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문제 정의
- 본 연구는 SWAT 모형을 이용하여 충주호 유입하천이면서 하천수질 오염이 높은 제천천 및 장평천유역을 대상으로 비점오염원 유출특성에 따른 부하량을 산정하고 그에 대한 소유역별 배출원인 및 배출경로를 파악함으로써 안정적이고 경제적인 최적의 비점오염원 저감시설 설치 기본계획을 수립하고 궁극적으로 수질오염총량 관리계획 및 물관리 기본계획에 대한 효율적 추진의 기초 자료로 활용하기 위한 지표를 얻고자 연구를 진행하였다.
- 본 연구는 제천천과 장평천에서의 소유역별 비점오염원 유출특성에 대해 연구하였다. 소유역별 비점오염원 발생부하량 산정과 시공간적 비점오염원 부하량의 산정은 유역관리 및 오염총량제 등의 필요자료로 유용하게 이용될 것으로 판단되지만 추후 연구로 소유역별 토지피복에 따른 비점오염원 발생부하량을 산정하여 각 소유역별 토지피복특성에 적합한 오염부하 저감 대책을 수립하기 위한 연구가 진행되어야 할 것이다.
제안 방법
- 유출량 보정 후, 수질항목에 대해 보정을 실시하였다. SWAT 모형에서 T-N, T-P는 Sediment의 이동과 유출에 의해 영향을 받기 때문에 T-N, T-P에 대한 보정에 앞서 Sediment에 대한 보정 및 검정을 실시하였다. Table 3은 제천A 지점에서 Sediment 및 T-N, T-P 검ㆍ보정 결과를 정리한 것으로 실측치와 모의치의 Sediment 및 T-N, T-P를 비교한 것으로 모의치가 실측치의 경향을 잘 반영한 것으로 분석되었으며 Sediment의 R2는 0.
- 강우 유출에 따른 비점오염원 부하량을 분석하기 위해 연도별 Dry day와 Wet day로 나누어서 오염원부하량을 산정하였다. 장평천이 Wet day일 때 제천천에 비해 Sediment, T-N 및 T-P오염원부하량이 평균 51.
- 강우 유출에 따른 비점오염원 부하량을 분석하기 위해 연도별 건기 (Dry day)와 우기 (Wet day)로 나누어서 비점오염원 부하량을 산정하였다 (Table 5). 여기서, 우기는 강우에 의한 지표유출이 발생한 기간을 의미한다.
- 기본 지형입력자료 구축을 위하여 NGIS의 1:5,000 수치지도로부터 격자크기 30 m의 DEM (Digital Elevation Model)을 제작하고 (Fig. 2a), SWAT 모형의 자동경계추출 (Automatic Delineation) 모듈에서 DEM을 입력자료로 하여 지형전처리 과정을 수행하였다. 토지이용도는 수문해석 및 비점오염원 평가에 있어 필수 정보 중에 하나이다.
- 매개변수 추정을 위하여 SWAT의 입력유형별 매개변수를 정리하여, 총 유출량 및 첨두유량과 감수곡선 형태에 영향을 미치는 매개변수와 Sediment, T-N 및 T-P 보정을 위한 매개변수를 선정하여 유역별 불확실성을 분석하고 민감도 분석에 따른 최적의 매개변수를 선정하였다 (Table 1). 지표수흐름관련 매개변수로는 ALPHA_BF, CH_N2 순으로 민감하게 반응하였고 지하수 흐름은 GW_DELAY, GW_REVAP 순으로 나타났다.
- 본 연구는 충주호에 유입되는 제천천과 장평천에서의 비점오염원 유출특성 분석을 위해 SWAT 모형을 이용하여 각 대상하천에서의 시공간적 비점오염원 부하량과 소유역별 비점오염원 발생부하량을 산정하여 비교분석하였으며 분석결과를 요약하면 다음과 같다.
- 비점오염원 부하특성을 분석하기 위하여, 다른 유역에서의 오염원발생을 배제한 제천천과 장평천 합류지점에서의 각각의 유역에서 시기별 원단위 비점오염원 부하량을 분석하였다 (Table 4). 분석 결과 제천천에 비해 장평천에 하천수질오염정도가 평균적으로 Sediment, T-N 및 T-P가 오염정도가 높게 산정되었다.
