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문제 정의
- 본 연구에서는 2014~2015 장기가뭄을 고려한 안성천 공도유역의 SWAT 수문매개변수 보정 연구결과 (Kim et al., 2017)를 이용하여, 동일 가뭄기간의 SS (Suspended Solid), T-N (Total Nitrogen), T-P (Total Phosphorus) 등 하천수질 보정에 있어, 수질관련 주요 매개변수들의 결정과 더불어 이 매개변수들의 거동 및 의미를 파악하고자 한다. Fig.
- SWAT 모형은 기본적인 비점오염원 모의를 기본적으로 포함하고 있다. 본 연구에서는 모형 내에서 비점오염뿐만 아니라 점오염원에 대한 고려를 위해 유역 내 위치하고 있는 안성하수종말처리장에 대한 점원 및 비점오염원 자료를 구축하였다. 점오염원 자료로서 안성하수종말처리장 (Table 1)의 일 단위 배출량 (m3 /day) 자료를 사용하였다.
- 본 연구에서는 안성천 공도유역을 대상으로, SWAT모델 에 의한 SS, T-N, T-P의 하천수질 보정에 있어, 2014~2015 장기가뭄을 고려한 수질관련 주요 매개변수들의 결정과 더불어 이 매개변수들의 거동 및 의미를 파악하고자 하였다
제안 방법
- SWAT 모형은 유역의 서로 다른 표면특성을 반영할 수 있도록 대상유역을 몇 개의 소유역 (Subbasin)으로 나누고, 소유 역 내에서 유사한 특성을 나타내는 수문반응단위 (Hydrologic Response Unit, HRU)로 세분화된다. 전체적인 모의는 유역부분과 수체부분으로 나누어 실시되는데, 유역에서는 각 HRU 에서 물수지식에 따라 강우량, 지하수로의 침투량, 증발산량 그리고 지표면유출량을 산정한다. 토양침식은 MUSLE (Modified Universal Soil Loss Equation)에 의하여 계산되며, 인, 질소와 같은 유기성 화학물질의 이동량을 모의할 수 있다.
- (2011) 에서 찾아볼 수 있다. 특히, 영양물질인 질소의 모의에 있어서 문헌들을 참고하여 관련매개변수 중 CMN 및 N_UPDIS 을 기후특성에 맞도록 고려하여 모의하였으며 이론은 다음과 같다.
- SWAT 모형 구동을 위하여 공간자료로는 NGIS (National Geography Institute System)의 1:5,000 수치지도로부터의 검수과정을 거쳐 격자크기 30 m의 DEM (Digital Elevation Model)을 제작하여 적용하였다. 토지이용도는 2008년 WAMIS (Water Resources Management Information System)에서 제공하는 중분류 토지이용 항목에 대하여 SWAT 모형에 적용하였으며, 토양도는 농촌진흥청(Rural Development Administration)에서 제공하는 1:25,000을 적용하였다.
- 본 연구에서 선정한 수질 (SS, T-N, 및 T-P)관련 매개변수들은 기존의 수질에 대한 연구들에서 사용된 매개변수들을 중심으로 선정하였으며, 이들 매개변수들의 민감도 분석결과는 Table 2 및 Fig. 4와 같다. RAMMO_SUB은 대기로부터 침착되는 암모니아의 양, RCN_SUB은 대기침착 질산염의 양, CH_COV2는 하천피복인자로서 0값은 완전피복, 1값은 피복이 없는 것을 나타낸다.
- 수질 매개변수들의 민감도 분석결과를 토대로, 총 14개년 (2002~2015년)동안의 8일 간격 수질 측정자료를 이용하여 SS, T-N, T-P를 보정하였으며, 검보정에 대한 기간은 해당유역의 연평균 강수량 및 유출량에 따라 평균기간 (2002~2006 년, 5년)과 평균이하 기간 즉 가뭄기간 (2014~2015년, 2년)으 로 나누어 각각 검보정을 실시하였다 (Kim et al., 2017). 보정 결과에 따른 모형의 적합성과 상관성을 판단하기 위한 목적 함수로는 결정계수 (Coefficient of determination, R2 )와 Nash and Sutcliffe (1970)가 제안한 모형효율성계수 (Nash-Sutcliffe efficiency, NSE)를 활용하였다.
- 다음으로 가뭄년인 2014~2015년의 수질 측정자료를 대상으로 보정을 한 후, 나머지 기간 (2002~2013년)에 대하여 검증을 시도하였다. 이 과정에서, 특히 가뭄이 고려되어 보정된매개변수들은 질소이동과 관련된 N_UPDIS (질산염의 흡수를 분포시키는 매개변수), CMN (질산염의 무기화에 대한 비율을 조절하는 매개변수)이다.
대상 데이터
- 본 연구의 대상 유역은 안성천의 공도 수위관측소를 유역 출구로 하는 상류유역 (366.5 km²)이다 (Fig. 2).
