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문제 정의
- 그러나 국내에서는 아직까지 기후변화에 대한 영향평가는 치수와 이수적 관점의 단순한 변동특성만을 평가하여 왔으며, 건강한 생태환경시스템 구축을 위한 다양한 환경영향지표를 통한 정량적 분석에 대한 연구는 미흡한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 기후변화에 따른 물 환경 및 수 생태시스템에 미치는 지역적 영향을 정량적으로 평가하기 위해 수문변화지표법 (Indicators of Hydrologic Alteration, IHA)을 적용하였으며, 다양한 환경유량지표를 통해 고삼저수지 유역의 수문학적 변화뿐만 아니라 환경 및 생태학적 측면에서의 영향을 평가하여 기후변화 대응 및 적응을 위한 유용한 자료를 제공하고자 하였다.
- (2010)은 환경유량을 평가하기 위한 수문변동에 대한 생태학적 경계 (Ecological Limits Of Hydrologic Alteration, ELOHA)에 대한 연구를 수행하였다. 이를 통해 유량변동과 이에 따라 나타나는 생태학적 반응 간의 관계를 명확히 하여 종합적인 환경유량 관리 시스템 구축을 위한 가이드라인을 제시하고자 하였다. 그러나 국내에서는 아직까지 기후변화에 대한 영향평가는 치수와 이수적 관점의 단순한 변동특성만을 평가하여 왔으며, 건강한 생태환경시스템 구축을 위한 다양한 환경영향지표를 통한 정량적 분석에 대한 연구는 미흡한 실정이다.
제안 방법
- 5 기후변화시나리오에 대한 GCM모델인 HadGEM2-ES를 이용하였다. ASOS 관측지점에 대한 일 단위의 기후시나리오에 대해서 BCSD와 기후변화 시나리오의 장기적 추세를 반영한 QDM기법을 결합한 통계적 상세화 결과를 적용하였다. 고삼저수지 유역의 기후변화 전망자료를 분석한 결과, 과거 자료 (1976 ~ 2010) 대비 21세기 말(2071 ~ 2099)의 기온과 강수량이 증가하는 것으로 나타났다.
- 환경유량지표는 환경유량의 종류에 따라 다음과 같은 기준에 의해 분류하였다. SFs는 2년 빈도보다 더 큰 첨두치를 갖는 초기 High Flow로 산정하였고, LFs는 10년 빈도보다 더 큰 첨두치를 갖는 초기 High Flow를 적용하였다. SFs나 LFs로 분류되지 않는 모든 초기 High Flow는 HFPs로 분류하며, 분석기간 내의 일 유량의 10 % 이하인 초기 Low Flow를 ELFs로 산정한다.
- 장기유출모형의 매개변수 검･보정을 위하여 관측 값과 모의 값에 대한 RMSE를 목적함수로 하고, SCE-UA 탐색기법을 적용하였다. 과거 10년 (2001 ~ 2010) 관측자료 중 5개년(2001 ~ 2005)자료를 이용하여 매개변수를 검정하고, 나머지 5개년 (2006 ~ 2010)자료에 대해서는 매개변수 보정을 실시하였다. 그 결과, 검정기간 (2001 ~ 2005)에 대해서 상관계수는 0.
- 기후변화의 영향을 정량적으로 평가하기 위하여 기후변화 시나리오를 통해 생산된 수문정보를 TANK모형의 입력변수로 적용하여 고삼저수지 유역의 유입량 변화를 모의하였다. 과거자료와 기후변화 시나리오 자료에 대한 월별 유입량 자료를 비교한 결과 (Figure 3), 계절별 유량 변화패턴이 전반적으로 양호하게 모의되고 있는 것으로 나타났다.
- 환경유량은 하천의 첨두 유량 변화, 발생 시기, 빈도, 지속기간 등의 다양한 요소를 평가하여 하천의 유황변화가 수생태계에 미치는 영향을 고려한 지속 가능한 생태환경을 구축하기 위하여 필요하다. 따라서 본 연구에서는 고삼저수지 유역을 대상으로 수문변화지표 모형을 적용하여 기후변화에 따른 환경유량의 변화를 평가하였으며, 주요 결과를 정리하면 다음과 같다.
- 유역의 수문학적 변동특성을 정량적으로 파악하는 것은 이수와 치수뿐만 아니라 환경적인 측면에서도 중요한 일이며, 특히 환경유량의 변화는 생태계의 구조와 기능 조절에 중요한 역할을 할 수 있기 때문에 면밀한 분석이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 기후변화시나리오를 적용하여 대표적인 환경유량관련 지표들에 대한 평가를 실시하였으며, 각각의 환경지표들의 변동추세 결과는 다음 Table 4와 같다.
