농업용저수지 수질예측모델 개발 및 적용

함종화 ( Jonghwa Haam ),김동환 ( Dong-hwan Kim ),김형중 ( Hyung-joong Kim ),홍대벽 ( Dae-byuk Hong ) 한국농공학회 2010 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2010 No.-

농업용저수지의 수질을 관리할 목적으로 많은 종류의 저수지 수질모델이 개발 및 이용되고 있으나, 대부분의 저수지 수질모델은 각각 서로 다른 특징을 갖고 있고, 입력변수가 다양하고 많기 때문에 전문적인 지식을 충분히 갖추고 있지 않는 일선 실무자들은 모델 구동에 많은 어려움을 겪고 있다. 이전 연구에서 경험이 적은 일선 실무자들도 저수지 수질관리 방안별 예상되는 개략적인 농도를 예측할 수 있는 간단한 수질모델ARSIM)을 개발하였다. 본 연구에서는 개발된 농업용저수지 수질모델의 적용성을 분석하고자 한다. 개발된 모델의 적용성을 분석하기위해 수질 농도가 낮은 용덕저수지와 수질 농도가 높은 만수저수지를 선정하여 월1회 비강우시 유입하천 유량 및 수질과 저수지 수질을 실측하였다. 용덕저수지와 만수저수지의 COD, TN, TP의 농도는 각각 4.9mg/L, 1.9mg/L, 0.029mg/L와 17.0mg/L, 1.9mg/L, 0.235mg/L인 것으로 나타났다. 실측한 유입하천 유량 및 수질을 이용해 모델 입력자료 생성 후 모델결과를 실측 저수지 수질과 비교한 결과 수질농도가 낮은 용덕저수지는 실측값과 모의값이 비슷하게 나타난 반면, 수질농도가 높은 만수저수지는 실측값과 모의값이 여름철에 큰 차이를 나타냈다. 이는 비점오염원의 영향이 적은 용덕저수지는 평상시 유입하천의 유량 및 수질만으로도 저수지의 수질이 잘 예측된 반면, 비점오염원의 영향이 큰 만수저수지는 강우시 저수지로 유입되는 유량 및 수질이 반영되지 않은 상태에서 모델의 입력자료가 생성되고 모델이 구동되었기 때문이라 생각된다. 강우 유출수의 영향을 고려하기 위해 저수지 유역에 유역모델을 적용한 후 유역모델의 결과를 개발된 저수지 수질모델의 입력자료로 이용하여 모델을 구동한 결과 만수저수지에서 전체적으로 실측값과 모의값이 잘 일치하였다. 개발된 저수지 수질모델을 동일하게 부족한 자료가 제공되는 조건하에서 대표적인 2차원 저수지 모델인 WASP, CE-QUAL-W2와 비교하였다. 3가지 모델 모두 저수지의 수표면적, 총유효저수량, 저수율변화 및 유역모델을 이용한 유입하천의 유량 및 수질자료만을 이용해 모델을 입력자료를 구성하였다. 하지만, 각 모델의 구획분할에 있어서 WASP은 수평방향으로 3개, CE-QUAL-W2는 수평방향 3개, 수직방향 4개 총 12개로 분할한 반면, 개발된 저수지모델은 저수지전체를 하나의 구획으로만 분할하여 모델을 구동하였다. 그 결과 농도가 낮은 용덕저수지의 경우 대부분 모델에서 실측값과 비슷하게 모의된 반면, 만수저수지는 개발된 모델이 다른 모델들과 비슷하거나 일부 더 잘 실측값과 일치하기도 하였다. 이는 새로 개발된 모델이 뛰어나기 때문이라기보다는 2차원 모델인 WASP 및 CE-QUAL-W2 모델이 필요로 하는 충분한 입력자료가 제공되지 못했기 때문이라 생각되며, WASP과 CE-QUAL-W2에 필요로 하는 충분한 자료가 제공될 경우 개발된 모델보다 훨씬 좋은 모의 결과를 나타낼 것으로 생각된다. 이상에서와 같이 농업용저수지의 수질예측에서 자료가 부족한 경우 복잡한 모델과 간단한 모델 사이의 결과가 크지 않은 것으로 나타났으며, 자료가 부족한 농업용저수지의 수질예측 시 간단한 저수지모델로도 원하는 정도의 충분한 결과를 얻을 수 있음을 알 수 있었다.

