[논문]비점원오염 저감효과 분석을 위한 시단위 SWAT 유역 모델링

장선숙; 안소라; 최중대; 김성준

doi:10.5389/ksae.2015.57.1.089

비점원오염 저감효과 분석을 위한 시단위 SWAT 유역 모델링
Hourly SWAT Watershed Modeling for Analyzing Reduction Effect of Nonpoint Source Pollution Discharge Loads 원문보기

한국농공학회논문집 = Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, v.57 no.1, 2015년, pp.89 - 97

장선숙 (Dept. of Civil & Environmental System Engineering, Konkuk University) , 안소라 (Dept. of Civil & Environmental System Engineering, Konkuk University) , 최중대 (Dept. of Regional Infrastructures Engineering, Kangwon National University) , 김성준 (Dept. of Civil & Environmental System Engineering, Konkuk University)

Abstract ▼ AI-Helper

This study is to assess the effect of non-point source pollution discharge loads between tillage and no-tillage applications for upland crop areas using SWAT (Soil and Water Assessment Tool) watershed modeling. For Byulmi-cheon small rural catchment ($1.17km^2$) located in upstream of Gyeongan-cheon watershed, the rainfall, discharge and stream water quality have been monitored in the catchment outlet since 2011. The SWAT model was calibrated and validated in hourly basis using 19 rainfall events during 2011-2013. The average Nash-Sutcliffe model efficiency and $R^2$ (determination coefficient) for streamflow were 0.67 and 0.79 respectively. Using the 10 % surface runoff reduction from experiment results for no-tillage condition in field plots of 3 % and 8 % slopes under sesami cultivation, the soil saturated hydraulic conductivity for upland crop areas was adjusted from 0.001 mm/hr to 0.0025 mm/hr in average. Under the condition, the catchment sediment, T-N (total nitrogen, TN), and T-P (total phosphorus, TP) discharge loads were reduced by 6.9 %, 7.4 %, and 7.7 % respectively.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 농촌 소유역에서의 수문 및 수질특성과 BMPs적용에 따른 비점원오염 저감효과를 분석하고자 경안천 상류의 별미천 유역 (1.17 km²)을 대상으로 강우시 비료살포에 의한 오염물질을 상세히 파악하기 위해서 시단위 유출 모의를 통해 이루어지며 일단위 유출 모의시 강우에 따른 첨두유량과 비점원오염을 파악하는데 한계가 있기 때문에 시단위 모델링을 수행하였다. 현장에서 수문 및 수위 모니터링을 실시하여 강원대 시험포장에서 검증된 BMPs 무경운을 적용하여 비점원오염 저감효과를 분석하였다.

가설 설정

비료 적용에 필요한 정보는 작물생육단계별기간, 비료의 종류, 비료의 양 및 시비시기이다. SWAT은 표면유출이 토양의 상단 10mm와 상호작용하는 것을 가정하며, 표면층에 포함되는 영양소는 표면 유출 동안 주 하천으로 이동 한다 (Neitsch et al., 2005). Table 1은 한국 농업관리를 위한 작물의 생장주기와 수확시기, CN 및 표준시비량을 나타낸다.

