The main objective of this study was to evaluate the effects of control-release fertilizer (CRF) on pollutant loadings from a small watershed. The Baran watershed, 386 ha in size, was selected as the study site, and the AGNPS (Agricultural Non-point Source Pollution) model was used to evaluate the e...
The main objective of this study was to evaluate the effects of control-release fertilizer (CRF) on pollutant loadings from a small watershed. The Baran watershed, 386 ha in size, was selected as the study site, and the AGNPS (Agricultural Non-point Source Pollution) model was used to evaluate the effects of fertilizer types. Digital maps of digital elevation (DEM), slope distribution, channel, flow direction, landuse, soil, and curve number were extracted from the study watershed. Model parameters related to hydrology and water quality were calibrated and validated by comparing model predictions with the observed data collected for 2 years (1999 to 2000). Calibration and validation resulted in $R^2$ values of 0.75-0.91 for all the water quality parameters. All the paddy fields (21.2 %) of the study watershed were sprayed by either CRF or NPK (standard fertilizer). In CRF application, total nitrogen (TN) load was 4.9% less than NPK application, however total phosphorus (TP) load was 0.7 % more than NPK application. In CRF application, considering only paddy fields in the study area, TN load was 38.7 % less than NPK application. Using CRF in paddy fields could be one of the ways to reduce pollutant loadings from agricultural watersheds, however, in order to confirm it, more researches about effects of using CRF are necessary.
The main objective of this study was to evaluate the effects of control-release fertilizer (CRF) on pollutant loadings from a small watershed. The Baran watershed, 386 ha in size, was selected as the study site, and the AGNPS (Agricultural Non-point Source Pollution) model was used to evaluate the effects of fertilizer types. Digital maps of digital elevation (DEM), slope distribution, channel, flow direction, landuse, soil, and curve number were extracted from the study watershed. Model parameters related to hydrology and water quality were calibrated and validated by comparing model predictions with the observed data collected for 2 years (1999 to 2000). Calibration and validation resulted in $R^2$ values of 0.75-0.91 for all the water quality parameters. All the paddy fields (21.2 %) of the study watershed were sprayed by either CRF or NPK (standard fertilizer). In CRF application, total nitrogen (TN) load was 4.9% less than NPK application, however total phosphorus (TP) load was 0.7 % more than NPK application. In CRF application, considering only paddy fields in the study area, TN load was 38.7 % less than NPK application. Using CRF in paddy fields could be one of the ways to reduce pollutant loadings from agricultural watersheds, however, in order to confirm it, more researches about effects of using CRF are necessary.
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문제 정의
본 연구에서는 경기도 화성시 봉담읍에 위치한 발안저수지 유역 중 HP#6 소유역의 강우-유출 자료 및 수질자료를 이용하여 AGNPS 모형을 보정 및 검정하고, 대상 소유역 내의 논에 일반비료와 완효성비료를 시비하였을 때의 오염부하량의 변화를 비교하고 그 결과를 평가하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.
본 연구의 목적은 논을 대상으로 비종에 따른 농업소유역의 오염 배출부하량의 영향을 평가하기 위하여, AGNPS (Agricultural Non-point Source Pollution) 모형을 이용하여 소유역 내의 논에서 일반 비료를 시비할 때와 완효성비료를 시비할 때의 오염배출부하량의 영향을 비교하고, 평가하는 데 있다.
가설 설정
2 %)에 일반비료 (NPK) 시비 후와 완효성비료 (CRF) 시비 후 전체 유역에서의 오염부하를 AGNPS 모형을 통해 추정하였다. 일반비료 및 완효성비료는 표준시비량을 적용하였으며, 보정에 사용한 2000년 강우자료 (Table 5)를 이용하여 5월 10일부터 50일 간격으로 시비를 한 것으로 가정하였고, 각각의 시비량은 5:3:2의 비율로 하였다. 총질소의경우 일반비료 시비 시보다 완효성비료의 시비 시 약 3.
따라서 본 연구에서는 완효성비료와 일반비료 시비에 따른 영향을 확인할 수 있도록 식 (2)와 선행연구의 결과를 이용하여 AGNPS 모형에 입력할 비료 시비량을 산정하였다. 일반비료의 경우, 시비 후부터 비료량이 일정하게 감소하며, 완효성비료의 경우에는 이앙 초기의 시비량은 표준시비량의 1/4로 적용하였고, 이후 일정하게 유지되는 것으로 가정하였다.
