공학석사학위논문

유황별감수부특성을고려한 기저유량분리/오염부하량산정툴개발및적용평가

정연지

강원대학교대학원

지역건설공학과

2024년2월

임경재교수지도

공학석사학위논문

유황별감수부특성을고려한 기저유량분리/오염부하량산정툴개발및적용평가

Considering the characteristics of the recession by flow-conditions Development and Application Evaluation of Baseflow Separation/Pollution Load Estimation Tool

강원대학교대학원

지역건설공학과

정연지

위

위

정연지의석사학위논문을

합격으로판정함

2023년12월

심사위원장

김기성

원

임경재

원

김종건

인

인

인

목

차

Ⅰ. 서 론 … 1

Ⅱ. 연구방법 … 4 2.1 유황별감수부특성을고려한직접유출및기저유출 분리기술개발 … 4 2.2 직접유출및기저유출오염부하산정방법개선 … 7 2.3 오염부하지속곡선시각화기능개발 … 9 2.4 연구대상지역 … 10

Ⅲ. 결과및고찰 … 16 3.1 직접유출및기저유출분리및평가 … 16 3.1.1 Pass별기저유출분리결과비교 … 16 3.1.2 단일감수부매개변수적용에따른 기저유출분리결과비교 … 19 3.1.3 유황별감수부매개변수적용에따른 기저유출분리결과비교 … 20 3.2 직접유출및기저유출오염부하량산정및평가 … 22 3.3 오염부하지속곡선도출결과 … 26

Ⅳ. 결론 … 29

□ 참고문헌 … 31

표목차

Table 1. Classification of Hydrologic Conditions … 6 Table 2. Name of input data station … 12 Table 3. Land Use Analysis in Study Areas (unit: ha, %) … 13 Table 4. Names of Weather Stations and Rainfall Measurements … 15 Table 5. Results of Pass 1 of BFlow (Applying β parameter of 0.925) … 19 Table 6. Results of Pass 1 of BFlow (Applying flow-conditions β parameter) … 20 Table 7. T-P Pollution Load for 2020 and 2022 … 23 Table 8. T-N Pollution Load for 2020 and 2022 … 25 Table 9. Target T-P Concentration … 26

그림목차

Fig. 1 Comparison Pass 1 to 3 as a result of BFlow … 5 Fig. 2 Estimation of pollutant load using the NI method … 8 Fig. 3 Map of the Study Area … 11 Fig. 4 Landuse in the study area … 14 Fig. 5 Comparative Analysis of BFlow Passes 1 to 3 for 2020 … 17 Fig. 6 Comparative Analysis of BFlow Passes 1 to 3 for 2022 … 18 Fig. 7 T-P load duration curve for 2020 … 27 Fig. 8 T-P load duration curve for 2022 … 28

유황별감수부특성을고려한 기저유량분리/오염부하량산정툴개발및적용평가

정연지

강원대학교대학원지역건설공학과

최근전세계적으로기후변화에따른기온상승과증발산증가와도시화로인한불투수면증가는수 자원의효율적관리와안정적공급에어려움을주고있다. 이에대한대처방안으로지하수자원에대 한관심이대두되고있다. 특히, 기저유출은강우, 유량, 그리고대수층과의상호작용에의해영향을받 으며지하수함양에큰영향을미친다. 특히건기시하천유량은대부분기저유출로구성되며, 하천의 수질농도가기저유출량에크게영향을받는다. 따라서기저유출의오염부하량을정확히산정하고그 변동성을파악하는것은유역관리에있어반드시필요하다. 국내에서개발된WHAT-Pollutant Load Estimation (WAPLE) 모델은강우시오염부하량을산정하는데Numeric Integration (NI) 방법을활용 하고있다. 그러나기존WAPLE 모델은감수부에영향을주는 β 매개변수를전체기간동안일관되게 적용함으로써갈수기와홍수기등다양한수문사상의특성을고려한기저유출분리에한계가있다. 또 한, NI 방법을통해오염부하량산정시직접및기저유출에대한수질자료구분이명확하지않아과대 산정되는 문제가 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 한계점을 극복하기 위해서 WAPLE ver. 4(WAPLE4)를개발하였다. WAPLE4에서는BFlow의Pass 1 ~ 3 결과중수문곡선하강부에서분리된 기저유출의첨두가위치하는Pass 1 값을사용한다. 또한 β 매개변수는사용자에의해유황별로적용될 수있으며, 직접및기저부로구분된수질자료를이용한오염부하량산정이가능하다. 향후본연구에 서개발된WAPLE4는강우에의한유량변동성을반영하여직접및기저오염부하량산정의불확실성 을줄일수있을것이다. 또한, WAPLE4를이용한오염부하량산정결과는수질오염총량제와하천및 유역환경정책수립에필요한기초자료로활용될수있을것으로기대된다.

