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문제 정의
- 이를 위하여 환경부 국립생물자원관에서 발표한 기후변화 생물지표종 중 수생태 변화에 민감한 지표종으로 어류를 선정하고, 대표어종에 대한 생태특성을 파악하였다. 그리고 미래 기후변화 시나리오 및 장기유출모의를 통하여 유량과 온도변화 예측함으로써 기후변화에 따른 생태환경 변화를 분석하고자 하였다.
- 본 연구에서는 기후변화가 수생태의 서식환경 변화에 미치는 영향을 분석하고자 기후변화 시나리오를 SWAT 모형에 적용하여 미래 유량과 수질을 모의하고 유량 변화와 수질 변화에 따른 생태 서식공간의 변화를 분석하였다. 이를 위하여 환경부에서 제시한 기후변화 생물지표종 중 어류(금강모치)를 선정하고, 금강모치에 대한 생태특성과 서식 제한요인을 조사하였다.
- 앞서 분석한 유량 및 수질 모의 결과를 바탕으로 미래 금강모치의 생태서식 환경의 변화를 검토하고자 하였다. Table 4에서 확인할 수 있듯이 금강모치는 BOD가 낮고 용존 산소가 풍부하며 수온이 낮은 맑은 물에 서식하는 것을 확인 할 수 있다.
- 위와 같이 본 연구에서는 기후변화가 생태계에 미치는 영향을 검토하고자 기후변화의 영향에 의한 수문특성 및 수질특성의 변화를 통하여 생태계 서식환경의 변화를 검토하였다. 향후 본 연구에 추가적으로, 수리특성의 변화와 관련한 연구가 수행된다면 보다 정량적인 분석이 가능할 것으로 판단된다.
- 이에 본 연구에서는, 기후변화가 유역의 수생태 변화에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 분석을 위하여 기후변화에 민감한 생물종을 지표로 생태서식 환경변화를 분석하였다. 이를 위하여 환경부 국립생물자원관에서 발표한 기후변화 생물지표종 중 수생태 변화에 민감한 지표종으로 어류를 선정하고, 대표어종에 대한 생태특성을 파악하였다.
제안 방법
- SWAT 모형을 이용하여 미래 수질 모의를 실시한 결과 중 수질관측소 지점인 평창강1 지점에 대한 4월과 5월의 수온을 Fig. 6과 같이 추출하였다. 그리고 이 지점을 기준으로 Kim and Kim(2010)의 수온 회귀식에 적용하여 100m 당 수온이 약 0.
- 분석 결과 미래에 유량의 증가, BOD의 증가, DO의 감소, 수온의 증가 특성을 확인할 수 있었다. 금강모치의 경우 산란기인 4월과 5월의 수질에 가장 큰 영향을 받는다고 판단하여 생태서식 환경에 대한 제한 조건으로 산란기의 수질을 설정하였다. 미래 수질 분석에 대한 평가 결과 BOD와 DO는 1급수 수준으로 양호한 것으로 나타났기 때문에 수온을 제한 조건으로 생태 서식 공간을 구분하였다.
- 따라서 금강모치의 서식 제한 요건을 산란기의 온도로 설정하여 분석하였다. 기타 수질 요건인 BOD와 DO의 경우 미래 모의 결과(Table 3)에서 상당히 양호(BOD 0.59~0.64, DO 11.54~10.75)한 것으로 분석되었기 때문에 금강모치의 서식 제한 요건에서 제외하여 분석하였다.
- 기후변화에 의하여 기장 민감하게 작용하는 수온에 대한 국내 적용을 위하여 기존 SWAT 모형에서 적용하고 있는 수온 계산식을 재검토 하였다. SWAT 모형에서 수온은 Stefan and Preud' homme(1993)에 의해 개발된 식 (1)에 의해 계산되어진다.
- 대상 하천구간 내에 금강모치의 서식환경 만족여부를 구분하기 위하여 4월과 5월의 온도가 약 11~14℃ 이내가 되면 금강모치의 산란요건, 즉 서식요건을 만족하는 것으로 분석하였다. 따라서 평창강 상류하천에 대하여 목표기간별로 분석을 수행하여 생태 서식 환경의 만족과 불만족을 Fig.
