위험도 기반 갈수관리를 위한 비정상성 표준 강수증발산 지수 개발 및 평가

Abstract

수문기상 변수의 정상성(stationary)이 더 이상 유효하지 않음이 알려지면서 매개변수적 방법을 이용하는 대부분의 연구에서 비정상성의 고려를 권장하고 있다. 매개변수적 가뭄지수인 SPEI(Standard Precipitation Evapotranspiration Index)는 부존량(강수량과 증발산량의 차이)이 확률변수이고, 강수량이 증발산량(evapotranspiration)보다 많기 때문에 강수량의 무작위성이 부존량의 무작위성을 지배한다. 본 연구에서는 강수량과 증발산량의 경향성을 검정하여 경향성이 검출된 변수만 비정상성(nonstationary)을 고려한 SPEI를 제안하였다. 경향성 검정결과, 증발산량의 증가 경향성이 확인되어 증발산량의 비정상성을 고려한 SPEI를 제안하였고, 정상성 SPEI와 비교하였다. 비교결과, 증발산량의 증가 경향성 때문에 동일한 부존량을 비정상성 SPEI가 덜 심각한 가뭄으로 판단하였다. 특히, 2015년 여름철 가뭄심도를 비교한 결과, 섬진강댐 유역의 정상성 및 비정상 SPEI는 각각 -2.039, -1.916, 소양은 -1.668, -1.480으로 SPEI의 가뭄 분류 기준인 -2.0(extreme), -1.5(severe) 경계에서 서로 다른 구간에 속하게 됨을 확인하였다. 일반적으로 하천수 가뭄 모사에 적합한 기상학적 가뭄지수를 찾는 방법은 알려져 있으나 하천수 수요 대비 부족은 기상학적 가뭄지수와의 정량화가 쉽지 않기 때문에 거의 연구가 되어있지 않았다. 이에 본 연구의 두 번째 부분에서는 정상성 SPI(Standard Precipitation Index), SPEI 및 비정상성 SPEI를 하천수 사용량을 제한하는 하천운영에 접목하여 하천수 부족과 사용 실패의 위험도를 최소화하는 기상학적 가뭄지수를 찾고자 하였다. 이를 위해 우선, 댐 상류 유역의 하천수 가뭄 모사에 적합한 기상학적 가뭄지수를 찾았고, 하천수 사용과 같이 인위적인 영향을 받는 하류 하천의 하천수 부족과 사용 실패의 위험도를 최소화하는 가뭄지수를 찾았다. 기상학적 가뭄지수들과 하천수 가뭄의 상관계수를 비교한 결과, 기상학적 가뭄지수 중 비정상성 SPEI와 초과유량 이하 부족량 간의 상관성이 가장 높아 하천수 가뭄에의 활용이 가능하리라 판단되었다. 하류 하천에서는 기상학적 가뭄지수에 따라 하천수 사용을 제한하면서 하천수 부족 및 하천수 사용 실패에 대한 위험도를 계산하였다. 그 결과, 비정상성 SPEI가 하천수 부족 및 사용 실패의 위험도를 최소화하고 있었다. 정상성 SPEI는 다른 가뭄지수에 비해 분산이 커, 가뭄을 더 강하고, 더 약하게 평가하고 있었다. 즉, 한번 사용량 제한 시, 가뭄지수가 가뭄을 더 강하게 평가하기 때문에 하천수 사용 제한량이 많아져 취약도가 컸고, 이에 비정상성 SPEI가 수자원 관리나 하천운영에 적합하다는 것을 확인하였다. 하천수 사용자가 체감하는 하천수 부족 위험도가 다르기 때문에 하천수 부족에 따라 하천수 사용량을 제한할 경우, 하천수 사용자 간의 갈등이 발생할 수 있다. 따라서, 하천수 부족 위험도가 가장 높은 지점을 기준으로 상, 하류 지점이 기준 지점과 비슷한 위험도를 갖게 하는 하천관리유량(river management flow)을 설정함으로써 상, 하류 지점의 하천수 사용자의 사용량 제한을 공평하게 분담시킬 수 있다. 이를 위해 본 연구의 세 번째 부분에서는 금강 본류를 대상으로 하천수 사용량 자료를 수집하여 하천수 수요를 고려한 하천수 부족의 임계수준인 하천관리유량을 계산하였다. 계산결과, 공주지점의 하천수 부족에 대한 위험도가 가장 커 0.271이었다. 공주지점의 상, 하류에 위치하고 있는 부강과 규암지점의 하천관리유량을 변화시키며, 공주의 하천수 부족 위험도와 비슷하게 재현하는 부강과 규암지점의 하천관리유량을 추정하였다. 2015년 가뭄에 대하여 추정된 하천관리유량으로 구한 부강과 규암지점의 하천수 부족 특성은 공주와 비교적 유사하였다. 향후 이 연구 결과를 활용한다면 하천수 가뭄에 따른 하천수 부족 시 상, 하류 사용자들이 체감하는 비슷한 위험도로 하천수 사용이 제한될 수 있어 하천수 사용자의 갈등이 최소화될 것으로 기대한다.