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문제 정의
- 낙동강 하구언 및 부산시와 직접 연관된 낙본 M 및 N 지점들을 연구지역으로 선정하였는데 낙동강 물환경 연구소의 수질측정망자료가 유용하고 또한 본 연구의 목적인 하구언의 비점오염기여율 산정이기 때문이다. 그러나 수질 측정망 자료의 경우 하구언이란 지역 특성 때문에 수질측정망 자료의 채수시간 기록이 없어 해수의 영향을 파악하기 어려운 문제점이 있어 수질 예측이 일반적으로 어렵게 이루어진다.
- 본 연구는 비점오염모형인 SWAT(Soil and Water Assessment Tool) 모형(Arnold 등, 1994)을 이용하여 서부산 지역을 포함한 낙동강 하구언 유역의 비점오염 부하량을 실측자료와 검증하여 비점오염물질 유출 특성을 규명 하는 것이 목적이다.
- 본 연구에서 적용된 SWAT 모형은 미국 농무성 농업연구소(USDA : Agricultural Research Service, ARS)에서 개발된 유역모형으로 대규모 유역을 대상으로 장기간의 기상자료입력이 가능하고 다양한 토지이용현황을 반영할 수 있으며, 토양 및 토지관리 상태에 따라 농업화학물질 및 하천의 오염물질 거동을 예측하기 위하여 개발되었다.(Neitsc 등, 2002)
- 본 연구에서는 유역구분을 한국건설기술연구원에서 4대강 사업 중 신설될 보와 저수지를 고려하여 제작한 표준 유역 분할도를 기준으로 각각의 표준유역 말단지점에 출구를 지정하여 Fig. 2와 같이 표준유역도와 유사하게 분할하였으며 모형의 보정 및 검증을 위한 지역과 수위 측정지점을 표시하였다.
제안 방법
- , 하천길이 1,266 km 인 낙동강 하류 지역을 선정하였다. 4대강 사업의 신설된 보와 저수지를 고려하여 유역을 분할하였고 오염총량과 관련된 8개의 단위유역과 표준 유역도를 기준으로 할 경우 24개의 표준유역으로 구성되었다. 오염총량관리와 관련된 8개의 단위 유역 중 본 연구 모형의 수질 보정 및 검증에 직접 관련된 4개의 단위 유역 현황과 관련된 표준유역현황을 Table 1에 나타내었다.
- SWAT 모형에서의 유역구분은 수치고도 모형(DEM : Digital Elevation Management)으로부터 Flow Direction과 Flow Accumulation을 계산하여 하천망을 생성시킨 후 유역의 최종 출구지점을 outlet으로 지정하여 분할하였다. 분할된 소유역의 지형학적 특성인자를 계산 하여 분할된 소유역당 면적, 유역경사, 하천길이, 하천 평균폭, 하천 평균깊이 등의 자료를 획득하여 Table 2와 같이 매개변수들을 평가하여 보정 하였다.
- 또한 해수의 영향으로 수질 변동이 나타난다는 부산 보건환경연구원(2004) 보고를 감안한다면 해수의 영향이 수질 편차 발생에 크게 기여 하였을 것으로 판단된다. 그래서 모의값과 실측값의 연간 유형과 연 평균값을 고려하여 보정 및 검증을 하였다. Table 3과 같이 낙본 N 지점의 경우 연평균 농도는 0 - 38 % 편차를 보이고 낙본 M 지점의 연간 발생유형은 Fig.
- 유역의 HRU는 물수지 분석을 강우량, 지하수 침투량, 증발산량, 그리고 표면 유출량으로 나누어 산정하게 되어있다. 그리고 토양침식 산정을 MUSLE(Modified Universal Soil Loss Equation)을 이용하여 모의하는데 질소, 인, 그리고 살충제와 같은 유기성 화합물질들의 이동량 등을 모의하게 구성되었다. 수체는 하천과 저수지로서 표현하게 되어있으며 유량, 퇴적물, 영양염류, 유기성화학물질 등은 반응기작들로 구성되어 모의된다.
- 둘째, 수질모의 값의 결정계수가 낮지만 연평균 농도 및 유형을 맞춘 결과를 갖고 낙동강 하구언 하류지점인 낙본M 유역의 BOD, T-N, T-P에 관한 물질수지를 분석하였다. 비점오염 물질의 배출량 및 기여율을 산정한 결과 강수량이 84.
