농업비점오염원 관리를 위한 HSPF 및 WHAT 연계 기저유출 부하량 분리기법 개선 :Improvement of baseflow load separation method in linking HSPF with WHAT for agricultural NPS management

최무진

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자료유형: 학위논문

저자정보: 최무진 (공주대학교, 공주대학교 일반대학원)

지도교수: 김이형

발행연도: 2020

저작권: 공주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2021

농업비점오염원 유래 기저유출 오염물질 식별 및 오염부하량의 정량적 평가

최무진 , 신우진 , 김이형 대한지질학회 학술대회 2021.10 학술대회자료

2020

농업비점오염원 관리를 위한 HSPF 및 WHAT 연계 기저유출 부하량 분리기법 개선

최무진 건설환경공학과 2020.01 학위논문

2017

다변량분석법을 이용한 주원천 유역 비점오염원 유출특성 분석

최무진 , 이철구 , 홍선화 외 2명 대한환경공학회 학술발표논문집 2017.11 학술대회자료

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NPS (Nonpoint Source)오염에 따른 토양 침식과 영양염류의 유입으로 인해 수질악화와 심각한 부영양화가 발생하고 있다. 특히, 기저유출로 유입되는 오염원은 관찰이 불가능하고 직접 측정하기 어렵다. 하천유량에서 기저유출은 분리하는 수문 관련 연구는 많이 수행되었지만 수질 관련 연구는 아직 미흡한 상태이다. 본 연구에서 기저유출 NPS 오염부하를 산정하기 위한 새로운 통합방법을 개발하였다. 연구 대상지는 금강수계의 대청호 중심부에 위치한 서화천 유역에서 수행하였다. 새로운 통합방법은 대수층 특성을 고려하여 기저유출 분리를 수행하며, 기저유출 수질은 강우유출 전 또는 후의 수질로 고정하여 산정한다. 통합방법의 정확성을 평가하기 위해서 강우유출수와 유역 규모의 적용을 수행하였다.
강우유출수 적용 결과는 기저유출 NPS 오염부하를 산정함에 있어 기존의 방법보다 BOD, TSS, TN, TP가 13.1%, 37.0%, 1.5%, 19.5% 이상 정확한 산정이 가능하였다. 또한, NPS TN 부하는 기저유출을 통해서 하천으로 유입되는 부분이 크며, TSS 및 TP는 직접유출을 통해 유입되는 부분이 큰 것으로 분석되었다. 본 연구의 결과는 TMDL (Total Maximum Daily Load)에서 NPS 관리를 위해 기저유출 분리를 통해 기저유출 및 직접유출을 각각 관리하는 것이 필요하다는 것을 제시하였다. 또한, 대수층 특성을 반영하여 기저유출 분리의 정확성을 개선할 수 있으며, 기저유출 수질을 적용하기 위해서 강우유출 전 또는 후의 수질 모니터링이 필요하다는 것을 제시하였다.
유역 규모 적용을 위해 연구에 가장 적합한 HSPF 모델을 사용하였다. 서화천 유역의 건기시는 전반적으로 만족스럽게 모의되었지만 강우시 강우유출수의 첨두 유량 및 수질 모의는 불확실성이 큰 것으로 평가되었다. 5년 (2014-2018) 평균 BFI (Baseflow Index)는 0.537로 산정되었다. NPS BOD 및 TP, PO4-P는 기저유출 보다 직접유출을 통해서 하천으로 유입되는데, 수질 농도가 낮기 때문에 하천에 영향이 크지 않은 것으로 판단된다. 기저유출 NPS TN 및 NO3-N 기여율은 연평균 0.75 및 0.49로 많은 부분을 차지하고 있다. 따라서, 서화천 유역의 NPS를 관리하기 위해서 기저유출로 배출되는 고농도 영양염류인 N의 제어가 필요하며, 효율적인 관리를 위해 7-10월에 집중적으로 유기물 및 무기물의 종합적인 관리가 필요하다.

