[논문]남강댐 상류유역 수질관리를 위한 BMPs의 다목적 최적화

박윤경; 이재관; 김정숙; 김상단

doi:10.15681/kswe.2018.34.6.591

남강댐 상류유역 수질관리를 위한 BMPs의 다목적 최적화
Multi-objective Optimization of BMPs for Controlling Water Quality in Upper Basin of Namgang Dam 원문보기

한국물환경학회지 = Journal of Korean Society on Water Environment, v.34 no.6, 2018년, pp.591 - 601

박윤경 (딥클라우드 기업부설연구소) , 이재관 (국립환경과학원 물환경연구부) , 김정숙 (동서대학교 화학공학부 에너지환경공학전공) , 김상단 (부경대학교 환경공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Optimized BMP plans for controlling water quality using the Pareto trade-off surface curve in upper basin of Namgang Dam is proposed. The proposed alternatives consist of BMP installation scenarios in which the reduction efficiency of non-point pollutants is maximized in a given budget. The multi-objective optimization process for determining the optimal alternatives was performed without direct implementation of a watershed model such as SWAT analysis, thereby reducing the time taken. The shortening of the calculation time further enhances the applicability of the multi-objective optimization technique in preparing regional water quality management alternatives. In this study, different types of BMP are applied depending on the land use conditions. Fertilizer input control and vegetative filter strip are considered as alternatives to applying BMP to the field but only control of fertilizer input can be applied to rice paddies. Fertilizer input control and vegetative filter strip can be installed separately or simultaneously in a hydrologic response unit. Finally, 175 BMP application alternatives were developed for the water quality management of the upper river basin of Namgang dam. The proposed application alternative can be displayed on the map, which has the advantage of clearly defining the BMP installation location.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1. SWAT analysis for upper watershed of Namgang Dam.
표 Table 1. Information of Environmental facilities in study area
표 Table 2. Fertilizer input amount per unit area with respect to land use
표 Table 3. Non-point source TP loading by livestock
그림 Fig. 2. Mimetic diagrams for applicable BMPs.
그림 Fig. 3. Multi-objective optimization process without SWAT simulation.
표 Table 4. BMPs scenario
표 Table 5. Cost information about applied BMPs
표 Table 6. Final value of the calibrated flow and water quality parameters in SWAT
표 Table 7. Final value of parameter “SOL_SOLP”
그림 Fig. 4. Result of calibrated flow in study area.
그림 Fig. 5. Result of calibrated water quality (TP) in study area.
그림 Fig. 6. TP loading reduction efficiency according to BMPs scenarios.
그림 Fig. 7. Multi-objective optimization result for controlling TP loading.
그림 Fig. 8. Location of Plan A in upper basin of Namgang Dam for TP reduction.
그림 Fig. 9. The verification of multi-objective optimization for TP loading reduction.

