환경평가 지원을 위한 지역 환경현황 분석 시스템 구축 및 운영 : 한강권역 유역건전성 평가체계 마련

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Ⅰ. Introduction
1. Background
· The current environmental assessment (EA) for water environments, which is the approach of a linear concept centering on rivers, is limited to the cumulative impact of the water environments and the assessment of areas where water systems are not well developed.
ㅇ Therefore, water environmental impact should be considered as a complex and wide-ranging problem that considers the movement of water and is necessary to evaluate the watershed unit of the polygonal concept covering the water system.
ㅇ Due to widespread land developments, many healthy watersheds are degrading with a corresponding reduction in vegetation, and physical and hydrological soil properties that are attributable to soil erosion and water pollution in rivers and water storage facilities.

· Consequently, water environment impact should be evaluated at a watershed scale. This means that the integrated assessment framework that takes into account the watershed attributes such as land-use, ecosystem, water quantity and quality need to be established.

2. Purpose of this study
· The overall goal of this study is to assess watershed health by considering the natural environment, hydrology, water quality, and aquatic ecology of the four river basins in South Korea. The results could be utilized for watershed management to protect healthy watersheds and site evaluation in the EA process.
ㅇ The spatial scope of this study focuses on the four river basins which are Han, Geum, Nakdong and Yeongsan river basins. The study for the Geum river basin was conducted in 2018, and the Han river basin (HRB) was selected in this year’s study area.
ㅇ The study focused on the HRB was divided into two phases: watershed model implementation and the watershed health assessment phases.
- Phase I in 2019: the Soil and Water Assessment Tool (SWAT), which is a physically based hydrologic and water quality model, was implemented for the purpose of quantitatively evaluating the hydrology and water quality based on 265 subwatersheds of the HRB.
- Phase II in 2020: the watershed health assessment will be conducted with six components including the watershed landscape, stream geomorphology, hydrology, water quality, aquatic habitat conditions, and biological conditions.

Ⅱ. Materials and Method
1. Watershed health assessment
· The foundation of a healthy watershed assessment is a compilation of ecological information that is measurable, comparable and consistent across the area of assessment, and relevant to summarizing the primary attributes of a watershed’s condition.
· A healthy watershed is one which natural land cover supports, and it has the structure and function in place to support healthy aquatic ecosystems. This could be a useful tool for conveying watershed health information with expected future changes, including land cover, water use and climate change, and should take into account vulnerability to population growth.
ㅇ According to the U.S. Environmental Protection Agency (EPA), six essential indicators are fundamental to the assessment of watershed health: 1) landscape conditions, 2) geomorphology, 3) hydrology, 4) water quality, 5) habitats, and 6) biological conditions.
ㅇ In this study, the following six components were selected to evaluate watershed health in the HRB: 1) landscape conditions, 2) stream geomorphology, 3) hydrology (streamflow, soil moisture, infiltration and groundwater), 4) water quality (SS, T-N and T-P), 5) aquatic habitats (wetlands and reservoirs), and 6) biological conditions (TDI, BMI and FAI).
ㅇ SWAT is a continuous-time, physically based, semi-distributed watershed model that predicts the effects of various land management practices on hydrologic, sediment and nutrient processes under varying climatic, soil, land use, and management conditions.

2. Data collection
· The SWAT model requires the digital elevation model (DEM), land use, soil properties, and climate data for the study of watersheds as its input variables. Measured water quantity and quality data were collected in order to calibrate and validate the SWAT model.
ㅇA 90m spatial resolution DEM was obtained from Shuttle Radar Topography Mission (SRTM), and used in this study. A soil map at a scale of 1:25,000 and the soil layer attribute data were obtained from the Korea Rural Development Administration. A 2008 land use map for nine classes (coniferous forest, deciduous forest, mixed forest, paddy rice, upland crop, urban, grassland, bare field, and water) were obtained from the Korean Ministry of Environment.
ㅇ Daily weather data including precipitation and minimum/maximum air temperature, wind speed, relative humidity and solar radiation recorded at 14 weather stations over a period of 35 years (1984-2018) were collected.
ㅇDaily dam inflow, outflow and storage volume data for the four multi-purpose dams (Paldang, Hoengseong, Soyang and Chungju) and three weirs (Kangcheon, Yeoju and Ipo) located in the HRB were collected and used in the reservoir operation of SWAT.
ㅇ Measured water quality data (SS, T-N and T-P) at the five stations were obtained from the Water Environment Information System.

