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문제 정의
- 본 연구에서는 SWAT 모형을 이용하여 기후변화 시나리오 RCP 4.5와 8.5의 미래 기상자료 적용에 따른 남강댐의 유입량과 증발산량을 산정하고 평가하였다. SWAT 모형의 적용성을 평가한 결과, 남강댐 유입량의 연평균 유입량의 실측치는 1,139 mm이며, 모의치는 1,207.
- 본 연구에서는 기후변화 시나리오와 SWAT 모형을 이용하여 남강댐 유역의 미래 수문 영향에 대해서 평가하였다. 하지만 기후변화 시나리오는 GCM, 상세화 기법 그리고 편의보정 방법에 따라 상이한 결과들이 나타날 수 있으며, 기본적으로 불확실성을 내포하고 있다.
가설 설정
- , 2015). 또한 본 연구에서는 유역특성을 크게 반영하는 토지이용도가 미래 2100년까지 일정하게 유지된다는 가정을 두고 수문분석을 진행하였다. 현재에도 도시개발, 산지개간 등으로 인해 토지이용 변화가 심화되고 있으며, 이에 따른 유출량 및 토양유실량이 증가하고 있는 추세이다.
- 4 °C, 강수량은 7 % 증가할 것으로 전망하고 있다 (IPCC, 2013). 지구온난화에 따른 기온상승, 강수량의 규모 및 패턴의 변화는 궁극적으로 수문 변화에 많은 영향을 미치게 될 것이다 (Ahn et al., 2013). 따라서 기후변화에 따른 수문 변화, 분석 및 평가 연구는 수자원 관리에 있어 앞으로 야기될 피해와 예방에 도움이 될 것이다.
제안 방법
- 대상 유역 내에 다양한 종류의 토양과 토지이용조건, 경사도 등에 의해 수문반응단위 (Hydrologic Response Unit, HRU)가 결정되며, 각 HRU를 통해 유출과 유사 및 농업화학물질의 거동에 대한 영향을 예측하기 위한 모형으로서 농업유역에 적용하기 적합하다. 남강댐의 경우 산지가 75 %이고, 농업지역이 20 %이기 때문에 농업유역에서 수문모의에 적합한 모형으로 SWAT 모형을 선정하였다. SWAT 모형은 물수지식에 근거하여 지표면유출, 침투량, 증발산량을 산정하며, 수문을 모의하기 위해 식 (1)과 같은 물수지 방정식을 기초한다.
- , 2012) IPCC 보고서에서 제안하는 기후변화 시나리오와 RCM의 출처를 알 수 없기 때문에 최근 기후변화 경향에 맞는 RCP 시나리오를 적용해 볼 필요가 있으며, 기상청에서 제공하는 RCP 한반도 기후변화 전망자료를 적용하여 기후변화에 따른 남강댐 유역의 수문영향을 분석할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 서부 경남 지역의 상수원으로 이용되고 있는 남강댐 유역을 대상으로 SWAT 모형을 구축하고 기상청에서 제공되는 RCP 4.5 및 8.5 시나리오를 적용하여 남강댐 유역의 유입량 및 증발산량을 추정하고 미래 변화를 분석하였다.
대상 데이터
- 기상자료는 기상청 자료를 사용하였으며, 산청 지상관측소의 2000년부터 2014년까지 강우량, 최고기온, 최저기온, 평균풍속, 평균습도를 일 자료로 수집하였으며, 일사량 자료의 경우 대상유역과 근접한 진주 지상관측소의 자료를 활용하였다.
- 기후변화 시나리오는 산청 기상관측소 지점에 해당하는 격자자료에서 각 기상요소를 추출하였으며, 누적확률곡선의 분위사상을 통해 연평균 오차가 10 % 이내가 되도록 편의보정하였다. RCP 4.
- 대상유역의 유입량 자료는 국가수자원종합정보시스템(WAMIS)에서 수집하였으며, 남강댐 유입량 자료의 경우 댐 저수량에서 전시간의 저수량차와 단위시간동안 방류량을 더한 양을 cms로 단위로 환산하여 간접적으로 얻어진 값이다. 남강댐 유입량 자료를 2003~2014년까지의 수집하였으며, Table 1은 남강댐 연평균 유입량 및 유입률을 나타내고 있다. 남강댐의 연평균 유입량은 1,073 mm이며 연평균 유입률은 64.
- 대상유역의 유입량 자료는 국가수자원종합정보시스템(WAMIS)에서 수집하였으며, 남강댐 유입량 자료의 경우 댐 저수량에서 전시간의 저수량차와 단위시간동안 방류량을 더한 양을 cms로 단위로 환산하여 간접적으로 얻어진 값이다. 남강댐 유입량 자료를 2003~2014년까지의 수집하였으며, Table 1은 남강댐 연평균 유입량 및 유입률을 나타내고 있다.
