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- 저자 : 임경재 ( Kyeongjae Lim ) (검색결과 11 건)
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강원도 수질오염원인 파악을 위한 정밀 모니터링: 도암호 유역을 중심으로
홍은미 ( Eunmi Hong ),임경재 ( Kyeongjae Lim ),권혁준 ( Hyeokjoon Kwon ) 한국농공학회 2020 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2020 No.-
강원도 내 고랭지밭은 경사지에 분포하고 있어 강우시 토양유실이 가속화되는 문제를 갖고 있으며, 고랭지밭에서 강우시 배출되는 비점오염물질은 하류 수계의 수질 및 수생태계에 악영향을 미치고 있다. 이에 상류유역 농경지 및 하류수계에서의 탁수관리의 중요성이 대두되고 있다. 강원도 내 유역에서는 흙탕물 발생 후 관리 위주의 비점오염 저감사업을 추진하고 있는데, 대다수의 비점오염 저감사업은 침사지 위주의 저감시설 설치 사업으로 흙탕물 발생량 대비하여 처리용량이 현저하게 적어 흙탕물 저감효과가 미비한 것으로 알려져있다. 특히, 다양한 비점오염 저감시설이 운영되고 있는 도암호 유역은 2017년 시행계획 평가 결과 유입하천 송천의 수질악화 우려로 인해 비점오염원관리지역으로 재지정되면서 추가적인 비점오염 저감사업이 계획되고 있다. 비점오염원을 체계적으로 관리하고, 추진 중인 비점오염원저감사업에 대한 효과를 평가하기 위해서는 추진사업의 운영실태 파악, 저감시설에 대한 모니터링과 함께 유역 및 하천 수질모니터링이 실시되어야 한다. 또한, 제 3차 비점오염원 관리 종합대책 (’21∼’25)의 수립을 앞두고 수질 개선을 위해 농업·축산부문 비점오염의 중점관리의 중요성이 대두됨에 따라, 모니터링을 통한 강원도 토사 유출에 의한 비점오염원관리 전략 및 체계적인 관리 방안수립이 필요하다. 따라서, 본 발표에서는 2019년 도암호 유역 모니터링 결과를 바탕으로 강원도 비짐오염원관리지역에서 2009년부터 수행된 하천 수질 모니터링 방법, 결과 및 비점오염물질 특성 등을 공유하고 향후 제 3차 비점오염원 관리 종합대책 대비 농공분야에서의 농촌비점오염원 관리를 위한 역할과 기능에 대해 논의하고자 한다.
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도암호 유역 소하천에서 탁수 발생지 비점오염원 유출특성 분석
권혁준 ( Kwon Hyeokjoon ),이재완 ( Lee Jaewan ),임정하 ( Lim Jungha ),우수민 ( Woo Soomin ),김종건 ( Kim Jonggun ),임경재 ( Lim Kyeongjae ),홍은미 ( Hong Eunmi ) 한국농공학회 2020 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2020 No.-
도암호 유역은 비점오염원 관리지역으로 강우시 토사 유실로 인한 수질오염이 빈번하게 발생되는 지역이다. 기존 도암호 유역에서는 유역 말단에서의 모니터링을 통한 유량가중평균농도 산정 또는 모형을 이용한 모의유출로 유역 말단부 오염부하량 산정 등과 같은 연구가 주로 행해졌으며, 유역 전체 하천을 대상으로 오염물질 발생원 모니터링을 수행한 연구는 거의 없는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 2019년 8월 15일 강우 모니터링과 2019년 10월 18일 비강우 모니터링을 하였으며, 이후 SS(Suspended Solid), 탁도, TP(Total Phosphorus), TN(Total Nitrogen), BOD(Biochemical Oxygen Demand) 항목의 수질분석을 실시하였다. 분석된 시료를 바탕으로 조사지점의 비점오염원 유출특성에 대해 분석하였다. 분석결과 강우시 전체 지점에서 고농도 탁수가 발생했으며, 하천별 오염물질의 편차가 크게 나타났다. 그중에서도 횡계천은 전체 유역 중 SS 평균농도가 가장 높았으며, 고농도 탁수가 발생한 지역은 대부분 고랭지밭 부근이였다. 반면 비강우시에는 하천공사가 진행된 곳을 제외하고 탁수가 발생하지 않았다. 따라서 도암호 유역 중 고농도 탁수 발생지역에서 오염물질 발생원의 특성을 고려한 최적관리기법 적용으로 탁수 배출 저감이 필요할 것으로 판단된다.
