[논문]유역-호소 연계모형을 이용한 상류 오염원 관리에 따른 담수호 수질영향평가

김석현; 황순호; 김시내; 이현지; 전상민; 강문성

doi:10.5389/ksae.2022.64.6.001

유역-호소 연계모형을 이용한 상류 오염원 관리에 따른 담수호 수질영향평가
Assessment of Estuary Reservoir Water Quality According to Upstream Pollutant Management Using Watershed-Reservoir Linkage Model 원문보기

한국농공학회논문집 = Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, v.64 no.6, 2022년, pp.1 - 12

김석현 (Research Institute of Agriculture and Life Sciences, College of Agriculture and Life Sciences, Seoul National University) , 황순호 (Agricultural and Biological Engineering, University of Illinois at Urbana-Champaign) , 김시내 (Department of Rural Systems Engineering, Seoul National University) , 이현지 (Department of Rural Systems Engineering, Seoul National University) , 전상민 (Convergence Major in Global Smart Farm, Seoul National University) , 강문성 (Department of Rural Systems Engineering, Research Institute of Agriculture and Life Sciences, Institute of Green Bio Science and Technology, Seoul National University)

Abstract ▼ AI-Helper

Estuary reservoirs were artificial reservoir with seawalls built at the exit points of rivers. Although many water resources can be saved, it is difficult to manage due to the large influx of pollutants. To manage this, it is necessary to analyze watersheds and reservoirs through accurate modeling. Therefore, in this study, we linked the Hydrological Simulation Program-FORTRAN (HSPF), Environmental Fluid Dynamics Code (EFDC), and Water quality Analysis Simulation Program (WASP) models to simulate the hydrology and water quality of the watershed and the water level and quality of estuary lakes. As a result of applying the linked model in stream, R2 0.7 or more was satisfied for the watershed runoff except for one point. In addition, the water quality satisfies all within 15% of PBIAS. In reservoir, R2 0.72 was satisfied for water level and the water quality was within 15% of T-N and T-P. Through the modeling system, We applied upstream pollutant management scenarios to analyze changes in water quality in estuary reservoirs. Three pollution source management were applied as scenarios, the improvement of effluent water quality from the sewage treatment plant and the livestock waste treatment plant was effective in improving the quality of the reservoir water, while the artificial wetland had little effect. Water quality improvement was confirmed as a measure against upstream pollutants, but it was insufficient to achieve agricultural water quality, so additional reservoir management is required.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1 Study area (Ganwol estuary reservoir watershed)
그림 Fig. 2 HSPF-EFDC-WASP linkage model diagram
그림 Fig. 3 Botton Elevation and Boundary condition in EFDC model
표 Table 1 Calibrated parameter for HSPF
표 Table 2 Calibrated parameter for WASP
표 Table 3 Evaluation criteria for the recommended statistical performance measures for watershed- and field-scale models (Moriasi et al.., 2015)
표 Table 4 Upstream pollutant management scenarios
그림 Fig. 4 Calibration and vaildation result of flow and water quality at Dodang
표 Table 5 Calibration and validation result of stream runoff and water quality
그림 Fig. 5 Water level elevation changes of Ganwol estuary reservoir
그림 Fig. 6 Calibration and validation result of water quality at GW3
표 Table 6 Calibration and validation result of stream water quality
그림 Fig. 7 Simulation results of upper zone
표 Table 7 All period the average concentration of upper zone
그림 Fig. 8 Simulation results of lower zone
표 Table 8 Farm period the average concentration of upper zone
표 Table 9 All period the average concentration of the lower zone
표 Table 10 Farm period the average concentration of the upper zone

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 간월호의 농업용수 수질기준 달성을 위해 간월호의 상류유역 오염원관리를 통한 호소 수질개선을 평가하고자 하였으며, 유역모형과 호소모형의 연계모델링을 통해 간월호 상류유역 및 호소의 수질분석을 시행하고 오염원 관리 시나리오에 따른 호소 수질영향을 평가하였다.
이에 본 연구에서는 간월호의 상류 오염원 관리에 따른 담수호 수질영향을 평가하기 위해 유역모형과 호소모형을 연계한 모델링 시스템을 구축하고 상류 오염원 관리 시나리오를 적용하여 담수호 수질 변화 및 수질기준 만족도를 평가하고자 한다.

