천변저류지 조성에 따른 습지지속가능성 평가 및 우포늪에 미치는 수문학적 영향 평가 The evaluation of wetland sustainability for constructing a washland and Its hydrologic effect to Upo wetland원문보기
최근 홍수조절, 광산 침출수, 농업 유출수 등의 처리에 습지를 활용하는 사례가 증가하고 있다. 하지만 장기 모니터링의 어려움으로 인해 습지에 대한 장기간의 자료들이 부족하여 습지의 올바른 이용이 어려운 실정이다. 이에 본 연구 에서는 장기간의 자료 생성과 생성된 자료를 바탕으로 습지의 수문학적 거동 분석을 목적으로 한 수문분석의 일환으로 장기유출 수문모형인 SWAT(Soil and Water Assessment Tool)모형을 이용하여 토평천 유역의 우포, 목포, 사지포, 쪽지벌에 대한 저류량을 분석하였다. 또한 토평천 유역에 천변저류지를 조성하는 가상 시나리오를 적용하여 시나리오 적용에 따른 유역 출구의 유출량 변화를 분석하였으며 우포늪의 저류량도 분석하였다. 분석결과 유역 출구의 유출량은 우기(7-8월)에는 유출량이 감소하였으며 건기(12-2월)에는 증가하는 것을 알 수 있었다. 그리고 우포늪의 저류량을 분석한 결과 천변저류지 조성에 따라 우포늪도 어느 정도의 영향을 받을 수 있음이 파악되었다. 또한 조성된 천변저류지의 습지로서의 지속 가능성을 평가하기 위하여 천변저류지의 유황을 분석하였다. 분석결과 천변저류지의 유황이 기존 습지보다 적게 모의 되었으며 일부 천변저류지의 유황은 풍수기일 때에도 현저하게 적게 모의됨을 알 수 있었다. 이러한 결과를 바탕으로 조성된 천변저류지가 습지로 활용되기 위해서는 천변저류지에 대한 수문학적 관리가 필요함을 알 수 있었다. 그리고 천변저류지 조성에 따른 부하량(TN, TP)변화를 분석한 결과 천변저류지 조성에 따라 부하량이 감소됨이 파악되었다. 또한 수변구역 조성에 따른 부하량 변화를 분석하여 천변저류지 조성과 수변구역 조성에 따른 부하량 감소를 비교하였다. 마지막으로 SWAT 모형의 수리학적 모호성을 극복하고자 수변관리 모형인 REMM 모형을 이용해 보았으며 그 결과를 SWAT 모형의 결과와 비교하였다.
최근 홍수조절, 광산 침출수, 농업 유출수 등의 처리에 습지를 활용하는 사례가 증가하고 있다. 하지만 장기 모니터링의 어려움으로 인해 습지에 대한 장기간의 자료들이 부족하여 습지의 올바른 이용이 어려운 실정이다. 이에 본 연구 에서는 장기간의 자료 생성과 생성된 자료를 바탕으로 습지의 수문학적 거동 분석을 목적으로 한 수문분석의 일환으로 장기유출 수문모형인 SWAT(Soil and Water Assessment Tool)모형을 이용하여 토평천 유역의 우포, 목포, 사지포, 쪽지벌에 대한 저류량을 분석하였다. 또한 토평천 유역에 천변저류지를 조성하는 가상 시나리오를 적용하여 시나리오 적용에 따른 유역 출구의 유출량 변화를 분석하였으며 우포늪의 저류량도 분석하였다. 분석결과 유역 출구의 유출량은 우기(7-8월)에는 유출량이 감소하였으며 건기(12-2월)에는 증가하는 것을 알 수 있었다. 그리고 우포늪의 저류량을 분석한 결과 천변저류지 조성에 따라 우포늪도 어느 정도의 영향을 받을 수 있음이 파악되었다. 또한 조성된 천변저류지의 습지로서의 지속 가능성을 평가하기 위하여 천변저류지의 유황을 분석하였다. 분석결과 천변저류지의 유황이 기존 습지보다 적게 모의 되었으며 일부 천변저류지의 유황은 풍수기일 때에도 현저하게 적게 모의됨을 알 수 있었다. 이러한 결과를 바탕으로 조성된 천변저류지가 습지로 활용되기 위해서는 천변저류지에 대한 수문학적 관리가 필요함을 알 수 있었다. 그리고 천변저류지 조성에 따른 부하량(TN, TP)변화를 분석한 결과 천변저류지 조성에 따라 부하량이 감소됨이 파악되었다. 또한 수변구역 조성에 따른 부하량 변화를 분석하여 천변저류지 조성과 수변구역 조성에 따른 부하량 감소를 비교하였다. 마지막으로 SWAT 모형의 수리학적 모호성을 극복하고자 수변관리 모형인 REMM 모형을 이용해 보았으며 그 결과를 SWAT 모형의 결과와 비교하였다.
There have been many cases of using wetlands as an alternative in controlling stormwater, treating mining leachate, and agricultural discharge, and so on, recently. The reality is, however, that the wetlands are not properly applicable because of the lack of enough longterm data for wetlands due to ...
