The use of remotely sensed data and geographic information system (GIS) to develop conservation-oriented watershed management strategies on Imha Dam, Korea, is presented. The change of land use for study area was analyzed using multi-temporal Landsat imagery. A soil loss model was executed within a GIS environment to evaluate watershed management strategies in terms of soil loss. In general, remotely sensed data provide efficient means of generating the input data required for the soil loss model. Also, GIS allowed for easy assessment of the relative erosion hazard over the watershed under the different land use change options. The soil loss model predicted substantial declines in soil loss under conservation-oriented land management compared to current land management for Imha Dam. The results of this study indicate that soil loss potential (5,782,829 ton/yr) on Imha Dam in 2003 is approximately 1.27 times higher than that (4,557,151 ton/yr) in 1989. This study represents the first attempt in the application of GIS technology to watershed conservation planning for Imha Dam. The procedures developed will contribute to the evolution of a decision support system to guide the land planning and dam management in Imha Dam.
The sediment delivery ratio (SDR) is widely used to estimate sediment loads by multiplying soil loss through the Revised Universal Equation (RUSLE). In this study, the SDR equation was developed for the Lake Imha watershed using soil loss calculated by RUSLE and sediment loads by the calibrated Hydrological Simulation. Program Fortran (HSPF). The ratio of watershed relief and channel length ($R_f/L_{ch}$), the ratio of watershed relief and watershed length ($R_f/L_b$), curve number (CN), area (A), and channel slope ($SLP_{ch}$) demonstrated strong correlations with SDR. SDR equations were developed by a combination of subwatershed parameters by referring to the correlation analysis. The area based power functional SDR developed in this study showed significant errors at the point right after entering major tributaries, because SDR was unrealistically reduced when the watershed area increased significantly. The $SLP_{ch}$-based power functional SDR also showed extraordinary values when the channel slope was gradual. The SDR equation that showed the highest value of the coefficient of determination also presented unrealistic changes in the sediment loads within a relatively short river distance. The SDR equation $SDR=0.0003A^{0.198}R_f/L{_w}^{1.167}$ was recommended for application to the Lake Imha watershed. Using this equation, sediment loads at the outlet of the Lake Imha watershed were calculated, and the HSPF parameters related to sediment in the uncalibrated subwatersheds were determined by referring to the sediment loads calculated with the SDR equation.
The Imha watershed is vulnerable to severe erosion due to the topographical characteristics such as mountainous steep slopes. Sediment inflow from upland area has also deteriorated the water quality and caused negative effects on the aquatic ecosystem of the Imha reservoir. The Imha reservoir was affected by sediment-laden density currents during the typhoon 'Maemi' in 2003. The RUSLE model was combined with GIS techniques to analyze the mean annual erosion losses and the soil losses caused by typhoon 'Maemi'. The model is used to evaluate the spatial distribution of soil loss rates under different land uses. The mean annual soil loss rate and soil losses caused by typhoon 'Maemi' were predicted as 3,450 tons/km2/year and 2,920 ton/km2/'Maemi', respectively. The sediment delivery ratio was determined to be about 25% from the mean annual soil loss rate and the surveyed sediment deposits in the Imha reservoir in 1997. The trap efficiency of the Imha reservoir was calculated using the methods of Julien, Brown, Brune, and Churchill and ranges from 96% to 99%.
Long-Term Hydrologic Impact Assessment (L-THIA) model which is a distributed watershed model was applied to analyze the spatial distribution of surface runoff and nonpoint source pollutant loading from Imha watershed during 2001~2010. L-THIA CN Calibration Tool linked with SCE-UA was developed to calibrate surface runoff automatically. Calibration (2001~2005) and validation (2006~2010) of monthly surface runoff were represented as 'very good' model performance showing 0.91 for calibration and 0.89 for validation as Nash-Sutcliffe (NS) values. Average annual surface runoff from Imha watershed was 218.4 mm and Banbyun subwatershed was much more than other watersheds due to poor hydrologic condition. Average annual nonpoint source pollutant loading from Imha wateshed were 2,295 ton/year for $BOD_5$, 14,752 ton/year for SS, 358 ton/year for T-N, and 79 ton/year for T-P. Amount of pollutant loading and pollutant loading rates from Banbyun watershed were much higher than other watersheds. As results of analysis of loading rate from grid size ($30m{\times}30m$), most of high 10 % of loading rate were generated from upland. Therefore, major hot spot area to manage nonpoint source pollution in Imha watershed is the combination of upland and Banbyun subwatershed. L-THIA model is easy to use and prepare input file and useful tool to manage nonpoint source pollution at screening level.
