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문제 정의
- Table 2와 같이 기후변화 시나리오의 분석기간을 과거 (observed) 기준기간 30년 (1981～2010년)과 미래의 경우 단기 (2025s, 2011～2030년), 중기 (2055s, 2031～2070년), 장기 (2085s, 2071～2100년)로 분류하였다. 과거 기준기간 대비 미래기간의 기후 인자 및 유역유입량, 용수공급 취약성의 변화 분석을 통해 각 농업용 저수지에 대한 용수공급의 지속가능성을 전망하고자 한다.
- 본 연구에서는 미래 기후변화에 의한 기상 및 수문현상 변화에 따른 농업수자원 이수 측면에서의 용수공급 취약성을 분석하고, 농업용 저수지 용수공급의 기후변화 대응 능력을 평가하였다. 신뢰성 해석기법을 바탕으로 개발된 용수공급 취약성 평가 모형을 미래 기후변화 시나리오에 적용하여 공급량과 수요량의 변화를 분석하고 용수공급 취약성 확률의 변화를 산정하였고, 미래 기후변화 대응을 위한 용수공급 취약성 및 지속가능성의 개념을 정의하였다.
- 본 연구에서는 미래 기후변화에 의한 기상 및 수문현상 변화에 따른 농업수자원 이수 측면에서의 용수공급능력을 분석하고, 농업용 저수지의 용수공급에 대한 기후변화 대응 능력을 평가하고자 한다. 이를 위해 농업용 저수지 공급계획량과 수요예측량의 확률론 및 신뢰성 해석 기법을 이용하여 농업용수 공급 취약성을 평가한 선행 연구 (Nam et al.
- 따라서 수자원 관리자에게 불확실성을 갖는 정보를 효과적으로 전달하는 것은 주요한 과정이다. 수자원 시스템의 지속가능성은 생태 환경 및 수문 현상의 변화에 대한 현재의 목표를 미래에도 유지하는 것으로 정의되며 (Kay, 2000; Loucks, 2000; Fry et al., 2012), 본 연구에서는 용수공급 취약성 확률의 과거, 현재, 미래의 변화를 분석함으로써 미래 용수공급의 지속가능성을 정량적으로 평가하였다.
제안 방법
- D와 남부 지역의 Res. F의 대표저수지를 선정하여 유역유입량 변화를 상자그림 (box plot)으로 도시하였다. 전체적으로 기후변화에 따라 미래 유역유입량의 일분위 값은 현재의 삼분위 수준까지 상승하는 경향을 보이며, 현재의 평균 유역유입량 수준에서 미래 최저 유역유입량이 나타났다.
- 미래 2025s에 해당되는 년도의 각 년도별 평균기온 증감량과 총강수량의 변화율을 삼각형 기호로 표시하였으며, 2055s의 경우 원 기호, 2085s의 경우 X 기호로 표시하였다. 과거 기준기간 대비 미래기간 (2011년～2100년)의 연별 기후요소의 분포를 도시하였으며, 미래 3기간에 대한 최소/최대 평균기온 증감량 및 최소/최대 총강수량 변화율에 해당되는 지점을 연결하여, 미래기간별 변화 범위를 표시하였다. RCP 4.
- , 2012; Nam, 2013)을 활용하였다. 관개 취약성 평가 모델은 이수 측면에서 관개시작 시점의 저수량 및 관개 기간의 누적 공급계획량, 누적 수요예측량을 활용하여 용수공급 가능 여부를 판단할 수 있는 모형 (Nam and Choi, 2014)으로 본 연구에서는 기후변화 시나리오를 사용하여 용수공급 능력을 재평가하고 취약성 지표의 변화를 분석하였다.
- 본 연구에서는 RCP 기후변화 시나리오에 따른 기후요소 (평균기온, 총강수량) 및 기준증발산량 대한 과거 (Observed) 대비 미래 3기간 (2025s, 2055s, 2085s)의 변화율을 산정하였다. Table 3에 도시한 바와 같이 평균기온의 경우 미래 3기간 모두 상승하였으며, RCP 8.
- 본 연구에서는 미래 기후변화에 의한 기상 및 수문현상 변화에 따른 농업수자원 이수 측면에서의 용수공급 취약성을 분석하고, 농업용 저수지 용수공급의 기후변화 대응 능력을 평가하였다. 신뢰성 해석기법을 바탕으로 개발된 용수공급 취약성 평가 모형을 미래 기후변화 시나리오에 적용하여 공급량과 수요량의 변화를 분석하고 용수공급 취약성 확률의 변화를 산정하였고, 미래 기후변화 대응을 위한 용수공급 취약성 및 지속가능성의 개념을 정의하였다.