There have been many cases of using wetlands as an alternative in controlling stormwater, treating mining leachate, and agricultural discharge, and so on, recently. The reality is, however, that the wetlands are not properly applicable because of the lack of enough longterm data for wetlands due to the difficulty of long-term monitoring. Therefore, this study tries to analyze the storage of Upo, Mokpo, Sajipo, and Jjokjibeul in Topyeong watershed using SWAT(Soil and Water Assessment Tool) model, one of the long-term runoff hydrologic model, for the purpose of generating the long-term data and analyzing the hydrologic behavior of wetlands based on the generated data. Also, the changes in runoff at the outlet are analyzed after applying the simulation of constructing washland in Topyeong watershed and the storage in Upo is analyzed. The result shows that the runoff at the outlet of the watershed is decreased in rainy season from July to August and increased in dry season from December to February. In addition, the analysis of Upo storage concludes that Upo can be influenced by the construction of the washland. The duration curve of washland is then analyzed in order to evaluate the wetland's sustainability in terms of washland and it appears that the runoff of washland is simulated to be less than that of the existing wetland. Moreover, runoffs of some washlands are simulated to be less even in wet season. These results lead to the fact that there should be further hydrologic management for constructed washland. Then, the changes in loads (TN and TP) because of constructing washland are analyzed. The result shows that the loads are reduced because of the construction. Also, the changes in loads due to the construction of buffer strips are analyzed to compare the load reductions caused by a washland. Finally, REMM model, a riparian management model, is applied to overcome the hydrologic ambiguousness of SWAT model, and then, the SWAT model results are compared to those of REMM.
There have been many cases of using wetlands as an alternative in controlling stormwater, treating mining leachate, and agricultural discharge, and so on, recently. The reality is, however, that the wetlands are not properly applicable because of the lack of enough longterm data for wetlands due to the difficulty of long-term monitoring. Therefore, this study tries to analyze the storage of Upo, Mokpo, Sajipo, and Jjokjibeul in Topyeong watershed using SWAT(Soil and Water Assessment Tool) model, one of the long-term runoff hydrologic model, for the purpose of generating the long-term data and analyzing the hydrologic behavior of wetlands based on the generated data. Also, the changes in runoff at the outlet are analyzed after applying the simulation of constructing washland in Topyeong watershed and the storage in Upo is analyzed. The result shows that the runoff at the outlet of the watershed is decreased in rainy season from July to August and increased in dry season from December to February. In addition, the analysis of Upo storage concludes that Upo can be influenced by the construction of the washland. The duration curve of washland is then analyzed in order to evaluate the wetland's sustainability in terms of washland and it appears that the runoff of washland is simulated to be less than that of the existing wetland. Moreover, runoffs of some washlands are simulated to be less even in wet season. These results lead to the fact that there should be further hydrologic management for constructed washland. Then, the changes in loads (TN and TP) because of constructing washland are analyzed. The result shows that the loads are reduced because of the construction. Also, the changes in loads due to the construction of buffer strips are analyzed to compare the load reductions caused by a washland. Finally, REMM model, a riparian management model, is applied to overcome the hydrologic ambiguousness of SWAT model, and then, the SWAT model results are compared to those of REMM.
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문제 정의
이에 본 연구에서는 장기간의 자료 생성을 목적으로 장기 유출 수문모의 모형인 SWAT 모형을 이용하여 토평천 유역을 중심으로 우포늪, 목포, 사지포, 쪽지벌에서의 장기간 습지의 저류량 변동을 살펴보았다. 그리고 대상 유역에 천변저류지 조성 시나리오를 작성하여 모의를 실시하였으며, 시나리오 별 모의 결과를 토대로 천변저류지 조성에 따른 우포늪의 저류량 변화와 조성된 천변저류지의 거동을 분석하여 조성된 천변저류지의 습지로서 지속 가능성에 대한 연구를 수행하였다. 그리고 구축된 모형을 통하여 토평천 유역의 TN과 TP 부하량에 대한 모의를 실시하였으며, 시나리오 적용에 따른 오염부하량 변동에 대하여 분석을 실시하였다.
그리고 대상 유역의 소유역에 수변구역을 조성하는 시나리오를 구축하여 수변구역 폭 별 오염 부하량의 감소율을 분석하고자 하는 것이다. 마지막으로 REMM 모형을 대상 유역에 적용하여 SWAT 모형의 모의 결과와 비교하는 것이다.
본 연구의 목적은 장기간의 자료 생성을 목적으로 장기 유출 수문모의 모형인 SWAT 모형을 이용하여 토평천 유역을 중심으로 우포늪, 목포, 사지포, 쪽지벌에서의 장기간 습지의 저류량 변동을 살펴보고, 대상 유역에 천변저류지 조성 시나리오를 작성하여 모의를 실시한 후, 시나리오 별 모의 결과를 토대로 천변저류지 조성에 따른 기존 습지의 저류량 변화와 조성된 천변저류지의 거동을 분석하여 조성된 천변저류지가 장기간 습지로의 활용 가능성에 관하여 연구하고자 하는 것이다. 또한 분석된 저류량 및 유량 자료를 바탕으로 수질 자료에 대한 분석을 실시하고 분석된 결과를 바탕으로 작성된 천변저류지 시나리오에 적용하여 모의를 실시한 후, 시나리오 별 모의 결과를 토대로 천변저류지 조성에 따른 대상 유역의 수질 변화를 분석하고자 하는 것이다.
본 연구에서는 SWAT 모형을 통하여 토평천 유역의 습지에 대한 저류량 분석과 시나리오 별 천변저류지를 조성하였을 때의 저류량 변화 분석을 통하여 습지 주변에 조성된 천변저류지가 장기간 습지로 활용할 수 있는지에 대하여 연구를 수행하였다. 또한 TN, TP의 부하량 변화에 대하여 분석하였으며, 그리고 수변구역을 조성하였을 때의 TN, TP의 부하량 변화에 대하여 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
mgt 파일을 통하여 입력할 수 있다. 본 연구에서는 대상 유역의 46.07%를 차지하고 있는 농업지역에 대한 비료사용량 자료를 입력하기 위하여 농촌진흥청 농업과학기술원에서 제시하고 있는 작물별 표준시비량 일람표(농촌진흥청, 2007)를 참고하여 유역의 시비량 자료를 작성하였다. 또한 농촌진흥청에서 제시하고 있는 벼의 생육과정을 참고하여 모내기 날을 4월 중순으로 설정하였고, 비료 살포시기를 4월 초순으로 설정하였으며, 비료 시비량은 표 1에서 제시하는 값을 사용하였다.
