[논문]논 물꼬관리 기법 적용에 따른 원단위 삭감부하량 산정식 평가

김동현; 오흥근; 장태일; 함종화

doi:10.5389/ksae.2023.65.2.035

[국내논문] 논 물꼬관리 기법 적용에 따른 원단위 삭감부하량 산정식 평가
Assessing the Unit Load Reduction Equation of Drainage Outlet Raising Management in Paddy Fields 원문보기

한국농공학회논문집 = Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, v.65 no.2, 2023년, pp.35 - 45

김동현 (Department of Rural Construction Engineering, Jeonbuk National University) , 오흥근 (River Restoration Development Agency of Jeollabukdo) , 장태일 (Department of Rural Construction Engineering, Institute of Agricultural Science & Technology, Jeonbuk National University) , 함종화 (Rural Research Institute, Korea Rural Community Corporation)

Abstract ▼ AI-Helper

The DOR (Drainage outlet raising) in the paddy field has been suggested as one of the most important best management practices for the TMDL (Total maximum daily load) management in the technical guidelines by the NIER (National institute of environmental research). However, this method is underestimated and is not well adopted by local governments for the TMDL. The purpose of this study is to evaluate the unit load reduction equation according to the application of DOR in order to expand this equation. The original equation in the guideline was derived using the HSPF (Hydrological Simulation Program-Fortran) model for 1 year in Changnyeong. We analyzed the reduction effect of the original equation application by collecting additional long-term monitoring data from the Buan, Icheon, Iksan, and Jeonju. When comparing the reduction loads between the original equation and monitoring results, the evaluation results of the original equation were 11% of the monitoring analysis results, which was underestimated. This means that the original equation needs to be improved. For assessing the equation, the HSPF Paddy-RCH model was established according to the NI ER guideline and evaluated for applicability. The performance results of the model showed a reasonable range by the statistical criteria. Modified equations 1 and 2 were proposed based on the monitoring and modeling results. Modified equation 1 was the method of modifying the original equation's main factors, and modified equation 2 was the method of applying the non-point pollution reduction efficiency according to the rainfall class using the long-term modeling results. At the level of 58.6~64.6% of monitoring data, the difference between them could be further reduced compared to the original equation. The suggested approach will be more reasonable and practicable for decision-makers and will contribute to the TMDL management plans.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1 Study sites and field experiments
그림 Fig. 2 Comparisons between CM (Conventional outlet management) and DOR (Drainage outlet raising) for runoff, BOD, T-N, and T-P in each paddy field
표 Table 1 Comparisons between monitoring data and calculated pollutant loads by reduction load equation
표 Table 2 Representative calibrated values for runoff and water quality parameters for HSPF Paddy-RCH model
그림 Fig. 3 Comparisons between observed and simulated runoff, BOD, T-N, and T-P in the (a) Iksan, (b) Icheon, (c) Buan, and (d) Jeonju paddy fields (CM, conventional outlet management)
표 Table 3 Statistics result of model calibration for runoff and pollutant loads
그림 Fig. 4 Boxplot comparisons between CM (Conventional outlet management) and DOR (Drainage outlet raising) management for simulated runoff, BOD, T-N, and T-P in each study sites
표 Table 4 Outlet discharge rate (OR) of BOD, T-N, and T-P loads for irrigation and non-irrigation periods in each region
그림 Fig. 5 Boxplot comparisons of simulated (a) BOD, (b) T-N, and (c) T-P reduction rate according to rainfall classes
그림 Fig. 6 Boxplot comparisons of reduction (a) BOD, (b) T-N, and (c) T-P loads according to monitoring data, original equation, modified equation 1, and 2
그림 Fig. 7 Spatial distribution of PR (precipitation rate) in Korea using 90 ASOS (Automated Synoptic Observing System) stations data

