[논문]국내 경작지 특성을 고려한 SWAT 모형의 식생여과대 유사저감 효율 산정식 개선

한정호; 박윤식; 금동혁; 정영훈; 정교철; 김기성; 임경재

doi:10.15681/kswe.2015.31.5.482

국내 경작지 특성을 고려한 SWAT 모형의 식생여과대 유사저감 효율 산정식 개선
Modification of Sediment Trapping Efficiency Equation of VFS in SWAT Considering the Characteristics of the Agricultural Land in Korea 원문보기

한국물환경학회지 = Journal of Korean Society on Water Environment, v.31 no.5, 2015년, pp.482 - 490

한정호 (강원대학교 지역걸설공학과) , 박윤식 (공주대학교 생물산업공학부) , 금동혁 (강원대학교 지역걸설공학과) , 정영훈 (한국수자원공사) , 정교철 (안동대학교 지구환경과학과) , 김기성 (강원대학교 지역걸설공학과) , 임경재 (강원대학교 지역걸설공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, considering the factors that affects sediment trapping efficiency of Vegetative Filter Strips (VFS), the scenarios were designed to develop a regression equation to estimate sediment trapping efficiency of VFS for agricultural fields in South-Korea. For this, general conditions of agricultural fields in South-Korea were investigated. Then, based on these results, total 53,460 scenarios were set and simulated by Vegetative Filter Strip MODel (VFSMOD-w). Two variables were determined from the results of 53,460 scenarios. These two variables were applied to CurveExpert for development of a equation, which can estimate sediment trapping efficiency of VFS. The equation developed in this study can be used in SWAT model for estimation of sediment reduction efficiency of VFS to upland field in Korea. Moreover, it is expected that VFS will be effectively applied to agricultural fields in South-Korea.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

1로 대표하기에 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 국내 경작지를 대상으로 식생여과대의 유사저감 효율을 모의하기 위한 새로운 식을 개발하고자 하였다.
본 연구에서는 국내 경작지를 대상으로 식생여과대의 유사저감 효율을 모의할 수 있도록 SWAT 모형 내 식생여과대 모듈을 개선하기 위한 새로운 유사저감 효율 산정식을 개발하였다. 이를 위해 VFSMOD-w 모형을 이용하여 다양한 조건을 고려한 시나리오를 모의하였으며, 모의한 결과를 바탕으로 식생여과대의 유사저감 효율 예측을 위한 새로운 식을 제시하였다.
하지만 White and Arnold (2009)가 설정한 시나리오는 미국의 일반적인 경작지 특성을 기초로 설정되었기 때문에 미국 경작지와 다른 특성을 가지고 있는 국내 경작지를 대상으로 적용하기 위해서는 개선이 필요하다. 이에 본 연구의 목적은 국내 경작지 특성을 반영하여 경작지에서의 유출수, 유사발생과 식생여과대의 유사저감 효율에 영향을 미치는 다양한 인자들을 고려하여 시나리오를 설정하고, 이를 VFSMOD-w 모형에 적용하여 SWAT 모형에 적용 가능한 식생여과대 유사저감 효율 산정식을 개발하는 것이다.

가설 설정

시험포 면적은 기존의 식생여과대에 관한 연구에서 많이 고려되지 않았던 조건으로 많은 연구에서 경작지 면적을 고정한 후 경사도, 초종, 식생여과대 폭 등 여러 인자들에 따른 유사저감 효율 변화를 분석하였다(Kuo and MuñozCarpena, 2009; White and Arnold, 2009). 하지만 본 연구에서는 동일한 식생여과대 면적비 조건에서도 시험포 면적의 변화가 식생여과대의 유사저감 효과에 영향을 줄 것으로 가정하고, 이를 분석하기 위하여 다양한 시험포 면적을 설정하였다. 시험포 면적은 폭을 50 m로 고정하고, 시험포의 길이는 10 m ~ 400 m로 설정(0.

