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문제 정의
- CN값의 검․보정은 모델의 자동보정에 사용되는 전역적 최적화기법인 SCE-UA기법을 이용하였다. L-THIA 모델과 SCE-UA 기법 연계적용을 통한 CN값 자동보정은 Kim et al. (2009)과 Jeon et al. (2009, 2011)에 적용된 바 있으며 본 연구에서는 L-THIA CN Calibration Tool을 개발하여 GIS기반의 L-THIA 모델 입력자료를 자동생성 할 수 있도록 하였다. 모델의 유출량 보정은 5년 (2006∼2010년)으로 하였으며, 검증은 2001∼2005년을 대상으로 하였다.
- 본 연구에서는 낙동강 임하댐 유역을 대상으로 유출량을 보정시킨 후 L-THIA모델을 적용함으로써, 임하댐 유역의 유출량 및 비점오염부하량의 공간적인 분포를 파악하고자 한다.
- 본 연구에서는 임하호 유역내 비점오염부하의 공간적인 분포를 파악하기 위하여 GIS 기반의 L-THIA모델을 이용하여 과거 10년 (2001∼2010)동안의 연평균 유출량 및 비점오염부하량을 산정하였으며 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- 2010～2011년 동안 임하호 유역내 존재하는 반변천 유역에서 강우시 측정한 유출량과 영양 물질농도를 이용하여 각 강우사상별 EMCs를 산정하고 강우사상별 예측된 유출량을 곱하여 비점오염부하량을 산정하고 이를 실측부하량으로 간주하였여 모델을 보정하였다.
- L-THIA CN Calibration Tool에 의해 최적화된 CN값은 GIS 기반의 L-THIA모델의 입력파일인 CN_table.txt을 자동생성하고 GIS기반의 L-THIA모델을 적용하여 2001∼2010년 동안의 연평균 유출량과 비점오염부하량의 공간적인 분석을 수행하였다 (Fig. 5).
- 임하호 유역의 말단에 조성된 임하댐은 2002년 태풍 루사와 2003년 태풍 매미의 영향으로 임하호 내 고탁수의 수질이 사회적인 문제로 대두된바 있었으며, 수질환경보전법 제 54조에 의하여 2007년 8월 23일자로 소양호, 도암호, 광주광역시를 포함하여 임하호는 우리나라 최초로 비점오염원관리지역으로 지정된 바 있다. 본 연구에서는 임하호 유역을 반변천 유역과 용전천유역, 댐유역으로 구분하여 분석하였다.
- 우리나라에서 실측기반으로 측정된 Table 3의 EMCs를 L-THIA모델에 입력하여 부하량을 예측하였으며, 비점오염원에 대한 모델의 보정시 수질항목별 보정계수를 곱하여 EMCs를 변화시켜 예측치를 보정하였다.
- 일별 직접유출량 자료는 수자원공사에서 제공하는 호내 유입유량자료를 직접유출량과 기저유출량을 분리해 주는 Web-based Hydrograph Analysis Tool (WHAT; https: //engineering.purdue.edu/～what/)을 이용하여 직접유출량을 산정하였다.
- 2010～2011년 동안 임하호 유역내 존재하는 반변천 유역에서 강우시 측정한 유출량과 영양 물질농도를 이용하여 각 강우사상별 EMCs를 산정하고 강우사상별 예측된 유출량을 곱하여 비점오염부하량을 산정하고 이를 실측부하량으로 간주하였여 모델을 보정하였다. 총 7회 강우사상에 대하여 일주기 조사를 실시하였으며 일주기 조사는 유량의 변화를 고려하여 총 6회 실시되었으며 Table 1에 요약되어 있다.
- L-THIA모델은 장기간동안의 토지이용 변화가 유출량 및 비점오염부하량에 미치는 영향을 파악하기 위하여 미국 퍼듀대학교에서 개발된 분포형 유역모델로써 모델의 입력자료가 간단하고, 비교적 사용이 용이한 모델이다 (Engel, 2005). 토지이용도와 토양배수도를 이용하여 CN값을 계산하고 일별 강수자료를 이용하여 일별 직접유출량을 계산한다. 현재 GIS기반의 모델 (Fig.
