PB3) 미래 기후변화에 따른 제주도 여름철 강수량 및 유출특성 변화 전망

김철겸,이정은,이정우,김남원 한국환경과학회 2018 한국환경과학회 학술발표회 발표논문집 Vol.2018 No.11

대규모 기후 원격상관성 및 다중회귀모형을 이용한 월 평균기온 예측

김철겸,이정우,이정은,김남원,김현준,Kim, Chul-Gyum,Lee, Jeongwoo,Lee, Jeong Eun,Kim, Nam Won,Kim, Hyeonjun 한국수자원학회 2021 한국수자원학회논문집 Vol.54 No.9

본 연구에서는 글로벌 기후지수 및 한강권역의 기상자료를 예측인자로 하는 통계적 다중회귀모형을 구성하여 한강권역의 월 평균기온에 대한 장기예측을 수행하였다. 예측대상인 월 평균기온과 선행기간별 예측인자와의 원격상관성 분석을 기반으로 최적의 예측인자를 선별하였으며, 선별된 예측인자를 조합하고 과거기간에 대한 교차검증을 통하여 최대 12개월까지 선행예측이 가능한 다중회귀모형 기반의 예측모형을 구성하였다. 과거 1992년 1월부터 2020년 12월을 대상으로 월 평균기온에 대한 예측성을 분석한 결과, PBIAS는 -1.4 ~ -0.7%, RSR은 0.15 ~ 0.16, NSE는 0.98, r은 0.99로 높은 적합성을 나타내었다. 각 월별 관측치가 예측범위에 포함될 확률은 평균 약 64.4%로 나타났으며, 월별로는 9월, 12월, 2월, 1월의 예측성이 상대적으로 높고, 4월, 8월, 3월의 예측성이 낮은 것으로 분석되었다. 평년 대비 유난히 낮거나 높은 기온을 보였던 일부 기간을 제외하고 대체로 예측치의 범위 또는 예측치의 중앙값 등이 관측치와 잘 부합하는 것으로 나타났다. 본 연구에서 도출되는 정량적 기온예측정보는 미래기간(선행 1 ~ 12개월)의 기온에 대한 변화뿐만 아니라, 기온과 상관도가 높은 증발산량을 비롯한 수문생태환경에 대한 변화를 전망하는 경우에도 유용하게 활용될 수 있을 것이다.

기준증발산량 산정방법들의 시공간적 보정에 대한 개선효과 평가

김철겸,이정우,이정은,김현준,Kim, Chul-Gyum,Lee, Jeongwoo,Lee, Jeong Eun,Kim, Hyeonjun 한국수자원학회 2020 한국수자원학회논문집 Vol.53 No.9

This study compared several reference evapotranspiration estimated using eight methods such as FAO-56 Penman-Monteith (FAO PM), Hamon, Hansen, Hargreaves-Samani, Jensen-Haise, Makkink, Priestley-Taylor, and Thornthwaite. In addition, by analyzing the monthly deviations of the results by the FAO PM and the remaining seven methods, monthly optimized correction coefficients were derived and the improvement effect was evaluated. These methods were applied to 73 automated synoptic observation system (ASOS) stations of the Korea Meteorological Administration, where the climatological data are available at least 20 years. As a result of evaluating the reference evapotranspiration by applying the default coefficients of each method, a large fluctuation happened depending on the method, and the Hansen method was relatively similar to FAO PM. However, the Hamon and Jensen-Haise methods showed more large values than other methods in summer, and the deviation from FAO PM method was also large significantly. When comparing based on the region, the comparison with FAO PM method provided that the reference evapotranspiration estimated by other methods was overestimated in most regions except for eastern coastal areas. Based on the deviation from the FAO PM method, the monthly correction coefficients were derived for each station. The monthly deviation average that ranged from -46 mm to +88 mm before correction was improved to -11 mm to +1 mm after correction, and the annual average deviation was also significantly reduced by correction from -393 mm to +354 mm (before correction) to -33 mm to +9 mm (after correction). In particular, Hamon, Hargreaves-Samani, and Thornthwaite methods using only temperature data also produced results that were not significantly different from FAO PM after correction. It can be also useful for forecasting long-term reference evapotranspiration using temperature data in climate change scenarios or predicting evapotranspiration using monthly or seasonal temperature forecasted values.