□ 핵심주제어

Baseflow, BFlow, Load duration curve, Numeric Integration, Pollutant load

Ⅰ.서론

전세계적으로기온상승등의기후변화는증발산량증가 , 강우강도및빈도변화 등수자원에다양한변화를주며물순환평형의균형을파괴하여수자원에부정적인 영향을끼칠것으로예상되고있다 (Lee et al., 2015). 또한 , 기후변화에관한정부간 협의체 (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) 의따르면기후변화지속과함께 도시화에따른인구증가와토지이용변화에의한수자원영향이클것으로예상되고 있다 (IPCC, 2013). 도시화에따른불투수면의증가로강우가유출로변환되는시간을 감소시켜지표유출의증가로이어져도시지역은갈수기의급수안전도저하 , 지하수 오염 등의 문제가 발생한다 . 이러한 기후변화와 도시에 의한 변화들은 수자원의 효율적인관리와안정적인공급에어려움을준다 (Lee et al., 2014 ; Y ang et al., 2021). 이에 대한대처방안으로지하수자원이대두되고있다 . 지하수는하천유량의 보충 원으로안정적인수자원확 보 를위해지하수함량에 대한정량화가필요하다 . 기저유출은강우및유량 , 대수층에유출 입 되는지하수의 영향을받아지하수함양에 밀 접한관 련 이있다 (Lee et al., 2014). 하천유량은직접유출 , 기저유출등의다영한형 태 로유 입 되며하천으로유 입 되는직접및기저유출에는 T-N, T-P, 질소등의오염부하량이 포 함되어유출된다 (Hwan et al., 2006 & Hong et al., 2015). 미국내 148 개지역의 약 40% 에서질산성질소기저유출오염부하량이 50% 이상이라고 밝혔 다 (Rutledge, 2002). 일반적으로기저오염부하량은연간 넓 은면적을따라유 입 되어 하천수질에지속적인영향을주며기저유출에의한질산성질소 , T-P, T-N 오염부하량이 약 40% 이상으로 하천수질에 영향을 준다 (Shin et al., 2006). 하천유량에서의 기저유출에서는질산성질소오염부하량이있어기저유출에의한오염부하량을산정 할 필요가있다 . 수질 항목 별 직접 및 기저유출에 의한 오염부하량을 산정하기 위해 먼 저 하천에서의기저유출이정확하게분리되어 야 한다 . 수문곡선을직접유출과기저유출로 분리하여기저유출을구 할 수있으며이를수문곡선의분리 (Hydrograph Separation) 또는 수문곡선의 분 석 (Hydrograph Analysis) 이라 한다 ( K im et al., 2009). 감수곡선은

수문곡선에서 첨두유출부 터 직접유출이 끝 나는 시점의 곡선으로 기저유출특성을 파악하기 위해서는 대상지역의 감수곡선분 석 이 매우 중요하다 (Lee et al., 2009). 기저유출이 발생하는 시점을 구하는 기준이 명확하지는 않지 만 수문곡선의 하강부에서의 변곡점에 기저유출곡선의 첨두가 위치 할 때 기저유출분리 시점으로 알 려져있다 . 수문곡선의 분리 방법으로는 주 지하수 감수곡선법 (master groundwater depletion curve method), 수평직전분리법 (straight line method), N- D ay 법등이사용되어 왔 지 만장 기유출에대한적용성이효율적이지 못 하다는단점이있다 (Hong et al., 2015 ; K im et al., 2009). 이러한이유로 RECESS(Anderson et al., 1978), R O RA(Rutledge, 1998), WHAT(Web based Hydrograph Analysis Tool)( K young et al., 2005), BFlow(Baseflow filter program)(Arnold & Allen, 1999) 등이 개발되어 장 기유출에 대한 기저유출 특성을 파악하는데사용되어 왔 다 (Hong et al., 2015). 이중 BFlow 는작은개 울 이계곡을이 룰때 기저유출이미치는영향에대한연구와 ( K edareswarudu & K umar, 2013) 미국인 디애 나주 22 개지점에서의기저유출비 (Baseflow inde x ) 를산정하는연구에사용되 었 다 (Ahiablame et al., 2013). 또한 , 우리나라한강수계에서하천유량에서의기저유출비율이 50% 가넘는관측 소는 76% 이며 BFlow 를이용해도출된기저유출비는 0.42 ~0.78 로나 타났 다 (Shin et al., 2006). 이처 럼 BFlow 는국내 외 연구에서하천유량에서기저유출을분리하기위해 사용되 었 다 . 오염부하량 산정 방법에는 Numeric Integration(NI) 방법과 US G S 에서 개발한 ESTIMAT O R 모델 , Load Estimator(L O A D EST) 방법등이있다 ( J ang et al., 2021). 이중 NI 방법은적용성이 높 고계산이 쉬워많 은연구에서사용되 었 다 (Cohn et al., 1989 ; Shin et al., 2005.). 하천유량에서기저유출을분리및오염부하량을산정해하천유량에서의직접 및 기저유출과 이에 따른 오염부하량 정량화하는 WAPLE(WHAT-Pollutant Load Estimation) ver. 2 는 Ec k hardt filter(Ec k hardt, 2008) 방법과 NI 방법을 사용하여 하천유량에서기저유출을분리한 뒤 오염부하량을정량적으로평가한다 (Lee et al., 2018). 그러나 WAPLE ver. 2 에서는총오염부하량을산정후사용자가 입력 한기저유출비에 따라직접및기저유출에의한오염부하량을산정하여수질값을직접및기저부로 구분하지않은한계점이있다 . 또한 , BFlow 의매개변수는기저유출의분리에사용되고 이매개변수는감수부에대한영향이크다 . 하지 만 기존 BFlow 는단일매개변수를

