[논문]수문학적 가뭄 평가 예측을 위한 실적자료 기반 물순환 모델 소개

권현한; 김장경; 김진국; 전근일; 강신욱; 남우성

문제 정의

이러한 점에서 본고에서는 실적기반 가뭄 모니터링을 위하여 시공간적으로 상세화 된 물순환 모델을 소개하는데 목적이 있으며, 이를 통해 준실시간 가뭄 모니터링이 필요한 하천지점에 유량을 제공할 수 있는 체계를 소개하고자 한다. 본고에서 제시하는 모델은 가뭄에 대해 선제적으로 대응하기 위해서 모니터링현황, 분석 및 전망 그리고 가뭄 발생지 역을 보다 신뢰성 있게 판단하기 위한 가뭄정보 기술 정보 제공이 가능한 모델이라 할 수 있다.
본고에서 제시하는 모델은 가뭄에 대해 선제적으로 대응하기 위해서 모니터링현황, 분석 및 전망 그리고 가뭄 발생지 역을 보다 신뢰성 있게 판단하기 위한 가뭄정보 기술 정보 제공이 가능한 모델이라 할 수 있다. 본고는 실적기반 가뭄 모니터링을 위한 모델 구축 및 시범유역에 대한 검토결과 및 준실시간 물순환 모델의 장점에 대하여 독자들의 이해를 돕기위해 간략히 정리 하였다.
그러나 그림 3에서 보듯이 다수의 수자원시설들이 존재하고 있으며 이러한 사항을 고려하지 않고 Tank모형을 구축하였으므로 실제 매개변수 최적화를 위해서 사용된 안동댐유입유량은 자연유량이 아닌 이미 조정된 유량이라 할 수 있다. 따라서 Tank 모형을 통해 산정된 해당유역 자연유량과 비교함으로서 본 모형의 활용성을 평가할 수 있다. 그림 4에 도시된 바와 같이, 가뭄 모니터링에서 중요한 인자인 저유량 부분에서 TANK모형에서 산정된 자연유출량의 경우 소천수위관측소에 계측된 유출량과 저유량 부분에서 상당한 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있다.
즉, 가뭄 위험도 해석 및 정책결정 수단으로서 물순환 체계를 명확히 고려하고, 정확한 정보 제공에 근거한 가뭄 모니터링 모델의 개발 필요하다 하겠다. 이에 본 원고에서는 물 수급 모니터링 분석시 적합한 모델 개발 및 기존 수문학적 가뭄분석 시 문제점을 개선할 수 있는 물순환 모니터 링 분석 절차를 소개하였다.

제안 방법

한다. 본고에서 제시하는 모델은 가뭄에 대해 선제적으로 대응하기 위해서 모니터링현황, 분석 및 전망 그리고 가뭄 발생지 역을 보다 신뢰성 있게 판단하기 위한 가뭄정보 기술 정보 제공이 가능한 모델이라 할 수 있다. 본고는 실적기반 가뭄 모니터링을 위한 모델 구축 및 시범유역에 대한 검토결과 및 준실시간 물순환 모델의 장점에 대하여 독자들의 이해를 돕기위해 간략히 정리 하였다.
공급 시설의 위치를 절점으로 부여하고 연결하는 물수급 네트워크 알고리즘이 선행되어야 한다. 이에 본지에서 소개하는 물순환 분석 모델의 기본 틀은 점 (point), 선(line), 면(shape)으로 구성된 지형공간정보의 위상(topology) 관계를 기하학적(geometry)으로 구성하여 진행된다.
즉, 유역 내 실제 취수량 및 회귀수량 등을 고려한 유역 물순환 평가 체계 개선을 통하여 유역 및 행정구역별 실제 물순환 체계 및 계측자료 기반 물수급 현황 모니터링 및 보다 현실적으로 체감할 수 있는 가뭄 모니터링 및 전망을 수행할 수 있다. 본 연구에서 제안하는 물순환 모델에 내용을 그림 2에 모식도로 도시하였으며, 표 1에서는 기존 물수지 분석과 비교하여 수록하였다.
요구된다. 기존 GIS Tool을 활용한 유역구분과는 다르게 주어진 하천상의 절점을 기준으로 소유역 분할이 이루어질 수 있도록 Tau DEM 알고리즘을활용하여 모델을 구축하였으며, 추출된 유역에 대한 번호체계는 하천차수도와흐름방향 및 흐름집적을 기준으로 순차적으로 결정되도록 개발하였다. 물순환모델의 대표 시범적용 유역은 낙동강 유역에 위치한 안동댐유역으로 선정하였다.
구성되어 있다. 수위관측소의 경우, 본 연구결과의 검증을 위해활용되어지며, 대표적으로 안동댐으로 유입되는 본류에 위치한 소천, 대천 수위관측소에서 제공되는 일단위 유량정보를 활용하여 물순환 모델을 통해 산정되는 결과에 대한 검증을 수행하였다.
TANK모형을 이용하고 있다. 추가적으로 농업용수의 회귀수량을 고려하여 분석대상 유역 내에서 보다 상세한 물순환 분석이 이루어 질수 있도록 모델을 구축하였다. 농업용수 공급량의 경우 한국농어촌공사에서 계측되고 있는 저수지만을 고려하였으며, 농어촌알리미 일저수율 정보를 활용하였다.
고려되는 댐 상류지 역을 대상으로 하였다. 본 연구에서 자연유량은 안동댐을기점으로 Tank 모형을 구축하고 이를 최적화하여 추정하였다. 그러나 그림 3에서 보듯이 다수의 수자원시설들이 존재하고 있으며 이러한 사항을 고려하지 않고 Tank모형을 구축하였으므로 실제 매개변수 최적화를 위해서 사용된 안동댐유입유량은 자연유량이 아닌 이미 조정된 유량이라 할 수 있다.

