SWAT 모델 논유역 적용방안

최동호 ( Dongho Choi ),윤광식 ( Kwangsik Yoon ),정재운 ( Jaewoon Jung ),이경숙 ( Kyungsook Lee ),최우정 ( Woojung Choi ),임상선 ( Sangsun Lim ),임병진 ( Byungjin Lim ),최강원 ( Gangwon Choi ) 한국농공학회 2011 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2011 No.-

SWAT 모형은 장기 수문순환 과정을 모의하여 토양, 토지, 농업관리 등 유역관리를 위한 의사결정 방향을 제시하고, 유역의 장기유출 및 수질 모의에 많이 이용되고 있어 우리나라에서 현재 시행중인 수질오염총량관리제의 기준유량 및 유역내 오염물질 거동 해석에 많은 활용이 예상된다. 논유역을 대상으로 SWAT 모형을 적용하기 위해서 전라남도 함평군 엄다면 화양리의 논 지구를 대상으로 2005년부터 2010년까지 영농 기간동안 집중 모니터링을 실시하였다. SWAT 모형을 구동하기 위해서 수치고도모형(DEM), 토지피복도, 토양도, 하천도를 구축하였다. 논 유역을 대상으로 SWAT 모형을 적용하기 위해서 이앙시기, 시비시기, 관개량 등을 조사하여 입력자료를 구축하였으며, 유출곡선지수, 유효토층, 토양침식 및 SS 모의발생을 위해 ULSE_K, 평균경사길이(SLSUBBSN), 평균경사(Slope), 경운인자 등을 조절하여 적용한 결과 2005~2010년까지 실측 유출량과 모의발생 유출량은 서로 유사하였다. 하지만 강우와 관개수에 토양이 포화되어 탈질로 대부분의 질소가 손실되며 지표수 유출손실은 작은 것으로 모의 발생되었다. 따라서 토층 깊이를 제한하여 관측치를 재현하였다. 따라서 대규모 논 유역에 SWAT모형을 적용하기 위해서는 토양 입력자료를 조정하여야 되는 것으로 나타났다.

논 유출수 COD, SS, T-N, T-P 확률분포

최동호 ( Dongho Choi ),윤광식 ( Kwangsik Yoon ),정재운 ( Jaewoon Jung ),이경숙 ( Kyungsook Lee ),최우정 ( Woojung Choi ),임상선 ( Sangsun Lim ),임병진 ( Byungjin Lim ),최강원 ( Gangwon Choi ) 한국농공학회 2011 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2011 No.-

우리나라는 수질개선하기위해서 1차 오염총량관리기간동안 BOD를 관리대상 물질로 선정하여 시행되어 왔으며, 2차 오염관리대상물질로 T-P를 선정하여 관리하고 있다. 박재홍 등(2006)은 1차 오염총량관리 기간동안 모든 수계가 동일한 관리대상물질을 선정하고 적용하는 것에 있어 유역별 오염원 및 지리적 특성이 다르기 때문에 수질관리에 있어서 적절한 차별화된 대상물질의 선정도 고려되야 한다고 하였다. 따라서 하천 및 호소의 수질을 효율적으로 관리하기 위해서는 관리대상 수질항목의 분포형태 파악이 매우 중요하다. 자료의 분포형태는 확률지를 사용하는 방법과 적합도 검정을 하는 방법으로 파악할 수 있으며, 수질항목의 확률분포는 해석해 또는 수치해로 구성된 결정론적 모델과 연계하여 모의 결과의 불확실성 및 신뢰성 등 지표수 수질관리에 효율적으로 사용될 수 있다. 논 유출수의 COD, SS, T-N, T-P의 확률 분포 특성을 분석하기 위해 전라남도 함평군 엄다면 화양리 논 지구에서 2008년부터 2010년까지 영농 기간동안 집중 모니터링을 실시하였으며, 수질항목별 분포형태는 Kolmogorov-Smirnov(K-S) 적합도 검증방법을 사용하였다. COD와 SS는 Normal, Log-Normal, Gamma, Weibull 분포모형에서 적합성을 보였으며, T-N의 경우 Log-Normal, Gamma, Weibull 분포모형에서 적합도를 보였으며, T-P의 경우 Log-Normal 분포에서만 적합성이 있는 것으로 나타났다.