제안 방법
AGNPS 모형은 격자내의 비료의 종류 및 비료 시비 방법 등을 구분하여 모의할 수 있는 기능이 없다. 따라서 본 연구에서는 완효성비료와 일반비료 시비에 따른 영향을 확인할 수 있도록 식 (2)와 선행연구의 결과를 이용하여 AGNPS 모형에 입력할 비료 시비량을 산정하였다. 일반비료의 경우, 시비 후부터 비료량이 일정하게 감소하며, 완효성비료의 경우에는 이앙 초기의 시비량은 표준시비량의 1/4로 적용하였고, 이후 일정하게 유지되는 것으로 가정하였다.
본 연구에서 비료시비량은 농가관행시비량 및 표준관행시비량을 고려하여 질소 180 kg/ha, 인산 60 kg/ha을 적용하였다. (Choi et al.
본 연구에서는 유역 내 논 (21.2 %)에 일반비료 (NPK) 시비 후와 완효성비료 (CRF) 시비 후 전체 유역에서의 오염부하를 AGNPS 모형을 통해 추정하였다. 일반비료 및 완효성비료는 표준시비량을 적용하였으며, 보정에 사용한 2000년 강우자료 (Table 5)를 이용하여 5월 10일부터 50일 간격으로 시비를 한 것으로 가정하였고, 각각의 시비량은 5:3:2의 비율로 하였다.
일반비료 시비 후와 완효성비료 시비 후의 논에서 배출된 오염부하량을 AGNPS 모형을 이용하여 비교하였다. 일반비료를 시비하였을 때의 총질소 오염부하량인 759.
본 연구의 지형자료는 1/5000 수치지도를 이용하였다. 주제도는 기본도로부터 소유역 경계도, 수계망도, 경사방향도, 경사도 등을 구축하였다. 지형자료는 분포형 수질모형의 구동을 위해 그리드 (grid) 자료의 형태로 변환하였다.
주제도는 기본도로부터 소유역 경계도, 수계망도, 경사방향도, 경사도 등을 구축하였다. 지형자료는 분포형 수질모형의 구동을 위해 그리드 (grid) 자료의 형태로 변환하였다. 격자의 크기는 선행연구의 연구결과를 바탕으로 제시된 100 m×100 m로 구성하였다 (Cho, 1998).
대상 데이터
AGNPS 모형의 검정은 HP#6 소유역의 1999년 강우 중 강우사상이 10 mm 이상인 23개의 폭우사상을 이용하여 수행하였다.
AGNPS 모형의 보정을 위해 HP#6 소유역의 2000년 강우 중단일 강우사상이 10 mm 이상인 20개의 폭우사상을 이용하여 모형을 보정하였다. 매개변수 보정방법에는 크게 시행착오법, 최적화 기법에 의한 자동보정법, 그리고 이 두가지를 병행하는 방법이 있지만, 보정해야 할 매개변수가 많고 복잡한 모형에서는 여전히 시행착오법이 유용하게 적용되고 있다 (Feyen et al.
격자의 크기는 선행연구의 연구결과를 바탕으로 제시된 100 m×100 m로 구성하였다 (Cho, 1998).
본 연구의 기상자료는 시험유역으로부터 약 10 km 떨어진 수원기상관측소의 일별 기상자료를 이용하였으며, 1999년부터 2000년까지 총 2개년 동안의 일별 기상자료를 수집하였다. 강우침식 인자는 일별 강우량이 10 mm를 초과하는 강우에 대해 다음 식을 이용하여 계산하였다.
본 연구의 시험유역은 발안저수지 유역으로 경기도 화성시 봉담읍에 위치하고 있으며, 1996년부터 서울대학교 지역시스템공학과에서 수문/수질 모니터링을 실시하고 있다. 유역면적 29.
본 연구의 지형자료는 1/5000 수치지도를 이용하였다. 주제도는 기본도로부터 소유역 경계도, 수계망도, 경사방향도, 경사도 등을 구축하였다.
토양도는 국립농업과학원의 정밀토양도 (1/25000)를 이용하여 구축하였다. HP#6 소유역은 오산통 (OnD2, OnE2, OnE3), 송산통 (SNC2, SND2, SNE2, SNE3), 지산통 (JiB, JiC), 청산통 (CaE2, CaE3, CaF3) 등의 토양통이 넓게 분포하고 있는 것으로 나타났다.
