KANGWON NATIONAL UNIVERSITY Climate change And Disaster Research lab 기후변화 자연재해 연구실 기후변화와 자연재해관리 제 8장 기후변화와 가뭄관리 Kim Byung Sik hydrokbs@kangwon.ac.kr KANGWON NATIONAL UNIVERSITY

CONTENS 가뭄의 특성 1 가뭄지수의 분류 2 기후변화 대비 극대가뭄대책 3

8.1 가뭄의 특성

기후변화와 가뭄관리 가뭄(Drought) 비가 보통 때에 비해 오랫동안 오지 않거나 적게 오는 기간이 지속되는 현상 기후학적으로는 연강수량이 기후 값의 75% 이하이면 가뭄, 50% 이하이면 심한 가뭄으로 분류 가뭄은 일시적인 특이현상을 말하며, 강수량이 적어 기후의 영구적인 특성이 되는 건조지역의 기후특성과는 다른 의미를 갖음 기후학적 가뭄은 사용 가능한 물로 전환된 강수량이 기후학적 평균에 미달하는 것 기상학적 가뭄은 강수량을 중시한다는 점에서 기후학적 가뭄과 같으나 강수량 외에 증발량, 증산량 등을 고려한다는 점에서 차이가 있음 농업적 가뭄은 오로지 토양수분에만 의존하여 결정함 수문학적 가뭄은 댐이나, 저수지 그리고 하천에 물이 고갈되어 물 부족의 피해가 예상되는 것을 말함

기후변화와 가뭄관리 가뭄의 원인 2000년 겨울철부터 중국 북부 내륙지역에 강한 고기압이 자주 형성됨 2000년 겨울철부터 중국 북부 내륙지역에 강한 고기압이 자주 형성됨 이로 인해 동아시아지역에 고온 건조한 상태가 지속됨 봄철 평균모식일기도를 보면 봄철까지도 이동성 고기압의 세력이 강하게 유지되고 있음 이 고기압은 남쪽으로부터 수증기가 유입되는 것을 억제하여 우리나라에 가뭄을 초래함 2001년 전국 평균 기온의 경우 과거 기온과 대비해 0.04가 높아 증발량이 크게 발생됨

기후변화와 가뭄관리 가뭄의 특성 가뭄은 홍수와 달리 진행속도가 느리므로 시․공간적으로 정확하게 판단하기 어려움 상당기간 완만히 누적되어 나타나고 가뭄이 해갈된 후에도 수년 동안 파급효과가 나타날 수 있음 가뭄은 정상적이면서 주기적으로 재발되는 기후의 한 특성임 가뭄에 대한 경제적인 손실은 홍수에 비해서 2~3배정도임 미국 해양기상청이 선정한 20세기 최대의 자연재해 중 세계 각지에서 발생한 4개의 가뭄이 상위 5위안에 랭크됨 미국 국립가뭄경감센터에서 발표한 통계재해 유형별 연평균피해액 중 가뭄피해가 가장 큰 것으로 분석됨 기상대 중심으로 전국을 76곳으로 구분

8.2 가뭄지수의 분류

기후변화와 가뭄관리 가뭄지수의 분류 가뭄은 기후학적 가뭄, 기상학적 가뭄, 수문학적 가뭄, 농업적 가뭄, 사회경제적 가뭄으로 분류함 가뭄지수는 강우, 융설, 하천유량, 지하수 등 상황을 파악할 수 있는 하나의 지표라 할 수 있음 대표적인 지수로는 PDSI(Palmer Drought Severity Index), SMI(Soil Moisture Index), SPI(Standardized Precipitation Index), SWSI(Surface Water Supply Index) 등이 있음 산정방법 분 류 비고 확률개념을 이용한 가뭄지수 정상강수백분율, 정상강수 10분위, Phillips 가뭄지수, 표준강수지수(SPI), 국가강수지수(RI) 토양수분수지분석을 이용한 가뭄지수 토양수분지수(CMI), Palmer 가뭄지수(PDSI) 수분공급 및 수요를 고려한 가뭄지수 지표수공급지수(SWSI), 미개척국지수(RDI) 확률개념 포함

