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문제 정의
- 본 연구에서는 서낙동강 유역에 실시간 수위관측시스템을 설치하고, 각 설치지점에서의 장기간 유량측정을 통한 수위-유량관계곡선을 작성하여 실시간 수위자료를 이용한 지천별 유량 자료를 확보하였다. 또한 서낙동강 하류에 위치한 녹산수문을 유역의 출구지점으로 하여 SWAT 모형을 구축하였고, 유출 및 수질에 영향을 미치는 민감한 매개변수들을 선정하였으며, 모형의 신뢰성을 확보하기 위해 각각의 지천에서의 일정 간격으로 유량 및 수질측정을 수행하여 모형의 보정 및 검증 자료로 이용하였다.
- 또한 최정화 등(2009)은 SWMM 모형을 이용하여 조경천의 수문환경 변화에 대한 유출분석을 실시한 바 있으며, 김연수 등(2011)은 섬진강댐 운암호에 대하여 HEC-GeoHMS 모형을 이용하여 장기유출량을 산정하고, EFDC 모형을 이용하여 호소 수질 변화를 시공간적으로 모의한 바 있다. 이와 같은 연구들은 유역특성에 따른 유출 특성 변화가 하천 및 호소의 수질에 미치는 영향을 정량화하기 위하여 수행되었다.
- 본 연구를 통해 정체 수역 형태를 지니고 있는 서낙동강에 대한 유출 및 수질 현상을 분석하기 위해 서낙동강 유역에 대한 민감한 매개변수들을 분석하였으며, 2006~2007년까지 유량 및 수질측정을 수행하여 모형의 검정 및 검증을 수행하였다. 또한 수문운영에 따른 서낙동강에 대한 BOD 부하량을 분석하여 수질관리에 대한 자료를 제공하고자 하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 서낙동강 유역에 실시간 수위관측시스템을 설치하고, 각 설치지점에서의 장기간 유량측정을 통한 수위-유량관계곡선을 작성하여 실시간 수위자료를 이용한 지천별 유량 자료를 확보하였다. 또한 서낙동강 하류에 위치한 녹산수문을 유역의 출구지점으로 하여 SWAT 모형을 구축하였고, 유출 및 수질에 영향을 미치는 민감한 매개변수들을 선정하였으며, 모형의 신뢰성을 확보하기 위해 각각의 지천에서의 일정 간격으로 유량 및 수질측정을 수행하여 모형의 보정 및 검증 자료로 이용하였다. 또한 구축된 유역모형을 이용하여 수문 개폐에 따른 수질개선효과를 분석하였으며, 이와 같은 결과는 향후 수질관리를 위해 수문 운영에 대한 기초자료로 이용될 것으로 판단된다.
- 본 연구에서는 유역모형으로 SWAT 모형을 선정하여 서낙동강의 강우유출 및 수문운영에 따른 오염부하량 변화를 산정하였으며, Fig. 2는 본 연구에서 사용된 SWAT 모형의 수행 모식도를 나타낸 것이다.
- kr)에서의 일사량을 사용하여 모형에 적용하였다. 모형 내에서 비점오염원 모의뿐만 아니라 점오염원에 대한 고려를 위해 유역 내 오염원 총괄 현황 및 각 환경기초시설에 대한 시설용량 등을 조사하였고, 각 환경기초시설의 방류량과 수질 농도를 모형의 점오염원으로 적용하였다. Table 2는 본 연구에서 점오염원으로 입력한 대저수문에서의 유입량 및 오염부하량과 조만강 유역에 위치한 환경기초시설의 월별 방류량 및 오염부하량을 정리하여 나타낸 것이다.
- 5는 각각의 수위관측시스템의 설치현황을 나타낸 것이다. 이 중 5개 주요 지류에 대하여 장기간에 걸쳐서 수위에 따른 유량측정을 실시하였다. 초음파 자동수위계에서 2007년에서 2008년까지 측정된 수위자료를 이용하여 연속적인 유량변화를 산정하기 위하여, 각 지천별 수위-유량관계곡선을 작성하였으며, 이를 이용하여 모형의 검보정에 활용할 수 있는 일유출량 자료를 확보하였다.
