본 연구의 목적은 안성천 유역(1,658.66 km2)을 대상으로 SWAT (Soil and Water Assessment Tool)모형을 이용하여 향후 미래 기후 변화 평가에 있어, 미래의 토지이용변화를 동시에 고려하여 수문학적 거동 및 수질의 영향 분석 후 취약성을 평가하고자 하였다. 미래 기후변화 시나리오는 HadGEM3-RA의 RCP(representative concentration pathway) 4.5 및 8.5 시나리오를 이용하여 2020s(2011－2040년), 2050s(2041－2070년) 및 2080s (2071－2100) 기간으로 나누어 적용하였다. 미래 토지이용변화는 CLUE-s (Conservation of Land Use and its Effects at Small regional extent)모델을 사용하여 2020년부터 2100년까지 예측되었다. 기준년(1976－2005년) 대비 미래 강수량은 RCP 4.5의 2020s기간에 1.7%증가하고, 2050s 기간에 최대 33.3%까지 증가, 기온의 경우 RCP 8.5의 2020s기간에 1.8 ℃증가하여 2050s 기간에 최대 5.1 ℃까지 상승하는 것으로 예측되었다. 미래 토지이용변화는 2100년에 도시면적이 42.0%(333.0 to 473.0 km2)증가, 농경지 면적이 22.2%(654.0 to 509.0 km2)감소 하는 것으로 예측되었다.
SWAT 수문 검보정은 15년(2002－2016년)동안의 안성천 유역의 중앙에 위치한 공도관측소 일유량 자료를 이용하였으며, 수질 검보정 또한 안성천2 관측소의 SS(suspended solid), T-N(total nitrogen) 그리고 T-P (total phosphorus) 자료를 적용하였다. 본 연구에서는 장기간의 가뭄상태에 따른 모델의 저유량 영향을 분석하기 위하여 심한 가뭄 기간인 3년(2014－2016년)의 유량자료에 초점을 맞추어 보정을 실시하였다. SWAT에서 장기간의 가뭄에 영향을 미치는 중요한 매개변수로 수문 관련 매개변수는 CN2(SCS curve number for moisture condition), SOL_K (saturated hydraulic conductivity) 그리고 SLSOIL(slope length of lateral subsurface flow)이었으며, 수질 항목 중에서도 T-N과 관련된 매개변수는 N_UPDIS(nitrogen uptake distribution parameter) 및 CMN (rate factor for humus mineralization of active organic nutrients)이었다. 수문 검보정 결과 유역 평균 R2 그리고 모델 효율 NSE(Nash-Sutcliffe model efficiency) Q 및 1/Q은 0.67, 0.84 및 0.75이었으며, 수질 검보정 결과 SS, T-N 및 T-P의 평균 R2는 0.71, 0.66 그리고 0.63으로 나타났다.
미래 기후변화 시나리오만을 적용한 결과, RCP 8.5의 2020s 여름기간(6~8월)에 대하여 총유출(TQ)이 10.3% 감소하면서, 지표유출(SQ) 및 중간유출(LQ)이 2.1% 및 10.0%로 각각 감소하였으며, 수질 항목으로 SS, T-N 및 T-P는 3.0%, 1.4% 및 11.4%로 각각 감소하는 것으로 예측되었다. 한편, 기후 및 토지이용변화를 동시에 적용한 결과 총유출, 지표유출 및 중간유출이 2.0%, 31.7% 및 0.7%로 모두 증가하였고, SS, T-N 및 T-P 또한 18.7%, 1.3% 및 16.9%로 모두 증가하였다. 이와 같은 결과로 불투수성 토지피복의 증가와 농경지 사용 변화가 산림과 같은 다른 토지이용 요소에 영향을 미치는 것을 통하여 기후변화 조건하에 미래의 토지이용변화 요소의 변화가 미래의 유역 수문 및 수질에 영향을 미칠 수 있다는 것을 알 수 있다.
