SWAT-WET을 이용한 안동호의 수질 및 수생태계 모델 구축

우소영,김용원,김원진,김세훈,김성준,Woo, Soyoung,Kim, Yongwon,Kim, Wonjin,Kim, Sehoon,Kim, Seongjoon 한국수자원학회 2021 한국수자원학회논문집 Vol.54 No.9

The objective of this study is to develop the water quality and aquatic ecosystem model for Andong lake using SWAT-WET (Soil and Water Assessment Tool-Water Ecosystem Tool) and to evaluate the applicability of WET. To quantify the pollutants load flowing into Andong lake, a watershed model of SWAT was constructed for Andong Dam basin (1,584 km²). The calibration results for Dam inflow and water quality loads (SS, T-N, T-P) were analyzed that average R² was more than 0.76, 0.69, 0.84, and 0.60 respectively. The calibrated SWAT results of streamflow and nutrients concentration was used into WET input data. WET was calibrated and validated for water temperature, dissolved oxygen, and water quality concentration (T-N, T-P) of Andong lake. The WET calibrated results was analyzed that PBIAS was +19%, -13%, +4%, and +26.5% respectively and showed that it was simulated to a significant level compared with the observation data. The observed dry weight (gDW/m²) of zoobenthos was less than 0.5, but the average value of simulation was analyzed to be 0.8, which is because the WET model considers zoobenthos with a broader concept. Although accurate calibration is difficult due to the lack of observed data, SWAT-WET can analyze the effects of environmental change in the upstream watershed on the lake based on long-term simulation based on watershed model. Therefore, the results of this study can be used as basic data for managing the aquatic environment of Andong lake.

안동호의 수질 및 수생태 특성 모의를 통한 SWAT-WET의 적용성 평가

우소영 ( Soyoung Woo ),김용원 ( Yongwon Kim ),김원진 ( Wonjin Kim ),김세훈 ( Sehoon Kim ),김성준 ( Seongjoon Kim ) 한국농공학회 2021 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2021 No.-

SWAT을 이용한 용담댐 도수량과 수질이 만경강 하천유량과 수질에 미치는 영향 분석

우소영 ( Soyoung Woo ),김용원 ( Yongwon Kim ),이지완 ( Jiwan Lee ),김성준 ( Seongjoon Kim ) 한국농공학회 2019 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2019 No.-

만경강 유역은 자체 가용용수가 부족하여 인근 금강 용담댐 유역으로부터 유역변경식 도수를 통해 용수를 공급받고 있다. 공급받은 용수는 일부 생·공용수와 더불어 대부분 하류지역의 농업용수로 이용되고 있으며, 축산 점오염원과 농지 비점오염원에 의한 수질 문제와 갈수기 하천유량 저하로 인해 수질개선이 시급한 유역이다. 궁극적으로 만경강의 수질은 새만금 하구 담수호의 수질에 영향을 미치기 때문에, 상류 하천유량과 수질의 관리가 중요하다. 만경강의 상류 수질은 용담댐에서 유입되는 수질에 영향을 받으므로, 본 연구에서는 Soil and Water Assessment Tool (SWAT) 모형을 이용하여 유입 수질의 변화가 만경강 유역의 전체 수질에 미치는 영향을 분석하여 수질 문제 개선 방안을 제시하고자 한다. SWAT의 inlet 기능을 이용하여 만경강으로 유입되는 용담댐의 방류량과 방류수질을 고려하였다. 2개의 수위-유량 관측소의 일자료와 2개의 수질관측소 월자료를 이용하여 보정(2012∼2014) 및 검증(2016∼2018)을 수행한 결과 유출량의 평균 NSE는 0.49∼0.51, SS, T-N, 그리고 T-P에 대한 평균 R2은 0.73, 0.78, 0.72였다. 구축된 SWAT 모형을 기반으로 용담댐의 수질 변화에 따른 유역의 상류 수질 변화와 이로 인한 하류 수질 변화를 순차적으로 분석하였다.

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.