기후변화와 가뭄관리 표준강수지수(SPI) 표준강수지수(SPI) McKee 등(1995)은 강수량이 부족하면 용수 공급원인 지하수량, 적설량, 저수지 저류량, 토양 함유 수분, 하천 유출량 등에 각기 다른 영향을 미친다는 것으로부터 표준강수 지수를 개발함 계산 기간 단위를 3, 6, 12, 24 개월 등과 같이 설정하고 시간 단위별로 강수 부족량을 측정하여 개개의 용수공급원이 가뭄에 미치는 영향을 산정함 예를 들면, 단기간 동안의 강수량은 토양 수분 조건에 직접적으로 영행을 미치는 반면 장기간 동안의 강수량은 지하수량, 하천 유출량, 저수지 저류량 등에 영향을 미침 표준강수지수(SPI) 표준강수지수는 확률 특성을 지님 표준강수지수에서 이용된 강수는 현재 기간의 강수 부족량을 계산하는데 이용될 수 있음 표준강수지수에서 이용된 강우는 수 개월에 대한 평균 강수의 현재 백분율을 계산하는데 이용함 표준강수지수의 분포는 정규분포이고 그것은 건조 기간뿐만 아니라 습윤 기간을 감시하는데도 이용함 표준강수지수는 용수 공급원 즉, 적설량, 저수지 저류량, 하천 유출량, 토양수분, 그리고 지하수량 등의 추정에 이용될 수 있음

기후변화와 가뭄관리 표준강수지수(SPI) McKee 등(1993)은 표준강수지수의 결과로부터 얻은 가뭄 심도를 정의하기 위하여 표와 같은 분류체계를 이용하였고 임의의 시간 단위에 대한 가뭄 사상의 한계를 정의함 가뭄지수의 범위 수분상태 2.0 이상 Extremely wet 1.5 ~ 1.99 Very wet 1.0 ~ 1.49 Moderately wet -0.99 ~ 0.99 Near normal -1.00 ~ -1.49 Moderately dry -1.5 ~ -1.99 Severely dry -2.0 이하 Extremely dry 가뭄은 표준강수지수 값이 0보다 적을 때 시작해서 -1.0 혹은 더 작은 값에 도달할 때 본격적인 가뭄이 발생하며 0보다 클 때 가뭄이 끝남 가뭄 사상은 가뭄 시작과 끝의 시간 장경으로 정의된 지속기간과 표준강수지수의 값으로 표시되는 가뭄 심도로 표현되며 누적된 가뭄의 크기도 측정할 수 있음 이것은 가뭄 크기(Drought Magnitude, DM)라 하며, 가뭄 사상에 속한 모든 기간에 대한 지수의 합으로서 다음 식으로 계산함 [ ]

기후변화와 가뭄관리 Palmer 가뭄심도지수(PDSI) Palmer(1965)는 가뭄을 "장기간의 이상 수분부족"이라 정의함 일반적으로 2∼3개월에서 1년 이상 장기간 수분부족이 지속됨 PDSI는 두 지역을 포함한 미국내 여러 지역의 강수량, 기온 및 일조시간 등의 자료를 사용해서 Thornthwaite와 Mather(1955)의 월 열지수법(monthly heat index method)으로 잠재증발산량을 추정한 후, 대상 지역의 실제 강수량과 기후학적으로 필요한 강수량과의 차이를 계산함으로써 얻어짐 PDSI는 최초의 복합적 가뭄 지수로써 오랜 기간 동안 여러 지역에서 이용되어 왔지만 수개월정도 가뭄 출현이 지체될 수 있고 산악지역과 기후변화가 빈번한 지역에서는 다소 적합성이 떨어짐 PDSI는 기상학적 가뭄 지수이고 비정상적인 건조 또는 비정상적인 습윤이 되는 기상 조건을 표현함 PDSI는 강수량과 기온 자료뿐만 아니라 지역적 유효토양수분량에 근거하여 산정함 PDSI는 농업 분야와 같이 토양습윤조건의 민감한 영향을 평가하는데 대단히 유용함