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SWAT 모형의 일 강우량 산정 기준에 따른 유량 모의
최용훈 ( Yonghun Choi ),정예찬 ( Yechan Jeong ),양동석 ( Dongsuk Yang ),임경재 ( Kyeongjae Lim ) 한국농공학회 2022 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2022 No.-
SWAT 모형의 하천 유량 모의에서 강우량은 매우 중요한 변수로 작용하는데, 일강우량은 Skewed normal 또는 Mixed exponential 등으로 분해(disaggregate)한다. 우리나라의 일 강우량 산정은 보통 0시부터 다음날 0시 전까지 발생한 강우량으로 산정되며, SWAT 모형에서도 보통 이 기준의 강우량이 입력자료로 활용되고 있다. SWAT 모형에서 직접 유출의 지연은 Surlag 변수를 활용할 수 있으나, 모든 강우사상에 동일하게 적용되는 문제점이 있다. 또한 일강우량의 시간적 분포는 Subdaily 방법을 사용해 적용할 수 있으나, SWAT 모형의 장점인 CSC runoff equation을 사용하지 않으며, 모의 과정이 복잡해 잘 사용하지 않는다. 본 연구는 강우 발생일의 23시 혹은 22시 등 다음날의 일강우량 산정 기준과 가까운 시간에 발생한 강우량이 SWAT 모형의 유량 모의에서 불리하게 적용될 수 있다고 가정하였으며, 일 강우량의 산정 시간의 변경에 따라 유량 모의의 정확성이 개선되는지를 평가하였다. 일 강우량 산정 기준은 전일 23시~당일 23시, 전일 22시~당일 22시 등 1시간 간격으로 차감하여 시나리오를 구성하였다. 시나리오에 따라 9시간 기준까지 모의 결과가 좋아지는 것으로 나타났다. 0시 기준 시나리오와 비교하면 약 4시간 이내의 시나리오에서 가장 좋은 결과를 보인 것으로 판단되었다. 이러한 결과는 유역의 크기와 특성에 따라 전일 20시에서 24시 사이에 발생한 강우량이 유출 지연에 따라 해당일이 아니라 다음날 발생하는 유량에 영향을 주는 것으로 판단된다. 따라서 효과적인 하천 유량 모의를 위해서는 강우관측소의 위치와 유역의 크기 등을 고려하여 적절한 일 강우량 산정 기준을 적용할 필요가 있을 것으로 판단된다.
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SS 원단위 배출부하의 불확실성을 고려한 내린천 유역의 유사 거동 특성 분석
최용훈 ( Yonghun Choi ),박상준 ( Sangjoon Bak ),정연지 ( Yeonji Jeong ),임경재 ( Kyeongjae Lim ) 한국농공학회 2022 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2022 No.-
소양호 유역의 최상류인 홍천군 자운리(소양강-내린천-자운천)는 2015년부터 비점오염원 관리지역으로 지정되어, 소양호로 유입되는 SS 농도를 저감하기 위하여 비점오염저감시설 등을 설치하는 등 다양한 관리 대책들이 적용되고 있다. 내린천 유역의 자운리에서 발생한 토양유실의 거동 특성 분석은 지표면에서 발생하는 토양유실량의 불확실성을 고려하였다. 이를 위해 환경부에서 제시한 SS 원단위 배출부하를 1배, 2배, 3배로 증가시키는 시나리오로 구성하여 SWAT 모형의 모의 결과를 비교하였다. 2021년 비점오염측정망 자료를 활용하여 SWAT 모형을 보정하였으며, 유량모의 적합성은 R<sup>2</sup> 0.770, NSE 0.718, Pbias 13.0으로 “GOOD”등급에 해당하는 것으로 나타났다. 환경부 원단위 SS 배출부하를 2배, 3배를 증가시켜도 SS 적합성 평가(R<sup>2</sup>, NSE)는 “GOOD” 등급으로 나타났다. 간헐적인 실측 모니터링 결과를 활용한 연중 SS 배출량 평가에 유역 모형을 사용할 때 주의가 필요한 부분으로 이야기할 수 있다. 내린천 말단의 SS 모의 부하량은 시나리오에 따라 37,860 ton/year, 78,056 ton/year, 84,346 ton/year으로 나타났다. 이때 자운천에서 하천을 통해 이동하는 SS 모의 부하량은 시나리에 따라 3,846 ton/year, 7,136 ton/year, 10,703 ton/year으로 나타났다. 배출 시나리오에 따른 자운천의 SS 배출 기여율은 10.2%, 9.1%, 12.7%로 시나리오에 따라 차이가 나타났다. 따라서 상류에서 하류로 오염 물질이 이동하는 것과 같은 거동 특성 등을 분석하는 연구에서는 지표면 발생하는 오염물질의 배출량에 대한 불확실성을 고려하여 모의 결과를 제시할 필요도 있을 것으로 판단된다.