상기 연구에서는 TANK 모형(Sugawara, 1995)을 이용하여 일 유출량을 모의하였는데, 상류 댐 방류량의 영향 및 각 단위유역별 물 이용량 자료 등이 모형의 구조에 포함되어 낙동강 오염총량관리 단위유역의 유황을 비교적 우수하게 모의하고 있는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 위 연구에서 확장된 밀양 A의 일 유량자료를 바탕으로 토평천과 밀양강의 면적비를 고려하여 토평천의 유량 자료를 획득하였으며, 이를 관측자료로 간주하여 SWAT 모형의 매개변수 보정과 검증을 실시하였다.
본 연구에서는 이러한 수변구역을 토평천 유역(주매 1지역)에 조성함으로써 TN, TP 부하량의 저감효과를 분석 하고자 한다. 또한 수변구역 조성에 따른 TN, TP 부하량의 저감효과와 천변저류지 조성에 따른 TN과 TP 부하량의 감소효과와 비교하기 위하여 주매1 지역에 수변구역을 5 m, 10 m, 15 m 폭으로 조성하는 시나리오를 구축하여 주매1 지역의 출구지점에서 TN, TP 부하량을 분석하여 수변구역 조성에 따른 부하량 저감효과를 분석하였다.
본 연구의 목적은 장기간의 자료 생성을 목적으로 장기 유출 수문모의 모형인 SWAT 모형을 이용하여 토평천 유역을 중심으로 우포늪, 목포, 사지포, 쪽지벌에서의 장기간 습지의 저류량 변동을 살펴보고, 대상 유역에 천변저류지 조성 시나리오를 작성하여 모의를 실시한 후, 시나리오 별 모의 결과를 토대로 천변저류지 조성에 따른 기존 습지의 저류량 변화와 조성된 천변저류지의 거동을 분석하여 조성된 천변저류지가 장기간 습지로의 활용 가능성에 관하여 연구하고자 하는 것이다. 또한 분석된 저류량 및 유량 자료를 바탕으로 수질 자료에 대한 분석을 실시하고 분석된 결과를 바탕으로 작성된 천변저류지 시나리오에 적용하여 모의를 실시한 후, 시나리오 별 모의 결과를 토대로 천변저류지 조성에 따른 대상 유역의 수질 변화를 분석하고자 하는 것이다.
하지만 이러한 연구들도 장기모니터링의 어려움으로 인하여 습지에 대한 장기간의 자료들이 부족하여 습지에 대한 연구가 어려운 실정이다. 이에 본 연구에서는 장기간의 자료 생성을 목적으로 장기 유출 수문모의 모형인 SWAT 모형을 이용하여 토평천 유역을 중심으로 우포늪, 목포, 사지포, 쪽지벌에서의 장기간 습지의 저류량 변동을 살펴보았다. 그리고 대상 유역에 천변저류지 조성 시나리오를 작성하여 모의를 실시하였으며, 시나리오 별 모의 결과를 토대로 천변저류지 조성에 따른 우포늪의 저류량 변화와 조성된 천변저류지의 거동을 분석하여 조성된 천변저류지의 습지로서 지속 가능성에 대한 연구를 수행하였다.
가설 설정
하지만 본 연구에서는 수변구역 조성 시 식생을 혼합림으로 가정하여 모의를 하였다. 하지만 식생에 따라 오염물의 저감 효율이 다르기 때문에 향후 수변구역의 식생 분포에 따른 오염물 저감효율에 대한 연구가 더 이루어 져야 할 것이다.
제안 방법
3) 1986년부터 2006년 까지 21년 동안 모의를 실시하여 대상 습지의 저류량을 분석한다.
4) 천변저류지 조성 가능 지역에 대하여 천변저류지 조성 시나리오를 적용하여 모의를 실시하고 천변저류지 조성에 따른 기존 습지의 저류량 변화를 분석한다.
5) 천변저류지 조성 시나리오를 적용하여 유역출구에서의 유출량 변화를 분석하고, 조성된 천변저류지의 유황곡선을 작성하여 천변저류지의 거동을 분석한다.
6) 유출량 보정과 검증을 실시한 SWAT 모형에 대하여 수질(TN, TP)자료에 대한 보정과 검증을 수행한다.
7) 보정과 검증이 완료된 SWAT 모형에 대하여 천변저류지 조성 시나리오를 적용하여 토평천 유역의 수질 변화에 대한 분석을 실시한다.
8) 토평천 유역 중 주매 1지역(소유역 15번)에 5 m, 10 m, 15 m의 수변구역을 조성하는 시나리오를 적용하여 소유역에서의 수변구역 조성에 따른 수질 변화를 분석한다.
9) SWAT 모형의 수변구역 조성 시나리오 중 폭 15 m의 시나리오 결과와 REMM 모형을 적용하여 모의한 결과를 비교한다.
SWAT 모형의 모의 결과를 분석하기 위하여 월 단위로 계산되어진 자료를 우기(7~9월)와 건기(12~2월)로 나누어 수변구역 폭에 따른 TN, TP의 저감효율을 분석하여 아래 표에 나타내었다.
각 시나리오 별 천변저류지 조성에 따른 각 소유역 출구에서의 TN, TP의 변화에 대하여 1999년부터 2006년까지 분석하였다. 분석을 위하여 분석 기간을 우기(7월~9월)와 건기(12월~2월)로 나누어 평균한 값을 계산하여 분석에 이용하였다.
각 시나리오 별 천변저류지 조성에 따른 기존의 우포늪 저류량 변화에 대하여 분석하였다. 분석 대상 시나리오는 우포늪보다 상류에 위치하는 대대, 운곡, 주매지역에 천변저류지를 조성한 경우이며 그 결과를 그림 14에 나타내었다.
