COMFARM을 이용한 농업용저수지 유역 수문 모델링

송정헌,박지훈,김계웅,류정훈,전상민,김진택,장태일,송인홍,강문성,Song, Jung-Hun,Park, Jihoon,Kim, Kyeung,Ryu, Jeong Hoon,Jun, Sang Min,Kim, Jin-Taek,Jang, Taeil,Song, Inhong,Kang, Moon Seong 한국농공학회 2016 한국농공학회논문집 Vol.58 No.3

The component-based modeling framework for agricultural water-resources management (COMFARM) is a user-friendly, highly interoperable, lightweight modeling framework that supports the development of watershed-specific domain components. The objective of this study was to evaluate the suitability of the COMFARM for the design and creation of a component-based modeling system of agricultural reservoir watersheds. A case study that focused on a particular modeling system was conducted on a watershed that includes the Daehwa and Dangwol serial irrigation reservoirs. The hydrologic modeling system for the study area was constructed with linkable components, including the modified Tank, an agricultural water supply and drainage model, and a reservoir water balance model. The model parameters were each calibrated for two years, based on observed reservoir water levels. The simulated results were in good agreement with the observed data. In addition, the applicability of the COMFARM was evaluated for regions where reservoir outflows, including not only spillway release but also return flow by irrigation water supply, substantially affect the downstream river discharge. The COMFARM could help to develop effective water-management measures by allowing the construction of a modeling system and evaluation of multiple operational scenarios customized for a specific watershed.

저수지 관개 광역 논의 영양물질 수지 분석

송정헌,강문성,송인홍,황순호,박지훈,전상민,김계웅,장정렬,Song, Jung-Hun,Kang, Moon-Seong,Song, Inhong,Hwang, Soon-Ho,Park, Jihoon,Jun, Sang-Min,Kim, Kye-Ung,Jang, Jeong-Ryeol 한국농공학회 2013 한국농공학회논문집 Vol.55 No.6

The objective of this study was to investigate the nutrient load balance in the reservoir irrigated paddy block during growing seasons. Idong reservoir irrigation paddy block of 10.3 ha in size was selected to collect hydrologic and water quality data. Irrigation, canal flows, and paddy field drainage were measured using a water level gauge, while water samples were collected and analysed for water quality. The water balance analysis showed that 81 % and 75 % of total outflow were through paddy and irrigation canal drainage during 2011 and 2012, respectively. The water quality of paddy field drainage varied greatly depending on rice cultivation stage ranging from 0.05 to 24.55 mg/L and from 0.01 to 0.76 mg/L for T-N and T-P, correspondently. Paddy field drainage loads during May through June account for 64 % and 76 % in 2012 and 2013, while 82 % and 81 % for T-P in 2011 and 2012, respectively. The Pearson correlation analysis showed that rainfall was significantly correlated with nutrient loads during July through August due to runoff, and irrigation was related with nutrient loads of drainage during some period of July through September due to irrigation return flow. This study results showed characteristics of inflow and outflow nutrient loads from plentiful irrigated paddy block.

미처리하수지구 논에서의 수질 및 토양 특성 분석

송정헌,정한석,박지훈,송인홍,강문성,박승우,Song, Jung Hun,Jeong, Han Seok,Park, Ji Hoon,Song, In Hong,Kang, Moon Seong,Park, Seung Woo 한국농공학회 2014 한국농공학회논문집 Vol.56 No.6

The objectives of this study were to monitor and analyse water quality and soil property in paddy fields where untreated wastewater is irrigated. Three paddy fields where streamflow mixed with untreated wastewater has been irrigated (untreated wastewater district, UWD) were selected for monitoring, and five paddy fields in Yongin area (Yongin district, YID) where water from Idong agricultural reservoir (well-managed) has been irrigated were selected for comparative evaluation. Electronic conductivity (EC), suspended solids (SS), total nitrogen (T-N), total phosphorous (T-P), $NO_3-N$, $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$, $Na^+$, total coliform (TC), fecal coliform (FC), and E. coli of the irrigation water in the UWD were significantly higher than those in the YID. Relatively high concentrations of EC, T-N, T-P, TC, FC, E. coli, copper (Cu), lead (Pb), zinc (Zn), and aluminium (Al) were shown in the irrigation water of the UWD especially during May to June. In general, the paddy soil in the UWD contained more Pb, Zn, and Cu than in the YID although the soil heavy metal contents in the UWD still meet the Korean soil contamination warning standards. No temporal trends in the heavy metal concentrations were found in paddy soils of the UWD. This study showed that the use of untreated wastewater to paddy fields has the possibility of negative impacts on water quality and soil, although long-term monitoring is needed to fully evaluate its effects.

