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문제 정의
- 본 연구에서는 오염부하량 산정의 최소 단위인 행정리･동수준의 공간해상도를 고려, 유역을 세분화하여 새만금 유역의 정밀한 수질모델링 시스템을 구축하고 적용성을 평가하고자 하였다. 또한, 유역구분의 세분화에 따른 모형결과의 적용성을 검토하기 위해 동일 유역에 대한 선행 모델링연구의 결과와 비교하여 본 연구결과를 고찰하였다.
- 본 연구에서는 새만금 유역의 오염원 산정의 최소 단위인 리･동 단위의 소유역 구분을 기본으로 하여 유역수질모델링을 위한 프레임웍을 구축하고, 유량측점 12개소, 수질측점 30개소에 대해 모형의 보정과 검정을 실시하여 새만금 유역에 대한 구축된 모형의 적용성을 평가하였다. 유량보･검정 결과는 봉동 지점을 제외하고, 전체적으로 “좋음”에서 “아주좋음” 수준으로 나타났다.
- 본 연구에서는 오염부하량 산정의 최소 단위인 행정리･동수준의 공간해상도를 고려, 유역을 세분화하여 새만금 유역의 정밀한 수질모델링 시스템을 구축하고 적용성을 평가하고자 하였다. 또한, 유역구분의 세분화에 따른 모형결과의 적용성을 검토하기 위해 동일 유역에 대한 선행 모델링연구의 결과와 비교하여 본 연구결과를 고찰하였다.
- 소유역의 구분은 세밀할수록 공간적으로 정밀한 수준의 결과를 도출하는 것이 가능하겠지만, 세밀한 수준의 입력자료를 얼마나 합리적으로 준비할 수 있는가를 함께 고려해야만 하는 사항이다. 현재 국내에서 오염총량관리를 위한 수질오염부하량 산정의 최소 공간단위는 행정리와 행정동으로서, 본 연구에서의 소유역 구분도 리동단위의 공간단위로 세분하는데 목적을 두었다. 이를 위해 DEM과 행정경계자료, 도로, 수로 등의 공간정보를 종합적으로 고려하여 유수흐름을 반영할 수 있는 방향으로 소유역을 구분하였다.
가설 설정
- 각 용수간선으로 취입된 농업용수가 관개시설망을 통해 각 농경지로 전달되는 것을 모의하기 위해 농업용수간선의 배수구역을 각 소유역의 면적별로 할당하고, 용수간선에 취입된 용수가 면적에 비례하여 배분된다고 가정하였다. 이는 향후 용수간선 중간 지점들의 통수문 자료가 추가적으로 확보된다면 추후 정밀한 농업용수 공급량의 산정이 가능하다고 판단된다.
- , 2015). 본 연구에서는 새만금유역에 관개회귀율을 50 %로 가정하여 모형에 반영하였다.
- 관개기 저수지로부터의 공급량은 수혜면적에 따라 일정량을 관개기 (4월~9월)에 농업용수를 공급하는 것으로 설정하였고, 한국농어촌공사의 자료협조로 획득한 저수지별 관개면적 자료를 바탕으로 저수지별 관개량을 계산하여 적용하였다. 홍수시 방류유량의 경우 여수로를 통해 월류하는 것으로 가정하였고, 여수로 높이는 제당높이의 80 %로 가정하여 월류가 발생하는 것으로 모의하였다. 보를 통한 유량은 관개기 농업용수 취입량, 평상시 어도유량 (또는 하천유지유량), 호우시 월류유량으로 구분할 수 있다.
제안 방법
- 각 서브모델들은 상류유역부터 차례로 모의를 실시하며, 상류유역의 모의결과는 하류유역으로 WDM (Watershed Data Management) 파일을 매개로 하여 전달되는 방식으로 전체 유역에 대해 유역모의를 실시하였다. 한편, HSPF 모형의 계산을 위한 권역구분 (Segmentation)은 소유역단위와 동일하게 설정하여 향후 소유역별 토지이용의 변화와 같은 유역특성변화를 고려할 수 있도록 설정하였다.
- 만경강유역의 경우 봉동, 소양, 효자, 인수 지점에 대하여 모형을 보정하였다. 각 지점에 대해 보정된 매개변수를 각 서브모델 (sub-model)에 확대적용하고, 하류 및 본류구간에 위치한 봉동, 전주, 하리, 대천 지점에 대해 검정하였다.
- 저수지 방류유량은 취수탑을 통한 관개기 농업용수 공급량과 홍수시 방류유량으로 구분할 수 있다. 관개기 저수지로부터의 공급량은 수혜면적에 따라 일정량을 관개기 (4월~9월)에 농업용수를 공급하는 것으로 설정하였고, 한국농어촌공사의 자료협조로 획득한 저수지별 관개면적 자료를 바탕으로 저수지별 관개량을 계산하여 적용하였다. 홍수시 방류유량의 경우 여수로를 통해 월류하는 것으로 가정하였고, 여수로 높이는 제당높이의 80 %로 가정하여 월류가 발생하는 것으로 모의하였다.