- TANK 모형의 입력자료 구축을 위하여 국가수자원관리종합정보시스템 (Water Resource Management Information System, WAMIS)에서 제공하는 유역도 및 토지피복도를 이용하였다. 또한, 강우입력자료를 구축하기 위해서 유역 주위의 기상관측소를 바탕으로 Thiessen Network를 구축하여 유역평균강우량을 산출하였다. 유역의 잠재 증발산량은 지배관측소에서 관측된 기상자료 (평균풍속, 최고온도, 최저온도, 평균온도, 평균상대습도, 일조시간)를 입력자료로 하여 PenmanMonteith 방법을 적용하여 산정하였다.
- 마지막으로, 기후변화에 따른 환경유량 영향 평가를 위해 RCP 8.5 기후변화시나리오 (2011 ~ 2099)를 통해 산출된 유입량 모의결과를 적용하였으며, 수문변화지표법에 의한 대표적인 환경유량지표인 HFPs (High Flow Pulses), LFs (Large Floods), SFs (Small Floods), ELFs (Extreme Low Flows)에 대한 통계적 변동특성을 분석하였다. 환경유량지표는 환경유량의 종류에 따라 다음과 같은 기준에 의해 분류하였다.
- 본 연구에서는 기후변화에 따른 농업용 저수지의 환경 영향 평가를 위해 고삼저수지 유역을 대상으로 RCP 8.5 기후변화시나리오를 적용하였다. 기후변화에 관한 정부 간 협의체(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)에서 제시한 RCP 온실가스 시나리오를 바탕으로 CMIP5 GCM (General Circulation Model) 모델 중 우리 나라 국가표준시나리오인 HadGEM2-AO모형을 포함한 26개의 GCMs 모형 (Table 2)을 검토하여 한반도 강수에 대한 지속성, 극치사상, 공간모의능력을 고려하여 중앙치 모델인 HadGEM2-ES를 적용하였다.
대상 데이터
- 본 연구의 대상유역은 경기도 안성시 고삼면 월향리에 위치하고 있는 고삼저수지이다. 고삼저수지 유역은 주 하천인 한천의 상류부에서 저수지 유입부까지의 유로길이가 12.
- TANK 모형의 매개변수 최적화는 평균제곱근오차 (Root Mean Squared Error, RMSE)를 목적함수로 하여, SCE-UA(Shuffled Complex Evolution-University of Arizona) 탐색기법을 적용하여 수행하였다. 유출모형의 매개변수 검･보정은 과거 10년 (2001 ~ 2010)의 자료를 이용하였으며, 전반부 5개년 (2001 ~ 2005)의 관측자료에 대한 검정과 후반부 5개년(2006 ~ 2010)의 관측자료에 대한 보정을 통해 수행하였다.
이론/모형
- TANK 모형의 매개변수 최적화는 평균제곱근오차 (Root Mean Squared Error, RMSE)를 목적함수로 하여, SCE-UA(Shuffled Complex Evolution-University of Arizona) 탐색기법을 적용하여 수행하였다. 유출모형의 매개변수 검･보정은 과거 10년 (2001 ~ 2010)의 자료를 이용하였으며, 전반부 5개년 (2001 ~ 2005)의 관측자료에 대한 검정과 후반부 5개년(2006 ~ 2010)의 관측자료에 대한 보정을 통해 수행하였다.
- TANK 모형은 유역의 수문기상학적 특성을 고려할 수 있고 순별, 일별 유출자료를 산출하여 이를 통한 유량변화 분석이 용이한 특징이 있다. TANK 모형의 입력자료 구축을 위하여 국가수자원관리종합정보시스템 (Water Resource Management Information System, WAMIS)에서 제공하는 유역도 및 토지피복도를 이용하였다. 또한, 강우입력자료를 구축하기 위해서 유역 주위의 기상관측소를 바탕으로 Thiessen Network를 구축하여 유역평균강우량을 산출하였다.
- 그러나 HadGEM2-ES 모델은 해상도가 1.875 × 1.250 km로 본 연구의 대상유역에 적용하기에는 해상도가 낮으므로 종관기상관측시스템 (Automated Synoptic Observing System, ASOS) 관측지점에 대한 일 단위의 기후시나리오에 대해서 대표적으로 사용되고 있는 BCSD (Bias Correction/Spatial Disaggregation)와 기후변화시나리오의 장기적 추세를 반영할 수 있는 QDM (Quantile Delta Mapping) 기법을 결합한 통계적 상세화 (Statistical Downscaling) 결과를 적용하여 나온 시나리오를 이용하였다(Cannon et al., 2015; Eum et al.,2016).