국문 초록 (Abstract)

Ⅰ. 연구의 배경 및 목적
1. 연구 배경
· 대규모 토지개발계획 수립에 있어 환경영향평가 수환경 분야에서 필요한 평가요소는 안정적인 물공급, 하천 수질 및 생태계 보전 등을 중심으로 구성됨. 평가 시에는 선형적 개념으로 접근해 하천의 현황과 영향예측 결과에 따라 저감대책을 마련하는 전략을 사용하고 있음
ㅇ 이러한 수환경 평가체계는 개발로 인한 누적된 영향과 유역관리 측면에서 수환경 보전방안을 고려하지 못하는 한계가 있으며, 수계가 발달하지 않은 지역에서 그 중요도가 낮게 평가되고 있음. 또한 수량 및 수질은 수문학적으로 연결된 문제임에도 불구하고 별개로 평가되고 있음
ㅇ 개발로 인한 환경변화(토지이용, 지형, 시설물 등)는 궁극적으로 유역의 물순환체계를 변화시켜 유역생태계를 통해 연결되는 자연자원과 수자원 간의 상호작용에 영향을 미치는 만큼, 수환경 영향을 물의 이동을 고려한 복합적이고 광역적인 문제로 인식할 필요가 있음
· 따라서 수환경 영향은 유역단위 평가가 이뤄져야 하며 유역의 토지이용, 생태계, 수량, 수질과의 관계를 고려하여 유역생태계를 평가할 수 있는 통합평가체계 구축이 필요함

2. 연구 목적
· 본 연구는 유역환경, 수문/수질, 서식지/수생태 등 다양한 평가지표를 이용하여 4대강 수계(금강, 한강, 낙동강, 영산강)를 대상으로 통합 유역건전성 평가지수를 산정하고 이를 도식화함으로써 표준 유역단위의 수환경 특성을 파악하는 데 일차적인 목적이 있음. 이러한 유역단위 수환경 수용능력 분석을 통해 유역관리뿐만 아니라 대규모 도시개발 등 면단위 개발사업의 환경평가 시 객관적인 입지 적정성 검토 및 친환경 개발 유도에 활용할 수 있는 표준화된 수환경 정보를 제공하고자 함
ㅇ 연구의 공간적 범위는 한강, 금강, 낙동강, 영산강을 포함하는 4대강 수계를 대상으로 하며, 2018년 금강수계에 이어 당해 연도 연구에서는 한강수계를 대상으로 유역건전성 평가체계 구축을 목표로 함
ㅇ 한강수계의 경우 방대한 자료의 수집과 모형 구축 및 검증 등 유역건전성 평가를 위한 공간적 범위가 큰 점을 고려하여 2단계로 나누어 진행함
- 이번 1단계(2019년)에서는 유역건전성 평가 툴로 이용하고 있는 유역모형(SWAT: Soil and Water Assessment Tool)을 한강수계 내 265개 표준유역 단위로 구축하고, 시계열 수문, 수질 관측자료를 이용하여 모형의 적용성을 평가하였으며, 검증된 모형은 장기 물수지 분석에 활용하였음
- 향후 2단계(2020년)에서는 유역환경(토지피복/식생), 수생태 항목의 평가요소에 대한 자료를 수집하고 1단계 수문·수질 모의결과를 토대로 한강권역의 유역건전성 평가를 수행할 계획임