- 농업용수 취입량의 경우 관개기 (4월~9월)에 대해서 조사된 농업용수 취수량을 적용하였고, 어도유량은 “농업용 수리구조물 표준도 개발 (어도편 해설집)” (농림부, 2004)을 바탕으로 어류의 이용이 활발한 4월~6월의 갈수기 유량을 기준으로 추정하고 보의 위치에 따른 유역면적비를 적용하여 최종적으로 각 보에 대해 산정하였다.
- 새만금 유역의 행정구역별로 산정된 배출부하량 자료를 리･동단위의 소유역에 대응하여 오염부하량 자료를 적용하였다. 단, 유역경계가 리･동단위보다 세분화된 경우 면적비를 적용하여 소유역별 오염부하를 계산하였다. 한편, 새만금 유역 내의 공공하수처리시설, 마을하수도, 기타환경시설 등 총 186개의 환경기초시설의 일별 유량과 수질자료를 모형에 반영하였다.
- 유량보정과는 다르게 수질보정의 경우에는 관측자료의 빈도, 즉 데이터의 개수가 절대적으로 부족하고, 수질입력자료의 산정에 상대적으로 많은 불확실성이 포함된다. 따라서 일 단위 수질모의결과를 실측치와 일대일로 비교하여 목적함수를 최적화시키는 방식의 자동보정기법을 적용하는 것은 현실적으로 유의한 결과를 얻기에 무리가 있기 때문에 본 연구에서는 각 소유역으로부터의 유입부하, 점오염 부하, 비점오염 부하 등에 의한 물질수지의 균형과 계절 및 호우에 따른 수질 패턴 등을 함께 고려하면서 수동보정을 실시하였다. 보정은 온도, DO, BOD, TN, TP의 수질항목에 대해 KBOD20, REAK, KODSET, KTAM20, KNO320, PHYSET, ALR20, MALGR 등의 주요 수질 매개변수들을 대상으로 실시하였으며 수질 보･검정의 기간과 방법은 유량보･검정과 같이 2009년부터 2013년을 적용하고 보정과 검정을 위한 수질측점들을 구분하여 진행하였다.
- 유량자료의 적합성 검증결과에 따라 2009년부터 2013년까지 일별유량자료가 구축된 만경강 유역의 고산, 봉동, 소양,효자, 전주, 하리, 대천, 인수의 총 8개 지점에 대해 모형을 보･검정하였으며 동진강 유역에 대해서는 옹동, 태인, 신태인, 공평, 정읍의 총 5개 지점의 유량자료를 활용하였다. 모형의 보정은 홍수년, 평수년, 갈수년 등 다양한 수문사상이 기록된 기간의 자료를 효율적으로 활용하기 위해, 수집한 2009년부터 2013년까지의 모든 자료기간을 선택하고, 보정을 위한 유량 측점을 유역전반에 걸쳐 고르게 배치하였다(Fig. 4). 같은 기간에 대해 보정에 이용되지 않은 유량측점을 모형의 검증을 위한 측점으로 이용하였다.
- 최종적으로 가장 합리적으로 현실을 반영하고 있는 매개변수 그룹을 연구자의 정성적 판단에 의한 선택을 통해 보정을 실시하게 된다. 모형의 유량보정에 이용된 매개변수는 선행연구의 민감도 분석 및 전문가적 경험과 판단을 바탕으로, LZSN, UZSN, INFILT, AGWRC, DEEPFR, BASETP, AGWETP, IRC, INTFW, INTERCEP, LZETP의 총 11개를 이용하였으며 나머지 매개변수들은 모형의 기본값 및 선행연구들의 값을 적용하였다. 매개변수 탐색을 위한 범위는 USEPA (2001)에 제시된 기준을 이용하였고 목적함수로는 총유량편차 (Absolute error of daily flow), 하위 50 % 유량편차 (Absolute error of 50 % lowest flows exceedance), 상위 10 % 유량편차 (Absolute error of 10 % highest flows exceedance), 계절유량편차 (Absolute error of seasonal volume) 를 선형 조합한 목적함수를 적용하였다.
- 보정은 온도, DO, BOD, TN, TP의 수질항목에 대해 KBOD20, REAK, KODSET, KTAM20, KNO320, PHYSET, ALR20, MALGR 등의 주요 수질 매개변수들을 대상으로 실시하였으며 수질 보･검정의 기간과 방법은 유량보･검정과 같이 2009년부터 2013년을 적용하고 보정과 검정을 위한 수질측점들을 구분하여 진행하였다. 보정은 가급적 2009년부터 2013년의 5개년을 다 포함하는 측점에 대해 실시하였고, 검정의 경우 일부 누락기간이 존재하는 측점도 적용하였다. 수질보정은 만경강 유역 6개소 (고산, 소양천2, 전주천6, 삼천1-1, 익산천1, 김제)와 동진강 유역 6개소 (동진강1, 천원천, 동진강3, 정읍천 4, 원평천3, 고부천3)로 총 12개소에 대해 실시하였다.