- 금강모치의 경우 20℃이상, 최대 28℃에서도 서식할 수 있는 것으로 조사되었지만, 산란기(4월~5월)의 수온은 약 11℃~14℃로 상당히 낮은 온도에서 산란을 한다(Baek, 2002). 따라서 금강모치의 서식 제한 요건을 산란기의 온도로 설정하여 분석하였다. 기타 수질 요건인 BOD와 DO의 경우 미래 모의 결과(Table 3)에서 상당히 양호(BOD 0.
- 대상유역 내에는 상안미 수위관측소 및 평창1 수질관측소가 위치하고 있다. 따라서 대표어종의 생태서식 환경에 영향을 미친다고 판단되는 유량과 수질지표인 BOD, DO, 수온을 SWAT 모형의 결과와 비교하였다. 모형의 보정을 위한 모의 기간은 2001~2005년(5개년)이며, 2006~2007년(2개년) 동안의 일유출량 자료를 이용하여 모형의 검증을 수행하였다.
- 대상 하천구간 내에 금강모치의 서식환경 만족여부를 구분하기 위하여 4월과 5월의 온도가 약 11~14℃ 이내가 되면 금강모치의 산란요건, 즉 서식요건을 만족하는 것으로 분석하였다. 따라서 평창강 상류하천에 대하여 목표기간별로 분석을 수행하여 생태 서식 환경의 만족과 불만족을 Fig. 8과 같이 구분하여 표시하였다. 이의 결과를 종합하여 금강모치의 생태 서식처를 목표기간별로 분석한 결과는 Table 5와 같다.
- 본 논문에서 대표어종으로 선정한 금강모치의 경우 우리나라에 제한적으로 분포하며 한강에는 최상류 1급수지역에 분포하고 있다. 따라서, 한강의 최상류라고 할 수 있는 평창강 유역의 상류(수자원단위지도의 표준유역 100201, 100202) 유역을 대상으로 대표어종인 금강모치의 생태서식 환경 변화를 분석하였다(Fig. 1 참고). 대상 유역은 면적이 약 669.
- 이를 위하여 환경부에서 제시한 기후변화 생물지표종 중 어류(금강모치)를 선정하고, 금강모치에 대한 생태특성과 서식 제한요인을 조사하였다. 미래 기후변화 모의(SWAT)를 통하여 유량과 수질변화를 예측함으로써 기후변화에 따른 생태환경 변화를 분석하였다. 분석 결과 미래에 유량의 증가, BOD의 증가, DO의 감소, 수온의 증가 특성을 확인할 수 있었다.
- 금강모치의 경우 산란기인 4월과 5월의 수질에 가장 큰 영향을 받는다고 판단하여 생태서식 환경에 대한 제한 조건으로 산란기의 수질을 설정하였다. 미래 수질 분석에 대한 평가 결과 BOD와 DO는 1급수 수준으로 양호한 것으로 나타났기 때문에 수온을 제한 조건으로 생태 서식 공간을 구분하였다. 분석결과 대상하천 구간 내에서 현재의 경우 약 50~60% 정도가 금강모치의 생태 서식 가능 구간인 것으로 분석되었지만 미래로 진행될수록 서식처가 점차 감소하는 것으로 나타났으며 장기적으로는 극히 일부구간(0.
- , 2009)에서도 활용성이 인정되고 있다. 본 연구에서는 GCM 자료에 축소기법을 적용하기 위하여 Fig. 2와 같이 신경망 모형을 구성하였다. 여기에서 학습을 위한 입력자료는 National Centers of Environmental Prediction (NCEP)의 4개 자료(평균온도, 비습도, 풍속, 기압)이며 예측을 위한 입력자료로는 NCEP과 동일한 변수인 GCM의 미래 예측 자료(평균온도, 비습도, 풍속, 기압)를 활용하였으며 Table 1과 같이 남한강 유역내에 6개의 기상관측소 지점에 대하여 6개의 출력자료(최고온도, 최저온도, 강수량, 상대습도, 풍속, 일사량)를 생성하였다.