수질오염총량관리계획을 위한 다양한 모델 적용성 평가

이승재 ( Seung-jae Lee ),윤춘경 ( Chungyeong Yoon ),이한필 ( Han-pil Rhee ),최강원 ( Gangwon Choi ) 한국농공학회 2011 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2011 No.-

우리나라 수질오염총량관리계획에서 여러 가지 수질 저감 계획이 수계에 미치는 영향을 평가하기 위해서는 모델의 적용이 필요하다. 수질오염총량관리계획에서 유역의 수질오염 부하량을 계산하기 위해서는 재현성이 확보된 모형의 적용이 필수적이며, 자연현상을 현실적으로 반영 할 수 있는 모델이어야 한다. 하지만 현재 수질오염총량관리계획에서는 부하량 할당모델이며, 정적 모형인 QUAL2E를 적용하고 있다. 본 연구에서는 다양한 모형의 적용을 통하여 수질오염총량관리제를 적용하는데 보다 합리적이고 적합한 모형을 찾는데 도움을 주고자 다양한 모형의 적용을 통한 비교분석을 실시하였다. 기존에 이용되고 있는 QUAL2E모형과 환경부에서 개발한 spreadsheet를 기반으로 하는 모형을 우선 적용하고 분석하였으며, 미국내 수질오염총량관리제도를 위한 간단 모형으로 STEPL, Region 5 Load Estimation model, WTM, PLOAD, 그리고 L-THIA NPS 모형을 비교분석하였다. 그리고 현재 수질오염총량관리계획에서 적용 준비 중인 유역모델로 HSPF를 적용 및 비교분석 하였다. 적용지역으로는 2004년 처음으로 수질오염총량관리제를 실시하여 충분한 데이터가 누적되어 있는 경안천 유역으로 선정하였다. 본 연구를 통하여 수질오염총량관리계획 수립시 적용되는 모형의 장단점을 파악하여 보다 적절한 모형을 선정하고 적용할 수 있는 바탕이 될 것으로 판단된다.

논에서의 SS유출 관련 인자 상관성 분석

이경숙 ( Kyoungsook Lee ),윤광식 ( Kwangsik Yoon ),정재운 ( Jaewoon Jung ),최동호 ( Dongho Choi ),최우정 ( Woojung Choi ),임상선 ( Sangsun Lim ),최강원 ( Gangwon Choi ) 한국농공학회 2011 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2011 No.-

논의 경우 벼 재배기간 중 주로 담수상태에 있고 벼가 자라면서 Canopy를 형성하여 다른 지목과는 오염물질의 유출 특성이 다르다. 다른 오염물질에 비해 순수 논에서의 SS 유출에 관한 연구가 부족한 실정이다. 따라서 SS 유출과 관련성이 높은 인자들 사이의 상관성 분석을 통해 SS유출에 가장 영향을 미치는 인자가 무엇인지 파악하는 것이 필요하다. 영산강 수계중 하나인 전라남도 함평군에 위치한 학야지구 논 유역을 대상으로 2006년부터 2010년까지의 장기간 모니터링한 자료를 바탕으로, SS유출에 영향을 미치는 인자들인 강우량, 강우강도, 강우+관개량, 관개량, 배수량과 농도 또는 부하량 사이의 상관성을 강우사상별과 영농기간으로 구분하여 분석하였다. 영농기간 동안의 총강우량과 SS 부하량 사이는 선형관계를 보이지 않았고, 관개량과 부하량 사이는 높은 상관성을 나타내어 부하량은 강수량보다는 관개량과 상관성이 있음을 알 수 있었다.