We investigated the spatial and temporal variation in characteristics and pollution assessment of sediments in the watersheds of Andong-Dam and Imha-Dam, in Korea. Surface sediments were collected from six sites once a year for three years (2015-2017), and analyzed for organic matter (water content, IL, COD, TOC, TN, and TP), grain size, and concentration of trace metals (Al, Li, Zn, Cr, Pb, Cu, Ni, and As). Organic matter generally tended to increase, and was higher in the Andong watershed compare to Imha watershed. Surface sediments were mainly composed of silt. Coarse sediments were mainly distributed at the site adjacent to Andong-Dam, and showed fining after coarsening. Fine sediment were mainly distributed at the site adjacent to Imha-Dam, and were gradually coarsening. Concentration of trace metals generally tended to increase, and was higher for sites in watershed of Andong watershed (PLI > 1) than for sites in Imha watershed (PLI < 1). Trace metals in the study area were considered to be affected by fine sediment (silt), and contamination of trace metals was somewhat affected by Pb, and greatly affected by Zn and As.
Sediment yields from Imha watershed were simulated during 1993-2008 using Hydrologic Simulation Program-Fortran (HSPF). Using observed daily stream flow for 2004-2008 and hourly suspended solid concentration for three events during 2006, HSPF was calibrated and validated at the sites of Imha and Youngyang for stream flow and Dongchun and Jangpachun for sediment yield. The calibration and validation results represented high model efficiency for simulating daily stream flow and hourly suspended solid. The determination coefficients of calibration and validation were 0.90 and 0.81 for daily stream flow, and 0.91 and 0.86 for monthly stream flow, respectively. Based on model tolerances for calibration and validation of stream flow, HSPF performance for simulating stream flow represented 'very good'. The determination coefficients of calibration and validation were 0.94-0.96 and 0.95 for hourly sediment yields, respectively. The average yearly sediment yield during 1993-2008 was 122,290 ton/year and most of sediment yield (77 % of total yield) were generated from June to August. The calibrated HSPF simulated well the movement of water and eroded soil within Imha watershed.
Although the dominant land use at the Imha-dam watershed is forest areas, soil erosion has been increasing because of intensive agricultural activities performed at the fields located along the stream for easy-access to water supply and relatively favorable topography. In addition, steep topography at the Imha-dam watershed is also contributing increased soil erosion and sediment loads. At the Imha-dam watershed, outflow has increased sharply by the typhoons Rusa and Maemi in 2002, 2003 respectively. In this study, the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) model was evaluated for simulation of flow and sediment behaviors with long-term temporal and spatial conditions. The precipitation data from eight precipitation observatories, located at Ilwol, Subi and etc., were used. There was no significant difference in monthly rainfall for 8 locations. However, there was slight differences in rainfall amounts and patterns in 2003 and 2004. The topographical map at 1:5000 scale from the National Geographic Information Institute was used to define watershed boundaries, the detailed soil map at 1:25,000 scale from the National Institute of Highland Agriculture and the land cover data from the Korea Institute of Water and Environment were used to simulate the hydrologic response and soil erosion and sediment behaviors. To evaluate hydrologic component of the SWAT model, calibration was performed for the period from Jan. 2002 to Dec. 2003, and validation for Jan. 2004 to Apr. 2005. The $R^2$ value and El value were 0.93 and 0.90 respectively for calibration period, and the $R^2$ value and El value for validation were 0.73 and 0.68 respectively. The $R^2$ value and El value of sediment yield data with the calibrated parameters was 0.89 and 0.84 respectively. The comparisons with the measured data showed that the SWAT model is applicable to simulate hydrology and sediment behaviors at Imha dam watershed. With proper representation of the Best Management Practices (BM Ps) in the SWAT model, the SWAT can be used for pre-evaluation of the cost-effective and sustainable soil erosion BMPs to solve sediment issues at the Imha-dam watershed. In Korea, the Universal Soil Loss Equation (USLE) has been used to estimate the soil loss for over 30 years. However, there are limitations in the field scale mdel, USLE when applied for watershed. Also, the soil loss changes temporarily and spatially, for example, the Imha-dam watershed. Thus, the SW AT model, capable of simulating hydrologic and soil erosion/sediment behaviors temporarily and spatially at watershed scale, should be used to solve the muddy water issues at the Imha-dam watershed to establish more effective muddy water reduction countermeasure.
