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문제 정의
- 본 고에서는 농어촌공사 농어촌연구원(2016)에서 수행한 오염원 산정단위를 고려할 수 있는 충분한 공간 해상도를 적용하고, 새만금 간척농지의 용수체계를 고려한 유역의 여건변화에 따른 오염부하량 평가를 위한 최신의 새만금 유역 수질모델링 체계에 대해 소개하고자 한다.
가설 설정
- 주요 농업용수간선의 관개용수 공급을 모델링에서 구현하기 위해 만경강 어우보, 익산도수로, 옥구도수로, 동진강 낙양보, 동진강 도수로 유입량의 일별 취입 및 유입량 자료를 구축하고, 용수간선으로 유입된 용수가 각 농경지로 전달되는 방식으로 모의하였다. 이를 위해 각 농업용수간선의 배수구역을 소유역별로 할당하여 구분하고, 용수간선에 취입된 용수가 동일하게 배분된다고 가정하고 농업용수를 배분하여 입력하는 방식을 적용하였다.
- 각 저수지별 용수구역을 소유역별로 구분하여 동일한 양의 관개용수를 공급해주는 방식으로 모델링하였다. 저수지 취수량은 논 필지에서의 필요수량 산정결과를 바탕으로 각 저수지별 용수구역 면적을 적용하여 계산하였으며, 필지에 공급된 관개용수 중 증발산에 의해 소비되지 않고 하천으로 다시 유입되는 관개회귀율은 50%로 가정하여 고려하였다. 추후 새만금 유역의 회귀수량을 산정할 필요가 있는 부분이다.
- 홍수시 방류유량은 여수로를 통한 월류유량으로 가정하였고, 여수로 높이는 제당높이의 80%로 가정하여 월류가 발생하는 것으로 모의되었다. 보에서의 유량은 관개기 농업용수 취입량, 평상시 어도유량(또는 하천유지유량), 호우 시 월류유량으로 구분할 수 있는데, 관개기(4월~9월)에 대해서 조사된 농업용수 취수량을 적용하였다.
제안 방법
- 각 저수지별 용수구역을 소유역별로 구분하여 동일한 양의 관개용수를 공급해주는 방식으로 모델링하였다.
- 승수로는 배후유역의 배수유량을 새만금호로 직접 배제함으로써 조성된 농생명용지로 배후유역의 유량이 유입되지 않도록 하기 위한 시설로서, 이러한 승수로의 기능을 모델링에 구현하였다. 농지조성구간에 관개용수는 새만금호에서 취수한 용수를 공급하는 것으로 모델링을 구성하였다. 조성되고 있는 농생명용지 구간의 수질모델링을 위한 소유역은 현재 공사 중인 각 공구의 경계와 승수로의 경계로 구분하였다.
- 한편, 수질보정의 경우에는 보통 한달에 한번이라는 관측빈도를 지닌 수질측정자료는 자동보정을 적용하기에는 그 개수가 절대적으로 부족하고 현실적으로 유의미한 결과를 얻기에 무리가 있는 것으로 평가된다. 따라서, 각 소유역으로 부터의 유입부하, 점오염 부하, 비점오염 부하 등에 의한 물질수지의 균형을 고려하면서 계절 및 호우에 따른 수질패턴 등을 함께 고려하면서 수동보정방법을 적용하였다. 수질보정은 온도, DO, BOD, TN, TP의 수질항목에 대해 실시하였고, KBOD20, REAK, KODSET, KTAM20, KNO320, PHYSET, ALR20, MALGR 등 주요 수질 매개변수들을 조정하면서 진행하였다.
- 홍수시 방류유량은 여수로를 통한 월류유량으로 가정하였고, 여수로 높이는 제당높이의 80%로 가정하여 월류가 발생하는 것으로 모의되었다. 보에서의 유량은 관개기 농업용수 취입량, 평상시 어도유량(또는 하천유지유량), 호우 시 월류유량으로 구분할 수 있는데, 관개기(4월~9월)에 대해서 조사된 농업용수 취수량을 적용하였다. 보의 어도유량은 “농업용 수리구조물 표준도 개발(어도편 해설집)”(농림부, 2004)를 기반으로 어도폭을 적용하여 추정하였고, 호우시 보를 통한 월류는 보의 높이 이상에서 발생하는 것으로 계산하였다.
- FTABLE은 소유역을 흐르는 하천의 제원을 설정해주는 부분으로 일반적으로 해당 하천의 수위-수면적-수체적-유량(depth-area-volume-outflow) 관계가 정의된다. 보와 저수지의 경우 FTABLE 중 수위-유량 부분에서 구조물의 제원을 반영해주었으며, 보와 저수지에서의 수위에 따른 물의 저류효과를 제한된 자료를 바탕으로 합리적으로 구축하였다.