하천차수별 토지이용 특성이 농업용 저수지유역 수질에 미치는 영향 분석

이승재 ( Seung-jae Lee ),윤춘경 ( Chungyeong Yoon ),이한필 ( Han-pil Rhee ),최강원 ( Gangwon Choi ) 한국농공학회 2011 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2011 No.-

우리나라에서는 농업용수의 60% 이상이 농업용 저수지에서 공급을 받고 있으며, 대부분의 농업용 저수지의 크기가 작고 수심이 얕은 소규모 저수지의 형태를 가지고 있다. 그리하여 유입되는 토사나 오염물질이 증가하여 저수지의 부영 양화를 유발할 가능성이 높아진다. 저수지 수질에 영향을 미치는 주요 인자들은 여러 연구자들에 의해 알려져 있지만, 수질 측정지점의 부족으로 인해 수질에 미치는 영향을 정량적으로 평가하기가 매우 어렵다. 수질관측망은 점적인 관측 형태를 취하는 반면에 수질에 영향을 미치는 인자들은 공간적인 분포형태를 취하고 있기 때문에 결과를 반영하는데 어려움을 겪고 있다. 본 연구에서는 농업용저수지 유역에 하천을 기준으로 200 m단위의 buffer zone 4개를 생성하여 하천에서의 거리에 따른 토지이용의 공간적 변화와 상류하천의 차수가 수질에 미치는 영향에 대하여 각 인자간의 상관성을 분석하였다. 상관분석결과 하천차수를 9차까지 고려한 소유역의 상관성이 토지이용형태와 가장 유의하게 나타났으며, 7차까지 고려한 소유역의 상관성은 토지이용형태를 잘 반영하지 못한 것으로 나타났다. 특히 주거지역의 경우 상류 소하천이나 분산지역에 많이 분포하고 있는 것으로 판단되어 농촌지역의 생활하수 처리하는데 보다 관심을 기울여야 하는 것으로 나타났다. 다중회귀분석결과 논과 밭의 영향력이 가장 큰 것으로 나타나 농경지의 관개용수, 비료시비 그리고 토양유실에 대한 대책이 필요할 것으로 나타났으며, 제안된 모형을 통하여 다양한 계획에 대한 수질 영향을 즉각적으로 살펴볼 수 있으며, 보다 합리적인 유역관리를 도출하는데 기여할 것으로 판단된다.

국내 농업비점오염 부하량 산정방법 비교 연구

조문수 ( Moonsoo Cho ),윤춘경 ( Chun-gyeong Yoon ),이한필 ( Han-pil Rhee ),손영권 ( Yeong-kwon Son ),최강원 ( Gangwon Choi ) 한국농공학회 2011 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2011 No.-

우리나라의 하천 및 호소에 유입되는 오염물질 중 약 30% 이상이 농업활동 등에 의한 비점오염원이며 특히, 농업비점오염원에 대한 관리는 관련 분야의 특징에 대한 정확한 이해를 바탕으로 국내 실정에 적합하고 현실적인 정책과 제도를 개발하여 적용하는 것이 필요하다. 실질적인 정책과 제도의 개선안 수립ㆍ적용을 위해서는 비점오염물질 배출에 대한 신뢰성 있는 정량화가 선행되어야 하나, 모니터링 자료가 충분하지 못하여 실측자료에 근거한 부하량 평가가 어렵고, 농촌지역 및 농경지의 토지이용에 따른 농업비점오염물질과 수계 유입되는 유달부하량 정량화에 대한 연구사례는 적은편이다. 현재 국내 환경정책에서 부하량 산정을 위해 사용해오고 있던 원단위는 일별 단위면적당 발생량으로 일단위 기준으로 부하량을 계산하고 있다. 특히 원단위 내에 강우유출률 등이 이미 계산되어 고정돼 있기 때문에 강우특성을 반영하기 힘들고 일단위로 계산되기 때문에 강우와 상관없이 연간 매일 같은 양의 부하량이 수계로 유입되는 것으로 계산된다. 이런 점들을 개선하기 위해서는 원단위도 기존의 일단위가 아닌 연단위로 계산을 하거나 미국의 TMDL에서 사용하고 있는 EMC의 적용이 필요하다. EMC는 연 총 오염부하량을 기준으로 부하량을 분석하고, 각 유역별 강우특성이 반영되어 우리나와 같이 지역별, 계절별 강우특성이 뚜렷한 지역에서 효과적이다. 따라서 국내 농촌지역 실정에 적합하고, 현실적으로 적용 가능한 개선안 마련을 위해서는 선진 국외 정책 및 제도를 분석하고 연구하는 한편, 합리적인 오염 배출량 자료와 저감방법에 근거하여 현실적인 대안을 도출하는 연구가 필요하다. 또한, 향후 지속적인 연구와 자료축적을 통해 현재의 대상 항목보다 좀 더 다양하고 유역특성에 맞는 항목들을 이용하여 부하량을 산정하고 관리할 수 있도록 해야 할 것이다.