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구는 SWAT를 이용하여 수질오염저감관리를 목표로 하기 때문에 SWAT 내에서 남강댐 상류유역 토지이용에 적용할 수 있는 BMPs를 조사하였다. 남강댐 상류유역은 도시지역보다 농촌지역이 수질에 유의한 영향을 미치고 있기 때문에 농촌지역에 적용할 수 있는 BMPs 중 비료 투입량 조절과 식생여과대를 적용하고자 하였다(Fig. 2).
남강댐 상류유역의 수질관리를 위한 BMP의 다목적 최적화를 위하여 BMPs Database를 먼저 구축하고자 하였다. 본 연구에서는 1981년부터 2005년까지 BMP를 적용하지 않은 유역의 TP 부하량 평균을 Scenario 1로 설정하고 Table 4에 서술한 BMP를 적용하여 TP 부하량의 저감효율을 산정하였다.
이는 곧 HRU 개수와 적용할 수 있는 BMP 시나리오의 수가 커지면 커질수록 모의회수가 기하급수적으로 늘어나는 것을 의미한다. 따라서 본 연구에서는 이러한 모의회수 및 시간을 절약하고자 유역에 적용할 수 있는 BMPs 시나리오에 대한 TP 부하량 저감효율이 Database화하여 SWAT의 모의결과를 이용하여 다목적 최적화를 수행할 수 있는 방법론을 제시하고자 하였으며(Fig. 3), 그 과정은 다음과 같다. 먼저 BMPs 시나리오에 대한 TP 부하량 저감효율은 다음과 같은 방법을 통해서 산정되어 Database화 된다.
2013). 본 연구는 SWAT 모형을 이용해 유역의 비점관리를 위한 비용대비 최대효과를 발휘하는 BMPs의 최적안을 제시하고자 한다. 해당 최적안은 다목적 최적화를 통해 탐색되는데, 이는 SWAT 모형을 단독으로 사용할 경우는 최적안을 탐색하는 시간이 기하급수적으로 증가하는 문제가 발생한다.
남상댐 상류유역의 유역관리를 위하여 적용할 수 있는 BMP 종류에 대해서 탐색할 필요가 있다. 본 연구는 SWAT를 이용하여 수질오염저감관리를 목표로 하기 때문에 SWAT 내에서 남강댐 상류유역 토지이용에 적용할 수 있는 BMPs를 조사하였다. 남강댐 상류유역은 도시지역보다 농촌지역이 수질에 유의한 영향을 미치고 있기 때문에 농촌지역에 적용할 수 있는 BMPs 중 비료 투입량 조절과 식생여과대를 적용하고자 하였다(Fig.
본 연구는 유역에서 발생하는 비점오염물질을 저감하기 위한 BMPs를 적용함에 있어서 비용대비 최대효과를 낼 수 있는 적용안 탐색을 목적으로 한다. 비용대비 최대효과를 낼 수 있는 BMPs 적용안은 다목적 최적화를 통해 탐색되는데, SWAT을 이용한 다목적 최적화는 많은 시간이 소요되기 때문에 그 활용성이 떨어지게 된다.
SWAT모형은 유역의 토양과 토지이용특성을 고려한 모의가 가능할 뿐만 아니라 비점오염관리에 적용되는 BMPs의 모의모듈을 보유하고 있다. 본 연구에서 수행하고자 하는 목적에 적합한 모형으로 판단되어 남강댐 상류유역의 SWAT모형을 구축하고자 하였다. 연구적용지역에 영향을 미치는 4개의 기상관측지점(거창, 남원, 산청, 진주)의 기상자료를 2005년부터 2015년까지 수집하였다.
토지계 및 축산계 비점오염물질은 토지이용에 따라 그 발생양상이 달라진다. 본 연구에서는 NIER (2014)에서 제시한 토지계 지목별 총 인 연평균 발생부하원단위를 SWAT 내 토양 내 초기 무기인 농도로 고려하고자 하였다. SWAT은 일반적인 식생지에서 토양 1 kg 당 5 mg의 초기 인이 존재한다고 제시하고 있다(Neitsch et al.
본 연구에서는 논과 밭에 적용될 수 있는 BMP를 탐색하여 BMPs 시나리오를 구성하였다. 논의 경우에는 적용되는 시나리오가 총 3가지로 비료 량을 기존 투입량 그대로, 10 % 저감, 20 % 저감하는 것으로 구분되어 질 수 있다.
비용대비 최대효과를 낼 수 있는 BMPs 적용안은 다목적 최적화를 통해 탐색되는데, SWAT을 이용한 다목적 최적화는 많은 시간이 소요되기 때문에 그 활용성이 떨어지게 된다. 본 연구에서는 이러한 한계점을 극복하기 위하여 BMPs Database를 구축하여 SWAT의 직접적인 모의 없이 다목적 최적화를 수행하였다. 이를 통해 모의시간을 획기적으로 절약할 수 있었으며, 또한 유역에서 발생하는 비점오염물질을 관리하기 위해 BMPs를 적용하는 위치를 지도를 통해 시각적으로 표현하여 유역 수질관리에 그 활용성을 높이고자 하였다.
, 2016). 비용대비 비점오염물질 저감효과에 최대화에 대한 연구는 한정적인 자원을 통해 가장 효과적으로 수질관리를 수행하기 위함을 목적으로 하고 있다.
이를 위해 남강댐 상류유역에 해당하는 3개 지점(Namgang A, Namgang B, Upper basin of Namgang Dam)의 유량 및 수질 관측 자료를 2006년부터 2015년까지 수집하였다. 유역의 토지이용 및 토양특성을 정확히 반영하기 위해서는 보다 많은 지점에서 유량 및 수질 매개변수 보정 과정이 수행되어야 하나 장기간(10년 이상)의 관측자료가 존재하는 지점을 우선적으로 선정하여 매개변수 보정 과정을 수행하고자 하였다. 이에 Namgang A와 Namgang B는 국립환경과학원에서 수질오염총량관리를 위해 유량 및 수질을 관측하고 있는 총량측정망의 8일 간격 자료를 활용하였다(http://water.
해당 최적안은 다목적 최적화를 통해 탐색되는데, 이는 SWAT 모형을 단독으로 사용할 경우는 최적안을 탐색하는 시간이 기하급수적으로 증가하는 문제가 발생한다. 이러한 문제를 개선하기 위하여 SWAT-MATLAB을 연동한 최적안 탐색방법을 제안하고자 한다. 이 때, 저감을 목표로 하는 비점오염물질은 총인(Total Phosphorus, 이하 TP)으로 한정하였다.
본 연구에서는 이러한 한계점을 극복하기 위하여 BMPs Database를 구축하여 SWAT의 직접적인 모의 없이 다목적 최적화를 수행하였다. 이를 통해 모의시간을 획기적으로 절약할 수 있었으며, 또한 유역에서 발생하는 비점오염물질을 관리하기 위해 BMPs를 적용하는 위치를 지도를 통해 시각적으로 표현하여 유역 수질관리에 그 활용성을 높이고자 하였다.