영농방법에 따른 논 비점오염 배출량 모니터링 및 모델링

송정헌 ( Jung Hun Song ),강문성 ( Moon Seong Kang ),송인홍 ( Inhong Song ),이경도 ( Kyung Do Lee ),장정렬 ( Jeong Ryeol Jang ) 한국농공학회 2012 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2012 No.-

논은 지역이나 토양, 기후 특성, 오염원 종류, 관개 및 시비 등의 경작방법에 따라 배출 양상이 다양하며, 비점오염원관리를 위해서는 농경지내 발생원 관리가 가장 효과적으로 알려져 있다. 특히, 시비 방법 개선, 효율적인 물관리 등 다양한 영농방법 개선을 통한 비점오염원 발생 저감 방안 개발이 요구 되고 있다. 본 연구에서는 시비 방법 개선, 효율적인 물관리에 따른 비점오염 배출량 저감효과를 모니터링 및 모델링 결과를 통해 평가하고자 한다. 화학 비료 비종에 따른 비점오염 배출량 저감효과를 평가하기 위해 국립식량과학원 벼맥류부에 시험 포장을 조성하였고, 질소 무비, 맞춤형 비료 시비, 완효성 비료 시비에 따른 비점오염 배출량을 모니터링하였다. 맞춤형 대비 완효성 비료 시비 후 질소기준비점오염 배출량이 39% 저감되는 것으로 나타났다. 시비량 및 물관리에 따른 비점오염 배출량 저감효과를 평가하기 위해서 논 비점오염모형인 CREAMS-PADDY를 이용하였고, 모형의 보정을 위하여 서울대학교 이동저수지 관개논 시험포장에서 모니터링 되고 있는 자료를 이용하였다. 모형에 적용한 영농방법 시나리오는 쌀의 수량 및 품질에 영향을 미치지 않는 범위를 선정하기 선행 연구결과를 이용하였다. 모형의 보정 결과 논물 총질소 및 총인의 결정계수는 0.95, 0.84, 모형의 효율지수는 0.95, 0.73으로 비교적 높게 나타났다. 영농방법 시나리오 적용 결과 관행시비량 대비 표준시비량 시비 시 총질소는 3∼12 %, 총인은 15∼24% 감소하는 것으로 나타났고, 관행물꼬 높이 대비 물꼬를 200mm 증가시켰을 때 18∼38 % 감소하는 것으로 나타났다. 본 연구결과는 논에서의 비점오염 주요 관리인자의 상호관련성 및 배출기작을 구명하고, 비점오염배출량 저감을 위한 영농방법개선 방안 수립에 기초자료가 될 것으로 기대된다.

영농방법에 따른 논에서의 배출부하량 모의

송정헌 ( Jung Hun Song ),강문성 ( Moon Seong Kang ),송인홍 ( In Hong Song ),장정렬 ( Jeong Ryeol Jang ) 한국환경농학회 2012 한국환경농학회지 Vol.31 No.4

BACKGROUND: For Non-Point Source(NPS) loads reduction, pollutant loads need to be quantified for major farming methods. The objective of this study was to evaluate impacts of farming methods on NPS pollutant loads from a paddy rice field during the growing season. METHODS AND RESULTS: The height of drainage outlet, amount of fertilizer, irrigation water quality were considered as farming factors for scenarios development. The control was derived from conventional farming methods and four different scenarios were developed based combination of farming factors. A field scale model, CREAMS-PADDY(Chemicals, Runoff, and Erosion from Agricultural Management Systems for PADDY), was used to calculate pollutant nutrient loads. The data collected from an experimental plot located downstream of the Idong reservoir were used for model calibration and validation. The simulation results agreed well with observed values during the calibration and validation periods. The calibrated model was used to evaluate farming scenarios in terms of NPS loads. Pollutant loads for T-N, T-P were reduced by 5 ∼62%, 8∼37% with increasing the height of drainage outlet from 100 mm of 100 mm, respectively. When amount of fertilizer was changed from standard to conventional, T-N, T-P pollutant loads were reduced by 0∼22%, 0∼ 24%. Irrigation water quality below water criteria Ⅳ of reservoir increased T-N of 9∼65%, T-P of 9∼47% in comparison with conventional. CONCLUSION(S): The results indicated that applying increased the height of drainage after midsummer drainage, standard fertilization level during non-rainy seasons, irrigation water quality below water criteria Ⅳ of reservoir were effective farming methods to reduce NPS pollutant loads from paddy in Korea.