가축분뇨 퇴비가 시비된 밭의 유출 특성 변화

김영주 ( Youngjoo Kim ),손재권 ( Jaegwon Son ),조재영 ( Jaeyoung Cho ),윤광식 ( Kwangsik Yoon ),최진규 ( Jinkyu Choi ),최강원 ( Gangwon Choi ) 한국농공학회 2011 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2011 No.-

본 연구는 가축분뇨를 이용한 퇴비를 시비한 밭에서의 강우에 의한 유출수의 영양물질 특성을 조사하고자 하였다. 이를 위해 밭 시험포장(5 m×20 m) 2개를 조성하고 2011년 5월부터 8월까지 수문관측시설을 설치 운영하여 모니터링을 실시하였다. 시험포를 조성한 후 가축분(우분) 퇴비를 시비처리한 퇴비구와 일반구로 구분하고, 대상 작물로 고구마를 선정하여 모종을 각각 이식하여 재배하였다. 시험기간동안 강우에 의한 표면유출수를 채취하여 퇴비구와 일반구밭에서의 유출특성 및 오염물질의 거동특성을 파악하고자 하였다. 시험 지구에서 2011년 5월부터 8월 현재까지 4개월 동안의 총 강수량은 1,040.4 mm를 기록하였으며, 고구마가 이식 재배된 6월은 129.8 mm, 7월에는 435.6 mm, 8월은 351.2 mm를 나타내었다. 7월 강수량은 우리나라 연평균 강수량인 1,283 mm의 33.9%이었으며, 조사기간중 일최대강수량은 8월 9일에 내린 181.4 mm로 나타났다. 시험기간의 재배 밭에서 관개량 및 유출량은 32.0 mm와 340.7 mm이었다. 관개량은 고구마를 이식한 후 고구마 뿌리내림을 위해 초기에 공급된 수량이며, 유출량은 일 강수량에 의한 표면유출량을 나타낸 것으로 멀칭재배를 했기 때문에 유출이 더 많이 발생한 것으로 판단된다. 밭에서의 퇴비에 의한 유출수 성분을 조사하기 위해 강우시 웨어를 통해 유출되는 표면유출수을 채취하여 분석하였으며, 그 결과 TN의 농도변화는 퇴비구에서 2.82~6.66 mg/L의 범위로 평균 4.02 mg/L, 일반구에서는 3.04~6.01 mg/L의 범위로 평균 4.32 mg/L의 농도변화를 나타내었다. 한편, TP의 농도는 퇴비구가 0.069~0.163 mg/L로 평균 0.112mg/L를, 일반구에서는 0.082~0.152 mg/L로 평균 0.111 mg/L로 나타나 TN에 비해 TP는 차이를 나타내지 않았다. 따라서 퇴비구와 일반구에서 TN, TP의 수질 성분의 차이가 크지 않은 것은 모두 멀칭재배로 인한 토양 성분의 유출이 적은 때문으로 보여진다.

축산분뇨 퇴비 시용에 따른 논 유출수의 특성

김영주 ( Youngjoo Kim ),손재권 ( Jaegwon Son ),조재영 ( Jaeyoung Cho ),윤광식 ( Kwangsik Yoon ),최진규 ( Jinkyu Choi ),최강원 ( Gangwon Choi ) 한국농공학회 2011 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2011 No.-