사용하여정확한기저유출분리가어려 웠 다 . 또한 , 기존의 WAPLE 2 의 NI 방법은수질 항목 의전체오염부하량을구한 뒤 사용자가 입력 한전체하천유량에서의기저유출 비율인 BFI 에따라직접및기저유출에의한오염부하량이산정되어 입력 값에따라 크게 변하는 경향성을 보 인다 . 이러한 한계점을 극복하기 위해서 본 연구에서는 WAPLE4 를개발하였다 . 따라서 , 본연구에서는 1) BFlow 의결과인 Pass 1~3중 Pass 1 을이용하고 2) BFlow 의 β 매개변수를유황별로적용하여기저유출을분리하였으며 , 3) 기저유출비를 기준으로수질 항목 모 니터링 값을기저및직접수질로분리한 뒤 직접및기저유출에 의한오염부하량을각각산정 할 수있는 WAPLE 4 를개발하였다 .

Ⅱ . 연구방법

2.1 유황별감수부특성을고려한직접유출및기저유출분리기술개발

BFlow 는 D igital filtering 을이용하여총하천유량에서기저유출을분리하기위해 사용되는방법중하나다 (Arnold & Allen, 1999). D igital filtering 은 신 호처리분 야 에서 고주파에서저주파를분리 할때 사용된방 식 이며이를총하천유량에서기저유출을 분리하는데 응 용되 었다.D igital filtering 은하천수문특성을고려하지않 았 지 만 계산이 빠 르고일관성있는결과를 재현할 수있다는 장 점이있다 . D igital filtering 을사용해총 하천유량에서기저유출을분리하는 식은Eq.1과Eq .2 같 다 .

 Eq. 1

  Eq. 2

여기서 ,q와b 는각 t 시간에분리된직접유출량 , 기저유출량 (m / s), 매개변수 β 이며

t

t

Q 는 t 시간에전체하천유출량 (m / s) 이다 .

t

BFlow 는 총 하천유량이 filter 를 통과한 양의 결과를 Pass 1 ~ Pass 3 으로 기저유출을 계산한다 . 각 Pass 는 하천유량의 비로 Pass 1, Pass 2, Pass 3 순으로 기저유출량이 작게 산정된다 . 각 Pass 에 의하여 산정된 기저유출 중 해 당 유역의 기저유출로선 택 하는것은사용자의 몫 이다 . 그러나 , 국내의경우 Pass 결과값에대한 선 택 은기저유출에대한관 측 이 많 이이 루 어지지 못했 기 때 문에이를선 택할 근거가부족 하다 (Arnold et al., 1995 ; Arnold & Allen, 1999). (Lee et al., 2017) 에서는 Pass 1~3값 중가 운 데값인 Pass 2 값을기저유출분리값으로선 택 하였다 . 하지 만 아 래 Fig. 1은N용 진측 정소의 2022 년 2 월 14 일 ~ 2022 년 12 월 31 일의유량을 BFlow 를통해 Pass 별로 하천유량에서직접및기저유출로분리한결과이다 . Pass 별로분리되는경향이 Pass 1 과 3 은수문곡선하강부의변곡점에기저유출첨두가위치하며 Pass 2 는수문곡선 상승부에 기저유출 첨두가 위치하는 것을 보 아 Pass 1 의 결과를 하천유량에서 기저유출을분리한결과로활용가능하다 .

Fig. 1 Comparison Pass 1 to 3 as a result of BFlow

강우에대한수문곡선은강우이전의하천유량과강우로인한유출량을 합 한 것으로수문곡선하강부의변곡점을기준으로기저유출이분리된다 . BFlow 를이용해 기저유출을분리한결과중 Pass 1 은기저유출의첨두가수문곡선하강부의변곡점에 위치한다 . 따라서본연구에서 BFlow Pass 1 ~ 3 결과중 Pass 1 값을사용하여 기저유출을산정하였다 . 또한 , BFlow 의 β 매개변수는기저유출분리시전체모의 기간에고정값인 0.95 가적용된다 . 하지 만 β 매개변수는감수부에영향이 커 단일 변수를사용하면정확한기저유출분리가어 렵 다 . 따라서 , 본연구에서개발한 WAPLE 4 에서는유황별로매개변수 β 를적용 할 수있도 록 개발하여유역및유황특 징 을 적용한기저유출을산정하였다 . 유황구분은 누 적유량크기에따라 Table 1와같이 0~10%( 홍수기 ), 10~40%( 풍 수기 ), 40~60% ( 평수기 ), 60~90% 는 ( 저수기 ), 90~100%( 갈수기 ) 로 구분하였다 (Cleland, 2003).