이론/모형
, 2000). 따라서 본 연구에서는 시행착오법을 이용하여 모형을 보정하였으며, 보정에 대한 평가를 위해 결정계수 (R2)과 RMAE, RMSE, Nash-Sutcliffe의 효율지수 등을 이용하였다.
발안저수지 유역은 7개의 소유역으로 구분되며 (Fig. 1), 본 연구에서는 HP#6 소유역을 선정하여 AGNPS 모형에 적용하였다 (Kang, 2002).
유출량은 NRCS (Natural Resources Conservation Service)의 유출곡선지수법 (USDA, 1986)에 의하여 추정되며, 첨두유량은 수로를 삼각형 수로로 가정하여 계산하는 TR-55 방법 (USDA, 1986) 등이 있다. 본 연구에서는 Smith와 Williams가 제안한 방법을 사용하였다. 토양유실량 추정은 단일 강우사상에 적용할 수 있도록 수정된 USLE (Modified Universal Soil Loss Equation)공식 (Wischmeier and Smith, 1978)을 사용한다.
본 연구에서는 Smith와 Williams가 제안한 방법을 사용하였다. 토양유실량 추정은 단일 강우사상에 적용할 수 있도록 수정된 USLE (Modified Universal Soil Loss Equation)공식 (Wischmeier and Smith, 1978)을 사용한다. AGNPS 모형의 구조는 Cho (1998), Kang (2002), Lee (2007)에 자세히 서술되어 있다.
토양침식인자 (K)는 정밀토양도를 통해 얻은 토양특성을 이용하여 Wischmeier and Smith 방법 (1965)을 사용하여 결정하였다. 작물경작인자 (C), 지형인자 (LS)를 결정하는 경사장과 침식조절관행인자 (P)는 Wischmeier et al (1978), Park (1998), Cho (1998), Kang (2002), Lee (2007) 등의 연구결과를 바탕으로 구축하였으며, Table 1과 Table 2에서와 같다.
토지이용 분류는 환경지리정보서비스에서 제공하는 2000년 토지피복지도를 이용하였다. HP#6 소유역은 전체 유역 면적의 Fig.
성능/효과
1. 경기도 화성시 봉담읍에 위치한 HP#6 소유역의 2000년 강우-유출 자료 및 수질자료를 이용하여 AGNPS 모형을 보정하였으며, 유출, 유사량, 총질소, 총인의 결정계수 (R2)는 각각 0.91, 0.84, 0.85, 0.85로 나타났다.
2. 1999년 강우-유출 자료 및 수질자료를 이용하여 AGNPS 모형을 검정하였으며, 유출, 유사량, 총질소, 총인의 결정계수 (R2)는 각각 0.79, 0.75, 0.78, 0.75로 나타났다.
3. HP#6 소유역 내의 논 (21.2 %)에 일반비료와 완효성비료를 시비하였을 때의 오염부하량을 모의하였으며, 완효성비료를 시비하였을 때 오염부하량이 총질소의 경우 약 4.9 % 감소하였으나, 총인의 경우 약 0.7 % 증가하는 것으로 나타났다.
4. 논에서 오염부하량의 배출은 총질소가 완효성비료 시비 시약 38.7 % 감소하였으나 총인은 동일한 것으로 모의되었다.
4는 보정기간 (2000년) 동안의 유출, 유사량, 총질소 부하량 그리고 총인 부하량의 실측치와 모의치의 산포도를 보여주고 있다. AGNPS 모형에서 유출, 유사량, 총질소 부하량, 총인 부하량 모두 모의치가 실측치의 경향을 잘 반영하는 것으로 나타났으나, 유사량의 경우 실측치에 비해 과대평가되는 것으로 나타났다. Table 3은 실측치와 모의치의 통계적인 변량을 이용하여 모형을 평가한 결과를 나타내고 있다.
5는 검정기간 (1999년) 동안의 유출, 유사량, 총질소 부하량 그리고 총인 부하량의 실측치와 모의치의 산포도를 보여주고 있다. 검정 결과도 보정 결과와 마찬가지로 AGNPS 모형에서 유출, 유사량, 총질소 부하량, 총인 부하량 모두 모의치가 실측치의 경향을 잘 반영하는 것으로 나타났으나, 유사량의 경우 실측치에 비해 과대평가되는 것으로 나타났다. Table 4는 실측치와 모의치의 통계적인 변량을 이용하여 모형을 평가한 결과를 나타내고 있다.