가설 설정

SWAT 모형 내에 해당 값을 고려하기 위하여 토지지목 중 기타재배지에서 축산계 비점오염물질이 발생하여 전량 하천으로 유입되는 것으로 가정하였다. 남강댐 상류 단위유역별로 축산 비점 부하량을 기타재배지 면적을 나누어 그 평균값을 축산계 비점 발생부하원단위로 고려하였다.
이 때 사용되는 홍보비용은 환경부에서 사용되는 정책홍보비용을 참조하였다. 비점오염원 10 % 저감을 위하여 연간 1 억 원이 소요되는데(ME, 2006), 이를 참조하여 비료 투입량 10 % 저감에 연간 1억 원의 홍보 비용이 사용되는 것으로 가정하였다(비료 투입량 20 % 저감에는 연간 2 억 원의 홍보비용이 필요하다는 것으로 가정). 연간 홍보비용을 적용되는 토지 이용면적으로 나누어 비료투입량 저감을 위한 단위면적 당 소요비용으로 산정하였다.

제안 방법

Fig. 6(a)는 논 지역에 적용되는 3 가지 시나리오에 따른 저감효율로 BMP가 아무것도 적용되지 않은 상태를 Scenario 1로 설정하였으며, Scenario 2와 Scenario 3 각각은 기존 비료 투입량을을 10 %, 20 % 저감하여 투입한 시나리오를 의미한다. Fig.
먼저 유역 내 동일한 토지이용을 가진 HRU 전체에 하나의 BMP를 적용하여 SWAT 모의를 통해 TP 부하량을 산정한다. BMP를 적용하지 않은 자연 상태에서의 TP 부하량과 비교하여 저감효율을 산정하여 BMP Database에 저장한다. 유역에 적용될 수 있는 모든 BMP 적용시나리오를 앞서 언급한 방법을 통해 TP 부하량의 저감 효율을 구하여 BMP Database에 저장한다.
구축이 완료된 BMPs Database와 자연 상태의 TP 부하량(SWAT 모의 결과)을 이용하여 MATLAB 내에서 다목적 최적화를 수행된다. HRU 별로 각기 다른 BMPs 시나리오가 적용되며, BMP 적용에 따른 TP 배출 부하량은 자연 상태의 TP 부하량(SWAT 모의결과)에 BMPs 시나리오에 따른 TP 저감효율을 적용하여 산정한다. 이와 동시에 BMPs 시나리오에 적용에 따른 소요비용을 산정한다.
구축이 완료된 BMPs Database와 자연 상태의 TP 부하량(SWAT 모의 결과)을 이용하여 MATLAB 내에서 다목적 최적화를 수행된다. HRU 별로 각기 다른 BMPs 시나리오가 적용되며, BMP 적용에 따른 TP 배출 부하량은 자연 상태의 TP 부하량(SWAT 모의결과)에 BMPs 시나리오에 따른 TP 저감효율을 적용하여 산정한다.
SWAT 모형 내에 해당 값을 고려하기 위하여 토지지목 중 기타재배지에서 축산계 비점오염물질이 발생하여 전량 하천으로 유입되는 것으로 가정하였다. 남강댐 상류 단위유역별로 축산 비점 부하량을 기타재배지 면적을 나누어 그 평균값을 축산계 비점 발생부하원단위로 고려하였다. 산정된 축산계 비점 발생부하원단위는 토지계 중 기타재배지에서의 토지계 발생부하원단위에 더해져 SWAT 내에서 토양 내 초기 무기인 농도로 고려된다.
먼저, 환경기초설의 방류수를 고려하기 위하여 남강댐 상류유역에 위치한 환경기초시설 목록을 조사하였다. 남강댐 상류유역에 존재하는 환경기초시설은 155개로 확인되었으며(Gyeongsangnam-do, 2015), 이를 SWAT 모형에 반영하기 위하여 SWAT 내에서 분할된 소유역 내 위치한 환경기초시설 유량 및 수질자료를 조사하여 소유역 내에 용량이 가장 큰 곳에서 점오염원으로 고려할 수 있도록 정리하였다. 점오염원의 구분은 해당 점오염원이 위치한 소유역 번호로 하였으며, 총 18개의 점 오염원으로 구성된다(Table 1 참조).
