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.

갈수기 유량 확보에 따른 섬강 및 남한강 본류 갈수기 수질 개선 효과 분석

이서로 ( Seoro Lee ),이관재 ( Gwanjae Lee ),이동준 ( Dongjun Lee ),최유진 ( Yujin Choi ),김수홍 ( Soohong Kim ),임경재 ( Kyoung Jae Lim ) 한국물환경학회(구 한국수질보전학회) 2019 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2019 No.-

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.

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.

SWAT-MODFLOW-PADDY 모델을 이용한 농업 유역의 기저 회귀수량 및 회귀율 추정 연구

이서로 ( Seoro Lee ),김종건 ( Jonggun Kim ),신용철 ( Yongchul Shin ),임경재 ( Kyoung Jae Lim ) 한국농공학회 2023 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2023 No.0

농업 유역에서의 농업용수 회귀수량 정량화는 안정적인 농업용수 확보와 공급을 위한 효율적인 유역 물관리 계획 수립에 중요하다. 최근 다양한 수문 모델과 수혜지역 내 계측 자료를 이용한 유역 단위 회귀수량 산정 및 회귀율 정량화 연구들이 진행되고 있다. 그러나 신속 회귀수량과 다르게 기저유출 형태로 토층 측방에서 하천으로 회귀되거나 대수층으로 유입되어 하천으로 회귀되는 기저 및 지연 회귀수량은 계측이 어렵기 때문에 수문 모델링을 통한 정량화 방안이 필요하다. SWAT-MODFLOW-PADDY 모델은 지표수-지하수 모델과 SWAT-PADDY 모델이 연계된 모델로 증발, 침투, 관개, 배수 등 담수 논에서의 수문 기작과 영농활동을 고려한 지표수-지하수 통합 해석이 가능하다. 본 연구에서는 강원도 원주시 흥업저수지 수혜지역을 대상으로 SWAT-MODFLOW-PADDY 모델을 통해 기저 회귀수량과 회귀율을 추정하였다. 수혜지역에 위치한 논에 대한 영농일정 입력자료는 모델의 입력자료로 반영하였으며, 하천에서 관측된 유출량 모니터링 자료로 모델 보정을 수행하였다. 모델로 모의 된 2020년부터 2022년까지의 관개 기간(5월~9월) 수혜지역 월평균 기저 회귀수량과 회귀율은 각각 343,174 m3, 43.2%(37.2~56.2%)로 추정되었다. 모델의 결과는 사용자가 입력한 논 영농일정과 모델의 보정 매개변수에 따라 큰 편차를 보일 수 있지만 저수지, 취입보 공급량, 무효방류량 등 물 이용 자료를 이용한 논 관개용수 사용량 및 신속 회귀수량에 대한 모델 검증과 대수층의 수리·지질학적 매개변수에 대한 정밀 보정이 이루어진다면, 보다 신뢰성 있는 기저 및 지연 회귀수량 및 회귀율 추정이 가능할 것으로 보인다. 향후 본 연구의 방법론은 다양한 저수지 유역에서의 유역 단위 농업용수 회귀율 정량화를 위한 모델링 방안으로 활용될 수 있을 것이다.

국내 토지이용별 토양유실 특성을 고려한 가아천 유역에서의 유사 거동 모의

이서로 ( Seoro Lee ),이관재 ( Gwanjae Lee ),양동석 ( Dongseok Yang ),최유진 ( Yujin Choi ),임경재 ( Kyoung Jae Lim ) 한국농공학회 2019 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2019 No.-

