수문학적 가뭄은 하천, 저수지, 지하수 등과 같은 가용 수자원의 부족과 직접적으로 연관되어 있어 가뭄에 대한 체감이 기상학적 가뭄에 비하여 크다. 특히, 우리나라의 경우 홍수기에 집중되는 강우 특성으로, 비홍수기에는 댐과 저수지의 저류량에 크게 의존하여 수자원 관리가 이루어지므로 효율적인 수자원 관리를 위해서는 수문학적 가뭄을 분석하는 것이 중요하다. 일반적으로 수문학적 가뭄은 정상보다 낮은 유량이 발생하는 것으로 정의된다. 대부분 수문학적 가뭄을 정량적으로 표현하기 위해 주로 임계수준방법(threshold level method)을 많이 사용한다. 그러나 임계수준방법은 작은 미소가뭄으로 인한 독립성 문제를 야기시킬 수 있다. 본 연구에서는 홍수통제소에서 제공하는 12개 지점의 유량자료를 활용하여 독립성 검정을 실시한 후, 우리나라의 수문학적 가뭄 특성 분석을 위한 적정 임계수준을 제시하였다. 일별 유황곡선을 작성하고 50 ~ 99 백분위수를 적용하여 가뭄사상을 추출하였다. 적정 임계수준 범위를 결정하기 위해 독립성 검정을 실시하였다. 포아송 분포의 독립성 검정결과, 여주시 지점과 평택시 지점을 제외하고 대부분 지점들은 87~99 백분위수 구간이 적정한 것을 나타났으며, 일반 파레토 분포의 독립성 검정결과, 80~90 백분위수 사이가 가장 적절하였으며, 평균 초과도표에서는 80 ~90 백분위수 구간이 가장 많이 나타났다. 본 연구에서는 각 권역별로 적정 임계수준을 제시하기 위하여 권역에 해당하는 지역들의 공통범위를 검토하였다. 그 결과, 한강권역에서는 70~76 백분위수, 낙동강권역은 87~91 백분위수, 금강권역에서는 86~98 백분위수, 영산 및 섬진강권역에서 85~87 백분위수 구간이 적정한 임계수준인 것으로 나타났다.
수문학적 가뭄은 하천, 저수지, 지하수 등과 같은 가용 수자원의 부족과 직접적으로 연관되어 있어 가뭄에 대한 체감이 기상학적 가뭄에 비하여 크다. 특히, 우리나라의 경우 홍수기에 집중되는 강우 특성으로, 비홍수기에는 댐과 저수지의 저류량에 크게 의존하여 수자원 관리가 이루어지므로 효율적인 수자원 관리를 위해서는 수문학적 가뭄을 분석하는 것이 중요하다. 일반적으로 수문학적 가뭄은 정상보다 낮은 유량이 발생하는 것으로 정의된다. 대부분 수문학적 가뭄을 정량적으로 표현하기 위해 주로 임계수준방법(threshold level method)을 많이 사용한다. 그러나 임계수준방법은 작은 미소가뭄으로 인한 독립성 문제를 야기시킬 수 있다. 본 연구에서는 홍수통제소에서 제공하는 12개 지점의 유량자료를 활용하여 독립성 검정을 실시한 후, 우리나라의 수문학적 가뭄 특성 분석을 위한 적정 임계수준을 제시하였다. 일별 유황곡선을 작성하고 50 ~ 99 백분위수를 적용하여 가뭄사상을 추출하였다. 적정 임계수준 범위를 결정하기 위해 독립성 검정을 실시하였다. 포아송 분포의 독립성 검정결과, 여주시 지점과 평택시 지점을 제외하고 대부분 지점들은 87~99 백분위수 구간이 적정한 것을 나타났으며, 일반 파레토 분포의 독립성 검정결과, 80~90 백분위수 사이가 가장 적절하였으며, 평균 초과도표에서는 80 ~90 백분위수 구간이 가장 많이 나타났다. 본 연구에서는 각 권역별로 적정 임계수준을 제시하기 위하여 권역에 해당하는 지역들의 공통범위를 검토하였다. 그 결과, 한강권역에서는 70~76 백분위수, 낙동강권역은 87~91 백분위수, 금강권역에서는 86~98 백분위수, 영산 및 섬진강권역에서 85~87 백분위수 구간이 적정한 임계수준인 것으로 나타났다.