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

한편, 토지계 부문의 비점오염저감시설 (저류형, 침투형, 여과형 등)에 따른 삭감부하량 산정식의 주요인자는 원단위에 삭감대상부하비 (강우처리비에 따른 삭감대상부하량의 비)와 저감효율만 곱하는 것으로 간편하게 삭감부하량을 산정할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 기존의 안전율 및 저감비 등 주요 인자를 제거하여 삭감부하량이 과소 산정되는 것을 방지하고 강우배출비는 강우계급별 강우사상, 강우량으로 대체, 물꼬배출비는 강우계급별 평균 저감효율 등으로 대체 적용하여 간편하고 범용적으로 적용할 수 있는 삭감부하량 산정 개선식을 추가로 제안하고자 하였다.
본 연구에서는 오염총량관리기술지침의 논에서의 물꼬관리에 따른 삭감부하량 산정식을 검토하였다. 삭감부하량 산정식은 오염총량관리계획을 위해 실무자들이 사용하기에는 복잡한 식으로 구성되어 있으며, 모니터링 결과와 비교하여 과소한 값으로 산정되었기 때문에 실질적으로 유역의 오염총량관리계획으로 활용되기에는 한계가 있다.
본 연구에서는 환경부 오염총량관리기술지침의 논 물꼬관리기법 적용에 따른 삭감부하량 산정식을 평가하고자 한다. 1) 선행연구를 통해 기 수집된 논 수문⋅수질 모니터링 자료(KRCC RRI, 2016; KECC, 2019; Kim, 2022)를 활용하여 논 물꼬관리에 따른 오염부하량 배출 및 삭감부하량 분석, 2) 국립환경과학원의 삭감부하량 실증 연구결과 (Moon, 2019; NIER, 2019)와 동일하게 HSPF-Paddy RCH 모델링을 이용하여 삭감부하량 산정식의 주요인자를 분석, 3) 환경부 지침의 논 삭감부하량 산정식에 대한 정책적인 접근 범위 내에서 현행 삭감부하량 산정식을 개선할 수 있는 방안을 제안하고자 한다.
삭감부하량 산정식의 주요인자 중 하나인 강우배출비는 기상자료가 있다면 전국적으로 공간분포 특성을 분석할 수 있으며, 강우배출비를 기준으로 국내 논 모니터링 대표지역을 선정할 수 있는 방법을 제안하고자 하였다. 기상청에서 제공하는 90개 종관기상관측소의 최근 10년 (2012∼2021년) 강우량 자료를 수집하여 강우배출비 (PR)를 산정하였다.

