[논문]SWAT 모형의 유출해석모듈 개선이 수질모의에 미치는 영향

김남원; 신아현; 이정우

doi:10.3741/jkwra.2009.42.4.297

[국내논문] SWAT 모형의 유출해석모듈 개선이 수질모의에 미치는 영향
Effect of Improved Runoff Module in SWAT on Water Quality Simulation 원문보기

韓國水資源學會論文集 = Journal of Korea Water Resources Association, v.42 no.4, 2009년, pp.297 - 307

김남원 (한국건설기술연구원 수자원.환경연구본부 수자원연구실) , 신아현 (한국건설기술연구원 수자원.환경연구본부 수자원연구실) , 이정우 (한국건설기술연구원 수자원.환경연구본부 수자원연구실)

초록
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신뢰도 높은 수질 모의를 위해서는 유역 내 정확한 유출 모의가 반드시 선행되어야 한다. 본 연구에서는 연속방정식과 운동파 근사에 의한 Manning의 식이 결합된 비선형 저류방정식에 근거한 하도추적법과 금일 강수량을 고려하여 시간적으로 가중 평균된 유출곡선지수를 산정하도록 개선된 지표유출계산 모듈이 수질 모의에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 대표적 준분포형 모형인 SWAT에 탑재하여 충주댐 유역에 적용하여 각 개선모듈별 독립적인 분석과 전체 개선의 효과를 개선 전 후로 분석하였다. 각 개선 모듈별 수질 모의의 기여도를 분석한 결과 지표유출계산 모듈의 개선보다는 하도추적의 개선이 더 많은 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 이는 비점오염원의 특성 상 하도추적의 개선으로 인한 유출 지체 현상의 개선이 부하량의 배출에 가장 큰 요인으로 작용하였기 때문이라고 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

For reliable water quality simulation by semi distributed model, accurate daily runoff simulation should have preceded. In this study, newly developed channel routing method which is nonlinear storage method is combination of Muskingum routing method and variable storage routing method and temporally weighted average curve number method were applied for effect analysis of water quality simulation. Developed modules, which are added in SWAT models and simulation, were conducted for the Chungju dam watershed. The simulation result by each module applied effect. As a result of analysis contribute water quality modeling, nonlinear storage method is more effective than temporally weighted average curve number method. Nutrient loading discharge was affected by development of runoff delaying from improvement of channel routing, because of characteristics of nonpoint source pollution.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

후)유역 내의">유역내의 흐름에 의하여 하도로 유입되고, 하도의 흐름에 의하여 이동하는 특성을 지니고 있기 때문에 유역에서 배출되는 오염원은 유출 특성의 절대적인 영향을 받는다. 따라서 본 연구에서는 기존의 연구에 의하여 개선된 유출 해석모듈의 이론적 고찰과 함께 오염원의 거동에 미치는 영향에 대해 검증하는 것에 주안점을 두고자 한다. 따라서 본 연구에서는 김남원 등(2007)과 Kim and Lee(2008)의 연구에 근거하여 SWAT 모형의 하도추적 및 지표유출해석 모듈의 개선으로 유출모의가 개선됨은 물론 유출모의 개선 효과가 실제로 유사 및 영양물질 모의에 미치는 영향을 분석, 평가하고자 하였다. 이를 위해서 후)추적 방법의">추적방법의 선택 및 방법의 정확성이 요구된다. 따라서 본 연구에서는 유역모형의 지표유출계산과 하도추적의 개선이 수질 모의에 미치는 영향을 분석하기 위하여 대표적 유역모형인 SWAT 모형과 개선된 SWAT-K 모형을 충주댐 상류 유역에 적용하여 유출모의를 통한 유출구조 개선효과를 확인하고, 이에 따른 수질 모의 결과를 분석하였다.

