본 연구는 VFSMOD-w 모형을 이용하여 비점오염물의 관리를 위한 식생대 설치 시 파종 식물의 종류, 식생대의 길이, 강우 조건이 저감 효율에 미치는 영향을 살펴보는 것을 목적으로 수행되었다. 연구를 위한 대상 지역으로 청미천 유역 내 원부교 부근의 나지를 선정하였다. 수정된 Manning의 조도계수가 동일한 값을 가지는 식물체의 경우 토사 저감 효율이 동일하게 계산되는 결과가 도출되었고, 식생대의 길이 및 식물체의 파종 간격이 토사 저감 효율에 가장 지배적인 영향을 미치는 것이 확인되었다. 동일한 강우 조건에서 식생대의 길이가 약 2배 증가할 때 토사 저감 효율이 많은 차이를 나타내지 않았다. 이러한 결과는 식생대의 길이가 증가할수록 토사 저감 효율이 증가하나, 특정 길이 이상일 경우 대부분의 토사가 포착되는 것을 의미한다. 따라서 식생대의 설치는 식생대 설치지역의 강우 특성을 고려하여 적절한 식물체의 파종 간격 및 식생대 길이를 결정지어야 한다고 판단된다.
본 연구는 VFSMOD-w 모형을 이용하여 비점오염물의 관리를 위한 식생대 설치 시 파종 식물의 종류, 식생대의 길이, 강우 조건이 저감 효율에 미치는 영향을 살펴보는 것을 목적으로 수행되었다. 연구를 위한 대상 지역으로 청미천 유역 내 원부교 부근의 나지를 선정하였다. 수정된 Manning의 조도계수가 동일한 값을 가지는 식물체의 경우 토사 저감 효율이 동일하게 계산되는 결과가 도출되었고, 식생대의 길이 및 식물체의 파종 간격이 토사 저감 효율에 가장 지배적인 영향을 미치는 것이 확인되었다. 동일한 강우 조건에서 식생대의 길이가 약 2배 증가할 때 토사 저감 효율이 많은 차이를 나타내지 않았다. 이러한 결과는 식생대의 길이가 증가할수록 토사 저감 효율이 증가하나, 특정 길이 이상일 경우 대부분의 토사가 포착되는 것을 의미한다. 따라서 식생대의 설치는 식생대 설치지역의 강우 특성을 고려하여 적절한 식물체의 파종 간격 및 식생대 길이를 결정지어야 한다고 판단된다.
This study aims to investigate the effect of vegetation type, length of vegetative filter strip, and rainfall on trapping efficiency of the non-point source water pollution. Numerical experiments are carried out using VFSMOD-w. It is known from this study that the vegetation having the same value of...
This study aims to investigate the effect of vegetation type, length of vegetative filter strip, and rainfall on trapping efficiency of the non-point source water pollution. Numerical experiments are carried out using VFSMOD-w. It is known from this study that the vegetation having the same value of revised Manning roughness coefficient shows the similar trapping efficiency in VFSMOD-w. When the length of vegetative filter strip increases twice, the trapping efficiency increases negligibly small under the same condition of rainfall. From this finding, it is also known that most of sediment are removed within a certain length of vegetative filter strips. It is concluded that the installation of vegetative filter strip is determined under the consideration of the rainfall characteristics, space of vegetation, and length of vegetative filter strip.
This study aims to investigate the effect of vegetation type, length of vegetative filter strip, and rainfall on trapping efficiency of the non-point source water pollution. Numerical experiments are carried out using VFSMOD-w. It is known from this study that the vegetation having the same value of revised Manning roughness coefficient shows the similar trapping efficiency in VFSMOD-w. When the length of vegetative filter strip increases twice, the trapping efficiency increases negligibly small under the same condition of rainfall. From this finding, it is also known that most of sediment are removed within a certain length of vegetative filter strips. It is concluded that the installation of vegetative filter strip is determined under the consideration of the rainfall characteristics, space of vegetation, and length of vegetative filter strip.