- , 2012; Nam and Choi, 2014)를 기초로 미래 기후변화 대응을 위한 용수공급 취약성 및 지속가능성의 개념을 정의하고, 기후변화 영향 및 취약성 평가 방법론의 적용 가능성을 검토하였다. 용수공급 취약성 평가 모형을 미래 기후변화 시나리오에 적용하여 공급량과 수요량의 변화를 분석하고 용수공급 취약성 확률의 변화를 산정함으로써 미래 기후변화 대응을 위한 용수공급 지속가능성을 평가하였다.
- 본 연구에서는 미래 기후변화에 의한 기상 및 수문현상 변화에 따른 농업수자원 이수 측면에서의 용수공급능력을 분석하고, 농업용 저수지의 용수공급에 대한 기후변화 대응 능력을 평가하고자 한다. 이를 위해 농업용 저수지 공급계획량과 수요예측량의 확률론 및 신뢰성 해석 기법을 이용하여 농업용수 공급 취약성을 평가한 선행 연구 (Nam et al., 2012; Nam and Choi, 2014)를 기초로 미래 기후변화 대응을 위한 용수공급 취약성 및 지속가능성의 개념을 정의하고, 기후변화 영향 및 취약성 평가 방법론의 적용 가능성을 검토하였다. 용수공급 취약성 평가 모형을 미래 기후변화 시나리오에 적용하여 공급량과 수요량의 변화를 분석하고 용수공급 취약성 확률의 변화를 산정함으로써 미래 기후변화 대응을 위한 용수공급 지속가능성을 평가하였다.
대상 데이터
- B와 Res. C를 제외하고 10년 설계 한발빈도를 가지며, 지배 측후소의 경우 중부지방의 수원 측후소와 남부 지방의 남원 측후소의 기후자료를 활용하였다. Fig.
- 본 연구에서는 Table 1에 도시한 바와 같이 중부 지역과 남부 지역으로 구분하여 다양한 유역면적, 관개면적, 유효저수량 특성을 갖는 8개의 소규모 농업용 저수지를 선정하였다. 용수공급 취약성 및 지속가능성 평가의 기준이 되는 저수지 설계 한발빈도는 Res.
- 본 연구에서는 남원, 수원 기상관측지점의 위경도에 근접한 격자점을 기준으로 남한 상세 시나리오의 기온, 강수량과 한반도 시나리오의 상대습도, 평균풍속, 일사량 자료를 사용하였다. Table 2와 같이 기후변화 시나리오의 분석기간을 과거 (observed) 기준기간 30년 (1981～2010년)과 미래의 경우 단기 (2025s, 2011～2030년), 중기 (2055s, 2031～2070년), 장기 (2085s, 2071～2100년)로 분류하였다.
이론/모형
- 5 km), 남한 상세 (1 km)의 두 가지 종류의 기후변화 시나리오를 제공하고 있다. 남한 상세 기후변화 시나리오는 지역기후모델 (HadGEM3-RA)을 통해 생산된 한반도 기후변화 시나리오를 바탕으로 통계학적 상세화 과정 (Kim, 2005; Kim et al., 2012)을 통해 생산되며, PRIDE 모델 (PRISM based Downscaling Estimation Model)에 적용하여 1 km 해상도의 관측격자 자료를 생산한다 (Kim et al., 2013d).
- 본 연구에서는 기후변화에 따른 미래 용수공급의 지속가능성을 평가하기 위하여 신뢰도 (reliability) 기반의 관개 취약성 평가 모델 (Nam et al., 2012; Nam, 2013)을 활용하였다. 관개 취약성 평가 모델은 이수 측면에서 관개시작 시점의 저수량 및 관개 기간의 누적 공급계획량, 누적 수요예측량을 활용하여 용수공급 가능 여부를 판단할 수 있는 모형 (Nam and Choi, 2014)으로 본 연구에서는 기후변화 시나리오를 사용하여 용수공급 능력을 재평가하고 취약성 지표의 변화를 분석하였다.
