국내 토지이용별 MUSLE 유출인자의 계수 및 지수 적용을 통한 토양유실 발생 및 거동 분석

이서로 ( Lee Seoro ),이관재 ( Lee Gwanjae ),양동석 ( Yang Dongseok ),최유진 ( Choi Yujin ),박운지 ( Park Woonji ),장원석 ( Jang Won Seok ) 한국물환경학회 2020 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2020 No.-

SWAT(Soil and Water Assessment Tool) 모형 내 MUSLE(Modified Universal Soil Loss Equation) 유출인자의 계수 및 지수는 각각 11.8과 0.56으로 토지이용별 토양유실 산정에 동일하게 적용되는 문제점이 있다. 이는 결과적으로 토양유실량을 과대 또는 과소평가할 수 있으며, 결과적으로 우심지역 선별과 저감 대책에 따른 효율 평가에 문제를 발생시킬 수 있다. 그러나 아직까지 토지이용별 MUSLE 유출인자에 대한 계수 및 지수 산정과 이에 대한 SWAT 모형 내 적용성 평가가 이루어진바 없다. 국내 유역을 대상으로 토양유실 발생 및 거동을 정확하게 예측하기 위해서는 토지이용별 유출인자의 계수 및 지수 산정과 이에 대한 SWAT 모형 내 적용성 평가가 필요하다. 본 연구에서는 가아천 유역을 대상으로 토지이용별 유출인자의 계수 및 지수를 산정하고, SWAT 모형 내 적용에 따른 토양유실 및 유사유출 발생량 차이를 비교 분석하였다. 본 연구에서 산정된 토지이용별유출인자의 계수 및 지수는 국내 고랭지 유역에서의 토양유실 발생 특성을 잘 반영하고 있는 것으로 분석되었다. 또한 토지이용별 유출인자의 계수 및 지수 적용에 따라 유역에서의 토양유실 및 유사유출 발생량 값은 큰 차이를 보이는 것으로 분석되었다. 따라서 국내 유역을 대상으로 기존에 미국에서 개발된 MUSLE를 적용하기 위해서는 토지이용별 유출인자의 계수 및 지수에 대한 충분한 수정·보완 과정이 중요시되어야 할 것으로 판단된다. 향후 본 연구의 결과는 비점오염원관리지역 내 토양유실 우심지역 선별과 토양유실 저감 대책 수립 및 평가를 위한 기초자료로 활용될 수 있으리라 판단된다.

섬강 유역 내 갈수기 유량확보에 따른 남한강 하류 갈수기 수질오염 저감 효과 예측 및 평가

이서로 ( Seoro Lee ),이동준 ( Dongjun Lee ),양동석 ( Dongseok Yang ),최유진 ( Yujin Choi ),임경재 ( Kyoung Jae Lim ) 한국농공학회 2018 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2018 No.-

최근 급격한 기후변화로 봄철 가뭄이 지속되면서 하천 유량 감소와 오염물질 유입량 증가가 복합적으로 작용하여 하천 및 호소 내 심각한 수질악화 문제가 빈번히 발생하고 있다. 따라서 향후 극한 가뭄에 대비하여 장래의 갈수기 수질 변화 예측과 수질오염 개선을 위한 점·기저비점 관리 방안이 효과적으로 수립되어야 한다. 이를 위해서는 유역-하천 통합모형 구축 및 적용을 통한 정량적인 분석이 선행되어야 한다. 본 연구에서는 유역모형(SWAT)과 수질모형(QUAL-MEV)을 통합 구축하고, 섬강 유역 내 유량확보에 따른 남한강 하류 본류 하천의 갈수기 수질오염 저감 효과를 분석하였다. 섬강의 갈수기 기준 유량은 6.33 ㎥/sec이며, 남한강 본류로 기여하는 갈수기 오염부하 및 기여율은 가장 큰 것으로 조사된 바 있다. INM-CM4 모형을 통해 극한 가뭄 시기(2046년)를 선정하고 섬강의 갈수기 평균 유량과 남한강 본류 갈수기 수질 평균 농도를 분석한 결과, 섬강의 갈수기 평균 유량은 3.75 ㎥/sec로 과거에 비해 약 41% 감소하는 것으로 나타났으며, 수질항목별 남한강 본류 갈수기 수질 평균 농도는 최소 1.3%∼ 최대 11.5% 악화되는 것으로 나타났다. 이에 과거 갈수기 기준 유량을 만족하는 시나리오1(+2.58 ㎥/sec 확보)과 저수기 기준 유량을 만족하는 시나리오2(+6.58 ㎥/sec 확보)를 적용한 결과, 남한강 본류 갈수기 수질 평균 농도는 시나리오1 경우 평균 2.3% 감소, 시나리오2경우 평균 5.5% 감소하는 것으로 분석되었다. 향후 남한강 본류의 갈수기 수질오염 저감 효과를 높이기 위해서는 다양한 최적관리기법 적용과 간벌 및 댐 방류량 시나리오 등을 고려한 갈수기 유량확보 방안 수립을 통해 섬강 유역 내 갈수기 수질오염 저감을 위한 효율적인 관리가 필요할 것으로 판단된다. 본 연구의 결과는 남한강 본류의 갈수기 수질오염 개선에 활용될 실효성 있는 대책 및 유역관리 정책 수립에 기초 자료로 활용될 수 있을 것이라 판단된다.

