의사결정나무 기법을 이용한 농업용저수지 수질지수 추정

함종화 ( Jonghwa Ham ),김동환 ( Donghwan Kim ),이태호 ( Taeho Lee ) 한국농공학회 2014 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2014 No.-

Many water quality indices were developed and used as the indicators of water pollution, for assessment of spatial-temporal changes and classification of reservoir water qualities. Factors included in WQIs vary depending upon the designated water uses of the waterbody. In this study we estimate commonly used water quality indices in Korea from factors influencing reservoir water quality instead of reservoir water quality monitoring data using a decision tree technique. Annual precipitation rate, BOD pollutant loading from municipal and livestock, watershed and reservoir surface area, and mean depth were considered as the factors influencing the reservoir water quality, and c4.5 algorithm (Quinlan, 1993) was used as a decision tree technique. WQIs (Trophic Level Index, Korea water quality classes, Lake Water Quality Index, integer value of COD concentration) were estimated from the factors influencing the reservoir water quality by decision tree technique after training this technique by the factors and WQIs which were calculated with reservoir water quality monitoring data from 825 agricultural reservoirs in Korea. The 4 types of WQIs were successfully estimated by c4.5 algorithm with low error (about 25%) from the factors influencing the reservoir water quality. The c4.5 algorithm was useful for estimating WQIs which have less than 10 classes and discovering the rules behind the data. Inducted rules by c4.5 algorithm could be used for developing water quality index estimation model. Although the result of water quality index estimation model is more rough than that of water quality model, it is useful to quickly and easily evaluate the effects of changes in watershed conditions such as pollutant loading, estimate water quality before constructing new reservoir, and select a suitable reservoir construction site because it requires simple input data such as pollutant loading, surface area and depth of new reservoir.

대규모 인공습지 운영이 하구담수호 수질에 미치는 영향

함종화 ( Jonghwa Ham ),이태호 ( Taeho Lee ) 한국농공학회 2015 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2015 No.-

공업화, 도시화로 인하여 감소되는 농지를 대체하고 수자원 확보, 육운개선, 도시민의 휴식 공간 제공 등을 목적으로 화옹지구 간척지 개발사업이 1991년에 시행되었으며, 2002년에 방조제 끝물막이 공사 완료 후 현재 내부개발 중이다. 사업 완료 후 조성되는 담수호(1,730ha)의 수질이 농업용수 수질기준을 초과하지 않도록 하기 위해 2002년에 관련기관 합동으로 수질오염방지 종합대책을 수립·확정하였으며, 수질오염방지대책이 완료되기 전까지 화성호의 수질악화를 막기 위해 한시적으로 해수를 유통하고 있다. 2015년 현재 유역대책으로 공공하수처리장 2개소, 마을하수도 15개소, 축산폐수처리용 저장액비 탱크, 가축분뇨 공공처리장 및 비점오염원 저감시설이 설치되었으며, 호내대책으로 인공습지, 침강지 및 수초저류지가 설치되었다. 2014년 6월부터 설치된 인공습지 및 침강지를 운영하였으며, 인공습지 및 침강지 운영이 화성호 수질에 미치는 영향을 분석한 결과는 다음과 같다. 3개의 주하천 중 2개 하천수(남양천, 어은천)는 평시에 2개의 침강지 및 인공습지로 전량 유입되어 처리되고 있으며, 2개의 인공습지를 1년간 운영(2014.6∼2015.5)한 결과 COD, T-N, T-P, Chl-a의 평균 처리효율은 5.0%, 40.0%, 39.8%, 64.3%로 나타나 상대적으로 영양물질 및 Chl-a의 처리효율이 높게 나타났다. 습지식물의 식생피도가 10% 이하로 매우 낮아 습지 내 입자성물질의 침강효과 저하 및 바람 등에 의한 퇴적물 재부유 등으로 입자상물질 및 COD의 제거효율이 낮게 나타났다. 인공습지 운영 전 6년(2008.6 ∼ 2014.5) 동안 유입하천의 BOD, COD, T-N, T-P의 평균 농도는 각각 5.54, 9.69, 4.58, 0.20 mg/L이었으나, 인공습지가 운영된 기간(2014.6 ∼ 2015.5)에는 BOD, COD, T-N, T-P의 평균 농도가 각각 5.70, 10.15, 4.25, 0.24 mg/L로 운영 전 보다 높게 나타났다. 또한 인공습지 운영 전 6년간 해수유입량이 14.83백만톤 이었으나, 인공습지 운영기간에는 10.04백만톤으로 오히려 감소하였다. 그러나 화성호의 수질은 인공습지 운영 전 6년동안 COD, T-N, T-P, Chl-a의 농도가 각각 6.92 mg/L, 1.21 mg/L, 0.090 mg/L, 26.7 mg/㎥으로 나타났으나, 인공습지를 운영한 시기에는 COD, T-N, T-P, Chl-a의 농도가 각각 5.17 mg/L, 0.768 mg/L, 0.080 mg/L, 15.7 mg/㎥나타났다. 인공습지 운영전 보다 운영 후 유입하천의 수질이 더 악화되고, 해수유입량이 감소되었음에도 불구하고, 화성호의 수질은 오히려 개선되었다. 그러므로 아직 습지식물이 충분히 서식하지 않아 인공습지가 충분한 수처리효율을 나타내지 못함에도 불구하고 화성호 수질개선에 크게 기여하고 있음을 알 수 있다. 이상의 결과는 계획된 침강지, 인공습지, 수초저류지 중 일부를 1년간 운영한 것에 대한 담수호 수질변화를 분석한 결과이며, 향후 지속적인 모니터링을 통해 호내대책에 의한 담수호 수질개선효과를 종합적으로 분석할 필요가 있다.

