Due to the growing impact of non-point source pollution and limitation of water treatment technology, a new policy of water quality management, called a source protection, is now becoming more important in drinking water supply. The source protection means that the public agency purchases the pollut...
Due to the growing impact of non-point source pollution and limitation of water treatment technology, a new policy of water quality management, called a source protection, is now becoming more important in drinking water supply. The source protection means that the public agency purchases the pollution sensitive area, such as riparian zone, and prohibit locations of point and non-point sources. Many studies have reported that this new policy is more economical in drinking water supply than the conventional one. However, it is very difficult to determine location and size of the pollution sensitive zone in the watershed. In this paper, we presented the scientific criteria for the priority of the pollution sensitive zone, along with a case study of the upstream watershed of the Paldang Reservoir, Han River. This study includes applications of the analytical hierarchy process(AHP) and a watershed-based land prioritization(WLP) model. After major criteria affecting water quality were selected, the AHP and geographic analysis were performed. The WLP model allowed us to include both quantity and quality criteria, using AHP as the multi-criteria method in making decision and reflecting local characteristics and various needs. By adding a travel-time function, which represents the prototype effectively, the results secured adaptability and scientific objectivity as well. As such, the WLP model appeared to provide reasonable criteria in determining the prioritization of land acquisition. If the tested data are used with a validated travel-time and AHP method is applied after further discussion among experts in such field, highly reliable results can be obtained.
Due to the growing impact of non-point source pollution and limitation of water treatment technology, a new policy of water quality management, called a source protection, is now becoming more important in drinking water supply. The source protection means that the public agency purchases the pollution sensitive area, such as riparian zone, and prohibit locations of point and non-point sources. Many studies have reported that this new policy is more economical in drinking water supply than the conventional one. However, it is very difficult to determine location and size of the pollution sensitive zone in the watershed. In this paper, we presented the scientific criteria for the priority of the pollution sensitive zone, along with a case study of the upstream watershed of the Paldang Reservoir, Han River. This study includes applications of the analytical hierarchy process(AHP) and a watershed-based land prioritization(WLP) model. After major criteria affecting water quality were selected, the AHP and geographic analysis were performed. The WLP model allowed us to include both quantity and quality criteria, using AHP as the multi-criteria method in making decision and reflecting local characteristics and various needs. By adding a travel-time function, which represents the prototype effectively, the results secured adaptability and scientific objectivity as well. As such, the WLP model appeared to provide reasonable criteria in determining the prioritization of land acquisition. If the tested data are used with a validated travel-time and AHP method is applied after further discussion among experts in such field, highly reliable results can be obtained.
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문제 정의
제한한다. WLP를 이용한 토지매입 우선순위지수를 모의하기 위해 요인 선정 및 계층구조 구성까지 다루어 실제 토지매입 우선순위설정의 기틀을 마련하고자 한다.
본 연구는 상수원 보호를 위한 토지매입의 우선 순위를결정할 수 있는 과학적 기준을 제시하고자 하였다. 이를위해 수질에 영향을 미치는 주요 요인들을 선정, 다중 요인 의사결정 기법 중 하나인 계층분석법을 통해 그 중요도를 산출하였고 WLP 모델을 적용하여 토지우선순위를 결정하였다.
뿐만 아니라, 1993 년에 일어난 미국 위스컨신주 밀워키 사건에서 소독과 살균을 거친 수처리 시설에서 크립토스포리디움(Cryptospiri- dium)이라는 병원성 원생동물이 발견됨으로 인하여 수처리기술만으로 안전한 수돗물을 보장할 수 없다는 인식이 커지게 되었다(The Trust for Public Land, 1997). 이러한 보고들은 공공수역의 수질을 개선하고 안전한 수돗물을 공급하기 위하여 공학적 처리에 의존하는 기존의 수질관리 정책에 새로운 제도의 필요성을 알려주었다.
가설 설정
최종적으로 산정된 우선순위지수는 하나의 요인이나 특정 지역으로설명할 수 없는데 이처럼 수질에 대해 민감도가 높은 지역이 전유역 걸쳐 존재한다. 6가 변하더라도 우선순위지수에거의 영향이 없음을 확인하였으므로 Fig. 6의 유하시간함수값은 6가 1이라는 가정하에 산정되었다. 또한 Fig.
지표에서의 유하시간은 여기에 유출계수(C)와 전형적 강우강도(1)가, 수체에서의유하시간은 수리반경(Rh)의 인자가 더해져 값이 도출된다. 유하시간함수의 지표유출에 사용된 전형적 강우강도 인자를 구하기 위해 양평군의 9년(1992~ 2000) 강우량 자료를활용하였으며 최빈도의 값으로 분석된 5 mm/hr를 채택하고이를 연구대상지역의 전형적인 강우강도로 가정하였다.