- 본 연구에서는 SWAT모형을 1996년부터 2009년까지 14년 동안의 기간을 설정하였는데 모형 구동 시 초기 2 ~ 3년은 초기반응계수 안정화 기간으로 설정하였다. 이는 SWAT 모형은 장기유출 모형으로 유출량 모의는 토양수분변화에 따라 SCS의 Curve Number값이 연속적으로 계산되므로 안정화 기간설정이 필요하기 때문이다.
- SWAT 모형에서의 유역구분은 수치고도 모형(DEM : Digital Elevation Management)으로부터 Flow Direction과 Flow Accumulation을 계산하여 하천망을 생성시킨 후 유역의 최종 출구지점을 outlet으로 지정하여 분할하였다. 분할된 소유역의 지형학적 특성인자를 계산 하여 분할된 소유역당 면적, 유역경사, 하천길이, 하천 평균폭, 하천 평균깊이 등의 자료를 획득하여 Table 2와 같이 매개변수들을 평가하여 보정 하였다.
- 셋째, 비점오염물질 유출 특성 규명이 가능한 SWAT 모형의 모의 결과를 이용하여 낙동강 하구언 유역의 비점오염물질수지 분석 및 비점오염물질 유출특성을 규명하였다. 4-8월 동안 BOD, T-N, T-P는 전체 배출의 80%이상을 차지하는 것으로 여름철 오염배출의 대부분이 비점오염원인 것으로 나타났다.
- 수치고도모형(Digital Elevation Model, DEM)은 표고 값을 중심으로 지형을 표현한 모형인데 일정 크기의 격자에 매트릭스 형태의 표고 값을 부여하는 방식으로 자료를 구축한다. 수문 시스템에서의 공간속성 정보는 경사도, 경사방향, 토양, 토지이용, 토지피복 등이 포함되며 수치지도에서 추출한 등고선을 이용하여, 1초(약 30m) 간격의 격자 단위로 표고 값을 표현한 자료로서 본 연구에서는 국립지리원에서 제작한 1:25,000 수치지도의 등고(contour)자료(국립지리원, 2010)를 추출하여 GIS분석 도구인 Arcview에서 data 처리과정을 거쳐 DEM 자료를 생성하였다.
- 진동 지점에 대한 모형의 검증 방법은 보정과정에서 적용한 매개변수 산정방식을 동일하게 적용하여 검증을 실시하였다. 진동 수위관측소의 실측 자료인 2007년 일별 유량자료를 보정자료로 2009년 일별 유량자료를 검증자료로 각각 사용하였다.
- 토양도를 이용하여 토양의 물리화학적 성질을 결정해주는 SWAT 입력 자료를 산정한다. 토양도는 shape 파일 형태로 되어있으며, 토양부호로 표기되어있어 토양부호와 부합된 속성 값(name)을 찾아 자료로 구축해야한다.
- 토지이용 지도를 이용하여 SWAT모형의 관련입력 자료가 생성되는데 토지이용분류 체계를 위해 분류항목을 산림, 논, 주택지 등 20여 가지로 분류하였다. 토지이용도는 일반적으로 인공위성 영상자료를 사용하여 작성되며, 본 연구에서는 인공위성 영상자료를 사용하여 환경부에서 작성한 자료와 한국건설기술연구원(한국건설기술연구원, 2010)에서 NGIS (National Geographic Information System) 주제도 사업의 일환으로 구축된 1 : 25,000 의 토지이용 현황도를 이용하여 유역별 도형자료를 구축하였다.
- 토지이용 지도를 이용하여 SWAT모형의 관련입력 자료가 생성되는데 토지이용분류 체계를 위해 분류항목을 산림, 논, 주택지 등 20여 가지로 분류하였다. 토지이용도는 일반적으로 인공위성 영상자료를 사용하여 작성되며, 본 연구에서는 인공위성 영상자료를 사용하여 환경부에서 작성한 자료와 한국건설기술연구원(한국건설기술연구원, 2010)에서 NGIS (National Geographic Information System) 주제도 사업의 일환으로 구축된 1 : 25,000 의 토지이용 현황도를 이용하여 유역별 도형자료를 구축하였다. 구축한 토지이용 현황을 정확도가 높은 감독분류 기법을 사용하여 분석하였을 경우 연구대상지역에서는 산림지역이 72.
대상 데이터
- SWAT모형에서 입력된 강우 및 기상자료는 모의기간 동안의 일별(Daily)자료가 포함되어 있어야 하므로(국립환경과학원, 2010) 낙동강 유역의 기상관측소 및 강우관측소 중 총 19개소의 관측 자료를 1996년 1월1일부터 2009년 12월 31일까지 일별 기상자료를 수집하여 입력 하였다. SWAT 모형의 모의를 위해 추가적으로 입력되는 자료는 유역별 점오염원 및 방류량 자료를 일별 방류수 수질 및 유량자료를 입력하였다.