- 수요예측량 (IWR)은 논의 필요 수량, PWR (paddy water requirement)로 정의하였다. 저수지 유역의 유입량은 강우-유출 모형인 Tank 모형을 사용하였고, 관개지구의 필요수량은 FAO (Food and Agricultural Organization)의 Modified-Penman (Doorenbos and Pruitt, 1977)식과 작물 계수를 적용하여 작물의 소비수량을 산정하고 침투량, 수로손실 및 관리손실을 반영하여 수요량을 산정하였다. 저수지의 월류량은 저수지 물수지 모의를 통하여 저수지 유입량으로부터 수위가 만수위 시 자연 월류하는 양으로 산정하였다 (Nam et al.
성능/효과
- RCP 시나리오를 활용하여 미래 기후변화에 따른 연별 기후요소의 변화분석 결과, 1) RCP 4.5 시나리오에 대비하여 RCP 8.5 시나리오에 대한 기후요소인 평균기온 및 연강수량의 평균 및 분산이 크게 산정됨에 따라 변화율 폭이 크게 산정되었다. 2) 유역유입량의 증가율은 강수량의 변화율과 유사하며, 미래 평가기간에 따라 유역유입량의 평균 및 분산이 증가함으로써 장기 미래로 갈수록 전망 결과의 일관성이 낮아짐으로써 불확실성이 증가하는 경향을 보였다.
- 5 시나리오에 대한 기후요소인 평균기온 및 연강수량의 평균 및 분산이 크게 산정됨에 따라 변화율 폭이 크게 산정되었다. 2) 유역유입량의 증가율은 강수량의 변화율과 유사하며, 미래 평가기간에 따라 유역유입량의 평균 및 분산이 증가함으로써 장기 미래로 갈수록 전망 결과의 일관성이 낮아짐으로써 불확실성이 증가하는 경향을 보였다. 3) 저수지별 관개지역의 필요수량의 분석 결과 기온의 증가로 인해 기준증발산량은 증가하였지만, 강우량의 증가로 인한 유효우량의 증가로 관개지역의 필요수량은 감소하였다.
- 2) 유역유입량의 증가율은 강수량의 변화율과 유사하며, 미래 평가기간에 따라 유역유입량의 평균 및 분산이 증가함으로써 장기 미래로 갈수록 전망 결과의 일관성이 낮아짐으로써 불확실성이 증가하는 경향을 보였다. 3) 저수지별 관개지역의 필요수량의 분석 결과 기온의 증가로 인해 기준증발산량은 증가하였지만, 강우량의 증가로 인한 유효우량의 증가로 관개지역의 필요수량은 감소하였다. 4) 용수공급 취약성 평가는 저수지별, RCP 시나리오별로 상이하였으며, 특징적으로 유역유입량과는 달리 공급계획량이 줄어드는 것으로 분석되었다.
- 3) 저수지별 관개지역의 필요수량의 분석 결과 기온의 증가로 인해 기준증발산량은 증가하였지만, 강우량의 증가로 인한 유효우량의 증가로 관개지역의 필요수량은 감소하였다. 4) 용수공급 취약성 평가는 저수지별, RCP 시나리오별로 상이하였으며, 특징적으로 유역유입량과는 달리 공급계획량이 줄어드는 것으로 분석되었다. 5) 용수공급 취약성 확률 변화로부터 전망된 용수공급 실패 확률은 단기적으로 취약성 확률이 감소하는 반면, 미래로 갈수록 용수공급 취약성 확률은 증가하였으며, 특히 RCP 8.
- 4) 용수공급 취약성 평가는 저수지별, RCP 시나리오별로 상이하였으며, 특징적으로 유역유입량과는 달리 공급계획량이 줄어드는 것으로 분석되었다. 5) 용수공급 취약성 확률 변화로부터 전망된 용수공급 실패 확률은 단기적으로 취약성 확률이 감소하는 반면, 미래로 갈수록 용수공급 취약성 확률은 증가하였으며, 특히 RCP 8.5 시나리오의 2085s 기간의 취약성 확률이 가장 높은 값을 나타냈다.
- 과거 기준기간 대비 미래기간 (2011년～2100년)의 연별 기후요소의 분포를 도시하였으며, 미래 3기간에 대한 최소/최대 평균기온 증감량 및 최소/최대 총강수량 변화율에 해당되는 지점을 연결하여, 미래기간별 변화 범위를 표시하였다. RCP 4.5 시나리오에 대비하여 RCP 8.5 시나리오에 대한 기후요소인 평균기온 및 연강수량의 평균 및 분산이 크게 산정됨에 따라 변화율 폭이 크게 산정되었으며, 평균기온의 경우 6.0 ˚C 이상, 총강수량의 경우 2배 이상의 변화율을 갖는 기간이 분석되었다.