- 이 중 5개 주요 지류에 대하여 장기간에 걸쳐서 수위에 따른 유량측정을 실시하였다. 초음파 자동수위계에서 2007년에서 2008년까지 측정된 수위자료를 이용하여 연속적인 유량변화를 산정하기 위하여, 각 지천별 수위-유량관계곡선을 작성하였으며, 이를 이용하여 모형의 검보정에 활용할 수 있는 일유출량 자료를 확보하였다. 또한 수질모의 결과에 대한 신뢰성을 확보하기 위해 2006년에서 2007년까지 낙본N 단위유역 중 예 안천, 주중천, 신어천, 조만강 등의 지천내 소유역 말단부에서 8일 간격으로 측정된 수질자료를 사용하여 모형의 보정 및 검증을 수행하였다.
- 많은 매개변수들을 가진 SWAT 모형과 같이 복잡한 유역모형의 경우, 실제적으로 모든 매개변수 값들을 한정된 자료로부터 직접 추정할 수 없다. 따라서 본 연구에서는 모든 매개변수들을 고려하여 검정을 하기보다는 유출 및 수질 변화에 중요한 영향을 미치는 매개변수 중 유량부분 10개, 수질부분 13개를 선정하여 서낙동강 유역에 대한 민감도 분석을 실시하였다. 물리적인 매개변수(토양의 종류, 토지형태 등)는 검정 대상이 되지 않으므로 지하침투, 지표유출, 증발산 등 수문학적 매개변수 중 유출과 수질에 관련된 매개변수들에 대하여 민감도분석을 수행하였다.
- 따라서 본 연구에서는 모든 매개변수들을 고려하여 검정을 하기보다는 유출 및 수질 변화에 중요한 영향을 미치는 매개변수 중 유량부분 10개, 수질부분 13개를 선정하여 서낙동강 유역에 대한 민감도 분석을 실시하였다. 물리적인 매개변수(토양의 종류, 토지형태 등)는 검정 대상이 되지 않으므로 지하침투, 지표유출, 증발산 등 수문학적 매개변수 중 유출과 수질에 관련된 매개변수들에 대하여 민감도분석을 수행하였다.
- 서낙동강 유역에 대한 SWAT 모형을 적용함에 있어 민감도 분석을 수행한 후 민감도가 높은 매개변수를 중심으로 보정을 수행하기 위해 조만강 유역 내 실시간 수위계가 설치된 주요 5개 지점 중 상대적으로 수위-유량관계곡선의 정확도가 양호한 것으로 나타난 죽동교와 마찰교 지점의 유량 자료를 이용하였다. 이때 조만강 유역에 위치한 화목하수처리장의 방류수를 점오염원으로 고려하여 모의하였다. 앞서 실시한 민감도 분석에 따라 유출에 대해서는 각 토양층의 가용토양수분능(SOL_AWC), 지하수 지체시간(GW_DELAY), 유출곡선지수 CN값(CN2) 등에 대해서 보정을 실시하였고 수질부분에서는 각 토양층의 유기탄소 함양(SOL_CBN), 침전에 의한 BOD 제거율(USLE_K), BOD 분해율 계수(RK1, RK3) 등을 보정하였다.
- 이때 조만강 유역에 위치한 화목하수처리장의 방류수를 점오염원으로 고려하여 모의하였다. 앞서 실시한 민감도 분석에 따라 유출에 대해서는 각 토양층의 가용토양수분능(SOL_AWC), 지하수 지체시간(GW_DELAY), 유출곡선지수 CN값(CN2) 등에 대해서 보정을 실시하였고 수질부분에서는 각 토양층의 유기탄소 함양(SOL_CBN), 침전에 의한 BOD 제거율(USLE_K), BOD 분해율 계수(RK1, RK3) 등을 보정하였다. 국가 수위 및 수질 측정망이 없는 관계로 실시간 수위관측시스템 구축 시작년도에따라 본 연구기간은 2007년부터 1년으로 설정하여 2007년 1월~5월 까지 모델의 안정화기간으로하였으며 2008년 6월~8월을 보정기간, 2008년 9월~12월을 보정기간으로 하였다.
- 대저수문의 유입총량과 SWAT에서 일 단위로 모의된 부하량을 농도로 환산하여 대저수문에서의 유입량 증가에 따른 서낙동강의 말단지점인 녹산 수문 인근에서의 BOD , T-N, T-P 농도변화를 분석하였다(Fig. 12∼Fig. 14 참조).