남강댐 상류유역의 유량 및 수질을 구축된 SWAT이 적절하게 모의하고 있는지를 확인하고자 유량 및 수질 매개변수 보정과정을 수행하였다. 유량 및 수질 보정에 사용된 매개변수 및 설정 값을 Table 6에 정리하였다.
, 2009). 따라서 토지계 지목 중 기타초지(Other plantation)를 일반적인 식생지로 가정하여 해당 지목에서 토양 내 무기인 농도를 5 mg으로 하고, 나머지 지목은 발생부하 원단위 비율에 맞추어 초기 무기인 농도를 산정하여 입력하였다.
먼저 BMPs 시나리오에 대한 TP 부하량 저감효율은 다음과 같은 방법을 통해서 산정되어 Database화 된다. 먼저 유역 내 동일한 토지이용을 가진 HRU 전체에 하나의 BMP를 적용하여 SWAT 모의를 통해 TP 부하량을 산정한다. BMP를 적용하지 않은 자연 상태에서의 TP 부하량과 비교하여 저감효율을 산정하여 BMP Database에 저장한다.
유역의 기상 및 지형자료의 입력이외에도 유역 내에서의 인위적 요인도 함께 고려해야 현재의 유역상황을 반영한 모형이라 할 수 있다. 먼저, 환경기초설의 방류수를 고려하기 위하여 남강댐 상류유역에 위치한 환경기초시설 목록을 조사하였다. 남강댐 상류유역에 존재하는 환경기초시설은 155개로 확인되었으며(Gyeongsangnam-do, 2015), 이를 SWAT 모형에 반영하기 위하여 SWAT 내에서 분할된 소유역 내 위치한 환경기초시설 유량 및 수질자료를 조사하여 소유역 내에 용량이 가장 큰 곳에서 점오염원으로 고려할 수 있도록 정리하였다.
본 연구는 수질관리를 위한 BMPs는 토지이용에 따라 그 종류를 달리하였다. 논 지역에는 기존에 투입되는 비료량을 저감하는 것으로, 밭 지역에는 기존 비료 투입량 저감 및 식생여과대가 고려되었다.
ME (2014)에서는 다양한 비점오염저감시설의 개념 및 해당시설을 적용하는데 있어 필요한 초기 비용 및 유지비용을 제공하고 있다. 본 연구는 이를 참조하여 식생여과대의 설치비용과 유지비용을 고려하였다. Table 5와 같이 단위면적 당 정리된 소요비용은 BMP 적용면적에 따라 총 소요 비용이 결정된다.
따라서 실제 SWAT에 동일한 BMPs 조합을 적용하여 모의하더라도 동일한 결과를 획득할 수 있는지에 대한 검증과정이 수행되어져야 한다. 본 연구를 통해서 산정한 다수의 방안 중 비용대비 TP 부하량을 저감하는데 있어 가장 효과적이라 판단되는 방안인 Plan A를 적용하여 다목적 최적화 결과를 검증하였다. 검증방법은 본 연구를 통해 탐색된 Plan A의 BMPs 조합을 SWAT에 적용하여 HRU별로 배출되는 TP 부하량 비교로 수행된다.
본 연구에서 매개변수 보정과정은 수치해석 프로그램인 MATLAB과 SWAT을 연계하여 자동적으로 수행된다. 아래 설명하는 모든 과정이 MATLAB 내에서 수행되도록 SWATMATLAB 연계모듈이 구성된다.
