2.1. CAMEL 모델개요

분포형 유역모델 CAMEL은 소규모 유역에 적용하여 지 표수, 중간류, 지하수 유동을 통한 물과 오염물질의 이동 및 물질수지를 분석할 수 있도록 개발(^{Koo et al., 2005})되 었으며, 현재는 하이드로코어 유역환경연구소에서 계속적인 개선을 수행하고 있다. CAMEL은 대상 유역을 임의 크기 의 정방형 격자기둥으로 분할하고 각 격자기둥에서의 물질 수지를 1시간 이내의 시간간격으로 계산한다. 각 정방형 격자기둥은 수직 방향으로 토양층과 상하부 대수층으로 구 분되며 상부대수층은 지하수의 유동 속도가 큰 풍화대를 표현하고, 하부대수층은 지하수 유동 속도가 낮은 1차 또 는 2차 절리층을 표현한다(^{Koo et al., 2005}). 모델에서는 직육면체 형태의 개별적 격자기둥 구조를 셀(cell)이라고 정 의한다. 하나의 셀은 최대 8개의 인접 셀을 가질 수 있으 며, 그중 다수의 상류 셀과 1개의 하류 셀을 갖는다. 셀 중 앙에는 직사각형 단면의 하천 또는 원형, 사각의 우하수관 거 등의 물길이 존재하는 것으로 가정한다.

CAMEL에서 강우 또는 지표수의 토양침투 과정은 우리 나라의 집중적 강우현상을 감안하여 물리적 기반의 접근방 법인 Green-Ampt 방정식(^{Green and Ampt, 1911})의 Mein- Larson 변형식(^{Mein and Larson, 1973})을 이용하여 산정한 다. 또한 지표수의 유동은 정상류(steady flow)로 해석하며, 지하수의 유동은 2차원 동력학적으로 해석한다. 토양 유실 및 이동 과정을 모의하기 위해 유사는 입도에 따라 clay (유효입경 1 μm), silt (유효입경 10 μm), fine sand(유효입경 100 μm) 및 coarse sand (유효입경 1000 μm)로 구분하며, 육상(interrill), 릴, 하천 3개의 유사 저장소를 정의한다. 그 리고 토양, 지표수, 지하수 내 질소의 변환과 이동에 대한 모의를 위해 litter(주로 잎, 뿌리 등 식물의 잔재물), manure (주로 가축의 배설물), humus(매우 안정되어 있는 유기물), biomass(유기물 분해 역할을 담당하는 미생물군)의 4개 유 기물 저장소와 2개의 무기질소 저장소(NH₄ 및 NO₃)를 정 의한다. 각 저장소로부터의 질소 변환은 C/N 비율에 따라 탄소 변환의 일부분으로서 발생한다. 식생에 의한 흡수, 암 모니아 휘발, 질산화, 탈질화 등의 과정은 1차 방정식으로 표현되며, 이들 방정식은 4th-order Runge-Kutta 기법을 이 용하여 해석된다. 이 밖에 비료 시비, 대기 낙하, 토양미생 물에 의한 질소 고정 등은 사용자에 의해 상수로 주어진다. NO₃-N은 물과 함께 이동하며, NH₄-N은 물 또는 퇴적물에 흡착된 상태로 이동하는 것으로 가정된다. CAMEL의 주요 모의 기능은 Table 1과 같다.

2.2. 모델구축

본 연구의 시험유역은 충청북도 보은군 산외면 백석리에 위치하며, 보은천은 보은군 내속리면 사내리 속리산에서 발 원하여 남한강으로 흘러 들어가는 달천의 지류에 해당한다. 유역면적은 약 114 ha이며, 남쪽에서 북쪽으로 흐르는 주 요 하천에 인접하여 농경지와 축사가 분포해 있는 전형적 인 농축산 지역의 특성을 보인다(Fig. 1).

Fig. 1. The land use of the study area.