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문제 정의
본 연구는 VFSMOD-w 모형을 이용하여 비점오염물의 관리를 위한 식생대 설치 시 파종 식물의 종류, 식생대의 길이, 강우 조건이 저감 효율에 미치는 영향을 살펴보는 것을 목적으로 수행되었다.
이에 본 연구에서는 우리나라의 청미천 유역을 대상으로 식생대 유무에 따른 비점오염물의 저감효과를 살펴보았다.
또한, 식생대 설치구간에서의 강우 유출 특성을 대변할 수 있는 강우의 도달시간을 기준으로 강우 조건을 적용하여 수행한 연구 또한 살펴볼 수 없었다. 이에 본 연구는 VFSMOD-w 모형을 이용하여 비점오염물의 관리를 위한 식생대 설치 시 파종 식물의 종류, 식생대의 길이, 강우 조건이 토사 저감 효율에 미치는 영향을 살펴보는 것을 목적으로 수행되었다.
가설 설정
NRCS방법에서는 강우량 및 유역 내 저류량 사이의 실제 및 잠재량의 비가 같다고 가정한다(식 1).
따라서 큰김의털과 독보리의 파종 간격을 20 cm로 가정하였다.
따라서 큰김의털과 독보리의 파종 간격을 20 cm로 가정하였다. 골프장용 잔디로 흔히 이용되는 에레모클로아의 경우, 잔디를 약 3 cm에서 5 cm 간격으로 파종하는 것에 근거하여 파종 간격을 4 cm로 가정하였다[4].
제안 방법
개발된 모형은 우리나라 토지 특성검색이 가장 용이하도록 개발된 모형으로, 모든 토양 특성과 면적은 Google Map으로부터 얻을 수 있도록 설계되었다.
분석 자료를 이용하여 VFSMOD-w 모형에 적용된 시험포의 규모, 면적의 형상, 경사를 지정하고 식생대의 길이 변화에 따른 토사량 저감효과를 모의하였다.
이에 따른 해결책으로 새로운 Web-GIS based VFSMOD-w 모형을 개발하였으며 개선된 모형을 이용하여 여러 시나리오 모의 결과와 기존 VFSMOD-w 모형에 의한 결과의 비교를 통해 모형을 검증하였다.
서정훈과 최경숙(2013)[6]은 미국의 환경을 기반으로 개발된 VFSMOD-w 모형을 우리나라의 일반적인 밭경지 특성에 적용하는 경우에 나타나는 결과에 대한 연구를 수행하였다. 농촌진흥청의 농업토양정보시스템에서 제공하는 통계 자료를 수집하여 우리나라 밭경지의 일반적인 특성을 분석하였다. 분석 자료를 이용하여 VFSMOD-w 모형에 적용된 시험포의 규모, 면적의 형상, 경사를 지정하고 식생대의 길이 변화에 따른 토사량 저감효과를 모의하였다.
총 3개 지점에서 현장 실험을 수행하였으며, 입구부와 출구부의 토사량 차이로부터 설치된 식생대에 따른 토사의 저감효과를 산출하였다.
UH 모듈에서 시험포의 유출 특성 및 토사의 특성을 모의한 후, 이를 바탕으로 VFS 모듈에서 시험포로부터 유입되는 유입량, 유출량, 침투량 등을 모의한다[그림 1].
수변 지역이 나지로 구성되어 있을 경우, 강우시 하천으로 비점오염물의 즉각적인 유입이 발생한다. 수변 지역과 하천 사이에 도로가 존재할 경우, 도로에서 1차적인 오염물 감소가 예측되므로 나지와 하천이 맞닿는 곳을 중점적으로 검토하였다. 이러한 곳에 식생대를 설치할 경우 하천 내 오염물 유입 저감효과가 다른 곳에 비하여 보다 효과적일 것이라 판단된다.