현장적용이 용이한 농업용저수지 수질예측모델 개발

함종화 ( Jonghwa Haam ),김형중 ( Hyung-joong Kim ),김동환 ( Dong-hwan Kim ),홍대벽 ( Dae-byuk Hong ) 한국농공학회 2010 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2010 No.-

한국농어촌공사에서는 전국 17,600여개의 농업용저수지 중 19%인 3,300여개의 저수지를 관리하고 있으며, 이는 전국 총유효저수량(27.76×10⁹톤)의 89%(2.46×10⁹톤)에 해당된다. 농업용저수지의 수질관리를 목적으로 많은 종류의 수질모델이 사용되고 있는데, 농업용저수지 수질개선사업 실시설계와 같이 수질개선 공법별 예상되는 수질을 정확히 예측하여 공사비를 산출해야 하는 경우, WASP, CE-QUAL-W2, GEMSS와 같은 복잡한 모델을 사용하여 수질을 정확히 예측할 필요가 있다. 반면에 약 3,300여개의 농업용저수지 관리하는 실무부서에서는, 각 농업용저수지의 관리방법별 예상되는 저수지수질을 예측해야 하는 경우가 많은데, 기존 모델은 모델 구축 및 구동을 위해 너무 많은 입력자료, 시간 및 전문적인 지식을 필요로 하기 때문에 수질예측모델 적용에 많은 어려움이 있다. 그러므로 본 연구에서는 농업용저수지 관리를 위해 수질모델에 대한 전문적인 지식이 부족한 일선 실무자들도 쉽고 빠르게 구축 및 구동이 가능한 모델을 개발하고자 한다. 수평 및 수직방향의 수질차이를 조사하기 위해 한국농어촌공사에서 관리하고 있는 저수지를 비지도학습법 인공신경회로망인 self-organizing map(SOM)을 이용해 3가지 유형으로 분류하였으며, 각 유형별 1~2개의 저수지를 선정하여 각 저수지별 수평방향으로 3지점, 수직방향으로 3지점, 총 9지점에 대해 수질을 조사하였다. 그 결과 저수지 면적(평균 12.2ha)이 작고 수심(평균 4.0m)이 깊지 않아 일부지점 및 시기를 제외하고는 대부분 통계적으로 유의한 차이를 보이지 않았으며, 이상의 결과를 바탕으로 간단한 저수지 수질모델개발을 위해 0차원모델(완전혼합모델)형태의 모델을 개발하였다. 개발된 농업용저수지 수질모델(ARSIM, Agricultural Reservoir Simulation Model)은 DO, COD, T-N, NH₄-N, NO₃-N, T-P, PO₄-P, Chl-a를 모의할 수 있으며, 수질 항목 간 상호관계 및 반응식은 대부분 WASP 것을 이용하였으며, Runge Kutta 4차 방법으로 미분방정식을 계산하였다. 입력자료로 저수지 제원(수표면적, 유효저수량), 일별 기상자료, 유입하천의 유량 및 수질, 초기 저수지 수질자료가 필요하다. 기상자료는 기상 DB와 연결하여 관측소와 년도만 선택하면 자동 입력되도록 하였고, 수질 항목별 모델결과는 그래프 및 표를 이용해 쉽게 확인할 수 있도록 하였다. 사용되는 모델 파라메타의 의미와 평균값 및 범위를 마우스 이동을 통해 쉽게 확인할 수 있도록 하였으며, 쉽고 빠른 모델 보정을 위해 유전자 알고리즘(Genetic Algorithm)을 이용한 자동 보정기능을 추가하였다. 개발된 농업용저수지 모델의 적용성을 분석하기 위해 농업용저수지 유형별로 1개의 저수지를 선정하여 총 3개의 저수지에 대해 실측한 유입하천 및 저수지 유량 및 수질자료를 이용해 모델을 구동한 결과 짧은 시간 내에 수질모델 구축 및 구동이 가능하였으며, COD, T-N, T-P에 대해 실측값과 모의값을 비교한 결과 비슷한 경향을 나타내었다. 농도가 높아 연중 저수지 수질변화가 큰 3그룹의 저수지보다 농도가 낮고 연중수질변화가 적은 1그룹의 저수지에서 실측값과 모의값이 더 잘 일치하였다.