남강댐 상류유역의 수질관리를 위한 BMP의 다목적 최적화를 위하여 BMPs Database를 먼저 구축하고자 하였다. 본 연구에서는 1981년부터 2005년까지 BMP를 적용하지 않은 유역의 TP 부하량 평균을 Scenario 1로 설정하고 Table 4에 서술한 BMP를 적용하여 TP 부하량의 저감효율을 산정하였다. Fig.
, 2009). 본 연구에서는 30부터 60까지 10 단위로 시나리오를 구분하였다. Table 4는 본 연구에서 적용되는 BMP 시나리오 조합에 대해 정리하였다.
밭은 논과 달리 BMP가 중복으로 적용될 수 있는데 본 연구에서 밭에 적용될 수 있는 BMP는 비료 투입량과 식생여과대이다. 비료 투입량 조절은 논에 적용한 것과 동일하게 3가지 시나리오로 구성하였다. 식생여과대는 그 용량에 따라 5 가지 시나리오로 구성하였다.
8이상으로 산정되어 구축된 SWAT이 남강댐 상류유역의 유량모의에 적합하다고 판단된다. 수질은 TP 부하량을 이용하여 보정하였다. TP 부하량 역시 유량이 적어지는 겨울철에 과소모의되고 있으나, Namgang A에서는 KGE가 0.
비점오염원 10 % 저감을 위하여 연간 1 억 원이 소요되는데(ME, 2006), 이를 참조하여 비료 투입량 10 % 저감에 연간 1억 원의 홍보 비용이 사용되는 것으로 가정하였다(비료 투입량 20 % 저감에는 연간 2 억 원의 홍보비용이 필요하다는 것으로 가정). 연간 홍보비용을 적용되는 토지 이용면적으로 나누어 비료투입량 저감을 위한 단위면적 당 소요비용으로 산정하였다. 참고로 논과 밭에 투입되는 비료량의 경우 비료 구매비용, 비료를 투입하기 위해 소요되는 장비사용료 등이 존재하나 해당 금액의 경우에는 기본적으로 지출되는 비용이므로 소요비용에서 제외하였다.
유역 내 발생하는 인위적인 요인까지 모두 고려하였으면, 구축된 SWAT이 실제 수문 및 수질을 적절하게 모의할 수 있도록 장기간의 실제 관측 유량과 수질자료와의 비교를 통해 유량 및 수질 매개변수 보정과정을 수행한다. 이를 위해 남강댐 상류유역에 해당하는 3개 지점(Namgang A, Namgang B, Upper basin of Namgang Dam)의 유량 및 수질 관측 자료를 2006년부터 2015년까지 수집하였다.
유량과 관련된 요소 이외에 하천 수질과 관련이 있는 인위적 요소는 비료, 토지계 및 축산계 비점오염물질로 정의하였다. 유역에 투입되는 인 비료는 파종기에 한번 투입되므로, 본 연구에서는 4월 중순을 파종기로 간주하여 일 년에 한 번 유역에 투입되는 것으로 고려하였다. 논에는 단일작물인 벼가 재배되나 밭에는 재배되는 작물이 지역별로 상이하기 때문에 행정구역 별 주요특산물(SK, 2016)을 확인하여 특산물에 알맞은 비료량이 고려하였다.
이 때, 수집되는 자료는 강우량, 최고 및 최저 기온, 상대습도, 풍속이 공통적으로 수집되는 기상자료이며 일사량의 경우 진주지점에서만 수집되는 항목으로 본 연구에서도 일사량은 진주지점의 자료만 수집하여 활용하였다. 유역의 토지 이용 및 지형적 특성을 나타내는 유역의 수문학적 반응 단위(Hydrologic Response Unit, HRU)를 구성하기 위하여 DEM, 중분류 토지이용도, 정밀토양도를 이용하였다. SWAT 모형의 소유역을 구성하는 것은 기존의 수질오염총량관리를 위하여 구성된 단위유역 및 소유역 경계를 참고하여 분할하였다.