Flow duration interval

0 ~ 10%

10 ~ 40%

40 ~ 60%

60 ~ 90%

90 ~ 100%

Table 1. Classification of Hydrologic Conditions(Cleland, 2003).

Hydrologic condition class

High flows

Moist conditions

Mid-range conditions

D ry conditions

Low flows

이 쪽은 글자로 옮기지 못했습니다. 이북에서 보기

높 은수질농도값을대표농도로구분하여오염부하량을산정한다 . 만약 하천유량에서 분리된기저유량값과 높 은수질농도값을가지고기저유출오염부하량을산정한다면 과대산정되는문제가발생 할 수있다 . 따라서본연구에서는 BFlow 를이용해분리된 직접및기저유출의비율에따라직접및기저유출에의한오염부하량을각각산정하여 과대산정되는경향을줄였다 . 수질 샘플 값을분리된하천유량에서의기저유출비율에 따라 분리하였으며 분리된 수질 샘플 값 만 을 이용해 직접 및 기저유출에 의한 오염부하량을각각산정하였다 .

Fig. 2

Estimation of pollutant load using the NI method

이 쪽은 글자로 옮기지 못했습니다. 이북에서 보기

2.4 연구대상지역

본연구의대상지역은한강수계의복하천유역 , 낙 동강수계의 금 호강중 권역,금 강수계의 갑 천중 권 역 , 섬진 / 영산강수계의요천중 권 역이다 (Fig. 3). 본연구에서 개발된 WAPLE4 는 BFlow 를이용해하천유량에서의기저유출을분리하고 NI 방법을통해 총오염부하량및직접 / 기저오염부하량을산정하는 프 로그 램 이다 . 개발된 WAPLE4 를통해 기존 BFlow 의전체모의기간에한가지 β 매개변수를적용하여하천유량에서의기저유출과 유황별로 β 매개변수를적용시 킨 하천유량에서의기저유출을비교하였다 . 하천유량에서의 기저유출을분리하기위해서는일유량자료가필요하기에우리나라의수계별 운 영중인 유량관 측 소를 조 사하였다 . 각 유역에는 한강홍수통제소 (https: // www.hrfco.go. k r / main.do) 에서 제공하는일단위유량을수 집 하여사용하였다 . 복하천유역은 흥 천대교 , 갑 천유역은 강 창 대교 , 금 호강유역은 봉 산동 , 요천유역은요천교지점의유량자료를수 집 하였다 . 또한 , 총 오염부하량 및 직접 및 기저유출에 의한 오염부하량 산정 시 환경부 물환경정 보 시 스템 (http: // water.nier.go. k r) 의총량 측정망의8 일간 격 수질자료 (T-N(mg / L), T-P(mg / L)) 를활용하였다 . 수 집 한지점명은복하천은복하천 4( 복하 A1-1), 갑 천유역은 갑 천 6( 갑 천 A), 금 호강유역은 금 호강 8( 금 호 C), 요천유역은요천 B 이다 (Table 2). T-N 항목 은 수용성으로 기저유출에 의한 오염부하량에 의해 하천유량에 합류 되며 T-P 항목 은총량관리대상물질로관리 항목 으로지정되어있어본연구에서선정하였다 .

Fig. 3 Map of the Study Area

Table 2. Name of input data station

Na k dong River

Y eongsan River

Han River Bo k hacheon River Heungcheon Bridge

G eum River G apcheon River K angchang Bridge

G umho River

Bongsandong

Y ocheon River

Y ocheon Bridge

Concentration(mg / L)

Water Environment Flood Control O ffice Information System

Bo k ha Stream 4 (Bo k ha A1-1)

G ap Stream 6 ( G ap Stream A)

G umho River 8 ( G umho C)

Y o Stream B

복하천유역의면적은 30,951.0 ha 이며농 업 지역이 약 13,683.33 ha(44.2%) 으로가 장많이차 지하고있으고산 림 지역이 약 12,547,53 ha(40.5%), 시가화건 조 지역은 약 1,715.58 ha(5.5%) 을 차 지하고있다 . 요천유역의면적은 48,666.42 ha 이며산 림 지역이 약 38,320.11 ha(78.7%) 으로가 장많 이 차 지하고있고농 업 지역이 약 7,061.94 ha(14.5%) 를 차 지하고 있다 . 또한 , 금 호강유역의면적은 209,241.6 ha 이며산 림 지역이 약 150,514.20 ha(71.9%) 으로 가 장많 이 차 지하고농 업 지역이 약 33,970.23 ha(16.2%), 시가화건 조 지역이 약 13,769.82 ha(6.6%) 으로분 석되었다.갑 천유역의면적은 64,896.3 ha 이며산 림 지역이 약 45,722.79 ha(48.4%) 으로 가장많이차 지하는 것으로 나 타났 고 시가화 건 조 지역이 약 8,719.83 ha(13.4%) 를 차 지하고있다 (Table 3, Fig. 4). 기상 청 기상자료개방 포털 (https: // data. k ma.go. k r / cmmn / main.do) 의 연구대상 유역별 연강수량을 비교 및 분 석 하였으며 이때관측 지점은 유역내 유량 , 수질자료 관 측 지점에서 인접한 방 재 기상관 측 (Automatic Weather Station, AWS) 지점으로 선정하였다 .