- 2 백만m3)에서 큰 차이를 나타내며, 남강댐은 저수용량이 적은데도 불구하고 유역평균유입량이 크고 홍수조절용량 (소양강: 770 백만m3, 남강: 270 백만m3)은 작다. 따라서 기후변화에 따른 유입량 변화가 남강댐 운영에 영향을 미칠 수 있기 때문에 수문분석이 필요하며, 남강댐 유역을 본 연구의 대상유역으로 선정하였다. Fig.
- 5 km 해상도로 상세화하여 ASCII, Binary 파일로 제공하고 있다. 본 연구에서는 기상청으로부터 RCP 4.5 및 8.5 시나리오에 대한 강수량, 최고기온, 최저기온, 풍속, 습도 자료 (1979~2100년)를 ASCII파일로 제공받고 Matlab을 이용해 대상유역과 산청관측소가 포함되는 격자에서 자료를 추출하여 데이터를 구축하였다.
- 본 연구의 대상유역인 남강댐 유역은 연평균 강수량이 1,634mm (2000~2014년의 연평균 강수량)으로 남부지방에서도 다우지역에 속하며 (기상청), 하천하상계수가 크기 때문에 우기시 수위, 유속증가에 따른 하천 침식 및 고농도의 탁수가 발생하여 매년 피해가 발생하고 있다 (Kim and Kim, 2016). 또한 국가수자원종합정보시스템 (Wamis)의 유역정보에 따르면, 소양강댐과 남강댐을 비교했을 때, 유역면적은 비슷하나 저수면적과 저수용량에서 큰 차이를 나타내며, 남강댐은 저수용량이 적은데도 불구하고 유역평균유입량이 크고 홍수조절용량은 적은 것으로 나타났다.
- 산청 기상관측소의 과거 27년 (1979~2005년) 동안의 관측자료를 이용하여 RCP 시나리오의 과거 모의자료를 편의 보정하였다. 각 기상요소 (강수량, 기온, 풍속, 습도)들은 월자료로 산정하였으며, 월별로 누적확률값과 매개변수를 산정하였다.
- 2에서는 SWAT 모형의 입력자료인 수치고도모형 (DEM), 토지피복도, 정밀토양도를 나타내고 있다. 토지피복도는 환경부에서 제공하는 중분류의 2010년도 토지피복자료를 이용하였으며, 토양도는 국립농업과학원에서 제공하고 있는 1:25,000 정밀토양도를 이용하였다. 각 입력자료의 해상도는 30 m × 30 m, 좌표체계는 GRS80으로 동일하게 설정하였다.
데이터처리
- 기후변화에 따른 남강댐 유역의 수문 영향을 평가하기 위해 미래 기간을 10년 단위로 평균하여 분석하였다. 남강댐 유역의 유입량을 예측한 결과, 21세기 중반부터 (2040s~2080s) 증가하는 것을 나타났으며, RCP 4.
- 기존의 SWAT 모형을 연구했던 논문들을 참고하여 유입과 유출에 민감한 매개변수 12개를 선정하였으며, 매개변수 값은 Kim and Kim (2016)의 논문에서 산청, 신안, 창촌 소유역의 보정된 매개변수 값을 적용하였으며, 이를 제외한 소유역은 관측값과 비교하여 시행착오법을 통해 매개변수를 보정하였다. 모형의 적합성과 상관성을 평가하기 위해 결정계수 (Determination Coefficient, R2), 평균제곱근오차 (Root Mean Square Error, RMSE), Nash-Sutcliffe 효율성 지수(Nash-Sutcliffe efficiency coefficient), 상대평균절대오차(Relative Mean Absolute Error, RMAE)를 사용하였다.
이론/모형
- Table 2는 본 연구에서 사용된 매개변수의 정의, 보정할 수 있는 값의 최대･최소 범위 그리고 보정된 매개변수 값을 나타내고 있다. 기존의 SWAT 모형을 연구했던 논문들을 참고하여 유입과 유출에 민감한 매개변수 12개를 선정하였으며, 매개변수 값은 Kim and Kim (2016)의 논문에서 산청, 신안, 창촌 소유역의 보정된 매개변수 값을 적용하였으며, 이를 제외한 소유역은 관측값과 비교하여 시행착오법을 통해 매개변수를 보정하였다. 모형의 적합성과 상관성을 평가하기 위해 결정계수 (Determination Coefficient, R2), 평균제곱근오차 (Root Mean Square Error, RMSE), Nash-Sutcliffe 효율성 지수(Nash-Sutcliffe efficiency coefficient), 상대평균절대오차(Relative Mean Absolute Error, RMAE)를 사용하였다.
