[논문]고랭지밭 밀집지역 초생대의 비점오염 저감 효율 평가 - 비점오염원 관리지역을 중심으로 (만대지구, 가아지구, 자운지구) -

정연지; 이동준; 강현우; 장원석; 홍지영; 임경재

doi:10.5389/ksae.2022.64.4.001

[국내논문] 고랭지밭 밀집지역 초생대의 비점오염 저감 효율 평가 - 비점오염원 관리지역을 중심으로 (만대지구, 가아지구, 자운지구) -
Efficiency Evaluation of Vegetative Filter Strip for Non-point Source Pollutant at Dense Upland Areas - Focused on Non-point Source Management Area Mandae, Gaa, and Jaun Basins - 원문보기

한국농공학회논문집 = Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, v.64 no.4, 2022년, pp.1 - 10

정연지 (Department of Regional Infrastructure Engineering, Kangwon National University) , 이동준 (Earth System Science, Auburn University) , 강현우 (Forest Engineering, Resource & Management, Oregon State University) , 장원석 (Division of Public Infrastructure Assessment, Environmental Assessment Group, Korea Environment Institute) , 홍지영 (Earth and Environment, Boston University) , 임경재 (Earth and Environment, Boston University)

Abstract ▼ AI-Helper

A vegetative filter strip (VFS) is one of the best management practices (BMPs) to reduce pollutant loads. This study aims to assess the effectiveness of VFS in dense upland field areas. The study areas are agricultural fields in the Maedae (MD), Gaa (GA), and Jaun (JU) watersheds, where severe sediment yields have occurred and the Korean government has designated them as non-point management regions. The agricultural fields were divided into three or four clusters for each watershed based on their slope, slope length, and area (e.g., MD1, MD2). To assess the sediment trapping (STE) and pesticide reduction efficiency (PRE) of VFS, the Vegetative Filter Strip Modeling System (VFSMOD) was applied with three different scenarios (SC) (SC1: VFS with rye vegetation; SC2: VFS with rye vegetation and a gentle slope in VFS range; and SC3: VFS with grass mixture). For SC1, there were relatively short slope lengths and small areas in the MD1 and GA3 clusters, and they showed higher pollutant reduction (STE>50%, PRE>25%). For SC2 and SC3, all clusters in GA and some clusters (MD1 and MD3) in MD show higher pollutant reduction (>25%), while the uplands in JU still show a lower pollutant (<25%). With correlation analysis between geographic characteristics and VFS effectiveness slope and slope length showed relative higher correlations with the pollutant efficiency than a area. The results of this study implied that slope and slope length should be considered to find suitable upland conditions for VFS installations.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1 The study flowchart
그림 Fig. 2 Location of the study area: Gaa, Jaun, and Mandae Watershed
표 Table 1 Data source and references used in this study
표 Table 2 Scenarios conducted to evaluate VFS
표 Table 3 VFS pollutant efficiency evaluation criteria (MSSC, 2005)
그림 Fig. 3 The geographic characteristics of each group
그림 Fig. 4 Pollutant reduction efficiency (%) of each group for scenario a. Red dotted lines show the border of VFS evaluation criteria. White squares mean the average values of each box plot
그림 Fig. 5 The comparisons of the pollutant reduction efficiency (%) between the scenarios. The red, green, and blue box plots represent the results of scenario 1, 2, and 3, respectively. White squares show the average value of the each box plot
그림 Fig. 6 Correlation results between the geographic factors and the pollutant reduction efficiency

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

세 번째 시나리오는 초종을 제외한 나머지 입력자료는 첫 번째 시나리오와 동일하게 적용하였으며, 초종을 국내 잔디와 비슷한 특성을 가진 Grass Mixture를 선택하였다. 본 연구에서는 구축한 시나리오별 유사 및 농약 저감 효율에 대해 분석하였다.
이에 본 연구의 목적은 1) 환경부에서 지정한 비점오염원 관리지역(만대, 가아, 자운지구)의 경작지 지형적 특성을 분석하여 그룹화하고, 2) 그룹별 특성과 Vegetative Filter Strip Modeling System (VFSMOD)을 활용하여 지역별 초생대 저감 효율을 정량적으로 분석하고 오염물질 저감 효율이 높은 경작지 특성을 도출하는데 있다. 또한, 3) 다양한 초생대 시나리오를 통해 증감된 오염물질저감 효율을 분석하는데 있다.