수생태계 건강성 자료를 이용한 InVEST habitat quality 모델 적용성 평가

이지완,우소영,김용원,박종윤,김성준,Lee, Jiwan,Woo, Soyoung,Kim, Yongwon,Park, Jongyoon,Kim, Seongjoon 한국수자원학회 2021 한국수자원학회논문집 Vol.54 No.9

Ecosystem biodiversity is rapidly being lost due to changes in habitat, fragmentation of habitat, climate change, and land use changes by human activities. Recently, attempts have been made to approach the watershed management level to secure the health of the watershed, but studies on how to approach biodiversity and habitat management are still in lack. The purpose of this study is to evaluate the habitat quality of Geum river basin using Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs (InVEST) habitat quality model. The results of habitat quality was verified to eco-natural map and ecological watershed health evaluation results. The habitat quality of watershed was evaluated from 0 to 0.86 and the results showed that habitat quality was higher in upstream than downstream. Compared the habitat quality value in each eco-natural grade, the average habitat quality of 1st, 2nd and 3rd grades were 0.80, 0.76 and 0.71 respectively. The results of the correlation analysis with ecological watershed health data, the coefficient of determination (R²) was 0.58, and the person coefficient was 0.76. The results of this study may be used as foundation data to support habitat protection and implementation of long-term biodiversity-related policies.

PHABSIM과 SWAT을 이용한 연계모델링 적용성 평가

김용원,변상돈,박진석,우소영,김성준,Kim, Yongwon,Byeon, Sangdon,Park, Jinseok,Woo, Soyoung,Kim, Seongjoon 한국수자원학회 2021 한국수자원학회논문집 Vol.54 No.10

This study is to evaluate applicability of linkage modeling using PHABSIM (Physical Habitat Simulation System) and SWAT (Soil and Water Assessment Tool) and to estimate ecological flow for target fishes of Andong downstream (4,565.7 km²). The SWAT was established considering 2 multi purpose dam (ADD, IHD) and 1 streamflow gauging station (GD). The SWAT was calibrated and validated with 9 years (2012 ~ 2020) data of 1 stream (GD) and 2 multi-purpose dam (ADD, IHD). For streamflow and dam inflows (GD, ADD and IHD), R², NSE and RMSE were 0.52 ~ 0.74, 0.48 ~ 0.71, and 0.92 ~ 2.51 mm/day respectively. As a result of flow duration analysis for 9 years (2012 ~ 2020) using calibrated streamflow, the average Q185 and Q275 were 36.5 m³/sec (-1.4%) and 23.8 m³/sec (0%) respectively compared with the observed flow duration and were applied to flow boundary condition of PHABSIM. The target stream was selected as the 410 m section where GD is located, and stream cross-section and hydraulic factors were constructed based on Nakdong River Basic Plan Report and HEC-RAS. The dominant species of the target stream was Zacco platypus and the sub-dominant species was Puntungia herzi Herzenstein, and the HSI (Habitat Suitability Index) of target species was collected through references research. As the result of PHABSIM water level and velocity simulation, error of Q185 and Q275 were analyzed -0.12 m, +0.00 m and +0.06 m/s, +0.09 m/s respectively. The average WUA (Weighted Usable Area) and ecological flow of Zacco platypus and Puntungia herzi Herzenstein were evaluated 76,817.0 m²/1000m, 20.0 m³/sec and 46,628.6 m²/1000m, 9.0 m³/sec. This results indicated Zacco platypus is more adaptable to target stream than Puntungia herzi Herzenstein.

SWAT을 이용한 섬진강 도수유량 조절에 따른 영산강 유역의 하천 유량 및 수질 변동분석

김용원 ( Yongwon Kim ),우소영 ( Soyoung Woo ),이지완 ( Jiwan Lee ),김성준 ( Seongjoon Kim ) 한국농공학회 2019 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2019 No.-