제안 방법

1) 선행연구를 통해 기 수집된 논 수문⋅수질 모니터링 자료(KRCC RRI, 2016; KECC, 2019; Kim, 2022)를 활용하여 논 물꼬관리에 따른 오염부하량 배출 및 삭감부하량 분석, 2) 국립환경과학원의 삭감부하량 실증 연구결과 (Moon, 2019; NIER, 2019)와 동일하게 HSPF-Paddy RCH 모델링을 이용하여 삭감부하량 산정식의 주요인자를 분석, 3) 환경부 지침의 논 삭감부하량 산정식에 대한 정책적인 접근 범위 내에서 현행 삭감부하량 산정식을 개선할 수 있는 방안을 제안하고자 한다.
2010∼2019년까지 장기모델링을 수행하여 다양한 기상조건에 따른 오염원 배출특성, 저감효과, 물꼬높이 증가에 따른 저감율, 그리고 삭감부하량 산정식의 주요인자를 평가하고, NIER (2012)가 제안했던 강우계급에 따른 오염부하량 배출 및 저감율을 분석하고자 한다.
2는 대상지역별 논 대조구 (CM, Conventional outlet management)와 물꼬관리 (DOR, Drainage outlet raising) 처리구의 모니터링 결과로서 영농기간 동안의 총 유출량 및 부하량이다. 논 수문 및 수질 모니터링은 배수구에 유량을 측정하고 배출수를 채취하여 수질 분석을 통해 오염부하량을 평가하였다. 대조구는 관행 물꼬높이 7 cm로 관리하며, 물꼬관리 처리구는 물꼬높이 12 cm로 관리되었다.
삭감부하량 산정식은 오염총량관리계획을 위해 실무자들이 사용하기에는 복잡한 식으로 구성되어 있으며, 모니터링 결과와 비교하여 과소한 값으로 산정되었기 때문에 실질적으로 유역의 오염총량관리계획으로 활용되기에는 한계가 있다. 따라서, 삭감부하량 산정식을 검토하였으며, 개선안을 제안하고자 다양한 지역 (경기도 이천, 전라북도 익산, 부안, 전주)의 모니터링 결과 및 HSPF 모형을 구축하여 장기간의 모델링 결과를 활용하였다. 모의 자료를 기반으로 현행 삭감부하량 산정식을 개선할 수 있는 1안과 강우계급별 저감효율을 분석하여 강우계급에 따른 삭감부하량 개선식을 2안으로 제안하였다.
따라서, 삭감부하량 산정식을 검토하였으며, 개선안을 제안하고자 다양한 지역 (경기도 이천, 전라북도 익산, 부안, 전주)의 모니터링 결과 및 HSPF 모형을 구축하여 장기간의 모델링 결과를 활용하였다. 모의 자료를 기반으로 현행 삭감부하량 산정식을 개선할 수 있는 1안과 강우계급별 저감효율을 분석하여 강우계급에 따른 삭감부하량 개선식을 2안으로 제안하였다. 개선된 삭감부하량 산정식의 결과는 모니터링 결과의 58.
세 가지의 주요 인자는 동일한 성격을 가지며, 원단위에 중복으로 곱하여 적용되면서 삭감부하량이 과소평가되는 결과로 이어진다. 본 연구에서는 물꼬배출비만 적용하여 중복적용에 따른 과소평가를 방지하고자 하였으며, Table 4와 같이 각 지역별 물꼬배출비 (OR)를 도출하고 범용적으로 적용할 수 있도록 평균값을 산정하여 물꼬관리 적용에 따른 수질항목별 저감율을 제시하였다. 저감비는 물꼬높이 반영을 위해 주기적인 모니터링 자료가 필요하지만 인적, 경제적, 시간적인 한계가 있기 때문에 실질적인 반영이 어려운 것으로 판단되어 제외하였다.
논 물꼬관리기법에 대한 삭감부하량 산정식은 2018년 경상남도 창녕군에서 논 모니터링 및 HSPF-Paddy RCH 모형을 이용하여 도출되었으며, 삭감부하량 산정식 주요 인자인 저감비는 모델링을 활용하여 물꼬높이 증가를 구현하고 물꼬높이 시나리오에 따른 유출 저감 관계식으로 도출되었다(Moon, 2019). 본 연구에서도 지침과 동일하게 HSPF Paddy-RCH 모형을 구축하여 각 지역별 모니터링 결과를 활용하여 모형을 보정하였으며, 삭감부하량 산정식의 주요인자를 분석하였다. 2010∼2019년까지 장기모델링을 수행하여 다양한 기상조건에 따른 오염원 배출특성, 저감효과, 물꼬높이 증가에 따른 저감율, 그리고 삭감부하량 산정식의 주요인자를 평가하고, NIER (2012)가 제안했던 강우계급에 따른 오염부하량 배출 및 저감율을 분석하고자 한다.
장기간의 모의결과를 활용하여 강우계급에 따른 저감효율, 강우계급별 강우사상, 평년강수량 대비 해당 연도의 강수량 인자를 기반으로 “삭감부하량 산정 개선식 2”를 제안하였다. 이에 따라 현행 식의 주요 인자인 저감비, 물꼬배출비가 수질항목별 저감효율로 통합되며, 강우배출비는 강우계급별 강우사상 및 강우량으로 대체하여 삭감부하량 산정식을 다른 토지계 부문의 삭감부하량 산정식과 같이 간소화하였다. 개선 식 2는 다음 식 (3)과 같이 제안하고자 한다.
장기간의 모의결과를 활용하여 강우계급에 따른 저감효율, 강우계급별 강우사상, 평년강수량 대비 해당 연도의 강수량 인자를 기반으로 “삭감부하량 산정 개선식 2”를 제안하였다