각 시나리오 별 천변저류지 조성에 따른 유역출구에서의 유출량 변화에 대하여 1994년부터 2006년까지 분석하였다. 분석을 위하여 분석 기간을 우기(7월~9월)와 건기(12월~2월)로 나누어 평균한 값을 계산하여 분석에 이용하였다.
구축된 SWAT 모형을 이용하여 1988~2006년 까지의 일별 저류량 변동과 월 별 증발량 변동을 분석하였다. 먼저 우포늪의 저류량과 증발량을 그림 11에 도시하였다.
보정과 검증 실시 후 그 결과를 바탕으로 장기간 습지에서의 저류량을 모의하였다. 그 후 천변저류지 조성 시나리오 적용을 통하여 기존습지와 조성된 천변저류지의 저류량 변화를 살펴보았다. 그리고 수질 자료 분석을 통하여 천변저류지 조성 시나리오 적용에 따른 토평천 유역의 수질 변화를 살펴보았다.
그러나 하천과 접하고 있는 HRUs를 하나하나 선별한다는 것은 매우 어려운 작업이 될 것이며, 이에 본 연구에서는 소유역에 적용되는 수변완충지대의 폭을 각 HRU의 개수에 따라 그 폭을 할당하여 적용하였으며 그 계산식은 다음과 같다.
그리고 대상 유역에 천변저류지 조성 시나리오를 작성하여 모의를 실시하였으며, 시나리오 별 모의 결과를 토대로 천변저류지 조성에 따른 우포늪의 저류량 변화와 조성된 천변저류지의 거동을 분석하여 조성된 천변저류지의 습지로서 지속 가능성에 대한 연구를 수행하였다. 그리고 구축된 모형을 통하여 토평천 유역의 TN과 TP 부하량에 대한 모의를 실시하였으며, 시나리오 적용에 따른 오염부하량 변동에 대하여 분석을 실시하였다.
본 연구에서는 세로축의 유출량을 대상 유역의 면적으로 나눈 비유량을 사용하였다. 그리고 기존에 존재하고 있는 우포, 목포, 사지포, 쪽지벌의 유황곡선과 조성된 천변저류지에서의 유황곡선을 비교하여 분석을 실시하였다. 분석결과는 그림 13과 같다.
그 후 천변저류지 조성 시나리오 적용을 통하여 기존습지와 조성된 천변저류지의 저류량 변화를 살펴보았다. 그리고 수질 자료 분석을 통하여 천변저류지 조성 시나리오 적용에 따른 토평천 유역의 수질 변화를 살펴보았다.
본 연구에서는 SWAT 모형을 통하여 토평천 유역의 습지에 대한 저류량 분석과 시나리오 별 천변저류지를 조성하였을 때의 저류량 변화 분석을 통하여 습지 주변에 조성된 천변저류지가 장기간 습지로 활용할 수 있는지에 대하여 연구를 수행하였다. 또한 TN, TP의 부하량 변화에 대하여 분석하였으며, 그리고 수변구역을 조성하였을 때의 TN, TP의 부하량 변화에 대하여 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
표 2와 표 3의 입력자료 중 WET_NSA, WET_NVOL와 RES_PSA, RES_PVOL의 입력 값은 일제관측수위의 수위를 적용하여 산정하였다. 또한 WET_MXSA, WET_MXVOL와 RES_ESA, RES_EVOL은 계획홍수위(80년 빈도 기준)를 적용하여 입력 값을 산정하였다. 그리고 SWAT 모형의 구축을 위한 기본 사항을 그림 6, 그림 7, 그림 8에 각각 나타내었다.
본 연구에서는 이러한 수변구역을 토평천 유역(주매 1지역)에 조성함으로써 TN, TP 부하량의 저감효과를 분석 하고자 한다. 또한 수변구역 조성에 따른 TN, TP 부하량의 저감효과와 천변저류지 조성에 따른 TN과 TP 부하량의 감소효과와 비교하기 위하여 주매1 지역에 수변구역을 5 m, 10 m, 15 m 폭으로 조성하는 시나리오를 구축하여 주매1 지역의 출구지점에서 TN, TP 부하량을 분석하여 수변구역 조성에 따른 부하량 저감효과를 분석하였다.
그리고 대상 유역의 소유역에 수변구역을 조성하는 시나리오를 구축하여 수변구역 폭 별 오염 부하량의 감소율을 분석하고자 하는 것이다. 마지막으로 REMM 모형을 대상 유역에 적용하여 SWAT 모형의 모의 결과와 비교하는 것이다.
이를 위하여 먼저 SWAT 모형을 이용하여 모형을 구축하고 모형 매개변수의 보정과 검증을 실시하였다. 보정과 검증 실시 후 그 결과를 바탕으로 장기간 습지에서의 저류량을 모의하였다. 그 후 천변저류지 조성 시나리오 적용을 통하여 기존습지와 조성된 천변저류지의 저류량 변화를 살펴보았다.
본 연구에서는 세로축의 유출량을 대상 유역의 면적으로 나눈 비유량을 사용하였다. 그리고 기존에 존재하고 있는 우포, 목포, 사지포, 쪽지벌의 유황곡선과 조성된 천변저류지에서의 유황곡선을 비교하여 분석을 실시하였다.
REMM 모형은 하천변 생태관리 모형으로서 기존의 SWAT와 같은 수문모형의 단점인 수리학적 연결의 모호성을 보완할 수 있는 모형이다. 본 절에서는 SWAT 모형의 모의 결과를 REMM 모형에 입력하여 REMM 모형의 모의 결과와 SWAT 모형의 모의 결과를 비교하였다.
