It is very likely that climate change would negatively affect natural ecosystems and urban environments. Particularly, water resources management has greater vulnerability than other areas because related infrastructure has the high level of exposure to climate change and a long lifespan. This strongly requires water engineers to prepare for climate change in advance. Nevertheless, most studies have rather dwelled on impact assessments about hydrological events and have not sufficiently conducted vulnerability tests or adaptation studies.
This situation is caused by the high uncertainty in climate change and messages hinder engineers from devising adaptation options. Indeed, these messages about the distant future are lack of deterministic or probabilistic bases. They state that engineers should set the goal at improving adaptive capacity of the current water resources management, and large efforts to improve methods are needed not to underestimate the uncertainties inherent in the message.
To improve the adaptive capacity efficiently in the face of climate change, it is necessary to obtain information about climate change vulnerability. Assessment methods for vulnerability of climate change could be categorized with two approaches; index-based approach and simulation-based approach. The first has capability to analyze vulnerability over broad areas or various fields. Therefore, it should be noted that index-based approach is effective in comparing relative vulnerability and solving the budget allocation problem for preparing for the anticipated climate sensitivities and potential impacts. However, it is obvious that as long as this approach and model are taken serious, there are significant limits in measuring the magnitude of vulnerability, and evaluating specific adaptation options. By contrast, the latter has a strong merit to evaluate specific adaptation options quantitatively, given the water resources management system as an object of study. Nevertheless, the existing models for this approach have not handled adaptive capacity, an essential for adaptation studies. In these regards, this study attempts to describe the adaptation mechanism, i.e. the system structure found in the real water resources management that is faced by unexpected (climate and socio-economic) scenarios and if less adaptive, shows vulnerability (or the damage cost).
In particular, a methodology is suggested to express the adaptive mechanism with considering the complex relationship among system components that are effected by climate change. For this, this study develops the KAIST climate change adaptive planning method after deriving required components of planning for climate change adaptation. The required components for climate change adaptive planning are; consideration of uncertainty, flexibility of setting up the system boundary, analysis of the complex relationship among components, promotion of effective communication, simulation of the system homeostasis, freedom of What-if test and capability of scientific verification. Through defining the system boundary including social, economic and material factors, the KAIST climate change adaptation model is capable to consider various elements of the system. The model defines adaptation as a feedback control system and considers the mechanism of maintaining system homeostasis. System dynamics tool in the model can make it possible to analyze the complex relationship among the components of the system, enhance the promotion of effective communication and accomplish scientific verification and free What-if test.
In Chapter 4, to verify the applicability of KAIST climate change adaptation model, case study is conducted to the Gwangdong revervoir basin in GyeongGi-Do which has experienced severe drought in 2009. First, this study defines a total of 48 future scenarios, combining 6 future inflow scenarios and 8 future water requirement scenarios. KAIST climate change adaptation model was proved to be useful to quantitatively analyze climate change vulnerability while improving understanding of the adaptive mechanism that the drought management system has. The case study resulted in the findings that great damage due to water scarcity would occur since the 2020s, and also catastrophes, whose damage is four times greater than in the 2009 Taebaek accident, would likely occur in the 2050s. In addition, it was examined whether or not a soft solution (earlier control of water lever) would be effective under the future scenarios different from the past. As the result of what-if tests, the solution was anticipated to be very effective to deal with the water scarcity vulnerability occurring in the near future, but insufficient, approaching the 2050s.
Chapter 5 summarizes the study and presents further studies. Many Korean reservoirs including the Youngchoen reservoir, the Gachang reservoir, and the Suoe reservoir are under the situations similar to the Gwangdong. For each reservoir, it is found that its storage capacity is small, its operation is overly dependent upon past experiences, water losses in the distribution pipes are great, and dependency on a water source is high. Worrying about climate change impacts, reservoir operators have continued to insist upon capacity expansion, which was strongly opposed by residents and NGOs. In these situations, this study contends that such reservoirs should be analyzed nationwide with respective to climate change vulnerabilities, and that related engineers should be given more quantitative and practical tools like the KAIST climate change adaptation model.
기후변화에 적응하기위한 연구와 정책수립이 활발하게 이루어지고 있다. 그러나, 현재까지의 기후변화 연구는 영향평가의 단계에 머무르고 있으며, 효과적인 적응 정책을 도출하기 위해서는 정량적인 취약성 평가 모델의 개발이 필요한 실정이다. 또한, 취약성 평가 모형은 사회적 공감형성을 용이하게 하기 위하여, 이해하기 쉬워야 하며, 공학적인 대안 도출을 지원할 수 있어야 한다. 취약성이 적응후에도 남는 피해 혹은 혜택이라는 개념이라는 것을 고려할 때, 취약성 평가 모형은 적응 기작이 명시적으로 고려되어야 한다.