본 연구는 가축분뇨 퇴비를 이용한 벼 시험논의 현장 모니터링을 통해서 가축분뇨 퇴비 시용이 가져오는 토양의 화학성 및 논 유출수의 영양물질 농도 특성을 분석하고자 하였다. 이를 위해 전북대학교 농업생명과학대학 부속 시험논(1,000㎡)을 대상으로 벼 이앙전에 우분 퇴비를 시비한 후 모내기를 실시하여 2011년 5월부터 8월까지 벼 재배기간동안 수문 관측시설을 운영하였다. 이 이간동안 논 배수로에서 수질 모니터링을 실시하여 논에서 배출되는 논 유출수의 특성에 대해 조사 분석하였다. 시험지구에 설치된 강우량계에서 얻어진 강수량을 보면, 2011년 5월 1일부터 8월 19일 현재까지 약 4개월 동안 월별 강수량은 5월에는 123.8 mm, 6월 129.8 mm, 7월 435.6 mm 및 8월 351.2 mm의 강수량으로 총 강수량은 1,040.4mm를 기록하였다. 7월의 강수량은 우리나라 연평균 강수량인 1,283 mm의 33.9%로 나타났다. 한편, 이앙후 현재까지 영농기간의 관개량 및 유출량은 523.9 mm와 344.7 mm로 조사되었다. 관개량은 이앙용수량 (써레질 용수량)과 필지에 공급된 재배관리 용수량의 측정된 값이며, 유출량은 강수량에 의한 논에서의 유출 발생량으로 선행 강수량을 제외하면 25 mm 이상의 강수시에는 유출이 일어나는 것으로 나타났다. 논에서 가축분뇨 퇴비의 영향에 의한 유출수 성분을 조사하기 위해 웨어를 통해 배출되는 논 유출수을 채취하여 분석하였다. 그 결과 TN의 농도 변화는 2.39~8.01 mg/L의 범위로 평균 5.07 mg/L를 나타내었고, TN(organic phase)은 0.04~0.52 mg/L로 평균 0.18 mg/L, NO₃-N은 0.46~2.01 mg/L이고 평균 1.21 mg/L로 나타났다. 또한, TP의 농도는 0.078~0.241 mg/L이고 평균 0.155 mg/였으며, 한편, TP(Dissolved-P)는 0.0058~0.0203 mg/L이고 평균 0.0126 mg/L의 분석 결과를 나타내었다. TN 농도는 이앙 초기인 6월에 높았다가 7월 초까지 낮아진 후 7월 말까지 점차 증가하는 경향을 보였으며, TP는 모내기 이후인 6월 중순에 일시적으로 높았으나 조사 기간 초기부터 7월 말까지 약간 상승하는 경향을 보여주었다.

국내 농업비점오염의 현황분석

조문수 ( Moonsoo Cho ),윤춘경 ( Chun-gyeong Yoon ),이한필 ( Han-pil Rhee ),김준식 ( Joon-sik Kim ),최강원 ( Gangwon Choi ) 한국농공학회 2011 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2011 No.-

국내 국토면적 중 농경지는 20,262㎢(20.3%)를 차지하고 있으며, 임야를 제외하고 이용 가능한 면적의 57.2%에 해당한다. 물환경관리 기본계획(환경부, 2006)에 따르면, 연간수계에 가중되는 총호염부하량 중 비점오염에 해당하는 토지계 배출부하량은 2003년 기준으로 BOD가 약 24만 3천톤(666,179 kg/day), T-P가 1만 2천톤(33,333 kg/day)에 달하며, 발생부하량의 99~100%가 배출되는 것으로 보고되고 있다. 과거 미흡한 모니터링 자료로 인하여 도시지역은 과대평가된 반면, 농촌지역의 부하량이 과소평가 되어왔다. 최근 모니터링 된 자료를 이용하여 국내 농업비점오염 부하량을 분석하였을 때, 농업비점오염이 차지하는 배출부하량 비중은 전체 비점오염의 48.5%(T-P 기준, BOD는 31.2%)에 해당한다. 한편, 새만금 유역의 총 유역면적은 2,950 ㎢에 달하고, 이중 농업지역의 면적이 1,470 ㎢(밭 412 ㎢, 논 1,058㎢)으로서 총 유역면적의 49.8%를 차지하고 있으며, 국내 농지의 7.3%에 해당한다. 같은 방법을 통해 새만금 유역의 농업비점오염 부하량을 분석하였을 때, 농업비점오염 (전, 답)이 차지하는 배출부하량 비중은 전체 비점오염의 73.6% (T-P 기준, BOD는 58.1%)에 해당한다. 이렇게 국토면적에서 농업지역이 차지하는 비중뿐만 아니라 오염부하량도 도시지역에 비해 그 비중이 높음에도 불구하고 현재 환경정책은 도시지역 관리에 중점을 두고 있다. 앞으로는 국내 수질오염 문제에서 많은 비중을 차지하고 있는 농업수자원과 농업비점오염원에 대한 체계적인 관리제도의 도입이 필요하다.