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문제 정의
- 본 연구는 오염총량관리제의 모델링에 적용할 수 있는 SWAT 모형에 대하여 모형의 기본 입력자료가 되는 토지피복도의 특성을 평가하기 위하여 HyGIS-SWAT 모형을 적용 하여 환경부의 대분류/중분류의 분류항목 및 구축시기에 따른 유출부하 특성을 평가하고, 토지피복변화(토지계 오염원 발생부하량 변화)에 따른 유출부하 특성을 평가하는 것을 목적으로 하고 있다.
- 본 연구는 환경부의 중분류/대분류의 토지피복도 자료의 특성에 따라 HyGIS-SWAT 모형의 적용성을 평가하는 것을 목적으로 하고 있다. HyGIS-SWAT의 적용성을 평가하기 위하여 다음과 같은 연구를 수행하였다.
- 본 연구에서는 앞서 제시한 검보정 중분류 토지피복도 결과를 바탕으로 대분류 토지피복도를 적용했을 때와 중분류 토지피복도를 대분류 토지피복도로 재조정하여 적용했을 때 유역의 유출부하 특성을 분석하였다. 이는 분류항목의 중요성과 자료의 제작시기에 따른 토지피복변화가 유역 유출부하에 얼마만큼의 영향을 미치는가에 대한 평가를 위한 목적으로 수행하였다.
제안 방법
- 오염총량관리제는 우선 목표수질에 의한 총량관리단위유역을 소유역으로 구분한다. 각 소유역에 대하여 오염원 조사 및 수계환경 자료 등을 수집하고 수질모델링으로 소유역별 할당부하량을 계산한다. 이를 바탕으로 기초지자체별 오염부하량을 할당한다.
- 우리나라의 토지피복도는 환경부에서 배포하고 있는 대분류/중분류 토지피복도가 있다. 각 토지피복도의 분류항목별에 따른 특성과 구축시기에 따른 특성으로 구분하여 적용하였다. 대분류와 중분류 토지피복변화는 두 유역 모두 시가지 지역과 농업지역이 팽창하고 산림지역이 감소하는 것으로 분석되어 현재 지속적으로 도시화가 확대되는 추세를 반영하고 있는 것으로 판단된다.
- 구축시기별에 따른 특성을 분석하기 위해 23개 항목의 중분류의 토지피복을 대분류의 7개 토지피복항목으로 재분류하여 분석하였다. 분석결과 표 4에서 보는바와 같이 매개변수 검보정한 중분류를 기준으로 했을 때 총유출량은 36%, 첨두유출량은 42%정도로 나타났으나 오히려 유사농도의 경우에는 1%에서 13%정도 차이가 나는 것으로 분석되었다.
- 둘째, 토지피복 특성에 따른 모형의 적용성을 평가하였다. 우리나라의 토지피복도는 환경부에서 배포하고 있는 대분류/중분류 토지피복도가 있다.
- 본 연구에서는 ADJ_PKR(소유역에서 유사 추적(sediment routing)을 위한 첨두율 조정 계수)과 PRF(주하도에서 유사추적을 위한 첨 두율 조정 계수)를 이용하여 유역에서 발생되는 유사량을 조절하고, SPCON과 SPEXP(하천 유사추적에서 유사억제량 계산을 위한 선형 및 지수 매개변수)를 이용하여 하천의 운송능력을 조절함으로써 하천으로 유입된 유사의 침식과 퇴적현상을 고려하였으며, CH_EROD(Channel erodibility factor)와 CH_COV(Channel cover factor)를 통해 하천내에서 침식되는 유사량을 조절하여 각 소유역 말단에서 모의되는 유사량을 관측값에 근접하도록 보정하였다. Kim et al.
- 본 연구에서는 시행착오법에 의해 각 매개 변수의 민감도 분석 결과를 바탕으로 단계별 변화에 따라 보정을 수행하였다. 시행착오법은 유출량에 대하여 매개변수를 보정한 후 유사관련 매개변수에 대하여 순차적으로 수행하였다.
- 본 연구에서는 앞서 제시한 검보정 중분류 토지피복도 결과를 바탕으로 대분류 토지피복도를 적용했을 때와 중분류 토지피복도를 대분류 토지피복도로 재조정하여 적용했을 때 유역의 유출부하 특성을 분석하였다. 이는 분류항목의 중요성과 자료의 제작시기에 따른 토지피복변화가 유역 유출부하에 얼마만큼의 영향을 미치는가에 대한 평가를 위한 목적으로 수행하였다.
- 셋째, 토지피복변화(토지계 오염원 발생부 하량 변화)에 따른 유출부하 특성을 평가하였다. 토지피복변화 시나리오는 도시화 확대와 농업지역 확대의 3가지 시나리오를 적용하여 분석하였다.
