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문제 정의
- 산정된 식(1)에 각각의 소유역 내 모든 HRU_Slope (%)의 경사도를 적용시켜 나온 USLE P 인자가 바로 볏짚매트를 적용하였을 경우이다. 본 연구에서는 볏짚매트를 경작지에 적용할 경우 유사량 저감 효과를 모의하였다. 또한 모의 기간 내 (2008년 1월∼2009년 12월) 볏짚매트 적용 전/후의 유사량 총합과 일평균 유사량을 산정하였고, 강우가 집중되는 6∼8월에 볏짚매트 적용 전/후의 유사량 총합과 일평균 유사량을 산정하여 볏짚매트의 적용 유무에 따른 유사량 저감 정도를 분석하였다.
- 본 연구에서는 집약적 토지이용과 많은 양의 비료사용으로 인하여 강우시 수질오염과 탁수문제가 일어난 홍천강 유역에 대하여 SWAT 모형 적용성 평가 및 볏짚매트 이용한 유사 저감효과를 모의하였다. 그 결과 실측유량에 대하여 SWAT 모형 보정결과 보정기간 (2008년) NSE＝0.
제안 방법
- SWAT 모형의 수치표고모형 (Digital Elevation Model, DEM)을 구축하기 위해 1:5000 수치지도 DEM의 격자크기 결정에 있어서 모의 결과의 정확성을 높이기 위하여 격자크기는 5 m×5 m로 DEM을 구축하였다.
- 서면 관측소의 2008년 1년 동안의 실측 일 유량을 자료를 사용하였고, 유량에 민감한 11개의 매개변수로 보정 하였다. 또한 2009년 일 유량 자료로 추정된 매개변수를 검정하였다. 보정결과 사용된 매개변수는 Table 6과 같으며, 매개변수로 보정된 일 유량은 보정기간에 NSE가 0.
- 또한 모의 기간 내 (2008년 1월∼2009년 12월) 볏짚매트 적용 전/후의 유사량 총합과 일평균 유사량을 산정하였고, 강우가 집중되는 6∼8월에 볏짚매트 적용 전/후의 유사량 총합과 일평균 유사량을 산정하여 볏짚매트의 적용 유무에 따른 유사량 저감 정도를 분석하였다.
- 본 연구에서 연구 대상 지역 중 밭이 차지하는 면적은 5.82 % 이며, Jang et al. (2010)의 연구를 따르면 Fig. 8에서 보이는 바와 같이, 경사도에 따라 볏짚매트에 의한 유사저감 효과를 고려하기 위한 USLE P 인자값은 선형적 관계를 보였으며, 이를 이용하여 회귀식 (식1)을 산정하였다. 산정된 회귀식에 USLE P 인자값을 Table 8과 같이 보정한 후, 유역에서의 볏짚매트에 의한 유사 저감 효과를 SWAT 모형을 이용하여 평가하였다.
- 본 연구에서는 SWAT 모형 보정을 위하여 먼저 유출량과 관련된 매개변수를 조정하였으며, 그 후 유사량과 관련된 매개변수 순으로 보정하였다. 이 과정에서 유사량과 관련된 매개변수는 유출량에 영향을 미칠 수 있기 때문에 유출량 관련 매개변수를 보정 후 유사량 관련 매개변수를 한다.
- 본 연구에서는 SWAT 보정을 이용하여 모형에서 모의된 유량을 검·보정 하였다.
- 6). 유량 보정 후 보정된 매개변수를 이용하여 유사량 실측치와 예측치를 보정하여 비교하였다. 유사량 보정 매개변수는 Table 7과 같으며, 그 결과 NSE＝0.
- 이 과정에서 유사량과 관련된 매개변수는 유출량에 영향을 미칠 수 있기 때문에 유출량 관련 매개변수를 보정 후 유사량 관련 매개변수를 한다. 이때 앞서 조정한 유출량 관련 매개변수를 제외한 유사량에 관련된 매개변수에 대해서만 보정하여 결과에 서로 영향을 주지 않도록 하였다.
대상 데이터
- SWAT모형 보정에 사용된 유사량 자료는 수질유량측정망시스템 (Water Information System)에서 제공하는 홍천A 지점의 2008년∼2009년의 8일 간격 유사량 자료를 사용하였다.