제안 방법

17 km²이다. BMPs를 적용하여 비점원오염의 저감효과를 파악하기 위한 목적으로 상류부터 하류까지 다양한 농업지역이 분포하고 최상류에 위치하여 오염물질의 유입이 제한적이기 때문에 BMPs에 따른 수문, 수질변화의 분석이 가능하여 선정하였다. 모형의 입력 자료가 되는 기상자료는 이천, 수원, 양평 기상관측소의 강수량, 일사량, 상대습도, 기온, 풍속자료를 활용하였다.
본 연구에 사용된 QuickBird 영상은 2006년 5월 1일 영상으로 RPC (Rational Polynomial Coefficients) 정보가 있는 영상을 제공받아 분석에 사용하였다. QuickBird 영상으로부터 토지이용도의 제작은 기존 환경부, 건교부, USGS의 토지피복분류체계 및 현장조사를 통하여 QuickBird 영상으로부터 추출 가능한 정밀농업정보에 대한 항목을 결정하였으며 정사보정 된 QuickBird 영상을 스크린 디지타이징 (On-Screen Digitizing)을 이용하여 총 23개 토지이용항목의 정밀토지이용도를 구축하였다(Fig. 4c).
SWAT 모형에 무경운 시나리오를 적용하기 위해서 투수계수 매개변수인 토양의 포화수리전도도 SOL_K를 조절하였다. 시험포장 밭에서의 무경운시 평균 유출율은 경운시 평균 유출율 보다 10.
4b). SWAT에서 토양 속성값(usersoil.dbf)은 농업과학기술원의 자료를 사용하여 토양층의 개수 및 토양층별 깊이를 구축하고, 토양층의 유효수분량, 포화수리전도도 등의 물리적 값을 구축하여 적용하였다. 토지이용도는 위성영상으로부터 1/5,000급의 QuickBird 토지 이용도를 제공받아 사용하였다.
SWAT을 시단위로 수문·수질을 검보정을 하기 위해 총유출량 및 첨두유량과 감수곡선 형태에 영향을 주는 매개변수를 시행착오 방법으로 선정하고, 민감도 분석을 실시하였다.
강우시 비료 등에 의한 오염물질 이동을 상세히 파악하기 위해 시단위 유출 모의가 필요하며, 본 연구에서는 SWAT 모형을 선정하여 작물재배방법 및 비료살포 등 영농조건을 고려한 유사 (sediment), 총질소 (total nitrogen, TN), 총인 (total phosphorus, TP)의 수질항목에 대한 모형의 적용성을 평가한 후, 농촌유역에 대한 BMPs(경운, 무경운)적용에 따른 비점원오염 저감 효과를 분석하였다. Fig.
65 %로 지형적인 차이가 있기 때문에 동일한 유출율 저감에 대해서만 추정하기에는 제한적이다. 면적이 크고 경사도가 높음에 따라 유출율 저감이 시험포장에서의 결과보다 작게 나타날 것으로 판단되어 무경운시 유출율 저감이 약 3.0 %, 5.0 %, 7.0 %에 해당하는 SOL_K 0.01 mm/hr, SOL_K 0.005 mm/hr, SOL_K 0.0025 mm/hr의 매개변수 값을 적용하여 모의결과를 분석하였다.
모형의 보정 및 검정을 통하여 모형의 적용성을 평가하기 위해 별미천유역의 경작지에 대한 작물의 생장주기, 수확시기, CN 및 표준시비량을 SWAT 모형에 적용하여 유출량 및 수질항목에 대한 보정 (2011-2012) 및 검증 (2013)을 실시하였다. SWAT은 수문만 시단위 모의가 가능하고, 수질은 일단위 결과가 출력된다.
모형의 지형입력 자료가 되는 DEM (Digital Elevation Model, DEM)은 NGIS (National Geographic Information System)의 1/5,000 수치지도로부터 격자크기 2 m의 DEM으로 제작하였고(Fig. 4a), 토양도는 농촌진흥청에서 제공하는 1/25,000 정밀토양도를 이용하였으며, 미국 NRCS(The U.S. Natural Resources Conservation Service formerly the Soil Conservation Service) 토양분류 기준 (Soil Survey Staff, 1996)에 따른 수문학적 토양그룹 (Hydrologic Soil Group) A, B, C, D로 분류하였다(Fig. 4b). SWAT에서 토양 속성값(usersoil.
본 연구에서는 2008년∼2010년을 모형의 안정화 기간으로 설정하였고, 검보정 기간으로는 실측자료가 실행된 시점으로 모형의 보정기간은 2011년∼2012년, 모형의 검증기간은 2013년으로 설정하였다.
17 km²)을 대상으로 강우시 비료살포에 의한 오염물질을 상세히 파악하기 위해서 시단위 유출 모의를 통해 이루어지며 일단위 유출 모의시 강우에 따른 첨두유량과 비점원오염을 파악하는데 한계가 있기 때문에 시단위 모델링을 수행하였다. 현장에서 수문 및 수위 모니터링을 실시하여 강원대 시험포장에서 검증된 BMPs 무경운을 적용하여 비점원오염 저감효과를 분석하였다.

