논은 우리나라 총 면적의 12%를 차지하며, 인간활동이 이루어지는 토지이용 중 가장 많은 면적으로 비점오염분야에서 중요한 의미를 가진다. 논은 시비가 이루어지기 때문에 논표면수의 수질변화 폭이 매우 커 지표배수가 이루어지는 시점에 따라 논에서의 부하량에 큰 영향을 미치기 때문에 논에서의 오염부하량산정과 최적관리기법개발에 있어 획일적인 원단위 적용에는 한계가 있다. 뿐만 아니라 기존에 개발된 유역모형의 대부분은 논을 포함하고 있지 않거나 포함하더라도 논에서의 충분한 기작을 모의할 수 없어 우리나라의 적용에 있어서 제한점을 가지므로 앞으로의 합리적인 오염총량제 적용을 위해서는 논모형의 개발이 절실하다. 그러나 논은 담수라는 기능을 가지므로 유역모형과 같은 물리적인 반응보다는 수질모형과 같은 생화학적 반응이 우세하리라 판단된다. 논을 하나의 얕은 호소로 간주하여 호소모형의 적용이 가능하나 이를 위한 수많은 인자 결정에 많은 어려움이 있을 것으로 판단된다. 그러나 논에서의 영농활동은 거의 유사한 시기에 해마다 반복적으로 일어나며, 동일한 양과 형태의 시비가 이루어지며 완전낙수에 의해 다음해의 수질에 영향을 거의 미치지 않으므로. 오히려 간단한 반응공식으로도 충분한 해석이 가능하리라 판단된다. 본 연구에서는 이러한 형태의 영농활동이 이루어지는 논에서의 시비와 바닥에서의 용출에 의한 영향을 dirac deltal function과 continuous source function을 이용하여 모형을 개발하여 지하수관개지역과 지표수관개지역을 대상으로 보정 및 검증결과 높은 적용가능성을 나타내었다. 앞으로의 연구방향은 논에서의 장기적인 모니터링과 여러 지역의 적응을 통한 논 모형의충분한 검증을 실시함으로써, 논에서의 오염부하량 산정과 BMPs개발 뿐 아니라, 기존의 유역모형에 연결함으로써 우리나라 오염총량제의 합리적인 적용이 이루어져야 할 것으로 판단된다.
논은 우리나라 총 면적의 12%를 차지하며, 인간활동이 이루어지는 토지이용 중 가장 많은 면적으로 비점오염분야에서 중요한 의미를 가진다. 논은 시비가 이루어지기 때문에 논표면수의 수질변화 폭이 매우 커 지표배수가 이루어지는 시점에 따라 논에서의 부하량에 큰 영향을 미치기 때문에 논에서의 오염부하량산정과 최적관리기법개발에 있어 획일적인 원단위 적용에는 한계가 있다. 뿐만 아니라 기존에 개발된 유역모형의 대부분은 논을 포함하고 있지 않거나 포함하더라도 논에서의 충분한 기작을 모의할 수 없어 우리나라의 적용에 있어서 제한점을 가지므로 앞으로의 합리적인 오염총량제 적용을 위해서는 논모형의 개발이 절실하다. 그러나 논은 담수라는 기능을 가지므로 유역모형과 같은 물리적인 반응보다는 수질모형과 같은 생화학적 반응이 우세하리라 판단된다. 논을 하나의 얕은 호소로 간주하여 호소모형의 적용이 가능하나 이를 위한 수많은 인자 결정에 많은 어려움이 있을 것으로 판단된다. 그러나 논에서의 영농활동은 거의 유사한 시기에 해마다 반복적으로 일어나며, 동일한 양과 형태의 시비가 이루어지며 완전낙수에 의해 다음해의 수질에 영향을 거의 미치지 않으므로. 오히려 간단한 반응공식으로도 충분한 해석이 가능하리라 판단된다. 본 연구에서는 이러한 형태의 영농활동이 이루어지는 논에서의 시비와 바닥에서의 용출에 의한 영향을 dirac deltal function과 continuous source function을 이용하여 모형을 개발하여 지하수관개지역과 지표수관개지역을 대상으로 보정 및 검증결과 높은 적용가능성을 나타내었다. 앞으로의 연구방향은 논에서의 장기적인 모니터링과 여러 지역의 적응을 통한 논 모형의충분한 검증을 실시함으로써, 논에서의 오염부하량 산정과 BMPs개발 뿐 아니라, 기존의 유역모형에 연결함으로써 우리나라 오염총량제의 합리적인 적용이 이루어져야 할 것으로 판단된다.
