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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 우선 국내에서 수문학적 가뭄지수로 많이 활용되는 Surface Water Supply Index(Shafer and Dezman, 1982)의 제약점을 분석하고, 이를 개선할 수 있는 방법을 제시하고 적용하였다. 두 번째로 개선된 SWSI를 이용하여 앙상블 기법을 기반으로 한 확률적 가뭄전망을 수행하였으며, 기존 방법을 이용한 가뭄전망과의 향상정도를 비교하였다.
가설 설정
- 실제적으로 자료길이, 도심지역, 댐상·하류 등 유역에 따라 직·간접적으로 영향을 주는 인자가 다를 수 있으므로 가용한 인자를 폭넓게 살펴보아야 한다. 두 번째로 단계(4)에서 MSWSI는 각 인자들의 확률분포를 추정하고 비초과확률값을 가뭄지수식에 적용하는데, 기존 MSWSI에서는 모든 인자의 확률분포를 정규분포로 가정하였다. 인자별로 적합한 확률분포를 추정해야 정확한 비초과확률값을 얻을 수 있으며, 이를 바탕으로 실제에 가까운 가뭄지수를 산정할 수 있다.
제안 방법
- 우선 유역별 활용가능한 수문기상인자를 분석하였다. 금강 유역 중권역별로 존재하는 모든 수문기상자료를 기상자료, 우량자료, 수위자료, 국가하천, 지방하천, 광역상수도, 지방상수도, 지하수 등 9가지로 구분하여 조사하였다. 이 중 자료취득 용이성, 적절한 자료 길이와 품질 확보 등 실질적으로 적용가능한 수문기상인자로 기상자료, 수위-유량자료, 댐자료(유입량, 방류량, 수위), 지하수자료를 우선 선정하였으며, 각 인자에 대해 각 관측소별로 자료를 수집하였다.
- 다음으로 가뭄전망 결과에 대해 정량적으로 정확성 평가를 수행하였다. 월단위 가뭄전망의 정확성 평가를 위해 구간별 확률전망을 평가할 수 있는 지표로서 실제가뭄이 발생한 구간에 대해 앙상블 가뭄전망의 발생확률을 점수로 하는 방법인 Average Hit Score (AHS)와 평균제곱오차방법인 Half Brier Score (HBS)를 이용하였다.
- 다음으로 단계(4)를 개선하기 위해 각 수문기상인자에 적합한 확률분포를 추정하였다. 본 연구에서는 각 수문기상인자별로 적용가능한 확률분포(GEV, 정규분포, 2-매개변수 대수정규분포, 3-매개변수 대수정규분포)를 적용하고 매개변수 추정을 위해 최우도법, 확률가중모멘트법, 모멘트법을 이용하였으며, 적합도 검정을 위해 log-likelihood 검정을 이용하였다.
- 따라서 본 연구에서는 우선 국내에서 수문학적 가뭄지수로 많이 활용되는 Surface Water Supply Index(Shafer and Dezman, 1982)의 제약점을 분석하고, 이를 개선할 수 있는 방법을 제시하고 적용하였다. 두 번째로 개선된 SWSI를 이용하여 앙상블 기법을 기반으로 한 확률적 가뭄전망을 수행하였으며, 기존 방법을 이용한 가뭄전망과의 향상정도를 비교하였다.
- 본 연구의 상세한 내용을 살펴보면, 첫 번째로 금강유역내 존재하는 모든 수문기상인자를 조사하여 각 유역별로 적합한 인자를 추가 선정하였다. 두 번째로 기존 MSWSI에 적용되는 수문기상인자의 비초과확률을 산정하기 위해 각 수문기상인자들에 적합한 확률분포를 추정하였다. 이렇게 개선된 MSWSI를 과거 실측강수, 하천유량 등을 이용하여 검증한 결과 기존 MSWSI보다 개선된 MSWSI가 과거 발생한 가뭄현상을 더 잘 나타내어 개선된 MSWSI가 효용성이 있음을 확인하였다.
