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문제 정의
- , 2014). 본 연구에서는 임하댐의 유출량과 유사발생량을 보정하고, 향후 기후 변화를 고려한 유사발생량 변화를 STEPL WEB 모형을 이용하여 모의하고 이에 대한 유사저감대책을 평가하였다.
- 토양유실은 산림이나 농경지와 같은 토지이용현황에 따라 달라질 수 있으며 또한 강우특성에도 영향을 받기 때문에, 기후변화와 같이 강우특성의 변화를 함께 고려하여 토양유실 저감 대책을 수립하여야 장기적으로 효과적일 수 있다. 이에 본 연구에서는, 유역에 대한 탁수저감대책으로 식생여과대와, 농경지의 산림으로의 환원을 모의하고, 이 과정에서 기후변화 시나리오를 적용하여 장기적인 유사량 발생을 모의하였다.
가설 설정
- 농경지를 산림으로 환원할 경우 유사저감효과가 큰 것으로 나타났지만, 약 50 %의 농경지 (164 km2)를 산림으로 환원하는 것은 현실적이지 못할 수 있는 것으로 생각되었으며, 이에 유역내 농경지의 약 20 % (66 km2)만이 산림으로 환원 가능한 것으로 가정하고, 식생여과대에 의한 유사저감효과 모의가 이루어졌다. 이를 위해 전체 328 km2의 농경지 중 20 %에 해당하는 66 km2 면적의 농경지를 산림으로 환원한 뒤, 유사량이 3.
제안 방법
- 2000년의 토지이용도와 1994년부터 2013년까지의 강우자료에 의해 보정된 모형의 예측치를 기본값으로 하여, 2000년의 토지이용도와 미래기후강우자료를 이용하여 유사 발생량 모의를 하였다. 첫 번째 시나리오에서는 미래기후강우자료에 의한 유사량 변화량을 보기 위함이었으며, 두 번째 시나리오에서는 유역내 농경지에 대해 식생여과대가 설치되었을 경우의 유사량을, 세 번째 시나리오에서는 유역내 농경지가 산림지역으로 환원되었을 경우의 유사량을 모의하기 위함이었다.
- STEPL WEB 모형을 보정하기 위해서, 한국수자원공사(www.kwater.or.kr)에서 제공하는, 임하댐으로의 월평균 유입량 및 부유물질 (Suspended Solids) 농도자료를 이용하여 연평균 유출량과 부유물질량을 산정하였으며, STEPL WEB모형의 연간 유출량 및 유사량에 대해 모형의 매개변수를 보정하였다.
- 이 한계점을 보완하기 위해 CLIGEN (Nicks and Lane, 1989)에 의한 일단위 강우자료를 이용하여 일단위 직접유출량을 산정한 후 연평균 직접 유출량을 산정하며, 웹 기반의 모형인 STEPL WEB이 개발된 바 있다 (Park and Engel, 2014). STEPL WEB은 CN과 일단위 강우자료를 이용하여 연평균 직접유출량을 산정하고,토양침투비 (Soil Infiltration Fraction)에 의해 연평균 기저유출량을 산정하며, 각 연평균 직접유출량 및 기저유출량에 대한 오염원의 농도를 이용하여 연평균 오염부하량을 산정한다(Fig. 2).
- 3(b))를 구축하였다. 그리고 수문학적 토양군 지도와 토지지용현황지도를 이용하여 수문학적 반응 단위 지도 (Fig. 3(c))를 구축하였다.
- 식생여과대의 효과를 위한 두 번째 시나리오에서는 농경지의 10 % (약 33 km2)에 대해 식생여과대가 설치되었을 경우부터, 10 % (약 33 km2)씩 100 % (328 km2)까지 식생여과대가 적용되는 농경지의 면적을 증가시키면서 유사량 변화를 모의하였다.
- 유역내 농경지의 산림으로의 환원에 의한 유사량 저감효과를 위한 세 번째 시나리오에서는 두 번째 시나리오에서와 마찬가지로, 농경지의 10 %가 산림으로 환원되었을 경우부터, 산림으로 환원되는 농경지의 면적을 10 %씩 100 %까지 증가시키면서 유사량 변화를 모의하였다.
- )만이 산림으로 환원 가능한 것으로 가정하고, 식생여과대에 의한 유사저감효과 모의가 이루어졌다. 이를 위해 전체 328 km2의 농경지 중 20 %에 해당하는 66 km2 면적의 농경지를 산림으로 환원한 뒤, 유사량이 3.2 ton/year에 도달할 때까지 식생여과대의 적용 면적을 증가시켰다. 그 결과 식생여과대를 적용한 농경지의 면적이 131 km2가 되었을 때, 3.