Water quality model applicable paddy field was developed using field experiment during 1999 ${\sim}$ 2002. This model involves inputs from fertilization and sediment release as dirac delta function and continuous source function, respectively, and can simulate various processes such as po...
Water quality model applicable paddy field was developed using field experiment during 1999 ${\sim}$ 2002. This model involves inputs from fertilization and sediment release as dirac delta function and continuous source function, respectively, and can simulate various processes such as ponded depth, surface drainage, total nitrogen concentration and total phosphorus concentration in a daily basis. The model was calibrated using data collected from field experiments which was irrigated with ground water and validated from field experiments which was irrigated with surface water. The nutrient concentration of surface water depended on the fertilization and dirac delta function can efficiently explain the valiance of nutrient concentration of surface water by fertilizer. As a result of calibration and validation, this model demonstrates good agreement. The model fit efficiencies ($R^2$) of ponded depth, surface concentration of TN and TP were 0.93,0.98 and 0.95, respectively for calibration, and those of TN and TP were 0.99 and 0.70, respectively for validation. We can apply lake and reservoir model to analysis paddy field considered with shallow ponded system, but it will need so many parameters and have much uncertainty. Fortunately, paddy field have a series of cultural practices yearly basis, such as irrigation-fertilization-forced drain-harvest with a similar time , so simple model may explain the mechanism for paddy field. Water quality model for paddy field developed in this study is simply, needs little parameters, but appeared high applicability to evaluate paddy filed drainage. We recommend this model to estimate nutrient loading from paddy field and establish best management practice.
Water quality model applicable paddy field was developed using field experiment during 1999 ${\sim}$ 2002. This model involves inputs from fertilization and sediment release as dirac delta function and continuous source function, respectively, and can simulate various processes such as ponded depth, surface drainage, total nitrogen concentration and total phosphorus concentration in a daily basis. The model was calibrated using data collected from field experiments which was irrigated with ground water and validated from field experiments which was irrigated with surface water. The nutrient concentration of surface water depended on the fertilization and dirac delta function can efficiently explain the valiance of nutrient concentration of surface water by fertilizer. As a result of calibration and validation, this model demonstrates good agreement. The model fit efficiencies ($R^2$) of ponded depth, surface concentration of TN and TP were 0.93,0.98 and 0.95, respectively for calibration, and those of TN and TP were 0.99 and 0.70, respectively for validation. We can apply lake and reservoir model to analysis paddy field considered with shallow ponded system, but it will need so many parameters and have much uncertainty. Fortunately, paddy field have a series of cultural practices yearly basis, such as irrigation-fertilization-forced drain-harvest with a similar time , so simple model may explain the mechanism for paddy field. Water quality model for paddy field developed in this study is simply, needs little parameters, but appeared high applicability to evaluate paddy filed drainage. We recommend this model to estimate nutrient loading from paddy field and establish best management practice.
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문제 정의
본 연구에서는 경기도 여주군의 지하수 관개논의 2001년에서 2002년 영농기간 동안의 모니터링 자료와 전라북도 진안군의 지표수 관개논의 1999년에서 2000년 영농기간 동안의 모니터링 자료를 이용하여 논에서의 유출량 및 수질을 예측할 수 있는 모형을 개발함으로써 우리나라의 비점오염분야 및 오염총량관리에 도움을 주고자 한다.
매우 중요하다. 본 연구에서는 시비와 침전물에서의 용줄효과를 Dirac delta function고과 continuous source function으로 해석하였으며, 모형의 보정 및 검증 결과모형의 높은 적용가능성을 나타내어 논에서의 비점 오염부하량 산정과 BMPs개발에 적극적으로 검토할 필요가 있다고 판단된다.