각 시나리오 별 천변저류지 조성에 따른 유역출구에서의 유출량 변화에 대하여 1994년부터 2006년까지 분석하였다. 분석을 위하여 분석 기간을 우기(7월~9월)와 건기(12월~2월)로 나누어 평균한 값을 계산하여 분석에 이용하였다. 분석 결과를 표 5에 나타내었으며, 시나리오 중 대대와 가항의 시나리오 분석 결과를 그림 12에 나타내었다.
입력자료 중 습지의 수위와 면적과 용량에 관련된 입력자료를 산정하기 위해서 먼저 각 습지의 수위-면적 관계곡선과 수위-내용적 곡선을 토평천 종합 치수 대책 보고서(건설교통부, 2004)에서 참고하였으며, 그림 4와 그림 5에 나타내었다. 상기 보고서에서는 우포, 사지포, 목포에 대한 자료는 자세히 기술 되어 있었지만 쪽지벌의 경우 자세히 기술되어 있지 않기 때문에 쪽지벌에 대한 입력자료는 상기 보고서의 하천 단면도를 확대하여 길이와 면적의 비에 따라 구축하였다.
시나리오에 의해 조성된 천변저류지에 대한 거동을 분석하기 하기 위하여 조성된 천변저류지 별로 유황 곡선을 작성하였다. 유황곡선은 물 관리를 위한 유출량 정보를 보여주는 중요한 곡선으로 수문사상의 값 즉, 일 유출량 자료를 내림차순의 크기로 정렬하면 각 유출량의 크기가 같거나 보다 큰 것에 대한 시간 백분율을 계산할 수 있다.
이를 위하여 먼저 SWAT 모형을 이용하여 모형을 구축하고 모형 매개변수의 보정과 검증을 실시하였다. 보정과 검증 실시 후 그 결과를 바탕으로 장기간 습지에서의 저류량을 모의하였다.
하지만 이러한 추정기법은 관측 자료와의 오차가 크게 발생하는 것으로 알려져 있다. 이에 본 연구에서는 보다 정확한 통계적 추정기법인 최소분산 비편향 추정기법(Finney, 1941; Bradu et al., 1970; Lee, 1982)을 이용하여 토평천 유역의 1999년부터 2006년까지 8년 동안의 유량-부하량 관계 곡선을 작성하여 TN, TP에 대한 일부하량 자료를 생성하였다. 이와 같은 방법으로 1999년부터 2006년까지의 일 부하량 자료를 생성하였으며, 이를 관측자료로 간주하여 SWAT 모형의 보정 및 검증을 실시하였으며 그 결과를 그림 10에 나타내었다.
적용된 시나리오는 토평천 유역 주변의 습지들의 생태환경 보존과 홍수 관리 기능을 위한 습지의 관리 방향을 살펴 볼 목적으로 우포와 사지포, 목포, 쪽지벌 주위에 기존의 논이나 밭 등을 천변저류지로 조성하는 것을 상정하여, 조성된 천변저류지의 저류량 분석뿐만 아니라 천변저류지의 조성이 우포늪에 미치는 영향 또한 살펴보았다.
SWAT에서 유출에 관련된 중요한 매개변수는 김보경 등(2007)의 결과를 바탕으로 SOL_AWC(available water capacity of the soil layer), ESCO(soil evaporation compensation factor), CH_N2(Manning's “n” value for the main channel), SLSUBBSN(average slope length) 등이 가장 민감한 것으로 나타난 바, 본 연구에서는 이들 매개변수에 대한 집중적인 보정을 실시하였다. 전체적으로 ESCO와 SLSUBBSN의 값을 조절하여 연 유출과 월 유출에 대한 보정을 실시하였다. 모형의 보정 기간은 1994년부터 2002년까지이며, 검증기간은 2003년부터 2006년까지이다.
주매 1지역에 대한 SWAT 모형의 모의 결과 값과 REMM 모형의 모의 결과 값을 비교하였다. SWAT 모형의 경우 filter strips를 15 m로 하여 모의 하였으며, REMM의 경우 zone 1에 15 m의 buffer를 주었으며, zone2와 zone3은 buffer의 길이를 최소화(0.
기상자료는 기상청에서 제공하는 자료를 사용하였다. 토평천 유역 근처에 위치하고 있는 밀양 기상청과 합천 기상청의 자료를 Thiessen 면적 가중을 고려하여 강수자료를 비롯한 최고 기온, 최저기온, 상대습도, 평균 풍속 등의 기상자료들을 구축하였다. 일사량의 경우 밀양과 합천의 정확한 자료가 없기 때문에 안동의 일사량 자료를 사용하였다.
토평천 유역의 부하량 모형화를 위하여 앞 절의 보정과 검증을 마친 유량 자료를 바탕으로 부하량에 대한 보정과 검증을 실시하였다. 하지만 유량 자료와 마찬가지로 토평천 유역에 대한 일 관측 데이터가 부족한 실정이다.
표 2와 표 3의 입력자료 중 WET_NSA, WET_NVOL와 RES_PSA, RES_PVOL의 입력 값은 일제관측수위의 수위를 적용하여 산정하였다. 또한 WET_MXSA, WET_MXVOL와 RES_ESA, RES_EVOL은 계획홍수위(80년 빈도 기준)를 적용하여 입력 값을 산정하였다.
대상 데이터
하지만 토평천 유역의 경우 장기간에 걸쳐 연속적으로 관측된 일 유량 자료는 존재하지 않는다. 그래서 대안으로 토평천 유역과 비교적 가까운 거리에 있는 밀양강의 일 유량 자료를 이용하였다. 다행히 2004년부터 오염총량관리 지원목적으로 단위유역(밀양 A) 말단부에서 8일 간격으로 관측된 유량자료가 있다.
