Climate Change Impact on Nonpoint Source Pollution in a Rural Small Watershed

The purpose of this study is to analyze the effects of climate change on the nonpoint source pollution in a small watershed using a mid-range model. The study area is a basin in a rural area that covers 384 ha with a composition of 50% forest and 19% paddy. The hydrologic and water quality data were monitored from 1996 to 2004, and the feasibility of the GWLF (Generalized Watershed Loading function) model was examined in the agricultural small watershed using the data obtained from the study area. As one of the studies on climate change, KEI (Korea Environment Institute) has presented the monthly variation ratio of rainfall in Korea based on the climate change scenario for rainfall and temperature. These values and observed daily rainfall data of forty-one years from 1964 to 2004 in Suwon were used to generate daily weather data using the stochastic weather generator model (WGEN). Stream runoff was calibrated by the data of $1996{\sim}1999$ and was verified in $2002{\sim}2004$. The results were determination coeff, ($R^2$) of $0.70{\sim}0.91$ and root mean square error (RMSE) of $2.11{\sim}5.71$. Water quality simulation for SS, TN and TP showed $R^2$ values of 0.58, 0.47 and 0.62, respectively, The results for the impact of climate change on nonpoint source pollution show that if the factors of watershed are maintained as in the present circumstances, pollutant TN loads and TP would be expected to increase remarkably for the rainy season in the next fifty years.

기후변화에 따른 농촌 소유역에서의 비점오염 영향 분석

본 연구에서는 향후 강수량의 변화가 유역의 비점오염 발생 부하량에 미치는 영향에 대한 정량적 분석을 목적으로, 발안유역의 HP#6 소유역을 대상유역으로 선정하여 자료를 구축하고 유역규모의 수문수질 모델인 GWLF 모형의 시험유역에 대한 적용성 검토를 수행하였으며, WGEN 모형을 이용하여 일 기상자료를 발생시켜 대상유역의 향후 기후변화를 고려한 발생 오염부하량 변화를 예측하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다. 1. 기상 변화에 따른 유역의 비점오염 영향 분석을 위하여 대상유역을 선정하고 기상, 수문, 수질자료와 오염원 현황을 비롯한 유역 특성 자료를 조사하고 수집하였으며, 수문모형으로는 GWLF 모형을 선정하였다. 2. GWLF모형의 보정과 검정 과정에서 모의된 일유출량은 $R^2$가 $0.40{\sim}0.98$로 GWLF 모형은 농촌 소유역에 대해 적용성이 있는 것으로 판단되며, 모의한 오염부하량과 실측치를 비교한 결과, $R^2$가 유사량은 $0.40{\sim}0.98$, TN은 $0.50{\sim}0.94$, TP는 $0.59{\sim}0.97$로 높게 나타났으며, 모형의 효율지수도 유출이 $0.51{\sim}0.69$, 유사량이 $0.23{\sim}0.84$, 그리고 영양염류의 경우는 $0.38{\sim}0.65$로 비교적 양호한 값을 나타내었다. 3. 수원 기상청으로부터 1964년${\sim}$2004년의 강수량 자료를 수집하여 대상유역을 포함하는 지역의 일 강수량과 강우 발생빈도에 대한 10년-이동평균과 회귀식을 이용하여 추세분석을 실시함으로서 기후변화에 따른 기상인자의 영향을 확인하였으며, 10년-이동평균을 이용하여 강우 발생 빈도에 대한 추세를 살펴본 결과, 0.2 mm 이상의 강수량을 기록한 연간 일수는 감소하나, 80 mm이상의 강수량을 기록한 호우 발생 연간일수는 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 4. IPCC에서 제시한 미래 배출 시나리오에 따른 한반도 기후변화를 고려하여 WGEN 모형을 응용함으로서 향후 $2041{\sim}2050$년의 남한 지역 월 강수량과 월평균기온의 변화율을 적용한 강수량과 평균 기온에 대한 일 기상자료를 발생시켰으며, 수원 지방의 강우 일수 변화 추세를 고려하기 위해 WGEN모형의 마코브체인 매개변수를 수정하여 시나리오별 기상자료 집합을 구축하였다. 5. 강수량 증가에 따른 유출량을 비롯한 영양물질 부하량의 변화는 선형적 상관성을 보였으나, 유사량의 경우는 강수량 변화가 없고 강우일수가 감소하면서 사상별 최대 일강수량이 증가하는 경우에 대한 모의 결과가 평균 21%정도 증가하는 것으로 나타나, 강우 강도와 관련성이 큰 것으로 분석되었다. 6. 연 강수량이 17.4% 증가해 월별 평균 강수량 변화가 가장 큰 시나리오 Al은 연 유출량이 24.6% 증가하고, 유사량과 TN, IP 부하량은 각각 60.1%, 14.4%, 27.1%증가하는 것으로 나타났으며, 이에 비하여 연 강수량 증가가 2.5%로 가장 작은 시나리오 B1의 연 유출량 변화는 -0.4% 감소하는 것으로 나타났고, 유사량과 TN, TP 부하량은 각각 14.6%, 3.0%, 7.2% 증가하는 것으로 모의되었다. 7. 강우 발생 일수 변화를 가정한 시나리오에 대한 모의 결과, 연강우일수가 약 10일 감소한 A1-1, A2-1, B1-1, B2-1의 경우, 강우 일수 감소 이전과 연 유출량 변화는 거의 없었으나, 유사량과 영양물질 부하량은 다소 증가하는 것으로 나타났고 연강우일수를 약20일 감소시킨 A1-2, A2-2, B1-2, B2-2의 경우는 강우일수를 감소시키기 이전에 비해 유출량이 $4{\sim}6%$ 정도 더 증가하였으며, 유사량은 $20{\sim}25%$, TN 부하량은 $4{\sim}5%$, TP 부하량은 $9{\sim}12%$가 더 증가하여 발생하는 것으로 나타났다.