연구지역에 대한 유역모델 구축을 위해 수치지도, 지적 도, 토양도, 지질도 등의 환경자료를 수집하고 GIS 분석을 실시하였다. 분석을 통해 환경자료별 50 m × 50 m 크기의 raster 형식의 파일을 생성하였으며, 이를 ASCII 형식으로 변환하여 CAMEL 모델의 공간 입력 자료를 생성하였다. 연구지역의 유역 경계는 1:5,000 수치지도로부터 고도자료 를 추출하고 이를 이용하여 흐름 방향도(flow-direction)와 흐름 누적도(flow-accumulation)를 생성하여 설정하였다(Fig. 2(a), (b)).

Fig. 2. Topographic analyses for the study area using 50 m × 50 m grid cells.

동일한 수치지도를 이용하여 시험유역의 지형을 분석하 였으며, 최대 고도는 560 m, 최소 고도는 275 m이며, 최대 경사는 32°, 최소 경사는 1.3°로 분석되었다(Fig. 2(c), (d)). 토성은 국립농업과학원에서 제공하는 1: 25,000 축척의 정 밀토양도를 이용하여 분석하였으며, 시험유역은 미사질양토 (Silt loam)가 96.9 %로 대부분을 차지하고 있으며, 유역 하 류의 하천을 따라 양토(Loam)가 3.1 %를 차지하는 것으로 분석되었다.

토지이용현황은 시험유역의 지적도를 이용하여 분석하였 으며, 현장답사를 통해 작물재배 현황을 상세히 조사하여 지적도상 달리 분포하고 있는 논과 밭의 면적을 수정하였 다. 모델에 입력한 토지피복현황을 분석한 결과 산림이 전 체 유역의 약 66 %로 가장 많이 분포하는 것으로 나타났 다. 농경지 면적은 약 21 % 차지하며, 이 중 밭과 논이 각 각 약 16 %, 5 %로 분포하는 것으로 나타났으며, 주거지는 약 3 %, 축사부지는 약 1 %를 차지하는 것으로 분석되었 다. 시험유역의 밭에는 인삼, 고추, 고구마, 깨, 담배, 대추, 사과, 콩, 옥수수 등을 재배하고 있으며, 이 중 콩 재배율 이 유역 내 밭 면적의 약 69 %로 가장 많은 면적을 차지 하는 것으로 나타났다. 시험유역에는 5개의 한우축사가 운 영되고 있으며, 이들 축사에서 총 100여 마리의 한우를 사 육하고 축사에서 발생하는 축산분뇨는 인근의 농경지에 퇴 비의 형태로 시비되고 있는 것으로 조사되었다. 축산활동에 의한 토양과 지하수에서의 질소의 영향을 모델에 반영하기 위해 수질오염총량관리기술지침(^{NIER, 2014})에서 제시하고 있는 축산분뇨 발생부하원단위를 이용하여 축산계 발생부 하량을 산정하였으며, 이를 직접이송, 농지전환량, 개별삭감 등으로 세분화하여 배출유형에 따라 모델에 입력하였다. 시 험유역의 축사에서 환경기초시설로의 직접이송량은 없는 것으로 조사되었다. 시험유역 내 축사에서의 총 축산계 발 생부하량은 TN 11,797 g/day로 산정되었다. 수질오염총량 관리기술지침에서는 축산계 발생부하량 중 TN의 경우 20 %가 자원화 과정에서 손실되는 것으로 제시하고 있다. 본 연구에서는 자원화 과정의 손실량을 해당 자원화 부지에서 비점오염 형태로 유출되는 것으로 가정하고 이를 모델에 반영하였다. 이와 함께 축산계 발생부하량 중 농지전환에 해당하는 80 %는 각 축사별로 가축분뇨를 퇴비화하여 시용 하는 농경지 위치를 현장 조사하여 이를 모델의 해당 격자 에 입력하였으며, 가축분뇨를 퇴비화하여 시용하는 농경지 이외의 다른 농경지의 퇴비량 및 유역 내 농지에서 사용되 는 화학비료의 양은 작물별 표준시비량(^{NAS, 2006})을 기준 으로 입력하였다.

