증발산량의 타당성을 부여하고 있다. 소형접시 증발량에 비해 모의된 잠재증발산이 높은 이유는 물수지 개념에서 타당성을 평가 하였다. 제주기상대의 경우, 연평균강수량이 1,530 mm이며, 소형접시 증발량은 강수량의 78%에 해당하는 1,192 mm이다.
- 앞서 검증된 잠재 증발산량과 기상, 토양수분 및 식생의 기작을 통해 추정된 실제 증발산량을 비교하였다(Fig. 6). 연별 결과를 보면, 잠재 증발산량은 연별 변화를 보이고 있으나, 실제 증발산량은 일정한 값을 유지하였다.
- 기온의 경우, 증발산량에 영향을 미치는 인자 중 하나로 제주의 산악효과를 반영하기 위해 –6°C/km의 기온감소율 (National Institute of Meteorological Research, 2010) 을 대상유역에 적용하여 결과를 분석하였다.
- 또한 Rim 등(2011)은 연평균 강수량이 증가함에 따라 잠재 증발산량은 감소, 실제 증발산량은 증가함을 밝힌 바 있다. 본 연구에서는 연별, 월별 강우량의 증가에 따른 잠재 및 실제 증발산량, 물 발생량의 변화를 분석하였다. 연별값의 경우, 강우량이 증가함에 따라 잠재 증발산량은 감소하나, 실제 증발산량은 미미하게 증가하는 경향을 보였다(Fig.
- 또한 SWAT-K의 적용에 있어서 국내유역에 적합한 식생의 LAI와 같은 주요인자에 대한 특성치의 연구가 미흡한 관계로 이로 인한 모의결과의 오차를 내포하고 있다. 그러나 SWAT-K의 구조적 개선을 통하여 정도 높은 수문성분을 해석할 수 있다는 점을 이용하여 국내에서 연구가 미흡한 유역 증발산량의 특성을 분석하였으며, 그 결과를 정리하였다.
- 기온이 증발산량에 미치는 영향을 파악하기 위해 제주기상대 지점의 기온이 전체유역에 고려된 경우와 고도상승에 따른 기온감소효과가 고려되었을 경우에 대하여 각각 추정된 증발산량을 비교하였다. 기온의 경우, 증발산량에 영향을 미치는 인자 중 하나로 제주의 산악효과를 반영하기 위해 –6°C/km의 기온감소율 (National Institute of Meteorological Research, 2010) 을 대상유역에 적용하여 결과를 분석하였다.
대상 데이터
- 본 연구의 대상유역으로 제주 중북부에 위치한 한천이 포함된 수자원 단위지도 표준권역을 선정하였다. 한천유역은 유역면적 86.
이론/모형
- 본 연구에서는 잠재 및 실제증발산의 개념을 정리한 후, 유역의 실제 증발산량을 추정하는 방법에 대하여 검토하였다. 여러 추정방법 중 SWAT-K 모형(Kim 과 Lee, 2008; 2010)이 구조적 개선을 통하여 정도 높은 각종 수문성분량을 산정할 수 있어 유역 수문모델링 방법으로 채택하였다. 정확한 증발산 추정의 중요성을 이해하고, 지표면에 도달한 물이 수증기로 변환되는 증발산의 모든 기작을 실제 제주도 유역에 적용하여 그간 상대적으로 다루기 쉽지 않았던 증발산량의 연, 월별 특성을 분석하였다.
- 잠재 증발산량과 실제 증발산량 간 보완관계식을 이용하는 방법은 Bouchet(1963)가 개념을 제시하였으며, Morton(1983)이 그 개념을 이용하여 증발산 추정모형(CRAE)을 제시하였다. 이 방법은 토양이나 식물 등의 지표면 조건에 대한 정보를 필요로 하지 않으며 단지 기상자료만을 이용하는 방법으로 적용하기 쉽다는 장점이 있으나 잠재 및 실제 증발산량 간의 보완피드백 메커니즘이 존재한다는 가정이 수반되어 있어 적용 시 이를 입증해야 하는 어려움이 있으며, 짧은 시간간격에 대해서는 적용이 곤란한 단점을 가지고 있다.
- 모형에서 증발산 산정은 물리적으로 규명된 현상을 수식으로 정립하여 해석하고 있다. 그 과정은 Fig. 1에서와 같이 SWATK을 이용하여 Penman-Monteith방법으로 기준작물 잠재 증발산량을 추정한 후, 유역 내 식생 및 토지피복과 가용토양수분을 고려하여 실제 증발산량을 추정한다. 즉, 식생피복에 의해 차단되는 강우로부터 증발을 계산한 후, 최대증산량, 최대승화/토양증발량을 추정한 후, 이에 따라 실제 승화량과 토양에서의 실제 증발량 및 증산량을 계산한다(Neitsch 등, 2011).
- 3). 증발산량 추정을 위해 SWAT-K를 이용하였으며, 강우는 PRISM 기법을 이용하여 공간분포된 자료 (Kim 등, 2012)를 활용하였으며, 기상(온도, 습도, 풍속, 일사량)자료는 제주 기상대의 관측값을 이용하여 모형에 적용하였다. 식생 분포는 환경부에서 제공하는 토지피복 중분류를 이용하였다.
- 4% 등의 분포를 나타내었다. 토양의 공간분포는 농업진흥청 국립농업과학원에서 제공하는 정밀토양도를 이용하였으며, 토양속성은 Korea Institute of Construction Technology(2007)의 결과를 활용하였다.