- (2015)은 금호강 유역 유역을 대상으로 SWAT 모형을 구축하고 미래 기후변화 시나리오 적용을 통해 미래 자연유출량 변화를 예측하였다. 기후변화 시나리오는 HadGEM3-RA 모형을 이용하여 RCP 4.5, 8.5 시나리오를 적용하였으며, 월별, 계절별, 표준유역별로 변화를 분석하였다. Jang et al.
- GCM 모형에서 예측된 기후변화 시나리오는 해상도가 낮기 때문에 상세화과정이 필요하며, 상세화된 결과는 계통적 오차가 포함하고 있다. 따라서 기후변화 시나리오의 계통적 오차를 제거하고 불확실성을 보완하기 위해 과거기간의 관측치와 모의치의 편의보정이 필요하며, 본 연구에서는 선행연구들을 통해 검증된 분위사상법을 사용하였다 (Hashino, 2007; Park et al., 2012; Hwang et al., 2013; Kim and Ryu, 2013). 분위사상법은 관측과 모의치의 누적확률분포를 이용하여 관측치의 누적확률분포 역함수에 대입하여 사상시키는 방법이다 (식 (2)).
- 본 연구에서 사용된 기후변화 시나리오는 기상청에서 제공하는 RCP 4.5 및 8.5 시나리오를 사용하였다. RCP (Representative Concentration Pathways) 시나리오는 최근 온실가스 농도 변화경향을 반영하였으며, 복사강제력 (W/m2)을 기준으로 RCP 2.
성능/효과
- 기후변화 시나리오는 산청 기상관측소 지점에 해당하는 격자자료에서 각 기상요소를 추출하였으며, 누적확률곡선의 분위사상을 통해 연평균 오차가 10 % 이내가 되도록 편의보정하였다. RCP 4.5와 8.5 시나리오를 비교한 결과, RCP 8.5가 RCP 4.5보다 높게 나타나는 것으로 확인했으며, 현재보다 연평균 강수량은 300 mm, 기온은 2~3 °C 정도 증가하는 것으로 나타났다.
- 5의 미래 기상자료 적용에 따른 남강댐의 유입량과 증발산량을 산정하고 평가하였다. SWAT 모형의 적용성을 평가한 결과, 남강댐 유입량의 연평균 유입량의 실측치는 1,139 mm이며, 모의치는 1,207.6 mm로 나타나 5.68 % 의 오차를 나타냈고, 평균 R2는 0.79, RMSE는 4.56, NSE는 0.75, RMAE는 0.50로 나타나 RMSE를 제외한 모형의 적합성 평가지표는 비교적 모형의 적용성이 높은 것으로 나타났다.
- 각 미래기간별 연평균 강수량의 경우 RCP 4.5에서는 21세기 중반 (2040s~2080s)에 현재보다 증가하는 추세를 보이나 총 평균값은 현재 실측값과 비교하여 변화가 거의 없는 것 (0.1 % 차이)으로 나타났으며, RCP 8.5에서는 계속적으로 증가하는 추세를 나타내어 현재대비 평균 13 % (약250 mm) 정도 증가하는 것으로 예측되었다. 연평균 유입량의 경우 연평균 강수량과 비슷한 추세를 나타냈으며, RCP 4.
- 5 시나리오 결과보다는 높게 나타났으나 여전히 현재보다 감소한 값을 나타냈고, 21세기 후반으로 갈수록 현재와 비슷한 평균값을 나타냈다. 결과적으로 증발산량의 경우 오히려 감소하는 것으로 나타나 갈수기에 가뭄현상이 완화될 것으로 판단되며, 월별 평균 유입량을 현재와 비교했을 때 관개기 기간 (4월~10월)에 큰 변화를 나타내었고, 특히 7~9월에 집중되는 경향을 나타내었다. 이는 홍수, 집중호우 등으로 인한 피해가 우려되며, 기후변화에 따른 농업수자원 영향을 정밀히 분석할 필요가 있을 것으로 판단된다.
- 최저기온의 경우에도 미래로 갈수록 현저히 증가하는 것으로 나타났으며, 2090s에 관측자료를 기준으로 2 °C 증가하는 것으로 나타났다. 결과적으로 풍속과 습도의 경우 미래로 갈수록 현재와 큰 변화가 없는 것으로 나타났으며, 강수량과 기온의 경우 국내에서 선행되었던 여러 RCP 시나리오의 연구결과와 같이 편의보정 방법 및 대상유역에 따라 변화량은 차이가 있지만 현재와 2090s를 비교했을 때 강수량은 13 % 증가하고, 기온은 2~3 °C 상승하는 것으로 전망되었다.