그러나 논에서의 영농활동은 거의 유사한 시기에 해마다 반복적으로 일어나며, 동일한 양과 형태의 시비가 이루어지며 완전 낙수에 의해 다음해의 수질에 영향을 거의 미치지 않으므로 오히려 간단한 반응공식으로도 충분한 해석이 가능하리라 판단된다. 본 연구에서는 이러한 형태의 영농활동이 이루어지는 논에서의 시비와 바닥에서의 용출에 의한 영향을 dirac deltal function고과 continuous source func- tion을 이용하여 모형을 개발하여 지하수 관개지역과 지표수 관개지역을 대상으로 보정 및 검증결과 높은 적용 가능성을 나타내었다. 앞으로의 연구방향은 논에서의 장기적인 모니터링과 여러 지역의 적용을 통한 논 모형의 충분한 검증을 실시함으로써, 논에서의 오염부하량 산정과 BMPs 개발 뿐 아니라, 기존의 유역모형에 연결함으로써 우리나라 오염총량제의 합리적인 적용이 이루어져야 할 것으로 판단된다.
가설 설정
논에서의 영양물질의 주요 공급원은 비료와 바닥에서의 용출로 가정하였다.
논은 완전혼합반응조 (Continuously Stirred Tank Reactor; CSTR)로 가정하였다.
제안 방법
위의 식을 이용하여 Fortran 프로그램으로 모형을 개발하였으며, 본 모형의 적용성을 평가하기 위하여 지하수 관개지역의 20이에서 2002년 동안 실측자료와 지표수 관개지역의 1999년에서 2000년 동안 실측된 자료를 이용하여 담수심, 지표유출고, TN과 TP의 표면수 농도에 대하여 보정 및 검증을 각각 실시하였다. 모형에 의한 예 측치의 정 량적 인 평가를 위하여 평균오차 (AE), root mean square error (RMSE, %), root mean square (RMS, %)와 Model fit efficiency (Nash-Sutcliffe coefficient, EF) 등과 같은 통계적 인 분석을 실시하였다.
연구기간동안 영농활동은 Table 1과 같다. 지하수 관개 논의 투여된 시비량은 농업과학기술원 고시 표준시비량을 따랐으며, 인과 칼륨은 전량 기비에 투여되었고, 질소는 기비, 이삭비, 분얼비로 각각 나누어 투여하였다. 지하수 관개논의 공시품종은 일품벼로써 5월 말경에 재식거리 15 X 30cm, 1주 당 3본씩 기계 이앙을 실시하였다.
1과 같다. 지하수 관개 필지논과 지표수 관개 필지논의 면적은 각각 2, 520 m2, 5,000 m2 으로써 시험구의 유입구와 유출구에 각각 가로 30 cm,세로 22 cm의 사각 weir를 설치하여 물꼬 높이를 조절하였으며 윗논에서의 유입과 지표유출량을 측정하였고, 지하수 관개 필지논의 경우 시험구내 자동수위계를 설치하여 논에서의 담수심과 관개수량을 측정하였으며, 직경 22 cm의 침투량계와 침투수 시료채취용 ceramic porus cup을 이용하여 침투수량 및 부하량을 측정하였다.
지하수 관개 논의 투여된 시비량은 농업과학기술원 고시 표준시비량을 따랐으며, 인과 칼륨은 전량 기비에 투여되었고, 질소는 기비, 이삭비, 분얼비로 각각 나누어 투여하였다. 지하수 관개논의 공시품종은 일품벼로써 5월 말경에 재식거리 15 X 30cm, 1주 당 3본씩 기계 이앙을 실시하였다.
대상 데이터
건국대 학교 부속농장 (경 기 도 여 주군 가남면소재)을 선정하여 지하수 관개 필지논과 전라북도 진안군 마령면 평지리에 위치한 지표수 관개 필지논의 모니터링 자료를 축적하였으며 Fig. 1과 같다. 지하수 관개 필지논과 지표수 관개 필지논의 면적은 각각 2, 520 m2, 5,000 m2 으로써 시험구의 유입구와 유출구에 각각 가로 30 cm,세로 22 cm의 사각 weir를 설치하여 물꼬 높이를 조절하였으며 윗논에서의 유입과 지표유출량을 측정하였고, 지하수 관개 필지논의 경우 시험구내 자동수위계를 설치하여 논에서의 담수심과 관개수량을 측정하였으며, 직경 22 cm의 침투량계와 침투수 시료채취용 ceramic porus cup을 이용하여 침투수량 및 부하량을 측정하였다.
