• Journal of Korean Society on Water Environment
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• v.37 no.6
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• pp.520-530
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• 2021

Multivariate statistical analysis and an environmental hydrological model were applied for investigating the causes of water pollution and providing best management practices for water quality improvement in urban and agricultural watersheds. Principal component analysis (PCA) and cluster analysis (CA) for water quality time series data show that chemical oxygen demand (COD), total organic carbon (TOC), suspended solids (SS) and total phosphorus (T-P) are classified as non-point source pollutants that are highly correlated with river discharge. Total nitrogen (T-N), which has no correlation with river discharge and inverse relationship with water temperature, behaves like a point source with slow and consistent release. Biochemical oxygen demand (BOD) shows intermediate characteristics between point and non-point source pollutants. The results of the PCA and CA for the spatial water quality data indicate that the cluster 1 of the watersheds was characterized as upstream watersheds with good water quality and high proportion of forest. The cluster 3 shows however indicates the most polluted watersheds with substantial discharge of BOD and nutrients from urban sewage, agricultural and industrial activities. The cluster 2 shows intermediate characteristics between the clusters 1 and 3. The results of hydrological simulation program-Fortran (HSPF) model simulation indicated that the seasonal patterns of BOD, T-N and T-P are affected substantially by agricultural and livestock farming activities, untreated wastewater, and environmental flow. The spatial analysis on the model results indicates that the highly-populated watersheds are the prior contributors to the water quality degradation of the river.

• Journal of The Korean Society of Agricultural Engineers
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• v.64 no.6
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• pp.1-12
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• 2022

Estuary reservoirs were artificial reservoir with seawalls built at the exit points of rivers. Although many water resources can be saved, it is difficult to manage due to the large influx of pollutants. To manage this, it is necessary to analyze watersheds and reservoirs through accurate modeling. Therefore, in this study, we linked the Hydrological Simulation Program-FORTRAN (HSPF), Environmental Fluid Dynamics Code (EFDC), and Water quality Analysis Simulation Program (WASP) models to simulate the hydrology and water quality of the watershed and the water level and quality of estuary lakes. As a result of applying the linked model in stream, R² 0.7 or more was satisfied for the watershed runoff except for one point. In addition, the water quality satisfies all within 15% of PBIAS. In reservoir, R² 0.72 was satisfied for water level and the water quality was within 15% of T-N and T-P. Through the modeling system, We applied upstream pollutant management scenarios to analyze changes in water quality in estuary reservoirs. Three pollution source management were applied as scenarios, the improvement of effluent water quality from the sewage treatment plant and the livestock waste treatment plant was effective in improving the quality of the reservoir water, while the artificial wetland had little effect. Water quality improvement was confirmed as a measure against upstream pollutants, but it was insufficient to achieve agricultural water quality, so additional reservoir management is required.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2023.05a
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• pp.421-421
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• 2023

하구담수호는 하천의 출구점이 해양과 만나는 곳에 방조제를 건설하고 이를 통해 형성되는 인공호수이다. 출구점에 위치한 지리적 특성은 많은 수자원을 확보할 수 있지만 유역에서 발생하는 모든 유입량 및 오염물질이 유입되어 홍수위험 및 수질악화가 문제점으로 제시되고 있다. 담수호의 관리수위는 배수갑문 운영에 기초가 되는 수위로 용수공급, 홍수위험도를 고려하여 산정한다. 하지만 기후변화로 인해 가뭄, 홍수의 위험성이 커지고 있으며, 이를 고려하여 관리수위의 산정이 필요하다. 로버스트 의사결정 기법은 기후변화의 불확실성 하에서의 정책 결정을 위해 제시된 개념으로 불확실한 미래상황에 대하여 최적이 아닌 여러상황의 준수한 결과를 보이는 방법을 선정해 예상치 못한 상황에도 대비할 수 있는 것을 목적으로 한다. 본 연구에서는 담수호의 관리수위 산정을 위해 로버스트 의사결정 기법을 적용하였다. 관리수위 산정을 위해 미래 기후변화 시나리오는 CanESM5 GCM의 SSP1, 2, 3, 5 시나리오를 이용하였으며 담수호 관리수위는 기존 관리수위를 포함한 5개의 관리수위를 모의하였다. 각 시나리오에 따른 유입량, 호소수위 및 호소수질 변화를 모의하기위해 유역모형 HSPF와 호소모형인 EFDC-WASP 모형을 연계하여 활용하였다. 로버스트 의사결정 기법에 성능인자로는 신뢰도기반 이수, 치수, 수질지표를 활용하였으며, 결정인자으로 후회도를 활용하였다. 후회도는 로버스트의사 결정에서 널리 쓰이는 결정인자로 가장 좋은 성능인자와 그 대안의 성능인자의 차이를 의미한다. 최종적으로 최소의 최대 후회도를 갖는 시나리오를 1순위로 선정하였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2023.05a
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• pp.461-461
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• 2023