- 본 연구에서는 강원도 홍천군 홍천강 유역을 연구 대상지역으로 선정하였으며 (Fig. 1), 일 유량 관측지점(서면 관측소)과 홍천 A 지점의 위치는 Fig. 1, Table 1과 같다. 홍천강 유역은 면적은 1,566.
- 본 연구에서는 SWAT 보정을 이용하여 모형에서 모의된 유량을 검·보정 하였다. 서면 관측소의 2008년 1년 동안의 실측 일 유량을 자료를 사용하였고, 유량에 민감한 11개의 매개변수로 보정 하였다. 또한 2009년 일 유량 자료로 추정된 매개변수를 검정하였다.
- 7). 유사량 자료는 수질 유량측정망시스템 (Water Information)에서 제공하는 홍천A 지점의 2008년-2009년의 8일 간격 유사량 자료와 같은 지점의 유량 자료로 계산된 일 부하량 자료이며, 일 부하량 계산식은 식(2) 과 같다.
- 일 강수 (mm), 일 평균풍속 (m/sec), 일 평균상대습도 (%), 일 최고·최저기온 (℃), 일 수평면 일사량 (MJ/m2)과 같은 기상자료를 기상청에서(2006년 1월1일∼2009년 12월 31일) 제공받아 구축하였다.
- 일 유량 자료는 WAMIS (Water Management Information System) 에서 제공하고 국토해양부에서 관리하는 서면 관측소의 2008년의 자료를 사용하였고, 2009년 일 유량 자료를 사용하여 추정된 유량 매개변수를 검정 하였다.
- SWAT 모형의 수치표고모형 (Digital Elevation Model, DEM)을 구축하기 위해 1:5000 수치지도 DEM의 격자크기 결정에 있어서 모의 결과의 정확성을 높이기 위하여 격자크기는 5 m×5 m로 DEM을 구축하였다. 토지이용도는 환경지리정보서비스에서 (Environmental Geographic Information System; EGIS) 제공하는 1:25,000 중분류 토지이용자료를 이용하였으며 (Fig. 2), 토양도는 농촌진흥청 국립농업과학원에서 제공해 주는 정밀토양도 (1:25000)를 사용하였다 (Table 3) (Fig. 3). 일 강수 (mm), 일 평균풍속 (m/sec), 일 평균상대습도 (%), 일 최고·최저기온 (℃), 일 수평면 일사량 (MJ/m2)과 같은 기상자료를 기상청에서(2006년 1월1일∼2009년 12월 31일) 제공받아 구축하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 볏짚매트를 적용에 따른 유사량 저감효과를 평가하기 위하여 다음과 같은 방법을 활용하였다. 볏짚매트를 적용하지 않은 상태, 즉 보전 영농방법을 하지 않았을 경우 USLE P 인자는 실측 유출량과 유사량을 기준으로 보정하였으며, 볏짚매트를 적용할 경우 Jang et al. (2010) 연구의 따른 회귀식 (식1)을 이용하여 USLE P 인자 값을 보정하였다.
- 8에서 보이는 바와 같이, 경사도에 따라 볏짚매트에 의한 유사저감 효과를 고려하기 위한 USLE P 인자값은 선형적 관계를 보였으며, 이를 이용하여 회귀식 (식1)을 산정하였다. 산정된 회귀식에 USLE P 인자값을 Table 8과 같이 보정한 후, 유역에서의 볏짚매트에 의한 유사 저감 효과를 SWAT 모형을 이용하여 평가하였다.
- 홍천강 유역의 SWAT 모형 적용성 평가시 유효지수 (Nash and Sutcliffe efficiency, NSE)를 이용하였으며, NSE 산정은 식 (2)에서 보이는 바와 같다 (Nash and Sutcliffe, 1970).
성능/효과
- Fig. 4과 Fig. 7에서 보이는 바와 같이 유량 및 유사량 보정 결과 Ramanarayanan et al. (1997)과 Donigian and Love (2003)가 제시한 기준에 모두 만족할 만한 결과가 나왔으며, 이는 본 연구에서 홍천강 유역에 대해 구축한 SWAT모형이 자연 현상을 잘 모의하는 것으로 사려 된다.
