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문제 정의
- 본 연구에서는 유역에서 활용될 수 있는 강우유출 모형인 BASINS/HSPF 모형을 활용하여 낙동강유역에 속하는 동천유역에서의 강우 시 비점오염원 부하량을 산정해 보았다. 모형의 신뢰성을 확보하기 위해 현장에서 실측된 유량 및 수질 자료를 활용하여 검·보정을 실시하였으며, 검·보정이 완료된 후 모의치와 실측치간의 적합도를 산점도 분석을 통해 평가 하였다.
제안 방법
- HSPF는 투수층(PERLND)과 불투수층(IMPLND)으로 구분하여 의되며 모의한 결과인 유출량과 비점 오염원이 하천모듈(RCHRES)로 입력되어서 수질을 모의하게 되는 알고리즘으로 구성되어 있으며, 각각의 모듈에서는 유출량, 토사유출, DO, 수온, BOD, NO3 , NH4 , Organic N, PO4 , Organic P, 영양염류, Plankton 등을 모의한다. 그리고 일반적으로 토지이용도의 변화 저수지 유무, 점오염원과 비점오염원 처리방법, 흐름전 환의 효과를 평가하기 위해 사용되어져 왔다.
- 강우 시 실시된 현장 모니터링은 기상청의 일기예 보에 따라 조사대상지점에서 강우 시작 전부터 종류 시까지 1시간 간격으로 유량 및 수질 측정을 실시하였다. 동천의 경우 평상시 유량이 1.
- 구축된 HSPF 모형에 시기별로 현장 모니터링 결과를 활용하여, 각각의 조사 시기를 Case 1 ∼ Case 4로구분하여 유역의 유출량 및 수질항목들의 검·보정을 실시하여 Fig. 5에 나타내었다.
- 모형의 신뢰성을 확보하기 위해 현장에서 실측된 유량 및 수질 자료를 활용하여 검·보정을 실시하였으며, 검·보정이 완료된 후 모의치와 실측치간의 적합도를 산점도 분석을 통해 평가 하였다. 구축된 모형을 통해 동천 유역에서 조사 시기에 따른 Case 별 비점오염원의 부하량을 산정하였다.
- 88 ㎢이다. 동천은 병성천의 주요 지류로서 병성천 유역의 상단에 위치하고 있으며, 병성천 합류 전 동천 말단 지점에서 모니터링을 수행 하였다. 동천 유역의 조사지점에 대한 위치를 Fig.
- 모형의 검·보정을 수행하기 위해 병성천 유입 전 동천 말단지점에서 강우 및 비강우시 유량 및 수질에 대한 현장 조사를 실시하였다.
- 모형의 검·보정을 위해 유역에 속한 하천 말단에서 강우 시 기간별 유량 및 수질 모니터링을 실시하였고, 실측자료를 적용하여 모형의 신뢰도를 향상 시켰다.
- 모형의 신뢰성을 확보하기 위해 현장에서 실측된 유량 및 수질 자료를 활용하여 검·보정을 실시하였으며, 검·보정이 완료된 후 모의치와 실측치간의 적합도를 산점도 분석을 통해 평가 하였다.
- 4) 시간단위 단기모의 특성상 농도 변화가 급격히 변화되는 부분에 대해서는 조정이 되지 않았다. 이러한 단점을 보완하기 위해 좀 더 정밀한 현장 조사를 시행하여 모형을 안정화 시켜, 전반적으로 모의치가 실측치를 잘 대변하였다.
- 기상관측소의 자료는 상주관측소를 활용하였다. 입력자료 중 강우량의 경우 모니터링 기간에 따라 Case를 4개로 구분하여 모형의 입력 자료로 활용하였다. 각각의 Case 별 일간 기상청에서 측정된 강우량 관측 자료에 모니터링 기간 동안 현장에서 실측된 강우량을 입력하여 모의에 활용하였다.
- 표고 및 토지피복도는 환경지리정보에서 취득한 자료를 이용하였고, 그 외에 필요한 자료에 대한 출처는 다음과 같다. 토양도의 경우 농업과학기술 원에서 발행하는 개략 토양도를 이용하여 분석하였다. 모형의 유역 자료로써 우선 DEM은 유역 추출에 이용된다.
대상 데이터
- 입력자료 중 강우량의 경우 모니터링 기간에 따라 Case를 4개로 구분하여 모형의 입력 자료로 활용하였다. 각각의 Case 별 일간 기상청에서 측정된 강우량 관측 자료에 모니터링 기간 동안 현장에서 실측된 강우량을 입력하여 모의에 활용하였다.