- 본 연구를 통해 정체 수역 형태를 지니고 있는 서낙동강에 대한 유출 및 수질 현상을 분석하기 위해 서낙동강 유역에 대한 민감한 매개변수들을 분석하였으며, 2006~2007년까지 유량 및 수질측정을 수행하여 모형의 검정 및 검증을 수행하였다. 또한 수문운영에 따른 서낙동강에 대한 BOD 부하량을 분석하여 수질관리에 대한 자료를 제공하고자 하였다.
- 초음파 자동수위계에서 2007년에서 2008년까지 측정된 수위자료를 이용하여 연속적인 유량변화를 산정하기 위하여, 각 지천별 수위-유량관계곡선을 작성하였으며, 이를 이용하여 모형의 검보정에 활용할 수 있는 일유출량 자료를 확보하였다. 또한 수질모의 결과에 대한 신뢰성을 확보하기 위해 2006년에서 2007년까지 낙본N 단위유역 중 예 안천, 주중천, 신어천, 조만강 등의 지천내 소유역 말단부에서 8일 간격으로 측정된 수질자료를 사용하여 모형의 보정 및 검증을 수행하였다. 수질측정 방법은 수질공정시험법에 준하여 실시하였으며, 수질측정 위치는 Fig.
대상 데이터
- 일반적으로 전자에서는 비점오염부하량이 후자에서는 점오염부하량이 하천으로 유입된다(정은성 등, 2006). 본 연구의 대상 하천인 서낙동강은 상류 유입부에는 대저수문, 하류 유출부에는 녹산수문이 위치하여 이와 같은 수문을 개방하지 않은 경우에는 본류 구간 전체가 정체수역을 이루어 매우 작은 유량이 흐르는 것에 비하여 예안천, 주중천, 신어천, 조만강 등의 지류로부터 오염물질이 지속적으로 유입되고 있다. 이러한 오염물질은 조만강 유역에 위치한 하수처리장같은 점오염원도 있으나 대부분 농지와 산지 유역으로 인한 비점오염원 형태로 유입된다.
- 증발산량 산정에 필요한 기상자료는 1986년 1월 1일~2007년 12월 31일까지 김해공항 기상관측소 자료를 활용하였으며, 태양복사량 자료는 기상관측소에 관측 자료가 없어 국가수자원관리종합 정보시스템(WAMIS: http://www.wamis.go.kr)에서의 일사량을 사용하여 모형에 적용하였다. 모형 내에서 비점오염원 모의뿐만 아니라 점오염원에 대한 고려를 위해 유역 내 오염원 총괄 현황 및 각 환경기초시설에 대한 시설용량 등을 조사하였고, 각 환경기초시설의 방류량과 수질 농도를 모형의 점오염원으로 적용하였다.
- 본 연구에서는 미계측유역인 서낙동강 유역의 일유출량 자료를 확보하기 위하여 Fig. 3에서와같이 주요 지류 5개 지점과 본류 2개 지점에 실시간 수위관측시스템을 설치하였다. Fig.
- 서낙동강 유역에 대한 SWAT 모형을 적용함에 있어 민감도 분석을 수행한 후 민감도가 높은 매개변수를 중심으로 보정을 수행하기 위해 조만강 유역 내 실시간 수위계가 설치된 주요 5개 지점 중 상대적으로 수위-유량관계곡선의 정확도가 양호한 것으로 나타난 죽동교와 마찰교 지점의 유량 자료를 이용하였다. 이때 조만강 유역에 위치한 화목하수처리장의 방류수를 점오염원으로 고려하여 모의하였다.
- 앞서 실시한 민감도 분석에 따라 유출에 대해서는 각 토양층의 가용토양수분능(SOL_AWC), 지하수 지체시간(GW_DELAY), 유출곡선지수 CN값(CN2) 등에 대해서 보정을 실시하였고 수질부분에서는 각 토양층의 유기탄소 함양(SOL_CBN), 침전에 의한 BOD 제거율(USLE_K), BOD 분해율 계수(RK1, RK3) 등을 보정하였다. 국가 수위 및 수질 측정망이 없는 관계로 실시간 수위관측시스템 구축 시작년도에따라 본 연구기간은 2007년부터 1년으로 설정하여 2007년 1월~5월 까지 모델의 안정화기간으로하였으며 2008년 6월~8월을 보정기간, 2008년 9월~12월을 보정기간으로 하였다. 일별 유출을 검정한 결과 결정계수(R2)값 0.
