WEPP 모형을 이용한 우회수로 및 식생수로의 유출 및 토사유출 저감 평가 Evaluation of Runoff and Sediment Yield Reduction with Diversion Ditch and Vegetated Swale Using WEPP Model원문보기
전세계적으로 토사유출은 심각한 문제로 알려져 있다. 환경관리자, 농부 및 다른 토지소유자들을 위해 다양한 모델링 테크닉이 개발되어왔고, 토양유실 저감을 위해 다양한 site-specific 최적관리기법의 효율을 산정하여 활용하였다. 물리적기반인 WEPP 모형은 시 공간적으로 작은 유역과 필지에서 발생하는 토양유실을 산정할 수 있다. 그러므로 본 연구에서는 WEPP watershed version을 이용하여 강원도 홍천군 자운리에 위치한 연구지역에 빗물 우회수로와 식생수로를 적용하였다. 우회수로 적용시 유출량과 토사유출량은 각각5.8%, 29.6% 저감되었으며, 식생수로 적용시 각각 9.8%, 14.5% 저감되었다. 식생수로와 우회수로를 혼합한 식생우회수로는 유출량과 토사유출량이 각각 11.8%, 40.4% 저감되었다. 본 연구의 결과와 같이 WEPP 모형은 유출량과 토사유출량 저감효과를 산정하고, site-specific 토사유출저감 최적관리기법 수립에 유용할 것으로 판단된다.
전세계적으로 토사유출은 심각한 문제로 알려져 있다. 환경관리자, 농부 및 다른 토지소유자들을 위해 다양한 모델링 테크닉이 개발되어왔고, 토양유실 저감을 위해 다양한 site-specific 최적관리기법의 효율을 산정하여 활용하였다. 물리적기반인 WEPP 모형은 시 공간적으로 작은 유역과 필지에서 발생하는 토양유실을 산정할 수 있다. 그러므로 본 연구에서는 WEPP watershed version을 이용하여 강원도 홍천군 자운리에 위치한 연구지역에 빗물 우회수로와 식생수로를 적용하였다. 우회수로 적용시 유출량과 토사유출량은 각각5.8%, 29.6% 저감되었으며, 식생수로 적용시 각각 9.8%, 14.5% 저감되었다. 식생수로와 우회수로를 혼합한 식생우회수로는 유출량과 토사유출량이 각각 11.8%, 40.4% 저감되었다. 본 연구의 결과와 같이 WEPP 모형은 유출량과 토사유출량 저감효과를 산정하고, site-specific 토사유출저감 최적관리기법 수립에 유용할 것으로 판단된다.
It has been known that soil erosion caused by water has been a serious problem worldwide. Thus various modeling techniques for conservationists, farmers, and other land users have been developed and utilized to estimate effects of numerous site-specific Best Management Practices on soil erosion redu...
It has been known that soil erosion caused by water has been a serious problem worldwide. Thus various modeling techniques for conservationists, farmers, and other land users have been developed and utilized to estimate effects of numerous site-specific Best Management Practices on soil erosion reduction. The physical process-based WEPP model would provide both temporal and spatial estimates of soil loss within small watersheds and for hillslope profiles within small watersheds. Thus, the WEPP watershed version was applied to study watershed, located at Jawoon-ri, Gangwon to simulate diversion ditch and vegetated swale with detailed input data set. The sediment yield and runoff reduction rates reduced by 5.8% and 29.6% with diversion ditch and 9.8% and 14.5% with vegetated swale. With vegetated diversion ditch, runoff and sediment yield could be reduced by 11.8% and 40.4%, respectively. Based on the results obtained in this study, the WEPP model would be an useful tool to measure runoff and sediment yield reduction and establish site-specific sediment reduction best management plan.
