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미래 기후변화에 대한 용담댐 치수안전도 분석
A Flood Mitigation Safety Analysis for Yongdam Dam against the Future Climate Change 원문보기

한국수자원학회 2006년도 학술발표회 논문집, 2006 May 18, 2006년, pp.312 - 317  

강부식 (단국대학교 토목환경시스템) ,  김영오 (서울대학교 지구환경시스템공학부) ,  이승종 (서울대학교 공학연구소) ,  강동현 (서울대학교 지구환경시스템공학부)

초록
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지역규모의 기후변화 모의결과를 이용하여 금강유역 용담댐의 홍수기 치수안전도에 대한 민감도분석을 수행하였다. 기후변화 모의에 사용된 SNURCM(Seoul National University Regional Climate Model)은 미국 National Center for Atmospheric Research의 Community Climate System Model의 전지구모형을 기반으로 spectral nudging 기법을 사용한 공간해상도 30 km, 연직 21층의 지역기후모형이다. 기후변화 시나리오로는 SRES 'B1'이 사용되었으며 과거 control run에 대한 기후모의 정확도 분석을 통하여 SNURCM 기상자료를 관측치와 비교한 결과 면적강우량을 다소 과소추정하였고 이점을 감안하여 SNURCM의 일 모의결과에 보정 계수를 적용하였다. 하천유출량은 SSARR 모형을 이용하여 SNURCM 모의가 수행된 전체기간을 $1980{\sim}1999$년과 $2000{\sim}2019$년으로 20년씩 나누어 용담댐 일 유입량을 산정하여 통계분석을 실시하였고 과거와 미래 20년 동안을 비교하여 본 결과 (1) 유량의 평균보다는 분산이 미래 20년 동안 증가하여 가뭄과 홍수에 대한 위험도가 증가함을 알 수 있었고, (2) 특히 연최대유량 또한 미래 20년 동안 상당히 증가하여 홍수기 치수대책이 더욱 중요해질 것으로 판단되었다. 마지막으로 용담댐 운영은 범용 시스템분석 도구인 STELLA(System Thinking Experimental Learning Laboratory with Animation) 상에서 GUI로 구현하여 유입량 변화에 따른 용담댐 치수안전도 변화를 모의해 보았다. 용담댐의 홍수기 운영은 저수지 수위가 제한수위를 초과하기 시작하면 Rigid ROM 발효하여 방류량을 결정하도록 구성하였고, 무효방류(spill)가 일어나는 현상을 실패로 가정하여 이에 대한 신뢰도(reliability), 회복도(resiliency), 그리고 심도(vulnerability)를 치수안전도 지표로 계산하였다. 전체기간을 1980년${\sim}$1999년, 2000년${\sim}$2019년, 2000년${\sim}$2009년, 그리고 2010년${\sim}$2019년까지 총 4구간으로 나누어 결과를 도출하였으며 예상한 바와 같이 후반기 20년 동안에 세 가지 지표가 취약해 지는 것을 확인할 수 있었고, 특히 2000년부터 2009년까지 10년 동안에는 더욱 취약해짐을 확인할 수 있었다.

