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문제 정의
- 본 연구에서는 SWAT모형을 이용하여 침식과 토사우줄량의모의와 수변완충지대설정에 따른 토사유출량의 저감효과를 살펴보는 것에 초점을 두고 있다.
- 특히, 유역 차원에서의 수변완중지대의 영향을 살펴보기 위해서는 유역의 수문순환과 식생 및 영양물질의 상호작용에 대한 이해가 뒷받침되어야 하며, 이는 수변완충지대 부근의 현상을 이해하는데도 매우 중요한 역할을 한다.본 연구에서는 이에 대한 초기 연구로서, SWAT 모형을 이용하여 토사유출량을 모의한 후, 모형 내 filter strip 기능을 활용한 유역 차원에서의 수변완충지대의 영향을 살펴보고, 덧붙여서 SWAT 모형의 filter strip 기능을 사용 시 보다 유역의 현실을 적절히 반영할 수 있는 방안을 제안하고자 한다.
제안 방법
- 그러나, 히천과 접하고 있는 HRUs를 히나히나 선별한다는 것은 매우 어려운 작업이 될 것이며, 이에 따라 본 연구에서는 소유역에 적용되는 수변완충지대의 폭을 각 HRU의 개수에 따라 그 폭을 할당히여 적용히였으며 그 계산식은 다음과 같다.
- 737를 얻을 수 있었다(그림 5). 따라서 추가적인 매개변수 조정 없이 다음 단계인 토사유출량 매개 변수를 추정하였다. 토사유출량의 매개변수 중 먼저 토사유출량 모의에 어떠한 매개변수가 영향을 주는지 민감도 분석을 실시히였다.
- 먼저 SWAT모형을 모의히기 위해 필요한 자료를 구축히-고 소유 역을 분할하였다. 모의 유량 및 토사유출량의 검증에 필요 한일단위 실제자료를 구축히키 위해 TANK모형과 최소분산 비 편향 주정기법 (Minimum Variance Unbiased Estimator: MVUE) 을 이용하여 8일 간격자료를 1일 간격자료로 확장하였으며, SWAT 모형에서 사용되는 매개변수들을 조절히여 모의 유량 및 모의 토사유출량의 보정을 실시하였다.
- 먼저 SWAT모형을 모의히기 위해 필요한 자료를 구축히-고 소유 역을 분할하였다. 모의 유량 및 토사유출량의 검증에 필요 한일단위 실제자료를 구축히키 위해 TANK모형과 최소분산 비 편향 주정기법 (Minimum Variance Unbiased Estimator: MVUE) 을 이용하여 8일 간격자료를 1일 간격자료로 확장하였으며, SWAT 모형에서 사용되는 매개변수들을 조절히여 모의 유량 및 모의 토사유출량의 보정을 실시하였다.
- 본 연구에서는 기존에 선행되었던 연구결과를 참고 히였다. 보정의 정획도는 결정계수 R2와 NSC계수를 이용히여 파악하였다. 여기서는 실제 자료와 모의자료가 연관성이 있는지를 나타내는 결정계수이며 값이 1에 가까울수록 두 자료사이에 연관성이 강한다는 것을 의미한다.
- 본 연구에서 사용된 SWATe SWAT2000 버전으로 Arcview GIS와 연계되어 수치고도자료(DEM) 및 하천망 자료를 통하여 유역을 소유역으로 분할하고, 토양도와 토지이용도를 중첩하여 만든 수문반응단위 (HRU, Hydrologic Response Unit)별로 수문량 및 오염물질 발생량을 계산한 후, 이를 하도 추적하는 방식을 취하고 있다.
- 본 연구에서는 먼저 모의자료의 유량부분을 보정히였고 이때 M 0.6 이상, NSC 0.5가 이상의 조건이 충족될 때까지 유량과 관련된 매개변수를 반복적으로 조절히였다. 이후 유량 부분의 보정이 종료되면 토사유출량 부분을 보정하였으며 이는 유량부분을 보정하였을 때와 같은 방법이 적용되었다.