데이터처리
대하여 보정 및 검증을 각각 실시하였다. 모형에 의한 예 측치의 정 량적 인 평가를 위하여 평균오차 (AE), root mean square error (RMSE, %), root mean square (RMS, %)와 Model fit efficiency (Nash-Sutcliffe coefficient, EF) 등과 같은 통계적 인 분석을 실시하였다. EF는 예측치와 실측치의 1 : 1 plot에서의 근접정도를 나타내며 AE, RMSE, RMS, EF의 가장 이상적인 값은 0, 0, 0, 1 이다.
이론/모형
증발량 산정에는 Penman-Montheith (Monteith, 1965)에 의해 산정된 잠제증발산량에 벼의 작물계수 (Kc) (김 등, 1994)를 곱하여 실제증발산량을 산정하였으며, 지표유출량과 침투량은 수심에 대한 계수를 곱하여 산정하였는데, 각각의 공식은 다음과 같다.
성능/효과
논을 하나의 얕은 호소로 간주하여 호소모형의 적용이 가능하나 이를 위한 수많은 인자 결정에 많은 어려움이 있을 것으로 판단된다. 그러나 논에서의 영농활동은 거의 유사한 시기에 해마다 반복적으로 일어나며, 동일한 양과 형태의 시비가 이루어지며 완전 낙수에 의해 다음해의 수질에 영향을 거의 미치지 않으므로 오히려 간단한 반응공식으로도 충분한 해석이 가능하리라 판단된다. 본 연구에서는 이러한 형태의 영농활동이 이루어지는 논에서의 시비와 바닥에서의 용출에 의한 영향을 dirac deltal function고과 continuous source func- tion을 이용하여 모형을 개발하여 지하수 관개지역과 지표수 관개지역을 대상으로 보정 및 검증결과 높은 적용 가능성을 나타내었다.
5와 같다. 논에서의 담수심은 강우와 관개에 의해 유지되었으며, 지표유출은 낙수와 강우유출에 의해 발생하였다. 지표수 관개논의 경우 영농기간 동안 꾸준히 관개수가 공급되었으며 유출의 빈도가 상대적으로 많은 반면, 지하수 관개논의 경우 영농초기의 3~4회의 관개에 의해 담수심이 유지되었으며, 지표유출의 경우 발생빈도가 낮았으며 강우에 의한 지표유출은 20이년과 2002년 모두 총 2회만 발생하였으며, 낙수에 의한 유출은 2001년에 두 번, 2002년에 한 번 각각 발생하였다.
그리고, 윤 등 (2001, 2002)은 오수처리수의 농업용수 재 이용에 대한 가능성을 제시한 바 있다. 논에서의 오염부하 모니터링 결과는 기상조건과 관리 방법 및 수원공에 따라 그 결과가 상이함을 알 수 있다.
비교적 물이 풍부한 지표수관개논의 경우 5월에서 8월까지 꾸준히 관개가 이루어졌으나, 물이 부족한 지하수의 경우 첫 두 달동안만 관개가 이루어졌으며, 그 이후에는 강우와 윗논유입에 의해 담수심이 유지되었으며 중간낙수 이후의 관개는 강우에 의존하는 것으로 나타났다. 따라서 관개량은 지하수 관개논에 비해 지표수 관개논이 비교적 많은 양을 나타내었으며 이는 지표수 관개논의 높은 침투량에 대한 소비수량의 증가에 영향과 물이 부족한 지하수 관개 논의 효율적인 물꼬 관리가 주 요인으로 판단된다.
해석하는데 많이 사용된다. 비료의 유입 또한 일시적으로 다량의 영양물질이 유입되므로 delta 함수로써 시비에 의한 농도변화에 모의가 가능할 것으로 판단하였다. Delta 함수는 t=0에서 무한히 길고 얇은 선의 형태를 가지며 면적은 1이 된다.
유출계수는 비교적 높은 값인 0.80을 가짐으로써 대상 지역의 지체시간이 매우 짧은 것으로 나타났다. TN의 기비, 분얼비, 이삭비에 대한 시비부하상수의 범위는 (m1, m2, m3)는 각각 20~46 kg/ha, 17~33 kg/ha, 9~ 19kg/ha로 나타나 실제 투입된 양과 차이를 나타내었으나 대부분의 경우 시비가 이루어지고 일정 시간이 지난 후 수질측정이 이루어졌으며, 시비가 이루어진 날을 기준으로 수질모니터링 이 이루어진 지하수 관개논의 경우 각각 46 kg/ha, 34 kg/ha, 19 kg/ha를 나타내어 실제투입 된 양인 55 kg/ha, 33 kg/ha, 22kg/ha와 유사한 범위의 값을 나타내었다.