복하천유역의지점명은 백사,갑 천유역은오 월드,금 호강유역은서구 , 요천유역은 곡성이다 . 복하천 , 유역 , 갑 천유역 , 금 호강유역 , 요천유역모두 2022 년 도의연강우량이 2020 년 도 보 다크다 . 2020 년 도와 2022 년 도의연강우량 차 이를비교해 보 면복하천유역는 50.5 mm 로연구대상유역중가 장차 이가적게나 타났 으며 갑 천유역은 707.5 mm 로분석되었다. 또한 , 금 호강 유역은 925.5 mm, 요천 유역은 1,354.7 mm 로 2020 년 도와 2022 년 도 연강우량 차 이가 나 타났 다 (Table 4). 또한 , 오염부하지속곡선 (Load D uration Curve, L D C) 을 이용한 오염부하 특성 및 기여율 분 석 시 필요한 목 표수질 값은 환경정책기본법시 행령 에따라지점별로적용하였다 .

Urban

Table 3. Land Use Analysis in Study Areas (unit: ha, %)

Agricultu Forest Pasture re

Wetla Barren Water nd

Bo k hacheon 1,715.58 13,683.33 12,547,53 2,089.71 0 880.56 34.29 River

(5.5) (44.2)

(40.5) (6.8) (0.0) (2.8) (0.1)

G apcheon 8,719.83 5,552.19 45,722.79 2,518.20 3.33 2,037.69 342.27 River

(13.4) (8.6)

(48.4) (2.5) (0.0) (2.2) (1.3)

33,970. 150,514.20 5,606.73 165.87 2,713.68 2,5011.10 G umho 13,769.82 23 River

(6.6) (16.2)

(71.9) (2.7) (0.1) (1.3) (1.2)

Y ocheon 9,045.9 70,619.4 383,201.1 12,953.7 0 5,357.7 5,486.4 River

(1.8) (14.5)

(78.7) (2.6) (0.0) (1.1) (1.1)

(a) Bo k hacheon River

(c) G umho River

(b) G apcheon River

(d) Y ocheon River

Fig. 4 Landuse in the study area ((a) Bo k hacheon River ; (b) G apcheon River ; (c) G umho River ; (d) Y ocheon River

Bo k hacheon River

G apcheon River

G umho River

Y ocheon River

Table 4. Names of Weather Stations and Rainfall Measurements

1,585.0 mm

1,534.5 mm

1,794.0 mm

1,086.5 mm

1,366.0 mm

440.5 mm

2,235.2 mm

880.5 mm

Weather station

Bae k sa

O world

Seogu

G o k -seong

3.1 직접유출및기저유출분리및평가

Ⅲ . 결과및고찰

3.1.1 Pass별기저유출분리결과비교

본 연구에서 개발된 WAPLE 4 는 BFlow 를 이용해 하천유량에서의 직접 및 기저유출량을산정한다 . 이를위해우리나라수계별 2020 년 , 2022 년 의유량자료를활용해 하천유량에대한기저유출비 (Baseflow inde x ) 를산정하였다 . 먼 저 BFlow 의결과값인 Pass 1 ~ 3 를비교및분 석 하였다 (Fig. 5 ~ 6). 2020 년 도 , 2022 년 도의 BFlow 의 Pass 1 은모 든 유역에수문곡선하강부에분리된기저유출의첨두가위치하는경향을 보 였다 . 반면에 Pass 2 결과값은수문곡선의하강부가아 닌 상승부에분리된기저유출의첨두가 위치하는 것으로 나 타났 다 . 또한 , Pass 3 는 분리된 기저유출의 첨부가 수문곡선의 하강부에위치하지않은것으로분 석되었다. BFlow 의 Pass 1~3중 Pass 1 이수문곡선의 특 징 을나 타 내며기저유출을분리하였다고 판 단된다 . 하지 만 분리된기저유출의첨두가 수문곡선하강부의첨두에위치하기위해서는다양한수문특 징에맞게 BFlow 의 β 매개변수적용이필요하다 .

Fig. 5 Comparative Analysis of BFlow Passes 1 to 3 for 2020

Fig. 6 Comparative Analysis of BFlow Passes 1 to 3 for 2022

3.1.2 단일감수부매개변수적용에따른기저유출분리결과비교

다 음 으로 BFlow 의 β 매개변수를초기값 (0.925) 으로적용하여 2020 년 도와 2022 년 도를

비교하였다 . Table 5 은 β 매개변수를초기값인 0.925 로적용하여산정한 2020 년 , 2022 년

2 년 간의전체유량에대한기저유출비이다 . 2020 년 도 , 2022 년 도의기저유출비는복하천

유역은각각 약 59%(7.07 m / s), 60%(6.67 m / s) 으로 약 1% 정도 2022 년 도에증가한것으로

나 타났 다.갑천 유역은 2020 년 도의 기저유출비는 약 66%(27.66 m / s), 2022 년 도의

기저유출비는 51%(5.22 m / s) 로2년간약 15% 의 차 이가나는것으로분 석되었다. 또한

금 호강유역의 2020 년 도와 2022 년 도의기저유출비는각각 약 52%(29.57 m / s), 70%(13.54

m / s) 으로 2022 년 도에 약 28% 증가한 것으로 나 타났 다 . 요천 유역은 2020 년 도의

기저유출비는 약 39%(12.10 m / s) 이며 2022 년 도의기저유출비는 약 74%(6.81 m / s) 으로

2022 년 도에 약 35% 증가한것으로분 석되었다.