대상 데이터

강우배출비가 낮은 순서로 제주 성산, 전남 완도, 경남 거제, 창원, 경북 구미, 대전광역시, 전북 전주, 고창, 강원 영월, 경기 이천, 충북 천안, 경기 파주, 동두천, 강원 철원으로 나타났다. 각 구간의 근접한 값을 포함하여 총 14개 지역을 강우배출비가 상이한 지역으로 선정하였다. 해당 지역을 고려한다면 범용적인 적용에 신뢰성을 높일 수 있을 것으로 사료된다.
모니터링 기간은 이천 및 부안은 2019년, 익산은 2013∼2015년, 전주는 2015∼2018년의 선행연구 자료를 활용하였다 (KRCC RRI, 2016; KECC, 2019; Kim, 2022). 각 지역별로 토지이용도, 유역도, DEM 등 자료를 수집하여 HSPF Paddy-RCH 모형 (Jung et al., 2019)의 입력자료를 구축하였으며, 기상자료는 현장에서 관측한 강우량 및 인근 기상관측소 자료를 활용하였다.
기상청에서 제공하는 90개 종관기상관측소의 최근 10년 (2012∼2021년) 강우량 자료를 수집하여 강우배출비 (PR)를 산정하였다
모니터링 기간은 이천 및 부안은 2019년, 익산은 2013∼2015년, 전주는 2015∼2018년의 선행연구 자료를 활용하였다 (KRCC RRI, 2016; KECC, 2019; Kim, 2022)
이는 각 지역에 대한 연구 목적 및 모니터링 방법이 다르기 때문에 일부 방법에 차이가 있다. 모니터링 자료는 삭감부하량 산정 (Table 1)과 HSPF Paddy-RCH 모형 구축에 사용되었다.
본 연구의 대상지역은 논 모니터링 자료의 구득이 가능한 곳으로 경기도 이천시 장호원읍 선읍리, 전라북도 익산시 춘포면 용연리, 부안군 동진면 안성리, 전주시 덕진구 등 4곳의 시험포장에 위치한다. 모니터링 기간은 이천 및 부안은 2019년, 익산은 2013∼2015년, 전주는 2015∼2018년의 선행연구 자료를 활용하였다 (KRCC RRI, 2016; KECC, 2019; Kim, 2022).
대조구는 관행 물꼬높이 7 cm로 관리하며, 물꼬관리 처리구는 물꼬높이 12 cm로 관리되었다. 오염총량관리기술지침의 오염원 항목과 같이 BOD, T-N, T-P 자료를 수집하였으며, 익산은 T-N 및 T-P만 모니터링 하였으며, BOD는 제외되었다. 이는 각 지역에 대한 연구 목적 및 모니터링 방법이 다르기 때문에 일부 방법에 차이가 있다.

데이터처리

삭감부하량 산정식의 주요 인자를 개선하기 Fig. 5와 같이 HSPF Paddy-RCH 모형의 장기 모의 결과자료를 활용한 강우 계급에 따른 오염원 저감효과를 평가하였다. 모니터링 결과는 자료 표본의 한계로 인하여 분석에 한계가 있었으며, 모델링을 이용하여 결과를 보완하였다.
개선식 1에서는 지역별로 도출한 물꼬배출비를 활용하여 산정하였다. 또한, 비관개기간의 논 모니터링 자료를 확보하지 못했기 때문에 관개기간 동안의 결과를 비교하였다. 모니터링 결과와 비교하여 현행 삭감부하량 산정식은 평균 17.

