HSPF 모형을 이용한 경안천 유역의 TMDL 목표수질 달성을 위한 최적관리기법 적용 연구

정충길 ( Chunggil Jung ),박종윤 ( Jongyoon Park ),이지완 ( Jiwan Lee ),이형진 ( Hyungjin Lee ),우미희 ( Mihee Woo ),김성준 ( Seongjoon Kim ) 한국농공학회 2011 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2011 No.-

본 연구에서는 경안천(255.4㎢) 유역에서의 농경지 유역에 대하여 비점오염 저감방안을 제시하고자 Hydrologic Simulation Program-Fortran (HSPF) 모형을 적용, 최적관리기법(Best Management Practices, BMPs)에 따른 비점오염 제거 효율을 비교분석하였으며, 시나리오별 분석결과를 바탕으로 경안천 하천목표수질달성을 위한 소유역별 최적관리 기법을 적용하였다. 모형의 적용성 평가를 위해 먼저, 경안수위관측소 상류 유역을 대상으로 30 m DEM, Landsat 토지이용도, 1/25,000 토양도 지형자료를 구축하고 2000 ∼ 2003년까지 총 3개년의 자료를 이용하여 유출량 및 Sediment, T-N, T-P에 대한 검보정을 실시하였다. 모형의 검보정 후, 소유역별 비점오염유출 특성을 분석하고, 다양한 BMPs 시나리오를 적용하여 수문, 수질모의를 실시하였다. 적용된 BMPs 시나리오로 HSPF 모형에 BMPs tool로 내장된 filter strip, water quantity pond, porous pavement, constructed wetland 및 infiltration trench를 적용하여 하천수질환경기준(환경부고시, 2007)에 따른 목표수질에 최적화된 기법을 선정하고자 한다. 최종적으로 경안천의 목표수질에 이를 때까지 소유역별 농경지 유역에 시나리오를 적용하여 최대 오염원 삭감 시나리오와 목표수질에 해당하는 시나리오를 선정하여 수질개선효과를 예측하고자 한다. 또한, 향후 수질오염총량계획 수립 및 목표수질 재설정을 위한 도구로서 활용하고자 한다.

농촌소유역 비점원오염 평가를 위한 HSPF 와 SWAT 모델의 검토

정충길 ( Chunggil Jung ),박종윤 ( Jongyoon Park ),양희정 ( Heejeong Yang ),김성준 ( Seongjoon Kim ) 한국농공학회 2012 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2012 No.-

본 연구에서는 단일강우사상 모의가 가능한 HSPF, SWAT 모델을 이용해 밭작물에서의 적용가능한 볏짚지표피복 시나리오 적용에 따른 유출 저감 및 비점원오염 저감률을 분석하여 비구조적 최적관리기법으로 그에 따른 적용성을 평가하고자 하였다. 유역차원에서 모델링을 통한 볏짚지표피복효과를 분석하기 위해 HSPF, SWAT 모델에 2011년 6월 ∼8월까지 시간당 유출 및 수질 모의를 위한 검보정을 실시하여 적용성을 평가하였다. 그 결과 HSPF 모델은 각각 월별통계에 따른 적용성 분석으로 R² (determination coefficient)는 0.62 ∼ 0.78, NSE (Nash-Sutcliffe model Efficiency)는 0.62 ∼ 0.76, sediment, T-N, T-P의 검보정기간동안의 평균 R²는 각각 0.72, 0.62, 0.63, NSE는 0.68, 0.60, 0.58로 나타났으며 SWAT 모델은 각각 월별 통계에 따른 적용성 분석으로 R2은 0.58 ∼ 0.89, NSE은 0.43 ∼ 0.81, sediment, T-N, T-P의 검보정기간동안의 평균 R2는 각각 0.54, 0.87, 0.64로 두 모델 모두 모의치와 실측치의 유출량은 유의성이 있는 것으로 나타났다. 시험포장에서 대조군으로 이루어진 볏짚지표피복 적용결과를 분석하여 평균 유출률 저감 및 비점원오염부하량 저감률을 산정하였다. 시험포장 결과 평균 유출률 저감 약 10.0 포인트에 따른 평균 비점원오염 저감률은 89.7 % ∼ 99.4 %를 나타냈다. 적용성 평가 후 9개의 강우event를 선정하여 밭에서의 평균 유출률 저감이 약 10.0포인트 나타날 때까지 INFILT 매개변수(HSPF), SOL_K 매개변수(SWAT)를 조절하여 유출저감 및 비점원오염저감효과를 분석한 결과 HSPF 모델에서 유출률저감 10.0 포인트를 나타내는 INFILT (high) 16.0 mm/hr값에 따른 sediment, T-N, T-P 각각의 평균 저감률은 87.2, 28.5, 75.6 %로 나타났으며 SWAT 모델에서 평균 유출률 저감 10.0 포인트일때 SOL_K high 111.2 mm/h값을 적용에 따른 sediment, T-N, T-P 각각의 평균 저감률은 80.0, 83.2, 78.7 %로 나타났다.