대상 데이터

SWAT 모형을 이용하여 무경운 시나리오를 적용하기 위해서 강원대로부터 시험포장 밭 (experimental plot)에서의 경운, 무경운시 유출량 및 비점오염 부하량 실험결과를 제공받았다. 시험포 밭은 춘천시 신북읍 천전리에 위치하고, 면적은 1,276.
모형의 입력 자료가 되는 기상자료는 이천, 수원, 양평 기상관측소의 강수량, 일사량, 상대습도, 기온, 풍속자료를 활용하였다. 모형의 보정을 위한 실측자료는 별미천 유역출구 지점에서 계측기를 설치하여 2011년부터 2013년까지 시단위 간격으로 수위 및 강우량을 측량하였으며, 2012년 6월부터 2013년 12월 까지 총 19개의 강우이벤트에 따른 수질 샘플링을 실시하여 sediment, T-N, T-P 성분을 분석하였다.
BMPs를 적용하여 비점원오염의 저감효과를 파악하기 위한 목적으로 상류부터 하류까지 다양한 농업지역이 분포하고 최상류에 위치하여 오염물질의 유입이 제한적이기 때문에 BMPs에 따른 수문, 수질변화의 분석이 가능하여 선정하였다. 모형의 입력 자료가 되는 기상자료는 이천, 수원, 양평 기상관측소의 강수량, 일사량, 상대습도, 기온, 풍속자료를 활용하였다. 모형의 보정을 위한 실측자료는 별미천 유역출구 지점에서 계측기를 설치하여 2011년부터 2013년까지 시단위 간격으로 수위 및 강우량을 측량하였으며, 2012년 6월부터 2013년 12월 까지 총 19개의 강우이벤트에 따른 수질 샘플링을 실시하여 sediment, T-N, T-P 성분을 분석하였다.
토지이용도는 위성영상으로부터 1/5,000급의 QuickBird 토지 이용도를 제공받아 사용하였다. 본 연구에 사용된 QuickBird 영상은 2006년 5월 1일 영상으로 RPC (Rational Polynomial Coefficients) 정보가 있는 영상을 제공받아 분석에 사용하였다. QuickBird 영상으로부터 토지이용도의 제작은 기존 환경부, 건교부, USGS의 토지피복분류체계 및 현장조사를 통하여 QuickBird 영상으로부터 추출 가능한 정밀농업정보에 대한 항목을 결정하였으며 정사보정 된 QuickBird 영상을 스크린 디지타이징 (On-Screen Digitizing)을 이용하여 총 23개 토지이용항목의 정밀토지이용도를 구축하였다(Fig.
본 연구의 대상유역으로 경기도 용인시 처인구 해곡동에 위치한 경안천 최상류 지류부에 해당하는 별미천 유역을 선정하였다 (Fig. 3). 별미천 유역은 경안천 유역 면적 561.
SWAT 모형을 이용하여 무경운 시나리오를 적용하기 위해서 강원대로부터 시험포장 밭 (experimental plot)에서의 경운, 무경운시 유출량 및 비점오염 부하량 실험결과를 제공받았다. 시험포 밭은 춘천시 신북읍 천전리에 위치하고, 면적은 1,276.6 m², 토양은 Sandy loam (사양토)이며, 객토와 정지작업을 수행하여 조성한 시험포이다. 유출시험포의 면적은 150 m² (폭 5 m, 경사장 30 m)이며, 8개 (경사도 3 % 4개, 경사도 8 % 4개)를 조성하였다.
6 m², 토양은 Sandy loam (사양토)이며, 객토와 정지작업을 수행하여 조성한 시험포이다. 유출시험포의 면적은 150 m² (폭 5 m, 경사장 30 m)이며, 8개 (경사도 3 % 4개, 경사도 8 % 4개)를 조성하였다. 작물은 참깨 재배가 이루어지고 있으며 2011년과 2012년에 걸쳐 여러 차례의 인공강우 및 자연강우에 대하여 실험되었다(Won, 2013).
dbf)은 농업과학기술원의 자료를 사용하여 토양층의 개수 및 토양층별 깊이를 구축하고, 토양층의 유효수분량, 포화수리전도도 등의 물리적 값을 구축하여 적용하였다. 토지이용도는 위성영상으로부터 1/5,000급의 QuickBird 토지 이용도를 제공받아 사용하였다. 본 연구에 사용된 QuickBird 영상은 2006년 5월 1일 영상으로 RPC (Rational Polynomial Coefficients) 정보가 있는 영상을 제공받아 분석에 사용하였다.