- 보의 어도유량은 “농업용 수리구조물 표준도 개발(어도편 해설집)”(농림부, 2004)를 기반으로 어도폭을 적용하여 추정하였고, 호우시 보를 통한 월류는 보의 높이 이상에서 발생하는 것으로 계산하였다.
- 수질보정은 온도, DO, BOD, TN, TP의 수질항목에 대해 실시하였고, KBOD20, REAK, KODSET, KTAM20, KNO320, PHYSET, ALR20, MALGR 등 주요 수질 매개변수들을 조정하면서 진행하였다. 보정을 위한 측점으로 가급적 2009년부터 2013년의 5개년을 다 포함하는 지점을 적용하였고, 검정의 경우 일부 누락기간이 존재하는 측점을 이용하였다. 수질보정은 만경강 유역 6개소와 동진강 유역 6개소의 총 12개소에 대해 실시하였고, 수질검정은 총 18개소(만경 10개소, 동진 8개소)를 적용하였다.
- , 2015)을 적용하였다. 선행연구의 민감도 분석 및 전문가적 경험과 판단을 바탕으로, LZSN, UZSN, INFILT, AGWRC, DEEPFR, BASETP, AGWETP, IRC, INTFW, INTERCEP, LZETP 의 총 11개 매개변수를 자동보정기법을 적용하여 추정하였으며 나머지 매개변수들은 모형의 기본값 및 선행연구들의 값을 적용하였다. 매개변수 탐색을 위한 범위는 US EPA BASINS Technical Note 6 (USEPA, 2001)에 제시된 기준을 이용하였고 목적함수로는 총유량편차(Absolute error of daily flow), 하위50%유량편차(Absolute error of 50% lowest flows exceedance), 상위10%유량편차(Absolute error of 10% highest flows exceedance), 계절유량편차(Absolute error of seasonal volume) 을 조합한 목적함수를 적용하였다.
- 따라서, 각 소유역으로 부터의 유입부하, 점오염 부하, 비점오염 부하 등에 의한 물질수지의 균형을 고려하면서 계절 및 호우에 따른 수질패턴 등을 함께 고려하면서 수동보정방법을 적용하였다. 수질보정은 온도, DO, BOD, TN, TP의 수질항목에 대해 실시하였고, KBOD20, REAK, KODSET, KTAM20, KNO320, PHYSET, ALR20, MALGR 등 주요 수질 매개변수들을 조정하면서 진행하였다. 보정을 위한 측점으로 가급적 2009년부터 2013년의 5개년을 다 포함하는 지점을 적용하였고, 검정의 경우 일부 누락기간이 존재하는 측점을 이용하였다.
- 승수로는 배후유역의 배수유량을 새만금호로 직접 배제함으로써 조성된 농생명용지로 배후유역의 유량이 유입되지 않도록 하기 위한 시설로서, 이러한 승수로의 기능을 모델링에 구현하였다.
- 유역모델링을 위해 새만금 유역에서 그 적용성이 인정된 Hydrological Simulation Program – Fortran(HSPF)를 적용하였고, 서브모델들을 도입하여 모형 구동을 효과적으로 실시하도록 하였다.
- 이에 농어촌공사 농어촌연구원(2016)에서는 오염부하량 산정단위인 리· 동단위 수준으로 소유역을 세분화하여 구분하고자 하였다. 이를 위해 수자원단위유역을 기본으로 하여 새만금 유역을 총 17개의 서브모델(sub-model)로 구성하고, 총 805개의 소유역으로 구분하였다(그림 1과 표 1). 유역모델링을 위해 새만금 유역에서 그 적용성이 인정된 Hydrological Simulation Program – Fortran(HSPF)를 적용하였고, 서브모델들을 도입하여 모형 구동을 효과적으로 실시하도록 하였다.
- 이용된 자동보정시스템은 목적함수의 최고치를 기록한 한 개의 매개변수 셋을 결과로 보여주기 보다는 목적함수를 최적화하는 다수의 매개변수 셋(Pareto)을 제시하는데, 매개변수 셋으로부터 모델러가 계산된 통계변수와 시각화된 시계열자료를 종합적으로 검토하여 최종 매개변수셋을 결정하는 방식을 적용하였다. 최적화된 60개 매개변수 셋 중에서 시각적 평가와 통계적 평가를 통하여 각 서브모델을 보정하였으며, 이러한 방법은 기계적 최적화방식의 단점을 모델러의 경험과 판단으로 보완하여 합리적이면서도 최적의 보정결과에 대한 보장한다.