- 따라서 일 단위 수질모의결과를 실측치와 일대일로 비교하여 목적함수를 최적화시키는 방식의 자동보정기법을 적용하는 것은 현실적으로 유의한 결과를 얻기에 무리가 있기 때문에 본 연구에서는 각 소유역으로부터의 유입부하, 점오염 부하, 비점오염 부하 등에 의한 물질수지의 균형과 계절 및 호우에 따른 수질 패턴 등을 함께 고려하면서 수동보정을 실시하였다. 보정은 온도, DO, BOD, TN, TP의 수질항목에 대해 KBOD20, REAK, KODSET, KTAM20, KNO320, PHYSET, ALR20, MALGR 등의 주요 수질 매개변수들을 대상으로 실시하였으며 수질 보･검정의 기간과 방법은 유량보･검정과 같이 2009년부터 2013년을 적용하고 보정과 검정을 위한 수질측점들을 구분하여 진행하였다. 보정은 가급적 2009년부터 2013년의 5개년을 다 포함하는 측점에 대해 실시하였고, 검정의 경우 일부 누락기간이 존재하는 측점도 적용하였다.
- 이 현상은 주로 유역 상류에 위치한 수질측점에서 하천의 저유량 조건시 발견될 확률이 크며, 동진강1, 천원천, 원평천1, 소양천1, 전주천1 등에서도 확인되었다. 본 연구에서는 이러한 모의결과의 오류를 수정하기 위해서 BOD와 태별 N과 P에 항목에 대해 500 mg/l 의 경계값 (threshold)을 도입하여 계산하였다. 모형의 보정에 이용된 수질측점들로부터 계산된 통계변수의 경우, BOD 항목의 경우 일부 “적절” 수준을 벗어나는 결과를 보이기도 하지만, TN과 TP 항목의 경우는 대체적으로 “좋음”부터 “아주좋음”의 수준으로 나타났다.
- 비록 수질통계치가 “아주좋음”으로 계산된다고 할지라도 정성적 판단의 결과가 전체적인 모형평가의 우선순위에 있으므로, 본 연구에서 통계치는 오직 부차적인 판단기준으로만 사용하였다.
- 오염부하량 자료는 수질기준총량관리기술지침 (MOE, 2011)에 따라 각 행정구역별로 생활계, 축산계, 산업계, 토지계, 양식계, 매립계로 구분하여 산정된 자료를 농어촌공사로부터 구득하여 이용하였다. 새만금 유역의 행정구역별로 산정된 배출부하량 자료를 리･동단위의 소유역에 대응하여 오염부하량 자료를 적용하였다. 단, 유역경계가 리･동단위보다 세분화된 경우 면적비를 적용하여 소유역별 오염부하를 계산하였다.
- 환경부 (2014, 2015) 연구는 새만금 유역의 수질대안에 따른 수질개선의 효과를 정량적으로 평가하기 위해 기획된 연구로서, HSPF 모형을 적용한 현재까지의 새만금 연구 중 정밀한 수준의 입력자료와 모델링 기법이 적용된 최신 연구로 판단된다. 유량부문 평가를 위해서 각 연구에서 공통적으로 계산된 NSE를 비교하였고, 수질부문에서는 RMSE를 조사하였으며, 유역내 여러 유량 및 수질측점들 중에 최대한 연구들간에 공통적으로 이용되면서 대표성이 있는 곳에 대한 결과를 이용하였다(Table 5).
- 유역 모델링을 위한 공간단위의 세분화가 모형의 수문 및 수질 재현성에 미치는 영향을 파악하기 위해, 최근의 연구 중 충분한 유역자료들이 반영되어 있다고 판단되고, 동일한 수질모형을 적용하였으며, 자료기간이 비교적 일치되는 환경부 (2014, 2015) 선행 연구결과와 비교하였다. 환경부 (2014, 2015) 연구는 새만금 유역의 수질대안에 따른 수질개선의 효과를 정량적으로 평가하기 위해 기획된 연구로서, HSPF 모형을 적용한 현재까지의 새만금 연구 중 정밀한 수준의 입력자료와 모델링 기법이 적용된 최신 연구로 판단된다.
