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.

CMIP5 및 CMIP6 기반 미래 기후변화 시나리오에 따른 우리나라 기준증발산량 전망

김철겸,조재필,김현준 한국환경과학회 2020 한국환경과학회 학술발표회 발표논문집 Vol.2020 No.11

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.

통계적 기온예측정보를 활용한 기준증발산량 장기예측

김철겸,이정우,이정은,김현준 한국수자원학회 2021 한국수자원학회논문집 Vol.54 No.12

For water resources operation or agricultural water management, it is important to accurately predict evapotranspiration for a long-term future over a seasonal or monthly basis. In this study, reference evapotranspiration forecast (up to 12 months in advance) was performed using statistically predicted monthly temperatures and temperature-based Hamon method for the Han River basin. First, the daily maximum and minimum temperature data for 15 meterological stations in the basin were derived by spatial-temporal downscaling the monthly temperature forecasts. The results of goodness-of-fit test for the downscaled temperature data at each site showed that the percent bias (PBIAS) ranged from 1.3 to 6.9%, the ratio of the root mean square error to the standard deviation of the observations (RSR) ranged from 0.22 to 0.27, the Nash-Sutcliffe efficiency (NSE) ranged from 0.93 to 0.95, and the Pearson correlation coefficient (r) ranged from 0.97 to 0.98 for the monthly average daily maximum temperature. And for the monthly average daily minimum temperature, PBIAS was 7.8 to 44.7%, RSR was 0.21 to 0.25, NSE was 0.94 to 0.96, and r was 0.98 to 0.99. The difference by site was not large, and the downscaled results were similar to the observations. In the results of comparing the forecasted reference evapotranspiration calculated using the downscaled data with the observed values ​​for the entire region, PBIAS was 2.2 to 5.4%, RSR was 0.21 to 0.28, NSE was 0.92 to 0.96, and r was 0.96 to 0.98, indicating a very high fit. Due to the characteristics of the statistical models and uncertainty in the downscaling process, the predicted reference evapotranspiration may slightly deviate from the observed value in some periods when temperatures completely different from the past are observed. However, considering that it is a forecast result for the future period, it will be sufficiently useful as information for the evaluation or operation of water resources in the future. 수자원 운영이나 농업용수 관리 등을 위해서는 계절 또는 월 단위 이상의 장기간의 미래에 대한 증발산량의 정확한 예측이 중요하다. 본 연구에서는 한강권역을 대상으로 통계적으로 예측된 월 기온자료와, 기온자료를 기반으로 한 Hamon 증발산량 추정식을 활용하여 기준증발산량에 대한 장기전망(최대 12개월까지)을 수행하였다. 먼저 한강권역의 월 단위 기온예측정보를 시공간적으로 상세화하여 한강권역 내 15개 지점에 대한 일 단위 기온자료를 도출하였다. 지점별 상세화된 기온자료의 적합도를 분석한 결과, 월평균 최고기온에 대해서는 PBIAS는 1.3~6.9%, RSR은 0.22~0.27, NSE는 0.93~0.95, r은 0.97~0.98이었으며, 월평균 최저기온에 대해서는 PBIAS는 7.8~44.7%, RSR은 0.21~0.25, NSE는 0.94~0.96, r은 0.98~0.99로 대체로 관측값과 유사하게 상세화가 수행되었다. 상세화된 기온자료를 이용하여 Hamon 방법에 의한 기준증발산량을 산정하고 한강권역 전체에 대해 면적평균하여 관측값과 비교한 결과, PBIAS는 2.2~5.4%, RSR은 0.21~0.28, NSE는 0.92~0.96, r은 0.96~0.98로 매우 높은 적합도를 나타내었다. 통계적 모형의 특성상 과거와 전혀 다른 기온이 관측되는 경우의 예측성 저하, 시공간적 상세화 과정에서의 불확실성 등으로 인해 일부 기간에 대해서는 예측된 기준증발산량이 관측치와 다소 편차를 나타내기도 하지만 미래기간에 대한 예측결과라는 점을 고려할 때, 미래의 가용수자원에 대한 평가 및 수자원 관리를 위한 정보로 충분히 활용성이 있을 것이다.

