미래 기후, 식생, 토지이용 변화 고려해야

미래 수자원 관리 대책 수립에 기반될 것

 

▲건국대학교 사회환경시스템공학과 김성준 교수

최근 기후변화는 지구 전체의 공공의 적으로 인식되고 있다. 기후변화 자체도 문제지만 이러한 현상이 야기하는 생태계와 수자원 분야에 끼치는 영향이 더욱 심각한 문제라고 할 수 있다. 기후변화가 수자원에 미치는 영향은 전 지구차원의 지표면·물순환의 변화에 따른 기후변화와 함께 서로 연동돼 움직인다. 따라서 기후변화에 따라 지역차원의 지표면·물순환이 변화하게 되면 이것이 다시 기후변화에 영향을 미치는 형태로 작용하게 된다.

 

기후변화에 대한 연구는 현재 가장 활발하게 진행되고 있다. 특히 국내외에서 미래 기상자료 예측을 위해 모형을 구동한 GCMs(General Circulation Models) 결과를 이용하고 있다. 하지만 이러한 GCM의 격자크기는 한반도의 기후를 표현하기에는 어려움이 있어 많은 수자원 연구가들은 다양한 다운스케일링 기법을 고안하고 적용해 왔다. 그 중 Change Factor(CF) 방법은 현재 기후의 공간 패턴이 미래에도 변화가 없다고 가정해 특정 년도를 기준으로 비교할 수 있는 장점을 가지며 기후변화 영향평가 연구에 많이 적용돼 왔다.

 

우리나라의 경우, 시계열적인 토지 이용의 변화 특성에 대한 유형의 분석·예측에 관련한 연구는 그 중요성에 비해 상대적으로 미흡한 실정이다. 따라서 미래의 토지이용이 지역적인 차원에서 예측되고 평가되는 시스템이 필요하며, 수문환경의 변화가 유출에 미치는 영향을 예측해 유출특성 변화를 정량적으로 구명해야만 효율적인 하천유역관리를 위한 계획수립에 능동적으로 대처할 수 있을 것이다.

 

CA-Markov기법은 Markov Chain 모델과 CA(Cellular Automata)의 이론적 체계를 결합한 기법으로 과거와 현재의 토지이용을 이용해 미래의 토지이용상태를 예측한다. CA-Markov에 토지이용의 변화흐름은 LOG 회귀 모형으로 변화·수역·도시화가 진행된 부분과 상수원 보호구역이나 그린벨트 등이 변하지 않고 단일시기에 토지이용이 75% 이상 같은 항목으로 유지된다는 가정 하에 기법을 수정하고 토지이용 변화를 구축한다.

 

자료 취득의 용이성과 경제성 그리고 촬영 주기를 고려했을 때 식생 지표 추출에 있어서 변화 분석에 유용하게 사용되는 위성영상으로는 미국 해양대기청에 의해 운영되고 있는 NOAA 위성의 AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) 센서와 미국 우주항공국(NASA)이 추진하고 범지구 환경모니터링 프로그램의 일관으로 미국 Vandenberg 공군기지에서 발사된 TERRA 위성에 탑재 된 MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectro-Radiometer) 센서가 있다. MODIS 센서는 AVHRR 센서에 비해 다양한 파장대 영상을 얻을 수 있고 보다 획기적으로 향상된 공간 해상도를 가지며 LAI로 변환된 영상을 얻을 수 있다.

 

토지이용별 LAI 구축을 위해서 MODIS LAI와 2000년 토지이용도를 IDRISI 소프트웨어를 이용해 유역의 토지이용별 평균 LAI를 추출했다. 식생피복상태를 나타내는 지표인 엽면적지수(LAI)는 기온과 일사량의 기상조건에 강한 상관관계가 있는 것으로 연구됐다. 여기서 토지이용별 LAI와 월평균 기온과의 변동양상에 중점을 두어 기온-LAI의 Boltzmann 비선형회귀식을 구축하고 미래 기후변화 시나리오에 대한 각 토지피복별 LAI를 추정함으로써 SWAT-K의 입력자료로 사용한다.

 

SWAT 모형은 장기-강우 유출모형으로 장기간에 걸친 다양한 토양속성과 토지이용 그리고 관리상태의 변화에 따른 유역의 유출량 및 비점원오염을 추정하기 위해 미국 농무성 농업연구소에 의해 개발된 이후 30년가량 보정된 유역 모델이다. SWAT은 일단위 모의가 가능한 유역단위의 준 분포형 장기강우유출모형으로서 4가지 부모형(수문·토양유실·영양물질·하도추적 부모형)으로 구성돼 있다.

 

토양과 토지이용조건에 의해 결정되는 수문반응단위를 기본으로 하며 각 HRU는 수문학적 동질성을 가진다. 물수지는 차단능, 융설, 토양단면, 얕고 깊은 대수층이 고려돼 모의된다. 토양단면은 여러 층으로 분류되며, 토양 수분은 침투·증발·작물이행·측방유출·침루 과정이 포함된다. 기저유량은 대수층에서 하천으로 지체시간으로 계산된다. 얕은 대수층은 깊은 대수층에서 침투·관정·증발로 고려된다. SCS 유출곡선법과 Green & Ampt 침투법을 이용해 지표유출량을 산정하며, 측방유출량은 Kinematic Storage Model로 모의된다.

 

일반적인 SWAT 모형으로 유출모의를 실시하였을 때의 수문곡선의 첨두유출이 실측량에 비해 과소하게 계산되거나, 감수부의 수치적으로 불안정하게 모의되기도 한다. SWAT-K의 경우 시간 가중평균 유출곡선지수를 이용한 지표면 유출량 산정 모듈과 비선형 저류방정식을 이용한 하도추적 모듈을 기존 SWAT2000모형에 개발 및 추가했다.

 

SWAT-K의 매개변수를 수정하고 검보정 해 유역의 유출거동을 현실과 가까이 모의한다. 검보정 된 모형에 구동 값인 현재의 구동결과와 미래 예측 자료가 입력된 모의치를 비교해 미래 유출 양상을 정량화하여 기후·토지이용 및 식생 활력도에 대한 영향을 평가한다. 이러한 과제는 다양한 입력 자료 예측을 통한 미래 수문 요소의 정량화를 통해 미래 수자원 관리 대책 수립에 기반이 될 수 있다.

 

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