Hydrological drought is directly associated with lack of available water in rivers, reservoirs, and groundwater. It is important to analyze hydrological drought for efficient water resource management because most of rainfall is concentrated in wet seasons and water supply is highly dependent on dam...
Hydrological drought is directly associated with lack of available water in rivers, reservoirs, and groundwater. It is important to analyze hydrological drought for efficient water resource management because most of rainfall is concentrated in wet seasons and water supply is highly dependent on dams and reservoirs in South Korea. Generally, a threshold level method is useful for defining hydrological droughts. However, this method causes interdependent problems between drought events which result in skewed results in further statistical analysis. Therefore, it is necessary to determine a proper threshold level to represent regional drought characteristics. In this study, applying 50~99 percentiles of daily flow-duration curve, hydrological drought events were extracted, and independence tests were conducted for 12 watersheds. The Poisson independence test showed that 87~99 percentiles were available for most stations except for Yeoju and Pyeongtaek. The generalized Pareto independence test showed that 80~90 percentiles were the most common. Mean excess plot showed that 80 ~ 90 percentiles were the most common. Therefore, the common ranges of the three independent tests were determined for each station and proper threshold levels were recommended for large river basins; 70~76 percentiles for the Han River basin, 87~91 percentiles for the Nakdong River basin, 86~98 percentiles for the Geum River basin, and 85~87 percentiles for the Youngsan and Seomjin River basin.
Hydrological drought is directly associated with lack of available water in rivers, reservoirs, and groundwater. It is important to analyze hydrological drought for efficient water resource management because most of rainfall is concentrated in wet seasons and water supply is highly dependent on dams and reservoirs in South Korea. Generally, a threshold level method is useful for defining hydrological droughts. However, this method causes interdependent problems between drought events which result in skewed results in further statistical analysis. Therefore, it is necessary to determine a proper threshold level to represent regional drought characteristics. In this study, applying 50~99 percentiles of daily flow-duration curve, hydrological drought events were extracted, and independence tests were conducted for 12 watersheds. The Poisson independence test showed that 87~99 percentiles were available for most stations except for Yeoju and Pyeongtaek. The generalized Pareto independence test showed that 80~90 percentiles were the most common. Mean excess plot showed that 80 ~ 90 percentiles were the most common. Therefore, the common ranges of the three independent tests were determined for each station and proper threshold levels were recommended for large river basins; 70~76 percentiles for the Han River basin, 87~91 percentiles for the Nakdong River basin, 86~98 percentiles for the Geum River basin, and 85~87 percentiles for the Youngsan and Seomjin River basin.
이와 같이, 국내외 선행연구에서는 가뭄연구를 위하여 Q70∼Q90을 사용하지만, 수문학적 가뭄을 위한 임계수준의 설정에 대한 근거가 명확하지 않다. 따라서 본 연구에서는 우리나라의 하천유량 자료에 대하여 Q50∼Q99을 다양하게 적용시켜 독립성 가정에 위배하지 않고 우리나라의 수문학적 가뭄 분석을 위한 적정 임계수준을 제시하고자 한다.
제안 방법
본 연구에서 결정된 최적 임계구간을 기준으로 추출된 가뭄 사상과 실제 과거 가뭄 발생 년과의 비교를 통해 본 연구에서 제시한 연구 결과에 대한 적절성 검토가 가능하다고 판단된다. 따라서 권역별로 지점을 나누어 해당년도와 국가가뭄정보분석센터(http://www.drought.go.kr/)에서 제시하는 과거 가뭄사례 등과 비교하여 정확도 분석을 실시하였다.
따라서, 본 연구에서는 일별 유황곡선을 작성하고 Q50∼Q99에 대한 가뭄사상을 추출하였으며, 우리나라 수문년을 기준으로 가뭄사상의 개수를 세어서 평균값과 분산을 산정하고, 확률분포의 매개변수를 산정하였다.
또한, 가뭄 심도에 대하여 일반 파레토 분포로 수렴하는 매개변수가 안정적일 때 독립이라고 판단하며, 이를 위하여 이동구간별 변동계수를 통해 독립성 검증을 실시하였다. 평균 초과도표에서는 선형으로 나타날 때 독립이라고 판단하므로 이동구간별로 R2를 활용하여 독립성 검증을 실시하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 Fig. 1과 같이 환경부 홍수통제소에서 제시한 25개 갈수예보 관리지점 중 유량자료를 충분히 확보할 수 있는 12개 지점(여주, 평택, 진동, 안강, 조동, 공주, 수촌, 대천, 신태인, 나주, 구례, 연산)을 선정하였다. 본 연구에서 활용한 유량자료의 기간은 Table 1과 같다.