- 기상청의 기상자료는 대부분 일별 자료로 시간별 자료가 없지만 WDMUtill에 최고기온, 최저기온, 평균풍속, 평균운량을 입력시켜서 내부의 계산 기능을 이용하여 위의 시간별 자료들을 계산한 후 입력시킨다. 기상관측소의 자료는 상주관측소를 활용하였다. 입력자료 중 강우량의 경우 모니터링 기간에 따라 Case를 4개로 구분하여 모형의 입력 자료로 활용하였다.
- 동천말단 지점에서 강우 시 수질 및 유량에 대한 현장 모니터링을 2010년, 2011년에 실시하였다. 2010년모니터링의 경우 Sampling 간격을 1시간 간격으로 측정하지 못하여 2011년 모니터링 결과와는 차이를 보였다.
- HSPF은 각각의 토지이용 현황에 따라 투수율을 결정하고 이에 따라 투수 매개변수와 불투수 매개변수를 결정한다. 따라서 모델링을 위한 지형자료로써, 수치표고모델(DEM), 환경지리정보에서 제공된 중분류 토지이용도를 이용 하였다. 본 연구에 사용된 대상유역인 동천유역에 대한 DEM, 토지이용도는 Fig.
- 유출 현상에 가장 크게 영향을 미치는 변수는 강우 자료이다. 본 모의에서는 2010년에서 2011년까지 4 회 실시된 모니터링 자료 중 강우량을 입력 자료로 하여 모의를 수행 하였다.
- 연구 대상 유역은 상주시가 포함된 동천유역으로 낙동강 대권역중, 병성천 중권역에 속하며, 면적은 107.88 ㎢이다. 동천은 병성천의 주요 지류로서 병성천 유역의 상단에 위치하고 있으며, 병성천 합류 전 동천 말단 지점에서 모니터링을 수행 하였다.
이론/모형
- 동천의 경우 평상시 유량이 1.5∼2.0 ㎥/sec 정도로 적어, 현장 조사 시 유량측정을 위해 유속계는 소하 천에서 주로 활용되는 VALEPORT사의 Model-002 (Flow Meter Wading set)를 사용하였다.
- 본 연구에서는 유역에서의 강우 시 유출량을 해석할 수 있는 BASINS/HSPF 모형을 활용하여 소규모 대상유역에서의 비점오염원 부하량을 산정해 보았다. 모형의 검·보정을 위해 유역에 속한 하천 말단에서 강우 시 기간별 유량 및 수질 모니터링을 실시하였고, 실측자료를 적용하여 모형의 신뢰도를 향상 시켰다.
- 수질분석은 현장에서 측정되는 항목은 YSI를 사용하였고, BOD, T-N, T-P 항목의 경우 실험실로 옮겨 ‘수질오염공정 시험법(환경부, 2007)’에 따라 분석을 실시하였다.
성능/효과
- 1) 동천말단에서 강우 시 수질 및 유량에 대한 현장 모니터링을 2010년, 2011년에 실시하였으며, 모니터링 결과 동천과 같은 소규모 하천의 경우 Case별 강우량의 발생정도에 따른 유입수량의 차이가 하천의 유량 및 수질농도 차이에 가장 크게 영향을 미치는 것으로 조사 되었다.
- 2) BOD 농도의 경우 조사 시기에 따라 강우량의 차이에 의한 하천으로의 유입수 양에 따라 차이가 발생되었으며, T-N과 T-P와 같은 영양염류의 경우 조사 시기에 따라 시비의 영향을 가장 많이 받는 것으로 조사 되었다.
- 3) 동천의 경우 병성천에 속하는 지류로서 가을과 겨울 유량이 평상시 유량(0.15 ∼ 0.2 ㎥/sec)의 50∼ 65%이다.
- 4) 시간단위 단기모의 특성상 농도 변화가 급격히 변화되는 부분에 대해서는 조정이 되지 않았다. 이러한 단점을 보완하기 위해 좀 더 정밀한 현장 조사를 시행하여 모형을 안정화 시켜, 전반적으로 모의치가 실측치를 잘 대변하였다.
- 5) 모형 결과치의 적절성을 모의치와 실측치 간의 산점도 분석 결과, 모의치와 실측치간의 결정계수가 평균 0.73이상으로 높게 산정되었다. 강우량 및 시기가 다른 Case별 적합도 평가를 수행한 결과의 경우, 결정계수가 0.
- 6) BASINS/HSPF 모형을 이용하여 시간별 모의 결과, 동천의 경우 평소의 낮은 유량으로 인해 강우량 증가에 따라 유입수가 증가되어 부하량이 높게 산정되는 것으로 조사 되었다. Case 3의 경우 조사 당시 총강우량이 130 ㎜로서 전년도에 비해 높은 강우가 발생되었다.