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.

간척담수호 수질관리를 위한 인공습지 운영

함종화 ( Jonghwa Ham ),이승헌 ( Seung-heon Lee ),장규상 ( Kyu-sang Jang ) 한국농공학회 2017 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2017 No.-

간척사업 완료 후 조성되는 화성호(1,730ha)의 수질이 농업용수 수질기준을 초과하지 않도록 2002년에 관련기관 합동으로 수질오염방지 종합대책을 수립·확정하였으며, 수질오염방지대책이 완료되기 전까지 한시적으로 해수를 유통하고 있다. 2017년 현재 유역대책으로 공공하수처리장 2개소, 마을하수도 15개소, 축산폐수처리용 저장액비 탱크, 가축분뇨 공공처리장 등이 설치·운영되고 있으며, 호내대책으로 인공습지(6개소 177ha), 침강지(4개소 91ha), 수초저류지(20개소 71ha) 및 자연형습지(1개소 175ha)가 설치되고 있다. 본 연구에서는 설치가 완료되어 2014년 6월부터 운영 중인 3개의 비점오염저감시설(인공습지+침강지)의 처리효율과 비점오염저감시설 운영이 화성호 수질에 미치는 영향을 분석하였다. 2개의 비점오염저감시설(남양, 매향)을 2.5년(’14.6∼’16.12)간 월1회 비강우시 수질조사를 한 결과 T-N과 T-P의 평균 처리효율은 각각 55.4%, 50.9%로 나타났으며, 3개의 비점오염저감시설(남양, 매향, 주곡)에 대해 강우시 3회 일주기조사를 시행한 결과 비강우시보다 유입수의 농도가 크게 증가하여 T-N과 T-P의 평균 처리효율은 각각 81.4%, 79.8%로 비강우시보다 높게 나타났다. 현재 습지 운영 초기라 낮은 식생피도를 유지하고 있음에도 불구하고 상대적으로 영양물질의 처리효율이 높게 나타났다. 비점오염저감시설 운영 전·후의 수질변화를 분석하기 위해 모든 자료를 비점오염저감시설 운영 전 3~4년차(’10.1∼’11.12), 비점오염저감시설 운영 전 1~2년차(’12.1∼’13.12)와 비점오염저감시설 운영 후 1~2년차(’15.1∼’16.12)로 나누어 그 변화를 분석하였다. 유입하천의 COD농도는 지속적으로 증가하였고, T-N과 T-P는 운영 전 1~2년차에 소폭 감소하다가 운영 후 1~2년차에 다시 큰 폭으로 상승하였다. 특히 T-P의 농도는 운영 전 3~4년차보다 더 높은 농도를 나타내었다. 인공습지가 운영되면서 COD와 T-N은 운영 전 3~4년차(’10.1∼’11.12) 및 운영 전 1~2년차(’12.1∼’13.12)보다 낮은 농도를 나타내었다. T-P는 운영 후의 농도가 운영 전 1~2년차 보다 소폭(8%) 증가한 것으로 나타났으나, 유입하천의 T-P의 농도가 41% 증가한 것을 고려하면, 담수호의 T-P의 농도가 8% 증가한 것은 비점오염저감 시설을 통해 오염물질이 많이 저감되었기 때문이라 판단된다. 그러므로 화성호에 설치·운영 중인 비점오염저감시설은 화성호의 수질개선에 크게 기여하고 있음을 알 수 있으며, 향후 3개의 인공습지 및 침강지가 추가로 설치 및 운영될 경우 총 6개의 대규모 인공습지 및 침강지를 통해 화성호로 유입되는 오염물질이 상당량 제거되어 화성호의 수질이 농업용수 수질기준 이하로 유지될 수 있는 것으로 판단된다.