- 본 연구에서 대저수문 유입량 자료는 2007년 부산광역시 강서구청에서 관측한 자료를 이용하였다. 대저수문의 유입총량과 SWAT에서 일 단위로 모의된 부하량을 농도로 환산하여 대저수문에서의 유입량 증가에 따른 서낙동강의 말단지점인 녹산 수문 인근에서의 BOD , T-N, T-P 농도변화를 분석하였다(Fig.
데이터처리
- 또한 최근에는 특정 유역에서의 기후변화에 따른 유출량 및 유사량, 또는 수질 영향을 평가하기 위하여 SWAT 모형이 적용되었다(박종윤 등, 2009;예령 등, 2009; 박민지 등, 2010). 이종소 등(2011)이 하천 측량성과가 없는 미계측 유역의 수리계수 산정을 위해 경안천 유역을 대상으로 HEC-RAS 모형과 SWAT 모형을 이용하여 수리 계수를 각각 산정하여 결과들을 비교 분석 하였다. 김정민 등(2011)은 도시지역과 농촌지역이 혼재되어 있는 서낙동강 유역의 오염부하량을 산정 하기 위하여 SWAT 모형과 SWMM 모형을 연계하였다.
이론/모형
- SWAT 모형은 토지이용과 토양의 상태에 따라서 유출해석의 기본 단위인 HRU(Hydrologic Response Unit)을 정하여 소유역의 복합적인 특정을 반영할 수 있는 구조를 가지고 있으며, HRU 계산단위를 통하여 모형 입력 매개변수를 생성하고, 모의를 수행할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 농촌진흥청의 토지이용도(1:25,000) 및 정밀토양도(1:25,000)를 사용하였으며, 환경부의 토지피복분류를 이용하여 모형을 구축하였다(Fig. 3(b), (c)).
- 또한 수질모의 결과에 대한 신뢰성을 확보하기 위해 2006년에서 2007년까지 낙본N 단위유역 중 예 안천, 주중천, 신어천, 조만강 등의 지천내 소유역 말단부에서 8일 간격으로 측정된 수질자료를 사용하여 모형의 보정 및 검증을 수행하였다. 수질측정 방법은 수질공정시험법에 준하여 실시하였으며, 수질측정 위치는 Fig. 4에서 표기된 5개 지점에서 측정한 자료로, 수질항목 및 분석방법은 Table 3과 같다. 오염부하량 산정을 위한 8일 간격의 유량측정 위치는 Fig.
- 4에서 표기된 5개 지점에서 측정한 자료로, 수질항목 및 분석방법은 Table 3과 같다. 오염부하량 산정을 위한 8일 간격의 유량측정 위치는 Fig. 4에서 수질측정 위치와 동일하며, 유속 측정은 수심이 깊은 곳은 교량위 측정을 하였고, 그 밖의 작은 지천들은도섭법을 이용하였으며, Valeport사의 1차원 프로펠라 유속계인 BFM001과 BFM002를 이용하였다.
성능/효과
- 서낙동강유역에 대한 SWAT 모형의 민감도분석을 실시한 결과 1% 이상 변화를 하는 매개변수들은 각 토양층의 가용토양수분능(SOL_AWC), 지하수 지체시간(GW_DELAY), 유출곡선지수 CN값(CN2), 각 토양층의 유기탄소 함양(SOL_CBN), 침전에 의한 BOD 제거율(USLE_K), BOD 분해율 계수(RK1, RK3)들이 유출과 수질에 민감하게 영향을 주는 매개변수들임을 알 수 있었다(Fig. 6과 Fig. 7 참조). 상대적으로 민감도가 낮은 매개변수 들을 살펴보면 유출에서는 기저유출 감수 상수(ALPHA_BF), 기저유량에 대한 얕은 대수층의 임계 수분량(GWQMN), 얕은 대수층은 REVAP 계수(GW_REVAP), 침루에 대한 얕은 대수층의 임계 수분량(REVAPMN), 토양증발 보상계수(ESCO) 등이 있고, 수질에서는 질산 침투 계수(NPERCO), 인산 침투 계수(PRERCO) 등이 있다.
- 국가 수위 및 수질 측정망이 없는 관계로 실시간 수위관측시스템 구축 시작년도에따라 본 연구기간은 2007년부터 1년으로 설정하여 2007년 1월~5월 까지 모델의 안정화기간으로하였으며 2008년 6월~8월을 보정기간, 2008년 9월~12월을 보정기간으로 하였다. 일별 유출을 검정한 결과 결정계수(R2)값 0.86이며, 수질에 대한 결정계수는 0.70 이상으로 높게 나타났다. 모형의 검정에 적용한 매개변수를 이용하여 검증한 결과, 일별 유출에 대한 결정계수는 0.