- SWAT모형에서 입력된 강우 및 기상자료는 모의기간 동안의 일별(Daily)자료가 포함되어 있어야 하므로(국립환경과학원, 2010) 낙동강 유역의 기상관측소 및 강우관측소 중 총 19개소의 관측 자료를 1996년 1월1일부터 2009년 12월 31일까지 일별 기상자료를 수집하여 입력 하였다. SWAT 모형의 모의를 위해 추가적으로 입력되는 자료는 유역별 점오염원 및 방류량 자료를 일별 방류수 수질 및 유량자료를 입력하였다.
- 수질의 보정 및 검증은 수질오염총량관리 단위유역을 기준으로 낙동강 하구언 지역의 낙본 M, N 지점으로 선정하고 2007년 낙동강 물환경 연구소에서 8일 간격으로 연 30회 이상 측정한 총량관리 단위유역 하류지역 자료를 보정 기준 자료로 이용하였다. 검증 또한 2009년의 낙동강 물환경 연구소의 자료를 이용하였다. 낙본 N, M 단위유역의 검증과정에서 결정된 수질 항목별 연평균농도는 Table 3에 나타내었다.
- 따라서 1996 ~ 1999년을 초기반응계수 안정화 기간으로 지정하고 2000 ~ 2009년을 모의기간으로 지정하였다. 그러나 자료의 유용성과 최근 자료의 활용을 고려하여 보정기간을 2007년으로 그리고 검증기간을 2009년으로 선정하였다.
- 본 연구의 유량 보정 및 검증 지점으로 진동 수위관측소를 선정하였다. 수산, 월촌 수위관측소들은 진동 수위관측소 보다 하류에 있어 낙동강 하류유역에 근접하나 해수의 유출입 영향으로 배수위(Back water)현상이 발생되어 유량이 실제 값 보다 과대 산정되는 경향이 있었으며, 대부분의 관측 자료가 결측 되어 제외하였다.
- 수질의 보정 및 검증은 수질오염총량관리 단위유역을 기준으로 낙동강 하구언 지역의 낙본 M, N 지점으로 선정하고 2007년 낙동강 물환경 연구소에서 8일 간격으로 연 30회 이상 측정한 총량관리 단위유역 하류지역 자료를 보정 기준 자료로 이용하였다. 검증 또한 2009년의 낙동강 물환경 연구소의 자료를 이용하였다.
- 연구지역은 서부산 지역 및 낙동강유역을 대상으로 총 면적 30,820 km2, 하천길이 1,266 km 인 낙동강 하류 지역을 선정하였다. 4대강 사업의 신설된 보와 저수지를 고려하여 유역을 분할하였고 오염총량과 관련된 8개의 단위유역과 표준 유역도를 기준으로 할 경우 24개의 표준유역으로 구성되었다.
- 진동 지점에 대한 모형의 검증 방법은 보정과정에서 적용한 매개변수 산정방식을 동일하게 적용하여 검증을 실시하였다. 진동 수위관측소의 실측 자료인 2007년 일별 유량자료를 보정자료로 2009년 일별 유량자료를 검증자료로 각각 사용하였다. 진동 지점의 유량검증결과 모형의 결정계수는 0.
- 토양도는 shape 파일 형태로 되어있으며, 토양부호로 표기되어있어 토양부호와 부합된 속성 값(name)을 찾아 자료로 구축해야한다. 토양도의 토양자료를 구축하기 위해서는 개략토양도를 이용하여 대상유역의 토양통을 파악한 후 토양통 자료를 농촌진흥청의 토양통 D/B를(농촌진흥원, 2010) 활용하여 속성 값을 입력하였다.
성능/효과
- 셋째, 비점오염물질 유출 특성 규명이 가능한 SWAT 모형의 모의 결과를 이용하여 낙동강 하구언 유역의 비점오염물질수지 분석 및 비점오염물질 유출특성을 규명하였다. 4-8월 동안 BOD, T-N, T-P는 전체 배출의 80%이상을 차지하는 것으로 여름철 오염배출의 대부분이 비점오염원인 것으로 나타났다.
