[논문]SWAT 모형과 TOPSIS 기법을 이용한 우리나라 물이용 취약성 평가

원광재; 성장현; 정은성

doi:10.3741/jkwra.2015.48.8.647

SWAT 모형과 TOPSIS 기법을 이용한 우리나라 물이용 취약성 평가
Parameteric Assessment of Water Use Vulnerability of South Korea using SWAT model and TOPSIS 원문보기

Journal of Korea Water Resources Association = 한국수자원학회논문집, v.48 no.8, 2015년, pp.647 - 657

원광재 (서울과학기술대학교 건설기술연구소) , 성장현 (국토교통부 금강홍수통제소 예보통제과) , 정은성 (서울과학기술대학교 건설시스템디자인공학과)

초록
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본 연구는 국내 12개수계인 한강, 안성천, 금강, 삽교천, 영산강, 섬진강, 탐진강, 만경강, 동진강, 낙동강, 태화강, 형산강 유역에 대한 물이용 취약성 평가를 실시하였다. SWAT(Soil and Water Assessment Tool) 모형을 이용하여 국내 12개 수계의 연유출량을 도출하였고, 각 유역별 면적 및 인구당 유출량을 비교하였다. 취약성 평가를 위해 18개 지표로 구성하였고, 물이용의 수요, 손실 및 공급의 측면으로 구분하였다. 이때의 가중치는 객관적 가중치의 적용을 위해 엔트로피(Entropy)방법을 사용하였고 정량적인 물이용 취약성 평가를 위해 다기준 의사결정기법 중 하나인 TOPSIS(Technique for Order of Preference by Similarity to Ideal Solution) 기법을 적용하였다. 그 결과, 형산강의 물이용이 가장 취약하였고, 삽교천, 동진강, 섬진강, 안성천, 만경강, 낙동강, 탐진강, 영산강, 금강, 태화강, 한강 순이었다. 본 연구 결과는 향후 기후변화 취약성 평가를 위한 지표 개발에 이용할 수 있겠다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study assessed the water use vulnerability for 12 basins of South Korea. The annual runoff of 12 basins are derived using a Soil and Water Assessment Tool (SWAT) and the calculated runoff per unit area and population are compared with each basin. The 18 indicators are selected in order to assess the vulnerability. Those are classified by aspects of demand, loss and supply of water use. Their weighting values used Entropy method to determine objective weights. To quantitatively assess the water use vulnerability, the Technique for Order of Preference by Similarity to Ideal Solution (TOPSIS) based on multi-criteria decision making are applied. The results show that the water availability vulnerability of Hyeongsan River has the highest value followed by Sapgyo River; Dongjin River; Seomjin River; Anseong River; Mangyung River; Nakdong River; Tamjin River; Youngsan River, Geum River; Taehwa River; and Han River. The result of this study has a capability to provide references for the index deveopment of climate change vulnerability assessment.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 SWAT 모형과 TOPSIS 기법을 이용하여 국내 12개 수계의 물이용 취약성을 평가하였다. 첫 번째SWAT 모형을 이용한 수문모형을 구축하였고, SWAT-CUP 프로그램의 SUFI-2 알고리즘을 활용하여 매개변수를 최적화하였다.
본 연구에서는 다기준 의사결정 기법 중 하나인 TOPSIS기법의 적용을 통한 국내 총 12개 수계 물이용 취약성 평가를 실시하였다. SWAT 모형을 이용한 1991∼2014년의 각 유역별 모의 유출량 산정 및 비교와 이를 이용한 다양한 물 이용 관련 18개 평가 인자를 바탕으로 물이용 취약성을 도출하였다.