- 첫째, 모형의 정확도 검증을 위한 연구를 수행하였다. 수행 절차는 유출량에 대한 모의와 실측자료와의 검증 후 유사농도 모의와 실측자료와의 검증을 수행하였다. 연구수행을 위한 유역으로는 청주시를 관류하는 무심천 유역과 대전시를 관류하는 갑천유역을 대상으로 하였다.
- 본 연구에서는 시행착오법에 의해 각 매개 변수의 민감도 분석 결과를 바탕으로 단계별 변화에 따라 보정을 수행하였다. 시행착오법은 유출량에 대하여 매개변수를 보정한 후 유사관련 매개변수에 대하여 순차적으로 수행하였다. SWAT 입출력파일 문서(Neitsch et al.
- 첫째, 모형의 정확도 검증을 위한 연구를 수행하였다. 수행 절차는 유출량에 대한 모의와 실측자료와의 검증 후 유사농도 모의와 실측자료와의 검증을 수행하였다.
- 셋째, 토지피복변화(토지계 오염원 발생부 하량 변화)에 따른 유출부하 특성을 평가하였다. 토지피복변화 시나리오는 도시화 확대와 농업지역 확대의 3가지 시나리오를 적용하여 분석하였다. 분석결과 도시화 영향은 첨두유출의 경우 1%~3% 증가하는 것으로 나타났고, 총유출은 최대 9%까지 증가하는 것으로 분석되었다, 또한 유사농도의 경우에도 첨두 유사 농도 및 년총유사농도 모두 19%정도 증가하는 것으로 분석되었다.
- 토지피복변화에 따른 특성을 분석하기 위해 2번 소유역 일부에 대하여 산림지역 및 농업 지역을 도시화하는 것과 산림지역을 농경지역으로 변화되었을 경우의 유출부하 특성을 분석하였다. 3가지 시나리오에 따른 각각의 토지피복변화는 표 5 및 그림 12와 같다.
대상 데이터
- 갑천 유역의 경우 그림 7과 같이 매개변수보정기간은 2006년도 회덕 유량자료를 이용 하여 보정하였고, 보정된 매개변수를 이용하여 2007년의 자료를 이용하여 검증하였다.
- 본 연구에서는 무심천유역에 대해서는 청주 기상관측소의 일강수량, 풍속, 기온, 상대습도와 일사량 자료를 이용하였고, 유출량 검증을 위해서는 금강홍수통제소에서 운영하는 청주 유량관측소 자료를 이용하였다. 갑천유역의 경우 기상자료는 대전 기상청의 자료를 이용 하였고, 강수량 자료는 금강홍수통제소의 신대, 회덕, 방동, 유성, 인동 우량관측소 자료와 회덕 유량자료를 이용하였다. 이를 정리하면 표 1과 같다.
- 0에 가까워지면 원래의 깊이에 따른 분포에 변화를 주지 않는다. 무심천 유역의 경우 그림 4와 같이 매개변수 보정기간은 2006년도 청주 유량자료를 이용하여 보정하였고, 보정된 매개변수를 이용 하여 2010년의 자료를 이용하여 검증하였다.
- 본 연구에서는 무심천유역에 대해서는 청주 기상관측소의 일강수량, 풍속, 기온, 상대습도와 일사량 자료를 이용하였고, 유출량 검증을 위해서는 금강홍수통제소에서 운영하는 청주 유량관측소 자료를 이용하였다. 갑천유역의 경우 기상자료는 대전 기상청의 자료를 이용 하였고, 강수량 자료는 금강홍수통제소의 신대, 회덕, 방동, 유성, 인동 우량관측소 자료와 회덕 유량자료를 이용하였다.
- 수자원과 관련된 모형의 모의에 이용되는 지형자료는 지표면 유출 및 하도추적 등은 지표면의 투수성 정도, 경사도 등 지표면과 하천의 지형학적 특성이 많이 반영된다. 본 연구에서는 환경부의 대분류 토지피복도(분류항목 7, 제작시기 2001), 중분류 토지피복도(분류항목 23, 제작시기 2007)를 이용하여 분류 항목별 특성, 제작시기별에 따른 분석 등에 이용하였고, 토양도는 SWAT 모형 실행과정중 토양의 물리화학적 성질을 결정해 주는 입력자료로서 농업과학기술원의 정밀토양도 자료를 이용하였다.
- 연구대상유역으로는 금강유역 중 도시지역인 청주 무심천 유역과 대전의 갑천유역을 대상으로 적용성을 평가하였다. 두 유역 모두 상류지역은 산림지역 및 농경지 지역이고 중하류로 내려오면서 대규모의 도시지역이 형성 되어 있는 지역이다(그림 1).