- 기후변화에 따른 남강댐 유역의 수문 영향을 평가하기 위해 미래 기간을 10년 단위로 평균하여 분석하였다. 남강댐 유역의 유입량을 예측한 결과, 21세기 중반부터 (2040s~2080s) 증가하는 것을 나타났으며, RCP 4.5에서는 4.8 %, RCP 8.5에서는 19.0 % 증가하는 것으로 나타났다. 증발산량을 산정한 결과, RCP 4.
- 남강댐 유입량 자료를 2003~2014년까지의 수집하였으며, Table 1은 남강댐 연평균 유입량 및 유입률을 나타내고 있다. 남강댐의 연평균 유입량은 1,073 mm이며 연평균 유입률은 64.0 %로 나타났다. 2003년도의 경우 유입률이 93 %로 크게 나타났는데, 태풍 ‘매미’의 영향도 있었지만, 강우지속기간, 월별 강우량 및 유입량 등을 원본자료로 비교, 분석해봤으나 이상이 없는 것으로 보아 실측에 오류가 있었던 것으로 판단된다.
- 매개변수의 보정과 검정에 따른 모형의 적합성을 다양한 평가지수로 분석한 결과, R2, NSE 그리고 RMAE의 평균값들은 관측치와 모의치의 일치도가 높은 것을 나타내고 있으며, 매개변수 보정이 적합한 것으로 나타났다. 하지만 RMSE의 경우 일 유입량에 대한 오차가 다소 큰 것으로 보이며, 향후 SWAT CUP과 같은 객관적인 자동보정 프로그램을 통해 매개변수 보정의 신뢰성을 높이는 연구를 추진할 필요가 있다.
- 막대그래프는 관측기간의 평균값을 나타내고 있다. 월별 남강댐 유입량의 경우 8월과 9월에 평균 유입량이 증가하는 것을 나타냈으며, RCP 4.5 시나리오보다 RCP 8.5 시나리오에서 훨씬 집중적으로 증가하는 경향을 나타내었다. 특히8월에 유입량이 약100~150 mm 정도 크게 증가하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 하지만 SWAT 모형과 기후변화 연구들이 많이 진행되고, 최신 경향인 RCP 시나리오가 제공되고 있음에도 불구하고 아직 기후변화 영향평가가 미흡하고 분석이 필요한 유역들이 남아있다. SWAT 모형을 이용하여 다양한 수문인자들의 대한 분석과 고찰에 대한 방법들은 이미 정립되어 있기 때문에 수자원 평가가 미흡한 유역에 최신 경향을 반영한 RCP 시나리오를 적용할 필요가 있다고 판단된다
- , 2013). 따라서 기후변화에 따른 수문 변화, 분석 및 평가 연구는 수자원 관리에 있어 앞으로 야기될 피해와 예방에 도움이 될 것이다.
- 현재에도 도시개발, 산지개간 등으로 인해 토지이용 변화가 심화되고 있으며, 이에 따른 유출량 및 토양유실량이 증가하고 있는 추세이다. 따라서 기후변화에 따른 수문영향을 분석하기 위해 토지이용도의 변화를 고려한다면 기존연구를 보완할 수 있을 것이다.
- 결과적으로 증발산량의 경우 오히려 감소하는 것으로 나타나 갈수기에 가뭄현상이 완화될 것으로 판단되며, 월별 평균 유입량을 현재와 비교했을 때 관개기 기간 (4월~10월)에 큰 변화를 나타내었고, 특히 7~9월에 집중되는 경향을 나타내었다. 이는 홍수, 집중호우 등으로 인한 피해가 우려되며, 기후변화에 따른 농업수자원 영향을 정밀히 분석할 필요가 있을 것으로 판단된다.
- 이는 8~9월에 집중되는 강우의 영향으로 판단되며, 더불어 홍수, 집중호우의 영향과 유량 증가에 따른 고탁수의 수질악화와 같은 피해가 우려된다. 이러한 본 연구결과는 남강댐 유역의 장기적인 측면에서 댐 운영 및 수자원 관리를 위한 계획수립에 활용될 수 있을 것이다.
- , NSE 그리고 RMAE의 평균값들은 관측치와 모의치의 일치도가 높은 것을 나타내고 있으며, 매개변수 보정이 적합한 것으로 나타났다. 하지만 RMSE의 경우 일 유입량에 대한 오차가 다소 큰 것으로 보이며, 향후 SWAT CUP과 같은 객관적인 자동보정 프로그램을 통해 매개변수 보정의 신뢰성을 높이는 연구를 추진할 필요가 있다.
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