[논문]HSPF 유역모델을 이용한 낙동강유역 수질 예측

신창민; 김경현

doi:10.15681/kswe.2016.32.6.570

HSPF 유역모델을 이용한 낙동강유역 수질 예측
Operational Water Quality Forecast for the Nakdong River Basin Using HSPF Watershed Model 원문보기

한국물환경학회지 = Journal of Korean Society on Water Environment, v.32 no.6, 2016년, pp.570 - 581

신창민 (국립환경과학원 물환경연구부 물환경평가연구과) , 김경현 (국립환경과학원 물환경연구부 물환경평가연구과)

Abstract ▼ AI-Helper

A watershed model was constructed using the Hydrological Simulation Program Fortran to predict the water quality, especially chlorophyll-a concentraion, at major tributaries of the Nakdong River basin, Korea. The BOD export loads for each land use in HSPF model were estimated at $1.47{\sim}8.64kg/km^2/day$; these values were similar to the domestic monitoring export loads. The T-N and T-P export loads were estimated at $0.618{\sim}3.942kg/km^2/day$ and $0.047{\sim}0.246kg/km^2/day$, slightly less than the domestic monitoring data but within the range of foreign literature values. The model was calibrated at major tributaries for a three-year period (2008 to 2010). The deviation values ranged from -31.5~1.6% of chlorophyll-a, -24.0~2.2% of T-N, and -5.7~34.8% of T-P. The root mean square error (RMSE) ranged from 4.3~44.4 ug/L for chlorophyll-a, -0.6~1.5 mg/L for T-N, and 0.04~0.18 mg/L for T-P, which indicates good calibration results. The operational water quality forecasting results for chlorophyll-a presented in this study were in good agreement with measured data and had an accuracy similar with model calibration results.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 낙동강 주요 지류의 수질예측을 위하여 HSPF 유역모델을 이용하여 낙동강 주요 지류에 대해 수질 예측 모델을 구축하고 현업 수질예보의 수질 예측 정확성을 평가하였다. HSPF 유역모델의 구축을 위해 유역에서의 토지이용별 비점오염부하 유출 특성을 분석하였고 주요 지천에서의 모델 예측결과와 관측 수질의 비교를 통해 모델을 보정하였다.

가설 설정

2). 퇴적물과 연계된 오염물질의 거동은 토양으로부터 유출되는 오염물질의 양은 퇴적물의 양과 비례한다고 가정하여 모의하며, 철, 납, 인산염 같이 토양과 강력히 결합하는 오염물질의 모의에 이용된다. 일반적으로 유역에서의 비점오염물질 거동은 Fig.
하·폐수처리시설 등의 점오염원에서의 유출량 및 유출농도의 변화는 단기간에 걸쳐 크지 않다고 가정하여, 예보기간 동안 점오염원에서의 부하는 최근 7일 간의 평균 유출량 및 유출농도가 지속된다고 가정하였다.