It has been known that soil erosion caused by water has been a serious problem worldwide. Thus various modeling techniques for conservationists, farmers, and other land users have been developed and utilized to estimate effects of numerous site-specific Best Management Practices on soil erosion reduction. The physical process-based WEPP model would provide both temporal and spatial estimates of soil loss within small watersheds and for hillslope profiles within small watersheds. Thus, the WEPP watershed version was applied to study watershed, located at Jawoon-ri, Gangwon to simulate diversion ditch and vegetated swale with detailed input data set. The sediment yield and runoff reduction rates reduced by 5.8% and 29.6% with diversion ditch and 9.8% and 14.5% with vegetated swale. With vegetated diversion ditch, runoff and sediment yield could be reduced by 11.8% and 40.4%, respectively. Based on the results obtained in this study, the WEPP model would be an useful tool to measure runoff and sediment yield reduction and establish site-specific sediment reduction best management plan.
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문제 정의
따라서 본 연구의 목표는 연구대상 유역에 대해 적용성이 평가된 WEPP 모형을 이용하여 우회수로와 식생수로 적용에 따른 토사유출 저감효과를 정량적으로 평가하여, 향후 비슷한 환경을 가진 유역에서의 토사 유출 저감 최적관리 기법 적용 및 효율 평가의 기초 자료를 제시하고자 한다.
WEPP 모형은 아직 모든 BMP에 대한 평가를 하기에 한계를 가지고 있으며, 매개변수에 대한 연구가 부족하다. 본 연구는 연구지역에서 발생하는 토사유출과 저감효과를 산정하는 방식을 제시하고자 하는 것이 목적이며, 절대적 저감효율을 제시하고자 하는 것은 아니다. 향후 WEPP 모형의 개선(BMP 시설 모의)과 매개변수에 대한 연구가 이루어진다면 다양한 환경에서 비점 및 저감시설의 효율 산정이 가능할 것으로 예상된다.
본 연구의 목적은 고랭지 밭에서 발생하는 유출 및 토사유출을 저감시키기 위해 설치하는 비점오염 저감시설인 우회수로와 식생수로의 저감효과를 평가하는데 있다.
제안 방법
(1987)과 Simanton et al.(1987)에 의한 광범위한 현장 조사 연구들을 기반으로 개발하였다. 경사지에서의 토양유실은 유사 연속성(sediment continuity), 분리(detachment), 퇴적(deposition), 세류에서의 전단응력(shear stress in rill), 유사운송능(sediment transport capacity) 등을 고려하였다.
2) WEPP 모형의 break point 기능으로 초지를 구성하고, Channel에 식생 및 배수로를 설정하여 폭 5 m, 10 m의 식생수로를 적용하였다. 식생수로 5 m를 적용하여 평가한 결과 총 유출이 2,635.
(1987)에 의한 광범위한 현장 조사 연구들을 기반으로 개발하였다. 경사지에서의 토양유실은 유사 연속성(sediment continuity), 분리(detachment), 퇴적(deposition), 세류에서의 전단응력(shear stress in rill), 유사운송능(sediment transport capacity) 등을 고려하였다.
식생은 상부(H4∼H6)와 하부(H1∼H3)에 각각 5 m를 적용하였고, 수로(C1∼C3, C6∼C8)는 식생수로와 동일한 방식으로 적용하였다. 기존 Hillslope 3개와 Channel 3개로 구축된 WEPP 모형을 Hillslope 6개와 Channel 8개로 구성하여 식생우회수로를 구축한 것이다. 새로운 Hillslope과 Channel 구축 후 기존의 고랭지밭과 비교하여 토사유출 저감효과를 평가하였으며, 연간 퇴적률을 비교하였다(Fig.
7). 또한 Hillslope에 Break point 기능을 이용하여 5 m, 10 m로 구분한 후에 초지를 구성하여 토사유출시 퇴적이 발생하도록 하였다(Fig. 8).
강원도청(2010)은 소양호 비점오염원관리지역 관리대책 시행계획에서 우회수로 설치시 식생수로와 연계하여 설치하도록 권장하고 있다. 본 연구에서는 WEPP 모형을 이용하여 식생우회수로 효과를 모의하였는데, 이때 대상 지역에 총 8개의 수로와 6개의 경사지를 구축하는 것으로 분석하였다. 식생은 상부(H4∼H6)와 하부(H1∼H3)에 각각 5 m를 적용하였고, 수로(C1∼C3, C6∼C8)는 식생수로와 동일한 방식으로 적용하였다.