- 수행 절차는 유출량에 대한 모의와 실측자료와의 검증 후 유사농도 모의와 실측자료와의 검증을 수행하였다. 연구수행을 위한 유역으로는 청주시를 관류하는 무심천 유역과 대전시를 관류하는 갑천유역을 대상으로 하였다. 모형의 유출량 검정은 r2 = 0.
이론/모형
- Kim et al.(2007)이제시한 검보정 적합도 기준에 대하여 고재영 등(2007)이 수정한 표 2의 기준에 따라 적합도 검정을 실시하였다. 평균값, 중앙값, 기하 평균값 등은 모두 적합한 것으로 평가되었으나‘7-day window’의 경우 적합도에 미치지 못하였다.
- 75로 대체로 만족할 만한 정확도를 보였다. 유사농도에 대한 검증은 평균값, 중앙값, 기하평균값, 그리고 비연속적으로 측정되는 관측치와 연속적으로 모의되는 결과치와의 비교를 위해 7-window방법을 적용하였다. 적용결과 평균, 중앙값, 기하평균값 모두는 정확도 검정에 만족하는 결과를 보였으나 7-window에서는 다소 미치지 못한 결과를 제시하였으나 관측값의 물리적 오류가 포함된 것도 한 요인으로 작용한 것으로 판단된다.
성능/효과
- 갑천유역의 유출량 관측값과 모의값의 보정은 그림 8 및 그림 9에서와 같이 매개변수 보정기간동안의 r2은 0.81이었고 검정기간의 r2은 0.71로 모의 결과가 관측값을 잘 반영하고 있음을 알 수 있다.
- 분류항목특성에 따른 분석결과는 무심천유역의 경우 첨두유출은 6%상승하였고, 연총유출량은 17% 감소하는 것으로 분석되었으나, 갑천유역의 경우 총유출에서만 2%정도 증가 하는 것으로 분석되었다. 구축시기에 따른 특성 분석결과는 무심천유역의 경우 매우 큰 편차를 보이는 것으로 분석되었으나 갑천유역의 경우 첨두유출 1%감소, 총유출 16%증가 된것으로 나타났다. 유사농도의 경우에도 무심천 유역은 첨두유사농도와 총유사농도가 각각 1%, 17% 감소하는 것으로 분석되었으나 갑천유역의 경우에는 두 항목 모두 1%감소하는 것으로 분석되어 유역별로 큰 편차를 보이고 있어 다양한 연구유역을 대상으로 분석을 수행할 필요가 있을 것으로 사료된다.
- 분석결과 도시화 영향은 첨두유출의 경우 1%~3% 증가하는 것으로 나타났고, 총유출은 최대 9%까지 증가하는 것으로 분석되었다, 또한 유사농도의 경우에도 첨두 유사 농도 및 년총유사농도 모두 19%정도 증가하는 것으로 분석되었다. 또한 농경지 확대에 따른 변화 분석 결과 첨두유출은 7%, 연 총유출은 10% 증가하였고, 첨두유사 및 연총 유사농도는 모두 35%정도 더 유출되는 것으로 분석되었다.
- 모형의 유출량 검정은 r2 = 0.64∼0.81이었고, 유출량 검증 결과는 r2 = 0.71∼0.75로 대체로 만족할 만한 정확도를 보였다.
- 분류항목특성에 따른 분석결과는 무심천유역의 경우 첨두유출은 6%상승하였고, 연총유출량은 17% 감소하는 것으로 분석되었으나, 갑천유역의 경우 총유출에서만 2%정도 증가 하는 것으로 분석되었다. 구축시기에 따른 특성 분석결과는 무심천유역의 경우 매우 큰 편차를 보이는 것으로 분석되었으나 갑천유역의 경우 첨두유출 1%감소, 총유출 16%증가 된것으로 나타났다.
- 토지피복변화 시나리오는 도시화 확대와 농업지역 확대의 3가지 시나리오를 적용하여 분석하였다. 분석결과 도시화 영향은 첨두유출의 경우 1%~3% 증가하는 것으로 나타났고, 총유출은 최대 9%까지 증가하는 것으로 분석되었다, 또한 유사농도의 경우에도 첨두 유사 농도 및 년총유사농도 모두 19%정도 증가하는 것으로 분석되었다. 또한 농경지 확대에 따른 변화 분석 결과 첨두유출은 7%, 연 총유출은 10% 증가하였고, 첨두유사 및 연총 유사농도는 모두 35%정도 더 유출되는 것으로 분석되었다.
- 구축시기별에 따른 특성을 분석하기 위해 23개 항목의 중분류의 토지피복을 대분류의 7개 토지피복항목으로 재분류하여 분석하였다. 분석결과 표 4에서 보는바와 같이 매개변수 검보정한 중분류를 기준으로 했을 때 총유출량은 36%, 첨두유출량은 42%정도로 나타났으나 오히려 유사농도의 경우에는 1%에서 13%정도 차이가 나는 것으로 분석되었다.