- 그 결과 실측유량에 대하여 SWAT 모형 보정결과 보정기간 (2008년) NSE＝0.66, R2＝0.67, 검정기간 (2009년)에 NSE＝0.8, R2＝0.81로 높은 적용성을 보이는 것으로 나타났으며, 유사량 실측치와 예측치를 보정한 결과, 모의기간 (2008년∼2009년)에 NSE＝0.90 으로 유사량 보정도 높은 적용성을 보이는 것으로 나타났다.
- 이러한 이유는 볏짚매트로 인해 강우가 피복재에 흡수되고, 표면으로 발생하는 유출수의 유속감소를 통해 토양에 저류되는 시간이 증가함으로 인해 토양으로 침투하는 강우량이 많아졌기 때문이라고 판단된다. 또한 강우시 피복재의 유실이나 이동이 없기 때문에 지속적으로 지표를 피복하여 강우에너지를 상쇄시켜 토양유실을 방지하고, 토양의 침투능을 높게 유지하여 밭에서 발생하는 비점오염원을 저감시키는 것으로 나타났다.
- 또한 볏짚매트 적용시 유사량 저감효과는 볏짚매트를 적용하지 않았을 때와 볏짚매트를 적용하였을 때 모의 기간 내 (2008년1월∼2009년12월) 일평균 유사량은 각각 49.8 ton/day과 25.5 ton/day 으로 산정되었고, 볏짚매트 적용시 약 38.7 %가 유사량 저감 효과를 보였다.
- 보정결과 사용된 매개변수는 Table 6과 같으며, 매개변수로 보정된 일 유량은 보정기간에 NSE가 0.66, 검정기간에 0.81로 나타나 검·보정 기간 모두 높은 적용성을 보이는 것으로 나타났다 (Fig. 6).
- 본 연구 결과를 통해서 홍천강 유역에 대한 SWAT 모형의 적용성을 볼 수 있었으며, 볏짚매트 적용하였을 때 유사량 저감효과도 확인 할 수 있었다. 본 연구 결과는 홍천강 유역에서 발생되는 유사량 저감 대책을 수립하는데 필요한 기초 자료로 이용될 수 있다고 판단된다.
- 이는 유량 변동과 비점오염원 배출이 적은 갈수기와 저수기에는 부하량 산정에 적은 영향을 미치지만, 홍수기와 같이 일별 유량 변동이 심한 시기에는 부하량 산정에 큰 영향을 미칠 수 있다. 연구기간 동안 연구대상유역에 위치하는 홍천 A 지점과 서면 관측소의 유량을 비교한 결과, 서면 관측소의 일 유량은 2008년 7월 24일 (952.6 m3/s)과 7월 25일 (1567.0m3/s)에 발생하였으나 홍천 A 지점에서는 같은 날짜에 유량을 측정하지 않은 것으로 나타났다 (Table 5). 이는 8일 간격 유량 측정의 문제점을 나타냄과 동시에 일 부하량 산정에도 차이를 보일 수 있음을 의미한다.
- 5 ton/day으로 산정되었다. 이 결과 볏짚매트를 사용하지 않았을 경우에 비해서 사용했을 경우 유사량은 약 46.3% 저감된 것으로 분석되었다.
- 이 결과로 볏짚매트를 이용하여 지표를 피복할 경우 오염 부하량의 저감효과가 큰 것으로 나타났다. 이러한 이유는 볏짚매트로 인해 강우가 피복재에 흡수되고, 표면으로 발생하는 유출수의 유속감소를 통해 토양에 저류되는 시간이 증가함으로 인해 토양으로 침투하는 강우량이 많아졌기 때문이라고 판단된다.
후속연구
- 본 연구 결과를 통해서 홍천강 유역에 대한 SWAT 모형의 적용성을 볼 수 있었으며, 볏짚매트 적용하였을 때 유사량 저감효과도 확인 할 수 있었다. 본 연구 결과는 홍천강 유역에서 발생되는 유사량 저감 대책을 수립하는데 필요한 기초 자료로 이용될 수 있다고 판단된다.
- 본 연구의 결과에서 보이는 바와 같이 SWAT 모형을 이용하여 홍천강 유역에서 발생하는 유출량과 비점오염원을 정확히 평가 할 수 있을 것으로 판단된다.
- 이는 8일 간격 유량 측정의 문제점을 나타냄과 동시에 일 부하량 산정에도 차이를 보일 수 있음을 의미한다. 이로 인해 본 연구에서는 유사량 측정에 있어 한계점이 있다.
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