하구담수호는 하구에 방조제를 축조하여 인공적으로 조성된 저수지로 배수갑문을 통해 적정수위를 유지하고 담수된 물은 농업용수, 공업 및 생활용수로 활용되고 있다. 최근 담수호 수질을 살펴보면 호소수 수질환경기준 IV등급을 상회하여 농업용수로 부적합한 것으로 나타났다. 하구담수호 수질은 간척농지와 담수호 유역내 농경지, 축사 등에서 배출되는 영양염류, 유사 등에 의해 오염되며, 이들은 경지의 경사, 토양, 강우 특성 등과 같이 다양한 인자들에 의하여 영향을 받는다. 도시화와 기후변화 등으로 인해 변화하는 환경에서 지속가능한 수자원 관리를 위해 하구담수호 물환경의 변화를 분석할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 간월호 유역을 대상으로 유역-호소 연계 모형을 이용하여 미래 기상, 토지이용, 용수수요량 등의 변화에 따른 담수호 물환경을 분석하였다. SSP(Shared Socioeconomic Pathways) 기후변화 시나리오를 활용하여 미래 기상을 적용하였으며 Markov Chain기법 및 FLUS (Future Land-Use Simulation model)모형을 통해 미래 토지이용을 구축하였다. 미래 환경 변화를 적용하여 HSPF-EFDC-WASP 모형을 구동하여 담수호의 수문, 수질 분석을 수행하였다. 이 연구의 결과는 미래의 환경 변화에 대응하기 위해 하구담수호를 관리하기 위한 효과적인 전략을 개발하는 데 활용될 것으로 사료된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2023.05a
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• pp.212-212
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• 2023

비점오염원관리와 같이 장기적인 유역 관리 계획에서 유역 내 오염원 평가는 정말 중요하다. 유역 내 오염원 평가는 강우 유출에 의한 비점오염 발생원이 어디서 얼마나 발생시키는지에 대한 정량적인 조사가 필요하다. 유역 내의 오염원에 대한 정량적인 조사는 많은 비용과 시간이 필요하다. 이러한 비용과 시간을 줄이기 위해 유역단위 수리 수문 모델을 사용하고 있다. 유역단위 수리수문 모델은 HSPF (Hydrological Simulation Program in Fortran), SWAT (Soil and Water Assessment Tool), L-THIA ACN-WQ(The Long-term Hydrologic Impact Assessment Model with Asymptotic Curve Number Regression Equation and Water Quality model)등 다양한 모델이 사용되고 있다. 하지만 유역 모델을 통한 모의는 다양한 연산 과정을 진행하여 모의까지 많은 시간이 필요하다는 단점이 있다. 이에 따라 데이터 기반 모델링 기법(머신러닝/딥러닝)을 이용한 유출 및 수질 예측 연구가 많이 이루어지고 있다. 단순 머신러닝/딥러닝 기반 모델링 기법은 점(최종유출구)에서의 예측만 가능하여 최적관리 기법 적용 등과 같은 유역관리 방안을 적용하기 힘들다는 문제점이 있다. 따라서 본 연구에서 머신러닝/딥러닝을 통해 일부 수문 프로세스를 대체하고 소유역별 하도추적 기법을 연계하여 유량 및 수질 항목들의 모의가 가능한 하이브리드 모델을 개발하였다. 이는 머신러닝/딥러닝이 유역 모델의 일부 연산 과정을 대체하여 모의시간이 빠르며, 기존 머신러닝/딥러닝 예측 모델에서 평가가 어려웠던 유역 관리 방안 및 최적관리기법 적용 평가에도 활용이 가능할 것으로 판단이 된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2020.06a
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• pp.315-315
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• 2020