- 5 기후변화시나리오를 적용하였다. 기후변화에 관한 정부 간 협의체(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)에서 제시한 RCP 온실가스 시나리오를 바탕으로 CMIP5 GCM (General Circulation Model) 모델 중 우리 나라 국가표준시나리오인 HadGEM2-AO모형을 포함한 26개의 GCMs 모형 (Table 2)을 검토하여 한반도 강수에 대한 지속성, 극치사상, 공간모의능력을 고려하여 중앙치 모델인 HadGEM2-ES를 적용하였다. 그러나 HadGEM2-ES 모델은 해상도가 1.
- 미래의 기후변화가 대상유역의 유출에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 RCP 8.5 기후변화시나리오에 대한 GCM모델인 HadGEM2-ES를 이용하였다. ASOS 관측지점에 대한 일 단위의 기후시나리오에 대해서 BCSD와 기후변화 시나리오의 장기적 추세를 반영한 QDM기법을 결합한 통계적 상세화 결과를 적용하였다.
- 또한, 강우입력자료를 구축하기 위해서 유역 주위의 기상관측소를 바탕으로 Thiessen Network를 구축하여 유역평균강우량을 산출하였다. 유역의 잠재 증발산량은 지배관측소에서 관측된 기상자료 (평균풍속, 최고온도, 최저온도, 평균온도, 평균상대습도, 일조시간)를 입력자료로 하여 PenmanMonteith 방법을 적용하여 산정하였다.
- 장기유출모형의 매개변수 검･보정을 위하여 관측 값과 모의 값에 대한 RMSE를 목적함수로 하고, SCE-UA 탐색기법을 적용하였다. 과거 10년 (2001 ~ 2010) 관측자료 중 5개년(2001 ~ 2005)자료를 이용하여 매개변수를 검정하고, 나머지 5개년 (2006 ~ 2010)자료에 대해서는 매개변수 보정을 실시하였다.
- 저수지의 유입량을 산정하기 위해 대표적인 장기유출모형인 TANK 모형을 통하여 유출분석을 실시하였다. TANK 모형은 유역의 수문기상학적 특성을 고려할 수 있고 순별, 일별 유출자료를 산출하여 이를 통한 유량변화 분석이 용이한 특징이 있다.
성능/효과
- 1. 기후변화시나리오 적용을 통한 유량분석 결과, 연 유입량의 경우 과거자료 (2001 ~ 2010)와 비교하여 평균 53.2 % 증가하는 것으로 나타났으며, 계절유량의 변화가 가장 큰 시기는 여름철(C.V: 0.592)인 것으로 분석되었다. 기후변화 조건을 적용하였을 경우, 과거 관측자료에 비해 유량-유황곡선 (FDC)이 평활화되는 경향을 보이고 있어 중-저유량의 발생빈도가 높아지고 있는 것으로 나타났으며, 갈수기의 월별 평균유입량은 50.
- 2. 수문지표모형을 통한 환경유량변화를 분석한 결과, HFPs의 첨두치는 관측자료 (2001 ~ 2010) 보다 기후변화시나리오를 적용 시 평균 36.0 %가 증가되는 것으로 나타났으며, 과거보다 하류에 많은 양의 토사와 유기물을 보내어 주변식생과 토종어류의 산란 및 서식처 제공에 긍정적인 영향을 미칠 수 있을 것으로 전망되었다. 기후변화시나리오 적용 시, HFPs 첨두치의 감소패턴이 뚜렷하며, 첨두치의 발생시간이 지연되는 경향을 보여 장기적인 영향 검토가 필요한 것으로 나타났다.
- 기후변화시나리오 적용 시, HFPs 첨두치의 감소패턴이 뚜렷하며, 첨두치의 발생시간이 지연되는 경향을 보여 장기적인 영향 검토가 필요한 것으로 나타났다. LFs 첨두치의 경우, 과거대비 61.1 %의 증가가 전망되었고, 지속시간은 과거보다 길어지는 경향이 나타났다. 그러나 LFs 첨두치의 변화는 뚜렷한 감소 경향을 보이는 것으로 나타나 수질의 문제와 서식지 감소에 따른 어종변화가 나타날 것으로 전망되었다.