제안 방법

HSPF 유역모델을 이용하여 낙동강 주요 지천에 대해 수질예보를 수행하였으며 매개변수는 보정시와 동일한 매개 변수를 적용하였다.
본 연구에서는 낙동강 주요 지류의 수질예측을 위하여 HSPF 유역모델을 이용하여 낙동강 주요 지류에 대해 수질 예측 모델을 구축하고 현업 수질예보의 수질 예측 정확성을 평가하였다. HSPF 유역모델의 구축을 위해 유역에서의 토지이용별 비점오염부하 유출 특성을 분석하였고 주요 지천에서의 모델 예측결과와 관측 수질의 비교를 통해 모델을 보정하였다. 수질 예측은 국립환경과학원의 수질예보시스템(Water Quality Forecast System)을 통해 운영되고 있으며 수질 예측결과의 정확성은 주요 하천의 관측 수질과 예측결과를 비교하여 평가하였다.
HSPF 유역모델의 수질 재현성은 유역 및 수체에서 각각 검토하였다. 일반적으로 하천 및 호소에서의 수질 보정은 모의 결과와 관측 수질과 비교하면서 두 시계열이 유사한 경향을 가지도록 시행-착오(trial-error)를 반복하며 보정계수를 최적화한다.
낙동강수계 주요 지천에 대해 HSPF 유역모델을 이용하여 수질예측모델을 구축하고 현업 수질예보의 수질예측 정확도를 평가하였다. 수질예측 정확도 향상을 위해 주요 지 천에서의 수질 보정뿐만 아니라 유역에서의 비점오염 유출 모의도 국·내외 비점유출 모니터링 결과와 비교를 통해 적절성을 검토하였다.
낙동강수계의 소유역분할은 유역경계도, 하천도 및 DEM (30×30m)을 이용하여 232개의 소유역으로 구분하였으며, 이를 다시 동일한 기상 및 유출특성을 갖는 32개의 segment로 그룹화 하였다.
보정된 HSPF 유역모델을 이용하여 낙동강수계 각 지류에서의 향후 7일간의 수질(Chlorophyll-a)을 예측하였다. 수질 예측을 위한 장래의 기상자료는 기상청의 주요 수치모델인 전지구예보모델(global data assimilation and prediction system, GDAPS) 및 지역예보모델(regional data assimilation and prediction system, RDAPS)의 결과자료인 GRIB (grided binary) 자료를 이용하였다.
본 연구에서는 유역에서의 비점오염부하에 대한 재현성 검토를 위해 환경부에서 환경기초조사사업으로 추진한 ‘비점오염원 유출 장기모니터링 사업(2008~2014)’을 통해 산정한 토지이용별 비점원단위(Park, 2016)를 참조하여 비점오염물질의 축적률 및 최대축적률 등 모델 변수를 설정 하였으며, 토지이용별 비점오염 유출 모의결과와 비점원 단위와의 비교를 통해 비점오염 유출 모의의 적정성을 검토하였다.
HSPF 유역모델의 구축을 위해 유역에서의 토지이용별 비점오염부하 유출 특성을 분석하였고 주요 지천에서의 모델 예측결과와 관측 수질의 비교를 통해 모델을 보정하였다. 수질 예측은 국립환경과학원의 수질예보시스템(Water Quality Forecast System)을 통해 운영되고 있으며 수질 예측결과의 정확성은 주요 하천의 관측 수질과 예측결과를 비교하여 평가하였다.
수질예측 정확도 향상을 위해 주요 지 천에서의 수질 보정뿐만 아니라 유역에서의 비점오염 유출 모의도 국·내외 비점유출 모니터링 결과와 비교를 통해 적절성을 검토하였다.
조류 성장의 계절적 변화 특성은 이러한 수온에 따른 조류성장율 조절에 의해 어느 정도 재현될 수 있다. 이렇게 수온에 의해 수정된 조류의 최대성장율에 Monod식에 의해 계산된 빛의 세기 및 영양물질 농도에 따른 제한 인자를 곱하여 실제 조류의 성장율을 계산한다.
수질 모의를 위한 대부분의 매개변수는 적절한 허용범위 내에서 매개변수를 변화시키면서 관측값과 모의값이 가장 잘 일치할 때의 값으로 추정하였다. 특히, 각 지류별 조류의 계절적 변화 특성은 조류 성장과 관련된 수온 영향 인자인 조류성장 하한온도(TALGRL), 상한온도(TALGRH), 최적온도(TALGRM)의 조정을 통해 보정하였으며, 영양물질 농도에 따른 조류 농도의 변화 특성은 낙동강 대부분 지류에서 인이 조류성장 제한인자라 MichaelisMenten식의 인 반포화 농도(CMMP) 및 최대 성장율(MALGR) 을 조정하여 보정하였다.

대상 데이터

보정된 HSPF 유역모델을 이용하여 낙동강수계 각 지류에서의 향후 7일간의 수질(Chlorophyll-a)을 예측하였다. 수질 예측을 위한 장래의 기상자료는 기상청의 주요 수치모델인 전지구예보모델(global data assimilation and prediction system, GDAPS) 및 지역예보모델(regional data assimilation and prediction system, RDAPS)의 결과자료인 GRIB (grided binary) 자료를 이용하였다. 기상예측모델의 공간적 해상도, 예측기간, HSPF 모델 적용방법 등은 선행연구(Shin et al.
본 연구에서는 유역에서의 비점오염부하에 대한 재현성 검토를 위해 환경부에서 환경기초조사사업으로 추진한 ‘비점오염원 유출 장기모니터링 사업(2008~2014)’을 통해 산정한 토지이용별 비점원단위(Park, 2016)를 참조하여 비점오염물질의 축적률 및 최대축적률 등 모델 변수를 설정 하였으며, 토지이용별 비점오염 유출 모의결과와 비점원 단위와의 비교를 통해 비점오염 유출 모의의 적정성을 검토하였다. 주요 하천에서 수질 재현성 검토는 환경부 수질 측정망 자료를 이용하여 2008년부터 2010년에 걸쳐 보정 하였다.

데이터처리

모델 보정을 위한 통계지표로 편차(deviation), root mean square error (RMSE)를 사용하였다. 편차는 전체 모의 기관에 대한 관측값과 모델 예측값의 상대적인 편차를 나타내는 지표이며, RMSE는 관측값과 모의값의 평균오차로써 모델의 정밀도를 나타내는 지표이다(Table 1).