기후변화로 인하여 전 세계적으로 이상기후가 진행되고 있다. 우리나라의 경우 홍수와 가뭄 등의 이상 강수가 빈번히 발생하고 있으며, 이로 인한 비점오염물질의 유출과 집적이 발생하고 있다. SWAT (Soil and Water Assessment Tool)과 HSPF (Hydrological Simulation Program)등의 다양한 모델이 비점오염의 유출을 모의하기 위하여 활용되고 있으나, 농장 단위에서 유역 단위까지 다양한 대상지역에 대한 장기 모의와 BMP적용에 따른 효율평가가 어려운 실정이다. Texas A&M Agrilife Research에서 개발한 APEX(Agricultural Policy Environmental eXtender model) 모형의 경우, 농장 단위에서 유역 단위의 대상지역에 대하여 최대 100년까지 일단위 모의가 가능한 특징이 있다. 하지만 APEX 모형은 개발된지 상당한 시간이 지났으며, 데스크탑 기반의 모형이므로 다양한 플랫폼에서의 활용이 어려운 한계점이 있다. 따라서 본 연구에서는 1. 기존 데스크탑 기반의 APEX 모형을 웹에서 구동할 수 있도록 웹 기반 시스템을 구축하였으며, 2. 양분유출에 대한 모의 평가가 가능하도록 결과를 시스템화하는 모듈을 추가하였다. 또한, 3. 웹 기반 APEX 모형의 활용도를 위하여 최적관리기법을 적용할 수 있는 모듈을 개발 및 추가하였다. 본 연구의 결과는 향후 농업비점오염원 지역의 양분유출을 확인·예측하고 관리하기 위한 기초자료로 활용될 것으로 기대하며, 최적관리기법을 활용한 저감 정책을 수립하기 위한 평가도구로 활용될 수 있을 것이다. 또한, 기존 데스크탑 기반의 모형을 웹 기반으로 이전하였으므로, APEX 모형 혹은 다른 데스크탑 기반 모형들의 웹 이전을 통한 사용자 편의성 증대를 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것이다. 아울러 본 연구의 결과는 APEX 모형의 작물 매개변수가 국내 환경에 최적화 되어있지 않으므로 정확한 BMP 저감효과 모의에는 한계가 있으므로, 이에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2021.06a
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• pp.401-401
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• 2021

최근 급격한 기후변화로 인한 기온, 강수량 등의 시·공간적 변화는 홍수, 가뭄 등과 같은 자연재해의 빈도와 규모를 증가시키고 있다. 특히 한강수계 주요 하천에서는 급격한 도시화 및 산업화로 인한 물 수요의 증가와 기후변화로 인한 강수량 감소 그리고 하천변 시설에서의 과다한 지하수 이용으로 인해 지하수위 변동이 발생하고 있다. 2017년 국가 지하수관측연보 및 지하수조사연보에 따르면 한강수계에 위치한 전체 569개 관정 중 암반층 관정과 충적층 관정의 최근 5년간 지하수위 평균 변동폭은 각각 3.91 m, 2.73 m로 조사되었으며, 10년 이상 장기관측 자료를 보유한 430개소 관정 중 228개소 관정에서 지하수위 하강 추세를 보이는 것으로 조사된 바 있다. 이처럼 강우나 하천수위 등 자연적인 원인과 양수, 유출 등 인위적인 원인에 의해 발생하는 지하수위의 하강은 지반 침하의 주요 원인이 되며, 하천 기저유출의 변화에도 큰 영향을 미치고 있다. 기저유출은 하천으로 단기 유출되는 지하수로 평수기 및 갈수기 하천 유량의 대부분을 차지하고 있기 때문에 건기시 하천 수질과 수생태계 관리에 있어 매우 중요한 요소에 해당된다. 따라서, 기후변화에 의한 이상가뭄 발생 등을 대비하기 위한 비상용수 또는 대체수자원으로서의 지하수 개발수요가 증가하는 추세에 따라 기저유량 확보 및 수질 개선 방안을 수립하는 것은 지속가능한 수자원 이용·관리 측면에 있어서 매우 중요하다. 현재 활용되는 SWAT(Soil and Water Assessment Tool)과 HSPF(Hydrological Simulation Program Fortran) 수문모형의 경우 지표유출 모의에 있어서 다양하게 활용되고 있으나 기저유량의 특성을 고려하기 위해서는 지표하 수문거동 모의가 어렵다는 한계가 있다. 또한 지표하 수문거동 모의가 가능한 MODFLOW의 경우 지표유출을 모의하기 어려운 한계가 있다. 이를 극복하기 위하여 SWAT-MODFLOW 모형이 개발되었으며, 본 연구에서는 SWAT-MODFLOW 모형을 활용하여 신둔천 유역을 대상으로 유량 및 지하수위 모의결과를 검보정하여 기저유량을 산정하고 변동특성을 분석하였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2021.06a
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• pp.443-443
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• 2021