- LFs (Large Floods)의 경우, 자주 발생하지 않지만, HFPs와 마찬가지로 많은 양의 토사와 유기물을 이동시키고, 치어 (Juvenile Fish)들에게 영양분이 풍부한 새로운 서식처를 제공하여 준다. LFs에 대한 경향성 분석결과, 첨두치의 통계적으로 유의한 감소패턴이 나타나 수질의 문제와 서식지 감소에 따른 어종의 변화를 유발할 수 있을 것으로 전망된다. SFs (Small Floods)의 경우, 2-10년 빈도로 발생하며, SFs의 증가는 물새, 가축방목, 쌀 생산량 증가와 관련되어 있으며, 수 생태식물의 성장을 촉진하고 외래 어종의 유입을 감소시키는 역할을 한다.
- 365)도 커지는 경향을 보이는 것으로 분석되었다. 계절유량에서 가장 큰 차이는 보이는 시기는 여름철인 것으로 나타났으며 평균 유량이 44.04 % 증가를 보이고 있으며 변동계수는 0.592로 상대적으로 큰 것으로 분석되었다. 이러한 결과는 시나리오 기간을 3구간 (S1: 2011 ~ 2040, S2: 2041 ~ 2070, S3: 2071 ~ 2099)으로 나누어 분석한 결과에서도 볼 수 있다.
- ASOS 관측지점에 대한 일 단위의 기후시나리오에 대해서 BCSD와 기후변화 시나리오의 장기적 추세를 반영한 QDM기법을 결합한 통계적 상세화 결과를 적용하였다. 고삼저수지 유역의 기후변화 전망자료를 분석한 결과, 과거 자료 (1976 ~ 2010) 대비 21세기 말(2071 ~ 2099)의 기온과 강수량이 증가하는 것으로 나타났다. RCP 8.
- 63으로 관측유량에 대한 모의가 잘 수행된 것으로 분석되었다. 과거 관측자료의 전체 기간(2001 ~ 2010)에 대한 모의 결과에서는 RMSE 1.79로 약간 상승하기는 했지만, 상관계수 0.91로 관측유출량과 모의유출량과의 적합이 잘 된 것으로 나타났다. 전체 적용 기간 동안 관측유량의 유출률의 범위는 29.
- 과거 10년 (2001 ~ 2010) 관측자료 중 5개년(2001 ~ 2005)자료를 이용하여 매개변수를 검정하고, 나머지 5개년 (2006 ~ 2010)자료에 대해서는 매개변수 보정을 실시하였다. 그 결과, 검정기간 (2001 ~ 2005)에 대해서 상관계수는 0.90를 보였으며, RMSE 1.38, MAE 0.58로 양호한 결과가 도출되었다. 보정기간 (2006 ~ 2010)에 대해서도 상관계수 0.
- 또한, 하도 주변의 식생이 과도하게 번식되는 것을 막고, 많은 양의 토사와 유기물을 하류로 내보내기 때문에 조류 및 외래종의 어류증식을 막고, 토종 어류의 산란 및 서식처를 제공해주는 특징이 있다. 그러나 기후변화시나리오의 적용 결과, HFPs의 첨두치는 감소되고 있으며 발생 시기는 지연되는 경향을 보이는 것으로 나타났다. HFPs의 증가율 또한 뚜렷하게 감소하는 경향을 보이고 있어 기후변화조건하에서 수생태계 환경에 부정적인 영향을 미칠 수 있을 것으로 예상된다.
- 592)인 것으로 분석되었다. 기후변화 조건을 적용하였을 경우, 과거 관측자료에 비해 유량-유황곡선 (FDC)이 평활화되는 경향을 보이고 있어 중-저유량의 발생빈도가 높아지고 있는 것으로 나타났으며, 갈수기의 월별 평균유입량은 50.5 % ~ 82.4 % 증가되는 것으로 분석되었다.
- 58로 양호한 결과가 도출되었다. 보정기간 (2006 ~ 2010)에 대해서도 상관계수 0.92, RMSE 1.10, MAE 0.63으로 관측유량에 대한 모의가 잘 수행된 것으로 분석되었다. 과거 관측자료의 전체 기간(2001 ~ 2010)에 대한 모의 결과에서는 RMSE 1.
- 그러나 LFs 첨두치의 변화는 뚜렷한 감소 경향을 보이는 것으로 나타나 수질의 문제와 서식지 감소에 따른 어종변화가 나타날 것으로 전망되었다. 빨라진SFs의 발생시기로 인하여 수생태계 식물의 성장주기에 영향을 미칠 수 있을 것으로 예상되며, ELFs의 발생빈도의 현저한 저하는 토종어류의 개체 수 증가와 생존율 향상에 기여하는 등 수생태계 환경이 많이 개선될 것으로 전망되었다.