- 1 ˚C로 상승폭이 가장 크게 나타났다. 강수량의 변화는 남원 측후소의 2085s 기간을 제외하고 미래 3기간 모두 상승하였으며, RCP 8.5 시나리오의 2055s 기간의 상승폭이 측후소별로 각각 11.2 %, 14.1 %로 분석되었다. 기준 증발산량은 RCP 4.
- 5 시나리오의 2085s 기간에서 최댓값이 나타났다. 공급계획량이 줄어드는 결과는 앞서 유역유입량이 증가하는 현상과 배치되어 보이지만, 저수지가 만수일 경우에는 유역유입량이 모두 방류되어 공급계획량에 포함되지 않기 때문에 실제 가용할 수 있는 용수량은 감소하는 것으로 분석되었다.
- 기후변화에 따른 용수공급 요소 중 저수지별 유역유입량의 분석기간별 평균과 분산을 Table 4와 같이 정리하였다. 과거 기준기간의 유역유입량을 기준으로 미래 90년간 유역유입량의 변화율이 RCP 4.5 시나리오의 경우 평균 20.5 (Res. B-2025s)～55.1 % (Res. H-2085s), RCP 8.5 시나리오의 경우 22.2 (Res. G-2025s)～50.5 % (Res. H-2085s)로 증가할 것으로 전망되었다. 유역유입량의 증가율은 강수량의 변화율과 유사하며, 미래 평가기간에 따라 유역유입량의 평균 및 분산이 증가함으로써 장기 미래로 갈수록 불확실성이 증가하고, 전망 결과의 일관성이 낮아지는 현상을 보인다 (Bae et al.
- Table 5는 저수지별 관개지역의 필요수량의 분석기간별 평균과 분산을 나타낸 것이다. 기온의 증가로 인해 기준증발산량은 증가하였지만, 강우량의 증가로 인한 유효우량의 증가로 관개지역의 필요수량은 감소하였으며, 특히 RCP 8.5 시나리오의 2085s기간에 가장 높은 평균값과 분산을 나타내었다.
- 1 %로 분석되었다. 기준 증발산량은 RCP 4.5 시나리오의 경우 0.7～3.2 %, RCP 8.5 시나리오의 경우 3.3～6.9 %의 증가율을 보였으며, RCP 8.5 시나리오의 2085s 기간의 증가율이 측후소별로 각각 6.7 %, 6.9 %로 전망되었다.
- 농업용 저수지의 관리기관별 설계한발빈도 (design frequency of drought) 현황을 살펴보면, 한국농어촌공사 관리 저수지의 약 78 %는 10년 빈도 가뭄에도 안정적으로 농업용수를 공급할 수 있도록 설계된 반면, 시·군 관리 저수지의 경우 약 63 %는 평년 한발빈도로 설계되어 관리기관별 상이한 특징을 보였다.
- 공급계획량과 수요예측량의 변화에 따라 관개 취약성이 변화하므로, 저수지의 특징에 따라 공급계획량과 수요예측량을 분석해야만 관개 취약성을 구할 수 있다. 따라서 일반화된 결론을 내리기에는 한계가 있지만, RCP 4.5 시나리오는 단기 구간 (2025s)에서는 관개 취약성이 크게 개선되는 반면, 중기, 장기 구간에서는 개선 효과가 적은 경향은 확인할 수 있었다. 또한, RCP 8.
- 5 시나리오는 단기 구간 (2025s)에서는 관개 취약성이 크게 개선되는 반면, 중기, 장기 구간에서는 개선 효과가 적은 경향은 확인할 수 있었다. 또한, RCP 8.5 시나리오는 중기 구간 (2055s)에서 관개 취약성 개선효과가 가장 컸으며, 단기, 장기 순으로 개선 효과가 차등적으로 발생하였다.
- F 저수지는 10년 설계 한발빈도를 갖는 유효저수량, 유역면적, 관개면적이 유사한 저수지로서, 관개 취약성 평가 모델의 공급계획량, 수요예측량, 관개 취약성 지표 결과를 정리하였다. 미래 공급계획량 및 수요예측량은 과거 기준 기간보다 평균값은 낮게 산정이 되었지만, 장기 미래로 갈수록 분산은 증가하였으며, RCP 8.5 시나리오의 2085s 기간에서 최댓값이 나타났다. 공급계획량이 줄어드는 결과는 앞서 유역유입량이 증가하는 현상과 배치되어 보이지만, 저수지가 만수일 경우에는 유역유입량이 모두 방류되어 공급계획량에 포함되지 않기 때문에 실제 가용할 수 있는 용수량은 감소하는 것으로 분석되었다.