대상 데이터

kr). Upper basin of Namgang Dam의 유량 관측자료는 남강댐으로 유입되는 일 유량으로, 수질 관측자료는 진양호의 월 수질관측자료를 이용하였다.
경상남도 서부지역의 생공용수 및 관계용수의 안정적 공급을 위해 설치된 남강댐의 저류에 영향을 미치는 남강댐 상류유역(2,281.72 km²)을 연구적용지역으로 하였다. 해당 유역의 토지이용은 전체면적의 약 73 %가 산림으로 구성되어 있으며, 논과 밭은 각각 약 7 %, 6 %로 구성된다.
환경기초시설 이외에 생공용수 및 농업용수 또한 유역의 인위적 물수지로 고려해야한다. 생공용수는 제3단계 경상남도 수질오염총량관리 기본계획(Gyeongsangnam-do, 2015)에 수록된 취수량을 사용하였으며, 농업용수는 Lee et al. (2012)에서 적용한 것과 동일한 농업용수량을 고려하였다.
식생여과대는 비료 투입량 조절과 달리 해당 시설을 유역에 적용하기 위해서는 부지가 필요하며, 설치비용 및 유지비용이 소요된다. 식생여과대 설치를 위한 토지매입비는 남강댐 상류유역의 토지이용인 밭인 지역의 공시지가를 이용하였다. ME (2014)에서는 다양한 비점오염저감시설의 개념 및 해당시설을 적용하는데 있어 필요한 초기 비용 및 유지비용을 제공하고 있다.
본 연구에서 수행하고자 하는 목적에 적합한 모형으로 판단되어 남강댐 상류유역의 SWAT모형을 구축하고자 하였다. 연구적용지역에 영향을 미치는 4개의 기상관측지점(거창, 남원, 산청, 진주)의 기상자료를 2005년부터 2015년까지 수집하였다. 이 때, 수집되는 자료는 강우량, 최고 및 최저 기온, 상대습도, 풍속이 공통적으로 수집되는 기상자료이며 일사량의 경우 진주지점에서만 수집되는 항목으로 본 연구에서도 일사량은 진주지점의 자료만 수집하여 활용하였다.
연구적용지역에 영향을 미치는 4개의 기상관측지점(거창, 남원, 산청, 진주)의 기상자료를 2005년부터 2015년까지 수집하였다. 이 때, 수집되는 자료는 강우량, 최고 및 최저 기온, 상대습도, 풍속이 공통적으로 수집되는 기상자료이며 일사량의 경우 진주지점에서만 수집되는 항목으로 본 연구에서도 일사량은 진주지점의 자료만 수집하여 활용하였다. 유역의 토지 이용 및 지형적 특성을 나타내는 유역의 수문학적 반응 단위(Hydrologic Response Unit, HRU)를 구성하기 위하여 DEM, 중분류 토지이용도, 정밀토양도를 이용하였다.
이러한 문제를 개선하기 위하여 SWAT-MATLAB을 연동한 최적안 탐색방법을 제안하고자 한다. 이 때, 저감을 목표로 하는 비점오염물질은 총인(Total Phosphorus, 이하 TP)으로 한정하였다.
유역 내 발생하는 인위적인 요인까지 모두 고려하였으면, 구축된 SWAT이 실제 수문 및 수질을 적절하게 모의할 수 있도록 장기간의 실제 관측 유량과 수질자료와의 비교를 통해 유량 및 수질 매개변수 보정과정을 수행한다. 이를 위해 남강댐 상류유역에 해당하는 3개 지점(Namgang A, Namgang B, Upper basin of Namgang Dam)의 유량 및 수질 관측 자료를 2006년부터 2015년까지 수집하였다. 유역의 토지이용 및 토양특성을 정확히 반영하기 위해서는 보다 많은 지점에서 유량 및 수질 매개변수 보정 과정이 수행되어야 하나 장기간(10년 이상)의 관측자료가 존재하는 지점을 우선적으로 선정하여 매개변수 보정 과정을 수행하고자 하였다.
유역의 토지이용 및 토양특성을 정확히 반영하기 위해서는 보다 많은 지점에서 유량 및 수질 매개변수 보정 과정이 수행되어야 하나 장기간(10년 이상)의 관측자료가 존재하는 지점을 우선적으로 선정하여 매개변수 보정 과정을 수행하고자 하였다. 이에 Namgang A와 Namgang B는 국립환경과학원에서 수질오염총량관리를 위해 유량 및 수질을 관측하고 있는 총량측정망의 8일 간격 자료를 활용하였다(http://water.nier.go.kr). Upper basin of Namgang Dam의 유량 관측자료는 남강댐으로 유입되는 일 유량으로, 수질 관측자료는 진양호의 월 수질관측자료를 이용하였다.
SWAT 모형의 소유역을 구성하는 것은 기존의 수질오염총량관리를 위하여 구성된 단위유역 및 소유역 경계를 참고하여 분할하였다. 이에 총 57개의 소유역과 467개의 HRU로 SWAT가 구성되었다(Fig. 1 참조). 이 중 토지이용이 논인 HRU는 68개, 밭인 HRU는 13개, 도시지역은 0개인 것으로 확인되었다.

