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문제 정의
- 유역의 수리수문학적 변화에 대한 예측결과를 활용하여 유역관리의 효율성을 증대시키고, 수자원의 적응대책 수립을 위해 기후변화 대비 수자원 적응기술 개발 연구단(Climate Change Adaptation for Watershed Resources, CCAW)은 환경부의 지원을 받아 진행되고 있다. 본고에선 CCAW 3-4세세부 과제인 극한사상에 대한 유역의 탄력적 대응 및 복원기술 개발에 대해 소개하고자 한다. CCAW 3-4세세부 과제에서는 유역의 수문기상학적인 요소의 변화를 통해 갈수량을 전망하고 자료를 연계하여 하상변동모형을 이용한 하도유지관리 기술을 개발한다.
- 1단계에 개발된 기법을 2단계에서 낙동강 권역으로 확대 적용하여 하천의 하상변동 양상과 취약성 분석을 수행하였다. 또한, 수질모델을 이용하여 변화된 수리계수 적용에 따른 지형변화에 의한 수질모의를 통해 하상변동에 따른 연계성을 분석하였으며, 이에 따른 하천의 침식과 퇴적에 관한 수문학적 유역특성 및 수리학적 수체특성을 고려한 권역별 기후변화 적응 최적 대책을 제시하고자 한다.
제안 방법
- 3-4-2 단위과제에서는 기후변화에 따른 중단기 하천지형 변화 예측 및 침·퇴적에 관한 취약성 평가기술 개발을 위해 1단계에는, 충주댐 하류에서 강천보 구간 사이를 테스트베드로 하여 하상변동모형인 GSTARS를 구축하고 장기시나리오에 대한 하천의 침식 및 퇴적 양상을 분석하였다.
- 5 시나리오에 따른 미래기간은 2011~2100년까지로 지정하였다. 총 90년의 미래기간에 대한 전망결과를 한 번에 분석하기에는 무리가 있으므로 세 개의 구간(2011~2040yr, 2041~2070yr, 2071~2100yr)으로 나누어 관측 갈수량을 기준으로 전망된 갈수량의 연간 증감률로 분석하였다. 사용된 GCM은 선행 연구결과(문수진, 2014; 김지훈, 2016)를 참고하여 우리나라에 적절한 7개(ACCESS1.
- 3-4-2 단위과제에서는 기후변화에 따른 중단기 하천지형 변화 예측 및 침·퇴적에 관한 취약성 평가기술 개발을 위해 1단계에는, 충주댐 하류에서 강천보 구간 사이를 테스트베드로 하여 하상변동모형인 GSTARS를 구축하고 장기시나리오에 대한 하천의 침식 및 퇴적 양상을 분석하였다. 2100년까지 30년 단위로 풍수년, 평수년, 갈수년 기간을 발생초과확률을 통해 산정하여 하상변동분석, 최심하상고 및 횡단면 사행 분석을 통하여 유량 및 유사량 변화에 따른 하천의 지형변화 양상을 확인하였다. 또한, 하천유사이동 및 하상변동 예측기술 연구동향 분석과 영향평가기술개발 방향 수립을 통해 대하천 지형변화 예측에 관한 연계모델 적용 및 구간별 다차원 하상 변동 예측기법을 제시하였다.
- 2100년까지 30년 단위로 풍수년, 평수년, 갈수년 기간을 발생초과확률을 통해 산정하여 하상변동분석, 최심하상고 및 횡단면 사행 분석을 통하여 유량 및 유사량 변화에 따른 하천의 지형변화 양상을 확인하였다. 또한, 하천유사이동 및 하상변동 예측기술 연구동향 분석과 영향평가기술개발 방향 수립을 통해 대하천 지형변화 예측에 관한 연계모델 적용 및 구간별 다차원 하상 변동 예측기법을 제시하였다. 종합적으로 데이터기반 모델 결과와 연계한 하상변동 영향평가 기법 개발 및 하도특성에 따른 권역별 침식과 퇴적에 관한 취약성 평가지수 산정 기법을 정립하였다.