제안 방법

SWAT 모의 결과를 바탕으로 수자원의 수요, 손실 및 공급에 따른 지표를 구성하여 국내 12개 수계에 대한 물이용 취약성 평가를 실시하였다. Table 4와 같이 평가 지수로는 사회/경제적 인자, 물 이용 인자, SWAT 모형의 결과인 수문인자로 구성하였으며, 각 지수별 지표(indicator)는 총 18개로 구성하였다.
SWAT 모형을 이용한 1991∼2014년의 각 유역별 모의 유출량 산정 및 비교와 이를 이용한 다양한 물 이용 관련 18개 평가 인자를 바탕으로 물이용 취약성을 도출하였다.
다양성의 정도를 나타내는 ai를 이용하여 다양성 정도(ai = 1-Hi)의 표준화를 통해 평가할 항목 별 가중치(wi)를 산정한다.
첫 번째SWAT 모형을 이용한 수문모형을 구축하였고, SWAT-CUP 프로그램의 SUFI-2 알고리즘을 활용하여 매개변수를 최적화하였다. 매개변수는 영산강 유역을 대상으로 추정하였으며 이를 이용하여 다른 수계에 확대 적용하여 유역별 유출량을 도출하였다. 모의된 유출량을 바탕으로 면적별 유출량과 인구당 유출량을 계산하여 비교하였다.
매개변수는 영산강 유역을 대상으로 추정하였으며 이를 이용하여 다른 수계에 확대 적용하여 유역별 유출량을 도출하였다. 모의된 유출량을 바탕으로 면적별 유출량과 인구당 유출량을 계산하여 비교하였다. 최종적으로 12개 수계의 유출량 모의결과와 물이용의 수요, 손실 및 공급과 관련된 18개 평가지표를 선정하였으며 다기준 의사결정기법 중 하나인 TOPSIS 기법을 이용하여 12개 수계에 대한 물이용 취약성을 평가하였다.
본 연구에서는 SWAT 모형으로 계산된 연도별 유출량크기에 따른 면적별 유출량인 비유량과 인구당 유출량을 계산하여 연평균 순위를 비교하였다(Fig. 5). 순위가 높을수록 유출량이 적어서 물 이용이 다른 유역에 비해 취약함을 의미한다.
본 연구에서는 기본값에 곱해지는 방법과 기본값이 치환되는 방법을 사용하였는데 구체적으로 기본값에 곱해지는 방법을 의미하는 ‘r_code’에서는 CN2, SOL_K, SOL_AWC 매개변수가 사용되었고, 기본값이 치환되는 방법을 의미하는 ‘v_code’에서는 ALPHA_BF, GW_DELAY, GWQMN, GW_REVAP, REVAPMN, RCHRG_DP, ESCO, OV_N, SLSUBBSN, CH_N2, CH_ K2, ALHPA_BNK, SMFMX, SMTMP, SFTMP 매개변수가 사용되었다.
본 연구의 절차는 Fig. 1과 같이 4단계로 구성되어 있는데, 1단계는 SWAT 모형의 구축이다. SWAT 모형 구축에 이용된 지형자료는 국가지리정보시스템(National Geographic Information System, NGIS)의 수치지형도로부터 격자 크기가 30 × 30m인 DEM (Digital Elevation Model)과 환경부의 1 : 25,000 중분류 토지이용도 및 1 : 25,000의 정밀 토양도이다.
본 연구에서는 SWAT 모형과 TOPSIS 기법을 이용하여 국내 12개 수계의 물이용 취약성을 평가하였다. 첫 번째SWAT 모형을 이용한 수문모형을 구축하였고, SWAT-CUP 프로그램의 SUFI-2 알고리즘을 활용하여 매개변수를 최적화하였다. 매개변수는 영산강 유역을 대상으로 추정하였으며 이를 이용하여 다른 수계에 확대 적용하여 유역별 유출량을 도출하였다.
모의된 유출량을 바탕으로 면적별 유출량과 인구당 유출량을 계산하여 비교하였다. 최종적으로 12개 수계의 유출량 모의결과와 물이용의 수요, 손실 및 공급과 관련된 18개 평가지표를 선정하였으며 다기준 의사결정기법 중 하나인 TOPSIS 기법을 이용하여 12개 수계에 대한 물이용 취약성을 평가하였다. 이때 평가지표에 대한 가중치는 유역별 평가기준에 대한 평가치를 고려하여 객관적으로 산정할 수 있는 엔트로피 방법을 이용하였다.
평가 인자는 물 이용의 3가지 특징인 수요, 손실 및 공급을 바탕으로 사회·경제, 물이용, 수문 모의 지표로 구분하였으며, 이때 사용한 가중치는 자료의 속성 정보만을 이용하여 산정하는 엔트로피 방법을 이용하였다.
매개변수 최적화는 지류와 본류 댐의 개소수가 적어 자연 유량을 산정하기에는 적합한 지역인 영산강 유역을 대상으로 실시하였다. 한강, 낙동강, 금강, 섬진강, 영산강 유역의 본류 관련 매개변수는 영산강 상류의 매개변수를 사용하였으며, 각 유역 지류는 황룡강, 지석천, 고막원천 유역의 매개 변수 평균을 사용하였다. 안성천, 삽교천, 탐진강, 만경강, 동진강, 태화강, 형산강 유역의 경우 영산강과 섬진강의 특징을 고루 갖춘 중간 형태의 하천인 탐진강 매개변수를 사용하였다.