대상 데이터
- 모델의 유출량 보정은 5년 (2006∼2010년)으로 하였으며, 검증은 2001∼2005년을 대상으로 하였다.
- 연구대상지역은 낙동강유역내 존재하는 임하호 유역으로 임하호 유역 말단에 국내 호수 가운데 8번째로 큰 임하댐이 조성되어 있다 (Fig. 3). 임하호 유역은 유역면적이 1,361 km2, 유역 평균폭이 17,48 km, 유역평균 경사가 40.
- 토지이용도는 환경부에서 제공하는 중분류 토지피복도를 이용하였으며, 토양배수도는 농업과학연구원에서 제공하는 정밀토양도를 이용하였다. 일별 강수량 자료는 수자원공사에서 운영하고 있는 임하호유역내 8개의 강수자료를 이용하였다. 일별 직접유출량 자료는 수자원공사에서 제공하는 호내 유입유량자료를 직접유출량과 기저유출량을 분리해 주는 Web-based Hydrograph Analysis Tool (WHAT; https: //engineering.
이론/모형
- CN값 도출은 실측치를 이용한 모델 검·보정 과정을 통해서 도출하였다. CN값의 검․보정은 모델의 자동보정에 사용되는 전역적 최적화기법인 SCE-UA기법을 이용하였다. L-THIA 모델과 SCE-UA 기법 연계적용을 통한 CN값 자동보정은 Kim et al.
- SS 항목에 있어서는 일주기 조사자료에 의해 검보정된 HSPF 모델의 예측결과 (Imhadam Basin Commission, 2012)를 이용하여 L-THIA 모델을 보정하였으며, HSPF에 의해 예측된 2001～2010 동안의 임하호 유역으로 유입되는 SS 부하량은 Table 2와 같다.
- 모델의 유출량 보정은 5년 (2006∼2010년)으로 하였으며, 검증은 2001∼2005년을 대상으로 하였다. 모델 보정 및 검증에 대한 목적함수는 수문모델의 모델효율을 계산하는데 널리 이용되는 Nash-Sutcliffe coefficient (Nash and Sutcliffe, 1970)를 이용하였으며 식 (1)과 같다.
- (2009)은 미국에서 개발된 L-THIA모델내 토지이용도 분류를 우리나라 환경부에서 분류하는 토지이용 중분류를 그대로 적용할 수 있도록 모델을 수정함으로써 우리나라에서의 L-THIA 적용성을 향상시킨 바 있다. 본 연구에서는 Kim et al. (2009)이 개발한 우리나라에 적용할 수 있도록 수정된 L-THIA 모델을 적용하였다.
- L-THIA 적용을 위해서는 GIS 형태의 토지이용도와 토양배수도, 모형의 입력값으로 일별 강수자료, 모형의 자동보정을 위해서는 일별 직접유출량 자료를 필요로 한다. 토지이용도는 환경부에서 제공하는 중분류 토지피복도를 이용하였으며, 토양배수도는 농업과학연구원에서 제공하는 정밀토양도를 이용하였다. 일별 강수량 자료는 수자원공사에서 운영하고 있는 임하호유역내 8개의 강수자료를 이용하였다.
성능/효과
- 1. 모델의 정확성을 높이기 위해서 유출량 자동 보정을 위하여 L-THIA모델과 전역적 최적화 프로그램인 SCE-UA을 연계시킨 L-THIA CN optimization tool을 개발하고 월별 직접유출량을 자동 보정시킨 결과 모델 보정 (2001∼2005)시 모델효율이 0.91, 검정 (2006∼2010)시 0.89를 나타내어 자동보정 프로그램 적용 시 보다 정확한 직접유출량 예측이 가능한 것으로 나타났다.
- 2. 임하호 유역의 직접유출량 유출특성에 대한 공간적인 분포 특성을 파악한 결과 임하호 유역 전체 평균 CN값은 80인 것으로 나타났으며, 2001∼2010년간 연평균 직접 유출량은 218.4 mm인 것으로 나타났다.
- 3. 임하호 유역의 비점오염부하 유출특성에 대한 공간적인 분포특성을 파악한 결과 임하호 유입되는 비점오염부하량은 BOD, SS, T-N, T-P 각각 2,295 ton/year, 14,752 ton/year, 358 ton/year, 79 ton/year인 것으로 나타났으며, 유역별로는 반변천, 용전천, 댐유역순으로 높은 부하량을 나타내었다. 단위변적당 부하율 또한 반변천유역에서 네 가지 수질항목 모두 높게 나타났다.