데이터처리

본 연구를 통해서 산정한 다수의 방안 중 비용대비 TP 부하량을 저감하는데 있어 가장 효과적이라 판단되는 방안인 Plan A를 적용하여 다목적 최적화 결과를 검증하였다. 검증방법은 본 연구를 통해 탐색된 Plan A의 BMPs 조합을 SWAT에 적용하여 HRU별로 배출되는 TP 부하량 비교로 수행된다. 검증결과(Fig.

이론/모형

유입경로가 토지계 비점오염물질과 유사하지만 앞서 언급한 토지계 발생부하 원단위를 통해서는 축산계 비점오염물질 고려할 수 없다. 따라서 본 연구에서는 축산계 비점오염물질을 고려하기 위하여 Gyeongsangnam-do (2015)에서 단위유역별로 제시된 축산비점 부하량을 참조하였다(Table 3).
남강댐 상류유역과 중첩되는 행정구역은 함양, 합천, 진주, 남원으로서 함양에서는 사과와 양파, 합천에서는 마늘과 양파, 진주에서는 배, 남원에서는 감자가 주요 특산물인 것으로 조사되었다. 투입되는 비료량은 RDA (2010)에서 제시하고 있는 작물별 비료량을 참고하였다(Table 2 참조).

성능/효과

이들 중 역삼각형(▼)들은 투자비용 대비 수질관리를 위한 BMP 적용의 최적안이며, 총 175개의 안이 제시된다. BMP 적용에 투자되는 비용이 증가하면 유역에서 배출되는 TP 부하량이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 또한 투자비용이 약 80 억 원을 증가하는 시점 이후로는 더 큰 비용이 투입되더라도 TP 부하량 저감에 한계가 있음을 확인할 수 있다.
본 연구에서는 논과 밭에 적용될 수 있는 BMP를 탐색하여 BMPs 시나리오를 구성하였다. 논의 경우에는 적용되는 시나리오가 총 3가지로 비료 량을 기존 투입량 그대로, 10 % 저감, 20 % 저감하는 것으로 구분되어 질 수 있다. 밭은 논과 달리 BMP가 중복으로 적용될 수 있는데 본 연구에서 밭에 적용될 수 있는 BMP는 비료 투입량과 식생여과대이다.
BMP 적용에 투자되는 비용이 증가하면 유역에서 배출되는 TP 부하량이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 또한 투자비용이 약 80 억 원을 증가하는 시점 이후로는 더 큰 비용이 투입되더라도 TP 부하량 저감에 한계가 있음을 확인할 수 있다.
유량 보정 결과(Fig. 4), 유량이 증가하는 여름철에는 관측자료와 모의자료가 유사하게 나타나지만 유량이 감소하는 겨울철에는 유량의 과소추정되는 것으로 확인 되었다. 특히 2014년(3,000 Julian day 부근) 봄철에 유량이 과소추정 됨을 확인할 수 있다.
1 참조). 이 중 토지이용이 논인 HRU는 68개, 밭인 HRU는 13개, 도시지역은 0개인 것으로 확인되었다.