제안 방법

2(a)). Muskingum 방법과 기존의 CN 산정법을 사용한 AVSWAT2000 버전에 의한 모의값과 비선형 저류방정식과 TWA-CN이 탑재된 개선된 SWAT 모형(SWAT-K)의 모의값을 유역의 최종 출구점인 충주댐지점의 일단위 관측 댐유입량 자료와 비교하였다. SWAT 모형을 적용하기 위하여 하천도,유역도, 환경부의 1/50,000 토지이용도, 환경부의 100m×100m의 수치고도모형(DEM), 농업과학기술원의 1/25,000 정밀토양도 등의 GIS자료를 구축하였다.
SWAT에서 모의되는 질소와 인 계열의 NH₄, NO₃, NO₂, ORG-N, PO₄, ORG-P 등의 항목은 모두 동일한 기작으로 모의되기 때문에 다음과 같이 NO3를 대표항목으로 기술하였다. 질산염인 NO₃는 Eqs.
후)대상 모형으로">대상모형으로 선정하였다. 개선 모듈을 모형 내에 탑재하고, 기존의 모형과의 총 유출량 비교와 선행된 유출 모의를 바탕으로 수질 항목에 대한 모의를 수행하였다. 수질 항목에 대한 비교는 후)관측 자료는">관측자료는 월 1회 비연속적으로 측정된 값으로 누락된기간이 있는 등 단기간 분석을 하기에는 관측수의 부족으로 신뢰성 있는 결과를 도출하기 어려워 SS와 T-N 130개, T-P 129개의 11년간의 관측치와 모의치와의 일대일 비교를 통하여 통계치를 산정하였다.
후)관측 자료가">관측자료가 불충분하여 정확한 비교가 어렵다. 따라서 대상유역의 특성을 나타내는 물리적 입력자료와 매개변수로부터 모형을 구축하여 유역 전체의 수문순환을 포괄하는 최하류 지점인 충주댐 지점에서의 보정을 통해 상류 여러 지점들에서의 수문 순환 또한 충분히 신뢰성을 확보할 수 있을 것으로 판단하여 유역 출구에서의 유출 및 오염원에 대한 분석이 이루어졌다. 토지이용도는 환경부 토지피복분류의 대분류를 이용하여 시가화건조지역, 농업지역, 산림지역, 초지, 나지, 습지, 수역으로 분류하였다.
후)소유 역">소유역 단위로 모의하는 특성을 지니고 있다. 따라서 환경부수질측정망 위치자료와 주 하천의 흐름을 고려하여 유역을 14개 소유역으로 분할하였고, HRU생성을 위한 토지이용과 토양특성 임계면적 비율은 3%로 설정하여 총 262개의 HRU를 생성하였다(Fig. 1). 그러나 (5)와 (6)으로부터 CN_t+Δt와 F_t,t+Δt는 음해적인 관계를 나타내고 있음을 알 수 있고, 따라서 반복 절차로 이들 값을 구하여야 한다. 본 연구에서는 첨두유출량 모의의 정확도를 높일 수 있도록 시간 가중평균 유출곡선지수법을 이용하여 지표유출량을 산정하도록 SWAT을 수정하였다.
후)수질모의에">수질 모의에 앞서 유출구조 개선효과를 확인하기 위하여 1998년에서 2002년까지 유출분석을 실시하였다(Fig. 2(a)).