합리적인 농업용저수지 유역내 공장설립 제한에 관한 연구

함종화 ( Jonghwa Haam ),김형중 ( Hyung-joong Kim ),홍대벽 ( Dae-byuk Hong ) 한국농공학회 2010 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2010 No.-

농업용저수지는 유역의 도시화와 산업화로 인해 생활하수 및 공장폐수 배출량의 증가, 축산시설 및 각종위락시설의 증가, 환경기초시설의 부족 등에 의하여 지속적으로 수질이 악화되고 있다. 농업용저수지의 수질을 보전할 목적으로 2005년 12월부터 「산업입지 관리에 관한 통합지침」에 의해 저수지로부터 상류방향으로 일정한 거리까지는 공장 및 산업단지가 설립할 수 없도록 하였으나, 법적 구속력이 미약하여 2009년 4월동일한 내용의 규제를 「농어촌정비법」에 추가하였다. 하지만, 공장 및 산업단지 규제 방법이 합리적이지 못하여 많은 민원이 제기되고 있는 실정이다. 그러므로 본 연구에서는 농업용저수지 수질을 보호할 목적으로 유역내 공장 및 산업단지 입지를 제한할 수 있는 합리적인 방법을 제시하고자 한다. 새로 개정된 「농어촌정비법」과 동법 시행령은 모든 농업용저수지 상류 지역에서 유하거리 2km이내에 공장을 설립할 수 없으며, 도시지역·계획관리지역 이외의 지역, 농어촌용수구역 외의 지역, 그리고 수질오염방지시설 등 환경상 안전한 대책을 수립하여 관할 환경관리청장과 협의한 지역에서는 폐수배출시설이 아닌 공장 및 산업단지를 2km~5km 이내의 위치에 설립할 수 있도록 하였으며, 유하거리 5km 초과하는 지역에는 모든 공장 및 산업단지가 설립될 수 있도록 하였다. 하지만, 「농어촌정비법」과 동법 시행령은 농업용저수지 유입하천의 수질 및 유량과 공장 및 산업단지에서 배출하는 오염물질 배출량을 고려하지 않고 유역의 토지이용 및 폐수배출여부만을 이용해 공장 및 산업단지 설립을 규제하고 있어, 오염물질을 매우 적게 배출하는 공장과 이보다 훨씬 많은 오염물질을 배출하는 큰 공장이 동일한 입지제한 거리를 적용받는 등 불합리한 부분이 있어 잦은 민원이 제기되고 있다. 보다 합리적으로 농업용저수지 유역내 공장 및 산업단지 설립을 제한하기 위해 반듯이 산업단지에서 배출하는 오염물질량과 저수지 유입하천의 수질 및 유량을 고려해야 한다. 합리적으로 공장 및 산업단지 입지를 제한하기 위해 갈수기 유입하천의 평균 유속 및 오염물질 반응상수를 도출하였다. 현장에서 실측한 유입하천유속과 GIS를 이용해 실측지점의 하천경사 및 전국 농업용저수지 유입하천의 평균경사를 산정하여 이들 사이의 관계로부터 전국 농업용저수지 유입하천의 평균 유속(0.18m/s)을 도출하였다. 유입하천의 오염물질(COD) 반응상수는 14개의 유입하천 구간에서 실측한 값을 유속 0.18m/s일 때의 반응상수로 환산하여 도출한 결과 1.61로 나타났다. 위에서 도출한 반응상수(1.61), 평균유속(0.18m/s) 및 일차반응식 등을 이용해 공장 및 산업단지 입지제한 거리를 산정할 수 있는 식을 도출하였다. 도출한 식을 이용할 경우 유입하천 말단부의 목표수질 농도, 공장방류수 유입지점의 하천 유량 및 농도, 설립 예정 공장의 방류수 유량 및 농도에 따라 합리적으로 입지제한거리 산정이 가능하였다. 도출된 식에 의하면, 목표농도가 낮을수록, 하천수의 농도가 높을수록, 유량비(방류수유량/갈수기 하천수유량)가 클수록 입지제한거리가 길게 계산되어, 농업용저수지 만수위로부터 더 먼 거리까지 공장이 설립될 수 없도록 된다.