- 2 ㎥/sec)의 50∼ 65%이다. 계절적 영향으로 유량이 기준치보다 낮아지는 시기는 유입물질의 농도에 따라 유달부하량의 차이가 크게 나타나는 것으로 조사 되었다.
- Case 3의경우 강우량이 타 Case에 비해 현저히 많았으며, 그에 따라 유량이 증가하였고, 타 물질에 비해 유기오염물 질의 유입이 많았음을 수질 분석결과의 비교를 통해알 수 있다. 또한 Case 1과 Case 3의 경우 유사한 시기에 조사가 진행되었으나, 강우량은 현저히 다르게 조사 되었고, 그에 따라 유기오염물질의 지표로 활용되는 BOD 농도의 차이가 크게 발생함을 확인 하였다. 하지만 영양염류의 경우 10배 이상의 강우량의 차이에도 불구하고 T-N, T-P 농도의 차이는 크게 나타나지 않았다.
- 이는 본모의가 시간단위 모의를 수행하여, 단기모의의 특성상 농도 변화가 급격히 변화되는 부분에 대해서는 조정이 되지 않았다. 이러한 단점을 보완하기 위해 좀 더정밀한 현장 조사를 시행하였고, 2011년 모의․실측 치를 비교해 보면 모형이 더욱 안정화 된 것을 확인할수 있다. Case 별 검·보정 결과 모의치와 실측치간 일부 조정이 되지 않는 부분도 있었으나, 전반적으로 모의치가 실측치를 잘 대변하고 있음을 그림을 통해알 수 있다.
- 동천의 경우 하수종말처리장과 같은 점오염원이 존재하지 않아 강우시 발생되는 오염원은 주변 식생 및 경작지에서 유입되는 유입수의 영향을 가장 많이 받았다. 하천 주변이 자연식생으로 이루어져 있으나, 주변의 경작지들에서의 유입량이 많은 것으로 현장 조사 시 확인 되었고, 이러한 결과로 인해 강우 발생에 따라 비점오염원별 부하 량이 차이가 크게 발생되었다. 동천과 같은 소규모 하천에서의 오염물질별 부하량의 경우 평소 유지유량이 적어 유입수의 영향을 크게 받는 것으로 조사 되었으며, 본 유역과 같은 소규모 유역에 대한 모형 구축 및예측이 동반되어야 대규모 유역에서의 적절한 모델링 결과를 도출할 수 있을 것으로 사료된다.
후속연구
- 하천 주변이 자연식생으로 이루어져 있으나, 주변의 경작지들에서의 유입량이 많은 것으로 현장 조사 시 확인 되었고, 이러한 결과로 인해 강우 발생에 따라 비점오염원별 부하 량이 차이가 크게 발생되었다. 동천과 같은 소규모 하천에서의 오염물질별 부하량의 경우 평소 유지유량이 적어 유입수의 영향을 크게 받는 것으로 조사 되었으며, 본 유역과 같은 소규모 유역에 대한 모형 구축 및예측이 동반되어야 대규모 유역에서의 적절한 모델링 결과를 도출할 수 있을 것으로 사료된다.
- 동천과 같은 소규모 하천이 속한 유역에서의 오염 물질별 부하량의 경우 평소 유지유량이 적어 유입수의 영향을 크게 받는 것으로 조사 되었으며, 본 유역과 같은 소규모 유역에 대한 모형 구축 및 예측이 동반되어야 대규모 유역에서의 적절한 모델링 결과를 도출할 수 있을 것으로 사료된다.
- 모형의 검·보정을 위해 유역에 속한 하천 말단에서 강우 시 기간별 유량 및 수질 모니터링을 실시하였고, 실측자료를 적용하여 모형의 신뢰도를 향상 시켰다. 이러한 연구 결과를 통해 유역에 대해 비점오염원 관리를 위한 비점오염원별 정량적 평가 시 기초자료로서 활용 될 것으로 판단된다.
- 이에 따라 강우시 기에 발생되는 비점오염부하량 산정의 신뢰성을 높이기 위해서는, 계절적 특성을 반영할 수 있는 다양한 시기의 현장 조사가 주기적으로 시행되고, 이러한 결과를 바탕으로 모형을 검·보정 할 필요성을 확인 할 수있다.
- 하도 레이어를 입력하는 것은 수문학적인 분할 및 소유역 경계를 만드는 것을 향상시킬 수 있을 것이다. 토양 레이어와 함께 토지 이용 레이어는 토지 이용/ 토양 범주 조합을 결정하고 따낸 유역에 대한 분포와 소유역을 결정하는데 이용될 것이다. HSPF은 각각의 토지이용 현황에 따라 투수율을 결정하고 이에 따라 투수 매개변수와 불투수 매개변수를 결정한다.
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