이론/모형

검보정 결과에 따른 모형의 효율성 검증을 위해 Nash and Sutcliffe (1970)가 제안한 모형효율성계수 (NSE)를 사용하였으며, 모형의 상관성을 판단하기 위한 목적함수로는 결정계수 (R²)를 사용하였다. Table 3은 이벤트에 따른 유출량에 대한 보정 및 검증결과를 표로 나타낸 것으로 검보정기간 동안의 R²는 평균 0.
이중 수문 부모형에서는 토양과 토지이용조건에 의해 결정되는 수문반응단위(Hydrologic Response Unit, HRU)로 Green & Ampt 침투법을 이용하여 지표유출량을 산정하였다.

성능/효과

)를 사용하였다. Table 3은 이벤트에 따른 유출량에 대한 보정 및 검증결과를 표로 나타낸 것으로 검보정기간 동안의 R²는 평균 0.79의 높은 상관성을 보였으며, NSE는 평균 0.67으로 모의치가 실측치의 경향을 잘 따르는 것으로 나타났다. 검보정 결과 수질은 일단위 모의만 가능하기 때문에 효율성을 산정하는데 어려움이 있지만 모의범위의 판단은 가능하였다.
강원대 시험포장 밭은 경운에 비해 무경운시 유출량 –10 %일 때, Sediment –81.7 %, T-N –11.9 %, T-P –11.1 %로 수질의 저감효과가 나타났다.
67으로 모의치가 실측치의 경향을 잘 따르는 것으로 나타났다. 검보정 결과 수질은 일단위 모의만 가능하기 때문에 효율성을 산정하는데 어려움이 있지만 모의범위의 판단은 가능하였다.
SWAT은 수문만 시단위 모의가 가능하고, 수질은 일단위 결과가 출력된다. 그 결과, 유출량에 대한 R²는 평균 0.79 높은 상관성을 보였으며, NSE는 평균 0.67 으로 모의치가 실측치의 경향을 잘 따르는 것으로 나타났다. 수질 모의결과의 효율을 산정 하는데는 한계가 있으나 모의 범위의 판단이 가능하다.
무경운 실험결과 2011년과 2012년의 유출 및 수질의 저감효과는 유출율이 평균 10.8 % 감소하였고, Sediment, T-N, T-P는 각각 평균 81.7 %, 11.9 %, 17.1 % 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 유출 저감에 따른 비점원오염부하량을 비교할 때 무경운 시 비점원오염 저감 효과가 분명하게 나타났다(Won, 2013).
8 % 감소하였다. 무경운에 의한 침투량을 증가시켜 지표유출을 감소시키는 침투매개변수를 조절하여 경운과 무경운의 유출율을 비교하여 평균 7.0 % 유출율을 감소시키는 적정 값을 산정하였으며 이때, 토양의 포화수리전도도 SOL_K는 0.0025 mm/hr 값으로 산정되었다.
SWAT을 시단위로 수문·수질을 검보정을 하기 위해 총유출량 및 첨두유량과 감수곡선 형태에 영향을 주는 매개변수를 시행착오 방법으로 선정하고, 민감도 분석을 실시하였다. 민감도 분석 결과 포화투수계수 (SOL_K), 기저유출 감수상수 (ALPHA_BF), 중간유출 지체시간 (LAT_TIME)순으로 시간에 관련된 매개변수 위주로 민감하였다. Table 2는 SWAT 모형 적용 매개변수이다.
SWAT 모형에 무경운 시나리오를 적용하기 위해서 투수계수 매개변수인 토양의 포화수리전도도 SOL_K를 조절하였다. 시험포장 밭에서의 무경운시 평균 유출율은 경운시 평균 유출율 보다 10.8 % 감소하였다. 무경운에 의한 침투량을 증가시켜 지표유출을 감소시키는 침투매개변수를 조절하여 경운과 무경운의 유출율을 비교하여 평균 7.