이러한 곳에 식생대를 설치할 경우 하천 내 오염물 유입 저감효과가 다른 곳에 비하여 보다 효과적일 것이라 판단된다. 둘째로 배수통관의 유무를 확인하였다. 우수관거 혹은 농수로를 통해 강우가 하천으로 유입될 경우 다량의 유수 및 비점오염물 유입이 발생하므로 식생대 설치가 보다 절실하다.
도달시간에 이르면 유역 내 저류 공간이 모두 채워져 유역에 내린 강우가 모두 유출에 기여를 하게 된다. 이에 따라 강우가 유출량으로 직결되는 경우와 그렇지 않은 경우를 비교할 수 있도록 강우의 지속시간을 설정하였다. 이 때, 강우는 이전의 연구사례에서 적용된 바 있는 100년 재현빈도의 강우로 결정하였다.
이 때, 강우는 이전의 연구사례에서 적용된 바 있는 100년 재현빈도의 강우로 결정하였다. 시험포는 선정 지점과 인접한 주거 지역으로 결정하였으며 시험포의 면적 및 길이는 Arc-GIS를 활용하여 계산하였다. 나지와 맞닿는 방향의 시험포 폭은 약 125.
78 m이다. 즉, 오염물이 배출될 가능성이 있는 시험포의 폭이 125.78 m이므로 이를 고려하여 식생대의 길이와 폭을 변화하며 오염물 저감효율을 분석하였다. 시험포와 맞닿는 식생대의 길이는 125.
시험포 유역의 도달시간에 따라 강우의 지속시간(tD)이 5분인 경우와 20분인 경우로 구분하여 연구를 수행하였다.
대상 데이터
본 연구는 VFSMOD-w 모형을 이용하여 비점오염물의 관리를 위한 식생대 설치 시 파종 식물의 종류, 식생대의 길이, 강우 조건이 저감 효율에 미치는 영향을 살펴보는 것을 목적으로 수행되었다. 연구를 위한 대상지역으로 청미천 유역 내 원부교 부근의 나지를 선정하였다.
유역의 형상과 위치, 토양도, 토지피복도, 수치지도와 같은 각종 지형 정보들 또한 풍부하다. 이러한 장점을 고려하여 청미천 유역을 연구 대상 지역으로 선정하였으며 사전 답사를 통해 식생대 설치를 모의할 지점을 선정하였다. 지점 선정의 첫째 기준은 토지의 이용 상태이다.
강우자료는 국토해양부에서 개발한 “한국확률강우량도”를 통해 생성하였으며, 유역의 특성인 도달시간을 기준으로 도달시간보다 짧은 강우와 긴 강우에 대하여 연구를 수행하였다.
식물체의 종류는 식생대 설치에 있어 가장 추천되는 큰김의털(Tall Fescue), 에레모클로아(Centipedegrass), 독보리(Ryegrass) 등 총 3종류를 선정하였다[17].
이론/모형
UH 모듈은 미국 자연자원보조국(National Resources Conservation Service, NRCS)에서 제안한 방법을 통해 유출수문곡선을 산출하며, 범용토양유실 공식(Universal Soil Loss Equation, USLE)을 적용하여 토양의 침식량을 계산한다.
UH 모듈은 미국 자연자원보조국(National Resources Conservation Service, NRCS)에서 제안한 방법을 통해 유출수문곡선을 산출하며, 범용토양유실 공식(Universal Soil Loss Equation, USLE)을 적용하여 토양의 침식량을 계산한다.
USLE 모형의 적용을 위한 강우 침식 인자는 모형 내에서 Williams(1975)[24]가 제시한 수정 강우 침식 인자 모형에 의해 자동으로 계산된다.
성능/효과
식생대를 이용한 현장 실험 결과, 식생대의 길이가 일정 길이 이상일 때 오염물이 현저하게 감소하는 것을 확인하였으며 식생대를 통해 오염물의 수계유입 농도를 줄일 수 있다고 주장하였다.