- Kim and Kim(2010)는 SWAT 모형을 우리나라에 적용하기 위한 연구의 일환으로 기온과 수온과의 관계에 대하여 한강유역에 대한 33개 소유역에 대한 회귀식을 식(2)와 같이 제시하였다. 본 연구에서는 Kim and Kim(2010)가 제시한 회귀식을 이용하여 SWAT의 Source Code를 수정 후 적용하였다.
- 그리고 2007년 4차보고서에서 A1 시나리오는 다시 향후 인류가 어떤 연료를 주로 사용하느냐에 따라 A1FI(주로 화석연료사용), A1T(주로 비화석연료사용), A1B(향후 에너지 자원을 고려한 연료사용)시나리오로 나뉜다. 본 연구에서는 기후변화에 따른 한반도 강수의 변화를 예측하기 위한 사회경제적 시나리오로 SRES A1B 시나리오를 선정하였다. 이는 전 세계가 현재의 에너지 자원의 효율을 극대화하고 대체 에너지를 찾기 위해 상당한 노력을 기울이고 있는 상황이라고 판단했기 때문이다.
- 기후변화로 인한 수자원의 영향을 분석하는 방법으로 대부분의 연구에서는 기후모형에서 생산되는 기후자료를 수문모형에 입력하여 수자원의 영향을 평가하는 방법을 사용할 수 있다. 본 연구에서는 장기유출 모형의 특성, 국내에서의 활용 정도, 본 연구에서 요구되는 변수의 제공 여부를 종합적으로 고려하였다. 그 결과 국내에서 가장 많이 활용되고 있으며 주요 입력값의 생성이용이 할 뿐만 아니라 안정적으로 모의가 가능한 SWAT 모형을 선정하여 적용하였다.
- 유역내 실제 하천이 잘 재현 될 수 있도록 DEM의 해상도를 30m × 30m로 설정하여 적용하였다.
- 이에 본 연구에서는, 기후변화가 유역의 수생태 변화에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 분석을 위하여 기후변화에 민감한 생물종을 지표로 생태서식 환경변화를 분석하였다. 이를 위하여 환경부 국립생물자원관에서 발표한 기후변화 생물지표종 중 수생태 변화에 민감한 지표종으로 어류를 선정하고, 대표어종에 대한 생태특성을 파악하였다. 그리고 미래 기후변화 시나리오 및 장기유출모의를 통하여 유량과 온도변화 예측함으로써 기후변화에 따른 생태환경 변화를 분석하고자 하였다.
- 본 연구에서는 기후변화가 수생태의 서식환경 변화에 미치는 영향을 분석하고자 기후변화 시나리오를 SWAT 모형에 적용하여 미래 유량과 수질을 모의하고 유량 변화와 수질 변화에 따른 생태 서식공간의 변화를 분석하였다. 이를 위하여 환경부에서 제시한 기후변화 생물지표종 중 어류(금강모치)를 선정하고, 금강모치에 대한 생태특성과 서식 제한요인을 조사하였다. 미래 기후변화 모의(SWAT)를 통하여 유량과 수질변화를 예측함으로써 기후변화에 따른 생태환경 변화를 분석하였다.
대상 데이터
- 1 참고). 대상 유역은 면적이 약 669.67 ㎢로 행정구역상 강원도 평창군 용평면, 봉평면, 대화면을 포함하고 있으며 고도가 최소 380.0m, 최대 1,540.0m, 평균 778.8m로 우리나라 태배산맥의 줄기에 위치하고 있어 전형적인 산지유역이라고 할 수 있다.
- 이 중에서 수생태에 가장 민감하다고 판단되는 어류는 2종(금강모치, 연준모치)이 있다. 두종 중에서 생태특성에 대한 연구성과가 비교적 풍부하다고 판단되는 금강모치(Rhynchocypris Kumgangensis)를 대표어종을 선정하였다.