이론/모형

기상청에서 제공하는 90개 종관기상관측소의 최근 10년 (2012∼2021년) 강우량 자료를 수집하여 강우배출비 (PR)를 산정하였다. 강우배출비는 ArcGIS를 이용하여 IDW (Inverse distance weight) 방법에 의해 공간 보간하여 전국 공간분포를 분석하였다. 연평균 최대강우배출비는 전국적으로 1.
논 물꼬관리기법에 대한 삭감부하량 산정식은 2018년 경상남도 창녕군에서 논 모니터링 및 HSPF-Paddy RCH 모형을 이용하여 도출되었으며, 삭감부하량 산정식 주요 인자인 저감비는 모델링을 활용하여 물꼬높이 증가를 구현하고 물꼬높이 시나리오에 따른 유출 저감 관계식으로 도출되었다(Moon, 2019). 본 연구에서도 지침과 동일하게 HSPF Paddy-RCH 모형을 구축하여 각 지역별 모니터링 결과를 활용하여 모형을 보정하였으며, 삭감부하량 산정식의 주요인자를 분석하였다.
, 1997). 논에서의 수문 및 수질을 모의하기 위해 HSPF 모형의 PERLIND 및 REACH 모듈에서 대상 논 필지와 동일한 면적의 체적을 구축하여 비교적 단순한 형태인 논으로 표현 가능하다 (즉, HSPF Paddy-RCH model). 농경지를 모의하는 PERLND 모듈에서 논 면적을 제거하고 대상 논과 동일한 면적의 RCHRES를 구성하고 HSPF의 F-Table을 기반으로 하는 FUNCT 옵션을 활용하여 배수물꼬 관리기법을 재현할 수 있다 (Moon, 2019; Jung et al.

성능/효과

9% 저감효과를 제시하였다. KECO (2019)은 경기도 이천시, 전북 부안군, 강원도 홍천군을 대상으로 농촌 비점오염 모니터링을 수행하였으며, 모니터링 결과를 종합한 결과, 시비관리 T-N 10.0%, T-P 30.0%, 물꼬관리 T-N 15.0%, T-P 30.0%, 복합관리 T-N 25.0%, T-P 35.0%의 저감효율을 제시하였다. 선행연구에 따르면 논에서의 배출부하량 및 삭감부하량은 관개, 영농방법, 지역적 토양 및 강우 특성에 따라 상이한 결과를 나타낸다.
개선된 삭감부하량 산정식의 결과는 모니터링 결과의 58.6∼64.6% 수준으로 평가되었으며, 이는 현행 산정식 대비 편차가 상대적으로 줄어든 것으로 나타났다.
2% 수준으로 나타났다. 결과적으로, 개선식1, 2는 현행의 삭감부하량 산정식을 개선한 것으로 나타났으며, 현행 식과 비교하여 삭감부하량 산정 활용도 및 범용성이 높을 것으로 판단된다.
또한, 비관개기간의 논 모니터링 자료를 확보하지 못했기 때문에 관개기간 동안의 결과를 비교하였다. 모니터링 결과와 비교하여 현행 삭감부하량 산정식은 평균 17.0%, 삭감부하량 산정 개선식1, 2는 각각 평균 44.4%, 54.2% 수준으로 나타났다. 결과적으로, 개선식1, 2는 현행의 삭감부하량 산정식을 개선한 것으로 나타났으며, 현행 식과 비교하여 삭감부하량 산정 활용도 및 범용성이 높을 것으로 판단된다.
저감비는 물꼬높이 반영을 위해 주기적인 모니터링 자료가 필요하지만 인적, 경제적, 시간적인 한계가 있기 때문에 실질적인 반영이 어려운 것으로 판단되어 제외하였다. 안전율은 과대평가라는 불확실성을 내포하는 경우 적용 가능할 것으로 사료되며, 삭감부하량 결과가 과소평가될 경우 제외하는 것이 합리적일 것으로 판단된다. 현행 식을 개선하여 다음 식 (2)와 같이 “삭감부하량 산정 개선식1”을 제안하고자 한다.