TANK 모형과 SWAT 모형을 이용한 한강유역의 자연유출량 산정 비교

김철겸,김남원,Kim, Chul-Gyum,Kim, Nam-Won 한국수자원학회 2012 한국수자원학회논문집 Vol.45 No.3

본 연구에서는 한강수계 팔당댐 상류의 자연유출량에 대해 기존의 연구 결과를 바탕으로 TANK 모형 결과와 SWAT 모형결과를 비교함으로써, 기존 TANK 모형이 가지고 있는 한계및 문제점을 현실적으로 제시하고, 향후 SWAT 모형의 적용성 및 활용에 대해 검토하였다. TANK 모형의 매개변수 최적화가 이루어진 보정유역들(충주댐 및 소양강댐)의 모의결과를 볼 때 두 모형 모두 모형효율 0.8 이상의 높은 정도의 모의가 가능한 것으로 나타났으며, 첨두유량이 발생하는 홍수기에는 TANK의 결과가 SWAT보다 관측치에 근접하는 것으로 나타났다. 그러나 TANK 모형의 경우 주로 평수기 이상의 유량을 대상으로 보정을 수행하여 갈수기에 관측유량과 많은 차이를 보였으며, 특히 일정 유량 이하로 모의되지 않는 한계를 나타내었다. 반면, SWAT 모형은 일부 홍수사상을 제외하고 대체로 관측치의 경향을 잘 따르고 있으며, 유역 최종 출구인 팔당댐(한강F)에서의 상류댐 방류량을 고려한 모의유입량이 실제 관측유입량과 잘 일치하는 것으로 나타나(모형효율 0.9 수준), 댐 방류량과 인위적인 용수 수요가 없는 상태의 자연유출량의 추정이나 댐개발 전후에 따른 유량변동 평가 등에 있어 매우 높은 신뢰성을 보장하는 것으로 판단되었다. 아울러, TANK 모형의 최적화된 매개변수를 전이시켜 이용하는 대상유역들(평창A, 달천B, 섬강B, 인북A, 한강D, 홍천A)에 대한 결과를 SWAT 모형 결과와 비교할 때, 일부 홍수기를 제외하고는 평수기 이하에서 매우 불안정한 모의 결과를 나타내었으며, 보정유역들에 대한 결과와 마찬가지로 갈수기에 일정 유량이하로 모의되지 않는 문제가 나타났다. 이는 수자원 계획 및 관리의중요한 지표인 갈수량의 산정에 있어 TANK 모형의 적용에 많은 불확실성이 있음을 보여준다. 따라서 복잡 다양한 국내 유역의 특성을 보다 현실적으로 반영하고, 향후 유역내 도시화 등에 따른 토지이용 및 용수이용의 변화, 기후변화 등에 따른 수자원 계획 및 관리에 효율적으로 대처하기 위해서는 TANK와 같은 기존의 개념적 집중형 모형보다는 SWAT과 같은 물리적 기반의 유역모형 적용이 필요할 것으로 판단된다. Two models, TANK and SWAT (Soil and Water Assessment Tool) were compared for simulating natural flows in the Paldang Dam upstream areas of the Han River basin in order to understand the limitations of TANK and to review the applicability and capability of SWAT. For comparison, simulation results from the previous research work were used. In the results for the calibrated watersheds (Chungju Dam and Soyanggang Dam), two models provided promising results for forecasting of daily flows with the Nash-Sutcliffe model efficiency of around 0.8. TANK simulated observations during some peak flood seasons better than SWAT, while it showed poor results during dry seasons, especially its simulations did not fall down under a certain value. It can be explained that TANK was calibrated for relatively larger flows than smaller ones. SWAT results showed a relatively good agreement with observed flows except some flood flows, and simulated inflows at the Paldang Dam considering discharges from upper dams coincided with observations with the model efficiency of around 0.9. This accounts for SWAT applicability with higher accuracy in predicting natural flows without dam operation or artificial water uses, and in assessing flow variations before and after dam development. Also, two model results were compared for other watersheds such as Pyeongchang-A, Dalcheon-B, Seomgang-B, Inbuk-A, Hangang-D, and Hongcheon-A to which calibrated TANK parameters were applied. The results were similar to the case of calibrated watersheds, that TANK simulated poor smaller flows except some flood flows and had same problem of keeping on over a certain value in dry seasons. This indicates that TANK application may have fatal uncertainties in estimating low flows used as an important index in water resources planning and management. Therefore, in order to reflect actually complex and complicated physical characteristics of Korean watersheds, and to manage efficiently water resources according to the land use and water use changes with urbanization or climate change in the future, it is necessary to utilize a physically based watershed model like SWAT rather than an existing conceptual lumped model like TANK.