4는 빗물 우회수로가 설치된 예시이다. 본 연구에서는 WEPP 모형을 이용하여 연구지역의 40 m 지점에 우회수로를 설치하여 토사유출 저감효과를 평가하였다(Fig. 5).
본 연구에서는 식생수로와 우회수로를 혼합한 형태인 식생우회수로를 적용하여 유출 및 토사유출의 저감률을 평가하였다. 평가결과 총 유출은 11.
밭 토양은 모래가 많은 사질 토양이고 농작물의 품질을 높이기 위해서 2~3년에 1회 성토(30~60 cm)를 실시하고 있었다. 본 연구에서는 홍천군 내면 자운 4리, 8,485 m2의 고랭지 밭을 연구지역으로 선정하였으며 현근우 등(2008)에 의해서 측정된 유출 및 토양유실량 자료를 활용하여 WEPP 모형의 정확성을 평가하였다. 현근우 등(2008)은 대상지에 깊이 60 cm, 폭 60 cm의 콘크리트 배수로를 설비하였고(Fig.
기존 Hillslope 3개와 Channel 3개로 구축된 WEPP 모형을 Hillslope 6개와 Channel 8개로 구성하여 식생우회수로를 구축한 것이다. 새로운 Hillslope과 Channel 구축 후 기존의 고랭지밭과 비교하여 토사유출 저감효과를 평가하였으며, 연간 퇴적률을 비교하였다(Fig. 9).
식생은 상부(H4∼H6)와 하부(H1∼H3)에 각각 5 m를 적용하였고, 수로(C1∼C3, C6∼C8)는 식생수로와 동일한 방식으로 적용하였다.
따라서 본 연구에서는 암거유공관을 WEPP 모형에 적용하였다. 암거유공관을 설정하는 방식은 Channel Management에서 Drainage Database 기능을 이용해 배수로를 추가하였다(Fig. 7). 또한 Hillslope에 Break point 기능을 이용하여 5 m, 10 m로 구분한 후에 초지를 구성하여 토사유출시 퇴적이 발생하도록 하였다(Fig.
이론/모형
침투율을 초과하는 경우 Eq. (2)와 같이 Kinematic wave 방정식을 사용하여 계산한다.
경사지에서 세류내의 유사거동을 Eq. (3)과 같은 정상상태 유사방정식을 이용하여 사용하였다.
WEPP 모형은 세류와 세류사이에서의 유출을 구분하며, 면상류보다는 세류의 흐름과 세류의 수리를 바탕으로 전단응력을 계산한다(Page, 1988). WEPP 모형에서 유출은 침투와 지표유출로 구분할 수 있는데 침투는 비정상 간헐 강우(unsteady intermittent rainfall)를 위한 Green-Ampt Mein-Larson (GAML) 모형을 이용해 계산하며, 지표유출은 강우강도가 침투율을 초과할 경우 발생하며 Kinematic wave 방정식을 사용하여 계산한다.
보통 건식 식생수로의 경우 48시간 이내에 배수되지 않으면 식생이 훼손되게 된다(환경부, 2008). 따라서 본 연구에서는 암거유공관을 WEPP 모형에 적용하였다. 암거유공관을 설정하는 방식은 Channel Management에서 Drainage Database 기능을 이용해 배수로를 추가하였다(Fig.
그러나 고랭지밭에서는 여전히 수로정비가 부족하고 농업활동 중 식생도랑의 식생이 제거되어 다량의 토사가 발생하고 있다. 본 연구에서는 최재완 등(2009)에 의해서 연구지역에 대해 정확성이 검 보정된 WEPP 모형의 Channel Management 기능을 이용하여 식생수로를 모의하였다. 식생수로는 건식(dry swale)과 습식(wet swale)으로 구분되는데 습식 식생수로는 습지의 조건을 갖추도록 설계되므로 WEPP 모형에서 구현하기에는 한계가 있다.
