GWLF 모델을 이용한 경안천 유역의 인·질소 부하량 산정

Abstract

While the demand for water has increased in Korea, water quality has gradually degraded due to increasing of waste loads. In particular, contribution of non-point sources has gone up resulting from intensice utilization of land and improving treatment of point sources. Therefore, control of loads from non-point sources as well as point sources is needed to improve water quality, this requires exact quantification of non-point source loads. Quantification and control of non-point source loads are difficult because they are changed by spatial distribution, soil type, topological characteristics and land use/cover. The methods for estimating loads from non-point sources include export coefficients, loading functions and chemical simulation models. In the past, the export coefficients were generally used for quantification of nutrient loads, but are of limited value for determining non-point source loads because they can not reflect the runoff nature of non-point sources and can not estimate change in waste loads due to change in watershed conditions. Chemical simulation models provide the most complete description of nutrient loads, but they are too data intensive for use. Loading functions are engineering compromises between the empiricism of export coefficients and complexity of chemical simulation models. In this thesis, the GWLF(Generalized Watershed Loading Functions) model which can simulate continuous rainfall events and predict loads from ground water, was used to compute the nutrient loads of Kyoungan stream watershed, the model's applicability to study areas was evaluated and the predicted monthly and annual nutrient loads were analyzed. In the GWLF model, the Kyoungan stream watershed was divided into 360 grid cells. Each cell had the size of 1200 X 1200 ㎡. The input paramenters of the model were estimated using DEM, Landsat TM imagery, soil map and published literature on the Kyoungan stream watershed. In the comparison of the GWLF stream flow predictions with observations, the result showed reasonable agreement with field measurements and coefficient of determination was 0.9, indicating that the model explained at least 90 percent of the observed monthly variation in stream flow. For TN loads prediction, the agreement between predicted and observed TN loads was good (R²=0.8338). The contributions of TN loads were 7% for point sources, 49% for non-point sources and 44% for ground water in August, rainy season, but the contribution of TN loads from non-point sources and ground water is very low in dry season. Of the total loads, loads from ground water accounted for 46%, loads from point sources were 30% and loads from non-point sources were 24% in the annual TN loads. For land use loads, 14% of total loads were from dry field, 4% from paddy field, 3% from forest and 1% from residential. For TP loads prediction, the contribution of TN loads were more than 90% for non-point sources in August, rainy season, while the contribution of TP loads from non-point sources is very low in dry season like as TP loads. Of the total loads, loads from point sources were 55% and loads from non-point sources were 45% in the