- 4. 격자단위 (30 m×30 m)기준으로 단위변적당 부하량을 상위 10 %를 선정한 결과 상위 10 %의 대부분이 밭지역에서 유출되는 것으로 나타내어 밭에서의 비점오염원 관리가 중요한 것으로 나타났다.
- 이는 강우량 혹은 강우강도에 따라 SS 농도가 크게 좌우되기 때문에 강우사상에 따라 EMCs가 큰 차이가 나타나며 연간 부하량 측면에서는 EMCs의 차이가 상대적으로 작을 것으로 판단된다. Fig. 10에서 이러한 특성을 잘 반영하였는데, 강우사상별 SS 부하량을 이용하여 L-THIA를 적용하였을 경우보다는 연간 SS 부하량을 이용하여 L-THIA를 적용하였을 경우 보정결과가 더 좋게 나오는 것으로 나타났다.
- SS, T-N, T-P 항목 모두 농경지에서 가장 높은 기여도를 나타내었는데, 토양유실과 관련된 SS항목에서 가장 높은 83 % 비중을 차지하였으며, 다음으로 토양과 함께 토양에 흡착되어 유출되는 T-P항목이 60 % 차지하였으며, T-N 항목이 농경지에서의 기여율이 54 %인 것으로 나타났다.
- 8과 같다. 검․보정결과 월별 예측치에 대한 모델효율 NS값은 각각 0.91, 0.89로 나타났으며, 결정계수는 각각 0.93, 0.89로 나타났다 (Table 4). Donigian and Love (2003)은 예측치와 실측치 사이의 결정계수에 따른 모델 예측치의 정확도를 제시하였는데(Table 5), 검․보정 모두 0.
- /year인 것으로 나타났다 (Table 10). 단위면적당 부하량은 반변천유역에서 가장 높은 값을 나타내었으며, 다음이 용전천유 역, 댐유역 순으로 나타났다. 댐유역의 경우 수체가 차지하는 비율이 상대적으로 크기 때문에 가장 낮은 값을 나타내었다.
- 4이며 반변천 유역은 C그룹, 용전천 유역은 C그룹, 기타유역은 B에 가까운 것으로 나타났으며 유역전체에 있어서는 C그룹에 가까운 것으로 나타났다. 따라서, 반변천유역이 다른 유역에 비해 높은 유출율을 나타내는 이유는 토양배수상태의 차이로 기인한 것으로 나타났으며, 반변천 유역이 다른 유역에 비해서 토양배수상태가 불량한 것으로 나타났다.
- , 2001) 강우사상별 L-THIA모델 보정시 수질항목별 EMCs를 얼마나 잘 반영하느냐에 따라 보정의 결과에 영향을 줄 것으로 판단된다. 또한 L-THIA모델 보정시 강우 사상별 부하량을 이용한 보정보다는 연간 부하량을 이용한 보정이 보다 신뢰성이 높을 것으로 판단된다. 이는 강우량 혹은 강우강도에 따라 SS 농도가 크게 좌우되기 때문에 강우사상에 따라 EMCs가 큰 차이가 나타나며 연간 부하량 측면에서는 EMCs의 차이가 상대적으로 작을 것으로 판단된다.
- Table 7은 토양배수상태 A, B, C, D를 1, 2, 3, 4와 같이 수치화하여 유역별 평균 토양배수상태를 나타낸 결과이다. 반변천유역과 용전천 유역, 기타유역의 평균 토양배수상태를 수치화한 값은 각각 3.4, 3.1, 2.4이며 반변천 유역은 C그룹, 용전천 유역은 C그룹, 기타유역은 B에 가까운 것으로 나타났으며 유역전체에 있어서는 C그룹에 가까운 것으로 나타났다. 따라서, 반변천유역이 다른 유역에 비해 높은 유출율을 나타내는 이유는 토양배수상태의 차이로 기인한 것으로 나타났으며, 반변천 유역이 다른 유역에 비해서 토양배수상태가 불량한 것으로 나타났다.