기후변화 취약성 평가방법은 크게 두가지로 나눌수 있다. 기존의 영향평가 결과치나 통계자료 분석 결과의 이용가능성을 감안하여 대용 변수(proxy variables)를 이용한 방법과 시뮬레이션 기법을 활용하여 평가하는 방법으로 나눌 수 있다. 대용지표를 이용한 방법은 넓은 지역이나 다양한 분야의 기후변화 취약성을 한꺼번에 분석할 수 있다. 그러나, 구체적인 대안별 효과에 대한 정보를 제공하지 않아, 엔지니어링으로의 활용에는 한계를 가지고 있다. 시뮬레이션을 이용한 방법은 수문영향, 물 수요, 가뭄 피해 등을 구분해서 산정함으로써, 요소들간의 유기적 관계성의 분석에 한계를 가지고 있으며, 적응형 관리에서 중요하게 다루어지는 정보의 흐름 및 운영자의 행동모형과 같은 관리기작을 명시적으로 표현하지 못하고 있다.
이러한 배경하에서, 본 연구는 기후변화로 영향받는 시스템 요소들간의 유기적 관계성을 고려하며, 적응기작을 명시적으로 표현하는 방법론을 이용하여 계획할 수 있는 방법론을 연구하였다. 이를 위하여, 기후변화 적응 계획에 필요한 요소들을 도출하고, 이를 반영할 수 있는 방법론을 구축하고, 이러한 방법론을 KAIST 기후변화 적응 계획법으로 명명하였다.
기후변화 적응 계획에 필요한 요소들로는 불확실성 고려, 시스템 경계 설절의 자유로움, 요소들간의 유기적 관계성 분석, 커뮤니케이션의 용이성, 시스템 항상성 기작의 모사, What-if Test의 자유로움, 과학적 검증이 가능해야 한다. 이러한 요소들은 시스템 경계를 물질, 사회, 경제적 인자를 포함하여 정의함으로써, 시스템 내의 다양한 요소들이 고려될 수 있으며, 피드백 제어 시스템으로서 적응을 정의하고, 이에 따라 분석 모형을 구축함으로써 시스템 항상성 유지 기작을 고려할 수 있다. 시스템 다이나믹스를 이용함으로써 요소들간의 유기적 관계성을 효과적으로 분석할 수 있고, 커뮤니케이션의 용이성을 향상시킬 수 있으며, 자유로운 What-if Test 및 과학적 검증을 수행할 수 있다. 이와 같은 방법론을 KAIST 기후변화 적응 계획법으로 명명하였다.
즉, KAIST 기후변화 적응 계획법은 기후변화 적응 계획 수립을 위해 기후변화에 영향받는 인프라 시스템에 대하여 시스템이 가진 적응기작에 초점을 맞춰 시스템을 정의하고, 시스템 다이나믹스를 이용하여 시스템의 항상성을 분석하는 계획 방법이다. KAIST 기후변화 적응 계획법은 분석 목적의 정의, 시스템 경계 정의, 제어 기작에 근거한 시스템 구성, 모델 검보정, 대안의 도출, 대안의 평가 및 선정의 단계로 구성되어 진다. 구축된 방법론은 광동댐 유역의 갈수기 물공급 시스템을 대상으로 사례연구를 수행하여 적용성을 검증하였다.
외부 교란 시나리오는 기후변화에 의한 저수지 유입량 영향과 사회, 경제적 변화에 의한 수요량 변동을 고려하여 모두 48개의 시나리오를 작성하였으며, 이에 대한 취약성을 분석하였다. 갈수기 물공급 시스템은 KAIST 기후변화 적응 계획법의 적응 기작에 따라 시스템이 정의될 수 있었다. KAIST 기후변화 적응 계획법은 기후변화로 인한 불확실성을 왜곡하지 않으면서, 현재의 취약성 및 대안의 효과에 대한 정보를 정량적으로 제공함으로써, 갈수기 물공급 시스템의 취약성을 평가하는데 유용하였다.
사례 연구 결과, 광동댐 유역은 2020년대 부터는 물부족으로 인해 감당하기 힘든 매우 큰 피해가 발생할 수 있다. 2050년대에 이르면, 2009년 물부족 사태 보다 4배 이상의 파국이 발생할 수 있다. 또한, 이러한 피해를 저감시키기 위한 저수지 조기 조절안을 검토하였다. 저수지 수위의 조기 조절안은 과거와 다른 수문 및 수요 변화의 상황하에서는 취약성이 그다지 크지 않은 장래 시나리오에서는 매우 효과적이었으나, 심각한 취약성을 내포한 시나리오에서는 해당대안이 피해를 크게 줄이지는 못하였다. 현재의 취약성을 줄이기 위해서는 추가적인 대안의 고려가 필요한 것으로 판단된다.