농업용 저수지 상류 오염원 관리를 위한 제도개선 방안

함종화 ( Jonghwa Ham ),이승헌 ( Seung-heon Lee ),장규상 ( Kyu-sang Jang ) 한국농공학회 2016 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2016 No.-

농업용 저수지의 유역 개발과 농경지 퇴·액비 사용 증가로 인해 저수지로 유입되는 오염부하량이 증가되어 농업용 저수지의 수질오염 확산 및 심화, 수질기준(IV등급) 초과율 증가, 녹조 번성 및 물고기 폐사 등의 문제가 지속적으로 발생하고 있다. 그러나 농업용 저수지 시설관리자의 상류유역 오염물질 배출시설에 대한 관리권한 제한 및 오염물질 배출저감을 위한 상류대책 참여 제한으로 저수지 수질관리에 어려움을 겪고 있다. 본 연구에서는 농업용 저수지 상류 유역의 오염원 관리와 관련한 현제도를 분석하고 농업용 저수지 시설관리자가 상류오염원 관리에 참여할 수 있도록 제도 개선방안을 검토하였다. 농업용 저수지 상류 오염원 관리와 관련하여 관련법을 검토한 결과 생활계와 관련된 신규 오염원 설치 및 처리시설 설치·운영, 미처리 오폐수 불법 방류 단속 등은 「하수도법」에 규정되어 있으며, 축산계와 관련된 신규 축산단지 설치 인허가 및 처리시설 설치·운영, 오폐수 불법 방류 단속 등은 「가축분뇨의 관리 및 이용에 관한 법률」에 규정되어 있다. 또한 산업계와 관련한 공장 및 산업단지의 설치 인허가, 처리시설 설치 및 운영과 비점오염물질 배출시설 신고 및 저감시설 설치 등은 「수질 및 수생태계 보전에 관한 법률」에 규정되어 있고, 일부 농업용 저수지 만수위 5km 이내에 공장 및 산업단지 설치에 대한 제한은 「농어촌정비법」에 규정되어 있다. 농업용 저수지 상류유역 오염원관리와 관련하여 시설관리자는 「농어촌정비법」 제21조1항에 의해 오염물질이 농업용 저수지로 유입되는 경우 환경부장관 및 지방자치단체 장에게 오염물질 배출 시설 등에 개선 명령 및 조치를 하도록 요구하는 것 외에는 권한이 없다. 농업용 저수지의 효과적인 수질관리를 위해 상류유역 오염원 관리와 관련하여 시설관리자에게 ①신규 오염원 설치 인허가시 시설관리자와 사전 협의, ②오염물질 배출시설 및 처리시설의 미처리수 및 수질기준 초과 처리수 방류 단속권, ③유역의 비점오염저감시설 설치 및 운영, ④생활하수 및 축산폐수 처리시설 설치 등의 권한이 필요하다. 이중 농경지에서 배출되는 비점오염물질 저감을 위한 대책 수립 및 시행은 현행법(「농어촌정비법」 제21조3항2호)에 농식품부장관이 할 수 있도록 규정되어 있어 시설관리자인 한국농어촌공사가 위탁을 받아 시행이 가능하지만, 축산계 비점오염원 및 생활계 비점오염원에 대한 대책 수립 및 시행은 규정되어 있지 않으므로 「농어촌정비법」을 개정하여 이를 반영할 필요가 있다. 또한 신규 오염원 중 농업용 저수지 만수위 5km 이내에 공장 및 산업단지 설치 인허가시 시설관리자와 사전협의는 「농어촌정비법」 제22조2항을 개정하면 적용이 가능하다. 농식품부의 「농어촌정비법」에 규정된 조항을 개정하는 것은 추진이 용이한 반면, 환경부 소관 「하수도법」, 「가축분뇨의 관리 및 이용에 관한 법률」, 「수질 및 수생태계 보전에 관한 법률」에 규정된 조항을 개정하는 것은 환경부에 개정을 요청해야 하므로 상대적으로 추진에 어려움이 있다. 본 연구에서는 대안으로 수질오염이 심각한 농업용 저수지를 ‘농업환경관리지구(가칭)’로 지정하고 지구가 지정된 저수지 상류유역에 대해 시설관리자가 위에서 언급한 오염원 관리권한을 가질 수 있도록 「농어촌정비법」을 개정하는 방안에 대해 검토 중이다.