한편, 시험유역에서는 처리시설이 없이 각 가정에서 개별 배출의 형태로 생활계 오염원이 배출되고 있는 것으로 조 사되었으며, 시험유역에서의 생활계 배출부하량은 전국오염 원조사를 이용하여 산정하였으며 유량 12 m³/day, TN 723 g/day로 산정되어, 이를 모델에 입력하였다.

기상 자료는 기상청에서 운영 중인 보은, 청주 지상기상관 측지점과 하판 방재기상관측지점(Automatic Weather Station, AWS)에서 2014년 1년간 1시간 단위로 관측한 자료를 수 집하여 생성하였다. 기온, 상대습도, 풍속, 현지기압은 보은 관측소 자료를 이용하였으며, 일사량과 강우량은 각각 청주 관측소와 하판 관측소에서 관측한 자료를 이용하여 모델 입력자료를 생성하였다.

2.3. 하천 유량 및 수질 모니터링

모델 보정 및 검정을 위한 유량과 수질 자료를 확보하기 위하여 2014년에 시험유역의 말단에서 총 3회의 강우사상 에 대한 유량 및 수질 모니터링을 실시하였다. 1차 조사는 8월 17일~ 8월 20일, 2차 조사는 9월 23일~ 9월 26일, 3차 조사는 10월 19일~ 10월 24일 기간 동안 실시하였으며, 총 42개 시료에 대한 수질분석을 실시하였다.

1차 조사 시 총 강우량은 63.5 mm로 강우시작 약 9시간 동안 약 40 mm 이상의 집중강우가 발생하였으며, 이후 시 간당 최대 8 mm의 강우가 지속되었다. 수위는 35 cm ~ 60 cm, 유량은 0.013 m³/sec ~ 0.450 m³/sec, NO₃-N 농도는 3.584 mg/L ~ 4.037 mg/L의 범위를 보이는 것으로 조사되 었다. 2차 조사 시 총 강우량은 74.5 mm로 강우시작 이후 지속적으로 강우가 유지되었으며, 수위는 36 cm ~ 59 cm, 유량은 0.012 m³/sec ~ 0.893 m³/sec, NO₃-N 농도는 1.676 mg/L ~ 3.851 mg/L의 범위를 보이는 것으로 조사되었다. 3 차 조사 시 총 강우량은 111.0 mm로 5일 동안 두 번의 강 우사상이 발생하였으며, 수위는 38 cm ~ 66 cm, 유량은 0.050 m³/sec ~ 2.051 m³/sec, NO₃-N 농도는 2.452 mg/L ~ 3.904 mg/L의 범위를 보이는 것으로 조사되었다.

3.1. 모델 보정 및 검정

시험유역의 말단에서 2014년 발생한 총 3차의 강우사상을 대상으로 관측한 하천유량, NO₃-N 농도를 이용하여 모델을 보정하였다. 모델의 모의기간은 2014년 1월 1일~ 2014년 12 월 31로 설정하였으며, 매개변수의 보정은 시행착오법을 이용하였다. 실측값과 모의값의 오차 정도에 따른 모델 예 측 정확도는 결정계수 R² (coefficient of determination)와 PBIAS (Percent bias)를 사용하여 평가하였다. R²는 1.0에 가까울수록 모의치가 실측치의 경향을 잘 반영하는 것으로 판단하며, PBIAS는 관측치와 모의치의 총량 차이를 평가하 는 것으로서 0에 가까울수록 좋다. 일반적으로 R²가 0.5 이 상이면 모델이 관측치를 만족스러운 수준으로 재현하는 것 으로 알려져 있다(^{Santhi et al., 2001}, ^{Van et al., 2003}). 또 한 ^{Moriasi et al. (2007)}은 월단위 모의 결과를 기준으로 PBIAS가 하천유량의 경우, ±10% 보다 작으면, 매우좋음, ±15% ~ ±25%이면 만족의 수준이며, 질소, 인의 경우 25% 이하이면 매우좋음, 25 ~ 40 %이면 좋음, 40 ~ 70 %이면 만 족의 수준을 나타낸다고 제시하였다(Table 2).