Table 5. Results of Pass 1 of BFlow (Applying β parameter of 0.925)

D irect runoff Baseflow D irect runoff Baseflow m / s (%) m / s (%) m / s (%) m / s (%)

Bo k hacheon River 4.97 (41) 7.07 (59) 4.49 (40) 6.67 (60)

G apcheon River 14.18 (34) 27.66 (66) 5.02 (49) 5.22 (51)

G umho River 27.37 (48) 29.57 (52) 5.81 (30) 13.54 (70)

Y ocheon River 18.57 (61) 12.10 (39) 2.44 (26) 6.81 (74)

3.1.3 유황별감수부매개변수적용에따른기저유출분리결과비교

다 음 으로 Table 6 은 BFlow 의 β 매개변수를 유황별로 적용하여 하천유량에서

기저유출비를산정 할 결과이다 . 2020 년 도 , 2022 년 도의기저유출비는복하천유역은각각

약 54%(6.51 m / s), 56%(6.22 m / s) 으로 약 2% 정도 2022 년 도에증가한것으로나 타났 다 .

갑 천 유역은 2020 년 도의 기저유출비는 약 33%(13.67 m / s), 2022 년 도의 기저유출비는

44%(4.52 m / s) 로2년간약 11% 의 차 이가나는것으로분 석되었다. 또한 , 금 호강유역의

2020 년 도와 2022 년 도의 기저유출비는 각각 약 47%(26.84 m / s), 61%(11.89 m / s) 으로

2022 년 도에 약 14% 증가한것으로나 타났 다 . 요천유역은 2020 년 도의기저유출비는 약

36%(11.06 m / s) 이며 2022 년 도의기저유출비는 약 66%(6.14 m / s) 으로 2022 년 도에 약 35%

증가한것으로분 석되었다.

Table 6. Results of Pass 1 of BFlow (Applying flow-conditions β parameter)

D irect runoff Baseflow D irect runoff Baseflow m / s (%) m / s (%) m / s (%) m / s (%)

Bo k hacheon River 5.52 (46) 6.51 (54) 4.95 (44) 6.22 (56)

G apcheon River 28.17 (67) 13.67 (33) 5.73 (56) 4.52 (44)

G umho River 30.11 (53) 26.84 (47) 7.46 (39) 11.89 (61)

Y ocheon River 19.61 (64) 11.06 (36) 3.12 (34) 6.14 (66)

BFlow 의 β 매개변수를초기값인 0.925 를적용하였을 때 분리된기저유출의첨부 값이수문곡선의하강부변곡점에나 타 나지않고과대 ( 혹 은과소 ) 산정되 었 다 . 반면에 β 매개변수를 유황별로 적용하였을 때 , 과대 ( 혹 은 과소 ) 산정되는 기저유출의 양이 줄어들고 기저유출의 첨두가 수문곡선의 하강부에 유황 특성에 맞 게 나 타났 다 . WHAT 을이용한기저유출분리연구에서는 2006 년 ~ 2010 년 간의기저유출비율은 46.4% ~ 98.2% 이다 (Choi et al., 2015). 또한 , WHAT 과 BFlow 의기저유출분리결과를비교한 연구를 보 면한강수계의 2009 년 ~2013 년까 지의기저유출비는 WHAT 의경우 42% ~ 78%, BFlow 의 경우 42% ~ 70% 이다 (Hong et al., 2015). BFlow 의 β 매개변수를 유황별로 적용하여 기저유출비를 산정한 결과 , 2020 년 도와 2022 년 도의 기저유출비는 약 33% ~66% 으로위의선 행 연구들과비교하였을 때 유의미한결과가나 타났 다고 판 단된다 .