대상 데이터

본 원고에서 소개하는 실적자료 기반 물순환 모델의 입력 자료로 활용되는 물수급 관련 데이터는 TANK모형을 통한 장기 강우-유출 자료, 농업용수구역별농업용수 공급량 및 하천 회귀수량, 상수도 취수장 취수실적, 하수처리장 하수방류실적, 하천수사용허가실적 등이 있으며, 이는 일단위 시계열로 입력 자료로활용된다. 구축된 입 력자료는 앞서 언급한 용수수용량, 회귀수량 추정방법 등을기반으로 자료 중심(data-driven) 기반 가뭄 전망 체계로서 활용된다.
기존 GIS Tool을 활용한 유역구분과는 다르게 주어진 하천상의 절점을 기준으로 소유역 분할이 이루어질 수 있도록 Tau DEM 알고리즘을활용하여 모델을 구축하였으며, 추출된 유역에 대한 번호체계는 하천차수도와흐름방향 및 흐름집적을 기준으로 순차적으로 결정되도록 개발하였다. 물순환모델의 대표 시범적용 유역은 낙동강 유역에 위치한 안동댐유역으로 선정하였다. 안동댐유역을 대상으로 840개의 세분화된 유역 및 네트워크 구분 과정은 그림 3과 같다.
본 물순환 모델의 적용성을 평가하기 위한 안동댐유역은 총 11개의 표준유역으로 구성되어 있으며, 1개의 다목적댐, 본류 및 지류에 7개 수위관측소, 6개의 지방취수장으로 구성되어 있다. 수위관측소의 경우, 본 연구결과의 검증을 위해활용되어지며, 대표적으로 안동댐으로 유입되는 본류에 위치한 소천, 대천 수위관측소에서 제공되는 일단위 유량정보를 활용하여 물순환 모델을 통해 산정되는 결과에 대한 검증을 수행하였다.
본 물순환 모델의 적용성은 앞서 언급된 바와 같이 일반적으로 자연유역이라고 고려되는 댐 상류지 역을 대상으로 하였다. 본 연구에서 자연유량은 안동댐을기점으로 Tank 모형을 구축하고 이를 최적화하여 추정하였다.

이론/모형

추가적으로 농업용수의 회귀수량을 고려하여 분석대상 유역 내에서 보다 상세한 물순환 분석이 이루어 질수 있도록 모델을 구축하였다. 농업용수 공급량의 경우 한국농어촌공사에서 계측되고 있는 저수지만을 고려하였으며, 농어촌알리미 일저수율 정보를 활용하였다.