국내 하천, 호소에 유입되는 오염물질 중 30% 이상이 농업 활동 등으로부터 기인한다. 정부 부처는 '04년부터 농업 비점오염원 저감 대책을 수립·시행하고 있으나 농촌 인구 고령화, 열악한 재정환경, 관행화·고착화 된 농법 등으로 인해 주민참여 및 대책 적용의 한계가 있었다. 금호강 상류 보현산댐 유역은 대부분 임야로 고현천 등 상류 하천변에 사과원이 밀집되어 있다. 또한, 유역면적이 32.16km²로 좁고, 유로 연장 5km 이내로 짧으며 하천 경사가 급해 강우시 토양 유실량이 많고 유출속도가 빠르다. 이러한 유역 특성상 상류 사과원은 '16년 보현산댐 담수 이후 매년 반복적으로 발생하는 녹조 등 수질 문제를 초래하는 주요 비점오염원으로 지역사회 이슈가 되었다. 이에 따라 K-water는 낙동강수계관리위원회 환경기초조사사업의 일환으로 지역주민들과 논의를 통하여 댐 상류 사과원에 친환경농법(심층시비)를 적용하고 수질 개선 효과를 분석하였다. 심층시비는 과수 주변 토양 천공 후 퇴비를 시비하는 친환경농법으로 표층시비에 비해 초기 강우유출 오염물질량을 저감하고 퇴비 사용량도 줄일 수 있다. 금번 연구에서 실제 운영 중인 농지('19년 24천평, '20년 27천평)을 대상으로 심층시비를 시범적용한 결과, 퇴비 사용량은 표층시비의 50% 수준으로 감소하였고 과수 생육 및 품질에는 큰 영향이 없는 것으로 나타났다. 강우 시 유출농도는 표층시비 대비 TOC 5.0~41.3%, T-P 4.0~57.3% 감소했다. HSPF 유역 모델링 분석 결과, 전체 과수원 중 70% 농지에 심층시비를 적용한 경우, 하절기 유역 T-P 유입부하량이 5.0~6.8%(소유역 최대 28.2%) 감소하는 것으로 예측되었다. 본 연구결과를 바탕으로 심층시비를 확대 적용하고 유역 수질관리에 기여하고자 한다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2022.05a
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• pp.466-466
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• 2022