제안 방법
가중치 산출 및 일관성 검정: 전문가선택모델을 위한 자료의 처리 및 분석 과정을 위해서는 계층구조에 따른 분류와 가중치의 산정이 선행되어야 하므로 선행 연구에서 구성된 계층구조에 따라 쌍별비교를 통한 가중치 계산 과일 관성 검정을 거쳐 각 분류에 부여한 가중치를 도출하고 일관성을 판단한다. .
이처럼 수치지형도를추출(extract)하여 수계도와 도로도를 만들었으며 Buffering 과정을 통해 수계 buffer와 도로 buffer를 형성하였다. 나머지는 Fig. 2와 마찬가지로 Grouping, Union, Analysis 등의과정을 통해 분석을 수행하였다.
DEM의 경우, 경사와 함께 각 격자를 독립된 시험포로가정하여 Calculation을 통해 사면길이를 계산해내었으며, 수치지형도를 주줄하여 수계도를 형성시킨 후 수심자료와이를 결합하여 수리반경을 표현하였다. 또한 격자내 유하시간인 지표와 수체 2개의 레이어를 통해 상대적유하시간 레이어를 형성하기 위해 Arc/lnfo의 스크립트 언어인 AML 중 흐름방향(flow direction)과 유하거리(flow length) 명령을적용하였다.
관계 설정은 필수적이다. 본 연구대상 지역에서 중요하게 고려될 수 있는 하천유입구로부터의 거리, 수체인접성, 토지이용도, 개발가능성, 경사도 등을 요인으로 설정하였다. 이 중 하천유입구로부터의 거리는 유하시간함수의 요인으로 고려되었으며, 나머진 AHP 과정에서 요인으로 검토되었다.
대안(alternative)으로 이루어진다. 본 연구에서는 유역에서의 토지매입 우선순위라는 목표를 중심으로 위에서선정된 기준들로 계층구조를 구성하였으며 이를 Fig. 4에제시하였다. 유역 전체를 모의하고 법적, 경제적인 요인을배제하였을 때 팔당 유역의 수질에 영향을 미치는 일반적인 요인으로 수체인접성, 토지이용, 개발가능성, 경사도를선정하였다.
유역 전체를 모의하고 법적, 경제적인 요인을 배제하였올때 팔당 유역의 수질에 영향을 미치는 일반적인 요인으로수체인접성, 토지이용, 개발가능성, 경사도를 선정하였다. AHP를 사용해 이를 분석한 결과, 다증 요인들이 가중치에맞게 반영된 레이어가 구축되었다.
4에제시하였다. 유역 전체를 모의하고 법적, 경제적인 요인을배제하였을 때 팔당 유역의 수질에 영향을 미치는 일반적인 요인으로 수체인접성, 토지이용, 개발가능성, 경사도를선정하였다. 실제 공간 분석을 실행할 경우, 일정 크기의격자로 전유역이 구분되어 최종 기준이 그 범위를 가지고있으므로 그 범위에 따라 격자는 해당 가중치를 부여받으며 이의 합은 전문가모델에 의한 우선순위지수로서 표현된다.
2에서 요약하였다. 이때 자료는 Analysis, Grouping, Calculation, Extract, AML 등을 사용하여 가공하는데, 기상자료의 경우 Analysis를 통하여 최빈값분석을 통한 강우강도를, 피복분류도, 토양도 등은 Grou- ping을 통하여 유형을 구분하여 해당값을 획득할 수 있었다. DEM의 경우, 경사와 함께 각 격자를 독립된 시험포로가정하여 Calculation을 통해 사면길이를 계산해내었으며, 수치지형도를 주줄하여 수계도를 형성시킨 후 수심자료와이를 결합하여 수리반경을 표현하였다.
Table 4의 값 3은 기본척도에 근거해 '약간 중요함을 나타내게 된다. 이때 척도에 근거하여 각 속성을 Table 4처럼 비교하여 수치를 결정하는 작업이 필요하며 본 연구에서는 개별질문조사서를 거치지 않고 2001년 5~7 월 두 차례에 걸친 수질 전문가들과의 면담을 통해 각 가중치를 도출하였다.
3과 같다. 이처럼 수치지형도를추출(extract)하여 수계도와 도로도를 만들었으며 Buffering 과정을 통해 수계 buffer와 도로 buffer를 형성하였다. 나머지는 Fig.
