장기적 BMP 효율 저하-회복 특성을 반영한 SWAT 모듈 개선 = SWAT Module Improvement for Long-Term BMP Efficiency Decline and Recovery

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The increasing frequency and intensity of extreme rainfall events driven by climate change have intensified water quality degradation in rivers by increasing the generation of pollutants such as soil particles, nutrients, and organic matter during rainfall–runoff processes. To mitigate nonpoint source pollution, governmental agencies have increasingly applied watershed-scale best management practices(BMPs) using hydrological modeling approaches. Among various hydrological models, the Soil and Water Assessment Tool(SWAT) enables quantitative evaluation of agricultural BMPs, such as tillage, fertilizer application, and vegetative buffer strips, as well as nonpoint source pollution control practices applied in urban and forested areas at the Hydrologic Response Unit(HRU) scale through its management operation(.ops) functionality.
However, the SWAT model applies a single, fixed efficiency for each management practice throughout the entire simulation period, which limits its ability to account for changes in BMP performance caused by aging, inadequate maintenance, or long-term operational conditions. In this study, a new SWAT module was developed to incorporate dynamic BMP efficiency changes, including both degradation and recovery processes. The proposed module represents gradual efficiency decline over time as well as efficiency improvement associated with maintenance activities, and its performance was evaluated in the Gyeongancheon watershed.
The developed module calculates annual BMP efficiency variations based on an efficiency estimation function incorporating initial efficiency, minimum efficiency, total lifecycle duration, elapsed time, decay coefficient, and decay exponent. To enable annual application of the calculated efficiencies, the SWAT source code was modified to represent time-varying BMP efficiency degradation under diverse operational conditions. The applicability of the proposed dynamic BMP efficiency module was evaluated using existing BMP-based management scenarios in the Gyeongancheon watershed, and its performance was compared with that of the conventional SWAT model.
To quantitatively assess the impact of incorporating time-varying BMP efficiency, scenarios with different agricultural land area ratios were applied. The results showed that, under the scenario with 50% agricultural land application, the difference in annual average soil loss between the developed module and the conventional SWAT model was approximately 0.92 ton/ha/year, while under the 100% agricultural land application scenario, the difference increased to approximately 1.64 ton/ha/year. These results indicate that the conventional SWAT model tends to overestimate BMP effectiveness when fixed efficiencies are applied. Therefore, the proposed module is expected to reduce uncertainty and overestimation in BMP performance assessment, contributing to the establishment of more realistic and achievable pollution reduction targets.

국문 초록 (Abstract)

기후변화로 인한 이상 강우 발생 빈도와 강도 증가는 강우–유출 과정에서 토양 입자와 영양염류, 유기물질 등의 오염물질 발생을 증가시켜 하천 수질 악화 문제를 심화시키고 있다. 이에 정부 기관에서는 수문 모델링을 활용하여 비점오염을 줄이고자 유역단위의 다양한 최적관리기법을 적용해서 평가하고 있다. 여러 수문모델 중, Soil and Water Assessment Tool(SWAT) 모델은 Management Operation(.ops) 기능을 활용하여 Hydrologic Response Unit(HRU) 단위에서 경운, 비료 시비, 완충대 등 농업 관련 최적관리기법 뿐만 아니라 도시와 산림에서 적용하는 비점오염 관리방법을 정량적으로 평가할 수 있다. 그러나 SWAT 모형은 모의 기간 내의 관리방법별 단일 효율이 적용되어, 시간 경과 및 관리 미흡에 따른 비점오염저감시설 효율 변화를 고려하지 못하는 한계점이 있다. 본 연구에서는 최적관리기법 효율변화(저감-회복)를 고려할 수 있는 모듈을 개발하여 유지관리에 따른 관리기법 효율 향상과 시간에 따라 효율이 점진적으로 하락하는 거동을 반영하고 경안천 유역을 대상으로 효과 검증하였다. 개발된 모듈은 초기 효율, 최소 효율, 주기 전체 시간, 현재 시간, 감쇠 계수 및 지수를 기반한 최적관리기법 효율 산정식을 통해 연 단위 효율 변화를 계산한다. 산정된 효율이 매년 모델에 적용될 수 있도록 SWAT 모델의 소스코드를 수정해 복합적인 특성과 여건에 따라 달라지는 최적관리기법 효율 저하를 나타냈다. 또한, 경안천 유역의 현행 최적관리기법 기반 시나리오를 통해, 개발한 동적 최적관리기법 효율 모듈의 적용성을 평가하고 기존 SWAT 모델과의 효율 차이를 비교하였다. 이에 최적관리기법 시간적 효율 변화 유무에 따른 저감 결과를 정량적으로 비교 분석하고자, 농경지 면적 차이에 따른 시나리오를 적용하였다. 개발 모듈과 기존 SWAT 모형의 농경지 50% 면적 적용 결과 연평균 토양유실량 차이는 약 0.92 ton/ha/year, 100% 면적 적용 결과는 약 1.64 ton/ha/year로, 기존 SWAT 모형의 최적관리기법 적용 시에 과대산정이 발생하는 것을 확인했다. 이에, 개발 모듈을 활용하면 저감 효율의 불확실성과 과대산정을 줄여 현실적인 목표 달성에 도움이 될 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1.1 연구목적 1
• 1.2 연구목차 4
• Ⅱ. 연구 방법 5
• 2.1 연구대상지역 5
• 2.2 SWAT Model 개요 및 구축 9
• 2.2.1 SWAT Model 개요 9
• 2.2.2 SWAT Model 구축 10
• 2.2.3 보정 및 검정 15
• 2.3 장기적 BMP 효율 저하-회복 특성 반영 모듈 개발 및 평가 18
• 2.3.1 모듈 개발 18
• 2.3.2 적용성 평가 23
• 2.3.3 시나리오 평가 27
• Ⅲ. 결과 28
• 3.1 SWAT Model 보정 및 검정 28
• 3.2 BMP 모듈의 개발 및 적용 38
• 3.2.1 장기적 BMP 효율 저하-회복 특성 반영 모듈 개발 결과 38
• 3.2.2 경안천 유역에 현행 최적관리기법의 시간적 효율 변화 반영 결과 39
• 3.2.3 농경지 대상 시나리오의 모델 별 최적관리기법 시간적 효율 변화 모듈 적용 결과 42
• Ⅳ. 고찰 46
• Ⅴ. 결론 47
• 참고문헌 49
• Abstract 53