제안 방법

국내 경작지 특성을 고려한 시나리오를 설정하기 위하여 국내 경작지 특성을 조사하였으며, 조사 결과를 바탕으로 VFSMOD-w 모형 모의를 위한 시나리오를 설정했다. 총 53460개의 시나리오 결과를 활용하여 각 인자들에 대하여 민감도 분석을 하였다.
분석 결과 시험포 면적에 대한 식생여과대 면적비(A_R)와 단위 시험포 면적 당 발생 유사량(S_S)의 상관계수가 가장 높게 나타났다. 또한 기존에 식생여과대 설계 시 고려되지 않았던 경작지 면적 변화에 따른 식생여과대의 유사저감 효율 변화를 분석하였다. 분석결과 동일한 면적비로 식생여과대를 설치할지라도 시험포 면적 에 따라 유사저감 효율에 차이가 있었다.
본 연구에서는 국내 경작지 특성 조사 결과를 반영하여 VFSMOD-w 모형 모의를 위한 시나리오를 설정하였다 (Table 2). 강우량과 강우 지속시간은 한국 확률강우량정보 (MLIT, 2012)에서 제공하는 확률강우량도를 사용하여 60분 강우 지속시간의 10년, 20년, 30년 확률강우량에 해당하는 31 mm, 57 mm, 67 mm로 설정하였으며, NRCS의 CN는 59, 68, 77로 선정하였다.
본 연구에서는 국내 경작지를 대상으로 식생여과대의 유사저감 효율을 모의할 수 있도록 SWAT 모형 내 식생여과대 모듈을 개선하기 위한 새로운 유사저감 효율 산정식을 개발하였다. 이를 위해 VFSMOD-w 모형을 이용하여 다양한 조건을 고려한 시나리오를 모의하였으며, 모의한 결과를 바탕으로 식생여과대의 유사저감 효율 예측을 위한 새로운 식을 제시하였다.
국내 경작지의 일반적인 특성을 반영한 식생여과대의 유사 저감 효율 산정식을 개발하기 위해 국립농업과학원에서 개발한 토양환경정보시스템(NAAS, 2015)에서 제공하는 통계 자료를 활용하였다. 토양환경정보시스템은 농업환경정보, 농경지화학성, 토양특성, 정밀농업기후도 등의 정보를 제공하는 사이트로써 본 연구에서는 토양환경정보시스템에서 제공하는 다양한 통계자료를 동일한 단위(ha)로 가공하여 국내 경작지의 특성을 조사하였다(Table 1). 조사 결과 국내 경작지의 토양은 양토, 사양토, 미사질 양토가 대부분을 차지했으며 전체적으로 양호한 배수 특성을 나타냈다.

대상 데이터

국내 경작지의 일반적인 특성을 반영한 식생여과대의 유사 저감 효율 산정식을 개발하기 위해 국립농업과학원에서 개발한 토양환경정보시스템(NAAS, 2015)에서 제공하는 통계 자료를 활용하였다. 토양환경정보시스템은 농업환경정보, 농경지화학성, 토양특성, 정밀농업기후도 등의 정보를 제공하는 사이트로써 본 연구에서는 토양환경정보시스템에서 제공하는 다양한 통계자료를 동일한 단위(ha)로 가공하여 국내 경작지의 특성을 조사하였다(Table 1).

데이터처리

53460 개의 시나리오 모의 결과를 바탕으로 식생여과대의 유사저감 효율에 대한 각 시나리오 설정 인자들의 영향 정도를 파악하기 위하여 상관 분석을 수행하였다. Table 3 은 각 인자별 상관계수를 정리한 것이다.
또한 CurveExpert는 최적의 회귀식과 매개변수 산정결과를 그래프 및 통계분석 결과(결정계수, 상관계수, 표준오차 등)와 함께 제공해준다(Hyams, 2011). 본 연구에서는 상관분석을 통해 선정된 변수들을 CurveExpert에 적용하여 도출된 회귀식의 결정계수와 그래프를 비교하여 최적의 회귀식을 선정하였다.
식생여과대의 유사저감 효율에 대한 각 인자들의 영향정도를 파악하기 위해서는 상관분석을 수행하였다. 이를 위해 본 연구에서는 앞 절에서 설정한 시나리오를 VFSMOD-w 모형을 활용하여 모의한 결과를 활용하였다.
설정된 변수를 통해 유사저감 효율 산정식을 개발하기 위해서는 바람직한 식의 형태를 선정해야 한다. 이를 위해 본 연구에선는 CurveExpert (v.2.2.0)를 활용하여 최적의 회귀 식을 도출하였다

이론/모형

본 연구에서는 국내 경작지 특성 조사 결과를 반영하여 VFSMOD-w 모형 모의를 위한 시나리오를 설정하였다 (Table 2). 강우량과 강우 지속시간은 한국 확률강우량정보 (MLIT, 2012)에서 제공하는 확률강우량도를 사용하여 60분 강우 지속시간의 10년, 20년, 30년 확률강우량에 해당하는 31 mm, 57 mm, 67 mm로 설정하였으며, NRCS의 CN는 59, 68, 77로 선정하였다. 경사도는 완만한 경작지는 물론 급경 사지의 경작지 조건까지 고려하기 위하여 2% ~ 20% 넓은 범위를 설정하였다.
식 (2)는 다양한 조건을 고려한 1650개의 시나리오를 VFSMOD-w 모형에 적용하여 얻은 결과를 바탕으로 개발 되었다. 시나리오의 각 인자들을 살펴보면 강우량은 지속시간 3시간 10 mm ~ 100 mm의 범위로 설정하였으며 토지 피복에 따른 토양유실량의 비율로 정의되는 C-factor는 0.
식생여과대의 유사저감 효율에 대한 각 인자들의 영향정도를 파악하기 위해서는 상관분석을 수행하였다. 이를 위해 본 연구에서는 앞 절에서 설정한 시나리오를 VFSMOD-w 모형을 활용하여 모의한 결과를 활용하였다. 모의 결과를 활용하여 각 인자들에 대해 상관분석을 실시한 후 분석 결과를 반영하여 회귀식 도출을 위한 변수를 설정하였다.
5% ~ 10%)를 인자로 사용하였다. 초종은 국내 경작지를 대상으로 식생여과대 초종에 관한 Choi and Jang (2014)의 연구결과에 따라 잔디를 사용하였다.