침투량은 Green-Ampt Mein-Larson (GAML)식(Mein and Larson, 1973)을 비정상상태 강우와 담수개시시간을 적용할 수 있도록 Chu(1978)가 수정한 식을 사용하며, 평균 침투율(ft)은 Eq. (1)과 같다.
성능/효과
1) 우회수로를 평가한 결과 총 유출이 2,691.9 m3, 토사유출이 20,905.2 kg으로 나타났다. 우회수로 적용 후 총 유출은 5.
3) 식생수로와 우회수로를 혼합한 형태인 식생우회수로를 적용하여 유출 및 토사유출의 저감률을 평가한 결과 총 유출은 11.8% 저감되었고, 총 토사유출은 40.4% 저감되었다. 저감량은 총 유출이 331.
WEPP 모형을 이용하여 식생수로 5 m를 적용하여 평가한 결과 총 유출이 2,635.5 m3, 토사유출이 27,435.8 kg으로 나타났다. 총 유출은 식생수로 5 m를 적용하기 전보다 5.
우회수로는 유출 저감률이 크지 않았으나, 토사유출 저감률은 높은 것으로 나타났다. 가장 많이 저감된 것은 8월 2일 24 mm 강우시 63%가 저감되었으며, 8월 3일 27 mm 강우시 2.7%로 가장 적게 저감되는 것으로 나타났다. 강우 크기는 크게 차이나지 않으나 24 mm 강우시 240 kg의 토사가 발생, 27 mm 강우시 910 kg 의 토사가 발생한 것으로 측정되어, 선행무강우시간에 따라 토사발생량이 큰 차이를 보이며, 선행무강우시간이 짧은 경우를 고려하여 우회수로의 충분한 폭과 깊이를 결정하고, 잦은 토사제거를 통하여 적절한 우회수로 관리가 필요하다(Figs.
식생수로 폭을 5 m에서 10 m로 2배 증가시키면 토사유출 저감률은 2배 이상 증가하는 것으로 나타났다. 각 강우이벤트에서 저감률을 산정한 결과 식생수로 5 m, 10 m 모두 8월 2일 24 mm 강우시 가장 많이 저감되는 것으로 나타났다. 우회수로와 비교한 경우 총 유출 저감률은 식생수로가 더 큰 것으로 나타났으나, 총 토사유출 저감률은 우회수로에서 더 큰 것으로 나타났다(Fig.
6% 저감되었다. 빗물우회수로 적용시 토사유출 저감률이 유출 저감률에 비해 높은 것으로 나타났다. 밭 면적이 크거나 경사가 급한 지역의 경우 우회수로의 수를 증가시키는 적절한 토사유출관리가 필요하다.
5 kg으로 나타났다. 식생수로 10 m 적용 후 총 유출은 9.8%, 총 토사유출은 14.5% 저감되었다. 식생수로는 빗물우회수로에 비해 많은 시공비용 및 토지매입비용이 요구되므로 설치 시 생산성을 고려하여 적절한 규모를 선정해야할 필요가 있다.
3% 저감되었다. 식생수로 10 m를 적용하여 평가한 결과 총 유출이 2,526.9 m3, 토사유출이 25,050.5 kg으로 나타났다. 폭 10 m의 식생수로를 조성하여 모의한 결과 총 유출은 9.
WEPP 모형을 이용하여 식생수로 5 m를 적용하여 평가한 결과 총 유출이 2,635.5 m3, 토사유출이 27,435.8 kg으로 나타났다. 총 유출은 식생수로 5 m를 적용하기 전보다 5.
5% 저감되었다. 식생수로 폭을 5 m에서 10 m로 2배 증가시키면 토사유출 저감률은 2배 이상 증가하는 것으로 나타났다. 각 강우이벤트에서 저감률을 산정한 결과 식생수로 5 m, 10 m 모두 8월 2일 24 mm 강우시 가장 많이 저감되는 것으로 나타났다.