제안 방법

지역별 기상자료, 경작지의 지형, 토양 특성자료 등을 구축하여 VFSMOD에 적용하여 경작지 지형특성에 따른 오염물질저감 (토양유실, 농약) 효율을 평가하였다. 또한, 오염물질저감 효율을 높일 수 있는 방법으로 1) 초생대 설치 구간의 경사도 완화, 2) 초생대 구간 내 작물 전환 시나리오를 설정하여 오염물질저감 효율이 낮은 그룹에 적용하여 시나리오별 오염물질저감 효율을 비교분석 하였다. Fig.
기존에 수행되었던 VFSMOD 관련 연구는 가상의 시험포를 구성하여 초생대의 특성에 따른 오염물질저감 효과를 분석하였다. 본 연구에서는 기존에 수행되었던 연구와는 달리 비점오염원 대상 지역의 경작지의 지형적 특성을 고려하였고, VFSMOD를 통해 실제 사업에 적용할 수 있는 시나리오를 구축하여 초생대의 오염물질저감 효과를 분석하였다. 본 연구의 결과는 이는 지속적인 비점오염원 관리를 위해 농민의 참여를 유도할 수 있는 자료 및 초생대 설치 사업 시 적합한 대상 경작지를 선정할 수 있는 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구에서는 비점오염원 관리지역인 만대지구, 가아지구, 자운지구 내 경작지 (밭)을 대상으로 지형특성 자료(면적, 경사도, 경사장)를 이용하여 군집 분석을 수행하였으며, 이를통해 군집 별 대표 경작지를 도출하였다. 이후 VFSMOD를 통해 경작지 지형적 특성에 따른 초생대의 유사 및 농약저감 효율을 평가하였다.
비점오염원 관리지역 내 대표 경작지를 대상으로 초생대의 오염물질저감 평가를 위하여 세가지 시나리오를 구축하였다(Table 2). 초생대 오염물질 효율평가는 Minnesota Pollutant Control Agency (2015)에서 제안한 기준을 사용하였으며, 평가 기준은 Table 3과 같다.
본 연구에서는 비점오염원 관리지역인 만대지구, 가아지구, 자운지구 내 경작지 (밭)을 대상으로 지형특성 자료(면적, 경사도, 경사장)를 이용하여 군집 분석을 수행하였으며, 이를통해 군집 별 대표 경작지를 도출하였다. 이후 VFSMOD를 통해 경작지 지형적 특성에 따른 초생대의 유사 및 농약저감 효율을 평가하였다. 초생대 시나리오는 총 세가지로 구성되어 있으며 모두 1 m 구간의 초생대를 적용하였다.
대상 지역은 경사가 높은 경작지들로 인해 토양유실이 지속적으로 발생하고 있는 만대지구, 가아지구, 자운지구이다. 지구별 대표 경작지를 선정하기 위하여 대상 지역 내 전체 경작지(밭)의 지형적 특성 (면적, 경사장, 경사도)을 이용하여 그룹화하였으며, 그룹별로 대표 경작지를 5개씩 추출하였다. 지역별 기상자료, 경작지의 지형, 토양 특성자료 등을 구축하여 VFSMOD에 적용하여 경작지 지형특성에 따른 오염물질저감 (토양유실, 농약) 효율을 평가하였다.
지구별 대표 경작지를 선정하기 위하여 대상 지역 내 전체 경작지(밭)의 지형적 특성 (면적, 경사장, 경사도)을 이용하여 그룹화하였으며, 그룹별로 대표 경작지를 5개씩 추출하였다. 지역별 기상자료, 경작지의 지형, 토양 특성자료 등을 구축하여 VFSMOD에 적용하여 경작지 지형특성에 따른 오염물질저감 (토양유실, 농약) 효율을 평가하였다. 또한, 오염물질저감 효율을 높일 수 있는 방법으로 1) 초생대 설치 구간의 경사도 완화, 2) 초생대 구간 내 작물 전환 시나리오를 설정하여 오염물질저감 효율이 낮은 그룹에 적용하여 시나리오별 오염물질저감 효율을 비교분석 하였다.
초생대 사업시 경작의 지형적 특성을 우선순위를 선정하기 위하여 대표 경작지로 선정된 경작지 지형적 특성들(경사도, 경사장, 면적)과 VFSMOD 결과(유사, 농약 저감효과)를 이용하여 상관성 분석을 수행하였다. 상관성 분석은 피어슨 상관 계수를 사용하였으며 수식은 식 (1)과 같다.

대상 데이터

본 연구에서는 주민참여형 비점오염 관리대책 중 하나인 초생대의 비점오염원 관리지역별 오염원 저감 효율을 정량적으로 평가하기 위하여 VFSMOD을 활용하였다. 대상 지역은 경사가 높은 경작지들로 인해 토양유실이 지속적으로 발생하고 있는 만대지구, 가아지구, 자운지구이다. 지구별 대표 경작지를 선정하기 위하여 대상 지역 내 전체 경작지(밭)의 지형적 특성 (면적, 경사장, 경사도)을 이용하여 그룹화하였으며, 그룹별로 대표 경작지를 5개씩 추출하였다.