- 1단계에 개발된 기법을 2단계에서 낙동강 권역으로 확대 적용하여 하천의 하상변동 양상과 취약성 분석을 수행하였다. 또한, 수질모델을 이용하여 변화된 수리계수 적용에 따른 지형변화에 의한 수질모의를 통해 하상변동에 따른 연계성을 분석하였으며, 이에 따른 하천의 침식과 퇴적에 관한 수문학적 유역특성 및 수리학적 수체특성을 고려한 권역별 기후변화 적응 최적 대책을 제시하고자 한다.
- 최종적으로 결과를 종합하여 기후변화에 따른 댐 저수지 극한 탁수사상 전망, 탁수 거동 예측 및 영향 저감 기술, 탁수 장기화시 하류하천 및 취·정수장의 대응방안 등을 제시하였다.
- 3-4-4 단위과제의 연구 목표는 기후 변화로 예상되는 극한 탁수사상을 분석하고 탁수로 인한 사회·환경적 피해 저감을 위해 수자원분야의 적응 대책을 제안하는 것이다. 1단계 연구에서는 수도권의 주요 상수원인 북한강 유역(소양강댐-의암댐-청평댐-팔당댐 구간)을 대상으로 개발된 탁수 예측 기술의 적용성을 평가하고, 미래 극한 강우사상에 대한 저수지 및 하류 하천의 탁수 영향해석을 수행하였다. 2단계 연구에서는 낙동강 수계(안동호, 임하호)로 연구범위를 확장하였다.
- 총 90년의 미래기간에 대한 전망결과를 한 번에 분석하기에는 무리가 있으므로 세 개의 구간(2011~2040yr, 2041~2070yr, 2071~2100yr)으로 나누어 관측 갈수량을 기준으로 전망된 갈수량의 연간 증감률로 분석하였다. 사용된 GCM은 선행 연구결과(문수진, 2014; 김지훈, 2016)를 참고하여 우리나라에 적절한 7개(ACCESS1.0, ACCESS1.3, CanESM2, CNRMCM5, GFDL-ESM2G, HadGEM2-AO, MPIESM-MR)모델을 선정하였으며, 우리나라의 여름철 특성을 제고하기 위해 홍수기(6~9월)와 비홍수기(1~5월, 10~12월)로 나누어 지역오차보정을 수행함으로써 GCM의 계통적 오차를 저감하였다. 다중모델평균기법으로는 수문분야에 많이 사용되는 베이지안 모델 평균기법을 적용하였으며 갈수량을 전망하기 위한 장기유출모형은 개념적 모형인 IHACRES를 선정하였다.
- 하천단면 관계식은 사용자 편의를 고려하여 개발된 하천 단면 정보 적용 인터페이스를 통해 SWAT모델 내 적용되었다. 최종적으로 필지 및 실제 하천단면 특성이 고려된 안동/임하댐 유역을 대상으로 기후변화 시나리오(RCP4.5/8.5) 적용에 따른 극한사상에서의 유량 및 유사량을 예측하였다. 또한 다양한 문헌들을 통해 약 20가지의 토양유실 저감을 위한 최적관리기법 DB를 구축하고, 각 유역 내 선별된 우심 소유역을 대상으로 최적관리기법 적용을 통해 토양유실 저감 효율을 분석하였다.
- 5) 적용에 따른 극한사상에서의 유량 및 유사량을 예측하였다. 또한 다양한 문헌들을 통해 약 20가지의 토양유실 저감을 위한 최적관리기법 DB를 구축하고, 각 유역 내 선별된 우심 소유역을 대상으로 최적관리기법 적용을 통해 토양유실 저감 효율을 분석하였다.