- 이렇게 관측 및 모의한 각 인자들의 앙상블에 대해 앞서 선정한 확률분포를 적용하여 비초과확률을 산정하고 각 수문기상인자에 대한 가중치를 산정하였다. 마지막으로 각 수문기상인자의 월별 비초과확률값들을 식(1)의 MSWSI 공식에 대입한 다음 MSWSI 앙상블을 산정하고 각 MSWSI 앙상블을 MSWSI의 가뭄단계에 맞도록 구분하였다.
- 이렇게 개선된 MSWSI를 과거 실측강수, 하천유량 등을 이용하여 검증한 결과 기존 MSWSI보다 개선된 MSWSI가 과거 발생한 가뭄현상을 더 잘 나타내어 개선된 MSWSI가 효용성이 있음을 확인하였다. 마지막으로 세 번째로 개선된 MSWSI를 이용하여 앙상블기반 확률론적 가뭄전망을 극심한 가뭄이 발생한 2006년과 2014년을 대상으로 수행하고 검증하였다.
- 본 연구에서는 국내에 기적용된 MSWSI의 산정과정에 발생한 몇가지 한계점을 개선하였으며, 개선된 MSWSI를 이용하여 앙상블기반 확률론적 가뭄전망을 수행하였다. 본 연구의 상세한 내용을 살펴보면, 첫 번째로 금강유역내 존재하는 모든 수문기상인자를 조사하여 각 유역별로 적합한 인자를 추가 선정하였다.
- 본 연구에서는 국내에 기적용된 MSWSI의 산정과정에 발생한 몇가지 한계점을 개선하였으며, 개선된 MSWSI를 이용하여 앙상블기반 확률론적 가뭄전망을 수행하였다. 본 연구의 상세한 내용을 살펴보면, 첫 번째로 금강유역내 존재하는 모든 수문기상인자를 조사하여 각 유역별로 적합한 인자를 추가 선정하였다. 두 번째로 기존 MSWSI에 적용되는 수문기상인자의 비초과확률을 산정하기 위해 각 수문기상인자들에 적합한 확률분포를 추정하였다.
- 본 장에서는 기존 MSWSI와 개선한 MSWSI 산정결과를 비교하였다. Fig.
- 본 장에서는 단계(1)과 (2)를 개선하였다. 우선 유역별 활용가능한 수문기상인자를 분석하였다. 금강 유역 중권역별로 존재하는 모든 수문기상자료를 기상자료, 우량자료, 수위자료, 국가하천, 지방하천, 광역상수도, 지방상수도, 지하수 등 9가지로 구분하여 조사하였다.
- 확률론적 가뭄전망 과정을 살펴보면, 예를 들어 2006년 1월의 가뭄을 전망하고자 하는 경우에 우선 1990년부터 2005년까지의 16개 강수와 기온 앙상블을 각각 개념적 물수지모형인 abcd모형에 입력하여 2001년 1월의 15개의 유입량과 지하수위 앙상블을 생성하였다. 이렇게 관측 및 모의한 각 인자들의 앙상블에 대해 앞서 선정한 확률분포를 적용하여 비초과확률을 산정하고 각 수문기상인자에 대한 가중치를 산정하였다. 마지막으로 각 수문기상인자의 월별 비초과확률값들을 식(1)의 MSWSI 공식에 대입한 다음 MSWSI 앙상블을 산정하고 각 MSWSI 앙상블을 MSWSI의 가뭄단계에 맞도록 구분하였다.
- 3(a)는 중권역 3001에 대해 2014년 사례의 기존 MSWSI와 개선된 MSWSI 시계열을 나타내며, 기존 MSWSI에서는 약하거나 심각한 가뭄이 지속적으로 발생하는 것으로 나타났으나 개선된 MSWSI에서는 상반되게 습윤한 것으로 나타났다. 이에 대해 강수, 하천유량, 댐유입량 관측자료의 평년 평균대비 비율을 살펴보았다(Fig. 3(b)).
- 이에 따라 본 연구에서는 크게 두 가지를 개선하였다. 첫 번째는 활용가능한 모든 수문기상인자를 조사하고 각 유역별로 적합한 인자를 선정하였으며, 두 번째는 각 수문기상인자별로 적합한 확률분포를 적용하였다. 자세한 개선사항은 다음과 같으며, Fig.