논에서의 담수심은 강우와 관개에 의해 유지되었으며, 지표유출은 낙수와 강우유출에 의해 발생하였다. 지표수 관개논의 경우 영농기간 동안 꾸준히 관개수가 공급되었으며 유출의 빈도가 상대적으로 많은 반면, 지하수 관개논의 경우 영농초기의 3~4회의 관개에 의해 담수심이 유지되었으며, 지표유출의 경우 발생빈도가 낮았으며 강우에 의한 지표유출은 20이년과 2002년 모두 총 2회만 발생하였으며, 낙수에 의한 유출은 2001년에 두 번, 2002년에 한 번 각각 발생하였다. 모형의 예측결과 담수심이 실측된 지하수 관개논의 경우 적확한 담수심 예측을 통한 신뢰성 있는 유출고 예측이 가능하였다.
과 같다. 지하수 관개논에 대한 보정결과 담수심과 TN, TP 농도 예측에 대한 평균오차는 각각 0.81 mm, -0.11 mg/L, -0.06 mg/L였으며, 모형 효율 (EF)는 각각 0.93, 0.98, 0.95를 나타내었으며, 지표수 관개논에 대한 검증결과 TN, TP 농도 예측에 대한 평균오차는 각각 -0.53 mg/L, 0.02 mg/L였으며, 모형효율 (EF)는 각각 0.99, 0.70으로 나타나 본 연구에서 개발된 모형의 높은 적용 가능성을 나타내었다.
논 표면수의 영양물질 농도는 비료에 의해 크게 영향을 받는 것으로 나타났다. 특히 다량의 시비가 이루어지는 영농초기의 기비에 의해서 높은 TN과 TP 농도를 나타내었으며 시비 투여이후 농도는 급속히 감소하는 것으로 나타나 전형적인 Dirac delta 함수를 나타내었다. 인의 경우 영농초기 기비에 의해 전량이 투여되기 때문에 5월달에 높은 농도를 나타내었으나, 질소의 경우 기비, 이삭비, 추비로 각각 나누어 투여되기 때문에 최소한 5월과 6월달까지는 높은 농도를 나타내었다.
후속연구
(2003)은 외국에서 개발된 CREAMS와 GLEAMS모형을 수정하여 논에서의 부하량을 예측할 수 있는 모형을 개발하였으나, 이들 모형은 수많은 입력자료를 필요로 한다. 그러나, 논에서의 영농활동은 유사한 기간에 해마다 반복적으로 이루어지며, 특히 주 유입원인 비료는 동일한 형태의 동일한 양이 투입되기 때문에 보다 간단한 반응공식으로도 예측이 가능할 것으로 판단된다. USLE와 같이 간단하면서도 적용성이 인정된 모형 이 세계적으로 널리 이용되고 있는 만큼, 손쉽게 적용할 수 있는 범용성 있는 모형개발 또한 중요할 것으로 생각된다.
(Eom, 2001; Lee, 2001; 권 2002). 따라서, 합리 적인 오염총량제 적용에 의한 수질개선효과를 기대하기 위해서는 논에서의 유출특성 파악이 선행되어야 한다.
본 연구에서는 이러한 형태의 영농활동이 이루어지는 논에서의 시비와 바닥에서의 용출에 의한 영향을 dirac deltal function고과 continuous source func- tion을 이용하여 모형을 개발하여 지하수 관개지역과 지표수 관개지역을 대상으로 보정 및 검증결과 높은 적용 가능성을 나타내었다. 앞으로의 연구방향은 논에서의 장기적인 모니터링과 여러 지역의 적용을 통한 논 모형의 충분한 검증을 실시함으로써, 논에서의 오염부하량 산정과 BMPs 개발 뿐 아니라, 기존의 유역모형에 연결함으로써 우리나라 오염총량제의 합리적인 적용이 이루어져야 할 것으로 판단된다.
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