- 분석기간은 2002-2010년으로 하였으며, SWAT-K 를 이용하여 지표수 유출의 검증을 위해 제주 유출특성에 부합하는 유출모의기법으로 보정을 수행하였다 (Chung 등, 2011). 또한, 지하수 함양량의 검증을 위해 모의 지하수 함양량과 관측지하수위의 시계열을 최적화하였다(Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, 2012).
- 따라서 유역전체의 통합물수지 측면에서 강수량과 지표수 유출과 지하수 함양량이 검증 되어 증발산량에 대한 신뢰를 부여할 수 있다. 증발산량 추정은 Penman-Monteith식이 활용되었으며, 잠재 증발산량 모의값 검증을 위해 제주기상대의 소형접시 증발량과의 비교검증을 수행하였다. 증발접시에 의한 증발산량은 여러 학자들에 의해 작물의 증발산을 추정하기 수단으로 사용되고 있으며, 10일 이상의 기간에 대한 기준작물증발산을 추정할 경우, 그 정확도가 높은 것으로 알려졌다(Jensen, 1974; Doorenbos와 Pruitt, 1984).
성능/효과
- 는 실제 증발산량, Rainfall은 강수량, Runoff는 직접유출량, GW는 지하수함양량이다. 따라서 관측기반의 강수량, 유출량과 함양량의 검증을 통하여 모의 증발산량의 신뢰성을 부여할 수 있었다. 또한, 모의된 증발산량은 유역 내 위치하고 있는 소형 접시 증발량의 관측값을 통해 다시 한 번 그 신뢰성을 평가하였다.
- 제주기상대의 경우, 연평균강수량이 1,530 mm이며, 소형접시 증발량은 강수량의 78%에 해당하는 1,192 mm이다. 하지만 유역전체 연평균강수량은 2,243 mm이며, 모의된 잠재 증발산량은 강수량의 71%에 해당하는 1,442 mm로 강수량을 기준으로 보았을 경우, 모의된 잠재 증발산량은 소형접시 증발량보다 약 7% 정도 적게 해석되었다. 또한, Fig.
- 6). 연별 결과를 보면, 잠재 증발산량은 연별 변화를 보이고 있으나, 실제 증발산량은 일정한 값을 유지하였다. 월별 결과의 경우, 계절별 산포도가 크게 나타나 잠재 및 실제 증발산량의 상관성이 약한 것으로 판단된다.
- 본 연구에서는 연별, 월별 강우량의 증가에 따른 잠재 및 실제 증발산량, 물 발생량의 변화를 분석하였다. 연별값의 경우, 강우량이 증가함에 따라 잠재 증발산량은 감소하나, 실제 증발산량은 미미하게 증가하는 경향을 보였다(Fig. 8). Fig.
- (1) 제주 기상대의 소형접시 증발량과 모의 잠재 증발산량의 월별값을 비교한 결과, 결정계수는 0.94로 높은 적합도를 보여 SWAT-K 모델링을 통한 잠재 증발산량의 신뢰도는 매우 높은 것으로 분석되었다. 연평균 강수량을 기준으로 분석하면 유역전체의 모의된 잠재 증발산량은 소형접시 증발량의 91%로 해석되었다.
- 94로 높은 적합도를 보여 SWAT-K 모델링을 통한 잠재 증발산량의 신뢰도는 매우 높은 것으로 분석되었다. 연평균 강수량을 기준으로 분석하면 유역전체의 모의된 잠재 증발산량은 소형접시 증발량의 91%로 해석되었다.
- (2) 모의된 잠재 및 실제 증발산량을 비교해보면, 연별 결과의 경우 잠재 증발산량은 연별로 변화를 보이고 있으나, 실제 증발산량은 일정한 값을 나타내었다. 월별 결과의 경우, 계절별 산포도가 크게 나타나 상관성이 약한 것으로 판단된다.
- (3) 제주의 산악효과를 반영하기 위해 증발산에 영향을 미치는 온도에 대하여 분석한 결과, -6°C/km의 기온감소율 적용 시 제주기상대 지점의 기온이 전체 유역에 고려된 경우에 비해 잠재 증발산량이 연별 평균7.5% 감소되는 것으로 파악되었다.
- (4) 연별, 계절별 강우량이 증가함에 따라 잠재 증발산량은 감소하나, 실제 증발산량은 증가하는 경향을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 향후 추가적인 연구를 위해 최근 일부 제주 중산간및 고지대에서 관측되고 있는 상대습도, 온도 등을 모형에 고려한다면 보다 정교한 모의가 가능해질 것이다. 또한 추정된 증발산량의 모의값 검증을 위해 현재 제주, 서귀포 기상대에서만 관측되고 있는 증발접시에 의한 관측을 제주유역의 고지대 및 중산간 지역으로 확장될 필요가 있을 것으로 판단된다.
- 향후 추가적인 연구를 위해 최근 일부 제주 중산간및 고지대에서 관측되고 있는 상대습도, 온도 등을 모형에 고려한다면 보다 정교한 모의가 가능해질 것이다. 또한 추정된 증발산량의 모의값 검증을 위해 현재 제주, 서귀포 기상대에서만 관측되고 있는 증발접시에 의한 관측을 제주유역의 고지대 및 중산간 지역으로 확장될 필요가 있을 것으로 판단된다.
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