토양도 또한 WAMIS에서 제공하는 개략토양도 자료를 사용하였다. 기상자료는 기상청에서 제공하는 자료를 사용하였다. 토평천 유역 근처에 위치하고 있는 밀양 기상청과 합천 기상청의 자료를 Thiessen 면적 가중을 고려하여 강수자료를 비롯한 최고 기온, 최저기온, 상대습도, 평균 풍속 등의 기상자료들을 구축하였다.
대상유역인 토평천 유역은 낙동강의 제 1지류로서 하구로부터 상류 약 108 km 지점의 좌안으로 유입하는 지방 2급하천으로 동경 128°26' ~ 128°36', 북위 35°33' ~ 35°37' 사이에 위치하고 있다.
07%를 차지하고 있는 농업지역에 대한 비료사용량 자료를 입력하기 위하여 농촌진흥청 농업과학기술원에서 제시하고 있는 작물별 표준시비량 일람표(농촌진흥청, 2007)를 참고하여 유역의 시비량 자료를 작성하였다. 또한 농촌진흥청에서 제시하고 있는 벼의 생육과정을 참고하여 모내기 날을 4월 중순으로 설정하였고, 비료 살포시기를 4월 초순으로 설정하였으며, 비료 시비량은 표 1에서 제시하는 값을 사용하였다. 그리고 수확시기는 10월 초순으로 설정하였다.
전체적으로 ESCO와 SLSUBBSN의 값을 조절하여 연 유출과 월 유출에 대한 보정을 실시하였다. 모형의 보정 기간은 1994년부터 2002년까지이며, 검증기간은 2003년부터 2006년까지이다.
Reservoirs형태의 습지의 경우 입력자료는 표 3과 같다. 본 연구 대상 유역에서 reservoirs형태의 습지는 우포, 사지포, 목포와 시나리오 적용에 따라 조성된 천변저류지들이 해당된다.
본 연구에서 사용된 토지 이용도는 래스터형 자료로써 국가수자원관리 종합정보시스템(WAMIS, www.wamis.go.kr)에서 제공하고 있는 Landsat 영상을 이용하여 분석된 자료를 이용하였다. 본 연구에서는 2000년의 피복 분류기준년도의 토지 이용도를 이용하였으며, 공간해상도는 30 m × 30 m이다.
본 연구에서는 2000년의 피복 분류기준년도의 토지 이용도를 이용하였으며, 공간해상도는 30 m × 30 m이다.
각 시나리오 별 천변저류지 조성에 따른 기존의 우포늪 저류량 변화에 대하여 분석하였다. 분석 대상 시나리오는 우포늪보다 상류에 위치하는 대대, 운곡, 주매지역에 천변저류지를 조성한 경우이며 그 결과를 그림 14에 나타내었다. 분석 결과를 보면 천변저류지 조성에 따른 우포늪에서의 저류량변화는 대대와 주매1의 경우 큰 변화가 없었지만 운곡과 주매2의 경우 저류량이 증가함을 알 수 있었다.
본 연구에서는 2000년의 피복 분류기준년도의 토지 이용도를 이용하였으며, 공간해상도는 30 m × 30 m이다. 사용된 토지 이용도는 수역, 시가화 지역, 나지, 습지, 초지, 산림, 논, 밭 등 총 8개 지목으로 분류되어 있다. 토양도 또한 WAMIS에서 제공하는 개략토양도 자료를 사용하였다.
일사량의 경우 밀양과 합천의 정확한 자료가 없기 때문에 안동의 일사량 자료를 사용하였다. 유역 내 환경기초시설로부터 배출되는 방류량과 각종 취수장에서 취수되는 취수량은 경상남도의 오염총량관리 기본계획(2005)에 수록되어 있는 자료를 전용하였다. 또한 SWAT 모형에서 경작관리에 대한 자료는 .
토평천 유역 근처에 위치하고 있는 밀양 기상청과 합천 기상청의 자료를 Thiessen 면적 가중을 고려하여 강수자료를 비롯한 최고 기온, 최저기온, 상대습도, 평균 풍속 등의 기상자료들을 구축하였다. 일사량의 경우 밀양과 합천의 정확한 자료가 없기 때문에 안동의 일사량 자료를 사용하였다. 유역 내 환경기초시설로부터 배출되는 방류량과 각종 취수장에서 취수되는 취수량은 경상남도의 오염총량관리 기본계획(2005)에 수록되어 있는 자료를 전용하였다.
그림 3은 토평천 유역에 적용한 시나리오와 천변저류지 조성 예상 지역을 나타내고 있다. 천변저류지 조성은 현재 농경지로 이용되고 있는 지역에 조성하였다. 각 시나리오를 살펴보면 BASE는 천변저류지 조성 없이 기존 습지를 대상으로 모의한 것이며, K는 가항지역, S는 세진지역, D는 대대 지역, U는 운곡지역, J는 주매지역, 그리고 M은 모곡지역을 천변저류지로 조성하여 모의한 것이다.
사용된 토지 이용도는 수역, 시가화 지역, 나지, 습지, 초지, 산림, 논, 밭 등 총 8개 지목으로 분류되어 있다. 토양도 또한 WAMIS에서 제공하는 개략토양도 자료를 사용하였다. 기상자료는 기상청에서 제공하는 자료를 사용하였다.
이론/모형
입력자료 중 습지의 수위와 면적과 용량에 관련된 입력자료를 산정하기 위해서 먼저 각 습지의 수위-면적 관계곡선과 수위-내용적 곡선을 토평천 종합 치수 대책 보고서(건설교통부, 2004)에서 참고하였으며, 그림 4와 그림 5에 나타내었다. 상기 보고서에서는 우포, 사지포, 목포에 대한 자료는 자세히 기술 되어 있었지만 쪽지벌의 경우 자세히 기술되어 있지 않기 때문에 쪽지벌에 대한 입력자료는 상기 보고서의 하천 단면도를 확대하여 길이와 면적의 비에 따라 구축하였다.