- 91로 관측유출량과 모의유출량과의 적합이 잘 된 것으로 나타났다. 전체 적용 기간 동안 관측유량의 유출률의 범위는 29.80 % ~ 70.26 %, 평균 유출률은 50.61 %로 나타났으며 유출률이 가장 높은 해는 2008년으로 분석되었다.
- 홍수기인 6월과 9월사이의 평균유입량은 과거자료와 기후시나리오의 결과에서 큰 차이를 보이고 있지는 않으나, 월별 변동폭은 기후 시나리오를 적용하였을 경우 더 크게 나타났다. 특히, 6월 유입량의 경우, 관측유입량의 변동계수가 0.40로 나타났으나 시나리오 적용결과는 1.16으로 평균유입량은 50 % 증가하였으며 변동폭도 90 이상 더 커지는 경향을 보이는 것으로 분석되었다. 갈수기 (10월 ~ 5월)의 월별 평균유입량의 변화는 관측자료 대비 50.
후속연구
- 그러나 기후변화시나리오의 적용 결과, HFPs의 첨두치는 감소되고 있으며 발생 시기는 지연되는 경향을 보이는 것으로 나타났다. HFPs의 증가율 또한 뚜렷하게 감소하는 경향을 보이고 있어 기후변화조건하에서 수생태계 환경에 부정적인 영향을 미칠 수 있을 것으로 예상된다. LFs (Large Floods)의 경우, 자주 발생하지 않지만, HFPs와 마찬가지로 많은 양의 토사와 유기물을 이동시키고, 치어 (Juvenile Fish)들에게 영양분이 풍부한 새로운 서식처를 제공하여 준다.
- 기후변화시나리오 적용 시 ELFs의 첨두치는 약간 증가하지만 지속시간이 감소하는 경향을 보이고 있으며, 특히 ELFs의 발생빈도가 현저히 저하되는 경향을 보이고 있어 수생태계 환경이 개선될 것으로 전망된다. 그러나 아직까지 국내에서는 환경유량지표의 변화에 따른 수생태계의 영향에 대한 연구가 미흡한 실정이기 때문에 대상유역에 대한 관측자료와 사례연구 및 지역연구를 통한 환경영향평가 및 지속 가능한 생태환경시스템 구축을 위한 가이드라인 제시가 필요할 것으로 사료된다.
- ELFs를 자연상태 수준으로 유지한다면 가뭄기간 동안 서식처의 개선과 수 생태식물의 성장에 유리한 조건을 제공할 수 있다. 기후변화시나리오 적용 시 ELFs의 첨두치는 약간 증가하지만 지속시간이 감소하는 경향을 보이고 있으며, 특히 ELFs의 발생빈도가 현저히 저하되는 경향을 보이고 있어 수생태계 환경이 개선될 것으로 전망된다. 그러나 아직까지 국내에서는 환경유량지표의 변화에 따른 수생태계의 영향에 대한 연구가 미흡한 실정이기 때문에 대상유역에 대한 관측자료와 사례연구 및 지역연구를 통한 환경영향평가 및 지속 가능한 생태환경시스템 구축을 위한 가이드라인 제시가 필요할 것으로 사료된다.
- 0 %가 증가되는 것으로 나타났으며, 과거보다 하류에 많은 양의 토사와 유기물을 보내어 주변식생과 토종어류의 산란 및 서식처 제공에 긍정적인 영향을 미칠 수 있을 것으로 전망되었다. 기후변화시나리오 적용 시, HFPs 첨두치의 감소패턴이 뚜렷하며, 첨두치의 발생시간이 지연되는 경향을 보여 장기적인 영향 검토가 필요한 것으로 나타났다. LFs 첨두치의 경우, 과거대비 61.
- 본 연구의 결과는 제한된 자료를 통한 유출분석과 기후변화시나리오 적용을 통한 유역의 수문결과의 불확실성 한계가 있지만, 향후 장기간의 자료축적을 통한 유출모형의 매개변수 최적화, 대상유역의 확장, 다중모델앙상블 모델을 통한 기후모델적용 등 불확실성을 고려한 정확도 높은 평가가 이루어진다면 기후변화 대응 및 적응을 위한 물 환경 및 생태환경 시스템 구축하는 데에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
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