수질 분석을 위하여 1996～2006년까지의 수질 모의결과와 충주댐 지점의 환경부 월 1회 수질관측망 자료를 비교하였다. 영양물질 관련 후)유출모의를">유출 모의를 바탕으로 수질 항목에 대한 모의를 수행하였다. 수질 항목에 대한 비교는 유출해석모듈 전체 개선에 의한 효과와, 하도추적 모듈, 지표유출해석 모듈이 전체 모의에 미치는 영향을 분석하고자 전체를 반영하는 모형과 각 모듈을 탑재한 독립적인 모형으로 세분하여 구동하였다. 수질 항목의 모의는 현재 축적된 관측값이 후)지표 유출해석">지표유출해석 모듈이 전체 모의에 미치는 영향을 분석하고자 전체를 반영하는 모형과 각 모듈을 탑재한 독립적인 모형으로 세분하여 구동하였다. 수질 항목의 모의는 현재 축적된 관측값이 월단위 측정값으로 분석기간이 단기간인 경우, 신뢰성 있는 결과의 도출이 어려운 한계를 극복하기 위하여 장기간의 모의를 통하여 실측값과 모의값을 분석하고자 한다.
후)수질모의결과와">수질 모의결과와 충주댐 지점의 환경부 월 1회 수질관측망 자료를 비교하였다. 영양물질 관련 매개변수는 유사 및 유출에도 영향을 미치기 때문에(김철겸과 김남원, 2008) 모형 자체의 능력을 평가하기 위한 별도의 매개변수 보정과정은 수행하지 않았고, 유출 구조 개선의 전체적인 효과(SWAT-K)와, 지표유출 개선(SWAT-TWACN)과 하도추적 개선(SWAT-NSTR)이 수질 모의에 미치는 독립적인 효과를 분석하기 위하여 지표유출 개선 전·후, 하도 추적 개선 전·후, 지표유출과 하도추적 개선 전·후의 경우로 SS (ha/kg/day), T-N (ha/kg/day), T-P (ha/kg/day) 항목에 대한 모의를 수행하였다.
유출 구조의 개선이 수질 모의에 미치는 영향을 분석하기 위하여 모형 개선 전·후 및 각 개선방법에 의한 결과를 분석하였다. 전체적인 개선에 의한 모의값과 실측값은 유사한 후)개선효과가">개선 효과가 실제로 유사 및 영양물질 모의에 미치는 영향을 분석, 평가하고자 하였다. 이를 위해서 충주댐유역에 대하여 SWAT과 개선된 SWAT을 각각 적용하여 장기유출분석을 수행하고, 유사량과 총인, 총질소의 모의 결과 비교를 통하여 수질모의에 있어 정교한 장기유출모델링의 중요성을 확인하고자 한다.
후)점오염원 자료는">점오염원자료는 유역 내 하수종말, 마을하수, 분뇨, 공단 및 축산폐수처리시설 등의 환경기초시설자료를 충주댐 관리연보(한국수자원공사, 2003)에서 제시하고 있는 환경기초시설이 모두 가동됨을 전제로 하고, 가동 효율은 70%로 가정하여 각 처리시설별 방류수 수질 기준과 관측 수질자료의 항목별 비율을 고려하여 소유역별 배출부하량을 산정하였다.
후)수문 순환을">수문순환을 포괄하는 최하류 지점인 충주댐 지점에서의 보정을 통해 상류 여러 지점들에서의 수문 순환 또한 충분히 신뢰성을 확보할 수 있을 것으로 판단하여 유역 출구에서의 유출 및 오염원에 대한 분석이 이루어졌다. 토지이용도는 환경부 토지피복분류의 대분류를 이용하여 시가화건조지역, 농업지역, 산림지역, 초지, 나지, 습지, 수역으로 분류하였다. 기상자료는 대관령, 동해, 원주, 영월, 충주, 제천, 태백, 제천, 영주 등 9지점의 기상관측소 자료를 1990∼2006년까지 기상청으로부터 제공받아 Thiessen법에 의하여 분할하여 입력하였다.