대상 데이터
- 가뭄지수 개선과 가뭄전망 검증을 위해 금강유역을 적용지역으로 선정하였다. 금강유역은 유로연장 401 km, 유역면적은 9,810 km2이며, 총 21개의 중권역(국가관리수자원정보시스템 제공)으로 구성되어 있고 본 연구에서는 14개 중권역을 대상으로 하였다.
- 가뭄지수 개선과 가뭄전망 검증을 위해 금강유역을 적용지역으로 선정하였다. 금강유역은 유로연장 401 km, 유역면적은 9,810 km2이며, 총 21개의 중권역(국가관리수자원정보시스템 제공)으로 구성되어 있고 본 연구에서는 14개 중권역을 대상으로 하였다. 금강유역에는 용담댐(전주권 생공용수 담당)과 대청댐(대전과 청주권 용수 담당)이 위치하고 있으며, 타 유역에 비해 댐이 적고 하천구성이 단순하여 하천흐름분석이 상대적으로 간단하다.
- 이를 바탕으로 최종적으로 유역별로 선정된 수문기상인자는 Table 1과 같다. 기존 MSWSI에서는 강수, 하천, 댐유입량, 지하수만을 이용하였으며, 강수는 6개 관측소(면적평균강수, 전국 대상), 하천은 10개 관측소, 지하수는 3개 관측소를 이용하였다. 본 연구에서는 강수, 하천, 댐유입량, 댐저수위, 댐방류량, 지하수를 이용하였으며, 강수는 42개 관측소(면적평균강수, 금강유역 대상), 하천은 28개 관측소, 지하수는 7개 관측소로 확장하여 적용하였다.
- 기존 MSWSI에서는 강수, 하천, 댐유입량, 지하수만을 이용하였으며, 강수는 6개 관측소(면적평균강수, 전국 대상), 하천은 10개 관측소, 지하수는 3개 관측소를 이용하였다. 본 연구에서는 강수, 하천, 댐유입량, 댐저수위, 댐방류량, 지하수를 이용하였으며, 강수는 42개 관측소(면적평균강수, 금강유역 대상), 하천은 28개 관측소, 지하수는 7개 관측소로 확장하여 적용하였다. 또한 각 유역에 대해 가장 영향이 큰 수문기상인자에 따라 유역을 댐상류, 댐하류, 하천, 지하수, 강수, 상수도 유역으로 분류하였으며, 영향이 크다는 의미는 가중치가 가장 크다는 것을 뜻한다.
- 본 연구에서는 앙상블 기반의 월단위 확률론적 가뭄전망의 검증을 위해 2006년 1월부터 12월, 2014년 1월부터 12월까지를 검증기간으로 하였으며, 2006년에 대해서는 1990년 1월부터 2005년 12월까지 16개년도, 2014년에 대해서는 1990년 1월부터 2013년 12월까지 24개년도의 과거 강수와 온도 앙상블 시나리오들을 이용하였다.
- 금강 유역 중권역별로 존재하는 모든 수문기상자료를 기상자료, 우량자료, 수위자료, 국가하천, 지방하천, 광역상수도, 지방상수도, 지하수 등 9가지로 구분하여 조사하였다. 이 중 자료취득 용이성, 적절한 자료 길이와 품질 확보 등 실질적으로 적용가능한 수문기상인자로 기상자료, 수위-유량자료, 댐자료(유입량, 방류량, 수위), 지하수자료를 우선 선정하였으며, 각 인자에 대해 각 관측소별로 자료를 수집하였다. 이를 바탕으로 최종적으로 유역별로 선정된 수문기상인자는 Table 1과 같다.
- 또한 기존 가뭄관련 연구에서 많이 활용된 지역으로 본 연구의 결과와 비교하기에도 용이하다. 적용사례는 전국적으로 예년 강수량의 20〜30% 밖에 되지 않아 가뭄 피해가 컸던 2001년, 2006년, 2014년을 대상으로 하였다.