혼효림 CO₂ 플럭스 실측 자료에 의한 총일차생산성(GPP)과 MODIS GPP간의 비교 평가

정충길 ( Chunggil Jung ),신형진 ( Hyungjin Shin ),박민지 ( Minji Park ),조형경 ( Hyungkyung Joh ),김성준 ( Seongjoon Kim ) 한국농공학회 2010 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2010 No.-

본 연구에서는 Flux 자료를 이용하여 산정된 GPP와 MODIS GPP를 비교 분석하여 MODIS GPP의 활용성을 평가하고자 하였다. 설마천 유역(8.48 km²)을 대상으로 Flux Tower와 동일한 위치의 MODIS GPP8day 자료를 2008년 1월부터 12월까지 구축하였으며 Flux Tower 자료는 CO₂ Flux와 대기온도를 2008년 1월부터 12월까지 일자료로 구축하였다. 대기온도를 매개변수로 Lloyd and Tailor 방법을 이용하여 생태계호흡량을 구하고 이를 CO₂ Flux 자료를 이용하여 GPP를 산정하였다. 그 결과 2008년 총 MODIS GPP는 1026 g/m²day, Flux GPP는 1535 g/m²day이며 결정계수는 0.62로 나타났다. 계절별 GPP 동향을 분석하기 위해 각각 봄(3월 - 5월), 여름철(6월 - 8월), 가을(9월 - 11월), 겨울(12월 - 2월)로 나뉘어 비교 분석하였다. 봄과 여름에 MODIS GPP, Flux GPP는 각각 289 g/m²day, 323 g/m²day, 440 g/m²day 그리고 754 g/m²day나타났으며 가을(9월 - 11월)과 겨울(12월 - 2월)에 MODIS GPP, Flux GPP는 각각 286 g/m²day, 420g/m²day, 15 g/m²day, 그리고 36 g/m² day로 나타났다. 이러한 차이는 MODIS GPP 계산과정에서 기상요소의 오차가 복합적인 영향을 주었기 때문이다. 이는 몬순 기후 지역에서의 구름에 대한 오차를 평가하고 구름영향 오차를 감쇄하면 MODIS GPP는 약 10% 증가를 고려할 수 있으므로 신뢰성이 있다고 판단된다. 따라서, 일부 Flux 자료의 결측과 불규칙적인 자료에 대한 오차를 고려하면 MODIS GPP 자료는 신뢰성 있는 자료로 판단된다. 또한, 특정지역에 한하여 측정되는 Flux GPP 자료에 비해 MODIS GPP 자료는 광범위한 지역에 GPP를 측정하여 자료를 구축할 수 있으므로 활용성이 큰 자료로 평가할 수 있다.