AI 본문요약
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제안 방법

  • 따라서, 본 연구는 SRES "B1" 기후시나리오를 이용하여 CCSM의 전지구모형을 기반으로 SNURCM 모형을 통해 2019년까지 강우와 기온을 모의하였고 SSARR 모형을 통해 유출량을 모의하여 용담댐 유역의 미래 홍수기 치수안전도를 검토하였다.
  • CCSM 모의자료에 대해서도 관측강우와의 비교를 통해 이를 확인할 수 있었다. 1980년부터 2005년까지의 reference scenario를 통해 강우모의를 수행하였고, 이를 용담댐 유역의 면적강우로 환산하여 동기간의 관측강수와 비교하였다. 용담댐 유역 주변의 CCSM격자는 표 1에 제시한 바와 같이 동서로 126 km내외, 남북으로 155 km 내외로 이격되어 있으며, 그림 1에 도시되어 있는 바와 같다.
  • 본 연구에서는 객체지향적 프로그램 중 사용이 간편하며, 기존의 기후변화 연구(한국건설기술연구원, 2000) 에서 금강 유역에 적용되었던 STELLA(System Thinking Experimental Learning with Animation) 모형을 이용하여 기후변화에 따른 수자원 영향평가를 수행하기로 결정하였다. 치수안전도 분석을 위하여 SSARR 모형을 통하여 산출된 총 40년간의 일 자료를 사용하였으며 이수기 운영은 규정곡선(rule curve)을 이용하여 방류량을 결정하고 홍수기 운영은 이수기와 동일하게 운영을 실시 하다가 저수지 수위가 홍수기제한수위를 초과하면 유입량의 크기를 고려하여 방류량을 결정하는 Rigid ROM(Reservoir Operation Method)으로 규정하였다.
  • 본 연구에서는 무효방류(spill)에 대한 신뢰도(reliability), 회복도(resiliency), 그리고 심도(vulnerability) 세가지 지표를 사용하여 홍수에 대한 민감도 분석을 실시하였다(Hashimoto 등, 1982). 신뢰도는 무효방류가 일어나지 않는 경우를 S, 그렇지 않을 경우를 F라고 정의하여 총 운영기간에 대하여 무효방류가 발생하지 않은 횟수의 비율을 뜻하고, 회복도는 무효방류가 발생한 후 얼마나 빨리 회복할 수 있는가에 대한 지표를 나타낸다.
  • 전구 모형강우예측에서 과소추정현상은 흔히 발생하고 있으며 이 경우 관측치와의 비교는 각 시간대에서의 1:1 비교는 의미가 없고, 연시계열에서의 통계적 특성을 비교하는 것이 필요하다. 이를 위하여 1980년 1월 1일부터 2005년 12월 31일까지의 일 모의자료와 관측강우자료를 통한 개별강우사상의 총 강우량과 일 최대강우를 이용하여 각각 26개년도의 연시계열 자료를 통해 정규분포 적합도 검정을 실시하였다(그림 2, 그림 3). 그림 2에서 볼 수 있듯이 CCSM에 모의된 강우의 분포는 정규분포에서 벗어난 양상을 보이고 있으며 표준편차는 비슷하지만 평균값은 159.
  • 본 연구에서는 객체지향적 프로그램 중 사용이 간편하며, 기존의 기후변화 연구(한국건설기술연구원, 2000) 에서 금강 유역에 적용되었던 STELLA(System Thinking Experimental Learning with Animation) 모형을 이용하여 기후변화에 따른 수자원 영향평가를 수행하기로 결정하였다. 치수안전도 분석을 위하여 SSARR 모형을 통하여 산출된 총 40년간의 일 자료를 사용하였으며 이수기 운영은 규정곡선(rule curve)을 이용하여 방류량을 결정하고 홍수기 운영은 이수기와 동일하게 운영을 실시 하다가 저수지 수위가 홍수기제한수위를 초과하면 유입량의 크기를 고려하여 방류량을 결정하는 Rigid ROM(Reservoir Operation Method)으로 규정하였다.

대상 데이터

  • SSARR모형의 매개변수 보정을 위하여 용담댐의 준공(2000)이후 유입량자료가 가용한 2001년~2004년 자료를 이용하여 수행하였다. SSARR 모형은 장기유출모형이기 때문에 시간적으로 일 단위 모의를 수행하였을 경우 홍수시 첨두홍수량을 쉽게 따라갈 수 없다.
  • 본 연구에서는 용담댐 유역을 적용유역으로 선정하였고 북위 36°00'~35°35', 동경 127°20'~127°45' 에 해당하며 금강 유역의 최상류 지역에 위치한다. 유역면적은 930 E으로 금강 유역면적의 9.

이론/모형

  • 본 연구에 사용한 전지구모형은 NCAR(National Center for Atmospheric Research)가 주관이 되어 여러 연구기관에서 공동으로 개발한 CCSM(Community Climate System Model)이다. CCSM은 기 후계를 모의하기 위해 개발된 접합 대순환 모형으로 대기, 해양, 해빙, 그리고 지면을 모사하는 네 개의 성분 모형과 하나의 속접합자(flux coupler)로 구성되어 있다.
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