시험유역에서의 모의유량과 관측유량의 R² 값은 각 강우 사상별로 0.79, 0.93, 0.67로 산정되었으며, PBIAS는 2.8 %, 23.2 %, 35.2 %로 산정되었다(Table 3). 앞에서 제시된 기준 에 따르면, 유량보정 결과 R² 0.5 이상으로 모의치가 관측 치의 수준을 잘 재현하는 것으로 나타났으며, PBIAS의 경 우, ^{Moriasi et al. (2007)}가 제시한 기준의 범위가 월단위 모의결과이고, 본 연구에서의 모의값이 시단위 결과임을 감 안할 때 모의결과가 만족할 수준의 범위로 평가되며, 모의 유량이 관측유량에 대한 기저유량 크기와 첨두유량의 크기 및 시간을 합리적으로 재현하는 것으로 판단된다(Fig. 3).

Fig. 3. Observed and simulated stream flow discharges at the watershed outlet.

총질소 농도의 모의치와 관측치의 R² 값은 각 강우사상별 로 0.40, 0.57, 0.58으로 산정되었으며, PBIAS는 44.3 %, 22.3 %, 11.3 %로 범위로 산정되었다. 또한 질산성질소 농도 의 모의치와 관측치의 R² 값은 각 강우사상별로 0.43, 0.65, 0.58으로 산정되었으며, PBIAS는 1.8 %, 6.6 %, 24.2 %로 범위로 산정되었다(Table 3). 총질소 및 질산성질소 농도 보 정 결과, 모의결과가 시단위 결과임을 감안할 때 전반적으로 모의치가 관측치의 기저값과 유사하고 관측치의 변화 경향 성을 합리적으로 재현하는 것으로 판단된다(Fig. 4, 5).

Fig. 4. Observed and simulated T-N concentrations at the watershed outlet.

Fig. 5. Observed and simulated NO3-N concentrations at the watershed outlet.

3.2. 물질수지 분석

3.2.1. 물수지 분석

연구지역에서의 2014년 모의 결과를 이용하여 연간 물수 지 분석을 수행하였다. 시험유역에서의 2014년 연 강우량 1,018.0 mm 중 수관에 의한 강우차단량 9.9 %를 제외한 916.9 mm는 토양 표면에 도달하는 것으로 분석되었다. 증 발산량은 연 강우량 중 약 43.0 %를 차지하며, 시험유역에 서 하천으로 유출되는 유량은 약 539.2 mm로 이중 지표면 을 통해 114.9 mm가 유출되었으며 중간류 유출량이 424.3 mm인 것으로 분석되었다. 지하 대수층에서 하천으로 유입 하는 유량은 약 8.4 mm로 비교적 적은 것으로 분석되었는 데 이는 연구대상 유역이 상류이며 평상시 건천이기 때문 일 것으로 판단된다. 토양에서 대수층으로의 침출량은 연간 약 33.9 mm인 것으로 분석되었다. 그리고 유역에서의 저 류량은 강우량 대비 연간 약 1.9 mm 감소한 것으로 분석 되었다(Table 4).