영산강 유역은 연평균 이용 가능한 수자원 총량이 약 5.7억㎥으로 우리나라 내륙 5대 권역별 연평균 이용 가능한 수자원 총량 중 가장 적은 수자원량을 보유하고 있으며 이러한 물부족으로 인하여 영산강 유역은 적은 양의 오염부하량에도 심각한 수질오염이 발생하고 있다. 실제로, 농업용 댐 및 다기능 보와 같은 수리시설물들은 영산강수계 상류에 위치하여 수질이 양호한 농업용 댐 4개의 유효저수량의 약 97%을 관개면적 34,000ha에 농업용수로 이용하고 있으며 댐 관리지침의 댐 하류 하천 의무 방류량에 따라 나머지 3%을 하천유지용수로 방류하고 있다. 이러한 이유로 영산강의 수질은 농경지의 비점오염원, 농업용수의 회귀수량 및 축산폐수, 생활하수 등으로 인하여 전국 5대강중에서 가장 나쁜 수질을 유지하고 있다. 이러한 물부족 문제와 수질오염문제를 해결하기 위해 영산강 유역은 섬진강수계인 주암댐 광역 상수원에서 취수(10만㎥/일) 하여 공급하고 있지만, 영산강과 동진강 및 남해로의 용수공급 과정에서 타 유역과의 용수배분 문제 또한 발생 하고 있다. 이에 본 연구에서는 Soil and Water Assessment Tool(SWAT) 모형을 이용하여 섬진강 유역에서 영산강 유역으로 공급하는 도수유량 조절하여 영산강 유역의 하천유량 및 하천수질 변동을 분석하고자 한다. 주암댐 광역상수원으로부터의 도수유량을 고려할 수 있게 모형 내 inlet 기능을 이용하여 영산강 유역을 구축하였고, 영산강 내 다기능 보 2개(승촌보, 죽산보)의 실측 보 운영 자료와 국가 수자원관리 종합 정보 시스템(WAMIS)에서 관측 및 관리하고 있는 수문, 기상 자료, 주암댐에서 영산강으로 방류하는 실측 도수유량 자료 및 수질 자료(SS, T-N, T-P)를 수집하였다. SWAT 모형의 신뢰성 있는 수문, 수질 보정을 위해 보 운영모의를 하였으며, 보 운영자료와 수질 자료를 이용하여 모형의 검정 및 보정(2005∼2017)을 실시하였다. 모형의 검보정 이후, inlet 기능을 활용하여 실측 도수유량을 적용하여 하천유량과 하천수질의 변화를 분석하였고, 도수유량조절 시나리오를 구성하여 도수유량 조절에 따른 하천수질의 변동을 분석하였다.

남강댐유역의 유역환경변화 특성을 고려한 환경생태유량 확보량 산정

김용원 ( Yongwon Kim ),우소영 ( Soyoung Woo ),김원진 ( Wonjin Kim ),이지완 ( Jiwan Lee ),김성준 ( Seongjoon Kim ) 한국농공학회 2022 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2022 No.-

본 연구의 목적은 SWAT(Soil and Water Assessment Tool)과 PHABSIM(Physical Habitat Simulation System)을 활용하여 남강댐유역의 유역환경변화 특성을 고려한 환경생태유량 확보량을 산정하는 것이다. 남강댐유역의 유역환경변화 특성을 고려하기 위해 유역환경변화 인자 5개(토지이용, 지하수이용, 산림생장, 도로개발, 토양깊이)를 과거환경 1980s(1976∼1985)와 현재환경 2010s(2006∼2019)로 구분하여 보정된 SWAT에 적용하였다. 유역환경변화 분석결과, 남강댐유역의 토지이용변화는 1980s 대비 2010s에서 도시와 농업지역은 증가하였으나 산림지역과 수역의 면적은 감소하였다. 지하수이용은 1980s 대비 2010s에서 +18.9 백만 m³/년 증가한 평균 31.5 백만 m³/년으로 분석되었고 산림 높이는 1980s 대비 2010s에서 +0.6 m 증가한 평균 12.4 m의 높이를 가지는 것으로 분석되었다. 토양깊이와 도로망의 경우 각각 1980s 대비 2010s에서 -0.2 cm, +29.2 km 증가한 61.3 cm, 51.5 km로 분석되었다. 각각의 유역환경변화 인자 적용 결과, 남강댐유역의 평균 유량은 1980s 대비 2010s에서 -9.5 m³/sec 감소한 77.3 m³/sec로 나타났고, Q95, Q185, Q275, Q355에서 각각 -6.7 m³/sec, -4.8 m³/sec, -4.4 m³/sec, -5.3 m³/sec 감소한 75.7 m³/sec, 38.8 m³/sec, 23.4m³/sec, 10.4 m³/sec로 나타났다. 환경생태유량을 산정하기 위해 남강댐 하류에 위치한 정암교가 위치한 하천에 대해 PHABSIM을 구축하였고, 대표어종인 피라미에 대한 서식처적합도지수를 적용하여 환경생태유량을 산정하였다. 환경 생태유량 산정결과 피라미의 최적 환경생태유량은 21.0 m³/sec로 산정되었고, 1980s와 2010s에서의 환경생태유량보다 유량이 작아지는 일수는 1980s에서 52일, 2010s에서 73일로 분석되어 유역환경변화가 하천유량 감소에 기여하는 것을 확인하였다. 산정된 환경생태유량을 활용하여 100% 환경생태유량 기준으로 환경생태유량 확보량을 산정하였다. 2010s에서 환경생태유량을 모두 만족하지 못하는 73일(Q293∼Q365)에 대해 각 유황과 환경생태유량과의 차이를 일별로 계산한 후 10일 간격의 차이의 총 합을 확보량으로 정의하여 산정하였다. 100% 환경생태유량 기준으로 환경생태유량 21.0 m³/sec를 만족하지 않는 모든 유황(Q293∼Q365)에서 환경생태유량을 확보할 경우 총 33.7 106 m의 확보량이 필요한 것으로 나타났다.