남한강 하류 주요 유입하천의 갈수기 수질오염 특성에 관한 연구

이서로 ( Seoro Lee ),성윤수 ( Yunsoo Sung ),금동혁 ( Donghyuk Kum ),김종건 ( Jonggun Kim ),임경재 ( Kyoung Jae Lim ) 한국농공학회 2017 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2017 No.-

최근 이상기후변화로 강우가 일정 시기에 집중되면서 갈수기 및 저수기 기간이 늘어나고 있으며, 상대적으로 강우에 의한 비점오염원의 영향이 적은 시기인 갈수기 및 저수기의 하천 수질악화에 기여도가 큰 점오염원에 대한 지속적인 관리가 필요한 실정이다. 특히 한강수계의 주요 상수원(팔당호, 잠실수중보 등)에 유입되는 남한강은 유량이 상대적으로 많은 편이며, 최근 남한강 하류 본류 유입하천의 오염물질 유입량 증가와 유량 감소가 복합적으로 작용하여 수질오염이 증가하고 있기 때문에 남한강을 대상으로 효율적인 하천관리를 위한 대책마련이 필요하다. 본 연구에서는 남한강 하류 주요 유입하천(섬강, 청미천, 양화천, 복하천, 흑천)을 대상으로 유량지속곡선(FDC)을 통해 갈수기 기준 유량을 설정하고 갈수기 기준 유량 범위에 해당하는 수질 자료를 이용하여 LOWESS 추세곡선을 이용한 경향성을 분석하였다. 또한 갈수기 때의 BOD, COD, TP 오염부하량을 산정하여 남한강 하류 본류하천으로의 기여도를 분석하였다. 수질오염 기여도 분석 결과, 섬강, 복하천, 청미천, 양화천, 흑천 순으로 나타났으며 연평균 수질농도는 복하천에서 가장 높게 나타났지만 본류 하천으로 기여하는 부하량 기준에서는 유량이 상대적으로 큰 섬강에서 높은 기여를 하는 것으로 나타났다. 본 연구의 결과는 갈수기 수질 악화에 대비하여 남한강 하류 본류 하천의 갈수기 수질관리를 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것이라 판단된다.

GAN 알고리즘의 적용을 통한 수생태계 건강성 등급 예측 머신러닝 모델 성능 향상 연구

이서로 ( Seoro Lee ),이관재 ( Gwanjae Lee ),배주현 ( Joo Hyun Bae ),박운지 ( Jonggun Kim ),김종건 ( Kyoung Jae Lim ),임경재 한국농공학회 2023 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2023 No.0