CMIP6 기후변화 시나리오에 따른 제주도 지역의 미래 수문변화 전망

김철겸,조재필,이정은,장선우 한국수자원학회 2023 한국수자원학회논문집 Vol.56 No.11

본 연구에서는 18개 기후모형으로부터 도출된 SSP 기반의 미래 기후변화 시나리오와 유역모델링(SWAT-K)을 연계하여 제주도 지역의 미래 기후변화에 따른 수문학적 영향을 분석하였다. 기후모형에 따른 편차가 있으나 대체로 미래 기온의 증가에 따라 증발산량이 증가하고, 강수량의 증가로 인해 유출량과 함양량 또한 크게 증가할 것으로 전망되었다. 특히 SSP5-8.5 시나리오에서 이러한 증가가 더욱 뚜렷하게 나타났으며, 미래 후반기로 갈수록 GCM 모형 간의 차이가 크게 나타났다. 연평균 값에 대한 과거기간(1981~2010년) 대비 증감률로는 미래 후반기(2071~2100년)에 SSP5-8.5 시나리오에서 강수량 +21.4%, 증발산량 +19.2%, 유출량 +40.9%, 함양량 +16.6%의 전망을 나타내었다. 월별로 변화율을 보면 SSP5-8.5 시나리오에서 강수량은 9월에 24.5%, 증발산량은 4월에 34.1%, 유출량은 10월에 58.1%, 함양량은 9월에 33.8%까지 증가할 것으로 전망되었다. 또한 극한 기후 시나리오에 따른 전망을 위해, 미래에 최다 강수량을 예측한 CanESM5 모형과 최소 강수량을 예측한 ACCESS-ESM1-5 모형의 미래 기후자료를 사용하여 연평균 수문학적 변화를 비교하였다. 그 결과 강수량이 최대로 나타난 CanESM5 모형에서는 유출률과 함양률이 상대적으로 높게 나타난 반면, 강수량이 최저로 전망된 ACCESS-ESM1-5의 경우에는 증발산 비율이 높게 나타났다. 본 연구에서 적용한 기후변화 시나리오 기준으로 제주도 전체의 가용수자원은 증가한다고 전망할 수 있으나, 기후모형에 따라 계절별 지역별로 상이한 결과를 도출할 수 있기 때문에 가능한 다양한 시나리오를 활용한 종합적 분석과 대응방안이 필요하다고 생각된다. In this study, we analyzed the hydrological impacts of future climate change on Jeju Island using SSP-based climate change scenarios from 18 climate models and watershed modeling (SWAT-K). Despite discrepancies among climate models, we generally observed an increase in evapotranspiration due to rising future temperatures. Furthermore, a significant increase in runoff and recharge was noted due to increased precipitation. These increasing trends were particularly pronounced in the SSP5-8.5 scenario, and differences among GCM models became more significant in the late 21 century. When compared to the historical period (1981-2010), the projected changes for the far-future period (2071-2100) in the SSP5-8.5 scenario showed a 21.4% increase in precipitation, a 19.2% increase in evapotranspiration, a 40.9% increase in runoff, and a 16.6% increase in recharge on an annual average basis. On a monthly basis in the SSP5-8.5 scenario, precipitation was expected to increase by 24.5% in September, evapotranspiration by 34.1% in April, runoff by 58.1% in October, and recharge by 33.8% in September. To further assess projections based on extreme climate scenarios, we selected two models, CanESM5 and ACCESS-ESM1-5, which represented the maximum and minimum future precipitation forecasts, and compared the hydrological changes in the future scenarios. The results indicated that runoff and recharge rates were relatively higher in the CanESM5 model with the highest precipitation forecast, while evapotranspiration rates were higher in the ACCESS-ESM1-5 model with the lowest precipitation forecast. Based on the climate change scenarios used in this study, the overall available water resources on Jeju Island are more likely to increase. However, since results vary by season and region depending on the climate model and scenario, it is considered necessary to conduct a comprehensive analysis and develop response measures using various scenarios.