유역모델을 이용한 농업용수 신속회귀수량 산정 연구

이지완,정충길,김다예,맹승진,정현식,조영식,김성준,Lee, Jiwan,Jung, Chunggil,Kim, Daye,Maeng, Seungjin,Jeong, Hyunsik,Jo, Youngsik,Kim, Seongjoon 한국수자원학회 2022 한국수자원학회논문집 Vol.55 No.5

In this study, we tried to present a method for calculating the amount of regression using a watershed modeling method that can simulate the hydrological mechanism of water balance analysis and agricultural water based on watershed unit. Using the soil water assessment tool (SWAT), a watershed water balance analysis was conducted considering the simulation of paddy fields for the Manbongcheon Standard Basin (97.34 km²), which is a representative agricultural area of the Yeongsan river basin. Before evaluating return flow, the SWAT was calibrated and validated using the daily streamflow observation data at Naju streamflow gauge station (NJ). The coefficient of determination (R²), Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE), Root-Mean-Square Error (RMSE) of NJ were 0.73, 0.70, 0.64 mm/day. Based on the calibration results for three years (2015-2017), the quick return flow and the return rate compared to the water supply amount for the irrigation period (April 1 to September 30) were calculated, and the average return flow rate was 53.4%. The proposed method of this study may be used as foundation data to optimal agricultural water supply plan for rational watershed management.

SWAT과 MODSIM-DSS를 이용한 금강유역의 미래농업용수 공급능력 평가

김세훈(Kim, Sehoon),정충길(Jung, Chunggil),이지완(Lee, Jiwan),김진욱(Kim, Jinuk),김성준(Kim, Seongjoon) 한국방재학회 2020 한국방재학회논문집 Vol.20 No.6

본 연구는 SWAT과 MODSIM-DSS를 이용하여 금강유역(9,865 km²)의 향후 농업용수 공급능력 평가를 수행하였다. 농업용수 공급능력평가를 위한 물수지 분석은 MODSIM-DSS를 이용하여, 농업용 수리시설의 용수공급과 및 유역의 수요현황을 고려하였다. 14개중권역으로 구분된 유역 및 농업용 저수지 유입량(공급량) 자료는 SWAT 모형의 소유역별 유출결과를 사용하였다. SWAT 모형의검·보정은 금강유역 내 위치한 다목적댐(용담, 대청)과 보(백제보, 세종보, 공주보) 지점에서 실시하였다. 그 결과 2개 댐의 유입량및 저수량과 3개의 보에서 Nash-Sutcliffe의 모형효율계수(NSE)은 각각 0.55 ~ 0.70, 0.57 ~ 0.77로 검·보정되었다. 이후 SWAT 모형의유출결과를 MODSIM-DSS에 적용하여 물수지 분석을 수행하였다. 그 결과 1982년, 1988년, 1994년, 2001년, 2015년 기간에 농업용수부족량이 크게 발생하는 것으로 나타났으며, 14개 소유역 중 3004(영동천) 및 3012(금강공주) 유역에 농업용수 부족량이 각각 25.1 × 10⁶ m³, 47.4 × 10⁶ m³로 크게 발생하였다. 최종적으로 RCP 8.5 INM-CM4 시나리오를 적용하여 미래의 농업용수 부족량을 분석한결과 3004 및 3012 유역은 2080s (2070-2099) 기간에 26.1 × 10⁶ m³, 50.9 × 10⁶ m³로 용수 부족량이 증가하는 것으로 분석되었다. This study is to evaluate future agricultural water supply capacity in Geum river basin (9,865 km²) using SWAT and MODSIM-DSS. The MODSIM-DSS was established by dividing the basin into 14 subbasins, and the irrigation facilities of agricultural reservoirs, pumping stations, diversions, culverts and groundwater wells were grouped within each subbasin, and networked between subbasins including municipal and industrial water supplies. The SWAT was calibrated and validated using 11 years (2005-2015) daily streamflow data of two dams (DCD and YDD) and 4 years (August 2012 to December 2015) data of three weirs (SJW, GJW, and BJW) considering water withdrawals and return flows from agricultural, municipal, and industrial water uses. The Nash−Sutcliffe efficiency (NSE) of two dam and three weirs inflows were 0.55∼0.70 and 0.57∼0.77 respectively. Through MODSIM-DSS run for 34 years from 1982 to 2015, the agricultural water shortage had occurred during the drought years of 1982, 1988, 1994, 2001 and 2015. The agricultural water shortage could be calculated as 197.8 × 10⁶ m³, 181.9 × 10⁶ m³, 211.5 × 10⁶ m³, 189.2 × 10⁶ m³ and 182.0 × 10⁶ m³ respectively. The big shortages of agricultural water were shown in water resources unit map number of 3004 (Yeongdongcheon) and 3012 (Geumgang Gongju) areas exceeding 25.1 × 10⁶ m³ and 47.4 × 10⁶ m³. From the estimation of future agricultural water requirement using RCP 8.5 INM-CM4 scenario, the 3004 and 3012 areas showed significant water shortages of 26.1 × 10⁶ m³ (104.1%) and 50.9 × 10⁶ m³ (107.4%) in 2080s (2070∼2099) compared to the present shortages. The water shortages decreased to 23.6 × 10⁶ m³ (94.0%) and 43.3 × 10⁶ m³ (91.4%) below of the present shortages by developing irrigation facilities.