- 비점오염원 부하특성을 분석하기 위한 방법으로 소유역별 비점오염원 발생부하량을 분석하였다. 소유역별 하천으로 유입되는 비점오염원 부하량과 동일기간에 하류 소유역으로 유출되는 비점오염원 부하량의 차이로부터 비점오염원 발생부하량을 산정하였다.
- 비점오염원 부하특성을 분석하기 위한 방법으로 소유역별 비점오염원 발생부하량을 분석하였다. 소유역별 하천으로 유입되는 비점오염원 부하량과 동일기간에 하류 소유역으로 유출되는 비점오염원 부하량의 차이로부터 비점오염원 발생부하량을 산정하였다. Fig.
- 92로 모의치와 실측치의 유출량은 유의성이 있는 것으로 분석되었다. 유출량 보정 후, 수질항목에 대해 보정을 실시하였다. SWAT 모형에서 T-N, T-P는 Sediment의 이동과 유출에 의해 영향을 받기 때문에 T-N, T-P에 대한 보정에 앞서 Sediment에 대한 보정 및 검정을 실시하였다.
- , 2006). 이를 위해 토양도는 농촌진흥청에서 제공하는 1:25,000 정밀토양도를 기준으로 분류하였다 (Fig. 2c).
- 특정기간 유출 및 강우에 따른 비점오염원 부하량을 파악하기 위해 월별 및 Spring (3월～5월), Summer (6월～8월), Autumn (9월～11월) 그리고 Winter (12월～2월)로 계절별 비점오염원 부하량을 산정하였다 (Fig. 5). 그 결과 두 유역 모두 Sediment, T-N 및 T-P의 비점오염원 부하량의 분포가 7월과 8월에 집중됨을 나타내고 있다.
대상 데이터
- 모델에 대한 검보정은 총 5개년도 (2006～2010)동안 모의를 실시하였으며 3개년 (2006～2008)동안 제천천과 장평천의 합류후 충주호 유입지점인 제천A 지점에서 총 유출량을 보정하였으며, 2개년 (2009～2010)간의 자료를 대상으로 검증을 실시하였다. 결과의 적합성과 상관성을 판단하기 위해서 결정계수(R2)와 모델의 효율성 검증은 Nash와 Sutcliffe (1970)가 제안한 모델 효율성계수 (NSE)를 사용하였다.
- 모형의 입력자료가 되는 기상자료는 제천시 인근의 문경, 영월, 영주, 원주, 제천, 충주 기상관측소에서 2004년 1월 1일부터 2010년 12월 31일까지 관측된 일별 강수량, 온도, 태양복사량, 풍속, 상대습도 자료를 구축하였다. 모형의 보정은 제천천 및 장평천 유역출구에 관측지점이 존재하지 않아 충주호 유입부에 해당하고 제천시 행정구역도 접해 있는 제천A지점에서 검보정을 실시하였다 (Fig. 1). 실측자료는 국립환경과학원에서 제공하는 유역 출구 지점부에 위치해 있는 오염총량제 (TMDL) 제천A 관측소에서의 유량자료 (2006～2010년)를 사용하였으며 수질자료 수문관측소와 동일 지점인 제천A에서의 8일 간격 Sediment, Total Nitrogen (T-N), Total Phosphorus (T-P) 농도자료를 구축하여 오염 부하량으로 환산하였다 (Fig.
- 모형의 입력자료가 되는 기상자료는 제천시 인근의 문경, 영월, 영주, 원주, 제천, 충주 기상관측소에서 2004년 1월 1일부터 2010년 12월 31일까지 관측된 일별 강수량, 온도, 태양복사량, 풍속, 상대습도 자료를 구축하였다. 모형의 보정은 제천천 및 장평천 유역출구에 관측지점이 존재하지 않아 충주호 유입부에 해당하고 제천시 행정구역도 접해 있는 제천A지점에서 검보정을 실시하였다 (Fig.
- 본 연구의 대상유역은 남한강의 중류부에 위치한 충주호로 유입되는 하천유역으로 제천천과 장평천을 선정하였으며 제천천과 장평천에 합류지점을 유역출구로 지정하여 두 하천을 각각 분리하여 각 하천에서의 발생하는 오염부하량을 산정하였다 (Fig. 1). 제천천은 지방 2급 하천으로써 강원도 원주시 신림면을 기점으로 충청북도 제천시 보양읍을 경계로 흐르며 장평천은 지방 2급 하천으로 충청북도 제천시 자작동에서 시작하여 제천천과 합류한다.