- 13과 같다. 상위 10 %의 부하율을 나타 내는 지역 중 토지이용상태를 분석한 결과 비점오염부하량 항목에 따라 80 %～88 %가 밭 것으로 나타났다 (Table 11). 본 연구결과에서도 임하호 유역에서의 비점오염부하량 유발 지역이 밭인 것으로 나타났다.
- 10과 같다. 영양물질의 보정 결과 T-N과 T-P, SS의 결정계수는 각각 0.70, 0.65, 0.82를 나타내었다. T-P 보다 T-N이 1:1선에 밀집해 있었는데, 이는 비점오염원으로써 유출특성의 차이에 기인한 것으로 판단된다.
- 4 mm인 것으로 나타났다. 유역별 유출특성을 분석한 결과 반변천 유역에서 상대적으로 높은 유출율을 나타내었는데 이는 반변천 유역이 용전천 유역과 댐유역보다 토양배수상태가 불량했기 때문인 것으로 나타났다.
- 임하호 유역 전체 평균 CN값은 80으로 나타났으며, 반변천 유역과 용전천 유역, 기타 유역의 CN값은 각각 82 76, 78인 것으로 나타나 반변천 유역에서의 CN값이 높은 것으로 나타났다 (Table 7). 이에 따른 임하호 유역 전체 직접유출량은 218.4 mm인 것으로 나타났으며, 반변천 유역과 용전천 유역, 기타유역의 연평균 직접유출량은 각각 235.7 mm, 201.5 mm, 192.5 mm인 것으로 나타났다 (Table 7). Table 7은 토양배수상태 A, B, C, D를 1, 2, 3, 4와 같이 수치화하여 유역별 평균 토양배수상태를 나타낸 결과이다.
- 11과 같다. 임하호 유역 전체 평균 CN값은 80으로 나타났으며, 반변천 유역과 용전천 유역, 기타 유역의 CN값은 각각 82 76, 78인 것으로 나타나 반변천 유역에서의 CN값이 높은 것으로 나타났다 (Table 7). 이에 따른 임하호 유역 전체 직접유출량은 218.
- 특히 이러한 특성은 SS부하에서 상대적으로 뚜렷하게 나타났다. 임하호 유역으로 유입되는 비점오염부하량은 67,761 SS ton/yr, 1,790 T-N ton/yr, 246 T-P ton/yr인 것으로 나타났으며, 반변천에서 가장 많은 부하량을 나타내었다 (Table 8).
- 임하호 유역의 단위면적당 연간 비점오염부하량은 SS, T-N, T-P 각각 55,820 kg/km2/year, 1,040 kg/km2/year, 180 kg/km2/year인 것으로 나타났다 (Table 10). 단위면적당 부하량은 반변천유역에서 가장 높은 값을 나타내었으며, 다음이 용전천유 역, 댐유역 순으로 나타났다.
후속연구
- 14는 L-THIA모델 결과와 인터넷상에서 제공되고 있는 이미지 지도를 이용하여 비점오염부하량의 공간적인 분포를 다른 모델에 비해 얼마나 직관적으로 분석할 수 있는지를 보여주고 있다. 모델사용자는 L-THIA 모델결과와 이미지 지도를 이용하여 비점오염부하가 많이 일어나는 지역을 지형학적으로 손쉽게 분석할 수 있을 뿐만 아니라, 농민들의 경작상태, 토지노출 현황 등을 이미지 지도를 이용하여 개략적으로 파악할 수 있어 최적관리기법을 설정하거나 비점오염원 처리시설 설치장소 등을 파악하는데 유용하게 사용될 수 있을 것으로 판단된다. 그러나 L-THIA 모델은 축산지역의 비점오염부하량이 현저하지만 토지 이용도에 축산지역이 구분하지 못할 경우에는 이를 반영할 수 없을 경우에는 L-THIA 모델의 사용에 주의를 요한다.
- 이러한 측면에서 L-THIA모델은 사용이 간단하고 비점오염원의 공간적인 분석 파악이 용이하기 때문에 비점오염원 유발지점을 파악하는데 사용가능하다. 뿐만 아니라, 본 연구에서 개발된 CN값 자동 검․보정 프로그램을 사용한다면 보다 정확한 L-THIA모델 결과를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
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