성능/효과

이에 본 연구에 서는 S_S 를 새로운 변수로 제시하였다. S_S 와 현재 SWAT 모형에서 유사저감 효율 산정식의 변수인 S_L (단위 식생여과대 면적 당 유입유사량)과 유사저감 효율과의 상관계수를 산정한 결과 각각 -0.68과 -0.59로 본 연구에서 제시한 S_S 가 유사저감 효율에 더 많은 영향을 주는 것으로 나타났다. 결과적으로 본 연구에서 제시한 식생여과대 유사저감 산정식은 VFSMOD-w 모형과 비교하여 R² 와 NSE 각각 0.
59로 본 연구에서 제시한 S_S 가 유사저감 효율에 더 많은 영향을 주는 것으로 나타났다. 결과적으로 본 연구에서 제시한 식생여과대 유사저감 산정식은 VFSMOD-w 모형과 비교하여 R² 와 NSE 각각 0.987, 0.977로 거의 1에 가까운 값을 나타냈다.
총 53460개의 시나리오 결과를 활용하여 각 인자들에 대하여 민감도 분석을 하였다. 분석 결과 시험포 면적에 대한 식생여과대 면적비(A_R)와 단위 시험포 면적 당 발생 유사량(S_S)의 상관계수가 가장 높게 나타났다. 또한 기존에 식생여과대 설계 시 고려되지 않았던 경작지 면적 변화에 따른 식생여과대의 유사저감 효율 변화를 분석하였다.
또한 기존에 식생여과대 설계 시 고려되지 않았던 경작지 면적 변화에 따른 식생여과대의 유사저감 효율 변화를 분석하였다. 분석결과 동일한 면적비로 식생여과대를 설치할지라도 시험포 면적 에 따라 유사저감 효율에 차이가 있었다. 이에 본 연구에 서는 S_S 를 새로운 변수로 제시하였다.

후속연구

따라서 추후 이 문제점에 대한 원인분석 및 해결을 통해 본 식의 개선이 필요하다. 또한 현장실험 자료의 부재로 본 연구에서 개발한 식의 검증을 하지 못했다는 한계점이 있다. 이에 추후 체계적이고 장기간에 걸친 현장실험 자료를 통해 본 연구에서 개발한 식의 검증이 요구된다.
또한 현장실험 자료의 부재로 본 연구에서 개발한 식의 검증을 하지 못했다는 한계점이 있다. 이에 추후 체계적이고 장기간에 걸친 현장실험 자료를 통해 본 연구에서 개발한 식의 검증이 요구된다. 하지만 본 연구에서 제시한 식생여과대의 유사저감 효율 산정식을 SWAT 모형의 식생여과대 모듈에 적용한다면 국내 경작지를 대상으로 보다 정확한 식생여과대 유사저감 효율 모의가 가능할 것으로 판단되며 이를 통해 효율적인 식생여과대의 현장적용이 가능할 것으로 사료된다.
이에 추후 체계적이고 장기간에 걸친 현장실험 자료를 통해 본 연구에서 개발한 식의 검증이 요구된다. 하지만 본 연구에서 제시한 식생여과대의 유사저감 효율 산정식을 SWAT 모형의 식생여과대 모듈에 적용한다면 국내 경작지를 대상으로 보다 정확한 식생여과대 유사저감 효율 모의가 가능할 것으로 판단되며 이를 통해 효율적인 식생여과대의 현장적용이 가능할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수질 오염원은 어떻게 구분되는가?	수질 오염원은 크게 점오염원과 비점오염원으로 구분 할 수 있다. 점오염원은 오염원의 배출 및 유입경로 파악이 쉬워 환경기초 시설을 설치하여 체계적인 관리가 이루어지고 있다(Oh et al.
	효율적인 식생여과대 설계를 위해 최적의 식생여과대 면적 산정이 중요한대, 과다 설계시 생기는 문제점은 무엇인가?	, 2007). 만약 식생여과대가 필요 이상으로 설계된다면 작물 재배 면적이 감소하여 생산량이 감소하게 되고 결과적으로 경제적인 손해가 발생한다. 반대로 식생여과대를 너무 작은 규모로 설치한다면 기대 이하의 유사저감 효율을 나타내게 되어 수질 향상에 큰 도움이 되지 못한다.
	점오염원의 체계적인 관리에도 불구하고 호소 수질이 향상되지 못하는 이유는 무엇인가?	, 2004). 하지만 점오염원의 체계적인 관리에도 불구하고 지속적인 비점오염원 유입으로 하천과 호소 수질은 크게 향상되지 못하고 있다(Kim et al., 2002).

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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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