- 미래 기후변화 시나리오의 경우 미래 후기로 갈수록 온도, 강수량이 증가하였지만, 기후변화는 비선형적인 현상으로 온실가스 감축 대책을 적용한 RCP 4.5 시나리오임에도 불구하고 저수지의 용수공급 취약성은 증가하는 경향을 보였다. 저수지의 저수용량, 즉 용수공급능력은 한정되어 있으며, 강수의 절대적 양이 아닌 시기적인 편차에 의해 용수공급능력이 산정되기 때문에 (Nam et al.
- C의 경우 과거 설계 한발빈도는 3년 빈도였지만 과거 기준기간의 취약성 확률은 10년 빈도로 산정되었다. 저수지별, RCP 시나리오별로 다양한 결과를 보였으며, 전반적으로 미래로 갈수록 용수공급 취약성 확률은 증가하였으며, 특히 RCP 8.5 시나리오의 2085s 기간의 취약성 확률이 가장 높은 값을 나타냈다. 용수공급 취약성 확률 변화로부터 전망된 용수공급 실패 확률은 단기적 (2025s)으로는 관개 취약성이 개선되나, 미래로 갈수록 관개수 부족 현상의 발생 빈도가 잦아질 것으로 전망되었다.
- F의 대표저수지를 선정하여 유역유입량 변화를 상자그림 (box plot)으로 도시하였다. 전체적으로 기후변화에 따라 미래 유역유입량의 일분위 값은 현재의 삼분위 수준까지 상승하는 경향을 보이며, 현재의 평균 유역유입량 수준에서 미래 최저 유역유입량이 나타났다. 최대 유역유입량은 크게 증가하는데, 특히 RCP 8.
후속연구
- , 2014), RCP 시나리오별/저수지별로 용수공급 취약성 확률은 상이한 결과가 도출되었다. 기후변화 대응을 위해서는 미래 용수공급 취약성의 변화를 평가 기준으로서 활용하여 지속적인 모니터링이 가능하고 기후변화에 대응할 수 있는 맞춤형 관리 전략을 구분할 수 있을 것으로 판단된다.
- , 2014)은 농업용 저수지 운영 및 관리 측면에서 용수공급 체계의 취약성이 증가할 가능성이 있다. 기후변화 전망에 따르면 강수량 증가가 예상되는 동시에 강수강도의 증가 및 연 강수일수의 감소, 기온 상승으로 인한 대기 중 수분 요구량 증가와 이에 따른 증발산량 증가 등이 전망되므로 (Chung, 2009; Kim et al., 2013a), 강수량, 유역유입량, 증발산량 등이 주요 변인으로 작용하는 농업수자원 및 농업용 저수지 용수공급능력의 안정성 평가 및 취약성 기준이 요구된다. 기후변화 영향에 대한 농업용 저수지의 취약성 및 적응능력의 정량적 분석은 기후변화 적응 대책의 우선순위 수립을 위한 필수적인 요소로써 기후변화에 능동적으로 대응하기 위하여 효율적인 적응 대책 수립을 위한 과학적, 정책적 도구가 필요하다.
- 본 연구에서 제시한 영향 평가에 따른 농업용 저수지의 용수공급에 대한 취약성 및 지속가능성의 정량적 분석은 효율적인 적응 대책 수립을 위한 의사결정지원 도구로써 활용가능 할 것으로 판단된다. 저수지별로 미래 기후변화에 따른 영향이 다르므로, 향후 저수지 특성을 분석하여 비슷한 패턴을 갖는 저수지로 유형화할 수 있기를 기대한다.
- 본 연구에서 제시한 영향 평가에 따른 농업용 저수지의 용수공급에 대한 취약성 및 지속가능성의 정량적 분석은 효율적인 적응 대책 수립을 위한 의사결정지원 도구로써 활용가능 할 것으로 판단된다. 저수지별로 미래 기후변화에 따른 영향이 다르므로, 향후 저수지 특성을 분석하여 비슷한 패턴을 갖는 저수지로 유형화할 수 있기를 기대한다.
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