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점, 선, 면 관점에서의 SWAT 모델을 통한 토양유실 및 유사 발생 예측
박상준 ( Sangjoon Bak ),최용훈 ( Yonghun Choi ),이서로 ( Seoro Lee ),이관재 ( Gwanjea Lee ),정연지 ( Yeonji Jeong ),임경재 ( Kyeongjae Lim ) 한국농공학회 2022 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2022 No.-
유사의 발생 및 거동을 파악하기 위해서 전세계적으로 여러 유역단위 수문모형이 이용되고 있습니다. 그 중 Soil and Water Assessment Tool (SWAT) 모형은 장기간 유역 모의가 가능하며 다양한 토양이용과 토지특성을 고려할 수 있고 토양유실, 유사 발생 및 거동을 시간적/공간적으로 분석 가능하여 국내뿐만 아니라 국외에서도 많은 연구에 사용되고 있다. 그러나 SWAT 모형에서 하도 추적 과정에서 무한하게 침식되어 유사의 거동을 모의할 때 문제가 있다. 이는 하천 라우팅 관련 매개변수 조정만을 통해서 모델의 점 단위인 최종 유출구에서 유사를 평가를 할 수 있다는 것을 의미한다. 따라서 SWAT 모형을 통해 정확한 토양유실, 유사 발생 및 거동을 평가하기 위해서는 점, 선, 면 단위 관점에서의 모델링이 필요하다. 이에 본 연구에서는 면 단위 관점에서 모델링을 위하여 MUSLE식을 국내 토지이용별 원단위 기반으로 개선한 선행 연구를 활용하였다. 또한, 선 단위 모델링을 위하여 SWAT 모형의 하도 추적 과정에서 강우시 수문곡선의 상승부와 하강부에 대한 유사 패턴의 특성을 파악하여 하천 sediment routing 매개변수가 상승부와 하강부에 각각 다르게 적용될 수 있도록 개선하였다. 본 연구에서 개선된 모형은 비점오염관리지역 중 하나인 자운천 유역에서의 토양 유실, 유사의 거동을 잘 반영하는 것으로 확인되었다. 향후 모델 매개변수 불확실성과 모델 결과를 해석하는데 어려움을 감소시키기 위해서는 이러한 점, 선, 면 관점에서의 수문 모델링이 필요할 것으로 판단된다
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최용훈 ( Yonghun Choi ),박상준 ( Sangjoon Bak ),정연지 ( Yeonji Jeong ),이관재 ( Gwanjae Lee ),남내현 ( Naehyeon Nam ),임경재 ( Kyeongjae Lim ) 한국농공학회 2023 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2023 No.0
유역모형은 점오염원과 비점오염원을 예측하고, 합리적인 대책 수립 등에 활용하기 위해 사용된다. 모델의 주요 점오염원 입력자료는 하수처리장과 같은 수질오염물질 배출시설의 방류수 자료가 활용된다. 그러나 방류량 및 수질 자료가 없거나, 자료가 불충분한 경우에는 유역의 점오염원을 평가는 한계가 있다. 본 연구에서는 하수도 보급이 낮은 농촌지역에서 점오염원을 평가하는 방안으로 국가 배출부하량 자료를 활용하였고, 적용 전과 후의 오염부하를 비교하여 하수도 보급이 낮은 유역의 점오염 기여도를 SWAT 모형을 통해 평가하였다. 연구지역은 하수도 보급률이 29.4%로 낮은 횡성댐 유역으로 선정하였고, 평가항목은 수질오염총량제에서 사용하고 있는 BOD와 TP로 결정하였다. SWAT 모형의 입력자료 구축을 통해 점오염원을 입력하지 않은 시나리오 (S0)와 소규모 하수처리시설의 방류량과 수질을 적용한 시나리오 (S1), 그리고 국가 점오염원 배출부하량 자료를 활용한 시나리오 (S2)로 구분하였다. 