- 이후 SWAT모형에서 수변완충지대 설정에 따른 저감효과분석을 실시히였으며, 이때 SWAT모형 내에서 보다 정확한 수변 완충지대를 설정하기 위해 수변완충지대 폭을 소유역에 맞게 수정히여 적용하였다.
- 그러나 SWAT모형의 보정을 위해서는 1일 간격 자료가 필요하기 때문에 이를 1일 간격의 자료로 민들기 위히여 8일 간격의 관측된 유량자료를 바탕으로 TANK모형을 (Sugawara, 1995)을 이용하여 일 유량지료를 생성히였다(김재철과 김상단, 2007). 이후 이를 관측 자료로 간주하여 SWAT-병성천 모형의 매개변수를 추정하였다.
- 따라서 추가적인 매개변수 조정 없이 다음 단계인 토사유출량 매개 변수를 추정하였다. 토사유출량의 매개변수 중 먼저 토사유출량 모의에 어떠한 매개변수가 영향을 주는지 민감도 분석을 실시히였다. 문헌 조사 결과 여러 매개변수 중 USLE_C와 SPCON 그리고 SPEXP가 토사유출량의 모의에 영향을 주는 것으로 파악되었다.
대상 데이터
- SWAT 모형에서 DEM을 이용히여 Stream definition에서 대상유역을 가장 적절히 표현한 임계면적 (Threshold Area) 800 ha을 적용히였고 그 결과 29개의 소유 역으로 분할하였다(그림 3). 또한 대상유역의 기상자료로서일 강수자료, 일 최고/최저 기온, 풍속, 상대습도, 일사량이필요히게 되는데, 대상유역인 병성천 유역에 위치히고 있는 기상청이 없기 때문에 문경과 구미의 기상청 자료를 티센 면적 가중치를 고려히여 기상자료를 구죽히였으며 일사링의 경우에는 문경과 구미의 정확한 자료가 없어 안동의 일사량 자료를 시용하였다.
- 그리고 기상자료 등이 쓰이게 된다. 지형자료로 이용되는 수치고도자료(DEM)와 토양도 및 토지이용도는 국가수지원관리 종합정보시스템 (WAMIS, www.wamis.go.kr)에서 제공되는 자료를 각각 사용히였다(그림 2). 공간해상도는 30 mx 30 m이다.
이론/모형
- SWAT에서는 이를 모의하기 위해 USLE에서 수정된 MUSLE(Modified Universal Soil Loss Equation)(Williams, 1975)방법을 사용하고 있다. 이는 다음의 식(2>와 같이 표현된다.
- Santhi 등(2001), Benaman과 Shoemakcr(2004), 그리고 김보경 등(2007)에서 유량 및 토사유출량에 관여한 매개변수들을제시히였으며 본 연구에서는 기존에 선행되었던 연구결과를 참고 히였다. 보정의 정획도는 결정계수 R2와 NSC계수를 이용히여 파악하였다.
- 유역에서의 수변구역 설정 시에 그에 따른 토사 유출량의 저감효과를 알아보기 위하여 SWAT모형을 이용하였다. 먼저 SWAT모형을 모의히기 위해 필요한 자료를 구축히-고 소유 역을 분할하였다.
- 퇴적 및 침식은 하천에서의 토사물질의 이송을 조절한다. 하천에서의 토사유출량의 모의는 Bagnold stream power equation (Bagnold, 1977)을 사용하였고 식 (3)과 같다.
성능/효과
- 분석 결과, 1) 유역 전체에 수변완충지대 설정 시에 수변 완충지대 폭에 따른 저감량 및 저감율을 살펴보았을 때, 폭 5~10m 사이의 수변완충지대 설정이 가장 효율적으로 토사 유출량을 저감하는 것으로 분석되었다. 2) 소유역 별로 하천길이 당 저감량을 살펴본 결과 유역 말단 부근인 8번 소유 역과 15번 소유역, 11번 소유역에서 가장 저감효율이 큰 것으로 파악되었다.
- 저감하는 것으로 분석되었다. 2) 소유역 별로 하천길이 당 저감량을 살펴본 결과 유역 말단 부근인 8번 소유 역과 15번 소유역, 11번 소유역에서 가장 저감효율이 큰 것으로 파악되었다.