- 현재 국내에서 오염총량관리를 위한 수질오염부하량 산정의 최소 공간단위는 행정리와 행정동으로서, 본 연구에서의 소유역 구분도 리동단위의 공간단위로 세분하는데 목적을 두었다. 이를 위해 DEM과 행정경계자료, 도로, 수로 등의 공간정보를 종합적으로 고려하여 유수흐름을 반영할 수 있는 방향으로 소유역을 구분하였다. HSPF 모형의 효율적 구동을 위해, 수자원단위유역을 바탕으로 새만금 유역을 만경강 유역 7개 (M1~M7), 동진강 유역 7개 (D1~D7), 연안유역 3개 (R1~R3)의 총 17개의 서브모델 (sub-model)로 구성하였으며, 이는 총 805개의 소유역을 구성한다 (Fig.
대상 데이터
- 이를 위해 DEM과 행정경계자료, 도로, 수로 등의 공간정보를 종합적으로 고려하여 유수흐름을 반영할 수 있는 방향으로 소유역을 구분하였다. HSPF 모형의 효율적 구동을 위해, 수자원단위유역을 바탕으로 새만금 유역을 만경강 유역 7개 (M1~M7), 동진강 유역 7개 (D1~D7), 연안유역 3개 (R1~R3)의 총 17개의 서브모델 (sub-model)로 구성하였으며, 이는 총 805개의 소유역을 구성한다 (Fig. 2). 이는 새만금 유역내 행정리 739개보다 많은 수준으로, 유역 경계와 행정경계를 동시에 고려한 결과이다.
- 0 °C로 나타났다. 기상자료의 연속성과 자료의 완결성을 고려하여 유역내의 부안, 정읍, 전주, 군산에 위치한 기상청 기상관측소의 실측기상자료를 모델의 입력자료로 활용하였다. 잠재증발산량 (Potential evapotranspiration, PET)의 경우 Jensen-Haise 방법 (Dockter, 1994)를 적용하였고, 대상유역 내 연간 추정량이 1,020~1,380 mm의 범위를 보였다.
- 대상유역의 유역유출모의를 위한 DEM (Digital Elevation Model) 자료로 정밀한 지형특성을 반영하기 위해 농어촌공사로부터 취득한 10 m×10 m 해상도 자료를 이용하였고, 토지이용의 경우 2013년 환경부 중분류 토지피복도를 이용하여 수질 및 수질특성이 비슷한 총 13개로 재분류를 실시하였다.
- 수질보정은 만경강 유역 6개소 (고산, 소양천2, 전주천6, 삼천1-1, 익산천1, 김제)와 동진강 유역 6개소 (동진강1, 천원천, 동진강3, 정읍천 4, 원평천3, 고부천3)로 총 12개소에 대해 실시하였다. 수질 검정은 만경 10개소 (소양천1, 전주천1, 삼천1, 삼천2, 전주, 삼례, 익산천, 탑천, 용암천, 만경대교)와 동진 8개소 (정읍천 1, 정읍천2, 동진강2, 동진대교, 원평천1, 원평천2, 고부천1, 고부천2)로 총 18개 지점에 대해 실시하였다.
- 보정은 가급적 2009년부터 2013년의 5개년을 다 포함하는 측점에 대해 실시하였고, 검정의 경우 일부 누락기간이 존재하는 측점도 적용하였다. 수질보정은 만경강 유역 6개소 (고산, 소양천2, 전주천6, 삼천1-1, 익산천1, 김제)와 동진강 유역 6개소 (동진강1, 천원천, 동진강3, 정읍천 4, 원평천3, 고부천3)로 총 12개소에 대해 실시하였다. 수질 검정은 만경 10개소 (소양천1, 전주천1, 삼천1, 삼천2, 전주, 삼례, 익산천, 탑천, 용암천, 만경대교)와 동진 8개소 (정읍천 1, 정읍천2, 동진강2, 동진대교, 원평천1, 원평천2, 고부천1, 고부천2)로 총 18개 지점에 대해 실시하였다.
- 유량자료의 적합성 검증결과에 따라 2009년부터 2013년까지 일별유량자료가 구축된 만경강 유역의 고산, 봉동, 소양,효자, 전주, 하리, 대천, 인수의 총 8개 지점에 대해 모형을 보･검정하였으며 동진강 유역에 대해서는 옹동, 태인, 신태인, 공평, 정읍의 총 5개 지점의 유량자료를 활용하였다. 모형의 보정은 홍수년, 평수년, 갈수년 등 다양한 수문사상이 기록된 기간의 자료를 효율적으로 활용하기 위해, 수집한 2009년부터 2013년까지의 모든 자료기간을 선택하고, 보정을 위한 유량 측점을 유역전반에 걸쳐 고르게 배치하였다(Fig.