annual TN loads. For land use loads, 28% of total loads were from dry field, 9% from paddy field, 5% from forest and 3% from residential. Because the loads from non-point sources are not more than that from point source in annual average loads, but nutrients from non-point sources are loaded in rainy season concentrically, appropriate action should be taken for this. In TN loads, contribution of loads from ground water is very high, so further survey on that is needed. From above, the results of GWLF model showed reasonable agreeement with observed TN, TP loads in Kyoungan stream watershed, it is expected that this can be used effectively to quantify non-point source loads and propose BMPs (Best Management Practices) for watershed management.;물부족 국가인 우리나라는 인구증가, 도시화, 산업화로 인해 물에 대한 수요량은 증가했으나 오염원으로부터 오염물질 배출 또한 지속적으로 증가하여 수질이 지속적으로 악화되고 있다. 특히 점오염원에 대한 처리율은 증가되고 있으나, 토지이용의 고도화에 따라 비점오염원의 기여율이 증가되고 있는 추세이다. 한편, 수질관리를 위한 정부의 여러 가지 대책에도 불구하고 수질이 개선되지 않자 유역 내 오염원의 개별적 농도규제에서 유역 내 모든 오염원이 수질에 미치는 영향을 파악·관리하는 유역별 수질관리 방식으로의 전환을 꾀하게 되었고, 이에 따라 비점오염원 부하의 정량적 예측의 필요성이 더욱 커지게 되었다. 비점오염원은 토지이용현황, 지형특성, 강우현상 등 지역적 특성에 따라 오염물질의 배출 양상이 다르므로 이를 정량적으로 예측하는 것이 매우 어렵다. 비점오염원에 의한 오염물질 부하량을 예측하는 방법으로는 원단위법, 부하함수(loading function)를 이용하는 방법, 정밀한 화학적 모의과정을 통해 추정하는 방법 등이 있는데, 원단위법은 적용이 간편한 유역특성에 따른 오염물질의 배출특성과 강우에 따른 오염물질의 유출과정을 고려하기 어렵고, 정밀한 화학적 모의모형은 영양물질의 부하를 가장 완벽하게 설명해 줄 수 있으나, 요구되는 데이터가 매우 많다는 단점이 있다. 부하함수는 이러한 경험적인 배출계수와 화학적 모의모형을 절충한 공학적·수문학적 접근 방법이라고 볼 수 있다. 본 연구에서는 연속강우를 모의할 수 있고, 지하수에 의한 부하를 고려할 수 있는 GWLF(Generalized Watershed Loading Functions) 모델을 이용하여, 팔당 상수원 수질오염에 큰 영향을 미치고 있는 경안천 유역의 인, 질소 부하량을 산정하고, 그에 대한 적용성을 평가하며, 산정된 부하량에 대한 분석을 수행하였다. 연구대상지역은 경안천 발원지로부터 우산천 합류 지점인 광동교에 이르는 구간으로서 유로 연장이 약 47.7km, 유역면적은 약 520㎢이다. GWLF 모델의 적용을 위하여 경안천 유역을 1200x1200㎡ 크기의 단위셀 360개로 이루어진 격자망으로 구성하였으며, DEM, Landcast TM 영상, 토양도 등의 자료를 이용하여 모델의 입력변수를 분석, 적용하였다. 모델 수행 결과, 유량 산정에 있어서는 모델값과 실측값이 높은 상관관계를 나타내며(R²= 0.9061) 실측치를 비교적 잘 재현하는 것으로 나타났고, TN 부하량에 있어서도 높은 상관관계를 보이며(R²=0.8338) 모델이 경안천 유역의 TN 부하량을 적절히 예측하고 있는 것으로 나타났다. TN 부하량에 대한 오염원별 기여율을 분석한 결과, 강우가 적은 달은 비점오염원과 지하수로부터 부하가 적은 반면, 강우가 집중되는 8월의 경우 점오염원은 7%, 비점오염원과 지하수에 의한 부하는 각각 전체 오염부하의 49%, 44%를 차지하는 것으로 나타났다. 오염원별 연간 부하량에 있어서는 전체 부햐량 중 46%가 지하수에 의한 것으로 나타났고, 점오염원은 30%, 비점오염원은 24%를 차지하고 있었다. 토지이용에 따른 TN 부하는 밭이 14%로 가장 컸고, 논(4%), 산지 (3%), 주거지 (1%) 순으로 나타났다. TP에 대한 실측값과 모델값도 어느 정도 상관관계를 보이며(R²=0.7322) 모델값과 실측치와 적절히 일치하였다. TP 부하량에 대해 오염원별 기여율을 분석한 결과, TN과 마찬가지로 강우량이 적은 달은 비점오염원으로부터의 부하가 아주 적은 비율을 차지하는 반면, 강우가 집중되는 8월의 경우는 전체 부하량 중 90%이상이 비점오염원에 기인하는 것으로 나타났다. 연간 부하에 있어서는 TP 전체 부하량 중 55%가 점오염원, 45%가 비점오염원에 의한 것으로 분석되었으며, 토지이용에 따른 부하는 밭이 28%로 가장 컸고, 논(9%), 산지(5%), 주거지(3%)순으로 나타났다. 이상으로부터 비점오염원 부하의 비율을 전체 부하에 있어서 점오염원보다 크지 않으나, 이것이 강우시에 집중되므로 이 시기에 대한 적절한 대책이 수립되어야 함을 알 수 있고, TN의 경우 지하수에 의한 부하가 상당히 큰 비중을 차지하고 있으므로 이에 대한 조사와 저감방안에 대한 연구가 필요할 것으로 사료되었다. 모델 산정 결과를 바탕으로 경안천 유역에 대한 토지이용별 원단위를 산정하고 이 값들을 기존에 조사된 원단위와 비교해 본 결과 TN의 경우 산지는 기존의 문헌값 보다 낮은 값을 갖았으며, 논과 밭은 큰 값을 보였고, TP의 경우는, 산지와 논, 밭 모두가 기존의 문헌값과 유사한 값을 갖는 것으로 나타났으나 TN과 TP 모두 주거지에 대하여는 다른 값들에 비해 비교적 작은 값을 보였다. 이상에서, GWLF 모델은 경안천 유역의 유량과 영양염류 부하량을 적절히 모의하고 있는 것으로 나타났고, 이것은 수질관리를 위한 총량관리제 시행시, 비점오염원 부하의 정량적 산정과 부하량 삭감 대상지역, 삭감방법 선정에 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.