분석 자료를 이용하여 VFSMOD-w 모형에 적용된 시험포의 규모, 면적의 형상, 경사를 지정하고 식생대의 길이 변화에 따른 토사량 저감효과를 모의하였다. 그 결과, 유출되는 토사의 양이 시험포의 경사가 급격할수록 규모와 형상에 많은 영향을 받는 것을 확인하였다. 또한, 강우량이 증가할수록 토사의 유출량이 급격하게 증가하는 것을 발견하였다.
그 결과, 유출되는 토사의 양이 시험포의 경사가 급격할수록 규모와 형상에 많은 영향을 받는 것을 확인하였다. 또한, 강우량이 증가할수록 토사의 유출량이 급격하게 증가하는 것을 발견하였다. 이에 따라 강우량이 증가할 때 식생대의 길이도 비례하여 증가시켜 조성하는 것이 가장 바람직하나, 현실적으로 어려운 실정을 감안하여 식생대의 면적이 시험포 면적의 최대 20% 이상을 초과하지 않아야 한다고 주장하였다.
여러 실험 결과들을 종합해볼 때, 실험에서 독립변수로 설정하였던 식생대의 폭, 식물체의 종류, 토양의 입도분포와 같은 요소들이 식생대의 토사 저감효과에 매우 큰 영향을 미치는 중요한 요소라 하였다.
(2004)[13]는 유출, 토사, 영양 물질의 유출 감소에서 식생대를 지팽이풀 장벽(Barrier)과 함께 설치하는 경우 지팽이풀 장벽의 유효성에 대한 연구를 실험실 실험을 통해 수행하였다. 그 결과, 식생대만 설치하였을 때에 비하여 지팽이풀 장벽이 함께 설치될 때 유출에 따른 비점오염물의 감소가 훨씬 더 효율적이라 주장하였다. 장벽이란 경사에 걸쳐 매우 빼곡하게 식재되어 구성된 식생대를 말한다.
지속시간 5분의 강우 조건에서는 식생대의 길이에 관계없이 시험포로부터의 유입량이 모두 105.408 kg으로 나타났다.
지속시간 5분의 강우 조건에서는 식생대의 길이에 관계없이 시험포로부터의 유입량이 모두 105.408 kg으로 나타났다.
0 m로 증가할 때 식생대로의 침투량이 증가하고 이에 따라 총 유출량이 감소하는 것이 확인된다[그림 4](a). 이러한 경향은 [그림 4](b)에서도 나타나며 지속시간 20분 강우 조건에서의 식생대로의 유입량은 식생대의 길이가 증가할수록 미세하게 감소하는 것이 나타났다. 식생대의 길이가 10 m, 25 m, 36.
또한, VFSMOD-w 모형에서는 식물체의 종류가 수정된 Manning의 조도 계수만으로 구분되는 것이 확인되었다.
모형의 적용 결과에서 지속시간이 도달시간 보다 짧을 경우에는 식생대를 모의하는 모듈에서 강우 자체의 양이 나타나지 않는 결과 또한 도출되었다.
둘째로 효율을 결정하는 가장 지배적인 인자는 식생대의 길이이다.
본 연구 결과로부터 식생대 길이의 최대값과 설치 가능 폭이 일정할 때, 토사 저감 효율에 식물체의 파종 간격과 식생대의 길이가 가장 지배적인 역할을 하는 것으로 나타났다. 먼저, 식물체의 파종 간격이 좁을수록 저감 효율은 증가한다.
본 연구 결과로부터 식생대 길이의 최대값과 설치 가능 폭이 일정할 때, 토사 저감 효율에 식물체의 파종 간격과 식생대의 길이가 가장 지배적인 역할을 하는 것으로 나타났다. 먼저, 식물체의 파종 간격이 좁을수록 저감 효율은 증가한다. 그러나 과도하게 좁은 파종 간격은 식물체의 성장을 저해하므로, 식물체 성장 및 월동률을 고려한 파종 간격의 결정이 요구된다.