이론/모형
- 하지만 최근 기후변화모델은 그 종류가 다양하며, 불확실성의 범위가 매우 넓은 편이다. 3-4-1 단위과제 에서는 단일 최적 모델의 선택 문제와 다양한 모델이 갖는 불확실성을 개선하기 위하여 다중모델앙상블 기법을 적용하였다. 또한 유역의 이수안전도를 확보하여 효율적이고 안정적인 수자원 및 수환경 관리를 위해 유량변화에 따른 갈수량을 전망하였다.
- 3, CanESM2, CNRMCM5, GFDL-ESM2G, HadGEM2-AO, MPIESM-MR)모델을 선정하였으며, 우리나라의 여름철 특성을 제고하기 위해 홍수기(6~9월)와 비홍수기(1~5월, 10~12월)로 나누어 지역오차보정을 수행함으로써 GCM의 계통적 오차를 저감하였다. 다중모델평균기법으로는 수문분야에 많이 사용되는 베이지안 모델 평균기법을 적용하였으며 갈수량을 전망하기 위한 장기유출모형은 개념적 모형인 IHACRES를 선정하였다. 여전히 많은 불확실성이 존재하고 있으며 연구의 목적과 기법에 따라 결과가 달라질 수 있으므로 본 연구의 결과가 절대적인 결과는 아니다.
- 2단계에서는 안동/임하댐 유역으로 확대하여 다양한 항공/위성 영상과 소유역별 실측 평균하천 폭 및 홍수터 폭 자료를 바탕으로 유역면적과의 실측 하천단면 관계식을 도출하였다. 하천단면 관계식은 사용자 편의를 고려하여 개발된 하천 단면 정보 적용 인터페이스를 통해 SWAT모델 내 적용되었다. 최종적으로 필지 및 실제 하천단면 특성이 고려된 안동/임하댐 유역을 대상으로 기후변화 시나리오(RCP4.
성능/효과
- 3-4-1 단위과제 에서는 단일 최적 모델의 선택 문제와 다양한 모델이 갖는 불확실성을 개선하기 위하여 다중모델앙상블 기법을 적용하였다. 또한 유역의 이수안전도를 확보하여 효율적이고 안정적인 수자원 및 수환경 관리를 위해 유량변화에 따른 갈수량을 전망하였다. 1~3차년도(1단계)에는 한강(소양강댐/충주댐)유역을 대상으로 수문기상요소 전망기술을 개발 및 적용하였으며, 4~5차년도(2단계)에는 낙동강(안동댐/임하댐) 유역을 대상으로 확대 적용하였다.
- 또한, 하천유사이동 및 하상변동 예측기술 연구동향 분석과 영향평가기술개발 방향 수립을 통해 대하천 지형변화 예측에 관한 연계모델 적용 및 구간별 다차원 하상 변동 예측기법을 제시하였다. 종합적으로 데이터기반 모델 결과와 연계한 하상변동 영향평가 기법 개발 및 하도특성에 따른 권역별 침식과 퇴적에 관한 취약성 평가지수 산정 기법을 정립하였다.
- 첫째, 기후변화의 영향으로 인한 수문요소의 변화를 토대로 갈수량의 변동성을 파악하여, 하천유지유량 및 이수안전도 분석과 같은 수자원 관리계획 및 대응에 관한 기초자료로써 활용이 가능할 것으로 기대된다. 둘째, 하상변동 및 수질예측의 기술은 대하천 사업으로 인해 건설된 보와 준설로 인한 하천환경변화를 고려한 선진화된 이수/치수 관리측면의 하천관리 분야에 적용이 가능하다. 셋째, 토양유실 저감 및 예측을 위한 데이터베이스는 막대한 양의 자료수집이 필요함과 더불어 수집된 자료의 해석 및 처리에 많은 인력과 예산이 필요하기 때문에 본 연구의 기술개발이 토양유실연구의 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
후속연구
- CCAW 3-4세세부 과제에서는 유역의 수문기상학적인 요소의 변화를 통해 갈수량을 전망하고 자료를 연계하여 하상변동모형을 이용한 하도유지관리 기술을 개발한다. 또한 토양유실 및 탁수 저감기술을 개발함으로써 유역에 대한 수리수문학적 영향을 전망함과 동시에 그 영향에 따른 피해를 저감하고 빠르게 회복될 수 있도록 하는 복원기술에 초점을 맞춰 연구를 진행 중에 있다. 그림 1은 연구대발 개념도를 나타나고 있으며 총 4개의 카테고리로 구성되어 있다.