위성 식생지수, 기상 및 댐 저수율을 고려한 가뭄 분석

이용관 ( Yonggwan Lee ),정충길 ( Chunggil Jung ),안소라 ( Sora Ahn ),이지완 ( Jiwan Lee ),김성준 ( Seongjoon Kim ) 한국농공학회 2015 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2015 No.-

본 연구의 목적은 위성 식생지수와 댐 저수율을 활용하여 우리나라 다목적댐 유역의 가뭄을 시공간적으로 분석하고 위성 자료의 효용성에 대해 평가하는 것이다. 이를 위해 5개 다목적댐 유역(충주댐, 소양강댐, 화천댐, 청평댐, 팔당댐)의 저수율, 16일의 시간해상도와 250m의 공간해상도의 Terra MODIS NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)를 2000년부터 2015년까지 구축하였다. 댐 유역 가뭄의 공간 분석을 위해 가뭄해(2001, 2008, 2009, 2012, 2013, 2014, 2015)를 제외한 평년의 평균 NDVI를 산정하고, 가뭄해의 NDVI를 산정한 뒤 그 차이를 분석하였다. 공간분석결과 심한 가뭄이 들었던 2014, 2015년의 NDVI 값이 평년에 비해 0.1에서 0,2까지 낮은 것으로 나타났다. NDVI와 저수율과의 상관성 분석을 위해 각 댐유역에서 NDVI를 저수지 경계범위로 추출하고 결정계수(R²)를 산정한 결과봄철(3 ~ 5월)에 NDVI가 저수율과 상관성이 제일 높은 것으로 나타났다. 또한 댐의 저수율을 가장 잘 표현할 수 있는 최적의 NDVI 범위를 분석하기 위해 평균 NDVI, NDVI를 -0.2에서 ~ 0.0, ~ 0.1, ~ 0.2, ~ 0.3 범위에 해당하는 셀 개수와 저수율과의 상관성을 각각 분석해보고자 한다.

Random Forest 기법을 이용한 하천유지유량 추가방류에 따른 한강유역의 수생태계 건강성 변화 평가

우소영 ( Soyoung Woo ),정충길 ( Chunggil Jung ),김진욱 ( Jinuk Kim ),김성준 ( Seongjoon Kim ) 한국농공학회 2018 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2018 No.-