대상 데이터
- MIROC-ESM 모형에 의해 예측된 강우자료를 이용하여 2016년부터 2045년까지 (30년)의 일별 강우 자료를 구축하였다. 1994년부터 2013년까지 연간 실측 강우량은 최소 606 mm (1994년), 최대 1,541 mm (2003년)으로 20년 평균 947 mm의 강우량을 보인 데에 비해, MIROC-ESM 모형에 의해 예측된 강우자료의 경우 최소 728 mm (2038년), 최대 1,742 mm (2033년)으로 30년 평균 1,377 mm로 연강우량이 약 45 % 증가할 것으로 예측되었다(Fig.
- STEPL WEB 모형에서 필요로 하는 일단위 강우자료 구축은 경상북도 청송군 진보면 월전리에 위치한 ‘진보2’ 지점에서 측정된 1994년 1월1일부터 2013년 12월 31일까지의 일단위 강우자료를 이용하였다.
이론/모형
- STEPL WEB은 모형의 매개변수를 조정하기 위한 두 개의 모듈을 내재하고 있는데, 첫 번째 모듈은 유전자 알고리즘 (Genetic Algorithm Module)을 이용하며, 두 번째 모듈은 이분법 (Bisection Method Module)을 이용한다. 유전자 알고리즘 (Holland, 1975)은 자연의 진화과정에 기반한 최적화기법으로, 선택, 교차, 변이의 과정을 가지는데, 다양한 분야에서 복잡한 문제를 해결하기 위해 사용된 바 있다 (Togan and Daloglu, 2008).
- 본 연구에서는 Earth System Grid Federation (ESGF)의 일단위 전지구모형 결과와 기상청에서 제공하는 12.5 km의 지역규모모형 (Reginal Scale Model)에 대해 RCP 4.5 시나리오에 대해 MIROC-ESM 모형을 이용하였으며, 2016년부터 2045년까지의 강우 자료를 구축하였다.
- 본 연구에서는 STEPL WEB 모형을 보정한 후, 기후변화에 의한 유사 거동을 모의하기 위한 강우자료를 구축하기 위해 MIROC-ESM 모형 (Watanabe et al., 2011)과 온실가스 대표농도경로 (Representative Concentration Pathways, RCP) 시나리오를 이용하였다. 이는, Intergovern-mental Panel on Climate Change (2007) 4차 보고서에서 사용된 SRES 시나리오는 정보지연성 등에 대한 한계점을 드러낸 바 있으며, 이에 2007년 온실가스 농도 시나리오 회의에서 RCP가 제안된 바 있다.
- STEPL WEB 모형은 토지이용도와 수문학적 토양군에 의해 CN을 산정한다. 본 연구에서는 농촌진흥청의 정밀토양도(1:25,000)를 이용하여 수문학적 토양군 지도(Fig. 3(a))를 구축하였으며, 국가수자원관리종합정보시스템 (www.
성능/효과
- MIROC-ESM 모형에 의해 예측된 강우자료를 이용하여 2016년부터 2045년까지 (30년)의 일별 강우 자료를 구축하였다. 1994년부터 2013년까지 연간 실측 강우량은 최소 606 mm (1994년), 최대 1,541 mm (2003년)으로 20년 평균 947 mm의 강우량을 보인 데에 비해, MIROC-ESM 모형에 의해 예측된 강우자료의 경우 최소 728 mm (2038년), 최대 1,742 mm (2033년)으로 30년 평균 1,377 mm로 연강우량이 약 45 % 증가할 것으로 예측되었다(Fig. 4).
- 3 ton/year이었다. STEPL WEB은 모형에서 제공하는 이분법 모듈 (Bisection Method Module)을 이용하였으며, 직접유출량에 관련된 매개변수인 Curve Number는 증가되었으며, 기저유출량에 관련된 Soil infiltration fraction은 낮게 산정되었다. 또한 유사량에 관련된 매개변수인 Sediment delivery ratio의 계수는 0.
- 2 ton/year에 도달할 때까지 식생여과대의 적용 면적을 증가시켰다. 그 결과 식생여과대를 적용한 농경지의 면적이 131 km2가 되었을 때, 3.1 ton/year의 유사량이 발생하는 것으로 모의되었다.
- 8 ton/year으로 약 12 %의 유사량 저감효과가 예측되었다. 따라서 식생여과대를 설치하여 유사량을 41 % 저감시키기 위해서는 유역내 농경지의 약 70 %에 대해 식생여과대를 설치하여야 하는 것으로 기대된다.
- 0 ton/year으로 약 9 %의 유사량 저감효과가, 30 %에 해당하는 농경지를 산림으로 환원할 경우 유사량은 약 4 ton/year으로 약 28 %의 유사량이 저감될 수 있는 것으로 예측되었다. 따라서 유사량을 41 % 저감시키기 위해서는 약 50 %의 농경지를 산림으로 환원해야 하는 것으로 나타났다.