연구지역에 대해서 검 보정된 WEPP 모형을 이용하여 빗물우회수로 효과를 모의한 결과 총 유출이 2,691.9 m3, 토사유출이 20,905.2 kg으로 나타났다. 총 유출은 우회수로를 적용하기 전보다 5.
2 kg으로 나타났다. 우회수로 적용 후 총 유출은 5.8% 저감되었으며, 총 토사유출은 29.6% 저감되었다. 빗물우회수로 적용시 토사유출 저감률이 유출 저감률에 비해 높은 것으로 나타났다.
각 강우이벤트에서 저감률을 산정한 결과 식생수로 5 m, 10 m 모두 8월 2일 24 mm 강우시 가장 많이 저감되는 것으로 나타났다. 우회수로와 비교한 경우 총 유출 저감률은 식생수로가 더 큰 것으로 나타났으나, 총 토사유출 저감률은 우회수로에서 더 큰 것으로 나타났다(Fig. 12~15). 이는 식생수로에서 저류 및 증발효과로 인해 유출이 저감되었으나, 식생수로의 침식으로 인해 토사유출 저감률은 우회수로에 비해 크지 않은 것으로 판단된다.
2 kg으로 저감되는 것으로 나타났다. 유출 저감률은 크게 증가하지 않았으나 토사유출 저감률은 크게 증가하는 것으로 나타났다(Figs. 16 and 17). Fig.
4% 저감되었다. 저감량은 총 유출이 331.6 m3, 총 토사유출이 11,821.2 kg으로 나타났다. 유출 대비 토사유출의 저감률이 기존의 우회수로나 식생수로를 설치하는 경우보다 큰 것으로 나타나 고랭지 밭에 식생우회수로를 적용하는 경우 효과적으로 토사유출을 저감시킬 수 있다.
4% 저감되었다. 총 유출 저감량은 331.6 m3, 총 토사 저감량은 11,821.2 kg으로 저감되는 것으로 나타났다. 유출 저감률은 크게 증가하지 않았으나 토사유출 저감률은 크게 증가하는 것으로 나타났다(Figs.
8 kg으로 나타났다. 총 유출은 식생수로 5 m를 적용하기 전보다 5.9% 저감되었으며, 총 토사유출은 6.3% 저감되었다. 식생수로 10 m를 적용하여 평가한 결과 총 유출이 2,526.
2 kg으로 나타났다. 총 유출은 우회수로를 적용하기 전보다 5.8% 저감되었으며, 총 토사유출은 29.6% 저감되었다. 우회수로는 유출 저감률이 크지 않았으나, 토사유출 저감률은 높은 것으로 나타났다.
본 연구에서는 식생수로와 우회수로를 혼합한 형태인 식생우회수로를 적용하여 유출 및 토사유출의 저감률을 평가하였다. 평가결과 총 유출은 11.8% 저감되었고, 총 토사유출은 40.4% 저감되었다. 총 유출 저감량은 331.
5 kg으로 나타났다. 폭 10 m의 식생수로를 조성하여 모의한 결과 총 유출은 9.8%, 총 토사유출은 14.5% 저감되었다. 식생수로 폭을 5 m에서 10 m로 2배 증가시키면 토사유출 저감률은 2배 이상 증가하는 것으로 나타났다.
8 kg으로 나타났다. 폭 5 m의 식생수로 적용 후 총 유출은 5.9% 저감되었으며, 총 토사유출은 6.3% 저감되었다. 식생수로 10 m를 적용하여 평가한 결과 총 유출이 2,526.
후속연구
본 연구의 결과에서 보이는 바와 같이 WEPP 모형은 경작지 토사유출 방지를 위한 우회수로 및 식생수로 설계 및 저감효과를 평가하는데 유용하게 활용될 수 있다. 고랭지 밭의 토사유출 저감방안을 수립하기 위하여 정량적인 저감률 산정이 필요하다.