- 따라서 대표어종의 생태서식 환경에 영향을 미친다고 판단되는 유량과 수질지표인 BOD, DO, 수온을 SWAT 모형의 결과와 비교하였다. 모형의 보정을 위한 모의 기간은 2001~2005년(5개년)이며, 2006~2007년(2개년) 동안의 일유출량 자료를 이용하여 모형의 검증을 수행하였다. 일 유출량을 이용하여 상안미 관측소 지점을 대상으로 유량을 보정하고 검증한 결과는 Fig.
- 2와 같이 신경망 모형을 구성하였다. 여기에서 학습을 위한 입력자료는 National Centers of Environmental Prediction (NCEP)의 4개 자료(평균온도, 비습도, 풍속, 기압)이며 예측을 위한 입력자료로는 NCEP과 동일한 변수인 GCM의 미래 예측 자료(평균온도, 비습도, 풍속, 기압)를 활용하였으며 Table 1과 같이 남한강 유역내에 6개의 기상관측소 지점에 대하여 6개의 출력자료(최고온도, 최저온도, 강수량, 상대습도, 풍속, 일사량)를 생성하였다.
- 환경부 국립생물자원관 (Ministry of environment and National institute of biological resources, 2010)은 ‘국가기후변화 생물지표 100종'을 선정해 발표하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 장기유출 모형의 특성, 국내에서의 활용 정도, 본 연구에서 요구되는 변수의 제공 여부를 종합적으로 고려하였다. 그 결과 국내에서 가장 많이 활용되고 있으며 주요 입력값의 생성이용이 할 뿐만 아니라 안정적으로 모의가 가능한 SWAT 모형을 선정하여 적용하였다. 또한 SWAT 모형은 유출량 뿐만 아니라 수질을 함께 모의할 수 있어 본 논문에서 평가하고자 하는 생태환경 변화 부분에 대하여 수질 인자에 대한 출력을 제공하기 때문에 최종적으로 SWAT 모형을 채택하였다.
- 6과 같이 추출하였다. 그리고 이 지점을 기준으로 Kim and Kim(2010)의 수온 회귀식에 적용하여 100m 당 수온이 약 0.53℃ 감소하도록 설정하여 30m 그리드로 구분한 하천구간에 대한 수온을 Fig. 7과 같이 재작성 하였다. Fig.
- 대상유역에 대한 유출 및 수질 모의를 위하여 Fig. 3과 같이 SWAT 모형을 구축하였다. 유역내 실제 하천이 잘 재현 될 수 있도록 DEM의 해상도를 30m × 30m로 설정하여 적용하였다.
- 그 결과 국내에서 가장 많이 활용되고 있으며 주요 입력값의 생성이용이 할 뿐만 아니라 안정적으로 모의가 가능한 SWAT 모형을 선정하여 적용하였다. 또한 SWAT 모형은 유출량 뿐만 아니라 수질을 함께 모의할 수 있어 본 논문에서 평가하고자 하는 생태환경 변화 부분에 대하여 수질 인자에 대한 출력을 제공하기 때문에 최종적으로 SWAT 모형을 채택하였다.
- 이를 이용하여 Kyoung(2010)는 DDC의 GCM 모형 중 한반도를 육지로 모의하고 있는 BCM2, CNCM3, FGOLS, MIHR 모형을 우선적으로 1차 선정하여 국내 적용성을 검토하였으며 최종적으로 국내에 가장 적합한 모형을 CNCM3 모형으로 제시한바 있다. 이에 본 연구에서도 Kyoung(2010)의 연구결과를 참고하여 CNCM3 모형을 채택하였다.
성능/효과
- 4와 같다. Table 2와 같이 유량 및 수질지표에 대하여 상관계수(CC), 결정계수(R2), 모형효율성계수(ME), 평균제곱근오차(RMSE), PEV(Percent Explained Variance)를 이용하여 통계량을 분석한 결과 모형이 유의한 결과를 보여주는 것으로 판단되었다.