- 토지이용도는 2008년 WAMIS (Water Resources Management Information System)에서 제공하는 중분류 토지이용 항목에 대하여 SWAT 모형에 적용하였으며, 토양도는 농촌진흥청(Rural Development Administration)에서 제공하는 1:25,000을 적용하였다. 모형의 수문 모의를 위하여 공도수위관측소의 14년 (2002~2015) 동안의 유출량 자료를 이용하였고, 수질모의를 위한 자료로는 환경부 물환경정보시스템 (http://water.nier. go.kr)에서 안성천2 수질관측소의 14년 (2002~2015년) 동안의 8일 간격 부유사, 총 질소, 총 인 측정 자료를 이용하였다. 수문관련 모의내용은 Kim et al.
- 본 연구에서는 모형 내에서 비점오염뿐만 아니라 점오염원에 대한 고려를 위해 유역 내 위치하고 있는 안성하수종말처리장에 대한 점원 및 비점오염원 자료를 구축하였다. 점오염원 자료로서 안성하수종말처리장 (Table 1)의 일 단위 배출량 (m3 /day) 자료를 사용하였다.
- 총 14년 (2002~2015년)동안의 8일 간격 수질 측정자료 (SS, T-N, T-P)를 이용하여, 2002~2006 (평년)을 대상으로 한 보정과 2014~2015 (가뭄년)를 대상으로 한 SWAT 매개변수 보정을 각각 실시하였다. 그 결과, SS, T-N, T-P의 R2 는 평년 2002~2006년의 보정에 대하여는 각각 0.
이론/모형
- 세 개의 저류조는 인의 유기형태인 반면, 다른 세 개의 저류조는 인의 무기형태이다. SWAT에서 질소와 인의 영양물질 추적을 위해 사용되는 하천내 동역학은 QUAL2E (Brown and Barnwell, 1987)로부터 채택되었다. 이는 토양입자에 붙어 있는 영양물질이 지표면 유출로 이송된 후, 하천 내에서 융해되거나 유사에 부착된 영양물질을 추적하게 된다.
- SWAT 모형 구동을 위하여 공간자료로는 NGIS (National Geography Institute System)의 1:5,000 수치지도로부터의 검수과정을 거쳐 격자크기 30 m의 DEM (Digital Elevation Model)을 제작하여 적용하였다. 토지이용도는 2008년 WAMIS (Water Resources Management Information System)에서 제공하는 중분류 토지이용 항목에 대하여 SWAT 모형에 적용하였으며, 토양도는 농촌진흥청(Rural Development Administration)에서 제공하는 1:25,000을 적용하였다. 모형의 수문 모의를 위하여 공도수위관측소의 14년 (2002~2015) 동안의 유출량 자료를 이용하였고, 수질모의를 위한 자료로는 환경부 물환경정보시스템 (http://water.
- kr)에서 안성천2 수질관측소의 14년 (2002~2015년) 동안의 8일 간격 부유사, 총 질소, 총 인 측정 자료를 이용하였다. 수문관련 모의내용은 Kim et al. (2017)의 논문을 인용하였다 (Fig. 1).
- , 2017). 보정 결과에 따른 모형의 적합성과 상관성을 판단하기 위한 목적 함수로는 결정계수 (Coefficient of determination, R2 )와 Nash and Sutcliffe (1970)가 제안한 모형효율성계수 (Nash-Sutcliffe efficiency, NSE)를 활용하였다. 우선, 2002~2006년 (평년) 의 5년 동안의 측정자료를 활용하여 수질보정을 한 최종 매개 변수들은 Table 3에서 정리하였으며, SS, T-N, T-P에 대한 검보정 결과를 정리하면, Table 4, Table 5 및 Fig.
성능/효과
- 민감도 분석결과, SS는 LAT_SED가 가장 민감한 매개 변수로서, 값을 증가시킬수록 SS 배출량이 증가하였으며,CH_COV2는 값을 늘릴수록 SS 배출량이 감소하였다. T-N 은 LAT_ORGN이 가장 민감한 매개변수로서, LAT_ORGN, NPERCO, RCN_SUB의 경우는 모두 값을 늘릴수록 T-N의 배출이 증가하였으며, CMN, N_UPDIS, RAMMO_SUB은 값을 줄일수록 T-N이 줄어드는 매개변수들이었다. T-P의 매개변수로는 LAT_ORGP, GWSOLP가 값을 증가시킬수록 T-P의 배출이 증가하는 것을 알 수 있었다.
- T-N 은 LAT_ORGN이 가장 민감한 매개변수로서, LAT_ORGN, NPERCO, RCN_SUB의 경우는 모두 값을 늘릴수록 T-N의 배출이 증가하였으며, CMN, N_UPDIS, RAMMO_SUB은 값을 줄일수록 T-N이 줄어드는 매개변수들이었다. T-P의 매개변수로는 LAT_ORGP, GWSOLP가 값을 증가시킬수록 T-P의 배출이 증가하는 것을 알 수 있었다.