- SWAT 모형의 수질 결과값들은 전반적으로 강우시 유출농도 증가 경향이 뚜렷하고 실측값과의 유출경향이 비슷한 것으로 산정되었으나 집중 강우시에는 큰 편차가 발생되는 경향이 나타났다. 그 이유는 강우시 실측된 수질자료의 부족 및 토양유실에 따른 오염물질의 유출기작에 대한 자료의 부족으로 인해 나타난 것으로 판단된다.
- 토지이용도는 일반적으로 인공위성 영상자료를 사용하여 작성되며, 본 연구에서는 인공위성 영상자료를 사용하여 환경부에서 작성한 자료와 한국건설기술연구원(한국건설기술연구원, 2010)에서 NGIS (National Geographic Information System) 주제도 사업의 일환으로 구축된 1 : 25,000 의 토지이용 현황도를 이용하여 유역별 도형자료를 구축하였다. 구축한 토지이용 현황을 정확도가 높은 감독분류 기법을 사용하여 분석하였을 경우 연구대상지역에서는 산림지역이 72.34 %로 가장 높은 비율을 차지하고 다음으로 농업지역 16.68 %, 시가화 건조지역 4.54 %, 수역 3.66 %, 나지 1.18 %, 초지 1.09 %, 습지 0.5 % 등으로 나타났다.
- 13 ㎥/s 으로 유량차가 크게 나타났다. 그 원인은 시간별 유량의 유형은 일치하나 최대 유량일 때, 즉 여름철 집중호우 일 경우 편차가 크게 나서 연평균 유량 값에 영향을 미치는 것으로 확인되었다.
- 5 이상이면 모형이 자연현상을 잘 모의한 것으로 보고하였다. 본 연구결과에서는 연간 유출량 변동 특성은 잘 모의된 것으로 나타났으나 여름철 첨두 유량 모의에 대한 편차가 나타났다. 이는 SWAT모형이 복합강우사상에 대해서는 지하유입량과 Return flow에 대한 기저유출량의 해석이 어려운 것으로 보고된 바 있으며(손경호 등, 2008), 금강권역 유량모의에 관한 선행연구에서도 (금강수계관리위원회, 2010) R2값의 경우 0.
- 둘째, 수질모의 값의 결정계수가 낮지만 연평균 농도 및 유형을 맞춘 결과를 갖고 낙동강 하구언 하류지점인 낙본M 유역의 BOD, T-N, T-P에 관한 물질수지를 분석하였다. 비점오염 물질의 배출량 및 기여율을 산정한 결과 강수량이 84.8 ~ 886.1 ㎜/month인 2009년 4월 ~ 8월까지 비점오염 배출량이 전체 비점오염 배출량의 80 ~ 96 % 범위로 나타났다.
- 점오염원에 대한 지속적인 투자에도 불구하고 수계의 수질이 향상되지 않은 이유는 도시화·산업화로 토지개발이 이루어졌으며 도로·주차장 등 불투수층 면적이 증가하는 등 비점오염원에 의한 하천·호소의 수질영향이 증가하여 비점오염원이 수계에 미치는 영향이 점오염원보다 큰 것으로 알려졌다.
- 첫째, 진동지점의 유량에 관한 2007년 보정 및 2009년 검증 결과들을 살펴보면 실측값 및 모의 값과의 상관관계 계수 즉 R2 결정계수가 0.8, 0.79로서 매우 높은 값으로 나타났다. 그러나 연평균 유량은 2007년 366.
후속연구
- 넷째, 수질모의에서 낮은 결정계수 결과는 연구지역이 하구언에 위치한 특수성으로 해수 유출입 영향을 받아 나타났다고 판단되며 보다 정확한 모의를 위해서는 세밀한 소유역별 자료가 구축되어야 할 것이다. 향후 하구언의 특성을 보다 잘 반영하기 위해서는 해수 유출입을 고려한 실측 연구가 이행되어야 할 것이다.
- 그 이유는 강우시 실측된 수질자료의 부족 및 토양유실에 따른 오염물질의 유출기작에 대한 자료의 부족으로 인해 나타난 것으로 판단된다. 또한 검증 지역이 하구언에 위치하여 해수 유출입의 영향을 받아 측정망 자료를 이용한 검증에 한계가 있는 것으로 판단된다.
- 넷째, 수질모의에서 낮은 결정계수 결과는 연구지역이 하구언에 위치한 특수성으로 해수 유출입 영향을 받아 나타났다고 판단되며 보다 정확한 모의를 위해서는 세밀한 소유역별 자료가 구축되어야 할 것이다. 향후 하구언의 특성을 보다 잘 반영하기 위해서는 해수 유출입을 고려한 실측 연구가 이행되어야 할 것이다.
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