- 1). 실측자료는 국립환경과학원에서 제공하는 유역 출구 지점부에 위치해 있는 오염총량제 (TMDL) 제천A 관측소에서의 유량자료 (2006～2010년)를 사용하였으며 수질자료 수문관측소와 동일 지점인 제천A에서의 8일 간격 Sediment, Total Nitrogen (T-N), Total Phosphorus (T-P) 농도자료를 구축하여 오염 부하량으로 환산하였다 (Fig. 1).
이론/모형
- 모델에 대한 검보정은 총 5개년도 (2006～2010)동안 모의를 실시하였으며 3개년 (2006～2008)동안 제천천과 장평천의 합류후 충주호 유입지점인 제천A 지점에서 총 유출량을 보정하였으며, 2개년 (2009～2010)간의 자료를 대상으로 검증을 실시하였다. 결과의 적합성과 상관성을 판단하기 위해서 결정계수(R2)와 모델의 효율성 검증은 Nash와 Sutcliffe (1970)가 제안한 모델 효율성계수 (NSE)를 사용하였다. Table 2는 유출 보정 및 검정 결과와 유출율을 나타낸 것으로, R2는 0.
- 본 연구에서는 수문ㆍ수질모의를 위한 모형으로 SWAT (Soil and Water Assesment Tool) 모형을 선정하였다. SWAT 모형은 장기-강우 유출 모형 (continuous rainfall-runoff model)으로 장기간에 걸친 다양한 토양속성과 토지이용 그리고 관리상태의 변화에 따른 크고 복잡한 유역의 유출량 및 미계측유역의 비점원오염을 추정하기 위해 미국 농무성 농업연구소 (USDA, ARS)에 의해 개발된 유역모델이다.
성능/효과
- 1번 및 2번 소유역에서는 산림에 대한 면적 비율이 높아 일반적으로 안정되어 있으나, 단기적으로 집중호우에 의해서 장기적으로 토양침식물 및 영양물질 등의 발생부하량이 높다고 간주되며 3번 소유역 및 6번 소유역은 도시지역에 면적비율이 높아 주거, 상업 및 공업 활동에 의해 발생되는 고농도의 물질로 단위면적당 부하가 다른 토지이용에 비해 크게 나타나며 비점오염원 발생부하량 역시 1번 소유역에서 많은 물질의 양이 저류되고 있음을 알 수 있다.
- SWAT 모형에서 T-N, T-P는 Sediment의 이동과 유출에 의해 영향을 받기 때문에 T-N, T-P에 대한 보정에 앞서 Sediment에 대한 보정 및 검정을 실시하였다. Table 3은 제천A 지점에서 Sediment 및 T-N, T-P 검ㆍ보정 결과를 정리한 것으로 실측치와 모의치의 Sediment 및 T-N, T-P를 비교한 것으로 모의치가 실측치의 경향을 잘 반영한 것으로 분석되었으며 Sediment의 R2는 0.53～0.71, T-N 및 T-P는 각각 0.51～0.91, 0.38～0.85로 분석되었다. Fig.
- 반면에 제천천 T-P의 경우는 3월～10월까지 고르게 분포하고 있음을 알 수 있다. 계절별 분석결과 Suumer와 Autumn에 유역에 비점오염원 부하량이 높았으며 특히 비점오염원 부하량이 높은 장평천에서의 계절별 연평균 비점오염원 부하량은 Sediment 경우 Spring에서는 227.6 ton, Summer 1866.9 ton, Autumn 307.6 ton, Winter 178.5 ton이며 T-N은 Spring에서는 2803.4 kg, Summer 3214.5 kg, Autumn 1604.2 kg, Winter 2761.8 kg으로 유역내에 비점오염원 부하량이 상당한 것으로 나타났다.
- 5). 그 결과 두 유역 모두 Sediment, T-N 및 T-P의 비점오염원 부하량의 분포가 7월과 8월에 집중됨을 나타내고 있다. 반면에 제천천 T-P의 경우는 3월～10월까지 고르게 분포하고 있음을 알 수 있다.