유역의 미래 수문 및 수질에 대한 취약성 분석으로는 기준년도를 주축으로 미래의 예측결과를 비교함으로써 평가되었다. 취약성은 ?1(불량)에서 1(양호)의 범위로 정규화하여 나타내었으며, 결과는 유역단위별로 공간적으로 표현되었다. 수문의 경우 강수량과 총유출량이 평가 요소인 만큼 강수패턴에 지배적인 영향을 받아 취약성의 패턴이 결정되지만 수질의 경우 뚜렷한 공간적인 패턴을 표현하지 못하였으나, 유역의 상황을 파악하기 위해 위험요소를 정량화하고 지수화 함에 따라 기후 및 토지이용 변화로 인한 문제의 우선순위를 결정하고 유역관리의 자료의 하나로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

The purpose of this study is to evaluate the future vulnerability of watershed hydrology and stream water quality affected by the potential climate and land use changes of Anseong-cheon watershed (1,658.66 km2) using SWAT(Soil and Water Assessment Tool). The future climate change scenario is prepared for 2020s(2011－2040), 2050s (2041－2070) and 2080s(2071－2100) using RCP(representative concentration pathway) 4.5 and 8.5 scenarios of HadGEM3-RA.
The future land use change scenario was predicted using the CLUE-s(Conservation of Land Use and its Effects at Small regional extent) model from 2020 to 2100. The 2020s RCP 4.5 precipitation increased 1.7% from the baseline(1976－2005) to increased maximum 33.3% in 2050s RCP 4.5 scenario. The 2020s RCP 8.5 temperature increased 1.8˚C to increased maximum 5.1˚C in 2050s RCP 8.5 scenario. The 2100 land use predicted 42.0% increase (333.0 to 473.0 km2) of urban area and 22.2% decrease (654.0 to 509.0 km2) of agricultural land.
The SWAT was calibrated and validated using 15 years (2002－2016) daily streamflow data at Gong-do station and stream water quality data of suspended solid(SS), total nitrogen(T-N) and total phosphorus(T-P) data near Gong-do station. In this study, the model was especially calibrated focusing on 3 years (2014－2016) streamflow data of very severe drought periods to trace the low flow impact by the long period drought condition. The SWAT important parameters influenced by long-run drought were CN2(SCS curve number for moisture condition), SOL_K(saturated hydraulic conductivity), SLSOIL (slope length of lateral subsurface flow) for watershed hydrologic cycle, and N_UPDIS(nitrogen uptake distribution parameter) and CMN (rate factor for humus mineralization of active organic nutrients) for T-N calibration. The average determination coefficient(R2), Nash-Sutcliffe model efficiency(NSE) for streamflow Q and 1/Q were 0.67, 0.84, and 0.75 respectively. The average R2 of SS, T-N and T-P were 0.71, 0.66 and 0.63 respectively.
For the climate change impact of RCP 8.5 scenario, the 2020s summer season(June to August) total runoff(TQ) was projected to 10.3% decrease with 2.1% and 10.0% decrease of surface runoff(SQ) and lateral flow(LQ), and the SS, T-N and T-P showed 3.0%, 1.4% and 11.4% decrease, respectively. When considering both climate and land use changes impact, the TQ, SQ, and LQ showed increase of 2.0%, 31.7%, and 0.7% respectively. The SS, T-N and T-P showed 18.7%, 1.3% and 16.9% increase respectively. The result shows that the future land use change can largely affect the future watershed hydrology and stream water quality under the future climate change condition with impervious land cover increase and the change of agricultural land use to other land cover such as forest.
The future vulnerability of watershed hydrology and stream water quality was evaluated by comparing the baseline period condition and the future projected results. The vulnerability was normalized as the value from ?1(bad) to 1(good) and the results were represented spatially in sub-watershed scale. Future hydrology is dominantly affected by future precipitation patterns whereas future stream water quality is affected by future land use development and human activities. These results indicate a possible direction for watershed management and adaptation strategy considering both climate and land use changes in the future.