- 평가결과 앞서 언급한 바와 같이 중분류 토지피복도를 기준하여 매개변수를 검보정 한 후 중분류토지피복도와 비교하여 대분류 토지피복도를 적용했을 때 무심천유역의 경우 첨두유출은 6%상승하였고, 총유출은 17%감소하는 것으로 나타났다. 유사농도의 경우에는 매우 크게 반응하는 것으로 나타나 첨두유사의 농도비는 중분류 토지피복도와 비교하여 54%정도였고 총유사농도도 49%정도로 매우 낮게 나타났다.
- 토지피복변화에 의한 유출량 및 유사농도변화를 분석한 결과 표 6에서 보는바와 같이 첨두유출의 경우 각각의 시나리오에 따라 1%에서 7%증가하는 것으로 나타났고, 년총유출량 변화는 2%에서 10% 정도 증가하는 것으로 나타났다. 유사농도의 변화는 첨두유출농도의 경우 2%에서 9%로 증가하였고, 년총유사농도는 0%에서 35%까지 증가하는 것으로 나타났다.
- 유사농도에 대한 검증은 평균값, 중앙값, 기하평균값, 그리고 비연속적으로 측정되는 관측치와 연속적으로 모의되는 결과치와의 비교를 위해 7-window방법을 적용하였다. 적용결과 평균, 중앙값, 기하평균값 모두는 정확도 검정에 만족하는 결과를 보였으나 7-window에서는 다소 미치지 못한 결과를 제시하였으나 관측값의 물리적 오류가 포함된 것도 한 요인으로 작용한 것으로 판단된다.
- 토지피복변화에 의한 유출량 및 유사농도변화를 분석한 결과 표 6에서 보는바와 같이 첨두유출의 경우 각각의 시나리오에 따라 1%에서 7%증가하는 것으로 나타났고, 년총유출량 변화는 2%에서 10% 정도 증가하는 것으로 나타났다. 유사농도의 변화는 첨두유출농도의 경우 2%에서 9%로 증가하였고, 년총유사농도는 0%에서 35%까지 증가하는 것으로 나타났다.
- 평가결과 앞서 언급한 바와 같이 중분류 토지피복도를 기준하여 매개변수를 검보정 한 후 중분류토지피복도와 비교하여 대분류 토지피복도를 적용했을 때 무심천유역의 경우 첨두유출은 6%상승하였고, 총유출은 17%감소하는 것으로 나타났다. 유사농도의 경우에는 매우 크게 반응하는 것으로 나타나 첨두유사의 농도비는 중분류 토지피복도와 비교하여 54%정도였고 총유사농도도 49%정도로 매우 낮게 나타났다.
- 환경부의 2007년도에 구축된 중분류 토지피복도 자료와 2001년도에 구축된 대분류 토지피복도 자료를 분석한 결과 시가화/건조지역의 면적비율이 무심천 및 갑천유역 각각 10.9%에서 17.1%, 11.6%에서 15.6%로 증가하였고, 농업지역의 경우 무심천 유역은 18.9%에서 27.4%, 갑천유역은 11.7%에서 15.8%로 증가하는 것으로 나타났고, 산림지역은 무심천유역의 경우 59.4%에서 47.2%로 그리고 갑천유역은 68.4%에서 59.8%로 감소하는 것으로 분석되어 두 유역 모두 도시지역및 농경지 지역이 증가하고 산림지역이 감소하는 것으로 나타났다. 이는 현재 지속적으로 도시화가 확대되는 추세를 반영하고 있는 것으로 판단된다.
후속연구
- 구축시기에 따른 특성 분석결과는 무심천유역의 경우 매우 큰 편차를 보이는 것으로 분석되었으나 갑천유역의 경우 첨두유출 1%감소, 총유출 16%증가 된것으로 나타났다. 유사농도의 경우에도 무심천 유역은 첨두유사농도와 총유사농도가 각각 1%, 17% 감소하는 것으로 분석되었으나 갑천유역의 경우에는 두 항목 모두 1%감소하는 것으로 분석되어 유역별로 큰 편차를 보이고 있어 다양한 연구유역을 대상으로 분석을 수행할 필요가 있을 것으로 사료된다.
- 향후 연구에서는 공간해상 특성의 영향을 평가하기 위하여 공간자료의 격자크기에 따른 유출부하 특성과 유역의 토지피복과 토양도의 유출특성을 반영하는 수문응답단위(HRU, Hydrologic, Response Unit)별 특성에 대하여 분석을 수행하고, 현재 수변구역 지정 시나리오에 따라 오염부하 저감효과를 분석하고자 한다.
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