분산형 비점오염원 모델의 단위유역 크기에 대한 민감도 분석 연구

Abstract

하천 수질오염에 영향을 미치는 비점오염원 부하량을 정량적으로 산정하는 방법에는 여러 가지가 있지만 최근에는 강우시 토사와 함게 유출되는 오염물질의 이동과정을 비교적 정확하게 모의하는 모델을 이용한 연구가 많이 발표되었다. 비점오염원 모델을 크게 분류하자면 통합형과 분산형이 있는데 최근에는 공간적 다양성 반영을 위하여 분산형 모델을 많이 사용하고 있다. 비점오염원 부하량 산정을 위하여 분산형 모델을 사용할 때에는 유역을 셀 단위로 구획시 기준이 되는 셀 크기가 모델 결과에 미치는 영향을 고려해야 한다. 하지만 일반적으로 셀 크기는 원시 입력자료의 grid- cell 크기를 이용하거나 사용자가 임의로 정하는 것이 대부분이며 많은 연구들에서도 모델 결과에 영향을 미치는 셀 크기의 효과에 대해서는 언급하지 않고 있다. 본 연구에서는 남한강 제 1지류 중 하나인 청미천 유역에 포함되어 있는 응천 유역을 대상으로 분산형 모델인 AnnAGNPS를 이용하여, 셀 크기가 모델 결과에 미치는 영향을 분석하였다. 다양한 셀 크기에 따른 영향을 살펴보고자 셀 크기를 결정하는 각기 다른 CSA와 MSCL을 기준으로 8개의 셀 크기로 유역을 구획하였다. 실제 하천 길이에 가장 근접한 결과는 셀 크기가 40ha와 30ha일 때였으며 오차는 8%와 10%이였다. 유역의 셀 크기가 커질수록 하천의 길이가 짧아졌다. 하천의 길이가 짧아지는 효과는 연이어 유달부하량과 유달률에 영향을 미쳤다. 셀 구획에 따른 지형적 특징의 변화를 살펴본 결과, 하천 길이의 변화가 다른 지형적 특성의 변화보다 모델의 결과에 더 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 한편, 셀이 커질수록 토지이용과 토양의 다양성을 반영하지 못하여 산지와 토양 침식성인자의 값이 작은 토양의 비율이 증가하면서 배출부하량과 유달부하량이 감소하였다. 유역을 구획하는 셀 크기가 작을수록 실제 유역의 공간적 다양성에 근접하게 모델에 반영할 수 있지만 stream network을 실제보다 너무 자세하게 묘사하여 모델의 결과에 서로 상반된 영향을 미쳤다. 따라서 응천 유역의 정량적인 비점오염원 부하량 산정을 위하여 실제 유역의 토지이용 및 토양의 공간적 다양성 반영정도와 실제 하천 길이의 근사치를 고려하여 30ha의 셀 크기를 선택하여 모델에 적용하였다. AnnAGNPS 모델 적용 결과, 유량, TN, TP, BOD 모두 예측값이 실측값과 매우 유사하였다. 이는 전반적인 유역의 특성을 충분히 반영하는 셀 크기를 선택하여 AnnAGNPS 모델을 적용한 결과라 사료된다. AnnAGNPS 모델을 이용하여 셀 크기가 미치는 영향을 살펴보았는데, 모델의 결과는 셀 크기에 따라 지형의 변화 및 토지이용, 토양의 공간적인 분포에 따라서 크게 달라졌다. 따라서 정량적인 비점오염원 부하량 산정에 기초한 하천의 수질 향상을 위한 효율적인 유역 관리를 위해서는 유역의 공간적 다양성을 반영할 수 있는 스케일의 셀 크기 선택이 이뤄져야 할 것으로 사료된다. ; Non-point pollutant load which affects stream water pollution is computed by several methods. Lately many research, using model relative exactly simulating transport process of pollutant discharged with sediment, are published. Non-point pollution model is divided into lumped and distributed. To reflect spatial variability, distributed models are mostly used. As using distributed models, watershed is divided into computational element such as cell unit. Model parameters can be derived from each cell directly from maps using GIS. So, cell size should be selected considering an impact on the model output. But generally grid-cell size of input data is used or cell size selection arbitrarily is determined. But the issue of cell size selection is often ignored in relation to how it affects model results and consequent decisions in locating and controlling non-point pollution. Using AnnAGNPS, the distributed model, this study analyzed the impact of cell size on the model output. This study area was Eung-stream watershed located in Cheongmi watersheds, one of the first tributary of South Han-river. To analyze the effect on the various cell size, the watershed was divided by eight critical source area(CSA) and maximum source channel length(MSCL). This stream-channel length was measured from 1:50,000 scale topographical map and was found to be 101,709m. The 30-ha and 40-ha cell most closely approximates the measured length to within 10% and 8%. As cell size of the watershed incresed, stream length decreased. This shortening was due to meander short-circuiting. Subsequently stream length shortness effect influenced delivery load and ratio. Analyzing change of topographic characteristics by cell division, change of stream length considerably influenced the model output. Because spatial variation of land use and soil not considered with cell size, proportion of forest and low soil erosion factor(K) is increased. As the result, effluent load and delivery one were decreased. As cell size divided watershed into small space unit was smaller, spatial variability of watershed was approximated to real. But stream network was described very closely, this brought about negative effect on the model output. Therefore to compute quantitative non-point source pollution load of Eung-stream watershed, spatial variability of the watershed and real stream length approximation should be considered. In this study, 30ha cell size was selected to model application. In AnnAGNPS model application result, predicted value of runoff, TN, TP and BOD load were very similar to observed. The model output is dependent on topographic change, spatial distribution of land use and soil. Therefore for effective watershed management based on quantitative non-point source pollution load, cell size selection is not an arbitrary choice. It should be based on scale necessary to capture the spatial variability.