1차원 및 2차원 물리적 서식처 모형을 이용한 안동댐 하류의 환경생태유량 및 어류서식처 추정

김용원 ( Yongwon Kim ),우소영 ( Soyoung Woo ),김수홍 ( Soohong Kim ),이종진 ( Jongjin Lee ),김성준 ( Seongjoon Kim ) 한국농공학회 2021 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2021 No.-

SWAT과 SSP 미래 기후변화 시나리오를 이용한 금강유역 하천유량 및 수질 영향 평가

김용원 ( Yongwon Kim ),우소영 ( Soyoung Woo ),김원진 ( Wonjin Kim ),김성준 ( Seongjoon Kim ) 한국농공학회 2023 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2023 No.0

본 연구의 목적은 SWAT(Soil and Water Assessment Tool)과 SSP(Shared Socioeconomic Pathways) 미래 기후변화 시나리오를 활용하여 기후변화에 따른 금강유역(9,913.8 ㎢)의 미래 하천유량과 수질을 평가하는 것이다. SWAT 유역분할을 위해 30 m 해상도의 DEM(Digital Elevation Model), 1:25,000 해상도의 토양도와 중분류 토지피복도를 활용하였다. 유역내 위치한 13개의 기상관측소에 대한 기상자료와 2개의 다목적 댐(용담댐, 대청댐), 그리고 3개의 다기능보(세종보, 공주보, 백제보)의 제원과 일별 방류량 및 유입량 관측자료, 그리고 하수종말처리장의 제원과 방류량 관측 자료를 수집하여 모형에 적용하였다. 수집한 일별 유입량 관측자료를 활용하여 SWAT의 댐/보 유입량 보정을 수행하였고, 수질 보정을 위해 5개 수리시설물이 위치한 지점에서의 수질(SS; Suspended Solid, T-N, T-P) 관측자료를 수집하여 수질 보정을 수행하였다. 유입량 보정에는 결정계수 R²(Coefficient of determination)와 NSE(Nash-Sutcliff Model Efficiency), 수질 보정에는 R²를 활용하여 검증하였다. 다목적 댐 유입량 보정결과 평균 R², NSE는 각각 0.78, 0.70으로 나타났고, 다기능 보 유입량 보정결과 R², NSE는 각각 평균 0.78, 0.61로 나타났다. 다목적 댐 수질 보정결과, SS, T-N, T-P의 평균 R²는 각각 0.76, 0.81, 0.66으로 나타났고 다기능 보 수질 보정결과 SS, T-N, T-P에서 평균 R²는 각각 0.71, 0.64, 0.60으로 나타났다. 미래 기후변화를 적용하기 위해 SSP 4개의 시나리오(SSP1-2.6, SSP2-4.5, SSP3-7.0, SSP5-8.5)중 SSP5-8.5 시나리오에 대해 총 15개의 기후모델을 수집하였다. 15개의 기후모델과 관측자료의 과거 30년(1981~2010)의 강수패턴을 비교·분석하여 관측자료와의 강수패턴이 유사한 기후모델을 SWAT에 적용하였다. SWAT 적용 후 분석기간을 S1(2011-2040), S2(2041-2070), S3(2071-2100)으로 구분하여 미래 기후변화 따른 금강유역의 하천 유량 및 수질의 영향을 시·공간적으로 평가하였다.