Table 4. Annual water balance of the study area for 2014

Component	Water Balance
	(mm)	(%)
Rainfall	1,018.0	100.0
Evapo-transpiration	437.9	43.0
Stream discharge	539.2	53.0
Groundwater discharge	8.4	0.8
Aquifer Recharge	33.9	3.3
Storage change	-1.9	-0.2

모의결과의 강우유출량 공간분포를 분석하였으며, 시험유 역에서 연간 발생한 지표유출, 중간류 유출, 지하침투량, 지하수 하천유출량을 모델에서 구축한 공간 단위인 50 m × 50 m 크기의 격자로 표출하였다. 시험유역에서 대부분의 강우유출은 흐름누적이 큰 곳에서 상대적으로 많이 발생하 는 것으로 분석되었다(Fig. 6).

Fig. 6. Estimated hydrologic processes across the study area for 2014 (mm/yr).

3.2.2. 질소수지 분석

시험유역에 대한 모의결과, 2014년 1년 동안의 질소 유 입량은 120.3 kg N/ha/yr, 유출량은 109.6 kg N/ha/yr로 산 정되었으며, 토양과 대수층에 10.7 kg N/ha/yr이 축적되는 것으로 분석되었다. 질소 유입량 중 식생잔재물이 34.9 kg N/ha/yr로 가장 큰 비중을 차지하며, 퇴비와 화학비료 유입 량은 각각 35.7 kg N/ha/yr, 11.2 kg N/ha/yr를 차지하는 것 으로 산정되었다(Table 5). 시험유역의 질소 유출량 중에서 는 식생 흡수가 39.5 kg N/ha/yr로 가장 큰 비중을 차지하 며, 토양과 대수층에서 암모니아 휘산 및 탈질 작용을 통 해 대기 중으로 배출되는 질소량은 각각 10.3 kg N/ha/yr 30.2 kg N/ha/yr, 하천을 통해 유역 밖으로 유출되는 질소 량은 29.5 kg N/ha/yr인 것으로 분석되었다. 토양에서 지하 로 이동하는 질소 지하 침출량은 연간 약 45.9 kg N/ha/yr 로 산정되었다. 이상의 결과는 ^{Kyllmar (2004)}이 수행한 선 행 연구결과 중 질소의 지하 침출량 범위 내에 포함되는 수치이다. ^{Kyllmar (2004)}는 스웨덴 지역 농경지 질소 지하 침출량을 19.0 ~ 81.0 kg N/ha/yr로 분석한 바 있다.

Table 5. Estimated nitrogen mass balance for the study area for 2014

	Process		Amount (kg N/ha/yr)
Input	Plant Residue		34.9
	Livestock Manure		35.7
	Chemical Fertillzer		11.2
	Livestock Excretion		19.3
	Atm. Dry Deposition		6.9
	Atm. Wet Deposition		10.1
	Point Source Discharge		2.3
	Sub-Total		120.3
Output	Ammonia volatillzation		10.3
	Denitrification		30.2
	Plant uptake		39.5
	Stream Outflow	NH4-N	3.3
		NO3-N	20.8
		DON	5.4
		PIN	0.0
	Sub-Total		109.6
Mass Balance			10.7

한편, 유역에서 질소의 변환과정을 살펴보면, 식생 잔재 물, 퇴비, 부식질, 미생물 등으로 인한 질소 분해량은 97.5 kg N/ha/yr로 산정되었으며, 토양과 대수층에서의 질산화는 51.5 kg N/ha/yr인 것으로 산정되었다(Table 6).

Table 6. Estimated nitrogen transformation processes within the study area for 2014

Nitrogen Transformation Process		Amount (kg N/ha/yr)
Plant uptake		39.5
Decomposition of plant residue		29.4
Decomposition of manure		38.2
Decomposition of humus		7.3
Decomposition of microbes		22.5
Humification		7.0
Biosynthesis		22.5
Nitrification	Soil	46.6
	Aquifer	4.9
Ammonia volatilization	Soil	9.3
	Aquifer	1.0
Denitrification	Soil	21.9
	Aquifer	8.2