유역모형을 활용한 제주도 한천 유역의 관측유량 평가 및 보완

김철겸,김남원 한국수자원학회 2016 한국수자원학회논문집 Vol.49 No.11

본 연구에서는 제주도의 한천 유역을 대상으로 유역모델링 기법으로 많이 활용되고 있는 SWAT 모형을 이용하여 실시간 관측되고 있는 하천유량의 신뢰성과 활용성을 평가하였다. 평상시 거의 건천의 형태를 나타내는 간헐하천 특성을 고려하기 위하여 기존 연구에서 검증되었던 간헐하천 모의 알고리즘을 적용하였으며, 2008∼2013년을 대상으로 유역별 관측사상과 모의사상을 비교·분석하였다. 모형효율과 결정계수를 통해 모형 적용성을 평가한 결과, 보정기간에 대해 모형효율(ME) 0.88, 결정계수(R2) 0.93, 검증기간에 대해서는 각각 0.79와 0.89로서 매우 양호한 것으로 분석되었다. 모의치와 관측치의 차이가 크게 나타나는 일부 사상들에 대한 검토 결과, 강수량에 비해 관측유출률이 너무 크거나 낮은 경우가 있었는데 이는 기존 호우시 유출률 및 모델링 결과와 비교할 때 관측유량의 계측 및 수위-유량 산정과정에서의 오류의 가능성을 예상할 수 있었다. 이러한 관측유량에 대한 보완을 위해 모의자료를 이용하여 강수량과 유출량 간의 회귀관계를 도출하였으며, 2009∼2010년을 대상으로 회귀식을 적용한 결과 유역모델링에 의한 모의유량과 잘 일치하는 것으로 나타났다. 따라서, 모델링 결과가 충분한 신뢰성을 보장한다는 가정 하에, 유도된 회귀식을 활용하여 신뢰성 있는 유출량을 간편하게 예측할 수 있으며, 관측자료의 결측치나 이상치를 즉각적으로 검증하는 데에도 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구에서와 같이 관측자료의 검증 및 결측치에 대한 보완을 통하여 모형 적용시 보정과정에서의 오류를 최소화함으로써 제주도 지역의 독특한 유출 특성을 고려한 정교한 모델링과 물수지 분석에 크게 기여할 수 있을 것으로 판단된다. This study was conducted to evaluate observed runoff data collected every 10 minutes at stream gauging stations in Jeju Island using a physically-based model, SWAT. The Hancheon watershed was selected as study area, and ephemeral stream algorithm suggested by previous research was incorporated into the model, which is able to simulate ephemeral runoff pattern of Jeju streams. Simulated runoff and runoff rates were compared to observations during 2008-2013, which showed ‘very good’ performance rating in Nash-Sutcliffe model efficiency (ME) and determination coefficient (R²). Some observations had problems such that runoff rates were very high for some rainfall events with little amount of antecedent rainfall, and were very low or missing with much rainfall comparing to previous researches. Additionally, regression equation between precipitation and simulated runoff was generated with high degree of correlation. The equation can be utilized to simply predict reasonable runoff, or to investigate and complement the abnormal or missing data of observations on the assumption that modelling results were sufficiently reliable and satisfactory. As results, minimizing the error in calibrating the model by evaluation of observed data would be helpful to accurately model the rainfall-runoff characteristics and analyze the water balance components of watersheds in Jeju Island.