- 이에 따라 기후변화가 유역의 수환경에 미치는 영향을 수리수문통합 평가 및 전망기술을 통해 분석하고 그 대응방안을 제시하는 것이 꼭 필요하다. 본 연구는 수문기상요소의 변화를 토대로 극한수문사상을 전망하고 이에 따른 하도, 토양유실, 탁수를 분석함으로써 기술적인 가이드라인과 제도적인 대응방안 제시를 목표로 하고 있으며, 최종 결과물은 기후변화에 따른 유역의 수환경 관리를 위한 기초연구로써 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
- 여전히 많은 불확실성이 존재하고 있으며 연구의 목적과 기법에 따라 결과가 달라질 수 있으므로 본 연구의 결과가 절대적인 결과는 아니다. 하지만 본 연구의 결과는 충분히 통계적으로 견고하고 물리적으로 일관성 있는 검증결과로써 미래전망 시 충분히 신뢰할 수 있는 예측결과를 기대할 수 있다.
- 본 과제로부터 개발된 네 가지 기술의 기대효과는 다음과 같다. 첫째, 기후변화의 영향으로 인한 수문요소의 변화를 토대로 갈수량의 변동성을 파악하여, 하천유지유량 및 이수안전도 분석과 같은 수자원 관리계획 및 대응에 관한 기초자료로써 활용이 가능할 것으로 기대된다. 둘째, 하상변동 및 수질예측의 기술은 대하천 사업으로 인해 건설된 보와 준설로 인한 하천환경변화를 고려한 선진화된 이수/치수 관리측면의 하천관리 분야에 적용이 가능하다.
- 둘째, 하상변동 및 수질예측의 기술은 대하천 사업으로 인해 건설된 보와 준설로 인한 하천환경변화를 고려한 선진화된 이수/치수 관리측면의 하천관리 분야에 적용이 가능하다. 셋째, 토양유실 저감 및 예측을 위한 데이터베이스는 막대한 양의 자료수집이 필요함과 더불어 수집된 자료의 해석 및 처리에 많은 인력과 예산이 필요하기 때문에 본 연구의 기술개발이 토양유실연구의 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 마지막으로, 탁수관리 기술은 미래기후변화에 따른 수자원 부문 대응 전략 수립과 상수원 및 수생태계 탁수 피해 저감을 위한 저수지-하천 연계 최적 운영을 위해 활용될 수 있다.
- 셋째, 토양유실 저감 및 예측을 위한 데이터베이스는 막대한 양의 자료수집이 필요함과 더불어 수집된 자료의 해석 및 처리에 많은 인력과 예산이 필요하기 때문에 본 연구의 기술개발이 토양유실연구의 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 마지막으로, 탁수관리 기술은 미래기후변화에 따른 수자원 부문 대응 전략 수립과 상수원 및 수생태계 탁수 피해 저감을 위한 저수지-하천 연계 최적 운영을 위해 활용될 수 있다.
- 5차년도 연구가 진행되고 있는 현재, 본 과제로부터 개발된 전망 및 예측 분석기술은 4개의 카테고리별 기술에 대한 기술보고서를 발행할 예정이다. 본고에서 소개한 과제는 유역단위의 수문환경통합 연구로서 통합영향평가를 통해 유역의 탄력적인 대응 및 복원력에 대한 적응전략 수립 시 전문가들(K-water, 지자체, 유역환경청, 한국농어촌공사, 산림청 등)의 의사결정에 도움이 될 수 있고 유역의 사전방재기능을 향상시킬 것으로 기대된다.
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