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.

다중 GCM과 유역모델링을 이용한 기후변화에 따른 제주도의 수문학적 영향 평가

김철겸,조재필,김남원 한국수자원학회 2018 한국수자원학회논문집 Vol.51 No.1

The climate change impacts on hydrological components and water balance in Jeju Island were evaluated using multiple climate models and watershed model, SWAT-K. To take into account the uncertainty of the future forecast data according to climate models, climate data of 9 GCMs were utilized as weather data of SWAT-K for future period (2010-2099). Using the modeling results of the past (1992-2013) and the future period, the hydrological changes of each year were analyzed and the precipitation, runoff, evapotranspiration and recharge were increasing. Compared with the past, the change in the runoff was the largest (up to 50% increase) and the evapotranspiration was relatively small (up to 11% increase). Monthly results show that the amount of evapotranspiration and the amount of recharge are greatly increased as the amount of precipitation increases in August and September, while the amount of evapotranspiration decreases in the same period. January and December showed the opposite tendency. As a result of analyzing future water balance changes, the ratio of runoff, evapotranspiration, and recharge to rainfall did not change much, but compared to the past, the runoff rate increased up to 4.3% in the RCP 8.5 scenario, while the evapotranspiration rate decreased by up to 3.5%. Based on the results of other researchers and this study, it is expected that rainfall and runoff will increase gradually in the future under the assumption of present climate change scenarios. Especially summer precipitation and runoff are expected to increase. As a result, the amount of groundwater recharge in Jeju Island will increase. 본 연구에서는 다중 기후모델에 의한 미래 기후자료를 기반으로 SWAT-K 유역모형을 적용하여, 제주도 지역의 미래 기후변화에 따른 수자원 영향을 평가하였다. 기후모델에 따른 미래 전망자료의 불확실성을 고려하여 9개의 GCM 모델의 기후자료를 미래기간(2010~2099년)에 대한 SWAT-K 모형의 기상자료로 적용하였다. 과거(1992~2013년) 및 미래기간에 대한 연도별 수문변화를 분석한 결과 강수량, 유출량, 증발산량, 함양량 모두 증가하는 추세로 나타났다. 과거기간에 비해 유출량의 변화가 가장 크게 나타났으며(최대 50% 증가), 증발산량은 상대적으로 작게 나타났다(최대 11% 증가). 월별로는 8월과 9월의 강수량 증가에 따라 유출량과 함양량도 크게 증가하는 반면, 동일기간에 대한 증발산량은 감소하는 것으로 분석되었다. 1월과 12월은 반대의 경향이 나타났다. 미래의 물수지 변화를 분석한 결과 강수량 대비 유출량, 증발산량, 함양량의 비율은 변화가 크지 않으나, 과거와 비교했을 때 RCP 8.5 시나리오에서 유출량 비율은 최대 4.3% 증가하는 반면, 증발산량 비율은 최대 3.5% 감소하는 것으로 나타났다. 기존의 타 연구와 본 연구에서 도출한 결과를 종합해 볼 때, 현재 제시되고 있는 기후변화 시나리오 가정 하에서는 미래로 갈수록 점차 강수량과 유출량이 증가할 것이고 특히 여름철 강수량 및 유출량의 증가가 예상된다. 이로 인해 제주도 지역의 함양량도 함께 증가할 것으로 판단할 수 있다. 다만, 본 연구는 장기적인 측면에서 자연적인 기후변화로 인한 영향을 분석한 것이며, 추가적으로 단기적인 수재해 대응을 위한 홍수와 가뭄관리, 인위적인 용수 수급 관리 등에 대한 종합적인 분석을 통해 제주도 수자원의 지속가능한 이용을 위한 대응방안이 필요하다고 판단된다.

SWAT 모형에서의 소유역 및 HRU 수에 따른 유사량의 변화

김철겸,김남원 한국수자원학회 2005 한국수자원학회 학술대회 Vol.2005 No.1

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

농업비점오염 모형 비교 및 평가 기준에 대해서

김철겸 한국농공학회 2005 韓國農工學會誌 : 전원과 자원 Vol.47 No.4