3.2 직접유출및기저유출오염부하량산정및평가

본 연구에서 개발된 WAPLE4 는 BFlow 를 통해 산정된 하천에서의 직접 / 기저유출량과 T-N, T-P 수질값을이용하여오염부하량을구한다 . 먼 저우리나라 4 대강수계별연구대상지역의 2020 년 도와 2022 년 도의단위면적 당 T-P 오염부하량을 산정하였다 (Table 7). 2020 년 도와 2022 년 도의 복하천 유역의 단위면적 당 T-P 오염부하량은 각각 51.19 k g / ha, 28.78 k g / ha 으로 나 타났 다.이때 기저유출에 의한 오염부하량은 2020 년 도 25.28 k g / ha(49%), 2022 년 도는 15.43 k g / ha(54%) 로 전체 오염부하량은 2022 년 도에 약 22.41 k g / ha 감소하였고기저유출에의한오염부하량의 비율은 약 5% 증가한것으로분 석되었다.다음 으로 2020 년 도와 2022 년 도의 갑 천유역의 단위면적 당 T-P 오염부하량은 각각 59.63 k g / ha, 17.05 k g / ha 으로 나 타났 다.이때 기저유출에의한오염부하량은 2020 년 도 19.49 k g / ha(33%), 2022 년 도는 5.50 k g / ha(32%) 로 전체오염부하량은 2022 년 도에 약 42.58 k g / ha 감소하였고기저유출에의한오염부하량의 비율은 약 1% 감소한것으로분 석되었다. 또한 , 2020 년 도와 2022 년 도의 금 호강유역의 단위면적 당 T-P 오염부하량은 각각 26.02 k g / ha, 4.44 k g / ha 으로 나 타났 다.이때 기저유출에의한오염부하량은 2020 년 도 8.67 k g / ha(33%), 2022 년 도는 2.53 k g / ha(57%) 로 전체오염부하량은 2022 년 도에 약 21.58 k g / ha 감소하였고기저유출에의한오염부하량의 비율은 약 24% 증가한것으로분 석되었다.마지막 으로 2020 년 도와 2022 년 도의요천 유역의단위면적 당 T-P 오염부하량은각각 39.92 k g / ha, 10.64 k g / ha 으로나 타났 다.이때 기저유출에의한오염부하량은 2020 년 도 14.17 k g / ha(35%), 2022 년 도는 7.53 k g / ha(71%) 로 전체오염부하량은 2022 년 도에 약 29.28 k g / ha 감소하였고기저유출에의한오염부하량의 비율은 약 36% 증가한것으로분 석되었다.

이 쪽은 글자로 옮기지 못했습니다. 이북에서 보기

다 음 으로연구대상지역의 2020 년 도와 2022 년 도의단위면적 당 T-N 오염부하량을 산정하였다 (Table 8). 복하천유역의 2020 년 도와 2022 년 도의단위면적 당 총오염부하량은 각각 0.16 k g / ha, 0.20 k g / ha 이며 기저유출에 의한 오염부하량은 2020 년 도에는 0.10 k g / ha(62%), 2022 년 도에는 0.11 k g / ha(55%) 로분석되었다.다음 으로 갑 천 유역의 2020 년 도와 2022 년 도의단위면적 당 총오염부하량은각각 0.37 k g / ha, 0.08 k g / ha 이며 기저유출에 의한 오염부하량은 2020 년 도에는 0.12 k g / ha(33%), 2022 년 도에는 0.03 k g / ha(44%) 으로분 석되었다. 또한 , 금 호강유역의 2020 년 도와 2022 년 도의단위면적 당 총 오염부하량은 각각 0.10 k g / ha, 0.04 k g / ha 이며 기저유출에 의한 오염부하량은 2020 년 도에는 0.05 k g / ha(55%), 2022 년 도에는 0.02 k g / ha(57%) 으로분 석되었다.마지막 으로 요천유역의 2020 년 도와 2022 년 도의단위면적 당 총오염부하량은각각 0.13 k g / ha, 0.05 k g / ha 이며기저유출에의한오염부하량은 2020 년 도에는 0.05 k g / ha(36%), 2022 년 도에는 0.03 k g / ha(61%) 으로 분석되었다. 하지 만 총량 측정망은 강우시 수질 항목 의 측 정이 어 렵 다는한계가있어수용성인 T-N 의오염부하량이연강우량이 많 은 2020 년 도에크게 산정되지않 았 다고 판 단된다 .

이 쪽은 글자로 옮기지 못했습니다. 이북에서 보기

3.3 오염부하지속곡선도출결과

본연구에서개발된 WAPLE 4 에서는직접및기저유출량및직접및기저유출에

의한 오염부하량을 이용해 오염부하지속곡선을 제공한다 . 우리나라 4 대강 수계 별

연구대상지역의 T-P 의 목 표수질은환경정책기본법시 행령 기준 ( 환경기준제 2 조 ) 하천

생활환경기준인다 음 Table 9 과 같 으며이를이용해유역별오염부하지속곡선을비교

및분 석 하였다 . 복하천은한강수계의 남 한강하 류 중 권 역기준으로 T-P 의 목 표기준은

0.04 mg / L 이하이며 갑 천유역은 0.3 mg / L 이하 , 금 호강유역은 0.2 mg / L 이하이며요천

유역은 0.04 mg / L 이하이다 . Fig. 7 과 Fig. 8 을 보 면복하천유역 , 갑 천유역 , 금 호강유역

요천유역의 WAPLE 4 의결과에 목 표수질을적용해수질 항목 별LDC 를생성하였다 .

L D C 를기준으로상반부에있는자료는수질기준을초과 했음 을나 타 내고하반부에

있는자료는수질기준을 만족 한것으로분 석 된다 .