- 또한 고산정수장과 칠보정수장에서 취수되어 전주, 군산, 정읍의 생활용수로 공급되는 양도 함께 고려하였다. 이들 외부유입량과 취입량 자료는 농어촌공사로부터 2005년부터 2013년까지 일단위자료를 구득하여 적용하였다. 만경강의 경우 외부유역으로부터 연간 약 434백만톤의 유량을 공급받는 것으로 나타났으며, 금강하류 서포양수장과 나포양수장으로부터는 주로 관개기인 4월부터 9월까지 용수를 공급받는 것으로 조사되었다.
- 또한, 새만금 유역 내에서는 농업용수 공급을 위해 만경상류의 어우보에서 만경대간선수로로 용수가 취입되며, 동진강 유역의 낙양보에서는 김제용수간선과 정읍용수간선을 통하여 동진강 중하류부의 농경지에 용수가 공급된다. 이러한 외부유역으로부터 유입되는 외부유입유량을 모두 고려하고, 새만금 유역내 주요 농업용수로인 만경대간선수로, 김제 및 정읍용수간선, 동진강도수로를 고려하였다. 또한 고산정수장과 칠보정수장에서 취수되어 전주, 군산, 정읍의 생활용수로 공급되는 양도 함께 고려하였다.
- 한편, 본 연구에서는 새만금 유역의 총 844개 저수지와 282개 취입보 중 유역유출특성에 의미있는 영향을 미친다고 판단되는 50만톤 이상 규모인 저수지 (40개)와 인가면적이 50ha 이상인 보 (51개)를 선정하여 모델링에 고려하였다. 저수지 방류유량은 취수탑을 통한 관개기 농업용수 공급량과 홍수시 방류유량으로 구분할 수 있다.
- 단, 유역경계가 리･동단위보다 세분화된 경우 면적비를 적용하여 소유역별 오염부하를 계산하였다. 한편, 새만금 유역 내의 공공하수처리시설, 마을하수도, 기타환경시설 등 총 186개의 환경기초시설의 일별 유량과 수질자료를 모형에 반영하였다. 농경지에 사용되는 비료사용량의 경우 시군별 통계자료를 적용하여, 시군별로 같은 양의 비료를 사용하는 것으로 입력하였으나, 향후 리동단위의 비료사용량이나 리동별 비료사용 시나리오 자료가 준비된다면 세밀한 수준의 비료사용에 따른 모의가 가능하도록 모형을 구성하였다.
데이터처리
- 모형의 평가를 위한 통계변수는 R2(coefficient of determination), NSE (Nash-Sutcliffe Efficiency), PBIAS (percent bias)를 적용하였다. R2는 실측치와 모의치 간의 상관성을 평가해 주는 통계지표로서, 0과 1사이의 값으로 나타나며, 1의 경우 완전한 선형관계가 있음을 말해준다.
이론/모형
- 모형의 유량보정에 이용된 매개변수는 선행연구의 민감도 분석 및 전문가적 경험과 판단을 바탕으로, LZSN, UZSN, INFILT, AGWRC, DEEPFR, BASETP, AGWETP, IRC, INTFW, INTERCEP, LZETP의 총 11개를 이용하였으며 나머지 매개변수들은 모형의 기본값 및 선행연구들의 값을 적용하였다. 매개변수 탐색을 위한 범위는 USEPA (2001)에 제시된 기준을 이용하였고 목적함수로는 총유량편차 (Absolute error of daily flow), 하위 50 % 유량편차 (Absolute error of 50 % lowest flows exceedance), 상위 10 % 유량편차 (Absolute error of 10 % highest flows exceedance), 계절유량편차 (Absolute error of seasonal volume) 를 선형 조합한 목적함수를 적용하였다. 이는 총 유량과 고유량과 저유량시의 수문특성을 모두 평가할 수 있는 방법으로, 단일 목적함수를 채용한 자동보정 기법의 단점을 개선시킬 수 있는 장점이 있다 (Seong et al.
- 수질결과에 대한 평가는 유량평가에 비하여 호우유출에 따른 반응과 계절적 변화 등을 합리적으로 모사하고 있는지 정성적인 평가를 실시하고, Moriasi et al. (2007)이 수질항목에대해 제안한 PBIAS의 범위를 적용하였다. 다만, 대부분의 수질자료는 월 1회 수질측정으로 구축된 것으로, 각 수질측정자료는 수질측정월 전체의 평균적인 수질을 대표하기 보다는 수질채취 당시의 일시적인 수질을 나타낸다는 점을 유념해야 한다.
- 오염부하량 자료는 수질기준총량관리기술지침 (MOE, 2011)에 따라 각 행정구역별로 생활계, 축산계, 산업계, 토지계, 양식계, 매립계로 구분하여 산정된 자료를 농어촌공사로부터 구득하여 이용하였다. 새만금 유역의 행정구역별로 산정된 배출부하량 자료를 리･동단위의 소유역에 대응하여 오염부하량 자료를 적용하였다.
