가뭄은 생태계와 인간 사회에 광범위하게 피해를 입히는 자연재해이다. 고대 농경 사회에서 가뭄은 식량 생산에 심각한 영향을 주었고, 수많은 사람들의 기아와 죽음을 초래했다. 관개 기술의 발달과 수자원 확보시설 개발로 가뭄의 피해는 고대에 비해 상당히 감소했지만, 가뭄은 여전히 대처하기 어려운 자연 재해로 가뭄 피해는 지속적으로 발생하고 있습니다. 또한 많은 연구에서 기후 변화로 인해 가뭄의 빈도와 강도에 더욱 증가할 가능성이 높다고 하였다.
현대의 물 관리 시스템은 주로 저수지에 저장된 물을 기반으로 합니다. 많은 저수지를 건설하는 것이 물 공급의 안정성을 증가시키지만, 환경 문제에 대한 우려와 지방 정부 간의 이해관계 상충으로 인해 새로운 대형 저수지를 건설하는 것은 어렵다. 이러한 상황에서 가뭄 모니터링, 가뭄 예측, 최적의 댐 운영 및 수자원 관리와 같은 비구조적 방법은 가뭄에 대처하고 가뭄 피해를 완화하는데 매우 중요하다. 따라서 이 연구는 저수지, 특히 생·공용수를 공급하는 댐에 대한 가뭄 대처 능력을 향상시킬 수 있는 방법의 개발에 중점을 두었다. 주요 연구 주제로는 확률론적 저수량 예측모델 개발(PSPM and reverse PSPM), 가뭄 시 댐 운영 방안 개발 방법 제시 및 댐 유입량 가뭄지수(DIDI) 개발이다.
PSPM은 유입량의 불확실성을 고려하여 현재의 저수량을 기반으로 향후 댐 저수량의 확률 분포를 시간의 변화에 따라 추정할 수 있는 모델이다. PSPM은 미래의 물 부족 위험에 대한 정량적 정보를 확률 값으로 제공할 수 있기 때문에 심각한 물 부족의 위험을 명확하게 제공할 수 있으며, 용수공급 감축 시의 효과를 확률 분포의 변화로 명확하게 확인할 수 있다. 이러한 정보는 용수공급 감축에 대한 사회적 합의를 쉽게 도출하는데 도움을 줄 수 있으며, 가뭄 지역의 주민들에게 물 절약을 유도 할 수 있다.
rev-PSPM은 미래의 특정 저수량을 달성하는 확률 분포를 제공한다. 목표 저수량을 달성하는 일정 확률의 저수량을 기반으로 하는 hedging rule을 수립에 유용하게 활용된다. rev-PSPM을 활용하여 hedging rule을 수립 할 때 용수관리자는 경험적 판단을 최대한 반영할 수 이으며, 복잡한 수학적 모델이나 상용 소프트웨어 없이 hedging rule을 수립 할 수 있다.
가뭄 지수는 일반적으로 가뭄 진행 상황을 모니터링하고 가뭄의 심각성을 정량화하는 데 사용된다. 또한 가뭄 대응 계획을 수립하기 위해 다양한 가뭄 지수가 개발되었다. 그러나 사람들이 느끼는 가뭄의 정도와 가뭄 지수가 나타내는 가뭄의 정도 간의 차이가 때로는 상당히 크다. 왜냐하면 일반적인 가뭄 지수는 강수량, 유출량, 토양 수분 및 지하수와 같은 많은 수문 현상이 평균에 비해 얼마나 부족한지를 평가하기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 Standardized Precipitation Index (SPI), Surface Water Supply Index (SWSI), Palmer Drought Severity Index (PDSI)와 같은 전형적인 가뭄 지수와 비교하여 댐의 급수 감축 지점에 매우 정확하게 일치하는 댐 유입량 가뭄 지수 (DIDI)를 개발하였다. 가뭄은 홍수와 달리 진행이 느리기 때문에 급수 시스템의 특성을 적절하게 반영할 수 있는 가뭄 지수는 가뭄 대처와 가뭄 피해 완화에 기여할 것이며, DIDI는 댐 유역의 가뭄을 효과적으로 탐지 할 수 있는 가뭄 모니터링 도구로 사용될 수 있다.
본 연구는 충주댐을 대상으로 PSPM, rev-PSPM, DIDI의 유용성을 분석하였다. Hedging rule 수립을 위해 rev-PSPM을 적용했을 때 reliability는 기존의 용수공급조정기준 보다 0.36% 감소했지만 resiliency는 30.89% 향상되었고 vulnerability는 10.05% 향상되었다. 또한 standard operation policy(SOP)와 비교하여 reliability는 9.47% 감소했지만 resiliency는 3.31% 향상되었으며, vulnerability는 65.74% 향상되었다. DIDI는 충주댐의 용수공급 감축 시점을 정확하게 반영하였으며, DIDI의 ROC 점수는 0.93으로 SWSI, SPI(3), SPI(6), SPI(9), SPI(12)보다 0.26, 0.33, 0.22, 0.16, 0.17 높은 결과를 나타내었다.
가뭄을 준비하고 대응하기 위해 적절한 댐 운영 계획을 수립하고, 현재 및 미래의 물 부족에 대한 이해하기 쉬운 정보를 제공하고, 물 부족에 대한 가능성을 예측하는 가뭄 모니터링은 무엇보다 중요하다. 본 연구에서 제안한 방법을 통해 댐의 용수관리자의 의견을 반영하고 댐 유입의 불확실성을 고려한 댐 운영 규칙을 쉽게 수립할 수 있다. 한다. 또한 물 부족 위험에 대한 명확한 정보를 제공하여 용수관리를 위한 의사결정에 도움을 주고, 가뭄 기간 중 물을 절약하도록 유도할 수 있으며, DIDI는 물 부족을 초래하는 가뭄 진행 상황을 모니터링 할 수 있다. 과거부터 현재 그리고 미래에 대한 끊임없는 가뭄 정보를 제공 할 수 있다. 이러한 정보는 물 관리자뿐만 아니라 가뭄 관련 기관 및 물 사용자의 가뭄 대응을 위한 의사 결정에 도움을 줄 것이다.