환경부 통합물관리 일원화 이후, 수량과 수질뿐만 아니라 수생태계의 건강성도 통합적으로 관리하기 위한 제도적 기반 마련이 중요해지고 있다. 본 연구는 한강수계 내에서 2008년부터 2018년까지의 유량, 수질 및 수생태계 건강성 지수(BMI, TDI, FAI)별 등급 데이터를 활용하여 수생태계 건강성 등급 예측을 위한 머신러닝 모델을 개발하고 모델의 예측 성능 개선을 위한 GAN 알고리즘의 적용성을 평가하였다. 머신러닝 모델은 6개 모델(서포트벡터머신, K-최근 접이웃, 의사결정트리, 랜덤포레스트, 그레디언트 부스트, 익스트림 그레디언트 부스팅)을 사용하였으며, 두 가지 데이터셋(Raw 데이터셋, Raw + GAN 데이터셋)으로 학습된 모델의 예측 성능을 비교 분석하였다. 연구 결과, Raw 데이터셋으로 학습된 머신러닝 모델 중 성능이 우수한 3개 모델(서포트벡터머신, 랜덤포레스트, 익스트림 그레디언트 부스팅)의 평균 F1-score는 0.4 이하로 나타났으나, Raw 데이터셋과 GAN 데이터셋으로 학습한 모델의 경우 평균 0.9 이상의 예측 정확도를 가졌다. 특히 테스트 데이터셋에서도 GAN 알고리즘을 활용한 머신러닝 모델의 평균 성능이 BMI 0.48, TDI 0.30, FAI 0.58 (Raw 데이터셋)에서 BMI 0.92, TDI 0.78, FAI 0.93으로 크게 향상된 것을 확인하였다. 본 연구의 결과를 통해 GAN 알고리즘을 통한 데이터 불균형 개선은 머신러닝 모델의 수생태계 건강성 등급 예측 성능 향상에 크게 기여하는 것을 확인하였다. 그러나 본 연구의 머신러닝 모델은 대부분 본류 하천의 데이터로 학습되었기 때문에 향후 4대강 본류 및 지류 하천 데이터를 활용한 모델의 최적화 연구가 필요할 것이다.

남한강 주요 유입하천의 갈수기 수질 및 오염부하 특성 분석

이서로 ( Seoro Lee ),최유진 ( Yujin Choi ),이현구 ( Hyeongu Lee ),김종건 ( Jonggun Kim ),임경재 ( Kyoung Jae Lim ) 한국물환경학회(구 한국수질보전학회) 2018 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2018 No.-

유역 내 토양수분의 시공간적 변동 특성을 반영한 시단위 유출량 예측 기술 개발 및 평가

이서로 ( Seoro Lee ),신승훈 ( Seunghun Sin ),이관재 ( Gwanjae Lee ),임경재 ( Kyoung Jae Lim ),김종건 ( Jonggun Kim ) 한국농공학회 2022 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2022 No.-

최근 들어 국지성 호우로 인한 유출과 오염물질 발생 및 이동 특성은 강우량보다는 강우강도에 의해 급격하게 변화하는 양상을 보이고 있기에 정확한 시단위 유출량 예측을 통한 유역 관리 대책 수립이 중요한 실정이다. 이에 따라 국내·외 많은 연구에서는 시단위 강수에 따른 유역에서의 유출 및 비점오염원 거동 특성 분석을 위해 SWAT 모델을 널리 활용하고 있다. 그러나 SWAT 모델에서는 간단한 저류추적법에 의해 토양층에서의 토양수분이 일단위로 모의되기 때문에 시강우량에 따른 토층별 토양수분의 거동을 해석하는데 어려움이 있다. 또한 동일한 토양 속성을 가지는 수문반응단위에 대해서 토양수분 관련 매개변수가 일괄적으로 적용되기 때문에 실제 유역 내 토양수분의 공간적 분포를 반영한 유출량 예측에 한계가 있다. 실제 토층 내 토양수분의 거동 특성은 시간 강우, 지표온도, 공극 및 다짐 상태 등에 따라 달라지기 때문에 정확한 시단위 유출 예측을 위해서는 유역 내 토양수분의 시공간적 변동 특성이 반영될 필요가 있다. 이에 본 연구는 SWAT 모델과 리차드 방정식 기반으로 시단위 토양수분의 물리적 프로세스 모의가 가능한 Noah LSM 모델을 연계하여 지표하 흐름 프로세스를 개선하였다. 또한 Sentinel-1 원격탐사자료를 통해 추출 된 유역 내 토양수분에 대한 공간적 분포 자료를 토양의 물리적 속성 DB를 구축하는데 활용하였으며, 두 모델의 다이나믹한 연계 과정에서 사용자의 선택에 따라 호출될 수 있도록 모델을 개선하였다. 경기도 이천시에 위치한 석원천 유역을 대상으로 연계 모델의 적용성을 평가한 결과, 기존 SWAT 모델(R² 0.58, NSE 0.41)보다 유출량 예측 성능(R² 0.65, NSE 0.56)이 향상된 결과를 보였다. 비록 본 연구에서는 유출량 및 토양수분에 대한 검보정을 수행하지 않았으나, 향후 실측 자료 확보를 통해 추가 검증이 이루어진다면, 본 연구에서 개발 된 모델은 국내 유역에서의 정확한 토양수분 거동을 바탕으로 한 첨두 유출량 및 수질 예측에 활용될 수 있을 것이라 판단된다.