기후변화와 가뭄관리 Palmer 가뭄심도지수(PDSI) PDSI는 가뭄기간(또는 습윤기간)을 포함하도록 개발됨 가뭄 또는 습윤 기간이 시작하고 끝나는 시기를 결정하기 위한 기준을 개발함 미국에서는 PDSI를 보완하여 기상학적인 지수가 아닌 수문학적인 지수로 개발하고자 노력하고 있고, 그것을 파머 수문학적 가뭄지수(PHDI)로 명명함 가뭄지수의 범위 수분상태 4.0 이상 Extremely wet 3.0 ~ 3.99 Very wet 2.0 ~ 2.99 Moderately wet 1.0 ~ 1.99 Slightly wet -0.99 ~ 0.99 Near normal -1.0 ~ -1.99 Mild drought -2.0 ~ -2.99 Moderately drought -3.0 ~ -3.99 Severe drought -4.0 이하 Extremely drought

기후변화와 가뭄관리 Palmer 가뭄심도지수 이용 시 주의사항 [Alley(1984) 및 Karl과 Knight(1985)] 가뭄의 심도와 가뭄지속기간은 파머의 초기 연구에 기초하여 임의적으로 선별되어졌고 과학적인 합리성이 적음 토양형의 유효토양 수분량에 민감하나 기후적 구분 지역별 지수에 적용은 대단히 보편적임 물수지 계산에 있어 두개의 토양층이 단순화되어지고 위치에 대한 정확한 대표성이 없음 돌발 강우와 그로인한 유출간의 자연적인 지체가 고려되지 않음. 또한, 지표면과 지표밑 토양층의 수분함량이 완전히 차기 전까지는 모형 내에서 무유출이 발생하는 것을 허용함. 이것은 유출의 과소평가를 유도함 잠재증발산량이 Thornthwaite방법으로 평가되어 짐. 이 기법은 넓은 허용범위를 가지고 있으며 여전히 근사 해법일 뿐임

기후변화와 가뭄관리 수문학적 가뭄지수(MSWSI) 기존의 가뭄지수인 SPI, PDSI는 기상자료를 중점적으로 가뭄을 평가하기 때문에 지표 수문량에 영향을 받는 수문학적 가뭄평가에는 부적합함 SWSI(Surface Water Supply Index) (Shafer and Dezman, 1982)는 융설량, 저류량, 하천유량, 강수량을 입력인자로 하여 가뭄을 평가함 기존의 개발된 가뭄지수중 가장 수문학적으로 가뭄을 평가하는 가뭄지수로 알려져 있음 2004년 한국수자원공사의 가뭄정보시스템에서는 SWSI를 이용한 수문학적 가뭄평가 결과를 제공함 SWSI 입력인자 중 저류량과 강수량만을 이용하여 4개의 권역(한강, 낙동강, 금강, 섬진·영산강)별로 SWSI를 산정하고 있어 공간적으로 신뢰성 있는 수문학적인 가뭄정보를 제공하지 못함 복잡한 지형조건과 다양한 물공급 특성을 가진 우리나라의 수문학적 가뭄을 평가하기 위하여 SWSI를 보완한 MSWSI(ModifiedSWSI)를 개발·적용함

기후변화와 가뭄관리 수문학적 가뭄지수(MSWSI) MSWSI는 Shafer and Dezman (1982)은 SWSI를 콜로라도 유역에 적용함에 있어 겨울철에는 융설인자를, 여름철에는 하천유출인자를 사용함 저수지가 없는 유역에서는 저류인자를 제외하고 적용함 SWSI는 계절별, 지역별로 사용가능한 수문인자를 선택적으로 사용하여 수문학적 가뭄을 평가하는 지수로서 이러한 이론을 근거로 우리나라에서 지역별로 가뭄에 영향을 미치는 사용 가능한 수문인자를 선택적으로 사용하는 MSWSI를 개발함 우리나라에서 관측되고 있는 수문인자 중 수문학적 가뭄평가에 사용이 가능한 인자로서 가우수량, 댐유입량, 하천유량, 지하수위를 선정함 SWSI 산정식을 기본으로 하여 우리나라의 실정에 맞는 입력인자를 사용하는 MSWSI는 다음과 같이 표현됨 PN은 비초과확률, a, b, c, d는 각 수문인자의 가중계수(a+b+c+d=1) pcp는 강수인자(precipitation component), sf는 하천유출인자(streamflow component) rs는 댐유입량인자(daminflow component), gw는 지하수위인자(groundwater component)