물꼬높이 조절에 따른 논 비점 배출부하 저감효과 모니터링

송정헌 ( Jung Hun Song ),강문성 ( Moon Seong Kang ),송인홍 ( Inhong Song ),김계웅 ( Kye Ung Kim ),장정렬 ( Jeong Ryeol Jang ) 한국농공학회 2013 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2013 No.-

비점오염원 관리를 위해서는 농경지내 발생원 관리가 가장 효과적인 것으로 알려져 있으며 시비 방법 개선, 효율적인 물관리 등을 통한 비점오염원 발생 저감 방안 개발이 요구 되고 있다. 특히, 논의 물꼬 높이를 올리면, 강우 또는 관개수를 저장함에 따라 배수량이 감소하여 배출부하량을 크게 저감할 수 있으며, 관개수량을 절약할 수도 있는 것으로 보고되고 있다. 본 연구에서는 논에서의 물꼬높이 조절에 따른 비점오염 배출량 저감효과를 평가하기 위하여, 물꼬 높이 조절 처리구 및 대조구 모니터링 시스템을 구축하고, 처리구와 대조구의 비점오염 배출부하량을 비교ㆍ분석하고 평가하고자 한다. 물꼬 높이 조절에 따른 비점오염 배출량 저감효과를 평가하기 위해 전라북도 익산시 춘포면 용연리 일대에 시험포장을 구성하였다. 시험포장의 처리방법은 관행 영농방법 적용 시험포, 물꼬 높이 조절 시험포로 2처리 2반복으로 하였다. 대조구의 물꼬 높이는 관행 물꼬 높이를 반영하였으며, 대조군은 관행 물꼬 높이를 기준으로 5 cm 높게 구성하였다. 시비량은 새만금 유역에서의 관행적으로 이루어지고 있는 양으로 시비하였다. 물수지 분석을 위하여 관개수량 측정을 위한 유량계, 침투량 측정을 위한 침투량계, 담수심 측정을 위한 초음파 수위계, 포장 배수량 측정을 위한 위어 및 부자식 수위계를 설치하여 물수지 요소를 측정하였다. 물질수지 분석을 위하여 2주 1회 빈도로 정기 조사를 실시하여 관개수와 논물의 수질을 측정하였으며, 영농 초기 및 강우 시에는 집중조사를 위해 10분 ∼ 2시간 간격으로 논물 및 유출수의 수질을 측정하였다. 본 연구결과는 논에서의 주요 물관리 인자인 물꼬 높이 조절에 따른 비점오염 배출기작을 구명하고, 영농방법개선 방안 수립에 기초자료가 될 것으로 기대된다.

실측 저수지 수위 기반 유입량 추정을 위한 수문모형의 다중목적 최적화

송정헌 ( Jung-hun Song ),강문성 ( Moon Seong Kang ),김계웅 ( Kyeung Kim ),류정훈 ( Jeong-hoon Ryu ) 한국농공학회 2017 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2017 No.-