국내 논 영농일정을 고려한 고막원천 유역 농업비점오염 평가

이서로 ( Seoro Lee ),금동혁 ( Donghyuk Kum ),김민경 ( Min Keong Kim ),정재학 ( Jae Hak Jeong ),임경재 ( Kyoung Jae Lim ) 한국농공학회 2016 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2016 No.-

최근 국내 농업 유역에서의 농업비점오염 문제가 심각해짐에 따라 농업 유역 내 수문 순환 및 비점오염원의 발생 및 거동에 대해서 많은 연구가 진행되어 왔다. 하지만 우리나라 농경지 면적의 큰 비중을 차지하는 논을 고려하지 못하는 한계가 있었다. 논이 포함된 유역의 정확한 농업 비점오염 배출량 평가를 위해선 논의 영농활동이 이루어지는 시기 및 방법을 고려해야 할 필요성이 있다. 이에 최근 농촌진흥청은 국내 논을 고려한 한국형 농업 비점오염평가 관리를 위한 APEX-PADDY모델을 개발하였다. 본 연구에서는 영산강 지류인 고막원천 유역을 대상으로 필지단위 모의가 가능한 Agriculture Policy Environmental eXtender Model (APEX) 모형을 활용하여 국내 논 영농일정을 고려함에 따라 말단 유출지점의 수문 및 수질의 변화를 실측 유량 및 수질자료를 통해 비교 분석을 하였다. 모형의 구동에 필요한 영농 일정 자료는 농촌진흥청 국립농업과학원에서 제공하는 자료를 이용하였다. 실측 유량 및 수질자료와 비교 분석한 결과 논에 대한 영농일정 고려 여부에 따라 말단 유출지점의 수질 변화가 큰 차이가 있음을 확인하였고 영농일정을 고려한 모의 결과가 상대적으로 높은 정확도를 나타낸 것을 확인하였다. 비록 고막원천 유역의 포함된 모든 논에 대해서 보편적인 영농일정을 적용하였지만 향후 국내 논의 영농일정 특성을 고려하여 논이 포함된 유역의 농업 비점오염배출량 모의를 한다면 보다 정확하고 현실적인 수질관리 및 농업 비점오염 평가가 가능할 것이라 판단된다.

국내 미계측 유역의 유사유출량 예측을 위한 군집별 유사전달율 산정식 도출 및 평가

이서로 ( Seoro Lee ),박상덕 ( Sang Deog Park ),신승숙 ( Seung Sook Shin ),김기성 ( Ki-sung Kim ),김종건 ( Jonggun Kim ),임경재 ( Kyoung Jae Lim ) 한국물환경학회(구 한국수질보전학회) 2018 한국물환경학회지 Vol.34 No.5

Sediment discharge by rainfall runoff affects water quality in rivers such as turbid water, eutrophication. In order to solve various problems caused by soil loss, it is important to establish a sediment management plan for watersheds and rivers in advance. However, there is a lack of sediment data available for estimating sediment discharge in ungauged basins.. Thus, reasonable research is very important to evaluate and predict the sediment discharge quantitatively. In this study, cluster analysis was conducted to classify gauged watersheds into hydrologically homogeneous groups based on the watershed characteristics. Also, this study suggests a method to efficiently predict the sediment discharge for ungauged basins by developing and evaluating the SDR equations based on the PA-SDR module. As the result, the SDR equations for the classified watersheds were derived to predict the most reasonable sediment discharge of ungauged basins with 0.24 % ~ 10.89 % errors. It was found that the optimal parameters for the gauged basins reflect well characteristic of sediment movement. SDR equations proposed in this study will be available for estimating sediment discharge on ungauged basins. Also it is possible to utilize establishing the appropriate sediment management plan for integrated management of watershed and river in Korea.