대상 데이터

SWAT 모형 구축에 이용된 지형자료는 국가지리정보시스템(National Geographic Information System, NGIS)의 수치지형도로부터 격자 크기가 30 × 30m인 DEM (Digital Elevation Model)과 환경부의 1 : 25,000 중분류 토지이용도 및 1 : 25,000의 정밀 토양도이다.
기상자료는 기상청의 1991∼ 2014년의 일 강우(mm), 최고 및 최저 기온(℃), 일사량(MJ/m3 day), 평균 풍속(m/s), 상대습도(%)이다.
매개변수 최적화는 지류와 본류 댐의 개소수가 적어 자연 유량을 산정하기에는 적합한 지역인 영산강 유역을 대상으로 실시하였다. 한강, 낙동강, 금강, 섬진강, 영산강 유역의 본류 관련 매개변수는 영산강 상류의 매개변수를 사용하였으며, 각 유역 지류는 황룡강, 지석천, 고막원천 유역의 매개 변수 평균을 사용하였다.
본 연구의 대상 유역은 우리나라의 12개 수계로 한강, 안성천, 금강, 삽교천, 영산강, 섬진강, 탐진강, 만경강, 동진강, 낙동강, 태화강, 형산강이다. 한강은 17개, 낙동강은 22개, 금강은 14개, 영산강은 8개, 섬진강은 9개, 안성천은 18개, 삽교천은 16개, 탐진강은 4개, 만경강은 13개, 동진강은 8개, 태화강은 6개, 형산강은 9개의 중권역으로 구성하였고, 각 유역별 정보는 Table 1과 같다.
Table 4와 같이 평가 지수로는 사회/경제적 인자, 물 이용 인자, SWAT 모형의 결과인 수문인자로 구성하였으며, 각 지수별 지표(indicator)는 총 18개로 구성하였다. 수문 인자의 경우 SWAT 모의 결과를 바탕으로 계산하였으며, 나머지 지수의 지표는 국가수자원관리종합정보시스템(Water Management Informa-tion System, WAMIS)에서 제공하는 자료를 선별하여 구성하였다.

