이동저수지 유역의 강우시 수질특성

김형중 ( Hyungjoong Kim ),오승태 ( Seoungtae Oh ),홍대벽 ( Daebyuk Hong ) 한국농공학회 2009 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2009 No.-

경기도 용인시에 위치한 이동저수지 유역에서 강우시 조사기간 동안에 총 46.4mm의 강우가 내렸는데, 7시간 경과한 후에 유량이 15.0㎥/s로 1차 피크를 보인 후 감소되었다. 그 후 13시간 경과한 후에 19.8㎥/s의 2차 피크를 보였다. 강우가 시작되면서 씻김 현상에 의하여 SS농도가 높아져 유량의 1차 피크시 SS농도도 피크를 보이고 강우가 소강상태일 때에는 다시 급격히 낮아졌다. 그 뒤 다시 강우가 시작되면서 급격히 높아져 2차 유량 피크 1시간전에 SS도 2차 피크를 보이고 급격히 낮아지는 경향을 보였다. COD도 SS와 유사한 경향을 보였는데, 이는 강우에 의해 토양표면이 박리되고 물의 흐름에 의해 씻겨 내려오는 토사의 이동 때문이다. TN의 경우는 강우가 시작되면서 농도가 낮아져 유량의 1차 피크시에는 더욱 낮아지고, 유량의 2차 피크시에도 낮아지는 경향을 보였다. 이는 유량증가에 따른 희석효과로 판단되며, TN은 유량의 변화와 큰 상관성이 없는 것으로 나타났다. TN중에서 차지하는 태별 비율이 88.4%로 가장 높은 NO₃-N이 토양에 잘 흡착되지 않아 토사와 같이 유동하지 않는 특성 때문이다. TP는 유량의 변화와 같은 경향을 보였는데, 이는 토양에 잘 흡착되어 토양과 함께 유동하는 PO₄-P의 성질 때문이다. 즉, TP중 82.1%로 대부분을 차지하는 PO₄-P는 토양에 잘 흡착되기 때문에 SS성분의 유출과 비슷한 경향을 보이는 것이 일반적인 경향이다. 강우시 부하량은 유량의 변화와 유사한 경향을 보였다. 유량과 부하율의 관계는 SS는 L(kg/hr) = 40.587Q^1.3623 이고 R²=0.4433, COD는 L(kg/hr) = 15.103Q^1.12이고, R²=0.7756, TN은 L=7.6575Q^0.9046이고 R²는 0.9807, TP는 L=0.1375Q^1.3838이고 R²=0.773을 나타냈다. According to the results from investigation into water quality and quantity in Idong reservoir watershed during rainfall it has demonstrated that concentration of SS, BOD, COD, and TP showed a similar change tendency to discharge, but TN had hardly interrelationship with discharge.

화성호 수질보전대책시설 소개

최선화 ( Sunhwa Choi ),박구성 ( Kuseong Park ),김상진 ( Sangjin Kim ),홍대벽 ( Daebyuk Hong ) 한국농공학회 2010 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2010 No.-