기후변화와 가뭄관리 토양수분지수(SMI) 토양수분지수는 식생에 영향을 주는 가뭄을 판단하기 위한 지표(Magnitude, Severity, Duration 이용)이며, 강수량, 기온, 풍속, 습도, 토양물리 특성자료 이용하여 농업 가뭄의 정의하는데 이용됨 토양수분이 유효수분백분율의 50%이하일때로 정의(농작물의 생산량이 감소되는 것을 기준)함 가뭄이 가지는 다양한 특성을 세가지의 특성치로 구분하며 기본수준(trunction level)에 대한 부족분에 대한 지속기간(duration ; D), 크기(magnitude ; M), 강도(severity ; S)로 분류함 AW50%(Available water 50%)은 유효수분백분율 50% 이하이며, SMD(Soil moisture deficit, %)은 현재의 유효수분백분율을 나타냄 SMI는 일별 모의가 가능하고 자연 상태의 가뭄을 표시함. 또한, 선행적인 가뭄을 제시하고 단기 가뭄평가에 효과적이나, 비 식생지역에 가뭄을 반영하는데 어려움이 있음

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3. 분석방법 8.3 기후변화 대비 극대가뭄대책

기후변화와 가뭄관리 기후변화 대비 극대가뭄대책 기후변화는 기상학적 가뭄으로부터 농업적 가뭄, 수문학적 가뭄을 거쳐 사회경제에 영향을 미치는 가회경제적 가뭄으로 발전됨 이러한 이유로 약한 가뭄의 경우 농촌지역은 피해를 느끼기 시작하나 도시에서는 가뭄 피해를 전혀 느끼지 못하는 경향이 생김 기상학적 농 업 적 수문학적 사회경제적 기후의 변화 1. 강수량 감소 2. 증발산량 증가 1. 토양 함수량 감소 2. 작물 생산량 감소 3. 동식물 삶 영향 1. 하천 유출 감소 2. 저수지 등 유입량 감소 1. 지역 외 환경 및 경제영향

기후변화와 가뭄관리 사전대응방안(통합 가뭄계획 수립 및 가뭄 예·경보 고도화) 현재 국내의 물관리 기관은 각 기관의 관점에 따라 가뭄 정도를 해석 ·판단함 따라서 통합적인 가뭄계획수립과 가뭄 예 ·경보를 고도화하는 것이 필요함 가뭄관리는 크게 국가차원의 관리, 유역차원의 관리, 지역차원의 관리로 구분하여 계획하여야 함 1) 국가차원의 가뭄관리는 법적·제도적·재정적 측면에서의 관리를 의미함 2) 유역차원의 가뭄관리는 가뭄 정도 규명, 용수 수요와 보전 등 실직적인 물관리를 의미함 3) 지역차원의 가뭄관리는 필요한 물이 공급될 수 있도록 하는 기술적인 관리를 의미함 우리나라는 가뭄정보의 취합과 분석 등 총괄 정보를 제공하고 제도적 방안 등이 종합적으로 검토될 수 있는 ‘국가가뭄정보센터’ 가 설립될 필요가 있음 미국의 국립가뭄경감센터(NDMC)의 경우는 가뭄지표를 이용하여 가뭄상활을 감시, 연방·지방·정부/기구·방송기관 등에 가뭄단계(5단계) 정보를 제공하며, 우리나라 가뭄관리의 좋은 예라고 할 수 있음 미국 및 기타지역에서 널리 적용되고 있는 Wilhite(1991)의 가뭄대비 10단계 계획을 통해 극한 가뭄에 대응할 수 있을 것으로 판단됨