또한, VFSMOD-w 모형에서는 식물체의 종류가 수정된 Manning의 조도 계수만으로 구분되는 것이 확인되었다. 이에 따라, 파종으로 인해 수정된 조도 계수가 동일한 큰김의털과 독보리는 토사 저감 효율이 동일하게 계산되는 것이 확인된다. 모형 내에서는 식생 높이를 고려하고 있으나 결과에 미치는 영향은 미비한 것으로 나타났다.
이에 따라, 파종으로 인해 수정된 조도 계수가 동일한 큰김의털과 독보리는 토사 저감 효율이 동일하게 계산되는 것이 확인된다. 모형 내에서는 식생 높이를 고려하고 있으나 결과에 미치는 영향은 미비한 것으로 나타났다. 독보리와 에레모클로아의 경우 동일한 식생 높이를 가정하여 비교한 결과, 수정된 조도계수가 큰 값을 가지는 에레모클로아의 경우가 토사 저감 효율이 더 높게 계산된다.
둘째로 효율을 결정하는 가장 지배적인 인자는 식생대의 길이이다. 모든 모의 결과에서 식생대의 길이가 증가할수록 저감 효율이 증가하였다. 그러나 지속시간 5분의 강우가 내리는 경우는 식생대의 길이가 0.
후속연구
따라서 식생대의 설치는 식물체의 종류 이외에도 파종에 따라 수정되는 조도 계수, 경제적인 파종 간격 및 식생대 길이, 식생대 설치 지역의 강우 특성 등 여러 특성을 고려하여 결정해야 한다고 판단된다.
그러나 강우에 따른 직접적인 유량 공급이 없다고 계산되는 것으로 식생대 내 흐름이 없음을 의미하는 것은 아니다. 모형 내 유출수문곡선 계산 과정에서 10분이 기준 단위로 설정되어있기 때문인 것으로 판단되며, 향후에 보다 나은 결과의 모의를 위해서는 시간 단위를 조정하는 방법에 관한 연구가 필요하다고 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
비점 오염물의 특징은 무엇인가?
비점오염물(Non-point Source Water Pollutant)은 오염원이 명확하지 않은 수질 오염물질을 뜻한다. 비점 오염물은 강우시 지표면에 존재하던 오염 물질이 빗물에 씻겨 유출되는 형태로 하천으로 유입되므로 강우량에 비례하여 유출량이 증가하는 특징을 보인다[2]. 또한, 강우시에 특별한 처리 없이 하천에 직접적으로 유입되는 특성으로 인해 우리나라와 같이 계절별 강수량의 차이가 큰 환경에서는 비점오염물의 관리가 더욱 중요하다.
비점오염물이란 무엇인가?
비점오염물(Non-point Source Water Pollutant)은 오염원이 명확하지 않은 수질 오염물질을 뜻한다. 비점 오염물은 강우시 지표면에 존재하던 오염 물질이 빗물에 씻겨 유출되는 형태로 하천으로 유입되므로 강우량에 비례하여 유출량이 증가하는 특징을 보인다[2].
비점 오염물의 관리가 중요한 이유는 무엇인가?
비점 오염물은 강우시 지표면에 존재하던 오염 물질이 빗물에 씻겨 유출되는 형태로 하천으로 유입되므로 강우량에 비례하여 유출량이 증가하는 특징을 보인다[2]. 또한, 강우시에 특별한 처리 없이 하천에 직접적으로 유입되는 특성으로 인해 우리나라와 같이 계절별 강수량의 차이가 큰 환경에서는 비점오염물의 관리가 더욱 중요하다. 현재 전체 수질오염을 야기하는 물질 중 적게는 42%에서 많게는 69%를 비점오염물이 차지하는 것으로 추정되고 있으며 점점 증가 추세에 있다[11].
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