[논문]SWAT 기반의 5대강 유역 건전성 평가

김성준; 이지완

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문제 정의

본 고에서는 유역이 가지는 자연적인 건전성평가를 위해 5대강 유역을 대상으로 유역환경, 수문/수질, 서식지/수생태 에 대한 평가지표를 이용하여 통합유역건전성 평가지수를 산정하였다. 또한 수량 및 수질의 상호작용을 고려하고, 장기간의 변화분석을 위해 SWAT(Soil and Water Assessment Tool) 모형의 수문/수질 모델링 결과를 활용하였으며, 5대강 권역의 표준유역에 적용한 결과를 소개하고자 한다.
본 고에서는 유역이 가지는 자연적인 건전성평가를 위해 5대강 유역을 대상으로 유역환경, 수문/수질, 서식지/수생태 에 대한 평가지표를 이용하여 통합유역건전성 평가지수를 산정하였다. 또한 수량 및 수질의 상호작용을 고려하고, 장기간의 변화분석을 위해 SWAT(Soil and Water Assessment Tool) 모형의 수문/수질 모델링 결과를 활용하였으며, 5대강 권역의 표준유역에 적용한 결과를 소개하고자 한다.
EPA(2012)에서는 모니터링 자료로 활용하여 유역건전성 평가를 수행하였지만, 본 기술은 수문/수질과 관련된 유역건전성 평가는 SWAT 모형의 장기모의 결과를 활용하였으며, 유역환경 및 수생태와 관련된 유역건전성 평가는 모니터링 자료를 활용하였다. 유역건전성 산정 절차는 안소라 와 김성준(2016)에 자세히 기술되어 있으며, 본 고에서는 동일 한 방법을 이용하여 5대강 유역에 적용한 평가 결과를 소개하도록 한다.
본 고에서는 EPA(2012)의 유역건전성 분석 사례를 개선하여 우리나라 유역특성에 맞는 통합 유역건전성 평가기법을 개발하여 5대강 유역에 적용한 결과를 소개하였다. EPA(2012)에서는 미국 일부지역에 대하여 모니터링 자료를 활용하여 유역건전성 평가를 수행하였지만, 본 고에서는 수문/수질과 관련된 유역건전성 평가에 대하여 장기적인 변화분석이 가능하도록 분포형 수문모형인 SWAT을 이용한 장기모의 결과를 적용하고, 유역환경 및 수생태와 관련된 유역건전성평가는 모니터링 자료를 이용한 결과를 제안하였다.

제안 방법

따라서 본 유역건전성 평가기술에서는 유역건전성 평가를 위해 유역환경(토지피복, 식생, 하천), 수문/수질(수문요소, SS, TN, TP), 수생태(서식지, 수생태)요소를 각각 선정하였으며, 표 1에 본 연구에서 유역건전성 평가를 위해 적용한 평가요소를 정리하였다. EPA(2012)에서는 모니터링 자료로 활용하여 유역건전성 평가를 수행하였지만, 본 기술은 수문/수질과 관련된 유역건전성 평가는 SWAT 모형의 장기모의 결과를 활용하였으며, 유역환경 및 수생태와 관련된 유역건전성 평가는 모니터링 자료를 활용하였다.
수문 측면의 유역건전성 평가를 위해 SWAT 모형의 33년(1980-2017) 모의 결과를 활용하여 표 2의 수문항목 중 4개의 요소(total, surface processes, soil water dynamics, groundwater dynamics)에 대해 평가를 실시했다. SWAT 모형을 이용하여 5대강 유역을 표준유역(590개)과 동일하게 유역분할을 수행하고, 신뢰성 있는 수문, 수질요소를 도출하기 위해 다목적댐, 다기능보, 토양수분, 증발산량, 지하수위와 더불어 섬진강과영산강의 도수를 고려하여 검보정을 수행하였다.
수문 측면의 유역건전성 평가를 위해 SWAT 모형의 33년(1980-2017) 모의 결과를 활용하여 표 2의 수문항목 중 4개의 요소(total, surface processes, soil water dynamics, groundwater dynamics)에 대해 평가를 실시했다. SWAT 모형을 이용하여 5대강 유역을 표준유역(590개)과 동일하게 유역분할을 수행하고, 신뢰성 있는 수문, 수질요소를 도출하기 위해 다목적댐, 다기능보, 토양수분, 증발산량, 지하수위와 더불어 섬진강과영산강의 도수를 고려하여 검보정을 수행하였다. 한강유역의 검보정 결과는 안소라 등(2015)의 연구결과를 활용하였고, 금강유역과 낙동강유역의 검보정은 이지완 등(2018)이 제시한 매개변수와 동일하게 적용하였다.
지수의 범위는 0에서 1사이이며, 1에 가까울수록 건강한 유역을 의미하며, 개발된 지수는 유역의 특정관리목적에 따라 가중치를 주거나, 선택적으로 사용할 수 있으며, sub-index 별로 조합할 수 있다. 본 고에서는 수문 및 수질 유역건전성 산정 시 SWAT 모의 결과를 활용하여 총 7개의 평가 요소(total, surface processes, soil water dynamics, groundwater dynamics, SS, T-N, T-P)에 대해 수문 및 수질 유역건전성을 평가했다.
본 고에서는 EPA(2012)의 유역건전성 분석 사례를 개선하여 우리나라 유역특성에 맞는 통합 유역건전성 평가기법을 개발하여 5대강 유역에 적용한 결과를 소개하였다. EPA(2012)에서는 미국 일부지역에 대하여 모니터링 자료를 활용하여 유역건전성 평가를 수행하였지만, 본 고에서는 수문/수질과 관련된 유역건전성 평가에 대하여 장기적인 변화분석이 가능하도록 분포형 수문모형인 SWAT을 이용한 장기모의 결과를 적용하고, 유역환경 및 수생태와 관련된 유역건전성평가는 모니터링 자료를 이용한 결과를 제안하였다.