상대적 유하시간은 격자내 유하시간에 비해 시간분포가 고른 것이 관찰되는데 이는 격자의 값들이 중첩되면서 평균 성을 나타내기 때문이다. 일단위에서는 1일 미만의 값들이 정수인 0으로 처리되는 자료의 손실이 일어나지만 분단위와 시 단위를 볼 때, 0분부터 무리없이 면적이 누적되며, 동일한 그래프의 양상을 나타내므로 일단위까지 자료를 생략하지 않는 경우 자료의 반영에 무리가 없다고 판단, 자료량을 최소화하며 값을 제대로 반영해줄 수 있는 시단위를 분석에 적용하였다.
전문가 선택모델: 다음으로 전문가선택모델의 자료의 처리를 위해서는 계층구조에 따른 분류와 가중치의 산정이선행되 어 야 하므로 계층구조를 구성 하였으며, 쌍별비 교를통한 가중치 계산과 일관성 검정을 거쳐 각 분류에 부여한가중치를 도줄하였다. 첫번째 기준을 중심으로 자료를 처리하고 분석하여 수체인접의 기준에 대해서는 수계 버퍼 레이어를 생성하고, 토지이용 항목에 대해서는 피복분류도와토지이용현황도를 결합해 토지이용을 분류한 레이어를 구축하고, 개발가능성의 기준에 대해서는 도로 버퍼 레이어와표고를 분류한 레이어를, 마지막으로 경사도를 표현하기 위해 경사를 분류한 레이어를 구축하여 4개의 기준에 대해 5 개의 레이어를 구축하였다.
도줄하였다. 첫번째 기준을 중심으로 자료를 처리하고 분석하여 수체인접의 기준에 대해서는 수계 버퍼 레이어를 생성하고, 토지이용 항목에 대해서는 피복분류도와토지이용현황도를 결합해 토지이용을 분류한 레이어를 구축하고, 개발가능성의 기준에 대해서는 도로 버퍼 레이어와표고를 분류한 레이어를, 마지막으로 경사도를 표현하기 위해 경사를 분류한 레이어를 구축하여 4개의 기준에 대해 5 개의 레이어를 구축하였다. 전문가결정모델을 위한 자료의처리 및 분석 과정은 Fig.
대상 데이터
최근 몇몇 연구에서 상수원수질관리를 위하여 토지 매입의 우선순위를 결정하는 과학적인 기준을 제시하기 위한 정량적 모델을 개발하려는 노력이 시도되고 있다(New York City, 1997; Metropolitan District Commission/Division of Watershed Management, 1996; 1998; 1999). 본 연구는 지금까지 시도되고 있는 상수원 수질관리를 위한 토지매입 우선순위 모델을 검토하고이를 팔당 상류 유역인 양평군 일부 수계에 적용하였다.
본 연구는 팔당호 수질 개선을 위하여 토지 매입이 고려되는 경기도 양평군에 위치한 세 개의 소유역을 대상으로 하였다. 양평군은 남한강과 북한강이 만나는 팔당호에 인접하고 있기 때문에 수도법에 의한 상수원 보호구역, 환경정책기본법에 의한 특별대책지역, 한강법에 의한 수변구역 등 여러 종류의 규제 대상 지역이 위치하고 있다.
본 연구에서는 국내 유역 중에서도 수변구역이 설정된 중요 유역인 팔당상수원 유역으로 그 대상을 제한한다. WLP를 이용한 토지매입 우선순위지수를 모의하기 위해 요인 선정 및 계층구조 구성까지 다루어 실제 토지매입 우선순위설정의 기틀을 마련하고자 한다.
이론/모형
은 요인 이에대한 대안의 수준을, wm은 그 요인에 할당되는 가중치를나타낸다. 각 요인의 가중치는 다중의사결정기법의 하나인계층분석과정(AHP: Analytic Hierarchy Process)을 통해 산정되게 된다. 이를 통해 수질에 대한 중요도가 높은 요인일수록, 수질의 민감도를 더 반영하는 하위 요인일수록 가중치가 커지게 되어 결과적으로 이러한 요인을 가진 필지일수록 높은 우선순위지수가 산정되게 되는 원리이다.
각각의 격자는 지표나 수체로 나누어지게 되며 이 조건에 근거하여 몇 가지 물리적 요인에 의해서 격자 내에서의 유하시간이 결정된다. 먼저 지표에서의 격자내 유하시간 L의 계산은 Chow의 Kinematic Wave Equation 식 (4)를 이용한다(Chow, 1964).