기후변화와 가뭄관리 사전대응방안(통합 가뭄계획 수립 및 가뭄 예·경보 고도화) 상하수도 종합정보시스템 구축체계 상·하수도 관망정보의 통합적 관리 체계 구축 광역 및 지방상수도 관망 정보, 누수관리시스템의 상하수도 종합정보시스템(환경부)연계 상수도분야를 우선추진하고, 하수도분야는 연차적 으로 추가 통합 정보화 시스템 표준화로 통합 활용능력 확대 전국수도종합계획 및 수도(하수도)정비계획 수립시 모니터링 결과활용

기후변화와 가뭄관리 사전대응방안(다양한 수요관리 정책을 통한 물 사용량 절감) 수요관리를 통한 물 사용량 감소는 물공급 시스템의 부하를 줄이며, 가뭄에 대한 레질리언스(resilience)를 높이는 등의 긍정적인 효과와 함께, 절약한 만큼의 물이 환경으로 돌려보내져 물생태계의 건강성을 높이는 효과를 가저옴 수요관리 방안으로는 1) 물소비의 효율성 향상을 위한 규제기준을 강화시키는 것임 2) 물공급자에게 수요관리를 의무화하여 물공급 계획 단계부터 수요관리를 체계적으로 실시하는 것임 3) 용수 재이용을 통해 물을 재활용하는 것임 물 절약 종합대책 물 수요관리 종합대책

기후변화와 가뭄관리 극대 가뭄 발생 시 대응방안(탄력적 수리권 운영을 통한 위기관리) 극한 가뭄에 적극적으로 대응하기 위해서는 가뭄에 취약한 지역에 용수를 안정적으로 공급할 수 있도록 기존 광역상수도 간 적극적으로 연계해야 할 것임 탄력적 수리권 응용을 위해서는 유역별 또는 수계별로 용수이용 가능량에 대한 정확한 조사가 선행되어야 함 현재의 관행수리권 및 유수의 점용허가에 의한 기득수리권에 대한 실태 파악이 이루어져야 함 기득수리권을 제외한 가용수자원과 신규 개발된 수자원의 배분 방안 등이 명확하게 설정 되어야 함

기후변화와 가뭄관리 극대 가뭄 발생 시 대응방안(수원 간 워터그리드 구축) 극대가뭄 시에는 광역-광역, 광역-지방 상수도 연계 운영과 함께 댐용수, 하천수, 지하수, 대체 수자원 등 각각의 수원을 연결하여 물공급의 안전성 및 물이용 효율을 높이는 방안을 고려해 볼 수 있음 예를 들어, 호주 Queensland 주는 2000년대 극심한 가뭄을 겪은 후 69억 호주달러(한화 약 6조원)를 투자하여 댐, 저수지, 보 등의 저류시설과 하수처리수, 해수담수화 3개 취수원을 대형 파이프라인으로 연결한 SEQ 워터그리드를 2008년 구축하여 물부족 대응 능력을 강화함 10.00$ 9.00$ 8.00$ 7.00$ 6.00$ 5.00$ 4.00$ 3.00$ 2.00$ 1.00$ 호주 Sydney, Adelaide, Perth, Newcastle 지역 물 공급·수요 대안의 직접비용 유역간별 지하수 수요관리 누수저감 빛물탱크 해수담수화 장거리 도수관로 강우유출수 재이용 댐 및 지표수 이용 농업용수 수리권 매입 간접적인 먹는물 재이용 빌딩 지속가능성 지수 非 음용수용 물재이용

기후변화와 가뭄관리 극대 가뭄 발생 시 대응방안(사고·재난에 의한 물공급 중단 대응방안) 물공급 시설의 예비공급능력 확보 긴급상황 시 비상연락체계 확보 응급(비상) 급수시스템 구축 물공급 시스템의 재해복구 시 비용부담체계 마련

감사합니다.