비점오염저감시설 운영에 따른 하구담수호 수질영향 분석

함종화 ( Jonghwa Ham ),이승헌 ( Seung-heon Lee ),장규상 ( Kyu-sang Jang ) 한국농공학회 2016 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2016 No.-

간척사업 완료 후 조성되는 화성호(1,730ha)의 수질이 농업용수 수질기준을 초과하지 않도록 2002년에 관련기관 합동으로 수질오염방지 종합대책을 수립·확정하였으며, 수질오염방지대책이 완료되기 전까지 화성호의 수질악화를 막기 위해 한시적으로 해수를 유통하고 있다. 2016년 현재 유역대책으로 공공하수처리장 2개소, 마을하수도 15개소, 축산폐수처리용 저장액비 탱크, 가축분뇨 공공처리장 등이 설치·운영되고 있으며, 호내대책으로 인공습지(6개소 177ha), 침강지(4개소 91ha), 수초저류지(20개소 71ha) 및 자연형습지(1개소 200ha)가 설치되고 있다. 본 연구에서는 설치가 완료되어 2014년 6월부터 운영 중인 3개의 비점오염저감시설(인공습지+침강지)의 처리효율과 비점오염저감시설 운영이 화성호 수질에 미치는 영향을 분석하였다. 2개의 비점오염저감시설(남양, 매향)을 1.5년(’14.6∼’15.12)간 월1회 비강우시 수질조사를 한 결과 COD, T-N, T-P의 평균 처리효율은 각각 -32.8%, 49.5%, 38.1%로 나타났으며, 3개의 비점오염저감시설(남양, 매향, 주곡)에 대해 강우시 3회 일주기조사를 시행한 결과 COD, T-N, T-P의 평균 처리효율은 각각 49.8%, 75.4%, 75.8%로 나타났다. 습지식물의 식생피도가 10% 이하로 매우 낮은 상태임에도 불구하고 상대적으로 영양물질의 처리효율이 높게 나타났다. 비점오염저감시설 운영 전·후의 수질변화를 분석하기 위해 모든 자료를 비점오염저감시설 운영 전(’10.1∼’14.5)과 운영(’14.6∼’15.12) 기간으로 나누어 그 변화를 분석하였다. 비점오염저감시설 운영 전에는 유입하천의 COD, T-N, T-P의 평균 농도는 각각 9.3 mg/L, 4.66 mg/L, 0.203 mg/L이었으나, 인공습지가 운영된 기간에는 COD, T-N, T-P의 평균 농도가 각각 10.1 mg/L, 3.96 mg/L, 0.239 mg/L로 운영 전 보다 COD와 T-P의 농도가 높게 나타났다. 또한 비점오염저감시설 운영 전에는 월평균 해수유입량이 66.87백만톤이었으나, 비점오염저감시설 운영기간에는 35.0백만톤으로 감소하였다. 화성호 주변 3개 저수지의 비점오염저감시설 운영 전 기간에는 COD, T-N, T-P의 농도가 각각 10.7 mg/L, 2.56 mg/L, 0.119 mg/L이었으나, 비점오염저감시설 운영기간에는 13.0 mg/L, 2.25 mg/L, 0.122 mg/L로 수질이 악화된 것으로 나타났다. 이와 같이 비점오염저감시설 운영 전 보다 운영된 시기에 유입하천의 수질이 더 악화되고, 해수유입량이 감소되었으며, 주변 저수지의 수질이 악화되어, 비점오염저감시설 운영 기간 동안의 화성호 수질이 악화될 상황이었다. 그러나 화성호의 수질은 비점오염저감시설 운영 전에 COD, T-N, T-P 평균 농도가 각각 6.8 mg/L, 1.41 mg/L, 0.101 mg/L이었으나, 비점오염저감시설을 운영한 기간에 COD, T-N, T-P의 평균 농도는 각각 5.5 mg/L, 0.81 mg/L, 0.091 mg/L로 수질이 크게 개선되었다. 그러므로 화성호에 설치·운영 중인 비점오염저감시설은 화성호의 수질개선에 크게 기여하고 있음을 알 수 있으며, 향후 3개의 인공습지 및 침강지가 추가로 설치 및 운영될 경우 총 6개의 대규모 인공습지 및 침강지를 통해 화성호로 유입되는 오염물질이 상당량 제거되어 화성호의 수질이 농업용수 수질기준 이하로 유지될 수 있는 것으로 판단된다.