수질관리를 위한 대상 지역의 중요성에 관한 전문가 견해를 정량적으로 표현하는 항목 #은 앞에서 설명한 계층분석법을 이용하여 계산하였다{Randhir et al., 2001). AHP는 다수의 목표 .
수 있는 과학적 기준을 제시하고자 하였다. 이를위해 수질에 영향을 미치는 주요 요인들을 선정, 다중 요인 의사결정 기법 중 하나인 계층분석법을 통해 그 중요도를 산출하였고 WLP 모델을 적용하여 토지우선순위를 결정하였다. 본 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
성능/효과
5에 표현하였다. 100초 이하의 유하시간은 전체면적의 약 75%, 130 초 이하는 약 85%의 점유율을 보였다. 유역 전체에서의유하시간이 대부분 약 100초 전후의 낮은 값을 가지므로강우 유출 시 비점오염물질이 신속히 다른 격자로 이동할것임을 예상할 수 있다.
더 짧게 모의되었다. 가장 낮은 값들을 표현하는 푸른계열 이외의 값들은 경사도가 높지 않은 곳에 속했고, 이 중유출계수가 작은 지역에서 유하시간이 큰 경향을 보였다.
상대적 유하시간은 최종유입구에서 떨어진 평면적인 거리뿐 아니라 지형에 따른 물의 흐름과 이동경로에 의해 좌우되었다. 따라서 본 연구에서 구해진 상대적 유하시간은 선형적인 증가가 아니라 자연환경적인 요인이 반영된 유하시간으로 기존의 평면적 거리에 따른 유하시간보다 현실을 더 정확히 모사할 수 있었다.
수체에서의 유하시간은 I~87초 지표에서의 유하시간은 3~541초의 범위를 보임으로 대체적으로 수체에서의 유하시간이 더 짧게 모의되었다. 가장 낮은 값들을 표현하는 푸른계열 이외의 값들은 경사도가 높지 않은 곳에 속했고, 이 중유출계수가 작은 지역에서 유하시간이 큰 경향을 보였다.
연구대상지역에서 누적우선순위 지수는 면적에 대해로그함수적 증가를 보였다. 따라서 유역 전체의 수질에 대해 민감도가 높은, 비교적 작은 부분의 토지를 매입하여관리함으로써 일정 예산에서 극대의 수질개선 효과를 도모할 수 있다.
후속연구
개발가능성의 요인으로는 도로인접성, 도심인접성과 표고 등이 있다(박 등, 1993). 대상 지역에서 개발된 지역이 도로 주변에 밀집해 있는 것에 착안, 도로 버퍼의 폭을 증가시키면서 현재 개발지역을 얼마나 포함하고 있는지를 분석하고, 이를 바탕으로 도로와 도심 인접성을 동시에 나타낼 도로 중심으로부터의 폭의 기준을 설정할 수 있을 것이다. 표고의 경우 50 m 이하를 최적 예상지로, 300 m까지를 가능한 지역으로 설정, 3개 항목으로 구분한다{이, 1997).
여기에 현실을 잘 반영하는 유하시간 항목을 결합하므로써 현실적 요구사항을 포괄하면서도 과학적 근거가 명확한 장점을 가지고 있다. 본 모델은 국내의 토지매입 우선순위설정에 적용가능성이 크다고 사료되며, 향후 지가나 소유자의 정보 등과 결합할 경우, 경제적인 요인을 고려한 현실적인 토지매입 여부의 결정에도 기여할 수 있을 것이다.
본 연구에는 지리정보체계(Geographic Information System: GIS)에 기초하여 분석을 수행하므로 속성자료 외에도 공간자료가 필요하며 이를 처리하고 분석할 GIS 소프트웨어가 요구된다. 강우강도와 수심자료는 속성자료이고, 나머지는 공간자료인데 수치지 형도, 토지이용현황도, 정밀토양도 는 벡터이고 나머지 DEM, 경사도, 토지피복분류도는 래스터(grid) 자료로서 포맷이 다르지만 분석은 그리드에서 수행되기 때문에 최종적으로는 모두 30x30 m 격자 크기의 그리드 포맷으로 변환된다.
정확한 raw data에 근거해 수치상으로 정확한 유하시간이 나오는 것이 가장 바람직하겠으나 수치의 절대적인 크기가 아니라 비율에 의해 우선순위지수가 도출되므로결과적인 값에는 영향을 주지 않는다. 향후 향상된 data로유하시간을 계산하고 실험을 통해 이를 실제 검증하는 노력을 기울인다면 더 신뢰성 있는 연구 결과가 있을 것으로사료된다.
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