- 1번 및 2번 소유역에서는 산림에 대한 면적 비율이 높아 일반적으로 안정되어 있으나, 단기적으로 집중호우에 의해서 장기적으로 토양침식물 및 영양물질 등의 발생부하량이 높다고 간주되며 3번 소유역 및 6번 소유역은 도시지역에 면적비율이 높아 주거, 상업 및 공업 활동에 의해 발생되는 고농도의 물질로 단위면적당 부하가 다른 토지이용에 비해 크게 나타나며 비점오염원 발생부하량 역시 1번 소유역에서 많은 물질의 양이 저류되고 있음을 알 수 있다. 그 결과, 강우시 총 비점오염원 부하량은 비강우시 비점오염원 부하량에 비해 Sediment, T-N, T-P 모두 크게 나타나고 강우시 오염비율이 높게 나타남을 알 수 있다. 이와 같은 결과에 요인으로 장평천은 주거시설, 상업시설 및 도로 시설등이 밀집되어 있는 지역으로 각 소유역에서 주거, 상업 및 도로시설등에서 발생되는 비점오염물질이 제천천 유역에 비해 장평천 유역에서 차지하는 불투수층 면적이 넓어 강우시 초기우수유출수가 다량의 오염부하를 발생시키는 것으로 예상되어 강우시 초기우수유출수에 따른 다량의 오염부하를 발생시켜 높은 부하량을 나타낸 것으로 판단되며 토지계에 따른 비점오염부하량 산출시 장평천은 축산 및 매립시설에서의 발생부하량이 제천천에 비해 높은 발생부하량을 나타내고 있다고 간주된다.
- 여기서, 우기는 강우에 의한 지표유출이 발생한 기간을 의미한다. 그 결과, 두 유역 모두 강우유출에 따라 비점오염원 부하량은 비례함을 나타냈다. Table 5에서 Wet day일 때 평균 부하량의 차 (장평천–제천천)가 Sediment 연평균 0.
- 비점오염원 부하특성을 분석하기 위하여, 다른 유역에서의 오염원발생을 배제한 제천천과 장평천 합류지점에서의 각각의 유역에서 시기별 원단위 비점오염원 부하량을 분석하였다 (Table 4). 분석 결과 제천천에 비해 장평천에 하천수질오염정도가 평균적으로 Sediment, T-N 및 T-P가 오염정도가 높게 산정되었다. 일반적으로 강우량 증가에 따라 비점오염원 부하량이 증가하게 되는데 장평천에서는 연 강우량이 1000 mm 보다 작게 내리는 가뭄해에도 비점오염원 부하량이 상당한 것으로 나타나므로 주변지역에서의 강우에 의해 유입되는 오염원뿐만 아니라 하천에서의 점오염원에 의해 발생되는 오염원부하량이 크다고 볼 수 있다.
- 제천천 소유역중 T-N 발생부하량이 가장 높은 7번 소유역으로 소유역 면적 중 논 및 밭이 차지하는 비율이 높게 나타나 질소와 인에 농도가 높게 나타나는 양상을 보였다. 비점오염원부하량 뿐만 아니라 비점오염원 발생부하량도 높게 나타나는 장평천 유역에서는 모든 소유역에서 비점오염원 발생부하량이 높게 나타났으며 특히 유역출구지점과 그에 인접한 1번 및 3번 소유역에서 각각 T-N 및 Sediment, T-P가 높게 산정되었다. 이는, 1번 및 2번 소유역에서는 산림에 대한 면적 비율이 높아 일반적으로 안정되어 있으나, 단기적으로 집중호우에 의해서 장기적으로 토양침식물 및 영양물질 등의 발생부하량이 높다고 간주되며 3번 소유역 및 6번 소유역은 도시지역에 면적비율이 높아 단위면적당 비점오염원 발생량이 높게 나타났다.
- 소유역별 비점오염원 발생부하량을 분포시킨 결과 상류단일하천에서의 비점오염원 발생부하량은 작게 나타났고 상류하천이 합류되어 흐르는 소유역과 분기율이 높은 소유역에서는 비점오염원 부하량의 분포가 크게 나타났으며 Spring (3월～5월), Summer (6월～8월), Autumn (9월～11월) 그리고 Winter (12월～2월)로 계절별 비점오염원 부하량을 산정한 결과 두 유역모두 여름과 가을에 유역에 비점오염원 부하량이 높게 나타났다.
- 5는 제천천과 장평천에 연평균 소유역별 비점오염원 발생부하량을 그림으로 분포시켜 나타낸 것이다. 이 결과로부터 상류단일하천에서의 비점오염원 발생부하량은 작게 나타났고 상류하천이 합류되어 흐르는 소유역과 분기율이 높은 소유역에서는 비점오염원 발생부하량 분포가 크게 나타났다. Fig.