국내 토지이용별 MUSLE 유출인자의 계수 및 지수 적용을 통한 토양유실 발생 및 거동 분석

이서로 ( Lee Seoro ),이관재 ( Lee Gwanjae ),양동석 ( Yang Dongseok ),최유진 ( Choi Yujin ),박운지 ( Park Woonji ),장원석 ( Jang Won Seok ) 한국물환경학회 2020 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2020 No.-

SWAT(Soil and Water Assessment Tool) 모형 내 MUSLE(Modified Universal Soil Loss Equation) 유출인자의 계수 및 지수는 각각 11.8과 0.56으로 토지이용별 토양유실 산정에 동일하게 적용되는 문제점이 있다. 이는 결과적으로 토양유실량을 과대 또는 과소평가할 수 있으며, 결과적으로 우심지역 선별과 저감 대책에 따른 효율 평가에 문제를 발생시킬 수 있다. 그러나 아직까지 토지이용별 MUSLE 유출인자에 대한 계수 및 지수 산정과 이에 대한 SWAT 모형 내 적용성 평가가 이루어진바 없다. 국내 유역을 대상으로 토양유실 발생 및 거동을 정확하게 예측하기 위해서는 토지이용별 유출인자의 계수 및 지수 산정과 이에 대한 SWAT 모형 내 적용성 평가가 필요하다. 본 연구에서는 가아천 유역을 대상으로 토지이용별 유출인자의 계수 및 지수를 산정하고, SWAT 모형 내 적용에 따른 토양유실 및 유사유출 발생량 차이를 비교 분석하였다. 본 연구에서 산정된 토지이용별유출인자의 계수 및 지수는 국내 고랭지 유역에서의 토양유실 발생 특성을 잘 반영하고 있는 것으로 분석되었다. 또한 토지이용별 유출인자의 계수 및 지수 적용에 따라 유역에서의 토양유실 및 유사유출 발생량 값은 큰 차이를 보이는 것으로 분석되었다. 따라서 국내 유역을 대상으로 기존에 미국에서 개발된 MUSLE를 적용하기 위해서는 토지이용별 유출인자의 계수 및 지수에 대한 충분한 수정·보완 과정이 중요시되어야 할 것으로 판단된다. 향후 본 연구의 결과는 비점오염원관리지역 내 토양유실 우심지역 선별과 토양유실 저감 대책 수립 및 평가를 위한 기초자료로 활용될 수 있으리라 판단된다.

국내 토지이용별 MUSLE 유출인자의 계수 및 지수 적용을 통한 토양유실 발생 및 거동 분석

이서로 ( Lee Seoro ),이관재 ( Lee Gwanjae ),양동석 ( Yang Dongseok ),최유진 ( Choi Yujin ),박운지 ( Park Woonji ),장원석 ( Jang Won Seok ) 한국물환경학회 2020 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2020 No.-

SWAT(Soil and Water Assessment Tool) 모형 내 MUSLE(Modified Universal Soil Loss Equation) 유출인자의 계수 및 지수는 각각 11.8과 0.56으로 토지이용별 토양유실 산정에 동일하게 적용되는 문제점이 있다. 이는 결과적으로 토양유실량을 과대 또는 과소평가할 수 있으며, 결과적으로 우심지역 선별과 저감 대책에 따른 효율 평가에 문제를 발생시킬 수 있다. 그러나 아직까지 토지이용별 MUSLE 유출인자에 대한 계수 및 지수 산정과 이에 대한 SWAT 모형 내 적용성 평가가 이루어진바 없다. 국내 유역을 대상으로 토양유실 발생 및 거동을 정확하게 예측하기 위해서는 토지이용별 유출인자의 계수 및 지수 산정과 이에 대한 SWAT 모형 내 적용성 평가가 필요하다. 본 연구에서는 가아천 유역을 대상으로 토지이용별 유출인자의 계수 및 지수를 산정하고, SWAT 모형 내 적용에 따른 토양유실 및 유사유출 발생량 차이를 비교 분석하였다. 본 연구에서 산정된 토지이용별유출인자의 계수 및 지수는 국내 고랭지 유역에서의 토양유실 발생 특성을 잘 반영하고 있는 것으로 분석되었다. 또한 토지이용별 유출인자의 계수 및 지수 적용에 따라 유역에서의 토양유실 및 유사유출 발생량 값은 큰 차이를 보이는 것으로 분석되었다. 따라서 국내 유역을 대상으로 기존에 미국에서 개발된 MUSLE를 적용하기 위해서는 토지이용별 유출인자의 계수 및 지수에 대한 충분한 수정·보완 과정이 중요시되어야 할 것으로 판단된다. 향후 본 연구의 결과는 비점오염원관리지역 내 토양유실 우심지역 선별과 토양유실 저감 대책 수립 및 평가를 위한 기초자료로 활용될 수 있으리라 판단된다.