이론/모형
- 다음으로 단계(4)를 개선하기 위해 각 수문기상인자에 적합한 확률분포를 추정하였다. 본 연구에서는 각 수문기상인자별로 적용가능한 확률분포(GEV, 정규분포, 2-매개변수 대수정규분포, 3-매개변수 대수정규분포)를 적용하고 매개변수 추정을 위해 최우도법, 확률가중모멘트법, 모멘트법을 이용하였으며, 적합도 검정을 위해 log-likelihood 검정을 이용하였다. 추정결과, 강수자료는 모든 중권역에서 Gumbel 분포를 따르는 것으로 나타났으며, 하천자료는 3개 중권역은 정규분포, 나머지 중권역은 Gumbel 분포가 적합하였다.
- 다음으로 가뭄전망 결과에 대해 정량적으로 정확성 평가를 수행하였다. 월단위 가뭄전망의 정확성 평가를 위해 구간별 확률전망을 평가할 수 있는 지표로서 실제가뭄이 발생한 구간에 대해 앙상블 가뭄전망의 발생확률을 점수로 하는 방법인 Average Hit Score (AHS)와 평균제곱오차방법인 Half Brier Score (HBS)를 이용하였다. AHS와 HBS 식은 다음과 같다.
성능/효과
- Fig. 3(a)는 중권역 3001에 대해 2014년 사례의 기존 MSWSI와 개선된 MSWSI 시계열을 나타내며, 기존 MSWSI에서는 약하거나 심각한 가뭄이 지속적으로 발생하는 것으로 나타났으나 개선된 MSWSI에서는 상반되게 습윤한 것으로 나타났다. 이에 대해 강수, 하천유량, 댐유입량 관측자료의 평년 평균대비 비율을 살펴보았다(Fig.
- Fig.3(a)의 B기간에서 기존 MSWSI는 가뭄상태로 나타났으나 실제 평년보다 매우 많은 강수발생으로 댐유입량과 하천유량이 증가하였으며, 개선된 MSWSI에서는 습윤한 것으로 나타났다. 다음으로 중권역 3014를 살펴보면, Fig.
- Fig. 3(a)의 기간 A에서 2013년 9〜12월까지 평균보다 매우 많은 강수발생(최대 164%)으로 인하여 댐유입량과 하천유량도 매우 풍부하였으며, 2014년 초까지 이어짐에 따라 중권역 3001에서는 수문학적으로 가뭄이 발생하지 않는 것이 더 타당할 것으로 판단된다. Fig.
- 전체적으로 개선된 MSWSI를 이용한 가뭄전망에서 기존보다 가뭄이 더 심하게 나타났으며, 금강유역에서 광범위하게 가뭄지역이 발생한 것으로 나타났다. 2006년과 2014년 4월에 기존 가뭄전망은 용담댐 근처 일부 소유역과 하류 일부 소유역에서 심한 가뭄이 발생하는 것으로 전망하였으나 개선된 MSWSI를 이용한 가뭄전망은 금강유역 대부분에 극심한 가뭄이 발생하는 것으로 전망되었다. 다음으로 2006년과 2014년 12월을 살펴보면, 전반적으로 가뭄이 발생하는 소유역은 비슷하나 개선된 MSWSI에서 가뭄이 더 심하게 발생하는 것으로 나타났다.
- 2001년에는 두 MSWSI가 전체적으로 비슷하게 심한 가뭄으로 나타나고 있으나 대청댐을 중심으로 기존 MSWSI는 가뭄이 심하나 개선된 MSWSI에서는 가뭄이 다소 해소된 것으로 나타났다. 2006년과 2014년은 전체적으로 기존 MSWSI보다 개선된 MSWSI가 가뭄 심도가 더 강해진 지역이 두드러지게 나타나며, 특히 2014년은 금강유역 하류쪽의 가뭄이 더 극심한 것으로 나타났다.
- 857)보다 작아 가뭄전망으로서 정확성이 효용성이 있으나 2014년은 정확성이 낮게 나타났다. 개선된 MSWSI를 이용한 가뭄전망의 정확성은 2006년(HBS=0.824)과 2014년(HBS=0.795) 모두 기존보다 정확성이 향상되었으며 초보전망보다 작아 가뭄전망으로서 유효함을 확인하였다.