- 저수지 모의를 위해 취수탑을 통한 관개기 농업용수 공급량과 홍수 시 방류유량으로 구분하여 저수지 유량을 구현하였다. 저수지로부터의 공급량은 수혜면적에 따라 일정량을 관개기(4월~9월)에 농업용수를 공급하는 것으로 모의하였고, 한국농어촌공사의 저수지별 관개면적 자료를 바탕으로 저수지별 관개량을 계산하였다.
- 저수지 모의를 위해 취수탑을 통한 관개기 농업용수 공급량과 홍수 시 방류유량으로 구분하여 저수지 유량을 구현하였다. 저수지로부터의 공급량은 수혜면적에 따라 일정량을 관개기(4월~9월)에 농업용수를 공급하는 것으로 모의하였고, 한국농어촌공사의 저수지별 관개면적 자료를 바탕으로 저수지별 관개량을 계산하였다. 각 저수지별 용수구역을 소유역별로 구분하여 동일한 양의 관개용수를 공급해주는 방식으로 모델링하였다.
- 주요 농업용수간선의 관개용수 공급을 모델링에서 구현하기 위해 만경강 어우보, 익산도수로, 옥구도수로, 동진강 낙양보, 동진강 도수로 유입량의 일별 취입 및 유입량 자료를 구축하고, 용수간선으로 유입된 용수가 각 농경지로 전달되는 방식으로 모의하였다.
- 한편, R1 ∼ R3 의 서브모델로 구성된 새만금 간척농업용지 구간의 소유역을 구분하기 위해서 새만금 간척용지 내부개발계획 자료를 바탕으로 승수로와 배수로를 고려하였다.
대상 데이터
- 보정을 위한 측점으로 가급적 2009년부터 2013년의 5개년을 다 포함하는 지점을 적용하였고, 검정의 경우 일부 누락기간이 존재하는 측점을 이용하였다. 수질보정은 만경강 유역 6개소와 동진강 유역 6개소의 총 12개소에 대해 실시하였고, 수질검정은 총 18개소(만경 10개소, 동진 8개소)를 적용하였다.
- 또한 고산정수장과 칠보정수장에서 취수되어 전주, 군산, 정읍의 생활용수로 공급되는 부분을 고려하였다. 이들 자료들은 농어촌공사로부터 제공된 2005년부터 2013년까지 해당 수로 및 정수장 일단위 유량자료를 적용하였다.
이론/모형
- 선행연구의 민감도 분석 및 전문가적 경험과 판단을 바탕으로, LZSN, UZSN, INFILT, AGWRC, DEEPFR, BASETP, AGWETP, IRC, INTFW, INTERCEP, LZETP 의 총 11개 매개변수를 자동보정기법을 적용하여 추정하였으며 나머지 매개변수들은 모형의 기본값 및 선행연구들의 값을 적용하였다. 매개변수 탐색을 위한 범위는 US EPA BASINS Technical Note 6 (USEPA, 2001)에 제시된 기준을 이용하였고 목적함수로는 총유량편차(Absolute error of daily flow), 하위50%유량편차(Absolute error of 50% lowest flows exceedance), 상위10%유량편차(Absolute error of 10% highest flows exceedance), 계절유량편차(Absolute error of seasonal volume) 을 조합한 목적함수를 적용하였다. 이는 전체유량과 고유량과 저유량시의 수문특성을 모두 평가할 수 있는 기법으로, 단일 목적함수를 채용한 자동보정기법의 단점을 개선시킬 수 있는 장점이 있다(Seong et al.
- 유역의 수문보정에 있어 최적의 매개변수 조합을 찾아내기 위해서 SCE-UA 알고리즘을 이용한 자동보정기법(Seong et al., 2015)을 적용하였다. 선행연구의 민감도 분석 및 전문가적 경험과 판단을 바탕으로, LZSN, UZSN, INFILT, AGWRC, DEEPFR, BASETP, AGWETP, IRC, INTFW, INTERCEP, LZETP 의 총 11개 매개변수를 자동보정기법을 적용하여 추정하였으며 나머지 매개변수들은 모형의 기본값 및 선행연구들의 값을 적용하였다.
성능/효과
- 농생명용지에서 발생한 비점오염의 완화를 위해 계획된 환경생태용지는 습지처리를 통하여 농생명용지의 발생부하를 줄이는 역할을 하게 되며 새만금 수질모델링에서는 습지모델링에 자주 이용되는 일차반응모형을 적용하여 구현하였다. 결과적으로 농업용지 조성구간은 총 15개 소유역으로 세분화하여 새만금 유역수질모델링에 구축되었다.