데이터처리
각 자료에 대하여 여러 개의 선형직선이 존재할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 이를 고려하여 모든 자료에 대해 하나의 직선으로 회귀분석을 하지 않고 이동구간에 대하여 회귀분석을 하였다(Fig. 4에서 점선으로 표현). 각각의 직선 구간에 대하여 회귀직선을 구하고 R2 값이 1에 가까운 구간을 독립이라고 판단하였다.
이론/모형
3과 같이 각 지점별로 산정하였다. 독립적인 적절한 임계수준이면 형상 매개변수가 안정적이어야 하므로 변동계수(coefficient of variation, COV)를 활용하여 그에 대한 최적의 구간을 산정하였다. 이때, 이동구간에 대한 변동계수가 최소값을 나타내는 하위 10% 구간을 살펴보았다.
본 연구에서는 Abaurrea and Cebrián (2002)과 Beguería (2005)의 포아송 과정에 대한 이론을 바탕으로 독립성 검증을 수행하였다. 많은 연구에서 포아송 분포에 대한 확률변수는 매년 발생하는 사상의 갯수로 정의하였다.
성능/효과
각 권역별 최적 임계수준 범위에서 최소 임계수준에 대한 가뭄사상을 추출했을 때, 한강권역과 영산 및 섬진강 권역은 최대 지속기간의 해당년도와 최대 심도의 해당년도는 서로 같게 나타났다. 대표적으로 한강 권역에서 여주 지점의 최대 지속기간은 347일이고 평택 지점의 최대 지속기간은 308일로 나타났지만 이들의 해당년도는 2001년으로 같게 나타났다.
또한 각 권역별로 적절한 임계수준을 제시하기 위하여 권역에 해당하는 지역들의 공통범위를 권역별 적절한 임계수준 범위로 판단하였다. 그 결과 한강 권역은 Q70∼Q76, 낙동강 권역은 Q87∼Q91, 금강 권역은 Q86∼Q98, 그리고 영산 및 섬진강 권역은 Q85∼Q87 구간이 적정 임계수준 범위로 선정되었다.
하위 10% 구간 변동계수의 값은 Table 3과 같다. 앞에서 분석한 포아송 독립성 검정 결과와 유사하게 대부분 Q80∼Q90 사이가 가장 많이 나타났으며, Q50과 Q60구간 역시 많이 나타났다.
후속연구
선행연구들은 대부분 임계수준 Q70∼Q90을 많이 사용하지만 본 연구에서 제시한 방법으로 분석을 실시한다면 유역의 특성을 반영하고 객관적으로 선정된 임계수준으로 일관성이 있는 수문학적 가뭄 분석을 할 수 있다고 판단된다. 또한 본 연구의 결과는 향후 갈수관리 시 필요한 기준유량을 설정하는데 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
임계수준방법의 문제점은?
대부분 수문학적 가뭄을 정량적으로 표현하기 위해 주로 임계수준방법(threshold level method)을 많이 사용한다. 그러나 임계수준방법은 작은 미소가뭄으로 인한 독립성 문제를 야기시킬 수 있다. 본 연구에서는 홍수통제소에서 제공하는 12개 지점의 유량자료를 활용하여 독립성 검정을 실시한 후, 우리나라의 수문학적 가뭄 특성 분석을 위한 적정 임계수준을 제시하였다.
가뭄의 특징은?
가뭄은 다른 자연재해와 달리 시·공간적으로 시작과 끝을 정확히 판단하기 어렵고 발생시점이 불명확하기 때문에 초기 대응이 어렵다. 이러한 가뭄으로 인한 피해는 장기적이며 파급효과는 사회, 경제, 환경 등에서 복잡한 양상으로 나타나기 때문에 피해규모를 파악하는 것은 어렵지만, 경제적인 손실은 홍수에 비해 2∼3배로 큰 것으로 알려져 있다(Smith and Katz, 2013).
가뭄 분석을 위한 경계는 우리나라 기준으로는 어느 때가 보편적인가?
즉, 수문학적 가뭄 분석을 위한 수문년은 하천의 유량이 최고점에서 감소할 때를 경계로 결정할 수 있다. 우리나라의 경우, 주로 10월 1일을 수문년의 시작으로 그리고 9월 30일은 수문년의 마지막으로 설정한다.
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