성능/효과

그림 4에 도시된 바와 같이, 가뭄 모니터링에서 중요한 인자인 저유량 부분에서 TANK모형에서 산정된 자연유출량의 경우 소천수위관측소에 계측된 유출량과 저유량 부분에서 상당한 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 그러나 본 연구에서 제시한 물순환 모델의 경우, 실제 유량측정을 통해 산정한 하천유량과 유사한 결과를 보이는 것을 확인할 수 있다.
결과적으로, TANK모형을 이용한 댐 상류유역의 자연유량의 경우에도 실제는 조정된 유량으로 보는 것이 합당할 것으로 보인다. 이러한 수문해석과정에서 고려하는 기본가정 사항으로 인해 발생하는 오차는 하류쪽으로 가면서 계속 누적되며, 물수지 분석 결과에 대해서 지속적으로 불확실성을 증가시키는 요인으로 작용하게 된다.

후속연구

이러한 점을 보완하기 위하여 지역별로 사용하는 수원 및 물수급 시설 등을세분화 하고, 실적기반 분석을 통해 분석대상 지역의 가뭄을 정확히 판단하기위한 합리적인 물순환 평가 모델 개발이 필요하다. 즉, 공간분석단위를 표준유역 단위 이하의 취방류 시설물을 기준으로 구성하고, 이들 시설물의 가용한 수문기상 빅데이터를 활용하여 실시간 물순환 모델을 구현하는 것이 요구되고 있으며, 이를 통해 궁극적으로 댐, 저수지, 하천 등 다양한 수원을 가지는 유역 내가용 수자원량을 준실시간 개념으로 평가하는 시스템의 개발이 필요하다.
합리적인 물순환 평가 모델 개발이 필요하다. 즉, 공간분석단위를 표준유역 단위 이하의 취방류 시설물을 기준으로 구성하고, 이들 시설물의 가용한 수문기상 빅데이터를 활용하여 실시간 물순환 모델을 구현하는 것이 요구되고 있으며, 이를 통해 궁극적으로 댐, 저수지, 하천 등 다양한 수원을 가지는 유역 내가용 수자원량을 준실시간 개념으로 평가하는 시스템의 개발이 필요하다.
이러한 수문해석과정에서 고려하는 기본가정 사항으로 인해 발생하는 오차는 하류쪽으로 가면서 계속 누적되며, 물수지 분석 결과에 대해서 지속적으로 불확실성을 증가시키는 요인으로 작용하게 된다. 본 연구에서 개발한 물순환 모델은 유역을 세분화하여 유출 네트워크에 따라 발생할 수 있는 오차를 지속적으로 보정하는 알고리즘을 탑재하고 있으며, 기존 물수지분석에 비해 보다 정확한 물순환 평가 정보를 제공할 수 있을 것으로 판단된다. 더불어 미계측 유역으로 분류되는 지점의 유량 정보를 취득하지 못해 발생되는 전반적인 수자원 관리계획의 문제점을 개선하는데 중요한 정보로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구에서 개발한 물순환 모델은 유역을 세분화하여 유출 네트워크에 따라 발생할 수 있는 오차를 지속적으로 보정하는 알고리즘을 탑재하고 있으며, 기존 물수지분석에 비해 보다 정확한 물순환 평가 정보를 제공할 수 있을 것으로 판단된다. 더불어 미계측 유역으로 분류되는 지점의 유량 정보를 취득하지 못해 발생되는 전반적인 수자원 관리계획의 문제점을 개선하는데 중요한 정보로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
효율적인 가뭄관리가 어려운 실정이다. 이러한 점에서 본 원고에서 소개한물순환 모델 결과를 활용된다면 효율적인 수문학적 가뭄관리를 위한 기초정보로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
실적자료 등을 이용한 물수급 분석이 선결되어야 하지만, 모형의 부재로 인해 신뢰성 있는 결과를 제공하지 못하고 있다. 즉, 가뭄 위험도 해석 및 정책결정 수단으로서 물순환 체계를 명확히 고려하고, 정확한 정보 제공에 근거한 가뭄 모니터링 모델의 개발 필요하다 하겠다. 이에 본 원고에서는 물 수급 모니터링 분석시 적합한 모델 개발 및 기존 수문학적 가뭄분석 시 문제점을 개선할 수 있는 물순환 모니터 링 분석 절차를 소개하였다.

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