화성호는 농업용수 확보 목적으로 2002년도에 화성군 일원에 조성된 인공담수호로서 상류유역 및 호소내에 수질대책시설들이 완료되면 담수화를 할 계획에 있다. 화성호의 유역 내에는 많은 점오염원과 비점오염원이 산재하고 있으며, 이러한 오염원들은 화성호 수질오염의 주요한 원인이 되고 있다. 우리 공사에서는 화성호의 담수화 시점에 농업용수 관리목표 수질을 달성할 수 있도록 화성시와 함께 수질보전대책을 수립하여 현재 설치공사가 진행 중에 있다. 화성시에서 추진하고 있는 상류유역대책으로는 하수종말처리장, 축산폐수공공처리장 등 환경기초시설 설치가 주요 내용이고, 공사에서는 비점오염물질 및 유입수 처리를 위하여 인공습지, 침강지, 수초저류지, 인공식물섬 등을 계획하여 설치하고 있다. 침강지는 강우시 초기 유출수에 의한 오염물질(SS 등)을 침전시켜 제거하기 위한 시설로 호의 주요 유입부인 남양천, 자안천, 어은천 말단부 3개소에 설치하고 있다. 남양침강지는 면적은 45㏊이고 평균수심은 3.3m, 체류시간은 16.6일로 1일 53,996㎥의 유입수을 처리할 계획이다. 주곡침강지는 총면적 13㏊, 수심 1.5m, 체류시간 19.1일로 1일 10,402㎥의 유입수를 처리할 수 있다. 매향침강지 23㏊로서 수심은 약 2m이고, 체류시간은 7.4일로 1일 유량은 61,563㎥이다. 인공습지는 침강지의 후처리 시설로 주로 영양염류의 제거를 목적으로 하고 있다. 유역내 설치되는 인공습지는 총 3개소로 남양습지는 14㏊, 주곡습지 14㏊, 매향습지 65㏊로 현재 공사중이며 ’11년에 침강지와 함께 준공될 계획이다. 남양습지의 제원은 수심 0.6m, 체류시간 3일, 1일 처리유량 21,688㎥/일이고, 주곡습지는 수심0.6m, 체류시간 5일, 1일 처리유량 10,402㎥/일, 매향습지는 수심과 체류시간은 주곡습지와 동일하고 1일 처리유량은 61,563㎥/일로 설계되어 있다. 수초저류지는 유역내 농경지에서 배출되는 농경배수를 처리하기 위한 시설로서 10개소 61.3㏊가 계획되어 있다. 인공식물섬은 호 내의 경관 향상 및 수질개선을 위한 목적으로 설치되는 시설이며, 총 5개소의 14계열이 설치될 계획이다. 수초저류지와 인공식물섬은 화성호 내부개발과 연계하여 내부개발이 완료되는 시점에 준공될 계획에 있다.

농업용저수지 수질예측모델(ARSIM) 개발 및 적용

함종화 ( Jonghwa Ham ),김동환 ( Donghwan Kim ),김형중 ( Hyungjoong Kim ),홍대벽 ( Daebyuk Hong ) 한국농공학회 2011 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2011 No.-

최근 들어 농업용저수지의 수질에 대한 관심이 높아지면서 오염이 심한 저수지에 대해 수질개선을 위한 다양한 수질 개선대책이 수립 및 적용되고 있다. 적절한 수질개선대책을 선정하고 개별 대책의 예상되는 수질개선대책 효과를 분석하기 위해 저수지 수질예측모델이 많이 이용되고 있다. 수질예측모델로는 WASP, CE-QUAL-W2, GEMSS, EFDC 등이 많이 사용되고 있으며, 이러한 모델은 다양한 조건에 따른 저수지 수질예측이 가능한 장점이 있으나, 모델 구동을 위해 많은 입력자료와 전문지식 및 경험이 필요한 단점이 있다. 본 연구에서는 농업용저수지 수질관리 담당자들이 최소한의 자료만으로도 쉽게 적용할 수 있는 농업용저수지 수질예측모델을 개발하고 그 적용성을 평가하였다. 개발된 농업용저수지 수질예측모델(ARSIM)은 모델의 입력자료를 최소화하기위해 농업용저수지 전체를 하나의 구획으로 하는 0차원 형태로 개발되었으며, 쉽게 사용할 수 있도록 그리드 형태로 자료의 입력 및 출력이 가능하도록 하였다. 대부분의 모델 내 수질반응식은 WASP의 반응식을 사용하였으며, 일부 저수지 바닥에서의 용출되는 양을 계산하는 부분과 기상자료 외에 일 단위까지 입력할 수 있도록 되어 있던 것을 연평균자료로 입력하도록 하였다. 또한 모델의 보정을 쉽게 할 수 있도록 유전자알고리즘을 이용한 자동보정기능을 추가하였다. 개발된 모델의 적용성을 평가하기 위해 오염도가 낮은 저수지군에 포함된 용덕저수지와 오염도가 높은 저수지군에 포함된 만수저수지에 대해 개발된 모델을 적용하였으며, 그 결과 모의값과 실측값이 유사하게 나타났다. 또한 개발된 모델을 기존모델과 적용성을 비교하기위해 동일한 저수지(용덕, 만수)에 대해 WASP 및 CE-QUAL-W2를 적용하였다. 개발된 모델(ARSIM)은 0차원모델로 대상저수지를 하나의 구획으로 분할한 반면, WASP은 총6개(수표면 방향에 대해 3개, 수심방향으로 2개), CE-QUAL-W2는 총15개(수표면 방향에 대해 3개, 수심방향으로 5개)로 분할하였다. 동일한 입력자료를 이용해 3개의 모델을 적용한 결과 ARSIM은 WASP, CE-QUAL-W2와 대등하거나 일부항목에서는 더 나은 모의 값을 나타내었다. 이는 ARSIM의 성능이 뛰어나기 보다는 입력자료가 부족한 상태에서 ARSIM은 자동보정기능을 통해 수십만 번 보정된 반면, 파라메타가 훨씬 많은 WASP과 CE-QUAL-W2는 수십 번의 보정이 이루어졌기 때문이라 판단된다. 입력자료가 충분히 많은 저수지에 대해 3개의 모델을 적용할 경우에는 WASP 및 CE-QUAL-W2가 ARSIM보다 훨씬 뛰어난 모의값을 얻을 수 있을 것으로 판단된다. 이와 같이 자료가 부족한 농업용저수지에 대해서는 필요한 입력자료를 추정하여 입력해야하는 기존의 복잡한 모델보다는 본 연구에서 개발된 ARSIM과 같이 보유한 자료만으로도 입력자료구성이 가능하고 자동보정까지 제공하는 모델이 더 적합할 것이라 생각된다.