일반비료 시비 후와 완효성비료 시비 후의 논에서 배출된 오염부하량을 AGNPS 모형을 이용하여 비교하였다. 일반비료를 시비하였을 때의 총질소 오염부하량인 759.05 kg/ha에 비해, 완효성비료를 시비하였을 때의 총질소 오염부하는 465.05 kg/ha로 약 38.7 % 감소한 것으로 나타났다. 총인 오염부하는 일반 비료와 완효성비료를 시비하였을 때 모두 27.
총인 오염부하는 일반 비료와 완효성비료를 시비하였을 때 모두 27.26 kg/ha로 나타났으나, 시비 직후인 5월 10일, 6월 29일, 8월 20일은 완효성비료 시비 시 약 52.9∼100.0 % 정도 감소하는 것으로 나타났다.
총인 오염부하량은 시비 초기에 완효성비료가 일반비료 시비 시보다 약 3.5∼4.8 % 정도 감소하는 것으로 나타났으나, 전체 영농기간동안 완효성비료 시비 시 약 0.7 % 정도 증가하는 것으로 나타났다.
총질소의경우 일반비료 시비 시보다 완효성비료의 시비 시 약 3.4∼8.4% 정도 오염부하량이 감소하는 것으로 나타났으며, 영농기간 동안 유역의 총질소 오염부하량은 약 4.9 % 감소하는 것으로 나타났다.
특히 비료 시비 후 최초 강우 발생 시 (1st runoff event) 포장 논에서의 유출수는 완효성비료 처리구에서는 총질소 배출부하량이 6.25 kg/ha, 5.34 kg/ha로 일반비료 처리구에서의 총질소 배출부하량인 8.56 kg/ha, 6.84 kg/ha에 비해 약 21.9∼27.0% 감소하는 것으로 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
소유역의 강우-유출 자료 및 수질자료를 이용하여 대상 논에 일반비료와 완효성비료를 시비하였을 때의 오염부하량의 변화를 비교한 결과는?
1. 경기도 화성시 봉담읍에 위치한 HP#6 소유역의 2000년 강우-유출 자료 및 수질자료를 이용하여 AGNPS 모형을 보정하였으며, 유출, 유사량, 총질소, 총인의 결정계수 (R2)는 각각 0.91, 0.84, 0.85, 0.85로 나타났다.
2. 1999년 강우-유출 자료 및 수질자료를 이용하여 AGNPS 모형을 검정하였으며, 유출, 유사량, 총질소, 총인의 결정계수 (R2)는 각각 0.79, 0.75, 0.78, 0.75로 나타났다.
3. HP#6 소유역 내의 논 (21.2 %)에 일반비료와 완효성비료를 시비하였을 때의 오염부하량을 모의하였으며, 완효성비료를 시비하였을 때 오염부하량이 총질소의 경우 약 4.9 % 감소하였으나, 총인의 경우 약 0.7 % 증가하는 것으로 나타났다.
4. 논에서 오염부하량의 배출은 총질소가 완효성비료 시비 시약 38.7 % 감소하였으나 총인은 동일한 것으로 모의되었다.
효과적인 비점오염원 관리를 위해서 해야 하는 것은?
5 %에 이르러 점오염원 관리에 의한 수질 개선 효과가 한계에 도달하고 있고, 따라서 추가적인 하천, 호소 등의 수질 향상을 위해서는 비점오염원의 배출 저감이 요구되고 있다 (MOE, 2008). 이에 효과적인 비점오염원 관리를 위해서는 비점오염원 배출의 과학적인 정량화가 시급하고, 그 배출 특성에 따른 적절한 비점오염 관리방안 수립이 요구된다.
기존의 수질오염 관리는 어떻게 이루어졌는가?
기존의 수질오염 관리는 주로 점오염원 위주로 관리되어 왔으며, 2006년 기준 하수도 보급률이 85.5 %에 이르러 점오염원 관리에 의한 수질 개선 효과가 한계에 도달하고 있고, 따라서 추가적인 하천, 호소 등의 수질 향상을 위해서는 비점오염원의 배출 저감이 요구되고 있다 (MOE, 2008).
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