이론/모형

3단계에서는 수자원 수요, 손실 및 공급에 따른 18개 지표 구성하였고 해당 지표의 가중치를 산정하였다. 가중치 산정에는 엔트로피 방법을 이용하여 객관적으로 도출하였다. 마지막으로 4단계에서는 TOPSIS 기법의 적용을 통한 국내 12개 수계의 물이용 취약성을 정량화하였다.
각 유역별 물이용 취약성의 정량적인 평가를 위해TOPSIS 기법을 적용하였으며, 가중치의 경우 수계에 대한 평가치를 사용하여 객관적으로 산정하는 엔트로피 방법을 이용하였다. 각 유역별 물이용 취약성을 산정한 결과, Fig.
기상자료는 기상청의 1991∼ 2014년의 일 강우(mm), 최고 및 최저 기온(℃), 일사량(MJ/m³ day), 평균 풍속(m/s), 상대습도(%)이다. 구축된 수문 모형의 최적 매개 변수 선정은 SWAT-CUP의 5가지 알고리즘 중 가장 많이 사용되고 있는 SUFI-2 알고리즘을 사용하였으며, 목적 함수로는 NSE (Nash and Sutcliffe Efficiency)(Nash and Sutcliffe, 1970)를 사용하였다. 2단계에서는 12개 수계의 1991년부터 2014년까지의 평균 유출량을 바탕으로 유역별 유출량을 비교하였다.
SWAT 모형의 매개변수 최적화를 위한 SWAT-CUP은 SUFI-2, GLUE, ParaSol, PSO (Particle Swarm Optimization), MCMC (Markov Chain Monte Carlo)와 같은 총 5가지의 알고리즘을 제공하고 있다. 본 연구에서는 매개변수 최적화를 위한 5가지 기법 중 비교적 사용빈도가 많은 SUFI-2 기법을 이용하여 매개변수를 최적화하였다.
본 연구에서는 유출 관련 매개변수의 보정과 검증을 위해 SUFI-2 알고리즘을 이용하였고 유출 관련 18개의 매개변수를 각 유역별로 최적화하였다(Table 2). SWAT-CUP 모형의 매개변수를 변환하는 방식은 기본값이 치환되는 방법, 기본값에 곱해지는 방법, 기본값에 더해지는 방법이 있다.
한강은 17개, 낙동강은 22개, 금강은 14개, 영산강은 8개, 섬진강은 9개, 안성천은 18개, 삽교천은 16개, 탐진강은 4개, 만경강은 13개, 동진강은 8개, 태화강은 6개, 형산강은 9개의 중권역으로 구성하였고, 각 유역별 정보는 Table 1과 같다. 본 연구에서는 중권역 별로 SWAT 모형을 이용하여 유출량을 모의하였다.
최종적으로 12개 수계의 유출량 모의결과와 물이용의 수요, 손실 및 공급과 관련된 18개 평가지표를 선정하였으며 다기준 의사결정기법 중 하나인 TOPSIS 기법을 이용하여 12개 수계에 대한 물이용 취약성을 평가하였다. 이때 평가지표에 대한 가중치는 유역별 평가기준에 대한 평가치를 고려하여 객관적으로 산정할 수 있는 엔트로피 방법을 이용하였다. 산정결과, ① 형산강, ② 삽교천, ③ 동진강, ④ 섬진강, ⑤ 안성천, ⑥ 만경강, ⑦ 낙동강, ⑧ 탐진강, ⑨ 영산강, ⑩ 금강, ⑪ 태화강, ⑫ 한강 순이었고, 이는 단순 유량 크기의 비교와는 다른 순위를 나타냈다.

성능/효과

SWAT 모형의 유출량 결과를 단위면적당 유량으로 비교한 결과, 영산강은 428.80 mm, 형산강은 364.28 mm, 섬진강은 360.58 mm, 금강은 289.81 mm, 낙동강은 279.98 mm, 탐진강은 273.91 mm, 만경강은 266.95 mm, 안성천은229.04 mm, 한강은 210.09 mm, 태화강은 185.90 mm, 삽교천은 184.86 mm, 동진강은 167.57 mm 순이었다. 영산강,형산강이 가장 큰 수준의 단위면적당 유량을 보였으며, 삽교천, 동진강이 가장 작았다.
5 이상일 때 수문 모형의 효용성이 비교적 만족됨을 제시한 바 있다. Table 3과 같이 모형의 보정 및 검증 결과로 본 연구의 목적함수로 사용된 NSE의 범위는 0.53에서 0.83으로 나타나 모든 유역에 대해 만족스러운 결과를 보였으며, R2의 경우 0.77에서 0.91로 NSE와 마찬가지로 비교적 높은 수준이었다.
각 유역별 물이용 취약성의 정량적인 평가를 위해TOPSIS 기법을 적용하였으며, 가중치의 경우 수계에 대한 평가치를 사용하여 객관적으로 산정하는 엔트로피 방법을 이용하였다. 각 유역별 물이용 취약성을 산정한 결과, Fig. 6과 같이 ① 형산강, ② 삽교천, ③ 동진강, ④ 섬진강, ⑤ 안성천, ⑥ 만경강, ⑦ 낙동강, ⑧ 탐진강, ⑨ 영산강, ⑩ 금강, ⑪ 태화강, ⑫ 한강 순으로 취약하였다. 유출이 가장 작은 수준이었던 태화강 유역은 한강 다음으로덜 취약하였고, 국내 5대강 유역의 취약한 정도는 섬진강,낙동강, 영산강, 금강, 한강 순이었다.
4(a) and 4(b)와 같으며, 각 유역별 순위와 해당 유역 순위의 중앙값(median)의 절대 편차를 바탕으로 산정된 변동성으로 유역 및 연도별 유량의 변화 추이를 비교한 결과, 유출량의 경우 순위의 변동이 작았지만 단위면적당 유량은 비교적 심한 순위 변동을 보였다. 각 유역별 변동성을 비교해보면 안성천, 태화강 유역이 큰 변동성을 보였으며, 영산강, 섬진강 유역이 변동성이 작은 편이었다. 또한, 연 변동성을 보면 1995년에 큰 변동이, 1996년에는 작은 변동이 확인되었는데, 이는 당시의 연중 강수 분포에 따른 결과이다.
가중치 산정에는 엔트로피 방법을 이용하여 객관적으로 도출하였다. 마지막으로 4단계에서는 TOPSIS 기법의 적용을 통한 국내 12개 수계의 물이용 취약성을 정량화하였다.
57 mm 순이었다. 영산강,형산강이 가장 큰 수준의 단위면적당 유량을 보였으며, 삽교천, 동진강이 가장 작았다. 이는 유출량 크기와는 전혀 다른 결과로써 특히 한강의 경우 가장 많은 유출량에 비해단위면적 유량에서는 4순위에 불과하였다.
90 m³/s 순이었다. 유역면적의 크기에 따라 한강과 낙동강이 큰 유출량 크기를 보였고 동진강, 탐진강은 유출량이 적은 편이었다.
유출량이 가장 많은 한강은 면적별 유출량에서는 4번째로 적어 순위 변동이 가장 큰 편이었다. 유출량이 두 번째로 큰 낙동강은 면적별 유출량에서는 4번째로 많았는데 유출량 크기가 가장 작은 태화강의 경우 면적별 유출량이 3번째로 적었고, 유출량이 2번째로 많은 탐진강은 6번째로 많은 양이 확인되었다. 영산강 유역의 경우 면적별 유출량에서 다른 유역에 비해 물이용이 취약하지 않은 편이었고, 그다음으로는 형산강, 섬진강 순서였다.
인구당 유출량에서는 유출량이 가장 큰 한강이 면적별 유출량과 마찬가지로 4번째로 적었으며, 순위 변동성이 가장 컸다. 유출량이 두 번째로 많은 낙동강의 경우 인구당 유출량에서는 3번째로 큰 크기를 보였다.