기존 우리나라에서는 유기물오염 지표 혹은 부영화 지표와 같은 일반 수질항목들을 사용하여 수환경을 평가해왔으나 최근 물관리 일원화가 추진되면서 수문·수질·수생태에 대한 통합적인 연구를 통한 유역평가의 필요성이 증가하고 있다. 본 연구에서는 수문과 수질을 동시에 모의할 수 있는 Soil and Water Assessment Tool (SWAT) 모형을 이용하여 한강유역(34,148 ㎢)을 대상으로 다목적댐(소양댐, 횡성댐, 충주댐), 발전용댐(팔당댐), 다기능보(강천보, 여주보, 이포보)의 운영을 고려하여 모형의 수문(댐·보 유입량, 증발산량, 토양수분, 지하수위) 및 수질(SS, T-N, T-P)에 대한 보정(2008∼2012)과 검증(2013∼2015)을 수행하였다. 수생태계 건강성 자료는 국립환경과학원에서 8년간(2008∼2015) 1년에 2차례 봄(4월∼6월)과 가을(8월∼10월)에 걸쳐 관측한 어류평가지수(FAI), 부착돌말류지수(TDI), 저서형 대형무척추동물지수 (BMI)자료를 이용하였으며, 이 지수들은 0∼100점으로 평가되어 각 지수의 기준에 따라 A∼E등급으로 구분된다. SWAT 모델의 수질(T-N, T-P, NH₄, NO₃, PO₄) 및 수온 결과와 수생태계 건강성 지수 등급을 기계학습 기법 중 하나인 Random Forest 분류 모델의 학습 자료로 사용하여 유역의 건강성을 평가하였을 때, 유역의 최하류에서 모든 수생태 건강성 지수 등급이 나쁜 것으로 분석되었다. 이를 개선하기 위해 하천의 유량을 증가시키며 하천에 흐르는 수질 농도를 저감하고자 하천유지유량 방류를 모의하였고, 방류 시나리오는 환경부에서 제시한 댐·보 연계운영 시나리오를 기반으로 선정하여 다목적댐, 다기능보의 개방을 통한 하천유지유량 방류에 따른 유역의 수질 및 수생태계 건강성의 변화를 평가하였다.

위성기반의 식생지수를 이용한 봄철 농업가뭄 분석

이지완 ( Jiwan Lee ),정충길 ( Chunggil Jung ),김다래 ( Darae Kim ),김성준 ( Seongjoon Kim ) 한국농공학회 2016 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2016 No.-

우리나라의 가뭄은 5년에서 8년 주기로 발생하고 있으며, 최근에는 더 빈번하게 발생하고 있다. 2000년대에 들어 주기적으로 발생하고 있는 봄 가뭄은 용수수요가 많은 시기적 특성으로 인해 가뭄의 체감심도 및 사회적 파장이 크며, 2001년 봄 가뭄의 경우 기상학적 가뭄이 농업적 가뭄으로 이어져 농업용수 공급에 차질을 빚기도 한다. 봄 가뭄은 지속기간이 길지 않으며, 단기간의 강수부족으로 인한 기상학적 가뭄이 주를 이루었으나, 2014-2015년의 가뭄은 지속기간이 더 길어지면서 가뭄의 강도도 더욱 심해질 것으로 전망되고 있다. 본 논문의 목적은 위성 식생지수를 이용하여 봄철 농업가뭄을 평가함으로써 식생지수의 활용가능성을 평가하는데 있다. Terra MODIS NDVI (Normalized Difference Vegetation Index)를 활용하여 DSI (Drought Severity Index)를 산정하고 봄철 전국의 농업 가뭄피해지역의 공간적 범위를 분석하였다. DSI는 일별 NDVI와 일평년 NDVI의 차이로 정의 하였고, 평년 NDVI는 가뭄년을 제외하였다. 도 별 DSI를 산정한 결과, 2014년의 심한가뭄(Ⅲ) 지역이 35.3 %로 나타나 2014년의 봄 가뭄의 심도가 컸음을 확인하였다. 또한 16년(2000-2015)동안 봄철에 대한 DSI를 산정하고 과거 가뭄기록과의 비교를 통해 농업가뭄의 평가에 대한 위성영상의 활용 가능성을 확인하였다.