가설 설정

본 연구에서는 간월호 유역에 존재하는 하수처리장 중 가장 크고 호소에 인접한 서산공공하수처리시설에 대하여 방류수의 T-N, T-P 수질개선을 모의하였다. 공공하수처리시설방류량 및 방류수질 개선은 시설 도입을 통한 수질개선은 이루어지나 정확한 저감량 및 저감율을 산정하기 힘들어 본 연구에서는 방류수질을 50%, 80% 저감하는 것으로 가정하여 시나리오에 적용하였다.
7%, T-P 67%을 이용하였다. 농경지가 가장 많은 와룡천, 도당천, 청지천에 설치를 가정하였으며, 환경부 비점오염저감시설(인공습지)의 평균 유역면적 약 300 ha로 본 연구에서는 300 ha의 농경지의 비점오염을 저감할 수 있는 인공습지 설치를 가정하였다.
분뇨처리시설 방류량 저감 대책은 양분관리제 (경축순환농업)과 우분연료화시설 설치 등의 가축분뇨 관리대책을 통해 분뇨처리시설에서 처리할 양을 감소시키며 퇴비로 전환을 통해 하천으로의 방류량을 저감시킨다. 본 연구에서는 서산 분뇨처리시설의 방류량 저감 및 수질개선을 모의하였으며 공공하수처리시설과 마찬가지로 정확한 저감량 및 저감율을 산정하기 힘들어 50%, 80% 저감하는 것으로 가정하여 시나리오에 적용하였다.

제안 방법

WASP모형은 수질분석 시뮬레이션 프로그램으로 지표수의 오염물질의 거동과 이동을 모의하기 위한 모형이며 세그먼트 사이의 이류 및 수송을 통해 3차원으로 적용될 수 있다. 본 연구에서는 간월호 수질 모의를 위해 WASP 모형을 구축하였으며 EFDC에서 구축한 격자, 호소 수위 및 유속 결과를 기반으로 수질을 모의한다. 기상자료는 서산기상대의 온도, 습도, 일사량, 풍속 자료를 활용하였으며, 유입하천 수질은 HSPF에서 모의된 하천수질 결과를 활용하였다.
본 연구에서는 담수호 유역 및 호소의 수리 수질 모의를 위해 유역모형인 HSPF와 3차원 수리동역학모형인 EFDC, 격자단위 수질 모의모형인 WASP을 연계하여 모의하였다.
오염원관리 대책은 하수처리장 방류수질개선, 분뇨처리장 방류수질 개선, 농경지 인공습지 설치 세 가지를 선정하여 평가하였다. 하수처리장 방류 수질개선은 호소 수질개선에 가장 효과적이며, 특히 하수처리장과 인접한 상류부 수질 변화에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다.

대상 데이터

HSPF 보정 및 검증을 위한 하천 유량 및 수질 자료는 충청남도연구원이 2011년부터 수행한 4개의 지점 (도당, 둔당, 청지, 와룡)에 대하여 월 1회 모니터링한 자료를 이용하였다. EFDC 보정 및 검증을 위한 호소 수위측정자료는 배수갑문 운영일지에 기록된 수위측정자료를 활용하였으며 자료기간은 2015년부터이다. WASP 보정 및 검증은 T-N, T-P, Chl-a 수질항목에 대하여 수행하였으며 수질자료는 환경부 호소측정망의 간월호3 (GW3) 지점에 대하여 EFDC와 동일한 기간을 수집하였다.
HSPF 보정 및 검증을 위한 하천 유량 및 수질 자료는 충청남도연구원이 2011년부터 수행한 4개의 지점 (도당, 둔당, 청지, 와룡)에 대하여 월 1회 모니터링한 자료를 이용하였다. EFDC 보정 및 검증을 위한 호소 수위측정자료는 배수갑문 운영일지에 기록된 수위측정자료를 활용하였으며 자료기간은 2015년부터이다.
EFDC 보정 및 검증을 위한 호소 수위측정자료는 배수갑문 운영일지에 기록된 수위측정자료를 활용하였으며 자료기간은 2015년부터이다. WASP 보정 및 검증은 T-N, T-P, Chl-a 수질항목에 대하여 수행하였으며 수질자료는 환경부 호소측정망의 간월호3 (GW3) 지점에 대하여 EFDC와 동일한 기간을 수집하였다.
본 연구의 연구대상지는 간월호 (서산A지구)로 충청남도 서산시에 위치하고 있으며 배후유역은 서산시와 홍성군 일대이다. 간월호는 농업용수 목표수질인 IV등급을 상회하는 수준일 뿐만 아니라 2017년 가뭄으로 인한 수위 저하로 인한 수질 악화로 주변부 농경지 용수공급에 어려움을 겪고 있어 본 연구의 연구대상지로 선정하였다. 간월호의 유역면적은 48,770 ha로 토지이용은 약 40%가 논, 30%가 임야로 이루어져 있다.
본 연구에서는 간월호 수질 모의를 위해 WASP 모형을 구축하였으며 EFDC에서 구축한 격자, 호소 수위 및 유속 결과를 기반으로 수질을 모의한다. 기상자료는 서산기상대의 온도, 습도, 일사량, 풍속 자료를 활용하였으며, 유입하천 수질은 HSPF에서 모의된 하천수질 결과를 활용하였다. 본 연구에서 유량 및 수질 보검정에 활용한 매개변수는 Table 2과 같다.
공공하수처리시설 방류시설 개선 대책은 고도 인처리시설 설치 및 하수처리시설 확충 등을 통해 미처리하수의 양을 감소시키고, 하수처리시설 방류수의 수질을 개선한다. 본 연구에서는 간월호 유역에 존재하는 하수처리장 중 가장 크고 호소에 인접한 서산공공하수처리시설에 대하여 방류수의 T-N, T-P 수질개선을 모의하였다. 공공하수처리시설방류량 및 방류수질 개선은 시설 도입을 통한 수질개선은 이루어지나 정확한 저감량 및 저감율을 산정하기 힘들어 본 연구에서는 방류수질을 50%, 80% 저감하는 것으로 가정하여 시나리오에 적용하였다.
본 연구의 연구대상지는 간월호 (서산A지구)로 충청남도 서산시에 위치하고 있으며 배후유역은 서산시와 홍성군 일대이다. 간월호는 농업용수 목표수질인 IV등급을 상회하는 수준일 뿐만 아니라 2017년 가뭄으로 인한 수위 저하로 인한 수질 악화로 주변부 농경지 용수공급에 어려움을 겪고 있어 본 연구의 연구대상지로 선정하였다.