국내의 일부 농업용 저수지에서는 상류에서 유입되는 유량을 측정하고 있으나, 모든 저수지에 대해 측정하기에는 현실적 한계가 있다. 한편, 한국농어촌공사에서는 유효저수량 10만톤 이상 저수지에 대해 수위를 관측하고 있으며, 이는 수위-내용적 곡선을 통해 저수량으로 변환이 가능하다. 저수량 자료가 확보되면 물수지 연속방정식을 기반으로 간접적으로 유입량의 추정이 가능하나, 수위가 상승하는 구간에 대해서만 적용이 가능하기에 연속적인 자료의 확보에 한계가 있다. 이 경우 간헐적 유입량 자료를 대상으로 수문모형의 매개변수를 최적화하여 장기간 연속자료로 변환하는 것이 한 방안이 될 수 있다. 수문 모형의 매개변수 최적화시 단일 목적함수에 따른 편향된 매개변수 보정 결과는 의사결정에 영향을 미칠 수 있으며, 최근에는 고유량·저유량·총량·유황곡선 목적함수의 trade-off를 고려한 매개변수 최적화에 관한 연구가 세계적으로 활발히 수행되고 있다. 본 연구에서는 저수지 수위 기반으로 추정된 간헐적 유입량 자료를 기반으로 수문모형의 매개변수를 다중목적 최적화하여 장기유량으로 변환하고자 한다. 수문 모형과 매개변수 최적화 기법은 각각 3단 Tank 모형과 SCE (Shuffled Complex Evolution) 기법을 이용하였다. 매개변수 최적화를 위한 목적함수는 고유량·저유량·총량·분산 관련 지표에 가중치를 부여한 다중 목적함수로 설정하였으며, 이를 통해 도출된 다양한 매개변수 후보군 중 고유량·저유량·총량·유황곡선의 유사정도가 전반적으로 일치하는 매개변수 군을 수동으로 선택하였다. 본 연구 결과는 미계측 저수지의 유입량을 추정할 수 있음으로써 효율적인 물관리와 용수관리 의사결정에 활용할 수 있을 것으로 사료된다.

미처리하수 관개에 따른 환경영향 평가를 위한 모니터링 적지 선정

송정헌 ( Jung Hun Song ),정한석 ( Han Seok Jeong ),강문성 ( Moon Seong Kang ),박승우 ( Seung Woo Park ) 한국농공학회 2012 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2012 No.-

1989년 WHO의 보고에 따르면 미처리 생활하수가 농지로 유입되어 농업용수로 이용될 경우 보건 위생상 문제를 초래하거나 환경적으로 악영향을 미칠 수 있다. 우리나라의 경우 서울 및 6개 광역시의 대부분 지역은 하수처리가 이루어지고 있으나, 농촌지역은 하수도가 보급되어 있지 않은 지역이 많으며 정화조 등 간이처리 후 흘러 보내고 있어 질병의 확산과 감염, 기생충의 창궐 등의 원인이 될 수 있다. 따라서 미처리하수의 농경지 유입으로 나타나는 인체 위해성을 진단하고, 수질 및 토양의 이화학적 성질에 미치는 영향을 현장 모니터링을 통해 조사할 필요가 있다. 본 연구에서는 미처리하수 관개에 따른 환경영향 평가의 예비 단계로 현장 모니터링 적지를 선정하였다. 이를 위해 환경부 하수도통계 자료를 분석하여 하수처리구역외 하수발생량이 높게 배출되는 지역을 파악하였으며, 특히 화성, 평택, 김포, 용인이 높게 나타남을 확인하였다. 구체적인 하수처리구역외 지역을 파악하기 위해 각 하수도관리청을 방문하여 하수처리구역도를 획득하여 미처리구역도를 작성하였다. 미처리구역도와 위성지도를 이용하여 화성시의 산간지역에 위치한 논들이 축산농가 또는 마을주거지가 인접하여 하수가 미처리상태로 농경지로 유입될 가능성이 높음을 확인할 수 있었다. 이 지역들을 중심으로 현장조사를 실시한 결과 봉담읍 상기리에 위치한 호련지구, 화성시 수화동에 위치한 수화지구, 화성시 장전동에 위치한 장전지구가 미처리하수 유입을 대표하며, 연구기관인 서울대학교에서 접근이 용이하고, 대비구인 이동저수지 관개논 청정지구와도 근접한 것으로 나타났다. 향후 해당 지역들을 중심으로 작물생육, 수질, 토양환경영향조사를 모니터링 할 예정이며 대비구인 청정지구와 비교하여 미처리하수 이용에 따른 환경영향을 평가하고 악영향저감대책을 수립하고자 한다.