성능/효과
(1) SWAT 모형의 모의 결과 유량 자료는 관측 자료와 유사하게 모의됨을 알 수 있었다. 년 평균을 기준으로 모의한 결과 R2은 0.
(2) 또한 모의 결과 중 저류량을 습지 별로 분석해 본 결과 기존 네 개의 습지에서 1980년 후반~1990년대 초반 보다 1990년대 후반~2006년 까지의 저류량이 많은 적은 값을 가짐을 알 수 있었으며, 이를 통하여 습지 모의 시 최소 20년 이상의 장기간의 자료를 통한 분석이 필요함을 알 수 있었다.
(3) 또한 평년 보다 낮은 저류량으로 인하여 수위가 낮아지게 되고 그로 인하여 침수식물 등이 영향을 받아 습지에서 식생분포 변화가 있었음을 추측 할 수 있었다.
(4) 토평천 유역 주위에 시나리오 별 천변저류지 조성에 따른 유역 출구에서의 유출량 변화를 분석한 결과 우기 시에는 유출량이 감소하였고 건기 시에는 유출량이 증가함을 알 수 있었다.
(5) 시나리오 별 천변저류지 조성에 따른 우포늪의 저류량 변동을 분석한 결과, 주매2 지역과 운곡지역에 천변저류지를 조성하였을 경우 우포늪의 저류량이 증가하였으며, 이러한 결과를 바탕으로 천변저류지 조성 시 조성된 천변저류지가 기존 습지에 미치는 영향을 반드시 고려할 필요가 있음을 시사하는 것으로 판단된다.
(6) 각각 조성된 천변저류지에 대한 유황곡선을 작성한 결과 저유량 쪽에서의 유량이 기존의 습지보다 적음을 알 수 있었다. 이를 통해 갈수기의 경우 조성된 천변저류지를 습지로 활용하기 위해서는 유지유량의 공급이 필요함을 알 수 있었다.
(7) 천변저류지 조성과 수변구역 조성에 따라 TN과 TP의 부하량이 감소됨을 알 수 있었다.
모의 결과를 보면 천변저류지를 조성함에 따라 TN과 TP의 부하량이 우기와 건기 모두 감소함을 알 수 있다.
보정과 검증 결과는 그림 10에 나타내었다. 모형의 보정결과를 살펴보면 년 단위로 모의를 하였을 경우 R2은 0.99, NSC는 0.80으로 모의 자료가 매우 우수하게 관측자료를 재현하고 있음을 알 수 있었으며, 또한 그림 9에서 알 수 있듯이 월 단위로 모의하였을 경우에도 R2은 0.62, NSC는 0.61으로 관측자료를 잘 재현하고 있음을 알 수 있다. 모형의 검증결과는 표 4에 나타내었으며, 검증결과에서도 관측자료를 잘 재현하고 있음을 알 수 있다.
분석 결과를 보면 수변구역 조성에 따라 TN, TP의 부하량이 감소하는 것을 알 수 있다. TN의 경우 5m의 수변구역을 조성하였을 경우 우기 시에는 평균 4.
분석 대상 시나리오는 우포늪보다 상류에 위치하는 대대, 운곡, 주매지역에 천변저류지를 조성한 경우이며 그 결과를 그림 14에 나타내었다. 분석 결과를 보면 천변저류지 조성에 따른 우포늪에서의 저류량변화는 대대와 주매1의 경우 큰 변화가 없었지만 운곡과 주매2의 경우 저류량이 증가함을 알 수 있었다. 특히 주매2 지역에 천변저류지를 조성하였을 경우 우포늪의 저류량이 매우 증가함을 알 수 있으며, 증가한 저류량이 평수위의 저류량이 되기 전에 주매2 지역으로부터 유량이 유입되어 천변저류지 조성전 보다 저류량이 항상 많음을 알 수 있다.
조성된 천변저류지의 유황곡선을 살펴보면 고유량보다 저유량쪽이 기존의 습지인 우포, 사지포, 목포, 쪽지벌 보다 모두 아래 쪽에 위치하고 있음을 알 수 있다. 이는 기존 습지보다 조성된 천변저류지에 유량이 상대적으로 적게 모의되었음을 보여준다.
후속연구
(8) REMM 모형을 주매 1지역에 적용해 보았으며 향후 정확한 관측자료를 바탕으로 모형의 보정 및 검증을 수행하여야 함을 알 수 있었다.
이러한 과정들 때문에 소유역 내에 있는 하천 주변에 15 m의 수변완충지대가 설정되었다는 것은 지표면 유출 경로 상으로 볼 때, 하천에 유입되기 직전 15 m에 filter strip이 설정된 것으로 보아야 한다. 따라서 하천과 접하고 있는 HRUs에 15 m의 filter strip을 지정하는 것이 SWAT 모형의 이용 시 보다 올바른 모의 방법이 될 것이다.
위 결과들을 바탕으로 수변구역 조성 시 식생을 고려하여 모의한 연구가 추후에 필요하겠으며, 또한 REMM 모형의 정확한 보정 및 검증 절차를 거쳐 모형을 구축하고, SWAT 모형에서 모의한 자료를 입력자료로 이용하여 SWAT 모형의 단점인 수리학적 모호성을 보완하고 더 나아가 SWAT 모형과 REMM 모형의 완전한 연계모형에 대한 연구가 필요하겠다.