- 기존 MSWSI에서는 전체적으로 다소 변동이 심하나 대부분 4단계(보통상태) 이상으로서 중권역 3014에는 7〜8월을 제외하고 가뭄발생이 없는 것으로 나타났다. 개선된 MSWSI에서는 2001년에는 대부분 가뭄이 발생하였고 특히 2001년 초기에는 극한 가뭄이 발생하였으며, 지속적으로 심한 가뭄과 약한 가뭄이 나타났다. Fig.
- 2006년과 2014년 4월에 기존 가뭄전망은 용담댐 근처 일부 소유역과 하류 일부 소유역에서 심한 가뭄이 발생하는 것으로 전망하였으나 개선된 MSWSI를 이용한 가뭄전망은 금강유역 대부분에 극심한 가뭄이 발생하는 것으로 전망되었다. 다음으로 2006년과 2014년 12월을 살펴보면, 전반적으로 가뭄이 발생하는 소유역은 비슷하나 개선된 MSWSI에서 가뭄이 더 심하게 발생하는 것으로 나타났다. 특히 2014년 12월 가뭄전망에서 개선된 MSWSI가 용담댐 근처와 하류에서 더 극심함 가뭄이 발생하는 것으로 전망되었다.
- 325로서 기존 MSWSI를 이용한 가뭄전망보다 정확성이 더 향상되었다. 다음으로 HBS 결과를 살펴보면, 기존 MSWSI를 이용한 가뭄전망 정확성은 2006년과 2014년의 HBS는 각각 0.848와 0.865로서 2006년은 초보전망(HBS=0.857)보다 작아 가뭄전망으로서 정확성이 효용성이 있으나 2014년은 정확성이 낮게 나타났다. 개선된 MSWSI를 이용한 가뭄전망의 정확성은 2006년(HBS=0.
- 추정결과, 강수자료는 모든 중권역에서 Gumbel 분포를 따르는 것으로 나타났으며, 하천자료는 3개 중권역은 정규분포, 나머지 중권역은 Gumbel 분포가 적합하였다. 댐자료(유입량, 방류량, 저수위)는 2-매개변수 대수정규분포, 지하수는 3-매개변수 대수정규분포를 따르는 것으로 나타났다.
- 본 연구에서는 강수, 하천, 댐유입량, 댐저수위, 댐방류량, 지하수를 이용하였으며, 강수는 42개 관측소(면적평균강수, 금강유역 대상), 하천은 28개 관측소, 지하수는 7개 관측소로 확장하여 적용하였다. 또한 각 유역에 대해 가장 영향이 큰 수문기상인자에 따라 유역을 댐상류, 댐하류, 하천, 지하수, 강수, 상수도 유역으로 분류하였으며, 영향이 크다는 의미는 가중치가 가장 크다는 것을 뜻한다. 댐상류나 댐하류에 인접한 유역은 댐과 관련된 인자의 영향이 가장 컸으며, 이외 유역에서는 하천과 강수의 영향이 가장 컸다.
- 두 번째로 기존 MSWSI에 적용되는 수문기상인자의 비초과확률을 산정하기 위해 각 수문기상인자들에 적합한 확률분포를 추정하였다. 이렇게 개선된 MSWSI를 과거 실측강수, 하천유량 등을 이용하여 검증한 결과 기존 MSWSI보다 개선된 MSWSI가 과거 발생한 가뭄현상을 더 잘 나타내어 개선된 MSWSI가 효용성이 있음을 확인하였다. 마지막으로 세 번째로 개선된 MSWSI를 이용하여 앙상블기반 확률론적 가뭄전망을 극심한 가뭄이 발생한 2006년과 2014년을 대상으로 수행하고 검증하였다.
- 이에 따라 기존 MSWSI와의 비교에서 개선된 MSWSI가 금강유역에서 발생하는 가뭄을 보다 정확하게 정량적으로 나타내었으며, 수문학적 가뭄 모니터링과 가뭄전망에 있어서 개선된 MSWSI를 이용하는 것이 더 타당함을 확인하였다.