화성호 유입하천 오염부하량 산정

최선화 ( Sunhwa Choi ),박구성 ( Kuseong Park ),김상진 ( Sangjin Kim ),홍대벽 ( Daebyuk Hong ) 한국농공학회 2010 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2010 No.-

화성호의 수질은 유역의 개발과 도시화로 인한 점오염부하량의 증가 및 강우 유출에 의한 비점오염원부하량의 증가로 수질관리에 어려움이 있다. 화성호 유역의 주 유입하천인 남양천, 자안천, 어은천에 대한 점오염원 및 비점오염원에서 배출되는 오염부하량을 산정하여 화성호의 수질오염 기여도를 평가하고자 하였다. 오염부하량 산정을 위한 유역내 오염원 자료는 2005년도 자료를 기초로 하여 산정하였다. 유기물(BOD) 오염부하량은 남양천이 202.4kg/day로 가장 높게 나타났고, 어은천 201.5kg/day, 자안천 195.5kg/day, 기타 소유역 71.6kg/day 순으로 나타났다. 총질소(T-N)에 대한 점오염부하량은 남양천이 303.3kg/day로 다른 하천에 비해 아주 높게 나타났고, 어은천, 자안천, 기타 소유역이 각각 188.9kg/day, 166.5kg/day, 78.0kg/day로 나타났다. 총인(T-P) 부하량도 남양천이 32.8kg/day로 가장 높게 나타났고, 어은천, 자안천, 소유역이 각각 15.3kg/day, 9.5kg/day, 4.2kg/day로 나타났다. 화성호 유입하천의 유기물(BOD) 비점오염 부하량은 남양천이 127.3kg/day로 가장 높게 나타났고, 어은천 116.6kg/day, 자안천 54.1kg/day, 소유역 56.3kg/day 순으로 나타났다. 총질소(T-N)에 대한 비점오염 부하량은 남양천이 41.7kg/day로 가장 높게 나타났고, 어은천, 소유역, 자안천이 각각 26.9kg/day, 7.3kg/day, 6.6kg/day로 나타났다. 총인(T-P)은 어은천이 19.8kg/day로 가장 높게 나타났고, 자안천, 남양천, 소유역이 각각 7.1kg/day, 6.4kg/day, 6.2kg/day로 나타나, 다른 항목들과 다른 경향을 나타냈다. 화성호 유입하천의 점오염부하량과 비점오염 부하량은 대부분 남양천에서 가장 높게 나타났고, 어은천, 자안천, 소유역 순으로 나타났다. 이는 남양동의 도시화로 인구가 가장 밀집되어 있고, 어은천은 주변에 농경지가 상대적으로 많이 분포하기 때문으로 판단된다. 화성호로 유입되는 오염부하량은 우기인 6월∼9월 기간에 가장 높은 경향을 나타냈고, 특히, 유기물(BOD)과 총인(T-P) 항목은 다른 시기에 비해 2배 이상 높은 오염부하량을 나타났다. 이는 화성호 유역내에 산재하고 있는 소규모 축산농가에서 나지에 방치하고 있는 축분과 유역 내 소규모 산업체시설에서 배출되는 산업폐수가 우기시 지천으로 유입되기 때문으로 판단된다. 화성호의 수질오염을 예방하기 위해서는 축산폐수공공처리장, 하수종말처리장 등 환경기초시설의 확충뿐 만아니라 주민들의 환경보전의식이 함께 제고되어야 할 것으로 판단된다.