2012년부터 2021년까지 평균 부하량은 BOD 항목에서 S0 287.6 ton/year, S1 287.9 ton/year, S3 299.3 ton/year, TP 항목에서 S0 10.8 ton/year, S1 10.9 ton/year, S3 11.4 ton/year으로 평가되었다. S0에 비해 S1에서는 BOD +0.3 ton/year, TP +0.1 ton/year, S2에서는 BOD +11.6 ton/year, TP +0.6 ton/year, S1에 비해 S2에서는 BOD + 11.3 ton/year, TP +0.5 ton/year의 차이가 발생하였다. S1의 점오염원 기여도는 BOD 0.1%, TP 1.2%로 매우 낮게 나타났으나, S2에서는 3.9%, 5.3%로 상승하였다. 유역의 주요 오염원이 비점오염으로 점오염원이 차지하는 비중은 크지 않았으나, 시나리오에 따라 점오염원의 편차가 상대적으로 크게 나타났다. 2021년 기준 국가 배출부하량 자료에서 횡성댐 유역의 BOD와 TP 점 배출부하는 전체 배출부하의 6.4%와 2.7%를 차지하는 것으로 조사되었다. 모형의 보정 수준 및 하천 유달율 등 다양한 원인으로 2021년 기준 국가 배출부하량 자료의 점오염원 기여율과 S2로 모의된 기여율 사이에서 차이가 나타났으나, 농촌지역의 점오염원 평가에 국가 배출부하량 자료가 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 다만 국가 점오염원 배출부하량은 모든 일자에 동일한 값으로 입력되므로, 향후 국가 점오염원 배출부하량을 월별 또는 일별로 구성할 수 있는 통계적인 접근 방안이 필요하다.
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머신러닝을 활용한 유역단위 하이브리드모델 개발 및 평가
박상준 ( Sangjoon Bak ),이서로 ( Seoro Lee ),이관재 ( Gwanjea Lee ),정연지 ( Yeonji Jeong ),금동혁 ( Dong Hyuk Kum ),류지철 ( Ji Chul Ryu ),임경재 ( Kyeongjae Lim ) 한국농공학회 2023 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2023 No.0
다양한 수문연구에서 유량 및 수질을 모의하기 위해서 수리 수문 모델을 사용하고 있다. 유역단위 수리 수문 모델은 HSPF (Hydrological Simulation Program in Fortran), SWAT (Soil and Water Assessment Tool), L-THIA ACN-WQ (The Long-term Hydrologic Impact Assessment Model with Asymptotic Curve Number Regression Equation and Water Quality model)등 다양한 수문모델이 사용되고 있다. 하지만 유역 모델을 통한 모의는 다양한 연산 과정을 진행하여 모의까지 많은 시간이 필요하다는 단점이 있다. 이에 따라 머신러닝/딥러닝을 이용한 유출 및 수질 예측 연구가 많이 이루어지고 있다. 단순 머신러닝/딥러닝 기반 모델링 기법은 점단위인 최종유출구에서의 예측만 가능하다. 이는 하천 라우팅 등 선단위 모델링과 최적관리 기법 적용 등과 같은 면단위 모델링이 어려워 더욱 정확한 유량/수질 모의 및 유역관리 방안을 적용하기 힘들다는 문제점이 있다. 따라서 본 연구에서 머신러닝/딥러닝을 통해 일부 수문 프로세스를 대체하고 소유역별 하도추적 기법을 연계하여 유량 및 수질 항목들의 모의가 가능한 하이브리드 모델을 개발하였으며, 비점오염물질측정망(N도진)이 설치되어있는 지점의 유량을 모의하여 모델을 평가하였다. 개발된 하이브리드 모델은 머신러닝/딥러닝이 유역 모델의 일부 연산 과정을 대체하여 모의시간이 빠르며, 기존 머신러닝/딥러닝 예측 모델에서 평가가 어려웠던 유역 관리 방안 및 최적관리기법 적용 평가에도 활용이 가능할 것으로 판단이 된다.
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