- 향후 30년 동안의 연평균 유사량에 대해, 현재 발생하는 유사량이 수질기준을 만족한다는 가정을 두고, 현재의 유사량을 유지하기 위해서는 약 70 %의 농경지에 대해 식생여과대를 적용할 필요가 있다. 또한 50 %의 농경지를 산림으로 환원할 경우, 현재의 유사량을 유지할 수 있는 것으로 나타났다. 또한 농경지의 20 %을 산림으로 환원한 뒤, 남은 농경지의 50 %에 대해서만 식생여과대를 조성할 경우, 현재 발생하는 연평균 유사량과 가까운 유사량이 모의되었다.
- 또한 50 %의 농경지를 산림으로 환원할 경우, 현재의 유사량을 유지할 수 있는 것으로 나타났다. 또한 농경지의 20 %을 산림으로 환원한 뒤, 남은 농경지의 50 %에 대해서만 식생여과대를 조성할 경우, 현재 발생하는 연평균 유사량과 가까운 유사량이 모의되었다.
- 모형의 매개변수를 보정한 결과(Table 2), 예측 연평균 유출량은 21.5 m3/s였으며, 유사량은 3.2 ton/year으로, 유출량은 3.3 %의 오차를 보였고 유사량은 –3.2 %의 오차를 보였다(Table 3).
- 세 번째 시나리오에서는 유역내 농경지를 산림으로 환원할 경우를 모의하였으며 (Fig 5, ‘Conversion’), 10 %에 해당하는 농경지를 산림으로 환원할 경우 유사량은 약 5.0 ton/year으로 약 9 %의 유사량 저감효과가, 30 %에 해당하는 농경지를 산림으로 환원할 경우 유사량은 약 4 ton/year으로 약 28 %의 유사량이 저감될 수 있는 것으로 예측되었다.
- 유사량을 저감시키기 위해, 두 번째 시나리오에서는 유역내 농경지에 대해 식생여과대(Fig. 5, ‘Filter Strip’)에 대해 모의하였으며, 유역내 약 10 %에 해당하는 농경지에 식생여과대를 설치할 경우 유사량은 5.2 ton/year으로 약 6 %의 유사량 저감효과가, 약 20 %에 해당하는 농경지에 식생여과대를 설치할 경우 유사량은 4.8 ton/year으로 약 12 %의 유사량 저감효과가 예측되었다.
- 3(c))를 구축하였다. 임하댐 유역은 토지이용현황이 산림이고 수문학적 토양군이 A와 B인 수문학적 반응단위 (Forest-A, Forest-B)가 각각 1263 km2와 338 km2로 유역 면적의 64 %와 17 %를 차지하고 있으며, 토지이용현황이 농경지이고 수문학적 토양군이 A와 B인 수문학적 반응단위 (Agriculture-A, Agriculture-B)가 각각 171 km2와 144 km2로 유역 면적의 9 %와 7 %를 차지하는 것으로 나타났다(Table 1).
- 첫 번째 시나리오에서는 2016년부터 2045년의 30년에 대한 예측된 강우에 의한 유사량 변화를 모의한 것으로, 연평균 유사량이 5.5 ton/year(Fig. 5, ‘Base’)으로 1994년부터 2013년의 연평균 유사량인 3.2 ton/year에 비해 약 71 % 증가할 것으로 예측하였다.
후속연구
- 향후 30년 동안의 연평균 유사량은 강우특성의 변화에 의해서만 약 71 % 증가할 수 있는 것으로 나타났기 때문에, 단기적인 탁수저감대책 수립 시 그 효과를 기대할 수는 있으나 장기적인 측면에서는 그 효과를 기대하기는 힘든 것으로 생각된다. 향후 30년 동안의 연평균 유사량에 대해, 현재 발생하는 유사량이 수질기준을 만족한다는 가정을 두고, 현재의 유사량을 유지하기 위해서는 약 70 %의 농경지에 대해 식생여과대를 적용할 필요가 있다. 또한 50 %의 농경지를 산림으로 환원할 경우, 현재의 유사량을 유지할 수 있는 것으로 나타났다.
- 향후 30년 동안의 연평균 유사량은 강우특성의 변화에 의해서만 약 71 % 증가할 수 있는 것으로 나타났기 때문에, 단기적인 탁수저감대책 수립 시 그 효과를 기대할 수는 있으나 장기적인 측면에서는 그 효과를 기대하기는 힘든 것으로 생각된다. 향후 30년 동안의 연평균 유사량에 대해, 현재 발생하는 유사량이 수질기준을 만족한다는 가정을 두고, 현재의 유사량을 유지하기 위해서는 약 70 %의 농경지에 대해 식생여과대를 적용할 필요가 있다.
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