한 가지 주목할 만한 사실은 최근 10년의 분석을 실시하였을 경우 즉, 1997년부터 2006년까지의 분석 결과로는 이와 같은 저류량 변동 분석이 불가능하다는 것으로서, 습지의 수문성분에 관한 연구 시에는 적어도 10년 이상 20년 정도의 기간을 두고 분석해야 함을 시사하는 것으로 이해될 수 있다. 특히 습지의 경우 습지의 저류량은 습지의 수위에 영향을 미치며, 이는 다시 습지의 식생분포와 매우 밀접한 관계가 있기 때문에, 이러한 저류량 분석은 궁극적으로 습지의 식생분포의 변동성을 파악할 수 있는 기초자료를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.
하지만 본 연구에서는 수변구역 조성 시 식생을 혼합림으로 가정하여 모의를 하였다. 하지만 식생에 따라 오염물의 저감 효율이 다르기 때문에 향후 수변구역의 식생 분포에 따른 오염물 저감효율에 대한 연구가 더 이루어 져야 할 것이다.
위 그림을 보면 SWAT 모형의 모의 결과와 REMM 모형의 모의 결과가 다소 차이가 나는 것을 알 수 있다. 향후 연구에서는 앞 절에서 수행한 민감도 분석 결과를 바탕으로 유량과 수질에 대한 REMM 모형의 보정과 검증을 수행하고 식생관련 입력자료 등과 같은 값들에 대하여 보다 정확한 값을 입력하여 연구를 수행할 필요가 있으며 더 나아가 유역모형과 생태계 모형의 연계를 통하여 유역 규모의 수변구역의 거동을 평가 할 수 있어야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
습지의 주요 기능은?
습지는 물이 환경 및 그 환경과 연관된 동식물을 통제하는 주요한 요인으로 작용하는 지역이다(한국습지학회, 2008). 습지의 주요 기능으로는 풍부한 생물 다양성과 이에 따른 높은 생산성, 오염 정화 기능, 홍수조절 기능, 생태관광자원으로서 기능 등을 꼽을 수 있다. 이러한 습지의 주요기능들 때문에 환경문제가 사회문제로 대두되고 있는 요즘은 습지가 생태학적으로 보전 필요성이 있으며, 또한 생태적으로 활용도가 높은 귀중한 자연환경 자산으로 인식되고 있다.
SWAT 모형을 통하여 토평천 유역의 습지에 대한 저류량 분석과 시나리오 별 천변저류지를 조성하였을 때의 저류량 변화 분석을 통하여 습지 주변에 조성된 천변저류지가 장기간 습지로 활용할 수 있는지에 대하여 연구를 수행하고 TN, TP의 부하량 변화에 대하여 분석하였으며, 그리고 수변구역을 조성하였을 때의 TN, TP의 부하량 변화에 대하여 분석하여 얻은 결론은?
(1) SWAT 모형의 모의 결과 유량 자료는 관측 자료와 유사하게 모의됨을 알 수 있었다. 년 평균을 기준으로 모의한 결과 R2은 0.99, NSC는 0.80로 계산되었으며, 월 평균을 기준으로 모의한 결과 R2은 0.62, NSC는 0.61로 계산되었다.
(2) 또한 모의 결과 중 저류량을 습지 별로 분석해 본 결과 기존 네 개의 습지에서 1980년 후반~1990년대 초반 보다 1990년대 후반~2006년 까지의 저류량이 많은 적은 값을 가짐을 알 수 있었으며, 이를 통하여 습지 모의 시 최소 20년 이상의 장기간의 자료를 통한 분석이 필요함을 알 수 있었다.
(3) 또한 평년 보다 낮은 저류량으로 인하여 수위가 낮아지게 되고 그로 인하여 침수식물 등이 영향을 받아 습지에서 식생분포 변화가 있었음을 추측 할 수 있었다.
(4) 토평천 유역 주위에 시나리오 별 천변저류지 조성에 따른 유역 출구에서의 유출량 변화를 분석한 결과 우기 시에는 유출량이 감소하였고 건기 시에는 유출량이 증가함을 알 수 있었다.
(5) 시나리오 별 천변저류지 조성에 따른 우포늪의 저류량 변동을 분석한 결과, 주매2 지역과 운곡지역에 천변저류지를 조성하였을 경우 우포늪의 저류량이 증가하였으며, 이러한 결과를 바탕으로 천변저류지 조성 시 조성된 천변저류지가 기존 습지에 미치는 영향을 반드시 고려할 필요가 있음을 시사하는 것으로 판단된다.
(6) 각각 조성된 천변저류지에 대한 유황곡선을 작성한 결과 저유량 쪽에서의 유량이 기존의 습지보다 적음을 알 수 있었다. 이를 통해 갈수기의 경우 조성된 천변저류지를 습지로 활용하기 위해서는 유지유량의 공급이 필요함을 알 수 있었다.
(7) 천변저류지 조성과 수변구역 조성에 따라 TN과 TP의 부하량이 감소됨을 알 수 있었다.
(8) REMM 모형을 주매 1지역에 적용해 보았으며 향후 정확한 관측자료를 바탕으로 모형의 보정 및 검증을 수행하여야 함을 알 수 있었다.
람사르 협약은 언제 체결됐는가?
국제적으로는 1971년에 체결된 람사르 협약에 의하여 습지의 체계적인 보전 및 관리를 추구하고 있으며, 2008년 4월까지 158개국의 1,739개소의 161,164,217 헥타르의 습지가 등록되어 있다(람사르 사이트, 2008).
Nash, J.E., Sutcliffe, J.V. (1970) River flow forecasting through conceptual models, Part I. A discussion of principles. Journal of Hydrology, ASCE, Vol. 10, pp. 282-290
Santhi, C., Arnold, J.G., Williams, J.R., Dugas, W.A., Srinivassn, R., and Hauck, L.M. (2001) Validation of the SWAT model on a large river basin with point and nonpoint sources. Water Resources Association, Vol. 37, No. 5, pp. 1169-1188
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