- 미래기간에 대한 모의 결과, 전반적으로 Fig. 5과 같이 대상유역 내 유출량은 증가, BOD 증가, DO, 감소, 수온 증가하는 추세에 있는 것으로 나타났다. Table 3과 같이 목표기간별(현재 1983-2008, 단기 2011-2040, 중기 2041-2070, 장기 2071-2100)로 검토한 결과 미래에 BOD가 증가하고 DO가 감소하는 추세에 있는 것은 강수량의 증가에 의한 토양유실량의 증가와 기온상승에 의한 수온의 증가가 영향을 주는 것으로 판단되었다.
- 본 논문에서 대표어종으로 선정한 금강모치의 경우 우리나라에 제한적으로 분포하며 한강에는 최상류 1급수지역에 분포하고 있다. 따라서, 한강의 최상류라고 할 수 있는 평창강 유역의 상류(수자원단위지도의 표준유역 100201, 100202) 유역을 대상으로 대표어종인 금강모치의 생태서식 환경 변화를 분석하였다(Fig.
- 미래 기후변화 모의(SWAT)를 통하여 유량과 수질변화를 예측함으로써 기후변화에 따른 생태환경 변화를 분석하였다. 분석 결과 미래에 유량의 증가, BOD의 증가, DO의 감소, 수온의 증가 특성을 확인할 수 있었다. 금강모치의 경우 산란기인 4월과 5월의 수질에 가장 큰 영향을 받는다고 판단하여 생태서식 환경에 대한 제한 조건으로 산란기의 수질을 설정하였다.
- 미래 수질 분석에 대한 평가 결과 BOD와 DO는 1급수 수준으로 양호한 것으로 나타났기 때문에 수온을 제한 조건으로 생태 서식 공간을 구분하였다. 분석결과 대상하천 구간 내에서 현재의 경우 약 50~60% 정도가 금강모치의 생태 서식 가능 구간인 것으로 분석되었지만 미래로 진행될수록 서식처가 점차 감소하는 것으로 나타났으며 장기적으로는 극히 일부구간(0.2%)에서만 서식 가능한 것으로 분석되었다.
- Table 3과 같이 목표기간별(현재 1983-2008, 단기 2011-2040, 중기 2041-2070, 장기 2071-2100)로 검토한 결과 미래에 BOD가 증가하고 DO가 감소하는 추세에 있는 것은 강수량의 증가에 의한 토양유실량의 증가와 기온상승에 의한 수온의 증가가 영향을 주는 것으로 판단되었다. 하지만 BOD의 경우 평균적으로 1 mg/L 이하, DO의 경우 평균적으로 7.5 mg/L 이상으로 우리나라 수질기준인 1급수 기준을 만족하여 양호한 수질을 유지하는 것으로 나타났다.
- 이의 결과를 종합하여 금강모치의 생태 서식처를 목표기간별로 분석한 결과는 Table 5와 같다. 현재의 경우 약 58.7% 정도가 금강모치의 생태 서식 가능 구간인 것으로 분석되었지만 미래로 진행될수록 서식처가 점차 감소하는 것으로 나타났으며 목표기간 2071-2100년에는 금강모치가 극히 일부구간(0.2%)에서만 서식 가능한 것으로 분석되었다.
후속연구
- 향후 본 연구에 추가적으로, 수리특성의 변화와 관련한 연구가 수행된다면 보다 정량적인 분석이 가능할 것으로 판단된다. 이와 같은 방법론이 정립된다면 생태분야의 기후변화 연구에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
- 위와 같이 본 연구에서는 기후변화가 생태계에 미치는 영향을 검토하고자 기후변화의 영향에 의한 수문특성 및 수질특성의 변화를 통하여 생태계 서식환경의 변화를 검토하였다. 향후 본 연구에 추가적으로, 수리특성의 변화와 관련한 연구가 수행된다면 보다 정량적인 분석이 가능할 것으로 판단된다. 이와 같은 방법론이 정립된다면 생태분야의 기후변화 연구에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
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