국내·외로 유역에서의 강수에 따른 유출 및 비점오염원 거동 특성을 시·공간적으로 분석하기 위해 SWAT 모형이 널리 활용되고 있다. SWAT(Soil and Water Assessment Tool) 모형은 미국 농무성의 농업연구소에서 개발된 유역단위 준분포형 강우-유출 모형으로 토지이용과 토양의 조합인 수문반응단위를 기본으로 유량 및 수질을 모의하며, MUSLE(Modified Universal Soil Loss Equation)을 통해 단일 강우에 의한 토양유실량을 산정한다. MUSLE는 USLE의 강우에너지 인자를 총 유출량 및 첨두 유출량의 함수로 이루어진 유출인자로 대체한 것으로 Nebraska와 Texas 지역의 47개 유역에서 관측된 778개 강우자료를 이용하여 개발되었다. 그러나 기후적 특성과 더불어 토지이용 및 지형 특성이 다른 미국에서 개발된 MUSLE의 유출인자 계수를 국내 유역에 그대로 적용할 경우 토지이용별 토양유실량이 과대 또는 과소 산정될 수 있으며, 이는 유역 말단에서의 유사발생량을 예측하는데 큰 오차를 발생시킬 수 있다. 따라서 SWAT 모형을 통한 유역단위 유사 거동 평가가 정확히 이루어지기 위해서는 우선적으로 국내 토지이용별 토양유실 특성이 고려되어야 할 필요성이 있다. 이에 본 연구에서는 MUSI에 근거하여 사용자가 직접 토지이용별(논, 밭, 산림)로 유출인자의 계수를 입력할 수 있도록 SWAT 모형 소스코드를 수정하였으며, 소양호 상류에 위치한 가아천 유역을 대상으로 적용성을 평가하였다. 토지이용별 유출인자 계수는 토지이용별 토양유실량 모의 값이 국내 비점오염원 부유물질 유출 원단위를 만족하는 범위에서 산정될 수 있도록 조정하였다. 적용 결과, 유역 내 토지이용별 토양유실량은 기존 MUSLE의 유출인자 계수를 적용하였을 때보다 비교적 큰 차이를 보이는 것으로 나타났으며, 유역 말단에서의 유사발생량은 실측 대비22% 오차로 더욱 잘 예측되는 것으로 나타났다. 향후 본 연구의 결과는 국내 유역을 대상으로 SWAT 모형을 통한 유역단위 유사 거동 모의시 유역 말단에서의 유사발생량을 합리적으로 예측하는데 효율적인 방안이 될 수 있을 것이라 판단되며, 더 나아가 유역 및 하천 유사 통합관리 측면에서 적합한 관리방안을 수립하는데 활용될 수 있을 것이라 판단된다.

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.-

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.

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.

갈수기 수질오염부하 특성 및 기여율 분석

이서로(Seoro Lee),신재영(Jae Young Shin),이관재(Gwanjae Lee),성윤수(Yunsoo Sung),김기성(Ki-sung Kim),임경재(Kyoung Jae Lim),김종건(Jonggun Kim) 대한환경공학회 2018 대한환경공학회지 Vol.40 No.6

최근 지속되는 봄철 가뭄으로 인한 유량감소와 오염물질 유입량 증가로 인해 충주댐 하류에 위치한 남한강 갈수기 수질오염이 증가하고 있다. 이에 본 연구에서는 남한강 본류로 유입되는 주요 하천을 대상으로 중점관리가 필요한 우심하천 및 주요 오염원을 선별하고자 갈수기 오염부하 특성 및 남한강 본류에 대한 기여율을 분석하였다. 분석 결과, 갈수기 조건에서의 오염부하 및 기여율은 섬강에서 가장 높게 나타났으며, 유량 및 수질 모니터링 기간 내 발생한 점 · 기저비점 오염부하가 남한강 본류에 미치는 기여율 또한 섬강에서 가장 높게 나타났다. 그리고 전국오염원조사 자료를 바탕으로 산정된 수질항목에 대한 오염원별 전체 배출부하 또한 섬강에서 가장 높게 나타났으며, 토지계, 생활계, 축산계 오염원 순으로 높은 비중을 차지하는 것으로 나타났다. 본 연구 결과를 통해 충주댐 하류 남한강 본류 갈수기 수질을 효율적으로 개선하기 위해서는 섬강을 중점적으로 점오염원 관리뿐만 아니라, 기저비점을 통합적으로 관리하기 위한 대책 마련이 필요할 것으로 사료된다. Water pollution in the South-Han River located downstream of Chungju Dam during dry season is getting worse due to the deteriorating water quality and reduced flow rates. Thus, the objectives of this study were to analyze the pollutant load characteristics in the main streams inflow into the South-Han river and to evaluate its contribution to the water pollution in the river during dry season for selecting the priority major stream and pollution sources. the greatest pollutant loads and the contribution ratio to water pollution in the South-Han river were analyzed in the Seomgang. Also, the largest proportion of total pollutant loads occurred by the point source and baseflow during monitoring periods was also analyzed in the Seomgang. In addition, the results of analysis of the Nationwide water pollution source survey showed that the total pollutant loads discharged from the Seomgang was the greatest, and the high proportion of pollution sources was found in the order of Landfill, Domestic, Livestock. As the result of this study, it is necessary to manage the pollutant loads occurred by the point source and baseflow in the Seomgang for water quality improvement in the South-Han river during dry season.