농업용저수지의 인공서식처 조성에 따른 동ㆍ식물플랑크톤의 군집 변화 특성

송영희 ( Younghee Song ),엄한용 ( Hanyong Um ),남귀숙 ( Guisook Nam ),홍대벽 ( Daebyuk Hong ) 한국농공학회 2009 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2009 No.-

2008년 9월 2일에서 17일까지 신구저수지에 메소코즘을 설치하여 조사하였다. 메조코즘의 규격은 격자형의 4개의 메조코즘(1.2*1.2*2.5m)를 제작하고 대조군, 부유형호안수초대, 부유형그물수초대, 침수인공식물섬 등으로 나누어 다양한 서식처 적용을 위한 실험을 실시하였고, 실험 일수 별로 동, 식물 플랑크톤의 종류와 개체수를 파악하여 효과를 검증해 보았다. 메소코즘 중 대조군에 해당하는 실험구에서는 윤형류 11종, 지각류 3종, 요각류 1종이 포함되어 총 15종이 출현하였다. 조사 기간 동안 윤충류인 Trichocera marina, Pompholix complanata, Keratella valga가 우점하다가 조사 일수가 경과 할수록 개체수가 줄어들었다. 반면 지각류와 요각류는 실험 10일째 이후 수가 증가하였다. 부유형호안수초대가 설치된 실험구에서는 원생동물 1종, 윤충류 11종, 지각류 3종, 요각류 1종이 포함되어 총 15종이 출현하였다. 조사 기간동 안 대조구와 같이 윤충류 3종이 우점하다가 조사 일수가 지날 수록 전반적으로 개체수가 줄었다. 특히, 실험 10일째 이후 윤충류의 개체수가 줄어들고, 반면에 지각류의 개체수는 증가하는 것을 관찰할 수 있었다. 부유형그물수초대가 설치된 실험구에서는 원생동물 1종, 윤형류 11종, 지각류 3종, 요각류 1종을 포함되어 총 15종이 출현하였다. 조사 기간동안 윤충류인 Keratella valga, Trichocera marina, Polyarthra remata, Pompholix complanata가 우점하다가 조사 일수가 지날수록 전반적으로 개체수가 줄어들었다. Pompholix complanata는 실험 15일째 개체수가 다시 급격히 늘어났다. 지각류는 전체적으로 출현빈도가 낮았으며, 실험 10일째 일부 관찰되었다. 메소코즘 중 침수인공식물섬가 설치된 실험구에서는 원생동물 1종, 윤충류 11종, 지각류 3종, 요각류 1종이 포함되어 총 15종이 출현하였다. 조사 기간 동안 윤충류인 Keratella valga, Polyarthra remata, Trichocera marina가 우점하다가 조사일수가 경과 할수록 개체수가 줄어들었다. 지각류는 실험기간동안 거의 관찰되지 않다가 실험 10일째부터 Bosmina coregoni와 Bosmina longispina가 출현하였다. 동물플랑크톤의 서식면에 있어서 부유형호안수초대와 침수인공식물섬이 비교적 안정적인 환경을 제공하는 것으로 보인다. 식물플랑크톤은 초기 출현종의 80-93.7%가 남조류 해당하는 것으로 나타났다. 이들 남조류이 비중은 실험 종료시 대조군은 97%, 부유형호안수초대는 63.8%, 부유형그물수초대는 98.1%, 침수인공식물섬은 56.2%로 나타났다. 특히나 침수인공식물섬은 총 개체수가 185,794 cells/㎖에서 6,764 cells/㎖ 로 90% 이상 급감하였고 종수에 있어서도 7종으로 현저히 감소하였다. 이는 다른 실험구에서 16-18종이 출현하는 것과는 현저히 다른 양상을 보인 것이다. 그 다음으로 부유형호안수초대에서 일부 식물플랑크톤의 제어효과를 보인 것으로 확인되었다. 이는 인공수초대에 서식하는 동물플랑크톤의 먹이섭식의 영향으로 보여진다.