대상 데이터

기상자료는 대관령, 동해, 원주, 영월, 충주, 제천, 태백, 제천, 영주 등 9지점의 기상관측소 자료를 1990∼2006년까지 기상청으로부터 제공받아 Thiessen법에 의하여 분할하여 입력하였다.
후)연구대상 지역은">연구대상지역은 충주댐 상류유역으로 도암댐을 포함한 충주댐 상류까지의 구간이다.
데이터처리
- 모형의 개선효과를 정량적으로 평가하기 위해 1996년부터 2006년까지의 Mean Value(kg/ha/day), 결정계수(coefficient of determination, R²), Nash and Sutcliffe(1970) 모형효율(NSE)을 산정하였다(Table 1).
  이론/모형
  - 이 방법은 Eq. (1), (2)와 같이 연속방정식과, 하도내 흐름을 운동파 근사로 표현하여 하도경사와 마찰경사가 같다는 가정을 기반으로 한 Manning 식을 하도추적의 기본 방정식으로 사용하고 있다.
  - 후)선행연구되어">선행연구 되어 다른 해상도의 DEM을 사용하면 유출 개선의 효과가 모듈 개선에 의한 것인지 DEM의 해상도 변화에 의한 것인지 정확한 분석이 어렵다. 더욱이 모형의 특성상 소유역의 평균 경사장을 이용하여 유역 출구에서의 유출량을 분석하기 때문에 기존 연구(김남원 등, 2007; 김철겸과 김남원, 2008; Kim and Lee, 2008)와 동일한 해상도의 DEM을 사용하였다. SWAT 모형은 후)있다 (김남원">있다(김남원 등, 2007). 따라서 유출 수문곡선의 정확도를 높일 수 있도록 비선형 저류방정식을 이용한 하도추적법을 SWAT에 추가하였다.
  - 후)매개 변수의">매개변수의 보정은 총유출량과 첨두유량에 변위가 큰 변수를 중심으로 시행착오법에 의하여 수행하였으며, 개선 전․후의 두 모형 모두 같은 매개변수를 사용하여 보정이 이루어졌다. Fig.
  - 후)등수리적">등 수리적 물리량이 발생하게 될 수 있다. 이러한 모형의 단점을 극복하고 일 단위 하도추적을 보다 정교하게 해석하기 위해서 본 연구에서는 김남원 등(2007)이 제시한 비선형 저류방정식에 입각한 하도추적방법(Nonlinear Storage Method, NSTR)을 이용하였다. 이 방법은 Eq.
  - 후)하도 추적">하도추적 모듈과 지표유출해석 모듈이 수질항목에 미치는 영향을 분석하기 위하여 모듈의 개선사항을 충분히 반영할 수 있는 준분포형 장기유출모형인 SWAT을 대상모형으로 선정하였다. 개선 모듈을 모형 내에 탑재하고, 기존의 모형과의 총 유출량 비교와 선행된

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	신뢰도 높은 수질 모의를 위해서는 무엇이 선행되어야 하는가?	신뢰도 높은 수질 모의를 위해서는 유역 내 정확한 유출 모의가 반드시 선행되어야 한다. 본 연구에서는 연속방정식과 운동파 근사에 의한 Manning의 식이 결합된 비선형 저류방정식에 근거한 하도추적법과 금일 강수량을 고려하여 시간적으로 가중 평균된 유출곡선지수를 산정하도록 개선된 지표유출계산 모듈이 수질 모의에 미치는 영향을 분석하였다.
	수질관리에 있어서 무엇의 관리가 핵심적인 변수로 인식되고 있는가?	수질관리에 있어서 유역의 비점오염원 관리가 핵심적인 변수로 인식되고 있고 그 비중 역시 커지고 있다. 비점오염원 관리를 위해서는 장기간의 지속적인 모니터링 자료를 축적하여 비점오염원의 발생, 이동, 수질에 미치는 영향 등을 정량적으로 평가하여야 한다.
	유역의 비점오염원 관리를 위해서는 무엇을 평가하여야 하는가?	수질관리에 있어서 유역의 비점오염원 관리가 핵심적인 변수로 인식되고 있고 그 비중 역시 커지고 있다. 비점오염원 관리를 위해서는 장기간의 지속적인 모니터링 자료를 축적하여 비점오염원의 발생, 이동, 수질에 미치는 영향 등을 정량적으로 평가하여야 한다. 그러나, 축적된 자료가 충분하지 않은 점과 시간과 비용의 경제성을 고려해 볼 때 강우로 인한 비점오염물질의 유출과정을 하천내의 수리학적 특성과 결합시켜 모의할 수 있는 유역 모형을 이용하여 비점오염원을 추정, 해석하는 것이 효율적일 수 있다(윤춘경 등, 2007).

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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