인공습지의 수질정화특성 분석

김영경 ( Yeongkyung Kim ),김형중 ( Hyungjoong Kim ),함종화 ( Jonghwa Haam ) 한국농공학회 2009 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2009 No.-

충남 당진군 석문간척지에 위치한 인공습지에서 식재식물에 따른 수질정화 효과를 실험하였다. 인공습지 식재 식물로는 갈대와 애기부들을 이용하였으며, 개방구역과 식생구간을 조합하여 시험포를 구성하였다. 식재습지 각 셀 규모는 910㎡ (13m×70m)이며, 단독시험포는 무식재, 갈대, 애기부들구간으로 구성하였으며, 복합시험포는 갈대+애기부들, 무식재+갈대, 갈대+무식재구간으로 구성하였다. 2001년 습지 조성이후 식생식물을 인공적으로 제거하지 않고 인공습지를 운영하고 있다. 인공습지 유입수는 당진천으로부터 하천수를 펌핑하여 이용하였으며, 2008년 유입수 수질 평균값은 COD 9.0㎎/ℓ, SS 24.1㎎/ℓ, T-N 3.387㎎/ℓ, T-P 0.184㎎/ℓ이다. 단독형시험포에서 COD 처리효율은 식재식물종간 차이는 없었으나 식재여부에 따른 유의적 차이가 나타났다. 단독시험포에서 TN처리효율은 평균 59.4%로 비교적 높은 제거효율을 나타냈으나 식재여부나 식재 식물종에 따른 유의적 차이는 나타나지 않았다. TP제거효율도 식재여부나 식재식물에 의한 유의적 차이는 나타나지 않았으나 미식재구간에서 산술적으로 약간 높았다. SS처리효율도 유의적 차이를 나타내지 않았다. 수질정화효율과 인자와의 상관관계를 분석한 결과 COD처리효율은 체류일수와 유의적 상관관계가 있었다(Peason 상관계수 0.474). 복합시험포에서 TN은 수생식물 배열에 관계없이 60%이상의 안정적인 제거효율을 나타냈다. TP 처리효율은 미식재구간이 후반부에 있는 처리구에서 57.8% 가장 높았으며 식생배열에 따른 차이를 보이지는 않았다. SS는 모든 처리구에서 80%이상 높은 처리효율을 나타냈으며 식생배열에 따른 유의적 차이를 보이지는 않았다. 전체 처리구간에서 유출수 COD 농도는 유입수 농도보다 높았다. 총질소 처리효율은 55.5~76.8%, 총인 처리효율은 39.8~57.0%, 부유물질 처리효율은 63.1~92.0%였다. 무식재구간이 있을 경우 유출수의 용존산소량이 유의적 수준에서 높았다. 단독시험포와 복합시험포 실험결과를 이용하여 오염물질제거효율과 인자들간의 상관관계를 분석하였다. 유의적 수준에서 COD처리효율은 체류일수와 상관관계(상관계수 -0.910)가 있었고, 총질소 처리효율은 갈대구간체적과 상관관계(상관계수 0.818)가 있었으며, 총인 처리효율은 식재구간체적과 상관관계(상관계수 -0.871)가 있었다. 식생식물과 식생배열에 수질정화효율의 효과를 비교하기 위하여 각 오염물질 제거효율에 대한 다중회귀분석을 실시하였다. COD제거효율 = -13.299 + 0.035 X₁ -0.035 X₂ (X₁ : 미식재구간체적(㎥), X₂ : 체류일수(day), R² : 0.928), 총질소제거효율 = 54.996 + 0.056 X₁ + 0.016 X₂ + 0.437 X₃ (X₁ : 갈대식생체적(㎥), X₂ : 애기부들식생체적(㎥), X₃ : 체류일수(day), R² : 0.969), 총인제거효율 = = 51.992 + 0.018 X₁ -0.046 X₂ (X₁ : 미식재구간체적(㎥), X₂ : 식재구간체적(㎥), R² : 0.935), SS제거효율= 51.370 + 0.127 X₁ + 0.051 X₂ -1.230 X3 (X₁ : 식생식재체적(㎥), X₂ : 미식재체적(㎥), X₃ : 체류일수(day), R² : 0.935). 4종의 오염물질에 대한 다중회귀분석결과가 얻어졌으므로 그 식을 이용하여 체류시간과 유입량을 일정 수준으로 설정하여 각오염물질에 대한 제거효율과 단위면적당 제거량을 추정하였다. 추정된 수질정화효율과 제거량을 근거로 복합시험포의 무식재+갈대처리구와 길대+무식재 구간에서 가장 효율이 좋음을 알 수 있었으며, 유출수의 용존산소량까지 고려한다면 길대+무식재구간이 가장 바람직한 식재 방법이라 판단된다.