Table 9. Target T-P Concentration

Bo k hacheon River

G apcheon River

G umhogang River

Y ocheon River

Target T-P (mg / L)

0.04 or less

0.3 or less

0.2 or less

0.04 or less

Fig. 7 T-P load duration curve for 2020

Fig. 8 T-P load duration curve for 2022

Ⅳ . 결론

본연구에서는유황별감수부특성을고려한직접유출및기저유출분리와각 유출에 대한 오염부하량 산정이 가능한 WAPLE 4 시 스템 을 개발하였다 . WAPLE 4 에서는 BFlow 의 Pass 1 ~ 3 결과중수문곡선하강부에서분리된기저유출의첨두가 위치하는 Pass 1 값을사용한다 . 감수부에큰영향을주는 BFlow 의 β 매개변수는 사용자에의해시 스템 내유황별로 입력 되어직접유출및기저유출분리가가능하도 록 하였다 . 또한직접및기저부구간의수질자료를이용한 NI 방법기반의오염부하 산정과오염부하지속곡선도출이가능하도 록 하였다 . 개발된 WAPLE 4 는 4 대강수계총 4 개유역 ( 복하천 ,갑천,금 호강 , 요천 ) 을대상으로강우특성이다른총 2 년 (2020 년 , 2022 년 ) 동안의 직접유출 및 기저유출 분리와 각 유출에 의한 오염부하량 산정에 사용되 었 으며 , 각유출및오염부하산정결과비교분 석 을통해 WAPLE 4 에대한 적용성을평가하였다 . 본연구의주요결 론 은다 음 과 같 이요 약 하였다 .

1) 4 개유역을대상으로 BFlow 의결과인 Pass 1 ~ 3 에따른기저유출분리결과를 비교분 석 한결과 , Pass 2 는수문곡선의상승부에기저유출첨두가위치하는것으로 분석되었다. 또한 Pass 3 을 통해 분리된 기저유출의 첨두가 수문곡선의 하강부에 위치하지않는것으로분 석되었다. 반면 4 개유역에서 Pass 1 을통해분리된기저유출의 첨두가수문곡선의하강부에위치하는양상을 보 이는것으로나 타 나 Pass 1이4개 유역에서의수문곡선의특 징을잘나타 내며기저유출을분리하였다고 판 단된다 .

2) 기존 BFlow 을이용해하천유량에서기저유출을분리 할때 전체기간에 β 매개변수를적용한기저유출비는 39% ~ 74% 로 2022 년도보다 2020 년 도에연강우량이 많 다는것을 충 분히적용하지 못 한결과라고 판 단되 었 다 . 반면에 WAPLE 4 를통해 BFlow 의 β 매개변수를유황별로적용하여하천유량에서의기저유출을산정하였을 때 는 2020 년 도의 기저유출비 33% ~ 54% 로 2020 년 도의 연강우량을 반영한 결과로 산정되 었음 을확인하였다 .

3) 연강우량이 많 은 2020 년 도에 T-P 의오염부하량은 26.02 k g / ha ~ 59.63 k g / ha 로 나 타났 으며 T-N 의오염부하량은 0.10 k g / ha ~ 0.37 k g / ha 로분 석되었다. 하지 만8일간격의 총량 측 정 망 은강우시 수질 항목 의 측 정이어 렵 다는 한계가있어 수용성인 T-N 의 기저유출에 의한 오염부하량이 연강우량이 많 은 2020 년 도에 크게 산정되지 않 았 다고 판 단된다 .

우리나라는 몬 순기후로인한강우 집 중및도시화로인한불투수층이증가하며 이에 따라 4 대강 수계의 유역이 직접유출비와 기저유출비가 약 20% 내 외 차 이를 보 였다 . 또한분리된기저유출에의한 T-P 오염부하량은 약 32% ~ 72%, 기저유출에 의한 T-N 약 33% ~ 67% 로적지않은것으로분 석되었다. 따라서본연구에서개발된 WAPLE 4 는우리나라의유역별유황별감수부특성을고려한직접유출및기저유출 분리 뿐만 아 니 라각유출에따른오염부하량정량화에 충 분히활용이가능 할 것으로 보 인다 . WAPLE 4 를이용한유출및오염부하량결과는국가적 차 원에서효율적인하천 관리에도움을줄것으로기대된다 . 하지 만보 다정확한유역의특성및우리나라기후 특성을고려한직접유출및기저유출분리를위해서는유황별이 외 에계 절별,월별, 강우이 벤트 별 BFlow 의 β 매개변수 산정 기술 개발이 필요하다 . 또한 , 현재 우리나라에서는 비점오염관리지역 내 비점오염물질로 인한 수질오염을 효과적으로 관리하기위한다양한비점오염저감계 획 과저감사 업 등이 추진 되고있다 . 향후 WAPLE 4 는 유역별 유출 및 오염부하 정량화를 통해 효율적인 유역의 수질관리를 위한 저감대책효과를평가하는데에도유용하게활용이가능 할 것으로 보 인다 .

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