하안림 조성에 따른 중소하천의 수리특성 변화 및 하상변동 모의

이지완 ( Jiwan Lee ),정혁 ( Hyuk Jung ),정인균 ( Inkyun Jung ),정충길 ( Chunggil Jung ),이미선 ( Miseon Lee ),김해도 ( Haedo Kim ),이광야 ( Kwangya Lee ),김성준 ( Seongjoon Kim ) 한국농공학회 2011 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2011 No.-

본 연구에서는 여러 가지 홍수형태를 이용하여 하천에 하안림 적용 시 하상의 침식과 퇴적의 형태를 파악하고자 하였다. 본 연구의 대상지역은 안성천 수계의 진위천과 오산천으로 Rosgen(1994)의 하천분류체계 중 1단계분류와 2단계분류를 적용하였다. 하천분류체계에 의해 선정한 4지점의 연구대상지역에 대하여 CCHE2D(Center for Computational Hydroscience and Engineering)모형을 이용한 하상변동 수치모의를 수행하였다. 하상변동 수치모의 결과를 토대로 하상변동결과 중 유속이 2 m/s 인 지점을 대상으로 하상변동을 방지를 위한 하안림 적용 시나리오를 CCHE2D 모형 내조도계수를 이용하여 작성하고 모의 하였다. 하안림 적용 전 홍수 7회 모의 시 진위천의 유속 분포는 0∼0.9 m/s 이었으나 적용 후 0∼1.9 m/s 로 1.0 m/s 가량 유속이 증가하는 것으로 나타났다. 유속이 증가함에 따라 하상의 침식은 1.36 m 증가하는 것으로 모의되었다. 통삼천의 경우 7회 모의 시 식재 전ㆍ후 유속분포가 0∼1.91 m/s 에서 0∼1.74m/s 으로 0.17 m/s 가량 유속이 감소하는 것으로 나타났다. 공세천과 수원천의 경우 적용 후 유속이 각각 0.09 m/s, 0.01 m/s 감소하는 것으로 나타났다. 하안림은 곡류부인 진위천과 통삼천에 적용하였을 때 하상의 변화가 크게 나타났으며 특히 통삼천의 경우 하상퇴적 경감효과가 있었다. 본 연구에서는 국내 하천에 적용하여 분류한 하천 유형별로 2차원 수리해석 모형을 통해 하천의 흐름특성과 하상변동을 분석하였다. 본 연구의 연구결과를 통해 하천분류체계를 이용하여 분류된 하천을 2차원 수리모형을 통한 하안림 조성 시 하상변동을 분석하여 하천복원 및 조성사업에 따른 하천 내 하안림 조성을 계획할 경우 실무적으로 널리 활용 될 것으로 기대된다.

SWAT 모형의 유출성능 향상을 위한 다목적 최적화 알고리즘의 성능 비교

이용관 ( Yonggwan Lee ),장원진 ( Wonjin Jang ),정충길 ( Chunggil Jung ),김성준 ( Seongjoon Kim ) 한국농공학회 2018 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2018 No.-

집중형 수문모형(Lumped Hydrological Model)과 달리 분포형 수문모형(Distributed Hydrological Model)은 다양한 물리적 변수와 공간 이질성(spatial heterogeneity)을 표현하기 위한 많은 매개변수를 포함하고 있으며, 최근에는 수치적인 알고리즘을 이용해 효율적이고 객관적인 매개변수 추정을 위한 자동 보정법에 관한 다양한 연구가 수행되고 있다. 본 연구에서는 다목적 최적화 알고리즘 중에서 유전자 알고리즘 기반의 Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm II (NSGA-II)와 군집 알고리즘 기반의 Particle Swarm Optimization (PSO)을 분포형 수문모형인 Soil and Water Assessment Tool (SWAT)에 각각 적용하여 알고리즘의 성능을 비교, 분석하였다. SWAT 모형의 유출 해석은 안성천의 공도 수위 관측소 상류유역(366.5 km²)을 대상으로 하였으며, 공도 지점의 2000년부터 2017년까지의 일 유량 자료를 이용하여 검·보정하였다. 정확한 최적해 검색 능력 비교를 위해 각 알고리즘에 동일한 threshold, 매개변수를 적용하였으며, 동일한 목적함수를 적용하여 보정에 소요된 가동 시간을 측정하고 각 알고리즘의 최종 보정 결과를 분석하였다.