유전자 프로그래밍(GP)기법을 이용한 강우유출수 모델링

함종화 ( Jonghwa Ham ),김동환 ( Donghwan Kim ),김형중 ( Hyungjoong Kim ),홍대벽 ( Daebyuk Hong ) 한국농공학회 2011 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2011 No.-

농업용저수지 유역으로부터 강우에 의해 유출되는 유량 및 오염물질의 농도를 모의하기위해 일반적으로 HSPF, SWAT, SWMM 등의 유역모델을 이용한다. 이러한 모델을 이용하기 위해서는 해당유역의 점오염원 부하량자료, GIS자료 및 실측한 유량 및 오염물질의 농도자료와 같은 많은 입력자료가 필요하다. 하지만 이러한 자료를 획득하기 위해서는 많은 시간과 노력이 필요하며, 수집된 자료를 바탕으로 유역모델을 이용해 강우에 의한 유출수의 농도를 실측값과 유사하게 모의하는 것이 쉽지 않다. 강우유출수의 유량을 모의하는 방법보다 강우유출수의 농도를 모의하는 것이 훨씬 어렵고 많은 입력자료가 필요하다. 본 연구에서는 유전자 프로그래밍 기법을 이용해 실측한 강우량과 상대적으로 모의 및 모니터링하기 쉬운 유량자료로부터 강우유출에 의한 오염물질의 농도를 모의할 수 있는 방법을 연구하고자 한다. 유전자 프로그래밍 기법은 회귀모형 및 인공신경망(ANN)과 같이 데이터 기반의 모델링 기법으로 회귀모형은 사용자가 회귀식을 입력한 상태에서 상수만을 추정하는 반면에 유전자 프로그래밍 기법은 실측자료로부터 상수를 포함한 전체 식을 도출해 주는 방법이다. 유전자 프로그래밍기법의 적용성을 평가하기위해 다중선형회귀모형(MLR)과 ANN의 결과를 비교ㆍ분석하였다. 경기도 용인시에 위치한 이동저수지 유역 내 2개 지점에서 2007년 6월과 2009년 8월에 2시간 간격으로 일주기조사를 실시해 얻은 유량 및 수질자료를 이용해 3개의 모델링 방법 적용하였다. 2시간 강우량, 누적강우량, 유량자료를 입력 자료로 이용해 강우유출수의 COD, T-N, T-P의 농도를 모의하였다. 식을 지정한 후 상수만을 추정하는 MLR보다 ANN과 GP기법을 이용한 결과가 실측값과 더 유사하게 모의되었다. ANN과 GP기법 모두 실측값과 유사한 모의값을 얻을 수 있지만, 도출된 식을 바탕으로 추가 모델링을 실시할 수 있는 GP기법을 이용하는 것이 훨씬 유용하다. 자동 모니터링 장치를 이용해 강우량 및 유량을 실시간으로 측정한 후 GP기법을 이용해 도출된 식을 이용해 COD, T-N, T-P의 농도를 실시간으로 추정할 수 있다. 하지만 본 연구에서와 같이 강우량 및 유량자료만을 이용해 COD, T-N, T-P의 농도를 모의하는 방법은 강우량 변화에 따른 강우 유출수의 농도를 쉽게 모의할 수 있다는 장점이 있는 반면에, 오염부하량 및 토지이용변화와 같은 유역환경변화에 따른 농도변화를 모의할 수 없는 단점이 있다. 그러므로 상대적으로 유역환경변화가 적은 농업용저수지 유역에 대해서는 GP기법을 이용해 강우량 및 유량으로부터 농도를 모의하는 방법이 적합하다.