- 유역의 수문보정에 있어 최적의 매개변수 조합을 찾아내기 위해 SCE-UA 알고리즘을 이용한 자동보정기법 (Seong et al., 2015)을 적용하였다. HSPF-SCE 는 전역 최적해를 찾으며, 다양한 목적함수를 동일한 수준으로 만족하는 다수의 해, 즉 다수의 매개변수 그룹을 도출한다.
- 기상자료의 연속성과 자료의 완결성을 고려하여 유역내의 부안, 정읍, 전주, 군산에 위치한 기상청 기상관측소의 실측기상자료를 모델의 입력자료로 활용하였다. 잠재증발산량 (Potential evapotranspiration, PET)의 경우 Jensen-Haise 방법 (Dockter, 1994)를 적용하였고, 대상유역 내 연간 추정량이 1,020~1,380 mm의 범위를 보였다.
성능/효과
- 수질보정과 검정결과는 수질측점에 따라 다양한 양상을 보였으나, 전체적으로 강우사상에 따른 수질변화와 계절적 패턴과 연단위의 평균적 수질을 합리적으로 구현하고 있는 것으로 나타나, 구축된 모형이 새만금 유역에 적용성이 있는 것으로 판단된다. 또한 기존의 새만금 연구와의 비교에서 지점별로 차이는 있지만 유역구분을 세분화한금회 연구결과의 수문수질 재현성이 개선되거나 비슷한 수준으로 나타났다.
- 42 %로 산정되어 “아주좋음” 수준으로 나타났다. 만경대교 이외에 새만금 유역내 18개소 수질검정지점의 결과는 지점에 따라 다양한 수준으로 나타났으나, 전반적으로 구축된 모형의 적용성을 확인해 주는 것으로 나타났다. 다만, 수질보정과 비교하여 검정 측점 중에 다소 적절하지 못한 검정수준을 보여주는 몇몇 측점들이 나타났는데, 이는 본 연구에서 적용한 보･검정 측점들의 선정과 관련이 있는 것으로 생각된다.
- 모형의 검정에 이용된 만경강 유역의 말단의 만경대교 측점의 수질모의결과는 전체적으로는 만경대교의 실측치의 패턴을 합리적으로 모사하고 있는 것으로 평가되는 한편, BOD와 TN의 경우 2009년과 2010년의 겨울철 수질을 다소 과소 모의하는 결과를 보이고, TP의 경우 2012년 가을부터 2013년 봄까지의 기간에 대해 과대모의하는 것으로 확인되었다 (Fig. 7). 계산된 PBIAS의 경우 BOD, TN, TP가 각각 17.
- 모형의 보정과 검정결과 각 측점에서 호우에 따른 수질반응과 계절적 수질 변동 패턴, 그리고 연단위의 평균적 수질을 비교적 합리적으로 구현하고 있는 것으로 나타났다. Fig.
- 모형의 보정에 이용된 수질측점들로부터 계산된 통계변수의 경우, BOD 항목의 경우 일부 “적절” 수준을 벗어나는 결과를 보이기도 하지만, TN과 TP 항목의 경우는 대체적으로 “좋음”부터 “아주좋음”의 수준으로 나타났다.
- 연중 수질의 분포와 계절적 변동 등을 전체적으로 일치시키는데 주안점을 둔 수동보정결과의 경우, 본 연구결과와 시계열자료의 일부 특성만을 보여주는 통계변수들만으로 비교･평가하는 것은 한계가 있다. 본 연구의 모형 수질보정 결과 수질의 재현성이 기존의 연구들과 비슷한 수준으로, 모형에서 적용하는 자료의 정밀한 공간분포와 모형의 성능 간의 유의한 상관성을 입증하기 어려우나, 오염원의 보다 현실적인 적용을 위해 세분화된 소유역을 적용하여 구축된 모델링 시스템의 수질모의 성능인 점을 고려할 때 기존 연구결과의 모의성능 수준으로 평가된 적용성은 그 의의가 있다고 사료된다.
- 봉동 지점의 경우 R2와 NSE가 “좋음” 수준으로 계산되고, 어우보의 운영에 따른 저수위시 유량거동이 비교적 잘 모사가 되는 편이다 (Fig. 5) 하지만, 모의치가 전반적으로 실측치보다 상당수준 과소산정되는 것으로 나타났다.
- 수질결과의 경우, 수질측점에 따라 연구별 결과가 다소 상이하게 나타났으며, 수질의 재현성에 있어서 연구에 따라 뚜렷한 경향성이 보이지는 않으나 유사한 수준의 수질모의 성능을 보여주었다. 본 연구에서 공간세분화를 통해 동리별 수준의 유역오염부하량을 합리적으로 적용하였으나, 선행 연구결과와 비교하여 수질의 모의 재현성을 부분적으로 평가하는 오차통계의 정량적 향상으로 나타나지 않았다.