대상 데이터

따라서 본 유역건전성 평가기술에서는 유역건전성 평가를 위해 유역환경(토지피복, 식생, 하천), 수문/수질(수문요소, SS, TN, TP), 수생태(서식지, 수생태)요소를 각각 선정하였으며, 표 1에 본 연구에서 유역건전성 평가를 위해 적용한 평가요소를 정리하였다. EPA(2012)에서는 모니터링 자료로 활용하여 유역건전성 평가를 수행하였지만, 본 기술은 수문/수질과 관련된 유역건전성 평가는 SWAT 모형의 장기모의 결과를 활용하였으며, 유역환경 및 수생태와 관련된 유역건전성 평가는 모니터링 자료를 활용하였다. 유역건전성 산정 절차는 안소라 와 김성준(2016)에 자세히 기술되어 있으며, 본 고에서는 동일 한 방법을 이용하여 5대강 유역에 적용한 평가 결과를 소개하도록 한다.

이론/모형

SWAT 모형을 이용하여 5대강 유역을 표준유역(590개)과 동일하게 유역분할을 수행하고, 신뢰성 있는 수문, 수질요소를 도출하기 위해 다목적댐, 다기능보, 토양수분, 증발산량, 지하수위와 더불어 섬진강과영산강의 도수를 고려하여 검보정을 수행하였다. 한강유역의 검보정 결과는 안소라 등(2015)의 연구결과를 활용하였고, 금강유역과 낙동강유역의 검보정은 이지완 등(2018)이 제시한 매개변수와 동일하게 적용하였다.

성능/효과

토지피복/식생 건전성은 유역의 상류로 갈수록 좋은 것으로 분석되었고, 하천건전성은 소하천이 많은 유역일수록 건전성이 높은 것으로 나타났다. 수문 건전성 지수는 수량이 풍부한 유역 하류에서 주로 높게 나타났고, 수질 건전성은 하수처리시설의 방류농도가 높은 유역의 경우 수질건전성이 낮고, 방류농도가 낮을수록 건전성이 좋은 것으로 분석되었다(그림 3).
토지피복/식생 건전성은 유역의 상류로 갈수록 좋은 것으로 분석되었고, 하천건전성은 소하천이 많은 유역일수록 건전성이 높은 것으로 나타났다. 수문 건전성 지수는 수량이 풍부한 유역 하류에서 주로 높게 나타났고, 수질 건전성은 하수처리시설의 방류농도가 높은 유역의 경우 수질건전성이 낮고, 방류농도가 낮을수록 건전성이 좋은 것으로 분석되었다(그림 3).
그림 4(b)는 금강 유역 내 78개의 표준단위유역에 대하여 유역건전성 지수를 산정한 결과를 나타낸 것으로 대청댐 및 용담댐 상류유역은 유역 건전성이 높은 것으로 분석되었으며 한강 하류지역으로 갈수록 건전성이 안 좋은 유역으로 나타났다. 낙동강유역의 경우 자연 초지나 수질, 수생태의 경우 유역의 상류로 갈수록 건전성이 높은 것을 확인할 수 있었으며, 수문은 유역의 하류로 갈수록 건전성이 높은 것으로 분석되었고(그림 4(c)), 영산강유역의 경우 상류지역의 건전성은 우수한 것으로 평가되었으나, 하천 본류에서의 건전성이 지류하천 유역보다 상대적으로 낮은 것을 알 수 있었다(그림 4(d)).
(c)), 영산강유역의 경우 상류지역의 건전성은 우수한 것으로 평가되었으나, 하천 본류에서의 건전성이 지류하천 유역보다 상대적으로 낮은 것을 알 수 있었다(그림 4