Due to soil erosion and nutrient influx caused by nonpoint source (NPS) pollution, water quality deterioration and severe eutrophication occur. In particular, pollutants from the baseflow cannot be observed and are difficult to measure directly. A lot of studies have been conducted on hydrology to separate baseflow from streamflow, but studies on water quality are still insufficient. In this study, a new integrated method for estimating the baseflow NPS pollutant load was developed. The study area was located in the Seohwa Stream Watershed at the center of the Daecheong Lake, South Korea. The new integrated method performs baseflow separation considering the aquifer characteristics. The baseflow water quality was calculated by identifying pollutant concentrations before or after rainfall events. In order to evaluate the accuracy of the integration method, it was applied to rainfall-runoff and watershed scale.
Based on the result of rainfall-runoff application, BOD, TSS, TN, and TP were 13.1%, 37.0%, 1.5%, and 19.5%, respectively, more accurate than conventional methods in estimating the baseflow NPS pollutant loads. Moreover, it was observed that the NPS TN load has a large portion flowing into the stream through the baseflow, whereas larger portions of TSS and TP were derived from direct runoff. The results of this study suggested that it is necessary to manage the baseflow and the direct runoff separately in order to regulate NPS in the total maximum daily load (TMDL). Generally, the, the accuracy of the baseflow separation can be improved by considering the aquifer characteristics. It is necessary to monitor the water quality before or after rainfall events to determine pollutant concentrations in the baseflow.
For the watershed scale application, the most suitable HSPF model was used. Overall, the results of the dry season simulation in Seohwa Stream Watershed were satisfactory, but the peak flow and water quality simulations of rainfall-runoff during rainfall events were found to have great uncertainties. The average baseflow index (BFI) for 5 years (2014-2018) was 0.537. NPS BOD, TP, and PO4-P flow were mainly deposited in the stream through direct runoff rather than baseflow. Further analyses suggest that the direct runoff have negligible impacts on stream quality due to low pollutant concentrations. On the other hand, baseflow accounted for a large portion of annual NPS loads for TN (75%) and NO3-N (49%). In order to manage NPS pollution in the Seohwa Stream Watershed, it is therefore necessary to limit the nitrogen concentrations discharged through the baseflow. Furthermore, intensive management of organic and inorganic substances is recommended, especially during the months of July to October.

#NPS #EMC #Baseflow #Baseflow Water Quality #Pollutant Load #HSPF

제1장 서 론 1
제2장 문헌연구 8
2.1 기후변화에 따른 NPS 영향 8
2.1.1 기후변화의 영향 8
2.1.2 4대강의 수질 변화 11
2.1.3 한국의 NPS 연구 현황 13
2.1.4 한국의 NPS 관리 규정 15
2.1.5 농업지역 NPS 관리의 필요성 15
2.2 기저유출 분리 24
2.2.1 기저유출 (Baseflow) 24
2.2.2 기저유출의 환경영향 27
2.2.3 기저유출 분리 방법 30
2.2.4 기저유출 부하량 산정방법 44
2.3 유역모델링 50
2.3.1 유역모델 50
2.3.2 HSPF 모델의 개요 53
제3장 연구 방법 63
3.1 연구대상지역 63
3.2 강우유출수의 기저유출 비점오염부하 정확도 개선 방법 66
3.2.1 강우유출수 모니터링 67
3.2.2 기저유출 분리 방법 69
3.2.3 기저유출 NPS 오염부하 산정 방법 71
3.3 HSPF를 이용한 농업유역의 기저유출 비점오염원 모델링 73
3.3.1 HSPF 모델 구축 73
3.3.2 모델 정확성 평가 76
제4장 결과 및 고찰 78
4.1 강우유출수의 기저유출 비점오염부하 정확도 개선 방법 78
4.1.1 강우유출수 모니터링 현황 78
4.1.2 강우유출수의 BFImax 분석 80
4.1.3 강우유출특성 83
4.1.4 기저유출 및 직접유출 EMC 85
4.1.5 기저유출 NPS 오염부하 기여율 88
4.2 HSPF를 이용한 농업유역의 기저유출 비점오염원 모델링 90
4.2.1 매개변수 보정 90
4.2.2 강우유출수 보정 93
4.2.3 건기시 보정 및 검정 97
4.2.4 기저유출 분리 103
4.2.5 기저유출 NPS 부하 산정 105
제5장 결 론 110
5.1 강우유출수의 기저유출 비점오염부하 정확도 개선 방법 110
5.2 HSPF를 이용한 농업유역의 기저유출 비점오염원 모델링 111
5.3 종합 결론 및 향후 연구 제안 113
Reference 115
국 문 초 록 124
Abstract 126

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