The Imha watershed is vulnerable to severe erosion due to the topographical characteristics such as mountainous steep slopes. The RUSLE model was combined with GIS techniques to analyze the mean annual erosion losses and the soil losses caused by typhoon "Maemi". The model is used to evaluate the spatial distribution of soil loss rates under different land uses. The mean annual soil loss rate and soil losses caused by typhoon "Maemi"were predicted as $3,450\;tons/km^2/year$ and $2,920\;ton/km^2/"Maemi"$, respectively. The sediment delivery ratio was determined to be about 25% from the mean annual soil loss rate and the surveyed sediment deposits in the Imha reservoir in 1997.
Curve Numbers (CN) for the combination of land use and hydrologic soil group were regionalized at Imha Watershed using Long-term Hydrologic Impact Assessment (L-THIA) coupled with SCE-UA. The L-THIA was calibrated during 1991-2000 and validated during 2001-2007 using monthly observed direct runoff data. The Nash-Sutcliffe (NS) coefficients for calibration and validation were 0.91 and 0.93, respectively, and showed high model efficiency. Based on the criteria of model calibration, both calibration and validation represented 'very good' fit with observe data. The spatial distribution of direct surface runoff by L-THIA represented runoff from Thiessen pologen at Subi and Sukbo rain gage station much higher than other area due to the combination of poor hydrologic condition (hydrologic soil C and D group) and locality heavy rainfall. As a results of hydrologic condition and treatment for land use type based on calibrated CNs, forest is recommended to be hydrologically modelled dived into deciduous, coniferous, and mixed forest due to the hydrological difference. The CNs for forest and upland showed the poor hydrologic condition. The steep slope of forest and alpine agricultural field make high runoff rate which is the poor hydrologic condition because CN method can not consider field slope. L-THIA linded with SCE-UA could generated a regionalized CNs for land use type with minimized time and effort, and maximized model's accuracy.
본 연구에서는 HSPF(Hydrological Simulation Program - Fortran)를 임하댐 유역을 대상으로 적용하여 유출량 및 부유물질 농도 변화를 모의할 수 있는 유역모델을 구축하였다. 먼저, 임하댐 전체 유역에 대하여 총 33개 소유역으로 구분하여 모델을 구성하였으며 현장에서 실측된 7년간의 유출량 및 부유물질 농도 자료로 모델의 보정 및 검증을 수행하였다. 모델의 유출량 재현성 평가를 위하여 그래프 비교를 통한 정성적인 분석과 R$_{eff}$, R$^2$의 통계항목을 이용한 정량적인 분석을 수행하였다. 다음으로, 부유 물질 농도 보정은 2006년 7월 탁수가 집중적으로 발생하는 시기의 3개 강우사상에 대하여 수행하였으며, 모델의 검증은 2007년도 8$\sim$9월에 발생한 2개 강우사상을 대상으로 수행하였다. 모델이 실측된 유출량 및 부유물질 농도를 비교적 잘 모의하는 것으로 나타났다. 본 연구에서 구축한 HSPF 유역모델을 이용하여 임하호 유입하천의 유출량 및 부유물질 농도를 모의함으로써 저수지로 유입되는 탁수 발생량을 예측할 수 있으며 유역별 탁수 관리방안 수립 및 저수지 모형과 연계를 통한 저수지의 탁수 관리에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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