후속연구

향후 5개강 유역에 대한 미래유역건전성 평가 DB 구축이 완료될 예정이며, 구축된 자료는 지자체 혹은 권역별 기초 정책 자료에 활용 가능하도록 국가수자원종합정보시스템(WAMIS)에 탑재되어 대국민 서비스가 이뤄질 예정이다. 5대강 유역의 유역건전성평가 결과는 기후변화에 따른 유역 건전성 유지를 위한 대응 전략 수립에 기여가 클 것으로 사료된다.
향후 5개강 유역에 대한 미래유역건전성 평가 DB 구축이 완료될 예정이며, 구축된 자료는 지자체 혹은 권역별 기초 정책 자료에 활용 가능하도록 국가수자원종합정보시스템(WAMIS)에 탑재되어 대국민 서비스가 이뤄질 예정이다. 5대강 유역의 유역건전성평가 결과는 기후변화에 따른 유역 건전성 유지를 위한 대응 전략 수립에 기여가 클 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수질 건전성과 하수처리시설의 방류농도의 상관관계는 어떠한가?	토지피복/식생 건전성은 유역의 상류로 갈수록 좋은 것으로 분석되었고, 하천건전성은 소하천이 많은 유역일수록 건전성이 높은 것으로 나타났다. 수문 건전성 지수는 수량이 풍부한 유역 하류에서 주로 높게 나타났고, 수질 건전성은 하수처리시설의 방류농도가 높은 유역의 경우 수질건전성이 낮고, 방류농도가 낮을수록 건전성이 좋은 것으로 분석되었다(그림 3).
	유역건전성 평가기술은 무엇인가?	본 고에서의 유역건전성 평가기술은 기후변화 적응을 위하여 유역의 수량(증발산, 하천유출량, 토양수분, 지하수, 댐 및 저수지 방류량 등), 수질(유사, 총질소, 총인 등) 뿐 아니라 유역환경(식생 및 토지피복 등)을 종합적으로 고려하여 유역의 건전성을 평가하는 것을 말한다. 유역건전성은 유역이 본래 가지고 있는 자연적인 건전성을 평가하고자 하는 것이며, 이러한 유역의 현재 상태 및 유역이 가지고 있는 능력에 대한 평가가 선행되어야 토지이용변화, 기후변화, 물이용 변화, 인구증가 등 인위적이 요소에 따른 취약성과 같은 미래 변화에 대한 예측을 수행할 수 있을 것이다.
	하천 건천화에 따른 유지유량의 부족이 일어난 이유는 무엇인가?	기존의 유역 유출모형은 주로 지표수 관리문제에만 적용되어 왔으며, 지하수 모형 역시 대수층 관리문제를 중점적으로 다루고 있어 상호작용을 고려한 통합해석기술이 부족한 실정이었다. 최근 하천유역은 기후변화, 도시화에 따른 불투수 면적 및 취수량의 증가, 하천개수 등의 영향으로 기존의 정상적인 유역의 물 순환 체계가 파괴되어 지하수위는 낮아지고 하천 유량이 감소되어 하천이 정상적인 기능을 하지 못하고 있다. 또한 하천 건천화에 따른 유지유량의 부족은 하천을 중심으로 한 수질오염원의 증가 등의 문제를 초래하고 있다(이상호와 이정민, 2006).

참고문헌 (8)

안소라, 김성준, 2016. SWAT 수문/수질모델링을 통한 유역건전성 평가지수 개발 및 평가, 전원과 자원, 58(2). p.2-10.

원문보기 상세보기
안소라, 이지완, 장선숙, 김성준, 2016. 다목적댐 및 다기능 보 운영을 고려한 대유역 SWAT 모형 구축기법 연구 -남한강 유역을 대상으로-, 한국농공학회논문집, 58(4). p.21-32.

원문보기 상세보기
이지완, 정충길, 김다래, 김성준, 2018. SWAT을 이용한 미래기후변화에 따른 금강유역의 지하수위 거동 평가, 한국수자원학회논문집, 51(3). p.247-261.
이지완, 이용관, 우소영, 장원진, 김성준, 2018. SWAT을 이용한 보 개방에 따른 낙동강유역의 수문.수질 거동 평가, 2018 한국수자원학회 학술발표회, p.44
한국환경정책평가연구원(2011). "물 재이용을 통한 도시하천 물순환개선 정책방향", 한국환경정책평가연구원 연구보고서
IPCC.(2007). Climate Change 2007: Impacts, Adaptation and Vulnerability, Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA
IPCC.(2014). Climate Change 2014: Impacts, Adaptation and Vulnerability, Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA
U.S. EPA, 2012, Identifying and Protecting Healthy Watersheds: Concepts, Assessments, and Management Approaches. EPA 841-B-11-002.

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