- 4는 2006년과 2014년의 4월과 12월의 기존MSWSI와 개선된 MSWSI를 이용한 가뭄전망 예시를 나타내고 있다. 전체적으로 개선된 MSWSI를 이용한 가뭄전망에서 기존보다 가뭄이 더 심하게 나타났으며, 금강유역에서 광범위하게 가뭄지역이 발생한 것으로 나타났다. 2006년과 2014년 4월에 기존 가뭄전망은 용담댐 근처 일부 소유역과 하류 일부 소유역에서 심한 가뭄이 발생하는 것으로 전망하였으나 개선된 MSWSI를 이용한 가뭄전망은 금강유역 대부분에 극심한 가뭄이 발생하는 것으로 전망되었다.
- 본 연구에서는 각 수문기상인자별로 적용가능한 확률분포(GEV, 정규분포, 2-매개변수 대수정규분포, 3-매개변수 대수정규분포)를 적용하고 매개변수 추정을 위해 최우도법, 확률가중모멘트법, 모멘트법을 이용하였으며, 적합도 검정을 위해 log-likelihood 검정을 이용하였다. 추정결과, 강수자료는 모든 중권역에서 Gumbel 분포를 따르는 것으로 나타났으며, 하천자료는 3개 중권역은 정규분포, 나머지 중권역은 Gumbel 분포가 적합하였다. 댐자료(유입량, 방류량, 저수위)는 2-매개변수 대수정규분포, 지하수는 3-매개변수 대수정규분포를 따르는 것으로 나타났다.
- 174)보다 높게 나타났다. 특히 개선된 MSWSI를 이용한 가뭄전망은 2006년과 2014년의 AHS가 각각 0.249와 0.325로서 기존 MSWSI를 이용한 가뭄전망보다 정확성이 더 향상되었다. 다음으로 HBS 결과를 살펴보면, 기존 MSWSI를 이용한 가뭄전망 정확성은 2006년과 2014년의 HBS는 각각 0.
- 댐상류나 댐하류에 인접한 유역은 댐과 관련된 인자의 영향이 가장 컸으며, 이외 유역에서는 하천과 강수의 영향이 가장 컸다. 특히, 하천과 강수의 영향은 월별로 조금씩 차이가 있는데 홍수기에는 강수와 하천의 영향이 더 커지며, 갈수기에는 지하수의 영향이 더 큰 것으로 나타났다.
- 확률론적 가뭄전망 정확성을 살펴보면(Table 2), 기존 MSWSI를 이용한 가뭄전망에서 2006년과 2014년의 AHS는 각각 0.201과 0.200으로 초보 전망(AHS=0.174)보다 높게 나타났다. 특히 개선된 MSWSI를 이용한 가뭄전망은 2006년과 2014년의 AHS가 각각 0.
후속연구
- 이는 광역상수도나 댐 수혜구역을 구분하는 데 매우 중요하기 때문이며, 이러한 지역은 댐 물공급 능력지수 등을 이용하여 개별적으로 가뭄을 평가해야 할 것이다. 두 번째로 가뭄전망에 있어서 기상전망 자료를 활용함으로써 가뭄전망의 정확성을 더 향상시킬 수 있는 연구가 진행되어야 할 것으로 판단된다.
- 따라서 본 연구에서 개선된 MSWSI을 활용한다면 보다 정확한 가뭄모니터링 수행이 가능하며, 가뭄전망의 정확성을 높일 것으로 사료된다. 이와 더불어 다음과 같은 향후 연구가 필요하다.
- 금강유역에는 용담댐(전주권 생공용수 담당)과 대청댐(대전과 청주권 용수 담당)이 위치하고 있으며, 타 유역에 비해 댐이 적고 하천구성이 단순하여 하천흐름분석이 상대적으로 간단하다. 또한 기존 가뭄관련 연구에서 많이 활용된 지역으로 본 연구의 결과와 비교하기에도 용이하다. 적용사례는 전국적으로 예년 강수량의 20〜30% 밖에 되지 않아 가뭄 피해가 컸던 2001년, 2006년, 2014년을 대상으로 하였다.
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