미래 기후변화에 따른 제주도 천미천 유역의 물수지 변화 분석

김철겸,김남원 한국환경과학회 2017 한국환경과학회 학술발표회 발표논문집 Vol.2017 No.11

다중 GCM 기후자료를 이용한 제주도의 미래 농업용수 수요량 추정

김철겸,김남원 한국환경과학회 2017 한국환경과학회 학술발표회 발표논문집 Vol.2017 No.11

제주도 지역의 고도에 따른 증발산량 및 용수량 특성 평가

김철겸,김남원,Kim, Chul Gyum,Kim, Nam Won 한국수자원학회 2015 한국수자원학회논문집 Vol.48 No.11

본 연구에서는 유역 물수지 방법을 기반으로 제주도 지역에 적합한 용수량 산정방법을 제안하고, 이를 기반으로 4개 하천유역에 대해 지역 및 고도에 따른 증발산량, 용수량 특성을 평가하였다. SWAT-K 유역모형을 적용하여 1992~2013년 기간에 대해 잠재증발산량과 실제증발산량을 산정하고, 이로부터 유역의 순물소모량을 추정하였다. 고도증가에 따라 잠재증발산량은 선형으로 감소하는 반면, 실제증발산량은 강수량에 의한 토양내 가용수분의 증가로 인해 약 400m 고도까지는 증가하다가 이후 고도에서는 식생, 가용수분의 감소, 저온현상 등으로 인해 감소하는 것으로 나타났다. 고도에 따른 순물소모량은 강정천유역을 제외한 3개 유역에서 고도증가에 따라 순물소모량이 선형적으로 감소하는 것으로 나타났으며, 고도 200m 이하 작물경작지에서의 순물소모량은 연간 559~680m로 분석되었다. 추정된 용수량을 실제 관정 이용량과 비교한 결과, 여름철(6~8월) 양수량은 급수관행으로 인해 크게 증가하는데 비해, 작물경작에 따른 순물소모량은 오히려 감소하는 것으로 나타났다. 이에 대해서는 향후 더 많은 관정 이용량과 추가적인 대상지역을 반영하여 분석이 필요할 것으로 판단된다. A method of estimating irrigation water need based on water balance and net water consumption concept is proposed, and applied to four watersheds in order to assess the regional and altitudinal characteristics of evapotranspiration and water need for upland crops in Jeju Island. Potential and actual evapotranspiration, and net water need were calculated during the period 1992 to 2013 using SWAT-K watershed model. The annual potential evapotranspiration decreased linearly with increasing elevation, while actual evapotranspiration showed increase with elevation to 400 m around and gradual decrease at higher elevation due to vegetation species, water availability, and cold limitation. Altitudinal pattern of net water need showed linear decrease with increasing elevation for three watersheds (Han-cheon, Cheonmi-cheon, and Oedo-cheon), and annual values of net water need for upland areas (below 200 m in elevation) were 559~680mm/yr. The comparison between actual pumping rate from wells and net water need for irrigation area showed that the amount of pumping water significantly increased during summer season (June to August), while net water need for crop cultivation relatively decreased during this period. To ensure these results, more water use data from pumping wells and additional watersheds should be investigated in the next study.

상류 댐 방류량 및 하천수 사용량이 팔당댐 유입량에 미치는 영향 평가

김철겸,김남원,이정은,Kim, Chul Gyum,Kim, Nam Won,Lee, Jeong Eun 한국수자원학회 2014 한국수자원학회논문집 Vol.47 No.11

본 연구에서는 한강수계의 팔당댐 상류를 대상으로, 상류 댐들의 운영 및 하천수 사용이 하류구간의 유출에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다. SWAT-K 유역모형을 적용하여, 2001~2009년에 대해 상류댐 운영 및 하천 취수량 적용 유무에 따른 조건별 모의결과를 분석한 결과, 소양강댐과 충주댐 등 다목적댐 운영에 따른 방류량이 갈수기와 홍수기의 하류구간 유출에 가장 크게 영향을 주는 것으로 나타났다. 이로 인해 갈수량이 팔당댐 지점에서 $100.57m^3/s$, 북한강 종점 $33.01m^3/s$, 양평수위표 지점 $49.66m^3/s$만큼 증가하는 것으로 나타났다. 반면, 하천수 사용에 따른 영향은 북한강 지역은 거의 나타나지 않았으며, 남한강 지역도 양평수위표 지점에서 $0.98m^3/s$의 갈수량 감소가 나타나 팔당댐 유입량에는 큰 영향이 없었다. 따라서, 장기간의 유출 및 유황분석에서는 횡성댐과 같이 규모가 작은 댐 운영이나 하천수 취수 영향은 제외시켜도 무방할 것으로 생각된다. 그러나 물이용이 집중되는 특정기간의 정교한 수문해석이나 취수량이 많은 하천구간을 대상으로 하는 유출 분석에서는, 취수량은 물론 유역내 물이동량에 대한 정보가 필수적으로 고려되어야 할 것이다. To investigate the effect of upstream dam operation and river water use on the downstream flows, SWAT-K watershed model was applied to the Paldang Dam watershed of the Han River basin. Analysis results from 2001 to 2009 showed that outflows from the multi-purpose dams such as the Soyanggang Dam and Chungju Dam much have a strong influence on the downstream flows during both the low- and high-flow seasons. This resulted an increase of low-flow at the Paldang Dam, the end of Pukhangang, and the Yangpyeong stage station by $100.57m^3/s$, $33.01m^3/s$, and $49.66m^3/s$, respectively. Whereas, the impact of river water use was hardly found in the Pukhangang, and also was not significant in the (Nam)hangang. Therefore, the effect of small dam such as the Hoengseong Dam or river water use would be able be excluded for long-term runoff analysis. But, in the case of the areas with a large amount of water use, a sufficient information such water-intake and water movement also must be taken into account like this study.