후속연구

산정결과, ① 형산강, ② 삽교천, ③ 동진강, ④ 섬진강, ⑤ 안성천, ⑥ 만경강, ⑦ 낙동강, ⑧ 탐진강, ⑨ 영산강, ⑩ 금강, ⑪ 태화강, ⑫ 한강 순이었고, 이는 단순 유량 크기의 비교와는 다른 순위를 나타냈다. 이를 통해 도출된 결과는 향후 지역별 수자원 공급가능량 진단을 통한 수자원 관리와 기후변화에 따른 취약성 평가 지수개발에 활용되리라 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	물이용 취약성의 기본은 어디에서 시작되는가?	물이용 취약성의 기본은 인간, 환경, 경제 등에 부정적인 영향을 미치지 않는 수준에서 수자원의 양과 질을 확보해야 한다는 것에서 시작된다. 즉, 가정생활 이외의 물 수요자에게 영향을 미치지 않는 범위 내에서 모든 가정에서의 일상생활을 위해 필요로 하는 수준의 양호한 수질과 풍부한 수량의 물을 확보하는 것으로 정의 내릴 수 있다(Calow et al.
	물이용 취약성의 기본은 어떻게 정의 내릴 수 있는가?	물이용 취약성의 기본은 인간, 환경, 경제 등에 부정적인 영향을 미치지 않는 수준에서 수자원의 양과 질을 확보해야 한다는 것에서 시작된다. 즉, 가정생활 이외의 물 수요자에게 영향을 미치지 않는 범위 내에서 모든 가정에서의 일상생활을 위해 필요로 하는 수준의 양호한 수질과 풍부한 수량의 물을 확보하는 것으로 정의 내릴 수 있다(Calow et al., 2002).
	물이용 관련 취약성 평가를 위한 지표 연구로는 어떤 것들이 있는가?	, 2002). 물이용 관련 취약성 평가를 위한 지표 연구로는 국외의 경우 수자원 이용에 관련된 사회, 경제, 환경 지표들을 통합하는 물 부족 지수(Water Poverty Index, WPI)가 있다(Sullivan, 2001). 이는 해당 나라의 복지 수준과 물이용 상황에 있어서의 관계를 파악하는데 목적이 있으며, 5개의 세부지수인 자원(Resources), 접근(Access), 이용능력(Capacity), 이용(Use), 환경(Environ-ment)으로 이루어져 있고 그에 해당하는 지표로 구성되어있다.

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WAMIS: http://www.wamis.go.kr
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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