2018년 물관리 일원화를 위한 정부조직법 개정으로 기존 국토교통부의 「수자원의 조사·계획 및 관리에 관한 법률」 등의 사무가 환경부로 이관되었다. 과거 부처별로 나누어진 물 관리 체계에 따라 부처간 업무중복, 과잉투자 등 수량과 수질에 대한 분리된 관리체계의 한계점으로 유역 상류에 설치된 댐의 경우 저류된 댐 용수의 수질악화의 문제가 발생하였다. 또한, 물관리 일원화 이후, 「제2차 물환경관리 기본계획」에서는 2025년까지 주요 상수원 수질을 좋음(I)등급 달성을 목표로 제시하였고, 이와 연계하여 평가지표 등에 설정한 댐 수질목표를 2025년까지 매우좋음(Ia) 등급 달성을 위해서는 댐 상류 주요 오염원에 대한 과학적 분석이 필요하며 이에 대한 관리대책 마련이 시급한 상황이다. 본 연구의 공간적 범위인 사연댐은 울산공업지구의 공업용수 확보를 위해 1965년 준공되어 울산 일원에 100,000m³/일 이상의 공업용수를 공급하는 수원시설이며, 대곡댐은 기존 울산지역에 공업용수로 사용하던 사연댐의 물을 생활용수로 전환하고, 대곡·사역댐의 연계운영을 통해 연간 66백만의 생활용수를 공급하기 위한 수원시설이다. 수질 목표기준의 경우 대곡댐은 좋음(Ib), 사연댐은 매우좋음(Ia)로 설정되어 있으나, 2015~2019년까지의 TOC, T-P의 평균 달성률을 살펴보면 대곡댐은 TOC 45.8%, T-P 27.1%의 목표수질 달성률을 나타내었고, 사연댐은 TOC 및 T-P 모두 0%로 목표수질을 달성하지 못한 것으로 조사되었다. 본 연구에서는 대곡·사연댐 상류 유역을 대상으로 유역의 특성 및 오염원 발생 특성을 파악하고, 이에 따른 물환경관리 종합대책을 수립하기 위하여 1) 유역 물환경 기초자료 조사와, 2) 모니터링을 통한 댐유역 오염 원인분석을 수행하였다. 그 결과를 바탕으로 소유역별 오염부하량을 분석하고 개선대책(안)을 도출하였다. 이 때, 개선대책의 효과를 분석하기 위해서 유역 모형(HSPF)과 호소수질(AEM3D) 모형을 활용하여 수질모델 구축 및 보정을 수행하였고, 개선 대책(안)에 대한 목표수질 달성여부를 파악하였다. 최종적으로 대곡·사연댐 유역의 호소수질 변화를 파악하고 댐 유역 특성을 고려한 맞춤형 물환경관리 종합대책을 제시하였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2022.05a
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• pp.344-344
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• 2022

최근 기후변화에 따른 집중호우, 태풍의 규모 및 빈도가 증가하고 있다. 도시지역은 전통적인 배수체계가 한계에 도달함에 따라 기후변화에 대한 취약성이 다른 지역에 비하여 더욱 크게 나타나 기후변화에 효과적으로 적응하기 위한 방안으로 도심녹지, 빗물정원, 투수포장 등 그린인프라 확충의 중요성이 부각되고 있다. 본 연구에서는 도시하천 유역 내 그린인프라 확충에 따른 강우유출특성의 변화를 살펴보고자 하였다. 그린인프라의 확충은 불투수층을 투수층으로 변화시켜 물순환 건전화에 기여한다. 본 연구에서는 부산의 대표적인 도시하천 유역인 온천천유역을 대상으로 강우유출모형인 HSPF를 적용하여 유역 내 투수층 증가에 따른 유출특성의 변화를 살펴보았다. 온천천 유역을 세 개의 소유역(온천천 상류, 세병교, 온천천 하류)으로 구분하고 현재 상황(불투수면적비 각각 90.98, 92.96, 94.25%)에서 불투수면적을 10%씩 감소시켜가며 유역 내 지표유출량, 침투량의 변화를 살펴보았으며, 온천천 유량(갈수량, 저수량, 평수량, 풍수량, 홍수량)의 변화를 분석하였다. 분석 결과 유역 내 불투수면적 감소에 따라 강수의 침투가 증가하고 이에 따른 지표유출이 감소함을 확인할 수 있었다. 유역 내 불투수층이 감소함에 따라 지표유출량은 최대 32%까지 감소하고 침투량은 최대 71%까지 증가하는 것으로 나타났다. 또한 온천천의 갈수량, 저수량, 평수량, 풍수량은 증가하는 반면, 홍수 시의 유량을 의미하는 홍수량은 최대 15% 이상 감소하는 것을 알 수 있었다. 이는 유역 내 불투수층의 감소를 통해 평상시에는 추가적인 하천유량 확보가 가능하며, 홍수 시에는 반대로 홍수량을 저감시킴으로써 이에 따른 피해를 줄일 수 있음을 의미한다. 본 연구를 통해 그린인프라가 하천유량 확보 및 홍수량 저감을 통해 유역의 물순환 건전화에 긍정적인 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 따라서 효과적인 기후변화 적응을 위해 도시하천 유역의 그린인프라 확충을 위한 노력을 기울일 필요가 있다.