농업용 저수지 수질정보시스템 구축방안

함종화 ( Jonghwa Ham ),이태호 ( Taeho Lee ) 한국농공학회 2015 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2015 No.-

농업용 저수지 수질에 대한 관심이 높아지면서 2001년부터 농업용수 수질관리 및 정책수립의 기초자료를 확보할 목적으로 주요 농업용 저수지에 대해 수질측정망을 지정하여 운영하고 있다. 이렇게 수집된 수질자료는 수질DB를 만들어 농업기반시설관리시스템(RIMS)과 농촌용수종합정보시스템(RAWRIS)을 통해 조회 가능하도록 서비스되고 있다. 그러나 측정된 수질자료에 대한 관리조직별 년도별 통계자료가 제공되지 않고 있으며, 수집되고 있는 오염원의 부하량자료 및 위치자료와 다양한 GIS 관련 자료가 제공되지 않아 농업용 저수지의 수질관리에 어려움을 겪고 있다. 본 연구에서는 전국 농업용 저수지의 효율적인 수질관리를 위해 다양한 수질관련 자료를 제공하여 종합적인 수질현황 파악, 오염원인 분석, 수질관리방안 마련 및 수질변화 추정 등을 할 수 있는 인터넷 GIS기반의 농업용 저수지수질정보시스템을 개발하는 방안을 연구하였다. 농업용 저수지 수질관리 실무자를 대상으로 수질관리를 위해 수질정보시스템에서 제공되기를 바라는 자료를 설문조사 한 후 한국농어촌공사에서 수집되고 있는 농업용 저수지 수질관련 자료를 분석하여 수질정보시스템을 통해 서비스 할 수 있는 자료를 분석하였다. 그 결과 서비스 가능한 자료로는 ①농업용 저수지의 유역면적, 수표면적, 수심, 만수면적 등과 같은 제원, ②년 4회 조사한 수질조사결과, ③년1회 조사한 유역 오염원수 및 발생부하량 산정 결과, ④저수지 유역경계, 하천도, 동리경계, 토지이용도, 토지피복도, 처리장 위치 등과 같은 GIS자료 등이 있다. 자료제공 외에 필요로 하는 기능으로는 ①수질조사결과를 관리조직별, 행적구역별, 연도별로 통계값을 제공할 수 있는 기능, ②인터넷지도 기반으로 개별 저수지의 수질관련 자료를 제공할 수 있는 기능, ③유역 오염원변화가 저수지 수질에 미치는 영향을 간단히 분석할 수 있는 예측기능 등이다. 제공될 자료 중 농업용 저수지의 제원 및 수질자료는 한국농어촌공사에 구축된 통합DB자료를 활용할 계획이며, 오염원수 및 발생부하량은 excel로 정리된 자료를 DB화하여 별도의 DB서버에 구축할 예정이며, 유역경계, 하천도, 수표면 GIS자료는 한국농어촌공사에서 구축한 GIS자료를 GIS서버를 이용해 서비스할 계획이다. 동리경계, 토지이용도, 토지피복도 등과 같은 GIS자료는 브이월드에서 서비스되고 있는 자료를 연계하여 서비스할 계획이다. 제공할 기능 중 관리조직별, 행적구역별, 연도별 통계자료는 구축된 수질DB 자료를 이용해 산정하여 제공될 수 있도록 기능을 개발할 계획이며, 인터넷지도 기반으로 개별 저수지의 수질관련 자료를 제공하기 위해 브이월드를 이용해 해당기능을 개발할 계획이다. 유역 오염원변화가 저수지 수질에 미치는 영향을 간단히 분석할 수 있는 예측기능을 개발하기 위해 한국농어촌공사에서 개발하여 운영 중인 농업용 저수지 수질예측모델(ARSIM)이 인터넷 상에서 구동될 수 있도록 수정개발 할 계획이다. 본 연구의 결과를 바탕으로 향후 수질정보시스템 구축사업을 수행하여 농업용 저수지의 수질을 효율적으로 관리할 수 있도록 다양한 수질관련 자료를 제공할 계획이다.