- 유량보･검정 결과는 봉동 지점을 제외하고, 전체적으로 “좋음”에서 “아주좋음” 수준으로 나타났다. 수질보정과 검정결과는 수질측점에 따라 다양한 양상을 보였으나, 전체적으로 강우사상에 따른 수질변화와 계절적 패턴과 연단위의 평균적 수질을 합리적으로 구현하고 있는 것으로 나타나, 구축된 모형이 새만금 유역에 적용성이 있는 것으로 판단된다. 또한 기존의 새만금 연구와의 비교에서 지점별로 차이는 있지만 유역구분을 세분화한금회 연구결과의 수문수질 재현성이 개선되거나 비슷한 수준으로 나타났다.
- 유량 모의결과의 PBIAS는 -27.6 %~6.7 %의 분포로 “아주좋음” ~ “적절” 수준을 보였으며, 월단위 유량에 대해 R2와 NSE는 대체로 0.8과 0.7 이상의 결과를 보여 “적절”이상으로 평가되어, 구축된 모형이 관측된 유량 자료를 재현하는데 적용성이 있는 것으로 평가된다.
- 유량보･검정 결과는 봉동 지점을 제외하고, 전체적으로 “좋음”에서 “아주좋음” 수준으로 나타났다.
- 다만, 수질보정과 비교하여 검정 측점 중에 다소 적절하지 못한 검정수준을 보여주는 몇몇 측점들이 나타났는데, 이는 본 연구에서 적용한 보･검정 측점들의 선정과 관련이 있는 것으로 생각된다. 즉, 본 연구에서 수질보정과 검정을 동일한 기간에 대해 실시하고, 다만 보정과 검정을 위한 측점을 적절하게 선택하여 진행한 수질 보･검정 방법의 기본가정은 측점들의 배후유역의 수질특성이 동일하다는 것이나, 실제 유역의 수질특성은 수문특성에 비해 오염물질의 분포와 유입특성이 유역의 위치에 따라 그 변동의 크기가 상대적으로 크다는 것을 보여준다고 볼 수 있다. 따라서 향후 수질 보･검정의 경우 자료의 기간이 충분한 경우 동일한 측점에서 기간을 나누어 보･검정을 실시하는 방법이 수질현상의 공간변화에 따른 특성을 구현하기에 가장 적절하다고 판단된다.
- 또한, 본 연구에서 적용한 자동보정의 적용시 목적 함수는 NSE가 아닌 평균유량, 고유량, 저유량을 동시에 고려하고 최종적으로 정성적 판단을 통해 매개변수들이 선정되는 과정에 의해 수동보정을 실시한 선행 연구 대비 일부 유량측점들에서 수문 보정결과가 향상된 것으로 사료 된다. 한편, 기존의 두 연구에서의 오차 통계의 산출은 연도별로 계산된 NSE값들을 평균한 것으로, 본 연구에서 적용한 2009년부터 2013년까지의 5년 동안의 연속적인 유량평가와는 상이한 점이 있으며, 본 연구에서 적용한 방법이 다양한 수문사상을 포함한 장기간의 모의기간에 대한 적용성을 반영하는데 비교적 합리적이라 판단된다.
- 한편, 목적함수로 이용된 저유량 (Low50 error)과 고유량(High10 error)에 대한 지표들 중에 저유량이 상대적으로 많은 오차를 보였는데, 봉동지점을 제외하면 저유량이 과대산정되는 것으로 나타났다. 이는 모형의 구성시 저수지로부터의 관개량, 관개회귀용수 등이 과대추정되어 발생했을 가능성을 시사한다.
- 한편, 본 연구에서 적용한 모형의 보정과 검정에 대해 동일한 기간을 적용하고, 유역수문현상의 특성이 비슷한 상류 및 하류에 위치한 측정지점들을 각각 모형의 보정과 검정에 이용한 방법은 새만금 유역처럼 유역의 측점이 비교적 많은 편이지만, 가용한 수문자료의 기간이 홍수년, 평수년, 저수년 등을 포함할 수 있도록 충분히 길지 않을 경우 적용이 가능한 방법으로 모형의 신뢰성을 장기간에 대해 확보함과 동시에 모형의 보정과 검정을 실시할 수 있는 유용한 방법으로 판단된다.
후속연구
- 더불어 연구에 따라 이용한 유역자료 등이 다소 상이할 수 있고 모형에서 고려한 수문･수질 기작이 다르며, 무엇보다도 연구의 목적과 과정이 각 연구마다 상이할 수 있기 때문에, 모의결과에 대해 다른 연구결과 대비 오차비교 등의 정량적･직접적으로 비교하는 것은 한계가 있다. 이에 모델링 구축 기술 및 시스템의 성능의 합리적 비교평가를 위해서는 다양한 관점에서 신중한 정성적 평가가 고려되어야한다.