데이터처리

비점오염원 관리지역인 만대, 가아, 자운지구의 내 비슷한 지형적 특성을 가진 경작지를 집단화하기 위하여 각 경작지의 경사도, 경사장, 면적 데이터를 활용하여 계층적 군집 분석과 ANOVA Test를 수행하였다. 군집 분석결과, 만대지구와 자운지구는 4개의 군집으로 구분되었으며, 가아지구는 3개의 군집으로 분석되었다.
피어슨 상관계수를 이용하여 경작지의 지형적 특성과 초생대의 오염물질저감 효율의 상관관계를 분석하였다 (Fig. 6).

이론/모형

본 연구에서는 주민참여형 비점오염 관리대책 중 하나인 초생대의 비점오염원 관리지역별 오염원 저감 효율을 정량적으로 평가하기 위하여 VFSMOD을 활용하였다. 대상 지역은 경사가 높은 경작지들로 인해 토양유실이 지속적으로 발생하고 있는 만대지구, 가아지구, 자운지구이다.
비점오염원 관리지역 내 대표 경작지를 대상으로 초생대의 오염물질저감 평가를 위하여 세가지 시나리오를 구축하였다(Table 2). 초생대 오염물질 효율평가는 Minnesota Pollutant Control Agency (2015)에서 제안한 기준을 사용하였으며, 평가 기준은 Table 3과 같다. 첫 번째 시나리오는 초생대의 경사도를 경작지의 경사도와 동일하게 설정하고, 초종은 환경부에서 권장하고 있는 녹비식물 중 호밀을 선택하였다.

성능/효과

ANOVA test 결과, 만대지구와 자운지구, 가아지구 내 모든 그룹이 통계적으로 다르다고 분석되었다 (P<0.05)
ANOVA test 결과, 만대지구와 자운지구의 그룹은 모두 통계적으로 다르다고 분석되었다 (P<0.05)
ANOVA test 결과, 만대지구의 경우 MD1과 MD3의 경사장은 통계적으로 다르지않다고 분석되었으며 (P=0.95), 만대지구 내 다른 그룹들은 모두 통계적으로 다르다고 분석되었다 (P<0.05)
농약저감 효과의 경우, GA1 군집의 시나리오3 경우를 제외하고 모두 “Satisfactory” 기준에 충족하였다. 가아지구의 지형적 특성상, 초생대의 오염물질저감 효과가 다른 두 개 지구에 비해 높은 것으로 분석되었다.
경작지의 지형적 특성과 오염물질저감 효율의 상관성 분석결과 경사도와 경사장이 면적에 비해 오염물질저감 효율과의 상관성이 높은 것으로 분석되었다. 따라서 초생대 설치 사업시 경사도와 경사장을 우선적으로 고려하여 적합한 경작지를 도출하여야 한다.
비점오염원 관리지역인 만대, 가아, 자운지구의 내 비슷한 지형적 특성을 가진 경작지를 집단화하기 위하여 각 경작지의 경사도, 경사장, 면적 데이터를 활용하여 계층적 군집 분석과 ANOVA Test를 수행하였다. 군집 분석결과, 만대지구와 자운지구는 4개의 군집으로 구분되었으며, 가아지구는 3개의 군집으로 분석되었다.
농약저감 효과 분석결과, MD1 군집과 GA3 그룹만 “Satisfacory” 기준에 충족하였으며, 저감효과는 각각 33.71, 34.13 %이다
두 번째와 세 번째 시나리오를 적용했을 때 가장 효과가 높았던 지역은 가아지구이며 대부분 “Satisfactory” 기준에 충족하였고, MD3 군집 역시 경사도를 낮추는 두 번째 시나리오에서 오염물질저감 효과가 높게 상승하였다
따라서 경사도가 높은 경작지도 면적과 경사장을 함께 고려했을 때 초생대 사업에 적합한 경작지를 선정될 수 있을 거라 판단된다. 자운지구는 대부분의 군집 모두 25% 이하의 오염물질저감 효과를 나타냈으며, 초생대 사업시 가장 낮은 효율을 나타낼 것으로 판단된다.
토양유실 저감효과 분석결과, 만대지구의 MD1 군집과 가아지구의 GA3 그룹은 유사저감 효과는 각각 59.18, 52.43 %로 MSSC (2005)에서 제안된 기준에 따르면 “Good” 에 해당된다

후속연구

본 연구에서는 기존에 수행되었던 연구와는 달리 비점오염원 대상 지역의 경작지의 지형적 특성을 고려하였고, VFSMOD를 통해 실제 사업에 적용할 수 있는 시나리오를 구축하여 초생대의 오염물질저감 효과를 분석하였다. 본 연구의 결과는 이는 지속적인 비점오염원 관리를 위해 농민의 참여를 유도할 수 있는 자료 및 초생대 설치 사업 시 적합한 대상 경작지를 선정할 수 있는 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

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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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