담수화 개시에 따른 간척담수호 수생태계 변화

함종화 ( Jonghwa Ham ),이승헌 ( Seung-heon Lee ),장규상 ( Kyu-sang Jang ) 한국농공학회 2017 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2017 No.-

새만금호는 수질관리를 위해 한시적으로 해수를 유통 중에 있으나, 향후 담수호의 물을 농업용수로 활용하기 위해 담수화가 추진될 계획이다. 담수화가 개시되면 해수의 유입이 차단되고 지속적으로 유입하천을 통해 담수가 유입되어 염분도가 지속적으로 감소되면서 새만금호의 수생태계에 큰 변화가 나타날 것으로 예상된다. 그러므로 본 연구에서는 새만금호의 수생생물조사 자료와 타 간척담수호의 담수화 전·후의 수생생물조사 자료를 바탕으로 담수화 개시에 따라 새만금호에 서식하고 있는 수생생물이 어떻게 변화할지에 대해 분석하였다. 식물플랑크톤의 경우 2016년 새만금호에서 와편모조류 45%, 규조류 35%, 남조류 19% 순으로 우점하고 있는 것으로 나타났으나, 담수화가 진행 중인 탄도호는 규조류 71%, 녹조류 19%, 남조류 9%의 순으로 나타났고 담수화가 완료된 영암호는 규조류 51%, 남조류 46%로 나타났다. 담수화가 진행되면서 새만금호의 와편모조류는 크게 감소하는 반면, 규조류, 남조류, 녹조류가 증가할 것으로 예상된다. 새만금호의 조간대는 2010년부터 간척지 내부개발을 위해 새만금호의 수위를 저하시켜 조간대가 건조되면서 저서생물이 발견되지 않았으므로 담수화에 따른 영향은 없을 것으로 생각된다. 새만금호의 조하대 저서생물은 2016년 다모류가 61%로 가장 높은 개체수를 나타내고 있었으며, 이매패류가 37%로 많은 개체수를 나타내었다. 담수화가 완료된 영암호와 영산호의 경우 곤충류가 83%로 대부분을 차지하고 있었으며, 고둥류 8%, 갑각류 5%, 빈모류 및 거머리류가 4%를 나타내었다. 새만금호 담수화가 개시되면 염분도가 저하되면서 해산종인 다모류와 이매패류는 크게 감소되는 반면, 담수종인 곤충류가 크게 증가하고 일부 고둥류, 갑각류, 빈모류, 거머리류가 나타날 것으로 판단된다. 2014년부터 2016년까지 새만금호 17지점에서 조사한 어류 자료를 분석한 결과 새만금호의 어류는 개체수 기준으로 해수어 17%, 주연어 59%, 1차담수어 25%가 서식하고 있는 것으로 나타났다. 종별로는 전어가 44%로 제일 많았으며, 멸치 11%, 가숭어 8%, 주둥치 5%, 몰개 5%, 됭경모치 4% 순으로 높게 나타났다. 담수화가 완료된 군내호, 석문호, 해남호, 영산호의 경우 1차담수어의 개체수 비율이 각각 73%, 92%, 94%, 85%로 평균 86%를 나타내었고, 나머지가 주연어인 것으로 나타났다. 새만금호 담수화가 개시되면 염분도가 감소하면서 해산어는 사라지고, 주연어는 감소하는 반면, 1차담수어는 크게 증가할 것으로 판단된다. 특히 염분도 예측결과 담수화 개시 1년 후 염분도가 7psu 이하로 감소하므로 담수화 개시 1년 후에는 해산어가 모두 외해로 이동하여 새만금호에서 사라질 것으로 예상되는 반면, 상류에서 1차담수어가 유입되어 우점 할 것으로 예상된다. 이상의 결과로부터 담수화가 개시되면 염분도가 감소됨에 따라 수생태계는 해산종 중심에서 담수종 중심으로 자연스럽게 변할 것으로 예상되며, 이 과정에서 부정적인 환경문제가 발생되지 않도록 사전에 발생될 것으로 예상되는 환경문제를 도출하고 대응방안을 수립할 필요가 있다.