- 예로 오염원 산정단위의 소유역 구분을 통해 세분화된 공간적 계산단위를 적용한 본 연구의 시도는 기존의 일반적 모델링에서 소유역 구분과 상이한 오염부하량 산정단위를 고려하는 과정에서 소유역에 리･동편입비를 적용하여 소유역별 오염부하량을 재계산하는 과정의 불확실성을 해소할 수 있을 것이다. 더불어 제안된 모델링 프레임웍은 향후 유역 오염원, 수자원 운영 등에 관한 정밀 자료 확보 시 이를 고려하는 고도화된 수문･수질 모델링 개발 및 구축에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 즉, 본 연구에서 수질보정과 검정을 동일한 기간에 대해 실시하고, 다만 보정과 검정을 위한 측점을 적절하게 선택하여 진행한 수질 보･검정 방법의 기본가정은 측점들의 배후유역의 수질특성이 동일하다는 것이나, 실제 유역의 수질특성은 수문특성에 비해 오염물질의 분포와 유입특성이 유역의 위치에 따라 그 변동의 크기가 상대적으로 크다는 것을 보여준다고 볼 수 있다. 따라서 향후 수질 보･검정의 경우 자료의 기간이 충분한 경우 동일한 측점에서 기간을 나누어 보･검정을 실시하는 방법이 수질현상의 공간변화에 따른 특성을 구현하기에 가장 적절하다고 판단된다. 자료기간을 충분히 확보하지 못할 경우에는 관측된 측점수질자료들 간의 상관관계 등을 선행분석하고 수질특성이 유사하다고 판단되는 수질측점들에 대해 보정과 검정을 실시하는 방법이 합리적인 것으로 판단된다.
- 수질결과의 경우, 수질측점에 따라 연구별 결과가 다소 상이하게 나타났으며, 수질의 재현성에 있어서 연구에 따라 뚜렷한 경향성이 보이지는 않으나 유사한 수준의 수질모의 성능을 보여주었다. 본 연구에서 공간세분화를 통해 동리별 수준의 유역오염부하량을 합리적으로 적용하였으나, 선행 연구결과와 비교하여 수질의 모의 재현성을 부분적으로 평가하는 오차통계의 정량적 향상으로 나타나지 않았다. 연중 수질의 분포와 계절적 변동 등을 전체적으로 일치시키는데 주안점을 둔 수동보정결과의 경우, 본 연구결과와 시계열자료의 일부 특성만을 보여주는 통계변수들만으로 비교･평가하는 것은 한계가 있다.
- 본 연구에서 구축된 모델링 시스템은 소유역별 자료를 현실적으로 고려할 수 있기에 유역의 특정한 공간에 대한 토지이용이나 시비량 등에 관한 시나리오의 정밀한 평가를 가능하게 하는 시도로서 그 의의가 크다. 예로 오염원 산정단위의 소유역 구분을 통해 세분화된 공간적 계산단위를 적용한 본 연구의 시도는 기존의 일반적 모델링에서 소유역 구분과 상이한 오염부하량 산정단위를 고려하는 과정에서 소유역에 리･동편입비를 적용하여 소유역별 오염부하량을 재계산하는 과정의 불확실성을 해소할 수 있을 것이다. 더불어 제안된 모델링 프레임웍은 향후 유역 오염원, 수자원 운영 등에 관한 정밀 자료 확보 시 이를 고려하는 고도화된 수문･수질 모델링 개발 및 구축에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 각 용수간선으로 취입된 농업용수가 관개시설망을 통해 각 농경지로 전달되는 것을 모의하기 위해 농업용수간선의 배수구역을 각 소유역의 면적별로 할당하고, 용수간선에 취입된 용수가 면적에 비례하여 배분된다고 가정하였다. 이는 향후 용수간선 중간 지점들의 통수문 자료가 추가적으로 확보된다면 추후 정밀한 농업용수 공급량의 산정이 가능하다고 판단된다.
- 로, 모형구성상 소유역의 구분이 행정리와 비교적 일치함에 비해, 하류유역으로 갈수록 행정리의 경계는 분수령, 도로, 수로, 경지정리구간의 경계 등으로 구성됨에 따라 수치표고모형과 농경지의 배수로 등을 고려하여 유수흐름을 합리적으로 반영할 수 있도록 행정리를 더욱 세분화하는 수준으로 소유 역을 구성하였기 때문이다. 한편, 하류부 구간에 대해 한정된 자료들을 바탕으로 최대한 합리적으로 유역구분을 시도한 가운데, 새만금 유역의 경우 용수로와 배수로가 통합되어 사용되는 등 복잡한 용･배수 체계로 인한 유역변경 등이 잠재하며,정밀한 유역모델링을 위해서 추후 현장조사를 통한 보완이 필요할 것으로 판단된다.
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