토양과 지하수에서의 질산성질소 이동량에 대한 모의결 과, 토양에서 지하수로 이동하는 양과 지하수에서 하천으로 이동하는 양은 흐름누적이 큰 격자에서 상대적으로 큰 것 으로 분석되었다. 특히, 토양에서 지하수로의 질산성질소 침출량은 축사부지, 논, 밭 등에서 상대적으로 크게 나타났 다(Fig. 7). 그러나, 이와 같은 질소수지 분석결과는 1년이 라는 단기간에 대한 모의결과를 바탕으로 분석한 것으로서 당해년도의 기후에 의해 크게 영향 받을 수밖에 없으므로, 평균적 또는 안정적 질소수지를 분석하기 위해서는 다년간 에 걸친 모델 입력자료와 모니터링 자료를 추가적으로 확 보해야 할 것으로 사료된다.

Fig. 7. Estimated nitrate transport processes within the study area for 2014.

3.3. 오염원별 기여율 평가

시험유역에서 연간 질산성질소의 지하침출량은 33.0 kg N/ha/yr로 산정되었다. 토지이용형태별 연간 단위면적당 질 산성질소 지하침출량은 논 187.0 kg N/ha/yr, 밭 90.8 kg N/ha/yr, 축사부지 1,042.6 kg N/ha/yr, 기타 0.4 kg N/ha/yr 로서 축사부지에서의 단위면적당 질산성질소의 지하침출량 이 매우 높은 것으로 분석되었다.

유역 내에서 개별 오염원이 질산성질소 지하침출량에 기 여하는 기여율을 평가하기 위해 시나리오를 구성하고 모의 를 수행하였다. 시나리오 1은 축사부지에서 비점오염부하 유출이 없을 경우, 시나리오 2는 농경지에 화학비료를 시 용하지 않는 경우, 시나리오 3은 농경지에 퇴비를 시용하 지 않는 경우를 가정하였으며, 시나리오 모의결과를 분석하 여 질산성질소 지하침출량에 대한 축사시설, 화학비료, 퇴 비의 기여율을 각각 산정하였다.

2014년 1년의 모의기간에 대한 시나리오 분석 결과, 축사 부지에 의한 질산성질소 지하침출량 기여율은 약 0.2 %로 산정되었다. 화학비료의 질산성질소 지하침출량 기여율은 약 0.8 %로 산정되었으며, 퇴비의 질산성질소 지하침출량 기여율은 약 0.5 %로 산정되었다. 시나리오 분석결과를 종 합해 보면, 축사부지, 화학비료 및 퇴비시용에 따른 토양에 서의 질산성질소 지하침출량 기여율 중 화학비료의 기여율이 상대적으로 가장 큰 것으로 분석되었으며, 단위면적당 질산 성질소 지하침출량은 축사부지에서 가장 크게 나타났지만 시 험유역에서 차지하는 면적이 농경지 약 23.8 ha, 축사부지 약 1.0 ha로 전체 면적에서 차지하는 비율이 각각 20.9 %, 0.9 %로 크지 않기 때문에 상대적 기여율은 크지 않은 것으 로 분석되었다. 또한 모의기간인 2014년 1년동안 비료 등을 투입하지 않았을 때 토양에서 지하수로 이동하는 질산성질소 침출량의 변화량에 따라 산정된 기여율이며 모의 기준년 이 전에도 토양 내부에 축적되어있는 질산성질소가 존재하며 이 축적량이 질산성질소 지하침출량 기여율의 상당부분을 차지 할 것으로 판단된다. 이 시나리오 분석결과는 1년이라는 단 기간에 대한 모의 결과로서, 축사의 규모, 유역 내 농경지의 면적, 화학비료 및 퇴비의 시용량, 토양의 특성 등에 따라 그 결과가 다르게 나타날 수 있기 때문에 일반화하기 어려운 측 면이 있다. 향후 다양한 환경조건에 따른 장단기 시나리오 분석을 통해 면밀한 평가가 필요할 것으로 사료된다.