대규모 인공습지의 초기 운영 결과

함종화 ( Jonghwa Ham ),이태호 ( Taeho Lee ) 한국농공학회 2014 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2014 No.-

화옹지구 간척지 개발사업은 공업화, 도시화로 인하여 감소되는 농지를 대체하고 수자원 확보, 육운개선, 도시민의 휴식 공간 제공 등의 목적으로 계획되었다. 화옹지구 간척지 개발사업의 결과 4,482ha의 간척지, 1,730ha의 담수호가 개발되어 5,440만톤의 수자원이 확보될 것이다. 그리나, 사업 완료 후 조성되는 1,730ha의 담수호 수질이 농업용수 수질기준을 초과하지 않도록 하기 위해 2002년에 관련기관 합동으로 수질오염방지 종합대책을 수립·확정하였다. 유역대책으로는 공공하수처리장 2개소, 마을하수도 15개소, 축산폐수처리용 저장액비 탱크, 가축분뇨 공공처리장 및 비점오염원 저감시설을 설치하였으며, 호내대책으로는 인공습지, 침강지 및 수초저류지를 설치하였다. 화성호로 유입되는 비점오염물질을 제거하기 위해 화성호로 유입되는 3개의 유입하천 말단에 각각 인공습지 (남양, 주곡, 매향)를 계획하여 2010년부터 2013년까지 설치하였다. 본 연구에서는 화성호 간척지에 조성된 3개의 인공습지 중 안정적으로 운영 중인 남양습지에서 조사한 수질결과를 분석하였다. 각각의 인공습지 앞에 입자성 물질을 침전시키기 위해 추가로 침강지를 조성하였으며, 인공습지의 면적이 넓고 정상 운영 전까지 시간이 충분하여 습지식물을 별도로 식재하지 않고 자연발아하여 정착하도록 하였다. 2014년 6월부터 정상운영 계획 중에 있는 남양인공습지는 시설점검 및 개략적인 수질개선효율을 조사하기 위해 2012년 5월부터 9월까지 임시 운영하였다. 현장에서 수온, pH, DO, EC를 조사하고, 채취한 시료는 수질오염공정시험법으로 COD, T-N, T-P, Chl-a를 분석하였다. 식생피도가 10% 이하로 습지식물이 거의 자생하지 않고 있었던 2012년 5월부터 9월까지 임시 운영한 결과 남양습지의 COD, T-N, T-P, Chl-a의 유입수 농도는 각각 12.2 mg/L, 2.14 mg/L, 0.114 mg/L, 53.1mg/㎥였으나, 인공습지를 통과하면서 각각 12.3%, 27.0%, 16.7%, 53.5% 처리되어 유출수의 농도는 10.7 mg/L, 1.56 mg/L, 0.095 mg/L, 24.7 mg/㎥로 나타났다. 평균 식생피도가 약 30%를 나타내었던 2014년 6월부터 8월까지 남양습지를 운영한 결과 COD, T-N, T-P, Chl-a의 처리효율은 각각 5.0%, 40.0%, 39.8%, 64.3%로 나타나 상대적으로 영양물질 및 Chl-a의 처리효율이 높게 나타났다. 위와 같이 화옹지구 간척지 개발사업 완료 후 조성되는 화성호의 수질을 농업용수 수질기준 이하로 유지하기 위해 모델링을 통해 적정 규모의 인공습지를 계획·설치하고, 인공습지를 운영한 결과 초기에 낮은 식생피도를 나타내고 있음에도 불구하고 영양물질에 대해 높은 처리율을 나타내었다. 2014년 6월부터 습지가 정상 운영되어 습지식물이 자생하게 되면 3개의 대규모 인공습지를 통해 화성호로 유입되는 오염물질이 상당량 제거되어 화성호의 수질이 농업용수 수질기준 이하로 유지될 수 있는 것으로 판단된다. 향후 조성된 인공습지의 수처리 효율 모니터링을 통해 수처리 효율을 검증하고 최상의 수처리 효율을 얻기 위한 최적의 인공습지 운영방안을 수립할 계획이다.

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.