성능/효과

본 연구에서 적용한 대책을 통해 호소의 수질개선효과는 확인하였지만 가장 높은 수준의 대책인 S5 시나리오에서도 T-N, T-P, Chl-a 모두 농업용수 수질기준인 IV등급을 달성하지 못한 것으로 나타났다. 이는 현재 간월호의 상류 오염원에 의한 수질악화뿐만 아니라 호소 저층의 오염물질 용출 및 부영양화에 따른 영향도 큰 것으로 보인다.
하수처리장 방류 수질개선은 호소 수질개선에 가장 효과적이며, 특히 하수처리장과 인접한 상류부 수질 변화에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다. 분뇨처리장 방류수질 개선도 호소 수질개선에 영향을 미치는 것으로 나타났으며 하류부 유입하천에 위치해 상류부보다 하류부 개선에 영향이 큰 것으로 나타났다. 농경지 인공습지로 인한 호소수질개선은 농경지 900 ha와 1500 ha에 대하여 수행하였지만, 전체 농경지 면적의 5% 수준에 해당하여 효과가 미비한 것으로 나타났다.
오염원관리 대책은 하수처리장 방류수질개선, 분뇨처리장 방류수질 개선, 농경지 인공습지 설치 세 가지를 선정하여 평가하였다. 하수처리장 방류 수질개선은 호소 수질개선에 가장 효과적이며, 특히 하수처리장과 인접한 상류부 수질 변화에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다. 분뇨처리장 방류수질 개선도 호소 수질개선에 영향을 미치는 것으로 나타났으며 하류부 유입하천에 위치해 상류부보다 하류부 개선에 영향이 큰 것으로 나타났다.

후속연구

호소수가 농업용수로 사용되는 영농기의 평균 농도는 Table 10와 같으며 영농기와 전기간이 비슷한 수준을 나타냈다. T-N, T-P, Chl-a 모두 IV등급을 상회하는 수준으로 나타나 추가적인 대책이 필요할 것으로 사료된다.
0 mg/L를 상회하는 수준으로 나타났다. T-P, Chl-a는 수온이 증가하여 조류의 성장으로 전기간 농도보다 높은 수준을 나타냈으며 마찬가지로 IV등급인 0.1 mg/L와 35 mg/L를 상회하는 수준으로 나타나 추가적인 대책이 필요할 것으로 사료된다.
이에 추가적으로 본 연구에서 적용한 수질개선 대책 외의 호소 주변 농경지 비점오염원 관리, 축산농가관리 등 추가적인 상류 오염원관리와 호소 준설 및 배수갑문 운영 등 추가적인 호소대책을 고려한 종합적인 호소관리에 따른 평가가 필요할 것으로 보인다. 또한 보다 정확한 예측을 위해 연계모델 적용에 따른 오차의 누적에 관한 연구와 방류수질 개선 시나리오의 정확한 수질 예측이 추가로 필요할 것으로 사료된다.
이는 현재 간월호의 상류 오염원에 의한 수질악화뿐만 아니라 호소 저층의 오염물질 용출 및 부영양화에 따른 영향도 큰 것으로 보인다. 이에 추가적으로 본 연구에서 적용한 수질개선 대책 외의 호소 주변 농경지 비점오염원 관리, 축산농가관리 등 추가적인 상류 오염원관리와 호소 준설 및 배수갑문 운영 등 추가적인 호소대책을 고려한 종합적인 호소관리에 따른 평가가 필요할 것으로 보인다. 또한 보다 정확한 예측을 위해 연계모델 적용에 따른 오차의 누적에 관한 연구와 방류수질 개선 시나리오의 정확한 수질 예측이 추가로 필요할 것으로 사료된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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