후속연구

검증방법은 본 연구를 통해 탐색된 Plan A의 BMPs 조합을 SWAT에 적용하여 HRU별로 배출되는 TP 부하량 비교로 수행된다. 검증결과(Fig. 9), 본 연구방법을 통해 탐색된 BMPs 조합을 SWAT에 실제로 적용하여도 유사한 결과가 나오는 것을 확인할 수 있어 이를 통해 SWAT의 직접적인 모의 없이도 유역관리를 위한 다목적 최적화를 수행할 수 있을 것으로 판단된다.
, 2017). 따라서 다양한 종류의 BMPs가 고려될 수 있도록 BMPs의 특성분석이 추가적으로 수행되어져야 할 것으로 판단된다.
본 연구에서 제시한 방법은 남강댐 상류유역 만을 대상으로 하고 있기 때문에 유역 수질관리를 위한 범용성을 가진다고 할 수 없다. 하지만 유역 내 수질관리를 위한 초기 단계 연구로서 추후 연구적용유역을 확대하여 유역 수질관리에 대한 유역관리방안의 범용성을 확보된다면 유역 수질관리에 있어 효과적인 방안으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	점오염원의 특성은?	환경부에서는 하천의 수질관리를 위하여 오염물질 발생원을 점오염원과 비점오염원으로 구분하여 관리하였다. 점오염원은 환경기초시설의 방류수처럼 그 발생경로와 양을 명확하게 파악할 수 있으며 그 관리가 용이하다. 이와 반대로 비점오염원은 오염물질 유출 및 배출 경로가 명확하게 구분되지 않아 관리가 어려운 실정이며, 최근 기후변화 등과 같이 외부적 요인에 의하여 하천으로 유입되는 비점오염물질의 양이 증가하고 있다.
	비점오염원이 가지는 문제점은?	점오염원은 환경기초시설의 방류수처럼 그 발생경로와 양을 명확하게 파악할 수 있으며 그 관리가 용이하다. 이와 반대로 비점오염원은 오염물질 유출 및 배출 경로가 명확하게 구분되지 않아 관리가 어려운 실정이며, 최근 기후변화 등과 같이 외부적 요인에 의하여 하천으로 유입되는 비점오염물질의 양이 증가하고 있다. NIER (2010)에 따르면, 1998년에는 전체 오염물질 중 비점오염물질이 차지하는 비율이 27.
	비점오염물질을 저감할 수 있는 기법들에 대한 연구의 예는?	이 뿐만 아니라 비점오염물질을 저감할 수 있는 기법들에 대한 연구들이 진행되고 있다. Choi et al. (2011)은 지표면의 시공간적 변화를 고려한 비점오염물질 저감 저류지의 최적용량을 산정하는 기법을 개발하였으며, Cho et al. (2013)은 EPA-SWMM을 이용하여 식생저류지, 옥상녹화, 침투 트렌치, 투수성 포장, 빗물 통, 식생수로를 적용함에 따라 비점오염물질의 저감효과를 강우사상 규모 등급별로 비교분석하였다. Lee et al. (2017)는 도시에서 발생하는 비점오염물질을 저감시킬 수 있는 방법 중 하나인 도로청소에 대한 삭감량 산정방법을 연구하여 도로청소가 수질오염총량관리제 적용방안에 적용될 수 있는 방안을 제시하고자 하였다. 최근에는 비점오염저감시설을 설치함에 따라 소요되는 비용까지 고려하여 비용대비 비점오염물질 저감효과를 최대로 낼 수 있는 설치안 제시에 대한 연구도 진행된 바 있다(Lee et al, 2013; Lee et al., 2018; Park et al.

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표제어: PCR

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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