- 70 이상으로 높게 나타났다. 모형의 검정에 적용한 매개변수를 이용하여 검증한 결과, 일별 유출에 대한 결정계수는 0.81이며, 수질은 0.51 이상으로 나타났다. Ramanarayanan 등(1997)은 결정계수가 0.
- 1) 서낙동강 유역에 대하여 강우-유출에 따른 수질변화를 모의하기 위해 매개변수들에 대한 민감도 분석을 수행한 결과, 토양층의 가용토양수분능, 지하수 지체시간, 유출곡선 지수, 각 토양층의 유기탄소 함양, 침전에 의한 BOD 제거율 및 분해율 계수들이 유출과 수질에 민감한 변수들로 나타났고 서낙동강 유역의 대부분은 농지와 숲으로 이루어져 있어 강우 발생으로 인한 토양의 상태와 형태에 따라 유출량 변화가 수질에 영향을 주고 있음을 알 수 있었다.
- 2) 서낙동강 유역의 대부분은 농지와 숲으로 이루어져 있어 강우 발생으로 인한 토양의 상태와 형태에 따라 유출량 변화가 수질에 영향을 주고 있음을 알 수 있었다.
- 3) 2006~2007년까지 유량 및 수질측정 자료 들을 이용하여 SAWT 모형을 보정 및 검증을 수행한 결과, Ramanarayanan 등(1997)이 제안한 결정계수 0.5 이상으로 본 연구에서 구축한 유역모형이 서낙동강의 유역 유출 및 오염부하 현상을 잘 모의함을 알 수 있었다.
- 4) 정체수역인 서낙동강에 대한 대저수문 유입량 자료를 이용하여 대저수문 유입시와 비 유입시 서낙동강의 BOD, T-N, T-P 농도 변화를 분석한 결과, 강우유출로 인한 비점오염원 발생시와 대저수문 비개방시 BOD, T-N, T-P는 증가하는 것으로 나타났으며, 대저수문 개방시에는 상대적으로 저농도인 낙동강 본류의 원수 유입으로 인하여 하천의 유황이 개선되고, BOD, T-N, T-P가 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구결과를 활용하면 서낙동강 유역내 오염부하량 관리와 더불어 적절한 수문 운영을 통한 추가적인 수질개선 방안를 제시할 수 있을 것으로 사료된다.
후속연구
- 또한 서낙동강 하류에 위치한 녹산수문을 유역의 출구지점으로 하여 SWAT 모형을 구축하였고, 유출 및 수질에 영향을 미치는 민감한 매개변수들을 선정하였으며, 모형의 신뢰성을 확보하기 위해 각각의 지천에서의 일정 간격으로 유량 및 수질측정을 수행하여 모형의 보정 및 검증 자료로 이용하였다. 또한 구축된 유역모형을 이용하여 수문 개폐에 따른 수질개선효과를 분석하였으며, 이와 같은 결과는 향후 수질관리를 위해 수문 운영에 대한 기초자료로 이용될 것으로 판단된다.
- 특히, T-N이나 T-P와 같은 영양물질들은 유사와 연관이 깊어서 강우에 의해 일어나는 유사유출의 영향을 많이 받는다. 따라서 강우시 비점오염원이 발생하여 하천내 유입되는 오염부하량이 높은 시기에 대저수문과 녹산수문의 개폐를 조절하여 하천 유량을 증가시키고, 이에 따른 수질개선 효과를 얻는다면 유역의 오염부하량 관리와 더불어 서낙동강 수계의 수질관리에 도움이 될 수 있을 것으로 판단된다.
- 4) 정체수역인 서낙동강에 대한 대저수문 유입량 자료를 이용하여 대저수문 유입시와 비 유입시 서낙동강의 BOD, T-N, T-P 농도 변화를 분석한 결과, 강우유출로 인한 비점오염원 발생시와 대저수문 비개방시 BOD, T-N, T-P는 증가하는 것으로 나타났으며, 대저수문 개방시에는 상대적으로 저농도인 낙동강 본류의 원수 유입으로 인하여 하천의 유황이 개선되고, BOD, T-N, T-P가 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구결과를 활용하면 서낙동강 유역내 오염부하량 관리와 더불어 적절한 수문 운영을 통한 추가적인 수질개선 방안를 제시할 수 있을 것으로 사료된다.
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