- 장평천과 비교해 오염정도가 낮은 제천천에서의 Sediment와 T-P 발생부하량이 가장 큰 유역은 1번 소유역이며 유역출구지점으로 산림면적과 논, 밭 및 도시지역이 모두 분포되어 있는 유역으로 Sediment와 T-P에 오염정도가 다른 소유역에 비해 높으며 이는 논과 밭에서의 비료와 같은 오염가능물질의 영향과 도시지역에서의 유출증가와 도시생활하수와 축산단지 폐수 등의 영향을 모두 받은 것으로 보인다. 제천천 소유역중 T-N 발생부하량이 가장 높은 7번 소유역으로 소유역 면적 중 논 및 밭이 차지하는 비율이 높게 나타나 질소와 인에 농도가 높게 나타나는 양상을 보였다. 비점오염원부하량 뿐만 아니라 비점오염원 발생부하량도 높게 나타나는 장평천 유역에서는 모든 소유역에서 비점오염원 발생부하량이 높게 나타났으며 특히 유역출구지점과 그에 인접한 1번 및 3번 소유역에서 각각 T-N 및 Sediment, T-P가 높게 산정되었다.
- 제천천과 장평천에 시공간적 비점오염원 부하량 유출특성을 분석한 결과 제천천에 비해 장평천에 하천수질오염정도가 평균적으로 Sediment, T-N 및 T-P가 약 70.0 %, 72.5 % 및 86.1 %오염정도가 높게 산정되었다. 장평천에서는 연 강우량이 1000 mm보다 작게 내리는 가뭄해에도 비점오염원 부하량이 상당한 것으로 나타나므로 주변지역에서의 강우에 의해 유입되는 오염원뿐만 아니라 점오염원에 의해 하천에서의 차지하는 오염원부하량이 크다고 볼 수 있다.
- 매개변수 추정을 위하여 SWAT의 입력유형별 매개변수를 정리하여, 총 유출량 및 첨두유량과 감수곡선 형태에 영향을 미치는 매개변수와 Sediment, T-N 및 T-P 보정을 위한 매개변수를 선정하여 유역별 불확실성을 분석하고 민감도 분석에 따른 최적의 매개변수를 선정하였다 (Table 1). 지표수흐름관련 매개변수로는 ALPHA_BF, CH_N2 순으로 민감하게 반응하였고 지하수 흐름은 GW_DELAY, GW_REVAP 순으로 나타났다. Sediment 매개변수로는 PRF, CH_EROD와 USLE_P가 가장 민감하였다.
후속연구
- 소유역별 비점오염원 발생부하량 산정과 시공간적 비점오염원 부하량의 산정은 유역관리 및 오염총량제 등의 필요자료로 유용하게 이용될 것으로 판단되지만 추후 연구로 소유역별 토지피복에 따른 비점오염원 발생부하량을 산정하여 각 소유역별 토지피복특성에 적합한 오염부하 저감 대책을 수립하기 위한 연구가 진행되어야 할 것이다. 본 연구에 기대 효과 및 활용방안으로 충주호 유입하천 유역에 대한 유역관리 및 오염총량제 등의 제제를 위한 의사결정에 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단되며 각 주요 지천 오염원의 발생 및 배출 특성 파악, 대표 소유역별 실측 비점오염원 부하량의 산정, 비점오염원의 저감시설 관리방안 수립, 비점오염원 최적관리 기본계획수립에 지표로서 활용될 것으로 기대된다.
- 본 연구는 제천천과 장평천에서의 소유역별 비점오염원 유출특성에 대해 연구하였다. 소유역별 비점오염원 발생부하량 산정과 시공간적 비점오염원 부하량의 산정은 유역관리 및 오염총량제 등의 필요자료로 유용하게 이용될 것으로 판단되지만 추후 연구로 소유역별 토지피복에 따른 비점오염원 발생부하량을 산정하여 각 소유역별 토지피복특성에 적합한 오염부하 저감 대책을 수립하기 위한 연구가 진행되어야 할 것이다. 본 연구에 기대 효과 및 활용방안으로 충주호 유입하천 유역에 대한 유역관리 및 오염총량제 등의 제제를 위한 의사결정에 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단되며 각 주요 지천 오염원의 발생 및 배출 특성 파악, 대표 소유역별 실측 비점오염원 부하량의 산정, 비점오염원의 저감시설 관리방안 수립, 비점오염원 최적관리 기본계획수립에 지표로서 활용될 것으로 기대된다.
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