IoT 기반 비정상성 강우빈도해석 플랫폼 설계

류정훈 ( Jeong Hoon Ryu ),강문성 ( Moon Seong Kang ),박지훈 ( Jihoon Park ),송정헌 ( Jung Hun Song ),전상민 ( Sang Min Jun ),김계웅 ( Kyeung Kim ) 한국농공학회 2016 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2016 No.-

본 연구의 목적은 IoT (Internet of Things) 기반의 비정상성 (Non-Stationarity) 강우빈도해석 플랫폼을 설계하는데 있다. 최근 기후변화에 따른 극한 기후변동으로 인해 재해의 발생 빈도와 그 규모가 급증하는 추세를 나타내고 있다. 기후변화에 따른 자연재해로 인한 피해를 최소화하기 위해서는 수공구조물의 설계 기준을 넘어서는 극한강수사상이 어떻게 변화하는지 분석할 필요가 있다. 현재 수공구조물은 정상성 (Stationarity) 하에 산정된 확률강우량을 기준으로 설계되고 있으며, 정상성 기반 강우빈도해석을 통해서는 최근 극한강수의 증가 경향을 반영할 수 없다. 본 연구에서는 미래 극한강수사상의 경향성을 반영할 수 있는 비정상성 강우빈도해석 플랫폼을 설계하고 정상성 강우빈도 해석 결과와 비교분석하였다. 비정상성 강우빈도해석 플랫폼은 최근 부상하고 있는 IoT를 이용하여 조성하였으며, 개발보드로는 오픈소스 기반의 라즈베리 파이 (Raspberry Pi)를 사용하였다. IoT 기반 비정상성 강우빈도해석 플랫폼은 (1) 강우자료 구축 알고리즘, (2) 경향성 검정 알고리즘, (3) 정상성 검정 알고리즘, (4) 비정상성 강우빈도해석 알고리즘으로 구성하였다. 첫 번째 단계에서는 강우빈도해석에 필요한 강우자료를 수집하고 전처리 과정을 통해 데이터베이스를 구축하였다. 두 번째 단계에서는 경향성 검정을 통해 강우 시계열 자료의 통계적 경향성을 분석하였다. 세 번째 단계에서는 정상성 검정을 통해 강우 시계열 자료의 통계적 정상성 혹은 비정상성 여부를 분석하였다. 네 번째 단계에서는 정상성 및 비정상성 강우빈도해석을 통해 미래 확률강우량을 산정하고, 각 산정 결과를 비교분석하였다. 본 연구를 통해 개발된 IoT 기반 비정상성 강우빈도해석 플랫폼은 기후변화에 따른 극한강수사상의 통계적 변화 양상을 파악하고 비정상성 기반 미래 확률강우량을 산정할 수 있으며, 향후 수공구조물 설계 시 기초자료로 활용할 수 있을 것으로 사료된다.

비정상성을 고려한 계룡저수지 유역의 미래 설계홍수량 산정

류정훈 ( Jeong Hoon Ryu ),강문성 ( Moon Seong Kang ),송인홍 ( Inhong Song ),박지훈 ( Jihoon Park ),송정헌 ( Jung-hun Song ),전상민 ( Sang Min Jun ),김계웅 ( Kyeung Kim ) 한국농공학회 2014 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2014 No.-

수공구조물 설계의 기본이 되는 설계홍수량은 정상성 (Stationary)을 가정하고 산정되어 적용되고 있다. 그러나 최근 기후변화로 인한 극치사상의 규모와 빈도가 비정상적인 증가 추세를 나타내고 있어 강수자료의 변화 특성을 정확하게 파악하기 위해서는 비정상성 (Non-Stationary)에 대한 고려가 필요한 실정이다. 본 연구의 목적은 계룡저수지 유역에 대하여 비정상성을 고려한 미래설계홍수량을 산정하는데 있다. 기상청에서 제공하는 1981 ~ 2010년 기간에 대한 과거 기상자료를 수집하고, RCP4.5 시나리오를 사용하여 2011 ~ 2040년, 2041 ~ 2070년, 2071 ~ 2100년 기간에 대한 미래 기상자료를 구축하였다. 연최대치 강우자료를 대상으로 경향성 분석 및 비정상성 빈도해석을 실시하였다. 확률분포형으로 GEV (Generalized Extreme Value)분포를 적용하여 재현기간별 확률강우량을 산정하였고, Huff 분포에 적용한 확률강우량을 SCS 단위도법을 사용하여 설계홍수량을 산정하였다. 본 연구를 통해 산정한 설계홍수량을 바탕으로 계룡저수지의 설계한도를 재검토하고 기후변화에 따른 피해를 저감하는데 기초자료로 사용할 수 있을 것으로 사료된다.