- 특히 가뭄년의 특징을 고려한 매개변수들은 질소이동과 관련된 N_UPDIS (질산염의 흡수를 분포시키는 매개변수), CMN (질산염의 무기화에 대한 비율을 조절하는 매개변수)으로서, 평년의 매개변수들보다 N_UPDIS는 4배, CMN은 10배 각각 크게 보정되어, 가뭄 시에는 토양의 재습윤 (rewetting) 의 과정에서 식물이 질소를 더 많이 흡수하려는 경향을 보이는 것을 반영한 것으로 나타났다.
- 2014~2015년 (가뭄년)의 2년 동안의 측정 자료를 활용한 수질 검보정 결과는 Table 5와 Table 6에서 볼 수 있다. Table5에서 보는 바와 같이, SS, T-N, T-P에 대한 보정 R2 는 각각 0.84, 0.77, 0.60으로, 2002~2006년 (평년) 보정시의 2014~2015년 검정 R2 0.76, 0.69, 0.54보다는 더 좋은 양상을 보였으며, 전체기간의 R2 가 각각 0.71, 0.65, 0.62로 NSE는 0.76, 0.77, 0.87로 향상된 것을 알 수 있다. Table 6에서도 보듯이, 측정 결과와의 월별 비교에서도 가뭄년을 대상으로 한 SS, T-N, T-P의 보정결과도 향상된 것을 알 수 있다.
- (2017)의 연구에 의하면, 가뭄 시 특히 첨두유출 SCS-CN, 포화투수계수 SOL_K, 토양층의 기울기 SLSOIL 등이 수문순환에 영향을 받는 매개변수들이 었다. 이들 수문 매개변수의 변화가 SS와 T-P의 모의에도 영향을 주기 때문에, 결론적으로 가뭄을 고려한 수문순환의 보정은 SS와 T-P의 이동기작에 중요한 역할을 하였다. 하지만, T-N의 경우 이동기작이 SS와 T-P와는 다른 형태로 이동하기 때문에 이에 기후의 특성을 반영하여 매개변수의 조정이 중요한 것으로 판단된다.
- 총 14년 (2002~2015년)동안의 8일 간격 수질 측정자료 (SS, T-N, T-P)를 이용하여, 2002~2006 (평년)을 대상으로 한 보정과 2014~2015 (가뭄년)를 대상으로 한 SWAT 매개변수 보정을 각각 실시하였다. 그 결과, SS, T-N, T-P의 R2 는 평년 2002~2006년의 보정에 대하여는 각각 0.63, 0.58, 0.50, NSE에 대해서는 각각 0.65, 0.74, 0.53으로 나타났으며, 가뭄년 2014~2015년의 보정에 대해서는 R2 가 각각 0.71, 0.65, 0.62로, NSE가 0.76, 0.77, 0.87로 향상 보정되었다.
- 민감도 분석결과, SS는 LAT_SED가 가장 민감한 매개 변수로서, 값을 증가시킬수록 SS 배출량이 증가하였으며,CH_COV2는 값을 늘릴수록 SS 배출량이 감소하였다. T-N 은 LAT_ORGN이 가장 민감한 매개변수로서, LAT_ORGN, NPERCO, RCN_SUB의 경우는 모두 값을 늘릴수록 T-N의 배출이 증가하였으며, CMN, N_UPDIS, RAMMO_SUB은 값을 줄일수록 T-N이 줄어드는 매개변수들이었다.
후속연구
- 건기일수의 증가는 토양수분을 고갈시키며 건조해진 토양은 강우 시 지표유출로 인한 토양유실을 보다 쉽게 발생시키기 때문에 유실되는 부유물질의 농도에 상당한 영향을 준다. 이에 따라 SWAT모델의 검보정시에는 가뭄과 같은 극한 기후에 대하여 수문 매개변수와 더불어 수질매개변수를 조정할 때 가뭄 시에 영향을 받는 토양의 투수계수 변화, 토양건조, 식물의 흡수 등의 변화를 고려하여 부유물질 매개변수들의 보정이 필요하며 이와 관련된 추가 연구들이 필요하다고 생각된다. 부유물질 중에서도 특히 질소의 이동기작은 하천 및 호소의 플랑크톤 증식, 용존산소의 부족 등을 유발하면서 궁 극적으로 수질 및 부영양화에 영향을 미치므로, 유역 모델링을 통한 오염물질의 거동을 구명하는데 있어 가뭄 시의 수문 및 수질의 특성을 반영한 유역모델의 검보정은 중요하다고 판단되며, 이를 정량화 하여 적절한 관리방안이 필요하다.
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