- 구축된 새만금 유역수질모형의 유량보· 검정 결과는 모든 측점들에서 대체적으로 “적절” 이상의 수준을 나타내는 것으로 평가되었고, 대부분의 유량측점들에서 기존의 연구들보다 좋은 성과를 얻는 것으로 나타났다.
- 그림 2의 예와 같이, 각 서브모델은 리· 동단위 수준의 소유역으로 구성되어 있으며 리· 동단위 경계는 유역 상류에서는 보통 분수령을 기준으로 설정되어 모형구성상 유수의 흐름을 정의하는 것이 용이하였지만, 하류유역으로 갈수록 행정리의 경계는 분수령, 도로, 수로, 경지정리구간의 경계 등으로 구성됨에 따라 수치표고모형과 농경지의 배수로 등을 고려하여 유수흐름을 반영할 수 있도록 행정리 구간을 더욱 세분화하는 방식으로 소유역을 구성하였다. 최종으로 구성된 새만금유역의 소유역 개수는 총 805개로 새만금 유역내 행정리 739개보다 많은 수준으로 구분하였다(표 1).
- 한편, 수질보· 검정 결과 각 수질측점에서 강우-유출에 따른 수질반응과 수질의 계절적 변동, 연 단위 평균수질변화 등이 비교적 합리적으로 구현되는 것으로 나타났다(그림 6).
후속연구
- 새만금호의 수질관리는 새만금사업의 성패를 좌우하는 척도로 인식되고 있는 상황에서 유역의 환경 관리기반 구축을 위한 수문· 수질모델링은 중요한 과제라 할 것이다. 더불어 장기간의 유역자료의 구축을 통한 수질모델링 체계의 지속적인 개선과 유지관리가 지속될 때 성공적인 새만금호의 관리가 이루어질 수 있을 것이다. 기존의 구축된 새만금 수질모델링 시스템에 있어 본 연구를 수행하면서 고찰한 향후 보완이 필요한 이슈들은 다음과 같다.
- 따라서 이러한 모델링 프레임웍은 향후 유역 오염원, 수자원 운영 등에 관한 정밀 자료 확보 시 이를 고려하는 고도화된 수문· 수질 모델링 개발 및 구축에 적용될 수 있는 사례로 참고될 것으로 판단된다.
- 다만, 평탄한 지형의 경우 유역경계와 행정경계가 서로 다른 경우가 다수이므로 만경 및 동진강의 하류부에서의 소유역 구분을 평상시 및 홍수 시 등을 포함한 현장조사를 통해 확인할 필요가 있을 것으로 판단된다. 또한, 일정규모 이상의 저수지와 보들이 고려되었지만, 보다 정밀한 유역모델링을 위해서는 유역 내 존재하는 구조물들에 대해 정밀한 수준의 자료를 구축하기 위해서 추후 저수지별 룰커브(Rule curve), 수위-내용적 관계, 월류높이, 관개량자료와 보별 어도제원, 운영에 관한 자료의 지속적인 구축 및 적용이 필요하다.
- 세밀한 소유역 구분은 정밀한 수준의 유역수질모델링을 가능하게 할 것으로 판단된다. 다만, 평탄한 지형의 경우 유역경계와 행정경계가 서로 다른 경우가 다수이므로 만경 및 동진강의 하류부에서의 소유역 구분을 평상시 및 홍수 시 등을 포함한 현장조사를 통해 확인할 필요가 있을 것으로 판단된다.
- 수질항목의 합리적인 보· 검정을 위해서 인접한 수질관측소의 수질측정자료간의 상관성 분석이 선행되어야 할 것으로 판단된다.
- 새만금 유역은 수질· 수생태 환경에 대한 취약성이 비교적 높은 것으로 평가되며 개발과 환경에 대한 관심이 높은 지역이다. 앞으로도 관련한 정책을 수반하여 체계적인 유역 모니터링 강화와 정밀모델링 구축 및 보완을 통해 지속적인 유역 관리가 이루어져야 새만금 사업의 청사진을 현실화 할 수 있을 것으로 사료된다.
- 용수간선의 경우 현재 용수간선의 모든 관개지역에 동일한 용수공급이 이루어지는 것으로 모의되고 있으나, 향후 주요 지점별 통수량 자료의 구축과 분석을 통해 용수간선에서의 농업용수의 배분에 대한 더욱 합리적인 방법의 모색이 가능할 것으로 판단된다.
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