후속연구

이를 개선할 수 있는 방안은 Choi et al. (2019)과 같이 국내 대표적인 기상 특성 또는 최근 강우 경향성을 반영할 수 있는 지역을 선정하여, 논 비점오염원 배출 특성에 따른 삭감부하량 산정식 주요인자들을 도출하고 통합한다면 합리적인 범용 산정식으로 개선할 수 있을 것으로 사료된다.
해당 지역을 고려한다면 범용적인 적용에 신뢰성을 높일 수 있을 것으로 사료된다. 다만, 본 연구의 강우배출비 공간분포는 대표지역을 선정하기 위한 시범 결과로서, 향후 강우특성 (강우강도, 강우량, 지속기간, 강우침식인자 등), 공간분포 분석기법 (Kriging, spline 등), 논 면적 분포, 그리고 통계분석 등 면밀한 평가에 따라 개선될 수 있을 것이다.
, 2010). 따라서 삭감부하량 산정식에 대한 개선이 필요할 것으로 판단되며, 다양한 지역의 농경지(논)에서의 모니터링 자료를 반영할 필요가 있다.
(2015)은 다양한 지역별 강우특성을 반영하여 삭감대상부하비를 고려한 바 있다. 따라서 삭감부하량 산정식은 다양한 지역 및 강우 특성 반영이 필요할 것으로 판단된다.
이에 따라 삭감부하량 산정식을 통한 삭감부하량 결과는 오염총량관리 계획 및 실행에 중요한 비중을 차지할 것으로 판단된다. 따라서 앞서 언급한 현행 삭감부하량 산정식의 한계를 보완할 수 있는 삭감부하량 산정식의 재평가 및 정책적인 접근이 필요하다. Kim et al.
5와 같이 HSPF Paddy-RCH 모형의 장기 모의 결과자료를 활용한 강우 계급에 따른 오염원 저감효과를 평가하였다. 모니터링 결과는 자료 표본의 한계로 인하여 분석에 한계가 있었으며, 모델링을 이용하여 결과를 보완하였다. 강우계급은 총 4개 계급이며 (NIER, 2012), BOD 저감효과는 강우계급0(0∼10 mm)에서 39.
본 연구의 한계점은 삭감부하량 산정식을 개선했음에도 불구하고 현장 모니터링 결과와 비교하여 과소평가된 결과를 나타낸다. 이는 범용적인 적용을 위한 원단위 및 삭감부하량 산정식의 주요인자 등이 원인이 된다.
(2017)은 도로청소에 의한 비점오염 저감효과를 분석하고 수질오염총량관리제에 적용할 수 있는 방안을 모색하고자 하였다. 선행연구 결과를 종합해보면, 현행 지침의 산정식을 이용하여 계산한 삭감부하량은 과소평가되고 있으며, 산정식의 안전율 또는 매개변수와 같이 삭감부하량 결과에 영향을 미치는 주요 인자에 대한 수정 및 개선방안 연구가 필요하다.
개정된 지침에는 토지계 (농경지, 논)에 대한 내용이 추가되었으며, 논 물꼬관리에 따른 삭감부하량을 산정할 수 있는 산정식이 정책적으로 제시되었다. 이러한 내용을 기반으로 오염총량관리 기본계획 승인 신청시에 계획의 타당성을 평가하기 위한 기초자료를 작성하며, 단위유역 또는 지자체의 오염배출부하량을 산정하고 오염원을 관리하기 위해 삭감할 수 있는 시설 선정 및 삭감부하량을 산정하여 오염총량관리계획에 활용할 수 있다.
, 2019). 이에 따라 삭감부하량 산정식을 통한 삭감부하량 결과는 오염총량관리 계획 및 실행에 중요한 비중을 차지할 것으로 판단된다. 따라서 앞서 언급한 현행 삭감부하량 산정식의 한계를 보완할 수 있는 삭감부하량 산정식의 재평가 및 정책적인 접근이 필요하다.

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Yeon, J. S., K. B. Sim, O. Lee, S. Kim, and E. S. Kim,？2015. The improvement on the empirical formula of reduced？target loading ratio for bio-retention non-point source？control facilities. Journal of the Korean Society of Hazard？Mitigation 15(6): 443-450. doi:10.9798/KOSHAM.2015.15.6.443.

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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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