Ⅱ. 연구 방법 및 자료
1. 유역건전성 평가기술
· 미국 환경보호청(EPA: Environmental Protection Agency)은 유역건전성 체계를 “수문, 수질, 토지이용, 수생태, 생물학적 조건 등의 주요 특성에 대하여 동적으로 발생하는 상호작용의 평가를 통해 이해될 수 있는 통합시스템”으로 정의하고 있음
· 유역건전성은 유역이 본래 가지고 있는 자연적인 건전성을 평가하고자 하는 것이며, 이러한 유역의 현재 상태 및 유역이 가진 능력을 선행적으로 평가해야 토지이용 변화, 기후 변화, 물이용 변화, 인구증가 등 인위적인 요소에 따른 취약성과 같은 미래 변화에 대한 예측을 수행하는 데 유용한 도구가 될 수 있을 것임
ㅇ EPA(2012)에서는 유역건전성 평가에 이용되는 필수 기본요소들을 landscape, geomorphology, hydrology, water quality, habitat, biological condition의 6가지로 제시하고 있음
ㅇ 본 연구에서는 유역건전성 평가를 위해 유역환경(토지피복 상태, 하천), 수문(유출량, 토양수분, 침투량, 지하수 충진량), 수질(SS, T-N, T-P), 서식지/수생태(습지면적, 저수역 분포, TDI, BMI, FAI) 각각의 요소를 선정하였음. 여기서 수문·수질 평가인자는 SWAT 모의결과를 이용하였으며 서식지, 수생태와 관련된 평가요소는 환경부의 모니터링 자료를 활용할 예정임
ㅇ 여기서 사용된 SWAT 모형은 미국 농무부 농업연구소(Agricultural Research Service)에서 개발한 물리적 기반의 장기 강우-유출 모형으로, 대규모의 복잡한 유역에서 장기간에 걸친 다양한 종류의 토양과 토지이용 및 토지관리 상태에 따른 시공간적 유출, 수질 영향에 대한 모의가 가능함

2. 연구자료
· 금년도 연구인 한강권역에 대한 유역건전성 평가체계 구축의 목적은 SWAT 모형의 구동을 위한 입력자료 구축과 매개변수 보정을 통한 모형의 적용성 검증에 있음. 모형의 구동에 필요한 입력자료는 기상 및 지형자료이며 모의결과의 검증을 위하여 수문ㆍ수질 관측자료를 구축함
ㅇ 모형의 지형입력자료 중 수치표고모델(DEM: Digital Elevation Model)은 90m 격자크기의 SRTM(Shuttle Radar Topography Mission) 자료를 사용함. 농촌진흥청에서 제공하는 1:25,000 해상도의 정밀토양도 자료와 함께 환경부에서 제공하는 대분류(활엽수림, 침엽수림, 혼효림, 주거지, 논, 밭, 초지, 나지, 수역) 토지이용도를 구축하였음
ㅇ 기상자료는 기상청 기상관측소 14개소의 과거 35년(1984~2018년)에 대한 강수량(mm), 최저·최고 온도(℃), 풍속(m/sec), 상대습도(%), 일사량(MJ/m²) 자료를 구축하였음
ㅇ 유역 내 4개 다목적댐(팔당댐, 횡성댐, 소양강댐, 충주댐)과 3개 다기능보(강천보, 여주보, 이포보) 운영을 고려하기 위해 각 시설물의 제원정보 및 일 단위 방류량 자료를 구축하고 이를 모형의 저수지 모의(reservoir operation)에 적용하였음
ㅇ 수질항목에 대하여 모형의 보정 및 검증을 수행하기 위해 총 5개 지점의 SS, T-N, T-P에 대한 실측자료를 환경부 물환경정보시스템으로부터 제공받아 이용하였음

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론
• 1. 연구의 배경 및 목적
• 2. 유역건전성 정의
• 3. EPA 유역건강성 프로그램
• 제2장 연구 방법 및 자료 구축
• 1. 연구대상 지역 선정
• 2. SWAT 모형의 개요
• 3. 자료 구축
• 제3장 모형의 적용성 평가
• 1. 수문 검·보정
• 2. 수질 검·보정
• 3. 한강유역 물순환 해석을 위한 수문요소 도출
• 제4장 결론 및 향후 계획
• 참고문헌
• Executive Summary