유출율 3.0 % 저감에서의 sediment, T-N, T-P의 평균 오염원 변화율은 각각 –10.9 %, +16.9 %, -4.5 %로 나타났으며, 유출율 5.0 % 저감에서의 sediment, T-N, T-P의 평균 오염원 변화율은 각각 –7.9 %, +8.8 %, -7.4 % 로 나타났으며, 유출율 7.0 % 저감에서의 sediment, T-N, T-P의 평균 오염원 변화율은 각각 –6.9 %, -7.4 %, -7.7 % 로 나타났다.
이러한 실측 결과를 토대로, SWAT 모형에서 투수계수 매개변수인 포화 수리전도도 SOL_K를 조정하여 무경운 시나리오에 따른 시단위 유역 모델링을 수행한 결과, SOL_K값이 0.01, 0.005, 0.0025 일때 유출률 –3.0 %, –5.0 %, –7.0 %에 Sediment –10.9 %, -7.9 %, -6.9 %, T-N +16.9 %, +8.8 %, -7.4 %, T-P –4.5 %, -7.4 %, -7.7 %의 효과가 나타나, T-N을 제외하고는 무경운시 비점원 오염이 대체로 저감되는 효과를 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	점오염원 증감 추세는 어떠한가?	현재 하천 및 저수지에서의 수질오염에 관하여 관심이 고조되고 있으며, 오염원에 대한 파악과 대책의 필요성이 대두되고 있다. 오염원은 점오염원 (point)과 비점원오염 (nonpoint)으로 구분되어지는데, 그중 점오염원은 하수처리장의 확대로 점진적으로 감소하고 있다. 반면에 농촌지역에서 발생하는 비점오염물질은 강우와 재배형태 (시비, 물 관리, 토양관리 등)에 따라 변동하고, 적용시기에 따라 오염부하 유출 특성이 변화하므로 오염물질 정량화 및 대책마련에 어려움이 있다.
	농촌지역에서 발생하는 비점오염물질에 대한 정량화 및 대책마련에 어려움이 있는 이유는?	오염원은 점오염원 (point)과 비점원오염 (nonpoint)으로 구분되어지는데, 그중 점오염원은 하수처리장의 확대로 점진적으로 감소하고 있다. 반면에 농촌지역에서 발생하는 비점오염물질은 강우와 재배형태 (시비, 물 관리, 토양관리 등)에 따라 변동하고, 적용시기에 따라 오염부하 유출 특성이 변화하므로 오염물질 정량화 및 대책마련에 어려움이 있다. 현재 우리나라의 하천 및 호소에 유입되는 오염물질 중 약 30 % 이상이 농업활동 등에 의한 비점원오염이다.
	하천 및 저수지에서의 수질오염의 오염원은 어떻게 구분되어지는가?	현재 하천 및 저수지에서의 수질오염에 관하여 관심이 고조되고 있으며, 오염원에 대한 파악과 대책의 필요성이 대두되고 있다. 오염원은 점오염원 (point)과 비점원오염 (nonpoint)으로 구분되어지는데, 그중 점오염원은 하수처리장의 확대로 점진적으로 감소하고 있다. 반면에 농촌지역에서 발생하는 비점오염물질은 강우와 재배형태 (시비, 물 관리, 토양관리 등)에 따라 변동하고, 적용시기에 따라 오염부하 유출 특성이 변화하므로 오염물질 정량화 및 대책마련에 어려움이 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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