- 공간해상도는 30 mx 30 m이다. SWAT 모형에서 DEM을 이용히여 Stream definition에서 대상유역을 가장 적절히 표현한 임계면적 (Threshold Area) 800 ha을 적용히였고 그 결과 29개의 소유 역으로 분할하였다(그림 3). 또한 대상유역의 기상자료로서일 강수자료, 일 최고/최저 기온, 풍속, 상대습도, 일사량이필요히게 되는데, 대상유역인 병성천 유역에 위치히고 있는 기상청이 없기 때문에 문경과 구미의 기상청 자료를 티센 면적 가중치를 고려히여 기상자료를 구죽히였으며 일사링의 경우에는 문경과 구미의 정확한 자료가 없어 안동의 일사량 자료를 시용하였다.
- 여기서, Definitione- SWAT 모형에 매개변수 보정후 적용된 값이다. 매개변수 조정 후의 모의한 결과 월별 유사량 R2 0.876, NSC 0.843을 얻을 수 있었으며, 연별 토사유출량 모의 결과는 R2 0.801, NSC 0.898이었다. 표 2와 그림 7에 그 모의 결과를 나타내었다.
- 토사유출량의 매개변수 중 먼저 토사유출량 모의에 어떠한 매개변수가 영향을 주는지 민감도 분석을 실시히였다. 문헌 조사 결과 여러 매개변수 중 USLE_C와 SPCON 그리고 SPEXP가 토사유출량의 모의에 영향을 주는 것으로 파악되었다. 그림 &은 그 중 SPCON의 민감도 실시 결과이며, 매개변수를 변경한 후 모의된 결과와 모형에서의 기본값과의 비율을 비고히여 식(6)를 적용히여 그 영향력을 나타내었다.
- 그림 8와 표 3은 수변완충지대의 길이를 달리하였을 때 저감되는 양과 그때의 제거율을 보여주고 있다. 수변완충지대의 폭이 1 m 일 때 유사산출량 127404.1 kg/day 제거율이 3.75%, 3m 일 때유사산출링이 127404.1 kg/day 8.37%, 5 m를 설정할 때의 유사산출량 117410.3 kg/day 제거율 11.30%, 10 m 일 때 유사산출링이 111588.8 kg/day 제거율이 15.7% 15 m 일 때 유사산출량 109952.6kg/day 제거율 15.70%, 15m 일 때 유사산출량 109952.6 kg/day 제거율 16.93%, 20 m 일 때 유사산출량 108049.3 kg/day 제 거율 18.37%, 25 m 일 때 유사산출량 104208.0 kg/day 제 거율 21.27%, 30 m 일 때 유사산출량 104035.6 kg/day 제거율 21.40%으로 나티났다. 초기의 수변구역 설정 폭인 1-10 m일 때 3.
- 이에 덧붙여 서 소유 역별 하천길이 당 저감되는 토사유출량을 보여주고 있다. 저감링이 가장 큰 소유역은 11번 소유역으로 7698.48 kg/day 이며, 다음으로 15번 소유역 3546.88 kg/day, 12번 소유역 1799.34 kg/day, 5번 소유역 1678.17 kg/day 등의 순으로 나타났으며, 대체적으로 기준 관측지점인 병성천의 말단 부분 근처에 위치한 소유역에 수변완충지대를 설치할 때 저감이 큰 것으로 나티났다. 또한 표 4에서는 히천길이 당 저감되는 양을 같이 나티내었는데, 이는 각 소유역마다 면적이나, 히천의 길이가 다르므로 실제 저감효율이 큰 곳을 알아보기 위함이다.
후속연구
- 때문에 소유역 내에 있는 히천 주변에 15 이의 수변 완충지대가 설정되었다는 것은 지표면 유출 경로 상으로 불 때, 히천에유입되 기 직 전 15이에 filter strip이 설정 된 것으로 보아야 한다. 따라서 하천과 접 하고 있는 HRUs에 15 이의 filter strip를 지정히는 것이 SWAT모형의 이용 시 보다 올바른 사용법이 될 것이다.
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