이론/모형

기상자료는 대구기상관측소 등 19개의 기상관측소에서 관측한 기온, 강수량, 이슬점온도, 일사량, 운량, 증발량자료를 이용하였으며, 잠재증발산은 Jensen-Haise formula (Hummel et al., 2001)을 이용하여 산정하였다. 그 외 HSPF 모델 구축을 위한 기상, 오염원, 댐방류 및 취수에 대한 입력자료의 구축, 저수지 모의 방법 등은 선행연구(Shin et al.
낙동강수계의 소유역분할은 유역경계도, 하천도 및 DEM (30×30m)을 이용하여 232개의 소유역으로 구분하였으며, 이를 다시 동일한 기상 및 유출특성을 갖는 32개의 segment로 그룹화 하였다. 토지이용분류는 환경부 중분류토지피복지도(MOE, 2011)를 기준으로 도시, 논 및 습지, 농업, 산림, 수체로 구분하였다(Fig. 6).

성능/효과

낙동강수계 주요 지류에서의 수질 보정 결과 chlorophyll-a 의 평균 편차는 -31.5~1.6%, RMSE는 4.3~44.4 ug/L로 조류의 시·공간적 변동성 및 천이 특성을 고려 시 양호한 예측 정확도를 보였으며, T-N의 평균 편차는 -24.0~2.2%, RMSE는 0.6~1.5 mg/L이었으며, T-P의 평균 편차는 -5.7~34.8%, RMSE는 0.04~0.18 mg/L로 대부분의 지류에서 수질 모의 결과가 관측값을 잘 재현하였다.
본 연구의 서론에서 언급하였듯이, 결정론적 수질모델을 이용한 수질예보는 수치모델의 구조적 한계와 모델 초기조건, 경계조건, 보정계수의 불확실성 등으로 단기수질예보에 있어 한계점을 가지고 있어 일부 시기에는 조류의 시·공간적 변화에 대한 예측 정확도가 떨어지기도 하나 전체적으로 양호한 예측정확도를 보이고 있다.

후속연구

246 kg/km²/day의 범위를 나타내었다. 추후 보다 정확한 유역에서의 비점오염 유출 모의를 위해서는 해당 유역의 토지이용별 표면유출수 및 지하수에 대한 직접적인 모니터링과 그 결과를 이용한 모델의 재현성 검토가 필요할 것이다.
4 ug/L의 범위로 기상예측자료의 불확실성을 포함함에도 불구하고 모델의 보정결과와 유사한 정확도를 보이고 있다. 향후 수질예측도 향상을 위해서는 조류의 발생 및 천이 특성을 보다 정확히 재현할 수 있는 수치모델의 개선, 모델의 최적 초기장 설정을 위한 자료동화 기법의 적용, 기상 및 점오염원 등 모델 경계조건의 정확도 향상, 모델 보정계수 최적화를 통한 불확도 감소 등의 다각적인 노력이 필요할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수질예측모델에는 무엇이 있는가?	수질예보를 위한 수질예측모델은 유역에서의 유출량 및 오염부하를 모의하기 위한 Hydrological Simulation ProgramFortran (HSPF) 유역모델과 수계 본류구간에서의 수질모의를 위한 Environmental Fluid Dynamic Code (EFDC) 수질 모델을 결합하여 운용하고 있다.
	물관리 관계기간에는 무엇이 있는가?	go.kr:8080) 및 문자메시지를 통해 물관리 관계기간(환경부, 국토교통부, 산업통상자원부, 농림축산식품부와 그 소속기관, 지방자치단체, 한국환경공단, 한국수자원공사, 한국농어촌공사, 한국수력원자력(주), 수면관리자, 취수장 정수장)에 전달되어, 수질오염을 미리 예측하고 대응하는 사전예방적 수질관리에 활용되고 있다(Shin et al., 2013).
	결정론적 유역모델의 필요성이 증대되는 이유는 무엇인가?	이러한 결정론적 유역모델은 수질의 계절적 변동이나 오염원과 수생태의 장기적인 변동 특성 등의 연구에 주로 이용되고 있으나 단기 수질예보시에는 장래의 기상조건(강우량, 기온, 일사량 등) 및 모델 초기조건의 불확실성, 조류 등 수질변수의 단기간에 걸친 급격한 변동으로 인해 정확도에 많은 한계를 가지고 있다. 그러나 수질 수치모델의 개선, 시 공간적으로 보다 정밀한 관측자료의 생성, 관측자료를 이용하여 모델 초기장을 최적화하는 자료 동화기법의 적용, 수질 및 친수정보에 대한 인식의 증대로 인해 점차 수질예보에 대한 필요성이 증대되고 있다.

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표제어: PCR

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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