본 연구는 연구지역에서 발생하는 토사유출과 저감효과를 산정하는 방식을 제시하고자 하는 것이 목적이며, 절대적 저감효율을 제시하고자 하는 것은 아니다. 향후 WEPP 모형의 개선(BMP 시설 모의)과 매개변수에 대한 연구가 이루어진다면 다양한 환경에서 비점 및 저감시설의 효율 산정이 가능할 것으로 예상된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고랭지 밭에서 발생하는 유출 및 토사유출을 저감시키기 위해 설치하는 비점오염 저감시설인 우회수로와 식생수로의 저감효과를 평가한 본 연구 결과는?
1) 우회수로를 평가한 결과 총 유출이 2,691.9 m3, 토사유출이 20,905.2 kg으로 나타났다. 우회수로 적용 후 총 유출은 5.8% 저감되었으며, 총 토사유출은 29.6% 저감되었다. 빗물우회수로 적용시 토사유출 저감률이 유출 저감률에 비해 높은 것으로 나타났다. 밭 면적이 크거나 경사가 급한 지역의 경우 우회수로의 수를 증가시키는 적절한 토사유출관리가 필요하다.
2) WEPP 모형의 break point 기능으로 초지를 구성하고, Channel에 식생 및 배수로를 설정하여 폭 5 m, 10 m의 식생수로를 적용하였다. 식생수로 5 m를 적용하여 평가한 결과 총 유출이 2,635.5 m3, 토사유출이 27,435.8 kg으로 나타났다. 폭 5 m의 식생수로 적용 후 총 유출은 5.9% 저감되었으며, 총 토사유출은 6.3% 저감되었다. 식생수로 10 m를 적용하여 평가한 결과 총 유출이 2,526.9 m3, 토사유출이 25,050.5 kg으로 나타났다. 식생수로 10 m 적용 후 총 유출은 9.8%, 총 토사유출은 14.5% 저감되었다. 식생수로는 빗물우회수로에 비해 많은 시공비용 및 토지매입비용이 요구되므로 설치 시 생산성을 고려하여 적절한 규모를 선정해야할 필요가 있다.
3) 식생수로와 우회수로를 혼합한 형태인 식생우회수로를 적용하여 유출 및 토사유출의 저감률을 평가한 결과 총 유출은 11.8% 저감되었고, 총 토사유출은 40.4% 저감되었다. 저감량은 총 유출이 331.6 m3,총 토사유출이 11,821.2 kg으로 나타났다. 유출 대비 토사유출의 저감률이 기존의 우회수로나 식생수로를 설치하는 경우보다 큰 것으로 나타나 고랭지 밭에 식생우회수로를 적용하는 경우 효과적으로 토사유출을 저감시킬 수 있다.
Page, 1988에 따르면 WEPP 모형은 어떤 것인가?
WEPP 모형은 세류와 세류사이에서의 유출을 구분하며, 면상류보다는 세류의 흐름과 세류의 수리를 바탕으로 전단응력을 계산한다(Page, 1988). WEPP 모형에서 유출은 침투와 지표유출로 구분할 수 있는데 침투는 비정상 간헐 강우(unsteady intermittent rainfall)를 위한 GreenAmpt Mein-Larson (GAML) 모형을 이용해 계산하며, 지표유출은 강우강도가 침투율을 초과할 경우 발생하며 Kinematic wave 방정식을 사용하여 계산한다.
유역 내 토사유출현황 및 저감시설의 효율을 평가하기 위한 가장 정확한 방법은 무엇이며, 단점은?
유역 내 토사유출현황 및 저감시설의 효율을 평가하기 위해서는 토지이용별, 지형별, 작물별, 시간별 장기 모니터링을 수행하는 것이 가장 정확한 방법이지만, 큰 유역에서의 장기 모니터링은 수행하기 어려운 경우도 많으며, 인건비와 장비 등 많은 비용이 요구된다. 또한 정부에서는 수질오염총량관리를 위한 개발 사업으로서 비점오염원 최적관리지침, 비점오염원관리지역 평가 등 비점오염원관리를 위해 다양한 지침 및 계획을 수립하고 있으나, 실제로 시·군에서 비점오염원 저감시설에 대한 효율을 정량적으로 산정하기 어려운 실정이다.
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